UNIVERSIDAD TECNOLOGICA EQUINOCCIAL

Extensión Santo Domingo

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERIA

CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

Tesis previa a la obtencion del título de:

INGENIEROS ELECTROMECÁNICOS

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE PRUEBA HIDRÁULICO

DE PRESIÓN CONSTANTE MEDIANTE UN H.M.I. PARA EL

LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS DE LA UNIVERSIDAD

TECNOLOGICA EQUINOCCIAL.

Estudiantes:

CEVALLOS VASQUEZ PAOLO ISRAEL

VELASCO PEREZ FRANCISCO MARCELO

Director de Tesis:

ING. HOLGER ZAPATA

Santo Domingo– Ecuador

Agosto, 2012

ii

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE PRUEBA HIDRÁULICO

DE PRESIÓN CONSTANTE MEDIANTE UN H.M.I. PARA EL

LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS DE LA UNIVERSIDAD

TECNOLOGICA EQUINOCCIAL.

Ing. Holger Zapata DIRECTOR DE TESIS

APROBADO Ing. Marcelo Estrella PRESIDENTE DEL TRIBUNAL Ing. Jorge Terán MIEMBRO DEL TRIBUNAL Ing. Javier Díaz MIEMBRO DEL TRIBUNAL Santo Domingo…….de……………………….del 2012.

iii

Del contenido del presente trabajo se responsabilizan los autores.

Cevallos Vásquez Paolo Israel

C.I. 1003161369

Velazco Pérez Francisco Marcelo

C.I. 1716010945

Autores: CEVALLOS VÁSQUEZ PAOLO ISRAEL VELASCO PÉREZ FRANCISCO MARCELO Institución: UNIVERSIDAD TECNOLOGICA EQUINOCCIAL Título de Tesis: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE PRUEBA HIDRÁULICO DE PRESIÓN CONSTANTE MEDIANTE U H.M.I, PARA EL LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS DE LA UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL. Fecha: Agosto, 2012

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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL Extensión Santo Domingo

INFORME DEL DIRECTOR DE TESIS

Santo Domingo…….de………………………del 2012. Ingeniero Marcelo Estrella COORDINADOR DE LA CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA Estimado Ingeniero Mediante el presente tengo a bien informar que el presente trabajo bajo el tema:

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE PRUEBA HIDRAULICO

DE PRESION CONSTANTE MEDIANTE UN H.M.I. PARA EL

LABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS DE LA UNIVERSIDAD

TECNOLOGICA EQUINOCCIAL, propuesto por los señores Cevallos Vásquez

Paolo Israel y Velazco Pérez Francisco Marcelo, doy fe que ha sido elaborado bajo

mi supervisión y control, luego de haber sido concluido el tratamiento de los contenidos

se encuentra en condiciones de ser defendido.

Particular que comunico a usted para los fines pertinentes.

Cordialmente,

Ing. Holger Zapata DIRECTOR DE TESIS

v

AGRADECIMIENTO

A la UNIVERSIDAD TECNOLOGICA EQUINOCCIAL, a la escuela de

Electromecánica por darme la oportunidad de ingresar a sus aulas y cumplir una meta de

mi vida.

A los profesores que me guiaron durante todos mis años de estudio, en especial al Ing.

Alfredo Zapata e Ing. Jorge Terán, los cuales permitieron que este proyecto se concluya

con éxito

Paolo Cevallos.

Deseo expresar mis más sinceras muestras de agradecimiento:

A Dios por estar conmigo en todo momento, guiarme por el camino del bien, fortalecer

mi corazón por darme sabiduría para continuar y por haber puesto en mi camino

aquellas personas que han sido soporte y compañía en lo largo de mi vida.

A mis padres y hermanos por creer y confiar siempre en mí, porque siempre me han

apoyado y han estado estimulándome para no decaer en la lucha incansable de

superarme día a día.

A la Ing. Holger Zapata, por permitirme realizar esta tesis apoyada en su dirección, por

sus consejos, amplios conocimientos y experiencias para el desarrollo del presente

trabajo investigativo.

A los catedráticos de “UTE”, por compartir sus conocimientos.

Marcelo Velasco.

vi

DEDICATORIA

A mis padres los cuales pusieron su confianza en mí dándome la oportunidad, de

ingresar a la institución ya que con todo su sacrificio no me dejaron de apoyar.

Paolo Cevallos.

Dios Creador y padre celestial, por darme la oportunidad de vivir, sabiduría y

encaminarme por la dirección indicada para finalizar esta etapa de mi vida.

Mis queridos padres Apoyos fundamentales en mi vida, por su amor, comprensión y

apoyo absoluto, motivándome para formarme como profesional.

Mis Hermanos María de los Ángeles, Luis Israel por ser parte de mi motivación.

Marcelo Velasco.

vii

ÍNDICE

Portada I Aprobacion de los miembros del tribunal II Responsabilidad del autor. III Aprobación del director de tesis IV Agradecimiento V Dedicatoria VI Índice VII Índice de tablas XI Índice de figuras XII Resumen XIV Summary XVI

CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN

1.1. Planteamiento del problema 1 1.1.1. Diagnóstico 1 1.1.2. Pronóstico 1 1.1.3. Control del pronóstico 2 1.1.4. Formulación 2 1.1.5. Sistematización 3 1.2. Objetivos 3 1.2.1. Objetivo general 3 1.2.2. Objetivo especifico 3 1.3. Justificación 4 1.4. Marco de referencia 4 1.4.1. Marco teórico 4 1.5. Marco temporal/espacial 8 1.6. Idea a defender 8 1.6.1. Variables e indicadores 9 1.6.1.1. Variables 9 1.6.1.2. Indicadores 9 1.7. Metodología de la investigación 9 1.7.1. Diseño de investigación 9 1.7.2. Métodos de investigación 10 1.7.3. Fuentes y técnicas de investigación 10

CAPÍTULO II MARCO DE REFERENCIA

2.1. Antecedentes 11 2.2. Conceptos básicos 12 2.2.1. Fluido 12 2.2.2. Presión. 12 2.2.3. Hidrodinámica 13

viii

2.3. Ecuación de bernoulli generalizada 14 2.4. Tuberías y válvula 15 2.4.1. Válvulas. 15 2.4.1.1. Válvulas de compuerta. 16 2.5. Collarines 16 2.6. Válvulas de solenoide. 17 2.7. Perdidas en conductos o tuberías 17 2.7.1. Perdidas primarias 18 2.7.2. Perdidas secundarias 18 2.8. Golpe de ariete 18 2.9. Cavitación 18 2.10. Rendimiento o eficiencia 19 2.11. Turbo máquinas hidráulicas 20 2.11.1. Generalidades 20 2.11.2. Máquinas hidráulicas 20 2.11.3. Clasificación de las máquinas hidráulicas 21 2.11.4. Máquinas térmicas 21 2.11.4.1. Bombas rotodinamicas 22 2.11.4.1.1. Definición 22 2.11.4.1.2. Clasificación de las bombas 22 2.11.4.2. Elementos constitutivos 23 2.11.4.3. Curvas características de las turbomaquinas hidráulicas 24 2.12. Bomba sumergible 26 2.12.1. Características y funcionamiento 26 2.12.2. Aplicaciones de las bombas sumergibles 27 2.12.2.1. Pozos 27 2.12.2.2. Cisternas, depósitos y pantanos 27 2.12.2.3. Fuentes ornamentales y estanques 28 2.13. Dispositivos de control 28 2.13.1. El uso de los instrumentos en la industria 28 2.13.2. Instrumentación y medición de flujos 30 2.13.2.1. Medidores de flujo de carga 30 2.13.2.2. Manómetros 31 2.13.2.3. Transductores 32 2.13.2.4. Variadores de velocidad 34 2.13.2.5. Plc`s (programable logia controller). 35 2.14. Sistema scada 37 2.14.1. Definiciones del sistema scada 38 2.14.2. Funciones del sistema scada 38 2.14.2.1. Sistemas de bombeo hidroneumático 39 2.14.3. Sistemas de tanque a tanque 41

CAPÍTULO III DISEÑO DEL BANCO DE PRUEBA HIDRÁULICO DE PRESIÓN

CONSTANTE MEDIANTE UN H.M.I. 3.1. Comparación de los bancos de pruebas de presión constante 42 3.1.1. Sistema de presión constante 42 3.1.2. Banco de pruebas sistema grounfos q mpc 44 3.1.3. Banco para pruebas de bombas franklin electric 45 3.1.3.1. Ponderación de los diferentes bancos de pruebas. 46 3.2. Diseño propuesto del banco de pruebas hidráulico de presión constante 47

ix

3.2.1. Modelo tentativo del banco de pruebas. 47 3.2.1.1. Tanque de abastecimiento 48 3.2.1.2. Esfuerzo longitudinal en un cilindro de pared delgada 49 3.2.1.3. Tanque de descarga 50 3.2.1.3.1. Esfuerzo longitudinal en un cilindro de pared delgada 52 3.2.1.4. Selección de bomba sumergible. 54 3.2.1.4.1. Motores eléctricos. 66 3.2.1.4.2. Calculo del tdh para bomba de retorno 67 3.2.1.4.3. Numero de reynols 69 3.2.1.5. Mesa de trabajo 70 3.2.1.5.1. Pesos de la mesa 71 3.2.1.5.2. Cálculos de la carga de la mesa 72 3.2.1.6. Distribuidor 82 3.2.1.7. Bomba de retorno 83 3.2.2. Circuito eléctrico y protecciones eléctricas 84 3.2.2.1. Cables eléctricos 85 3.2.2.2. Variadores de velocidad 86 3.2.2.3. Funcionalidad 86 3.2.2.4. Conexión mediante convertidor de frecuencia 87 3.2.3. Programación del controlador. 88 3.2.3.1. Twidosoft 88 3.2.3.2. Programación 89 3.2.3.3. Configuración del hardware 89 3.2.3.4. Sistema scada 90 3.2.3.5. Pantallas. 91

CAPITULO IV CONSTRUCCIÓN, PRUEBAS Y OPERACIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS

HIDRAÁULICO DE PRESIÓN CONSTANTE MEDIANTE UN HMI PARA EL LABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS DE LA UTE

4.1. Construcción banco de prueba hidráulico de presión constante mediante un H.M.I.

para el laboratorio de mecánica de fluidos de la ute. 94 4.1.1. Mesa de trabajo 94 4.1.2. Pruebas de la bomba trifásica con arranque directo 97 4.2. Beneficios el sistema de presión constante vs sistema convencional 98 4.2.1. Sistema convencional 99 4.2.2. Sistema de presión constante 100 4.3. Elaboración de un manual de operación y mantenimiento 102 4.3.1. Seguridad de control 103 4.3.2. Mantenimiento. 103

CAPITULO V PROCEDIMIENTO DE PRÁCTICAS DEL BANCO DE PRUEBA

HIDRÁULICO DE PRESIÓN CONSTANTE MEDIANTE UN H.M.I. PARA EL LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS DE LA UNIVERSIDAD

TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL. 5.1. Procedimiento manual. 105 5.1.1. Verificación de la presión constante del sistema hidráulico. 106 5.1.1.1. Formato para la realización de prácticas manual y automática 106

x

CAPÍTULO VI

ANALISIS ECONÓMICO. 6.1. Costos 111 6.1.1. Costos de materiales hidráulicos 111 6.1.2. Costos de materiales eléctricos y electrónicos de control 113 6.1.3. Costos de las bombas de agua 114 6.1.4. Otros costos 114 6.1.5. Consolidación de los costos de materiales 115 6.1.6. Costo de mano de obra 115 6.2. Costos totales 115 Conclusiones 116 Recomendaciones 118 Bibliografia 119 Webgrafia 120 Anexos 122

xi

Índice de Tablas

Tabla 3. 1 Ponderación de los bancos de pruebas ................................................................ 46 Tabla 3. 2 Caracteristicas tecnicas del PVC ........................................................................ 50 Tabla 3. 3 Características del acrílico.................................................................................. 53 Tabla 3. 4 Factor K para accesorios ................................................................................... 57 Tabla 3. 5 Perdidas en accesorios para tubería de una pulgada un cuarto ............................ 57 Tabla 3. 6 Fórmulas para encontrar el coeficiente de rugosidad.......................................... 59 Tabla 3. 7 Perdidas en accesorios para tubería de una pulgada ........................................... 60 Tabla 3. 8 Perdidas en accesorios para tubería de una pulgada un cuarto ............................ 61 Tabla 3. 9 Pérdidas en accesorios para tubería de una pulgada un cuarto ............................ 62 Tabla 3. 10 Altura vs caudal estrangulando la válvula de compuerta .................................... 65 Tabla 3. 11 Características Bombas sumergibles .................................................................. 66 Tabla 3. 12 Perdidas por accesorios (medidas en milímetros y en metros) ........................... 68 Tabla 3. 13 Pesos de Madera .............................................................................................. 71 Tabla 3. 14 Tanque Reservorio ........................................................................................... 72 Tabla 3. 15 Tol ................................................................................................................... 72

Tabla 4. 1 Arranque directo a 60 Herz vs arranque con variador de frecuencia Herz ............ 98 Tabla 4. 2 Datos de la bomba............................................................................................. 101 Tabla 4. 3 Matriz causa efecto ........................................................................................... 103

Tabla 6. 1 Costo de materiales ........................................................................................... 112 Tabla 6. 2 Costo materiales................................................................................................ 113 Tabla 6. 3 Costo materiales................................................................................................ 114 Tabla 6. 4 Otros costos ...................................................................................................... 115 Tabla 6. 5 Consolidación de los costos de materiales . ....................................................... 115 Tabla 6. 6 Costo de mano de obra ...................................................................................... 115 Tabla 6. 7 Costos totales .................................................................................................... 116

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Índice de figuras

Figura 2.1 Válvula de compuerta. .......................................................................................... 16 Figura 2. 2 Collarin. .............................................................................................................. 16 Figura 2. 3 Electroválvula...................................................................................................... 17 Figura 2. 4 Elementos de la bomba ........................................................................................ 23 Figura 2. 5 Curva característica de la bomba.......................................................................... 25 Figura 2. 6 Curva característica de eficiencia ......................................................................... 26 Figura 2. 7 Componentes de la Bomba sumergible ................................................................ 27 Figura 2. 8 Diagrama de flujo de la industria ........................................................................ 29 Figura 2. 9 Transductor ......................................................................................................... 30 Figura 2. 10 Manómetro ........................................................................................................ 32 Figura 2. 11 Transductor de presión ....................................................................................... 33 Figura 2. 12 Variador de velocidad ........................................................................................ 34 Figura 2. 13 PLC`s ................................................................................................................ 35 Figura 2. 14 Implementación de un HMI .............................................................................. 39 Figura 2. 15 Sistemas de Bombeo Hidroneumático ................................................................ 40 Figura 2. 16 Sistemas de tanque a tanque ............................................................................... 41 Figura 3. 1 Sistema de presión constante ............................................................................... 43 Figura 3. 2 Banco de pruebas sistema Groundfos Q MPC ...................................................... 44 Figura 3. 3 Banco de pruebas Franklin Electric Sub Drive/ Mono Drive ................................ 46 Figura 3. 4 Tanque de plástico PVC ...................................................................................... 48 Figura 3. 5 Tanque de descarga ............................................................................................. 50 Figura 3. 6 Esquema de fuerzas que actúan sobre el tanque ................................................... 51 Figura 3. 7 Esquema Bomba Sumergible ............................................................................... 55 Figura 3. 8 Curva de la tabla caudal vs altura ......................................................................... 66 Figura 3. 9 Bomba sumergible .............................................................................................. 67 Figura 3. 10 Esquema de la bomba de retorno....................................................................... 67 Figura 3. 11 Curva de bombas centrifugas ............................................................................ 70 Figura 3. 12 Mesa ................................................................................................................. 71 Figura 3. 13 Diagrama de esfuerzo de la mesa ....................................................................... 72 Figura 3. 14 Diagrama del momento flector de la mesa.......................................................... 75 Figura 3. 15 Diagrama de esfuerzo ........................................................................................ 76 Figura 3. 16 Diagrama del momento flector de la viga ........................................................... 78 Figura 3. 17 Diagrama del momento flector de la viga ........................................................... 78 Figura 3. 18 Esfuerzos simulado en Solid Work ..................................................................... 82 Figura 3. 19 Distribuidor ....................................................................................................... 83 Figura 3. 20 Esquema de bloques del variador de frecuencia ................................................. 87 Figura 3. 21 TWIDO SOFT ................................................................................................... 88 Figura 3. 22 Pantalla Proyecto ............................................................................................... 91 Figura 3. 23 Pantalla circuito ................................................................................................. 92

Figura 4. 1 Sistema De Presión Constante............................................................................93

xiii

Figura 4. 2 Construcción De La Mesa De Trabajo ...............................................................94 Figura 4. 3 La tubería es de material de PVC ros cable ........................................................95 Figura 4. 4 Rectificación de la base para el cudalimetro .......................................................95 Figura 4. 5 Instalación de tuberías .......................................................................................96 Figura 4. 6 Instalación de la bomba de evacuación del tanque de acrílico .............................96 Figura 4. 7 Prueba al instante en el que arranca el motor ......................................................97 Figura 4. 8 Prueba en el que la corriente del motor se estabiliza ...........................................97 Figura 4. 9 Comparación de los costos de energía de los sisetmas ..................................... 101

xiv

RESUMEN EJECUTIVO

Los sistemas de presión constante tienen como objetivo principal mantener la misma

presión del fluido a pesar de las variaciones de la demanda del líquido, se caracterizan

por ser sistemas de velocidad variables ajustables a las necesidades de la aplicación,

estas características combinadas con dispositivos electrónicos permiten obtener el

líquido necesario.

El sistema de presión constante posee equipos que permite programar el abastecimiento

del líquido. El elemento principal es una bomba sumergible, la cual es comandada por

un variador de frecuencia que regula la velocidad del motor de la bomba según el

consumo de fluido que se requiera.

El PLC será el encargado de poner en marcha o detener el sistema de acuerdo a las

órdenes enviadas por el usuario desde el computador de operación, mientras que el

Variador de Frecuencia varia la velocidad del motor de la bomba para regular la presión

en dicho sistema.

