RENOVACIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS DE BOMBAS EN SERIE Y PARALELO
ESTEBAN LEONARDO GARZON MANRIQUE JUAN CARLOS ESPEJO RAMIREZ
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA
TECNOLOGÍA MECÁNICA BOGOTÁ, COLOMBIA
2020
RENOVACIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS DE BOMBAS EN SERIE Y PARALELO DEL LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS DE LA
FACULTAD TECNOLÓGICA DE LA UNIVERSIDAD DISTRITAL
ESTEBAN LEONARDO GARZON MANRIQUE JUAN CARLOS ESPEJO RAMIREZ
Trabajo de Grado para optar por el título de Tecnólogo en Mecánica
DOCENTE DIRECTOR
YISSELLE INDIRA ACUÑA HEREIRA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA
TECNOLOGÍA MECÁNICA BOGOTÁ, COLOMBIA
2020
Nota de aceptación:
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Firma del jurado:
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DEDICATORIA
Esteban Leonardo Garzón
Dedico este proyecto a todas las personas que ayudaron en mi formación académica y personal, especialmente a mi conyugue Sharon Xiomara por su apoyo incondicional y por sus aportes en temas eléctricos, a mi familia y mis compañeros por aportar conocimientos y ayudas durante mi formación profesional, a los profesores de la Universidad Distrital por ser mis orientadores y a mi compañero juan Carlos por brindarme desinteresadamente sus conocimientos y colaboración no solo durante el desarrollo de este proyecto sino también durante mi carrera.
Juan Carlos Espejo
Dedicó este proyecto en primer lugar a Dios quien hizo posible la realización de este, así mismo a mi familia en especial a mis padres Ana Beatriz Ramírez y Juan Eliecer Espejo por el apoyo emocional y económico brindado en todo momento, de igual modo dedicó este proyecto a mi pareja Ana Carolina González y a su familia, ya que fueron de gran ayuda en los momentos más difíciles, así como a mi compañero Esteban Leonardo Garzón que a pesar de las circunstancias vividas por la pandemia demostró su tenacidad, interés, esfuerzo y conocimiento por llevar a buen fin el proyecto. Finalmente, a todos y cada uno de los profesores que me guiaron y enseñaron a lo largo de mi carrera tecnológica.
AGRADECIMIENTOS
Queremos agradecer a nuestras familias y amigos, a los docentes que nos ayudaron a culminar este ciclo académico, especialmente a nuestra tutora Yisselle Indira Acuña, porque gracias a sus los aportes y seguimiento fue posible culminar este proyecto, a nuestra compañera Sharon Xiomara por sus aportes eléctricos y en general a la Universidad Distrital por darnos la oportunidad de adquirir los conocimientos para obtener el título de tecnólogo en mecánica.
TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN ... 13
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... 14
3. JUSTIFICACIÓN ... 16
4. ANTECEDENTES ... 17
4.1 Calculo e Implementación de un Banco de Pruebas Didáctico, para Bombas Centrífugas en Serie y Paralelo, para el Laboratorio de Mecánica de Fluidos de la Universidad Distrital ... 17
4.2 Puesta a Punto y Acondicionamiento del Banco de Pruebas Centrifugas en Serie Y Paralelo. ... 17
4.3 Distribuidor de Banco de Pruebas En Serie Y Paralelo ... 18
5. OBJETIVOS ... 19
5.1. Objetivo general ... 19
5.2. Objetivos específicos ... 19
6. MARCO TEÓRICO ... 20
6.1. Bombas hidráulicas ... 20
6.1.1 Bombas centrifugas. ... 20
6.1.1.1. Tipos de bombas centrifugas. ... 21
6.1.1.2. Tipos de rodete ... 22
6.1.1.3. Curvas características de las bombas centrifugas. ... 23
6.1.1.4. Curva altura manométrica-caudal, Curva H-Q... 24
6.2 NPSH (Net Positive Suction Head) o Cabeza Positive Neta de Succión ... 26
6.3. Sistema de Bombeo ... 27
6.3.1. Punto de operación de un sistema de bombeo. ... 27
6.4. Acoplamiento de bombas centrifugas ... 28
6.4.1. Bombas Centrifugas Conectadas En Serie ... 28
6.4.2. Bombas Centrifugas Conectadas En Paralelo. ... 29
6.5. Circuito eléctrico ... 30
6.5.1 Circuito de arranque directo de un motor monofásico ... 30
6.5.1.1 circuito de fuerza o de potencia ... 30
6.5.1.2 circuito de mando ... 31
7. METODOLOGÍA ... 33
7.1. Documentación y búsqueda de información ... 33
7.2. Diagnostico ... 33
7.3. Mantenimiento e identificación de modificaciones a realizar ... 33
7.4. Fabricación ... 33
7.5. Pruebas ... 33
7.6. Elaboración de documentos ... 34
8. DIAGNÓSTICO ... 35
8.1. Diagnostico individual ... 36
8.1.1 Bombas 1, 2 y 3:... 36
8.1.4 Caudalímetro: ... 37
8.1.5 Válvula general de globo metálica:... 38
8.1.6. Válvulas de globo plásticas: ... 38
8.1.7. Válvulas de globo (accionamiento de palanca) metálicas: ... 38
8.1.8 Tanque de almacenamiento: ... 39
8.1.9. Estructura principal: ... 39
8.1.10. Accesorios de conexión hidráulica: ... 39
8.1.11. Manómetro 1: ... 39
8.1.12. Manómetro 2: ... 40
8.1.13. Manómetro 3 y 4: ... 40
8.1.14. Contactor relé 110v: ... 40
9. DESCRIPCIÒN DEL BANCO DE LABORATORIO ... 41
9.1. Descripción del banco ... 41
9.2 Configuración de conexión ... 41
9.3. Selección de bombas ... 42
9.3.1. Bombas periféricas 1 y 2 ... 42
9.3.2 Bomba periférica 3 ... 43
9.4. Caudalímetros ... 43
9.4.1 Caudalímetros verticales 1 y 2 ... 43
9.4.2 Caudalímetro 3 ... 43
9.5 Manómetros ... 44
9.5.1 Manómetro 1 ... 44
9.5.2 Manómetro 2 ... 44
9.5.3. Manómetro de Descarga del Sistema ... 44
9.6 Mano vacuómetros ... 44
9.6.1 Mano vacuómetros 1 y 2 ... 45
9.6.2 Mano vacuómetro 3 ... 45
9.7 Tuberías ... 45
9.7.1 Tubería de las Bombas 1 y 2 ... 45
9.7.2. Tubería de la Bomba 3 ... 46
9.7.3 Tubería de Descarga ... 46
9.8. Tanque ... 46
9.9. Mesa base... 47
9.9.1. Material ... 47
9.10. Válvulas ... 48
9.11. Sistema eléctrico ... 48
9.11.1. Breaker de bombas 1 y 2 ... 48
9.11.2. Breaker de bomba 3 ... 48
9.11.3. Contactores ... 48
9.11.4. Relé térmico de bombas 1 y 2 ... 49
9.11.5. Relé térmico de bomba 3 ... 49
9.11.6. Interruptores de las bombas ... 49
9.11.7. Interruptor de emergencia ... 49
9.11.8 Interruptor general de llave ... 49
9.11.9 Amperímetros ... 50
9.11.10 Cableado ... 50
10. DISEÑO DEL SISTEMA ELECTRICO ... 51
11. FABRICACIÓN ... 55
11.1 Etapa 1 estructura general ... 55
11.2 Etapa 2 montaje hidráulico ... 62
11.3 Etapa 3 montaje eléctrico ... 68
12. PRUEBAS ... 73
12.1 Pruebas finales ... 77
12.1.1 Curvas características de la Bomba 1. ... 78
12.1.2 Curvas características de la Bomba 2. ... 81
12.1.3 Curvas características de la Bomba 3. ... 84
12.1.4 Configuración de conexión... 87
12.1.4.1 Configuración #1: Curvas características de las Bombas 1,2 y 3 en paralelo. ... 87
12.1.4.2 Configuración #2: Curvas características de las Bombas 1 y 2 en paralelo. ... 90
12.1.4.3 Configuración #3: Curvas características de las Bombas 1 y 3 en paralelo. ... 92
12.1.4.4 Configuración #4: Curvas características de las Bombas 2 y 3 en paralelo. ... 94
12.1.4.5 Configuración #5: Curvas características de las Bombas 1,2 y 3 en serie. ... 96
12.1.4.6 Configuración #6: Curvas características de las Bombas 2 y 3 en serie. ... 98
12.1.4.7 Configuración #7: Curvas características de las Bombas 1 y 2 en serie. ... 100
