CONTROL DE UN SISTEMA DE BOMBEO Y CLORACIÓN DE AGUA

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UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL PERU

FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y MECATRÓNICA

ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

“CONTROL DE UN SISTEMA DE BOMBEO Y

CLORACIÓN DE AGUA”

AUTOR: RILDO GAMARRA VENTOCILLA

ASESOR: Dr. JULIEN NOEL.

Tesis para optar el Título de Ingeniero Electrónico

LIMA – PERÚ 2012

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(A mis abuelos; Pedro y Celia, por todo el cariño brindado durante todos estos años. A mis padres; con todo mi amor y cariño para Rosario y Edwin, por su constante apoyo, comprensión y amistad Y gracias a mi familia, novia, compañeros y amigos. Eternamente agradecido.)

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AGRADECIMIENTOS

Agradezco al Ing. Elvis Barrera de la empresa Lima Airport Partners por el apoyo brindado, por compartir sus conocimientos y experiencias.

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RESUMEN

La presente tesis es el resultado de varios meses de investigación en el campo de la ingeniería de control y mecánica de fluidos, está orientada al monitoreo y control de un sistema de cloración y bombeo de agua mediante el uso de controladores lógicos programables y software SCADA, la investigación se realizó en el Aeropuerto Internacional Jorge Chávez. El trabajo se divide en cuatro capítulos.

El primer capítulo titulado Planteamiento del Problema presenta la determinación del problema, los objetivos, justificación de la investigación, las limitaciones y facilidades presentadas durante el desarrollo del presente trabajo.

El segundo capítulo presenta el marco teórico sobre la mecánica de fluidos y máquinas hidráulicas, teoría que permitirá comprender mejor el proceso de bombeo y los equipos con los que cuenta el sistema actual. Se presenta también teoría relacionada a la programación de controladores lógicos programables (PLC), los cuales serán utilizados para el control y monitoreo del sistema a través de la red industrial Profibus.

El tercer capítulo presenta los dispositivos con los que cuenta el sistema actual, las pruebas realizadas a estos equipos permitieron definir cuales se encuentran operativos y pueden ser utilizados para la implementación del presente trabajo, presenta también la simulación de los procesos a través de software de programación de PLC y SCADA. En el último capítulo se presentan las conclusiones y recomendaciones, este trabajo podrá ser utilizado como base de futuras investigaciones relacionadas a los sistemas de cloración y bombeo.

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ABSTRACT

The present thesis is the result of several months of investigation in the field of the engineering control and mechanics of fluids; this thesis is orientated to the monitoring and control of a system of chloration and water pumping by means of the use of logical programmable controllers and software SCADA, the investigation Jorge Chávez carried out in the International Airport. The work divides in four chapters.

The first qualified chapter Exposition of the Problem presents the determination of the problem, the aims, justification of the investigation, the limitations and facilities presented during the development of the present work.

The second chapter presents the theoretical frame on the mechanics of fluids and hydraulic machines, theory that will allow understanding better the process of pumping and the equipments with which it counts the current system. One presents also theory related to the programming of logical programmable controllers (PLC), which will be used for the control and monitoring of the system across the industrial network Profibus.

The third chapter presents the devices with which it counts the current system, the tests realized to these equipments allowed to define which are operative and can be used for the implementation of the present work; he presents also the simulation of the processes across software of programming of PLC and SCADA.

In the last chapter they present the conclusions and recommendations, this work will be able to be used as base of future investigations related to the systems of chloration and pumping.

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INDICE GENERAL

CAPÍTULO ... PÁGINA DEDICATORIA ... iii AGRADECIMIENTO ... iv RESUMEN ... v ABSTRACT ... vi

INDICE GENERAL ... vii

INDICE DE TABLAS ... viii

INDICE DE FIGURAS ... ix

INTRODUCCIÓN ... 1

I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... 2

1.1 Determinación del problema ... 2

1.2 Formulación del problema ... 4

1.3 Objetivos de la investigación ... 5

1.4 Justificación de la investigación. ... 6

1.5 Limitaciones y facilidades ... 6

II.MARCO TEÓRICO ... 8

2.1 Fundamento teórico. ... 8

2.2 Estado del arte ... 39

III.DISEÑO, SIMULACIÓN E IMPLEMENTACIÓN. ... 43

3.1 Diagramas de flujo. ... 43

3.2 Descripción del proceso y simulaciones. ... 51

IV.RESULTADOS Y CONCLUSIONES. ... 84

4.1 Conclusiones ... 85

4.2 Recomendaciones ... 88

REFERENCIAS. ... 89

ANEXOS ... 92

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INDICE DE TABLAS

CAPÍTULO ... PÁGINA

Tabla 1.1: Línea de investigación en el campo de la Ingeniería Electrónica. ... 3

Tabla 2.1: Tabla de comparación de bombas Volumétricas y Rotodinámicas. ... 25

Tabla 3.1: Listado de entradas y salidas ... 51

Tabla 3.2:Números de arranque máximos por día. ... 53

Tabla 3.3: Resultado del sensor Cisterna 1. ... 71

Tabla 3.4: Resultado del sensor Cisterna 2. ... 73

Tabla 3.5: Resultado de sensor cisterna 3. ... 75

Tabla 3.6: Resultado de sensor cisterna 4. ... 77

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INDICE DE FIGURAS

CAPÍTULO.………PÁGINA

Fotografía1.1: Aeropuerto Internacional Jorge Chávez.. ... 4

Figura 2.1: Presión absoluta, relativa y atmosférica. ... 8

Figura 2.2: Diagrama para el análisis de la medida de alturas. ... 9

Figura 2.3: Diagrama interno de una bomba reciprocante o de émbolo. ... 15

Figura 2.4: Bomba rotatoria de engranaje externo. ... 16

Figura 2.5: Bomba de leva y Bomba lobular. ... 18

Figura 2.6: Fotografía de un impelente tipo abierto. ... 18

Figura 2.7: Representación esquemática de una bomba centrífuga. ... 20

Figura 2.8: Bomba tipo turbina. ... 20

Figura 2.9: Bomba centrífuga vertical. ... 22

Figura 2. 10: Impelente tipo helicoidal. ... 23

Figura 2.11: Corte esquemático de una bomba de flujo axial. ... 24

Figura 2. 12: Representación de variador de velocidad marca DELTA. ... 28

Figura 2.13: Representación de un sistema de regulación de flujo mediante la acción de una válvula... 30

Figura 2.14: Modificación de curva del Sistema. ... 31

Figura 2.15: Modificación de la curva de la bomba. ... 32

Figura 2. 16: Modificación Simultánea de las Curvas del Sistema y la Bomba. ... 33

Figura 2. 17: Curvas de leyes de afinidad en Bombas Centrifugas. ... 34

Figura 2. 18: Símbolos básicos del lenguaje de programación LADDER. ... 35

Figura 2. 19: Permutación de Estados. ... 36

Figura 2. 20: Representación de una salida en LADDER. ... 36

Figura 2. 21: Temporizadores ascendente y descendente. ... 37

Figura 2. 22: Contador ascendente y descendente. ... 38

Figura 2. 23: Representación de Operador Aritmético Suma. ... 39

Figura 3. 1: Monitoreo del nivel de agua de las cisternas. ... 44

Figura 3. 2: Control de la bomba principal. ... 45

Figura 3. 3: Sensado de la bomba principal. ... 46

Figura 3. 4: Control de volumen de cloro... 47

Figura 3. 5: Control de inyección de cloro. ... 48

Figura 3. 6: Control de encendido de Bomba Booster. ... 48

Figura 3. 7: Detección de incendio. ... 49

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Figura 3. 9: Esquema de Sistema de Bombeo y Cloración de Agua. ... 50

Figura 3. 10: Motor FRANKLIN – 100Hp. ... 51

Figura 3. 11: Diagrama de conexiones, control de motor mediante variador ATV71. ... 52

