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BOMBA DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO TIPO TORNILLO UNI-FIM
INDICE
1.- INTRODUCCION………………………………………………………....Pág. 3
2.- OBJETIVOS.………………………………………………………………Pág. 4
3.- FUNDAMENTO TEORICO………………………………………………Pág. 4
4.- APARATOS………………………………………………………………. Pág. 13
5.- PROCEDIMIENTO………………………………………………………. Pág. 14
6.- CALCULOS Y RESULTADOS……………………...………………….. Pág. 15
7.-CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES…………………………..Pág. 21
8.- BIBLIOGRAFIA……………………………………………………………Pág. 21
LABORATORIO DE INGENIERIA MECANICA III Pág.2
BOMBA DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO TIPO TORNILLO UNI-FIM
INFORME Nº 1: BOMBA DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO TIPO
TORNILLO
1.- INTRODUCCION:
Las bombas de desplazamiento positivo han sido desarrolladas como
complemento y mejora de nuestro sistema de bombeo con bomba centrífuga.
Para ello, se ha diseñado un motor específico para impulsores de
desplazamiento positivo y un sistema de control que permite trabajar en el
punto de máxima potencia de los paneles sea cual sea la potencia disponible.
Estas bombas se dividen en rotatorias y reciprocantes, las cuales no solo se
utilizan para bajo volumen sino también para capacidades hasta de 2500 gpm.
Así mismo se emplean para líquidos viscosos, con los cuales las bombas
centrífugas no son muy eficaces.
En la presente experiencia de laboratorio se ensayo con una bomba de
desplazamiento positivo tipo tornillo marca MONO, modelo CAE 1021. Entre
algunas de sus ventajas tenemos que este tipo de bomba posee bajas
vibraciones mecánicas con flujo libre de pulsaciones y operaciones suaves,
además de tener un diseño sólido y compacto, fácil de instalar y mantener. La
aplicación de las bombas de tornillo cubre una gama de mercados diferentes,
tales como en la armada, en la marina y en el servicio de aceites combustibles,
carga marítima, quemadores industriales de aceite, servicio de lubricación de
aceite, procesos químicos, industria de petróleo y del aceite crudo, hidráulica
de potencia para la armada y las máquinas - herramientas y muchos otros.
Durante el ensayo se tomaron datos de presiones a la entrada y salida de la
bomba, así como de voltajes y corrientes del motor eléctrico que lo acciona.
También se midió el caudal que proporciona para diferentes velocidades de
rotación. Con todos estos datos se determinaran potencias hidráulicas,
eléctricas, eficiencias y se podrán graficar las curvas características de la
bomba de desplazamiento positivo.
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2.- OBJETIVOS:
Conocer el funcionamiento de una Bomba de Desplazamiento Positivo
tipo tornillo.
Obtener las curvas características de operación de la BDP tipo tornillo a
diferentes regimenes de velocidad.
3.- FUNDAMENTO TEORICO:
Bomba de Desplazamiento Positivo
Característica s Principales
Estas bombas guían al fluido que se desplaza a lo largo de toda su trayectoria,
el cual siempre está contenido entre el elemento impulsor, que puede ser un
embolo, un diente de engranaje, un aspa, un tornillo, etc., y la carcasa o el
cilindro. “El movimiento del desplazamiento positivo” consiste en el movimiento
de un fluido causado por la disminución del volumen de una cámara. Por
consiguiente, en una máquina de desplazamiento positivo, el elemento que
origina el intercambio de energía no tiene necesariamente movimiento
alternativo (émbolo), sino que puede tener movimiento rotatorio (rotor).
Sin embargo, en las máquinas de desplazamiento positivo, tanto reciprocantes
como rotatorias, siempre hay una cámara que aumenta de volumen (succión) y
disminuye volumen (impulsión), por esto a éstas máquinas también se les
denomina Volumétricas.
Con el nombre general de Bombas Positivas se conoce a las Bombas
Reciprocantes y a las Rotatorias, de las cuales a continuación expondremos
sus características principales.
