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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA
FACULTAD DE INGENIERA MECNICA
EXPERIENCIA 1: BOMBA RECIPROCANTE
EXPERIMENTO DIRIGIDO POR: ING. ALFREDO OLIVEROS DONOHUE
TECNOLOGIA DE ENERGIAS RENOVABLES MN627 A
UNIDAD EJECUTORA: GRUPO 1
FECHA DE ENTREGA: 24 DE OCTUBRE DEL 2014.
CHANCATUMA HUAMAN, Jess Eusebio
HUARANCCA SANCHEZ, Wilson
SEGOVIA CHIRINOS, John Mario
20127027C
20001187A
20101176A
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RESUMEN TECNICO
Las actividades del presente informe se realizaron el da 26 de
Setiembre en el
Laboratorio N05 de la Universidad Nacional de Ingeniera en hora:
10 a 12 pm.
El grupo comenz con una demostracin del equipo Bomba
reciprocante, para
continuacin comenzar por nosotros mismos la experiencia.
Primero se trabaj en regmenes de alta velocidad, tomando
mediciones de: fuerza en
el dinammetro, altura de descarga, velocidad en el cigeal y las
presiones registradas
en la entrada y descarga.
Para los regmenes de baja velocidad, se realizaron las mismas
mediciones, pero no se
tomaron todos los puntos a evaluar, puesto que la bomba se ahog
y empez a vibrar
mucho el generador elctrico y empez a rebasarse el agua de la
cmara del piston.
Habiendo calculado en una hoja de clculo de Excel, se evaluaron
principalmente, la
eficiencia volumtrica y de la bomba, caudal y potencia al freno,
para luego construir
sus curvas en funcin de la altura neta.
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3
INTRODUCCION
Las bombas volumtricas o de desplazamiento positivo se
caracterizan porque el
caudal que impulsan, a velocidad de accionamiento constante, es
sensiblemente
independiente de la presin de descarga. Las variaciones de
caudal que puedan
producirse para distintas presiones se debern a las inevitables
luces constructivas o a
faltas de estanqueidad en algunos rganos constitutivos.
Se distinguir entre las mquinas de accionamiento reciprocante y
las rotativas. En las
primeras un rgano impulsor (un pistn o un diafragma) tiene un
movimiento alternativo
provocado mecnicamente. En las segundas hay una o ms piezas con
movimiento
rotatorio (rotor) que toma el lquido de un recipiente a baja
presin y lo trasvasa a otro
a mayor presin.
Como criterio general, suelen ser usadas para aplicaciones que
requieran bajos
caudales y altas o muy altas presiones. A diferencia de las
mquinas centrfugas,
pueden trabajar satisfactoriamente con bajas velocidades y en la
mayora de los casos
son relativamente insensibles al efecto de la viscosidad del
fluido.
Al ser el caudal independiente de la presin de descarga, en su
instalacin se deber
prever siempre la posibilidad de alivio de presiones excesivas.
Suele incorporarse a la
bomba, o en su defecto instalarse exteriormente, una vlvula de
alivio que, al superarse
en la caera de impulsin la presin tarada, la comunica o bien con
el exterior o, ms
adecuada y frecuentemente, con la caera de admisin.
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4
OBJETIVOS
Estudio de la performance de una bomba reciprocante, trabajando
a regmenes
de velocidades de 240 rpm y 120 rpm.
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1. MARCO TERICO
1.1. BOMBAS RECIPROCANTES DE PISTON
Estn constituidas por uno o varios pistones o mbolos que se
mueven dentro de un
cilindro con movimiento alternativo de vaivn. Este movimiento
alternativo es provocado
por un cigeal, manivela, excntrica o leva giratorios y una
biela. Sendas vlvulas de
retencin permiten el ingreso y el egreso del fluido.
Se llama bomba de simple efecto aquella en que por cada
revolucin del cigeal hay
una sola carrera til, con uno slo de los extremos del pistn en
contacto con el fluido
(vase la Figura 1).
