Comisión Nacional del Agua
MANUAL DE AGUA POTABLE, ALCANTARILLADO Y SANEAMIENTO
DISEÑO DE INSTALACIONES MECANICAS
Diciembre de 2007
www.cna.gob.mx
ADVERTENCIA
Se autoriza la reproducción sin alteraciones del material contenido en esta obra, sin fines de lucro y citando la fuente. Esta publicación forma parte de los productos generados por la Subdirección General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento, cuyo cuidado editorial estuvo a cargo de la Gerencia de Cuencas Transfronterizas de la Comisión Nacional del Agua.
Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento. Edición 2007 ISBN: 978-968-817-880-5
Autor: Comisión Nacional del Agua Insurgentes Sur No. 2416 Col. Copilco El Bajo C.P. 04340, Coyoacán, México, D.F. Tel. (55) 5174-4000 www.cna.gob.mx Editor: Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales Boulevard Adolfo Ruiz Cortines No. 4209 Col. Jardines de la Montaña, C.P 14210, Tlalpan, México, D.F.
Impreso en México Distribución gratuita. Prohibida su venta.
Comisión Nacional del Agua Ing. José Luis Luege Tamargo Director General Ing. Marco Antonio Velázquez Holguín Coordinador de Asesores de la Dirección General Ing. Raúl Alberto Navarro Garza Subdirector General de Administración Lic. Roberto Anaya Moreno Subdirector General de Administración del Agua Ing. José Ramón Ardavín Ituarte Subdirector General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento Ing. Sergio Soto Priante Subdirector General de Infraestructura Hidroagrícola Lic. Jesús Becerra Pedrote Subdirector General Jurídico Ing. José Antonio Rodríguez Tirado Subdirector General de Programación Dr. Felipe Ignacio Arreguín Cortés Subdirector General Técnico Lic. René Francisco Bolio Halloran Coordinador General de Atención de Emergencias y Consejos de Cuenca M.C.C. Heidi Storsberg Montes Coordinadora General de Atención Institucional, Comunicación y Cultura del Agua Lic. Mario Alberto Rodríguez Pérez Coordinador General de Revisión y Liquidación Fiscal Dr. Michel Rosengaus Moshinsky Coordinador General del Servicio Meteorológico Nacional C. Rafael Reyes Guerra Titular del Órgano Interno de Control Responsable de la publicación: Subdirección General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento Coordinador a cargo del proyecto: Ing. Eduardo Martínez Oliver Subgerente de Normalización La Comisión Nacional del Agua contrató la Edición 2007 de los Manuales con el INSTITUTO MEXICANO DE TECNOLOGÍA DEL AGUA según convenio CNA-IMTA-SGT-GINT-001-2007 (Proyecto HC0758.3) del 2 de julio de 2007 Participaron: Dr. Velitchko G. Tzatchkov M. I. Ignacio A. Caldiño Villagómez
CONTENIDO CAPITULO 1 CÁLCULO DE LA CARGA DE BOMBEO Y DE LA POTENCIA HIDRAULICA 1. GENERALIDADES .................................................................................................... 1 1.1 DEFINICIÓN DE UN EQUIPO DE BOMBEO..................................…………. ...... 1 1.2 CLASIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN GENERAL DE LAS BOMBAS ..... ………... 1 1.3 CLASIFICACIÓN DE BOMBAS CENTRÍFUGAS..................................…………. 3 1.4 TIPOS DE BOMBAS CENTRÍFUGAS .................................................... ………... 4 2. CÁLCULO DE LA CARGA DE BOMBEO................................................................. 5 2.1 CARGA DINÁMICA TOTAL (CDT)..................................…………. ...................... 5 2.2 PÉRDIDAS DE CARGA EN TUBERÍAS ................................................. ………... 7 3. PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO.......................................................................... 12 4. CÁLCULO DE LA CARGA DE BOMBEO ............................................................... 13 4.1 CARGA DINÁMICA TOTAL (CDT)..................................…………. .................... 13 CAPITULO 2 TRAZO DE LA CURVA DEL SISTEMA Y COMPORTAMIENTO DE LAS BOMBAS 2. TRAZO DE LA CURVA DEL SISTEMA .................................................................. 17 2.1 OBTENCION DE LOS PUNTOS DE LA CURVA..................................………….17 2.2 COMPORTAMIENTO DE BOMBAS CENTRÍFUGAS .......................... ………...21 2.3 BIBLIOGRAFÍA..................................…………. .................................................... 33 CAPITULO 3 CÁLCULO DEL EMPUJE AXIAL EN BOMBAS VERTICALES 3. INTRODUCCIÓN..................................................................................................... 35 3.1 CÁLCULO DEL EMPUJE AXIAL..................................………….......................... 35 3.2 BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................... ………...37 CAPITULO 4 DISEÑO DE ACCESORIOS DE TUBERíA 4. OBJETIVO ............................................................................................................... 39 4.1 INTRODUCCIÓN..................................………….................................................. 39 4.2 DESARROLLO ........................................................................................ ………...39 4.3 EJEMPLOS DE CALCULO..................................…………. ................................. 71 4.4 REFERENCIAS ....................................................................................... ………...79 CAPITULO 5 DISEÑO DE CARCAMOS DE BOMBEO 5. OBJETIVO ............................................................................................................... 81 5.1 INTRODUCCIÓN..................................………….................................................. 82 5.2 DATOS BASICOS ................................................................................... ………...82 5.3 HIDRAULICA DE LOS CARCAMOS..................................…………. .................. 97 5.4 DIMENSIONAMIENTO DE CARCAMOS .............................................………...108 5.5 EJEMPLOS DE APLICACION..................................…………. .......................... 125
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CAPITULO 6 DISEÑO DE COMPUERTAS Y REJILLAS 6. OBJETIVO ............................................................................................................. 149 6.1 REJILLAS..................................…………............................................................ 149 6.2 COMPUERTAS .....................................................................................………...173 6.3 BIBLIOGRAFÍA..................................…………. .................................................. 209 CAPITULO 7 INSTRUMENTOS Y VÁLVULAS 7.1 INTRODUCCIÓN..................................…………................................................ 211 7.2 MEDIDORES DE PRESIÓN TIPO BOURDON "C”.............................. ………...211 7.3 MEDIDORES DE FLUJO..................................…………. .................................. 224 7.4 INDICADORES DE NIVEL..................................…………. ................................ 295 7.5 VÁLVULAS............................................................................................. ………...327 7.6 ACTUADORES PARA VÁLVULAS..................................………….................... 380 CAPITULO 8 EQUIPO DE MANIOBRAS Y MANTENIMIENTO INTRODUCCIÓN..................................…………. ..................................................... 393 8.1 OBJETIVO Y ALCANCES.....................................................................………...393 8.2 DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN..................................…………....................... 394 8.3 GRUAS Y SUS APLICACIONES ..................................…………. ..................... 398 8.4 CARROS PORTANTES (TROLES) Y SUS APLICACIONES.............. ………...417 8.5 POLIPASTOS Y SUS APLICACIONES..................................…………............. 419 SECCIÓN 1: PROYECTO MECÁNICO……………………………………………….416 APÉNDICE ¨ A ¨: EJEMPLOS DE APLICACIÓN……………………………………424 APÉNDICE ¨ B ¨ TERMINOLOGÍA Y NOMENCLATURA DE LAS BOMBAS…...446
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CONTENIDO CAPITULO 1. CALCULO DE LA CARGA DE BOMBEO Y DE LA POTENCIA HIDRAULICA 1. GENERALIDADES........................................................................................................1 1.1 DEFINICIÓN DE UN EQUIPO DE BOMBEO .............................................................1 1.2 CLASIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN GENERAL DE LAS BOMBAS. .........................1 1.3 CLASIFICACIÓN DE BOMBAS CENTRÍFUGAS .......................................................3 1.4 TIPOS DE BOMBAS CENTRÍFUGAS ........................................................................4 1.4.1 Bombas con impulsor en voladizo ............................................................................4 1.4.2 Bombas con impulsor entre rodamientos .................................................................4 1.4.3 Bombas tipo turbina ..................................................................................................4 2. CÁLCULO DE LA CARGA DE BOMBEO. ..................................................................5 2.1 CARGA DINÁMICA TOTAL (CDT). .............................................................................5 2.2 PÉRDIDAS DE CARGA EN TUBERÍAS .....................................................................7 2.2.1 Pérdidas primarias ....................................................................................................7 2.2.2 Pérdidas secundarias..............................................................................................11 3. PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO .............................................................................12 4. CÁLCULO DE LA POTENCIA HIDRÁULICA (WHP) Y DE LA POTENCIA AL FRENO (BHP)..................................................................................................................13 4.1 POTENCIA DEL ACCIONADOR ...............................................................................13
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CAPITULO 1 CALCULO DE LA CARGA DE BOMBEO Y DE LA POTENCIA HIDRÁULICA. 1. GENERALIDADES 1.1 DEFINICIÓN DE UN EQUIPO DE BOMBEO Un equipo de bombeo consiste de dos elementos, una bomba y su accionador el cual puede ser un motor eléctrico,' motor de combustión interna, etc. El accionador entrega energía mecánica y la bomba la convierte en energía cinética que un fluido adquiere en forma de presión, de posición y de velocidad. Como un ejemplo de esta adición de energía al fluido mencionaremos el uso de algunos equipos de bombeo en los servicios específicos siguientes: Un equipo de bombeo de pozo profundo se utiliza para cambiar la posición del agua que se encuentra en el subsuelo para que salga a la superficie. Un equipo de bombeo de transporte (Pipe-Iine) se utiliza para adicionar energía de presión al fluido, que se utiliza para poder vencer las pérdidas de fricción que se tienen en la conducción, esto se da en donde las elevaciones, así como los diámetros de tubería y las velocidades del fluido son iguales. En la mayoría de las aplicaciones de los equipos de bombeo en que se trabajan con presiones y elevaciones iguales, generalmente estos adicionan energía de velocidad. 1.2 CLASIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN GENERAL DE LAS BOMBAS. Las bombas se clasifican con base en una gran cantidad de criterios, que van desde sus aplicaciones, materiales de construcción, hasta su configuración mecánica. Un criterio básico que incluye una clasificación general, es el que se basa en el principio por el cual se adiciona energía al fluido. Bajo este criterio las bombas pueden dividirse en dos grandes grupos; Dinámicas y de Desplazamiento positivo. a) Dinámicas. Bombas a las que se agrega energía continuamente, para incrementar la velocidad del fluido dentro de la bomba a valores mayores de los que existen en la succión, de manera que la subsecuente reducción de velocidad dentro ó más allá de la bomba, produce un incremento en la presión. b) De desplazamiento positivo. Bombas en las cuales se agrega energía periódicamente mediante la aplicación de fuerza a uno o más elementos móviles para desplazar un número deseado de volúmenes de fluido, lo que resulta en un incremento directo en la presión. La Figura 1.1 muestra la clasificación general de las bombas, dividida en los dos grandes grupos arriba indicados. En la figura 1.2 se muestra una clasificación de las
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bombas para manejo de aguas residuales, tomando en consideración su aplicación práctica en los organismos operadores del agua en nuestro país.
Figura 1.1 Clasificación general de las bombas
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Figura 1.2 Clasificación de las bombas para manejo de aguas residuales
1.3 CLASIFICACIÓN DE BOMBAS CENTRÍFUGAS Las bombas centrífugas se clasifican de acuerdo a la trayectoria del fluido en el interior del impulsor en: flujo radial, flujo axial y flujo mixto. a) Flujo radial. El movimiento del fluido se inicia en un plano paralelo al eje de giro del impulsor de la bomba y termina en un plano perpendicular a éste. Éstas bombas Pueden ser horizontales o verticales. b) Flujo axial. La dirección del fluido en el impulsor es en forma axial y alrededor del eje de giro del impulsor de la bomba, sin tener cambios de dirección. Éstas bombas desarrollan su carga por la acción de un impulso o elevación de los alabes sobre el líquido y usualmente son bombas verticales de un solo paso.
3
c) Flujo mixto. El movimiento del fluido dentro del impulsor se desarrolla en tres direcciones, tangencial, radial y axial al eje de giro del impulsor de la bomba. Éstas bombas desarrollan su carga parcialmente por fuerza centrifuga y parcialmente por el impulso de los alabes sobre el líquido. 1.4 TIPOS DE BOMBAS CENTRÍFUGAS 1.4.1 Bombas con impulsor en voladizo En estas bombas el impulsor es montado en el extremo de la flecha, trasmitiendo en su operación una fuerza y un momento en cantiliver sobre el (los) rodamientos de la bomba. 1.4.2 Bombas con impulsor entre rodamientos En estos equipos los rodamientos están situados en los extremos, los cuales soportan la flecha con el impulsor o impulsores, según sea de un paso o multipaso respectivamente. 1.4.3 Bombas tipo turbina Es una bomba vertical para servicio en pozos o cárcamos, donde el nivel del líquido sobrepasa la altura de succión de las bombas horizontales. Éstas bombas por lo general se construyen con lubricación por aceite, o por el mismo fluido bombeado (auto lubricadas) con tazones y difusores lo cual la hacen conveniente para construcciones multietapas.
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2. CÁLCULO DE LA CARGA DE BOMBEO. El cálculo de la carga total de bombeo consiste en determinarla energía requerida para impulsar el líquido desde el nivel de succión hasta el nivel de descarga, venciendo la resistencia que ofrecen la tubería y los accesorios, al paso del fluido. 2.1 CARGA DINÁMICA TOTAL (CDT). La carga dinámica total de bombeo se define como la suma total de resistencias del sistema, correspondientes a la carga estática total, a la pérdida de carga por fricción en la tubería de succión y descarga y a la carga de velocidad.
CDT = He + Hf + Hv
(2.1)
Para determinar la carga dinámica total del sistema, se hace uso de la ecuación de Bernoulli, y que aplicada a un sistema de bombeo como el mostrado en la figura 1-3. se tiene la siguiente expresión: p1
2
V1 2g
hs
CDT
Hf1
P2 2
2
V2 2g
hd
(2.2)
donde: P1 y P2 : Presión sobre la superficie del líquido en los puntos 1 y 2 respectivamente. VI y V2 : Velocidad que experimenta el fluido en los puntos 1 y 2 respectivamente. hs y hd : Alturas de succión y descarga respectivamente. CDT :Carga dinámica total que la bomba tiene que desarrollar para conducir el fluido del depósito 1 al depósito 2 a la capacidad determinada. H f1 –2 : Pérdidas totales de carga que el líquido experimenta en la tubería de succión y descarga. : Densidad del fluido a la temperatura de bombeo. g : Aceleración debido a la gravedad. De la ecuación anterior tenemos que la carga dinámica total será: CDT
p2
p1
( hd
hs ) H f 1
V2 2
2
2
V1 2g
5
(2.3)
Figura 1.3 Parámetros para determinar la carga dinámica total del sistema de bombeo En sistemas atmosféricos Pl = P2 y para fines prácticos se considera la velocidad de succión despreciable, por lo que tenemos: Para sistemas con carga de succión 2
CDT
( hd
hs ) H f 1
V2 2g
2
6
(2.4)
Para sistemas con altura de succión 2
CDT
( hd
hs ) H f 1
V2 2g
2
(2.5)
Nota: los componentes de la carga dinámica total (carga estática, pérdidas por fricción y carga de velocidad) se describen en el apéndice "b”.
2.2 PÉRDIDAS DE CARGA EN TUBERÍAS Las pérdidas de carga en tuberías están compuestas por las pérdidas primarias y las pérdidas secundarias. 2.2.1 Pérdidas primarias Estas son ocasionadas por el rozamiento que el fluido experimenta con la pared de la tubería por la que circula y al roce de las partículas entre sí. En la determinación de este tipo de pérdidas juegan un papel importante los factores siguientes: a) El tipo de material y el acabado interno de la tubería, ya sea liso o rugoso. b) El régimen en que se maneja el flujo del fluido si es laminar o turbulento. Un parámetro muy importante en la determinación del tipo de régimen del flujo del fluido es el número de Reynolds, el cual involucra la velocidad, la viscosidad del fluido y el diámetro interno de la tubería. El número de Reynolds, se calcula por medio de la siguiente expresión: vd R
(2.6)
donde: v= Velocidad promedio del fluido en la tubería (m/s). d= Diámetro interno de la tubería (m). n= Viscosidad cinemática en (m2/s) . Tipos de régimen de flujo: a) El régimen laminar se presenta con números de Reynolds inferiores a 2000. b) Una zona llamada crítica, comprendida entre los números de Reynolds de 2000 < R < 4000. c) Un área designada de transición cuyos limites están comprendidos entre 4000 < R < 11000. 7
d) El régimen de flujo turbulento se presenta con números de Reynolds superiores a 11000. Para estimar las pérdidas primarias es necesario contar con los datos de rugosidad absoluta y el diámetro interno de la tubería. Con estos datos se calcula el valor de la rugosidad relativa por medio de la siguiente expresión: Rugosidad relativa =
d
(2.7)
donde: = Rugosidad absoluta (mm). d= Diámetro interno (mm) Con los valores del número de Reynolds y la rugosidad relativa, .(Figura 1.5a) se determina el coeficiente de rozamiento en el diagrama de Moody, figura 1.5. Este coeficiente es útil para determinar las pérdidas primarias por medio de la ecuación de Darcy Weisbach: L V2 hf f (2.8) d 2g donde: ht : Pérdida de carga en tramos rectos de tubo. f : Coeficiente de rozamiento. L . Longitud total de tubería del mismo diámetro. v : Velocidad promedio del fluido. d : Diámetro interno de la tubería. g : Aceleración de la gravedad. Si existen cambios de sección transversal (diámetros de tubería) se deben calcular las pérdidas de carga en cada sección.
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Figura 1.4 Diagrama de Moody.
9
Figura 1-5 Rugosidad relativa de algunos materiales.
10
2.2.2 Pérdidas secundarias Las pérdidas de carga secundarias o de forma son ocasionadas por la resistencia que presentan al paso del fluido los accesorios del arreglo de tuberías (reducciones, válvulas, estrangulaciones, expansiones, cambios de dirección, etc.). El cálculo de las pérdidas locales de los accesorios se obtiene como una pérdida de la velocidad del fluido por medio de la siguiente expresión:
hd
k
v2 2g
(2.9)
donde: ha : Pérdida de carga local del accesorio (m). K :: Coeficiente de resistencia del accesorio (adimensional) v : Velocidad del fluido m/s g : Aceleración de la gravedad m/s2 El valor de K depende de la geometría del accesorio y del coeficiente de fricción ft, por lo que la pérdida de carga para los accesorios se evalúa en forma individual, por medio de las tablas y gráficas, que nos indican los valores de K. ( Ver tabla A-24 del apéndice A del Crane “Flujo de fluidos”). La determinación de las pérdidas secundarias puede llevarse a cabo por varios métodos. En la presente sección, solo mencionaremos el método del coeficiente total de pérdidas, el cual consiste en sumar los coeficientes individuales de K de todos los componentes de la tubería (tubo y accesorios) y obtener para cada diámetro las pérdidas primarias, secundarias y total de todos los elementos conectados en serie. El segundo método de "longitud equivalente" consiste en evaluar la caída de presión que se genera a través de un accesorio de tubería y determinar una longitud de tubería recta que genere la misma cantidad de pérdida. Una vez determinada la longitud equivalente de los accesorios, se determina la carga de presión por medio de la siguiente fórmula.
hd
f
v2 Le 2g d
(2.10)
donde: ha ::. Pérdida de carga. Le: : Suma del total de longitudes de tubería recta equivalente de los accesorios. v : Velocidad del fluido. f: Coeficiente de fricción de la tubería. d : Diámetro interno del tubo. g : Aceleración de la gravedad 9,8 m/s 2 11
3. PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO a) Elaborar un isométrico del sistema, en caso de no tenerlo, elaborar un esquema con los niveles y acotaciones correspondientes. b) Anotar en la hoja de cálculo las propiedades del líquido a bombear. c) Determinar las pérdidas de presión en las líneas de succión y descarga. c.1.- Anotar el flujo mínimo/normal y máximo. c.2.- Anotar el flujo de diseño (cálculo). d) Calcular la caída de presión por fricción con el gasto máximo esperado Al obtener el factor de fricción ( f ) se incrementa de 20 a 30 % y se continúa el cálculo. Nota: este aumento se hace debido al cambio de rugosidad que sufre la pared de la tubería durante 5 a 10 años de servicio. Si el flujo máximo no está perfectamente determinado o existe la posibilidad de un aumento sobre el gasto estimado, aplicará un 10 a 20 % adicional al gasto en el momento de seleccionar la bomba. d.1) La velocidad recomendada para el agua en la línea de succión es de 1.5 m/s ( 5 pies/s) d.2) La velocidad recomendada para el agua en la línea de descarga es de 1,5 a 2,5 m/s (5 a 8 pies/s). d.3) Determinar diámetros de tuberías con los valores de velocidad elegidos. d.4) Determinar el número de Reynolds y el factor de fricción con ayuda del diagrama de Moody. d.5) Colocar las longitudes de tubería (L), las conexiones con sus longitudes equivalentes (Le) y determine la longitud total equivalente a partir del isométrico. d.6) Determine la longitud equivalente con ayuda del apéndice A del Crane "Flujo de fluidos", u otro manual que contenga esta información. e) Determine la carga total.
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4. CÁLCULO DE LA POTENCIA HIDRÁULICA (WHP) Y DE LA POTENCIA AL FRENO (BHP) La potencia de entrada ó potencia al freno (BHP) es la potencia requerida en la flecha de la bomba. La potencia hidráulica (WHP) es la desarrollada en el líquido por la bomba. Éstos dos términos son determinados por las siguientes fórmulas: BHP
Q x CDT x 1000 x EFICIENCIA DE LA BOMBA
(2.11)
Q en m3/s CDT en metros en Kg/m3 ó N/m'3 Nota: los valores de densidad se encuentran en la página a 10 del crane ”flujo de fluidos”. WHP
BHP
Q x CDT x DENSIDAD RELATIVA 3960
(2.12)
Q x CDT x DENSIDAD RELATIVA 3960 x EFICIENCIA DE LA BOMBA
(2.13)
En donde: Q en Galones por Minuto. CDT en pies. La potencia al freno ó de entrada para una bomba es mayor que la potencia hidráulica ó de salida, debido a las pérdidas mecánicas o hidráulicas que ocurren en la bomba. Por lo tanto la eficiencia es la relación entre éstos dos conceptos. WHP BHP
(2.14)
4.1 POTENCIA DEL ACCIONADOR EL tipo de accionador deberá tener capacidad para entregar la potencia total requerida por la bomba a las condiciones máximas de carga, capacidad, diámetro del impulsor seleccionado y velocidad de operación, incluyéndose las pérdidas de potencia debido a la transmisión ( por engranes, cadenas bandas, etc. ) y acoplamientos Cuando el accionador es una máquina de combustión interna deberán tomarse en cuenta además de lo anteriormente expuesto, las pérdidas de potencia debido a: a) Temperatura y presión ambiental en sitio diferente a los valores de las condiciones normales 60 F y 14,7 psi (31 C y 0,1 MPa).
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b) El consumo de combustible en el sitio de operación, con diferente poder calorífico al usado en las pruebas de comportamiento del accionador. En el presente manual no se detallará como se practica cada una de las verificaciones de potencia, ya que estas varían según el tipo de accionador y de fabricante a fabricante, sin embargo es conveniente mencionarlas, ya que deben tomarse en cuenta, debido a que con ellas se determinan parámetros importantes, tales como: penalización por consumos superiores a los indicados en la compra del equipo y los costos anuales de operación. Durante el análisis del comportamiento del accionador de la bomba, se debe tener cuidado de no aceptar o solicitar accionadores que exceden con demasiada potencia a los requerimientos máximos de la bomba, salvo aquellos casos en que sea necesario aceptar accionadores cuya potencia nominal normalizada excede a la requerida, por no existir un accionador con potencia nominal normalizada adecuada a las necesidades, por ejemplo: El uso de un motor eléctrico con potencia nominal de 100 HP (74,6 kW) para satisfacer las necesidades de 85 HP (63,4 kW) cuya potencia no esta normalizada por los fabricantes de motores eléctricos.
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BIBILIOGRAFIA IONEL ION Y. PUMPS AND PUMPING EDIT. ELSEVIER RUMANIA 1986 SANKS ROBERT L. PUMPING STATION DESIGN EDIT B.H U.S. 1989 SULZER BROTHERS LIMITED THE PLANNING OF CENTRIFUGAL PUMPING PLANTS SWITZERLAND 1985 CRANE FLUJO DE FLUIDOS EN VALVULAS , ACCESORIOS Y TUBERIAS EDIT Mc.Graw-Hill 1989 FRITZ HERNING TRANSPORTE DE FLUIDOS POR TUBERIAS EDIT. LABOR 1975 ASCE. ( AMERICAN SOCIETY OF CIVIL ENGINEERS) PIPELINE DESIGN OF WATER AND WASTE WATER U.S.A., 1975 MATAIX CLAUDIO MECANICA DE FLUIDOS Y MAQUINAS HIDRAULICAS HARPER AND ROW PUBLISHERS INC. ESPAÑA 1970. BARTLETT. RONALD' E. PUMPING STATIONS FOR WATER AND SEWAGE JOHN WILLEY AND SONS NEW-YORK, 1974
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CONTENIDO CAPITULO 2 TRAZO DE LA CURVA DEL SISTEMA Y COMPORTAMIENTO DE LAS BOMBAS.................................................................................................................17 2. TRAZO DE LA CURVA DEL SISTEMA.....................................................................17 2.1 OBTENCION DE LOS PUNTOS DE LA CURVA .....................................................17 2.1.1 Familia de curvas....................................................................................................18 2.1.2 Representación gráfica de las curvas ....................................................................18 2.1.3 Procedimiento: ........................................................................................................19 2.2 COMPORTAMIENTO DE BOMBAS CENTRÍFUGAS .............................................21 2.2.1 Principio básico de funcionamiento........................................................................21 2.2.2 Curvas características ............................................................................................21 2.2.3 Clasificación de las curvas características carga-capacidad.................................22 2.2.4 Punto de operación de las bombas........................................................................23 2.2.5 Curvas de operación de bombas en serie .............................................................23 2.2.6 Curvas de operación de bombas en paralelo ........................................................25 2.2.7 Cavitación ...............................................................................................................28 2.2.8 Velocidad específica (Ns). ......................................................................................29 2.2.9 Leyes de afinidad de las bombas centrífugas........................................................30 2.3 BIBLIOGRAFÍA ..........................................................................................................33
CAPITULO 2 TRAZO DE LA CURVA DEL SISTEMA Y COMPORTAMIENTO DE LAS BOMBAS 2. TRAZO DE LA CURVA DEL SISTEMA Es conveniente graficar la curva carga-capacidad del sistema ya que en ésta se muestran las pérdidas totales en carga, la carga estática y la diferencia de presiones (cuando existe) sobre los puntos de suministro y entrega de la instalación. La utilidad de esta curva se manifiesta en la determinación de parámetros importantes, tales como: a) Cuantificación de las pérdidas totales de carga con respecto a las cargas de presión estática y en un momento dado, saber si el uso de otra tubería con valores de diámetro y rugosidad diferentes, puede ayudarnos a disminuir la carga dinámica total del sistema. b) Identificar y cuantificar el rango de operación de la bomba a instalar en el sistema. La curva carga-capacidad, se traza obteniendo el valor de la pérdida por fricción correspondiente a cada valor del gasto; es decir, cada punto de la curva tendrá coordenadas (Qn, Hn) para diferentes condiciones de capacidad. 2.1 OBTENCION DE LOS PUNTOS DE LA CURVA Para obtener los puntos para el trazo de la curva, se calcula la demanda de carga del sistema, para diferentes valores del gasto dentro de un rango considerado. Los puntos de la curva de un sistema dado se determinan por medio de la ecuación de Darcy-Weisbach, para cada valor de gasto ( Q )
ht
f
L v2 d 2g
(2.1)
donde: ht= Caída de presión. L = Longitud de la tubería d.=Diámetro interior del tubo. v =Velocidad del flujo. f = Coeficiente de fricción de la tubería Q= Gasto de diseño La variación del gasto en la línea de conducción hace variar la velocidad del fluido y, con ello, las pérdidas de la tubería dentro de un rango que varía desde el gasto mínimo o cero de la curva hasta el gasto máximo de diseño, por lo que en función del gasto la ecuación anterior se expresaría:
17
L Q2 f 5 d 1208 .
Hf
(2.2)
Haciendo: fL 1208 . d5
C1
C2
fL 1208 .
(2.3)
(2.4)
Por lo que para cada valor de gasto ( Q) le corresponde un valor de la pérdida ( Hf) Así para un punto ( i ) conocido y para otro cualquiera ( n ) no conocido, siendo Ct = constante, se tiene: H fi C1Qi2
(2.5)
H fn C1Qn2
(2.6)
De la relación de las ecuaciones anteriores resulta: H fn
Q Hfi n Qi
2
(2.7)
2.1.1 Familia de curvas Si se desea obtener la pérdida en la tubería Hfn de un sistema conociendo las pérdidas Hi, para Q constante y para diferentes diámetros interiores de tubería, se aplica la ecuación siguiente: H fn
H fi
dn di
5
(2.8)
2.1.2 Representación gráfica de las curvas La representación gráfica de las expresiones anteriores corresponde a una parábola cuadrática, denominada curva de pérdidas en la tubería y puede ser representada gráficamente como se indica en las figuras 2.1 y 2.2 para diferentes condiciones.
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Figura 2.1 Curva del sistema.
Figura 2.2 Familia de curvas del sistema con diferentes diámetros. 2.1.3 Procedimiento: 1 ).- Se tabulan los datos de pérdidas (Hf) y carga total (H) correspondientes a gasto máximo (Q máx.) 2 ).- Seleccionamos un intervalo de variación del gasto (Q) 3 ).- De acuerdo a la ecuación H fn = H f i
Qn Qi
19
2
(2.9)
Obtenemos la pérdida correspondiente a cada gasto. 4 ).- Determinamos la carga total (H) de cada gasto con la ecuación: H = Hf
(2.10)
H est.
5 ).- Localizamos los puntos obtenidos en una gráfica de coordenadas Q-H y trazamos la curva, y esta será la curva del sistema. La figura 2-3 muestra la curva resultante. Es importante recordar que las pérdidas por rozamiento varían con la capacidad manejada por el sistema y que las variaciones de carga del sistema se presentan cuando existen cambios significativos en los niveles de succión. La figura 2-4 muestra gráficamente estas variaciones.
60
H con tubo nuevo
50
H con tubo usado 40
Carga estatica
30 20 10 0 0
100
200
300 400 Capacidad (l/s)
500
600
700
Figura 2.3 Curva del sistema con 100% de apertura de la válvula
20
PIES 20 6 PIES 80
8.0'
25
4
50 60 70 74 77 80 82 84
7.25'
20 60
0 0
6.5'
84 82
15
80
40
77
79
10
20
10
2
5
Ns=2580 0
3
200 0 20
50
400
600
100
800 150
1000 200
1200 250
Figura 2.4 Variación de la curva del sistema debido a cambi0s en la carga estática 2.2 COMPORTAMIENTO DE BOMBAS CENTRÍFUGAS 2.2.1 Principio básico de funcionamiento Toda bomba centrífuga basa su funcionamiento en el aprovechamiento de la fuerza centrífuga de un impulsor que gira a cierta velocidad dentro de una carcasa y que en su movimiento impulsa al fluido en contacto con él hacia la periferia del mismo con una energía de velocidad. La energía de velocidad del fluido se convierte en presión por medio de una voluta interna o mediante un juego de álabes estacionarios llamados difusores que rodean la periferia del impulsor. 2.2.2 Curvas características Cualquier bomba centrífuga tiene, para una determinada velocidad y un determinado diámetro de impulsor, un conjunto de curvas características, que definen su comportamiento con respecto a su capacidad, carga, potencia, rendimiento y NPSH requerido; mismas que pueden variar según las condiciones y características del fluido manejado. Las curvas de comportamiento características para diferentes diámetros del impulsor de las bombas centrífugas se muestran en la figura 2.5.
21
2.2.3 Clasificación de las curvas características carga-capacidad a) Curva de comportamiento estable La característica de este tipo de curva es un comportamiento estable o gradual de las condiciones carga - capacidad de la bomba; esto es, la carga crece a medida que la capacidad se reduce hasta cero (carga al cierre o shut off ) y es en este punto donde la carga alcanza su máximo valor. Ver figura 2.6 inciso a.
PIES 80
8.0'
25
60
4
10 0
0
6.5'
84 82
15
80
40
77
79
10
20
PIES 20
2
50 60 70 74 77 80 82 84
7.25'
20
6
5 15 10 5 0
200
400
600
800
1000
1200
Ns=2580
3
0
50
100
150
200
250
Figura 2.5 Curvas características de bombas centrífugas (carga-capacidad, potencia, eficiencia y NPSHr) Estas curvas generalmente son desarrolladas por las bombas centrífugas de flujo radial y son recomendadas para utilizarse en procesos con aumento de la carga al cierre del 10 al 20 % de la carga nominal. b) Curva característica con máxima carga a flujo diferente de cero La característica en este tipo de curva es un comportamiento inestable cuando se reduce la capacidad de la bomba mas allá del punto de carga máxima. La inestabilidad se presenta cuando se opera la bomba en la zona de la curva en donde se tiene dos condiciones de capacidad a la misma carga y para evitarla es necesario especificar la bomba en donde la carga nominal sea siempre inferior al de cierre. Ver figura 2.6 inciso b.
22
c) Curva característica creciente de gran pendiente La característica de este tipo de curvas es que presentan crecimientos bruscos de carga con pequeños decrementos de capacidad. Ver figura 2.6 inciso c. Estas curvas generalmente son desarrolladas por bombas centrífugas de flujo axial o tipo propela y se recomienda su utilización en servicios de trasiego y achique. d) Curva característica de poca pendiente o plana La característica de este tipo de curva es que los valores de carga son muy próximos unos de otros para el rango de capacidad de la bomba. Ver figura 2.6 inciso d. Estas curvas generalmente son desarrolladas por bombas centrífugas de flujo radial y mixto diseñadas con impulsor de doble succión. 2.2.4 Punto de operación de las bombas El punto de operación de una bomba es aquel en el cual la carga de la bomba iguala a la carga de¡ sistema (punto indicado en la figura 2.7), esto es, el punto en donde se intersecta la curva de la bomba con la curva del sistema. El punto de operación y de diseño de una bomba debe localizarse en donde la eficiencia sea el máximo ó muy cercano a éste; la razón fundamental se debe a que el rendimiento y la potencia de accionamiento son inversamente proporcionales. El punto de operación debe ser situado en un diámetro de impulsor comprendido entre los valores máximo y mínimo. Se debe evitar el suministro de bombas con impulsores de diámetro máximo, debido a que pueden variar las condiciones de operación a través del tiempo y en tales circunstancias la bomba sería obsoleta. 2.2.5 Curvas de operación de bombas en serie Cuando en una instalación existente, se requiera de un incremento en la carga y una sola bomba no sea suficiente para desarrollarla, el uso de dos o más bombas de la misma capacidad en serie se hace necesario. Para este caso en particular el gasto que proporcionan las bombas es el mismo para las dos y la carga combinada es igual a la suma de las cargas individuales de cada unidad, para un gasto determinado.
23
METROS
PIES 80
METROS
PIES 80
25
20
20
60
60
15
15
40
40 10
20
10
20
5
0
3
0 20
200 50
400
600
100
800 150
1000 200
0
3
200
400
50
20
800 150
1000 200
1200 250
25
20 60
15
15
40
40 10
10
20
5
0 0 20
200 50
400 100
600
800 150
1000 200
1200
5
0
3
250
c) curva característica de gran pendiente
0 20
200 50
400 100
600
800 150
1000 200
d) curva característica de poca pendiente o plana
Figura 2.6 Tipos de curva características
24
600
100
METROS
PIES 80
25
60
3
0 20
de b) curva característica con máxima carga a flujo diferente de cero
METROS
20
5
1200 250
a) curva característica comportamiento estable
PIES 80
25
1200 250
PIES 20 6 PIES 80
8.0'
25
4
50 60 70 74 7780 82
7.25'
20 60
2 0 0
84
6.5'
84 82
15
80
40
77
79
10
20
10
5 15 10 5 Ns=2580 0
3
200
0 20
50
400
600
100
800 150
1000 200
1200 250
Figura 2.7 Punto de operación de la bomba QSISTEMA = QBOMBA1 = QBOMBA2= ... = QBOMBAn
(2.11)
HSISTEMA = HBOMBA1 + HBOMBA2 + ... + HBOMBAn
(2.12)
La figura 2.8 muestra la curva característica de dos bombas centrífugas operando en serie Cuando se tengan en operación dos bombas en serie y éstas desarrollan curvas de comportamiento diferentes, se deberá considerar que ambas bombas deberán ser controladas, de modo que la capacidad que manejen sea la misma. 2.2.6 Curvas de operación de bombas en paralelo Cuando los requerimientos de bombeo son variables o cuando la descarga de dos o mas bombas están conectadas a una misma tubería, se tiene una instalación de bombas en paralelo.
