UNIVERSIDAD TECNOLOGICA EQUINOCCIAL
Campus Arturo Ruiz Mora
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERIA
CARRERA DE INGENIERIA ELECTROMECANICA
Tesis previa la obtención del título de
INGENIERO ELECTROMECANICO
DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA
LA DETERMINACION DE EFICIENCIA EN BOMBAS
CENTRIFUGAS UTILIZANDO UN SISTEMA SCADA
UTE SANTO DOMINGO 2010
Estudiantes:
Carlos Omar Jaramillo Gamarra Juan Manuel Bravo Camacho
Director de Tesis Ing. Javier Díaz, Msc.
DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA LA DETERMINACION DE EFICIENCIA EN BOMBAS CENTRIFUGAS
UTILIZANDO UN SISTEMA SCADA
Ing. Javier Díaz
DIRECTOR DE TESIS
APROBADO
Ing. Nilo Ortega
PRESIDENTE DE TRIBUNAL
Ing. Holger Zapata
MIEMBRO DE TRIBUNAL
Ing. Jorge Terán
MIEMBRO DE TRIBUNAL
Del contenido del presente trabajo se responsabilizan los autores
Carlos Omar Jaramillo Gamarra
UNIVERSIDAD TECNOLOGICA EQUINOCCIAL Campus Arturo Ruiz Mora
INFORME DEL DIRECTOR DE TESIS
Ing. Javier Díaz, en calidad de Director Tesis del tema “Diseño y construcción de un
banco de pruebas para la determinación de eficiencia en bombas centrifugas utilizando un sistema SCADA, UTE Santo Domingo 2010” realizada por los señores: Carlos Omar
Jaramillo Gamarra y Juan Manuel Bravo Camacho, para optar por el título de Ingenieros Electromecánicos, doy fe que el presente trabajo de investigación ha sido dirigido y revisado en todas sus partes, por lo cual autorizo su respectiva presentación.
Santo Domingo, Agosto del 2011
Atentamente,
DEDICATORIA
A Dios creador, mi Mamita Eusebia, ejemplo de valor y amor;
mis padres Carlos Jaramillo y Lilia Gamarra; que con su amor, estímulo
y confianza han aportado infinitamente para el desarrollo y culminación de esta
investigación, así también en la preparación del espíritu para asimilar y llevar de la mejor
manera el proyecto más grande que existe para todo ser, llamado
“Vida”.
AGRADECIMIENTO
A mi esposa Zully, mis hermanos Cristóbal, Benjamín y Alexis
por el apoyo incondicional brindado, al Tecnólogo Carlos Jarama
por haber aportado con sus valiosos conocimientos,
al Ingeniero y amigo Franklin Toapaxi por su constante colaboración,
a nuestro director de tesis Ingeniero Javier Díaz, Msc.
y a todos los amigos y personas que involucraron un aporte
para la finalización de este proyecto.
“Gracias”
DEDICATORIA
A Dios todo Poderoso, a MIS PADRES Hilda Camacho y Víctor Bravo ejemplo maravilloso de fe, amor y sacrificio, ya que con mucho cariño y esfuerzo me
ayudaron a salir adelante, me apoyaron en el transcurso de mi carrera y nunca pensaron que me rendiría al conseguir este logro.
AGRADECIMIENTO
A todas las personas que de una u otra forma contribuyeron para que este
proyecto se hiciera realidad: Profesionales, amigos, familia, Universidad, los cuales brindando sus conocimientos y experiencias ayudaron a culminar esta meta, mi
eterna gratitud a cada uno de ellos.
RESUMEN
El diseño y construcción del banco de pruebas para la determinación de eficiencia en bombas centrífugas utilizando un sistema SCADA, UTE Santo Domingo 2011 se lo realizó con el fin de contribuir a una mejor comprensión de la materia de Mecánica de Fluidos ya que es deber de los profesores llevar a la práctica la teoría impartida en el aula. Además fomentará el espíritu investigativo de los estudiantes y elevará el nivel académico de nuestra universidad, particularmente en la escuela de Ingeniería Electromecánica porque contará con un equipo en donde las pruebas a realizarse son altamente confiables ya que el mismo cuenta con un sistema manual y automatizado para la determinación de la eficiencia en las bombas centrífugas.
Para el desarrollo de este trabajo de investigación se utilizó el principio físico de la eficiencia mecánica de las bombas que es igual a la potencia transmitida al fluido entre la potencia puesta en la bomba y a partir de allí se continuo con el principio de la conservación de la energía-ecuación de Bernoulli, una vez realizado los respectivos cálculos se llevo este criterio teórico a la práctica, utilizando un sistema SCADA.
En el capítulo I constan los antecedentes del tema de investigación, así como su relevancia, limitaciones, objetivos generales y específicos.
Continuando en el capítulo II, exponemos los conceptos teóricos y definiciones, que son fundamentales para el desarrollo del presente trabajo de investigación.
Se utilizó el sistema SCADA para obtener gráficamente las curvas de eficiencia, las cuales se visualizan en el monitor del PC; además permite tener el control automatizado de las bombas. Todo el sistema entra en operación desde el tablero de control eléctrico y desde el PC.
En el capítulo IV se describe paso a paso la construcción del banco de pruebas para la determinación de eficiencia en bombas centrifugas utilizando un sistema SCADA.
El funcionamiento del banco de pruebas, junto a los cálculos de eficiencia y análisis de resultados lo describimos en el capitulo V, en el hacemos mención al funcionamiento del circuito hidraúlico, circuito eléctrico de control, el sistema SCADA, las especificaciones técnicas del banco de pruebas y su mantenimiento.
En el capítulo VI se describe el procedimiento de prácticas para el banco de pruebas.
En el capítulo VII mediante un análisis económico se detallan los egresos en los cuales se incurrió para el desarrollo del tema propuesto de esta investigación.
