CONTENIDO TESIS

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO-ESCUELA ACADMICO PROFESIONAL DE INGENIERA MECNICA

PRESENTACION SEORES MIEMBROS DEL JURADO:En conformidad con lo prescrito por el Reglamento de Grados y Ttulos de la Escuela Acadmico Profesional de Ingeniera Mecnica de la Universidad Nacional de Trujillo, presento trabajo de investigacin titulado: a su consideracin el presente DE LA EFICIENCIA VARIACIN

VOLUMTRICA DE LA BOMBA CENTRFUGA DE IMPULSOR CERRADO, CON LA HOLGURA RADIAL EN LOS ANILLOS DE DESGASTE. El presente trabajo se realiz con la finalidad de determinar la relacin funcional entre la eficiencia volumtrica con la holgura radial en los anillos de desgaste de la bomba centrfuga tipo horizontal de impulsor cerrado. Trujillo, Abril del 2005. Br. CARLOS HUMBERTO ROMERO GAMBOA


AGRADECIMIENTODeseo dejar expresado mi profundo agradecimiento a los Docentes de nuestra Universidad en todas sus especialidades que por su labor encomiable durante los aos que pas en la Universidad contribuyeron a mi formacin acadmico-profesional. Reconozco la labor efectuada por los Seores Catedrticos de la Facultad de Ingeniera y de manera muy especial a aquellos de la Escuela de Ingeniera Mecnica. El presente es precisamente la conclusin de la etapa que empez en las aulas universitarias. Tambin dejo constancia de mi sincero agradecimiento a los seores asesores y tcnicos del Complejo Agroindustrial Cartavio por su valiosa contribucin en el desarrollo del presente trabajo de investigacin.

CARLOS HUMBERTO ROMERO GAMBOA.


RESUMENEl presente trabajo de investigacin determina la relacin funcional entre la eficiencia volumtrica debida a la fuga por los anillos de desgaste con la holgura radial entre ellos, desarrollando un mtodo de evaluacin de la eficiencia de la bomba centrfuga. El estudio se basa en los datos de prueba de la bomba centrfuga Ingersoll Rand 6ALVS de doble succin instalada en la fbrica de azcar del Complejo Agroindustrial Cartavio SAA. para diferentes condiciones de holgura radial en los anillos de desgaste. Los resultados demostraron que al incrementar la holgura radial en los anillos de desgaste, la fuga ejerce una reduccin sobre la altura total de la bomba. Adems se observa la tendencia de llegar a ser constante el efecto de la fuga sobre la eficiencia volumtrica de la bomba cuando la holgura llega a valores mximos de 0,040, 0,042 y 0,044. Esto supone que un intercambio de energa significativa entre el lquido que ingresa y el lquido que retorna a la entrada del impulsor en forma de fuga contrarresta la reduccin de la altura total, la cual de otro modo hubiera ocurrido. Del estudio se concluye que la eficiencia volumtrica cae hasta el 70% para sus valores mximos de la holgura radial. En el rango de caudal de +/-10% del caudal de diseo, para bombas centrfugas con velocidad especfica ns = 835,6 (RPM, GPM, pies); por cada milsima de pulgada (0,001) de aumento de la holgura radial en los anillos de desgaste, la eficiencia total de la bomba centrfuga cae 1,4% puntos. PALABRAS CLAVES: Eficiencia de la bomba centrifuga, holguras en los anillos de desgaste.