25
La curva de comportamiento del arreglo se obtiene sumando las capacidades de cada bomba para iguales condiciones de carga. La curva característica de comportamiento de este arreglo se presentan en la figura 2.9. QSISTEMA = QBOMBA1 + QBOMBA2 + ... + QBOMBAn
(2.13)
HSISTEMA = HBOMBA, = HBOMBA2 = ... = HBOMBAn
(2.14)
Cuando la operación en paralelo se lleva a cabo con dos bombas con curvas de comportamiento diferentes, considere lo siguiente:
140 Una bomba 120
Dos bombas operando en serie Curva del sistema
100 80 60 40 20 0 0
20
40
60
80 100 Caudal Q ( l/s )
120
140
160
180
a) curva característica de dos bombas iguales operando en serie
26
120 B o mb a 1 B o mb a 2
100
O p e r a c ió n c o n ju n ta e n s e r ie Cu r v a d e l s is te m a
80
60
40
20
0 0
50
100 C a p a c id a d Q ( l/s )
150
200
b) curva característica de dos bombas diferentes operando en serie Figura 2.8 Curvas características de dos bombas centrífugas operando en serie 100 90 Bomba1
80
2 Bombas en paralelo
70
Curva del sistema
60 50 40 30 20 10 0 0
50
100
150 200 caudal Q ( l/s )
250
300
350
a) curva característica de dos bombas iguales operando en paralelo
27
100 90
Bomba 1
80
Bomba 2
70
O p e r a c ió n c o n ju n ta e n p a r a le lo C u r v a d e l s is te m a
60 50 40 30 20 10 0 0
50
100
150
200
250
C a u d a l Q ( l/s )
b) curva característica de dos bombas diferentes operando en paralelo Figura 2.9 Curvas características de dos bombas centrífugas operando en paralelo La operación de ambas bombas solo puede llevarse a cabo en la zona de las curvas en las que existe igualdad de carga, ya que en zonas de diferentes cargas, la operación será solamente para una de ellas. 2.2.7 Cavitación Cavitación es la formación y colapso de burbujas de vapor en el líquido en la succión de una bomba. La Cavitación ocurre cuando la bomba está operando cerca del mínimo del NPSHD. Cuando ocurre la cavitación, parte del líquido se transforma en vapor. Si esto sucede en la sección de succión de la bomba o en el ojo del impulsor, las burbujas de vapor son conducidas hacia dentro del impulsor. A medida que la presión aumenta, las burbujas de vapor se colapsan en los alabes y el líquido se precipita con tal fuerza que desprende pequeñas partículas de metal de los alabes, ocasionando con esto la erosión de los alabes del impulsor. Para corregir la cavitación, se debe aumentar la NPSHD o disminuir la NPSHR. La NPSHR puede disminuirse disminuyendo el gasto de bombeo y la NPSHD puede aumentarse, incrementando el nivel del líquido en el lado de succión de la bomba.
28
2.2.8 Velocidad específica (Ns). La velocidad específica es un índice adimensional de diseño usado para clasificar los impulsores de las bombas, tanto su tipo como sus dimensiones fisicas. Se define como la velocidad de rotación 'h"en revoluciones por minuto (r.p.m.), a la que un impulsor geométricamente similar operaria para desarrollar una 'carga' de 1 pie (0,3048 m ), con un flujo de 1 galón por minuto (0,000063 m3 /s ). La interpretación correcta de ésta definición es básica como elemento de diseño de ingeniería; la velocidad específica debe ser considerada como un indicador de ciertas características de las bombas, tales como la velocidad máxima de operación y su capacidad de succión. Para determinar la velocidad específica se emplea la relación siguiente:
NS
n Q 3
H4
(2.15)
En donde: Ns = Velocidad específica, adimensional. n = Velocidad de la bomba ( r.p.m. ). Q = Gasto ( galones por minuto ) en el punto de máxima eficiencia para impulsores de doble succión el gasto q debe ser dividido entre dos H = Carga total ( pies ) por etapa en el punto de más alta eficiencia. La velocidad específica clasifica los diferentes tipos de impulsores de las bombas según el cuadro mostrado en la figura 2.10, en donde se observa que al incrementarse la velocidad ' específica, la relación del diámetro de salida del impulsor (D2) al diámetro de entrada u ojo del impulsor (D1) disminuye. Esta relación se convierte en 1 para un impulsor de flujo totalmente axial.
29
D
Ns TIPO: CARGA: D 2 /D 1
500
600
D
2
1
500 A 3000 RADIAL MAYOR DE 150' 2
700
800
900
1000 A 3500 DOBLE SUCCI N MAYOR DE 100' 1.5
1000
1500
1500 A 4500 FRANCIS 65' A 150' 1.5
2000
3000
4000
4500 A 8000 FLUJO MIXTO 35' A 65' 1.3-1.1
5000
6000
7000
8000 Y MAYORES PROPELA 1' A 40' 1.0
8000
9000
10000
15000
20000
VELOCIDAD ESPEC FICA
EJE DE ROTACI N
D2 D2 D2 D1
D1
D1
D2
D1
D1
D2
D2
D1
EJE DE ROTACIÓN REA DE
LABE RADIAL
REA DE
D
LABE FRANCIS
D
2
D
2
REA DE FLUJO AXIAL
D
2
= 1.5~ 2
> 2 D1
REA DE FLUJO MIXTO
2
< 1.5
D 1
D 1
= 1 D 1
NOTA : LA VELOCIDAD ESPECÍFICA ES ADIMENSIONAL
Figura 2.10 Diseño del impulsor con relación a la velocidad específica Las bombas de velocidades específicas más altas, desarrollan la 'carga' parcialmente por fuerza centrífuga y parcialmente por fuerza axial. Una velocidad específica mayor indica un diseño de bomba con una generación mayor de 'carga' por fuerzas axiales que por fuerzas centrífugas. Una bomba de flujo axial ó de propela, con una velocidad específica de 10 000 o mayor, genera la 'carga' casi exclusivamente por medio de fuerzas axiales. Los impulsores de flujo radial desarrollan la 'carga’ principalmente a través de la fuerza centrífuga. Los impulsores con álabes radiales son utilizados para bajos flujos y altas cargas, mientras que los impulsores axiales son utilizados para altos flujos y bajas cargas; para condiciones intermedias son utilizados los impulsores de flujo mixto. 2.2.9 Leyes de afinidad de las bombas centrífugas Son relaciones que permiten predecir las características de funcionamiento de una bomba centrífuga con un diámetro y velocidad de impulsor conocidos.
30
2.2.9.1 Cambio de velocidad Cuando una bomba opera a una velocidad diferente a la velocidad de diseño (por ejemplo cuando se requiere un control de la capacidad de la bomba por medio de un variador de velocidad), se pueden determinar los efectos del cambio de velocidad en los parámetros de gasto, carga y potencia consumida por la bomba. Para éste caso se establece como premisa que la eficiencia y el diámetro del impulsor permanecen constantes.
Q1 Q2
n1 n2
H1 H2
n1 n2
w1 w2
n1 n2
(2.16)
2
(2.17)
3
(2.18)
En donde: Q = Gasto. H = Carga total de bombeo. W = Potencia. n = Velocidad de la bomba El subíndice 1 corresponde a las condiciones iniciales o conocidas y el subíndice 2 a las condiciones de velocidad variable por conocer. 2.2.9.2 Cambio en el diámetro de impulsor Cuando se modifica el diámetro del impulsor de una bomba que funciona a velocidad constante, los parámetros de gasto, carga y potencia se pueden determinar por medio de las relaciones siguientes:
Q1 Q2
D1 D2
H1 H2
D1 D2
w1 w2
D1 D2
31
(2.16)
2
(2.17)
3
(2.18)
Estas expresiones son excelentes en los casos de pequeños cambios en diámetros de impulsor, pero no son tan conflables cuando el diámetro del impulsor cambia en más de un 10 % y en estos casos es recomendable averiguar si se dispone de la curva para el nuevo diámetro del impulsor, con el fin de determinar si concuerdan con los valores calculados.
32
2.3 BIBLIOGRAFÍA Paschoal Silvestre Fundamentos de Hidráulica General Limusa México, 1985
Claudio Mataix Mecánica de fluidos y Maquinas Hidráulicas Harper y Row N.Y. México
33
CONTENIDO 3. INTRODUCCIÓN .........................................................................................................35 3.1 CÁLCULO DEL EMPUJE AXIAL...............................................................................35 3.1.1 Fuerzas que actúan hacia abajo.............................................................................35 3.1.2 Fuerzas gue artúan hacia arriba .............................................................................35 3.1.3 Empuje axial resultante...........................................................................................36 3.2 BIBLIOGRAFÍA ..........................................................................................................37
CAPITULO 3 CÁLCULO DEL EMPUJE AXIAL EN BOMBAS VERTICALES 3. INTRODUCCIÓN El empuje hidráulico axial es la resultante de las fuerzas que actúan en el impulsor en dirección colineal al eje de la flecha. El empuje axial se produce tanto en bombas horizontales como en bombas verticales. En las bombas horizontales su magnitud es mayor en las de etapas múltiples que en las de una sola, porque en las primeras se desarrollan altas presiones y por lo tanto el valor del empuje es mayor. En las de una sola etapa con succión simple, todo el empuje axial resultante se transmite a la flecha y a los cojinetes. En las bombas horizontales se reduce el efecto del empuje axial mediante el diseño de algunos elementos mecánicos (disco de balance, impulsor de doble succión, orificios en el ojo de succión de los impulsores, etc.) o por la disposición de impulsores en posición encontrada. Sin embargo, esto no sucede con las bombas verticales y el empuje axial resultante debe ser soportado por el cojinete de empuje. Este cojinete puede instalarse en el cabezal de descarga de la bomba o en la parte superior del motor eléctrico de flecha hueca. En la determinación del empuje axial la responsabilidad es compartida entre el ingeniero proyectista, quien debe determinar el empuje axial que se producirá bajo las condiciones de operación proporcionándoselas a los fabricantes de bombas y motores, a su vez el fabricante del motor eléctrico debe suministrar el cojinete que cumpla con las condiciones de operación de la bomba seleccionada. 3.1 CÁLCULO DEL EMPUJE AXIAL En el caso de las bombas verticales de tipo turbina, flujo mixto y propela, bajo condiciones normales de operación se produce un empuje axial colineal al eje de la flecha. Esta fuerza es debida a la presión desbalanceada sobre el impulsor, masa del elemento rotativo y cambio en la dirección del fluido. El cálculo de este empuje implica obtener la resultante de las fuerzas que actúan hacia abajo y hacia arriba, sobre el impulsor en dirección colineal al eje de la bomba. 3.1.1 Fuerzas que actúan hacia abajo Hacia abajo actúa el empuje hidráulico (fuerza hidráulica) producido por el impulsor y la masa del elemento rotativo ( masa de la flecha; más la masa del impulsor). 3.1.2 Fuerzas gue artúan hacia arriba Las fuerzas hacia arriba actúan sobre las superficies del extremo de la flecha y de la camisa de la misma ( cuando se tiene ).
35
En la mayoría de los casos, estas fuerzas son pequeñas y pueden ser despreciadas; sin embargo, cuando exista un riesgo por empuje hacia arriba estas fuerzas deben ser consideradas. 3.1.3 Empuje axial resultante Si se consideran las fuerzas que actúan hacia abajo como positivas ( + ) y hacia arriba como negativas ( - ), tenemos que el empuje axial sobre el cojinete de empuje es la resultante de: ER = Eh + Wm - Pa (3.1) Siendo: Eh = Ke H Pr
(3.2)
Eh : Empuje hidráulico del impulsor, N.
Ke : Factor de empuje, N/m de carga. H : Carga total de bombeo, m. Pr
: Densidad relativa del agua Wm = Wf + Wr
(3.3)
Siendo: Wm = Masa del elemento rotativo, kg. Wf = Masa de la flecha, kg Masa unitaria x longitud. Wr = Masa del rotor, N. Masa por paso x No. de pasos.
Pa= Pf + Pm
(3.4)
Pf = Ps Af
(3.5)
Pm = Pd Am
(3.6)
Siendo:
Pa: Fuerza total hacia arriba, kN, Pf`: Fuerza sobre la flecha, kN, Pm: Fuerza sobre la manga de la flecha, kN Ps: Presión de succión, MPa Am: Área de la sección sólida de la manga de la flecha, m2 Af: Área de la sección de la flecha, m2 Pd: Presión a válvula cerrada ( flujo cero ) MPa Los valores correspondientes a ke y a las dimensiones y masas de los elementos de la bomba involucrados en las fórmulas son proporcionados por el fabricante del equipo.
36
3.2 BIBLIOGRAFÍA Aj Stepanof Centrifugal Pumps Byron Jackson Co. S.A Inducción al conocimiento de las bombas centrífugas, 1988 Goulds Products Technlcal data section Pump Selection Rodger Walker De. Ann Arbor science publishers Inc. 1979
37
CONTENIDO CAPITULO 4 DISEÑO DE ACCESORIOS DE TUBERíA 4. OBJETIVO ...................................................................................................................39 4.1 INTRODUCCIÓN .......................................................................................................39 4.2 DESARROLLO ..........................................................................................................39 4.2.1 Definiciones.............................................................................................................39 4.2.2 Cálculo del espesor de pared del tubo ...................................................................41 4.2.3 Presiones permisibles de prueba ...........................................................................42 4.2.4 Conexiones soldables en ramales..........................................................................48 4.2.5 Tapas ......................................................................................................................55 4.2.6 Anillos de anclaje [2] ...............................................................................................60 4.2.7 Agujeros de inspección [3] [4].................................................................................62 4.2.8 Diseño de uniones soldadas [3] [4].........................................................................64 4.2.9 Bridas ......................................................................................................................68 4.3 EJEMPLOS DE CALCULO........................................................................................71 4.4 REFERENCIAS..........................................................................................................79
CAPITULO 4 DISEÑO DE ACCESORIOS DE TUBERíA 4. OBJETIVO El propósito de esta guía de diseño es establecer los procedimientos para el cálculo del espesor de la tubería y accesorios sujetos a presión interna y el cálculo del aro de refuerzo de las conexiones soldadas en tubos en ramal. 4.1 INTRODUCCIÓN Este procedimiento se aplica a tuberías de acero con y sin costura, a accesorios y conexiones soldadas de acero de las líneas de succión y al múltiple de descarga. Su aplicación no considera cargas externas tales como rellenos, válvulas, reacciones por cambios de dirección, etc., en virtud de que estos cálculos corresponden a las líneas de conducción, no incluidas en este procedimiento. Es responsabilidad del proyectista la ejecución de los cálculos y su correcta aplicación. 4.2 DESARROLLO 4.2.1 Definiciones A) Presión de trabajo La presión de trabajo de la tubería es aquella a la cual estará sometida la tubería en su condición normal de operación. Se presentan los siguientes casos: a) En una línea de conducción por gravedad, la presión es medida por la distancia entre el eje del tubo y el gradiente hidráulico. Si se tienen válvulas en la línea, la presión máxima del tubo se medirá por la distancia entre el eje del tubo y la elevación máxima del nivel estático, con las válvulas cerradas (1). b) En una línea de bombeo, la presión se mide de acuerdo con la distancia entre el eje del tubo y el gradiente hidráulico de bombeo, incluidas la presión a la descarga y las pérdidas debidas a la fricción en la tubería. hasta el punto de descarga de la línea [1]. B) Presión máxima La presión máxima o de diseño, corresponde al valor del límite superior a que puede estar sujeta la tubería en condiciones normales o transitorias de operación. Se selecciona como presión de diseño, la mayor de las siguientes condiciones: a) En el caso de que la bomba se arranque con la válvula de seccionamiento cerrada, la misma presión (entre la brida de la bomba y la válvula) corresponde a la máxima desarrollada por la bomba bajo esta condición, obtenida de su curva característica H-Q.
39
b) En el caso de que el múltiple de descarga sea sometido a una prueba hidrostática en campo, desde la línea de conducción y hasta la válvula de seccionamiento, la presión máxima de prueba no deberá rebasar el valor correspondiente conforme a ANSI/AWWA C200-91 sec 3,4. c) En el caso de que en el múltiple de descarga o en alguna otra sección de la tubería sea incluido un dispositivo de protección por sobrepresión, esta no deberá ser mayor de 1.5 veces la presión normal de operación. Este valor deberá considerarse para el diseño cuando no se efectúe prueba hidrostática en la tubería, de acuerdo a lo indicado en el inciso (b). C) Presión de colapso. Es la presión externa que puede originarse al actuar la presión atmosférica, al exterior de la tubería y existir un vacío (Presión Negativa) en el interior de ésta. D) Esfuerzo permisible. Es práctica común considerar el esfuerzo a la tensión permisible o de trabajo en tubería de acero para conducción de agua, como el 50 por ciento del esfuerzo mínimo de cedencia, pudiendo ser igual al 75 %, si la tubería cumple con los estándares de fabricación de la AWWA y si el esfuerzo circunferencial en la tubería no excede la presión de prueba de fabricación. La tabla 4.1 contiene los esfuerzos permisibles basados en el ASME 1331.3 (5). E) Márgenes de seguridad Para el cálculo del espesor de pared es requisito incluir algunos márgenes de seguridad de acuerdo al material del tubo, soldadura, corrosión y fabricación, mismos que intervienen en la obtención del espesor de pared mínimo. F) Espesor primario (tp) Se obtiene el espesor primario de la pared con la ecuación de Barlow, por presión interna. No se considera sobreespesor por corrosión. G) Espesor de pared mínimo (tm) Es el obtenido por la ecuación (2) o la (2.1) que se muestran en el inciso 4.2.2, en la cual se incluye en el cálculo un sobreespesor por corrosión de la tubería. H) Espesor de pared nominal (t) El espesor nominal de la pared es el que corresponde a la denominación del fabricante del espesor del tubo, definido por el número de cédula o calibre de la lámina con la cual se ha fabricado un tramo recto o un accesorio, y deberá ser mayor que tp y tm. El
40
espesor nominal del tubo deberá ser el mismo para los accesorios de acero soldables de fabricación estándar como codos, tees, reducciones, etcétera. I) Sobreespesor por corrosión (c) Es un incremento del espesor de la tubería para compensar la pérdida de material por corrosión. Los valores se indican en la tabla 4.3. 4.2.2 Cálculo del espesor de pared del tubo Para el cálculo del espesor de la tubería existen varias fórmulas aplicables, según el servicio y confiabilidad de la instalación, las cuales se indican en las diferentes normas y códigos que rigen los diseños. El método que se consigna combina los factores aplicables de las normas AWWA y ANSI B31.1 en la expresión basada en la ecuación obtenida por Barlow, considerando la presión interna se tiene: tp
PD 2 SE
c
(4.1)
Para tubos hasta de D = 1360 mm (54") D con D en plg 288
tm
(4.2)
Para tubos con D mayores de D = 1360 mm (54") tm
tm
D 508 con D en mm 400 D
508 . con D en cm 400
T > tp y tm Siendo: tp : Espesor primario de pared (cm). tm : Espesor mínimo de pared (cm). T: Espesor nominal de pared (cm) P: Presión máxima de diseño en Pa (kg/cm2). D: Diámetro externo (cm). S: Esfuerzo permisible del tubo en Pa (kg/cm2) Tabla 4.1. E: Factor de calidad de la soldadura Tabla 4.2. C: Sobre1.espesor por corrosión y servicio (cm) Tabla 4.3
41
(4.3)
(4.4)
(4.5)
Tabla 4.1 esfuerzo permisible (s) MATERIAL ASTM TUBOS: A 53 Gr. A A 53 Gr. B A120 PLACAS A415 A 283 Gr. A A 283 Gr. B A 283 Gr. C
Kg/cm2
(MPa)
1055 1231 717
103.5 120.7 70.3
879 844 949 1055
86.2 82.8 93.1 103.5
Tabla 4.2 Factor de calidad de la soldadura (e) E
APLICACIÓN
0.78
Para tubos sin costura, con inspección de la superficie o con película magnética. Para tubos con costura recta o espiral, fusión eléctrica con doble bisel, inspección de superficie o con partícula magnética.
0.66
c (cm)
Tabla 4.3 Sobre espesor por corrosión y servicio APLICACIÓN
0.0
Para tubos con recubrimiento anticorrosivo Interior
1.10
Para tubos sin recubrimiento interior, para aguas claras no agresivas y largos Períodos de servicio. Idem al anterior, con aguas negras o agresivas y largos períodos de servicio.
0.66
4.2.3 Presiones permisibles de prueba A) Presión permisible de trabajo Para conocer la presión permisible de trabajo de un tubo de características conocidas se emplea la expresión siguiente: PD (4.6) t 2S tm
PD 2 SE
42
c
(4.7)
P
2SET D
(4.8)
donde: t : Espesor de diseño (cm.). tm : Espesor mínimo (cm.). P : Presión máxima de diseño en Pa (Kg./cm2). D : Diámetro externo del tubo (cm.). S : Esfuerzo permisible del tubo en Pa (Kg./cm2). Tabla 4.1. E : Factor de calidad de soldadura. Tabla 4.2. c : Sobreespesor por corrosión y servicio (cm.). Tabla 4.3. T : Espesor nominal de pared B) Presión de prueba A menos que se indique un valor mayor, la presión de prueba hidrostática debe ser de 1.5 veces la presión interna, correspondiente a las condiciones normales de operación. C) Codos de gajos Se han desarrollado dos métodos aceptables para calcular la presión permisible máxima de codos de gajos múltiples y simples los cuales se indican a continuación. a) Codos de gajos múltiples La presión máxima permisible debe ser la menor obtenida por las expresiones (4.9) y (4.10) siguientes, con la advertencia de que éstas no son aplicables cuando el valor de excede de 22.5 grados, como se indica en la figura 4.1. Pm
SE( T c) r (T
T c) Pm
c
0.643 tan SE( T r
c)
r(T - c) R r R 05 .r
Kg / cm2
(4.9)
Kg / cm2
(4.10)
b) Codo de gajo simple. La presión máxima permisible para un codo de gajo simple con ángulo no mayor de 22.5 , se calcula por las ecuaciones (4.9) y (4.10). La presión máxima permisible para un codo de gajos simples, con un ángulo mayor de 22.5, se calcula por la ecuación 9, siguiente: Pm
SE( T r
c)
T (T
c)
c
125 . tan
r(T - c)
43
Kg / cm2
(4.11)
Siendo en las ecuaciones anteriores: C: Sobreespesor por corrosión (cm.). Pm : Presión interna máxima permisible en el codo en Pa (Kg./cm2). R: Radio medio del tubo, usando el espesor nominal (cm.). R: Radio efectivo del codo, definido como la distancia más corta medida desde el eje del tubo a la intersección de los planos adyacentes a la del codo (cm.). Tabla 4.4. E : Factor de calidad de soldadura. Tabla 4.2. S : Esfuerzo permisible de la placa del codo en Pa (Kg./cm2). T : Espesor nominal de pared (cm.)
Figura 4.1 Nomenclatura para codos de gajos.
44
Tabla 4.4a Dimensiones estándar para codos de gajos
45
Tabla 4-4b (cont.) Dimensiones estándar para los codos de gajos.
46
= Ángulo de corte del gajo (grados). = Ángulo del giro en dirección del desarrollo del codo = 2 (grados). De donde, el valor de R, no debe ser menor que el obtenido por: R
A tan
D 2
(4.11)
(cm)
Donde A tiene los valores empíricos siguientes: (4.12) ( T c) 127 . ; A = 2.54 para 127 . (T - c) 2.24; A = 2(T - c) (T - c) 2.24; 2(T - c) A= 3
297 .
El espesor T utilizado en las ecuaciones 4.11, 4.12 y 4.13 se extenderá una distancia no menor que M desde la bifurcación interior de la soldadura del gajo; en donde M será igual al valor mayor que resulte de las dos ecuaciones siguientes: M M = tan
2.5
rT
(R - r)
(cm)
(4.13)
(cm.)
(4.14)
D) Presión de colapso Se ha desarrollado una teoría general de la resistencia al colapso de una tubería de acero debido a fuerzas (atmosféricas o de ambientes líquidos) que actúan en forma radial y uniforme sobre ella, de donde se obtiene la siguiente ecuación para la evaluación de la presión de colapso de la tubería. 3
t
2E
Pc 1
(4.15)
2
d
Sustituyendo valores: 3
Pc
4615385
t d
Pc: Presión de colapso en Pa (Kg./cm2). E : Módulo de elasticidad del acero 206 010MPa (2 100 000 Kg./cm2 ).
47
(4.16)
g : Relación de Poisson del acero 0,30 t : Espesor nominal de pared del tubo (cm.) d : Diámetro medio del tubo (cm.) 4.2.4 Conexiones soldables en ramales A) Refuerzos para ramales Cuando se hace una perforación en un tubo sujeto a presión interna, se remueve el disco de material que normalmente soportaría el esfuerzo a la tensión, por lo que se hace necesario encontrar una forma de compensar esta reducción de la resistencia en esa sección del tubo. Para lograr esto se reemplaza o sustituye el área removida. Con este método se obtiene el área de refuerzo, el cual se sitúa dentro de una zona específica alrededor del ojo de la perforación, igual al área del material removido. Ocasionalmente se requiere también reforzar la intersección del ramal para distribuir los esfuerzos originados por las cargas sobre la tubería. La necesidad de usar placas de refuerzo por presión interna debe ser especificado por el proyectista, así como otros refuerzos adicionales que sean necesarios por las cargas en la tubería. La figura 4.2 muestra una conexión en ramal reproducida del ASME B31.3 Sección 304.3.3 (5).
Figura 4.2 Refuerzo de las intersecciones de tuberías B) Nomenclatura La nomenclatura que a continuación se indica es la empleada en las conexiones soldables en ramal y corresponde a lo indicado en la figura 4.2, la cual no incluye detalles constructivos ni de soldadura. : Ángulo entre los ejes del ramal y de la tubería. B: Subíndice que se refiere al ramal. H: Subíndice que se refiere al cabezal . 48
d1 : Longitud efectiva removida de la tubería. d2 : Semi-ancho de la zona de refuerzo. d2 = d1
(4.17)
d2 = (Tb - c) + (Th - c) + d1/2
(4.18)
El valor que resulte mayor, pero en ningún caso mayor que Dh L4 : Altura de la zona de refuerzo fuera del cabezal L4 : 2.5 (Th - C) L4 : 2.5 (Tb - c) + tr El valor menor obtenido Tr: Espesor mínimo del anillo de refuerzo o parche hecho de tubo (Utilizar el espesor nominal si está hecho de placa) tr : 0, si no existe anillo de refuerzo o parche. T : Espesor de tubería por presión de diseño obtenida con la ecuación 1. Para la tubería con costura, cuando el ramal no intersecta la soldadura longitudinal del cabezal se utiliza el esfuerzo 5 para determinar th únicamente para cálculos del refuerzo. Cuando el ramal intersecta la soldadura longitudinal del cabezal, el producto SE se 1utilizará en el cálculo del espesor. El producto SE del ramal se utilizará en el cálculo de tb. C) Área requerida de refuerzo. El área requerida de refuerzo A1, para conexiones en ramal sujetos a presión interna, se obtiene por: A1 = (th d1) (2 - sen ) (cm2)
(4.19)
D) Área de reforzamiento El área de reforzamiento es la suma de áreas A2 + A3 + A4, definidas a continuación, deberá ser igual o mayor al área de refuerzo A1. a) Área A2. Es el área que resulta del exceso de espesor en el cabezal obtenido por: A2 = (2d2 – d1) (Th – th - C) = (cm2)
(4.20)
b) Área A3. Es el área que resulta del exceso de espesor en el tubo del ramal, obtenido por:
49
A3 = 2L4 (Tb – tb - c) / sen
= (cm2)
(4.21)
c) Área A4. Es el área de todo el material dentro de la zona de refuerzo, resultante del metal de la soldadura y otro metal de refuerzo, apropiadamente unido al cabezal o ramal. Ac = A2 + A3 + A4
(4.22) (4.23)
Ac : A1
Los materiales usados para los refuerzos pueden diferir a los del tubo principal, cuidando que sean compatibles con los tubos en cuanto a soldabilidad, requisitos para tratamiento térmico, corrosión galvánica, expansión térmica o a todos éstos. Si el refuerzo permisible para los refuerzos es menor que para el cabezal, el área calculada correspondiente debe ser reducida en la misma relación que los valores de los esfuerzos, antes de que sea considerada el área de reforzamiento. Ningún margen adicional deberá ser considerado para materiales de refuerzo que tengan el esfuerzo permisible mayor al del tubo del cabezal. E) Zona de reforzamiento La zona de reforzamiento es un paralelogramo cuya longitud se extiende una distancia d2 a cada lado del eje del tubo del ramal y cuyo ancho empieza en la superficie interna del tubo principal (en su condición corroída) y se extiende una distancia L4, desde la superficie exterior del tubo del ramal, medida sobre la perpendicular a esta superficie exterior. F) Refuerzo de perforaciones múltiples Cuando una o más perforaciones adyacentes están muy cercanas, de tal manera que sus zonas de refuerzo se sobreponen, deberán ser reforzadas con un refuerzo combinado que tenga una área igual a la requerida por las perforaciones por separado. Ninguna porción de la sección transversal debe ser considerada por la aplicación a más de una perforación o ser evaluada más de una vez en una área combinada. Cuando se tienen dos o más perforaciones con un refuerzo combinado, la distancia mínima entre los centros para cualquiera de las dos perforaciones deberá ser al menos de 1.5 veces el diámetro promedio y el área de reforzamiento entre estas deberá ser al menos de 50 % del total requerida para estas dos perforaciones. (Para mayores detalles de las recomendaciones del espaciamiento entre las conexiones soldadas, consultar la referencia). (5). Otro método de determinar el tipo de refuerzo de ramales es el recomendado por la AWWA MANUAL 11 (2) (Steel Pipe - A Guide for Design and Instalation) en donde, la
50
elección del tipo de refuerzo puede hacerse en función del parámetro "PDV" y de la relación entre los diámetros Db y Dh; el valor del parámetro "PDV" se calcula como: PDV
PDb Dh Sen2
(4.24)
En que: P = Presión de diseño en Pa (1 psi = 6894 Pa). Db = Diámetro exterior del ramal en plg. Dh = Diámetro exterior del tubo principal en plg. = Ángulo entre los ejes del ramal y cabezal. En la tabla 4.5 se muestran los tipos de refuerzo recomendado (por presión interior), esfuerzos recomendados usando los parámetros indicados; además se muestra ell factor M, que debe aplicarse al área A, (el material removido en el tubo principal al hacer la inserción del ramal) y en la tabla 4.6 se indican las cédulas de tubería. Tabla 4.5 Tipos de refuerzo recomendado (por presión interior) PDV > 6000 4000-6000 < 4000 4000-6000 < 4000
d/D todas >0,7 >0,7 0,7 0.7
Tipo de refuerzo de placa completo (aro) com leto (aro) Parche Parche
factor M no se aplicó 0,00025 PDV 1.0 0,00025 PDV 1,0 1
G) Aros y silletas Si se incluyen refuerzos adicionales en la forma de aros o silletas deberán ser de un ancho razonablemente similar al radio del tubo.
51
Tabla 4.6 con base en ANSI 1336.10: 1970 y bs Medida nominal de la tubería en pulgadas
Cédula 30
Cédula 40
8 10 12 14 16 18 20 24 30 1/8 1/4 5/4 1/2 3/4 1 1-1/4 1-1/2 2 2-1/2 3 3-1/2 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 24 30
Diámetro exterior mm 219.1 273.0 323.9 355.6 406.4 457.2 508.0 609.6 762.0 10.3 13.7 17.1 21.3 26.7 33.4 42.2 48.3 60.3 73.0 88.9 101.6 114.3 141.3 168.3 219.1 273.0 323.9 355.6 406.4 457.2 508.0 609.6 762
Parte 2 : 1970 Espesor de la tubería según número de cédula
52
Espesor mm 7.04 7.80 8.38 9.52 9.52 11.13 12.70 14.27 15.88 1.73 1.24 2.31 2.77 2.87 3.38 3.56 3.68 3.91 5.16 5.49 5.74 6.02 6.55 7.11 8.18 9.27 10.31 11.13 12.70 14.27 15.09 17.48 ---
Diámetro interior mm 205.0 257.4 307.1 336.6 387.4 434.9 482.6 581.1 730.2 6.8 9.2 12.5 15.8 21.0 26.6 35.1 40.9 52.5 62.7 77.9 90.1 102.3 128.2 154.1 202.7 254.5 303.3 333.3 381.0 428.7 477.8 574.6 ---
Tabla 4.6 (continuación) con base en ANSI b36.10:1970 y BS Medida nominal de la tubería en mm y pulgadas mm 203 254 305 Cédula 60 406 457 508 609
pIg 8 10 12 14 16 18 20 24
Diámetro exterior mm
Espesor mm
Diámetro interior mm
219,1 273,1 323,9 355,6 406,4 457,2 508,0 609,6
10,31 12,70 14,27 15,09 16,64 19,05 20,62 25,1
198,5 247,6 295,4 325,4 373,1 419,1 466,4 560,4
Parte 2: 1970 Espesor de la tubería según número de cédula 4.2.4.1 Refuerzo de bifurcaciones en Y Para el diseño de los refuerzos de las bifurcaciones en Y, o pantalones se puede usar el método gráfico de SWANSON HS publicado en el manual de la AWWA (2) sección 13-7. El método se basa en el empleo de un nomograma y tres gráficas, el nomograma emplea dos parámetros, el diámetro de los tubos y la presión de diseño, para encontrar el ancho o peralte de los refuerzos, además se suponen las siguientes condiciones: Ángulo entre los ejes de los tubos, 90 . Diámetro de¡ ramal igual al diámetro de¡ tubo principal Espesor de la placa de refuerzo de 25,4 mm (1 p1g) Esfuerzo permisible en el refuerzo 1400 kg/cm2 (20 000 PSI) (137 MPa) Si las condiciones del pantalón estudiado son diferentes, se encuentran los parámetros correctivos con ayuda de las gráficas. Los pasos a seguir son: Paso 1. En el nomograma (Figura 4.3) se localizan en sus ejes respectivos los puntos correspondientes a la presión de diseño en lbS/plg2 y el diámetro del tubo principal en pulgadas y se traza una recta a través de ellos hasta cortar la escala que da el ancho o peralte de la placa (espesor (1”) 25.4 mm radios iguales, = 90 ).
53
Figura 4.3 Nomograma para seleccionar la profundidad de placa de refuerzo en tuberías Paso 2a. Si el ancho de inserción no es de 90 se usa la gráfica de la figura 4.4 para definir los factores correctivos NW y Nb que multiplicados por el valor encontrado en el paso 1 nos dan los peraltes dw (en el ángulo agudo) y d b (en el ángulo obtuso) del pantalón.
54
Paso 2b. Si los diámetros de los tubos son diferentes se usa la figura 4.5 para definir los valores correctivos Qw y Qb que multiplicado por los peraltes encontrados en el Paso 1 o en el Paso 2 nos dan los nuevos anchos d’w y d’b . Paso 3. Si el peralte d'w es mayor de 30 veces el espesor de la placa (1 plg)(25.4 mm) d'w y d’b deben multiplicarse de acuerdo con la ecuación: 0.917
d = d1
t1
360
(4.25) t
donde: d1 : Peralte existente (calculado) de la placa. t 1: Espesor existente de la placa (1 plg)(25.4 mm). d : Nuevo peralte de la placa . t : Nuevo espesor (supuesto) de la placa. : Ángulo de deflexión entre los dos tubos. Paso 4. Para encontrar dt o d't se usa la figura 4.6 que da esos peraltes en función de db o d’b. Paso 5. La curva anterior sigue el trazo de los elipses que definen el corte del tubo principal. La figura 4.7 aclara estos conceptos 4.2.5 Tapas Las tapas que se usan en los extremos ciegos de los múltiples pueden ser: 1. Bridas ciegas de fo.fo. Se escogen de catálogos de fabricantes de bridas y su rango de presión y tamaño es el mismo de las bridas normales. Usualmente van atornilladas a bridas deslizables (slip-on) o a bridas de cuello soldable.
55
Figura 4.4 Curvas de factor n.
FI Figura 4.5 Curvas de factor q.
56
Figura 4.6 Peralte superior e inferior.
57
Figura 4.7 Esquema de una bifurcación en y reforzada con aletas 2. Tapas toriesféricas. Son tapas abombadas (fig. 4.8) que soportan altas presiones manométricas, se pueden fabricar en diámetros de 300 a 6000 mm, su característica principal es que el radio del abombado (L) es aproximadamente igual al diámetro del tubo pero menor, el radio de la esquina (nudillos) no debe ser menor que 1/16 de L, ni inferior a tres veces el espesor de la tapa. Las tapas toriesféricas denominadas 80:10 y 90:10, llamadas así por la relación de los radios interiores del abombado y de los nudillos con el diámetro interior del tubo, o sea: (L-0.80 D y r=0.1 0 D) y (L=0.90 D y r =0.10 D)
(4.26)
Se usan frecuentemente en lugar de las tapas semielípticas, su cálculo se hace conforme a las fórmulas siguientes: d) Para tapas toriesféricas [3]. 1. Cuando el radio del toroide o nudillo es el 6% del radio interior L del casquete esférico o abombado, esto es: r = 0.06 L
(4.27)
Entonces el espesor t de la tapa está dado por t =
0.885 pL mm SE1 01 . P
58
(4.28)
2. Cuando el radio del toroide o nudillo es mayor al 6% del radio interior L del casquete esférico, esto es: r
0.06 L
(4.29)
Entonces: t =
PLM 2SE 1 - 0.2 P
Donde:
Figura 4.8 Tapas toriesféricas
59
(4.30)
Las tapas 80:10 y 90: 10 caen en este segundo caso, puesto que: Para la 80:10, se tiene r=0. 12 5 L. Aplicando la ecuación para el espesor t: t =
1.1657 PD 2SE 1 - 0.2 P
(4.31)
Donde D = diámetro interior de la tubería Para la 90: 10 se tiene r = 0. 111 L. Al aplicar la ecuación para determinar el espesor t se tiene: t =
1.35 PD 2SE 1 - 0.2P
(4.32)
En las fórmulas anteriores: S : Esfuerzo máximo permisible de trabajo del material de la tapa (kg/cm2) T: Espesor requerido de la tapa en cm. P: Presión interior (kg/cm2). L: Radio del casquete esférico o abombado (cm). E1: Eficiencia de la soldadura con los siguientes valores. M: Factor adimensional. En tapas toriesféricas troqueladas de una sola pieza, E1= 1. En tapas toriesféricas con costuras longitudinales 100%, E1 = 1. En tapas torisféricas con costuras longitudinales con radiografía para puntos E1 =0.85[3]. 4.2.6 Anillos de anclaje [2] Cuando una tubería atraviesa un muro de concreto es conveniente usar anillos de anclaje y camisas de refuerzo como se muestra en la figura 4.9, en donde se muestran las dimensiones de los anillos y las cargas que soportan, para presiones inferiores de 150 y 2 50 psi (10 y 17.7 kg/cm2). Si se usa camisa de refuerzo su espesor mínimo será: tr = ty - ts (4.33)
60
Figura 4.9 Anillos de anclaje Si no se usa camisa de refuerzo el espesor mínimo del ducto es ty En donde: Tr: Espesor de la camisa. ts : Espesor del tubo. ty : Espesor de referencia dado en la cuarta columna de la tabla 4.7 El tamaño mínimo de la soldadura deberá ser el mostrado en la quinta columna de la tabla, con el electrodo E 6010.