Contenido
Portada i
Hoja de sustentación y aprobación de los integrantes del tribunal ii
Hoja de responsabilidad del autor iii
Informe de aprobación del director de tesis iv
Dedicatoria v
Agradecimiento vi
Dedicatoria vii
Agradecimiento viii
Resumen ix
Contenido xi
CAPITULO I
1.1 Planteamiento del problema 1
1.1.1 Diagnóstico. 1
1.1.2 Pronóstico 1
1.1.3 Control del proceso 2
1.1.4 Formulación del problema 2
1.1.5 Sistematización 2
1.2 Objetivos 3
1.2.1 Objetivo general 3
1.2.2 Objetivos específicos 3
1.3 Justificación 4
CAPITULO II
MARCO DE REFERENCIA 5
2.1 Bombas hidráulicas 5
2.2 Clasificación de las bombas 6
2.2.1 Bombas de desplazamiento positivo 6
2.2.1.1 Bombas reciprocantes 6
2.2.2 Bombas dinámicas 7
2.2.2.1 Bombas periféricas 7
2.2.2.2 Bombas especiales 8
2.2.2.3 Bombas centrífugas 8
2.2.2.3.1 Funcionamiento 9
2.2.2.3.2 Partes de una bombas centrífuga 10
2.3 Carga de bombeo o carga dinámica total (TDH) 13
2.4 Pérdidas de carga en un sistema de bombeo 15
2.4 Pérdidas de carga en un sistema de bombeo 15
2.4.1 Pérdidas primarias de carga 16
2.4.1.1 El factor de fricción de una tubería 16
2.4.1.2 Número de Reynolds 17
2.4.1.3 Viscosidad cinemática del fluido 17
2.4.1.4 Viscosidad dinámica del fluido 18
2.4.2 Pérdidas secundarias 18
2.5 Potencia de los sistemas de bombeo 19
2.6 Eficiencia mecánica 19
2.7 Eficiencia hidráulica 20
2.8 Eficiencia total 20
2.9 Curvas características 20
2.10 Variador de velocidad o inversor de frecuencia 23 2.10.1 Operación de un variador de velocidad o inversor de frecuencia 24
2.11 Sensor de presión 25
2.11.1 Característica de un sensor de presión 26
2.12 Caudalímetro 27
2.12.1 Caudalímetros a turbina 27
2.13 PLC controlador lógico programable 29
2.13.1 Rack principal 29
2.13.2 Fuente de alimentación 29
2.13.3 CPU 29
2.13.6 Tarjetas especiales 31
2.14 Sistema SCADA 32
2.14.1 Prestaciones 33
2.14.2 Requisitos 34
2.14.3 Módulos de un SCADA 34
CAPITULO III
DISEÑO DEL BANCO DE PRUEBAS PARA LA DETERMINACION DE EFICIENCIA EN BOMBAS CENTRIFUGAS UTILIZANDO UN SISTEMA SCADA
3.1 Introducción 36
3.2 Diagrama de flujo 37
3.2.1 Circuito hidráulico 37
3.2.2 Circuito eléctrico de control 37
3.2.3 Sistema SCADA - PC 38
3.3 Parámetros de diseño y construcción 38
3.3.1 Diseño del circuito hidráulico 38
3.3.1.1 Análisis de las ventajas y desventajas de los diferentes 38
bancos de prueba
3.3.1.1.1 Banco de pruebas para bombas hidráulicas HL962 38 3.3.1.1.2 Banco de pruebas C3MKII de Armfield versión 1 39 3.3.1.1.3 Banco de pruebas de bombas centrífugas 41
con el equipo PCOB
3.3.1.1.4 Banco de pruebas modular para bombas y compresores 42 sistema modular HM299
3.3.1.1.5 Banco de pruebas para la determinación de eficiencia 43 en bombas centrífugas utilizando un sistema SCADA
(UTE-JB-D-001)
3.3.1.2 Ponderación de los diferentes bancos de pruebas 45
3.3.1.3 Determinación del caudal de trabajo 45
3.3.1.4 Selección del diámetro y material de la tubería 46
3.3.1.5.1 Cálculo de la velocidad del fluido 46
3.3.1.5.2 Cálculo del número de Reynolds 47
3.3.1.5.3 Cálculo de la variación de la altura (∆H) 48
3.3.1.5.4 Cálculo de la altura estática 49
3.3.1.5.5 Cálculo de pérdidas por fricción 49
3.3.1.5.6 Cálculo de la columna de velocidad (Hv) 51
3.3.1.5.7 Cálculo de la altura dinámica 51
3.3.1.5.8 Cálculo del TDH 52
3.3.1.5.9 Selección de la bomba 52
3.3.1.6 Selección del sensor de presión 53
3.3.1.7 Selección del medidor de caudal 54
3.3.1.8 Cálculo y diseño del reservorio 54
3.3.1.8.1 Análisis de esfuerzos / cálculo del material 56 3.3.1.8.2 Intensidad máxima de carga en el fondo 61
3.3.2 Diseño mecánico de la mesa de trabajo 63
3.3.2.1 Diseño de la superficie de la mesa 63
3.3.2.2 Diseño de la estructura de la mesa 64
3.3.2.2.1 Peso total que soportará la mesa 64
3.3.2.3 Selección del material 71
CAPITULO IV
CONSTRUCCION DEL BANCO DE PRUEBAS PARA LA DETERMINACION DE EFICIENCIA EN BOMBAS CENTRIFUGAS UTILIZANDO UN SISTEMA SCADA
4.1 Construcción del tablero de control 72
4.2 Construcción de la mesa de trabajo 76
4.3 Construcción del reservorio 78
4.4 Construcción del circuito hidráulico 80
CAPITULO V
FUNCIONAMIIENTO; CALCULO DE LAS PRUEBAS Y ANALISIS DE RESULTADOS DEL BANCO DE PRUEBAS PARA LA DETERMINACION DE EFICIENCIA EN BOMBAS CENTRIFUGAS UTILIZANDO UN SISTEMA SCADA
5.1 Funcionamiento 85
5.1.1 Circuito hidráulico 85
5.1.2 Circuito eléctrico de control 85
5.1.3 Sistema SCADA 87
5.1.3.1 Menú principal 87
5.1.3.2 Gráfica de presión vs caudal 88
5.1.3.3 Gráfica de historial de presión, caudal, frecuencia 89
5.1.3.4 Gráfica de eficiencia vs caudal 89
5.1.4 Especificaciones técnicas del banco de pruebas para la 90 determinación de eficiencia en bombas centrífugas
utilizando un sistema SCADA
5.1.4.1 Condiciones de trabajo 90
5.1.4.2 Datos del equipo 90
5.1.4.3 Datos de la bomba 1 91
5.1.4.4 Datos de la bomba 2 91
5.1.4.5 Datos del sensor de presión 91
5.1.4.6 Datos del medidor de caudal 91
5.1.4.7 Datos del variador de frecuencia 92
5.1.4.8 Datos del controlador lógico programable 92 5.2 Esquema del banco de pruebas para la determinación 93
de eficiencia utilizando un sistema SCADA
5.3 Cálculo de las pruebas y análisis de resultados 94 5.3.1 Cálculo manual y análisis de la eficiencia 94
5.3.1.1 Bomba 1 94
5.3.1.1.1 Variación de la apertura de la llave en la descarga 94 y la frecuencia
5.3.1.2 Bomba 2 135 5.3.1.2.1 Variación de la apertura de la llave en la descarga 135
y la frecuencia
5.3.1.2.2 Variación de la llave en la descarga,frecuencia constante 60Hz 154 5.3.2 Visualización del gráfico y valor de la eficiencia en el SCADA 177
5.3.2.1 Bomba 1 177
5.3.2.1.1 Variación de la apertura de la llave en la descarga y la 177
frecuencia
5.3.2.1.2 Variación de la llave en la descarga,frecuencia constante 60Hz 178
5.3.2.2 Bomba 2 179
5.3.2.2.1 Variación de la apertura de la llave en la descarga y la 179 frecuencia
5.3.2.2.2 Variación de la llave en la descarga,frecuencia constante 60Hz 180 5.3.3 Análisis gráfico y cuantitativo de la eficiencia; calculada 181
manualmente y por medio del SCADA en las bombas 1 y 2
5.3.3.1 Bomba 1 181
5.3.3.2 Bomba 2 184
5.3.3.3 Análisis de los resultados de eficiencia de las bombas 1 y 2; 187 con respecto a los datos de eficiencia del fabricante
5.4 Mantenimiento del banco de pruebas para la 188
determinación de eficiencia en bombas centrífugas utilizando un sistema SCADA
5.4.1 Bombas centrifugas 188
5.4.1.1 Bomba 1 188
5.4.1.2 Bomba 2 189
5.4.2 Accesorios en el circuito hidráulico 191
5.4.3 Instrumentos de medición 191
5.4.3.1 Caudalímetro de rueda de paletas 191
5.4.3.2 Sensor de presión 192
CAPITULO VI
PROCEDIMIENTO DE PRACTICAS DEL BANCO DE PRUEBAS PARA LA DETERMINACION DE EFICIENCIA EN BOMBAS CENTRIFUGAS UTILIZANDO UN SISTEMA SCADA, UTE SANTO DOMINGO 2011
6.1 Procedimiento manual 193
6.1.1 Determinación de la eficiencia en bombas centrifugas 194 variando la llave estranguladora ubicada en la descarga y
la frecuencia con el VDF (Variador de frecuencia)
6.1.1.1 Formato para la realización de prácticas 194 6.1.2 Determinación de la eficiencia en bombas centrífugas 197
variando la llave estranguladora ubicada en la descarga
6.1.2.1 Formato para la realización de prácticas 197
6.2 Procedimiento automático 200
6.2.1 Determinación de la eficiencia en bombas centrifugas 200 variando la llave estranguladora ubicada en la descarga y
la frecuencia con el VDF (Variador de frecuencia)
6.2.1.1 Formato para la realización de prácticas 200 6.2.2 Determinación de la eficiencia en bombas centrífugas 204
variando la llave estranguladora ubicada en la descarga
6.2.2.1 Formato para la realización de prácticas 204
CAPITULO VII
ANALISIS ECONOMICO
7.1 Costo del material eléctrico 207
7.2 Costo del material de plomería 208
7.3 Costo de equipos hidráulicos 209
7.4 Costo de equipos de control e instrumentación 209
7.5 Costo de mano de obra 209
CAPITULO VIII
8.1 Conclusiones 211
8.2 Recomendaciones 212
BIBLIOGRAFIA 214
ANEXOS 216
CAPITULO I
1.1 Planteamiento del problema
1.1.1 Diagnóstico
La Universidad Tecnológica Equinoccial Campus Arturo Ruiz Mora se encuentra ubicada en la provincia de Santo Domingo de los Tsáchilas, cantón Santo Domingo, en la vía a Chone Km 4 ½ y Av. República de Italia
En la actualidad la Universidad Tecnológica Equinoccial ofrece a la comunidad de Santo Domingo carreras como Ingeniería Electromecánica, Ingeniería en Administración, Ingeniería en Agroindustria, Diseño Gráfico, entre otras; alcanzando una gran aceptación y prestigio.
