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GUÍA DE PRÁCTICA LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS I
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ASUNTO BOMBAS EN SERIE Y PARALELO
TIPO DE DOCUMENTO: Manual de operación
Manual de mantenimiento
Manual de seguridad
Procedimiento
Material de evaluación
Trabajo dirigido
Instructivo de trabajo
Guía de práctica
Guía Teórica
Otro: _________________ Este documento es: Controlado No controlado
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BOMBAS EN SERIE Y PARALELO
Válido a partir del 06 de febrero de 2011
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DISEÑO Y MONTAJE ORIGINAL: AUTOR:
ELABORADO POR: FAJARDO C. FECHA: MARZO 2007
REVISADO POR: COMISIÓN MATERIAL INSTRUCCIONAL FECHA: MARZO 2008
APROBADO POR: ANA VIDOVIC FECHA:
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INDICE
1. OBJETIVOS 3
1.1. Objetivo General 3
1.2. Objetivos Específicos 3
1.3. Objetivos del Informe de Síntesis 3
2. PLAN DE TRABAJO 4
3. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 4
3.1. Generalidades 4
3.2. Curvas características de una Bomba Centrífuga 5
3.3. Curva de demanda del sistema 5
3.4. Punto de operación 6
3.5. Funcionamiento de bombas en serie 8
3.6. Funcionamiento de bombas en paralelo 9
4. DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN 10
5. MEDIDAS E IMPLEMENTOS DE SEGURIDAD 11
6. MÉTODO EXPERIMENTAL 11
7. PREINFORME 11
8. BIBLIOGRAFÍA 12
Anexo 1 Datos nominales proporcionados por el fabricante de las bombas. 13
Anexo 2 Resumen de las normas ISA para el trazado de diagramas de flujo en el departamento de procesos
químicos. 14
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1. OBJETIVOS
1.1. Objetivo General
Realizar el estudio del funcionamiento de un sistema de bombas operando en serie y en paralelo.
1.2. Objetivos Específicos
Elaborar la curva característica experimental, carga en función del caudal, Hexp= f(Qexp), de cada
bomba funcionando de forma individual.
Elaborar la curva característica, carga en función del caudal Hnom= f (Qnom), de la bomba con los
datos nominales de carga en función de caudal suministrados por el fabricante.
Comparar cada curva característica H=f(Q) experimental con la realizada con los datos del fabricante.
Elaborar las curvas experimentales de la carga en función del caudal H=f(Q) para los funcionamientos
en serie y en paralelo. Comparar ambos tipos de funcionamiento.
Construir, a partir de los resultados experimentales de los funcionamientos individuales, las curvas de
la carga en función del caudal para los funcionamientos en serie y en paralelo. Comparar estas
curvas con las anteriores.
1.3. Objetivos del Informe de Síntesis
El grupo asignado a realizar el informe de síntesis de este trabajo práctico estudiará la reproducibilidad de
los resultados obtenidos en cada experiencia, para ello, debe cumplir con los siguientes objetivos:
Reportar en un mismo gráfico los puntos experimentales obtenidos en cada experiencia para el
funcionamiento individual de las bombas.
Reportar en un mismo gráfico los puntos experimentales obtenidos en cada experiencia para el
funcionamiento operando en serie con las bombas.
Reportar en un mismo gráfico los puntos experimentales obtenidos en cada experiencia para el
funcionamiento operando en paralelo con las bombas.
Estudiar la dispersión de los resultados experimentales con el uso de la desviación estándar y
comentar sobre la reproducibilidad.
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2. PLAN DE TRABAJO
En concordancia con el estudio de reproducibilidad de resultados sobre la instalación, todos los grupos
realizarán experiencias de manera de recabar la información necesaria para el trazado de las curvas
características ya mencionadas, tomando en cuenta las limitaciones del equipo.
3. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
3.1. Generalidades
Una bomba es una máquina que transforma energía mecánica en energía hidráulica, la cual es entregada
a un líquido para que éste presente una mayor presión a la salida de la misma y pueda ser transportado hasta un
punto deseado. El motor de la bomba transforma energía eléctrica en energía mecánica.
En la industria química se trabaja con una gran variedad de líquidos con propiedades físicas y químicas
diferentes, al igual que las condiciones de temperaturas y presión; por lo tanto, ha sido necesario construir
diferentes tipos de bombas dependiendo de las condiciones de utilización. Entre estos tipos de bombas se
distinguen: las alternativas o de pistón, las rotativas o de engranajes y las centrífugas; siendo estas últimas las
más utilizadas, en especial, por su bajo costo.