61
Tabla 4.7 Dimensiones y cargas para anillos de anclaje presiones De (10 y 17,7 Kg./crn2) (0.1 y 1,73 MPa)
DIÁMETRO EXTERIOR DEL TUBO (Dext)(Plg)
Presión 6 5/8 8 5/8 10 ¾ 12 ¾ 14 16 18 20 24 30 36 Presión 6 5/8 8 5/8 10 ¾ 12 ¾ 14 16 18 20 24 30 36
ANCHO A PLG.
ESPESOR DEL ANILLO B PLG.
interior
máxima
1 1 1½ 1½ 2 2 2 3 3 4 4
0.375 0.375 0.375 0.375 0.375 0.375 0.375 0.500 0.500 0.625 0.750
interior
máxima
1 1 1½ 1½ 2 2 2 3 3 4 4
0.375 0.375 0.375 0.375 0.375 0.500 0.500 0.625 0.625 0.750 0.750
ty PLG. (ESPESOR DE REFERENCIA )
SOLDADURA tw
CARGA PERMISIBLE EN EL ANILLO (lb)
2
0.981MPa (150 psi o10 Kg/cm ) 0.075 0.080 0.099 0.118 0.129 0.147 0.166 0.184 0.221 0.276 0.331
0.125 0.125 0.125 0.125 0.125 0.125 0.125 0.125 0.125 0.188 0.188
5170 8760 13620 19150 23090 30160 38170 47120 67870 106030 152680
1.73MPa (250 psi 17.68 2 Kg/cm ) 0.102 0.133 0.165 0.196 0.215 0.245 0.276 0.307 0.368 0.460 0.552
0.125 0.125 0.125 0.125 0.125 0.125 0.188 0.188 0.188 0.250 0.313
8620 14610 22690 31920 38490 50270 63620 78540 113100 176710 254470
4.2.7 Agujeros de inspección [3] [4]. Los agujeros de inspección pueden ser de dos tipos: a) Boquillas de inspección y muestreo b) Entradas-hombre, con radio mínimo de 25.4 cm (10”) y limitadas a tubos de más de 100 cm (40") de diámetro El refuerzo de los agujeros se calcula de acuerdo con lo establecido en 4.2.4. Conexiones soldables en ramales y refuerzos de intersecciones de tubos”. Sin embargo puede seguirse una práctica muy simple para reforzar los agujeros y que consiste en utilizar una área en el parche de refuerzo igual al área del material removido al hacer el
62
agujero, esta práctica conduce a un sobre-esfuerzo pero es recomendable por su sencillez. La tapa puede ser una brida ciega comercial de la clase apropiada o bien calcularse con la fórmula. T = d
Cp S
cm
(4.34)
En que T : Espesor de la tapa. d : Diámetro de la placa al centro del empaque en cm. P : Presión interior en Pa (kg/cm2 ). S : Esfuerzo permisible del material de la tapa. C : Un coeficiente que vale 0.3 El espesor del cuello se calcula con la fórmula (1) PD Tp = + c (cm) 2 SE
(4.35)
En que P: Presión Interior en Pa (kg/cm2) E: Eficiencia de la soldadura ver tabla 4.2 C: Sobreespesor por corrosión ver tabla 4.3 D: Diámetro interior del cuello S : Esfuerzo permisible en Pa (kg/cm2). La forma general de las entradas hombre se muestra en la figura 4.10.En la tabla 4.8 se dan las dimensiones principales para agujeros de inspección de 50 cm (20”) de diámetro para presiones de 10,5 y 2 1,1 kg/cm2 (1,03 y 2,06 Mpa) [4].
63
Tabla 4.8 Dimensiones de agujeros de inspección Presión de Trabajo 1.03MPa a 2.07MPa 2 (10.5 kg/cm 2 21.1 kg/cm ) Presión de Trabajo 10.5 kg/cm2 21.1 kg/cm2 Presión de Trabajo 10.5 21.1
Número de Pernos 16 20 Espesor de la Tapa y de la brida 27 (11/16”) mm 43 (11/16”) mm Espesor del refuerzo 6.5 a 12.5 mm 6.5 a 15.9 mm
Diámetro y largo de los pernos
Diámetro del círculo de pernos 635 mm (25”) 635 mm (25”)
1 1/8” x31/2” 1 1/8” x 4 3/4” Longitud del cuello
Empaques diámetro interior 508 mm (20”) 508 mm (20”)
Empaques diámetro exterior 606 mm 23 7/8” 606 mm 23 7/8”
Espesor del cuello
152.4 (6”) mm 152.4 (6”) mm
9.5 (3/8”) mm 15.8 (5/8”) mm
Diámetro desarrollado del refuerzo 914 mm (36”)
Diámetro exterior de la tapa 698.5 (271/2”) mm
914 mm (36”)
698.5 (271/2”) mm
4.2.8 Diseño de uniones soldadas [3] [4] El tipo de soldadura que se usa para unir tramos de tubería de acero, y en general para unir otras piezas y refuerzos a las mismas, es la soldadura de arco, con proceso manual o semiautomático, empleando electrodos E6010 o E6012. La unión de accesorios como bridas y placas de refuerzo se hace con soldadura de filete o chaflán filete y ranura en v. La unión de tubos se hace a tope, con ranura rectangular, en 'V" o doble 'V" y de penetración completa o bien en algunos casos con traslape en cuyo caso la soldadura es de filete o chaflán. Ver fig. 4.11. La tabla 4.9 da indicaciones generales para soldaduras a tope.
64
Figura 4.10 Agujero de inspección (entrada hombre).
65
Figura 4.11 Uniones a tope
66
Tabla 4.9 Indicaciones generales para soldaduras a tope Tp en mm
Tipo de preparación
Separación (raíz) en mm
Penetración
a)
6.3
rectangular
3.17 (1/8”)
completa
b)
7.9
en v ángulo 60
3.17 (1/8”)
completa
25.4
en v ángulo 60
3.17 (1/8”)
completa
25.4
en donde v ángulo 45
3.17 (1/8”)
completa
c) d)
Indicaciones generales y cálculo de uniones traslapadas (figura 4.12) Las juntas traslapadas con soldadura interior sólo son posibles cuando el diámetro de los tubos es suficientemente grande (más de 36 o 40 pulgadas)(914 -1016 mm) para permitir la ejecución de la soldadura en forma segura y correcta. El cálculo del tamaño del filete de soldadura (independientemente de su posición) sólo depende de los cambios de temperatura. El manual de la AWWA da en su sección 13-13 un procedimiento de cálculo que se resume a continuación, empleando su misma nomenclatura (fig. 4.12): I : Tamaño del filete de la soldadura en mm (plg). p: Dimensión de la garganta del filete en mm (plg). T: Cambio de temperatura ( F) = T1 - T2. T1: Temperatura durante la aplicación de la soldadura. T2 : Temperatura después de la aplicación de la soldadura. Sp: Esfuerzo en la pared de la tubería en Pa (psi). Sw: Esfuerzo permisible de la soldadura en Pa (psi). S: Esfuerzo permisible del material de la tubería. t: Espesor de pared de la tubería. Fórmulas: Sp = 89.9 T (psi)
(4.36)
t Sp Sw
(4.37)
l = 1.4142p
(4.38)
P =
67
Figura 4.12 Soldadura interior y exterior. 4.2.9 Bridas Son elementos que sirven para unir tramos de tubería con otros componentes como válvulas, carretes, discos, cabezales de bombas y otros, en tal forma que se puedan remover, el diseño de ellas consiste en definir los espesores del 'hiato" o disco que constituye la brida propiamente dicha, y el 'tubo" que une el plato al tubo, así como el número y diámetro de los pernos de unión. Dado la gran variedad de bridas comerciales en existencia, no es común el cálculo de bridas excepto en casos excepcionales (fuera del alcance de este manual). Las bridas se fabrican conforme a la especificación ANSI B16.5 [6], en donde se agrupan los de dimensiones, rangos de presión de operación para bridas hasta de 24 pulgadas (610 mm). Las bridas para diámetros mayores se diseñan comúnmente de acuerdo a las dimensiones MSSSP-44 [7] o a la especificación ANSI B16.1 [8] la cual cubre las bridas de fierro fundido. Para bridas de acero forjado las dimensiones estarán de acuerdo a ASTM A-105 [9]. Los tipos de bridas más comunes son los siguientes: a) Deslizable. b) De junta montada o traslape. c) Roscada. d) Cuello soldable e) Ciega f) Reductora
68
En las tablas 4.10 y 4.11 se proporcionan las dimensiones de bridas clase 150 y 300.
Tabla 4.10 Bridas clase 150
69
Tabla 4.11 Bridas clase 300
70
4.3 EJEMPLOS DE CALCULO Ejemplo 1 Calcular el espesor mínimo de pared de un tubo con costura de 10 pulgadas (254 mm) de diámetro nominal que conduce aguas negras, para una presión máxima de 1.962MPa (20 Kg/cm2). El material del tubo es de acero ASTM A53 Gr. A. DATOS D = 27,31 cm P = 1.962MPa (20 Kg/cm2) S= 103.5 MPa (1055 Kg/cm2) E = 0,66 (Tabla 4.2) c = 0,16 cm (Tabla 4.3) Aplicando la ecuación (4.1) se tiene tp
PD 2 SE
c
Sustituyendo valores Tm= (20) (27.31) +0.16 (2) (1055) (0.66) Siendo el espesor nominal (Tabla 4.6): T = 7,80 mm (Ced. 30) Ejemplo 2 Calcular la presión permisible de trabajo para un tubo de 508 mm (20 pulgadas) de diámetro nominal ced. 30, de acero sin costura ASTM A53 Gr. B, que conduce agua tratada. DATOS D = 50,8 cm T = 1,27 cm S = 120.66 MPa (1230,37 Kg/cm2) E = 0,78 (Tabla 4.2) De la ecuación (4.8)
P
2SET D
Sustituyendo valores P=(2) (1230.37) (0.78) (1.27) 50.8
=
47.98 Kg / cm2 (4.7MPa)
71
Ejemplo 3 Calcular la presión máxima de un codo a 90 de cuatro soldaduras, de 762 mm de diámetro exterior, construido con placa de acero ASTM A283 Gr. B, de 3/8" (9,5 mm) de espesor, para servicio de aguas negras. DATOS Codo 90 , D = 76,2 cm (30") R = 45" = 114,3 cm, = 11,2 5* (Tabla 4.4) T = 3/8" = 0,375" = 0,95 cm S = 93.1MPa (949,14 Kg/cm2) E = 0,66 c/costura (Tabla 4.2) Cálculos: T-c = 0,95-0,16 = 0,79 cm r = D-T 2 Sustituyendo
76. 2 0. 95 2
r
37. 63 cm
Aplicando la ecuación (4.9) Pm
SE( T r
c)
T (T
c)
c
0.643 tan
r(T - c)
Sustituyendo Pm
(94914 . )(0.66)(079 . ) 37.63 079 . Pm 1315 .
079 . 149 .
079 . 0.643 tan 11.25 6.97 Kg / cm2
37.63(0.79) (1)
Aplicado la ecuación (4.10) SE( T c) R r r R 05 .r (94914 . )(0.66)(079 . ) 1143 . 37.63 37.63 1143 . (05 . )(37.63) Pm
Pm
72
Pm 1315 .
76.67 9549 .
1056 . Kg / cm2
(2)
Siendo la presión máxima permisible: Pm = 0.68MPa (6,97 Kg/cm2). Por ser la menor obtenida de las ecuaciones (4.1) y (4.2) Si el codo fuera de dos soldaduras ( = 45 > 22,5 ) y con los mismos datos ejemplo anterior la presión máxima de trabajo se obtendría por medio de: Pm
Pm
SE( T c) r (T
T c)
c
125 . tan
r(T - c)
(94914 . )(0.66)(079 . ) 079 . 37.63 0.79 + 1.25 tan 22.5 Pm 1315 .
079 . 361 .
(37.63)(0.79)
288 . Kg / cm2
Cálculo de la longitud M. con la ecuación (4.13): M 2.5 rT = 2. S
(3 7.6 -3)(0. 9 5) = 14. 9 5 cm
con la ecuación (4.14) M = tan
(R - r) = tan 22,5 (114,3 - 37,63) = 31,76 cm
Por lo tanto M = 31,76 cm por ser el valor mayor. De la comparación de resultados se aprecia que la presión máxima de trabajo para el codo de dos soldaduras, se reduce en un 60 por ciento en relación con la correspondiente a un codo de cuatro soldaduras.
73
Ejemplo 4 Una tubería de descarga de 203 mm de diámetro nominal que conduce aguas negras tiene una conexión en ramal a 90 de 102 mm de diámetro nominal. Ambos tubos son de acero ASTM A53 Gr. B, ced. 40 sin costura, diseñado para una presión máxima de 25 Kg/cm2 , el filete de la soldadura de la conexión es de tamaño mínimo y el margen de corrosión de 1,6 mm. Se requiere conocer si es necesario adicionar un aro de refuerzo a la conexión. DATOS Dh = 21,91 cm (8") . Db = 11,43 cm (4"). P = 2.4MPa (25 Kg/cm2). S= 120MPa (1231 Kg/cm2) . E = 0.78 c/costura (Tabla 4.2) . c = 0,16 cm. a) Obtenemos los espesores Th = 0,81 cm (8" céd. 40) Tb = 0,60 cm (4” céd. 40) b) La altura de la zona de refuerzo será: L4 = 2,5 (Th-C) = 2,5 (0,81 - 0,16) = 1,63 cm L4 = 2,5 (Tb - c) + Tr = 2,5 (0,6 - 0,16) + 0,81 = 1,91 cm Se tomara la dimensión que resulte menor, según lo indicado en 4.2.4 1,63 < 1,91 L4 = 1,63 cm c) La longitud removida del material será: d1= Db - 2 (Tb - c). d1 = 11,43 - 2(0,6 - 0,16) = 1 0,5S cm d)La mitad de ancho de la zona de refuerzo será: d2 = d1 = 10,55 cm. d2 = (Tb - c) + (Th - c) + d1 /2, cualquiera que sea mayor d2 = (0,6 - 0,16) + (0,81 - 0,16) + 10,55/2 = 6,35. d2 = 10, 5 5 cm por ser el valor mayor.
74
e) Se obtiene el espesor por presión interna por medio de la ecuación de Barlow: PD De la ecuación (4.1) t 2SE (25)(21. 91) th 0. 29 cm (2)(1231)(0.78) tb
(25)(11. 43) (2)(1231)(0.78)
0.15 cm
f) Espesor del filete de soldadura = 0,7 Tb ts = 0,7 X 0,6 = 0,42 cm o bien 6,3 mm (1 /4") la que sea menor: ts = 4,2 mm g) Altura del filete de soldadura =
0. 42 0.7071
0.59 cm
h) Área de refuerzo requerida A1 = (th d1)(2 - sen ) A1 = (0,29) (10,55) (2 - sen 90 ) = 3,06 cm2 i) Áreas de compensación reforzadas en la pared del cabezal: A2 = (Th – th - c) A2 = (2 x 10,55 - 10,55) (0,81 - 1,29 - 0,16) = 3,80 cm2 En la pared del ramal: A3 = 21-4 (Tb – tb -C) / sen A3 = (2) (1,63) (0,6 - 0,15 - 0,16) / sen 90 = 0,95 cm2 Por la soldadura en el ramal A4 = 2 x 0,5 (0,59 x 0,59) = 0,35 cm2 Siendo Ac = A2 + A3 + A4 Ac= 3,8 + 0,95 + 0,35 = 5,1 cm2 Siendo Ac = 5,1 cm > Al = 3,06 cm2 Por lo que: NO SE REQUIERE ARO DE REFUERZO
75
Ejemplo 5. Diseño con una sola placa de refuerzo Datos RB = 30 plg (762 mm) = 450 RS = 21 plg (534 mm) Presión de trabajo 230 psi (1,58 MPa) Presión de diseño 230 (1,5) = 350 psi (2,41 MPa) Paso 1. Con 60 plg (1524 mm) de diámetro del tubo mayor y la presión de diseño se encuentra el ancho d, en el nomograma (t = 1 plg, = 90 ) d = 50 plg (1270 mm) Paso2.a Usando la deflexión de 45 se encuentra en la gráfica correspondiente (fig. 4.4) Nw y Nb que multiplicados por d, nos dan dw y db, anchos correspondientes e1 pantalón de 45 (t = 1 plg) Paso 2.b Con la relación (RS/RB) = (21/30) = 0,70 y el ángulo de 45 se usa la figura 4.5 para encontrar los factores Qw y Qb que dan los valores finales d'w y d'b (t = 1 plg) Paso 2.a Nw = 2.45 Nb = 1.23 d’w = Nwd = 2.45 (50) = 122 plg d’s = Nbd = 1.23 (50) = 61.5 plg Paso 2.b Q’w = 0.52 Qb = 0.66 d’w = 0.52 (122) = 63.4 plg d’b = 0.66 (61.5) = 40.5 plg Paso 3 Como el peralte d’w es mayor de 30 veces el espesor t (1 plg) debe emplearse la ecuación (13.2)
76
0.917
d
d1
t1
45 360
0.792
d1
t Se supone un valor tentativo de t t = 1 1/2” d
d1
d1(0725 . )
3
0.917
1
2
45 360
0.792
d1
1.5
1
d1(0725 . )
1.5
d’w = 63.4 (0.725) = 46 plg d’b = 40.5 (0.725) = 29 plg Paso 4 Se encuentra una distancia d’t en función de db o d’b para d’b = 29 plg., d’t = 18 plg Resultados finales Espesor de la placa de refuerzo Peralte de la placa en el ángulo agudo Peralte de la placa en el ángulo obtuso Peralte de la placa en la parte superior e inferior
t = 1.5 plg dw = 46 plg db = 29 plg d’t = 18 plg
Radio exterior de la placa en ambas bifurcaciones es igual al peralte superior más el radio interno de la tubería más pequeña = d’t + Rs = 18 + 21 = 39 plg Ejemplo 6 Diseño de refuerzo con dos placas RB = RS = 39 plg = 53° Presión de trabajo 150 psi Presión de diseño 150 x 1.5 = 225 psi Paso 1 Con el diámetro de 72 plg. y una presión de 225 psi, el valor del ancho d, en la escala correspondiente del nomograma (t = 1 plg, = 90°) d = 49 plg Paso 3 Como el peralte dw es mayor que 30 veces el espesor de la placa (1 plg) se aplica la ecuación (1) para encontrar d en función de un nuevo espesor.
77
Se ensaya t = 2 plg 0.917
d
d1
t1
360
1 d1 2
0.770
d1 = 0.586
t d’w = 96.5 (0.586) = 57 plg d’b = 53.4 (0.586) = 31 plg
Paso 4 Se encuentra el peralte d’t de la figura 4.6 en función de =53 y d’b = 31 plg d’t = 15 plg Resultados finales Espesor de la placa de refuerzo Peralte de la placa en el ángulo agudo Peralte de la placa en el ángulo obtuso Peralte de la placa en la parte superior e inferior Altura Z del refuerzo igual al radio de los tubos
t = 2 plg dw = 57 plg db = 31 plg d’t = 15 plg (36”) + (15”) = 51 plg
Ejemplo 7 Encontrar el tamaño del filete de soldadura en una tubería de espesor t, con S = 30,000 lb/plg2, bajo una variación de temperatura de = 40 °F T = T1 - T2 = 40 °F Sp = 89.9 T p
t Sp Sw
I = 1.4142 p Sustituyendo valores: Sp = (89.9) (40) = 7,596 lb/plg2 Sw = 0.5 S = 0.5 x 30,000 = 15,000 lb/plg2 p=
t Sp Sw
( t )(7596) 15, 000
0.5064 t
I = 1.4142 p = 1.4142 x 0.506 t = 0.716 t
78
4.4 REFERENCIAS [1] Hydraulic Institute Standards [2] American Waterworks Association (AWWA) Manual for Steel Pipe - A Guide for Design and Installation [3] Pressure Vessels - The ASME CODE simplified - R. Chuse Mc. Graw Hill - 1987 [4] U.S. Bureau of Reclamation “Welded Steel Penstocks Design and Construction” (Engineering Nomograph No. 3) [5] American Society of Mechanical Engineers (ASME) B31.3,Edicion 1993 “Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping” [6] American Society of Mechanical Engineers (ASME) B16.5 “Pipe Flanges and Flanged Fittings” [7] Manufacturers Standardization Society, Standard Practice MSS-SP-44 “Especificaciones de Bridas para Tuberías de Acero” [8] American Society of Mechanical Engineers (ASME) B16.1 “Cast Iron Pipe Flanges and Flanged Fittings” [9] American Society of Testing and Materials ASTM A-105 “Standard Specification for Forgings, Carbon Steel, for Piping Components”
79
CONTENIDO CAPITULO 5 DISEÑO DE CARCAMOS DE BOMBEO ...............................................81 5. OBJETIVO ...................................................................................................................81 ALCANCE........................................................................................................................81 5.1 INTRODUCCIÓN .......................................................................................................82 5.2 DATOS BÁSICOS......................................................................................................82 5.2.1 Datos de la fuente de abastecimiento ....................................................................82 5.2.2 Datos hidráulicos.....................................................................................................83 5.2.3 Datos mecánicos.....................................................................................................83 5.2.4 Partes constitutivas de los cárcamos .....................................................................83 5.2.5 Clasificación de los cárcamos.................................................................................93 5.2.6 Problemas que causa la fuente de almacenamiento al cárcamo ..........................94 5.3 HIDRÁULICA DE LOS CÁRCAMOS.........................................................................97 5.3.1 Características de un buen diseño hidráulico.......................................................101 5.3.2 Características inconvenientes de diseño hidráulico............................................101 5.3.3 Algunas medidas correctivas de flujo ...................................................................102 5.3.4 Características de los vórtices ..............................................................................103 5.4 DIMENSIONAMIENTO DE CARCAMOS................................................................108 5.4.1 Lineamientos generales de las obras auxiliares...................................................109 5.4.2 Volumen mínimo de un cárcamo..........................................................................109 5.4.3 Dimensionamiento del cárcamo de bombeo ........................................................113 5.5 EJEMPLOS DE APLICACIÓN.................................................................................125
CAPITULO 5 DISEÑO DE CARCAMOS DE BOMBEO 5. OBJETIVO Este capítulo tiene el objetivo de auxiliar al ingeniero que debe diseñar un cárcamo de bombeo desde el punto de vista hidráulico. Como ayuda de diseño, la información aquí contenida permite definir, en términos generales, una geometría recomendable para una hidrodinámica correcta. Al mismo tiempo, se analizan algunos aspectos del flujo en cárcamos a fin de apoyar la comprensión de los fenómenos y, eventualmente, de sustentar decisiones técnicas adicionales a las derivadas directamente de las recomendaciones presentadas. ALCANCE El diseño hidráulico de cárcamos de bombeo puede ser realizado, en general, con base en recomendaciones de origen empírico y experimenta¡ acumuladas y probadas por instituciones de reconocida autoridad en el campo de la Hidrodinámica. Asimismo, la experiencia personal del proyectista en tipos específicos de cárcamos puede aportar elementos al diseño. Sin embargo, existen casos particulares cuya magnitud e importancia (en cuanto a las consecuencias operativas y económicas, y aún de seguridad, derivados de un funcionamiento inapropiado o no continuo) o cuyas características especiales requieren la participación de un ingeniero especialista y/o de un estudio experimental en modelos físicos reducidos. Puede citarse como ejemplos: los cárcamos cuyas normas de seguridad de operación son muy estrictas, como los de las centrales núcleo eléctricas, los que alojan bombas de gran capacidad, como los de las centrales termoeléctricas y núcleo eléctricas, los cárcamos que no pueden cumplir (por limitaciones de espacio, por ejemplo) con las características recomendadas relacionadas con las dimensiones mínimas o con las direcciones y/o magnitudes de las velocidades, y los cárcamos que operan en condiciones especiales de flujo (son los casos de los que contienen sistemas complicados de compuertas de control de diferentes tipos de agua, como los requeridos para la recirculación de agua caliente proveniente de los intercambiadores de calor de las termoeléctricas, de los cárcamos que poseen conductos de alimentación de agua de presión y por gravedad, simultáneamente, como los abastecidos por tomas submarinas, los que presentan alternativas de operación críticas por la combinación de bombas y de compuertas operativas, como en algunos cárcamos múltiples de plantas termoeléctricas, combinación en la que la oblicuidad del flujo propicie el movimiento vorticoso, los cárcamos cuyo nivel de la superficie libre del agua de alimentación tenga fuertes variaciones, como en los alimentados por agua marina en zonas de gran amplitud de marea, los cárcamos que captan agua de corrientes naturales con alto contenido de sólidos en suspensión y con ángulos entre la dirección de la velocidad y el eje del cárcamo cercanos a los 90 grados, aquellos en los que hay objetos extraños en la zona de bombeo que producen estelas vorticosas, tales como las columnas de bombas auxiliares y de otros equipos, y otros casos más).
81
La información que se presenta permite definir la forma y las proporciones generales de un cárcamo de bombeo cuyas características permitan aplicar las recomendaciones correspondientes y que no presenta ninguna condición especial como las mencionadas anteriormente. El funcionamiento hidráulico resultante tenderá a ser el apropiado para el funcionamiento correcto del equipo de bombeo y se reducirán al mínimo las posibilidades de ocurrencia de fenómenos adversos tales como la vorticidad excesiva y la prerotación (que serán descritos más adelante), que pueden ocasionar la necesidad de mantenimiento intensivo y aun dañar a las bombas. Las causas de dichos fenómenos nocivos aparecen detalladas en el texto; el análisis respectivo permite a quién utilice las recomendaciones relacionarlas con las condiciones deseables de funcionamiento y a los efectos indeseables con las causas respectivas. De esta manera, se puede obtener la máxima utilidad de las ayudas de diseño (que son necesariamente muy generales) no sólo aplicándolas directamente, sino también interpretándolas desde el punto de vista hidráulico y así, en su caso, complementándolas juiciosamente si el problema analizado lo requiere. 5.1 INTRODUCCIÓN Un cárcamo de bombeo o pozo de succión, es una estructura vertical a superficie libre en donde descarga el conducto de la toma y donde se instalan las bombas para elevar el agua al nivel deseado. Generalmente consiste en un depósito enterrado construido de concreto o mampostería cuyas dimensiones están en función del tamaño del equipo que se vaya a instalar y del procedimiento empleado en su construcción. Además en su diseño se toma en cuenta la facilidad que se debe tener para su inspección y limpieza periódicas. La necesidad del control que debe ejercer el cárcamo sobre el flujo surge de los requisitos de operación de las bombas, que están diseñadas para funcionar, en general, en condiciones constantes de carga hidráulica, de velocidad de aproximación del líquido a la bomba y de velocidad de rotación del motor. Estas condiciones se cumplen sólo si el cárcamo presenta características de diseño que la experiencia práctica y la experimentación en laboratorio han mostrado que son apropiadas. Este capítulo presenta de manera simplificada las recomendaciones básicas del diseño de cárcamos de bombeo, con algunas referencias a la hidrodinámica. respectiva porque ayudan a entender los fenómenos que afectan el funcionamiento de las bombas. Se incluyen ejemplos de aplicación práctica. 5.2 DATOS BÁSICOS La información necesaria para el proyecto de un cárcamo de bombeo comprende: 5.2.1 Datos de la fuente de abastecimiento A).- Tipo y localización: subterránea, superficial, con variación de nivel, a presión, etcétera
82
B).- Calidad del agua: dulce, salada, contenido de minerales, de gases disueltos y de materiales en suspensión; presencia y tipo de organismos vegetales y animales Las fuentes de abastecimiento producen frecuentemente problemas que pueden ser muy serios y perjudicar notablemente el funcionamiento hidráulico del carcoma; por esta razón se indican en el inciso 5.2.6 los posibles problemas que las diferentes fuentes de abastecimiento producen al carcoma. 5.2.2 Datos hidráulicos A) Tipos de conducción antes del carcoma: a presión, a superficie libre. B) Relación entre gastos de entrada y de salida cuando el carcoma es de tipo intermitente C) Volumen requerido y niveles de operación. 5.2.3 Datos mecánicos A) Energía disponible, para definir si los motores son de combustión interna o eléctricos B) Número, tipo, capacidad y disposición de las bombas C) Características del equipo de limpieza: rejillas, rastrillos, mallas, mallas giratorias, triturador, etcétera D) Características del equipo auxiliar: pórticos, grúas, compuertas de agujas, bombas de Iodos, etcétera. 5.2.4 Partes constitutivas de los cárcamos Las figuras 5.1 a 5.6 muestran algunos arreglos típicos de cárcamos de bombeo de los que se han utilizado en México. En ellas se observan las partes constitutivas principales de los cárcamos, las cuales se definen a continuación: 5.2.4.1 Canal o tubo de llegada Cuando el agua se capta de una fuente superficial como el mar, un lago o laguna o una corriente superficial, y el gasto a bombear es considerable, es conveniente diseñar un canal de llamada que conduzca al líquido hasta el cárcamo. La llegada puede ser por medio de un tubo, por gravedad, como en el caso de los drenajes de aguas negras; también puede ser a presión. 5.2.4.2 Transición de llegada Ya en la proximidad de¡ cárcamo, el canal de llegada deberá adecuarse gradualmente en forma y dimensiones a la sección de entrada al cárcamo. En ocasiones, esta transición no existe.
83
5.2.4.3 Zona de control y cribado Normalmente se necesita disponer de dispositivos de control de líquido, como compuertas, para aislar el cárcamo de la fuente, en caso necesario (por ejemplo, para limpieza o mantenimiento de los componentes interiores). Además, debe cribarse el agua para evitar el paso de sólidos flotantes y de animales acuáticos. A) Pantalla En ocasiones, se coloca un muro vertical (pantalla o mampara) a la entrada de la zona de control y filtrado, de manera que penetre hasta una profundidad inferior al nivel de la superficie libre del agua. Su función principal es retener a los objetos flotantes y a los aceites que pudieran llegar hasta allí. B) Rejillas primarias Estos elementos fijos constituyen la primera línea de protecci6n contra la entrada de sólidos acarreados por el agua. Constan de barras con una separación considerable, ya que su función es retener a los objetos de tamaño grande. La separación entre barras se indica en la sección 6.1.
84
Figura 5.1 Cárcamo de cámara húmeda para agus crudas o pluviales
85
Figura 5.2a Arreglo de cárcamo tipo para aguas residuales con pretratamiento
86
Figura 5.2b Arreglo de cárcamo tipo para aguas residuales con pretratamiento
87
Figura 5.3a Arreglo de cárcamo tipo para aguas crudas
88
Figura 5.3b Arreglo de cárcamo tipo para agua cruda
89
Figura 5.4 Cárcamo de succión para bombas horizontales
90
Figura 5.6 Arreglo de cárcamo circular
91
C) Desarenador y bomba de Iodos El desarenador o trampa de arena es una cavidad en el fondo, al final de la zona de transición o al inicio de la zona de filtrado, que retiene a los sedimentos arrastrados para evitar su llegada a las bombas. La bomba de Iodos extrae del desarenador los sólidos atrapados para su transporte a lugares de tiro convenientes. D) Rejillas secundarias Estos elementos, con aberturas menores que las rejillas primarias, retienen sólidos de tamaño pequeño (del orden de 1 cm). Debe asegurarse que el claro entre barras sea menor que el paso de esfera de las bombas. Normalmente cuentan con rastrillos mecánicos 5.2.4.4 Cámara de bombeo Es la zona inmediata a la bomba, que encauza al flujo exclusivamente a las bombas. En esta zona deben cumplirse estrictamente las condiciones hidráulicas recomendadas para el buen funcionamiento de los equipos. La mayor parte de los vórtices, tanto superficiales como sumergidos, se presentan allí. El flujo de llegada a la cámara debe ser ordenado. La cámara puede ser aislada por medio de una compuerta apoyada en una mampara para que la compuerta no sea dificil de maniobrar, por un lado, ni resulte de un costo elevado, por otro. Dicha mampara sirve además para inhibir vórtices superficiales. 5.2.4.5 Equipo de bombeo dentro del cárcamo A) Campana de succión Es un abocinamiento del extremo inicial de la columna de succión. Su forma es generalmente circular en planta y elíptica en corte. Su diámetro se toma como un parámetro básico para el dimensionamiento hidráulico del cárcamo. B) Colador o pichancha En las bombas que no tienen zona de filtrado se tiene este elemento, que sirve para evitar el paso de sólidos al interior de la bomba. C) Válvula de retención (check) Este componente sirve para evitar el vaciado de la columna de succión e impide así el descebado de la bomba. D) Impulsor Es el rotor de la bomba, movido por el motor, que impulsa al líquido hacia la descarga. Es la parte,afectada severamente cuando se presenta la cavitación.
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5.2.5 Clasificación de los cárcamos 5.2.5.1 Según su tamaño Por lo que respecta a su tamaño, los cárcamos se clasifican de acuerdo con el gasto que bombea la bomba más grande que exista (pueden existir varias del mismo tamaño). Se puede considerar que un cárcamo es grande cuando la bomba tiene una capacidad de 1,5 m3/s en adelante. Es mediano cuando la bomba tiene una capacidad entre 191 y 1500 L/s y es pequeño cuando el gasto de la bomba alcance hasta los 190 L/s (5.1). Un cárcamo pequeño puede ser en realidad una estructura de volumen considerable por el hecho de alojar muchas bombas con capacidad de 190 L/s. cada una; sin embargo, la importancia de la interrupción del servicio en un cárcamo que aloje dos bombas de 6m3/s cada una puede ser mayor. 5.2.5.2 Según la colocación del equipo de bombeo En los cárcamos de cámara húmeda la bomba se encuentra en el interior del cárcamo. La obra civil de estos cárcamos es simple y más económica pero el mantenimiento del equipo de bombeo requiere el vaciado de la cámara donde está la bomba que necesita de servicio, sea de reparación o de mantenimiento rutinario. Esto implica la existencia de compuertas. Otra alternativa es no vaciar la cámara, sino izar la columna completa para dar el servicio fuera del cárcamo pero se requiere una grúa que permita sacar toda la columna. Si existe caseta de bombas, ésta debe ser alta para poder hacer la maniobra de izado, lo que encarece dicha caseta. Estos cárcamos, utilizan bombas de flujo axial, con el impulsor bajo el nivel del líquido o bombas centrífugas con válvula de retención (válvula check). La figura 5.1 muestra un cárcamo de cámara húmeda. Este tipo de cárcamo es de uso frecuente en los sistemas de agua potable y alcantarillado. Los cárcamos de cámara seca tienen un alojamiento estanco, donde va el equipo de bombeo. Su construcción es más cara que la de los cárcamos húmedos pero el mantenimiento del equipo es más rápido y más económico puesto que el equipo mecánico (moto-bomba) está fuera del fluido. La figura 5.4 muestra un arreglo de este tipo. 5.2.5.3 Según su servicio Los cárcamos para bombear aguas blancas no presentan en general problemas siempre y cuando se cumpla con las normas de dimensionamiento (ver el inciso correspondiente). En el caso de los cárcamos para manejar aguas negras, el alto contenido de sólidos obliga a reducir su decantación fuera del cárcamo. Asimismo, hay que evitar que el agua permanezca en el cárcamo el tiempo suficiente para que entre en condiciones sépticas; se recomienda que las aguas negras no permanezcan más de 30 minutos en el cárcamo. Esto presupone la disposición de fuentes auxiliares de energía en previsión de fallas en el suministro normal. Este tipo de cárcamos deben estar diseñados para poder bombear gastos extraordinarios producidos por precipitaciones también extraordinarias cuando sirven para sistemas de alcantarillado de tipo mixto.