Figura 3. 12: Sistema de cableado Modbus plus. ... 53

Figura 3. 13: Diagrama Eléctrico de Bomba Principal. ... 54

Figura 3. 14: Bomba Booster. ... 55

Figura 3. 15: Arrancador de estado sólido... 55

Figura 3. 16: Diagrama eléctrico de Bomba Booster. ... 56

Figura 3. 17: Clorador y Esquema de conexión. ... 58

Figura 3. 18: Detector de Fuga de Cloro Serie GA-171. ... 59

Figura 3. 19: Relación pH con HOCl y OCl. ... 61

Figura 3. 20: Analizador de Cloro Residual. ... 62

Figura 3. 21: Esquema de Conexión de Sistema de Cloración de Agua. ... 63

Figura 3. 22: Cilindros de Cloro. ... 63

Figura 3. 23: Balanza tipo Romana. ... 64

Figura 3. 24: Indicadores de balanza IQ520. ... 64

Figura 3. 25: Sistema hidráulico Planta de Cloración. ... 65

Figura 3. 26: Válvula de alivio. ... 65

Figura 3. 27: Estados de la válvula de alivio. ... 66

Figura 3. 28: Sensor tipo ultrasonido DANFOSS. ... 67

Figura 3. 29: Representación Cisterna 1. ... 69

Figura 3. 30: Sensor de Ultrasonido Cisterna 1. ... 71

Figura 3. 31: Diagrama Ladder para Sensor de Cisterna 1. ... 72

Figura 3. 32: Representación Cisterna 2. ... 72

Figura 3. 33: Sensor de Ultrasonido Cisterna 2. ... 73

Figura 3. 34: Representación Cisterna 3. ... 74

Figura 3. 35: Sensor de Ultrasonido Cisterna 3. ... 75

Figura 3. 36: Representación Cisterna 4. ... 76

Figura 3. 37: Sensor de Ultrasonido Cisterna 4. ... 76

Figura 3. 38: Válvula para el bypass de las cisternas. ... 77

Figura 3. 39: Diagrama LADDER, Sensado de las cuatro cisternas. ... 78

Figura 3. 40: Grupo Electrógeno MODASA. ... 79

Figura 3. 41: Protocolo de comunicación PROFIBUS. ... 80

Figura 3. 42: Texto Estructurado Sistema de Cloración. ... 81

Figura 3. 43: Simulación del sistema en InTouch. ... 82

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INTRODUCCIÓN

La desinfección del agua es un tratamiento obligatorio en los sistemas de abastecimiento de agua potable. Asegurar que el agua que consumen las personas es la adecuada, es la preocupación de las empresas que se encargan de este tipo de sistemas. Un estudio realizado por el Consejo para la Calidad del Medio Ambiente de los Estados Unidos, demostró que el riesgo de cáncer de quienes beben agua clorada es un 93% mas alto que entre aquellos cuya agua no la contiene.

Beber agua corriente tratada con cloro es peligroso, inclusive mortal, ya que el cloro en dosis elevadas podría provocar intoxicaciones. Por este motivo el uso de herramientas que detectan la cantidad de cloro y el sistema que se encargue del proceso deben ser confiables.

En el Perú, recién se comenzó a utilizar el cloro en 1917, cuando se inauguro la primera planta de cloración de agua en la antigua Empresa de Agua Potable en Lima, esto permitió salvar mucha gente de enfermedades como el cólera, tifoidea, disentería, amebiasis entre otras.

La necesidad de poder alcanzar una alta fiabilidad para este tipo de sistemas, nos hace pensar en un sistema automatizado, lo que permitiría que el sistema sea confiable con el menor uso de recursos. Cabe resaltar que el control automático ha desempeñado un papel vital en el avance de la ingeniería y la ciencia desde el siglo XVIII en la que James Watt diseñó un regulador de velocidad centrifugo.

El presente trabajo de investigación involucrará estos dos puntos, primero; el estudio para el diseño de un sistema de cloración, segundo; el del control automático. Juntando estos dos puntos, alcanzaríamos un sistema de cloración de agua, seguro y eficiente que nos permitiría asegurar que las variables se encuentren dentro de rangos recomendados por diferentes instituciones, como es la SUNASS para nuestro país.

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I.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.1 DETERMINACIÓN DEL PROBLEMA

La potabilización del agua para el consumo es de gran importancia ya que mata los organismos microbianos que pueden ser dañinos para la salud del que la consume, además que las Naciones Unidas han declarado un derecho humano el acceso al agua segura.

El Aeropuerto Internacional Jorge Chávez no es ajeno a esta necesidad, teniendo actualmente un sistema de cloración de agua instalada el año 2003. Este sistema fue diseñado con equipos analógicos que se utilizan hasta la fecha, provocando que el sistema no pueda ser monitoreado y resulte ser ineficiente.

El sistema está compuesto de manera general por un pozo natural, una bomba de agua, un grupo electrógeno, un sistema de inyección al vacío de cloro y cuatro cisternas, operando todos estos equipos de manera manual e independientes entre sí.

El encendido y apagado de los equipos que hacen posible que este sistema opere es manual, con una frecuencia de una a dos veces por día. Para realizar esta operación es necesario el traslado del personal hasta el sistema de cloración que se encuentra a una distancia aproximada de 1500m, además de la supervisión visual constante del nivel de las cuatro cisternas distribuidas en las diferentes zonas del Aeropuerto.

La detección de los nivele bajos es visual, trayendo esto como riesgo que no se detecte en el momento oportuno y provoque la ausencia de agua en las instalaciones del Aeropuerto. Al detectarse los niveles bajos de agua en las cisternas, se procede a encender la bomba de agua, el tiempo de encendido de esta bomba es indefinida y dependerá directamente de que tan rápido pueda abastecerse las cisternas y que el personal detecte el nivel máximo de agua en cada una, trayendo esto como riesgo que los niveles máximos no sean detectados y se presente una inundación por sobrellenado. En el momento que se abastece de agua las cisternas, se agrega por el método de inyección al vacío el cloro líquido al flujo del agua que se encuentra siendo bombeada. El cálculo de la cantidad de cloro a agregar es realizado mediante el pesado y la

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comparación de dos cilindros que contienen el cloro en estado líquido y gaseoso. La cantidad de cloro a agregarse depende directamente de las regulaciones que indican que el rango del cloro residual debe encontrarse entre 0.5 y 1ppm (0.5 y 1mg/L), variable que es verificada al finalizar todo el proceso y no existe una retroalimentación de información que pueda permitir variar la cantidad de cloro a agregarse en caso se identifique algún problema, es necesario resaltar que por debajo de los 0.5mg/L no se eliminan las bacterias y por encima de 1mg/L se producen trihalometanos que son un problema para la salud.

De la descripción dada, se aprecia que el sistema no es confiable ni eficiente, además de encontrase propenso a errores, inclusive humanos que pueden provocar daños a los dispositivos y a la infraestructura.

El sistema actual no tiene dispositivos que puedan detectar y responder a problemas como; fugas de agua, fugas de cloro (sustancia peligrosa) en el ambiente, regulación del flujo de cloro a agregarse, toma de datos constantes de la mezcla de agua y cloro y uno de los puntos más importantes, la realimentación del sistema.

El presente trabajo de investigación, por lo descrito, se ubica en la siguiente línea de investigación:

Tabla 1.1: Línea de investigación en el campo de la Ingeniería Electrónica. Fuente [Propia]

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Fotografía1.1: Aeropuerto Internacional Jorge Chávez. Fuente [Google Earth].

1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

De lo descrito anteriormente se puede definir que el problema está relacionado con la falta de control y monitoreo de los dispositivos que forman parte del sistema de cloración. Debido a que todos los componentes son del tipo mecánico, no se puede controlar las variables de manera automática, siendo siempre necesaria la intervención de los operadores al detectar alguna deficiencia o necesidad, siendo en algunos casos

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esta intervención muy tardía. El traslado del personal provoca tiempos largos de atención además de gastos innecesarios de recursos, como son tiempos, combustible, personal que traslade a los encargados del funcionamiento del sistema, personal encargado de supervisar los niveles de agua.