El control del funcionamiento consta de un selector de tres posiciones manual, apagado

y automático, además tienen electroválvulas las mismas que simulan los puntos de

abastecimiento del liquido, estos se abren secuencialmente para que pase el fluido del

agua y para que se ponga en marcha el sistema, en caso de que las electroválvulas se

encuentren cerradas en un tiempo permanente y no existe flujo de agua el caudalimetro

enviara a apagar al grupo sumergible. También se cuenta con un tablero en el cual existe

un pulsador de paro general el cual desactivara en caso de una mala maniobra haciendo

parar todo el circuito.

El proyecto cuenta con dos tanques el primer tanque es de 1100 litros donde se

encuentra la bomba principal este enviara a un tanque de acrílico de 180 litros y el cual

xv

por medio de sus sensores de nivel enviaran a activar una bomba de ½ HP haciendo

que retorne el fluido hacia el tanque principal y de esta manera poder obtener un sistema

hidráulico en circuito cerrado.

xvi

SUMMARY EXECUTIVE

The constant pressure system's main goal is to maintain the same liquid pressure despite

the variations in demand for liquid, it is characterized by be adjustable variable speeds

and the type of application, this feature combined with high performance electronic

devices obtain the fluid needed.

The constant pressure system has equipment that allows programming the fluid supply.

The main element is a submersible pump, which is controlled by a frequency variator

which adjusts the speed of pump motor according to the water consumption is required.

The PLC will control starting or stopping of the system according to the programs sent

by the operator's computer terminal, while the speed adjustor varies the speed of the

pump motor frequency inverter to regulate pressure in the above mentioned system.

Operational control consists of a three position switch, off, manual, and automatic. It

also has solenoid valves which allow water to be supplied to various points, these open

sequentially so that the liquid passes into the system. When the valves are closed there

is no water flow so the flow meter trips and shuts off the submersible pump.

It also has a kill switch which is located on the operation board this will shut down

everything in case of an accident.

The project has two tanks, the first being 1100 liters where the main pump is located.

This same pump then sends the liquid to a 180 liters acrylic tank. The sensors are

activated and a 1/2 HP pump is turned on and returns the liquid to the main tank thus

obtaining a closed-circuit hydraulic system.

1

CAPÍTULO I

INTRODUCCIÓN

1.1. Planteamiento del problema

1.1.1. Diagnóstico

La Universidad Tecnológica Equinoccial Campus Arturo Ruiz Mora está situada en la

vía Chone Km. 4 ½. Actualmente cuenta con carreras técnicas y administrativas como:

Ingeniería Electromecánica, Ingeniería en Administración, Ingeniería en Agroindustria,

Diseño Gráfico.

En la carrera de Ingeniería en Electromecánica, se siente la necesidad de complementar

la parte teórica con la práctica, específicamente en la cátedra de Mecánica de Fluidos.

Para el correcto entendimiento de los estudiantes, es necesario para tener una idea a la

parte real de los fluidos.

Implementando la instalación de un banco de prueba hidráulico de presión constante en

el laboratorio de Mecánica de Fluidos contribuirá a la parte práctica y didáctica, siendo

directamente beneficiados los estudiantes y por otra parte los docentes complementando

la calidad académica.

Si en la Universidad no se implementa un banco de prueba hidráulico para el laboratorio

de mecánica de fluidos, se estará dejando un vacío académico muy importante para los

alumnos de Ingeniería Electromecánica.

1.1.2. Pronóstico

Si no se implementa un banco de pruebas hidráulico de presión constante se dejará un

vacío académico, no se logrará determinar la eficiencia de los sistemas de

2

abastecimiento de agua en la industria que provocan una reducción de la vida útil de

cada parte de los equipos y un elevado costo de energía.

Si no se tiene un control adecuado del uso eficiente del sistema de abastecimiento de

agua mediante un sistema de presión constante, se producen costos elevados de

producción.

1.1.3. Control del Pronóstico

Este estudio se realizará desde un laboratorio mediante un banco de prueba de presión

constante logrando controlar la corriente y estabilizando la presión, permitiendo:

Crear una fuente didáctica, para que el docente pueda demostrar realmente sus

conocimientos impartidos.

Ampliar el rendimiento académico tanto como el interés por una educación

técnica integral a través de las prácticas didácticas en laboratorios

correctamente equipados.

Establecer un banco de prueba de presión constante, nos permite solucionar en la

industria el abastecimiento de agua sin interrupción durante los procesos de

producción, logrando controlar el consumo de energía eléctrica.

1.1.4. Formulación

Con el Banco de prueba hidráulico de Presión Constante (SPC), podemos garantizar

las técnicas aprendizaje de los conocimientos impartidos, desarrollando habilidades y

destrezas en el manejo adecuado de herramientas y tecnología para el control de

procesos.

3

1.1.5. Sistematización

¿Cómo ayudara un sistema de presión constante?

¿Será necesario mostrar una curva donde se indique el comportamiento de la presión, la

variación del caudal y de la frecuencia?

¿Será necesario un manual de operación y mantenimiento para el banco de pruebas?

¿Por qué se debe introducir un sistema HMI para el monitoreo y control de su

supervisión?

¿Cómo mejora el consumo de energía eléctrica y vida útil del sistema?

1.2. Objetivos

1.2.1. Objetivo General

Diseñar y construir un banco de prueba hidráulico de presión constante mediante un

H.M.I. para el laboratorio de mecánica de fluidos de la UNIVERSIDAD

TECNOLÓGICA

EQUINOCCIAL campus Arturo Ruiz Mora.

1.2.2. Objetivo Especifico

Construir un sistema de presión constante mediante el cual se permita resolver el

abastecimiento de agua.

Crear un ambiente técnico de aprendizaje implementando un banco de prueba

hidráulico.

Ejecutar el método indicado para construir el sistema de presión constante.

Justificar el ahorro energético utilizando un sistema de presión constante en la

industria.

4

1.3. Justificación

Esta tesis con su método sistemático y los experimentos que se realizaran,

proporcionará conocimientos prácticos, para que el estudiante cuente con herramientas

de aprendizaje sobre fluidos. Con el sistema convencional hidroneumático que se está

manejando hasta el momento se puede observar que existen falencias en lo referente al

excesivo consumo de energía eléctrica, por los valores picos de corriente que se genera

al momento de los arranques continuos.

El Sistema de Presión de Agua Constante (SPC), permite mantener un sistema de

abastecimiento de agua, controlando el número de RPM del motor mediante un variador

de velocidad que estabiliza la presión del agua automáticamente con equipos y

dispositivos de medición que serán comprobados en el laboratorio: normaliza las

fluctuaciones de agua, disminuye el consumo de energía eléctrica y minimiza los

golpes de ariete.

Mediante la implementación del sistema de presión constante se obtendrá un control

eficiente de la energía eléctrica y de paso se podrá corregir el exceso de consumo, de

haberlo, cada una de las medidas serán claves para el ahorro de la misma, desde el punto

de vista técnico y económico.

1.4. Marco de referencia

1.4.1. Marco teórico

Potencia (P)1

La Potencia es la cantidad de energía necesaria para mantener una corriente eléctrica en

una maquinaria. La unidad utilizada en la Industria Petrolera es el Caballo de Fuerza

(HP, siglas en inglés de Horse Power). 1 http://www.dspace.espol.edu.ec/handle/123456789/6233

5

Motor eléctrico2

Los motores eléctricos proveen la energía que necesita la bomba para rotar y acelerar

los fluidos que están siendo bombeados. En una aplicación de Bombeo se utilizan

motores eléctricos con estator bobinado de inducción bipolar trifásica y rotor tipo jaula

de ardilla que opera a una velocidad de 3600 RPM y a una frecuencia de 60 Hz. Los

motores trifásicos tienen tres bobinas separadas 120° entre sí, una por cada fase y

distribuidas uniformemente alrededor de la circunferencia interna de un tubo cilíndrico

con laminaciones de acero. El estator está formado por las bobinas y las láminas de

acero.

Dentro de la circunferencia interna del estator se encuentra localizado lo que se llama

rotor, fabricado en un tubo cilíndrico de láminas de hierro silicio dejando un espacio

mínimo entre el diámetro exterior del rotor y el diámetro interior del estator.

Este espacio se lo conoce como entrehierro. Se requiere de él para evitar la fricción

entre el estator y el rotor.

La velocidad a la que el campo del estator gira es:

(1,1)

N = revoluciones por minuto

f = frecuencia en línea

P = número de polos en el motor

El diámetro interior del pozo es una limitante para las dimensiones del motor, por esta

razón se construyen motores de mayor potencia en dos piezas para un mismo diámetro

exterior, conectados interiormente.

2 Estudio De La Eficiencia Operativa De Las Bombas Eléctricas Sumergibles (Bes) En El Campo V.H.R. En Base A Las Curvas De Operación

PfN *1201

6

Fluido3

Fluido es una sustancia que se puede escurrir fácilmente y que puede cambiar su forma

debido a la acción de pequeñas fuerzas. Por lo tanto el término fluido influye a los

líquidos y a los gases.

Bomba 4

Una Bomba es una máquina capaz de transferir energía a un fluido en forma de poder

hidráulico. Las Bombas Centrífugas son turbo-máquinas y su rata de descarga depende

de varios factores como: la carga hidrostática, las revoluciones por minuto a las que este

girando el motor, diseño de las etapas y propiedades del fluido. Cada etapa consiste de

un impulsor rotatorio y un difusor estacionario. La bomba centrifuga trabaja por medio

de la transferencia de energía del impulsor al fluido desplazándolo como si fuera un

acelerador de partículas.

Figura 1.1 Bomba

Fuente: ABB Ecuador Elaborado por: Paolo Cevallos y Francisco Velazco/ 2010.

3 Mecanica de Fluidos - Irving H. Shames Pag. 3 4 Estudio De La Eficiencia Operativa De Las Bombas Eléctricas Sumergibles (Bes) En El Campo V.H.R. En Base A Las Curvas De Operación

7

El Variador de Velocidad 5

Es un dispositivos empleado para controlar la velocidad giratoria de maquinaria,

especialmente de motores. Un variador de velocidad puede consistir en la combinación

de un motor eléctrico y el controlador que se emplea para regular la velocidad del

mismo. La combinación de un motor de velocidad constante y de un dispositivo

mecánico que permita cambiar la velocidad de forma continua.

Tubería6

La tubería es un conducto que cumple la función de transportar agua u otros fluidos. Se

suele elaborar con materiales muy diversos. Cuando el líquido transportado es petróleo,

se utiliza la denominación específica de oleoducto. Cuando el fluido transportado es

gas, se utiliza la denominación específica de gasoducto.

Válvulas 7

Es un accesorio que se utiliza para regular y controlar el fluido de una tubería. Este proceso

puede ser desde cero (válvula totalmente cerrada), hasta de f lujo (válvula totalmente abierta),

y pasa por todas las posiciones intermedias, entre estos dos extremos.

H.M.I.8

Los sistemas H.M.I. en computadoras se los conoce como software H.M.I. de monitoreo y

control de supervisión. Las señales del proceso son conducidas al H.M.I. por medio de

dispositivos como tarjetas de entrada/salidas en la computadora, PLC´s (controladores lógicos

programables), RTU (unidades remotas (I/O) o DRIVE`s (variadores de velocidad de

motores). Todos estos dispositivos tienen que tener una entrada que entienda el H.M.I.

5 http://www.dspace.espol.edu.ec/handle/123456789/6233 6 Estudio De La Eficiencia Operativa De Las Bombas Eléctricas Sumergibles (Bes) En El Campo V.H.R. En Base A Las Curvas De Operación 7 http://www.dspace.espol.edu.ec/handle/123456789/6233 8 http://html.rincondelvago.com/tuberias_1.html

8

PLC (CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE)9

Es un hardware industrial, que se utiliza para la obtención de datos. Una vez obtenidos, los pasa

a través un servidor.

Sensores 10

Este elemento cumple la función de censar la presión y la temperatura de fondo, para así

poder chequear estos parámetros en superficie y evitar problemas con la unidad. Se los

instala según las condiciones y requisitos específicos, permitiendo un mejor control del

funcionamiento del equipo mediante el monitoreo y dispositivos de protección al

equipo. Esta unidad toma distintas denominaciones según el fabricante: unidades PSI y

PHD, para REDA y CENTRILIFT, respectivamente.

1.5. Marco Temporal/Espacial

Esta tesis se va a elaborar para el laboratorio de la Universidad Tecnológica Equinoccial

Campus Arturo Ruiz Mora durante el año 2012.

1.6. Idea a Defender

El sistema de presión constante conseguirá desarrollar técnicas de aprendizaje para el

analizar de los parámetros de trabajo, complementando los conocimientos impartidos y

mejorando el nivel de aplicaciones tecnológicas en el diseño de controles automáticos

según las necesidades del mercado industrial que lo aplique, consiguiendo mantener el

control eficiente del consumo de energía eléctrica.

9 http://es.wikipedia.org/wiki/HMI 10 http://www.dspace.espol.edu.ec/handle/123456789/6233

9

1.6.1. Variables e Indicadores

1.6.1.1. Variables

Variable independiente: Diseño construcción de un sistema de presión constante

mediante un H.M.I.

Variable dependiente: calidad y eficiencia energética.

1.6.1.2. Indicadores

En el sistema de presión constante tendrá que censar:

Presión

Caudal

Frecuencia

1.7. Metodología de la investigación

1.7.1. Diseño de investigación

El diseño de investigación se relaciona con el tipo de investigación que se va a realizar

en el presente caso será:

De acuerdo a la profundidad del estudio: Analítico No observacional.

10

1.7.2. Métodos de investigación

La presente investigación tiene como punto de partida el problema por lo que se

utilizara el método de investigación Analítico.

1.7.3. Fuentes y técnicas de investigación

Fuentes: Libros de mecánica de fluidos, folletos de bombas de marcas

reconocidas, folletos de variadores de frecuencia, documentales de profesionales

en la rama de mecánica y electricidad, internet etc.

Técnicas: Consultas con expertos, revisión de archivos, revisión de documentos,

trabajo de campo.

11

CAPÍTULO II

MARCO DE REFERENCIA

2.1. Antecedentes

El control de la presión en los procesos industriales da condiciones de operaciones seguras.

Cualquier recipiente o tubería posee cierta presión máxima de operación y de seguridad

variando este, de acuerdo con el material y la construcción. Las presiones excesivas no

solo pueden provocar la destrucción del equipo principal, si no también puede provocar la

destrucción de los equipos adyacentes y ponen al personal en situaciones peligrosas,

particularmente cuando están contenidas, fluidos inflamables o corrosivos. Para tales

aplicaciones, las lecturas absolutas de gran precisión con frecuencia son tan importantes

como lo es la seguridad extrema.

El sistema de agua de presión constante, es un sistema para el abastecimiento de agua

con una bomba que une las ventajas de un motor con un número de revoluciones mayor

para la regulación de la presión del agua al valor programado en el banco de pruebas

hidráulico.

Este es uno de los métodos más comunes para el abastecimiento de agua, dicho sistema

de presión constante no es el único, el sistema de presión constante propuesto ofrece

una regulación consistente de la presión de agua usando dispositivos electrónicos para

el mando de la bomba/motor de acuerdo a la demanda en tiempo real del sistema. La

demanda de presión de agua se monitorea constantemente con un transductor de presión

robusto de alta precisión que viene con el sistema de visualización donde se presentan

los parámetros de trabajo: presión, frecuencia, potencia, corriente, conectado al

momento de la instalación. Ajustando la velocidad de la bomba/motor, el Sistema de

presión constante reacciona automáticamente a cualquier cambio de demanda del

sistema, mientras mantiene la presión de salida constante.

12

Además de regular la presión de la bomba controla precisamente la operación del

motor, el Sistema monitorea continuamente el desempeño del sistema y puede detectar

una variedad de condiciones anormales por medio del variador de frecuencia.

En muchos casos, el controlador compensará lo que sea necesario para mantener la

operación continua del sistema según su programación. Pero, si existe un elevado riesgo

de daños al equipo, el controlador protegerá el sistema apagándolo. Para ayudar a

identificar un problema en el sistema en el display de variador de frecuencia se

presentara códigos de falla que serán interpretados mediante los manuales del fabricante

de los dispositivos, el controlador intentará reiniciar el sistema cuando se reduzca la

condición de falla.

El proyecto se construirá en el laboratorio de mecánica de fluidos de la Universidad

Tecnológica Equinoccial Campus Arturo Ruiz Mora, en donde realizaremos parámetros

de mediciones de dicho sistema.

2.2. Conceptos Básicos

2.2.1. Fluido

Fluido es aquella sustancia que, debido a su poca cohesión intermolecular, carece de

forma propia y adopta la forma del recipiente que lo contiene11

2.2.2. Presión

La presión es la fuerza que ejerce un fluido por unidad de área. La presión solo se trata

cuando se habla de un gas o un líquido. La contraparte de la presión en los sólidos es el

esfuerzo. En un fluido en reposo, la presión en un punto determinado es la misma en

todas las direcciones. La presión en un fluido aumenta con la profundidad como

11 MECANICA DE FLUIDOS Y MECANICA HIDRAULICA, Matix Claudio. Pag. 13

13

resultado del peso del fluido. Este aumento se debe a que el fluido a niveles más bajos

soporta más peso que el fluido a niveles más altos.

La presión varía en dirección vertical como consecuencia de los efectos gravitacionales,

pero no existe variación en la dirección horizontal. La presión en un tanque que

contiene un gas se considera uniforme, puesto que el peso del gas es demasiado

pequeño para hacer una diferencia apreciable.12

2.2.3. Hidrodinámica

La hidrodinámica estudia los fluidos en movimiento. Se dice que el movimiento del

fluido es de régimen estacionario cuando la velocidad es un punto en el espacio no varía

con el tiempo. Toda partícula que pasa por ese punto tendrá la misma velocidad.13

El movimiento de los fluidos presenta algunos de los fenómenos complejos en la

naturaleza, los mismos que deberán cumplir con las siguientes características:

Ser estable o estacionario: el movimiento de un fluido es estable, cuando la

velocidad no es muy grande y los estrechamientos y curvas del tubo, no hacen

cambiar bruscamente la dirección de las líneas de corriente. Además, en

cualquier punto, la velocidad, la presión y la densidad no cambian con el tiempo,

pero si varían de lugar en lugar y la velocidad nunca es nula. Cuando el

movimiento del fluido es estable, Las líneas de corriente siguen caminos

paralelos a las paredes del tubo. Si la rapidez del fluido es muy grande, las líneas

de corriente pueden hacerse turbulentas y giran formando remolinos.