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5.2.5.4 Según las cámaras de bombeo Los cárcamos pueden tener una cámara por bomba, entonces se denominan cárcamos individuales y tienen su propio sistema de limpieza: rejillas primarias, rejillas secundarias y sus compuertas, de tal manera que se puede fácilmente aislarlos para su mantenimiento y/o reparación tanto de las bombas como del sistema de limpieza. Hay cárcamos de cámara común, en donde todas las bombas que se requieren para cubrir un servicio están alojadas en una cámara. El sistema de limpieza es común y debe estar constituido por tres canales que desembocan todos a la cámara; en cada canal irán las rejillas primarias y las secundarias. La capacidad de cada canal será del 50% del gasto total, de tal forma que pueda darse mantenimiento a uno de ellos mientras los otros dos dan servicio. 5.2.5.5 Según su forma Por su forma los cárcamos pueden ser rectangulares o circulares. Los rectangulares tienen la ventaja de que el flujo puede encauzarse de mejor manera desde la entrada al cárcamo o cuando menos desde la entrada a la cámara de bombeo. Esto siempre es bueno porque se inhibe la formación de vórtices. Los cárcamos circulares tienen buen empleo cuando se trata de construirlos en terrenos poco resistentes, como el subsuelo arcilloso del Valle de México, entonces su forma juega un papel importante en el funcionamiento estructural. Desde el punto de vista hidráulico, siempre serán mejor los rectangulares. 5.2.5.6 Según la continuidad del bombeo los cárcamos pueden ser de flujo intermitente como los que sirven para bombear aguas negras, debido a las fluctuaciones del flujo de acuerdo con las horas de mayor o menor descarga. En éstos su volumen es importante ya que debe manejarse el agua de acuerdo con niveles de arranque de bombas y de paro de ellas, teniendo muy en cuenta el tiempo máximo de retención de las aguas negras para que no se produzcan gases peligrosos por su toxicidad y poder explosivo. Existen los cárcamos que son de flujo permanente o constante, por ejemplo los que sirven para alimentar una planta desaladora, cuyo gasto, aunque pequeño, es constante para que la producción de agua dulce sea también constante. En este grupo se encuentran también algunos para irrigación o para suministrar agua a procesos industriales. 5.2.6 Problemas que causa la fuente de almacenamiento al cárcamo 5.2.6.1 Tipo de fuente: Río A) VARIACIÓN DE NIVELES.- El régimen hidrológico del río puede ser tal que existan fluctuaciones de nivel severas durante el año. Esto puede obligar a la construcción de una represa (presa derivadora). B) DIVAGANCIA.- Cierto tipo de terrenos y algunas alteraciones de las condiciones de aguas abajo del río, sean naturales o artificiales, pueden propiciar el cambio de su 94
cauce. Hay necesidad de controlar las condiciones de aguas abajo y/o estabilizar el tramo del río donde se localizará la toma. Cualquiera de las soluciones resulta cara. C) TRANSPORTE DE SÓLIDOS.- Existen ríos que, por las condiciones geológicas de las zonas aguas arriba de la toma, conducen en todo tiempo grandes cantidades de materia sólida, principalmente limo, arena y grava. En otros casos este material sólido sólo se presenta en época de lluvias. Se requiere construir las obras que eviten el azolve de la toma y los aditamentos que reduzcan la abrasión en las bombas causada por la arena que viaja en suspensión. D) INTRUSIÓN SALINA.- Si el agua se destinará para riego o dotación de agua potable, en las tomas cercanas al mar hay la posibilidad de intrusión salina pues el agua de mar por su densidad más alta y por el efecto de la marea penetra aguas arriba del río (cuña salina). Deben estudiarse y analizarse detenidamente estos dos factores a lo largo del año, principalmente en época de estiaje. E) CALIDAD DEL AGUA.- Si el aprovechamiento es para captar agua potable, aún cuando esté sujeta a un tratamiento posterior a su captación, la calidad del agua es un factor muy importante debido a que existen contaminantes muy peligrosos como el mercurio, vertido por industrias y que no se elimina en 100% con el tratamiento. Este factor determina varias acciones: controlar los vertidos aguas arriba de la captación o cambiar el lugar de la toma. F) SUBSUELO.- Por la consistencia especial de los suelos aluviales, característicos de los ríos, la cimentación de las estructuras, principalmente cuando soportan máquinas que producen vibraciones, como es el caso de las estaciones de bombeo, resulta problemática. Debe realizarse un estudio detallado de la Mecánica de Suelos. Esta situación puede también cambiar la localización de la toma. G) IMPACTO.- En época de avenidas es frecuente que los ríos arrastren troncos de árboles u objetos pesados de diversa índole, que pueden quedar retenidos en las estructuras de llamada o en las rejillas causando serios daños. H) OBSTRUCCICIÓN DE LA TOMA.- También en época de avenidas, la gran cantidad de basura y elementos flotantes, que en algunos casos arrastran los ríos, son causa de las obstrucciones en las rejillas y de su consiguiente pérdida de carga. En ocasiones puede bajar tanto el nivel en el cárcamo que la o las bombas se ven en peligro de cavitar. 5.2.6.2 Tipo de fuente: Lago A) VARIACICIÓN DE NIVELES.- En los lagos y lagunas se presenta una variación de niveles a lo largo del año que puede ser considerable y que por tanto influyen en el diseño de la captación. La variación de niveles en estos cuerpos de agua se debe al régimen hidrológico de sus afluentes, la aportación por lluvia, la evaporación, la marea, etc.
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B) ARRASTRE DE LODOS.- Es frecuente que los fondos lacustres estén formados por arcillas y limos, materiales fácilmente movibles y que presentan una sería dificultad o un costo elevado para evitarlos. Influyen por tanto, de manera decisiva en la localización y tipos de toma. C) CALIDAD DEL AGUA.- Como estos cuerpos de agua, al igual que los ríos, son frecuentemente usados para verter los desechos tanto de aguas negras como de residuos industriales, la calidad del agua será un factor de primer orden cuando se trate de abastecimiento de agua potable, por las mismas razones expuestas para los ríos. En el caso de las lagunas y lagos, los contaminantes fácilmente se estratifícan y definen perfectamente su área de influencia (cuando la existencia de corrientes, sean de densidad, de viento de oleaje, o de mareas, es pequeña y de poca intensidad) por lo que la toma puede localizarse adecuadamente. D) OBSTRUCCIONES.- Las rejillas de la toma pueden obstruirse por las razones siguientes: la primera la constituye el lirio acuático; esta planta representa en últimas fechas un serio problema que no es fácil de solucionar pues su constitución lo hace inmanejable. Por otro lado, la utilización de herbicidas resulta contraproducente, sea la captación para agua potable o para riego. Esta obstrucción produce grandes pérdidas de carga. Se recomienda una toma sumergida. Otro tipo de obstrucción, cuando la succión es grande, son los peces. Estos pueden obligar a construir estructuras especiales para retornarlos al lago, encareciendo notablemente la obra. En caso de que estos cuerpos de agua estén conectados con el mar existe la de arribazones de medusas o sargazo que causan, al igual que el lirio, una fuerte pérdida de carga. E) SUBSUELO.- La sedimentación de materiales orgánicos y de arcilla y limos a través de muchos años, ha producido un fondo lacustre que presenta problemas a la cimentación de las estructuras sujetas a vibración. Generalmente hay que resolver el problema a base de pilotes. F) ORGANISMOS ADHERENTES.- Existe la posibilidad de que en las aguas de los lagos vivan organismos que se adhieren fácilmente a las paredes de los conductos y modifican el factor de fricción. Es conveniente conocerlos y definir el coeficiente de fricción para proyecto. Si la laguna está conectada con el mar este problema es un hecho. En este caso los organismos adherentes son principalmente los mejiliones y los balánidos. G) OLEAJE.- Cuando la laguna o lago tiene una zona expuesta a la acción del viento de longitudes considerables, se forman olas que influyen en la captación ejerciendo fuerzas sobre las estructuras, generando corrientes y por tanto arrastre de objetos flotantes y causando agitación indeseable en la toma (si penetra hasta el cárcamo).
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5.2.6.3 Tipo de fuente:Presa A) VARIACIÖN DE NIVELES.- El régimen hidrológico del río y el régimen de aporte de agua de la presa ya que generalmente son de uso múltiple: generación de energía, irrigación por gravedad, dotación de agua potable, etc., hacen que los niveles en el vaso estén sujetos a una variación grande durante el año. B) OBSTRUCCIÓN.- Cuando el nivel del agua alcanza el nivel de toma, el lirio acuático representa un serio problema de obstrucción. Baja notablemente el nivel en el lado de la succión. C) AZOLVE.- En presas construidas sobre ríos que arrastran gran cantidad de sólidos, el azolve de la presa es un factor que se debe tomar muy en cuenta para la localización (en elevación) de la toma. D) MATERIA ORGÁNICA.- En el caso de las presas cuyo vaso inunda zonas cubiertas por vegetación, por ejemplo bosques, o selvas, producen materia orgánica que puede obstruir las rejillas. 5.2.6.4 Tipo de fuente: Red de alcantarillado A) ARRASTRE DE SÓLIDOS.- La gran cantidad de materia orgánica y de sólidos en suspensión son un factor que influye decisivamente en las tomas para bombeo de aguas negras. Estos pueden obligar al uso de desmenuzadores o de bombas inatascables o bien de estructuras desarenadoras que encarecen la obra. B) OBSTRUCCIÓN POR CUERPOS FLOTANTES.- Las basuras que por su poca densidad flotan, así como cuerpos de animales, constituyen objetos obstructores de las rejillas. Las pérdidas de carga que provocan son considerables. Las bombas pueden cavitar. C) GASES DISUELTOS.- La gran cantidad de gases que están disueltos en las aguas negras pueden provocar al liberarse por la baja presión causada por la succión, la cavitación de las bombas. Existen algunos compuestos químicos, principalmente de ácidos cuando se trata de aguas de residuo industrial, que pueden corroer todas las partes metálicas de la toma y el cárcamo. Es preciso hacer un análisis químico que determine la nocividad de estos componentes. 5.3 HIDRÁULICA DE LOS CÁRCAMOS La operación adecuada de los equipos de bombeo depende de manera decisiva del funcionamiento hidráulico correcto del cárcamo correspondiente. Hay características del flujo que dan como resultado baja eficiencia de bombeo, limitaciones en las condiciones de operación y, en casos graves, causan el desgaste prematuro y producen daños
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substanciales a los equipos. De allí que un buen diseño hidráulico es una importante contribución al correcto funcionamiento de un cárcamo de bombeo. El funcionamiento hidráulico de un cárcamo es una función directa de las condiciones hidráulicas del flujo de entrada y de la geometría de las paredes internas que limitan al flujo. Debido a que no es posible predecir analíticamente dicho funcionamiento, a causa del gran número de variables que intervienen, la experimentación en modelo hidráulico reducido es la única vía confiable de análisis; como aproximación (a veces no muy confiable), se dispone de recomendaciones y normas acerca de la hidrodinámica a la entrada del cárcamo y de la configuración de las fronteras del flujo. Se hace notar que el estudio de dicha información presenta el inconveniente de que los criterios son más bien particulares, lo que dificulta la elaboración y la utilización de conclusiones aplicables a una variedad de casos. Las recomendaciones más conocidas son las del Instituto de Hidráulica de los Estados Unidos (lowa) [5.1] y de la Asociación Británica de Investigaciones Hidromecánicas [5.2]. Sin embargo, en la práctica se ha comprobado que dichas recomendaciones son sólo aproximaciones de relaciones entre geometría de cárcamo e hidrodinámica correcta. En el caso de diseños importantes, se recomienda enfáticamente el uso de modelos hidráulicos para comprobar la buena operación hidráulica. Un modelo a la escala apropiada, bien diseñado y operado correctamente, puede dar un adelanto confiable del funcionamiento hidrodinámico de su prototipo, si sus resultados son interpretados correctamente. Sin embargo, no debe menospreciarse la utilidad de las recomendaciones, ya que aún en el caso de que el estudio se realice con ayuda de un modelo hidráulico, un diseño preliminar esencialmente correcto tiende a posibilitar un estudio experimental breve y económico. Resumiendo lo anteriormente expuesto: el diseño hidráulico correcto de un cárcamo de bombeo puede realizarse de dos maneras: a) Con base exclusivamente de las normas, recomendaciones y experiencia b) Con la ayuda adicional de un modelo hidráulico En el primer caso, se hace uso de las normas mencionadas y además de alguna información elaborada por fabricantes de equipos de bombeo, compañías consultoras, centros de investigación hidráulica y otras fuentes. Como ya se indicó, la confiabilidad de esas guías de proyecto es limitada, sobre todo en el caso de las grandes bombas, que son más susceptibles a las vibraciones y al funcionamiento irregular que las de menor capacidad debido a que sus características de resistencia mecánica no aumentan, con respecto a éstas, en la misma proporción que las cargas y los esfuerzos hidrodinámicos extraordinarios. El carácter analítico, de penetración en la esencia de los fenómenos de flujo en cárcamos, que caracteriza a la investigación reciente en este campo, incluyendo a la realizada en nuestro país [5.5, 5.7 y 5.8], permite una mayor comprensión y un mejor control de esos fenómenos. Las recomendaciones resultantes favorecen la elaboración
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de proyectos mejores y más seguros, aunque en los proyectos de cierta importancia esto todavía no sea suficiente. El segundo método usado para el diseño hidráulico de un cárcamo incluye un estudio experimental en modelo físico reducido. Lo mismo que en el caso de muchos fenómenos hidráulicos, la experimentación en modelos suministra información que el análisis teórico y la experiencia pueden no ser capaces de proporcionar. Por lo anterior, especialmente cuando las bombas tienen una capacidad considerable (no es posible fijar una referencia exacta, pero podría considerarse un gasto mayor de 5m2/s por bomba como índice) o la naturaleza del proyecto lo indica (por ejemplo, si la disposición de las bombas y/o la geometría de cárcamo no es común), es recomendable verificar y mejorar, en su caso, el proyecto con ayuda de un modelo hidráulico reducido. También se debe recurrir a un modelo para estudiar aspectos especiales del flujo, difíciles o imposibles de conocer a priori, como los efectos causados por las posibles combinaciones de operación de una batería de bombas; asimismo, los modelos hidráulicos son valiosos para determinar las medidas correctivas a aplicar a un cárcamo que funciona defectuosamente. Las consecuencias de la falta de observancia de los métodos recomendados de diseño hidráulico pueden ser las siguientes, cualquiera de las cuales significa pérdidas de tiempo y económicas: A) Mantenimiento preventivo intenso B) Retrasos en la puesta en operación normal de la planta C) Reducción de la eficiencia de bombeo y/o limitaciones de operación D) Cambios estructurales para mejorar el flujo E) Estudio en modelo hidráulico para determinar las medidas correctivas Enseguida se presenta el conjunto de condiciones deseables de funcionamiento hidráulico de un cárcamo. Algunas de ellas son muy difíciles de cumplir cabalmente y habrá casos en los que sólo se intentará aproximarse a ellas. La diferencia que haya entre las condiciones ideales y las reales determinará en cierta medida los problemas en la operación de la bomba. 1. Unicidad de fase. En determinadas condiciones, el agua puede arrastrar aire hasta la bomba; esto generalmente causa una reducción en la eficiencia de ésta y además vibraciones irregulares. que tienden a dañar los rodamientos y sistemas de transmisión y a los motores. También el arrastre de vapor de agua es potencialmente dañino, ya que puede originar, en ciertas condiciones, cavitación. Este fenómeno es capaz de destruir gradualmente al impulsor. Sólo debe bombearse agua. 2. Ausencia de vorticidad. Los vórtices pueden introducir aire y vapor de agua al flujo, con los resultados citados, especialmente los de cierta intensidad. Esta condición domina el panorama del flujo en cárcamos. Más adelante se hará una clasificación de los vórtices.
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3. Uniformidad de flujo. La magnitud y la dirección de las velocidades en una sección transversal del cárcamo, escogida convenientemente, deben ser iguales en toda la sección. 4. Permanencia del flujo. La magnitud y la dirección de las velocidades no deben variar en función del tiempo. 5. Prestación. El flujo que llega al impulsor de la bomba no debe presentar un giro excesivo, ya que ese efecto, que es oscilatorio, impone cargas variables al equipo y reduce de esta forma el rendimiento del sistema. Se darán más adelante algunos valores aceptables de la prerotación. 6. Dirección del flujo. La localización y la dirección del eje del cárcamo, en relación con el del flujo de entrada, deben ser tales que la cantidad de movimiento angular del flujo con respecto a la sección de entrada sea tan pequeña como sea posible, para reducir al mínimo los movimientos vorticosos. Estas condiciones están interrelacionadas. A continuación aparecen algunos comentarios relativos; las referencias bibliográficas anotadas al final del tema contienen una información más detallada. Hay dos tipos básicos de vórtices: superficiales y sumergidos. Los primeros se manifiestan sólo en la superficie (ver la clasificación de los vórtices según el criterio de Dicmas más adelante) en sus etapas iniciales, pero su acción puede llegar hasta el interior de la bomba si la intensidad es suficiente. Los vórtices sumergidos nacen en el fondo o en las paredes laterales o posterior del cárcamo; son difíciles de detectar porque, a diferencia de los superficiales, que al arrastrar aire forman un túnel móvil fácilmente visible, aun cuando pueden conducir vapor de agua hacia la campana de la bomba, la cantidad de vapor es generalmente reducida y el túnel apreciable se forma únicamente en condiciones extremas. Su detección requiere técnicas especiales de laboratorio. Los vórtices superficiales resultan generalmente de una distribución no uniforme del flujo que se acerca a la bomba. Cuando el vórtice superficial alcanza determinada intensidad, introduce aire a la campana de la bomba y esto produce una carga no balanceada sobre el impulsor, lo que se manifiesta en vibración que puede causar desgaste adicional y daños al equipo de bombeo. Los vórtices sumergidos se originan en movimientos rotatorios producidos por gradientes de velocidad considerables cercanos a las superficies que limitan al flujo, o por la presencia de estelas rotacionales producidas por los sólidos sumergidos (columnas estructurales, muros, dispositivos auxiliares, columnas de succión de otras bombas). En casos extremos, el vapor de agua introducido por estos vórtices da por resultado la cavitación. La prestación del flujo que entra a la campana de la bomba cambia el ángulo de ataque con respecto al de diseño del impulsor, lo que puede afectar a la eficiencia del equipo y 100
producir cavitación. Este último fenómeno se presenta cuando las burbujas de vapor de agua introducidas a la succión de la bomba fluyen por una zona (que puede estar próxima al impulsor) en la que impera una presión mayor que la presión de vapor del agua y como consecuencia implotan; esto es, cambian súbitamente de estado, del gaseoso al líquido, con una gran reducción de volumen. El resultado es la ocurrencia de muy bajas presiones instantáneas que erosionan incluso a los materiales más resistentes y destruyen así algunas partes del equipo en forma gradual. 5.3.1 Características de un buen diseño hidráulico De acuerdo a la Asociación Británica de Investigaciones Hidromecánicas (5.2), en seguida se mencionan las principales características de un buen diseño hidráulico: 1. El flujo que se aproxima a la campana de la bomba debe ser aproximadamente uniforme en la sección del canal. En los estudios de laboratorio, dicha uniformidad puede evaluarse con ayuda de indicadores estadísticos de las velocidades medidas en una malla de puntos de la sección transversal. 2. La velocidad media debe ser relativamente baja: del orden de 0,60 m/s a la entrada del cárcamo y de 0,30 m/s al aproximarse a la campana de la bomba, si el agua no contiene sólidos. En el caso de cárcamos de aguas negras, la velocidad media debe ser mayor de 0,70 m/s en cualquier sección. La experiencia muestra que, para aguas blancas, los dos primeros límites pueden ser rebasados (si el modelo hidráulico así lo indica), o si se agregan elementos encauzadores de flujo, de diseño especial. 3. El incremento de energía cinética que. se presenta en los descensos de nivel (rampas, escalones, vertedores) debe ser disipado aguas arriba de la llegada a la bomba. 4. Los objetos sumergidos en el flujo, como columnas, pilares y narices de muros deben tener perfiles hidrodinámicos en los bordes de aguas arriba y de aguas abajo, para reducir las separaciones de flujo (que, a su vez, originan vórtices) cerca de la zona de bombeo. S. Debe evitarse la formación de zonas muertas con ayuda de modificaciones a la geometría. En la superficie de separación entre esas zonas y el flujo se generan movimientos vorticosos. 5.3.2 Características inconvenientes de diseño hidráulico De acuerdo a la Asociación Británica de Investigaciones Hidromecánicas (5.2), algunas condiciones desfavorables son la siguientes: 1. Flujo no permanente 2. Dispositivos de alimentación y de control de tamaño insuficiente producen concentraciones de flujo, con los consiguientes gradientes de velocidad considerables que dan origen a vórtices.
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3. Ocurrencia de chorros o concentraciones de flujo de alta velocidad (con respecto al resto del flujo) que inciden en objetos sólidos o superficies y producen una estela vorticosa 4. Flujos de alta velocidad (mayor de 2 m/s) 5. Separación de flujo, que produce zonas muertas 6. Cambios bruscos en la dirección del flujo (p.e., esquinas, ángulos pronunciados en los cambios de sección) 7. Pendientes pronunciadas en la plantilla 8. Objetos sólidos sumergidos no perfilados 9. Alimentación desde un nivel superior al del cárcamo 10. Vertedores, rampas y escalones sin disipación de energía aguas abajo 11. Distribución asimétrica del flujo causada por características de diseño o de operación 5.3.3 Algunas medidas correctivas de flujo Las medidas a tomar para que el flujo sea apropiado, si se presentan condiciones inconvenientes, dependen del caso particular; sin embargo, pueden señalarse algunas modificaciones de carácter general basadas en la Asociación Británica de Investigaciones Hidromecánicas, que tienden a corregir al flujo (5.2). 1. Aumentar la sumergencia de la campana de la bomba. Aunque esta solución para reducir la vorticidad superficial y la velocidad de llegada a la bomba es simple, puede representar un costo considerable, por el aumento en el volumen del cárcamo y/o en la longitud de la columna de la bomba. 2. Cambiar la geometría del cárcamo aguas arriba de la zona de bombeo. Esta es una solución bastante viable; requiere el uso de un modelo hidráulico. 3. Utilizar dispositivos antivórtices. El síntoma más significativo en algunos casos, de un mal diseño es la ocurrencia de vórtices. Se pueden usar algunas estructuras para reducirlos. Por ejemplo, se puede colocar conos y crucetas bajo la campana de la bomba para reducir los vórtices sumergidos y el movimiento circulatorio. Se pueden colocar mamparas y losas horizontales en la zona de bombeo para limitar la presencia de vórtices superficiales que acarrean aire al equipo. Debe tenerse cuidado con las especificaciones de estos dispositivos para que sean efectivos. Puede requerirse un estudio experimental. 4. Colocar dispositivos de filtrado (mallas, rejillas) en los lugares apropiados. Además de su función de limpieza, estos aparatos ejercen un efecto uniformizador de la velocidad en la sección, ya que producen una pérdida de energía que es proporcional al cuadrado de la velocidad local, lo que afecta sobre todo a las velocidades más altas. La tabla 5.1 muestra de una manera objetiva y gráfica lo mencionado en este capítulo.
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5.3.4 Características de los vórtices Como se mencionó anteriormente, los vórtices tanto superficiales como sumergibles, constituyen un problema para los equipos de bombeo, que van de sencillos a graves. Para tener un conocimiento de ellos, se presenta en las figuras 5.7 y 5.8 su clasificación y descripción de acuerdo al criterio DICMAS (5.6).
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Tabla 5.1a Medidas correctivas de flujo
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Tabla 5.1b Medidas correctivas de flujo
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Tabla 5.1c Medidas correctivas de flujo
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Figura 5.7 Vórtices Superficiales
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Figura 5.8 Vórtices sumergidos 5.4 DIMENSIONAMIENTO DE CARCAMOS El diseño de un cárcamo de bombeo, sin la ayuda de un modelo hidráulico, es un proceso que puede realizarse a base de recomendaciones originadas en la práctica. Sin embargo, tales apoyos son válidos para los casos de configuraciones sencillas y en condiciones hidráulicas simples. Si el cárcamo a diseñar es múltiple (aloja a varias bombas) o presenta algunas características distintas de las mencionadas, se debe revisar con cuidado las recomendaciones para los casos especiales. Si el cárcamo es de dimensiones importantes o tiene rasgos particulares que den como resultado una hidrodinámica compleja (altas velocidades de llegada, marcada a simetría de la alimentación o de la geometría del cárcamo, multiplicidad de combinaciones de operación del equipo de bombeo que causen oblicuidad del flujo, plantilla con escalones o rampas, presencia de obstáculos y otros) debe intervenir un diseñador experimentado y probarse la configuración en un modelo a escala siempre que sea posible. El proceso de dimensionamiento de un cárcamo de bombeo debe realizarse, en general, en un proceso de propuesta-revisión-experimentación. Este proceso puede simplificarse si se trata de un cárcamo pequeño, sin problemas especiales ya que basta
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proyectar solamente con la propuesta. Si el cárcamo es mediano se requiere de la propuesta y de la revisión y si es grande, del proceso completo. En este manual se considerarán dos procedimientos para el dimensionamiento de cárcamos, sugeridos por el instituto de hidráulica de los Estados Unidos (5.1) y por la Asociación Británica de Investigaciones Hidromecánicas (5.2). 5.4.1 Lineamientos generales de las obras auxiliares En virtud de que un cárcamo tiene partes auxiliares, es necesario indicar los lineamientos generales de estas obras. a) Velocidad de llegada. La Asociación Británica de Investigaciones Hidromecánicas recomienda que la velocidad en el canal o tubo de llegada sea como máximo 1,2 m/s. Esta velocidad es a la entrada del cárcamo, NO a la llegada a la campana de succión, la cual debe ser como máximo 0,30 m/s (fig. 5.9). b) Transición. En el caso de que la llegada sea con un tubo de diámetro menor (que produzca una velocidad mayor a 1,2 m/s), debe hacerse una transición para reducir la velocidad. La transición no debe tener ángulos mayores de 20 (fig. 5.9) de acuerdo a la Asociación Británica de Investigaciones Hidromecánicas. La longitud de transición puede obtenerse utilizando la siguiente expresión: V1 V2 b1 b2 (5.1) V2 V1 LT 2 tan donde: LT : longitud total de la zona de transición (m) V1 y V2 : velocidad máxima a la entrada y a la salida de la zona de transición (m/s). b1, y b2 : ancho de la entrada y salida de la zona de transición : Ángulo máximo c) Rejillas. Se pueden colocar rejillas en dos zonas: antes de que entre el agua al canal de llamada, denominadas rejillas primarias o de troncos, cuya característica es que la apertura entre barras es grande y sirven para detener objetos grandes arrastrados por el flujo como troncos, llantas o cadáveres de animales. Otras rejillas pueden colocarse dentro del cárcamo para detener objetos pequeños, pero de menor diámetro que el paso de esfera de la bomba. Esta rejillas se denominan secundarias o finas. En la sección 6.1 se dan lineamientos referentes a tamaños y separación de barras, inclinación de rejillas, velocidades de llegada y pérdidas de energía causadas por las rejillas. 5.4.2 Volumen mínimo de un cárcamo En el caso de aguas negras, la retención de éstas en un cárcamo por un tiempo mayor de un cierto límite generalmente produce condiciones sépticas que ocasionan olores desagradables. Este es un problema especialmente en climas cálidos. Se ha sugerido un tiempo máximo de retención de 30 minutos (5.10). 109
Por otro lado, es conveniente diseñar un cárcamo cuyo volumen sea el mínimo posible, pero compatible con las condiciones adecuadas de operación. Esto plantea la necesidad de establecer una relación conveniente entre dicho volumen, los caudales, el requisito de tiempo de 'retención, las características del equipo de bombeo y el programa de operación (tiempos de arranque y parada) de dicho equipo
Figura 5.9 Zona de transicion
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El volumen de un cárcamo para una bomba, entre las elevaciones correspondientes al arranque y a la parada, se puede calcular con la siguiente expresión: QT (5.2) V 4000 donde: V : volumen de cárcamo, en m3 Q : gasto de la bomba en 1/min T : la duración mínima de un ciclo de bombeo en min La duración mínima de un ciclo de bombeo se presenta cuando el caudal de entrada es exactamente igual a la mitad de la capacidad de la bomba; en estas condiciones la duración del tiempo en que está encendida la bomba es igual al tiempo en que permanece apagada. Si el caudal es mayor, la bomba permanecerá encendida por más tiempo y viceversa; en ambos casos, la duración del ciclo es mayor que el mínimo. Para bombas y motores grandes, T no debe ser menor que 20 minutos. Para bombas menores, T puede ser reducido a 10 minutos, aunque lo recomendable es 15 minutos. Si esto conduce a un volumen excesivo de una estación de bombeo pequeña que tiene dos bombas idénticas, una de las cuales es de reserva, se puede reducir a la mitad el volumen del cárcamo operando las bombas en forma alternada, ya que esto ocasiona que el valor de T para el cárcamo sea la mitad del valor efectivo de T para el equipo [5.10]. La determinación del volumen del cárcamo se hace en función de los tiempos de duración del ciclo de operación y de las capacidades de los equipos de bombeo. La capacidad de las bombas, suponiendo que las habrá de dos diferentes tamaños, puede obtenerse así: Qbch Qm (1 -X)/2 Qbg r Qm (1 +X)/2 Qm = Qbch + Qbgr
(5.3) (5.4) (5.5)
en donde: Qbch: caudal de las bombas chicas Qbgr: caudal de las bombas grandes Qffl: caudal máximo a bombear X : número que permite asignar a las bombas el Porcentaje correcto, tiene un valor desde 0 a 0.5 Los tiempos consecutivos de arranque de una bomba (en un juego de dos equipos que se operan alternativamente) se calculan de la siguiente forma [5.12]:
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Para las bombas chicas: Vc Qbch Vc (Qbch Qe ) tll1
tv1
T1 = tll1 + tV1
(5.6) (5.7) (5.8)
En donde: tll1: tiempo de llenado. tv1: tiempo de vaciado. Vc: volumen del cárcamo, incluyendo el vol. de la zona de transición. Qe: gasto de entrada. T1: ciclo para las bombas chicas. Para los dos tipos de bombas: tll2
tV 2
T2
Vc [Qe Qbch]
[Qbgr tll2
(5.9)
Vc Qbch Qe ]
tV 2
(5.10)
(5.11)
En donde: tll2 : tiempo de llenado. tv2 : tiempo de vaciado. T2 : ciclo para los dos tipos de bombas. Cálculo del volumen del cárcamo La relación entre la duración del ciclo de operación, los caudales y el volumen del cárcamo se expresa de la siguiente forma: T2
Vc (Qe Qbch)
T2
Vc[[1/ (Qe
Vc (Qm Qe )
(5.12)
Qbch)] [1/ (Qm Qe )]]
donde: Qm = caudal máximo a bombear
112
(5.13)
5.4.3 Dimensionamiento del cárcamo de bombeo Las dimensiones básicas de la cámara de bombeo se pueden definir utilizando las recomendaciones del Instituto de Hidráulica de los Estados Unidos o las de la Asociación Británica de Investigaciones Hidromecánicas. 5.4.3.1 Instituto de Hidráulica de los Estados Unidos para gastos mayores de 190 l/s Las dimensiones básicas de un cárcamo de bombeo para arreglos de bombas sencillas y múltiples se presentan en las figs. 5.10 a 5.17. Debido a que estos valores son promedios representativos de una gran variedad de bombas, no deben tomarse como valores absolutos sino como guías sujetas a posibles variaciones. Para bombas de capacidad menor a los 190 l/s ver la sección 5.4.3.2. Las dimensiones de las figuras anteriores están basadas en la capacidad de la bomba a la carga de diseño. Cualquier incremento en la capacidad arriba de estos valores debe ser momentáneo o muy limitado en cuanto a tiempo. Si la operación a una capacidad incrementada se tomara por periodos considerables de tiempo, se deberá utilizar la capacidad máxima de operación para la obtención de las dimensiones del cárcamo. La dimensión C es un valor promedio que puede ser mayor o menor y esta sujeto a consultas con el fabricante de la bomba. La dimensión B se ha sugerido como máxima que puede depender en cierta forma de la campana de succión y del diámetro de la válvula de succión propuestos por el constructor. La orilla de la campana debe estar lo mas cercana posible a la pared trasera del deposito o cárcamo. Algunas veces la posición de la campana de succión esta sujeta al espacio que requiere el motor en el piso superior, si esto aumenta la dimensión B excesivamente, deberá instalarse un muro falso. La dimensión S es la mínima para el ancho del deposito para la instalación de una sola bomba, esta dimensión puede ser aumentada pero si se hace menor deberá consultarse con el fabricante para saber si es la adecuada. La dimensión H es el valor mínimo y esta basada en el nivel normal del agua en la campana de succión de la bomba, tomando en consideración las perdidas por fricción a través de la pichancha, rejilla y acceso a la toma, esta dimensión puede ser considerablemente menor, momentáneamente, o con poca frecuencia, sin que por eso se produzca un grave daño para la bomba. Sin embargo, deberá recordarse que esta dimensión no representa la sumergencia. La sumergencia se ha estimado por medio de la dimensión H menos C, esto representa la altura física del nivel del agua arriba de la entrada de la campana de succión.
113
Figura 5.10 Dimensiones del cárcamo-Instituto de Hidráulica de los E.U.A.
114
Figura 5.11 Longitud total del cárcamo
115
Figura 5.12 Ancho de la cámara de bombeo
116
Figura 5.13 Longitud de la cámara de bombeo
117
Figura 5.14 Distancia eje bomba a muro posterior
118
Figura 5.15 Distancia de la campana al piso (m)
119
Figura 5.16 Tirante de agua en la campana de succión (m)
120
Figura 5.17 Diámetro de la campana de succion (m)
121
La sumergencia efectiva de la bomba es un poco menor que ésta desde el momento en que la apertura del impulsor esta a cierta distancia arriba de la entrada de la campana de succión, posiblemente de 914mm a 1219mm (3 a 4 pies). Para el propósito de proyectar un buen diseño para el depósito, en relación con el proyecto, se sobreentiende que la bomba ha sido seleccionada de acuerdo con las indicaciones especificadas. La sumersión referida es con el objeto de obtener una corriente continua y evitar la formación de remolinos. Las dimensiones Y A son las recomendadas como valores mínimos, estas dimensiones pueden ser tan grandes como se desee, pero deberán estar limitadas a las restricciones indicadas en la curva. Si el diseño no incluye la rejilla, se puede considerar la dimensión A mas grande, las dimensiones de anchura y de altura de la rejilla no deberán ser, substancialmente, menor que S y H, respectivamente. Si la velocidad de la corriente principal, es mayor que 0,60 m/s, será necesario construir en línea recta, separadores en el canal de acceso, aumentar la dimensión A, hacer un ensayo con un modelo de la instalación o idear una combinación de estos factores. Las condiciones anteriores también son aplicables cuando se trata de instalaciones, múltiples de bombas, en las cuales S viene a ser el ancho para una celda individual de una bomba o sea la distancia de centro a centro entre dos bombas. 5.4.3.2 Instituto de Hidráulica de los Estados Unidos para gastos menores de 190 l/s El diseño de cárcamos para bombas pequeñas (menos de aproximadamente 190 I/s), debe guiarse por los mismos lineamientos generales anteriores. Sin embargo, dado que hay una gran variedad de configuraciones geométricas para estos cárcamos pequeños, las limitaciones en las dimensiones anteriores no pueden fácilmente generalizarse. Deberá haber una comunicación estrecha con los fabricantes de los equipos de bombeo. Adicionalmente a lo anterior, deberán tomarse en cuenta los siguientes factores en el dimensionamiento de cárcamos para gastos pequeños, ya sean cárcamos sencillos o múltiples: La entrada al cárcamo debe estar por debajo del nivel mínimo del líquido y tan lejos de la bomba como lo permita la geometría. El flujo no debe golpear directamente en la bomba o entrar al cárcamo de tal manera que provoque rotación del fluido. Cuando fuere necesario, podrá utilizarse una boquilla de distribución para prevenir el golpeteo.
122
El volumen del cárcamo a utilizar debe igualar o exceder la capacidad máxima del gasto a ser bombeado. Si las bombas se operaran con un control, el cárcamo debe dimensionarse de tal forma que no se permitan más de tres o cuatro arranques por hora por bomba. Estos lineamientos normalmente aseguran que no habrá turbulencia así como una vida razonable del equipo. El nivel mínimo del líquido debe ser adecuado para satisfacer el diseño particular de la bomba. Deben utilizarse las dimensiones específicas del fabricante. 5.4.3.3 Asociación Británica de Investigaciones Hidromecánicas Para la utilización de las normas de la BHRA, se debe definir primeramente el diámetro de la campana de succión (D) de las bombas. Este diámetro puede conocerse de dos maneras: conociendo las características de la bomba dadas por el fabricante; la otra manera es función solamente del gasto, utilizando la fig. 5.17. Una vez definido el diámetro de la campana, las dimensiones se obtienen utilizando las figuras 5.18 y 5.19. Los valores obtenidos con los procedimientos anteriores deben ser comparados con los definidos por el fabricante, como son el diámetro de la campana, la sumergencia y la distancia de la campana al piso y con otros, en ocasiones también recomendados por el mismo, como son el ancho de la cámara, la distancia del eje de la bomba al muro posterior, etc. El flujo en un cárcamo con zona de transición varia apreciablemente de acuerdo al número y combinaciones de las bombas en operación, este diseño puede requerir muros desviadores o partidores, o una malla; para distribuir el flujo uniformemente a todas las bombas, estos recursos y su colocación dependerá de cada diseño específico. La mejor manera para determinar estos detalles es con la ayuda de un modelo hidráulico. Asimismo, deben también considerarse las recomendaciones y las especificaciones de los fabricantes de equipos auxiliares tales como compuertas, rejillas, mallas y otros en caso de haberlos. De la misma forma, las dimensiones obtenidas deben ser analizadas en su integración al proyecto global dentro del cual se encuentra el del cárcamo. Es posible que se encuentre algún conflicto entre las dimensiones obtenidas y los espacios en planta, niveles, instalaciones y otras características del proyecto general o del sitio, en cuyo caso se recomienda ensayar un modelo fisico reducido para obtener algunas soluciones experimentales.