ABSTRACTThe present investigation work determines the functional relationship among the volumetric efficiency due to the leakage between wearing rings about the wearing rings gaps of the centrifugal pump, developing an evaluation method to determine the effect of opened-up ring clearances on pump efficiency. The study is based on the data of horizontal split double suction Ingersoll Rand 6ALVS centrifugal pump tests installed in the factory of sugar at Complejo Agroindustrial Cartavio SAA. for different conditions of gaps between wearing rings. The results showed that to increase the radial clearance between wearing rings, the leakage exerts a reduction on the total head of the centrifugal pump. Also we observe the tendency to become the effect of the leakage constant on the volumetric efficiency of the pump when the width of the gaps is increased to maximum values of 0,040, 0,042 and 0,044. This supposes that an exchange of significant energy between the incoming liquid and the liquid which is returning to the impeller-inlet in the form of leakage, arrest the reduction of the total head which would have otherwise occurred. From the study is concluded that the volumetric efficiency falls off to the 70% for its maximum values of the width of gaps between wearing rings. In the range of + /- 10% of the design flowrate, for centrifugal pumps with specific speed ns = 835,6 (RPM, GPM, feet); by each thousandth of inch (0,001) of increase of the radial clearance in the wearing rings, the total efficiency of the centrifugal pump falls 1,4% points. KEY WORDS: Centrifugal pump efficiency, wearing-ring clearances.


INDICE ANALTICOPRESENTACIN............................................................................................. AGRADECIMIENTO........................................................................................ RESUMEN....................................................................................................... ABSTRACT...................................................................................................... INDICE ANALITICO......................................................................................... LISTA DE FIGURAS........................................................................................ I II III IV V XI

LISTA DE SIMBOLOS..................................................................................... VIII LISTA DE GRAFICOS..................................................................................... XII LISTA DE TABLAS Y CUADROS.................................................................... XIV

CAPTULO I INTRODUCCIN............................................................................................. 2 1.1.Enunciado del Problema............................................................................ 15 1.2.Hiptesis.................................................................................................... 15 1.3.Objetivos.................................................................................................... 15 1.4.Delimitacin del trabajo de investigacin.................................................. 15

CAPITULO II METODOLOGA EXPERIMENTAL................................................................ 17 2.1.Equipos y materiales empleados............................................................... 18 2.1.1.Bomba centrfuga horizontal............................................................. 18 2.1.2.Motor elctrico.................................................................................. 19 2.1.3.Instrumentos de medicin................................................................. 19 2.2.Esquema general de la Instalacin de pruebas de la bomba centrifuga. . 20 2.3.Magnitudes de medicin y parmetros de clculo.................................... 22 2.3.1..Magnitudes de control y medicin................................................... 22 2.3.2..Parmetros de clculo..................................................................... 22


2.3.2.1.Altura Total........................................................................... 22 2.3.2.2.Potencia hidrulica............................................................... 23 2.3.2.3.Potencia en el eje................................................................. 23 2.3.2.4.Eficiencia Total de la bomba centrfuga............................... 23 2.3.3..Parmetros de clculo de eficiencia hidrulica............................... 24 2.3.3.1.Eficiencia hidrulica de la bomba centrifuga............................24 2.3.4..Clculo de la Fuga volumtrica por los anillos de desgaste........... 24 2.3.4.1.Clculo de la potencia para compensar el rozamiento del impulsor....................................................................................25 2.3.4.2.Eficiencia volumtrica de la bomba centrifuga.........................25 2.3.5..Clculo de la eficiencia mecnica................................................... 26 2.4.Procedimiento experimental...................................................................... 26 2.4.1..Determinacin de las curvas de funcionamiento de la bomba centrfuga para las diferentes condiciones de holguras entre los anillos de desgaste....................................................................................... 26 2.4.2.Determinacin de la eficiencia hidrulica de la bomba centrifuga... 28 2.4.3..Determinacin de la fuga volumtrica por los anillos de desgaste..... 30 2.4.4..Determinacin de la eficiencia mecnica........................................ 30

CAPTULO III RESULTADOS................................................................................................ 31

CAPITULO IV DISCUSION..................................................................................................... 41

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.................................................. 45 4.1.Conclusiones............................................................................................. 46


4.2.Recomendaciones..................................................................................... 49

CAPITULO VI REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS............................................................... 51