En su estructura física consta de bloques de aulas, y para las carreras técnicas proporciona laboratorios, también está la biblioteca; en la parte posterior de la universidad tiene un galpón para las practicas de mecánica y mantenimiento interno de la institución.
Haciendo un enfoque hacia la parte técnica, en la carrera de Ingeniería en Electromecánica, específicamente en la cátedra de Mecánica de Fluidos, existen partes en la cual es necesario tener una experimentación práctica, ya que por falta de este método práctico no se logra concretar de una mejor manera los cálculos realizados en los temas dictados en clases, todo esto mencionado anteriormente no quita en ningún momento la buena labor realizada por parte de la Universidad y sus docentes.
1.1.2 Pronóstico
electromecánica, en lo que respecta a la cátedra de mecánica de fluidos, porque la mejor forma de aprender la parte teórica, es realizando prácticas y comprobaciones, para así lograr un mayor porcentaje en beneficios académicos.
1.1.3 Control del proceso
Este estudio aparte de permitir la observación y experimentación con eficiencias de bombas permitirá:
· Tener una mejor aplicación didáctica del docente en cuanto se refiera a la
materia.
· Por parte de los estudiantes, mostrar más interés en auto educarse y al mismo
tiempo concienciarse de la importancia de esto; aplicando los métodos impartidos en los semestres ya aprobados.
· Por parte de la institución realizar las respectivas notificaciones de los
adelantos e investigaciones más destacadas que tienen influencia dentro del campus.
1.1.4 Formulación del problema
En la actualidad se ejecuta un proceso de aprendizaje en el cual no es realizable la visión del docente en su totalidad; con lo que respecta a la cátedra de Mecánica de Fluidos, en los temas de eficiencia de bombas centrífugas esta materia se encuentra limitada al no tener un banco de pruebas en la cual se refuerce la parte teórica con la práctica.
1.1.5 Sistematización
¿El sistema SCADA realmente permitirá tener datos de salida exactos en el PC?
¿Tendrá que proporcionarse una información más completa y específica de los materiales y equipos a utilizar, así mismo de las acciones y reacciones que se obtendrán?
¿Será necesario elaborar los planos en Auto-Cad del conexionado eléctrico del tablero didáctico?
¿En este estudio tendrá relevancia realizar un análisis técnico económico?
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo general
Diseñar y construir un banco de pruebas para la determinación de eficiencias en bombas centrífugas utilizando el sistema scada.
1.2.2 Objetivos específicos
· Determinar las curvas de eficiencias de las bombas centrífugas para x capacidad.
· Comparar los datos del fabricante con los datos reales obtenidos en el banco de
prueba.
· Elaborar los esquemas en Auto-Cad.
· Establecer diferencias que existen entre las dos bombas centrifugas de ½ hp,
cada una de distinto fabricante.
· Seleccionar correctamente los materiales a utilizar en la construcción del banco
de pruebas.
· Obtener la información teórica más compacta y específica.
1.3 Justificación
Es importante la realización de este proyecto ya que se encuentra vinculado directamente con la carrera de Ingeniería Electromecánica; y es de relevancia tener un banco de pruebas con el cual sistemáticamente se compruebe los datos obtenidos en los cálculos en lo que respecta a eficiencia de bombas centrífugas.
La Universidad Tecnológica Equinoccial como institución, se beneficiará directamente en el campo práctico y metodológico, ya que sembrará lo que todo centro de formación busca, y esto es crear el interés investigativo y científico dentro de la comunidad de los estudiantes de la Ingeniería Electromecánica.
Esto conllevará a que el estudiante una vez culminado su pensum académico y se encuentre en el campo laboral, no tenga una posición de incertidumbre, por no haber realizado las prácticas correspondientes.
El beneficio será para los estudiantes y por ende para la sociedad, ya que si estos tienen un mejor aprendizaje contribuirán de una forma más profesional y aplicando el mejor de los criterios, dejando muy en alto el nombre de la Universidad Tecnológica Equinoccial.
CAPITULO II
MARCO DE REFERENCIA
2.1 Bombas Hidráulicas.
Una bomba es una máquina hidráulica generadora que transforma la energía
(generalmente energía mecánica) con la que es accionada en energía hidráulica del
fluido incompresible que mueve. El fluido incompresible puede ser líquido o una mezcla
de líquidos y sólidos como puede ser el hormigón antes de fraguar o la pasta de papel.1
Al incrementar la energía del fluido, se aumenta su presión, su velocidad o su altura, todas ellas relacionadas según el principio de Bernoulli. En general, una bomba se utiliza para incrementar la presión de un líquido añadiendo energía al sistema, para mover el fluido de una zona de menor presión o altitud a otra de mayor presión o altitud. Así se tendrán bombas que funcionen para cambiar la posición de un cierto fluido. Por ejemplo la bomba de pozo profundo, que adiciona energía para que el agua del sub-suelo se eleve a la superficie.
Fig.2.1 Bombas Hidráulicas.
Fuente: www.quiminet_com.htm
2.2 Clasificación de las bombas.
2.2.1 Bombas de desplazamiento positivo.
Estas bombas guían al fluido que se desplaza a lo largo de toda su trayectoria, el cual siempre está contenido entre el elemento impulsor, que puede ser un embolo, un diente
de engranaje, un aspa, un tornillo, etc., y la carcasa o el cilindro. “El movimiento del desplazamiento positivo” consiste en el movimiento de un fluido causado por la
disminución del volumen de una cámara. Por consiguiente, en una máquina de desplazamiento positivo, el elemento que origina el intercambio de energía no tiene necesariamente movimiento alternativo (émbolo), sino que puede tener movimiento rotatorio (rotor).
Sin embargo, en las máquinas de desplazamiento positivo, tanto reciprocantes como rotatorias, siempre hay una cámara que aumenta de volumen (succión) y disminuye volumen (impulsión), por esto a éstas máquinas también se les denomina Volumétricas2.
2.2.1.1 Bombas reciprocantes.
Llamadas también alternativas, en estas máquinas, el elemento que proporciona la energía al fluido lo hace en forma lineal y alternativa. La característica de funcionamiento es sencilla.
2.2.1.2 Bomba rotatoria.
Llamadas también rotoestáticas, debido a que son máquinas de desplazamiento positivo, provistas de movimiento rotatorio, y son diferentes a las rotodinámicas. Estas bombas tienen muchas aplicaciones según el elemento impulsor. El fluido sale de la bomba en forma constante, puede manejar líquidos que contengan aire o vapor. Su principal aplicación es la de manejar líquidos altamente viscosos, lo que ninguna otra bomba puede realizar y hasta puede carecer de válvula de admisión de carga.