Figura 1. Bomba reciprocante de simple efecto
En una bomba de doble efecto, por cada revolucin del rgano
accionador se tienen
dos carreras tiles. Ello se suele lograr con dos lados del pistn
en contacto con el fluido
(ver Figura 2). La presencia del vstago disminuye el volumen
bombeado en uno de los
efectos y requiere un sistema de cierre, por empaquetadura o
retn o sello adecuado.
Figura 2. Partes constitutivas de una bomba de pistn de doble
efecto
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6
Otra manera de aumentar el volumen bombeado por revolucin
consiste en utilizar
pistones trabajando en paralelo (ver Figura 3), accionadas por
un solo motor con un solo
cigeal.
Figura 3. Bomba reciprocante de simple efecto, con tres
pistones
1.2. CALCULO DEL CAUDAL
Si se llama = la carrera del mbolo, siendo la excentricidad del
cigeal o
manivela, el volumen que desplaza el mbolo de dimetro D en su
carrera valdr:
=2
4
Para una bomba de Z cilindros en paralelo, con el cigeal girando
a velocidad angular
constante N (revoluciones por unidad de tiempo), el caudal
terico ser:
=2
4
Donde = para una bomba con pistones de simple efecto y = si los
pistones son
de doble efecto.
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7
Habr, en general, fugas de lquido ya sea entre pistn y cilindro
o por vlvulas. Por lo
tanto el caudal ser menor:
= 2
4
Donde, < 1 se llama rendimiento volumtrico.
1.3. RENDIMIENTOS
1.3.1. Rendimiento volumtrico
Se producen fugas:
Entre pistn y cilindro
En vlvulas, debido a su cierre no instantneo
En las bombas de doble efecto, entre vstago y su
empaquetadura
Sea Q el caudal de estas fugas. Se llama rendimiento volumtrico
al cociente:
=
+
Es frecuente que los valores del rendimiento volumtrico sean
elevados. A ttulo
informativo, puede suponerse:
Bombas de cuidadosa ejecucin y grandes gastos:
= 0,97 0,98
Bombas de cuidadosa ejecucin y pequeos caudales:
= 0,94 0,96
Bombas de regular ejecucin y pequeos gastos:
= 0,89 0,92
El rendimiento volumtrico es influido notablemente por la
temperatura del lquido
(variacin de las luces y, sobre todo, de la viscosidad). Para
muy altas temperaturas
puede llegarse incluso a = 0,65 0,70. Las fugas dependen tambin
de la presin
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8
de trabajo de la bomba: aumentan con sta y por lo tanto
disminuye el rendimiento
volumtrico.
1.3.2. Rendimiento hidrulico
Se producen prdidas de carga debido a rozamiento en los
conductos y canales
inherentes a la construccin de la bomba, as como en las vlvulas.
Se llama
rendimiento hidrulico al cociente entre la altura que se lograra
de no existir estas
prdidas y la que realmente logra la mquina.
Se puede estimar:
Bombas de gran tamao y condiciones de escurrimiento
favorables:
= 0,95 0,97.
Bombas ms pequeas y diseo no demasiado elaborado:
= 0,85 0,88.
El concepto de rendimiento hidrulico no tiene la misma
importancia que para las
bombas centrfugas. En efecto, como el caudal es sensiblemente
independiente de las
presiones, estas bombas suelen usarse para grandes presiones; un
aumento de la
presin interna debido a un bajo valor de tiene efectos
secundarios con frecuencia
despreciables.
1.3.3. Rendimiento mecnico
Se producen prdidas de potencia o prdidas mecnicas debido al
rozamiento en
los cojinetes, pernos, rganos de comando y, sobre todo, debido
al rozamiento de los
aros, retenes, copas rganos de cierre entre pistn o cilindro. Se
llama rendimiento
mecnico al cociente entre la potencia entregada al lquido por el
pistn y la
consumida por la bomba en punta de eje. Se puede estimar:
Para bombas directamente acopladas al motor, grandes y de buen
diseo y
mantenimiento:
= 0,94 0,96.
Para bombas pequeas y con transmisin por correas o
engranajes:
= 0,83 0,86.