12.1.4.8 Configuración #8: Curvas características de las Bombas 1 y 3 en serie. ... 102
13. CONCLUSIONES ... 105
14. RECOMENDACIONES... 107
15. BIBLIOGRAFÍA ... 108
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1: Elementos principales de una bomba centrifuga. ... 22
Figura 2: Tipo de bombas centrifugas. ... 23
Figura 3: tipos de rodetes. ... 24
Figura 4: Curva característica de una bomba centrifuga según su velocidad de rotación. ... 24
Figura 5: Curvas características de una bomba centrifuga Barnes. ... 25
Figura 6: Detalles de la línea de succión de la bomba y definición de términos para el cálculo de la NPSH ... 28
Figura 7: Punto de operación de un sistema de bombeo………29
Figura 8: Bombas centrifugas conectadas en serie……….. .. 30
Figura 9: Bombas centrifugas conectadas en paralelo. ... 31
Figura 10: esquema de un circuito de mando de un motor monofásico. ... 32
Figura 11: esquema de un circuito de mando de un motor monofásico. ... 33
Figura 12: desmonte de banco existente. ... 36
Figura 13: bomba del banco existente #1. ... 37
Figura 14: bomba del banco existente #2. ... 38
Figura 15: bomba del banco existente #3. ... 38
Figura 16: caudalímetro del banco existente #1. ... 39
Figura 17: válvula de globo del banco existente #1. ... 40
Figura 18: diagrama esquemático de conexiones. ... 43
Figura 19: corte de estructura. ... 53
Figura 20: proceso de soldadura. ... 54
Figura 21: espaldar de estructura. ... 54
Figura 22: fabricación de mesa base. ... 55
Figura 23: afinación final de la estructura. ... 56
Figura 24: aplicación de base anticorrosiva a la estructura. ... 57
Figura 25: Lamina auxiliar para sujetar componentes eléctricos. ... 58
Figura 26: aplicación de pintura a la estructura. ... 58
Figura 27: estructura pintada en su totalidad. ... 59
Figura 28: medición y corte de tubos. ... 61
Figura 29: válvula de pie. ... 61
Figura 30: caudalímetro y manómetro bomba 2. ... 62
Figura 31: banco de prueba sin elementos de medición. ... 62
Figura 32: proceso de soldado de tubos. ... 63
Figura 33: tapón de cebado bomba 3. ... 64
Figura 34: banco de prueba sin instalación eléctrica. ... 65
Figura 35: simulación circuito de bomba 1, ... 67
Figura 36: Circuito eléctrico del banco de prueba de bombas centrifugas conectadas en serie y paralelo de la universidad distrital facultad tecnológica. ... 68
Figura 37: Caja de control eléctrico, banco de prueba serie paralelo. ... 70
Figura 38: Conexión de interruptores de emergencia y general de llave. ... 71
Figura 39: Orificios para el acople de amperímetro e interruptor. ... 71
Figura 40: 1 banco de prueba de bombas centrifugas conectadas en serie y paralelo, universidad distrital facultad tecnológica. ... 72
Figura 41: conexión de la salida de bomba 3 hacia bomba 2. ... 74
Figura 42: diagrama esquemático de conexiones final. ... 74
Figura 43: banco de prueba de bombas centrifugas conectadas en serie y paralelo, universidad distrital facultad tecnológica. ... 75
Figura 44: Elementos del banco de prueba de bombas centrifugas conectadas en serie y paralelo, universidad distrital facultad tecnológica... 76
Figura 45: bomba 1, esquema final. ... 78
Figura 46: curva experimental H vs Q, bomba 1. ... 79
Figura 47: curva experimental Pot vs Q, bomba 1. ... 80
Figura 48: curva experimental Eficiencia vs Q, bomba 1. ... 80
Figura 49: bomba 2, esquema final. ... 81
Figura 50: curva experimental H vs Q, bomba 2. ... 82
Figura 51: curva experimental Pot vs Q, bomba 2. ... 83
Figura 52: curva experimental Eficiencia vs Q, bomba 2. ... 83
Figura 53: bomba 3, esquema final. ... 84
Figura 54: curva experimental H vs Q, bomba 3. ... 86
Figura 55: curva experimental Pot vs Q, bomba 3. ... 86
Figura 56: curva experimental Eficiencia vs Q, bomba 3. ... 87
Figura 57: bombas 1,2 y 3 conectadas en paralelo, esquema final. ... 88
Figura 58: curva experimental H vs Q, paralelo 1,2 y 3. ... 89
Figura 59: bombas 1 y 2 conectadas en paralelo, esquema final. ... 90
Figura 60: curva experimental H vs Q, paralelo 1 y 2. ... 91
Figura 61: bombas 1 y 3 conectadas en paralelo, esquema final. ... 92
Figura 62: curva experimental H vs Q, paralelo 1 y 3. ... 93
Figura 63: bombas 2 y 3 conectadas en paralelo, esquema final. ... 94
Figura 64: curva experimental H vs Q, paralelo 2 y 3. ... 95
Figura 65: bombas 1,2 y 3 conectadas en serie, esquema final. ... 96
Tabla 66: tabla H vs Q basada en la tabla 45, serie 1,2 y 3. ... 98
Figura 67: bombas 2 y 3 conectadas en serie, esquema final. ... 98
Figura 68: curva experimental H vs Q, serie 2 y 3. ... .100
Figura 69: bombas 1 y 2 conectadas en serie, esquema final. ... 100
Figura 70: curva experimental H vs Q, serie 1 y 2. ... 102
Figura 71: bombas 1 y 3 conectadas en serie, esquema final. ... 102
Figura 72: curva experimental H vs Q, serie 1 y 3………104
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Elementos eléctricos utilizados. ... 54
Tabla 2: tabla de los elementos del banco. ... 77
Tabla 3: tabla experimental bomba 1. ... 78
Tabla 4: tabla basada en la tabla 3, bomba 1………. ... 79
Tabla 5: tabla experimental bomba 2. ... 81
Tabla 6: tabla basada en la tabla 5, bomba 2 ... 82
Tabla 7: tabla experimental bomba 3. ... 84
Tabla 8: tabla basada en la tabla 7, bomba 3. ... 85
Tabla 9: tabla experimental paralelo bombas 1,2 y 3……….. 88
Tabla 10: tabla H vs Q basada en la tabla 29, paralelo 1,2 y 3. ... 89
Tabla 11: tabla experimental paralelo bombas 1 y 2. ... 90
Tabla 12: tabla H vs Q basada en la tabla 11, paralelo 1 y 2 ... 91
Tabla 13: tabla experimental paralelo bombas 1 y 3. ... 92
Tabla 14: tabla H vs Q basada en la tabla 13, paralelo 1 y 3. ... 93
Tabla 15: tabla experimental paralelo bombas 2 y 3. ... 93
Tabla 16: tabla H vs Q basada en la tabla 15, paralelo 2 y 3. ... 94
Tabla 17: tabla experimental serie bombas 1,2 y 3. ... 96
Tabla 18: tabla H vs Q basada en la tabla 17, serie 1,2 y 3 ... 96
Tabla 19: tabla experimental serie bombas 2 y 3. ... 99
Tabla 20: tabla H vs Q basada en la tabla 19, serie 2 y 3 ... 100
Tabla 21: tabla experimental serie bombas 1 y 2. ... 101
Tabla 22: tabla H vs Q basada en la tabla 21, serie 1 y 2……….101
Tabla 23: tabla experimental serie bombas 1 y 3………..103
Tabla 24: tabla H vs Q basada en la tabla 23, serie 1 y 3. ... 103
1. INTRODUCCIÓN
La finalidad de este proyecto es la renovación del Banco de Prueba para Bombas Centrifugas en Serie y Paralelo para el Laboratorio de la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, ya que no se contaba con un banco en condiciones óptimas en el cual se pudieran realizar estas pruebas. El objetivo es hacer una renovación al banco existente en la facultad, pero luego de un diagnostico a dicho banco en el cual se evidencio que los componentes presentaban un gran deterioro por el tiempo que llevaban sin uso, se llegó a la conclusión de que lo mejor era construir un banco nuevo completamente diferente, para ello se utilizó el proyecto “Diseño de un banco de bombas centrifugas para funcionamiento en serie y paralelo”(Romero y Amado,2019).