Una bomba centrífuga está constituida, principalmente, por
un rodete con álabes, que impulsan al líquido, alojado en una
carcasa. El rodete o impulsor está fijado a un eje que gira,
mientras que la carcasa se mantiene fija.
El líquido entra por la tubería de succión, en donde se tiene
la menor presión y sale por la tubería de descarga a una mayor
presión. En la figura 1 se representa un corte de una bomba
centrifuga con impulsor cerrado.
Figura 1: Representación de una bomba centrífuga.
Tubería de succión
Tubería de
descarga
Carcaza
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Ventajas Desventajas
Son de bajo costo. Se obtienen presiones relativamente bajas.
Trabaja con caudal elevado y homogéneo. El rendimiento es bajo si el líquido es viscoso.
Se pueden utilizar con líquidos con
suspensiones.
El rendimiento es elevado sólo para un
intervalo pequeño de caudal.
3.2. Curvas características de una Bomba Centrífuga
El funcionamiento de una bomba centrífuga se representa por tres curvas características, las cuales son la
carga (H), la potencia al freno (N) y el rendimiento ( ) en función del caudal (Q), para una velocidad de rotación
del motor constante (n). Los fabricantes de las bombas dan estas curvas, basadas en el agua, superpuestas en
una sola hoja. En la figura 2, se muestran la forma que tiene cada una de las curvas mencionadas para una
bomba centrifuga radial, también se muestra el punto de máximo rendimiento (PMR), para esta bomba.
Figura 2: Curvas características de una bomba centrífuga a una velocidad de rotación constante.
3.3. Curva de demanda del sistema
La curva de demanda del sistema es la gráfica de la carga necesaria en función del caudal para el sistema
considerado. Es importante diferenciar esta curva de la anterior: en la curva característica se grafica la carga
disponible de la bomba, la cual disminuye con el caudal; mientras que en la curva de demanda, la carga necesaria
aumenta con el caudal.
PRM
H
Q(l/s)
H(m)
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La curva de demanda del sistema se construye aplicando la ecuación de Bernoulli al sistema considerado,
entre los puntos E y S, como se muestra en la figura 3, y despejando la carga necesaria para varios valores de
caudal.
Toda instalación tiene una válvula de regulación de caudal; si se cambia la apertura de esta válvula, se
estará modificando su pérdida de carga y por ende también la curva del sistema, pudiéndose graficar una curva
del sistema para cada posición de la válvula de regulación, en la figura 3, se tiene una curva (a) con la válvula de
regulación totalmente abierta y una curva (b) con la válvula de regulación parcialmente abierta. Se puede observar
que, a medida que se cierra la válvula, aumenta la carga necesaria, esto se debe al aumento de la pérdida de
carga.
Figura 3: Curvas de demanda del sistema para la instalación mostrada.
3.4. Punto de operación
Se ha visto que la curva característica de una bomba proporciona la carga disponible, mientras que la
curva de demanda del sistema representa la carga necesaria; por lo tanto, el punto de operación corresponde a la
intersección de ambas curvas, que es cuando se igualan las dos cargas. En la figura 4 se puede observar los
puntos operacionales para los casos considerados anteriormente, el QA corresponde al caudal de operación
cuando el sistema tiene la válvula de regulación totalmente abierta, mientras que el QB es el caudal de operación
cuando la válvula está parcialmente abierta. Se puede observar que al cerrar la válvula, evidentemente, el caudal
es menor.
ZS -
ZE
Patm
Patm
E
S
H
Z=ZS - ZE
Q
(b) Curva del sistema con
la válvula parcialmente
abierta
H’= p+ Z+f.ctte’.Q2
(a) Curva del sistema con
la válvula totalmente
abierta
H= p Z+f.ctte.Q2
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Figura 4: Obtención gráfica de los puntos de operación.
Como se dijo al principio, una de las desventajas de las bombas centrífugas es que se obtiene un
rendimiento elevado solo para un rango pequeño de caudal, por lo tanto es importante verificar que el punto de
operación se encuentre dentro de este rango; siendo el caudal óptimo aquél que corresponde al punto de máximo
rendimiento PMR (ver figura 5).