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1.3.4. Rendimiento total
Se llama rendimiento total o simplemente rendimiento al
producto:
=
La potencia que requiere la bomba en punta de eje, para entregar
a un caudal Q una
altura H valdr, entonces:
= + =
Siendo el peso especfico del lquido.
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2. EQUIPOS E INSTRUMENTOS UTILIZADOS
01 Banco de pruebas de bomba reciprocante
02 Manmetros para altura de succin y descarga
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01 Manmetro para medidor de flujo
Sistema de transmisin por correas dentadas
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Bomba reciprocante
01 Freno elctrico y dinammetro
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La bomba reciprocante a ensayar consta de los siguientes
aparatos:
1. Una bomba de pistn de una solo cilindro tipo horizontal/ y de
doble accin. El
dimetro del pistn es de 1 carrera de 1 5/8. Su capacidad nominal
es de 360 G.P.H.
con 1,75 pies de altura operando a 240 R.P.M. Hay un recipiente
para aire en el lado de
descarga de la bomba.
2. Un motor elctrico de corriente alternada de dos
velocidades.
3. La velocidad del motor se toma de un contador de revoluciones
y del tiempo de
funcionamiento por medio de un cronmetro.
4. La reduccin de la velocidad del motor a la bomba es de
6:1.
5. Un tanque principal de suministro de agua ensamblado a la
base.
6. El agua ingresa a la bomba por medio de una vlvula de
control.
7. El agua es entregado por la bomba a travs de una segunda
vlvula.
8. Despus de la cual pasa a travs de un medidor de flujo de
columna de Reynolds y
luego se regresa al tanque.
9. Dos manmetros para la presin de succin y descarga del
agua.
10. Se ha previsto de una vlvula de escape en el circuito de
agua para prevenir la
sobrecarga de la bomba.
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3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
1. Llenar el tanque hasta 6 pulgadas por debajo de la parte
superior. Abrir ambas
vlvulas de control completo antes de arrancar el motor.
2. Se puede seleccionar cualquiera de las dos velocidades. Con
las vlvulas de control
de succin y descarga se puede variar las respectivas alturas de
succin y descarga as
como la cantidad de agua entregada.
3. Nunca se debe de poner en funcionamiento el motor mientras no
haya flujo de agua
que se pueda observar en el registrador del medidor. En caso
contrario se pueden daar
las empaquetaduras del pistn.
4. La presin de descarga es registrada sobre el manmetro en pies
de altura de agua.
La presin de succin registrada en el manmetro indica la depresin
en pulgadas de
Hg (1 pulg. = 1,133 pies de altura de agua).
5. Los manmetros son instrumentos sensitivos y su cuidado
influye mucho en su
precisin. Sus vlvulas deben estar cerradas, excepto cuando se
toma las lecturas, y
durante esas lecturas no debe abrirse demasiado como para
observar rpidas
fluctuaciones de presin.
6. Es instructivo tomas dos juegos de lecturas en cada
velocidad, 240 y 120 R.P.M.
consistente cada juego de ms o menos ocho puntos. La presin de
succin permanece
constante en cada juego, siendo tomado uno de cada par con la
vlvula de succin
completamente abierta, y a una mnima seccin de resistencia a la
bomba; el otro con
la vlvula de succin estrangulando el flujo como para producir
una depresin de 20
pies de altura de agua 17.7 pulg. de Hg. En cada serie la presin
de entrega debe
regularse progresivamente desde el valor ms bajo con la vlvula
de entrega
completamente abierta, hasta un valor alto, digamos de 140 pies
de altura.
7. El procedimiento para una prueba individual es como
sigue:
Una vez escogida la velocidad, mantener las presiones a los
valores dados con
la bomba funcionando permanentemente.
La balanza de resorte debe colocarse de tal manera que el brazo
de torque este
nivelado con la marca de lectura fija. Un estudiante debera
tomar la lectura del
contador. El debera, despus de advertir al grupo, embragar el
contador y al
mismo instante arrancar el cronometro, l debe observar un perodo
definitivo
de, digamos dos minutos, y entonces simultneamente desembragar
al contador
de revoluciones y detener la marcha del cronometro. Durante este
intervalo el
debera continuamente observar las lecturas de balanzas de
resorte as como
juzgar el valor medio apropiado de la carga de freno.