El interés de este banco es poder evidenciar el comportamiento particular de las bombas conectadas en serie y paralelo, ya que varía dependiendo del tipo de conexión. También tiene un interés profesional, porque muestra las ventajas y desventajas de cada una de sus conexiones, y de acuerdo con esto se puede llevar a cabo una adecuada selección de qué tipo de conexión usar en un ambiente laboral.
Este banco está construido principalmente por 3 bombas centrifugas periféricas, que están conectadas por una serie de tuberías y válvulas que facilitan las conexione en serie y paralelo. De igual modo cuenta con instrumentos de medida como manómetros, mano vacuómetros, caudalímetros y amperímetros que ayudan con la toma de datos al momento de llevar a cabo las pruebas, también cuenta con un circuito eléctrico de protección para cada una de las bombas. En este banco se pueden llevar a cabo 3 pruebas para caracterizar cada una de las bombas y cuatro pruebas en serie y paralelo respectivamente.
De acuerdo con los datos obtenidos experimentalmente en las practicas se pudo obtener satisfactoriamente las gráficas que caracterizan cada una de las bombas, así como las gráficas de cada una de las diferentes conexiones en serie y paralelo.
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En una formación profesional es esencial el desarrollo teórico y práctico, más concretamente en la tecnología e ingeniería mecánica resulta fundamental tener un componente práctico durante el ciclo de aprendizaje, este se logra a través de pruebas y laboratorios.
En la Universidad Distrital sede Tecnológica, está dispuesto para los estudiantes laboratorios en distintas modalidades, para este caso el laboratorio de fluidos cuenta con varios bancos de prueba, uno de ellos es el de bombas centrífugas conectadas en serie y paralelo, el cual, puede ser utilizado en varias materias y temáticas como, por ejemplo, mecánica de fluidos y máquinas hidráulicas. El banco de prueba de bombas en serie y paralelo tiene el objetivo de estudiar experimentalmente las curvas de funcionamiento de las bombas ubicadas en el banco de pruebas y de algunas combinaciones de estas en serie y paralelo, su importancia radica en que los estudiantes tengan un conocimiento experimental sobre los temas de bombas y conexiones en serie y paralelo.
Pero en la actualidad este banco no se encuentra disponible para la realización de pruebas, debido a daños en sus componentes y falta de mantenimiento. Esto afecta directamente a los estudiantes de los proyectos curriculares de mecánica y construcciones civiles.
Para mantener estos aparatos de pruebas funcionales es pertinente realizar un plan de mantenimiento, partiendo de una puesta a punto, en donde se dé solución a las fallas que tenga este y los elementos que lo componen, por otro lado el espacio que ocupa dicho banco es muy grande y esto afecta la disposición de los demás aparatos de prueba, también genera problemas de seguridad en las rutas de evacuación, por consiguiente es necesario hacer una estructuración más compacta pero que cumpla con la función primordial, presentar las diferentes características de la conexión de bombas en serie y paralelo.
Las bombas de trabajo ligero, de características similares a 0,5 hp, caudal de 35 L/min y altura máx. 28-40, son dispositivos que requieren un mantenimiento preventivo, de igual manera de forma periódica se deben revisar manómetros y sellos en general, esto va registrado en una hoja de chequeo que sirve para mantener el control del sistema. Pero el banco de prueba, nombrado anteriormente, no cuenta o ya no se tiene acceso a esta planeación ni documentación y esto generó que su deterioro llegará a el punto de que no es funcional ni seguro. Tras concretar esta documentación y llegar al punto de funcionalidad será posible que se realicen
pruebas experimentales en este laboratorio y se tenga un control para mantener el sistema en condiciones óptimas y duraderas.
3. JUSTIFICACIÓN
El laboratorio de Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas de la Universidad Distrital sede Tecnológica, cuenta con 9 bancos de prueba para la realización de prácticas estudiantiles. De estos en la actualidad solo 2 tienen funcionamiento debido a varios factores, esta problemática tiene un aspecto negativo hacia el enfoque de aprendizaje de la Facultad, ya que al no tener los suficientes recursos de prácticas los estudiantes se deben limitar a aprender únicamente la teoría de varias de las temáticas plasmadas en el plan de estudio de materias a fines de las ciencias de fluidos y bombas. Este proyecto propone reparar el banco de prueba de bombas centrifugas en serie y paralelo.
Un impacto académico que se evidenciaría al volver a poner a punto este aparato sería el aprendizaje experimental de la temática de bombas conectadas en serie y paralelo, esto enfocado hacia los estudiantes, por otro lado con respecto a los docentes les ayudará a tener otro apoyo académico y un aspecto práctico a evaluar, en cuanto a beneficio personal este proyecto pondría en práctica los conocimientos en la ciencia de los fluidos y las bombas, que se nos han impartido en nuestra formación académica en el ciclo tecnológico de mecánica.
En la actualidad la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital se encuentra el proceso de ampliación, este se basa en la construcción dos nuevos edificios, los cuales van a ser una biblioteca y un laboratorio. Los bancos de prueba de los laboratorios de mecánica deben ser trasladados al nuevo espacio dispuesto para ello, esto genera la necesidad de tenerlos en condiciones óptimas, al renovar el banco de bombas en serie y paralelo se va a tener disponible para el traslado.
4. ANTECEDENTES
4.1 Calculo e Implementación de un Banco de Pruebas Didáctico, para Bombas Centrífugas en Serie y Paralelo, para el Laboratorio de Mecánica de Fluidos de la Universidad Distrital
El primer banco de bombas centrifugas en serie y paralelo de la facultad tecnológica de la universidad distrital Francisco José de Caldas se creó y fue descrito en el documento llamado “Calculo e Implementación de un Banco de Pruebas Didáctico, para Bombas Centrífugas en Serie y Paralelo, para el Laboratorio de Mecánica de Fluidos de la Universidad Distrital” (Cárdenas y Gordillo, 2004), estaba constituido sobre una mesa o plataforma de aproximadamente 70 cm de altura y sus conexiones desde el tanque hacia la bomba eran horizontales, así mismo el tanque estaba ubicado a la altura de la esta y de él salían las conexiones para cada una de las tres bombas centrifugas periféricas de ½ Hp y estas a su vez por medio de una serie de tuberías y válvulas e instrumentos como cuatro manómetros y un caudalímetro de medida formaban el banco. También contaba con una caja eléctrica donde se almacenaban cada uno de los elementos que daban seguridad eléctrica a las bombas.
En este banco se podían obtener las curvas características de cada una de las bombas, así como las curvas de las conexiones en serie y paralelo, y la forma de verificar l caudal entregado por cada bomba era comparándolas con unas curvas teóricas que obtuvieron de cada una de las bombas.
4.2 Puesta a Punto y Acondicionamiento del Banco de Pruebas Centrifugas en Serie Y Paralelo.
Este es un proyecto de grado la Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica que realizaron de los estudiantes Carlos Andrés Aguirre y Luis Alejandro Castelblanco en el año 2007, cuya finalidad es hacerle mantenimiento y puesta a punto de un banco de bombas centrifugas serie y paralelo ya existente desde septiembre del año 2004. Este proyecto consistió en hacerle mantenimiento al banco y cambio de componentes que conforman a este para lograr poner en funcionamiento el banco de manera más optima y que se pudieran obtener las gráficas de cabeza caudal de cada una de las bombas por medio de la práctica, también se elaboró una guía de laboratorio más simple para reducir tiempo al momento de hacer la práctica.