Ser rotacional: es cuando el movimiento del fluido no presenta ningún

movimiento giratorio. Esto significa que no debe girar, ni rotar, solamente

trasladarse.

12 TERMODINAMICA , Yunus A. Cengel, Michael A. Boles Pag. 17 13 Zambrano Orejuela, Física Vectorial Básica Pág. 215

14

Ser incompresible: para que el volumen no cambie con el movimiento y la

densidad se mantenga constante.

Ser no viscoso: que el movimiento entre las capas del fluido en movimiento y

entre el fluido y las paredes del recipiente que le conducen sea cero.

2.3. Ecuación de Bernoulli generalizada 14

Si la corriente atraviesa una o varias máquinas que le suministran energía (bombas)

experimentan un incremento de energía que, expresada en forma de altura, la

llamaremos ∑ HB. Así mismo si la corriente atraviesa una o varias máquinas a las que

cede energía (turbinas) experimentan un decremento de energía, que, expresada en

forma de altura, la llamaremos -∑ Ht. Por tanto:

La energía del fluido en el punto uno – la energía perdida entre el punto y punto dos +

la energía suministrada al fluido por las bombas que haya entre el punto 1 y el punto 2

– la energía cedida a las turbinas o motores que haya entre el punto 1 y el punto 2, ha de

ser igual a la energía en el punto 2. En hidráulica se prefiere, como hemos dicho,

expresar todas estas energías en forma de alturas equivalentes (dividiendo todos los

términos por la g).

ECUACIÓN DE BERNOULLI GENERALIZADA

gZ

gPHH

gZ

gP

br 22

22

22

21

21

11

22

g

21

g 2ZPHH

2Z 2

Dónde:

P1 / ,gg P2/ ,gg ------ Alturas de presión.

Z1, Z2 -------- Alturas geodésicas.

14 MECANICA DE FLUIDOS Y MECANICA HIDRAULICA, Matix Claudio. Pag. 113

15

212

1 /2g, 2222 /2g ------ Alturas de velocidad.

21 2rH ------ Suma de todas las presiones hidráulicas entre 1 y 2

bHH ------- Suma de los incrementos de altura proporcionados por las

bombas instaladas entre 1 y 2

tHH ------- Suma de los incrementos de altura absorbida por los

motores (turbinas) instalados entre 1 y 2.

2.4. Tuberías y válvula

La tubería o cañería es un conducto que cumple la función de transportar agua u otros fluidos. Se suele elaborar con materiales muy diversos.

Cuando el líquido transportado es petróleo, se utiliza la denominación específica de oleoducto.

Cuando el fluido transportado es gas, se utiliza la denominación específica de gasoducto. También es posible transportar mediante tubería materiales que, si bien no son un fluido, se adecúan a este sistema: hormigón, cemento, cereales, documentos encapsulados, etcétera.

2.4.1. Válvulas

Son elementos que controlan la dirección o la rapidez del flujo en un sistema,

típicamente establecen turbulencias locales en el fluido ocasionando que la energía se

disipe en forma de calor. Estas pérdidas de energía se presentan siempre que haya una

restricción, un cambio de velocidad de flujo o un cambio en su disminución.

16

2.4.1.1. Válvulas de compuerta

La válvula de compuerta es de vueltas múltiples, en la cual se cierra el orificio con un

disco vertical de cara plana que se desliza en ángulos rectos sobre el asiento.

Figura 2.1

Válvula de compuerta.

Fuente: SolidWord2011 Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2010

2.5. Collarines

Accesorio dispositivo conector hidráulico que permite atreves de un orificio circular en

la línea principal de flujo alimentar una línea transversal secundaria de menor cauda

Figura 2.2 Collarin.

Fuente: SolidWord/2011 Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2010

17

2.6. Válvulas de solenoide

Un solenoide es definido como una bobina de forma cilíndrica que cuenta con un hilo

de material conductor enrollada sobre si a fin de que, con el paso de la corriente

eléctrica, se genere un intenso campo eléctrico. Cuando este campo magnético aparece

comienza a operar como un imán. La función principal de un solenoide es activar una

válvula que lleva su mismo nombre, la válvula solenoide. Esta válvula opera de acuerdo

a los pulsos eléctricos de su apertura y de su cierre. Es importante mencionar que

existen varios tipos de solenoide, por lo que es lógico que su instalación y conexión

también varíe. No obstante, ya se trate de un solenoide u otro, y se le den usos

diferentes, todos ellos operan bajo el mismo principio.

Figura 2. 3 Electroválvula

Fuente: SolidWord/2011 Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2010

2.7. Perdidas en conductos o tuberías15

Las pérdidas de cargas en las tuberías son de dos clases: primarias y secundarias

15 MECANICA DE FLUIDOS Y MECANICA HIDRAULICA, Matix Claudio. Pag. 203

18

2.7.1. Perdidas Primarias

Son las pérdidas de superficie en el contacto del fluido con la tubería (capa limite),

rozamiento de unas capas de fluidos con otras (régimen laminar) o de las partículas de

fluidos entre sí (régimen turbulento). Tienen lugar en fluido uniforme por tanto

principalmente en los tramos de tuberías de sección constante.

2.7.2. Perdidas Secundarias

Son las pérdidas de forma que tiene lugar en las transiciones (estrechamientos o

expansiones de la corriente), codos, válvulas, y en toda clase de accesorio de tubería.

2.8. Golpe de ariete

Se llama golpe de ariete a una modificación de la presión en una conducción debida a la

variación del estado dinámico del líquido.

En las paradas de las bombas, en el cierre de las válvulas, etc., se produce esta variación

de la velocidad de la circulación del líquido conducido en la tubería.

2.9. Cavitación

La cavitación es un fenómeno que se produce siempre que la presión en algún punto o

zona de la corriente de un líquido desciende por debajo de un cierto valor mínimo

admisible. La misma que produce burbujas de vapor que deteriora el impulsor. El

fenómeno puede producirse lo mismo en presiones hidráulicas estáticas (tuberías,

Venturis, etc.) que en máquinas hidráulicas.

19

2.10. Rendimiento o eficiencia 16

En toda máquina, mecanismo o sistema, la energía que ingresa a este por unidad de

tiempo, no se puede aprovechar al máximo (100%) para producir trabajo, ya que

siempre estarán presentes fuerzas de rozamiento que ocasionan una pérdida de energía.

En muchas de las aplicaciones, se considera a los sistemas como ideales, es decir sin

rozamientos, pero la mayor parte de las máquinas y dispositivos mecánicos, son de una

construcción tal, que el rozamiento debe ser tomado en cuenta.

En estos casos, es necesario considerar, que además del trabajo de las fuerzas activas

aplicadas al sistema, el trabajo de las fuerzas de rozamiento.

Para evaluar que tan cerca esta una maquina ideal de ser ideal, se define al rendimiento

o eficiencia de una maquina como, mecanismo o sistema, como la relación entre el

trabajo que sale y el trabajo que entra o, la relación entre la potencia que sale y la

potencia que entra, en un mismo periodo de tiempo. La eficiencia de un motor es

definida como la relación de la potencia (mecánica) de salida y la potencia (eléctrica) de

entrada.

La eficiencia puede ser medida directa o indirectamente.

En la medición directa la relación es calculada usando:

La potencia de entrada basada en la fuente de corriente y voltaje, y la

potencia de salida basada en la velocidad de rotación y el par.

Las mediciones indirectas involucran medir la potencia de entrada y calcular

la potencia de salida basándose en las pérdidas dentro del motor

Las pérdidas del motor pueden ser clasificadas en 5 áreas mayoritarias:

Pérdidas del cobre

Pérdidas del hierro

Pérdidas del rotor

16 FISICA VECTORIAL BASICA ZAMBRANO OREJUELA

20

Pérdidas por fricción

Pérdidas por cargas parásitas (SLL)

2.11. Turbo máquinas hidráulicas

2.11.1. Generalidades

Una máquina es un transformador de energía; Una máquina absorbe energía de una

clase y restituye energía de otra clase (un motor eléctrico por ejemplo, absorbe energía

eléctrica y restituye energía mecánica). Las máquinas se clasifican en grupos:

Máquinas de fluido.

Máquinas herramientas

Máquinas eléctricas.

Máquinas de fluido son aquellas máquinas en el que el fluido, o bien proporciona la

energía que absorbe (por ejemplo, el agua que se suministra a una turbina posee una

energía preferentemente de presión, proveniente de la energía geodésica que poseía en

el embalse y que a su vez la turbina transforma en energía mecánica) o bien aquellas en

las que el fluido es el receptor de energía, al que la maquina restituye la energía

mecánica absorbida.

Las máquinas de fluidos se clasifican en máquinas hidráulicas y maquinas térmicas.

2.11.2. Máquinas hidráulicas

Es aquella en que el fluido que intercambia su energía no varía sensiblemente de la

densidad en su paso a través de la máquina, por lo cual en el diseño y estudio de la

misma se hace la hipótesis de que la densidad es constante.

21

Las máquinas hidráulicas pertenecen a un grupo muy importante de máquinas que se

llaman máquinas de fluido. Aunque rara es la máquina en que no intervienen uno o

varios fluidos como refrigerantes, lubricantes, etc.; eso solo no es suficiente para incluir

dicha máquina en el grupo de máquinas de fluido.

2.11.3. Clasificación de las Máquinas Hidráulicas

Las máquinas hidráulicas se clasifican en:

Turbo máquinas

Máquinas de desplazamiento positivo.

En las turbomáquinas, denominadas también máquinas de corriente, los cambios en la

dirección y valor absoluto de la velocidad del fluido juegan un papel esencial.

En las turbomáquinas el órgano transmisor de energía (rodete) se mueve siempre con

movimiento rotativo, en las máquinas de desplazamiento positivo el órgano trasmisor de

energía puede moverse tanto con movimiento alternativo como con movimiento

rotativo. Al grupo de las máquinas de desplazamiento positivo pertenece a la clase

importantísima de las máquinas empleadas en las transmisiones y controles hidráulicos

y neumáticos. En las máquinas de desplazamiento positivo, también llamadas máquinas

volumétricas, el órgano intercambiador (émbolo) de energía cede energía al fluido o el

fluido a él en forma de presión creada por la variación de volumen. Los cambios en la

dirección y valor absoluto de la velocidad del fluido no juegan un papel esencial alguno.

2.11.4. Máquinas térmicas

Es aquella en que el fluido en su paso a través de la máquina varía sensiblemente de

densidad y volumen específico, el cual en el diseño y estudio de la máquina ya no puede

suponerse constante.

22

2.11.4.1. Bombas rotodinamicas

2.11.4.1.1. Definición

Bomba es una máquina que absorbe energía mecánica y restituye al líquido que la

atraviesa energía hidráulica.

Se llaman rotodinámicas porque su movimiento es rotativo y la dinámica de corriente

juega un papel esencial en la transmisión de la energía.

2.11.4.1.2. Clasificación de las bombas

Las bombas se clasifican:

Según la dirección del flujo:

Bombas de flujo radial,

Bombas de flujo axial

Bombas flujo radioaxial.

Según la posición del eje:

Bombas de eje Horizontal,

Bombas de eje vertical

Bombas de eje inclinado.

Según la presión engendrada:

Bombas de baja presión,

23

Bombas de media presión

Bombas de alta presión.

Según el número de flujo en la bomba:

Bombas de simple aspiración o de un flujo

Bomba de doble aspiración, o de dos flujos.

Según el número de rodetes:

Bombas de un escalamiento o de varios escalamientos.

2.11.4.2. Elementos constitutivos

Figura 2. 4 Elementos de la bomba

Fuente: Mecánicas de fluidos y maquinas hidráulicas; Claudio Mataix pág. 370 Elaboración: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2010

24

Rodete (1), que gira solidario con el eje de la máquina y consta de un cierto

número de álabes que imparten energía al fluido en forma de energía cinética y

energía de presión.

Corona directriz (2), llamada también corona de álabes fijos, que recoge el

líquido del rodete y transforma la energía cinética comunicada por el rodete en

energía de presión, ya que la sección de paso aumenta en esta corona en la

dirección del flujo. Esta corona directriz no existe en todas las bombas; porque

encarece su construcción; aunque hace a la bomba más eficiente.

Caja espiral (3), que transforma también la energía dinámica en energía de

presión, y recoge además con pérdidas mínimas de energía el fluido que sale del

rodete, conduciéndolo hasta la tubería de salida o tubería de impulsión.

Tubo difusor troncocónico (4), que realiza una tercera etapa de difusión o sea de

transformación de energía dinámica en energía de presión.

2.11.4.3. Curvas Características de las Turbomaquinas Hidráulicas

Ensayo elemental de una bomba

Ensayo elemental de una bomba es aquel en que, manteniéndose constante el número de

revoluciones, n, se varia el caudal, Q, y se obtienen experimentalmente las curvas H =

f1 (Q); Pa=f2 (Q), y η tot=f3 (Q). Estas curvas, y en particular la curva H=f1 (Q), se

llaman curvas características. En las instalaciones más corrientes la bomba acoplada a

un motor eléctrico de inducción está destinada a girar a velocidad constante.

Sin embargo, es frecuente que, aunque la bomba gire a n constante, el utilizador

necesite más o menos caudal, lo que sólo puede conseguirse en este caso abriendo o

cerrando la válvula de impulsión

25

Figura 2. 5 Curva característica de la bomba

Fuente: Mecánicas de fluidos y maquinas hidráulicas; Claudio Mataix pag. 541 Elaboración: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2010

Ensayo completo de una bomba

Ensayo completo de una bomba es un conjunto de ensayos elementales, caracterizado

cada uno por un número de revoluciones distinto: consta de varias (cinco a ocho) curvas

H-Q y de varias curvas de ηtot -Q. Al conjunto de curvas se denomina curvas en concha.

Las bombas pueden ser accionadas no sólo por motores de inducción de velocidad

constante, sino también por motores de gasolina, o diesel, turbinas de vapor, motores

eléctricos de corriente continua, motores de corriente alterna de colector, de velocidad

regulable o motores de inducción, a través de cambios de velocidad es decir, una bomba

puede trabajar a números de revoluciones distintos.

26

Figura 2. 6 Curva característica de eficiencia

Fuente: Mecánicas de fluidos y maquinas hidráulicas; Claudio Mataix pág. 542

Elaboración: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2010

2.12. Bomba Sumergible

Una bomba sumergible es una bomba que tiene un impulsor sellado a la carcasa. El

conjunto se sumerge en el líquido a bombear. La ventaja de este tipo de bomba es que

puede proporcionar una fuerza de elevación significativa pues no depende de la presión

de aire externa para hacer ascender el líquido.

2.12.1. Características y funcionamiento

Un sistema de sellos mecánicos se utiliza para prevenir que el líquido que se bombea

cause un cortocircuito al motor. La bomba se puede conectar con un tubo, manguera

flexible o estar abajo de los carriles o de los alambres de guía de modo que la bomba

siente en "un acoplador del pie de los platos", de tal forma conectándola con la tubería

de salida.

27

Figura 2. 7 Componentes de la Bomba sumergible

Fuente: Dspace espol Elaboración: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2010

2.12.2. Aplicaciones de las bombas sumergibles

2.12.2.1. Pozos

Es la aplicación típica de los motores sumergibles

Tener en cuenta las normas dadas, principalmente en cuanto a refrigeración y

distancia de instalación respecto al fondo del pozo.

2.12.2.2. Cisternas, depósitos y pantanos

Debe instalarse siempre una camisa de refrigeración en el motor ya que, en caso

contrario, no se produciría la velocidad del flujo de refrigeración requerida

produciéndose una sobre temperatura en el motor y la avería del mismo.

En un pantano tener en cuenta la calidad del agua en el lugar de la instalación. La

existencia de lodos y sedimentos en la misma pueden causar graves problemas en el

grupo hidráulico.

28

2.12.2.3. Fuentes ornamentales y estanques

Se trata de una aplicación complicada especialmente debido a los factores de

refrigeración y usual presencia de elementos sólidos en el agua.

Normas para la instalación de motores sumergibles en fuentes, estanques o

depósitos abiertos

Tener en cuenta la temperatura del agua de la fuente a bombear (circuito cerrado,

poca profundidad, elevada temperatura exterior). Sobredimensionar el motor para

evitar problemas de consumo y refrigeración.

Instalar siempre camisa de refrigeración (el agua no se direcciona en forma de flujo

a lo largo del motor)

Bomba instalada con protección anti oleaje para evitar la entrada de aire (cavitación

y mala refrigeración)

El agua a bombear debe estar libre de elementos sólidos (hojas, arena, papeles,

ramas,…) para evitar taponar la boca de aspiración de la bomba o depositarse en la

superficie del motor (mantenimiento adecuado de la fuente)

El motor se puede instalar en posición horizontal, pero nunca con el eje boca abajo,

ni tan siquiera leve inclinación hacia abajo.

Verificar durante y después de la instalación que el consumo del motor no

sobrepase el máximo permitido (placa de características del motor). Instalar

protecciones para evitar sobrepasarlo.

2.13. Dispositivos de control

2.13.1. El uso de los instrumentos en la industria

Los instrumentos son herramientas indispensables que sirven para conseguir y

conservar la calidad con que se identifícale producto que se está manufacturando. Se

utilizan para controlar las variables de un proceso o sistemas en forma tan exacta como

se necesite para satisfacer las especificaciones del producto en lo que se respecta a

composición, forma color o acabado.