Es claro que la enmarcación teórica de este problema es el del control automático, en el que se tiene que considerar el mejor tipo de control para este tipo de procesos además de los equipos y dispositivos necesarios para asegurar el funcionamiento del sistema, su confiabilidad y respuesta ante posibles perturbaciones.

1.3 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN 1.3.1 Objetivos Generales

• Presentar los cálculos y el diseño para un sistema de cloración automatizado dentro del Aeropuerto Internacional Jorge Chávez.

1.3.2 Objetivos específicos.

• Comparar técnica y económicamente el sistema actual y el sistema a proponer para la cloración de agua.

• Determinar las variables técnicas de un sistema de cloración de aguas.

• Incrementar el MTBF del sistema.

• Establecer las condiciones técnicas que deben cumplirse para el diseño de un sistema de cloración de agua.

• Reemplazar el sistema analógico por un sistema digital.

• Detectar condiciones inseguras en tiempo real.

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1.4 JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN.

Se justifica el siguiente trabajo de investigación; debido a que un sistema tan importante y delicado como el de la cloración de agua debe ser autónomo y eficiente, más aun al trabajar con sustancias que pueden producir compuestos químicos como los trihalometanos que son considerados carcinógenos, actualmente el resultado del sistema de cloración es evaluado al final del proceso, sin existir una retroalimentación que pueda corregir de manera autónoma el exceso de cloro.

El sistema al ser manual depende constantemente de la atención de los operadores, e iniciar un nuevo ciclo que parte en el encendido de la bomba, se realizan gastos de recursos y tiempo que podrían ser aprovechados para otras atenciones dentro del AIJC. La naturaleza del presente trabajo de investigación son los sistemas de control automático, se justifica el trabajo debido a que el automatizar un sistema disminuye el uso de recursos y aumenta la efectividad y confiablidad de un proceso.

Este trabajo se implementará dentro del Aeropuerto Internacional Jorge Chávez, en la cabecera 33 ubicada en la zona sur. Este trabajo podrá ser utilizado como base para mejorar sistemas similares en otros lugares.

1.5 LIMITACIONES Y FACILIDADES

1.5.1 Limitaciones del Proyecto de Investigación. a. Teórica

Para el desarrollo de este trabajo de investigación será necesario conocer: • Métodos de control automático.

• Métodos de cloración de agua

• Equipos utilizados para sistemas de cloración.

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7 • Sensores y actuadores.

• Almacenaje y traslado de sustancias peligrosas.

• Medios de transmisión.

• Uso y programación de controladores lógicos programables (PLC)

b. Temporal

El tipo de estudio a realizar es del tipo transversal, su ejecución de inició el 01 de junio del 2011 y su posible término, el febrero del 2012.

c. Espacial

El presente trabajo de investigación comprende el espacio geográfico ocupado por el Aeropuerto Internacional Jorge Chávez. La implementación final se hará a modo de simulación.

1.5.2 Facilidades del Proyecto de Investigación.

Se cuenta con el apoyo de la Jefatura de Mantenimiento del Aeropuerto Internacional Jorge Chávez, se me proporcionará información del sistema, y el acceso al área donde se podrá revisar el sistema actual de cloración de agua, la infraestructura donde debe montarse este sistema, además de la información y recomendaciones por parte de los ingenieros sanitarios del aeropuerto.

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II.

MARCO TEÓRICO

2.1 FUNDAMENTO TEÓRICO.

2.1.1 BOMBAS Y NOCIONES GENERALES DE BOMBEO

Las bombas son equipos mecánicos que permite elevar los líquidos y trasladarlos de un punto a otro consiguiendo aumentar su energía cinética o presión del fluido, es decir, se aplica cierta cantidad de energía (carga) que permita vencer la resistencia de las tuberías a la circulación, así como la carga que representa la diferencia de nivel del punto de donde se desplaza el líquido hasta el punto donde se quiera llevar.

Para una mejor comprensión del funcionamiento y las aplicaciones de las bombas, es necesario conocer algunos conceptos.

a. MEDIDA DE PRESIÓN

Las presiones suelen expresarse tomando como referencia un origen arbitrario, los manómetros miden la diferencia entre la presión del fluido y la presión atmosférica local. Por lo tanto hay que sumar esta última al valor indicado por el manómetro para hallar la presión absoluta. Una lectura negativa de manómetro indica un vacío parcial.

Presión absoluta = Presión local atmosférica + Presión manométrica

Presión absoluta = Presión local atmosférica - Presión manométrica (si es

negativa, de succión o vacío), la figura 2.1 muestra esta relación.

Figura 2.1: Presión absoluta, relativa y atmosférica.

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b. MEDIDA DE ALTURAS

El plano de referencia lo determina la altura de la bomba. • H: Altura estática de impulsión

• Z1: Altura estática de aspiración (-, al encontrarse por debajo de la bomba)

• Z2: Carga estática de aspiración (+, al estar por encima del plano de referencia)

Mediante la figura 2.2, se puede entender el siguiente análisis:

Altura total de aspiración para el caso a) = (Z1 - pérdidas por rozamiento) Es negativa porque Z1 es negativa.

Altura total de aspiración para el caso b) = (Z2 – pérdidas por rozamiento) Puede ser positiva o negativa porque Z2 es positiva.

Altura total de impulsión = H + pérdidas de carga en la impulsión Altura total = Altura total de impulsión – Altura total de aspiración Es la medida del incremento de energía que transmite la bomba al líquido.

Figura 2.2: Diagrama para el análisis de la medida de alturas.

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c. NPSH REQUERIDA DE LA BOMBA

Es una característica propia de la bomba, se define como la energía necesaria para llenar la parte de aspiración además de vencer las pérdidas por rozamiento y aumentar la velocidad. En definitiva es la energía del líquido que una bomba necesita para funcionar satisfactoriamente. Su valor puede determinarse tanto por prueba como por cálculo.

Para una bomba centrífuga el NPSH requerido es la cantidad de energía necesaria, expresada en metros columna de líquido para:

• Vencer las pérdidas de carga desde la abertura de admisión (entrada) a los álabes del impulsor.

• Crear la velocidad deseada de corriente a los álabes, ya que es necesaria una velocidad mínima.

Para una bomba rotativa el NPSH requerido es la energía expresada en Kg/cm2 precisada para:

• Vencer las pérdidas desde la abertura de admisión a los engranajes o paletas.

• Crear la velocidad deseada de entrada a los engranajes o paletas.

d. NPSH DISPONIBLE DEL SISTEMA

El NPSH (Net Positive Suction Head) o también conocido como ANPA (Altura Neta Positiva en la Aspiración), es una característica del sistema y se define como la energía que tiene un líquido en la toma de aspiración de la bomba (independientemente del tipo de esta) por encima de la energía del líquido debida a su presión de vapor. La NPSH disponible puede ser calculada u obtenida tomando lecturas de prueba en el lado de aspiración de la bomba. Para su cálculo es necesario considerar tanto la energía potencial como la cinética y la

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de presión, mediante la aplicación de la ecuación 1 puede determinarse el valor del NPSH en un sistema.

(1) Dónde:

• ρ es la densidad del líquido en kilogramo por metro cúbico.

• Pa es la presión en el nivel de aspiración, en kilogramo por metro cuadrado.

• Ha es la altura geométrica de aspiración en metros.

• Pca es la pérdida de carga en la línea de aspiración, en metros.

• Pv es la presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo, en kilogramo por metro cuadrado.

e. CAVITACIÓN

Este fenómeno sucede cuando un líquido se mueve por una región (tubería) donde la presión del líquido es menor que la tensión de vapor, lo que hace que el líquido hierba y se formen burbujas de vapor en su seno. Estas burbujas de vapor son arrastradas con el líquido hasta una región donde se alcanza una presión más elevada y allí desaparecen violentamente, provocando que el líquido se introduzca a alta intensidad en áreas reducidas.