2.2.2 Bombas dinámicas.
Bombas dinámicas o de energía cinética son aquellas que consisten en un rodete que gira acoplado a un motor. Entre ellas se sitúan las regenerativas, las especiales, las periféricas o de turbina y una de las más importantes, las centrífugas.
Para todos los tipos de bombas para líquidos hay que evitar la cavitación. Este fenómeno se genera por un vacío dentro del sistema y daña al mismo.
2.2.2.1 Bombas periféricas.
de energía No se debe confundir a las bombas tipo difusor de pozo profundo, llamadas frecuentemente bombas turbinas aunque no se asemeja en nada a la bomba periférica.
La verdadera bomba turbina es la usada en centrales hidroeléctricas tipo embalse llamadas también de Acumulación y Bombeo, donde la bomba consume potencia; en determinado momento, puede actuar también como turbina para entregar potencia.
2.2.2.2 Bombas especiales.
Las bombas especiales, son aquellas que manejan líquidos muy densos y corrosivos; las más comunes son la de tipo diafragma y no es más, que una bomba que posee una membrana la cual combina la acción recíproca de un diafragma de teflón o caucho y de válvulas que abren y cierran de acuerdo al movimiento del diafragma. A veces a este tipo de bomba también se llama bomba de membrana.
Fig. 2.2.2.2 Bombas especiales.
Fuente: http://bombas-hidro.blogspot.com/2008/03/bombas-especiales.html
2.2.2.3 Bombas centrifugas.
Las paletas imparten energía al fluido por la fuerza de esta misma acción.
Así, despojada de todos los refinamientos, una bomba centrífuga tiene dos partes principales: (1) Un elemento giratorio, incluyendo un impulsor y una flecha, y (2) un elemento estacionario, compuesto por una cubierta, estoperas y chumaceras.
Figura 2.2.2.3 Bomba centrífuga.
Fuente: http://www.unet.edu.ve/~maqflu/doc/LAB-1-95_2.gif
2.2.2.3.1 Funcionamiento.
El flujo entra a la bomba a través del centro del rodete y el fluido gana energía a
medida que las paletas del rodete lo transportan hacia fuera en dirección radial. Esta
aceleración produce un apreciable aumento de energía de presión y cinética, lo cual es
debido a la forma de caracol de la voluta para generar un incremento gradual en el
área de flujo de tal manera que la energía cinética a la salida del rodete se convierte en
cabeza de presión a la salida3.
Fig. 2.2.2.3.1 Principio de funcionamiento de una bomba centrífuga.
Fuente: http://www.unet.edu.ve/~maqflu/doc/LAB-1-95_3.gif
2.2.2.3.2 Partes de una bomba centrífuga.
a) Carcasa.
Es la parte exterior protectora de la bomba y cumple la función de convertir la energía de velocidad impartida al líquido por el impulsor en energía de presión. Esto se lleva a cabo mediante reducción de la velocidad por un aumento gradual del área.
Fig. 2.2.2.3.2 Partes de una bomba centrífuga-Carcasa.
Fuente: www.yeccancemiac.com
b) Impulsores.
Es el corazón de la bomba centrífuga. Recibe el líquido y le imparte una velocidad de la cual depende la carga producida por la bomba.
Fig. 2.2.2.3.2 Partes de una bomba centrífuga- impulsores.
c) Anillos de desgaste.
Cumplen la función de ser un elemento fácil y barato de remover en aquellas partes en donde debido a las cerradas holguras entre el impulsor y la carcasa, el desgaste es casi seguro, evitando así la necesidad de cambiar estos elementos y quitar solo los anillos.
d) Estoperas, empaques y sellos.
La función de estos elementos es evitar el flujo hacia fuera del líquido bombeado a través del orificio por donde pasa la flecha de la bomba y el flujo de aire hacia el interior de la bomba.
d) Flecha.
Es el eje de todos los elementos que giran en la bomba centrífuga, transmitiendo además el movimiento que imparte la flecha del motor.
e) Cojinetes.
Sirven de soporte a la flecha de todo el rotor en un alineamiento correcto en relación con las partes estacionarias. Soportan las cargas radiales y axiales existentes en la bomba.
f) Bases.
Fig. 2.2.2.3.2 Partes de una bomba centrífuga.
Fuente: www.sapiensman.com/bomba/20centrifuga.jpg
2.3 Carga de bombeo o carga dinámica total (TDH).
Carga de bombeo o carga dinámica total es la carga total (TDH) contra la cual debe
operar una bomba, o sea, la energía por unidad de peso de líquido que debe
suministrarle la bomba al mismo para que pueda realizar el trabajo que se pretende.
Como sabemos, el movimiento del liquido a través de la tubería da origen a fricción,
que resulta en una pérdida de energía, por consiguiente dicha fricción tiene que ser
vencida por la bomba, además de la carga estática representada por la diferencia de
nivel. Por consiguiente, la carga dinámica total se obtiene sumando los cuatro factores
siguientes:
a) La diferencia de nivel, que se conoce como carga estática o carga a elevación.
b) Las pérdidas de carga debidas a la fricción en las tuberías y accesorios.
c) La carga a velocidad.
d) La carga a presión4.
a) La altura estática (h).
Está representada por la diferencia de nivel entre la superficie del líquido donde tiene que tomarlo la bomba y la superficie del líquido en el lugar de descarga.
b) Pérdidas por fricción (hf).
Las pérdidas de carga representan las pérdidas de energía como consecuencia de la resistencia que presentan las tuberías y accesorios a la circulación del líquido.
c) La altura de velocidad.
Está representada por el término V2/2g, generalmente, en la mayoría de los casos no se la toma en cuenta, porque su valor es muy pequeño: a no ser en casos especiales en que la velocidad es muy alta (y por consiguiente la fricción es alta también), o la carga total es muy pequeña y el volumen de agua bombeado es muy grande.
d) La carga a presión P/γ.
Está representada por la presión existente en la superficie del líquido y se expresa por la longitud de la columna de líquido, equivalente a la presión existente.
2.4 Pérdidas de carga en un sistema de bombeo.
La pérdida total de carga en un sistema de bombeo es la suma de las perdidas primarias (ver ítem 2.4.1) y secundarias (ver ítem 2.4.2).
Pérdida total de carga en un sistema de bombeo:
ൌ ୰୮ ୰ୱ
Donde:
: Pérdida total de carga en todo el sistema.
୰୮: Pérdidas primarias de carga en el sistema.
୰ୱ: Pérdidas secundarias de carga en el sistema.
Fig 2.4 Pérdidas de carga en una instalación hidráulica.
2.4.1 Pérdidas primarias de carga (L).
El contacto del fluido con la tubería, el rozamiento entre las capas del fluido en el régimen laminar y el rozamiento de las partículas de fluido entre sí en el régimen turbulento, origina pérdidas de energía hidráulica denominadas pérdidas en tramo recto.
Las pérdidas primarias en una tubería son función del factor de fricción, la longitud y el diámetro de la misma, así como la velocidad del fluido.
2.4.1.1 El factor de fricción de una tubería.
Es un número adimensional que depende del número de Reynols y de la rugosidad relativa de la tubería. Para el cálculo de este factor se utiliza el diagrama de Moody.
Este diagrama está constituido por dos ecuaciones, la ecuación 1 se utiliza para flujo laminar (ܴ<2000) y la Ecuación 2 para flujo turbulento (Re>4000).
Ecuación 1. Fórmula de Poiseulle. Factor de fricción para flujo laminar (Re<2000).
݂ ൌͶܴ
Donde:
f: Factor de fricción de la tubería (adimensional).