4.3 Distribuidor de Banco de Pruebas En Serie Y Paralelo Descripción General
“El módulo consta de una bomba de características similares a la del Banco Hidráulico (FME00) o del Grupo de Alimentación Hidráulico Básico (FME00/B). El módulo dispone de tres manómetros tipo Bourdon: dos de presión manométrica y uno de presión absoluta. El de presión absoluta se ha colocado en la admisión de la bomba, y los otros se han colocado uno en la impulsión y el otro en el accesorio de descarga suministrado. El accesorio dispone de una válvula reguladora de caudal. Además, para la conexión en paralelo, se dispone de un accesorio con forma” Y” con dos válvulas de bola. Este accesorio está conectado a ambas bombas y al dispositivo de descarga. Incluye un sistema de fácil conexión para el montaje de bombas en serie y en paralelo” (EDIBON, s.f)
Posibilidades Prácticas 1.- Cálculo del caudal de agua.
2.- Obtención de la curva H(Q) de una bomba centrífuga.
3.- Acoplamiento en serie de dos bombas de características iguales.
4.- Acoplamiento en paralelo de dos bombas de características iguales.
Dimensiones y peso
Dimensiones del módulo FME12: 500 x 400 x 400 mm aprox.
Dimensiones del accesorio de descarga: 500 x 400 x 250 mm aprox. Peso: 20 kg aprox.
5. OBJETIVOS 5.1. Objetivo general
Realizar la renovación del banco de pruebas de bombas en serie y paralelo del laboratorio de máquinas hidráulicas de la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital
5.2. Objetivos específicos
● Efectuar un diagnóstico del estado de todos los componentes del banco de prueba.
● Establecer los criterios para tener en cuenta en el proceso de renovación.
● Hacer el mantenimiento o cambio de los elementos del banco, con base en el diagnóstico realizado.
● Evaluar las características de funcionamiento del banco reparado.
● Ajustar la guía de laboratorio y hacer un manual de mantenimiento, de acuerdo con las nuevas condiciones de funcionamiento.
6. MARCO TEÓRICO
Las bombas centrifugas conectadas en serie y en párelo, se usan comúnmente en instalaciones petroleras, plantas de energía, acueductos, entre otras. Según sus particularidades y su funcionamiento. Para su mayor efectividad de estos circuitos se debe hacer un estudio previo para la elección de las bombas, teniendo en cuenta todas las complicaciones que pueden a carrear el sistema de bombas así su margen de error sea el más mínimo.
6.1. Bombas hidráulicas
Una bomba hidráulica es una turbo máquina que se encarga de transformar energía. La bomba absorbe energía mecánica que procede de un motor eléctrico o térmico, la bomba tiene un mecanismo de impulsión el cual va conectado a el mecanismo de transmisión permitiendo que el fluido entrante se retribuye y adquiera energía hidráulica en forma de presión, velocidad o posición. En general este tipo de máquinas son utilizadas para incrementar la presión de un líquido añadiendo energía hidráulica con el fin de mover el fluido de un lugar o zona de menor presión o altitud a una de mayor presión o altitud.
(suministra al fluido el caudal y la presión necesaria para cumplir determinada función).
6.1.1 Bombas centrifugas.
Las bombas centrifugas tienen como objetivo transformar la energía mecánica en energía hidráulica. Estas bombas están compuestas por una carcasa (parte fija) y un rodete o impulsor (parte móvil), que por medio de un eje está conectado a una fuente de potencia. El fluido entra axialmente a través del ojo de la bomba, posteriormente, el rodete obliga al fluido a tomar un movimiento tangencial y crea un flujo radial, haciendo que el fluido salga perpendicular al eje y es recogido por una carcasa.
• Rodete o impulsor: está formado por álabes normalmente curvados hacia atrás, pero también existen álabes curvados hacia adelante que crean un leve cambio en la presión de salida del fluido. Los álabes producen un cambio en el momento cinético del fluido, de tal manera que su velocidad y presión a la salida sea mayores que las de la entrada. (Figura 2)
• Voluta: es la encargada de transportar al fluido desde la salida del
rodete hasta la brida de descarga. Está formada por un canal cuya sección crece gradualmente hasta lograr llegar a la salida de la bomba. Es frecuente la existencia a la salida del rodete, un difusor constituido por álabes fijos y cuya función es la de ayudar a esta transformación de energía cinética en energía de presión, reduciendo las pérdidas por fricción. Figura 1
Figura 1: Elementos principales de una bomba centrifuga.
Fuente: WHITE
6.1.1.1. Tipos de bombas centrifugas.
• Bombas centrifugas de flujo radial: son utilizadas principalmente para cargas altas y caudales pequeño, la entrada del fluido inicia paralelo al eje de impulsor de la bomba y termina en un plano perpendicular.
• Bombas centrifugas de flujo axial: el rodete tiene forma de hélice y es utilizada para grandes caudales y alturas muy bajas.
• Bombas centrifugas diagonales: son utilizadas para un sistema que demanda de un caudal y una altura intermedia, la corriente liquida se verifica radial y axialmente, también llamado de flujo mixto.
Figura 2: Tipo de bombas centrifugas.
Fuente: Ingeniería Mecánica y más.
6.1.1.2. Tipos de rodete
Como se evidencia en la figura 3, los rodetes varían de acuerdo con la aplicación y se clasifican en cuatro tipos de acuerdo con la forma de los alabes:
a) Rodete cerrado o de simple aspiración.
b) Rodete cerrado de doble aspiración.
c) Rodete semiabierto de simple aspiración.
d) Rodete abierto de doble aspiración sin cara anterior ni posterior.
Figura 3: tipos de rodetes.
Fuente: WHITE
6.1.1.3. Curvas características de las bombas centrifugas.
Cada fabricante de bombas crea un conjunto de curvas para facilitar la selección según el diseño del sistema, por esto los fabricantes varían los diámetros de los rodetes y las revoluciones de los motores, ya que, cada bomba tiene unos puntos óptimos de operación. Normalmente el fabricante diseña estas curvas en función del caudal G y la altura.
Figura 4: Curva característica de una bomba centrifuga según su velocidad de rotación.
Fuente: Huelin.
Como se evidencia en la figura 4 la altura H y el caudal G son directamente proporcionales con respecto a la velocidad de rotación n
En la siguiente figura 6, se muestra las curvas características de una bomba centrifuga marca Barnes, relacionando la altura manométrica H (m-ft) y el caudal Q (gol/min – L/min). En esta ilustración se observan cuatro curvas las cuales están diferenciadas por el diámetro del impulsor (pul), las cuales tienen una altura manométrica máxima al igual que el caudal. Se puede observar las líneas en forma de parábolas abiertas hacia arriba que representan la
eficiencia de la bomba en punto de funcionamiento. Al final de estas curvas se evidencia la potencia del motor de la bomba, dados en BHP (Brake horse power).
Figura 5: Curvas características de una bomba centrifuga Barnes.
Fuente: Barnes
Todas estas curvas se dan gracias a la ecuación de Bernoulli (ecuación de conservación de energía), esto lo hace cada fabricante de bombas centrifugas en un banco de pruebas, entendiendo que hay un punto a y b los cuales son los de carga y descarga.
6.1.1.4. Curva altura manométrica-caudal, Curva H-Q.
Para determinar experimentalmente la relación H (Q) correspondiente a unas revoluciones (N) dadas, se ha de colocar un vacuómetro en la aspiración y un manómetro en la impulsión, o bien un manómetro diferencial acoplado a dichos puntos. En la tubería de impulsión, aguas abajo del manómetro, se instala una llave de paso que regula el caudal, que ha de ser aforado. La velocidad de rotación se puede medir con un tacómetro o con un estroboscopio. Con un accionamiento por motor de corriente alterna, dicha velocidad varía muy poco con la carga. (Default, 2007).