Estas sobrepresiones que se producen pueden sobrepasar la resistencia a la tracción del material y arrancar partículas del metal dándole una apariencia esponjosa (picado de los álabes del impulsor).

Cuando estas burbujas de vapor llegan a la zona de alta presión desaparecen, ocasionando ruido y vibración, pudiendo llegar a producir averías en rodamientos, rotura del eje y otros fallos, ya que el material esta desgastado.

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En resumen la cavitación es la formación de burbujas de vapor o de gas en el seno de un líquido, causada por las variaciones que este experimenta en su presión, y cuyas consecuencias son:

• Disminución de la capacidad de bombeo.

• Disminución del rendimiento de la bomba.

La cavitación indica un NPSH disponible insuficiente, ocasionado por una altura estática baja, alta temperatura o excesiva pérdida de carga en la aspiración. Este fenómeno puede evitarse manteniendo la presión del líquido por encima de la presión de vapor.

f. VISCOSIDAD

Además de la cavitación existen otros parámetros que afectan al funcionamiento de una bomba, uno de ellos es la viscosidad.

La potencia absorbida de una misma bomba crece de forma aguda al pasar a manejar líquidos de mayor viscosidad, por lo que también se vera alterado su rendimiento, disminuyendo este al ir aumentando la viscosidad, mientras que su NPSH requerido seguirá siendo esencialmente el mismo.

RENDIMIENTO DEL GRUPO MOTOR-BOMBA

La aplicación de las ecuaciones 2 y 3 permiten hallar el rendimiento y la potencia del motor.

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η: rendimiento del motor

W: potencia en kgm/s2

Q: caudal en m3/s

Hm: altura en m ρ: densidad en kg/m3

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η: rendimiento del motor (<1)

W: potencia en kgm/s2

Q: caudal en m3/s

Hm: altura en m ρ: densidad en g/cm3

2.1.2 CLASIFICACIÓN.

Existen diversas clasificaciones para las bombas, pero fundamentalmente pueden dividirse en dos grandes grupos:

• Bombas volumétricas o de desplazamiento positivo (directas).

• Bombas de desplazamiento no positivo (indirectas) o rotodinámicas.

Al primer grupo pertenecen las bombas de pistón de acción reciprocantes o bombas reciprocantes y las bombas rotatorias, sus principales características son:

• A una velocidad determinada, la descarga (caudal) es en general fija e independiente de la carga de bombeo.

• La carga posible de bombeo puede aumentarse, dentro de los límites de resistencia de los materiales de que está construida la bomba, con solo aumentar la potencia del motor que la mueve y sin variar la velocidad de operación. Al segundo grupo pertenecen las bombas centrifugas o de rotor en hélice (flujo axial) y sus características principales son:

• A una velocidad determinada la descarga está en función inversa de la carga posible de bombeo, y es variable es decir que a mayor descarga, menor carga de bombeo y viceversa.

• La carga de bombeo no puede aumentarse con sólo aumentar la potencia del motor, sino que hay que aumentar la velocidad o el diámetro del rotor para lograrlo.

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En ambos tipos o grupos de bombas la descarga de la bomba aumenta cuando aumenta la velocidad de trabajo de la misma.

A. BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO.

Las bombas de este tipo son bombas de desplazamiento que crean la succión y la descarga, desplazando agua con un elemento móvil. El espacio que ocupa el agua se llena y vacía alternativamente forzando y extrayendo el líquido mediante movimiento mecánico. El término “positivo”, significa que la presión desarrollada está limitada solamente por la resistencia estructural de las distintas partes de la bomba y la descarga no es afectada por la carga a presión sino que está determinada por la velocidad de la bomba y la medida del volumen desplazado. Las bombas de desplazamiento positivo funcionan con bajas capacidades y altas presiones en relación con su tamaño y costo. Este tipo de bomba resulta muy útil para presiones extremadamente altas, para operación manual, para descargas relativamente bajas, para operación a baja velocidad, para succiones variables y para pozos profundos cuando la capacidad de bombeo requerida es muy poca.

Hay dos clases de bombas de desplazamiento positivo:

• Las de pistón o reciprocantes, que desplazan el líquido por la acción de un émbolo o pistón con movimiento rectilíneo alternativo, o con movimiento de oscilación.

• Las rotatorias, en las cuales, el desplazamiento se logra por el movimiento de rotación de los elementos de la bomba.

A.1. BOMBAS RECIPROCANTES.

En las bombas reciprocantes, como el de la figura 2.3, el pistón crea un vacío parcial dentro del cilindro permitiendo que el agua se eleve ayudada por la presión atmosférica. El llenado del cilindro toma un tiempo, entonces la cantidad de agua que entra al espacio de desplazamiento dependerá de la velocidad de la bomba, el tamaño de las válvulas de entrada y la efectividad del material sellante de las válvulas y del pistón.

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Figura 2.3: Diagrama interno de una bomba reciprocante o de émbolo. Fuente [Bombas y sus Aplicaciones]

Debido a la resistencia generada por el desplazamiento que realizan sus partes, las bombas reciprocantes tienen una eficiencia relativamente baja; las pérdidas en las correas, los engranes y las chumaceras se añaden a la resistencia de las partes móviles para dar un rendimiento bajo en proporción a la potencia suministrada por la unidad motriz. Las válvulas de las bombas de pistón son de dos tipos las de succión, que permiten la entrada al espacio de desplazamiento, y las de descarga, que dejan que el agua pase hacia el tubo de descarga, Estas válvulas operan por la fuerza que ejerce sobre ellas el peso del agua, o por la acción ejercida por elemento de desplazamiento.

Las principales ventajas de las bombas reciprocantes son: • Alta presión disponible.

• Autocebantes (dentro de ciertos límites). • Flujo constante para cargas a presión variable.

• Adaptabilidad a ser movidas manualmente o por motor.

Las principales desventajas de las bombas reciprocantes son: • Baja descarga.

• Baja eficiencia comparada con las bombas centrifugas. • Muchas partes móviles.

• Requieren mantenimiento a intervalos frecuentes. • Succión limitada.

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• Costo relativamente alto para la cantidad de agua suministrada. • Requieren un torque considerable para llevarlas a su velocidad de

trabajo,

• Flujo pulsante en la descarga.

A.2 BOMBAS ROTATORIAS.

Las bombas rotatorias son unidades de desplazamiento positivo, que consisten en una caja fija que contiene engranes, aspas u otros dispositivos que rotan, y que actúan sobre el líquido atrapándolo en pequeños volúmenes entre las paredes de la caja y el dispositivo que rota, desplazando de este modo el líquido de manera similar a como lo hace el pistón de una bomba reciprocante, como se muestra en la figura 2.4

Figura 2.4: Bomba rotatoria de engranaje externo.

Fuente [http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica_hidraulica9.htm].

Pero las bombas rotatorias en vez de suministrar un flujo pulsante como sucede con las bombas reciprocantes, descargan un flujo uniforme por el movimiento de rotación de los engranes que es bastante rápido. Las bombas rotatorias se usan generalmente para aplicaciones especiales, con líquidos viscosos, pero realmente pueden bombear cualquier clase de líquidos, siempre que no contengan sólidos en suspensión. No obstante, debido a su construcción, su uso más común, es como bombas de circulación o transferencia de líquidos.

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17 • Son de acción positiva. • Desplazamiento rotativo. • Flujo uniforme.

• Construcción compacta. • Carga alta.

• Descarga relativamente baja.

• Velocidades de operación de moderadas a altas. • Pocas partes móviles.

• Requieren toda la potencia para llevarlas a su velocidad de operación. • Flujo constante dentro de ciertos límites para carga variable.

• Aspiración limitada.