APNDICES Apndice A....................................................................................................... 55 Apndice B....................................................................................................... 56 Apndice C....................................................................................................... 57 Apndice D....................................................................................................... 58 Apndice E....................................................................................................... 63 Apndice F....................................................................................................... 64 Apndice G...................................................................................................... 65 Apndice H....................................................................................................... 66 Apndice I........................................................................................................ 68 Apndice J....................................................................................................... 71


LISTA DE SMBOLOSSIMBOLO Ad As DESCRIPCION Area de flujo en la tubera de descarga Area de flujo en la tubera de succin Angulo de alabe en la salida del impulsor Angulo del fluido a la salida del alabe Holgura radial ente los anillos de desgaste Dimetro medio entre los anillos de desgaste, OD + ID 2 Coeficiente cuya magnitud depende de las caractersticas de diseo de la bomba centrfuga. Aceleracin de la gravedad Altura dinmica total Altura terica real o altura virtual para un nmero finito de alabes (11) Altura terica de Euler o ideal. Dimetro interior del anillo de desgaste de la carcasa Intensidad total de corriente elctrica U. MEDIDA pie2 pie2 Grado sexag. Grado sexag. pulgada pulgada Adimensiona l pies/s2 pies pies pies pulgadas A

2bl

2C Dw

g H Hi He ID Itot K kf kL ND Ni NM

Coeficiente de rozamiento del impulsor (Apndice Adimensiona A) l Factor de rozamiento y de difusin en el alabe del Adimensiona impulsor l Factor por prdida de choque en el alabe del Adimensiona impulsor l Potencia necesaria para compensar el rozamiento HP en el impulsor Potencia de entrada al motor Potencia necesaria para compensar las prdidas mecnicas kW HP


SIMBOLO NS nS Nw

DESCRIPCION Potencia al eje de la bomba centrfuga Velocidad especfica de la bomba centrfuga Potencia hidrulica Eficiencia total de la bomba centrifuga Eficiencia hidrulica de la bomba centrifuga Eficiencia volumtrica de la bomba centrifuga Eficiencia mecnica de la bomba centrifuga Eficiencia del motor elctrico Dimetro exterior del anillo de desgaste del impulsor Factor de Potencia Presin de succin de la bomba centrifuga Presin de descarga de la bomba centrifuga Peso especfico del liquido Caudal de descarga de la bomba centrifuga Caudal de fuga a travs de la junta Caudal de la bomba centrfuga a altura cero Radio de entrada al impulsor Radio de salida del impulsor Nmero de Reynolds Gravedad especfica o Densidad relativa Factor de deslizamiento Velocidad perifrica a la salida del impulsor de la bomba centrifuga

U. MEDIDA HP Adimensiona l HP Adimensiona l Adimensiona l Adimensiona l Adimensiona l Adimensiona l pulgadas Adimensiona l psi psi lb/pie3 GPM, pie3/s GPM GPM pies pies Adimensiona l Adimensiona l Adimensiona l pies/s

b h v m motOD PF ps pd

Q QL Qo R1S R2 Re SpGr

u2


SIMBOLO

Viscosidad dinmica DESCRIPCION Viscosidad cinemtica del fluido

mPa-s U. MEDIDA m2/s Voltios Adimensiona l

Vab , Vbc , Vca Voltaje lnea a lnea Z Nmero de alabes


LISTA DE FIGURAS

NUMERO Fig. 1 Fig. 2 Fig. 3 Fig. 4 Fig. 5

DESCRIPCION Anillos de desgaste en bomba centrfuga Ingersoll Rand 6ALVS. Efecto del desgaste en los anillos de desgaste sobre el funcionamiento de la bomba centrfuga. Altura de Euler y altura terica real (input head). Prdidas hidrulicas. Esquema general de la instalacin de pruebas de bombas centrfugas.

PAG. 3 10 11 14 21


LISTA DE GRAFICOSNUMERO DESCRIPCION PAG.