123
Figura 5.19 Dimensiones del cácamo de bombeo
124
5.4.3.4 Cárcamos circulares Los cárcamos circulares básicamente pueden dimensionarse utilizando los parámetros del Instituto Hidráulico de los Estados Unidos (H.l.S.) como son: distancias del eje de las bombas al muro posterior, distancias de las campanas al piso, ancho de las cámaras de bombeo, separación entre bombas y distancias de las bombas a los muros separadores. Una de las razones principales para la elección de un cárcamo circular es que los asentamientos diferenciales que pueden presentarse son menores que en el caso de cárcamos rectangulares, disminuyendo así las fracturas en el cárcamo, ventaja muy importante en la Cd. de México. También se tiene un mejor aprovechamiento del espacio que en el caso de cárcamos rectangulares. El procedimiento constructivo para este tipo de cárcamos es el de anillos deslizantes. 5.5 EJEMPLOS DE APLICACIÓN Ejemplo 1 Anteproyecto para evaluar la factibilidad económica de un sistema de bombeo. No se conocen todavía las características de las bombas. Los únicos datos son el gasto total de operación del cárcamo y el número de bombas que deberán manejarlo. Datos: Q(total) = 1500 I/s Ancho del canal b1 = 0,85 m Velocidad de llegada V1 = 1 m/s N de bombas = 5 Q por bomba = 300 l/s Este cárcamo, se diseñará con ayuda de las Normas del Instituto de Hidráulica. 1.- Longitud del cárcamo (figura 5.11) L = 2,70 m 2.- Ancho de la cámara de bombeo (figura 5.12) A= 1,10m 3.- Distancia del eje de la bomba a la mampara de la compuerta (figura 5.13) Y= 1,50 m 4.- Distancia del eje de la bomba al muro posterior (figura 5.14) B= 0,40 m 5.- Distancia de la campana al piso (figura 5.15) C = 0,20 m 6.- Tirante de agua en la campana de succión (figura 5.16) H = 1,75 m
125
Un parámetro usual, que no indica el Instituto de Hidráulica, es la sumergencia; y puede ser inferido con los valores de H y C: S - H - C = 1,75 - 0,20 = 1,55 m Nótese que las dimensiones de la cámara individual y del cárcamo en general dependen del gasto por bomba. La figura. 5.20 muestra la elevación y la planta del arreglo final de este diseño.
Figura 5.20 Arreglo del Ejemplo 1
126
La razón de ser de los separadores de la figura 5.20 es la necesidad de encauzar el flujo en la dirección de cada bomba (necesidad que puede ser provocada por la presencia de oblicuidad del flujo por asimetría en la alimentación, producida, por ejemplo, por encontrarse alguna compuerta, rejilla o bomba fuera de servicio), o por la conveniencia de poder aislar cada cámara individualmente para darle servicio. Puede proponerse otro arreglo sin muros separadores, ahorrándose de esta manera costos de construcción. El requisito es que la obra de toma sea de tal forma que obligue que el flujo sea colineal con el eje del cárcamo y que no haya escalones en el piso del cárcamo. Datos adicionales: Q2 = 1,5 m3/s. H2 =1,75 m. B2 =5,50 m. B
1.- Obtención del área hidráulica y de la velocidad
V2
A2 = h2 b2 = 1,75 x 5,50 = 9,625 m2
(5.14)
Q A
(5.15)
15 . 9.625
0156 . m/s
0.16 m / s
2.- Obtención de la longitud de transición LT
V1 V2 b1 b2 V2 V1 2 tan
(5.16)
Sustituyendo
1 016 . 0.85 550 . 016 . 1 LT 2 tan 20 Para fines prácticos LT 6,00 m
=
5.3125 - 0.88 0.72794
(5.17) 6.09 m
Este ángulo puede hacerse conforme a la figura 5.21
127
Ejemplo 2 Como comparación del uso de las normas del Instituto de Hidráulica y las de la BHRA, se resolverá con estas últimas el mismo caso anterior. Como se estableció anteriormente, el uso de estas normas requiere del conocimiento del diámetro de la campana. 1.- Determinación del diámetro de la campana de succión: como no se conoce el fabricante de las bombas y por lo mismo sus características, para definirlo se utilizará la figura 5.17. Entrando con el gasto de 300 I/s. se obtiene un diámetro de la campana de 0,57 m. D = 0,57 m 2.- Longitud total del cárcamo.- Con estas normas la longitud importante es la longitud de la cámara de bombeo. Cumpliendo esta recomendación la longitud total del cárcamo dependerá de la forma de la llegada del flujo. Si es colineal al eje ésta será más corta que si es transversal. 3.- Ancho de la cámara de bombeo.- Consultando la figura 5.19, se ve que el ancho de la cámara de bombeo es 2D, resultando: A = 2(0,57) A= 1,14 m Contra 1,10 con las normas del Instituto de Hidráulica, que para fines prácticos es lo mismo.
128
Figura 5.21 Arreglo del Ejemplo 1
129
4.- Longitud de la cámara.- De acuerdo a la figura 5.18 sin reducción en el ancho de la cámara, esta longitud resulta de 4D o sea: Y = 4 * 0,57 = 2,28 m 5.- Distancia del eje de la bomba al muro posterior.- Utilizando la 5.19 a se tiene una distancia de 3/4 D: B = 3/4(0,57) - 0,427m Que resulta muy cercano al valor de 0,40 m 6.- Distancia de la campana al piso.- De la figura 5.19c, se ve que C debe ser 0,5D, por tanto: C = 0,28 m Valores que, también para fines prácticos, se pueden considerar semejantes. 7.- Sumergencia.- Este parámetro (figura 5.19c), que como se indicó no lo maneja directamente el Instituto de Hidráulica en sus normas, resulta como mínimo de 1,5D o sea: S= 0,855 m Este valor es conveniente que sea un poco mayor. Kubota, fabricante japonés de equipos de bombeo, recomienda S = 2D, por tanto este nuevo valor da: S= 1,14 m Como puede verse, el valor correspondiente usando las normas del Instituto de Hidráulica, es de 1,55, valor conservador. El valor de la sumergencia deberá corroborarse con el fabricante de la bomba. Un elemento importante que recomiendan las normas de la BHRA, que además se ha comprobado por la experimentación son los acartelamientos, que como se ve en la figura 5.19b debe ser de 0,5D. El espesor de los muros separadores es definido por el cálculo estructural.
130
Ejemplo 3 Se desea bombear un gasto total de 3 000 l/s por medio de 3 bombas iguales. La alimentación es colineal con el eje del cárcamo. Se hará uso de las recomendaciones de la BHRA. 1. El diámetro aproximado de la campana de la bomba, con ayuda de la Fig. 5.17, resulta ser D= 1 m 2. La longitud total del cárcamo dependerá de las características de la obra y del sitio. 3. Ancho de la cámara, de bombeo. De la figura No. 5.19 a se obtiene: A=2*D=2m 4. Longitud de la cámara. Según la figura No. 5.18, y considerando alguna obstrucción causada por guías de compuertas: Y=6*D=6m 5. Distancia del eje de la bomba al muro posterior. La Figura 5.19 a indica que dicha dimensión debe estar comprendida entre 0,75D y D. Si se prefiere D: B=1 m 6. Distancia de la campana al piso. De la Figura 5.19c se obtiene la recomendación: C = 0,5 * D = 0,50 m 7. Sumergencia. Según Kubota, S=2*D=2m El arreglo resultante se muestra en la Figura 5.22
131
Ejemplo 4 Diseñar un cárcamo de bombeo para aguas residuales con los siguientes datos: 1. Qent= Qmin. = 2,35 I/s = 141 I/min para el año de 1994 2. Qent = Qmin = 3,41 I/s = 205 Ipm para el año de 2012 3. Qmaxinst 1994 = 12,0 I/s = 720 I/min 4. Qmax inst 1997 = 16,0 I/s = 960 I/min 5. Qmaxinst 2012 = 23,0 I/s = 1380 I/min Se propone la siguiente modulación: 1 bomba de 25 I/s y 1 bomba de 9 I/s, teniendo en consideración que deben existir bombas de repuesto para el caso de una falla del equipo. Solución 1. (Condiciones actuales) Cálculo del ciclo para la bomba chica: QBCH = 9 I/s = 540 lprn QENT = QMIN = 2,35 I/s = 141 I/min
132
Figura 5.22 Arreglo del Ejemplo 3 El tiempo de funcionamiento de la bomba se puede calcular por medio de: tr
VR QB QENT
donde: tr : tiempo de funcionamiento VR: Volumen de regulación
133
(5.18)
QB : gasto de la bomba QENT : gasto de entrada B
Como el ciclo mínimo de bombeo es de 5 minutos, tenemos: VR=5(540-141)=1995lts 2.0m3
(5.19)
y el volumen mínimo se calcula con: VMIN
t QB 4
5x60x9 4
675 lts = 0.675 m3
(5.20)
Como 2,0 m3 > 0,68 m3 es correcto. El tiempo de llenado con la bomba parada se obtiene con la siguiente expresión: VR QENT
tII
2000 lts 14. 2 min 141 lts / min
(5.21)
Y el cálculo del ciclo para la bomba chica es: t = tr + tll = 5 + 14,2 + 19,2 min Cálculo del tirante para la bomba de 9 I/s: Proponiendo una sección (en planta) de 3m por lado, tenemos una área de 9m2, por lo tanto:
d
2. 0 m3 9.0 m2
0. 22 m = 22 cm
Tiempo disponible para un ciclo de la bomba grande t d = tiempo máximo de retención – tll de la bomba chica
(5.22)
Como el tiempo máximo de retención es de 30 minutos, para las aguas residuales, se tiene: t d = 30 min - 14,2 min = 15,8 16 minutos Solución 2 Condición para el año 2012 Tenemos que QB= 9 I/s = 540 I/min y Q ENT = QMIN 3,41 I/s = 205 I/min por lo tanto: B
134
tr
Q
y
B
VR Q
t
2000 205 ) ( 540
ENT
ll
VR Q ENT
=
2000 205
5 . 97
6 min
9 . 8 min
Y por lo tanto el ciclo de la bomba es de: tBCH = tr + tll = 6,0 + 9,8 = 15,1 min Tiempo disponible para un ciclo de la bomba grande t d = tiempo máximo de retención - t,, de la bomba chica Como el tiempo máximo de retención es de 30 minutos, se tiene que: t d = 30 min - 9,8 min = 20,2
20 minutos
Solución 3.- Si consideramos un tiempo de operación de la bomba de 5 minutos y el gasto máximo instantáneo es de 12 I/s para el año de 1994: QBRG= 25 I/s = 1500 I/min QENT = QMIN = 12 I/s = 720 I/min Se tiene: VR QB QENT
tr
VR
5=
5(1500 720)
VR (1500 - 720) VR
3900 lts = 3.9 m3
y el cálculo del volumen mínimo es: VMIN
t x QB 4
5 x 60 x 25 4
1875 lts = 1.88 m3
Como V R > V MIN' es correcto. El volumen de la bomba grande (V 25) debe contener el volumen de retención de la bomba chica (V9) que se ha acumulado, que es de 2,0 m2 VDIF = V25 - V9 = 3.90 m3- 2.00 m3 = 1. 90 m3 Y este volumen diferencial tarda en llenarse ( con la condición de flujo máximo instantáneo = 12 L/s = 720 L/m):
135
VDIF x 1000 QMAXINST
tDIFll
1900 lts 720 lpm
2.6 min
3 min
Cálculo del ciclo para la bomba grande: tBGR = tu + tVAC= 3.0 + 5.0 = 8 min Como 8 min es menor que los 16 min disponibles, el ciclo es correcto. Cálculo del tirante para la bomba grande:
dBGR
VR VDIF ACARCAMO
1. 90 m3 9. 0 m2
0. 21 m = 21 cm
Solución 4.- Si consideramos un Tiempo de operación de la bomba de 10 minutos y el gasto máximo instantáneo es de 16 Ips para el año de 1997: QBGR =25 L/s - 1500 I/min QENT = QMIN = 16 Ips = 960 I/min se tiene: VR QB QENT
tr
VR
10(1500
10
960 )
VR (1500 960 ) VR
5400 lts = 5.4 m3
y el cálculo del volumen mínimo es: VMIN
t x QB 4
10 x 60 x 25 4
3750 lts = 3.75 m3
Como V R > VMIN´ es correcto El volumen de la bomba grande (V 25 ) debe contener el volumen de retención de la bomba chica (V9) que se ha acumulado, que es de 2,0 m3 VDIF = V25 - V9 = 5.40 m 3 - 2.0 m3 = 3.40 m3 y este volumen diferencial tarda en llenarse ( con la condición de flujo máximo instantáneo = 16 L/s = 960 L/min):
tDIFll
VDIF x 1000 QMAXINST
3400 lts 960 lpm 136
354 . min
4 min
Cálculo del ciclo para la bomba grande: tBGR = tll + tVAC = 4.0 +10.4 = 14 min Como 14 min. es menor que los 16 min disponibles, el ciclo es correcto. Cálculo dedel tirante para la bomba grande:
VR VDIF ACARCAMO
dBGR
3.40 m3 9. 0 m2
0.38 m = 38 cm
40 cm
Solución 5.- Si consideramos un tiempo de operación de la bomba de 10 minutos y el gasto máximo instantáneo es de 23 I/s para el año de 2012: QBGR = 25 I/s = 1500 I/min QENT = QMIN = 23 I/s = 1380 I/min Se tiene: VR QB QENT
tr
VR
VR (1500 1380)
10
10(1500 1380)
VR
1200 lts = 1.2 m3
y el cálculo del volumen mínimo es: VMIN
t x QB 4
10 x 60 x 25 4
3750 lts = 3.75 m3
El volumen de la bomba grande (V 25 ) debe contener el volumen de retención de la bomba chica (V9) que se ha acumulado, que es de 2,0 m3: VDIF = V25 - V9 = 3.75 m3 - 2.0 m3 = 1.75 m3 y este volumen diferencial tarda en llenarse ( con la condición de flujo máximo instantáneo 23 Ips = 1380 Ipm):
tDIFll
VDIF x 1000 QMAXINST
1750 lts 127 . min 1.3 min 1380 lpm
Cálculo del ciclo para la bomba grande: tBGR
tll
tVAC 13 . 10.0 113 . min
137
como 11,3 min es menor que los 20 min disponibles, el ciclo es correcto. Cálculo del tirante para la bomba grande:
dBGR
VR VDIF ACARCAMO
1.75 m3 9. 0 m2
0.19 m = 19 cm
20 cm
La figura 5.23 muestra un esquema del cárcamo resultante para 1994 y la figura 5.24 para el año de 2012.
138
EJEMPLO 5 Diseñar un cárcamo de bombeo para desalojar las aguas negras de una población de 20,000 habitantes, la cual aporta un gasto medio de 180 I/s. El colector necesario es de 76 cm. de diámetro. El gasto máximo instantáneo se calcula de acuerdo a Harmon con: Qi
1
(5.23)
14 4
p
Qm
En donde: Ql gasto máximo instantáneo en litros por segundo (I/s) p población en miles de habitantes Q. = gasto medio en I/s. Resolviendo numéricamente tenemos: Q¡ = (1 +180 = 2.65 x 180 = 477 I/s Proponiendo x = 0,30, se tiene: Qbch
Qi(1 x ) / 2
477(1 0.30 ) / 2
166. 95 lps
Qbgr
Qi(1 x ) / 2
477(1 0.30 ) / 2
310. 05 lps
Para bombear este gasto máximo instantáneo se propone el siguiente arreglo: dos bombas grandes de 1.55 I/s y dos bombas de 84 I/s.
139
Figura 5.23 Arreglo del ejemplo 4
140
Figura 5.24 Arreglo del Ejemplo 4
141
Considerándose que se tienen en reserva una bomba de 155 y otra de 84 I/s y se cuenta con las instalaciones necesarias para cambiar una bomba que haya fallado. Al gasto mayor le denominaremos Qg y al menor Qch. Como no se conocen los datos del fabricante de la bomba, entonces se requiere calcular el diámetro de las campanas de succión de las bombas. Cuando el gasto es mayor de 1 m3/s. se puede hacer uso de la gráfica 5.17 para determinar el diámetro de la campana. En este ejemplo, como el gasto es pequeño, se debe recurrir a los fabricantes de las bombas, sin embargo se supondrá un valor de D = 0,45 m. El cárcamo se dimensionará atendiendo a dos factores: el buen funcionamiento hidráulico y el volumen requerido para almacenar durante un tiempo (máximo 30 minutos) las aguas negras, permitiendo el paro de las bombas. El dimensionamiento para el funcionamiento hidráulico se hace en base a las figuras 5.18 y 5,19 resultando: • Ancho de las cámaras de bombeo = 2D = 0,90 m • Longitud de las cámaras de bombeo = 6D = 2,70 m • Sumergencia = 1,5D = 0,675 m • Distancia del eje de la bomba al muro posterior = 1 D = 0,45 m • Distancia de la campana al piso = 0,5D = 0,225 m • Acartelamientos =0,5D=0,225 m El esquema del arreglo puede verse en la figura 5.25 Cálculo del volumen de almacenamiento (Volumen de regulación) Para determinar este volumen se requiere conocer el gasto medio de entrada (Qm) y el tiempo mínimo de funcionamiento de las bombas, que es de 5 minutos, así como el tiempo máximo de retención de las aguas negras, que es de 30 minutos. El tiempo de funcionamiento de la(s) bomba(s) esta dado por: V t0 Qb Qm donde: V : volumen de regulación, en m3 Qb: gasto total de bombeo, en m3/s Qm: gasto medio de entrada, en m3/s Considerando un tiempo de operación de bombas (to) de 7 min. (420 seg.) el volumen de regulación es:
V
t0 (Qb
Qm)
420 (0. 477 0.18)
142
124.74 m3
Aceptando un tirante efectivo del volumen almacenado (del nivel mínimo al nivel máximo) de 3,0 m. y considerando una trampa de sedimentos de 3,0 m. de longitud (ver figura 5.2 5) resulta: Área de las 4 cámaras = (0,9 x 2,7) 4 = 9,72 m2 Área de la fosa de sedimentación 4,20 x 3 = 12,60 m2 Área complementaria: = L x 4,20 4,20 L El volumen de regulación es:= (9.72 +12.60 + 4.20 L) x 3 = 124.74 m3 66,96 +l 2,61- = 124,74 De donde: 124.74 - 66.96 12.6
L
= 4.58 aprox. 4.50 m
Con esta longitud, el cárcamo resulta de 11,20 m de largo en su parte interior y de 11,80 m. por el exterior, con una altura de 4,20 m en la cámara de bombeo y 5,20 m en la fosa de sedimentación, ver figura 5.26. El tiempo de llenado del volumen de almacenamiento para operación normal (180 I/s), con una bomba chica y con una grande es:
tll
V Qm
124.74 018 .
693 seg.= 11.6 min
y el ciclo completo es: t 0 tll
7
11.6 = 18.6 19 min
143
Figura 5.25 Arreglo inicial del Ejemplo 5
144
Figura 5.26 Arreglo Final del Ejemplo 5
145
BIBLIOGRAFIA [5.1]Normas del Instituto de Hidráulica de los Estados Unidos de América [5.2]The Hydraulic Design of Pump Sumps and Intakes M. J. Prosser British Hydromechanics Research Association (BHRA) London, England [5.3] Wastewater Engineering Metcalf & Eddie, Inc. Mc Graw Hili, 1972 [5.4] Pumping Station Design R. L. Sanks Editorial Butterworths [5.5] Plantas de Bombeo de Aguas Residuales Dirección General de Construcción y Operación Hidráulica (D.G.C.0.H.) Publicación D.G.C.O.H. AL 700-86 Departamento del Distrito Federal Secretaría General de Obras [5.6] Dicmas,John L Development of an Optimum Sump Design for Propeller and Mixed Flow Pumps ASME Paper N-67-FE-26 [5.7] Laboratorio de Ingeniería Hidráulica de la ESIA, IPN 14 Reportes técnicos de estudios en modelos reducidos de cárcamos de bombeo realizados para la Comisión Federal de Electricidad, incluidos: Laguna Verde, Ver.,Manzanillo I y lI, Col., Punta Prieta, B.C.S., Puerto Libertad, Son., Río Escondido, Coah., San Luis Potosí, S.L.P., Tuxpan, Ver., Carbón II, Coah [5.8] Aparicio Mijares Francisco Javier y Soriano Pérez Teresa de J. "Diseño de Cárcamos de Bombeo Rectangulares" Rev. de Ingeniería Hidráulica en México, Vol. VI, núm 3, 11 época, Sep.-Dic. 1991 [5.9] Sotelo Ávila Gilberto Hidráulica General, Vol. 1 Fundamentos, Editorial Limusa, México 1974 [5.10] Joint Commitee of ASCE and WPFC: Design and construction of sanitary and storm sewers, Chap. 12, Wastewater and Stormwater Pumping Stations, WPCF Manual of practice No. 9, New York, 1969 [5.11] Kubota - Pump Handbook. Technical Manual Vol.1. Japón, Octubre 1972 [5.12] Ochoa Elizondo Raúl E Curso de Plantas de Bombeo de Aguas Negras 146
[5.13] Curso de Cárcamos de Bombeo impartido por el Departamento de Actualización Profesional de la Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura del I.P.N. en el año de 1980 [5.14] Manual del Ingeniero Civil Sección de Ingeniería Hidráulica Samuel B. Neison
147
CONTENIDO 6. OBJETIVO .................................................................................................................149 ALCANCE......................................................................................................................149 6.1 REJILLAS.................................................................................................................149 6.1.1 Introducción...........................................................................................................149 6.1.2 Desarrollo ..............................................................................................................149 6.1.3 Clasificación de las rejillas ....................................................................................152 6.1.4 Diseño de rejillas ...................................................................................................152 6.1.5 Ejemplo de aplicación. ..........................................................................................164 6.2 COMPUERTAS........................................................................................................173 6.2.1 Introducción...........................................................................................................173 6.2.2 Fuerzas hidrostáticas ............................................................................................173 6.2.3 Compuertas deslizantes .......................................................................................175 6.2.4 Compuertas de bisagra.........................................................................................198 6.2.5 Ejemplos de aplicación .........................................................................................202 6.3 BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................209
CAPITULO 6. DISEÑO DE COMPUERTAS Y REJILLAS 6. OBJETIVO Proporcionar criterios y procedimientos de cálculo, características de construcción e instalación y normas aplicables para el diseño de las rejillas para contención de sólidos y compuertas para regulación de gastos, empleadas comúnmente en las estructuras hidráulicas. ALCANCE Este capítulo es aplicable a todas las instalaciones de bombeo de agua potable y residuales que requieran regulación de gasto, obturación para mantenimiento o como emergencia en el caso de compuertas y detención de sólidos en suspensión para la protección al equipo de bombeo en el caso de rejillas. 6.1 REJILLAS 6.1.1 Introducción En las aplicaciones de bombeo es conveniente colocar rejillas o mallas. Las rejillas consisten en una serie de barras verticales espaciadas de forma que impidan que los desechos arrastrados por el agua lleguen a las bombas; deben colocarse en las tomas directas de ríos, vasos y/o lagunas para agua potable o para usos industriales. 6.1.2 Desarrollo Las rejillas se instalan comúnmente en a) Tomas de agua, para separar las hojas y el material flotante de lagos y corrientes b) Con antelación a las bombas de aguas crudas y aguas residuales, para protegerlas contra las basuras y sólidos en suspensión que pudieran obstruirlas, figura 6.1 y 6.2 c) Antes de las unidades de tratamiento de aguas de desecho o de obras y descargas de aguas residuales sin tratar, para remover sólidos gruesos y flotantes Las rejillas adquieren formas y tamaños diversos que dependen de la naturaleza de los cuerpos que van a retener, gastos y características del equipo de bombeo (paso de esfera), de la manera para apoyarlas, así como su accesibilidad para lograr su limpieza y mantenimiento. Generalmente las rejillas se fabrican con acero al carbón galvanizado por inmersión en caliente, pero también se pueden hacer de aluminio, de acero inoxidable o de plástico reforzado. Las rejillas comúnmente utilizadas consisten esencialmente en barras o placas de acero verticales o ligeramente inclinadas, paralelas y uniformemente espaciadas para permitir
149
el uso de rastrillos durante la limpia, las barras se apoyan en miembros horizontales, los cuales pueden ser soleras o ángulos. La inclinación de la rejilla respecto a la horizontal varía entre 70 y 80 con el objeto de realizar una limpieza más adecuada desde una plataforma de trabajo donde puedan introducirse rastrillos largos y delgados entre las rejas para tirar hacia arriba los materiales retenidos; en ocasiones cuando se disponga de rastrillos mecánicos la rejilla puede colocarse vertical. El espaciamiento entre rejillas depende principalmente del tipo de bomba que se va a proteger, por ello deberá conocerse el paso de esfera de las bombas, generalmente este dato es proporcionado por el fabricante. El espaciamento entre rejillas deberá ser ligeramente menor al paso de esfera de las bombas. Las características de las rejillas (tabla 6.1) dependen también del tipo de limpieza, que puede ser manual o mecánica (ref. 6.1 l).
Figura 6.1 Rejillas en canal de llegada a cielo abierto
150
Figura 6.2 Instalación de rejillas en planta de bombeo en alcantarillado. Tabla 6.1 Características de las rejillas Concepto Limpieza manual Limpieza mecánica a) Dimensiones de la barra ancho en cm 0.6 a 1.5 0.6 a 1.5 peralte en cm 2.5 a 7.5 2.5 a 7.5 b) Separación en cm rejillas gruesas 15 a 20 15 a 20 rejillas finas 2.5 a 5.0 1.6 a 7.5 c) Inclinación respecto a la 0º a 30º 0º a 30º vertical, en grados d) Velocidad de aproximación, en 0.3 a 0.6 0.6 a 0.9 m/seg e) Pérdida de carga 15.0 15.0 admisible, en cm Si se desean retener partículas más finas (desde 1.6 a 1.0 mm), se usan mallas de alambre giratorias operadas con motores.
151
Cuando los desechos retenidos son de fácil descomposición, a veces se recurre a triturarlos por medio de aparatos llamados conminutores y barninutores que reducen los desechos a partículas tan pequeñas que no pueden dañar las bombas ni flotar en la superficie de¡ agua. Sin embargo su uso en México esta muy restringido debido a que requieren demasiado mantenimiento y a que no es fácil adquirir piezas de repuesto. 6.1.3 Clasificación de las rejillas Las rejillas pueden clasificarse como sigue 1 .- Por su uso a) Para aguas de drenaje pluviales y sanitarias b) Para aguas provenientes de ríos, lagos y presas 2.- Por su finalidad a) Rejillas en tomas directas b) Rejillas para protección al equipo de bombeo 3.- Por su montaje a) Fijas b) Removibles 4.- Por la separación entre barrotes a) Gruesas b) Finas 5.- Por su limpieza a) Manual b) Mecánica 6.- Por su colocación con respecto a la superficie libre de agua (S.L.A.) a) Superficiales b) Sumergidas 6.1.4 Diseño de rejillas 6.1.4.1 Datos básicos de diseño Antes de iniciar el diseño de las rejillas se debe contar con la siguiente información: a) Croquis o plano de las instalaciones (canales y cárcamo) b) Gasto máximo y mínimo esperado
152
c) Número y capacidad de las bombas d) Diámetro del paso de esfera de cada bomba e) Calidad del agua y de los sólidos en suspensión esperados. 6.1.4.2 Pasos a seguir para el diseño de una rejilla a) Determinación del tipo de rejilla b) Dimensionamiento general en función del gasto, de las velocidades de llegada recomendadas, de los niveles de operación y de las dimensiones del cárcamo o de la caja de rejillas c) Elección de la separación entre barras en función del gasto y del paso de esfera de las bombas d) Selección de los materiales para la fabricación de la rejilla. (tabla 6.2) e) Condiciones hidráulicas Tabla 6.2 Materiales empleados en la construcción de rejillas COMPONENTE
MATERIAL
NORMA O MARCA COMERCIAL
Marcos, guías, apoyos
Perfiles estructurales (APS, CPS, IPS, IPR)
ASTM A 36 NOM B 254
Marcos, apoyos, orejas de izaje, otros Rejillas propiamente dichas Atiesadores, asas de izaje Anclas Separadores Guías y barandales Uniones y atiesadores Uniones Uniones Marcos, guías, apoyos, rejillas (de acero al carbón) Marcos, guías, apoyos rejillas (de acero al carbón) Marcos, guías, rejillas Rejillas de piso y otras
Placa Soleras Fierro redondo liso Fierro redondo corrugado Tubo de acero Tubo estructural Tuercas Tornillos Electrodos para soldadura Galvanizado
ASTM A 36 NOM B 254 ASTM A 36 NOM B 254 ASTM A 529 ASTM A 36 ASTM A 242 ASTM A 53 ASTM A 53 ASTM A 307 ASTM A 307 AWS E60XX ASTM A-123 Recubrimiento de zinc por inmersión en caliente
Pintura anticorrosiva
Tipo R P 1 A-132 01 PEMEX
Pintura de aluminio Rejillas electrosoldadas
Comercial IRVING, ENSA, REJIMEX
En esta tabla se mencionan especificaciones o normas de las siguientes entidades.
153
N.O.M. NORMA OFICIAL MEXICANA l.M.C.A. INSTITUTO MEXICANO DE CONSTRUCCIÓN EN ACERO P.E.M.E.X. PETROLEOS MEXICANOS A.S.T.M. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS A.I.S.C. AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION A.W.S. AMERICAN WELDING SOCIETY 6.1.4.3 Condiciones hidráulicas Hidráulicamente debe buscarse que se cumplan las siguientes condiciones: 1o.La velocidad en el canal de llegada o en el área bruta de las rejillas debe estar comprendida entre 0,30 y 0,90 m/s, con el objeto de que no disminuya de un valor autolimpiante o se eleve tanto que disperse los materiales retenidos por la rejilla. 2o.La pérdida de carga a través de la rejilla no debe afectar el bordo libre del canal o el ducto de llegada. 3o.La velocidad neta a través de la rejilla debe ser menor a 1,25 m/s, con lo que se evitan vibraciones excesivas. Cuando el flujo incide normal al plano de las rejillas, y están parcialmente sumergidas, la pérdida de carga puede valuarse con la fórmula de Kirschmer (6.9):
hr = Cf s b
4/3
sen
V02 2g
(6.1)
donde hr : Pérdida de carga en la rejilla, en m Cf : Coeficiente que depende de los frentes que presentan las barras al flujo (fig. 6.3) S: Espesor de las barras, en cm B: Claro libre entre rejillas, en cm V0: Velocidad del agua frente a las rejillas, en m/seg G: Aceleración de la gravedad, en m/seg2 : Ángulo de inclinación de la rejilla con la horizontal Cuando la dirección del flujo no incide normal al plano de las rejillas, la pérdida es mayor y se obtiene con la misma ecuación afectada por un coeficiente (Fórmula de Mosonyi (6.9)), figura 6.4.
154
Figura 6.3 Coeficientes c f aplicables a la formula de Kirschmer de acuerdo con las forma de las barras
Figura 6.4 Valores de 0 para flujo inclinado. Según Mosonyi 6.1.4.4 Esfuerzos admisibles En los componentes de acero al carbón ASTM-36 se deben tomar los siguientes esfuerzos admisibles (6.5): a) Tensión y compresión en las fibras extremas de perfiles estructurales sujetos a flexión Fb = 0, 5 Fv (6.2) b) Tensión en miembros cargados axialmente Ft> = 0, 5 Fv
155
(6.3)
c) Compresión en miembros cargados axialmente KL/r Fa (Kg/cm2) 10 1487 20 1448 30 1401 40 1348 50 1290 60 1225 80 1079 100 912 120 723 140 537 160 410 180 324 200 263 donde: K : Coeficiente que depende de las condiciones de apoyo de la barra, (Fig. 6-5) L : Altura libre de la barra, en cm r : Radio de giro mínimo de la barra, en cm Fa : Esfuerzo admisible a compresión, en Pa (Kg/cm2)
Figura 6.5 Valores del factor de longitud efectiva k d) Esfuerzo Cortante en perfiles estructurales Fv= 0,33 Fy
156
(6.4)
e) Aplastamiento en pernos de acero A – 307 Fv = 172.6MPa (1760 kg/cm2)
(6.5)
f) Esfuerzo cortante en pernos A-307 Fv = 68.67MPa (700 Kg/cm2)
(6.6)
g) En soldadura de filete o chaflán con electrodo E 6010 Fb = 82.9MPa (845 kg/cm2)
(6.7)
Los valores para detallar y las propiedades de diseño (área, masa, módulo de sección, radio de giro, etc.) de los perfiles estructurales de acero pueden encontrarse en el 'Manual de Construcción en Acero," del l.M.C.A. (6.3) y el `Manual para Constructores" A.H.M.S.A. (6.4). 6.1.4.5 Cálculo estructural Las cargas sobre rejillas y sus apoyos dependen de la pérdida de carga a través de las mismas y de su grado de obstrucción, y no pueden determinarse en forma exacta, por lo que hay que basarse en varias hipótesis o recomendaciones. Caso 1 En el caso de rejillas superficiales y cuando éstas se puedan limpiar fácilmente, se considera una distribución de presiones uniforme igual que la cuarta parte de su longitud, pero con un valor máximo de 1,50 m. Caso 2 En el caso de rejillas sumergidas, en cárcamos de bombeo muy profundos y cuando la longitud es del 10% de la carga hidrostática, se toma ésta para el diseño, en este caso la distribución de presiones es la hidrostática. Con la rejilla 100% obstruida, los esfuerzos permisibles son: Tensión y compresión en barras sujetas a flexión: fs = 0,6 fy
149.11MPa (1520 Kg,cm2) para acero ASTM A-36
Los apoyos deben calcularse con las fatigas de trabajo normales y con las mismas cargas. Por otra parte, la longitud máxima de los barrotes entre apoyos o atiesadores, ésto es la longitud libre, queda limitada por su resistencia a la vibración y por la velocidad de paso del agua a través de las mismas. En la mayoría de las instalaciones de bombeo esta velocidad es pequeña y basta tomar en cuenta las recomendaciones de la fig. 6.7 (6-6 y 6-10).
157
En el caso de instalaciones con velocidades mayores, es recomendable analizar la estabilidad de las rejillas, tomando en cuenta la frecuencia propia de las barras y su interacción con respecto a los vórtices provocados por el paso del agua. Los atiesadores pueden ser soleras, ángulos o vigas T soldadas en la cara de aguas abajo de la rejilla; también pueden usarse pernos de fierro redondo liso con separadores de tubo, que deben tener una holgura de 2 a 3 mm con respecto al diámetro del perno, los pernos llevan sus extremos roscados con cuerda estándar y una tuerca hexagonal (ASTM A307) sin rondanas, fig. 6.6. El cálculo de las dimensiones de las rejillas una vez escogida la separación de las barras y el número de apoyos, se hace considerando las mismas como viga continua con carga uniforme y aplicando los coeficientes de momentos y cortantes que se dan en las ayudas de diseño.