Es necesario aclarar que como las piezas que originan el desplazamiento son de metal y rotan, el contacto metálico entre las partes móviles origina desgastes que posibilitan los resbalamientos a altas presiones, es por eso que la efectividad de las bombas rotatorias disminuye con el uso.

Las bombas más comunes y más efectivas de este tipo son las de engranes externos. Los dientes se separan en el lado de succión de la bomba, el espacio entre dos dientes consecutivos se llena de líquido y de esta forma es arrastrado hasta quedar atrapado entre estos y la pared de la caja de la bomba; el movimiento de rotación del engrane lleva entonces el líquido atrapado hasta el lado de descarga, en donde al quedar libre es impulsado hacia afuera por la llegada constante de nuevas cantidades de liquido. Las bombas rotatorias son generalmente fabricadas para capacidades que no exceden de 500gpm (31.54 l/s) y cargas que no sobrepasan 500 pies (152.4 m).

Existen bombas rotatorias de engranes internos, de levas, lobulares de tornillo, de paletas, etc. En las figuras 2.5 se muestran dos tipos de bombas rotatorias.

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Figura 2.5: Bomba de leva y Bomba lobular.

Fuente [http://www.ingenierocivilinfo.com/2011_11_01_archive.html].

Las aplicaciones más comunes para este tipo de bombas, son para el bombeo de pozos llanos, pozos profundos, para niveles de agua variable, bombas de incendio, altas cargas a presión, operación por molino de viento, alimentación de calderas, bombeo de aceite y gasolina.

B. BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO NO POSITIVO O ROTODINÁMICAS

Las bombas de este grupo son las que más se usan en las distintas aplicaciones y prácticamente han desplazado casi completamente a las bombas reciprocantes y rotativas por su adaptabilidad a las condiciones de servicio más diversas. Las bombas centrífugas, de flujos mixtos y axiales se encuentran entre las máquinas que más se usan en la técnica moderna, paralelamente al motor eléctrico. Estas bombas transmiten la energía al líquido por la rotación del impelente como el de la figura 2.6. El impelente está provisto de una serie de alabes o paletas que son las que transmiten la energía y dirigen la circulación del líquido para lograr la transformación más efectiva de la energía mecánica suministrada por el motor en energía hidráulica, representada por la carga a presión a la salida y el volumen del líquido en circulación.

Figura 2.6: Fotografía de un impelente tipo abierto. Fuente [http://www.sabelotodo.org/aparatos/bombasimpulsion.html].

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Este tipo de bombas consiste esencialmente en un impelente, rodete o rotor, colocado dentro de una caja y dispuesto de tal manera que cuando rota, le transmite energía al líquido bombeado, aumentando la presión y la velocidad del mismo. La caja de la bomba tiene una forma tal que transforma la carga a velocidad (energía en forma de velocidad) a la salida del impelente, en carga a presión a la salida de la bomba, ya que de esta forma el líquido puede vencer mejor la diferencia de nivel y la resistencia que ofrecen las tuberías a la circulación. La acción de bombeo se dice que no es positiva, ya que la carga está limitada por la velocidad en la periferia del impelente, la cual depende del diámetro del rotor y de su velocidad de rotación.

Las bombas de desplazamiento no positivo pueden clasificarse atendiendo al tipo de flujo dentro del impelente y por consiguiente a su forma, en tres grupos principales:

• Bombas de flujo radial o centrífugas.

• Bombas de flujo diagonal o mixto

• Bombas de flujo axial

Generalmente las bombas incluidas en los dos primeros grupos se conocen en el mercado como bombas centrífugas. En comparación con las bombas de desplazamiento positivo, puede decirse que las bombas de desplazamiento no positivo suministran una carga pequeña y una descarga grande.

B.1 BOMBAS CENTRÍFUGAS

Este tipo de bombas, como el de la figura 2.7, reciben el líquido que ha entrado por el tubo de aspiración en dirección axial a través de la parte central u ojo del impelente, y el impelente lo impulsa entonces en dirección radial hacia afuera, absorbiendo el líquido de este modo la energía que producirá a la salida de la bomba la carga a presión correspondiente.

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Figura 2.7: Representación esquemática de una bomba centrífuga. Fuente [http://www.ingenierocivilinfo.com/2011/12/bombas-centrifugas.html].

Los álabes de las bombas centrífugas, están dispuestos en forma radial con el objeto precisamente, de orientar el flujo en esa dirección. Con el objeto de retardar la velocidad del líquido y transformar la carga a velocidad encarga a presión, se sitúan a veces en la caja, alrededor del impelente una serie de paletas fijas, que se conocen con el nombre de paletas directrices o álabes directores, y también como distribuidor o difusor. De este modo se forma una serie de conductos divergentes dentro de la caja. Las bombas centrífugas provistas de difusor se conocen como bombas tipo turbina como se muestra en la figura 2.8.

Figura 2.8: Bomba tipo turbina. Fuente [http://www.tuysa.com/?p=83].

Los impelentes de las bombas centrífugas pueden ser: • Abiertos, si las paletas no tienen paredes laterales.

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21

• Cerrados, si los dos lados del impelente están provistos de paredes que tapen las paletas

Las bombas centrífugas pueden clasificarse por la cantidad de sus impelentes y de acuerdo a la posición de su eje motriz.

• Por la cantidad de su impelente, si tiene un solo impelente se dice que es de una sola etapa. Si tiene dos impelentes dentro de la misma caja y están colocados en serie, se dice que es dedos etapas; si tiene varios impelentes se dice que es de varias etapas o multicelular.

• De acuerdo con la posición de su eje motriz podemos clasificarlas como bombas centrífugas horizontales y bombas centrífugas verticales.

B.1.1 BOMBAS CENTRIFUGAS HORIZONTALES

Las bombas centrífugas horizontales se usan generalmente para aspirar de pozos llanos, casi nunca con el nivel del agua a más de 20 pies (6.1 m) por debajo del centro del impelente, y desde luego con el límite máximo de aspiración que fija la presión atmosférica. Cuando se necesita extraer agua a mayor profundidad se usan bombas centrífugas verticales de pozo profundo.

Cuando las bombas centrífugas se encuentran colocadas por encima del nivel del agua que van a bombear, es necesario, para que puedan trabajar, que el tubo de succión y la bomba, estén completamente llenos del líquido, antes de que la bomba comience a funcionar. Uno de los medios más simples de lograr esto, es el de colocar una válvula de pie en el extremo inferior del tubo de succión, por debajo del nivel del agua.

B.1.2 BOMBAS CENTRIFUGAS VERTICALES

Para extraer el agua cuando se encuentra por debajo del nivel donde se puede extraer con la ayuda de la presión atmosférica (normalmente a profundidades mayores de 20 pies), se usan las bombas centrífugas verticales de pozo profundo. Estas bombas son

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del tipo turbina, y el cuerpo de la bomba, se instala por debajo del nivel del agua. La figura 2.9 nos muestran una bomba centrífuga vertical

Figura 2.9: Bomba centrífuga vertical.

Fuente [http://anuncios.ebay.es/compraventa/bomba-centrifuga-vertical-modelo-espa-multi-35-5n/8427125].

Por las ventajas que significa el montaje vertical en muchos casos, y por el gran desarrollo que ha tenido el diseño de este tipo de bombas, las bombas verticales de pozo profundo se aplican cada día más en trabajos que antes estaban reservados sólo para bombas horizontales.

B.1.2.1 APLICACIONES DE LAS BOMBAS CENTRIFUGAS

El campo de aplicación de las bombas centrifugas es muy amplio y cada día se ensancha más. Esta gran amplitud de posibilidades de aplicación de este tipo de bombas se debe, como ya se indico anteriormente, a varios factores, entre los que se destacan: su gran adaptabilidad a motores eléctricos de alta velocidad y a turbinas de vapor; el número mínimo de partes móviles que las componen, lo que hace que el desgaste sea pequeño; y el bajo costo y tamaño relativamente pequeño de la bomba, en relación con el volumen de líquido que puede manejar.