ܴ: Número de Reynols (adimensional).
Ecuación 2. Fórmula de Colebrook. Factor de fricción para flujo turbulento (Re>4000).
ͳ
ඥ݂ൌ െʹ݈݃ଵቆ ߝ ͵ǡܦ
Donde:
f: Factor de fricción de la tubería (adimensional).
ߝ: Rugosidad absoluta de la tubería (m). D: Diámetro de la tubería (m).
ܴ: Número de Reynols (adimensional).
2.4.1.2 Numero de Reynols.
El cociente de las fuerzas inerciales por las fuerzas viscosas de un fluido se denomina número de Reynolds. Este parámetro adimensional determina si un fluido es laminar o turbulento y se calcula por medio de la siguiente ecuación.
Número de Reynolds:
ܴ ൌܿܦݒ
Donde:
ܴ: Número de Reynols (adimensional). c: Velocidad media del fluido (m/s) D: Diámetro de la tubería (m).
V: Viscosidad cinemática del fluido (మ ௦ ).
2.4.1.3 Viscosidad cinemática del fluido.
La relación entre la viscosidad dinámica y la densidad de un fluido se denomina viscosidad cinemática. Esta propiedad representa por medio de la siguiente ecuación.
Viscosidad cinemática de un fluido:
Donde:
v: Viscosidad cinemática del fluido (మ ௦ ).
µ: Viscosidad dinámica del fluido (Pa . s). ߩ: Densidad del fluido ܭ݃ ݉ൗ ൩ଷ .
2.4.1.4 Viscosidad dinámica del fluido.
El coeficiente de fricción interna de un fluido es una propiedad del fluido que se denomina viscosidad dinámica. La viscosidad es la resistencia a que las capas de fluido deslicen unas sobre otras, o dicho de otro modo, la viscosidad es la fuerza o resistencia que pone un fluido para fluir de un lugar a otro.
La viscosidad dinámica de los fluidos varía sustancialmente con la temperatura.
Aumenta con la temperatura cuando el fluido es un gas y disminuye cuando el fluido es un líquido.
Con los valores del número de Reynolds y la rugosidad relativa, se procede a determinar el coeficiente de rozamiento en el diagrama de Moody.
2.4.2 Pérdidas secundarias.
La determinación de las pérdidas secundarias, puede ser llevada a cabo por varios métodos. Durante el presente trabajo de investigación, sólo mencionaremos el método de longitud de tubería recta equivalente.
En las tablas correspondientes (Ver anexo 2.1), se muestra un nomograma con diversos accesorios de tubería.
En realidad, los valores de caída de presión a través del accesorio, dependerá del diseño particular del fabricante.
El valor de las pérdidas totales, será la suma de las pérdidas primarias y secundarias.
2.5 Potencia de los sistemas de bombeo.
El conjunto elevador (moto-bomba) deberá vencer la diferencia de nivel entre los dos puntos, más las pérdidas de carga en todo el trayecto (pérdidas por fricción a lo largo de la tubería y pérdidas locales debidas a las piezas y accesorios).
Potencia (HP) = (Q.HT.Y) (76.ε)
Donde:
Q= Caudal (l/s).
HT= Altura manométrica o carga dinámica total (m).
Y= Peso unitario del agua (1000 Kg/m3). ε= Eficiencia (70%).
2.6 Eficiencia Mecánica.
Es la eficiencia relacionada con las pérdidas de energía útil, debidas al rozamiento con
el cojinete, prensa – estopas y el rozamiento del fluido en los espacios entre la cubierta del rodete y la carcasa de la máquina, llamado rozamiento del disco y se define para
una bomba centrífuga como5:
2.7 Eficiencia Hidráulica.
Se define en términos de la relación entre el trabajo específico ideal de la máquina y el
real del rodete, el trabajo específico ideal de la máquina se calcula basado en las
condiciones totales o estáticas6.
2.8 Eficiencia total.
Redefine en términos de la relación entre la potencia eléctrica suministrada a la
máquina y la potencia hidráulica entregada por esta 7.
2.9 Curvas características.
Antes de que un sistema de bombeo pueda ser diseñado o seleccionado debe definirse claramente su aplicación. Así sea una simple línea de recirculación o un gran oleoducto, los requerimientos de todas la aplicaciones son siempre los mismos, es decir, trasladar líquidos desde un punto a otro. Entonces, esto obliga a que la bomba y el sistema tengan iguales características para que este diseño sea óptimo.
Las prestaciones de una bomba centrífuga se pueden evidenciar gráficamente por medio de una curva característica que, normalmente, tiene datos relativos a la altura geodésica total, a la potencia efectiva del motor (BHP), a la eficiencia, a la cabeza neta de succión positiva (NPSH) y al nivel positivo, informaciones indicadas en relación con la capacidad de la bomba.
5
http://www.unet.edu.ve/~maqflu/doc/LAB-1-95.htm 6
http://www.unet.edu.ve/~maqflu/doc/LAB-1-95.htm 7
Cada bomba centrífuga se caracteriza por su particular curva característica, que es la relación entre su caudal y su altura de elevación. Esta representación gráfica, o sea, la transposición de esta relación en un gráfico cartesiano, es la mejor manera para conocer qué caudal se puede obtener a una determinada altura de elevación y viceversa.
En este caso específico, la curva consiste en una línea que parte de un punto (equivalente a cero caudal / máxima altura de elevación) y que llega hasta el final de la curva con la reducción de la altura de elevación aumentando el caudal (Ver gráfico 2.8).
Fig. 2.8 Eficiencia total (curvas característica de una bomba).
Fuente:http://www.uabcs.mx/maestros/ccaceres/acuacultura/Suministro%20de%20agua_archivos/image 035.gif
La curva de prestaciones de cada bomba cambia en el momento que cambia la velocidad y se explica con las siguientes leyes:
a. La cantidad del líquido trasladado cambia en relación con la velocidad ቀொଵ ொଶቁ ൌ ቀ
ேଵ ேଶቁ. b. La altura de elevación varía en relación con el cuadrado de la velocidad
ቀಲଵ ಲଶቁ ൌ ቀ ேଵ ேଶቁ ଶ .
c. La potencia consumida varía en relación con el cubo de la velocidad ቀభ మቁ ൌ ቀ
ேଵ ேଶቁ
ଷ .
La cantidad de líquido bombeado y la potencia absorbida son, aproximadamente, proporcionales. La descarga de una bomba centrífuga con velocidad constante puede variar de cero caudal (todo cerrado o válvula cerrada), hasta un máximo que depende del proyecto y de las condiciones de trabajo.
Por ejemplo, si se duplica la cantidad de fluido bombeado se duplica la velocidad y todas las demás condiciones permanecen iguales, mientras que la altura de elevación aumenta 4 veces y la potencia consumida 8 veces con respecto a las condiciones iniciales.
La potencia absorbida por la bomba puede localizarse en el punto donde la curva de la potencia se encuentra con la curva de la bomba en el punto de trabajo. Pero esto no indica todavía la medida requerida del motor.
Existen distintas maneras para determinar la potencia de los motores de alimentación de la bomba:
• Se puede elegir el motor adecuado a la velocidad de accionamiento o al margen de
funcionamiento (el mejor método y el menos costoso cuando las condiciones de trabajo de la bomba no cambian tanto).
• Se puede leer la potencia al final de la curva (la solución más frecuente que garantiza
• Se puede leer la potencia que corresponde al punto de trabajo sumando el 10%(sistema
usado generalmente sólo en las refinerías o en otras aplicaciones donde no hay variaciones en las características de la instalación).
• Usando las curvas, todas las condiciones operativas pueden ser consideradas (el mejor
método donde están presentes efectos sifones, grandes variaciones en altura geodésica, largas tuberías para llenar).