Ventaja de las Bombas Positivas
Las bombas positivas tienen la ventaja de que para poder trabajar no necesitan
"cebarse”, es decir, no es necesario llenar previamente el tubo de succión y el
cuerpo de la bomba para que ésta pueda iniciar su funcionamiento, tal como
acontece en las bombas centrífugas. En las bombas positivas, a medida que la
bomba por sí misma va llenándose de líquido, éste va desalojando el aire
contenida en la tubería de succión, iniciándose el escurrimiento a través del
sistema cuando ha acabado de ser desalojado el aire.
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Clasificación de las Bombas de Desplazamiento Positivo
Bombas Reciprocantes
El funcionamiento de una Bomba Reciprocante depende del llenado y vaciado
sucesivo de receptáculos de volumen fijo, para lo cual cierta cantidad de agua
es obligada a entrar al cuerpo de la bomba en donde queda encerrada
momentáneamente, para después ser forzada a salir por la tubería de
descarga. De lo anterior se deduce, en términos generales, que el gasto de una
Bomba Reciprocante es directamente proporcional a su velocidad de rotación y
casi independiente de la presión de bombeo.
Como el proceso de llenado y vaciado sucesivo de receptáculos de volumen
fijo requiere fricción por resbalamiento entre las paredes estacionarias del
receptáculo y las partes móviles, estas bombas no son apropiadas para
manejar líquidos que contengan arenas o materias en suspensión. Además, la
variación cíclica del gasto de descarga puede obligar al empleo de Cámara de
aire y de grandes tuberías. Estas bombas son relativamente de baja velocidad
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de rotación, de tal manera que cuando tienen que ser movidas por motores
eléctricos deben ser intercaladas trasmisiones de engranes o poleas para
reducir la velocidad entre el motor y la bomba.
Clasificación:
Bombas de émbolo reciprocante.
Bombas de embolo reciprocante de descarga variable.
Bombas reciprocantes de diafragma.
Bomba de Diafragma
Ocasionalmente, las bombas reciprocantes están provistas de un diafragma
flexible recíprocamente en vez de un émbolo o pistón reciprocante, con lo cual
se elimina la fricción y las fugas en el punto donde el émbolo atraviesa la caja
de empaque. Un ejemplo de esta bomba queda ilustrado en la figura en la cual
el movimiento del diafragma es obtenido mediante una cama excéntrica y una
palanca; las válvulas de succión y de descarga trabajan en forma ordinaria.
Tales bombas son muy comunes en la actualidad para levantar combustible de
los tanques posteriores de los automóviles a los carburadores de los mismos.
Fig. 2
De Pistón
Fig. 3
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Bomba de Embolo
Los elementos de una Bomba Reciprocante, comúnmente llamada de émbolo o
de presión, están mostrados esquemáticamente en la figura 4. En ella puede
verse que, como la manivela o cigüeñal gira con una velocidad uniforme,
accionada por el motor, el émbolo o pistón se mueve hacia adelante y hacia
atrás en el cuerpo del cilindro; en el golpe hacia afuera un vacío parcial detrás
del émbolo permite a la presión atmosférica que obra sobre la superficie el
agua en el pozo hacer subir el agua dentro del tubo de acción, la cual, pasando
por la válvula de succión llena el cilindro; en el golpe hacia adentro, la válvula
de succión se cierre y el agua es presionada a salir hacia el tubo de descarga.
Fig. 4
Eficiencia Volumétrica de una bomba de émbolo:
Gasto ideal o teórico:
Gasto efectivo:
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Presión dinámica o de inercia que tiene lugar en las tuberías de descarga y de
succión de una bomba de émbolo:
o
Bomba Reciprocante de Embolo de Descarga Variable.
En sistemas de transmisión de circuito hidráulico cerrado, es algunas veces
necesaria una forma de bomba cuyo gasto de descarga pueda ser variado sin
cambiar la velocidad de rotación. Tal bomba está indicada en la figura, tiene un
cierto número de cuerpos cilíndricos paralelos A, hechos formando un bloque
B, que gira mediante engranes alrededor de un eje central.
Fig. 5
Los pistones o émbolos están articulados a un anillo D que es mantenido en
contacto con un platillo E, el cual puede inclinarse fuera de la perpendicular; de
este modo cuando el anillo D gira en conjunto con el bloque de cilindros,
también se balancea e imparte el movimiento reciprocante necesario a los
pistones o émbolos.