Las bombas centrífugas resultan elemento indispensable en las instalaciones de abastecimiento de agua para poblaciones, industrias, edificios, etc., en los sistemas de

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riego y drenaje, en los alcantarillados de aguas residuales, en los sistemas de acumulación de las estaciones hidroeléctricas, en los sistemas de alta presión de alimentación de calderas, en las prensas hidráulicas, en la circulación de agua para calefacción, refrigeración o plantas térmicas, y en la impulsión de toda clase de líquidos, ya sean viscosos, corrosivos, jugos de frutas, leche, etc., en las instalaciones industriales.

B.1.3 BOMBAS DE FLUJO DIAGONAL O MIXTO

Se construyen dándole al impelente una forma tal que las paletas ya no quedan dispuestas en forma radial, como se muestra en la figura 2.10, esto se hace, sobre todo cuando el caudal de la bomba es grande y el diámetro del tubo de aspiración también es grande, en relación con el diámetro que debe darse al impelente para producir la carga requerida. Cuando con un impelente de flujo diagonal o mixto se quiere obtener un caudal mayor, en relación con la carga suministrada al fluido, el diseño del impelente se modifica y se produce lo que se conoce como rodete de tipo helicoidal.

Figura 2. 10: Impelente tipo helicoidal.

Fuente [http://anuncios.ebay.es/compraventa/bomba-centrifuga-vertical-modelo-espa-multi-35-5n/8427125]

B.1.4 BOMBAS DE FLUJO AXIAL

Se constituyen cuando la carga de la bomba debe ser aún menor en relación con el caudal, que en los casos anteriores. El impelente de este tipo de bombas está provisto de paletas que inducen el flujo del líquido bombeado en dirección axial. En este tipo de bombas las paletas directrices se colocan en muchas ocasiones antes del impelente.

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Figura 2.11: Corte esquemático de una bomba de flujo axial.

Fuente [http://www.ingenierocivilinfo.com/2011/12/bombas-de-flujo-axial.html].

Estas bombas se usan para manejar grandes caudales de líquido contra cargas de bombeo relativamente pequeñas, y en ellas, no se puede hablar de fuerza centrífuga en la transmisión de energía a la corriente. La figura 2.11 muestra el esquema de una bomba de flujo axial.

De lo descrito se realiza la tabla 2.1, en la que se determina que el tipo de bomba con mayor ventaja es la del tipo centrífuga de la familia de bombas rotodinámicas. Se aprecia que las ventajas son muy superiores a las bombas de la familia volumétricas en número de partes, tamaños, potencias y aplicaciones.

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25

Tabla 2.1: Tabla de comparación de bombas Volumétricas y Rotodinámicas. [Fuente: Propia]

Luego de haber realizado el estudio de los diferentes tipos de bombas, será necesario determinar el motor que en conjunto con la bomba permitirán el traslado del agua. La relación existente entre estos dispositivos es su dimensión.

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(4) Donde:

• HP = Potencia de la bomba en caballos de fuerza. • Q = Capacidad de la bomba.

• ADT = Carga total de la bomba.

• n= Eficiencia de la bomba, que a los efectos teóricos se estima en un 60%. Los motores eléctricos que accionan las bombas deberán tener una potencia normal según el HP de la bomba.

HP (motor) = 1.3*HP (bomba) para motores trifásicos Ó

HP (motor) = 1.5*HP (bomba) para motores monofásicos

Al ser nuestra fuente un suministro de energía de corriente alterna, se detalla a continuación la teoría necesaria para comprender el funcionamiento de los motores eléctricos de corriente alterna.

2.1.2 MOTORES ELÉCTRICOS DE CORRIENTE ALTERNA.

Los motores desempeñan un papel importante proporcionando potencia para distintos tipos de aplicaciones: industriales, comerciales y domésticas. Su enorme versatilidad y economía de operación prácticamente hacen que sea inigualable por alguna otra forma de potencia para movimiento.

En la presente tesis, no estudiaremos a detalle la composición ni los principios físicos que gobiernan el funcionamiento de un motor debido a que no es parte de la tesis. El

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estudio e investigación se orienta al control automatizado mediante dispositivos electrónicos que permitan integrarlos a un sistema de control.

2.1.2.1 CONTROL DE MOTORES ELÉCTRICOS

Un sistema de velocidad variable moderno es un sistema capaz de convertir la energía eléctrica en energía mecánica manteniendo controlado el proceso de conversión.

El equipo capaz de lograr que este sistema opere es el variador electrónico (CF) de velocidad, llamado comúnmente drive. Este equipo esta compuesto por dispositivos de potencia que controlan el arranque y paro de manera suave de los motores.

Mediante la variación de la frecuencia se consigue la variación de velocidad del motor según la ecuación 5. (5) Donde: • nS : Velocidad sincrónica • f : Frecuencia aplicada • p : Número de polos 2.1.2.2 AUTOMATIZACIÓN:

Además del control de la velocidad del motor, un CF tiene las bondades necesarias para poder ser controlada por sistemas de control superiores y así ejecutar acciones basadas en órdenes externas. Actualmente, en la mayoría de variadores, los fabricantes incorporan microautómatas programables los que permiten controlar dispositivos externos a través de salidas a relé como salidas además de contar también con entradas digitales y en algunos casos analógicas.

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En la mayoría de casos, estos equipos también cuentan con puertos de comunicación ModBus RS-485 y en algunos modelos opcionales: Profibus-DP, DeviceNet y CanOpen, la figura 2.12 representa las conexiones de un variador electrónico de la marca DELTA.

Figura 2. 12: Representación de variador de velocidad marca DELTA.

Fuente [http://www.mecmod.com/fotos/366/Delta%20VFD-E_EL%202009%20MecMod.pdf].

2.1.2.3 SELECCIÓN:

Seleccionar el tipo, modelo y potencia del variador depende directamente del tipo de carga a controlar. Las cargas son clasificadas dependiendo del comportamiento de su torque en función de la velocidad.

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En la tabla 2.2, se determina los tipos de torques y sus aplicaciones.

Tabla 2.2: Tipos de Torque y aplicaciones. [Fuente: Propia]

Para efectos de motor y variador, la mayoría de aplicaciones son consideradas como cargas de torque constante, mientras que sólo las bombas de agua potable y ventiladores son considerados como torque cuadrático.

La mayoría de CF ofrecidos en el mercado nacional, son capaces de variar la frecuencia en un rango de 0.1Hz a 200Hz. En muchos procesos, el limitante no es el drive, sino el motor, el sistema de transmisión e inclusive el proceso mismo. Algunas cargas no soportan la velocidad del motor en todo el rango que el drive puede operar. Normalmente en este tipo de situaciones las acciones a tomar son cambios mecánicos en las máquinas.

2.1.2.4 RANGO DE VARIACIÓN DE VELOCIDAD.

Cuanto mayor sea el rango de variación, se debe tener mayor cuidado con el motor. El motor estándar debajo del 50% de su velocidad nominal, reduce la capacidad de su refrigeración debido a que se disminuye el caudal del aire: si la carga es de torque constante, muy posible será necesario un medio de ventilación externo independiente de su eje. Debajo de los 10% de su velocidad nominal, el torque producido por el conjunto drive – motor, se ve reducido en drivers convencionales que sólo ofrecen control escalar. Los CF que ofrecen tecnología más avanzada, ofrecen control vectorial, mediante el cual el CF sabe por cálculo o medición directa la necesidad de torque dependiendo el requerimiento de la carga.

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2.1.2.5 VELOCIDAD VARIABLE EN SISTEMAS DE BOMBEO

En un sistema de bombeo, los sistemas de velocidad variable pueden aplicarse en aquellos sistemas en donde se requiere regular el flujo a diferentes cargas. Una adecuada selección del tipo o forma de regulación, conlleva a un gran potencial de ahorro. Los métodos de regulación del caudal se obtiene mediante:

• Modificación de la curva presión-caudal del sistema sobre el que trabaja la bomba.