Resultado de las pruebas experimentales sobre la altura total versus regimen de flujo para las holguras radiales Grfico N 1 en los anillos de desgaste (cambiados en cada ensayo) de la bomba centrfuga Ingersoll Rand 6ALVS Efecto del aumento de la holgura radial en los anillos de Grfico N 2 desgaste sobre el regimen de flujo con la eficiencia total de la bomba centrfuga. Efecto del aumento de la holgura radial en los anillos de Grfico N 3 desgaste sobre el regimen de flujo con la potencia al eje de la bomba. Eficiencia volumtrica versus regimen de flujo para las Grfico N. 4 holguras radiales en los anillos de desgaste de la bomba Ingersoll Rand 6ALVS. Relacin entre la eficiencia volumtrica relativa al punto de mejor eficiencia inicial y la holgura radial en los Grfico N 5 anillos de desgaste de la bomba centrfuga con velocidad especfica ns = 835.6 (RPM, GPM, pies,).

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Correlacin entre el incremento de la holgura radial respecto al recomendado por fabricante de 0,016 para un caudal entre el +/-10% del rgimen de mejor Grfico N. 6 eficiencia; versus el decremento de la Altura Total respecto a su curva de mejor funcionamiento (C=0,016).

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NUMERO

DESCRIPCION

PAG.

Correlacin entre el incremento de la holgura radial respecto al recomendado por fabricante de 0,016 para un caudal entre el +/-10% del rgimen de mejor Grfico N. 7 eficiencia; versus el decremento de la Eficiencia Total de la bomba respecto a su curva de mejor funcionamiento (C=0,016). Correlacin entre el incremento de la holgura radial respecto al recomendado por fabricante de 0,016 para un caudal entre el +/-10% del rgimen de mejor Grfico N. 8 eficiencia; versus el aumento de la Potencia de la bomba respecto a su curva de mejor funcionamiento (C=0,016).

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LISTA DE TABLAS Y CUADROS

NUMERO Tabla 1

DESCRIPCION Holguras de funcionamiento mnima para bombas centrfugas API 610 Ecuaciones de las curvas de ajuste de la eficiencia total para diferentes holguras radiales en los anillos de desgaste, segn el Grfico N. 2. Demuestra la relacin entre Qbep y Qs (Fig. N.4). Ecuaciones de las curvas de ajuste para la eficiencia volumtrica de la bomba centrfuga Ingersoll Rand 6ALVS Eficiencia volumtrica de la bomba centrfuga respecto al regimen de caudal del punto de mejor eficiencia inicial (C=0,016). Prdidas en costos de energa para un perodo de recambio de los anillos de desgaste.

PAG. 8

Cuadro N1

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Cuadro N 2

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Cuadro N 3

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Cuadro N 4

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CAPTULO I INTRODUCCION


INTRODUCCINLa industria azucarera utiliza diversas bombas para transferir los

productos del azcar en las diversas etapas del proceso. Todos los tipos de bombas tales como los de engranajes, alternativos y centrfugos tienen su aplicacin especfica en el mantenimiento del fluido en el procesamiento del azcar (1). Para elaborar el presente trabajo se ha elegido la estacin de jugo encalado por ser una de las mas importantes en la fbrica de azcar, pues sin una correcta dosificacin de lechada de cal no se podr esperar una buena clarificacin del jugo y por lo tanto una buena calidad de azcar ya que el jugo de caa de azcar llega a esta estacin de la batera de molinos de Trapiche, como un lquido opaco con materia suspendida tales como bagacillo, gomas, albmina, cera y partculas de tierra (2). La estacin de jugo encalado en el Complejo Agroindustrial Cartavio cuenta con tres bombas centrfugas de tipo horizontal de simple etapa marca INGERSOLL RAND 6ALVS de 1570 GPM teniendo as asegurado el proceso de molienda continuo, para lo cual se tienen instaladas dos bombas y una tercera bomba se mantiene en reparacin en el taller de maestranza. Los