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15
Un segundo estudiante debera continuamente observar el medidor
flujo y un
tercero, los manmetros as como juzgar sus valores medios
apropiados. Por su
puesto, uno o varios estudiantes deben, si es necesario cubrir
estos deberes.
Las hojas se pruebas deberan prepararse con los siguientes
encabezamientos:
Lectura en la balanza del resorte, lbs
Succin, plg de Hg
Descarga, pies de altura
Lectura del medidor de flujo, plg
Lectura del tacmetro, rpm
Una vez realizados los procedimientos antes mencionados,
obtuvimos los siguientes
datos de laboratorio:
3.1. ALTA VELOCIDAD (1773 rpm)
Succin: 3 plg Hg
P1
(plg Hg)
P2
(plg H2O)
h
(cm H2O)
N
(rpm)
F
(lbs)
3 20 27.3 1773 1.6
3 35 26 1756 1.7
3 50 24.9 1747 2
3 75 23.3 1740 2.45
3 100 21.7 1730 2.9
3 125 20.3 1725 3.2
Succin: 2 plg Hg
P1
(plg Hg)
P2
(plg H2O)
h
(cm H2O)
N
(rpm)
F
(lbs)
2 25 27 1760 1.9
2 50 25 1750 1.9
2 75 23.4 1740 2.5
2 100 22 1730 3
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3.2. BAJA VELOCIDAD (895 rpm)
Succin: 2 plg Hg
P1
(plg Hg)
P2
(plg H2O)
h
(cm H2O)
N
(rpm)
F
(lbs)
2 25 3.4 890 1.5
2 15 4 890 1.9
2 10 4.3 888 1.8
Succin: 3 plg Hg
P1
(plg Hg)
P2
(plg H2O)
h
(cm H2O)
N
(rpm)
F
(lbs)
3 10 4 890 1.9
3 20 4 889 2
3 30 3.5 889 2.2
3 40 3.3 890 2.3
-
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4. FORMULAS UTILIZADAS
4.1. Potencia suministrada al agua
=
6033000
Q: flujo de agua en lb/hr
H: altura en pies
4.2. Potencia entregada al eje de la bomba
=2
3300012
W: fuerza media a la balanza de resorte en lbs
L: brazo d palanca (7.002 plg)
N: velocidad del motor en rpm
Queda:
=
9000
4.3. Eficiencia de la bomba y transmisin
=
100%
4.4. Altura de succin: Hs pies
4.5. Altura de descarga: Hd pies
4.6. Volumen de agua
=
62.5 3/
-
18
4.7. Volumen de barrido
=[2
4
(74
)2
4
(7
16)
2
]138
6 60
1728 3/
4.8. Eficiencia volumtrica
=
100%
4.9. Ecuacin de descarga del medidor de flujo
= 112.20.5 /
h: en pulgadas
-
5. ANALISIS DE RESULTADOS
5.1. PARA ALTA VELOCIDAD
P1
(plg
Hg)
P2
(plg
H2O)
h
(cm
H2O)
N
(rpm)
F
(lbs)
Q
(gal/h) Vagua Vbarrido nv
BHP
1
BHP
2
H
(altura
total)
Q
terico Q real WHP
n bomba
1
n bomba
2
3 20 27.3 1773 1.6 367.84 5.89 12.95 45.45% 0.053 0.100 5.065
8679.52 3944.560 0.0101 19.21% 10.06%
3 35 26 1756 1.7 358.97 5.74 12.83 44.78% 0.055 0.106 6.315
10821.38 4845.905 0.0155 27.96% 14.64%
3 50 24.9 1747 2 351.30 5.62 12.76 44.05% 0.065 0.124 7.565
12963.23 5710.188 0.0218 33.72% 17.66%
3 75 23.3 1740 2.45 339.82 5.44 12.71 42.78% 0.079 0.151 9.649
16533.00 7073.112 0.0345 43.66% 22.86%
3 100 21.7 1730 2.9 327.95 5.25 12.64 41.53% 0.093 0.177 11.732
20102.76 8347.754 0.0495 53.24% 27.88%
3 125 20.3 1725 3.2 317.19 5.08 12.60 40.28% 0.102 0.195 13.815