158
Figura 6.6 Rejilla con separadores de tubo y perno
159
Figura 6.7 Diagrama para el calculo de la longitud libre de pandeo de rejillas 6.1.4.6 Ayudas de diseño Las siguientes fórmulas se incluyen como ayudas de diseño, aunque son de conocimiento general. Condiciones de flexión en vigas a) Viga apoyada en ambos extremos con carga aumentando uniformemente hacia un extremo (carga triangular), fig. 6.8 b) Viga apoyada en ambos extremos con una carga uniformemente repartida, fig. 6.9 Viga empotrada en ambos extremos con una carga uniformemente repartida, fig. 6.10 Ayudas de diseño Símbolos Empleados w: Carga unitaria repartida uniformemente en kg/m RA,RB Reacciones en los apoyos en kg M max Momento máximo de flexión en kg-m Mx: Momento de flexión a una distancia x L: Longitud entre apoyos en m X: Distancia de un apoyo a un punto Dmax= :Deflexión de la viga a la distancia x E: Módulo de elasticidad del acero
160
I: Momento de inercia
Figura 6.8 Viga apoyada en ambos extremos con carga aumentando uniformemente hacia un extremo
161
Figura 6.9 Viga apoyada en ambos extremos con una carga uniformemente repartida
162
Figura 6.10 Viga empotrada en ambos extremos con carga uniformemente repartida
163
6.1.5 Ejemplo de aplicación. Diseño de las rejillas en una planta de bombeo de aguas negras y pluviales Datos básicos de diseño: 5 bombas verticales (4 en operación y 1 de reserva) Gasto unitario 190 L/s = 0,190 m3 /s Gasto total 760 L/s= 0,760 m3 /s Ancho de la caja de rejillas = 1.70 m Nivel mínimo de operación = 118.0 msnm Nivel máximo de operación = 119.80 msnm Nivel de la plataforma de maniobras = 120.65 msnm Nivel de fondo del cárcamo = 117.00 msnm Rasante del colector (llegada) = 117.58 msnm Diámetro del colector = 0.91 m
Tirante del colector (0,8 d) = 0.72 m Los datos anteriores son suficientes para diseñar tanto las rejillas como elementos estructurales aislados y para revisarlas hidráulicamente; pero para un proyecto mas detallado se requieren planos o croquis de la planta de bombeo. a) Selección del tipo de rejilla Teniendo en cuenta las dimensiones de la caja de rejillas (ancho, alto, tirantes mínimo y máximo ) así como el paso de esfera, se diseñará una rejilla de limpieza manual con un paso de rejilla menor que 5cm y una inclinación de 1:3, horizontal a vertical, o sea 0 = 71,56 . b) Dimensionamiento general de la rejilla Las dimensiones generales se muestran en la fig. 6-11 “croquis de conjunto". -Ancho de la rejilla B = 1.70 m -Tirante máximo h = 119.8 -117 = 2.80m -Área hidráulica Ah= hmax(b) = 2.8 x 1.7 =4.76m2 -Longitud de rejilla L= (120.65 -117) / sen 71.561 = 3.85m
164
Figura 6.11 Ejemplo de aplicación croquis de conjunto
165
c) Elección de la separación de las barras -Espesor de la barras= 8mm (5/16”) -Distancia centro a centro f= 55 mm -Claro libre b= f-s =55-8= 47 mm = 4.7 cm <5cm (paso de esfera) d) Selección de materiales -Soleras y perfiles estructurales acero ASTM A-36 -Tornillería ASTM A-307 -Soldadura, electrodos E-6010 e) Condiciones hidráulicas Velocidad en la caja de rejillas Q Ah
Ve
0.760 4.76
0.16 m / s
Carga de velocidad
Ve 2g
hv
2
0.16 2 2 9.81
0.0013
Velocidad en las rejillas limpias 55 47
V 0 Ve X
0.16
55 47
0.19 m / s
Pérdida de carga en las rejillas (fórmula de Kirschmer)
hr
C s f b
4/3
2
Vo 2g
sen
(6.8)
Como se escogieron soleras planas que presentan un frente rectangular Cf =42 (ver fig. 6.3) hr
2.42 8 47
2
4/3
sen 71.56
0.19 2 9.81
0.0004 m
Con esta pérdida se tiene: - Nivel máximo de operación
119.80 msnm
- Nivel mínimo de operación
118.00 msnm
166
- Carga de velocidad
0.0013 m
- Pérdida en las rejillas
0.0004 m
- Pérdidas totales
0.0017 m
Las pérdidas son despreciables y no alteran los niveles de operación e.1) Cálculo estructural Aunque el cálculo estructural es tarea del fabricante, se incluye aquí a manera de ejemplo. Para valuar la carga (en m.c.a.) de diseño se considerará una carga Hd igual a la cuarta parte de la longitud de la rejilla (caso 1). L 4
Hd
3.85 4
0.963 m.c.a
Esto es equivalente a una presión de 0.0963 kg/cm2, por lo tanto w = 0.0963 X 5.5 = 0.530 kg/cm y el momento sobre la solera será :
M
wl 2 8
0.529 385 8
y el módulo de sección vale : M M S fb 0.5Fy
2
9801.4 kg - cm
9801.4 0.5 2530
9801.4 1265
7.75 cm3
Obtención del peralte de la solera con espesor = 0.79 cm (5/16”) d
6s c
6x7.75 0.79
7.67cm
Se escogen las soleras de 7.62 cm X 0.79 cm (3” X 5/16”) La rejilla se construirá con 2 módulos de 15 soleras a cada 5.5 cm de centro a centro. El peso por barra es de 4.7 kg/m X (3.85 +0.04)= 18.3 kg El peso del módulo parcial (15 soleras) será de 18.3 X 15 = 274 kg ver fig. 6.12.
167
Figura 6.12 Ejemplo de aplicación e.2) Cálculo de los atiesadores Atiesadores : Se hará uso de la fig. 6.7 utilizando los valores de velocidad en las rejas (v=0.19 m/s, calculada anteriormente) y de el espesor de la barra (e = 7.9 mm), con éstos valores la separación máxima de los atiesadores es s = 100 cm, para este diseño tomaremos conservadoramente s = 65 cm. Separación = 65 cm Cantidad = 6 Tipo soldados Sección APS de 63.5 mm X 7.9 mm (2 1/2” X 5/16”) Ver fig. 6-13 y 6-14
168
Figura 6.13 Ejemplo de aplicación
169
Figura 6.14 Ejemplo de aplicación (Dimensiones de los módulos), ver descripción de los componentes en la lista de materiales
170
En las figuras 6.15, 6.16 y 6.17 se muestran los detalles de los apoyos y en la tabla 6.3 se indica la relación de materiales.
Figura 6.15 Ejemplo de aplicación (Detalle de apoyo superior), ver descripción de los componentes en la lista de materiales
171
Figura 6.16 Ejemplo de aplicación (Detalle de apoyo inferior), ver descripción de los componentes en la lista de materiales
Figura 6.17 Ejemplo de aplicación (Detalle 3), ver descripción de los componentes en la lista de materiales
172
Tabla 6.3 Relación de materiales para el ejemplo de aplicación No. DESCRIPCIÓN CANTIDAD 1 Solera de 7.62 cm x 0.8 cm x 389 cm de largo 24 2 Solera de 7.62 cm x 0.8 cm x 380 cm de largo 6 3 Separadores de A.P.S. de 6.35 cm (2 1/2”) x 79 mm 12 y 170 cm de largo 4 Placa de 11.5 cm x 78 cm y 0.8 cm de espesor 2 5 Perno de 1.3 cm (1/2”) x 20 cm de longitud, con 6 extremo roscado (6 cm) y tuerca hexagonal 6 Placa de 7.5 cm x 0.8 cm de espesor 2 7 CPS de 12.7 cm (5”) x 10 kg/m x 170 cm de largo 1 8 APS de 10.2 cm x 15.24 cm (4” x 6” ) x 15 kg/m y 1 170 cm de largo
UNIDAD PIEZA PIEZA PIEZA PIEZA PIEZA PIEZA PIEZA PIEZA
6.2 COMPUERTAS 6.2.1 Introducción En la actualidad las compuertas hidráulicas se utilizan para la regulación de gastos, como emergencia y cierre para mantenimiento. Se construyen de manera que el miembro de cierre quede por completo fuera del conducto cuando la compuerta está totalmente abierta. Las compuertas hidráulicas se diseñan de diferentes tipos, con peculiaridades en su operación y en sus miembros de cierre.
6.2.2 Fuerzas hidrostáticas Las fuerzas hidrostáticas que actúan sobre cualquier tipo de compuerta deslizante se definen en la fig. 6.18. La carga hodrostática al centro de la compuerta es:
h
NAMO - zi +
a 2
(mca, ton / m2 )
173
(6.9)
Figura 6.18 Fuerzas hidrostáticas
174
6.2.3 Compuertas deslizantes Las compuertas deslizantes son aquellas que se desplazan directamente sobre la superficie de las muescas o guías, sin ruedas ni rodillos intermedios, estas compuertas pueden ser de superficie, o sumergidas como sucede en la mayor parte de los cárcamos de bombeo, pozos radiales y obras de toma en presas o embalses. En los cárcamos de bombeo la carga hidrostática sobre las compuertas rara vez sobrepasa los 10 metros de columna de agua (mca), en cambio en los pozos radiales y en las tomas en presas el almacenamiento puede llegar a 25 ó más metros. Atendiendo a sus materiales de construcción las compuertas deslizantes pueden ser: a) de fierro fundido (fofo) fig. 6.19 (Ref. 6.12) ó b) de placas y perfiles laminados, ver fig. 6.20.
Figura 6.19 Esquema de una compuerta deslizante de fierro fundido
175
Figura 6.20 Esquema de una compuerta deslizante de acero
176
6.2.3.1 Compuertas deslizantes de fierro fundido Las casas constructoras suministran compuertas de dimensiones preestablecidas, para cargas de hasta 30.0 m aproximadamente, estas se han normalizado en diseños prototipo, tabla 6.4. La American Water Works Association (A.W.W.A.) con su norma AWWA STD C501 para compuertas deslizantes, cubre los materiales de construcción, marcos, guias, cuñas, etc., para compuertas circulares hasta de 242 cm. (96") de diámetro y rectangulares hasta de 305 x 365 cm. (120" x 144"). Tabla 6.4 Compuertas deslizantes de fierro fundido
177
Tabla 6.4Compuertas deslizantes de acero
6.2.3.2 Compuertas deslizantes construidas con perfiles estructurales A) Componentes Estas compuertas están formadas por los siguientes elementos: Cubierta o pantalla Vigas horizontales o largueros Vigas verticales Atiesadores Marco Sellos Elementos de izaje Guías Las compuertas más sencillas y de menor tamaño sólo están formadas por: Cubierta o pantalla Atiesadores Sellos Elementos de izaje Guías B) Estructuración Las compuertas deslizantes de mayor tamaño pueden estructurarse de alguna de las siguientes maneras: Tipo 1. La pantalla se apoya sobre largueros de separación variable y de la misma sección (6.9).
178
Tipo 2. La pantalla se apoya sobre largueros de diferente sección espaciados igualmente. Tipo 3. La pantalla se apoya sobre largueros iguales al más cargado, con separaciones iguales.(fig. 6.21) (6.9). Localización de largueros:
Figura 6.21 Tipo 3 cuando la pantalla se apoya sobre largueros iguales al más cargado, con separaciones iguales La primera opción es la más indicada en compuertas de superficie de grandes dimensiones porque es la que hace mejor uso de los materiales.
179
La última opción es la más sencilla de construir y diseñar y puede aplicarse tanto en compuertas sumergidas, como de superficie aunque con cierto desperdicio de material. Las vigas y la pantalla se apoyan en el marco o bastidor que se construye con perfiles de canal o ángulo y que corre por las guías. Las superficies de deslizamiento se maquinan para tener un asiento uniforme y asegurar el cierre correcto (una práctica eficaz pero costosa consiste en hacer asientos con placas aisladas, sujetas con tornillos para poder cambiarlos en caso de deterioro. La hoja debe atiesarse para evitar que se deforme y que la compuerta pierda estanqueidad. C) Esfuerzos Permisibles Los esfuerzos permisibles usados en el diseño de estructuras de acero han sido fijados por el AISC y modificados para su uso en estructuras hidráulicas (6.5) agrupándolos en tres categorías que son: a) Compuertas y otras estructuras sujetas a cargas hidrostáticas e hidrodinámicas y/o de difícil mantenimiento (esfuerzo básico: 0.45 fy) b) Compuertas y estructuras sujetas sólo a cargas hidrostáticas (esfuerzo básico: 0.50 fy) c) Compuertas de emergencia, agujas y obturadores que estén sujetas, ocasionalmente a cargas hidrostáticas y que además sean de fácil mantenimiento (esfuerzo básico: 0.67 fy) Estos esfuerzos básicos dan un criterio para el diseño de las compuertas objeto de este manual. El esfuerzo de trabajo de 0.67 fy es el máximo permisible, aún con cargas aleatorias u ocasionales. En la tabla 6.5 se dan los esfuerzos permisibles para diferentes componentes y condiciones de carga (grupos A, B y C). En general deben emplearse los esfuerzos del grupo B.
180
Tabla 6.5Esfuerzos de trabajo (nomenclatura según especificaciones del A.I.S.C.)
Tensión y comprensión fibras extremas
en
A CARGA DINÁMICA 0.45 fy
Tensión y comprensión miembros en cajón
en
0.45
0.5 fy
0.67 fy
0.67 fy
0.75 fy
0.67 fy
0.56 fy
0.62 fy
0.85 fy
0.56 fy
0.62 fy
0.85 fy
0.60 fy
0.75 fy
0.90 fy
ÁREA DE APLICACIÓN
Tensión y comprensión en las fibras extremas de pasadores
B CARGA HIDROSTÁTICA 0.5 fy
C ESTRUC. DE MANTTO. 0.67 fy
Tensión y comprensión en las fibras extremas de placas de asiento rectangulares e) APLASTAMIENTO En las superficies maquinadas y en el área proyectada de agujeros barrenados para pasadores f) TENSIÓN EN PERNOS Y TORNILLOS Pernos A-307 740 810 g) CORTANTE EN REMACHES Y TORNILLOS Pernos A-307 530 600 Los anteriores esfuerzos son para conexiones por aplastamiento en kg/cm2 h) APLASTAMIENTO EN EL ÁREA PROYECTADA (DE LOS MIEMBROS UNIDOS)
1.0 fy
1.13 fy
181
1100
775
1.35 fy
Tabla 6.5 (Continuación) Esfuerzos de trabajo (nomenclatura según especificaciones del A.I.S.C.) ÁREA DE APLICACIÓN I) SOLDADURA Soldadura en chaflán de ranura con penetración parcial
A CARGA DINÁMICA
B CARGA HIDROSTÁTICA
C ESTRUC. DE MANTENIMIENTO
705
845
900
i) Con electrodo de arco kg/cm² kg/cm² kg/cm² sumergido A-233 clase E-60 Las soldaduras de ranura con penetración completa tendrán los mismos esfuerzos permisibles de tensión, comprensión, flexión y aplastamiento que las partes (metal base) A B C ÁREA DE APLICACIÓN CARGA CARGA ESTRUC. DE DINÁMICA HIDROSTÁTICA MANTTO. ESFUERZO BÁSICO a) TENSIÓN En el área neta excepto para perfiles conectados con pasadores En el área neta en miembros conectados con pasadores, miembros compuestos o en ganchos compuestos b) CORTANTE En el área bruta del alma de vigas y trabes
0.45 fy
0.5 fy
0.67 fy
0.45 fy
0.5 fy
0.67 fy
0.34 fy
0.37 fy
0.50 fy
0.30 fy
0.33 fy
0.45 fy
D)Materiales : Los materiales comunmente empleados en estas compuertas se enlistan en la tabla 6.6, además en la tabla 6.7 se dan datos de la práctica de laminación en chapa o placa, de varios aceros y en las figuras 6.22 y 6.23 se muestran perfiles típicos de sellos de hule. Para vástagos y otros miembros sujetos a compresión directa en acero ASTM A-36 k/L fe (kg/cm²) r 25 1180 50 1110 75 1005 100 855 110 755 120 718 130 721 FLEXIÓN Tensión y compresión en los 0.50 fy miembros laminados o (máximo) armados
L = Longitud libre entre guías en cm. en vástagos circulares. r = d/4 cm d = diámetro del vástago k=2
0.50 fy
182
0.67 fy
Tabla 6.6Materiales COMPONENTE
MATERIAL
Pantalla o cubierta
Acero al carbón ASTM A-36 (NOM B 254) ASTM A-529 (NOM B 99)
Perfiles estructurales y soleras
Tornilleria (1/4” a 2 1/2”)
Vástagos
Cables * Cadenas
Acero al carbón ASTM A-36 (NOM B 254) ASTM A-529 (NOM B 99) SAE 2 Acero al bajo carbón ASTM A-307 A y B Aceros ASTM A-107.C ASTM A-529
CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS Y OTRAS fy=248MPa 2 (2530Kg/cm ) fy=289MPa (2950 Kg/cm2) fy =248MPa (2530 Kg/cm2) fy = 289MPa (2950 Kg/cm2)
NOTAS
b
b
de fu = 441.45MPa (4500 Kg/cm2)
g
fy = 289MPa 2 (2950 Kg/cm )
Acero al arado 6 x 19 alma de fibra 6 x 25 alma de fibra 6 x 25 alma de fibra Acero ASTM A-56
h-L h-i J Tensión mínima 22MPa (225 Kg/cm2)
Sellos
Piezas fijas Marcos Anclas Tubos de ventilación y otros
Pintura
Hule natural o Buna
L
Asentamiento máx. por compresión 30%
L
Tensión después de la prueba de envejeci2 miento ITO Kg/cm fy = 248MPa (2530 Kg/cm2)
Acero ASTM A-36 (NOM B 254) Fierro redondo liso ASTM A-529 (NOM B 99) Corrugado redondo Acero ASTM A-53 GRC (NOM B 177) Ambiente húmedo Recubrimiento vinilico de 3 componentes Húmedo y seco Galvanizado
fy = 289MPa (2950 Kg/cm2) fy = 235MPa Kg/cm2)
p
(2400
p
f
Notas: b - Placas de 9 a 50 mm (3/8” a 2”) de espesor d - Cabeza hexagonal salvo indicación contraria
183
Dureza Shore A 60.70
e - Rosca estándar f - Galvanizados por inmersión en caliente g - De 38 a 83 mm (1 1/2” a 3 1/4”) de diámetro y 3 1/2”, 3 3/4” y 4” de fabricación especial h - Torsión alargada i - Torsión normal J - Con protección anticorrosiva L - Propiedades determinadas con las especificaciones ASTM D 471 y D 572 p - De 10.3 a 61.9 cm (4” a 24”) de diámetro nominal Tabla 6.7 Práctica general de laminación ESPESOR ASTM A 36 3/8” 5/16” 1/2”, 5/8”, 7/8” 1”, 1 1/4”, 1 1/2” 1 3/4”, 2” 2 1/2”, 3’, 3 1/2”, 4’
ANCHO
LARGO
72”, 89”, 96”, 108”, 120”
240”, 360”
60”, 72”, 84”, 96”, 108’
240”, 360”
60”, 72”, 84”, 96”
240”, 360”
60”, 72”, 84”, 96”, 60”
240”, 360”
72”
240”, 360”
Peso máximo por pieza 4.5 Tons Peso mínimo por partida 10 Tons Peso mínimo por pedido 100 Tons ESPESOR ASTM A 515-70, A516-70
ANCHO
LARGO
3/8”
72”, 84”, 96”
240”, 260”
1 1/2”, 5/8”, 3/4”, 1”, 1 1/4”
60”, 72”, 84”, 96”
240”, 360”
1 1/2”
60”, 72”
240”, 360”
1 3/4”, 2”
60”
240”, 360”
Peso máximo por pieza 3.8 Tons Peso mínimo por partida 10 Tons
184
Figura 6.22 Sellos de nota y esquineros
185
Figura 6.23 Secciones y perfiles de sellos E) MÉTODOS DE CÁLCULO E1) Vigas horizontales o largueros Como primer paso para su diseño se debe definir su separación, ya sea variable o uniforme, lo que permite calcular las cargas, momentos y fuerzas cortantes a las que quedan sujetos. Estos elementos de cálculo son fáciles de definir ya que las vigas trabajan como simplemente apoyadas, por lo tanto tendremos: 1.- Carga uniformemente repartida w = ep kg/cm
(6.10)
2.- Momento máximo (al centro del claro) L2 M = ep 8
(6.11)
3.- Cortante máximo (en los apoyos) V = R = ep
186
L 2
(6.12)
4.- Módulo de sección necesario S=
M fs
h.tw =
V fv
(6.13)
5.- Área necesaria del alma (6.14)
6.- Deflexión máxima (al centro del claro) d=
1 500
(6.15)
En estas fórmulas: e:ancho tributario cm p:presión media sobre el larguero en Pa (kg/cm²) L:claro efectivo cm Fs: esfuerzo permisible a la tensión 0.5 fy en kg/cm² (Pa) Fv: esfuerzo permisible por cortante 0.33fy en Kg/cm² (Pa) h: peralte del alma de la viga cm tw :espesor del alma de la viga cm M : momento en N/cm (kg.cm) V :fuerza cortante N (kg) S : módulo de sección cm d: deflexión cm W :carga uniformemente repartida N/m (1kg/cm=9.81N/m) NOTA: Se pueden usar otras unidades siempre que sean compatibles.
Con respecto a la sección necesaria de las vigas (s, h, tw y d), conviene tener en cuenta las siguientes observaciones: Siempre que sea posible se usarán perfiles estructurales como los expresados en la Tabla 6.8. Tabla 6.8 Designación de perfiles estructurales DESIGNACIÓN DESIGNACIÓN USUAL I.M.C.A * I ESTÁNDAR IPS IE I RECTANGULAR IPR IR C ESTÁNDAR CPS CE ÁNGULO DE LADOS IGUALES APS LI T RECTANGULAR TPR TR REDONDO SÓLIDO OS TUBO CIRCULAR OC * Instituto Mexicano de Construcción en Acero (6.3) La deflexión calculada en cada viga no deberá exceder de 1/500 del claro efectivo (L).
187
En el caso de que la viga o refuerzo se fabrique con placas soldadas la relación entre el peralte (d) y el ancho del alma (bw) de la viga no deberá exceder del valor siguiente [6.3]. d = 2150 / fy tw
(6.16)
E2) Cubierta o pantalla La pantalla puede diseñarse suponiendo que trabaja según una de las siguientes hipótesis: a) Como viga continua de ancho unitario, apoyada en cada uno de los largueros y en los bordes horizontales b) Como placa apoyada en los bordes verticales (compuertas de superficie) c) Como placa apoyada perimetralmente (compuertas sumergidas) Cargas de diseño Para calcular los momentos, reacciones y deflexiones a que quedan sujetas las placas de la pantalla se pueden usar las siguientes ayudas de diseño. CASO TIPO DE CARGA AYUDA DE DISEÑO
(a)Como viga continua Carga uniformemente repartida en claros iguales Fig. 6.24 "Vigas continuas de 4 a 6 apoyos
CASO TIPO DE CARGA AYUDA DE DISEÑO
(a) Como viga continua Carga variable (triangular con un apoyo intermedio) Fig. 6.25 "Momentos para vigas con carga triangular"
CASO TIPO DE CARGA AYUDA DE DISEÑO
(a) Como viga continua Carga variable (triangular o trapecial) Fig. 6.21 "Subdivisión en zonas de igual presión - analítico [6.9]
CASO (b) Como placa apoyada en los bordes verticales TIPO DE CARGA: En el caso de compuertas de superficie de poca profundidad se trata como una viga libremente apoyada, de ancho unitario, con la carga máxima y claro igual al ancho de la compuerta E3) Atiesadores : El empleo de atiesadores verticales permite reducir las deformaciones de la pantalla y ayudan a distribuir las cargas verticales entre los largueros y la placa; en general se colocan a los tercios del claro (ancho) de la compuerta y se les da el mismo espesor que a la pantalla.
188
E4) Marco o bastidor El marco o bastidor llena las siguientes funciones principales : (Ver fig. 6-20) a) Recibir los extremos de las vigas y los bordes de las placas que forman la compuerta Ayudas de diseño
Figura 6.24 Vigas continuas de 4 a 6 apoyos
189
Figura 6.25 Momento para vigas con carga triangular
190
b) Servir de apoyo a los sellos y sus sujetadores c) Trasmitir a las guías las cargas que soporta la compuerta d) Servir de apoyo y como guía del mecanismo de izaje Para cumplir con estas funciones el bastidor debe formar un marco rectangular con las siguientes tolerancias. (Figura 6.26)
Figura 6.26 Tolerancias de construcción en compuertas de acero estructural En las dimensiones lineales: a (alto), b (ancho), c (peralte) tx = + (2 mm + 0.0007 X) en que X sustituye b, a o c Desviación "d" entre dos lados paralelos del bastidor d = 0.002 X m en que X sustituye a b o a Finalmente, si el bastidor va a recibir en su pieza superior el jalón o el empuje del mecanismo, ya sea con cable y orejas o vástago, debe revisarse estructuralmente.
191
F) GUÍAS Las guías están formadas por piezas que se ajustan y nivelan mediante anclas que quedan embebidas en el primer colado y que permiten que las piezas se muevan en una u otra dirección hasta que quedan en su posición correcta, dentro de las tolerancias especificadas. En el caso de las compuertas de fierro fundido los marcos son de una sola pieza y forman parte del suministro e incluyen las anclas y la pieza de asiento inferior (una solera de acero con su superficie de apoyo maquinada). En compuertas de perfiles y placa de acero estructural se deben atender los siguientes aspectos. El ancho de las muescas deben ser suficiente para dar apoyo a la compuerta sin provocar esfuerzos excesivos en la estructura, además debe haber espacio suficiente para recibir los sellos de estanqueidad y permitir el libre movimiento de la compuerta. Los materiales de las anclas y la tornillería deben ser de fácil adquisición. Las guías laterales y las superficies de cierre deberán estar libres de torceduras, alabeos o de abolladuras. Las vigas de apoyo deberán ser rectas y libres de torceduras para que los sellos se asienten uniformemente. Los marcos deberán armarse en taller, aproximadamente en la misma forma que tendrán en la obra para poder revisarlos satisfactoriamente. Los miembros estructurales, no deberán desviarse de su rectitud en más de 2 milésimos de su longitud. Su manejo debe ser cuidadoso para evitar deformaciones permanentes. La parte de los marcos que constituye la superficie de cierre, deberá quedar en un plano vertical. Las uniones soldadas no deberán tener rebordes que interfieran con los sellos. Los segundos colados no podrán hacerse antes de verificar las dimensiones, posición y verticalidad de las diversas partes del marco. 6.2.3.3 Mecanismos elevadores a) Determinación de la capacidad del mecanismo elevador La capacidad requerida se calcula con la expresión : C = f Eh + Wc
(6.17)
En donde: Eh = A x p Wc = Wh + Wv C : Capacidad requerida en Kg f : Coeficiente de fricción entre la compuerta y las guías (Tabla 6.9) Eh : Empuje hidrostático en N (1Kg=9.81N)
192
(6.18)
A : Área nominal de la compuerta en m2 p : Presión media en Pa (1Kg/m2=9.81x108 Pa) al eje de la compuerta Wc : Peso de la compuerta en N (kg) Wh : Peso de la hoja de la compuerta en N (Kg) Wv : Peso del vástago en N (Kg) Tabla 6.9 Coeficientes de fricción Descripción Acero sobre bronce sin lubricar Compuerta estándar de fierro fundido (fo.fo.)* Acero sobre bronce sin lubricar Hule natural o artificial sobre acero
f 0.30 0.35
a) Dureza Shore A-55 b) Dureza Shore A-70 c) Dureza Shore A-85
0.90 0.80 0.70
0.40
Notas Estos valores corresponden a fricción seca y superficie de deslizamiento ligeramente oxidada y pueden reducirse en un 20% cuando existe buen mantenimiento y la compuerta es normalmente abierta. * Con este valor se calcula la capacidad del mecanismo elevador.
b) Revisión de la capacidad de mecanismos elevadores Como ya mencionamos anteriormente el manejo de las compuertas, en la mayor parte de las instalaciones de bombeo, se hace con mecanismos de operación manual proporcionados por los fabricantes de acuerdo con las normas AWWA y ASTM citados anteriormente. Las siguientes fórmulas permiten verificar las dimensiones de los vástagos y la capacidad del mecanismo elevador. - Esfuerzos en el vástago debidos a compresión directa y torsión, al cerrar la compuerta.
St = 0.5Sc + Ss2
0. 25Sc 2
(6.19)
S = Ss2
0. 25Sc2
(6.20)
En que:
St: Esfuerzo máximo de compresión Pa (kg/cm²) S: Esfuerzo cortante en Pa (kg/cm²) Sc: W/Av en Pa (kg/cm²) Ss: 7.25(MN/nd3) en Pa (1kg/m²= 9.81x108Pa) En que: W: Empuje axial en kg, calculado como C=f Eh + Wc Av: Área neta del vástago en cm² M: Momento o par de torsión en kg-cm por minuto aplicados al vástago N: Número de revoluciones por minuto d: Diámetro del vástago en (mm)
193
Sc: Esfuerzo de compresión directa Ss: Esfuerzo de torsión No se debe rebasar en ningún caso los valores de la tabla 6.5 inciso C en función de la relación L/r: L: distancia libre entre apoyos o entre guías (mm) r = 0.25 d: para vástagos sólidos cilíndricos (mm) Para vástagos de tubo
r =
D2 + d2 4
(6.21)
D: diámetro exterior (mm) d: diámetro interior (mm) c) Determinación del diámetro en vástagos roscados W: carga de diseño en kg fs: fatiga permisible del material del vástago en kg/cm² ( 1250) Se calcula el área necesaria A=W/fs Esta área se compara con el área neta Ak (5a. columna de la tabla 6.10) y se determina el diámetro y el número de pasos correspondientes. Tabla 6.10 Características de vástagos DIÁMETROS TOTAL "D" mm pulg 6.3 1/4 12.7 1/2 19.0 3/4 25.4 1 28.6 1 1/8 31.8 1 1/4 34.9 1 3/8 38.1 1 1/2 44.5 1 3/4 50.8 2 57.15 2 1/4 63.5 2 1/2 69.9 2 3/4
ÁREAS EN cm2 TOTAL NETA "A" "K" dia. D dia k 0.317 0.174 1.265 0.806 2.852 1.993 5.065 3.555 6.41 4.471 7.916 5.742 9.58 6.799 11.40 8.348 12.515 11.251 20.27 14.838 25.65 19.49 31.67 23.974 38.32 29.80
NETO "K" mm 4.73 10.2 15.7 21.3 23.8 27.0 29.4 32.6 37.9 43.6 49.8 55.2 56.2
d) Proceso de diseño Determinación de la carga hidrostática (al centro de la compuerta). A h = NAMO - Zi m. c. a. 2
194
CUERDAS POR PULGADA DE LONGITUD 20 13 10 8 7 7 6 6 5 4 1/2 4 1/2 4 4
(6.22)
Cálculo de W1 = f (A.B) h1 ton (f = 0.35 para compuertas de fo.fo) Tabla 6.11 Mecanismos elevadores-datos básicos DIÁMETRO DEL VÁSTAGO (mm/pulg)
LONGITUD DEL VASTAGO SIN APOYO (mílimetros) PARTE PARTE CON SIN ROSCA ROSCA
ROSCA ACME
CAPACIDAD (KG)
50.8 (2") 50.8 (2") 44.5 (1 3/4") 44.5 (1 3/4")
PLANO TMC-100 Doble L=15.93 P=8.466 Sencilla 3 por 254 (3 por pulg.) Doble L=14.514mm P=7.257mm Sencilla 3½ por 25.4 (3 por pulg.)
50.8 (2")
PLANO TMC-122 Sencilla 3 por 25.4 (3 por pulg.)
64 (2 1/2") 64 (2 1/2") 57 (2 1/4") 57 (2 1/4")
PLANO TMC-123 Doble L=16.933 P=8.466 Sencilla 3 por 25.4 (3 por pulg.) Doble L=16.933mm P=8.466mm Sencilla 3 por 25.4 (3 por pulg.)
3302 2945 2337 2134
4674 4216 3505 3200
1915 2275 2065 2460
70 (2 3/4") 70 (2 3/4") 64 (2 1/2") 64 (2 1/2")
PLANO TMC-124 Doble L=20.32mm P=10.15mm Sencilla 2½ por 25.4 (2½ por pulg.) Doble L=16.933mm P=8.267mm Sencilla 3 x 25.4 (3 x pulg.)
3555 3150 2745
5130 4625 3910 3505
2305 2770 2590 3075
76 (3") 76 (3") 70 (2 3/4") 70 (2 3/4")
PLANO TMC-126 Doble L=0.8" P=0.4" Sencilla 2½ por 25.4 (2½ por pulg.) Doble L=0.8" Sencilla 2½ por 25.4 (2½ por pulg.)
3860 3505 2895 2590
5435 4875 4320 3680
2910 3455 3080 3695
88.9 (3 1/2") 88.9 (3 1/2") 82.6 (3 1/2") 82.6 (3 1/4") 76.2 (3") 76.2 (3")
PLANO TMC-4 Doble L=1.0" P=0.5" Sencilla 2 hilos/pulg Doble L=0.8" P=0.4" Sencilla 2½ hilos por pulg Doble L=0.8" P=0.4" Sencilla 2½ hilos por pulg
3800 3350 3100 2750 2350 2000
5550 4900 4400 3900 3500 3050
5500 5600 6100 7200 6500 7500
3150 2794 2184 1905
4801 4267 3353 2972
785 962 898 1098
1825
Se obtiene del catálogo o de la lista de planos tipo la compuerta adecuada (según la carga h1) y su peso Wh (t) de la Tabla 6.4. Se obtiene una capacidad de mecanismo elevador con:
195
C = fEh + Wh
(6.23)
Se busca en el catálogo la capacidad más próxima del mecanismo elevador y el diámetro del vástago. Se calcula el peso del vástago Wv considerando su longitud igual a. Lv = (Z1 - Zo) m Se suman para obtener una nueva capacidad del mecanismo elevador y el diámetro del vástago definitivos. Colocación de las guías y localización del eje del vástago. El tipo de guía se elige del plano TMC 412, (Figura 6.27) o de la hoja correspondiente del catálogo del fabricante. La separación de las guías se obtiene de los planos tipo o se da una separación máxima de 42.5 diámetros en la parte roscada y de 55.4 diámetros en la parte sin rosca. La posición de los coples en el vástago se hace considerando que la longitud máxima de los tramos es de 6.00 m.
196
Figura 6.27 Guías para vástagos-datos para instalación
197
6.2.4 Compuertas de bisagra Se emplean al final de las tuberías de descarga en las instalaciones de trasiego o en otras, para impedir el retorno del agua cuando existe la posibilidad de que el nivel del agua en el tanque o en el canal de descarga rebase el nivel del arrastre en el último tramo de la tubería, y sea necesario aislar a ésta, en cierta forma tienen la misma función que las válvulas check de columpio. Estas compuertas se fabrican de fo.fo., con diseños estandarizados, por las de marca (ALCO-ARMCO), o de placa y/o lámina de acero. Las compuertas de bisagra pueden ser de los siguientes tipos: a) Sin contrapeso b) Con contrapeso para apertura c) Con contrapeso para cierre Como se muestra en la Figura 6.28 las compuertas están formadas esencialmente por: 1.-Una extremidad bridada en sus dos extremos 2.-La hoja que constituye la parte principal de la compuerta, construida con una placa circular o elíptica, reforzada con nervaduras horizontales 3.-Dos nervaduras verticales, placas soldadas a un collarín 4.-Soporte, formado por 2 placas, soldadas a un collarín. La hoja gira alrededor de un pasador que atraviesa los collarines, el pasador va provisto de cabeza y chaveta, o chavetas y arandelas El cierre se efectua con sellos de hule planos unidos a la brida de la extremidad mediante tornillos de cabeza plana alojados en casquillos de bronce. Las compuertas de bisagra son de retención, por lo tanto deben abrir en el sentido del flujo y cerrar a contraflujo si no hay escurrimiento; para el diseño de las compuertas con placas de acero se siguen los siguientes pasos. A) Dimensionamiento previo B) Fuerzas actuantes C) Análisis del equilibrio entre las fuerzas actuantes D) Corrección de dimensiones en su caso
198
Figura 6.28 Tipos de compuertas de charnela
199
A) Dimensionamiento previo La hoja propiamente dicha se construye con una placa de acero, cuyo espesor se elige dependiendo del diámetro de la tubería. Si la placa no es suficientemente rígida se proveen varias nervaduras horizontales, igualmente espaciadas y con espesores de placa desde 5 mm (3/16") hasta 9 mm (3/8"). Las nervaduras verticales se colocan a una separación tal que no se sobrecargue el pasador del eje de rotación, esta separación puede estimarse de 4 a 6 veces el diámetro del pasador. Las nervaduras horizontales y la hoja se sueldan a un cerco perimetral del mismo espesor de las nervaduras. B) Fuerzas actuantes 1) W el peso de la compuerta en kg (actua en el Cg o centro de gravedad de las partes móviles de la compuerta) 2) P, la presión hidrostática en kg/cm² sobre la compuerta cerrada 3) F, empuje de la corriente La fuerza F se calcula en función del gasto como sigue: A = d2x / 4 cm2
(6.24)
m/s
(6.25)
h = V2 / 2g mca
(6.26)
V = Q/A
h se transforma en Pa (1Kg./cm²=98100Pa) obteniendo h1 y F = A (p + h1) Refiriéndonos a la fig. 6-29 para que la compuerta de peso W (kg) permanezca abierta cuando hay un flujo de Q m3/s se necesita que: F.a > 1.10 W.b
(6.27)
En que a y b son los brazos de palanca con respecto al pivote, de las fuerzas F y W respectivamente.
200
Figura 6.29 Fuerzas actuantes C) La distancia b, se deduce una vez localizada la posición del Cg de la compuerta, puesto que en el dimensionamiento previo se ha determinado la posición del centro de rotación D) Si no se cumple la condición de Fa > 1.10 Wb se cambia la posición del pivote o se modifica el peso de la hoja Debe hacerse notar que las fuerzas que se puedan generar entre los collarines y el pasador son despreciables con un buen sistema de lubricación en el buje. Los materiales empleados en los componentes de la compuerta son: Extremidad acero ASTM A 36 Bridas acero ASTM A 36 Chumaceras collarín acero comercial buje de bronce SAE 660 pasador ASTM A 1066-C120
201
Sellos hule-dureza shore 50-60 Tortillería acero galvanizado 6.2.5 Ejemplos de aplicación Ejemplo de aplicación 1 En una planta de bombeo se ha previsto una compuerta para aislar el cárcamo de bombeo que se muestra en la fig 6.30, se requiere: Seleccionar el modelo de la compuerta de fo.fo apropiada Calcular la capacidad y escoger el mecanismo elevador adecuado, así como las dimensiones del vástago Calcular la separación y el tipo de guías del vástago elevador Datos: Compuerta de 0.91 x 0.91 cm
Figura 6.30 Croquis de instalación
202
Elevación del asiento de la compuerta Zi = 831.0 msnm Elevación del piso de la plataforma de maniobras Z1 = 839.0 msnm NAMO = 837.5 Proceso de diseño Carga hidrostática h1 = NAMO - Zi +
W1
a 2
8375 .