impulsores de estas bombas son de doble succin y son mecnicamente e hidrulicamente semejantes. En este tipo de bombas el lquido ingresa al ojo del impulsor por ambos lados, teniendo la ventaja de balancear el empuje axial y construidos de modo que una mitad de la carcasa pueda montarse sin daar a la bomba. Estas bombas estn equipadas con anillos de desgaste en la carcasa y en el impulsor, que tienen el propsito de minimizar la fuga del lado de descarga de la carcasa al lado de succin de la bomba. La alta velocidad de rotacin del impulsor y la necesidad de mantener pequeas holguras hacen que las superficies de contacto entre estos anillos estn sujetas a esfuerzos que originan su desgaste (Fig. 1). El material de estos anillos de desgaste es acero AISI TIPO 416 endurecidos a 415 Brinell para el anillo del impulsor y a 302 Brinell para el anillo de la carcasa. El costo del conjunto de anillos de desgaste es de 3724 USD. El recambio de estos anillos de desgaste se realiza cada cuatro meses lo que significa que en una sola bomba se gasta 11 172 USD al ao y para dos de estas bombas en operacin se gastan 22 344 USD al ao (Apndice H).


Fig. 1: Anillos de desgaste en bomba centrfuga Ingersoll Rand 6ALVS

El personal de Mantenimiento Preventivo de la fbrica de azcar del Complejo Agroindustrial Cartavio ha venido observando tambin mayores consumos de energa en el rango de 105 kW hasta 110 kW, respecto a su regimen nominal de diseo de 94,8 kW . Los trabajos de mantenimiento han seguido cuidadosamente las instrucciones del fabricante (20) quienes indican que las causas que originan que la bomba consuma mas energa que la nominal son: - Desalineamiento - Eje doblado - Ajuste excesivo de las empaquetaduras en el estopero - Voltaje y frecuencia del sistema elctrico mas bajo que el nominal. - Velocidad del motor elctrico demasiado alta - Escasa ventilacin - Lquido mas denso y mas viscoso que el de rgimen - Operacin de la bomba en exceso de caudal e insuficiente presin de descarga, y - Anillos de desgaste con excesiva holgura.


El problema de posible eje doblado y desalineamiento se descarta en el presente trabajo ya que se verifica durante el montaje de la bomba y a la vez las fuerzas de rozamiento ejercidas por el lquido y las empaquetaduras del gland actan muy bien como fuerzas restrictoras de la vibracin. El sistema de sellado por empaquetaduras se verifica constantemente, regulando el ajuste de las empaquetaduras manteniendo as una fuga de 60 gotas/minuto para lograr una lubricacin adecuada.(3) Los valores de rgimen de voltaje, frecuencia y velocidad del motor elctrico estn dentro de su variacin mnima permisible. El voltaje no se encuentra desbalanceado pues su variacin es menor al 1% y la frecuencia del sistema elctrico es relativamente constante (4). Todo esto demuestra un funcionamiento eficiente y confiable de la Planta de Fuerza del ingenio azucarero. Esta es una razn bien fundamentada para descartar posibles defectos en el motor elctrico que tengan influencia en el consumo anormal de energa elctrica. Por otro lado, la instalacin de las bombas de jugo encalado tienen la suficiente ventilacin e incluso en su proximidad no hay equipos que suministren calor excesivo. En lo que se refiere a la viscosidad y densidad del fluido bombeado los reportes de laboratorio muestran un valor comnmente constante. El problema de que la bomba opere con un caudal excesivo y presin de descarga insuficiente se puede traducir en que la bomba no produce el caudal nominal o la altura nominal. Esto se debe a las siguientes causas probables: - Fuga de aire a travs de la junta - Fuga de aire a travs del estopero