Figura 5: Punto de operación (Q y H) y óptimo (Q0 y H0)
QA
HA
Z
Curva característica de la bomba
Válvula totalmente abierta
Punto de operación
HB
QB
Válvula parcialmente abierta
H
Q
Punto de operación
Qóptimo
Hóptimo
Carga de la bomba
PMR
Carga del sistema
Q
H
máx
Q
H
Curva de rendimiento
Punto de operación
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Durante la manipulación de esta práctica, se trabaja con una bomba y varios sistemas. Cada sistema
corresponde a una apertura diferente de la válvula, obteniéndose varios puntos operacionales; la unión de estos
puntos nos permite obtener la curva característica de la bomba (ver figura 6).
Figura 6: Obtención experimental de la curva característica de la bomba.
3.5. Funcionamiento de bombas en serie
Se dice que dos bombas funcionan en serie cuando la totalidad del líquido que sale de una bomba entra
en la siguiente, como se representa en la figura 8.
QT=QA=QBQA QB=QA
HA HT=HA+HB
Bomba A Bomba B
Figura 8: Esquema del funcionamiento de bombas en serie.
Se puede observar que el caudal que circula por cada bomba es el mismo, mientras que la carga total
recibida por el líquido es la suma de las cargas entregadas por las bombas:
QT = QA = QB HT = HA + HB
Curva característica de la bomba
Q1
H1
Z
H2
Q2
H
QQ3Q4
H3
Cada curva
corresponde a
una apertura
diferente de la
válvula
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A partir de las ecuaciones anteriores se puede obtener la curva característica para el funcionamiento en
serie (ver figura 9).
Figura 9: Curva característica para el funcionamiento en serie.
Esta curva característica se puede construir de forma teórica a partir de los valores de cada bomba
funcionando individualmente o experimentalmente midiendo en la instalación el aumento de presión ocasionado
por el funcionamiento de ambas bombas en serie.
3.6. Funcionamiento de bombas en paralelo
Se dice que dos bombas funcionan en paralelo cuando el caudal total de líquido que circula en el sistema
se divide en dos partes, entrando cada una de ellas a una bomba y luego se vuelven a unir; como se representa
en la figura 10.
QT=QA+QB
QA
HT=HA=HB
HA
HB
Bomba A
Bomba B
QB
Figura 10: Esquema del funcionamiento de bombas en paralelo.
HA
HB
HT=HA+HBBomba A y B en serie
Bomba A
Bomba B
QT Q
H
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Se puede observar que el caudal total es la suma de los caudales que circulan por las bombas,
efectuándose esta división de caudal de tal forma que la carga entregada por cada bomba sea la misma:
QT = QA + QB
HT = HA = HB
A partir de las ecuaciones anteriores se puede obtener la curva característica para el funcionamiento en
paralelo (ver figura 11).
Figura 11: Curva característica para el funcionamiento en paralelo.
Esta curva característica se puede construir de forma teórica a partir de los valores de cada bomba
funcionando individualmente o experimentalmente midiendo en la instalación el aumento de presión ocasionado
por el funcionamiento de ambas bombas en paralelo.
Haciendo un aparte en el estudio de la mecánica de los fluidos, encontramos un concepto estadístico que
debe manejarse y comprenderse bien (sobre todo en lo referente al Informe de Síntesis) y se refiere al significado
de la palabra reproducibilidad, el cual representa la máxima variación permisible en los resultados obtenidos en la
aplicación de un método de análisis determinado, aplicado por diferentes operadores en laboratorios diferentes y
en fechas diferentes. Es conveniente entonces, que el estudiante conozca y maneje algunas herramientas básicas
de estadísticas como son la media aritmética y la desviación estándar de un conjunto de datos y/o resultados
numéricos.
4. DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN
La instalación está constituida por:
Un tanque.
Dos bombas centrífugas de 1/2 Hp; Marca: Mardal; Tipo: Centrífuga de un impulsor; Modelo: MAR 2.
QQT=QA+QB
Bomba B
QA
H
QB
Bomba A
HT
Bomba A y B en
paralelo
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Un indicador de flujo tipo vórtice.
Dos transmisores de diferencial de presión.
Válvulas de paso rápido y de regulación de caudal.
5. MEDIDAS E IMPLEMENTOS DE SEGURIDAD
Verificar que el nivel de agua en el tanque sea suficiente para realizar la experiencia.
No haga operar las bombas en vacío ni con restricción total de flujo.
No cerrar en ningún momento la válvula de descarga del sistema.
6. MÉTODO EXPERIMENTAL
6.1. Verificar que se cumplan todas las medidas de seguridad.
6.2. Conectar el sistema para trabajar solamente con la bomba A. Variar el flujo y medir la diferencia de
presión correspondiente.
6.3. Conectar el sistema para trabajar solamente con la bomba B. Variar el flujo y medir la diferencia de
presión correspondiente.