23672.52 9535.285 0.0665 65.09% 34.08%
P1
(plg
Hg)
P2
(plg
H2O)
h
(cm
H2O)
N
(rpm)
F
(lbs)
Q
(gal/h) Vagua Vbarrido nv
BHP
1
BHP
2
H
(altura
total)
Q
terico Q real WHP
n bomba
1
n bomba
2
2 25 27 1760 1.9 365.81 5.85 12.86 45.53% 0.372 0.118 4.349
7452.23 3393.017 0.0075 2.01% 6.30%
2 50 25 1750 1.9 352.00 5.63 12.78 44.06% 0.369 0.118 6.433
11022.00 4856.490 0.0158 4.27% 13.42%
2 75 23.4 1740 2.5 340.55 5.45 12.71 42.87% 0.483 0.154 8.516
14591.76 6255.998 0.0269 5.57% 17.49%
2 100 22 1730 3 330.21 5.28 12.64 41.81% 0.577 0.184 10.599
18161.52 7593.600 0.0406 7.05% 22.15%
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20
5.2. PARA BAJA VELOCIDAD
P1
(plg
Hg)
P2
(plg
H2O)
h
(cm
H2O)
N
(rpm)
F
(lbs)
Q
(gal/h) Vagua Vbarrido nv
BHP
1
BHP
2
H
(altura
total)
Q
terico Q real WHP
n bomba
1
n bomba
2
2 25 3.4 890 1.5 129.81 2.08 6.50 31.95% 0.148 0.047 4.349
7452.23 2381.038 0.0052 3.53% 11.08%
2 15 4 890 1.9 140.80 2.25 6.50 34.66% 0.188 0.060 3.516 6024.33
2087.753 0.0037 1.97% 6.20%
2 10 4.3 888 1.8 145.99 2.34 6.49 36.01% 0.178 0.057 3.099
5310.38 1912.392 0.0030 1.69% 5.30%
P1
(plg
Hg)
P2
(plg
H2O)
h
(cm
H2O)
N
(rpm)
F
(lbs)
Q
(gal/h) Vagua Vbarrido nv
BHP
1
BHP
2
H
(altura
total)
Q
terico Q real WHP
n bomba
1
n bomba
2
3 10 4 890 1.9 140.80 2.25 6.50 34.66% 0.188 0.060 4.232 7251.61
2513.072 0.0054 2.86% 8.98%
3 20 4 889 2 140.80 2.25 6.49 34.69% 0.198 0.063 5.065 8679.52
3011.301 0.0077 3.90% 12.25%
3 30 3.5 889 2.2 131.71 2.11 6.49 32.45% 0.217 0.069 5.899
10107.42 3280.220 0.0098 4.50% 14.13%
3 40 3.3 890 2.3 127.89 2.05 6.50 31.48% 0.227 0.072 6.732
11535.33 3631.008 0.0123 5.43% 17.05%
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6. ANALISIS DE GRAFICAS
6.1. Eficiencia volumtrica vs Altura neta
6.2. Eficiencia de la bomba vs Altura neta
20.00%
25.00%
30.00%
35.00%
40.00%
45.00%
50.00%
0.000 5.000 10.000 15.000
Efic
ien
cia
volu
met
rica
(%)
H neto (pie agua)
nv vs Hneto
nv vs Hneto (alta velocidad3plg Hg)
nv vs Hneto (alta velocidad2plg Hg)
nv vs Hneto (bajavelocidad 2plg Hg)
nv vs Hneto (bajavelocidad 3plg Hg)
Lineal (nv vs Hneto (altavelocidad 3plg Hg))
Polinmica (nv vs Hneto(alta velocidad 2plg Hg))
Polinmica (nv vs Hneto(baja velocidad 2plg Hg))
0.00%
5.00%
10.00%
15.00%
20.00%
25.00%
30.00%
35.00%
40.00%
0.000 5.000 10.000 15.000
n b
om
ba
Hneto
nbomba vs Hneto
nbomba vs Hneto (altavelocidad 3plg Hg)
nbomba vs Hneto (altavelocidad 2plg Hg)
nbomba vs Hneto (bajavelocidad 2plg Hg)
nbomba vs Hneto (bajavelocidad 3plg Hg)
Lineal (nbomba vs Hneto(alta velocidad 3plg Hg))
-
22
6.3. Potencia al freno vs Altura neta
6.4. Caudal vs Altura neta
0.000
0.050
0.100
0.150
0.200
0.250
0.000 5.000 10.000 15.000
Po
ten
cia
al f
ren
o (B
HP
)
Hneto (pie agua)
BHP vs Hneto
BHP vs Hneto (altavelocidad 3plg Hg)