𝐻 = 𝑎 − 𝑏𝑄2 (1)
La relación H (Q) tiene forma polinómica con las siguientes formas:
Donde:
𝐻: Carga que desarrolla la bomba [𝑚].
𝑎: Coeficiente del polinomio representativo de la curva H-Q que define el valor de la carga que desarrolla la bomba para caudal cero o válvula cerrada [𝑚].
𝑏:Coeficiente del polinomio representativo de la curva Q-H que está en función de las pérdidas de carga en el interior de la bomba [𝑠2
𝑚5] 𝑄:caudal impulsado por la bomba [𝑚3
𝑠 ] Ecuación de Potencia eléctrica
𝑃𝑒 = 𝐼 ∗ 𝑉 (2) Donde:
𝑃𝑒 =potencia eléctrica (W)
𝐼 = corriente de funcionamiento de la bomba (A) 𝑉 =tensión de funcionamiento (V)
Ecuación de eficiencia
𝜂 = 𝑃𝑢
𝑃𝑎 = 𝛾∗𝐻∗𝑄𝑟
𝑃𝑎 (3) Donde:
𝑃𝑢= Potencia util
𝜂 = 𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎
𝛾 =peso especifico del agua 𝐻 = 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙 (mca)
𝐻 =Δ𝑝 𝛾
Δ𝑝=es la diferencia de las presiones de entrada y salida 𝑄𝑟=Caudal real
𝑃𝑎 =Potencia de accionamiento
6.2 NPSH (Net Positive Suction Head) o Cabeza Positive Neta de Succión El NPSH requerido es diferente para cada bomba, dependiendo del caudal y el número de revoluciones, este se indica en las curvas características de las bombas.
El valor de la NPSH disponible depende de la presión del vapor del fluido que se bombea, las pérdidas de energía en el tubo de succión, la ubicación del almacenamiento de fluido y la presión que se aplica a éste. Esto se expresa como:
𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 = ℎ𝑠𝑝 ± ℎ𝑠 − ℎ𝑓 − ℎ𝑣𝑝 (4) Donde:
𝒉𝒔𝒑: Carga de presión estática (absoluta) sobre el fluido en el almacenamiento, se expresa en metros o pies de líquido.
𝑷𝒔𝒑: Presión estática (absoluta) sobre el fluido en el depósito
𝒉𝒔: Diferencia de elevación desde el nivel del fluido en el depósito a la línea central de la entrada de succión de la bomba; se expresa en metros o en pies
Si la bomba está abajo del depósito, ℎ𝑠es positiva.
Si la bomba está arriba del depósito, ℎ𝑠 es negativa
𝒉𝒇: Pérdida de carga en la tubería de succión, debido a la fricción y pérdidas f menores; se expresa en metros o en pies.
𝒉𝒗𝒑: Carga de presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo; se expresa VP en metros o en pies de líquido; ℎ𝑣𝑝 = 𝑃𝑣𝑝
𝛾
𝑷𝒗𝒑: Presión de vapor (absoluta) del líquido a la temperatura a que se bombea
Una comparación entre los valores de NPSH de la instalación (𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒) y el NSPH de la bomba (𝑁𝑃𝑆𝐻𝑅𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎), se determina si la bomba seleccionada es correcta para el sistema de bombeo diseñado.
𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 > 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜
Figura 6: Detalles de la línea de succión de la bomba y definición de términos para el cálculo de la NPSH
Fuente: Mott
6.3. Sistema de Bombeo
6.3.1. Punto de operación de un sistema de bombeo.
Para hallar el punto de operación de un sistema de bombeo se debe graficas dos curvas, la curva característica de la bomba (H vs Q) y la curva característica del sistema de bombeo, estas dos curvas se trazan en función de la altura manométrica y el caudal. El punto de operación es la intersección de estas dos curvas, como se muestra en la Figura 13.
Se debe tener en cuenta que el punto de operación de un sistema de bombeo debe estar lo más cerca a el máximo rendimiento, cuando esto no ocurre se deduce que la selección de la bombea fue incorrecta y la bomba no es adecuada para ese sistema.
Figura 7: Punto de operación de un sistema de bombeo.
Fuente: Franzini.
6.4. Acoplamiento de bombas centrifugas
El acoplamiento se puede dar entre dos o más bombas, conectadas en serie o paralelo. Estos acoplamientos son usados para facilitar un diseño de bombeo, bien sea para aumentar la altura manométrica o aumentar el caudal.
Se cuentan con dos tipos de acoplamiento: en serie y paralelo.
6.4.1. Bombas Centrifugas Conectadas En Serie
Se realiza un acoplamiento entre dos o más bombas centrifugas, este tipo de conexión aumenta la altura manométrica motivo por el cual el caudal se mantiene constante. La tubería de succión está conectada a un tanque o fuente de agua y la tubería de salida de la primera bomba se conecta en la entrada de la siguiente y así según las bombas conectadas. La cabeza total o altura manométrica total del sistema es la suma de las cabezas de cada Bomba.
Figura 8: Bombas centrifugas conectadas en serie.
Fuente: Elaboración propia.
6.4.2. Bombas Centrifugas Conectadas En Paralelo.
Se realiza el acoplamiento entre dos o más bombas centrifugas, este tipo de conexión aumenta el caudal por lo que la altura manométrica se mantiene constante. La tubería de succión está conectada a un tanque o fuente de agua y la tubería de salida de cada bomba se une a la salida de las demás bombas. El caudal total del sistema es la suma del caudal de cada bomba.
Figura 9: Bombas centrifugas conectadas en paralelo. Fuente: Elaboración propia.
6.5. Circuito eléctrico
Es una conexión, generalmente cerrada, de componentes eléctricos en donde fruye corriente. Todo elemento que trabaje con electricidad tiene respectivo circuito.
6.5.1 Circuito de arranque directo de un motor monofásico
Este es el circuito que garantiza la durabilidad, protección eléctrica y el correcto funcionamiento de un motor monofásico, en este se debe tener en cuenta las características eléctricas del motor, ya que se utilizan elementos de protección con rangos establecidos de operación, entre ellos están: breaker, contactor, relé térmico e interruptores o pulsadores. El circuito se divide en dos subcircuitos:
6.5.1.1 circuito de fuerza o de potencia
Este contiene las conexiones necesarias para brindarle energía eléctrica al motor y lograr su encendido de manera segura, para este circuito son necesarios los siguientes elementos: breaker, contactor, relé térmico y motor eléctrico.
La conexión inicia desde la fuente de poder con las terminales fase, neutro y polo a tierra; en primer lugar, se conectan las terminales fase y neutro a un breaker bipolar, en caso de utilizar un breaker unipolar se debe conectar la línea fase, la salida del breaker se va a conectar a la terminal 1/L1 del contactor, y la línea neutro a la terminal 2/L2, el contactor debe estar acoplado al relé térmico, para que las líneas de fase y neutro salgan por los bornes de fuerza del relé térmico 2/T1 y 4/T2, para
finalizar estas conectan el motor, la línea de polo a tierra se conecta directamente a la fuente de energía.
Figura 10: esquema de un circuito de mando de un motor monofásico. Fuente: leonardo CT.
6.5.1.2 circuito de mando
Este circuito es el encargado de controlar el paso de la energía del sistema desde el contactor hacia el motor. Para este es necesario realizar las conexiones en los siguientes elementos: breaker, contactor, relé térmico e interruptores o pulsadores.
La conexión inicia desde la fuente de poder con las terminales fase, neutro y polo a tierra; en primer lugar, se conectan las terminales fase y neutro a un breaker bipolar, en caso de utilizar un breaker unipolar se debe conectar la línea fase, ahora la línea de neutro se conecta a él accionamiento térmico (NC, normalmente cerrado 95) del relé, para que esta salga por el contacto (NC 96) y se realice la conexión hacia el interruptor que va a controlar el motor, tras pasar por el interruptor saldrá a la bobina magnética del contactor y conectara la terminal A1, por otra parte la línea de fase que sale del breaker debe estar conectada al otro borne de la bobina magnética en A2.