En estas bombas no son necesarias las válvulas que tienen las bombas de
émbolo antes descritas; en su lugar tienen dos entradas o ranuras
semicirculares que obturan las extremidades de los cilindros, una de las
entradas está conectada a la tubería de succión y la otra a la de descarga. Así
todos los cilindros del bloque en el lado en que suben los émbolos, que es
cuando se mueven éstos hacia afuera, son puestos en comunicación directa
con la tubería de succión, mientras que el líquido descargado de los cilindros
en los cuales bajan los émbolos, tienen salida libre al tubo de descarga.
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A fin de variar el gasto de descarga de la bomba, es necesario alterar la carrera
de los émbolos, lo cual puede hacerse cambiando el ángulo de inclinación del
plato E. Para este objeto el plato está montado sobre ejes, de tal modo que él
puede mecerse alrededor de un eje horizontal, transversal al eje principal de la
bomba. Mientras más normal se hace el plato E, menor será la descarga, hasta
que ésta cesa por completo cuando el plato E, es paralelo a F. Si se sigue
variando la inclinación, el escurrimiento vuelve a tener lugar; pero ahora en
sentido contrario, saliendo el líquido por el tubo en que antes se hacía la
succión.
Debido al hecho de que estas bombas son empleadas exclusivamente para
manejar aceite y de que todas las partes móviles están ahogadas en aceite, a
pesar del número de superficies de fricción que tienen, alcanzan una alta
eficiencia, de un ochenta por ciento o más. La presión media usual de trabajo
es de unos 35 kg/cm2.
Bombas Rotatorias
Estas bombas, como ya antes se dijo no tienen válvulas ni partes
reciprocantes; el movimiento del líquido es efectuado por la acción combinada
de dos elementos giratorios semejantes a las ruedas dentadas. En la bomba
Stone-Paramor, el elemento giratorio que es acoplado directamente a la flecha
motora, es un piñón de cuatro dientes que engrana con una corona dentada de
seis dientes.
Esta corona gira dentro de la armadura de la bomba a 2/3 de la velocidad con
que gira la flecha motora. Una lengüeta fija de forma creciente y saliente de la
armadura, impide el de descarga a la de succión. Cuando se bombea aceite
lubricante contra una presión de unos 7 kg/cm2 a esta máquina tiene una
eficiencia mecánica de más de 70% y una eficiencia, volumétrica de 95%. No
debe intentarse el emplearla para el bombeo de líquidos delgados. Debido a su
gasto de descarga casi uniforme, las bombas positivas rotatorias pueden
trabajar a grandes velocidades sin el peligro de que se presenten presiones de
inercia ni aún en el caso de no ser empleadas Cámaras de aire. Las bombas
Stone-Paramor, por ejemplo, con una capacidad de 720 litros por minuto
pueden trabajar a 300 r.p.m.
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Fig. 6: De Engrane
De Tornillo
Fig. 7
Las bombas de tornillo son un tipo especial de bombas rotatorias de
desplazamiento positivo, en el cual el flujo a través de los elementos de
bombeo es verdaderamente axial.
El líquido se transporta entre las cuerdas de tornillo de uno o más rotores y se
desplaza axialmente a medida que giran engranados.
La aplicación de las bombas de tornillo cubren una gama de mercados
diferentes, tales como en la armada, en la marina y en el servicio de aceites
combustibles, carga marítima, quemadores industriales de aceite, servicio de
lubricación de aceite, procesos químicos, industria de petróleo y del aceite
crudo, hidráulica de potencia para la armada y las máquinas - herramientas y
muchos otros.
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La bomba de tornillo puede manejar líquidos en una gama de viscosidad como
la melaza hasta la gasolina, así como los líquidos sintéticos en una gama de
presiones de 50 a 5.000 lb/pulg2 y los flujos hasta de 5.000 gpm.
Debido a la relativamente baja inercia de sus partes en rotación, las bombas de
tornillo son capaces de operar a mayores velocidades que otras bombas
rotatorias o alternativas de desplazamiento comparable.