6.4. Conectar el sistema de bombas para un funcionamiento en serie. Variar el flujo y medir las diferencias de
presión.
6.5. Conectar el sistema de bombas para un funcionamiento en paralelo. Variar el flujo y medir las diferencias
de presión.
7. PREINFORME
Deducir la ecuación de la carga de la bomba (H) en función de la lectura manométrica ( p/ g).
Elaborar las curvas nominales H=f(Q) (en el anexo se encuentra la tabla dada por el fabricante), así como
también las curvas del funcionamiento en serie y paralelo.
Indicar la variable independiente, las variables dependientes y el parámetro.
Indicar y explicar todos los mecanismos de transferencia que están involucrados en la práctica es decir:
transferencia de calor, transferencia de materia y transporte de cantidad de movimiento (transporte de
fluido) e indicar cuál de ellos es el que predomina en la práctica en estudio.
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Elaborar una tabla de los datos experimentales que serán tomados en la práctica, indicando las variables
a medir y sus respectivas unidades.
Elaborar un modelo de cálculo detallado para la ejecución de cada uno de los objetivos propuestos en la
práctica.
Elaborar una tabla para los resultados que se obtendrán en la práctica, en función de los objetivos
planteados.
Elaborar el Diagrama de flujo de la instalación utilizando el software Microsoft office Visio y siguiendo los
lineamientos de la unidad curricular Principios de Procesos Químicos
Consultar la ficha de seguridad química de los reactivos involucrados en la práctica y mencionar cuales
serían las medidas de seguridad en caso de derrames y fugas para estos reactivos.
8. BIBLIOGRAFÍA
HANDBOOK OF FLUID MECHANICS. USA. McGraw HiII. 1974.
Mott, Robert. MECÁNICA DE FLUIDOS APLICADA. Prentice Hall. 4° edición.
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Anexo 1
Datos nominales proporcionados por el fabricante de las bombas.
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Anexo 2
Resumen de las normas ISA para el trazado de diagramas de flujo en el departamento de procesos
químicos.
CODIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS
LÍNEAS UTILIZADAS EN DIAGRAMAS DE FLUJO
CODIFICACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN
Línea principal del proceso
Línea secundaria o de servicio
Señal neumática
Señal electrica
Alimentación inicial, materia prima
letras que
identifican al equipo
XX A/BZZY
Indican equipos en
paralelo
Número asignado al equipocódigo de la instalación
LÍNEAS DE SERVICIOS
HW (Hot Water) Suministro de agua caliente
CW (Cool Water) Suministro de agua de enfriamiento
TW (Treatment Water) Suministro de agua desmineralizada
HO (Hot oil) Aceite caliente
SÍMBOLOS DE DIFERENTES VÁLVULAS
Válvula de compuerta
Válvula de aguja
Válvula de retención
Válvula de alivio
Válvula de asiento
Válvula de diafragma
Válvula de paso rápido
MISCELANEOS
MTO1 Molienda, tamizado y caracterización de los sólidos.
MTO2 Pérdida de carga en tuberías.
MTO3 Medidores de flujo en tuberías.
MTO4 Permeametría, Fluidización homogénea y sedimentación.
MTO5 Bomba centrifuga.
MTO6 Bombas en serie y paralelo.
MTO7 Medidores de flujo en canal abierto.
MTO8 Filtración.
MTO9 Estudio del tiempo de vaciado de un tanque.
TM01 Hidrodinámica de columna.
TM02 Absorción.
TM03 Destilación.
TM04 Extracción Torre pulsada.
TE04 Arrastre con vapor
TE05 Refrigeración
CÓDIGO DE LAS INSTALACIONES
MEDIDORES DE FLUJO
(Orifice flowmeter)
Placa de orificio
F
(venturi flowmeter)
Tubo de venturi
F
(turbine flowmeter)
Contador volumétrico
tipo turbina
F
(Rotameter)
Rotametro
FI
F
(Rotameter)
Rotametro (flowmeter)
Flujometro Magnético
(Punto de Análisis)
Punto de análisis
AI
01
(Indicador de Presión)
manómetro de Bourdon
PI
01
(Indicador de Temperatura)
Termopar, termometro
TI
01
Indicador de nivel con
tubo de vidrio
Nota
Para la realización de los diagramas de flujo de las instalaciones de planta
piloto, utilice los símbolos que proporciona el Microsoft Visio
PManómetro en U
Trampa de vaporEyector
Agitador
Drenaje abierto
Tanque