Figura 11: esquema de un circuito de mando de un motor monofásico. Fuente: leonardo CT.
7. METODOLOGÍA
7.1. Documentación y búsqueda de información
Para la fase de documentación se parte del historial documentado del banco de prueba entregado a las Universidad Distrital, cuando se realizó este dispositivo, el de puesta a punto y en especial el de Diseño de un Banco de Bombas Centrifugas para Funcionamiento en Serie y Paralelo para el Laboratorio de Maquinas Hidráulicas de la Facultad Tecnológica, también se investigó sobre instalaciones de bombas conectadas en serie y paralelo, características de bombas centrífugas y temáticas referentes a la mecánica de fluidos. Dicha información se recolecto consultando libros, revistas, proyectos realizados, consultas personales con proveedores de maquinaria y registros de la Universidad Distrital.
7.2. Diagnostico
Se realizo un diagnóstico general del banco y de cada elemento individualmente, desmontando la estructura y probando cada dispositivo por aparte, en este proceso se tuvo en cuenta el correcto funcionamiento de cada aparato partiendo desde las características dadas por el fabricante.
7.3. Mantenimiento e identificación de modificaciones a realizar
En base a los resultados arrojadas por el diagnostico se llevó a cabo; el mantenimiento de los elementos que están en condiciones aceptables; el reemplazo de los dispositivos que no tuvieron reparación o no era viable instalar por desgaste.
Se definió que el diseño a trabajar será el que se propone en el trabajo de grado del 2019 Diseño de un Banco de Bombas Centrifugas para Funcionamiento en Serie y Paralelo para el Laboratorio de Maquinas Hidráulicas de la Facultad Tecnológica, ya que este fue estudiado, diseñado y aprobado por los estudiantes autores, los profesores de mecánica de fluidos y los funcionarios encargados del laboratorio de mecánica de fluidos de la facultad tecnológica de la universidad distrital.
7.4. Fabricación
Se ejecuto el montaje del banco, de acuerdo, con los planos estructurales propuestos en el documento Diseño de un Banco de Bombas Centrifugas para Funcionamiento en Serie y Paralelo para el Laboratorio de Maquinas Hidráulicas de la Facultad Tecnológica, teniendo en cuenta los ajustes necesarios y cambio de elementos.
7.5. Pruebas
En relación con la teoría de las conexiones en serie y paralelo de bombas, se realizaron pruebas tangibles en el banco que garantizaron el correcto
funcionamiento del aparato y cumplieron con el objetivo de representar las diferencias de estas conexiones.
7.6. Elaboración de documentos
Con los resultados y soportes elaborados se creó este documento, que sustenta el trabajo realizado, presentado para soportar la obtención del título de tecnología en mecánica, acompañado de este se anexo un guía de laboratorio con los lineamientos necesarios para realizar pruebas en el banco y un manual de mantenimiento que garantiza la durabilidad del banco.
8. DIAGNÓSTICO
Se dio inicio al diagnóstico de acuerdo con la guía de laboratorio existente, en donde se presenta como primer procedimiento abrir el paso de corriente, lo que resulto negativo porque la conexión eléctrica no funciono, seguido de esto se procedió a desensamblar todo el banco, con el fin de separar cada elemento para su análisis individual.
Figura 12: desmonte de banco existente. Fuente:
Elaboración propia.
A continuación, se presenta la lista de elementos:
• 1 válvula general de globo metálica
• 5 válvula de globo plástica
• 4 válvula de globo (accionamiento de palanca) metálica
• 4 manómetros
• 3 bombas periferias de 0.5 hp
• 1 caudalímetro de 5 a 30 GPM
• 3 indicadores de amperaje
• 3 contactor relé 110v
• Caja de control eléctrico (interruptores, indicadores led y cables)
• Tanque de almacenamiento
• Estructura principal en hierro
• Accesorios de conexión hidráulica (tubos PVC, codos y acoples)
8.1. Diagnostico individual 8.1.1 Bombas 1, 2 y 3:
al conectar las bombas no funcionaron, debido a esto se procedió al desensamble individual de la carcasa, en donde se identificó que los empaques de sellado estaban “reparados” con silicona, los empaques mecánicos con fisuras, el impulsor oxidado y/o con alabes fracturados y el eje principal completamente desgastado y deformado, figura 13, 14 y 15.
Figura 13: bomba del banco existente #1. Fuente:
Elaboración propia.
Figura 14: bomba del banco existente #2. Fuente:
Elaboración propia.
Figura 15: bomba del banco existente #3. Fuente:
Elaboración propia.
8.1.4 Caudalímetro:
Este presenta desgaste superficial, en cuanto a su mecanismo interno se encuentra en condiciones aceptables, se decide realizar prueba de funcionalidad en el momento de las pruebas generales del banco renovado, con el fin comparar las medidas con los instrumentos nuevos y calibrados, figura 16.
Figura 16: caudalímetro del banco existente #1. Fuente: Elaboración propia.
8.1.5 Válvula general de globo metálica:
Se evidencia oxido en las paredes internas, adicional el mecanismo interno presenta fallas a tal punto de que se dificulta accionarlo y esto hace que la compuerta no cierre completamente.
8.1.6. Válvulas de globo plásticas:
Se nota desgaste general, en cuanto al mecanismo presenta fallas al punto de dificultar el cierre completo de la compuerta.
8.1.7. Válvulas de globo (accionamiento de palanca) metálicas:
Se evidencia oxido en las paredes internas, adicional el mecanismo interno presenta fallas a tal punto de que se dificulta accionarlo y esto hace que la compuerta no cierre completamente.
Figura 17: válvula de globo del banco existente #1. Fuente:
Elaboración propia.
8.1.8 Tanque de almacenamiento:
No presenta fallas de funcionamiento, únicamente aspecto deteriorado.
8.1.9. Estructura principal:
En general se evidencian buenas condiciones funcionales y tiene desgaste natural de pintura.
8.1.10. Accesorios de conexión hidráulica:
Se evidencia decoloración interna, uniones en buenas condiciones de funcionabilidad.
8.1.11. Manómetro 1:
Presenta fisuras en el vidrio protector, aguja indicadora firme.
8.1.12. Manómetro 2:
La aguja indicadora se nota no estática y el desgaste superficial es notorio.
8.1.13. Manómetro 3 y 4:
En condiciones físicas aceptables.
8.1.14. Contactor relé 110v:
Estos se probaron con una pinza de medición eléctrica, lo que arrojó un resultado negativo, ya que ningún contactor presentaba funcionamiento, esto porque sus terminales no conducían corriente.
Nota: el sistema eléctrico en general presentaba deterioro y desgaste significativo, al punto en el que no sirvió ningún componente.
9. DESCRIPCIÒN DEL BANCO DE LABORATORIO
Como conclusión del diagnóstico se decide que el único componente que se va a utilizar para la renovación es el caudalímetro, porque no es viable emplear los componentes ni materiales del banco de prueba, ya que; las bombas no funcionan y el reemplazo de las partes averiadas no garantiza las características de trabajo, además de tener un costo considerable. Las válvulas no son confiables por tener dificultad de accionamiento y en el caso de las metálicas las paredes internas están oxidadas. Los manómetros 1 y 2 estaban completamente averiados y en el 3 y 4 se considera que ya cumplieron su ciclo de vida. La estructura de hierro es muy robusta y no cumple con el requerimiento del diseño que se va a emplear. El tanque de almacenamiento tiene una disposición de trabajo horizontal a las bombas, esto hace que tenga 3 orificios en la parte inferior, y como el diseño elegido pretende disponer este elemento en la parte inferior de la mesa de trabajo no es viable utilizar este ya perforado. Los elementos de instalación hidráulica están unidos de tal forma que suplían la necesidad del banco, por lo tanto, al no poder ser separados no se pueden utilizar en nuevas estructuras.