Algunas bombas de lubricación de aceite de turbina adjunta operan a 10.000
rpm y aún mayores. Las bombas de tornillo, como otras bombas rotatorias de
desplazamiento positivo son de autocebado y tienen una característica de flujo
que es esencialmente independiente de la presión.
La bomba de tornillo simple existe sólo en número limitado de configuraciones.
La rosca es excéntrica con respecto al eje de rotación y engrana con las roscas
internas del estator (alojamiento del rotor o cuerpo).
Alternativamente el estator está hecho para balancearse a lo largo de la línea
de centros de la bomba.
Las bombas de tornillos múltiples se encuentran en una gran variedad de
configuraciones y diseños. Todos emplean un rotor conducido engranado con
uno o más rotores de sellado. Varios fabricantes cuentan con dos
configuraciones básicas disponibles, la construcción de extremo simple o
doble, de las cuales la última es la más conocida.
Como cualquier otra bomba, hay ciertas ventajas y desventajas en las
características de diseño de tornillo. Estos deben de reconocerse al seleccionar
la mejor bomba para una aplicación particular.
Entre algunas ventajas de este tipo tenemos:
Amplia gama de flujos y presiones.
Amplia gama de líquidos y viscosidad.
Posibilidad de altas velocidades, permitiendo la libertad de
seleccionar la unidad motriz.
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Bajas velocidades internas.
Baja vibración mecánica, flujo libre de pulsaciones y operaciones
suaves.
Diseño sólido y compacto, fácil de instalar y mantener.
Alta tolerancia a la contaminación en comparación con otras bombas
rotatorias.
Entre algunas desventajas de este tipo tenemos:
Costo relativamente alto debido a las cerradas tolerancias y claros de
operación.
Características de comportamiento sensibles a los cambios de
viscosidad.
La capacidad para las altas presiones requiere de una gran longitud
de los elementos de bombeo.
Las bombas rotatorias de desplazamiento positivo tienen muchos usos
diferentes en la industria de procesos químicos. Se debe pensar en ellas para
aplicaciones en donde pueden ser las mas adecuadas o, en ciertos casos, las
únicas que podrán efectuar el trabajo requerido.
Unidades Motrices
Para mover casi todas las bombas rotatorias se utilizan motores eléctricos.
También se utilizan turbinas de vapor, en especial en bombas de alta velocidad
como las de tres tornillos, que tienen aplicación en especial para bombear
lubricante y aceite de sello para compresores y turbinas grandes.
Desahogo de Presión y Sobrecarga del Motor
Para determinar el tamaño del propulsor, el ingeniero debe recordar que las
bombas rotatorias de desplazamiento positivo continúan bombeando cuando
aumenta la presión. Al contrario de la bomba centrífuga que llega a un límite de
presión y potencia a cierta velocidad, la rotatoria seguirá absorbiendo potencia
si aumenta la presión. Si el aumento en la potencia en muy grande se puede
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sobre cargar el motor, con lo cual funcionarían los dispositivos protectores y
producirían al paro del motor.
Materiales de Construcción
El hierro fundido y el bronce son los materiales más comunes, pero se pueden
necesitar bombas con carcasa y piezas internas de hierro dúctil, acero al
carbono y acero inoxidable para algunos procesos y se pueden obtener con
muchos fabricantes.
4.- APARATOS:
Una bomba de desplazamiento positivo tipo tornillo
Marca : MONO
Modelo: CAE 1021
Presion: 6 bar
Caudal: 2 litros/segundo
Diámetro de succión: 2 pulgadas
Diámetro de descarga: 2 pulgadas
Motor eléctrico trifásico
Marca : DELCROSA
Potencia: 2 HP
Voltaje: 220 V
Amperaje: 8A
Velocidad rotacional: 1150 RPM
Sistema de transmisión por fajas
Numero de fajas: 2
Diámetro de polea motriz: 3 pulgadas
Diámetro poleas conducidas: 6, 8, 10,12 y 14 pulgadas (intercambiables)
Tanque de Recirculación de 1.5m3 de capacidad.
Tanque de Aforo para la medición de caudal.