• Modificación de la curva presión-caudal de la bomba.

• Modificación simultánea de ambas características (sistema y bomba). • Arranque o paro de la bomba.

A. Modificación de la curva del sistema sobre el que trabaja la bomba.

Éste es el método más utilizado, se trata en esencia de regular el flujo mediante la actuación de una o más válvulas, de tal forma que se modifique la curva de comportamiento del sistema de conducción, la figura 2.13 representa el esquema de un sistema con válvula de control.

Figura 2.13: Representación de un sistema de regulación de flujo mediante la acción de una válvula. Fuente

[http://www.watergymex.org/contenidos/rtecnicos/Curso%20basico%20de%20Variadores%20de%20Velocidad.pdf].

Al estrangular la válvula de control para reducir el gasto de Q1, a Q2, la curva del sistema cambia de la curva 1a la curva 2, y la carga se ve incrementada de H1 a H2, esto puede verse en la figura 2.14.

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Figura 2.14: Modificación de curva del Sistema. Fuente

[http://www.watergymex.org/contenidos/rtecnicos/Curso%20basico%20de%20Variadores%20de%20Velocidad.pdf].

Resultando una potencia hidráulica:

Ph2 = Q2 x H2 (6) B. Modificación de la curva de la bomba.

Otra alternativa de control, consiste en variar la curva “Carga-Capacidad”, de la bomba. Esto se logra, variando la velocidad de operación de la bomba. En la figura 2.15 se observa que al variar la velocidad de la bomba de N1 a N2, se pasa de un gasto Q1 a un gasto Q2 sin incrementar la carga, por el contrario, la nueva carga H2’, es menor a la carga inicial H1 y mucho menor a la que se obtendría con la válvula de estrangulación H2.

En este caso, la potencia hidráulica será:

Ph2’ = Q2 x H2’ (7) La potencia Ph2’ es menor que Ph2

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Figura 2.15: Modificación de la curva de la bomba. Fuente

[http://www.watergymex.org/contenidos/rtecnicos/Curso%20basico%20de%20Variadores%20de%20Velocidad.pdf].

C. Modificación simultánea de las curvas del sistema y la bomba

Uno de las casos más frecuentes es aquel en donde por requerimientos del proceso, la curva “Carga-Capacidad” del sistema varía, debido a que en el sistema existen varios usuarios y cada uno de ellos demanda más o menos gasto como función de sus propias necesidades. Esto, visto desde la bomba, representa variaciones en la curva del sistema, por lo que continuamente varía el gasto y la carga.

El sistema de control que garantice el mismo gasto a los usuarios a pesar de que algún otro usuario haya cambiado su régimen de demanda, lo encontramos en la variación de la curva de la bomba, simultáneamente con la variación de la curva del sistema, de manera tal que se mantenga la carga del sistema en cualquier condición de operación. La figura 2.16 ilustra el proceso.

Se aprecia como ante una variación de la curva del sistema, el control ajusta la velocidad de la bomba para mantener la carga H1, y suministrar el gasto Q2 que el sistema realmente está demandando. La potencia hidráulica en este caso es:

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Figura 2. 16: Modificación Simultánea de las Curvas del Sistema y la Bomba. Fuente

[http://www.watergymex.org/contenidos/rtecnicos/Curso%20basico%20de%20Variadores%20de%20Velocidad.pdf].

II.2.5.4 Arranque y Paro de la Bomba.

Este es un sistema muy conveniente cuando se cuenta con un acumulador, tal como hidroneumático o tanque elevado. Así la bomba operará con válvula de descarga siempre abierta y cuando se halla llegado a la presión nominal en el hidroneumático o al nivel alto en el tanque elevado, la bomba parará, para volver a arrancar cuando la presión o el nivel, según el caso, llegue a nivel bajo.

El sistema es energéticamente eficiente. Tiene la limitante de que necesita del acumulador, y no siempre es posible contar con él.

D. Leyes de Afinidad.

Las bombas centrífugas se comportan de acuerdo a las leyes de afinidad, las cuales se ilustran en la figura 2.17.

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Figura 2. 17: Curvas de leyes de afinidad en Bombas Centrifugas. Fuente

[http://www.watergymex.org/contenidos/rtecnicos/Curso%20basico%20de%20Variadores%20de%20Velocidad.pdf].

Las leyes de afinidad nos indican que:

• El flujo tiene un comportamiento lineal con la velocidad.

• La presión tiene un comportamiento cuadrático con la velocidad.

• La potencia de entrada tiene un comportamiento cúbico con la velocidad. Matemáticamente.

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2.1.3 PROGRAMACIÓN DEL PLC

Cuando se habla de lenguaje de programación, se refiere a las distintas formas que se puede escribir un programa.

En los PLC´s, los software actuales permiten traducir el programa de un tipo de lenguaje a otro, de esta manera es irrelevante el tipo de lenguaje utilizado para el desarrollo de un programa.

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• Mnemónico o Lista de Instrucciones. • Esquema de contactos o diagrama escalera. • Esquema funcional.

Los lenguajes más empleados en la actualidad son, el mnemónico y el esquema de contactos.

A. DIAGRAMA DE CONTACTOS (LADDER)

El lenguaje ladder (escalera en inglés), es un lenguaje gráfico derivado del lenguaje de relés, semejante al diagrama que se utiliza para la documentación de circuito eléctricos de máquinas. Mediante símbolos como los que se muestran en la figura 2.18, es posible representar contactos, bobinas, etc. Su principal ventaja es que los símbolos están normalizados bajo el estándar IEC y son empleados por todos los fabricantes.

Figura 2. 18: Símbolos básicos del lenguaje de programación LADDER. Fuente [Instrumentación y Comunicaciones Industriales / FI-UNLP].

Es importante precisar que en estos diagramas, la línea vertical a la izquierda representa un conductor con tensión, y la línea vertical a la derecha representa tierra además que el programa se realiza de forma secuencial, siguiendo el orden en que los rungs (escalones) fueron escritos.

El flujo de la señal es de manera secuencial, siempre de izquierda a derecha y de arriba abajo.

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Los elementos que forman parte del diseño de un determinado “escalón”, son variables lógicas o binarias que provienen de las entradas del PLC o relés internos del mismo.

En la programación LADDER, estos elementos sólo pueden estar en dos estados: abierto o cerrado, presente o ausente, y 1 ó 0 como se muestra en la figura 2.19.

Figura 2. 19: Permutación de Estados.

Fuente [Instrumentación y Comunicaciones Industriales / FI-UNLP].

Las salidas son equivalentes a las cargas (bobinas de relés, lámparas, etc.) de un circuito eléctrico, es posible conectar más de una salida en paralelo. A las salidas del PLC no sólo se consideran como salidas que el equipo provee físicamente hacia el exterior, sino también las que se indican como “Relés Internos”. Los relés internos, son simplemente variables lógicas que se utilizan para memorizar estados o como acumuladores de resultados que se utilizaran posteriormente en el programa.

La representación depende de cada fabricante, siendo la representación de la figura 2.20 una de las más utilizadas.

Figura 2. 20: Representación de una salida en LADDER. Fuente [Instrumentación y Comunicaciones Industriales / FI-UNLP].

A.2 FUNCIONES LÓGICAS COMPLEJAS.

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37 • Temporizadores.

• Contadores.

• Registro de desplazamiento.

• Se representan en formato de bloques.

Estos no se encuentran normalizados, aunque guardan una gran similitud entre sí para distintos fabricantes.

A.2.1 TEMPORIZADORES.

Estos bloques cada vez que alcanzan un valor de tiempo determinado por el usuario, activan un contacto interno.

Estos bloques trabajan con condiciones para el arranque, que como cualquier otro renglón del LADDER, pueden tener uno o varios contactos en serie, en paralelo, normalmente abiertos o normalmente cerrados.