Una regla general para comprender las fuerzas desarrolladas por una bomba centrífuga es la siguiente: una bomba no crea presión sino que aporta solo caudal. La presión es nada más que la medida de la resistencia del caudal.
2.10 Variador de velocidad o inversor de frecuencia.
Los inversores de frecuencia desempeñan un lugar preponderante dentro de la industria en general por su flexibilidad y multiplicidad en opciones de utilización a un costo muy razonable.
2.10.1 Operación de un variador de velocidad o inversor de frecuencia.
El inversor de frecuencia es un dispositivo electrónico que básicamente y como función
principal, varía la velocidad desde cero hasta la nominal máxima de motores de
inducción asíncronos trifásicos de corriente alterna; estos motores son los comunmente
empleados en toda la industria 8. Una vez instalado a la entrada del motor no es necesario tener arrancadores, protecciones o contactores adicionales en el circuito de alimentación del motor.
Todo el trabajo lo hará el inversor de frecuencia. Tanto su instalación como su operación por el personal encargado es sumamente sencilla; sin duda es más complicada la instalación y conexión de un arrancador convencional simple porque este tiene contactor, bobina y protector térmico cuyo alambrado es exterior a los componentes. La variación de velocidad se hace mediante el giro de una perilla y el arranque y paro del motor mediante dos botones ya integrados al cuerpo del mismo inversor. No se necesita gente especializada en electrónica para instalarlo o para operarlo.
En un circuito donde ya exista un arrancador simple es posible quitar el arrancador y conectar un variador de frecuencia simplemente usando los mismos tres cables que entran al arrancador y los tres que van al motor. En una instalación básica de inversor de frecuencia no es necesario ningún cableado especial o adicional al ya existente. Igualmente que con un arrancador convencional será necesaria un protección de corto circuito tal como fusibles o termomagnético a la entrada del inversor. Es importante hacer notar que un variador de frecuencia no substituye a un motorreductor por diversas circunstancias técnicas referentes al torque o par de salida.
Fig 2.10.1 Variador de frecuencia.
Fuente: http://www.mitsubishi-automation.es/products/inverters_fr_d_700.htm?distributor=0
2.11 Sensor de presión.
Un sensor es un aparato capaz de transformar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, en magnitudes eléctricas. Las variables de instrumentación dependen del tipo de sensor y pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza,
torsión, humedad, pH… Una magnitud eléctrica obtenida puede ser una resistencia
eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como un
fototransistor)…
Los sensores de presión suelen estar basados en la deformación de un elemento elástico
cuyo movimiento es detectado por un transductor que convierte pequeños
desplazamientos en señales eléctricas analógicas, mas tarde se pueden obtener salidas
digitales acondicionando la señal. Pueden efectuar medidas de presión absoluta
presión entre dos puntos). Generalmente vienen con visualizadores e indicadores de
funcionamiento 9.
El control de la presión en los procesos industriales da condiciones de operación 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, si no también puede provocar la destrucción del equipo adyacente y ponen al personal en situaciones peligrosas, particularmente cuando están implícitas, fluidos inflamables o corrosivos. Para tales aplicaciones, las lecturas absolutas de gran precisión con frecuencia son tan importantes como lo es la seguridad extrema.
Fig. 2.11 Sensor de presión.
Fuente: http://pdb.turck.de/media/_es/Anlagen/d101479.pdf
2.11.1 Características de un sensor de presión.
Entre las características técnicas de un sensor destacan las siguientes:
· Rango de medida: dominio en la magnitud medida en el que puede aplicarse el
sensor.
· Precisión: es el error de medida máximo esperado.
· Offset o desviación de cero: valor de la variable de salida cuando la variable de
entrada es nula. Si el rango de medida no llega a valores nulos de la variable de entrada, habitualmente se establece otro punto de referencia para definir el offset.
· Linealidad o correlación lineal.
· Sensibilidad de un sensor: relación entre la variación de la magnitud de salida y
la variación de la magnitud de entrada.
· Resolución: mínima variación de la magnitud de entrada que puede apreciarse a
la salida.
· Rapidez de respuesta: puede ser un tiempo fijo o depender de cuánto varíe la
magnitud a medir. Depende de la capacidad del sistema para seguir las variaciones de la magnitud de entrada.
· Derivas: son otras magnitudes, aparte de la medida como magnitud de entrada,
que influyen en la variable de salida. Por ejemplo, pueden ser condiciones ambientales, como la humedad, la temperatura u otras como el envejecimiento (oxidación, desgaste, etc.) del sensor.
· Repetitividad: error esperado al repetir varias veces la misma medida.
2.12 Caudalímetro.
Un caudalímetro es un instrumento colocado en un conducto que mide el caudal del material transportado.
También existen caudalímetros que solo miden la cantidad de materia que circula, llamados caudalímetros volumétricos o contadores.
2.12.1 Caudalímetros a turbina.
petroleras. Las turbinas de gases, son muy útiles y económicas para totalizar volúmenes
de aire, oxígeno, gas natural…
El giro del rotor, provocado por el pasaje del fluido, corta las líneas de fuerza de un
campo magnético, que al variar su intensidad, induce una tensión eléctrica de forma
sinusoidal en la bobina del sensor, que son recibidas como pulsos, en la unidad
electrónica. La cantidad de pulsos por unidad de tiempo, (llamada frecuencia) aumenta
cuando aumenta el caudal 10.
Fig. 2.12.1 Caudalímetros a turbina.
Fuente:
http://www.gii.upv.es/personal/gbenet/IIN/treballs%20cursos%20anteriors/treballs%200506/pere-caudalimetros/Pere%20caudalimetros.pdf
10 http://www.gii.upv.es/personal/gbenet/IIN/treballs%20cursos%20anteriors/treballs%200506/pere-
2.13 P.L.C. (Programmable Logic Controller) Controlador Lógico Programable.
Las siglas PLC significa Programmable Logic Controller, que como su propio nombre indica es un controlador lógico programable. Los componentes de un PLC básico son los siguientes: Rack principal; fuente de alimentación CPU; tarjetas entradas/salidas digitales; tarjetas entradas/salidas analógicas; tarjetas especiales.
2.13.1 Rack principal.
Este elemento es sobre el que se "enchufan" o conectan el resto de los elementos. Va atornillado a la placa de montaje del armario de control. Puede alojar a un número finito de elementos dependiendo del fabricante y conectarse a otros racks similares mediante un cable al efecto, llamándose en este caso rack de expansión.
2.13.2 Fuente de alimentación.
Es la encargada de suministrar la tensión y corriente necesarias tanto a la CPU como a las tarjetas (según fabricante). La tensión de entrada es normalmente de 110/220VAC de entrada y 24 DCV de salida que es con la que se alimenta a la CPU.
2.13.3 CPU.
Es el cerebro del PLC. Consta de uno o varios microprocesadores (según fabricante) que se programan mediante un software propio. La mayoría de ellos ofrecen varias formas de programación (lenguaje contactos, lenguaje mnemónico o instrucciones, lenguaje de funciones, grafcet… Trabajan según la lógica de 0 y 1, esto es, dos estados
para un mismo bit.
Hoy en día la potencia de cálculo de estos PLCs es grandísima, sobre todo si se trabaja con números reales o coma flotante, dando unas resoluciones más que deseables.
Trabajando con programas digitales puede alcanzarse un ciclo de scan de 10 ms. Con analógicas y un programa normal puede llegarse a los 40 ms, mucho más rápido que cualquier sistema de lectura analógico o válvula de control. El programa alojado en la CPU va escrito en un lenguaje propio de la misma, se ejecuta en una secuencia programable y tiene un principio y un final. El tiempo que transcurre entre los dos se llama ciclo de scan y hay un temporizador interno que vigila que este programa se ejecute de principio a fin, llamado "perro guardián" o "watchdog". Si este temporizador finaliza y el programa no ha ejecutado la instrucción END, el PLC pasará a estado de STOP.