29

Los instrumentos o el sistema de instrumentación pueden ser mecánicos, neumáticos,

hidráulico, eléctricos, electrónicos, o una combinación de dos o más de estas formas

básicas, por ejemplo, electromecánicos. Cada instrumento o sistema de instrumentos

tiene tres funciones básicas que son:

1.- Detector

2.- Dispositivo intermedio de transferencia

3.- Dispositivo final

El dispositivo de entrada debe captar la señal y transferirla a algún sistema de salida. El

tipo de instrumento o sistema depende de las variables que se van a controlar o medir y

de la rapidez y la precisión con que se debe efectuar la medición o el control.La

automatización, que requiere del control y la recopilación de datos por computadora, ha

fomentado el uso de instrumentos para mediciones y control, tanto de una sola estación

como de sistemas completos en todas las industrias modernas.

Estos van desde una simple estación de control manual hasta un complejo centro de

actividad y control utilizando computadoras. Para cada aplicación debe existir una

comprensión clara y concisa del funcionamiento de cada instrumento y de sus

limitaciones en el sistema de medición y control. Es esencial que se conozca la teoría

adecuada, la operación fundamental y las interacciones entre los componentes en el

proceso que se va a medir o controlar.

Figura 2. 8 Diagrama de flujo de la industria

Fuente: DSPACE/EPN Elaboración: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2010

La utilidad de un instrumento en cualquier sistema de medición y control depende de la

medida en que se pueda poner en marcha con éxito un dispositivo de control y del grado

de seguridad con que se logre reproducir la iniciación del control.

Detector Dispositivo intermedio

Dispositivo final

30

Tanto la exactitud como la seguridad de un instrumento dependen de su construcción y

de la manera en que conserve su calibración. Un instrumento mal calibrado produce un

riesgo de medición y no sirve al utilizarlo para medir.

2.13.2. Instrumentación y medición de flujos

2.13.2.1. Medidores de flujo de carga

Los medidores de flujo de carga constituyen el tipo de dispositivo más común que sirve

para medir el flujo de gases, líquidos y lechadas. Estos medidores determinan la presión

diferencial en una restricción al flujo. La presión se puede relacionar con la fuerza por

unidad de área y la carga se convierte en una función de velocidad del flujo y la

densidad del medio fluyente. Todas las ecuaciones aplicables se pueden derivar del

teorema de BERNOULLI, que establece que:

Dónde:

= densidad del liquido

v= Velocidad del liquido

p= Presión

g= constante gravitacional

Figura 2. 9 Transductor

Fuente: Instrumentación industrial; Harold E. Soisson pag. 235 Elaboración: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2010

cpg

cp2

22

31

Cuando se coloca una restricción en una tubería, se crea una diferencial de presión, de

manera que, en el caso de fluidos no compresibles, la carga h se define como.

Dónde:

P1= presión en el lado corriente arriba de la restricción

P2= presión en el lado corriente abajo

= peso específico del fluido

v1= velocidad promedio en el lado corriente arriba

v2= velocidad en el lado corriente abajo.

Para crear la presión diferencial, esta restricción al flujo se genera mediante un tubo

venturi, una boquilla, una placa de orificio o un tubo Pilot.

2.13.2.2. Manómetros

Las mediciones de presión son las más importantes que se hacen en la industria; sobre

todo en industrias de procesos continuos, como el procesamiento y elaboración de

compuestos químicos. La cantidad de instrumentos que miden la presión puede ser

mucho mayor que la que se utiliza en cualquier otro tipo de instrumento.

La presión es una fuerza que ejerce sobre un área determinada, y se mide en unidades de

fuerzas por unidades de área. Esta fuerza se puede aplicar a un punto en una superficie o

distribuirse sobre esta. Cada vez que se ejerce se produce una deflexión, una distorsión

o un cambio de volumen o dimensión. Las mediciones de presión pueden ser desde

valores muy bajos que se consideran un vacío, hasta miles de toneladas de presión por

unidad de área.

gvpph

2

21

2221 vpp 2

32

Los principios que se aplican a la medición de presión se utilizan también en la

determinación de temperaturas, flujos y niveles de líquidos. Por lo tanto, es muy

importante conocer los principios generales de operación, los tipos de instrumentos, los

principios de instalación, la forma en que se deben mantener los instrumentos, para

obtener el mejor funcionamiento posible, cómo se debe usar para controlar un sistema o

una operación y la manera como se calibran.

Figura 2. 10 Manómetro

Fuente: Internet Elaborado por: Paolo Cevallos- Francisco Velasco/2011

2.13.2.3. Transductores

Los transductores para mediciones de parámetros físicos, como presión y temperatura,

se define como el dispositivo que convierte la energía de una forma a otra. En términos

de instrumentación, el transductor debe presentar las siguientes características.

1. Deben medir con exactitud la magnitud del fenómeno físico.

2. Debe reproducir con exactitud el evento físico en relación con el tiempo.

Desde el punto de vista ideal, no debe tener un retardo de tiempo.

33

3. Debe reproducir exactamente todo el rango de frecuencia del fenómeno

físico sin cambios o degradaciones en ninguna porción del espectro que se

este midiendo.

4. Debe producir datos exactos en medio ambiente extremos de humedad,

temperatura, choques o vibraciones.

5. Debe ser capaz de proporcionar una señal de salida que sea compatible con

el equipo acondicionador de señal sin modificar las características del suceso

original.

6. Debe tener una construcción fuerte y ser lo suficientemente simple para

funcionar de manera que lo pueda manejar el personal inexperimentado sin

dañarlo o sin afectar las características de su señal.

Los transductores se utilizan para interpretar la energía física en términos de corriente o

voltajes equivalentes. Gran parte de la energía física que se mide se relaciona con el

movimiento o las fuerzas mecánicas como desplazamiento aceleración, vibración y

presión.

Figura 2. 11 Transductor de presión

Fuente: Sick Elaborado por: Paolo Cevallos y Francisco Velasco/2011

34

2.13.2.4. Variadores de velocidad

Los variadores de velocidad, también llamados convertidores de frecuencia, son

dispositivos utilizados para los procesos industriales. Se trata de equipos utilizados hoy

en día en múltiples aplicaciones, existiendo un buen número de fabricantes y

suministradores del mismo. Es un sistema para el control de la velocidad rotacional de

un motor de corriente alterna, por medio del control de la frecuencia de alimentación

suministrada al motor. El principio de funcionamiento del variador de velocidad

consiste en convertir el voltaje de CA a un voltaje de CD por medio de un puente

rectificador trifásico compuesto por seis diodos para posteriormente convertir ese

mismo voltaje de CD a un voltaje de CA por medio de un puente inversor trifásico

compuesto por seis tiristores los cuales controlan el voltaje de XCA variando su

frecuencia.

Los componentes del variador de velocidad son un puente rectificador trifásico y un

convertidor PWM creado con tiristores.

Figura 2. 12 Variador de velocidad

Fuente: Schneider Elaborado por: Paolo Cevallos y Francisco Velasco/2011

35

2.13.2.5. PLC`s (Programable Logia Controller)

Es un equipo electrónico, programable no informático, diseñado para controlar en

tiempo real y en ambiente de tipo industrial, proceso secuencial. Un PLC trabaja en base

a la información recibida por los captadores y el programa lógico interno, actuando

sobre lo que queremos controlar en la instalación, no todos los autómatas ofrecen las

mismas ventajas sobre la lógica cableada, ello es debido, principalmente, a la variedad

de modelos existentes en el mercado y las innovaciones técnicas que surgen

constantemente.

Figura 2. 13

PLC`s

Fuente: Schneider Elaborado por: Paolo Cevallos y Francisco Velasco/2011

Campo de aplicación

El PLC por sus especiales características de diseño tiene un campo de aplicación muy

extenso. La constante evolución del hardware y software amplia constantemente este

campo para poder satisfacer las necesidades que se detectan en el espectro de sus

posibilidades reales. Su utilización se da fundamentalmente en aquellas instalaciones en

donde es necesario un proceso de maniobra, control, señalización, etc., por tanto, su

aplicación abarca desde procesos de fabricación industriales de cualquier tipo a

transformaciones industriales, control de instalaciones, etc.

36

Implementaciones

Para su adecuada aplicación se debe tomar en cuenta su función:

Detección

Lectura de señal de los captadores distribuidos por el sistema de fabricación.

Mando

Elaborar y enviar las acciones al sistema mediante los accionadores y preaccionadores.

Dialogo hombre maquina:

Mantener un dialogo con los operarios de producción, obedeciendo sus consignas e

informando del estado de proceso.

Programación

Para introducir, elaborar y cambiar el programa de aplicación del autómata. El dialogo

de programación debe permitir modificar el programa incluso con el autómata

controlando la máquina.

Redes de comunicación

Permiten establecer comunicación con otras partes de control. Las redes industriales

permiten la comunicación y el intercambio de datos entre autómatas a tiempo real. En

unos cuantos milisegundos pueden enviarse telegramas e intercambiar tablas de

memoria compartida.

37

Sistemas de supervisión

También los autómatas permiten comunicarse con ordenadores provistos de programas

de supervisión industrial. Esta comunicación se realiza por una red industrial o por

medio de una simple conexión por el puerto serie del ordenador.

Control de procesos continuos

Además de dedicarse al control de sistemas de eventos discretos los autómatas llevan

incorporadas funciones que permiten el control de procesos continuos. Disponen de

módulos de entrada y salida analógicas y la posibilidad de ejecutar regularles PID que

están programados en el autómata

Entrada- Salidas distribuidas

Los módulos de entrada salida no tienen por qué estar en el armario del autómata. Puede

estar distribuido por la instalación, se comunican con la unidad central del autómata

mediante un cable de red.

Buses de campo

Mediante un solo cable de comunicación se puede conectar al bus captadores y

accionadores, reemplazando al cableado tradicional. El autómata consulta cíclicamente

el estado de los captadores y actualiza el estado de los accionadores.

2.14. Sistema Scada

Nos referimos básicamente a medios o conductos de comunicación es decir los

interfaces. Una interfaz Hombre – Máquina o HMI (“Human Machina Interface”) es el

38

aparato que presenta los datos a un operador (humano) y a través del cual éste controla

el proceso.

La industria del HMI nació esencialmente de la necesidad de estandarizar la manera de

monitorear y de controlar múltiples sistemas remotos, PLC´s y otros mecanismos de

control. Aunque un PLC realiza automáticamente un control pre-programado sobre un

proceso, normalmente se distribuyen a lo largo de toda la planta, haciendo difícil

recoger los datos de manera manual, los sistemas SCADA lo hace de manera

automática. La obtención de los datos por el sistema SCADA parte desde el PLC o

desde otros controladores y se realiza por medio de algún tipo de red posteriormente

esta información es combinada y formateada.

2.14.1. Definiciones del sistema Scada

SCADA es el acrónimo de Supervisor y Control And Data Acquisition (Supervisión,

Control y Adquisición de Datos).

Un SCADA es un sistema basado en computadores que permite supervisar y controlar a

distancia una instalación de cualquier tipo. A diferencia de los Sistemas de Control

Distribuido, el lazo de control es generalmente cerrado por el operador. Los Sistemas de

Control Distribuido se caracterizan por realizar las acciones de control en forma

automática. Hoy en día es fácil hallar un sistema Scada realizando labores de control

automático en cualquiera de sus niveles, aunque su labor principal sea de supervisión y

control por parte del operador.

2.14.2. Funciones del sistema Scada

Dentro de las funciones básicas realizadas por un sistema Scada están las siguientes:

39

Recabar, almacenar y mostrar información, en forma continua y confiable,

correspondiente a la señalización de campo: estados de dispositivos, mediciones,

alarmas, etc.

Ejecutar acciones de control iniciadas por el operador, tales como: abrir o cerrar

válvulas, arrancar o parar bombas, etc.

Alertar al operador de cambios detectados en la planta, tanto aquellos que no se

consideren normales como cambios que se produzcan en la operación diaria de

la planta. Estos cambios son almacenados en el sistema para su posterior

análisis.

Aplicaciones en general, basadas en la información obtenida por el sistema,

tales como: reportes, gráficos de tendencia, historia de variables, cálculos,

predicciones, detección de fugas, etc.

Figura 2. 14

Implementación de un HMI

Fuente: National Instruments. Elaborado por: Paolo Cevallos y Francisco Velasco/2011

2.14.2.1. Sistemas de Bombeo Hidroneumático17

Funcionamiento

Las bombas Convencionales arrancan a una sola velocidad 3450 RPM 17 Soluciones Integrales de Bombeo para el hogar, comercio, agricultura e Industria

40

Un interruptor de presión se utiliza para interrumpir o conectar la energía a la

bomba dependiendo de la presión en el sistema.

Cuando la presión del sistema baja a una presión “de conexión” (generalmente

de 40 psi), el interruptor de presión conecta la energía al sistema.

Cuando la presión del sistema aumenta hasta la presión “de desconexión”,

(generalmente de 60 psi), el interruptor de presión desconecta la energía del

sistema.

Si la bomba tiene un motor de “3-hilos”, una caja de control que contiene

componentes de arranque electrónico forma parte del sistema. De otra forma, los

componentes electrónicos de arranque se encuentran en la bomba (diseño de “2-

hilos”).

Se requiere un tanque de presión en este tipo de sistema para proporcionar un

tiempo de marcha mínimo de la bomba de 1 minuto después del arranque. Esto

significa que la capacidad de abatimiento del tanque, debe ser por lo menos

equivalente al número de galones que la bomba puede producir cuando está en

marcha por 1 minuto. Por ejemplo, un sistema equipado con una bomba de 25

galones por minuto, requiere un tanque de presión con una capacidad de

abatimiento de por lo menos 25 galones.

Figura 2. 15 Sistemas de Bombeo Hidroneumático

Fuente: Escuela Politécnica Nacional Elaborado por: Darwin Vinicio Paredes Plazarte, Roberto Alexander Rodriguez Landeta/2011

41

2.14.3. Sistemas de tanque a tanque

Consiste en trasladar el líquido de un tanque que se encuentre en la parte inferior hacia

un tanque más elevado con una altura que permita tener la presión de líquido requerido,

de esta manera se hace descender el líquido mediante tuberías hacia el proceso basado

en el principio de la gravedad. La selección de los equipos de bombeo se debe hacer en

base a las curvas características de los mismos y de acuerdo a las condiciones del

sistema de distribución

Figura 2. 16 Sistemas de tanque a tanque

Fuente: Escuela Politécnica Nacional Elaborado por: Darwin Vinicio Paredes Plazarte, Roberto Alexander Rodriguez Landeta/2011

42

CAPÍTULO III

DISEÑO DEL BANCO DE PRUEBA HIDRÁULICO DE PRESIÓN

CONSTANTE MEDIANTE UN H.M.I.

3.1. Comparación de los bancos de pruebas de presión constante

3.1.1. Sistema de presión constante18

Los sistemas de presión constante ajustan la velocidad de la bomba para satisfacer la

demanda de agua. Mantienen la presión independientemente de las variaciones de

caudal. Elimina el golpe de ariete debido a los arranques suaves que genera este sistema.

Estos sistemas también contribuyen al ahorro de energía y generan una mejor vida útil

para la bomba/motor.

Son sistemas basados en controlar y mantener la presión del líquido constante,

colocando un sensor a la línea de descarga y luego conectado directamente hacia el

variador para que ejecute el algoritmo de control enviando la frecuencia adecuada hacia

el motor para mantener constante la presión. Un sistema de parámetros programables

desde la interface del controlador permite una operación sencilla y sin complicaciones

para el operador. Estos parámetros contienen toda la información que el sistema

requiere para controlar la presión del líquido y permite cambiar la forma de operación

en un espacio de tiempo muy corto sin tener que detener el proceso de bombeo,

aumentando así la productividad.

El variador de frecuencia incorpora una función de arranque suave que consume menos

corriente de la red eléctrica y permite fluctuaciones en el nivel de voltaje de

alimentación. El arranque suave controlado por el variador de frecuencia disminuye el

estrés mecánico al que se ven expuestas las cajas reductoras, los acoplamientos y las 18 SAI Soluciones de Automatización Industrial http://saicr.blogspot.com/2008/04/sistema-debombeo- de-agua-presin.html

43

bombas de agua, esto incide directamente en la disminución de los costos por

mantenimiento. El sistema de control con variador de frecuencia no requiere que los

motores estén continuamente arrancando y parando.

Las ventajas que presenta este sistema son:

Inversión menor al compararse con soluciones con tanques elevados.

Mejor calidad de servicio. Presión constante.

Ocupa menos espacio que los sistemas hidroneumáticos.

Menor costo de mantenimiento.

Menor consumo de energía.

Características de control avanzadas.

Figura 3. 1 Sistema de presión constante

Fuente: Escuela Politécnica Nacional Elaborado por: Darwin Vinicio Paredes Plazarte, Roberto Alexander Rodriguez Landeta/2011

44

3.1.2. Banco de pruebas sistema Grounfos Q MPC

El sistema Grounfos Q MPC es compatible con la Bomba CRE de Grounfos- Bomba

de velocidad variable – lo cual asegura un control completo e instantáneo, optima

flexibilidad de rendimiento, además de una eficiencia incomparable.

Un BoosterpaQ MPC es un sistema completo de aumento de presión contante de agua,

hecho a la medida, con bombas CR de Grounfos. El cerebro del sistema es el

controlador de las bombas, el CU 351. Este controlador esta montado en una base junto

con el equipo eléctrico adicional construido para el panel de control.

Figura 3. 2 Banco de pruebas sistema Groundfos Q MPC

Fuente: Grounfos /2011 Elaborado por: Paolo Cevallos, Marcelo Velasco/2011

45

Ventajas

Gran confiabilidad

Alta eficiencia

Sistema todo –en – uno completamente integrados

Sistema que se ajustan a cualquier requerimiento

Fácil de instalar

Fácil de operar

Basado en décadas de experiencia y conocimiento.