831
0.91 2
6.05 mca
0.35(0.91 x 0.91) x 6.05 ton / m 2 = 1.753 t on
f (a.b) h1
Utilizando la Tabla 6.4, se escoge una compuerta de fo.fo de 0.91 x 0.91 para cargas mayores de 4.60 m (plano PT 109) Peso de la hoja Wh
0.160t W1
Wh
1753 . 0.160
1. 913 ton
Se escoge del mecanismo elevador indicado en el plano tipo TMC 123, capacidad 2.460 ton y en el catálogo DESYME SA MP 123, capacidad 2.460 ton. En ambos el diámetro del vástago con cuerda sencilla es de 57 mm (2 1/4") Longitud del vástago (aproximado) Lv = (Z1 - Zo) = 839.0 - 831 = 8.0 m Peso del vástago de
= 57 mm Wv
20(kg / m)x8m
160 kg.
Capacidad necesaria del mecanismo elevador W1 = Wh
Wv = 1.753 + 0.160 + 0.160 = 2.075 t
Capacidad = 2.460 ton
por lo tanto el mecanismo escogido es apropiado. Separación de las guías del vástago Las separación entre las guías, para el mecanismo elevador y el vástago elegido se encuentra con la tabla 6.11. Parte con rosca 2.13 m Parte sin rosca 3.2 m
203
Se escogen las guías para diámetros del vástago de 4.44 a 6.35 cm con un agujero de paso de 12.1 cm y distancia del eje del vástago al paño del muro de 15.24 cm. Ver fig. 6.27 con las separaciones menores que las máximas permisibles. La localización del cople permite el desplazamiento de la compuerta. Ejemplo de aplicación 2 En el mismo cárcamo de bombeo se prevé como alternativa instalar una compuerta de perfiles estructurales y placa de acero ASTM A 36. Se requiere: Definir su estructuración Dimensionar los elementos estructurales (largueros, cubierta y marco) Calcular la capacidad y escoger el mecanismo elevador adecuado, asi como las dimensiones del vástago Calcular la separación y el tipo de guías del vástago elevador Datos: Compuerta de 0.91 x 0.91 m (a) (b) Elevación del asiento de la compuerta Zi = 831.0 msnm Elevación del piso de la plataforma de maniobras Z1 = 839.0 msnm NAMO = 837.5 msnm 1.- Proceso de diseño Carga hidrostática al centro de la compuerta. h1
NAMO
a 2
Zi Eh
8375 . h1(axb)
831
0.91 2
6.045 mca
6. 045(0. 91x0. 91)
6.045 ton / m2
5 ton
2.- Sus componentes serán: Cubierta Apoyada en largueros de separaciones iguales y de la misma sección. Al espesor teórico se agregará 1.6 mm 1/16") por corrosión. Largueros
De canal (C.E) o ángulo de lados desiguales (L.D)
Atiesadotes
De placa, a los tercios del claro (verticales)
Marco
Piezas horizontales (C.E) o (L.D)
204
Sellos
De acero; soleras soldadas a la pantalla en la cara de aguas abajo, f=0.4
Elementos de
Vástago sólido y mecanismo manualizaje.
3.- Separación de los largueros Este cálculo corresponde al fabricante pero se realizará a manera de ejemplo. Se propone estructurar la compuerta con dos largueros centrales y dos extremos, que cargarán cada uno 1/3 y 1/6 de la carga total. La separación de los largueros se determina, de acuerdo con la fórmula 2
Zi
Z0
(6.28)
2Pi b
En que: Zo
(837.5 - 831- 091) = 5.59 msnm Pi
Eh 3
5 3
1. 667 ton
Sustituyendo y ejecutando operaciones se tiene: CARGA
PROFUNDIDAD
SEPARACIÓN
Zo = 5.59 Pz1 = Pi = 1.667 ton
Z1 = 5.91
0.32 m
Pz2 = 2 Pi = 3.333 ton
Z2 = 6.21
0.30 m
Pz3 = 3 Pi = 5.001 ton
Z3 = 6.50
0.29 m = 0.91
4.- Escuadra de los largueros Este cálculo corresponde al fabricante pero se realizará a manera de ejemplo. a) Largueros interiores (1/3 de la carga total) 5 W = = 1.667 ton 3 w =
1.667 = 1.83 ton / m 0.91
205
wL2 8
M=
183 . (0. 91)2 8
0.18943 ton m
M 18943 = = 14.97 cm3 1265 f5 b) Largueros superior e inferior (1/6 de la carga total) S=
5 6
W=
w=
0.833 0.91
0.833 ton
0. 916 ton / m
2
M=
2
wl 0.916 x (0.91) = = 0.094817 ton m 8 8 S=
M fs
94817 . 1265
7.50 cm3
Para todos los largueros se usara: Ángulo de lados desiguales (LD) de 102 x 76.8 mm (4" x 3" x 5/16") con un peso de 11 kg/m y S = 20.12 cm3. 5.- Espesor de la pantalla Este cálculo corresponde al fabricante pero se realizará a manera de ejemplo. Se usará la ayuda de diseño (fig. 6.24) ya que las distancias entre los largueros son casi iguales; en este caso: w = 4.55 ton/m (máxima) L = 0.31 m (promedio) M = WL2 xc
4.55x0.312 x
S=
c=
M fs
1 10
0. 043726 ton m
4372. 6 1265
6S = 100
6x3.46 = 0.456 cm 100
206
3. 46 cm3
4372. 6 Kg cm
Agregando 0.16 cm (1/16") por corrosión c = 0.456 + 0.16 = 0.616 cm Se usará placa de 8 mm (5/16") Piezas verticales, atiesadores y piezas laterales del marco de placa de 6.4 mm (1/4"). 6.- Peso de la compuerta Cubierta = 0.91 x 0.91 x 62.5 = 52 Kg Largueros = 4 x 0.91 x 11 = 40 Kg Atiesadotes = 2 x 0.91 x 6.25 = 11.4 Kg Piezas del Marco = 2x0.91x0.10x62.5=11.4 Kg Sellos (soleras de 50 mmx6mm) = 2(0.91x0.91)x2.5=4.2 Kg Peso total = 52 + 40 + 11.4 + 11.4 + 4.2 = 119 Kg 7.- Mecanismo elevador Carga hidrostática = 6.045 ton/m2 C = f (a b ) h1 = 0.4 (0.91 x 0.91) 6.045 = 2.002 ton Peso de la hoja
Wh 0.119 ton Wh C 0.119 2. 002 2.121 ton Se escoge el mecanismo elevador del plano tipo TMC-123 capacidad 2.460 ton y diámetro del vástago con rosca sencilla de 57 mm (2 1/4") ver tabla 6.11. Longitud del vástago (aproximado) Lv = (Z1-Zi) = 839 - 831 = 8 m Peso del vástago de 57 mm Wv = 20 Kg/m X 8 = 160 Kg Capacidad necesaria del mecanismo elevador: C + Wh Wv = 0.119 + 2.002 + 0.160 = 2.281 ton
Cap
2. 460 ton
Por lo consiguiente el mecanismo escogido es apropiado. Separación de las guías del vástago La separación de las guías debe ser menor o igual a las indicadas en la tabla 6.11. - Parte con rosca 2.13 m
207
- Parte sin rosca 3.2 m Se escogen las guías para diámetro del vástago de 4.44 a 6.35 cm con agujero de paso de 12 cm y distancia del eje del vástago al paño del muro de 15.24 (fig. 6-27).
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6.3 BIBLIOGRAFÍA 6.1.- Fair y Geyer "Water and Wastewater Enginnering". Ed. J. Willey and Sons New York 6.2.- Metcalf y Eddy, Inc. Wastewater Enginnering. Ed. McGraw Hill 6.3.- I.M.C.A. "Manual de Construcción en Acero". Ed. Limusa. México, S.A. de C.V 6.4.- Manual A.H.M.S.A. para construcción en acero. Altos Hornos de México, S.A. de C.V. Mex. 1991 6.5.- Manual of Steel Construction 8a. Edición. A.I.S.C 6.6.- Davis y Sorensen "Handbook of Applied Hydraulics" 3a. edición. Ed. McGraw Hill Book Co., New York 1969 6.7.- Zoppetti, "Centrales Hidroeléctricas" G. Gilli Barcelona 6.8.- Velazco S. "Presas de Derivación", SARH planos tipo SARH 6.9.- G. Sotelo Avila "Hidráulica General", Vol. 1-1982. Ed. Limusa, México, D.F 6.10.- Manual de diseño de obras civiles "Hidrotecnia, A.2.2. Obras de toma para plantas hidroeléctricas". Comisión Federal de Electricidad 6.11.- Plantas de Bombeo de Aguas Residuales. D.G.C.O.H, AL700-86 6.12.- DESYME, S. A., Catálogo de compuertas deslizantes y mecanismos de izaje. 6.13.- Proyecto de plantas de bombeo. Ing. Octavio Velasco Sánchez 6.14.- Abastecimiento de Agua y Alcantarillado. Ernest W. Steel 6.15.- Obras Hidráulicas. Francisco Torres Herrera 6.16.- Sellos de notas y esquineros de “HUNTINGTON RUBBER CO.” Portland, Oregon
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CONTENIDO 7. INSTRUMENTOS Y VÁLVULAS ..............................................................................211 7.1 INTRODUCCIÓN .....................................................................................................211 7.2 MEDIDORES DE PRESIÓN TIPO BOURDON "C” ................................................211 7.2.1 Principio de funcionamiento..................................................................................211 7.2.2 Clasificación y descripción ....................................................................................213 7.2.3 Criterios para la sección de manómetros .............................................................214 7.2.4 Componentes de los manómetros y materiales de construcción ........................218 7.2.5 Accesorios.............................................................................................................219 7.2.6 Ejemplo de aplicación ..........................................................................................222 7.2.7 Referencias ...........................................................................................................224 7.3 MEDIDORES DE FLUJO.........................................................................................224 7.3.1 Placa de orificio .....................................................................................................226 7.3.2 Tipo pitot modificado (annubar) ............................................................................245 7.3.3 Tipo propela o hélice.............................................................................................267 7.3.4 Tipo Ultrasónico ....................................................................................................275 7.3.5 Tipo magnético......................................................................................................284 7.4 INDICADORES DE NIVEL ......................................................................................295 7.4.1 Tipo regleta ...........................................................................................................298 7.4.2 Tipo flotador ..........................................................................................................300 7.4.3 Tipo Presión hidrostática (presión diferencial.......................................................304 7.4.4 Tipo sonda neumática o de burbujeo ...................................................................311 7.4.5 Tipo sonda eléctrica ..............................................................................................316 7.4.6 Tipo ultrasónico .....................................................................................................320 7.5 VÁLVULAS...............................................................................................................327 7.5.1 Generalidades.......................................................................................................327 7.5.2 Cálculo del Cv (Coeficiente de capacidad de la válvula)......................................338 7.5.3 Válvulas de Seccionamiento y Estrangulación.....................................................341 7.5.4 Válvulas de retención............................................................................................349 7.5.5 Válvulas de flotador...............................................................................................369 7.5.6 Válvulas para aire .................................................................................................372 7.5.7 Válvulas aliviadoras de presión (VAP)..................................................................378 7.6 ACTUADORES PARA VÁLVULAS .........................................................................380 7.6.1 Generalidades.......................................................................................................380 7.6.2 Tipos de actuadores..............................................................................................381 7.6.3 Cálculo del par de apertura...................................................................................387 7.6.4 Ejemplos de aplicación .........................................................................................387 7.6.5 Referencias ...........................................................................................................391
7. INSTRUMENTOS Y VÁLVULAS 7.1 INTRODUCCIÓN Considerada como una parte importante del Manual de Diseño y Selección de Instalaciones Mecánicas, se ha desarrollado el capítulo de instrumentos y válvulas para manejo de agua potable, alcantarillado y saneamiento, en el cual se desglosan los conocimientos básicos y se da la información técnica indispensable para realizar una adecuada selección, instalación y operación. La interpretación del principio de funcionamiento (auxiliada con ilustraciones) de los medidores de presión, flujo y nivel aquí establecidos, representa un medio para la eficiencia y optimización de la operación en dichas instalaciones. La clasificación de los elementos primarios y receptores (medidores) recomendados, se exponen en una forma teórico-práctica mediante el resumen de ventajas y desventajas así como con los ejemplos de aplicación correspondientes. Así mismo, en este capítulo se toca el tema de válvulas, las cuales son una parte fundamental en las instalaciones de manejo de agua potable, alcantarillado y tratamiento de aguas residuales (saneamiento). Al igual que la sección de medidores, la de válvulas ha sido preparada para todo aquel personal técnico que dentro de dichas instalaciones está relacionado con las mismas, ya sean ingenieros de diseño, de proyecto o personal encargado de las instalaciones (personal de operación o de mantenimiento). Las válvulas constituyen del 20 al 30% del costo de la tubería de una planta de tratamiento de agua y quizás se incrementen estos valores en instalaciones de almacenamiento, distribución y bombeo de agua potable, dependiendo del tamaño y tipo de válvulas; Por tanto, la selección de estos equipos mecánicos es de suma importancia en los aspectos económicos, así como en la operación de dichas plantas e instalaciones. 7.2 MEDIDORES DE PRESIÓN TIPO BOURDON "C” 7.2.1 Principio de funcionamiento Los indicadores locales de presión conocidos comúnmente como manómetros (cuando miden la presión manométrica) consisten de un elemento del tipo Bourdon o tubo de sección transversal ovalada y rolada para formar un arco (forma "C"), una espiral o una helicoidal (Figura 7.1), el cual tiene un extremo soldado a la toma de presión y el otro extremo se encuentra conectado a un mecanismo de engrane/piñón montado sobre el eje pivote de una aguja o puntero la cual se mueve sobre una escala calibrada. La aplicación de una presión mayor que la atmosférica hace que el tubo tienda a desenrollarse, en tanto que un vacío origina su contracción.
211
Figura 7.1 Elementos sensores de presión tipo Bourdon
212
7.2.2 Clasificación y descripción Los manómetros tipo bourdon se clasifican en tres tipos: - Tipo "C" - Espiral - Helicoidal Debido a que la mayoría de los indicadores locales de presión utilizan tubo Bourdon tipo "C" y a que tiene una gran aceptación para servicios con agua clara, tratada o residual, este será el único tipo a tratar en esta sección. El Bourdon "C” con amplificación mecánica está apropiadamente diseñado y calibrado para que cada incremento de presión produzca un movimiento proporcional en la posición de la aguja, indicando sobre la carátula la presión real que existe dentro del tubo. Ver Figura 7.2. EL error de los manómetros con este tipo de señal de amplificación, es de 0,5 por ciento del valor máximo de la escala, en los de uso general y para plantas de bombeo, esta diferencia depende de los materiales y la calidad en la manufactura de los mismos. La instalación típica sobre una tubería del manómetro tipo bourdon “C” se muestra en la Figura 7.3.
Figura 7.2 Componentes de manómetro tipo bourdon "c" con amplificación mecánica de señal
213
Figura 7.3 Instalación típica del manómetro tipo bourdon "c" con amplificación mecánica de la señal 7.2.3 Criterios para la sección de manómetros Los manómetros deberán ser seleccionados considerando los siguientes aspectos para prevenir una incorrecta aplicación ya que esto puede causar fallas y daños en el equipo y personal que lo opera. -
Fluido de proceso (agua clara, tratado o residual) Condiciones de operación (temperatura, presión, vibración, pulsaciones etc.) Rango de operación (vacío, presión y vacío-presión) Fluido de proceso
Un punto importante al seleccionar éstos indicadores de presión es el considerar las características químicas del fluido de proceso. Con este fin en la tabla 7.1 se presenta una pequeña guía con los materiales de fabricación más comunes para tubos de bourdon, material de la conexión, comportamiento con respecto a la corrosión y rango de operación.
214
Tabla 7.1 Materiales de construcción Material del Tubo Bronce-Fosforado Cobre-Berilio
Material de la Conexión Bronce Forjado o Latón Latón
Acero Inoxidable Acero Inoxidable 316 316
Corrosión NR
Agua Potable B
NR B
Agua Residual Rango Estándar NR (1)
0-70 kg/cm²
B
NR (1)
0-70 kg/cm²
B (2)
B
0-70 kg/cm²
B: Bueno NR: No Recomendado (1) Se recomienda utilizar sello químico para usar este material (2) Se debe verificar el costo que existe con respecto a los anteriores
Una forma adicional para evitar que el tubo bourdon se dañe debido a las características corrosivas del fluido es el de incluir en el arreglo de instalación del manómetro, un dispositivo de protección conocido como sello químico del cual se hablará mas adelante y deberá ser solicitado junto con el manómetro. b) Condiciones de operación Dentro de las diferentes condiciones de operación a las que está sometido un manómetro, la temperatura está dentro de las más importantes ya que la exactitud de los manómetros se verá afectada en 1,5% por cada 50 C, sin embargo, deberá considerarse que en nuestro caso, difícilmente se rebasará la temperatura ambiente. Otro punto es el considerar, si el manómetro trabajará a la descarga y/o succión de bombas centrífugas horizontales o verticales, o bajo severas condiciones de vibración. En estos casos se recomienda el uso de manómetros llenos de líquido diseñados para uso y condiciones de trabajo donde las vibraciones mecánicas pueden llegar a descalibrar y afectar a los manómetros convencionales. c) Ambiente de trabajo Un punto que no debe olvidarse es el considerar el ambiente al que estará trabajando el manómetro, ya que de esto dependerá el material que se seleccione para la caja y el movimiento (Figura 7.4) Para el tipo de instalaciones que nos ocupa se recomienda que la caja sea de fenol y el movimiento de acero inoxidable.
215
Figura 7.4 Despiece de un manómetro tipo bourdon "c". d) Selección de la escala de medición y rango de operación Generalmente para la selección y especificación de un medidor de presión bourdon tipo "C" se requiere determinar el rango de la escala impresa en la carátula, para lo cual se recomienda que sea aproximadamente del doble de la presión de operación, ya que la zona media corresponde a el área de operación más precisa y exacta del manómetro (la máxima presión de operación, no deberá exceder del 75% del rango total de la escala). Una mala selección del rango de operación puede ocasionar daños acumulables en el tubo de bourdon y tener progresivamente una menor exactitud en las lecturas indicadas. Las unidades comúnmente usadas para los manómetros tipo bourdon "C" y que son comercialmente disponibles, están graduadas en kg/cm², lb/plg² y cm o plg de Hg siendo comunes las escalas duales. En la tabla 7.2, se presentan las graduaciones típicas del fabricante con divisiones y subdivisiones estándar.
216
Tabla 7.2 Graduaciones estándar rangos de baja presión RANGOS DE BAJA PRESIÓN GRADUACIONES kg/cm² PSIG 2 (1kg/cm = 98100Pa) 0- 1 0 - 14 0- 2 0 - 28 0- 4 0 - 57 0- 7 0 - 100 0 – 11 0 - 160 0 – 14 0 - 200 0 – 21 0 - 300 0 - 28 0 - 400 0 - 42 0 - 600 0 - 56 0 - 800 0 - 70 0 - 1000
Divisiones kg/cm² 2 (1kg/cm = 98100Pa) 0.1 0.2 0.5 1 1 1 3 4 5 5 10
Subdivisiones kg/cm²
Divisiones kg/cm² 10 20 20 50 100
Subdivisiones kg/cm² 1 2 2 5 10
Divisiones cm Hg 10
Subdivisiones cm Hg 1
0.01 0.02 0.10 0.10 0.10 0.20 0.50 0.50 1 1 1
RANGOS DE ALTA PRESIÓN GRADUACIONES kg/cm² PSIG 0 - 110 0 - 1500 0 - 140 0 - 2000 0 - 210 0 - 3000 0 - 350 0 - 5000 0 - 700 0 - 10000
RANGOS DE VACÍO (*) GRADUACIONES cm Hg 0 - 76
plg Hg 0 - 30
RANGOS COMPUESTOS GRADUACIONES cm Hg - kg/cm² plg Hg - PSIG 76 - 0 - 1 30 - 0 - 14 76 - 0 - 2 30 - 0 - 28 76 - 0 - 4 30 - 0 - 57 76 - 0 - 7 30 - 0 - 100 76 - 0 - 10 30 - 0 - 140 76 - 0 - 14 30 - 0 - 200 76 - 0 - 21 30 - 0 - 300
Divisiones cm Hg - kg/cm² 20 - 0.2 20 - 0.5 40 - 1 40 - 1 40 - 1 40 - 2 40 - 3
Subdivisiones cm Hg - kg/cm² 2 - 0.05 2 - 0.10 10 - 0.10 10 - 0.10 10 - 0.10 10 - 0.20 10 - 0.50
Es usual que el ajuste y calibración de cada medidor de presión se realice en fabrica, siendo conveniente, para comprobación y corrección de posibles desajustes durante el transporte, que estas acciones se repitan "in situ", para lo cual se usan manómetros patrones como medios comparativos de medición y balanzas de pesos muertos para efectuar las calibraciones.
217
7.2.4 Componentes de los manómetros y materiales de construcción En los siguientes incisos se da una pequeña guía de los materiales de construcción de las partes que componen un manómetro y que es necesario especificar al momento de requisitarlos. En la figura 7.4 se muestra el despiece de un manómetro tipo bourdon "C". a) Cajas.- Normalmente se fabrican de fundición de aluminio aleado y pintado, lámina troquelada de acero inoxidable, o resina fenólica, siendo esta última la más recomendable por su bajo costo y poco mantenimiento, además de ser resistente a las condiciones ambientales. Los diámetros de cajas comercialmente disponibles son: 114 mm (4 1/2"), 152 mm (6"), 216 mm (8 1/2"), 254 mm (10") y 305 mm (12"). Para la aplicación en plantas de bombeo, se recomienda el empleo de las dos primeras. Opcionalmente se pueden solicitar con disco de seguridad para aliviar la presión en el interior de la caja, en caso de ruptura del tubo de bourdon. b) Sistema de bourdon.- Los materiales utilizados en la fabricación de los tubos bourdon y conexiones para baja presión están indicados en la tabla 7.1 Para sistemas de bombeo de aguas residuales, se recomienda el uso de sellos químicos. (*) En nuestro caso, poco usuales c) Carátulas.- Generalmente se fabrican de lámina de acero, de aluminio o fenol laminado, siendo este último el más adecuado para ambientes húmedos en sistemas de bombeo de aguas claras, tratadas y residuales. Se deben especificar preferentemente del tipo antirreflejante, con fondo blanco y graduaciones en color negro. d) Agujas.- Son de aluminio anodizado, del tipo micrométrico y de diseño balanceado para evitar oscilaciones debidas a su inercia. e) Cubiertas.- Son de vidrio estándar para condiciones normales, pero se recomienda que se especifique de cristal inastillable. f) Biseles.- Los biseles son del tipo de presión, en lámina de acero para cajas de aluminio y arillo de retención de latón para cajas de fenol. g) Conexiones.- La conexión puede ser de posición inferior o posterior, con rosca de 6.3 mm (1/4") N.P.T., para rangos de 0-7 MPa (0-70 kg/cm²) y de 12.7 mm (1/2") N.P.T. a partir de 0-11 MPa (0-110 kg/cm²). Los materiales de la conexión ya se señalaron en la tabla 7.2 h) Partes en movimiento.- Las partes en movimiento normalmente se fabrican del mismo material que el sistema de bourdon, pero de preferencia deben ser
218
seleccionados de acero inoxidable, para que tengan una mayor resistencia mecánica en ambientes corrosivos. i) Empaques.- Todos los manómetros están equipados con empaques de hule lo que permite que éstos sean casi herméticos al paso de polvo y humedad. j) Líquido de llenado.- Los manómetros de este tipo normalmente son llenados con liquido de silicón o glicerina. Para el uso que nos concierne se recomiendan llenos con líquido de silicón. Los siguientes aditamentos no son propiamente partes del manómetro tipo bourdon "C", pero se incluyen bajo algunas condiciones en el arreglo del mismo, por lo que se describen también a continuación. 7.2.5 Accesorios Los accesorios son componentes especiales que permiten el uso del instrumento de medición bajo condiciones adversas sin que este sufra daño en su operación. Los siguientes accesorios son los de uso más común para el tipo de servicio que nos interesa. a) Sellos Químicos de Diafragma.- Son utilizados principalmente en tres casos: donde el fluido de proceso pudiera obstruir el elemento sensor, cuando se tienen fluidos de proceso muy corrosivos o cuando el fluido de proceso pudiera congelarse. En plantas de bombeo de aguas residuales se recomienda su utilización, para impedir la entrada de lodos o partículas en suspensión al mecanismo del manómetro. Se emplea en rangos de presión desde 0.3 MPa (3.0 kg/cm²) hasta 7 MPa (70 kg/cm²), y sus componentes básicos se muestran en la figura 7.5.
219
Figura 7.5 Componentes típicos de un sello químico Por la conexión a proceso se comunica la presión del agua sucia hasta el diafragma que al deformarse, transmite indirectamente (a través del líquido de sello) dicha presión al bourdon del manómetro. Cuando se le da mantenimiento o limpieza al sello ésta se realiza a través de la conexión de drenaje, por donde se drena el agua y los sólidos atrapados. Por la conexión que tapa el tornillo de llenado se introduce el material sellante (aceite de silicón o glicol). Los materiales en que se encuentran disponibles comercialmente los sellos químicos (tapa y diafragmas) son: Acero comercial, cobre berilio, acero inoxidable y monel. Es costumbre para abatimiento de costos, el utilizar la tapa superior de acero al carbón, ya que ésta no tiene contacto con el fluido de proceso. La conexión entre el manómetro y la tapa superior del sello químico se hace directamente o mediante un tubo capilar flexible, cuya longitud es conveniente que no sea mayor a 7.0 m. 220
La instalación típica de un manómetro con sello químico tipo diafragma se muestra en figura 7.6.
Figura 7.6 Instalación típica de manómetro con sello químico tipo diagrama b) Amortiguador de Pulsaciones (ver figura 7.7).- Son utilizados cuando se tienen fluctuaciones o pulsaciones de gran amplitud en la presión de operación, de tal modo que se pudiera dañar el elemento de medición o el movimiento del instrumento. Es recomendable instalarlos en los manómetros que se encuentran a la descarga de bombas centrífugas de gran capacidad para su protección en los arranques bruscos y/o continuos o tuberías que tengan posibles golpes de ariete.
Figura 7.7 Amortiguador de pulsaciones
221
Los materiales en los que se encuentra disponible son acero al carbón y acero inoxidable 303, los dos con interiores en acero inoxidable y conexiones de 6,4 mm (1/4”) o 12,7 mm (1/2”). La instalación típica de un manómetro con amortiguador de pulsaciones se muestra en la figura 7.8.
Figura 7.8 Instalación típica del manómetro con amortiguador de pulsaciones 7.2.6 Ejemplo de aplicación Los siguientes ejemplos se presentan para ilustrar la forma de determinar el rango de la escala de un manómetro y los puntos que deben especificarse al seleccionarlos. 1.- Se requiere medir la presión en cárcamo de bombeo, localizando el manómetro sobre el tren de descarga de cada uno de los equipos. Datos: Tipo de fluido: Agua clara y/o tratada. Presión normal de operación: 0.53MPa (5,45 kg/cm2)) (78 psig) Presión máxima de operación: 6,17 kg/cm2 (37 psig) Temperatura del agua máx/min: 25 C/22 C Temperatura ambiente máx /min: 27 C/22 C(81 F/ 72 F) Tipo de medidor: Bourdon tipo “C”
222
Determinación del rango de la escala: Rango de la escala = 5,45 kg/cm2 x 2 = 1.069MPa (10,9 kg/cm2) = 155 psig Refiriéndose a las tablas de rangos de escala comerciales, el más cercano es de 0- 11 kg/cm2 (0 a 1.079MPa o de 0- 160 psig) Adicionalmente, se verifica que la presión máxima de operación de 6,17 kg/cm2 no exceda del 75 por ciento del rango de la escala comercial seleccionado, esto es: 11 kg/cm2 x 0,75 = 0.81MPa (8.25 kg/cm2) Como 0.61MPa (6.17kg/cm2) es menor que 0.81MPa (8,25kg/cm2) se cumple satisfactoriamente con las dos condiciones de selección. Especificación de materiales de construcción (de catálogo de fabricante) Manómetro: Rango de la escala: 0-11 kg/cm2 (0-160 psig) Materiales: Caja:Fenol Tubo bourdon: Bronce fosforado Carátula: De 114 mm (4 ½”) de fenol laminado, antirreflejante Aguja: Aluminio anodizado, micrométrica y diseño balanceado Cubierta: Cristal inastillable Biseles: Arillo de retención de latón Conexión: Material.- Bronce forjado o latón Posición.- Inferior Medida.- 12,7 mm (1/2”) Movimiento:Bronce Empaques:De hule o neopreno Exactitud:Error no mayor del 1 por ciento del valor máximo de la escala 2.- Se requiere medir la presión en el tren de descarga de las bombas de agua residual, localizándose el manómetro sobre dicho tren. Datos: Los mismos que el anterior, pero para aguas residuales Selección:
Rango de la escala: 0- 160 psig. (0- 11 kg/cm2)
Materiales: Caja: Fenol 223
Tubo bourdon:Acero inoxidable 316 estirado Carátula: De 114 mm (4 ½”), de fenol laminado, antirreflejante Aguja: Aluminio anodizado, micrométrica y diseño balanceado Cubierta: Cristal inastillable Biseles: Arillo de retención de latón Conexión: Material.-Acero inoxidable 316 Posición.- Inferior Medida.- 12,7 mm (1/2”) Movimiento: Acero inoxidable Empaques: De hule o neopreno Exactitud: Error no mayor del 1 por ciento del valor máximo de la escala Accesorios: Sello químico de acero, con diafragma de hule y glicol como material sellante, conexión a proceso de 12,7 mm (1/2") 7.2.7 Referencias - Instrument Engineers Handbook. Lipták G., Belá - Capítulo V. Chilton, Revised Edition - Instrumentación Industrial. Creus S., Antonio - Capitulo lll. Ed. Marcombo - Catálogos de fabricantes, tales como: SUREX, METRON y ASHCROFT 7.3 MEDIDORES DE FLUJO Clasificación La medición de flujo es hoy por hoy considerada una de las actividades de mayor relevancia en los sistemas de agua potable y alcantarillado, debido a que a través de su práctica cotidiana es posible conocer la cantidad de agua potable entregada al sistema por sus fuentes de abastecimiento, así como cuantificar la que sale de él en forma de aguas residuales. Existe una gran variedad de medidores de flujo que tienen su aplicación en éste tipo de sistemas y su selección esta basada en las presiones de operación, cantidad de flujo y calidad del agua que se pretende cuantificar, en el siguiente cuadro se presenta una clasificación general de los diferentes tipos de medidores de flujo que se trataran en esta sección.
224
7.3.1 Placa de orificio 7.3.1.1 Principio de funcionamiento Dentro de los procedimientos o métodos para medir flujo, se encuentran los de tipo indirecto, de los cuales el más utilizado es el tipo presión diferencial Este tipo se basa en la relación que existe entre la velocidad del fluido y la pérdida de presión, al pasar éste a través de una restricción en la tubería. La restricción (llamada elemento primario de medición) hace que el fluido se contraiga y, debido a que el flujo permanece constante, la velocidad de éste aumenta al pasar por la restricción, por lo que la presión estática disminuye según la ley de la conservación de la energía. Si colocamos una serie de tomas antes y después de la restricción se vería que hay un ligero aumento de la presión antes de llegar a la restricción (Figura 7.9) y después de ésta disminuye; volviéndose a recuperar ésta presión pero no en su totalidad. Los medidores del tipo placa de orificio operan bajo este principio y la presión diferencial producida por el orificio de restricción de la placa, la cual se mide en los punto s extremos de la línea de corriente es llamada "Vena Contractaw (Figura 7.9).
Figura 7.9 Medidor de flujo tipo placa de orificio
227
La relación existente entre el diámetro del orificio de la placa y el diámetro de la tubería es fundamental para el cálculo y selección de la placa orificio, ésta relación se obtiene del cociente siguiente: =
Diá metro de Orificio Diá metro de Tubería
d D
Regularmente ambos diámetros están en milímetros o pulgadas y adimensional.
(7.1)
en forma
7.3.1.2 Clasificación a) De acuerdo al orificio Este tipo de elemento primario es una placa delgada de metal con una abertura generalmente redonda y concéntrica, sin embargo, existen el tipo excéntrico y el segmentado. - Placa de Orificio Concéntrico (Fig. 7.10 a).- En esta placa el orificio está en el centro, es la de uso más generalizado y se utilizan en la medición de fluidos limpios, como agua potable o tratada. - Placa de Orificio Excéntrico (Fig. 7.10 b).- En esta placa el orificio es excéntrico con respecto al diámetro exterior de la tubería, instalándose en forma tal que el borde inferior del orificio quede tangente con la superficie interior del tubo, de esta forma se evita la acumulación de sólidos en el lado de entrada por lo que es posible utilizarla en líquidos con sólidos de tamaño muy pequeño (agua sucia con sólidos en suspensión). - Placa de Orifico Segmentado (Fig. 7.10 c).- En este tipo de placa el orificio tiene forma de segmento de circulo, montándose de manera que la parte circular del segmento coincida con la superficie interior del tubo. Esta placa es apropiada al igual que el tipo anterior, para medir flujo de líquidos que contengan sólidos.
228
Figura 7.10 Placas de orificio
229
La placa de orificio debe tener la resistencia mecánica necesaria para evitar deformaciones debido a las presiones diferenciales que maneje. Por lo común, se utilizan los espesores indicados en la tabla siguiente: ESPESOR DE LA PLACA (W) 1, 588 mm (1/16") 3,175 mm (1/8”)
DIÁMETRO DE LA TUBERÍA hasta 101,6 mm (4“) de 101,6 mm (4”) hasta 406,4 mm (16") mayores de 406,4 mm (16»)
6,350 mm (1/4”)
En forma general el espesor de placa debe ser menor que cualquiera de estas relaciones: (Dimensiones en plg) D 50
> Espesor;
d 8
> Espesor;
D-d > Espesor 8
(7.2)
(Dimensiones en mm) D 1270
> Espesor;
d 203
> Espesor;
D-d > Espesor 203
(7.3)
donde: D : Diámetro interior de tubería d : Diámetro de orificio En caso de que el espesor de la placa (w) exceda cualquiera de éstas relaciones, la placa tendrá un bisel de 45 ± 2 , dejando un espesor en su área de paso (t) de: - 0,79 mm (1/32") para tuberías de 38,1 mm (1 ½”) a 76,2 mm (3") de diámetro - 1,58 mm (1/16”) para tuberías de 88,9 mm (3 1/2") a 152,4 mm (6”) de diámetro Para asegurar una correcta instalación, cualquier tipo de placa de orificio posee una oreja grabada con los datos de la misma, siendo esta oreja instalada de manera que mire hacia el lado donde proviene el flujo y alineada con las tomas de presión (Ver fig. 7.11).
230
Figura 7.11 Componentes del medidor de flujo tipo placa de orificio
b) De acuerdo a la ubicación de las tomas de presión Existen varias formas de instalar las tomas de presión cuando se utilizan placas de orificio, dentro de estas las más comunes son: Tomas en brida Tomas en vena contracta Tomas en tubería
231
- Tomas en brida. Son aplicables para tuberías con diámetro desde 50,8 mm. (2”) y mayores, siendo inadecuadas para tuberías menores a este tamaño. Para éste caso, es práctica común adquirir junto con la placa, las bridas portaorificio cuyas tomas son barrenadas de fábrica en el cuerpo de las mismas (Fig. 7.12). - Tomas en tubería. La toma para alta presión se hace a una distancia de 2% diámetros de la tubería tomando como referencia la cara correspondiente de la placa de orificio y la toma de baja presión se hace a partir del lado correspondiente, a una distancia de 8 diámetros de tubería, en este caso se mide únicamente la perdida por fricción. La presión diferencial a estas distancias es muy pequeña, lo cual hace la medición de un flujo grande con un elemento secundario de medición diferencial pequeño. Ver fig. 7.13. - Tomas en vena contracta. Las tomas de presión diferencial están localizadas de la siguiente manera: la de alta presión a una distancia del orificio igual al diámetro de tubería y la de baja en el punto de presión estática mínima, o sea en la sección de vena contracta; se usa cuando se desea aprovechar la diferencial de presión máxima a través del orificio (Ver fig. 7.14). Esta localización genera la máxima presión diferencial teniendo el inconveniente de que las tomas se localizan en campo con posibilidad de errores. Los barrenos de las tomas de presión diferencial deben tener superficies lisas, ligeramente redondas en los extremos y ser rectos desde la entrada, con una longitud no inferior a 2 1/2 veces el diámetro de la toma.
Figura 7.12 Tomas en brida.
232
Figura 7.13 Tomas en tubería.
Figura 7.14 Tomas en vena contracta.