2.13.4 Tarjetas entradas/salidas digitales.
Se enchufan o conectan al rack y comunican con la CPU a través de la citada conexión. En el caso de las entradas digitales transmiten los estados 0 o 1 del proceso (presostatos, finales carrera, detectores, conmutadores…) a la CPU. En el caso de las salidas, la CPU
determina el estado de las mismas tras la ejecución del programa y las activa o desactiva en consecuencia. Normalmente se utilizan tarjetas de entradas de 24 DCV y salidas de 24 DCV, aunque también las hay de 110 y 220 VAC, depende de las preferencias y normativas locales. Las hay de 8, 16 y 32 entradas o salidas o mezclas de ambas.
2.13.5 Tarjetas entradas/salidas analógicas.
analógicas, llamándose a cada una de ellas canal y empezando por el 0, esto es, una tarjeta de 4 canales analógicos comenzaría por el 0 y terminaría en el 3. Los rangos de entrada están normalizados siendo lo más frecuente el rango de 4-20 mA (miliamperios) y 0-10 DCV, aunque también existen de 0-20 mA, 1-5V, 0-5V, etc. Lo más importante a la hora de elegir una tarjeta analógica es que esta disponga de separación galvánica para cada canal, es decir, que los canales sean totalmente independientes electrónicamente unos de otros dentro de la propia tarjeta para que no se afecten mutuamente por efecto de una mala tierra o derivación a la misma de uno de ellos.
2.13.6 Tarjetas especiales.
Se enchufan o conectan al rack y comunican con la CPU a través de la citada conexión. Se utilizan normalmente para control o monitorización de variables o movimientos críticos en el tiempo, ya que usualmente realizan esta labor independientemente de la CPU. Son algunas muestras las siguientes: Tarjetas de contaje rápido, tarjetas de posicionamiento de motores, tarjetas de regulación...
Fig. 2.130.1 PLC compacto mitsubishi – MELSEC FX1S.
2.14 Sistemas SCADA.
SCADA viene de las siglas de "Supervisory Control And Data Acquisition", es decir: adquisición de datos y control de supervisión. Se trata de una aplicación software especialmente diseñada para funcionar sobre ordenadores en el control de producción,
proporcionando comunicación con los dispositivos de campo (controladores
autónomos, autómatas programables...) y controlando el proceso de forma automática
desde la pantalla del ordenador 11. Además, provee de toda la información que se
genera en el proceso productivo a diversos usuarios, tanto del mismo nivel como de otros supervisores dentro de la empresa: control de calidad, supervisión,
mantenimiento…
En este tipo de sistemas usualmente existe un ordenador, que efectúa tareas de supervisión y gestión de alarmas, así como tratamiento de datos y control de procesos, la comunicación se realiza mediante buses especiales o redes LAN. Todo esto se ejecuta normalmente en tiempo real, y están diseñados para dar al operador de planta la posibilidad de supervisar y controlar dichos procesos.
Los programas necesarios, y en su caso el hardware adicional que se necesite, se denomina en general sistema SCADA.
2.14.1 Prestaciones.
Un paquete SCADA debe estar en disposición de ofrecer las siguientes prestaciones:
· Posibilidad de crear paneles de alarma, que exigen la presencia del operador para reconocer una parada o situación de alarma, con registro de incidencias. · Generación de históricos de señal de planta, que pueden ser volcados para su
proceso sobre una hoja de cálculo.
· Ejecución de programas, que modifican la ley de control, o incluso anular o modificar las tareas asociadas al autómata, bajo ciertas condiciones.
· Posibilidad de programación numérica, que permite realizar cálculos aritméticos de elevada resolución sobre la CPU del ordenador.
Con ellas, se pueden desarrollar aplicaciones para ordenadores (tipo PC, por ejemplo), con captura de datos, análisis de señales, presentaciones en pantalla, envío de resultados a disco.
2.14.2 Requisitos.
Un SCADA debe cumplir varios objetivos para que su instalación sea perfectamente aprovechada:
· Deben ser sistemas de arquitectura abierta, escalables o flexibles según las necesidades cambiantes de la empresa.
· Deben comunicarse con total facilidad y de forma transparente al usuario con el equipo de planta y con el resto de la empresa (redes locales y de gestión).
· Deben ser programas sencillos de instalar, sin excesivas exigencias de hardware, y fáciles de utilizar, con interfaces amigables con el usuario.
2.14.3 Módulos de un SCADA.
Los módulos o bloques software que permiten las actividades de adquisición, supervisión y control son los siguientes:
· Configuración: permite al usuario definir el entorno de trabajo de su SCADA,
adaptándolo a la aplicación particular que se desea desarrollar.
· Interfaz gráfico del operador: proporciona al operador las funciones de control y supervisión de la planta. El proceso se representa mediante sinópticos gráficos almacenados en el ordenador de proceso y generados desde el editor incorporado en el SCADA o importados desde otra aplicación durante la configuración del paquete.
· Gestión y archivo de datos: se encarga del almacenamiento y procesado ordenado de los datos, de forma que otra aplicación o dispositivo pueda tener acceso a ellos.
CAPITULO III.
DISEÑO DEL BANCO DE PRUEBAS PARA LA DETERMINACION DE EFICIENCIA EN BOMBAS CENTRIFUGAS UTILIZANDO UN SISTEMA
SCADA.
3.1 Introducción.
El banco de pruebas para la determinación de eficiencia en bombas centrífugas utilizando un sistema SCADA, es un equipo que entrega por medio del monitor del PC la gráfica de la eficiencia, la cual es el resultado de señales análogas entregadas por el caudalímetro y sensores de presión instalados en la descarga de las bombas; que en conjunto con valores ingresados mediante el teclado son procesados por el PLC para así obtener resultados numéricos y gráficos de la eficiencia, adicionalmente entrega un historial gráfico del comportamiento del caudal, frecuencia, presión. En el mercado existen diferentes tipos de bancos de prueba de eficiencia para bombas centrífugas; de los cuales fueron tomados como referencia para el diseño y construcción de este banco de pruebas utilizando un sistema scada; como ejecutores de este proyecto optamos por los siguientes criterios:
3.2 Diagrama de flujo.
Mediante el siguiente flujograma Fig. 3.2 analizamos el orden y funcionamiento del sistema, para su posterior construcción.
Fig. 3.2 Diagrama de flujo del sistema.
Fuente: Juan M. Bravo, Carlos Jaramillo.
3.2.1 Circuito Hidraúlico.
Conformado del conjunto de elementos y equipos como el medidor de flujo y sensor de presión, los cuales nos darán los valores de caudal y presión respectivamente; señales bases para la realización de la curva de eficiencia a graficar utilizando el interfaz apropiado.
La bomba será la encargada de la recirculación del fluido (agua), durante el tiempo que dure la práctica, esta bomba centrífuga nos proveerá del caudal y presión con las cuales vamos a trabajar y su funcionamiento depende directamente del circuito de control.
3.2.2 Circuito eléctrico de control.
En este circuito se receptaran todas las señales analógicas provenientes de los sensores o equipos de medición, estas señales serán leídas y ejecutadas por medio del PLC, así como también procesara los datos provenientes del PC.
Circuito de Control
SCADA PC
3.2.3 Sistema SCADA - PC
El SCADA se trata de una aplicación software especialmente diseñada para funcionar sobre el PC en el control, proporcionando comunicación con los dispositivos de campo (controladores autónomos, autómatas programables...), es considerado en nuestro proyecto en conjunto con el PC como la base de datos y graficador de la curva característica; así también emite señales para ser ejecutadas por el circuito de control.