3.1.3. Banco para pruebas de bombas Franklin Electric

Los equipos de Franklin Electric están compuestos por 4 piezas:

Bomba estándar y motor Franklin electric

Regulador SubDrive o MonoDrive

Tanque de Presión

Sensor de presión Finaklin Electric

Los equipos sub Drive y Monodrive de Franklin Electric permiten regular la presión de

manera uniforme, mediante componentes electrónicos avanzados que impulsan un

motor y una bomba estándar según la demanda de presión, indicada por un sensor de

gran precisión diseñados para trabajos pesados' Al ajustar la velocidad del motor y de la

bomba el SubDrive y MonoDrive puede ofrecer una presión constante de manera fiable

incluso si cambia la demanda del suministro de agua.

Normalmente, cuando se requiere agua el SubDrive y MonoDrive se mantiene en

funcionamiento para mantener la presión del sistema de manera precisa. Cuando el

SubDrive y MonoDrive detecta el uso de agua el regulador acelera el motor, a la vez

que aumenta gradualmente el voltaje lo que mantiene frio el motor y evita que aumente

el consumo eléctrico de arranque, en comparación con los sistemas de suministros

46

tradicionales. En los casos de poca demanda de agua el sistema puede apagarse y

prenderse a baja velocidad por ciclos estos ciclos no daña ni al motor ni al sensor de

presión.

Figura 3. 3 Banco de pruebas Franklin Electric Sub Drive/ Mono Drive

Fuente: Franklin Electric /2011. Elaborado por: Paolo Cevallos, Marcelo Velasco/2011

3.1.3.1.Ponderación de los diferentes bancos de pruebas

A continuación se muestra una ponderación para los diferentes tipos de bancos

de pruebas descritos anteriormente.

Tabla 3. 1 Ponderación de los bancos de pruebas

DESCRIPCIÓN MONTAJE DISEÑO CALIDAD DIDACTICA

FACILIDAD DE OPERACIÓN COSTO PROMEDIO

Sistema de presión constante EPN

5 2 4 4 5 4

Banco de pruebas sistema Groundfos Q MPC

3 3 2 4 2 2.8

Banco de pruebas Franklin Electric Sub Drive/ Mono Drive

4 5 2 3 4 3.6

Fuente: Investigación propia Elaboración: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco /2011

47

3.2. Diseño propuesto del banco de pruebas hidráulico de presión constante

Después de haber observado los bancos de pruebas antes mencionados se ha elaborado

un modelo tentativo compuesto de la siguiente manera:

3.2.1. Modelo tentativo del banco de pruebas

Consta de un tanque de 1100 litros donde se encuentra una bomba sumergible de 1 HP

trifásica con tubería de descarga de 1¼ pulgada tubería que es de plástico (PVC)

roscable.

La mesa de trabajo que es construida de un tubo cuadrado de 1 pulgada, ángulos de 3/4

de pulgada, dos cajones de un metro de largo por un metro de ancho y treinta de alto

para guardar herramientas, un tablero de control de ochenta de alto por cuarenta de

ancho y veinte de profundidad. También cuanta con accesorios como codos Tee´s de 90

grados, reducciones, válvulas de compuerta, válvulas de media vuelta, válvula

solenoide, entre otras. Además de un distribuidor de 3 pulgadas el cual se lo realizo

así por el proceso de selección de la tabla de Bombas Gulf la cual nos indica que el

distribuido debe ser escogido por las pérdidas más bajas de fricción en consumos de

agua. El Banco de pruebas tiene 4 electroválvulas, un transductor de presión, y un

sensor de caudal o caudalimetro para las respectivas mediciones. Por otra parte tiene un

tanque de acrílico de 6mm. de grosor con las siguientes medidas 1 m. de altura y 0.50

m. de diámetro. Este sirve de abastecimiento de agua en caso se lo requiera. Este tanque

tiene un conector de 11/2 pulgada con una valvula de ½ vuelta para el retorno del agua

hacia el tanque donde se encuentra sumergida la bomba.

En lo referente al modelo tentativo del circuito eléctrico este está formado por breakers

un contactor, una fuente de 220 voltios corriente alterna a 24 voltios corriente continua,

para el funcionamiento de los equipos que funcionan a ese voltaje como él (PLC),

transductor de presión, sensor de caudal, se tiene también un transformador de 220

voltios corriente alterna a 24 voltios corriente alterna para el funcionamiento de la

48

válvulas solenoide. Para controlar el sistema vamos a utilizar una computara con un

programa llamado Twido Solft

3.2.1.1.Tanque de abastecimiento

Para el presente proyecto se utiliza un tanque de abastecimiento para el sistema el

mismo que es de plástico PVC como se muestra a continuación.

Figura 3. 4 Tanque de plástico PVC

Fuente: Catálogo Plastigama Elaboración: Paolo Cevallos Marcelo Velazco/2011

P = Po + ∂gh

Dónde:

P = Presión Hidráulica

Po = Presión atmosférica (1.013x 105 Pa )

∂ = Densidad del líquido (densidad del agua a 20ºC =1000 Kg/m3)

49

g = Fuerza de Gravedad (9.8 m/s2)

h = Altura del recipiente (1.27 m)

Por lo tanto:

KpaP

msm

mkgPaxP

92.114

.39.1.8.9.100010013.1 235

1

11

Diámetro medio

2DiDoDm DD

Do (diámetro externo)= 112.00 cm

Di (diámetro interno) = 111.97cm.

297.11100.112 cmcmDm 11

98.1111Dm

T espesor = 0.275cm = 2.75 mm.

3.2.1.2.Esfuerzo longitudinal en un cilindro de pared delgada

tDm4D

P= Presión Hidráulica (114.92 Kpa)

Dm= Diámetro medio. (111.98 cm)

t = espesor (0.275 cm)

cmcmKpa

275.0*498.11*92.1141

Mpa69.111

50

Tabla 3. 2 Caracteristicas tecnicas del PVC

Fuente: http://www.plasticbages.com/caracteristicaspvc.html Elaboración: Paolo Cevallos, Marcelo Velazco. /2011

De acuerdo a la tabla se puede constatar que el esfuerzo que soporta un tanque de

policroruro de vinilo (PVC) es de 49.03 Mpa lo que significa que el tanque resiste.

3.2.1.3.Tanque de descarga

Este tanque esta acoplado a 1 metro sobre la mesa de trabajo. Es de acrílico de 6

milímetros de 0.50 metros de diámetro y de un metro de alto, tiene un acople de 1 ½

pulgadas que sirve para el retorno de abastecimiento de líquido. Este tanque es doblado

en forma cilíndrica a alta temperatura y esta soldado con una masilla epóxica, masilla

altamente resistente a la temperatura y al peso de líquidos.

Figura 3. 5 Tanque de descarga

Fuente: Elaboración Propia Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2011

Espesor del tanque 6mm de acrílico Diámetro: 50 cm. Altura: 100 cm. Capacidad: 196 lt.

51

El tanque de descarga tiene una capacidad de 196 litros la misma que se calculo con la

fórmula del volumen.

Dónde:

V= Volumen

r = Radio

h = Altura

Figura 3. 6 Esquema de fuerzas que actúan sobre el tanque

Fuente: Investigación propia Elaboración: Paolo Cevallos y MarceloVelasco/2011

La presión que intervienen en el cilindro es:

1 m³ 1000 lts 0.196 m³

52

P = Po + ∂gh

Dónde:

P = Presión Hidráulica

Po = Presión atmosférica (1.013x 105 Pa )

∂ = Densidad del líquido (densidad del agua a 20ºC =1000 Kg/m3)

g = Fuerza de Gravedad (9.8 m/s2)

h = Altura del recipiente (1 m)

Por lo tanto:

KpaP

msm

mkgPaxP

1.111

.1.8.9.100010013.1 235

1

11

Diámetro medio

2DiDoDm DD

Do (diámetro externo)= 50.06 cm

Di (diámetro interno) = 50 cmm

25006.50 cmcmDm 55

03.505Dm

T espesor = 0.6 cm = 6 mm.

3.2.1.3.1. Esfuerzo longitudinal en un cilindro de pared delgada

tDm4D

P= Presión Hidráulica (111.1 Kpa)

53

Dm= Diámetro medio. (50.03 cm)

t = espesor (0.6 cm)

cmcmKpa

6.0*43.50*1.1111

2.3Mpa.

Esfuerzo del cilindro 2.3Mpa esfuerzo que soporta el acrílico 31.65 Mpa es decir que el

cilindro es resistente

Tabla 3. 3 Características del acrílico

Índice de refracción 1,49 mínimo

ND. 296 K ( 23 C) 1,50 máximo

material no pigmentado

% nebulosidad 2,0 máxima

Material incoloro

% transmisión de luz para espesores de 92 mínimo 1,5 mm. A 5,00 mm. 90 máximo

5,6 mm a 25,4 mm.

% transmisión espectral a cualquier longitud de 5 máximo onda en la región 290-330mm con 0,3 mm de espesor

espesor de lámina (material incoloro)

factor de desplazamiento para espesores de : 50 máximo

1,5mm -5,0mm 80 máximo 56 mm -25,4mm

(colores Transparentes)

% encogimiento 2,9 máximo

esfuerzo a la tensión 3,103 mínimo

Mpa (kgf/cm) 31,651

% elongación a la ruptura 2 _ 5

Dimensiones 0,60 x 1,22 (6 mm de espesor)

Fuente: Tesis ESPE PID Jonathan López. Elaboración: Paolo Cevallos Marcelo Velasco/ 2011

54

3.2.1.4. Selección de Bomba sumergible

Para la selección se ha construido un tanque de acrílico con una capacidad de 196 litros;

debido a que es un prototipo, para el laboratorio de fluidos de la Universidad

Tecnológica Equinoccial además se adquirió un tanque de abastecimiento PVC

Plastigama de 1100 litros donde se ubicara la bomba y se encuentre sumergida hasta la

cabeza dinámica de dicha bomba que como norma indica que tiene que estar sumergida

hasta ese nivel.

Para la realización del cálculo se tiene los siguientes datos:

V= 196 litros Dato obtenido del tanque de descarga

t= 1.33 seg. Tiempo que demora en llenar el tanque de descarga.

Para nuestro cálculo se utilizó la ecuación general de Bernoulli o de la energía

P1= Presión manométrica en el punto 1

= Densidad del agua

g = Gravedad (9.8 m/s2)

Z1= altura del punto 1 con respecto a una referencia

gZ

gPHH

gZ

gP

br 22

22

22

21

21

11

22

g

21

g 2ZPHH

2Z 2

55

21 2rH = Perdidas en tuberías = gD

L2

22

DL

Coeficiente de pérdida.

Re64R6 Cuando el flujo es laminar

Cuando el flujo es turbulento ver tabla diagrama de Moody

Re= Número de Reynolds

Re > 2000 el flujo es turbulento

Re < 2000 el flujo es laminar

Re= D

Viscosidad cinemática del agua a 25 °C = s

mx2

610914.0 6

Figura 3. 7 Esquema Bomba Sumergible

Fuente: Elaboración propia. Elaboración: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco /2011

Datos del punto 1

Z1=-1.00m. V1=2.6m/seg. P1= ?

Z0= 0

P2= 10 psi Z2= 0,93m. V1=2,6m7seg.

Z 1

D

A

B C

Z2

56

P1=?

V1= 2.6 m/seg

Z1= -1 m.

Datos del punto 2

P2= 10 Psi

V2= 2.6 m/seg.

Z2= 0.93 m.

Para realizar el cálculo de la ecuación general de Bernoulli es necesario contar con el

dato de la velocidad el cual se lo realizara a continuación.

4)032.0(

1010.22

332 xAQ

./62.2 segm2

Donde A es el área de la sección transversal del tubo

4

2DA

Una vez obtenido el dato de la velocidad calculamos la pérdida total 21 2rH .

Para esto se ha dividido el sistema de tuberías en 4 partes debido a que el circuito

hidráulico tiene diferentes diámetros; debemos tomar el factor K y el coeficiente de

perdidas λ para realizar cálculos.

57

Tabla 3. 4 Factor K para Accesorios

½ ¾ 1 ½ 2 3 4 5 6

Valvula de compuerta

(abierta)

0.22 0.20 0.18 0.16 0.15 0.14 0.13 0.12

Valvula de globo

(abierta)

9.20 8.50 7.80 7.10 6.50 5.80 5.40 5.10

Codo estándar

(atornillado) 93°

0.80 0.75 0.69 0.63 0.57 0.51 0.48 0.45

Codo estándar

(atornillado) 45°

0.43 0.40 0.37 0.34 0.30 0.27 0.26 0.24

“T” estándar (flujo neto) 0.54 0.50 0.46 0.42 0.38 0.34 0.32 0.30

“T” estándar (flujo

Cruzado)

1.62 1.50 1.38 1.26 1.14 1.02 0.96 0.90

Fuente: mecánica de fluidos Irving H. Shames pag. 338 Elaboración: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2011

Debido a que tenemos tuberías de una pulgada un cuarto tenemos que interpolar los

siguientes datos, entre 1 pulg. y 1 ½ pulg.

Tabla 3. 5 Factor K para accesorios de una pulgada un cuarto

Accesorio Pérdida 1 codo 90° 0.66 1 acople 1.57

1 Tee 0.78

2 codos 45° 0.80

1 válvula de compuerta 0.17

2 universales 6.28

TOTAL 10.26

PARTE A Fuente: Investigación propia Elaboración: Paolo Cevallos y Marcelo Velazco/2011

Donde:

58

gvKH SAr 2

2

21 K2

8.9*262.226.10

2

21 12SArH

59.321 32SArH

Numero de Reynolds

Re= D

Re= 610914.0032.062.2

6xx

Re= 91728.66521

Con estos datos se calcula la altura de perdidas primarias de la parte A

gv

DLH PAr 2

2

21 DL

2

8.9*262.2

032.031.1 2

21 02PArH

8.9*262.2

032.031.1018.0

2

21 02PArH

.25.02_1 mH PAr 0

El valor del coeficiente de rozamiento ( ) fue calculado utilizando la fórmula de

Blasius, según se muestra en la tabla

59

Tabla 3. 6 Fórmulas para encontrar el coeficiente de rugosidad

TUBERIA REGIMEN FORMULA AUTOR

Lisas y Rugosas Laminar

Poiseulle

Lisas Tubulento (1) Re < 100.000

Blasius

Lisas Tubulento (1) Re < 100.000

Kármán-Prandtl (Primera ecuación)

Rugosas

Tubulento (1) (zona de transición)

Colebrook

Rugosas Turbulento (zona final)

Kármán-Prandtl (Segunda ecuación)

Fuente: Mecánicas de fluidos y maquinas hidráulicas; Claudio Mataix pág. 216 Elaboración: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

4/1Re316.0

R0

4/166.91728316.0

9

018.00

En la parte B se debe dividir equivalentemente por las 4 tuberías que contiene el

sistema. Por lo que el caudal que atraviesa por allí va a ser igual en todos los ramales:

Q= 0.52x10-3 m3/s.

4)025.0(

1052.02

330 xAQ

./05.1 segm1

4

2DA

60

Tabla 3. 7 Factor K para de una pulgada

Accesorio Pérdida 2 codo 90° 1.38

4 uniones 18.8

2 Tee 0.92

2 codos45° 0.74

4 electrovalvulas 31.2

2 universales 1.92

TOTAL 55.04

PARTE B Fuente: Investigación propia Elaboración: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco /2012

Donde:

gvKH SBr 2

2

2_1 K

8.9*262.204.55

2

2_1 5SBrH

.26.192_1 mH SBr 1

A continuación se calcula el número de Reynolds, para obtener la altura. HB

Re= D

Re= 610914.0025.005.1

6xx

Re= 28719.91

Luego de haber calculado el número de Reynolds se calcula la altura respectiva.

61

4/1Re316.0

R0

4/191.28719316.0

2

024.00

La longitud de tubería en este tramo es 3.46m.

gv

DLH PBr 2

2

2_1 DL

8.9*205.1

025.046.3 2

2_1 03

PBrH

8.9*205.1

025.046.3024.0

2

2_1 0PBrH

.18.02_1 mH PAr 0

En la parte C

Tabla 3. 8 Factor K para accesorios una pulgada un cuarto

Accesorio Pérdida 1T 0.78

1codo 90°C 0.66

1union 1.57

TOTAL 3.01

PARTE C Fuente: Investigación propia Elaboración: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

gvKH SCr 2

2

21 K2

8.9*262.201.3

2

21 32SCrH

.05.12_ mH SCra 1

62

La longitud de tubería en este tramo es de 1.54m.

gv

DLH SPCr 2

2

2_1 DL

8.9*205.1

032.054.1 2

2_1 0SPCrH

8.9*262.2

032.054.1018.0

2

2_1 0SPCrH

.30.02_1 mH PAr 0

Tabla 3. 9 Factor K para accesorios de una pulgada un cuarto

Accesorio Pérdida

1 Tee 0.78

1 codo 90° 0.66

TOTAL 1.44

PARTE D Fuente: Investigación propia Elaboración: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

Donde:

gvKH SDr 2

2

21 K2

8.9*262.244.1

2

21 12SDrH

.05.02_ mH SDra 0

La longitud de tubería en esta parte es 0.23m.

gv

DLH SDr 2

2

2_1 DL

63

8.9*205.1

032.023.0 2

2_1 0SDrH

8.9*262.2

032.023.0018.0

2

2_1 0SDrH

.04.02_1 mH PAr 0

Ahora se calcula la altura total de perdidas 21 2rH

PrSrr HHH 212_121 22 HH

SDrSCrSBrSArSr HHHHH 2_12_12_12_12_1 HHHH

50.0.05.1.26.19.59.32_1 0113 mmmH Sr

.4.242_1 mH Sr 2

PArPArPArPArPr HHHHH 2_12_12_12_12_1 HHHH

mmmmH Pr 04.030.018.025.02_1 0000

.77.02_1 mH Pr 0

PrSrr HHH 212_121 22 HH

mmH r 77.04.2421 022

mH r 17.2521 22

Utilizando la ecuación de Bernoulli de alturas entre los puntos 1 succión y 2 descarga

gZ

gP

HHg

Zg

Pbr 22

22

22

21

21

11

22

g

21

g 2Z

PHH

2Z 2

22

2

21

22_1

21

11v

gZPgHv

gZP rv

ggv

g P

64

222111 gZPgHgZP r ggg P2

Remplazando los siguientes datos

Datos del punto 1

P1=?