- La carga de succin es insuficiente - El impulsor esta parcialmente obstruido - El impulsor esta desgastado o roto, o - Los anillos de desgaste se encuentran desgastados con excesiva holgura. La correcta instalacin de la tubera de succin, un reductor excntrico junto a la brida de succin de la bomba y el montaje apropiado de las juntas cuidando que el dimetro interior de la junta sea mayor que el de la tubera de succin evitan las posibles fugas en el tubo de succin. Las lneas de circulacin a los anillos linternas se mantienen sin obstrucciones para una libre circulacin. Este sistema de cierre hidrulico en los prensaestopas impiden las filtraciones de aire. La revisin de esta lnea se realiza antes y despus del funcionamiento de la bomba. De igual manera se mantiene la lnea de succin libre de obstrucciones y la vlvula de cierre de esta lnea se mantiene completamente abierta lo cual asegura la suficiente carga de succin. El impulsor y la carcasa se revisan en cada mantenimiento de estos equipos para observar posibles desgaste, roturas, salientes, rebabas o bordes agudos. En conclusin, la fbrica de azcar del Complejo Agroindustrial Cartavio consider conveniente y necesario realizar un estudio para conocer como influye la holgura entre los anillos de desgaste de estas bombas de jugo encalado respecto a su eficiencia, lo cual redundar en un sustancial ahorro de consumo de energa y una programacin y ejecucin del reemplazo oportuno y confiable de los anillos de desgaste. En el presente trabajo se estudian las fugas volumtricas y desde el punto de vista tcnico se considera que la fuga del fluido a travs del estopero es


insignificante con respecto al caudal que maneja la bomba, es decir, para una fuga de 60 gotas/min por empaquetadura se tiene 0,002 GPM por los dos estoperos. Para un caudal de la bomba de 1570 GPM el rgimen de fuga es de : 0,002 x100=0,00013 % . 1570 La determinacin de la fuga a travs de los anillos de desgaste depende de la holgura, la longitud del anillo, la rotacin, la excentricidad y de las condiciones de su superficie. Grandes holguras de estos anillos de desgaste permiten una mayor cantidad de flujo interno que regresa del lado de descarga del impulsor hacia la succin teniendo un efecto directo sobre la eficiencia de la bomba, de modo que los beneficios de controlar estas holguras de funcionamiento en los anillos de desgaste traern como consecuencia un funcionamiento satisfactorio y eficiente, optimizando la potencia consumida por la bomba. En la actualidad la informacin disponible sobre los valores ptimos de estas holguras son conservadoras y al final indican contar siempre con la recomendacin del fabricante. Por otro lado, los fabricantes de bombas aconsejan a los usuarios que las holguras correctas son las necesarias para operar las bombas en su funcionamiento de diseo, maximizando su eficiencia y curva de funcionamiento. Stepanoff (11) establece los siguientes valores tomados de la prctica para las holguras entre los anillos de desgaste de dimetro hasta 152,4 mm la holgura se hace de 0,254 mm, incrementndose en 0,01 mm por cada milmetro de exceso sobre 152,4 mm que tenga el dimetro del anillo, o sea:

s = 0,254 + ( D 152,4).0,01 mmdonde s es la holgura diametral y s y D estn expresados en mm.


Para bombas centrfugas API 610 se tiene la Tabla 1 con las holguras diametrales recomendadas cuando los materiales para la junta de cierre son de hierro y bronce (13). En el articulo Pump Maintenance de la revista especializada en industria azucarera, The Sugar Journal, sugieren que la luz diametral no deber permitirse que exceda las 0,003 por pulgada del dimetro medio del juego de anillos (14). Los fabricantes de bombas Goulds Pumps utilizan para el tipo de bomba centrfuga de doble succin 6x8-17, Modelo 3410, una luz diametral original de 0,010-0,014 cuando los materiales para la junta de cierre son de hierro y bronce y una luz diametral de 0,018-0,022cuando son de acero.(12)

Tabla 1. Holguras de funcionamiento mnima para bombas centrifugas API 610. *Holgura de funcionamiento mnima Dimetro del elemento Holgura diametral rotante en la holgura, mnima, pulgadas pulgadas

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