3.3 Parámetros de diseño y selección.
3.3.1 Diseño del circuito hidraúlico.
3.3.1.1 Análisis de las ventajas y desventajas de los diferentes bancos de prueba.
Realizamos el análisis de las ventajas y desventajas de los siguientes bancos de prueba, ya que sacando un promedio de las características más relevantes, obtendremos datos con los cuales se procederá a la construcción:
3.3.1.1.1 Banco de pruebas para bombas hidráulicas HL 962.
Ventajas:
· Con el banco de pruebas HL 962 se puede proporcionar a los futuros técnicos de
mantenimiento, la formación práctica necesaria relacionada con la sustitución de bombas.
· En un display digital situado en el armario de distribución se muestra el número
de revoluciones, regulable mediante un potenciómetro, y la potencia del motor.
· Aprender diversos métodos de alineación del motor y la bomba.
· Este banco de pruebas junto con una bomba y con el sistema de alimentación de
Desventajas:
· La complicación operativa al momento de realizar las prácticas entre los
diferentes tipos de bombas (admite una bomba por prueba).
· No consta con un sistema de interfase que permita realizar el control del circuito
mediante un PC.
· Las válvulas de paso son manuales.
· La dificultad de adquisición de los materiales y equipos acoplables para este
banco.
Fig. 3.3.1.1.1 Banco de pruebas HL962.
Fuente:http://www.gunt.de/networks/gunt/sites/s1/mmcontent/produktbilder/06596200/Datenblatt/06596 200%204.pdf
3.3.1.1.2 Banco de pruebas C3 MKII de Armfield versión 1.
Ventajas:
· El equipo puede utilizarse con bombas rotodinámicas y de desplazamiento
positivo, y se suministra con el tipo más común de cada categoría (es decir, una bomba centrífuga y una bomba de engranajes).
· El equipo admite un máximo de cuatro bombas para su uso simultáneo en
· Determinación del efecto de pérdidas de aspiración en una bomba centrífuga. · Se utiliza un panel de control PLC para la visualización libre de
ambigüedades de la combinación correcta de aspiración, carga, caudal, velocidad y par de la bomba correspondientes a la prueba de bomba seleccionada.
· Sistema opcional de medición volumétrica de caudal para bombas
recíprocas.
· Software didáctico y de registro de datos como opción.
Desventajas:
· Para cambiar una bomba instalada por una de las otras opciones requiere
realizar cambios en las tuberías (acoplamientos rápidos), rellenar el depósito de agua (para reponer el agua perdida) y reprogramar algunos ajustes de inversor.
· Al utilizar diferentes tipos de bombas con cuerpo de bronce y en su parte
interna impulsores de bronce para obtener las menores perdidas posibles, este banco va a tener un elevado costo de implementación.
Fig. 3.3.1.1.2 Banco de pruebas c3mk2.
3.3.1.1.3 Banco de pruebas de bombas centrifugas con el equipo PCOB.
Ventajas:
· Un motor para cada bomba, con funcionamiento independiente.
· Sensores de presión de aspiración y de presión de impulsión para cada bomba (8
sensores).
· Software de control para la lectura directa de velocidad (r.p.m.) y par (Nm). · Variación de la velocidad mediante un convertidor de frecuencia, control desde
computador.
· Depósito volumétrico calibrado.
· Los elementos de control del equipo están permanentemente controlados desde
el computador, sin necesidad de cambios o conexiones durante todo el proceso de ensayo.
Desventajas:
· Este tipo de equipos no permiten mayores modificaciones (software, o
materiales, accesorios) ya que para poder realizarlo, hay que contactarse con el proveedor.
· Hay partes que por derecho de propiedad intelectual, el usuario no tiene acceso
de conocimiento en lo que se refiere a la construcción de este banco.
· Equipo de alto costo económico.
· Así también lo son sus repuestos y accesorios lo que conlleva a que el
mantenimiento sea económicamente significativo.
Fig. 3.3.1.1.3 Banco de pruebas PCOB.
Fuente:http://www.gunt.de/networks/gunt/sites/s1/mmcontent/produktbilder/06596200/Datenblatt/06596 200%204.pdf
3.3.1.1.4 Banco de pruebas modular para bombas y compresores, sistema modular HM 299.
Ventajas:
· Cada máquina está montada sobre una placa de base que se puede colocar
fácilmente en el banco de pruebas.
· El banco de pruebas en sí incluye el motor eléctrico con regulación del número
de revoluciones.
· Se miden y se visualizan digitalmente la presión de aspiración e impulsión así
como el régimen de revoluciones y la potencia del motor.
Desventajas:
· Costos del equipo y accesorios.
· Medición indirecta del caudal a través de nivel de llenado (agua) o de tobera
· La mayor parte de sus componentes o accesorios son únicos del fabricante y
dificultan la adquisición de repuestos.
· Este equipo no consta con variador de velocidad y por lo tanto el tipo de
variación es por medio del motor, el cual no otorga un amplio rango de valores para cambio de las revoluciones por minuto; y así nos quedaríamos limitados en nuestras pruebas de laboratorio.
Fig. 3.3.1.1.4 Banco de pruebas HM299.
Fuente: http://www.gunt.de/static/s3490_3.php#
3.3.1.1.5 Banco de pruebas para la determinación de eficiencia en bombas centrífugas (UTE-JB-D-001).
Ventajas:
· Visualización de la operación del equipo mediante el PC utilizando el sistema
scada como interfase.
· Equipo netamente enfocado al realce de la parte didáctica con lo que respecta al
· Sistema automatizado con el cual se operará mediante panel de control, sin
necesidad de manipulación de llaves de paso y otros accesorios.
· Variador de velocidad incorporado, que permiten operaciones lentas para fines
de ajuste o prueba.
· Acceso a reparación en caso de averías por la gran gama de elementos
reemplazables.
· Este banco de pruebas consta de varios tipos de sensores que permiten una
exacta medición y comprensión de los fenómenos ocurridos dentro de la operación.
Fig. 3.3.1.1.5 Banco de pruebas UTE-JB-D-001.
Fuente: Carlos Jaramillo, Juan Bravo.
Desventajas:
· El ingreso de los valores de voltaje e intensidad por medio del teclado; tomados
mediante lectura visual en el variador de frecuencia.
· La variación del caudalímetro en lo que respecta al valor de caudal.
· La versión del SCADA con la que se trabaja tiene sus limitaciones, ya que esta
3.3.1.2 Ponderación de los diferentes bancos de pruebas.
Los parámetros están dados por las características técnicas más relevantes, así también las puntuaciones. Se analizó y comparó cada una de las propiedades de los bancos y se creó una escala de puntuación adaptada a nuestras necesidades, así de esta manera tener una apreciación mas clara del banco a construir.
Descripción Fácil Diseño Calidad Fácil
Amplia
gama PROMEDIO
Tipo Montaje Económico Didáctica Operación de repuesta
Banco HL 962 7 6 8 7 7 7
c3 mkII 6 8 7 7 8 7,2
HM 299 6 6 8 7 8 7
PCOB. 6 6 9 7 9 7,4
UTE-JB-D-001 8 7 9 7 9 8
Fuente: Carlos Jaramillo, Juan Bravo.
Rango de puntuación: 0 – 10 pts.
3.3.1.3 Determinación del caudal de trabajo.
En el siguiente cuadro podemos observar los diferentes valores de caudal de operación que poseen los bancos de pruebas analizados anteriormente; y con el cual encontraremos nuestro caudal de operación, realizando la suma de estos caudales de trabajo y obteniendo un valor promedio para nuestro banco:
RT396 31 lt/min
PBOC 28 lt/min
HL 962 34 lt/min
HM 299 27 lt/min
UTE-JB-D-001 30 lt/min PROMEDIO
Fuente:(http://www.gunt.de/networks/gunt/sites/s1/mmcontent/produktbilder/06596200/Datenblatt/0659 6200%204.pdf),(www.discoverarmfield.co.uk/data/c3/images/c3mk2.gif),