9.1. Descripción del banco
El diseño por el que se opto fue el propuesto en el documento "Diseño de un Banco de Bombas Centrifugas para Funcionamiento en Serie y Paralelo para el Laboratorio de Maquinas Hidráulicas de la Facultad Tecnológica” (Amado y Romero, 2019), el plano en referencia se encuentra en el anexo C, teniendo en cuenta varios cambios y ajustes necesarios, tanto en los elementos como en los circuitos eléctricos e hidráulicos.
9.2 Configuración de conexión
La configuración de la conexión se toma basada en el documento de diseño, con la excepción de que no se instaló el caudalímetro ni el manómetro de salida de la bomba 3, por cuestiones de costos, esto no afecta el funcionamiento esencial del banco, ya que, el caudalímetro y manómetro de descarga remplazaran esta lectura.
Para esta configuración los elementos necesarios son: 3 bombas, 3 caudalímetros, 3 manómetros, 3 mano vacuómetros, 1 tanque de almacenamiento, 9 válvulas y accesorios de conexión hidráulica. Figura 18.
Figura 18: diagrama esquemático de conexiones. Fuente: elaboración propia 9.3. Selección de bombas
las bombas se escogieron teniendo en cuenta las características del banco a renovar y los requerimientos del documento de diseño base, de igual manera aspectos como la durabilidad, costo e información detallada por parte del fabricante, fueron determinantes para la decisión. El factor que más influyo en esta elección fue el rango de altura y caudal de las bombas propuestas en el diseño; en este aspecto, la diferencia fue el caudal, ya que en el diseño se propusieron bombas centrifugas, pero se escogieron bombas centrifugas periféricas (estas entregan un menor caudal). En cuando a la altura las bombas utilizadas presentan valores iguales. La potencia de las bombas escogidas es menor a la de las propuestas que es de (1 y 3) HP.
9.3.1. Bombas periféricas 1 y 2
• Fabricante: Barnes de Colombia S.A.
• Modelo: BE 1 5-1 HF
• Potencia: 0.5 HP – 370 W
• Conexión: Monofásica (110 v/ 220 v)
• Frecuencia: 60 Hz
• Velocidad Angular (n): 3450 rpm
• H máx.: 35 (mca)
• Q máx.: 35 (𝐿⁄𝑚𝑖𝑛)
• Masa: 4.9 kg
9.3.2 Bomba periférica 3
• Fabricante: Barnes de Colombia S.A.
• Modelo: BE 1 10-1 HF
• Potencia: 1.0 HP – 750 W
• Conexión: Monofásica (110 v/ 220 v)
• Frecuencia: 60 Hz
• Velocidad Angular (n): 3450 rpm
• H máx.: 55 (mca)
• Q máx.: 50 (𝐿⁄𝑚𝑖𝑛)
• Masa: 9.3 kg
9.4. Caudalímetros
Tal como de evidencia en el esquema presentado en la figura 18 se requieren 3 caudalímetros y su ubicación es en la salida o descarga de las bombas 1 y 2, y el otro está ubicado en el tubo de descarga general, ahora como la diferencia más notable de las bombas propuestas a las escogidas es el caudal los flujómetros se eligieron en base a los caudales de las bombas utilizadas.
9.4.1 Caudalímetros verticales 1 y 2
Estos corresponden a los que miden el flujo en la descarga de las bombas 1 y 2, respectivamente, como las bombas presentan las mismas características se escogieron los mismos para cada una, el caudal máximo de las bombas es de 35 (𝐿 𝑚𝑖𝑛⁄ ) ,teniendo en cuenta esto se optó por un caudalímetro de un rango de (300 a 3000) (𝐿 ℎ⁄ ) o (5 a 50) (𝐿 𝑚𝑖𝑛⁄ ) .
9.4.2 Caudalímetro 3
Este corresponde a el que mide el flujo en la descarga de la bomba 3 y el total del sistema, el caudal máximo de la configuración en paralelo funcionando las 3 bombas es de 120 (𝐿 𝑚𝑖𝑛⁄ ), según anexo E, teniendo en cuenta esto se instaló el
caudalímetro del banco de prueba anterior, el cual cuenta con un rango de (25 a 120) (𝐿 𝑚𝑖𝑛⁄ ) .
Nota: la elección de los caudalímetros se realizó bajo aspectos de adquisición comercial, ya que en la industria se consiguen rangos de caudal generales, por lo tanto, no es posible conseguir el flujómetro con los rangos de las bombas exactos.
9.5 Manómetros
Estos estarán ubicados en la salida de las bombas 1 y 2, asimismo debe haber uno en la descarga del sistema. En el documento base de diseño se proponen manómetros de glicerina, pero por cuestiones comerciales y presupuestales, se instalaron manómetros secos, con características de rango similares a los propuestos.
9.5.1 Manómetro 1
En relación con la configuración general del sistema figura 18, la bomba 1 está conectada directamente al tanque sin desviaciones, esto hace que la presión de salida no supere el valor máximo de la bomba, este es 35 m o 49.8 psi, por lo tanto, se instaló un manómetro con un rango de (0 a 85) psi.
9.5.2 Manómetro 2
Teniendo en cuenta la configuración en serie de las bombas 1 y 2, en donde se demuestra que el valor más alto de presión que va a generar esta conexión y que por ende va a salir de la bomba 2 es de 70 m o 99.6 psi, anexo E se instaló un manómetro con un rango de (0 a 100) psi.
9.5.3. Manómetro de Descarga del Sistema
De acuerdo con la configuración en serie de las bombas 1,2 y 3, anexo E, en donde se demuestra que el mayor valor de presión que se puede alcanzar es de 121 m o 172.1 psi, y que este manómetro servirá para el análisis en la salida de la bomba 3, en donde no supera el máximo de presión ya descrito, se instaló un manómetro con un rango de (0 a 200) psi.
9.6 Mano vacuómetros
Debido a que las tres bombas están conectadas directamente al tanque tendrán la capacidad de medir presiones menores a la presión atmosférica, con este fin, los instrumentos de medición a las entradas de las bombas serán mano vacuómetros, la diferencia de los escogidos a los propuestos en el diseño es el material, ya que los primeros son secos y los otros de glicerina.
9.6.1 Mano vacuómetros 1 y 2
Teniendo en cuenta que las bombas 1 y 2 son similares, el mano vacuómetro instalado en cada una tiene un rango de (-14.7 a 60), este cumple con la presión de salida de la bomba 1 (49.8 psi) que recibirá la bomba 2 en cualquier configuración de serie.
9.6.2 Mano vacuómetro 3
De acuerdo con la configuración en serie de las bombas 1,2 y 3 anexo E, en donde se demuestra que el mayor valor de presión que va a recibir la bomba 3 es de 70m o 99.2 psi, se instaló un mano vacuómetro con un rango de (-14.7 a 150) psi.
Nota: la elección de los manómetros se realizó bajo aspectos de adquisición comercial, ya que en la industria se consiguen rangos de presiones generales.
9.7 Tuberías
Teniendo en cuenta que las bombas escogidas presentan diferencias de caudal y de dimensiones, la tubería cambia diámetro, a continuación, se presentan los criterios con los que se seleccionaron los diámetros de las tuberías.
9.7.1 Tubería de las Bombas 1 y 2
Teniendo en cuenta que las bombas 1 y 2 presentan las mismas características el diámetro de su tubería de succión será igual. El caudal máximo que presentan es de 35 𝐿 𝑚𝑖𝑛⁄ o 0.000584 𝑚3⁄ ; entonces: 𝑠
𝐴 =0.000584 𝑚3⁄𝑠
2 𝑚 𝑠⁄ = 0.000292𝑚2 = 292 𝑚𝑚2 Entonces:
𝑑 = √4(292𝑚𝑚2)
𝜋 = 19.28𝑚𝑚
De acuerdo a lo anterior se escoge el tubo de PVC con diámetro nominal de 1”, el cual tiene un diámetro interior promedio de 30.20𝑚𝑚, según fabricante PAVCO.