Medidor de flujo tipo placa orificio con manómetro de columna de
Mercurio.
Válvulas de control de flujo y de presión.
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Manómetro tipo Bourdon para la medición de la presion de descarga de
la BDP.
Tablero de control para la medición de las RPM, voltaje y corriente.
5.- PROCEDIMIENTO
Verificar que la energía eléctrica este disponible.
Verificar el sentido de giro del eje de la bomba. El sentido correcto es el
horario.
Verificar que la instalación del sistema de transmisión este correcto.
Chequear la tensión en la faja.
Verificar que la válvula de alivio se abra a 7 bar de presion.
Regular la presion de descarga a 1 bar.
En el tablero de control regular la velocidad de rotación a 400 RPM
Anotar los datos de tensión, corriente, diferencia de presiones en el
manómetro de columna de Mercurio.
Luego se regula la presion de descarga a 2, 3 y 4 bar (a las mismas 400
RPM) y para cada caso se toman los mismos datos.
A continuación se desarrollan los mismos pasos para las velocidades de
rotación de 600, 800 y 900 RPM.
6.- CALCULOS Y RESULTADOS:
Primeramente, debemos ordenar en un cuadro los datos obtenidos de los
ensayos de laboratorio.
Debemos tener presente que, las velocidades que se indican corresponden a
las diferentes velocidades del motor que se controla mediante el panel eléctrico
y transmite movimiento a la bomba a través de un sistema de fajas y poleas.
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Así tenemos:
N = 400 RPMPunto P1 (bar.) P2 (bar.) ∆h (cm.Hg) V (volt.) I (amp)
1 0 1 9,7 82 4,62 0 2 8,2 84 5,03 0 3 7,5 86 5,84 0 4 5,8 89 7,0
N = 600 RPMPunto P1 (bar.) P2 (bar.) ∆h (cm.Hg) V (volt.) I (amp)
1 0 1 18,8 117 4,62 0 2 17,1 118 5,03 0 3 14,9 121 5,74 0 4 11,5 123 6,6
N = 800 RPMPunto P1 (bar.) P2 (bar.) ∆h (cm.Hg) V (volt.) I (amp)
1 0 1 31,9 152 4,52 0 2 29,8 154 4,93 0 3 26,4 156 5,54 0 4 21,8 158 6,4
N = 900 RPMPunto P1 (bar.) P2 (bar.) ∆h (cm.Hg) V (volt.) I (amp)
1 0 1 38,2 169 4,52 0 2 36,8 171 4,93 0 3 32,9 173 5,54 0 4 27,3 175 6,4
Para el cálculo de la potencia hidráulica y eléctrica, así como la eficiencia del
grupo, es necesario conocer algunas características del sistema.
En el medidor de caudal tipo placa – orificio, se conocen los diámetros de la
tubería y del orificio, así como su coeficiente de descarga.
El coseno del ángulo de fase en el motor eléctrico trifásico es igual a:
Los diámetros de las poleas tanto en el motor como en la bomba están en la
relación de:
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Aplicaremos las siguientes fórmulas:
Caudal
)
, ,
Presión efectiva
(bar.)
Potencia hidráulica
(W)
Potencia eléctrica
(W)
Eficiencia del grupo
Aplicando las fórmulas mencionadas a los datos obtenidos de laboratorio,
obtenemos los siguientes cuadros de resultados, que utilizaremos para la
elaboración de las graficas requeridas.