V1= 2.6 m/seg

Z1= -1 m.

Datos del punto 2

P2= 10 Psi

V2= 2.6 m/seg.

Z2= 0.93 m.

P1= -(9800)(-1)+(98009(25.14)+7+(9800)(0.93)

P1= 9800+246.666+7+9144

psimNP 54.38/617.256 21 32

gP

Hg1P

3

2

9800

617.256

mNmN

H

H= 26.18m.

El calculo de la potencia necesaria de la bomba se realiza con la siguiente formula

bHgQP .. gQ

65

Donde:

P= 2.10x10-3x1000x9.8x26.18

P= 538.78 w.

Se conoce que la eficiencia de la bomba es del 80% (0.80)

80.078.538 wP 5

Relación Watts/HP= 673.47w HPwHP 90.0746

1 0

P= 673.475w

P= 0.67 Kw

Para probar el comportamiento de la bomba para adaptarle al sistema de presión

contante se realizó las siguientes comparaciones entre tres variables: frecuencia, altura y

caudal.

Tabla 3. 10

Altura vs caudal estrangulando la válvula de compuerta FRECUENCIA ALTURA CAUDAL

Posición de la llave fr Pies

galones * min

totalmente abierta 60 2,31 48,68

2 posiciones 60 3,46 45,24

4 posiciones 60 4,61 46,03

6 posiciones 60 11,53 46,83

8 posiciones 60 184,52 21,43

totalmente cerrada 60 221,42 0,00 Fuente: Elaboración Propia Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

66

Figura 3. 8 Curva de la tabla caudal vs altura

Fuente: Elaboración Propia Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

3.2.1.4.1. Motores Eléctricos.

Considerar: Tipo, velocidad, voltaje potencia y sobrecarga, reguladores de velocidad,

corriente de arranque y operación, eficiencias con carga y sin carga.

Tabla 3. 11 Características Bombas sumergibles Modelo Volts Amp HP

2343159204 230 6.7 2 SF max RPM PH Kw AMP 8.1 3450 3 1.5 Phase SF

3 1.25

Potencia 1 HP Modelo 25FA154-PE

Serie 10A22280137 Fuente: Elaboración Propia

-50,00

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

250,00

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00

ALTU

RA (p

ies)

CAUDAL(gpm)

Curva

67

Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

Figura 3. 9 Bomba sumergible

Fuente: Elaboración Propia Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

Son equipos que tienen la bomba y motor acoplados en forma compacta, de modo

Que ambos funcionan sumergidos en el punto de captación.

3.2.1.4.2. Calculo del TDH para bomba de retorno

Figura 3. 10 Esquema de la bomba de retorno

Fuente: Elaboración Propia

68

Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012 Datos:

H= 0.97m. Altura desde el nivel de agua del tanque al punto de descarga

P=10psi

Calculo de la altura estática.

Altura estática = H+P.

Presión manométrica 10Psi

Presión manométrica en metros 8.75m

Altura estática = 0.97m. + 8.75 m

Altura estática = 9.72m.

Tabla 3. 12 Perdidas por accesorios (medidas en milímetros y en metros)

Accesorios Medidas Perdidas por metros Neplo de 10 40mm 0.10m.

2 codos 40mm 0.96m.

Tubo 40mm 0.85m.

Tee 2 1/2pulg 0.70m.

Acople 2 ½ pulg 0.09m.

Reducción 40 mm. 2 m.

Neplo cintura 1 pulg 0.05m.

2 codos 1 pulg. 0.60m.

Universal 1 pulg. 0.03m.

Neplo de 10 1 pulg. 0.10m.

Neplo de 5 1 pulg. 0.05m.

Neplo cintura 1 pulg. 0.05m. Fuente: Investigación propia Elaboración: Paolo Cevallos MarceloVelasco /2012

69

4)020.0(

1036.82

338 xAQ

segm /62.262

3.2.1.4.3. Numero de Reynols

Re= D

Re= 610914.0020.062.26

6xx

Re= 5824.94

Formula de Blasius

4/1Re316.0

R0

4/194.5824316.0

5

036.00

gDL

2 =Hv

22

DL

8.9*262.26

020.058.5 =Hv

2

05

8.9*262.26

020.052.5036.0 =Hv

2

Hv= 3.51 m Altura dinámica=0.97+3.51m Hr= 4.48m

70

TDH = ALTURA ESTATICA + ALTURA REAL TDH= 7.97+4.48m TDH= 12.45m.

Figura 3. 11

Curva de bombas centrifugas

Fuente: Catalogo Pedrollo Elaboración: Paolo Cevallos Marcelo Velasco/2012

3.2.1.5. Mesa de trabajo

Es la estructura en donde estarán ubicados todos los componentes del banco de pruebas.

Para diseñar esta mesa de trabajo se analizó un estimado del peso y del volumen que

ocupará cada elemento.

La mesa de trabajo está diseñada de acuerdo a la disposición del circuito del fluido y la

carga que va a soportar. La estructura está conformada de estructura metálica con

71

ángulos tipo “L”, tablero de madera forrado de una plancha de aluminio. Como se

muestra en la siguiente Figura

Figura 3. 12 Mesa

Fuente: Elaboración Propia Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

3.2.1.5.1. Pesos de la mesa

Para poder calcular lo que la mesa de trabajo puede soportar. Se procedió a tomar los

pesos de los elementos que constituyen la mesa. La misma que está construida de

madera MDF en su mayoría de 18 milímetros. En la siguiente tabla se muestra los pesos

de la madera

Tabla 3. 13 Pesos de Madera

Especificación Medida Peso

Parte Superior 0.99m x 1.99m x 15mm 16 Kg

Tabla blanca 0.78 x 2.16 x 18 mm 18 Kg.

Cajón 1 0.95m x 0.57m 12 Kg.

Cajón 2 0.95m. x 0.57m. 12 Kg.

Tabla lateral izquierda 0.833m.x1.03m. x18mm 10 Kg

Tabla lateral derecha 0.833m.x1.03m. x18mm 10 Kg

Parte frontal 0.91m x 0.833mx 18 mm 8 Kg

72

Total pesos maderas 86 Kg. Fuente: Elaboración Propia Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012 El peso del tanque reservorio está compuesto por el tanque vacío. El mismo que tiene

los siguientes pesos.

Tabla 3. 14 Tanque Reservorio

Especificación Medida Peso Tanque reservorio esférico 1 m x 0.50 m 14 Kg

Total pesos tanque 14 Kg. Fuente: Elaboración Propia Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

El tol es un material que forma parte de la mesa de trabajo el mismo que la recubre por

lo que se tomó en consideración el peso de este material.

Tabla 3. 15 Tol

Especificación Medida Peso Tol lateral izquierda 0.60m x 0.40m 1,3 Kg Tol lateral derecha 0.60m x 0.20m 0.7 Kg.

Parte frontal 2.0m x 1.0m 11.14 Kg. Total pesos total 13.14 Kg.

Fuente: Elaboración Propia Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012 3.2.1.5.2. Cálculos de la carga de la mesa

Figura 3. 13 Diagrama de esfuerzo de la mesa

I= 1-2

I= 2-3

L = 2.0 m H = 1.0 m.

73

Fuente: Elaboración Propia Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

Peso total = 27.14 Kg

Constantes de la estructura de la mesa

Inercia para columna

I1-2 = 1.21 cm4

Inercia para vigas

I2-3 = 0.28cm 4

Momento Flector de la Mesa

74

de la mesa

75

Cuando x =1.7 m.

Figura 3. 14 Diagrama del momento flector de la mesa

Fuente: Elaboración Propia Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

76

Carga del tanque

Figura 3. 15 Diagrama de esfuerzo

Fuente: Elaboración Propia Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

Constante k del tanque

LAnmk

***66

mmmk

2*92.1230.0*.170*66

mk 11.00

Peso total del tanque = 210 Kg.

Peso del tanque =

Peso del tanque = 105 kg.

Del tanque

0.30 m. 1.70 m.

m P n

77

Carga vertical del tanque

Cuando

2** M

LxnPM x MP

).55.11(.2

70.1*30.0*105 mKgm

mmKgM x 1(1

mkgM x .22.1515

Cuando

2** M

LxnPM x MP

).55.11(.2

1*30.0*105 mKgm

mmKgM x 1(1

mkgM x .2.4.4

78

Figura 3. 16 Diagrama del momento flector de la viga

Fuente: Elaboración Propia Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

Realizamos el diagrama la suma de momentos

Figura 3. 17 Diagrama del momento flector de la viga

W = 105 Kg

M6 = 5.49Kg.m

17 m ts

1 mts 1 mts

M5 = 14.92 Kg.m

M6 = 13.64 Kg

V1 = 22.53 Kg

H4 = 13.64 Kg

V4 = 96.O35 Kg

3

-13,64 Kg.m

-13,64 Kg.m -13,64 Kg.m

-13,64 Kg.m

2

0.3 m

79

Fuente: Elaboración Propia Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

Diseño de esfuerzo cortante y flector para la Viga

ICMGflector.M

M total 5= 14.92 Kg.m

M total 6=5.49 Kg.

Gflector = 31438571.43 kg/m2

Gflector = 31.44* kg/m2

Gflector = 308.MPa

Diseño de esfuerzo cortante y flector para la columna

mkgmkgM .55.11.009.2 1.2

M = -13.65 Kg.m

ICMGflector.M

4810*21.10127.0*.65.13m

mmkgGflector 8

1

Gflector = 14326859.5 kg/m2

Gflector = 14.33* kg/m2

4910*8.20059.0*.92.14m

mmkgGflector 9

1

80

Gflector = 140.4MPa

Diseño de esfuerzo cortante y compresión para la columna forma vertical

Vtotal=Vtanque+Vmesa

Vtotal=6.785Kg+89.25Kg

Vtotal=96.035Kg

AFGcompresíonAF

Area=1.35 cm2

Area=1.35* m2

410*35.1035.96

419 KgGcompresíon

Gcompresíon=711333.33 kg/m2

Gcompresíon = 0.711* kg/m2

Gcomresíon = 6.97MPa

Diseño de esfuerzo cortante y compresión para la columna forma horizontal

Htotal=Hmesa+Htanque

Htotal=13.64Kg

81

AFGcompresíonAF

Area=1.35 cm2

Area=1.35* m2

410*35.164.13

41KgGcompresíon

Gcompresíon=101037.037 kg/m2

Gcompresíon = 0.1010* kg/m2

Gcomresíon = 9.8MPa

Tabla ATSM A 569 Limite de fluencia Sy 260MPa

; igual que en la sección

la columna soporta sin ningún problema.

82

Para la viga

; igual que en la sección

La viga soporta sin ningún problema.

Figura 3. 18 Esfuerzos simulado en Solid Work

Fuente: Elaboración Propia / Solidword Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

3.2.1.6. Distribuidor

83

El distribuidor está construido por tubería de presión (PVC), sirve para la estanqueidad

del agua, hace que se mantenga la presión en los puntos de descarga es decir en los

puntos donde existen consumos de agua, en este caso tuberías compuestas con

accesorios, etc.

Se lo construye de acuerdo al cálculo de pérdidas por fricción, de tuberías armadas para

diferentes consumos de agua se suman todas esas pérdidas y se escoge cual es el

distribuidor que tenga menos perdidas estas pérdidas son producidas por fricción de las

tuberías, codos, reducciones, materiales, etc.

Con la tabla de la GULF PUMPS (Residential Water Systems) Friction Loss (ITT). Ver

anexo 9

Escogimos que nuestro distribuidor tiene que ser construido con una tubería de 3

pulgadas con un coeficiente de fricción de 0.19 enmarcándose en lo que dice dicha

tabla.

Figura 3. 19 Distribuidor

Fuente: Elaboración Propia Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

3.2.1.7. Bomba de retorno

84

Se utilizó una bomba de agua de medio hp para la descarga del tanque de acrílico que se

encuentra en la mesa de trabajo.

3.2.2. Circuito eléctrico y protecciones eléctricas

El circuito eléctrico es alimento en forma monofásica a 220 voltios corriente alterna

para todo el sistema del gabinete de control, se tiene un variador de frecuencia que es el

que se encarga de convertir en energía monofásica a energía trifásica para la bomba

sumergible trifásica que hace la descarga para el tanque reservorio, tiene un gabinete

tiene 60 de alto, 40 de ancho, y 20 de profundidad.

Para la bomba monofásica de evacuación que funciona a 110v corriente alterna tenemos

un gabinete de 30 de alto, 30 de ancho y 10 de profundidad. Con sus respectivas

protecciones.

De acuerdo con lo que establece el REBT (Reglamento Electrotécnico de Baja tensión),

en la instrucción IMIE BT 020, todo circuito debe estar protegido contra los efectos de

las sobre intensidades que pueden prestar en las mismas.

Además de las protecciones contra sobre intensidades, el REBT en la instrucción IMIE

BT 021 se refiere a las protecciones contra contactos directos e indirectos, que se

pueden producir en una instalación eléctrica.

Según el REBT la protección contra corto circuito se puede efectuar con una de estas

dos opciones:

Fusibles calibrados de características de funcionamiento adecuadas.

Interruptores automáticos con sistema de corte (disparo) electromagnético,

disparadores tipo n

85

La protección contra sobrecarga se puede efectuar con alguna de estas dos opciones:

Fusibles calibrados de características de funcionamiento adecuadas.

Interruptores automáticos con curva térmica de corte (disparo), disparadores tipo

O.

El REBT prescribe para la protección contra los contactos directos.

El alejamiento de las partes activas de la instalación a una distancia tal que no

puede haber un contacto fortuito.

La interposición de obstáculos que impidan todo contacto accidental con las

partes activas de la instalación.

Recubrir las partes activas de la instalación con aislamiento apropiado.

3.2.2.1.Cables eléctricos

Son cuerpos capaces de conducir o transmitir la electricidad. Un conductor eléctrico

está formado primordialmente por el conductor parte fundamental, usualmente de cobre.

Este puede ser alambre, es decir, una sola hebra o un cable formado por varias hebras o

alambres retorcidos entre sí. Los materiales más utilizados en la fabricación de

conductores eléctricos son el cobre y el aluminio.

Aunque ambos metales tienen una conductividad eléctrica excelente, el cobre constituye

el elemento principal en la fabricación de conductores por sus notables ventajas

mecánicas y eléctricas. El uso de uno y otro material como conductor, dependerá de sus

características eléctricas (capacidad para transportarla electricidad), mecánicas

(resistencia al desgaste, maleabilidad), del uso específico que se le quiera dar y del

costo.

Estas características llevan a preferir al cobre en la elaboración de conductores

eléctricos.

86

El tipo de cobre que se utiliza en la fabricación de conductores es el cobre electrolítico

de alta pureza, 99,99%.

Dependiendo del uso que se le vaya a dar, este tipo de cobre se presenta en los

siguientes grados de dureza o temple: duro, semi duro y blando o recocido.

Para bombas sumergibles es recomendable utilizar cables apantallados simétricos con

tierra concéntrica.

Cumplir con la normativa EMC.

La longitud, debido al efecto capacitivo del cable sobre el convertidor de frecuencia la

distancia máxima entre convertidor y motor son según el tipo de convertidor.

Modelos con potencia hasta 1.5Kw hasta 100 m.

Modelos con potencia superiores hasta 300 m

Distancias superiores a las recomendadas e inferiores a 600 m utilizar filtros de salida.

Para el empalme de los cables pueden usarse cartuchos de resina, cintas vulcanizadas o

funda termo retráctil para proporcionar la estanqueidad requerida.

3.2.2.2.Variadores de velocidad

El convertidor de frecuencia es un aparato electrónico que nos sirve para variar la

velocidad de los motores de inducción.

3.2.2.3. Funcionalidad

Mejora el funcionamiento

87

Arranque suave y controlado

Eliminación del golpe de ariete

No son necesarios los condensadores para la reactiva

o Ahorro energético

o Permite adaptar la velocidad del motor a las necesidades del proceso

Control de la presión

Control del nivel

Control del caudal

Figura 3. 20 Esquema de bloques del variador de frecuencia

Fuente: VACON Elaborado por: Cevallos Paolo y Velasco Marcelo /2012

3.2.2.4. Conexión mediante convertidor de frecuencia

Elimina las puntas de arranque

Arranque con intensidad controlada, puede ser inferior a la nominal

o Permite la conexión a generadores

Disminución de la intensidad de arranque

Retraso a la puesta en marcha

o Soporta los microcortes

Continúa funcionando sin desconexión frente pequeños fallos de red

o Reduce los golpes de ariete

Paro controlado, disminución progresiva de la velocidad

88

o Sin condensadores

No son necesarios para compensar la reactiva

o Reconexión automática

3.2.3. Programación del controlador

Para la programación del PLC controlador es necesario tener un Software TwidoSoft.

3.2.3.1. TwidoSoft

TwidoSoft es un entorno de desarrollo gráfico para crear, configurar y gestionar

aplicaciones para los autómatas programables (PLC Twido). TwidoSoft versión 3.5 es

un programa basado en Windows de 32 bits para un PC que se ejecute con los sistemas

operativos Microsoft Windows 98 segunda edición o Microsoft Windows 2000

Professional o superior.

Figura 3. 21

TWIDO SOFT

Fuente: TWIDO SOFTv3.5

89

Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

3.2.3.2. Programación

Principales funciones de programación y configuración:

• Programación de diagrama Ladder reversible y de lenguaje de lista de instrucciones.

• Programación en modo offline y online.

• Animación de programas y datos.

• Configuración sencilla mediante el Navegador de aplicación.

• Funciones de edición: Cortar, Copiar y Pegar.

• Programación simbólica.

• Copias impresas de programas y configuración.

3.2.3.3. Configuración del Hardware

La configuración de los controladores programables TWIDO consiste en seleccionar

opciones para los recursos de hardware del controlador, los mismos que pueden

configurarse en cualquier momento durante la creación de un programa.

• Controlador Base y Remoto

Aquí se configura el tipo de controlador que se utiliza en el proceso, sea éste modular o

compacto, siendo distintos por el tipo de alimentación. Para seleccionar el modelo de

controlador para una aplicación, se utiliza el cuadro de diálogo "Cambiar controlador

base". El modelo puede ser modificado, pero no eliminado de la estructura de la

aplicación.