9.7.2. Tubería de la Bomba 3
El caudal máximo que presenta es de 50 𝐿 𝑚𝑖𝑛⁄ o 0.00084 𝑚3⁄ ; entonces de 𝑠 acuerdo con la ecuación:
𝐴 =0.00084 𝑚3⁄𝑠
2 𝑚 𝑠⁄ = 0.00042𝑚2 = 420 𝑚𝑚2 Entonces:
𝑑 = √4(420𝑚𝑚2)
𝜋 = 23.12 𝑚𝑚
De acuerdo a lo anterior se escoge el tubo de PVC con diámetro nominal de 1”, el cual tiene un diámetro interior promedio de 30.20𝑚𝑚, según fabricante PAVCO.
9.7.3 Tubería de Descarga
En relación con la medida de acople de los elementos a instalar y a las recomendaciones de los fabricantes se escoge una tubería de descarga de diámetro nominal de 1”, con un diámetro interior promedio de 30.20𝑚𝑚 marca PAVCO, para todo el sistema.
9.8. Tanque
Por cuestiones presupuestales no se instaló el tanque propuesto en el documento de diseño, ya que este tenía una medida exorbitante en comparación de lo que requiere el banco de prueba, para ello se escogió uno que cumple con los requisitos del banco.
El volumen del montaje hidráulico, el cual cuenta con aproximada mente 18 m de instalación de PVC de diámetro nominal de 1” y diámetro interno de 0.0302 m, es de:
𝑉𝑖 = 𝜋 ∗ (0.0151𝑚)2∗ 18𝑚 = 0.012𝑚3
Ahora teniendo en cuenta que el caudal máximo obtenido teóricamente en el anexo E es de 0.002 (𝑚3⁄ ), se instalo un tanque con capacidad de 0.056 𝑚𝑠 3 , pero para evitar posibles derrames de agua el tanque se utilizara a tres cuartos de capacidad 0.042 𝑚3, siendo este valor superior al caudal máximo y volumen de la instalación.
El material del tanque es polimérico, utilizado en la industria por su confiabilidad de almacenamiento y durabilidad. Las medidas dimensionales son:
• Diámetro de 0.36m
• Altura de 0.6m
9.9. Mesa base
Esta es la encargada de contener los elementos del banco de prueba, cuenta con cuatro características principales, las cuales son; área de trabajo, está en la parte superior a 1 metro de altura, soportara tubería y las tres bombas, reposando en una lámina; área de depósito, está en la parte inferior y contiene el tanque de almacenamiento; espaldar, encargado de contener tubería y elementos de medición; área de mando, situada en la parte delantera, su función es contener los indicadores de eléctricos e interruptores.
9.9.1. Material
El material utilizado fue:
• Armazón, tubo cuadrado en Acero ASTM A424 laminado en frio (Cold Rolled), de calibre 18, unidos por soldadura de arco 1/8 E 6013.
• La mesa de trabajo cuenta con una lámina plana en acero ASTM A424 laminado en frio (Cold Rolled), calibre 18.
• El área de mando es de lámina doblada a 30° en acero ASTM A424 laminado en frio (Cold Rolled), de calibre 16.
La lamina de la mesa de trabajo, la lámina del área de mando y el armazón están unidos mediante remaches de 1 4⁄ " y todo el conjunto se recubrió con un fondo anticorrosivo y pintura plateada de barniz rápido.
9.10. Válvulas
De acuerdo estructura ilustrada en la figura 18, fue necesario la instalación de 9 válvulas de regulación ubicadas estratégicamente en el montaje hidráulico y 1 válvula general en el tubo de descarga, las características de estas son:
• 9 válvulas plásticas de globo de 1”
• 1 válvula metálica de compuerta de 1”
9.11. Sistema eléctrico
Estos elementos son los encargados de la conexión eléctrica de todo el banco, en ellos están contenidos los dispositivos delegados a proteger a los operarios y los motores de las bombas bajo cualquier situación. Toda la instalación se realizó bajo el estándar de trabajo de una fuente de corriente alterna (AC) a 110 V con una frecuencia de 50/60Hz, se descartó el circuito eléctrico propuesto en el diseño, porque no cumplía con los requisitos de protección de motores para esta instalación.
La base de este circuito fue la adaptación de un circuito de arranque directo para un motor monofásico, utilizado comúnmente en la industria.
9.11.1. Breaker de bombas 1 y 2
Este dispositivo es el encargado de interrumpir las corrientes peligrosas que puedan afectar el sistema en general, como es el primer elemento que recibe la corriente de la fuente este puede interrumpir el paso de la misma hacia toda la instalación. De acuerdo con el manual de usuario de las bombas 1 y 2, los motores presentan una resistencia de corriente nominal de 4.9 A a 110V, por lo tanto, se usaron breaker de 6 A con una frecuencia de 50/60Hz para cada motor.
9.11.2. Breaker de bomba 3
De acuerdo al manual de usuario de la bomba 3, el motor presenta una resistencia de corriente nominal de 10 A a 110v, por lo tanto, se usó un breaker de 10 A con una frecuencia de 50/60Hz.
9.11.3. Contactores
“Un contactor es un componente electromecánico que tiene por objetivo establecer o interrumpir el paso de corriente, ya sea en el circuito de potencia o en el circuito
de mando, tan pronto se dé tensión a la bobina” (Bradley, 2015). Este dispositivo es indispensable para el acople de “salva motores” o relé térmico. Los tres contactores cuentan con la misma referencia; Este dispositivo tiene una resistencia máxima de 25A a 110V, ya que la corriente nominal de las bombas 1 y 2 es de 4.9A y la de la bomba 3 es de 10A, este elemento cumple.
9.11.4. Relé térmico de bombas 1 y 2
“Un relé térmico es un dispositivo de protección que funciona contra las sobrecargas y calentamientos, por lo que se utiliza principalmente en motores, con lo que se garantiza alargar su vida útil y la continuidad en el trabajo de máquinas, evitando paradas de producción y garantizando volver a arrancar de forma rápida y con seguridad.” (Guerrero, Gutiérrez, 2018).
Como la corriente nominal de trabajo que recomienda el fabricante es de 4.9A, el relé térmico de cada bomba tiene un rango de corriente de 4 – 6 A a 110V, y este de configuro para que se accione a los 5A.
9.11.5. Relé térmico de bomba 3
Como la corriente nominal de trabajo que describe el fabricante de la bomba es de 10A, el relé térmico tiene un rango de corriente de 10 – 13 A a 110V, y este de configuro para que se accione a los 10A.
9.11.6. Interruptores de las bombas
Para cada bomba se escogió el interruptor KCD4 de 15A, se eligió porque este cuenta con un piloto led que indica la llegada de corriente y esto indica que el motor se encuentra listo para prender.
9.11.7. Interruptor de emergencia
Para el interruptor de emergencia se tuvo en cuenta que el circuito total del banco soportara la suma las corrientes, esta tiene un valor máximo aproximado a 20A, por lo tanto, el dispositivo escogido es de pulsación de contacto rápido con un acople de 3 pulsadores NC de corriente máxima de 10A cada uno.
9.11.8 Interruptor general de llave
Como el banco de prueba va a estar instalado en el laboratorio de mecánica de fluidos, se consideró necesario un interruptor general de llave, esto para que el encargado el laboratorio tenga el control de encendido, con un acople de 3 pulsadores NO de corriente máxima de 10A cada uno.
9.11.9 Amperímetros
Estos indicadores se escogieron de acuerdo a la disponibilidad comercial, los elementos con los rangos más cercanos a los necesarios (4.9A para 1 y 2 y 10A para 3) fueron de rango de 0 a 15 A.
9.11.10 Cableado
Para las conexiones en general se usó cable número 14 y 12 de cobre, esto se decidió por recomendación del fabricante de las bombas.
Nota: Además del caudalímetro y el manómetro de la bomba 3, de acuerdo con el documento de diseño, se descartaron los voltímetros, porque la tensión se mantendrá constante en 110V, y el indicador de nivel del tanque.