BHP vs Hneto (altavelocidad 2plg Hg)
BHP vs Hneto (bajavelocidad 2plg Hg)
BHP vs Hneto (bajavelocidad 3 plg Hg)
Lineal (BHP vs Hneto (altavelocidad 3plg Hg))
Lineal (BHP vs Hneto (altavelocidad 2plg Hg))
Lineal (BHP vs Hneto (bajavelocidad 2plg Hg))
0.000
2000.000
4000.000
6000.000
8000.000
10000.000
12000.000
0.000 5.000 10.000 15.000
Cau
dal
(lb
s/h
ora
)
Hneto 8pies agua)
Caudal vs Hneto
Caudal vs Hneto (altavelocidad 3plg Hg)
Caudal vs Hneto (altavelocidad 2plg Hg)
Caudal vs Hneto (bajavelocidad 2plg Hg)
Caudal vs Hneto (bajavelocidad 3plg Hg)
Lineal (Caudal vs Hneto(alta velocidad 3plg Hg))
Lineal (Caudal vs Hneto(alta velocidad 2plg Hg))
Lineal (Caudal vs Hneto(baja velocidad 2plg Hg))
-
23
OBSERVACIONES
Durante la experiencia, al momento de la baja presin, la bomba
reciprocante se
ahog, por lo cual no se pudo realizar todos los puntos a evaluar
en las grficas,
es por esto que algunas graficas no terminan de construirse,
pero la
extrapolacin en Excel demuestra que si tienen las formas
caractersticas.
En la ficha entregada en clase, la frmula para calcular la
potencia al freno, est
dada de dos formas, las cuales se suponan que eran
simplificaciones, pero al
momento de realizar los clculos, estas frmulas difieren, es por
esto que solo
se aplic a las grficas la frmula simplificada:
=
9000
-
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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
1. Las mayores eficiencias volumtricas se obtuvieron en los
regmenes de alta
velocidad alcanzndose eficiencias volumtricas de 45%, esto era
de esperarse,
debido que a mayor velocidad entra mayor cantidad de agua a la
cmara adems
hay menos fugas entre la cmara y el pistn.
2. Para la eficiencia de la bomba se obtuvo la mayor eficiencia
de 35% a 3 plg Hg
en el rgimen de alta velocidad, para regmenes de baja velocidad
se obtienen
eficiencias muy bajas, esto debido a que en bajas cargas como
hay mucho
torque, el rozamiento se incrementa considerablemente aumentando
las
perdidas en la bomba.
3. Para la potencia al freno, en los regmenes de alta velocidad
se obtienen las
mayores potencias a la menor presin de 2 plg Hg y se obtiene la
tendencia
lineal creciente esperada, pero en la grfica del rgimen de baja
velocidad, para
2 plg Hg la curva no sigue la tendencia lineal creciente, ms
bien decrece, esto
representa el ahogamiento que ocurri durante la experiencia.
4. Como era de esperarse, se obtuvieron los mayores caudales en
el rgimen de
alta velocidad, lo cual nos hace pensar que es mejor siempre
trabajar en altas
velocidades, esto no siempre es cierto, ya que para bajas cargas
obtenemos
mucha fuerza en el pistn y no se necesitan de velocidades muy
altas para barrer
la cmara de la bomba reciprocante.