• Configuración de entradas y salidas (E/S digitales) del PLC

Mediante el cuadro de diálogo "Configuración de entradas y salidas se asignan las

90

E/S digitales del controlador base que van a ser utilizadas.

• Entradas y salidas de ampliación (E/S análogas)

Se emplea el cuadro de diálogo "Agregar módulo" para añadir, dependiendo del

modelo, uno o varios módulos de ampliación de E/S a la configuración de la aplicación,

a cada módulo de ampliación se le asigna una dirección de configuración que se

enumeran en el mismo orden en el que se agregan los módulos.

En este caso, se utiliza el módulo de ampliación TWDAMM3HT que contiene 2

entradas analógicas, 1 salida analógica y pueden ser configuradas como tipo voltaje (de

0 - 10V) o corriente (de 4 a 20 mA) e intercambiadas sin necesidad de utilizar hardware

adicional.Para la aplicación, se utiliza (opcional) como entrada de corriente la

entrada %IW1.0 para adquirir los datos de caudal que da la bomba centrifuga, el agua

que bombeada se aloja en el tanque principal y la salida %QW1.0 como de voltaje para

controlar la salida de frecuencia que da el variador de frecuencia telemecanique Altivar

31 que controla la bomba centrifuga.

Se puede configurar a cada entrada en valor de palabras decimales, binario o ASCII. La

resolución es de 12 bits (o a 4095 en valor de palabra) para cada uno de los registros del

módulo analógico que podrían ser escalados en función de los requerimientos de la

aplicación para conseguir una mejor resolución, en figura 3.8 se muestra un el diagrama

de conexión.

3.2.3.4. Sistema Scada

InTouch es un paquete de software utilizado para crear aplicaciones de interface

hombre-máquina bajo entorno PC para los sistemas operativos de Microsoft. El paquete

consta básicamente de dos elementos: Windowmaker y Windowviwer.

91

WINDOWMAKER es el sistema de desarrollo, permite todas las funciones necesarias

para crear ventanas animadas interactivas conectadas a otras aplicaciones de Windows.

WINDOWVIEWER es el sistema runtime utilizado para simular las aplicaciones

creadas con Windowmaker.

3.2.3.5. Pantallas

El nombre de la ventana con la que se va a trabajar es PANTALLA PRINCIPAL, y es

la pantalla de presentación con la que se da inicio al HMI, donde se muestra el texto

fundamental en el que se basa el proyecto de titulación.

Figura 3. 22 Pantalla Proyecto

Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

En el siguiente cuadro se muestra la presentación de las opciones que los usuarios

podrán manejar en esta ventana, la cual fue creada con la finalidad de que se tenga una

vista general del proceso del sistema de presión constantes para que pueda explicar de

mejor manera el estado y funcionamiento de todo el sistema, ya que tiene acceso al

control y monitoreo de todos los parámetros que intervienen. La ventana corresponde a

la animación del proceso, de manera que el operario pueda visualizar el estado de las

92

variables del sistema y además pueda configurar cada una de ellas en el momento que lo

requiera. Para acceder a esta ventana el usuario debe ingresar al programa.

Figura 3. 23

Pantalla circuito

Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

93

CAPÍTULO IV

CONSTRUCCIÓN, PRUEBAS Y OPERACIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS

HIDRÁULICO DE PRESIÓN CONSTANTE MEDIANTE UN HMI PARA EL

LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS DE LA UTE.

Partes que forman parte del banco de pruebas hidráulico:

Tanques de abastecimiento y descarga

Mesa de trabajo

Tuberías y válvulas

Bombas

Figura 4. 1 Sistema De Presión Constante

Fuente: Elaboración Propia Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

94

3.3. Construcción Banco de prueba hidráulico de presión constante mediante un

H.M.I. Para el laboratorio de mecánica de fluidos de la UTE.

Se construyó esta mesa de trabajo en base a los requerimientos que encontramos en las

diferentes universidades y laboratorios

3.3.1. Mesa de trabajo

Esta mesa fue construida con tubos cuadrados y ángulos de hierro, esta soldada y

pintada con pintura anticorrosiva, también tiene planchas de madera que se encuentra

recubriendo la mesa, y en la parte donde se encuentra la tubería, la mesa tiene una

plancha de tol de acero para el recubrimiento de la mesa.

Figura 4. 2 Construcción De La Mesa De Trabajo

Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

95

En las fotografías que se muestran a continuación se muestra el proceso de

construcción del Banco de Pruebas de Presión Constante Hidráulico mediante un HMI

para el Laboratorio de fluidos de la UTE. Se muestra la mesa de trabajo la instalación de

tuberías e instalación de la bomba de retorno.

Figura 4. 3

La tubería es de material de PVC ros cable

Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

Figura 4. 4

Rectificación de la base para el cudalimetro

96

Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

Figura 4. 5

Instalación de tuberías

Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

Figura 4. 6 Instalación de la bomba de evacuación del tanque de acrílico

97

Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012 3.3.2. Pruebas de la bomba trifásica con arranque directo

En esta parte se consideró parte importante hacer una prueba de cuanto consumo de

energía eléctrica consume la bomba trifásica, para eso tuvimos que llevar la bomba a la

empresa PRONACA donde medimos los parámetros de corriente con un arranque

directo.

Figura 4. 7 Prueba al instante en el que arranca el motor

Elaborado por: Cevallos Paolo / Velasco Marcelo

Figura 4. 8

Prueba en el que la corriente del motor se estabiliza

98

Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

Tabla 4. 1 Arranque directo a 60 Herz vs arranque con variador de frecuencia Herz

MOMENTO DE ARRANQUE 12.(Amp)

ESTABILIDAD DE ARRANQUE 5.5(Amp) DATO DE PLACA 6.7(Amp)

CON VARIADOR DE FRECUENCIA 1.8 a 6 (Amp) Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

3.4. Beneficios el sistema de presión constante vs sistema convencional

Para la realización de esta comparación tomamos datos de un edificio de 4 familias y cada

departamento cuenta con:

2 duchas

2 baños

1 lavadora

1 llave para regar el pasto

2 lavabos en el baño

2 sanitarios

Otros.

99

Se tomó como dato que el edificio completo consume 2m3 de agua con este dato se

realizaran los cálculos para tres sistemas tales como: un sistema de presión

convencional, sistema de presión constante y un sistema tanque a tanque, luego de esto

obtendremos que sistema es más eficiente.

Según los manuales los tanques de presión almacenan el 10% de lo que entrega la

bomba, por lo que:

3.4.1. Sistema convencional

El sistema tradicional funciona con un interruptor de presión que hace que la bomba

encienda cuando el manómetro marca 40PSI y se desconecta cuándo marca 60 Psi por

lo que la bomba funciona únicamente a 60 HZ a lo que se le ha denominado como

arranque directo o arranque normal.

Calculo para el arranque directo

Motor: 2HP

Intencidad de corriente = 6.2 Amp.

Frecuencia = 60Hz

Donde

P= cos...3 IV

P = Potencia

V= Voltaje

I= Intensidad

Cosθ= Factor de potencia

100

P= 85,0.2,6.220.3

P= 2Kw = 4 horas de trabajo

E=P.t

E= consumo eléctrico

P= potencia

T= tiempo

E= 2KW.4h

E 8Kw.h

Costo del consumo eléctrico= 8kwh 60.2130*72.0$1

09.0$ 2$ diasKWh

El sistema convencional consume $21.60 en un mes según el análisis realizado.

3.4.2. Sistema de presión constante

Para el sistema de presión constante se ha tomado valores de frecuencia y de corriente

con intervalos de 10Hz desde 30Hz hasta 60HZ con los cuales se ha realizado una

media aritmética para la realización del calculo de consumo de energía mediante este

sistema.

Para calcular las revoluciones por minutos de la bomba se utilizo la siguiente formula:

PfN *1201

N= Revoluciones por minuto.

f = frecuencia

P = numero de polos en el motor.

101

Tabla 4.2 Datos de la bomba

FRECUENCIA RPM INTENSIDAD

60 Hz. 3600 rpm 6.2 Amp.

50Hz 300 rpm 5.2 Amp.

40Hz 2400 rpm 4.3 Amp.

30Hz 1800 rpm 3.2 Amp. Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

Calculando la media aritmética de la tabla realizada la insidad tiene una media de 4.7

Amp. Valor que se tomara para realizar el cálculo.

P= cos...3 IV

P= 1.73. 220.4,7.0,85

P=1522 w.

P=1.52Kw.

E= 1.52KW.4h

E=6Kwh

Costo del consumo eléctrico= 6kwh 44.1630*54.0$1

09.0$ 1$ diasKWh

El sistema de presión constante ha consumido $16.44 lo que significa que consume un

31.4% menos que el sistema convencional.

Variación de los sistemas = sistema convencional – sistema de presión constante

Sistema de presión constante.

Variación de los sistemas = 44.16

44.1460.21 1

Variación de los sistemas = 31.4.

Figura 4. 9

Comparación de los costos de energía de los sisetmas

102

Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012 3.5. Elaboración de un Manual de Operación y Mantenimiento

Inicialmente es importante alimentar a los elementos controladores en el panel principal

del banco de pruebas hidráulico de presión constante mediante un H.M.I. Para el

laboratorio de mecánica de fluidos de la Universidad Tecnológica Equinoccial

Los elementos a conectar la alimentación son PLC (twido), variador de velocidad

(Altivar312), sensor de caudal (GF), transductor de presión (sicK), electroválvulas

(Bermad), y electrodos (camsco) que controlan el nivel de agua.

Una vez que están alimentados los equipos es necesario visualizar el estado de los

elementos los cuales nos muestran los Leds de encendido para el caso del variador y el

PLC.

El tablero de control del banco de pruebas hidráulico de presión constante mediante un

H.M.I. cuenta con un pulsador principal (Paro de emergencia), un selector de tres

posiciones (apagado, manual y automático) lámparas de señalización de encendido y

apagado de los motores de las bombas de agua y abierto y cerrado de las

electroválvulas, el tablero también cuenta con un ventilador que se encenderá

0

5

10

15

20

25

Sistema convencional Sistema de presioncosntante

Costos 21,6 16,44

Costos

103

conjuntamente con el variador de velocidad para sacar el aire caliente que se acumula

dentro del tablero de control por causa de los aparatos electrónicos.

Para el fácil mantenimiento y manipulación del tablero o para cambios de dispositivos

eléctricos como contactores, relés auxiliares, etc, se lo puede realizar desconectando la

alimentación principal ya que el tablero es desmontable y todo el sistema se encuentra

conectado con borneras que internamente están conectadas con los elementos

electrónicos y eléctricos del tablero de control.

3.5.1. Seguridad de control

Verificar que el tranque de agua principal este parcialmente lleno.

El procedimiento del banco de pruebas es totalmente automático no responde a

operaciones manuales. La válvula de la salida de descarga de agua debe estar

totalmente abierta. Las universales tienen que estar ajustadas para que no existan fugas

de agua. El cable de comunicación debe estar instalado desde el PLC al computador.

Ubicar el selector en modo automático para el funcionamiento del sistema.

3.5.2. Mantenimiento

Tabla 4. 3 Matriz causa efecto

Causa Efecto

Agua contienen hierro Obstruye el flujo aspiración de agua

Rodamiento averiados Sonido perturbador de la bomba

104

Sellos mecánicos averiados Bomba no absorbe agua

Aislamiento de conductores inadecuados

Resistencia de bobina de arranque demasiado bajo

Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

Para el mantenimiento de la bomba de medio caballo de fuerza se debe desarmar la

bomba que consta de un rodete un difusor un inpulsor, sellos mecánicos.

Cuando el agua de consumo tiene mucho hierro es necesario cada cierto tiempo cambiar

sellos mecánico porque el hierro hace que se deteriore los sellos mecánicos estos hacen

que la bomba absorba aire y no trabaje, por otra parte esto ocasiona recalentamiento de

la bomba y puede quemarse el bobinado del motor de la bomba.

También es necesario cambiar rodamientos que se encuentran entre el rotor del motor

de la bomba y la bomba que debido a un mal funcionamiento la bomba de agua genera

un sonido perturbador.

Para la bomba sumergible de un caballo de fuerza es necesario lavar con desoxidantes el

impulsor el difusor las paredes de la bomba ya que cuando existe mucho hierro en el

agua hace que la bomba no pueda girar generando también recalentamiento y posibles

daños del motor, también es necesario cambiar sellos mecánicos de carbón, sellos

mecánicos de cerámica, cambiar bujes de carbón en bombas americanas o en bombas

italianas rodamientos cambiar lubricantes como es nuestro caso para nuestra bomba de

agua es el propileno glicol con agua destilada.

El lubricante externo de las bombas es el agua cuando las bombas no tienen agua se

recalientan y se dañan.

105

CAPÍTULO V

PROCEDIMIENTO DE PRÁCTICAS DEL BANCO DE PRUEBA

HIDRÁULICO DE PRESIÓN CONSTANTE MEDIANTE UN H.M.I. PARA EL

LABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS DE LA UNIVERSIDAD

TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL.

Las prácticas de laboratorio del banco de pruebas del sistema de presión constante se

realizaran de 2 formas de realizar las prácticas estas son:

Procedimiento manual.

Procedimiento automático.

5.1. Procedimiento manual

Se lo denomina como procedimiento manual porque las electroválvulas son operadas

manualmente por el usuario desde el computador (HMI SCADA)

106

Para realizar la práctica del procedimiento manual del banco de pruebas hidráulico de

presión constante mediante un H.M.I. se ha diseñado un formato que se va a utilizar. El

cual está diseñado para poder considerar todos los elementos que intervienen en el

funcionamiento del proyecto.

5.1.1. Verificación de la presión constante del sistema hidráulico

A continuación se muestra el formato diseñado para las prácticas con procedimiento

manual

Cabe indicar que el formato de prácticas puede cambiarse de acuerdo a los objetivos de

la materia que el profesor este impartiendo.

5.1.1.1. Formato para la realización de prácticas manual y automática

Universidad Tecnológica Equinoccial Campus Arturo Ruiz Mora

PRACTICA Nº 1

Nombre: Escuela: Cátedra: Fecha:

1. Tema.

Verificación de la presión constante del sistema hidráulico

2. Objetivos.

2.1.Objetivo específico. Revisar el proceso de un sistema de presión constante en el banco de

pruebas hidráulico.

107

2.2. Objetivos generales.

Analizar el funcionamiento de los instrumentos utilizados

Verificar la presión, corriente, caudal y frecuencia del sistema.

Analizar las graficas del sistema.

3. Marco Teórico

3.1.Sistema de presión constante

Son aquellos sistemas de bombeo que funcionan con la velocidad variable que

se ajusta a la demanda del consumo del fluido.

4. Equipos y Materiales

4.1.Equipos. 1 PLC

1. Bomba Sumergible

1. Bomba centrifuga de ½ HP

1. Transductor de presión

1. Sensor de caudal

1. Variador de frecuencia

1. Fuente de voltaje de 220 Vac a 24 Vdc

4.2.Materiales 3 Contactores

1 Transformador de 220 Vac a 24 Vac

108

4 Electroválvulas

Tuberías de Pvc Roscable

Tuberías de Pvc Pegable

Válvula de compuerta

Accesorios para tuberías

2 Tableros de control

Conductores

Terminales.

5. Procedimiento

a) Verificar el reservorio o deposito de agua, este parcialmente lleno.

b) Verificar que el cable de comunicación este instalado desde el PLC al

computador

c) Activar la alimentación principal, que en nuestri banco se lo realiza desde el rele

térmico

d) Ubicar el selector S1 en modo “AUTOMÁTICO”

e) En caso de hacerlo manual ubicar el selector en posición S2

5.1.1. Verificación de la presión constante.

Figura 5. 1 Curvas de frecuencia, presión y caudal en el sistema

109

Fuente: Sistema de presión constante Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

5.2.Tabulación de datos calculados.

Figura 5. 2

Datos encontrados Electroválvulas

normalmente cerradas

Q

(lt/min)

P (psi) F(Hz) I (Amp.)

1 Electroválvula abierta 22 10 30 3.2

2 Electroválvula abierta 23 9 35 2

3 Electroválvula abierta 22 9 40 4.3

4 Electroválvula abierta 23 8.9 60 5.2 Fuente: Investigación propia Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

6. Análisis de resultados

110

Se puede observar que la presión no varía y el caudal se mantiene

7. Conclusiones y Recomendaciones

7.1. Conclusiones

En la práctica se puede observar y analizar el funcionamiento de todos los

equipos instalados en este sistema de manera directa.

7.2. Recomendaciones

Es recomendable verificar que el tanque donde se encuentra instalada la

bomba sumergible este totalmente lleno debido a que la lubricación de la

bomba es el agua por lo que en este caso de prender la bomba sin las

respectivas consideraciones la bomba inmediatamente se quemara.