La figura 2.21 muestra dos temporizadores, ascendente y descendente.

Figura 2. 21: Temporizadores ascendente y descendente. Fuente [Programación en Escalera – Rodrigo A. Musalem].

Entre los tipos de temporizadores se pueden citar: • SE con retardo a la conexión.

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• SI mientras mantenemos conectada la señal SET, la salida estará activada durante la constante de tiempo asignada.

• SV mantiene la salida activada durante la constante de tiempo asignado.

A.2.2 CONTADORES.

Se pueden definir como posiciones de memoria que almacena un valor numérico que puede decrementarse o incrementarse según su configuración, permiten reemplazar programadores a leva y realizar funciones que de otra forma resultarían complicadas. Estos bloques también necesitan un valor prefijado como meta o PRESET que es programable y que mantienen activo o desactivo al contador según sea el caso.

El tipo más común de contador es el ascendente, en el que el estado inicial es: cuenta cero con la salida desactivada. Al ir recibiendo en la entrada pulsos la cuenta se va incrementando manteniendo la salida desactivada hasta alcanzar el valor prefijado por el usuario. También se encuentran los contadores descendentes, que al igual a los anteriores decrementan su valor hasta cero, momento en el que permuta el estado de la salida.

Estos bloques cuentan con un pin de PRESET que permite reiniciar los valores de cuenta hasta los iníciales configurados por el usuario, la figura 2.22 muestra dos contadores.

Figura 2. 22: Contador ascendente y descendente. Fuente [Programación en Escalera – Rodrigo A. Musalem].

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A.3 OPERACIONES ARITMÉTICAS

Los PLC´s también presentan el uso de operaciones aritméticas como sumas, restas, comparaciones, multiplicaciones, divisiones, desplazamientos de bits, entre otras, la figura 2.23 representa la operación aritmética suma. Todas ellas utilizan valores contenidos en registros de memoria referenciados a contadores, entradas, salidas, temporizadores y demás. Las funciones matemáticas son usadas especialmente para la manipulación de variables analógicas. Las operaciones aritméticas con números enteros son representadas por cajas (Boxes) en las que se indica la operación a efectuar y los operandos. El funcionamiento sigue las reglas generales del diagrama de contactos, cuando se cierra el contacto se realiza la operación.

Figura 2. 23: Representación de Operador Aritmético Suma. Fuente [Programación en Escalera – Rodrigo A. Musalem].

2.2 ESTADO DEL ARTE.

En muchos procesos industriales, el control de un sistema es realizado por un operario, quien decide el momento en manipular las variables para alcanzar una proceso continuo y eficiente.

Existen métodos y estrategias para realizar la acción de control, los primeros permiten corregir el error mediante señales que permiten orientar la salida a un valor deseado, y los segundos, hacen que el sistema sea eficiente a la labor de control ahorrando recursos y tiempo.

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40

De esta manera, las exigencias de la industria han necesitado de nuevos y más complejos procesos, que hacen que el control cada vez sea más complejo e incluso los lugares más inhóspitos para una persona.

Frente a esta necesidad, surge la automatización y los sistemas de control como una solución. La automatización consiste de un sistema de control automático, por el cual el sistema revisa su propio funcionamiento, sensando y corrigiendo constantemente el resultado de un proceso sin ser necesario la intervención del operario.

La automatización de un sistema de cloración permite mejorar el proceso además de aumentar su confiabilidad, la automatización debe considerar todos los posibles estados en las que puede encontrarse las máquinas y equipos.

A continuación se presentan algunos trabajos desarrollados en el campo del control y automatización de sistemas de cloración.

• En el trabajo Planta de tratamiento de aguas residuales de Marsh Creek en

Geneva, New York.

En este trabajo, se logró el cumplimiento con estrictos requisitos estatales para el cloro residual y los coliformes fecales mediante la adopción de una nueva estrategia de control de la cloración. Se realizó una estrategia para hacer el monitoreo de la demanda cambiante de cloro de planta y para suministrar el cloro requerido mediante la medición del potencial del óxido-reducción REDOX.

El sistema de control, hacía mediciones de la demanda de cloro y regulaba el suministro de cloro para obtener y mantener los parámetros establecidos para os puntos del REDOX. El sistema fue calibrado para mantener un límite de control total entre 0.2 y 0.1 mg/L

Se instaló un electrodo localizado a unos 300 pies aguas arriba del punto de inyección, el cual proporcionaba las mediciones del REDOX, las cuales eran convertidas a una señal de 4 a 20mA. Esta señal era utilizada para regular el

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controlador y hacer coincidir la tasa de alimentación con la demanda del cloro cambiante en el sistema

La planta de tratamiento logró de esa manera cumplir con los límites de coliformes fecales y mantener en el efluente un residuo de cloro de menos de 0.25 mg/L. Además de permitir el cumplimiento con los límites de descarga, la planta logró reducir de forma significativa el costo del consumo de cloro. Durante el periodo de estudio se calculó que el sistema de control de PR podría pagarse en aproximadamente 30 meses debido a la reducción del costo del consumo de cloro.

• En el trabajo Planta de aguas residuales del Distrito de Servicios

Municipales de la Bahía Este en Oakland, California

En este trabajo, el East Bay Municipal Utility District en Oakland, California era propietario y operador de una planta de aguas residuales con un caudal de diseño de 310 millones de galones por día (mgd) en la cual la cloración y descloración eran componentes requeridos del proceso de tratamiento. Dado este requisito, el optimizar el sistema de descloración era un punto crítico para cumplir con el límite de cero descargas de cloro residual durante periodos de operación de tiempo seco y con lluvias según lo requerido en el permiso federal de descarga (National Pollution Discharge Elimination System)

Un sistema de bisulfito de sodio (SBS) fue añadido como respaldo a las operaciones de descloración. Este sistema tuvo muy buen desempeño y permitió que la planta cumpliera con los requisitos del permiso. Este sistema es similar a una instalación de dosificación química compuesta de un sistema de almacenamiento, una bomba de suministro, un sistema de medición, una válvula de control y un mecanismo de inyección.

El sistema SBS se programó para iniciar su operación a una concentración calculada de SO2 de 1.5 mg/L. También se programó para iniciar su operación cuando el suministro de SO2 era desconectado en forma automática por el

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sistema de detección de fugas de SO2, o durante la operación en periodos de lluvia, cuando la demanda de SO2 podía exceder la capacidad del sistema de SO2.

La planta de tratamiento también requería optimizar la utilización de compuestos químicos debido al incremento continuo del costo de los mismos. La dosis original de cloro era de 15 mg/L, de los cuales 5 a 6 mg/L eran consumidos y 9 a 10 mg/L permanecían como cloro residual. El residuo de cloro pudo entonces ser reducido gradualmente desde valores de 9 a 10 mg/L hasta un rango de 3 a 5 mg/L sin que se afectara el cumplimiento con los requisitos del permiso de descarga. Además de una reducción en el uso de cloro, esto también dio como resultado un menor consumo de SO2.

Al adoptar una estrategia con un mayor enfoque en el control de costos mediante la optimización de procesos, la planta logró reducir el costo de abastecimiento de substancias químicas en más del 30 por ciento.

• En el trabajo Sistema de control basado en autómatas programables de la

red de distribución de agua potable Troncoso

En este trabajo, los autores utilizan un control override, con la finalidad de poder controlar de manera efectiva procesos con valores de operación próximos al máximo permisible, actuando como limitador de dos variables, es decir, trabajar a presión constante con limitación protectora de presión.

El sistema desarrolla el control de tres variables que denominan las operaciones de bombeo: fuljo de agua, presión en la entrada conductora y corriente eléctrica consumida por el motor de la bomba.

El sistema está compuesto por dos algoritmos PID antiwindup saturables, actuando sobre un único órgano de acción final, el variador de velocidad, con lo que se pretende conseguir que la presión y el flujo sea constante.

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