N = 400 RPM
∆h (m.H2O) Q (lts/seg.) ∆P (bar.) Ph (W) Pelec.(W) ngr
1,319 0,5826 1,0 58,263 489,997 0,11891,115 0,5357 2,0 107,137 545,596 0,19641,020 0,5123 3,0 153,694 647,960 0,23720,789 0,4505 4,0 180,210 809,301 0,2227
N = 600 RPM
∆h (m.H2O) Q (lts/seg.) ∆P (bar.) Ph (W) Pelec.(W) ngr
2,557 0,8111 1,0 81,112 699,142 0,11602,326 0,7736 2,0 154,715 766,432 0,20192,026 0,7221 3,0 216,630 895,947 0,24181,564 0,6344 4,0 253,754 1054,559 0,2406
N = 800 RPM
∆h (m.H2O) Q (lts/seg.) ∆P (bar.) Ph (W) Pelec.(W) ngr
4,338 1,0566 1,0 105,657 888,542 0,1189
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4,053 1,0212 2,0 204,241 980,254 0,20843,590 0,9612 3,0 288,355 1114,575 0,25872,965 0,8734 4,0 349,376 1313,587 0,2660
N = 900 RPM
∆h (m.H2O) Q (lts/seg.) ∆P (bar.) Ph (W) Pelec.(W) ngr
5,195 1,1562 1,0 115,621 987,918 0,11705,005 1,1348 2,0 226,965 1088,464 0,20854,474 1,0730 3,0 321,902 1236,035 0,26043,713 0,9774 4,0 390,972 1454,923 0,2687
Caudal vs Presion
N = 771,42 RPM
N = 685,71 RPM
N = 514,28 RPM
N = 342,85 RPM
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5Presion efectiva P (bar.)
Cau
dal
Q (
lts/
seg
)
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Eficiencia del grupo vs Presion
N = 342,85 RPM
N = 514,28 RPM
N = 771,42 RPMN = 685,71 RPM
0,11
0,13
0,15
0,17
0,19
0,21
0,23
0,25
0,27
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4Presion efectiva (bar.)
Efi
cie
nc
ia d
el g
rup
o
Potencia Hidraulica vs Presion
N = 771,42 RPMN = 685,71 RPM
N = 514,28 RPM
N = 342,85 RPM
50
100
150
200
250
300
350
400
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5
Presion efectiva P (bar.)
Po
ten
cia
hid
rau
lica
(W)
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Potencia Electrica vs Presion
N = 342,85 RPM
N = 514,28 RPM
N = 685,71 RPM
N = 771,42 RPM
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5Presion efectiva P (bar.)
Po
ten
cia
elec
tric
a (W
)
Potencia Hidraulica vs RPM Bomba
P = 4 bar.
P = 3 bar
P = 2 bar
P = 1 bar
50
100
150
200
250
300
350
400
300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
RPM Bomba
Po
ten
cia
hid
rau
lica
(W)
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Caudal vs RPM Bomba
P = 4 bar
P = 3 bar
P = 2 barP = 1 bar
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
RPM Bomba
Cau
dal
Q (
lts/
seg
)
Eficiencia del grupo vs RPM Bomba
P = 1 bar
P = 2 bar
P = 4 bar
P = 3 bar
0,10
0,12
0,14
0,16
0,18
0,20
0,22
0,24
0,26
0,28
300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800RPM Bomba
Efi
cien
cia
del
gru
po
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7.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:
Lo indicado para esta experiencia es variar el diámetro de la polea del
eje y no variar el voltaje ni le amperaje, ya que esto no da una optima
utilización del motor.
Se nota una baja eficiencia debido a la rugosidad de las tuberías y
seguro debido al mal estado de la bomba. Ya que por teoría sabemos de
su alta eficiencia de bombeo.
Se debe supervisar que el amperaje que indica el tablero no supere los
7 A por motivos de seguridad
Se debe tener cuidado al momento de la lectura del manómetro, ya que
para potencias elevadas, la diferencia de alturas puede sobrepasara el
rango de valores leíbles en dicho instrumento.
De las graficas mostradas podemos concluir que para una velocidad
determinada de bombeo, al aumentar la presión, el caudal bombeado
disminuye y la potencia hidráulica aumenta.
Al aumentar las RPM de la bomba, manteniendo la presión constante,
logramos que la potencia hidráulica y el caudal bombeado se
incrementen.
Manteniendo una presión efectiva constante, los parámetros tales como
la potencia hidráulica y eléctrica, el caudal bombeado y la eficiencia del
grupo se incrementan al aumentar las revoluciones por minuto de la
bomba.
8.- BIBLIOGRAFIA:
1.- Manual de Laboratorio de Ingeniería Mecánica III………UNI-FIM
2.- Bombas y Turbinas………………………………………....Francis J.K.
3.- Web: http:monografias.com/bombas de desplazamiento positivo
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