8. Bibliografía

www. Francklin-electric.com www.presioncontante.com cbs.grunfos.com/export/sites/dk…/HYDRO_0709_BGE_opt.pd

111

CAPÍTULO VI

ANÁLISIS ECONÓMICO

6.1. Costos

Se incluyen los costos inmersos en el diseño, construcción, instalación, del sistema de

presión constante el cual se distribuyó en varios rubros los cuales se muestran a

continuación:

6.1.1. Costos de materiales hidráulicos

112

Dentro de estos costos se incluyen las unidades y valores de los materiales requeridos

para la construcción del Sistema de presión constante. En la siguiente tabla se muestra

el importe de los materiales hidráulicos:

Tabla 6. 1 Costo de materiales

CANT. DETALLE VALOR UNITARIO

VALOR TOTAL

1 Codo de 1 pulgada $ 1,30 $ 1,30 2 Neplos de 1 x 10 pu $ 1,60 $ 3,20 2 Adaptadores hembra 40 x 114 mm. $ 1,25 $ 2,50 2 Neplos de cintura de 1 x 140 $ 0,65 $ 1,30 1 Neplo pegable roscable $ 1,21 $ 1,21 2 Codos de 40 mm. $ 1,40 $ 2,80 2 Abrazaderas de 1 1/2 $ 0,85 $ 1,70 4 Abrazaderas de 2 $ 0,95 $ 3,80 1 Reduccion de 50 x 40 mm. $ 1,50 $ 1,50 1 Unión de 40 mm. $ 1,00 $ 1,00 2 Bushing de 1 pulgada $ 0,95 $ 1,90 1 Tubo roscado de 1 1/4 $ 33,41 $ 33,41 1 T de 1 1/4 $ 3,07 $ 3,07 1 Codo de 1 1/4 $ 2,68 $ 2,68 1 Universal de 1 1 /4 $ 6,46 $ 6,46 1 Bushing 1 1/4 a 1/2 $ 1,17 $ 1,17 3 Bushing de 1/2 a 3/8 $ 2,00 $ 6,00 4 Teflón amarillo de 3/4 x 15 $ 0,65 $ 2,60 2 Reductor buje 1 / 14 x 1 $ 0,80 $ 1,60 2 Neplo 1 x 10 cm $ 0,32 $ 0,64 8 Neplos 1 x 8 cm. $ 0,29 $ 2,32 1 Union universal de 1 pulgada $ 4,11 $ 4,11 2 Tapones de 90 mm. $ 4,53 $ 9,06 3 Collaraines de 20 mm x 1 p $ 2,03 $ 6,09 2 Collarines de 32 mm. X 1/2 $ 2,28 $ 4,56 1 Kalipega 125 cm 3 $ 2,26 $ 2,26 10 Teflón rojo $ 0,45 $ 4,50 1 Polimex $ 5,00 $ 5,00 1 Tubo de 90 mm. 0,80 megapacales $ 29,00 $ 29,00 1 Tubo de 60mm. X 90 $ 16,00 $ 16,00 1 Válvula esférica pegable 63 mm. $ 20,09 $ 20,09 2 Reducciones 63 mm. X mm. 40 $ 1,52 $ 3,04 2 Adaptadores hembras de 50 mm. A 1/1/2 $ 1,52 $ 3,04

113

2 Codos de presión de 40 mm. X 90 $ 21,56 $ 43,12 2 Neplo tuerca de 1 1/2 $ 1,47 $ 2,94 1 T roscable de 1/1/2 $ 3,30 $ 3,30 1 Buje reductor de 11/2 x 1/2 $ 1,34 $ 1,34 1 Tubo de presion de 40 mm. $ 8,04 $ 8,04 2 Tapón plastigama 160 mm. $ 5,48 $ 10,96 1 Tanque de Acrilico de cm de diametro $ 300,00 $ 300,00 2 Manometros de presion de glicerina $ 30,00 $ 60,00 1 Válvula Check horizontal $ 20,00 $ 20,00 1 Tanque Plastigama 1100 litros $ 145,00 $ 145,00

TOTAL $783.61 Elaborado: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

En costo total invertido en el sistema de presión constante es de $783.61 valor necesario

para la construcción hidráulica; dentro de este valor se encuentra accesorios de PVC,

teflones, válvulas, los tanques acrílicos entre otros.

6.1.2. Costos de materiales eléctricos y electrónicos de control

Los costos que corresponden los materiales eléctricos utilizados para el eficiente

funcionamiento de la máquina. En el siguiente cuadro se muestra el listado de los

quipos y accesorios requerido.

Tabla 6. 2 Costos materiales

CANT. DETALLE VALOR UNITARIO

VALOR TOTAL

1 Tablero de control con chapa de 60 x 40 x 25 $ 60,00 $ 60,00 1 Contactor 6 mc 18 110 v $ 17,84 $ 17,84 1 Rele térmico 6 tk 22 5/46 $ 20,66 $ 20,66 1 Breakers de 10 Amp 1 polo $ 4,53 $ 4,53 1 Breaker de 20 Amp. 3 polos $ 16,20 $ 16,20 4 Reles de 8 pines $ 4,08 $ 16,32 4 Brekers para rele 8 pines $ 1,38 $ 5,52 1 Variador de velocidad atv312hu15m3 $ 421,50 $ 421,50 1 Plc twido Twdlmda20drt $ 320,55 $ 320,55 1 Módulo Twido tm2amm3ht $ 241,82 $ 241,82 1 Módulo Twdnoz485t $ 47,95 $ 47,95

12 Cable flexible 18 cablec $ 0,17 $ 2,04 6 Cable flexible 12 cablec $ 0,53 $ 3,18

114

40 Conecto 4 6 mm rojo $ 0,04 $ 1,60 30 Terminal espiga $ 0,04 $ 1,20 40 Borneras leg 2,5 mm. Cable # 12/20 $ 0,97 $ 38,80 10 Borneras de 4 pulgadas cable 10 $ 2,00 $ 20,00

100 Terminales punteras azul $ 0,03 $ 3,30 1 Canaleta ranurada 25 x25 $ 3,59 $ 3,59

100 Terminales punteras amarillas $ 0,03 $ 3,30 20 Tornillo tripa de pato $ 0,40 $ 8,00

1 Riel din csc metálica 35mm 1 metro $ 3,36 $ 3,36 1 Ventilador filtro 20 x 20 $ 15,00 $ 15,00 1 Fuente de poder de 24 v. Dc $ 69,89 $ 69,89 1 Transformador coactal 220 v 250 $ 49,68 $ 49,68 1 Contactor 6 mc 18 110 v $ 17,84 $ 17,84 1 Breaker de 1 p 4 a $ 4,91 $ 4,91 1 Breaker 2 p 6 p $ 9,99 $ 9,99 1 Breaker 2 p 25 a $ 9,99 $ 9,99

TOTAL $1438.56 Elaborado: Paolo Cevallos, Marcelo Velazco/2012

El costo total es de $1438,56 en el cual se incluyen contactares, terminales, entre otras.

6.1.3. Costos de las Bombas de agua

Para el presente proyecto se utiliza dos bombas una sumergible y otra periférica los

costos de las bombas se detallan a continuación.

Tabla 6. 3 Costo materiales

CANT. DETALLE VALOR UNITARIO

VALOR TOTAL

1 Bomba Motor Franklin Electric $ 430.00 $430.00 1 Bomba marca Paolo $ 40.00 $40.00

TOTAL $470.00 Elaborado: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

6.1.4. Otros costos

115

Dentro de los otros costos de materiales encontramos los siguientes elementos:

Tabla 6. 4 Otros costos

CANT. DETALLE VALOR UNITARIO

VALOR TOTAL

1 Gabinete de 30 x 30 50 50 1 Contactor 6 mc 18 110 v 17,84 17,84 1 Rele térmico 4 a 6A 20 20 20 Borneras leg 2,5mm. Cable #12 12/20 0,97 19,04

TOTAL 106,88 Elaborado: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

6.1.5. Consolidación de los costos de materiales

La consolidación de los costos se la realizo en base a los costos incurridos en

materiales

Tabla 6. 5 Consolidación de los costos de materiales . N. DETALLE VALOR 1 Materiales hidráulicos 783,61 2 Materiales eléctricos 1438,56 3 Bombas 470 4 Otros 106,88

TOTAL 2799,05 Elaborado: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012 6.1.6. Costo de mano de obra

Para la construcción del banco de pruebas hidráulico de presión constante se incurrió en

los siguientes costos de mano de obra.

Tabla 6. 6 Costo de mano de obra

N. DETALLE VALOR 1 SOLDADURA Y ARMADA DE LAMESA 300 1 INSTALACION DE TUBERIAS 120 1 INSTALACION ELECTRICA 180

TOTAL 600 Elaborado: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

6.2. Costos totales

116

Para los costos totales se incluyen los costos de materiales y los costos de mano de obra

que se utilizaron para la construcción del banco de pruebas hidráulico de presión

constante.

Tabla 6. 7 Costos totales

DETALLE VALOR PORCENTAJE A. METERIALES Materiales hidráulicos 783,61 23% Materiales de control 1438,56 42% Bombas 470 14% Otros 106,88 3% TOTAL 2799,05 82% B. MANO DE OBRA Soldadura y armada de la mesa 300 9% Instalación de tuberías 120 4% Instalación eléctrica 180 5% TOTAL 600 18% COSTOS TOTALES 3399,05 100%

Elaborado: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012

CAPÍTULO VI

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

6.1. Conclusiones

La aplicación del software con la finalidad de simular en tiempo real, además de

conocer el comportamiento de parámetros técnicos nos permite estar en la

vanguardia con la tecnología y con métodos de estudio que se emplea en la

actualidad y que van en constante crecimiento.

117

Se diseñó y construyó el banco de pruebas hidráulico de presión constante

mediante un HMI para reforzar el conocimiento teórico practico proporcionados

por el catedrático para fortalecer la nocion sobre lo extenso y complejo de la

Mecánica de Fluidos y de esta manera el estudiante se interese en otros sistemas

de bombeo con el compromiso de utilizar debidamente nuestros Recursos

Hídricos que nos provee la Naturaleza.

En nuestro país no se encuentra con facilidad bombas trifásicas menores a 1 HP.

Debido a esto se utilizó bombas que existe en el mercado para la realización del

banco de pruebas hidráulico de presión contante por lo que se torna difícil tener

una apreciación de pérdidas en tuberías o por longitud ya que el banco de

pruebas no cuenta con un tamaño apropiado.

Utilizando válvulas solenoides y válvulas piloto se pueden realizar circuitos

automáticos que funcionan con poca o ninguna intervención humana según el

grado de complejidad.

Se utilizó una bomba sumergible por sus condiciones que presenta entre las

cuales está la de variar la frecuencia en un rango de 30 HZ. Hasta 60 Hz. Y otra

condición es que evita llenar de agua la tubería de succión conocido como

sangrado o cebado de la bomba como es el caso de las periféricas. Puesto que

las bombas sumergibles no traen tubería de succión. La succión es producida

por su propio eje.

118

6.2. Recomendaciones

La utilización de este sistema de bombeo contribuye en gran manera el

estudio y análisis de comportamientos y requerimientos de los diferentes

tipos de fluidos como mediciones de líquidos, ahorro de energía, controles de

caudal, controles de nivel de líquidos, controles de presión, entre otros, por

lo que sería adecuado el que se siga impulsando la investigación de temas a

fines para poder complementar prácticas de laboratorio que contribuyen al

proceso de aprendizaje.

En lo referente al sistema de presión constante se recomienda la adecuada

manipulación de los equipos electrónicos como variador de velocidad,

119

transductor de presión, caudalimetro, puesto que estos equipos son

sumamente delicados.

Se recomienda utilizar grupos de bombeo que tengan relación con los

parámetros que nos brinda el variador de frecuencia, verificar si el tanque

principal de abastecimiento de agua se encuentra lleno de tal manera que la

bomba se encuentre totalmente sumergida con 20 cm. más de agua.

Verificar y comprobar con equipos de medición si la tensión de la red es

compatible con el rango de alimentación del variador de velocidad.

Revisar la conexión entre el PLC y el Computador.

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26. http://www.dspace.espol.edu.ec/handle/123456789/6233

27. http://html.rincondelvago.com/tuberias_1.html

28. http://es.wikipedia.org/wiki/HMI

121

.

122

ANEXOS

Anexos

Anexo N. 1

123

124

Anexo 2

125

ANEXO 3

126

CURVA DE RENDIMIENTO DE LA BOMBA

FUENTE: FRANKLIN ELECTRIC

127

CURVA DE FUNCONAMIENTO DE LA BOMBA

ANEXO 4

TRANSDUCTOR DE PRESION

.

ANEXO 5

CAUDALIMETRO

135

136

ANEXO 5 BOMBA SUMIRGIBLE

137

Anexo 6

Anexo 7 DATOS DE LA BOMBA SUMERGIBLE

PARAMETROS DE LA BOMBA SUMERGIBLE

CARACTERISTICAS DEL EQUIPO Aplicación BANCO DE PRUEBAS HIDRAULICO Altura sobre nivel mar (m.s.n.m.) 655

CARACTERISTICAS DE LA INSTALACION ø tubo succion 1 1/4" Energía eléct. Volts / Hz 220 V Bomba actual / rpm 3600 Motor actual Hp / rpm 3600

CARACTERISTICAS DE OPERACION CON UNA DESCARGA Caudal Q (m3/hora) 9.72 m3/h 1) Volumen (m3) 0,180 m3/180 Litros 2) Tiempo (minutos) 1,22 min 3) P descarga (PSI) 22PSI 4) L del circuito (tubería) [m] 4,46 mts 5) N° codos / válv. descarg. 5 codos/1 valvulas 6) N° codos / válv. succión 2 codos/ 1 valvulas

CARACTERISTICAS DE OPERACION CON CUATRO DESCARGAS Caudal Q (m3/hora) 8.86 m3/h 1) Volumen (m3) 0,180 m3/180 Litros 2) Tiempo (minutos) 1,11 min 3) P descarga (PSI) 11 PSI 4) L del circuito (tubería) [m] 5,96 mts 5) N° codos / válv. descarg. 5 codos/4 valvulas 6) N° codos / válv. succión 2 codos/ 1 valvulas

EQUIPO SELECCIONADO Bomba SUMERGIBLE rpm bomba 3600 Eficacia % 95 Presión máx. trabajo 22 PSI/11PSI Motor requerido [KW] 0,75KW/1HP

139

Anexo. 8

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS TANQUE 1

140

Anexo 9

141

Anexo 10

TABLA PARA LA SELECCIÓN DEL DISTRIBUIDOR

142

PROGRAMACIÓN

143

144

145

146

147

148

PLANOS

CONTIENE:

PRESIÓN CONSTANTE

CONEXION MODULO ANALOGICOLAMINA: 2 - 6

ESCALA: 1:1

REVISO: ING. ALFREDO ZAPATA

FECHA: 24-09-11

DISEÑO:

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA EQUINOCCIALPROYECTO: TESIS

A

1 2 3 4

B

D

E

C

PAOLO CEVALLOSMARCELO VELASCO

VDF OUT VARIADOR

MF IN 0 SENSOR DE F LUJO

TP IN 1 SENSOR DE PRESION

SIMBOLOGIA

24VDC

OUT

IN0

IN1

+

-

+

-

+

-

NC

+

-

NC

ESQUEMA DECABLEADOTWDAMM3HT

+

-

+

-

SENSORCAUDAL

SENSORPRESION4-20mA

0VDC

+24VDC

+

-VARIADOR

TP

MF

VDF

150

CONTIENE:

PRESIÓN CONSTANTE

ESQUEMA DE CONECCIONES PLCLAMINA: 1 - 6

ESCALA: 1:1

REVISO: ING. ALFREDO ZAPATA

FECHA: 24-09-11

DISEÑO:

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA EQUINOCCIALPROYECTO: TESIS

A

1 2 3 4

B

D

E

C

PAOLO CEVALLOSMARCELO VELASCO

%I0.0

%I0.1

%I0.2

%I0.3

%I0.4

%I0.5

%I0.6

%I0.7

%I0.8

%I0.9

%I0.10

%I0.11

COM

0VDC

+24VDC

PO

S2

S1

SN 1

SN 2

RT

NC

%Q0.2

%Q0.3

%Q0.4

COM1

NC

%Q0.5

%Q0.6

COM2

NC

%Q0.7

COM3

%Q0.0

%Q0.1

COM+

N L1

K1

C1

C2

C3

ESQUEMA DECABLEADOTWDLMDA20DRT

C4

K2

S1 SELECTOR M ANUAL

S2 SELECTOR AUT OM AT ICO

P0 PULSADOR NC PARO GENERAL

SN1 SENSOR NIVEL NC M ANUAL

SN2 SENSOR NIVEL NO M ANUAL

RT RELE TERM ICO BOM BA M ONOF ASICA

K1 CONTACT OR VARIADOR

K2 CONTACT OR BOM BA M ONOF ASICA

C1 RELE CONTROL ELECT ROVALVULA 1

C2 RELE CONTROL ELECT ROVALVULA 2

C3 RELE CONTROL ELECT ROVALVULA 3

C4 RELE CONTROL ELECT ROVALVULA 4

+ -

+/1D4 -/1D4

SIMBOLOGIA

151

RUN

STOP

CANALETA RANURADA 30X30CANA LETA RANURADA 30X30

FUENTE 24VDCFUE NTE 24VDC

PROTECCIONESP ROTE CCIONES

VARRIADORV ARRIADOR

PLC Y MODULO ANALOGICOP LC Y MODULO ANALOGICO

CONTACTORES Y RELESCONTACTORE S Y RE LES

CONTIENE:

PRESIÓN CONSTANTE

TABLERO ELECTRICOLAMINA: 6 - 6

ESCALA: 1:1

REVISO: ING. ALFREDO ZAPATA

FECHA: 24-09-11

DISEÑO:

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA EQUINOCCIALPROYECTO: TESIS

A

1 2 3 4

B

D

E

C

PAOLO CEVALLOSMARCELO VELASCO

CONTIENE:

PRESIÓN CONSTANTE

CONEXIONES CONTROL Y FUERZ

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA EQUINPROYECTO: TESIS

REVISO: ING. ALFREDO ZAPATA

DISEÑO:PAOLO CEVALLOSMARCELO VELASCO

A B C D

1

2

3

4

L1

L2

L3

N

B1 B2 B3

6A 10A 6A

B4

4A

K1 K2

RTVDF

TR1

DF

M3

M1

220VAC 110VAC

PE PE

220VAC

24VAC

1

2

3

4

5

6

1 3 5

2 4 6

U1V1

W1

1

2

1 3 5

2 4 6

1 3 5

2 4 6

1

2

3

4

1 2

3 4

1 2

3 4

1

2

3

4

CONTIENE:

PRESIÓN CONSTANTE

CONEXION ELECTROVLVULAS

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA EQUINPROYECTO: TESIS

REVISO: ING. ALFREDO ZAPATA

DISEÑO:PAOLO CEVALLOSMARCELO VELASCO

A B C D

1

2

3

4

+24VDC

0VDC

EV1

F1

C1

13

14

1

2

A1

A2

EV2

F2

C2

13

14

1

2

A1

A2

EV3

F3

C3

13

14

1

2

A1

A2

EV4

F4

C4

13

14

1

2

A1

A2