7.3.1.3 Materiales de construcción Para que la medición sea lo suficientemente precisa, la fabricación de la placa de orificio, a partir de los resultados deV cálculo, debe maquinarse con las tolerancias de¡ orden ± 0,0254 mm (0,001”). a) Placa. El material normalmente utilizado por fabricantes para la placa de orificio es acero inoxidable 304 o 316; cuando el fluido sea corrosivo o se desee evitar la contaminación para servicio de agua pura, se utiliza el níquel o monel. b) Bridas. Se usa acero al carbón ASTM A-105 para ambientes no corrosivos y acero inoxidable 304 o 316 para ambientes corrosivos. 7.3.1.4 Criterios de instalación Al instalar una placa de orificio, deben tomarse varias precauciones, para obtener mejores resultados en la medición:
233
a) La placa debe ser instalada en la dirección debida es decir, con la parte biselada del orificio hacia el lado de baja presión. En el caso de que se instalara con el bisel del orificio hacia el lado de alta presión, causaría una lectura errónea. b) La placa debe centrarse con las bridas de tal modo que el orificio quede concéntrico a la tubería. Los empaques usados a cada lado de la placa, deben cortarse de forma que no haya posibilidad de que obstruyan el orificio. c) Cuando la placa se sujeta a la brida (o porta placa), por medio de tornillos, la cabeza de estos deberá quedar del lado de alta presión. Las placas de orificio, son los dispositivos de presión diferencial más sensibles a los efectos de turbulencias que se producen por codos, válvulas y cambios en diámetro de tubo que conducen el flujo de agua a medir, por lo que se deben conservar las longitudes de tuberías rectas recomendadas antes y después de la placa de orificio de medición, para crear un flujo lo más laminar posible con deformación mínima de la vena contracta, aplicándose para éste caso las gráficas mostradas en la figura 7.15.
234
235
236
Figura 7.15 Curvas para determinar tramos de tubería recta antes y después de una placa de orificio para medición de flujo
237
Estas gráficas relacionan los tramos mínimos necesarios de tubería recta expresado en diámetros de tubería (D) vs relación de diámetro (d/D), para cuando se tiene cualquier tipo de arreglo (tuberías con codos, válvulas, reducciones, etc.) antes y después de la placa de orificio. 7.3.1.5 Ventajas y desventajas Ventajas: - Confiabilidad y simplicidad en su diseño - Calibración sencilla - Bajo costo - Fácil manejo - No tiene piezas móviles en contacto con el agua - Buena precisión : 1 % Desventajas: - Rango de medición limitado, requiere continua verificación - Errores en la precisión si el agua contiene sólidos en suspensión - Se deterioran a través del tiempo - Alta caída de presión (que se ve reflejada en un alto costo de operación) - Requiere de grandes longitudes de tubería recta para su instalación 7.3.1.6 Accesorios Rectificadores de flujo: Cuando en un arreglo de tuberías no se puede dejar el tramo recto necesario para el buen funcionamiento del medidor, se utilizan rectificadores de flujo, los cuales sirven para disminuir el tramo mínimo necesario de tubería recta expresado en diámetros antes y después de la placa de orificio y cuyo diseño en particular es establecido por el fabricante de la placa; el más común y utilizado para agua es el tipo Panal, compuesto de un carrete relleno de tubos rectos. Ver fig. 7.16
TUBOS RECTIFICADORES
Figura 7.16 Rectificador de Flujo tipo Panal
238
b) Porta placas (fitting).- En algunas ocasiones, donde no es posible interrumpir el flujo para cambiar la placa de orificio o es necesario cambiarla con frecuencia, se recomienda el uso del porta placas de orificio (fitting) que facilita el cambio o colocación de la placa sin tener que suspender el flujo.
PLACA DE ORIFICIO POSICIÓN DE SERV VÁLVULA IGUALADORA
ELEVADOR
VÁLVULA MACHA
PLACA DE ORIFICIO, COLOCADO PARA MEDICIÓN
Figura 7.17 Porta placas (Fitting) Estos porta orificios (Figura 7.17) existen en el mercado en diferentes marcas y tamaños, los cuales pueden encontrarse desde 8" (203 mm) hasta 36u (914) mm, se componen de dos compartimentos independientes separados por una placa deslizante generalmente de acero inoxidable, dicha placa no puede cerrarse a menos que el orificio quede asentado en ella. Solamente unas cuantas vueltas de la palanca o manivela se requieren para remover o reemplazar la placa de orificio. 7.3.1.7 Elementos receptores Cada placa de orificio se asocia con un medidor de flujo (elemento receptor) cuyo mecanismo puede ser de¡ tipo sistema de mercurio o tipo diafragma o fuelle y pueden ser para indicación y/o registro local. Los tipos de mercurio por su fragilidad, son los menos usados en planta, su aplicación esta limitada básicamente a laboratorios. Los de tipo diafragma o fuelles son los más utilizados por su resistencia y se encuentran en una amplia gama de modelos y rangos en el mercado. Los rangos comunes de éstos medidores de flujo se muestran en la tabla 7.4.
239
Tabla 7.4 Rangos de operación de los medidores de flujo plq 0-0,5 0-5 0-25 25
de A A A A
agua 0-6 0-30 0-150 0-750
mm de agua 0-12,5 A 0-152 0-127 A 0-762 0-635 A 0-3,810 0-3,175 A 0-19,050
La escala para los indicadores locales puede ser solicitada para lectura directa de flujo (en unidades de flujo GPM, LPM, etc.) o lectura de presión diferencial (plg de agua, mmHg, etc.). El rango de los indicadores locales puede ser desde 100 GPM hasta 10 000 GPM. (6,3 631 l/s) 7.3.1.8 Método de cálculo El realizar un cálculo correcto de las placas de orificio, es determinante para el buen funcionamiento tanto del elemento primario de medición, como del indicador o registrador, ya que a partir de este cálculo se van a obtener los parámetros necesarios para requisitar y seleccionar éstos instrumentos. Se recomienda el siguiente método de cálculo para fluidos no viscosos el cuál consiste en los siguientes pasos: a) Definir los datos siguientes: Diámetro de tubería (D) Flujo máximo (Q) normal o mínimo Densidad relativa (G) Densidad relativa a temp de operación (G1) Temperatura Máxima/normal (T)
mm, L/min,
plg GPM
Adimensional Adimensional °C, °F
b) Considerar tentativamente una caída de presión (hm) a flujo máximo, que puede ser en cm de agua, 375, 500 o en pulgadas de agua 50, 100, 150, 200,250. c) Calcular el factor de flujo (S) con la fórmula siguiente: S=
Q m Gl
(7.4)
2
N D Fa Fm G f h m
donde: Qm: Flujo volumétrico (GPM, GPH, etc) N: Constante de acuerdo a las unidades de medición (ver tabla 7.5) D: Diámetro interno de la tubería 3n pIg d: Diámetro de¡ orificio en plg Fa: Corrección por expansión térmica del elemento primario (7.6) 240
Fm: 1.0 para cualquier tipo de medidor, excepto medidores de mercurio Gf : Gravedad específica del líquido a temperatura de flujo, agua a 60 F = 1.0 Gl : Gravedad específica del líquido a temperatura de base, agua a 60 F = 1.0 hm: Diferencial máxima (rango del instrumento, pulgadas de agua calibradas) Tabla 7.5 Constante para la medición de líquidos (n) TIEMPO SEGUNDOS MINUTOS HORAS 24 HORAS
PIES CÚBICOS 0.01263 0.7576 45.46 1091. .
GAL U. S.
GAL IMP
0.09446 5.667 340.0 . 8161. .
0.07865 4.719 283.1 . 6795. .
BARRILES (42 GAL) 0.002249 0.1349 8.096 194.3 .
BARRILES (50 GAL) 0.001889 0.1133 6.801 163.2 .
Tabla 7.6 (Fa,) Factor de corrección por expansión térmica del elemento primario ( f) Aluminio (ºF)
Cobre (ºF)
+3 +47 +91
-15 +42 +99
Tipo 430 (ºF)
2% Cr Mo (ºF)
5% Cr Mo (ºF)
+24 +112 +202 290
+28 +108 +184 260
+27 +110 +191 272
Bronce
Acero
Monel
(ºF) -8 +43 +95 200 249
(ºF)
(ºF) -33 +38 +104 168 230
d) Calcular el valor de S y determinar 0 de la tabla 7.7
241
+31 +106 181 254
SS 316 ó 304 (ºF) -24 38 101 158 213
Factor Fa 0.999 1.000 1.001 1.002 1.003
Tabla 7.7 Valores de S, para placa con tomas de brida, vena contracta o esquina S S S S 0.200 0.02402 0.350 0.07429 0.500 0.1568 0.650 0.2879 0.205 0.02525 0.355 0.07650 0.505 0.1602 0.655 0.2936 0.210 0.02649 0.360 0.07870 0.510 0.1637 0.660 0.2992 0.215 0.02778 0.365 0.08097 0.515 0.1673 0.665 0.3051 0.220 0.02908 0.370 0.08324 0.520 0.1709 0.670 0.3110 0.225 0.03040 0.375 0.08559 0.525 0.1745 0.675 0.3171 0.230 0.03180 0.380 0.08793 0.530 0.1782 0.680 0.3231 0.235 0.03322 0.385 0.09035 0.535 0.1820 0.685 0.3294 0.240 0.03464 0.390 0.09277 0.540 0.1858 0.690 0.3357 0.245 0.03612 0.395 0.09526 0.545 0.1898 0.695 0.3423 0.250 0.03760 0.400 0.09776 0.550 0.1937 0.700 0.3488 0.255 0.03915 0.405 0.1003 0.555 0.1937 0.705 0.3556 0.260 0.04069 0.410 0.1029 0.560 0.2018 0.710 0.3624 0.265 0.04230 0.415 0.1055 0.565 0.2060 0.715 0.3694 0.270 0.04391 0.420 0.1082 0.570 0.2101 0.720 0.3765 0.275 0.04558 0.425 0.1109 0.575 0.2144 0.725 0.3838 0.280 0.04725 0.430 0.1137 0.580 0.2188 0.730 0.3911 0.285 0.04898 0.435 0.1164 0.585 0.2232 0.735 0.3988 0.290 0.05072 0.440 0.1192 0.590 0.2277 0.740 0.4064 0.295 0.05252 0.445 0.1221 0.595 0.2323 0.745 0.4143 0.300 0.05432 0.450 0.1251 0.600 0.2369 0.750 0.4222 0.305 0.05618 0.455 0.1280 0.605 0.2417 0.755 0.4304 0.310 0.05805 0.460 0.1310 0.610 0.2464 0.760 0.4386 0.315 0.05998 0.465 0.1341 0.615 0.2513 0.765 0.4472 0.320 0.06191 0.470 0.1372 0.620 0.2563 0.770 0.4557 0.325 0.06390 0.475 0.1404 0.625 0.2614 0.775 0.4646 0.330 0.06590 0.480 0.1435 0.630 0.2665 0.780 0.4735 0.335 0.06796 0.485 0.1468 0.635 0.2717 0.785 0.4828 0.340 0.07003 0.490 0.1500 0.640 0.2770 0.790 0.4921 0.345 0.07216 0.495 0.1500 0.645 0.2825 Si el valor de Si el valor de
obtenido es mayor de 0,7, escoger una hm. mayor y recalcular. obtenido es menor a 0,3, escoger una hmmenor y recalcular.
Con el valor de siguiente:
dentro de los límites calcular el diámetro de¡ orificio con la fórmula d = xD
242
(7.5)
7.3.1.9 Ejemplo de aplicación a) Se requiere medir la cantidad de flujo de las bombas de pozo, localizando el medidor de flujo en el cabezal de descarga de dichas bombas, el cabezal es de 10" (254 mm) de diámetro, utilizando como medidor un indicador local con lectura directa. Datos: Qnor =4,000LPM = 1,057 GPM Omáx = 5,000 LPM = 1,321 GPM Gf = 1 Gl = 1 Tmáx = 25 C = 77 F Tnor = 22 C = 72 F Dint = 10,13” Se considera tentativamente un valor de caída de presión (hm) = 100" de agua. Como el medidor es el tipo celda de presión diferencial Fm = 1 Obteniendo los siguientes valores de tablas N = 5,667 GPM (Tabla 7.3.1.1-2) Fa = 1,0 (Tabla 7.3.1.-3, considerando material de acero inox. 316) Con la siguiente fórmula se obtiene el valor de S a flujo máximo. S=
Q m Gl (7.6)
2
N D Fa Fm G f h m
S=
1,321 1 5.667 10.13
2
1 1 1 100
0.22715
De la tabla 7.7 se obtiene el valor de = 0,5899 Por no ser menor a 0,3 ni mayor a 0,7 se toma este valor de , por lo que se procede a calcular el valor del diámetro del orificio "d". Como: d (7.7) D d=
D
(7.8)
d = 0,5899 x 10,13 = 5,9760" = 151,792 mm Al estar el orificio precedido de dos codos en planos diferentes en la fig. 7.3.11-7 b) y con el valor de obtenido de la siguiente forma se estima la distancia requerida para su instalación.
243
A = 25 (10.13”) = 253.25” B = 4 (10.13”) = 40.52” En total se requieren = 293,77” = 7461,758 mm considerando que para nuestro ejemplo no se tiene esa longitud recta requerida se recomienda utilizar rectificadores de flujo y regresando a la gráfica obtenemos: A = 11 (10, 13”) = 111,43” B = 4 (10,113”) =40,52" La longitud total requerida es = 151,95” = 3859,53 mm El elemento de medición se requiere del tipo diafragma para que soporte servicio rudo e intemperie. 7.3.1.10 Referencias Principles and Practices of Flow Meter Engineering. Spink L.K. The Foxboro Company Instrument Engineers Handbook. Lipták G., Belá, Chilton Book Company, Revisad Edition Ingeniería de Control Automático, Nacif N. José. La Ilustración Instrumentación Industrial, Creus S., Antonio. Ed. Marcombo, 1989 ISA RP3.2 - 1978 “Flange Mounted Sharp Edged Orifice Plates for Flow Measurement” Catálogos de fabricantes, tales como: Foxboro, Honeyweil, Taylor, Daniel. Foxboro; Orifice, Plates, Flanges and Connections Bulletin 6-110 (MY61). Honeyweil; Boletín No. M 20.1 “Medidores de flujo" (sin fecha) Taylor; Data sheet No. TDS-4H603 “Determination of Orifice Throat Diameters” (Flange Taps JL 58) Daniel; Catalog 500 "Orifice Plates and Plate Sealing Units" Daniel; Catalog 200 "Junior Orifice Fittings"
244
7.3.2 Tipo pitot modificado (annubar) 7.3.2.1 Principio de funcionamiento El annubar es un elemento primario de medición del tipo diferencial que consiste básicamente de dos tubos los cuales miden la diferencia entre la presión total y la presión estática. El tubo que mide la presión total está situado a lo largo del diámetro transversal de la tubería y consta de varios orificios de posición crítica, con lo que, al aumentar el número de orificios de toma de presión, permite obtener una medición de flujo con un valor promediado y cercano al real. En tuberías de tamaño mayor a 1”(25 mm) se dispone en el interior del tubo otro que promedia las presiones obtenidas en los orificios. El tubo que mide la presión estática se encuentra detrás del de presión total con su orificio en el centro de la tubería y aguas abajo de la misma (Fig. 7.18). El tubo annubar es de mayor precisión que el tubo Pitot, del orden de 1 - 3 %. La señal de salida generada por el annubar es de raíz cuadrada y puede ser recibida y procesada por elementos secundarios de medición tales como indicadores de flujo, registradores y transmisores de presión diferencial. 7.3.2.2 Clasificación, tipos y tamaños En la figura 7.18 se muestran algunos tipos y tamaños de annubares, del tipo fijo. Los tipos de conexiones del cuerpo annubar son - Roscadas para usos generales en tuberías de baja presión - Bridadas para tuberías de alta presión
245
Figura 7.18 Tamaños y tipos de elementos Annubar
246
Figura 7.19 Tipos de conexiones
247
Arreglo especial “retráctil" el cual sirve para que el elemento sensor del annubar sea Instalado, removido y reinsertado sin que se requiera cortar el suministro de agua que se desea medir. Para facilitar las operaciones de inserción y remoción, se provee opcionalmente al annubar de una manivela. Ver fig. 7.19. Las conexiones de las señales de salida del annubar se clasifican en: paralelas cuando sus válvulas y el tubo flexible de conexión se encuentran en el plano vertical; y axial, cuando sus conexiones se encuentran en el plano horizontal, en las figuras 7.20 y 7.21 se muestran las partes y detalles típicos del annubar.
Figura 7.20 Detalle típico de instalación del annubar con salida de señales paralelas (vista elevación)
248
Figura 7.21 Detalles típicos de instalación del annubar con salida de señales axiales (vista planta) Los tamaños estandarizados de sensores de los annubares se indican en las figs. 7.22 y 7.23; la selección de alguno está en función del flujo a medir y el diámetro de la tubería. 7.3.2.3 Materiales de construcción a) Cabezal de válvulas: El material estándar de construcción es acero inoxidable 316 y opcionalmente se fabrica en hastelloy C y monel. b) Elemento sensor: En acero inoxidable 316, hastelloy C y monel. c) Válvulas de bloqueo: Se encuentran disponibles en 150 #, 300 # y 600 # ANSI. Tipo bola o compuerta en acero al carbón o acero inoxidable.
249
d) Empaques: Se fabrican de uretano para temperaturas hasta de 225 F (107 C) y de grafito hasta 775 F (412.7 C).
Figura 7.22 Tamaños estandarizados de sensores annubar
Figura 7.23 Grafica y Tabla de selección de sensores de Annubar 7.3.2.4 Recomendaciones para la instalación de los annubares Se recomienda la instalación de este instrumento para servicio de aguas limpias y en algunas excepciones para agua con pequeños porcentajes de sólidos en suspensión. La instalación se realiza directamente en la tubería, mediante una perforación y cople soldado, en el caso que la tubería no sea de acero, se requiere utilizar abrazadera. Se puede instalar en cualquier posición, cuidando únicamente que el elemento sensor quede perpendicular a la tubería de conducción y correctamente centrado. Los orificios de impacto del annubar deberán estar alineados perpendicularmente al sentido del flujo
250
y verificando que el orificio de impacto cercano a la superficie de la tubería, no esté obstruido por ésta. Cuando se tenga una línea horizontal, las tomas de presión deberán hacerse a un lado de la línea para evitar que entren sedimentos a las líneas de conexión. Al igual que las placas de orificio, el Annubar es un dispositivo de presión diferencial sensible a los efectos de turbulencias producidas por codos, reducciones, válvulas, etc, por lo que deben conservar longitudes de tuberías rectas antes y después del Annubar. Ver fig 7.24.
Figura 7.24 Instalación de un annubar 7.3.2.5 Ventajas y desventajas Ventajas: - Simple y de fácil instalación. - Puede ser utilizado en ductos de gran tamaño - Se instala en cualquier posición
251
- Posibilidad de montarlo sin interrumpir el flujo - Caída de presión pequeña Desventajas: - Debe ser calibrado para la aplicación específica - Únicamente para fluido limpios - Requiere de mantenimiento con cierta frecuencia 7.3.2.6 Accesorios Por requerimientos de limpieza frecuente, se provee al Annubar con una conexión extra de aire comprimido, la cual deberá ser solicitada por el usuario. Los siguientes accesorios no se requieren necesariamente en todos los casos, sino, dependiendo de los requerimientos del proceso. Para aprovechar el elemento sensor del Annubar como termopozo se puede alojar dentro de él un elemento resistivo de temperatura (bulbo de resistencia), lográndose la lectura simultánea de flujo y temperatura, el usuario tiene que solicitarlo en la requisición.
252
Figura 7.25 Dibujo de dimensiones de diámetros de sensores y agujeros de inserción Nota: La tabla indica el numero mínimo de diámetros de tuberías aguas arriba y aguas abajo del Annubar, son preferibles dimensiones mayores (si es posible) para obtener la medida exacta del caudal
253
Figura 7.26 Dibujo de dimensiones de diámetros de sensores y agujeros de inserción
254
- El mecanismo de inserción y extracción del elemento sensor, operado con manivela, se debe solicitar para cuando se desea dar mantenimiento al Annubar, sin necesidad de paro de servicio de la línea en que se encuentre instalado. - Rectificadores de flujo para poder tener los requerimientos de longitudes rectas necesarias para el buen funcionamiento del Annubar. 7.3.2.7 Método de cálculo El cálculo principal en la selección de un Annubar, se hace para obtener el parámetro de la presión diferencial, para lo cual el usuario debe previamente especificar los datos y valores de las condiciones del proceso. Este cálculo lo puede efectuar el usuario o el vendedor y está determinado por el procedimiento establecido por el fabricante. Para poder ejemplificar el método de cálculo del medidor de flujo annubar, se tomó como base el procedimiento de cálculo del fabricante Dietrich. Los pasos a seguir en la selección de un annubar son los indicados a continuación: A.- Tamaño del sensor a) Se deben indicar los siguientes datos: Flujo máximo (Qmáx) Flujo normal (Qnor) Presión máx/nor (Pmáx/Pnor) Pa Temperatura máx/nor (Tmáx/Tnor) Gravedad específica (Gf) Diámetro nominal de la tubería (Do) Diámetro interno (Di) Tipo de fluido Instalación del instrumento Ambiente
(GPM) (GPM) (lb/pg2) ( F) Adimensional (plg) (plg)
(L/min) (L/min) (Kg/cm2) ( C) (mm) (mm)
b) Con el diámetro nominal de la tubería se obtiene el número de sensor en las figuras 7.23 y 7.24. c) Con los datos de proceso y considerando el flujo máximo se calcula la presión diferencial con las siguientes fórmulas: (7.9) QA c' hw o 2 QA hw c' (7.10)
255
o con la fórmula simplificada: h w = (G f ) (
GPM 2 2) 5.666 K Di
(7.11)
donde: D : Diámetro interno de la tubería mm (plg) FAA : Factor de expansión térmica (Ver tabla 7.8) FM : Factor de corrección para medidores de mercurio, para otro tipo de medidor FM = 1,0 FNA : Factor de conversión de unidades (Ver tabla 7.9) FRA : Factor de corrección por el número de Reyno1ds, para el caso del annubar Dietrich no requiere esta corrección, por lo que para todos los cálculos FRA =1,0 Gf : Gravedad específica (Adimensional) K: Coeficiente de flujo, calculado con el número de sensor y el tamaño nominal de tubería. Ver tabla 7.10 hw : Presión diferencial (pulgadas de agua) Tabla 7.8 Alumini o (ºF) +3 +47 +91
Faa, Factor de corrección por expansión térmica del elemento primario ( f) Cobre (ºF) -15 +42 +99
Tipo 430 (ºF)
2% Cr Mo (ºF)
5% Cr Mo (ºF)
Bronce Acero Monel
+24 +112 202 290
+28 +108 184 260
+27 +110 191 272
+31 +106 181 254
(ºF) -8 +43 +95 200 249
(ºF)
(ºF) -33 +38 +104 168 230
SS 316 ó 304 (ºF) -24 +38 101 158 213
Factor FAA 0.999 1.000 1.001 1.002 1.003
Tabla 7.9 Constante para la medición de líquidos Fna. TIEMPO
GAL U. S.
SEGUNDOS
PIES CÚBICOS 0.01263
MINUTOS HORAS 24 HORAS
0.7576 45.46 1091.0
5.667 340.0 8161.0
GAL. IMP
0.09446 0.07865 4.719 283.1 6795.0
BARRILES (42 GAL) 0.002249 0.1349 8.096 194.3
BARRILES (50 GAL) 0.001889 0.1133 6.801 163.2
d) Se selecciona el modelo del annubar requerido. Ver Fiqura 7.19 B.- Verificación del sensor seleccionado a) Utilizando el valor de la presión diferencial calculada (hw), el número del sensor, el modelo del sensor y el diámetro nominal de la tubería se determina el valor estandarizado en la tabla 7.24, el cual debe ser mayor del calculado.
256
Si la presión diferencial calculada o la cantidad de flujo es mayor que la máxima indicada, seleccionar el modelo de annubar con soporte opuesto o el modelo PAK-LOK, el modelo con soporte opuesto del tipo retráctil (FLO-TAP) no es recomendado. b) Con el modelo y tamaño del sensor se obtienen las características de instalación en la figura 7.25. c) Si la presión diferencial calculada con el flujo máximo es menor del 25% de la presión diferencial disponible, para el sensor seleccionado, el cálculo de resonancia del annubar no es necesario. Si la presión diferencial calculada está arriba del 25% de la máxima disponible, se debe realizar el cálculo de la resonancia del annubar con la siguiente fórmula: N
M(A)
(7.12)
2
L
donde: N = Frecuencia natural (ciclos/s) M = Constante del modelo (ver tabla 7.11) A = Constante estructural (ver tabla 7.12) ODS = Punto de soporte de montaje fuera de la tubería (ver tabla 7.13) L = Diámetro interno + Espesor + ODS (plg)
257
Tabla 7.10 Valores del coeficiente K
258
Tabla 7.11 Constante del modelo Modelo DFF (15, 25, 35, 45) DCR, DFF (Pak-Lok), DMT, DHT, DHF (todos) DFF (16, 26, 36, 46), DNT, DNF, DNW (10)
M 0.56 1.57 2.45
Tabla 7.12 Constante estructural del sensor, (a) Sensor 15/16 25/26 35/36 45/46 10
A 1.833 x 104 4.200 x 104 6.197 x 104 9.506 x 104 3.824 x 102
Tabla 7.13 Dimensión ODS (pulgadas) Sensor/ Modelo 15/16 25/26 35/36 45/46 10
DCR
DFF
2.48 3.09 3.08 3.25
3.50 4.00 4.30 5.90
DFF DMT, DHT (Pak-Lok) 5.12 1.58 6.10 1.67 6.41 1.81 7.25 --0.0 para todos los modelos
259
DHF 0.58 0.45 0.63 0.71
Tabla 7.14 Modelo y diámetro del annubar diámetro
Sensor
nominal de
DCR hw
la tubería
GPM
2" 2½" 3" 3½" 4" 5"
630 447 300 231 185 124
359 440 567 671 779 1,010
5" 6" 8" 10" 12" 14" 16" 18" 20" 24" 30" 36" 42"
DCR 764 541 327 216 157 131 102 81 67 47 31 22 16
2,370 2,930 4,030 5,230 6,440 7,200 8,450 9,700 11,000 13,500 17,300 21,200 25,200
12" 14" 16" 18" 20" 24" 30" 36" 42" 48" 60" 72"
DCR 360 300 232 185 151 107 69 49 36 28 18 13
9,580 10,700 12,600 14,400 16,300 20,100 25,800 31,600 37,400 43,200 54,800 66,600
24" 30" 36" 42" 48" 60"
DCR 272 176 123 91 70 46
31,600 40,600 49,600 58,700 67,900 86,300
72"
32 105,00 0 Sensor 10 DNT,
DNW, DNF
½" ¾" 1" 1¼" 1½" 2"
1,500 1,500 1,160 620 443 260
36 75 117 158 186 242
DFF hw 87 66 48 39 32 23
GPM 133 169 228 276 326 438 Sensor
DFF 142 1,020 105 1,290 67 1,830 46 2,420 34 3,010 29 3,390 23 4,000 19 4,630 15 5,260 11 6,510 7 8,450 5 10,400 4 12,300 Sensor DFF 77 4,430 65 4,990 51 5,910 41 6,830 34 7,760 24 9,640 16 12,500 12 15,400 9 18,200 7 21,100 4 27,000 3 32,800 Sensor DFF 61 15,000 40 19,400 29 23,900 21 28,500 17 33,100 11 42,200 8 51,400
15 DFF Pak-Lok DMT hw GPM hw 532 330 723 375 403 513 249 516 245 191 610 265 152 706 211 102 918 141 25 DFF Pak-Lok DMT 637 2,160 917 451 2,680 645 274 3,690 384 183 4,810 250 133 5,930 179 112 6,650 149 88 7,840 114 71 9,030 91 58 10,200 74 42 12,700 52 28 16,400 33 20 20,300 23 15 24,000 17 35 DFF Pak-Lok DMT 303 8,790 405 254 9,860 336 198 11,600 257 159 13,400 204 131 15,200 165 93 18,800 115 62 24,400 74 44 30,000 52 33 35,700 38 26 41,500 29 17 53,000 19 12 64,500 13 45 DFF Pak-Lok DMT 234 29,300 155 38,100 NA 110 46,900 82 55,800 64 64,800 42 82,900 NA 30 101,00 0
385 471 608 719 832 1,080
DHF hw GPM
DCR hw
444 540 690 812 934 1,200
630 447 300 231 185 124
DHT DHF 2,590 1,190 2,950 3,200 813 3,590 4,370 467 4,810 5,620 296 6,120 6,880 207 7,390 7,680 171 8,220 8,930 129 9,500 10,200 102 10,800 11,500 82 12,100 14,100 56 14,700 18,000 36 18,700 21,900 25 22,600 25,800 18 26,600
DCR 764 541 327 216 157 131 102 81 67 47 31 22 16
DHT 10,200 11,300 13,200 15,200 17,000 20,900 26,700 32,500 38,400 44,200 55,900 67,600
DHF 464 382 289 226 182 125 80 55 40 31 20 14
10,900 12,100 14,000 16,000 17,900 21,800 27,700 33,500 39,400 45,200 56,900 68,600
DCR 360 300 232 185 151 107 69 49 36 28 18 13
DHT
DHF 321 202 139 102 77 49
34,300 43,500 52,700 62,100 71,200 89,600
DCR 272 176 123 91 70 46
NA
NA
964 673 445 338 266 174
34 108,00 0
260
Sensor DHT GPM
GPM 359 440 567 671 779 1,010 Sensor 2,370 2,930 4,030 5,230 6,440 7,200 8,450 9,700 11,000 13,500 17,300 21,200 25,200 Sensor 9,580 10,700 12,600 14,400 16,300 20,100 25,800 31,600 37,400 43,200 54,800 66,600 Sensor 31,600 40,600 49,600 58,700 67,900 86,300
32 105,00 0
16 DFF hw 720 524 363 287 234 164 26 DFF 1,010 738 467 320 238 202 160 130 107 77 51 37 28 36 DFF 534 452 356 288 238 172 114 81 61 48 31 22 46 DFF 427 283 202 152 118 77
GPM 384 476 623 748 876 1,160
2,720 3,420 4,810 6,360 7,930 8,940 10,600 12,200 13,900 17,300 22,400 27,500 32,700
11,700 13,200 15,600 18,000 20,500 25,500 33,100 40,800 48,500 56,200 71,800 87,300
39,500 51,400 63,500 75,800 87,900 112,00 0 54 137,00 0
donde: hW : Máxima presión diferencial en Pulgadas de agua GPM : Máximo flujo de agua en galones por minuto. A condiciones estándar 60 F, gravedad específica 1,0 y viscosidad = 1,2 m2/s Para valores más grandes se deben verificar con el fabricante. Durante la inserción y retracción de los sensores Flo-Tap, el flujo debe ser reducido para dar valores de caída de presión (hw) menores e iguales a la caída de presión límite del modelo DFF para sensores del mismo tamaño C.- Especificación del instrumento a) Para la selección del cabezal H, se deben ver las tablas correspondientes para cada modelo en particular, y dependiendo de la posición de la tubería en que se instalará el annubar se escogen las columnas "Tubería Horizontal" o "Tubería Vertical", si se requiere que el tubo flexible quede libre vertical u horizontalmente para no tropezar con otros equipos se seleccionará el cabezal axial o paralelo, por lo que dependiendo del número de sensor se obtiene el no. de código correspondiente (para cada modelo existe una tabla diferente, por lo que solo se muestra la que se requiere en el ejemplo, para otros modelos se tiene que revisar el catálogo). Ver tabla 7.15. Tabla 7.15 Selección del cabezal (h) TUBERIA HORIZONTAL CABEZAL AXIAL
No. sensor
Códigos
NPT
TUBERIA VERTICAL
CABEZAL PARALELO 53.9 mm (2-1/8")
No. sensor
Códigos NPT
-
CABEZAL AXIAL
No. sensor
Códigos
NPT
(15/16)
HV1 1/4"
(15/16)
HA1 1/4"
(15/16)
(25/26)
HA2 1/2"
(25/26)
HP2 1/2"
(25/26)
HV2 1/2"
(35/36)
HA2 1/2"
(35/36)
HP2 1/2"
(35/36)
HV2 1/2"
(45/46)
HA2 1/2"
(45/46)
HP2 1/2"
(45/46)
HV2 1/2"
-
b) Para la selección de las conexiones para válvulas de¡ instrumento se requiere conocer el modelo del sensor, la presión y temperatura máxima del agua y al igual que la anterior, existe una tabla diferente dependiendo del modelo. Ver tabla 7.16.
261
Tabla 7.16 Conexión de válvulas del instrumento PRESIÓN MÁXIMA lb/plg² kg/cm²
CABEZAL AXIAL No se requiere válvula de instrumento Sensor 15, ¼" NPT Válvula de aguja AC Válvula de aguja AI Válvula de aguja y niple AC Válvula de aguja y niple AI Válvula de compuerta vástago saliente AC Válvula de compuerta vástago saliente AI Válvula de compuerta vástago saliente y niple AC Válvula de compuerta vástago saliente y niple AI Sensores 25/35/45, ½" NPT Válvula de aguja AC Válvula de aguja AI Válvula de aguja y niple AC Válvula de aguja y niple AI Válvula de compuerta vástago saliente AC Válvula de compuerta vástago saliente AI Válvula de compuerta vástago saliente y niple AC Válvula de compuerta vástago saliente y niple AI CABEZAL PARALELO No se requiere válvula de instrumento Sensores 25/35/45, ½" NPT Válvula de aguja AC Válvula de aguja AI Válvula de compuerta vástago saliente AC Válvula de compuerta vástago saliente AI
TEMPERATUR CÓDIA MÁXIMA GO ºC ºF COO
7700 4600 7700 4600 1220 1060 1220 1060
41.4 323.4 . 41.4 323.4 . 85.78 74.532 85.78 74.532
287.7 260.0 287.7 260.0 412.7 454.0 412.7 454.0
550 500 550 500 775 850 775 850
CA1 CA1S CN1 CN1S CB1 CB1S CG1 CG1S
6200 6200 6200 6200 1220 1080 1220 1060
435.69 435.69 435.69 435.69 85.78 75.93 85.78 74.93
315.2 315.2 315.2 315.2 412.7 454.3 412.7 454.3
600 600 600 600 775 850 775 850
CA2 CA2S CP2 CP2S CB2 CB2S CC2 CC2S COO
6200 6200 1220 1060
435.69 435.69 85.78 74.53
315.2 315.2 412.7 412.7
600 600 775 850
CP2 CP2S CC2 CC2S
c) A partir del No. de sensor y la presión máxima se seleccionan los empaques del instrumento, utilizando grafito para temperaturas hasta de 413 C (775 F) y uretano para temperaturas hasta de 107 C (225 C) Ver tabla 7.17. Tabla 7.17 Empaques y niples de caja No. del sensor EMPAQUE Y NIPLE DE CAJA 150 # Uretano 150 # Grafito 300 # Uretano 300 # Grafito 600 # Uretano 600 # Grafito
15 25.4 mm (1") GH4SA GV4SA GH4SB GV4SB GH4SC GV4SC
25 38.1 mm (1 ½") GH6SA GV6SA GH6SB GV6SB GH6SC GV6SC
35 50.8 mm (2") GH8SA GV8SA GH8SB GV8SB GH8SC GV8SC
45 76.2 mm (3") --GVDSA --GVDSB --GVDSC
d) Para la selección del tipo de varilla se debe tomar en cuenta el medio ambiente donde estará instalado, si es corrosivo o no, en los casos donde no se requieren modelos de annubar del tipo retráctil no es necesario especificar este punto. (Para el ejemplo de aplicación se selecciona un modelo del tipo retráctil, ver tabla 7.18).
262
Tabla 7.18 Tipo de varillas DESCRIPCIÓN CÓDIGOS Impulsor de socket (2 varillas) Varillas de acero al carbón 1 HR cubiertas con zinc Varillas de acero inoxidable 1 HRS Impulsor de engranes (no disponible para sensor 15) Varillas de acero al carbón 1 HD cubiertas con zinc solamente Varillas de acero inoxidable 1 HDS
MEDIO AMBIENTE NO CORROSIVO CORROSIVO
NO CORROSIVO CORROSIVO
Tabla 7.19 Válvulas de bloqueo DESCRIPCIÓN CÓDIGOS SENSOR 15 25 35 TAMAÑO 25.4 mm 38.1 mm 50.8 mm (1") (1½") (2") No se requieren válvulas de VOO VOO VOO bloqueo Válvula Compuerta AC 150 # VA4CG VA6CG VA8CG Válvula Compuerta AI 150 # VA4SG VA6SG VA8SG Válvula de Bola AC 150 # VA4CB VA6CB VA8CB Válvula de Bola AI 150 # VA4SB VA6SB VA8SB Válvula Compuerta AC 300 # VB4CG VB6CG VB8CG Válvula Compuerta AI 300 # VB4SG VB6SG VB8SG Válvula de Bola AC 300 # VB4CB VB6CB VB8CB Válvula de Bola AI 300 # VB4SB VB6SB VB8SB Válvula Compuerta AC 600 # VC4CG VC6CG VC8CG Válvula Compuerta AI 600 # VC4SG VC6SG VC8SG
45 76.2 mm (3") VOO VADCG VADSG VADCB VADSB VBDCG VBDSG VBDCB VBDSB VCDCG VCDSG
e) Para la selección de las válvulas de bloqueo se requiere el modelo del sensor y las condiciones de operación del agua (presión y máxima). En los casos donde no se requieren modelos de Annubar del tipo retráctil no es necesario especificar este punto. (Para el modelo retráctil, ver tabla 7.19). f) De acuerdo al número de sensor y a las características del proceso se seleccionan las conexiones al proceso. Ver tabla 7.20.
263
Tabla 7.20 Herrajes de montaje DESCRIPCIÓN Brida cara realzada embutida soldable empaques, tornillos y tuercas incluidas No requiere montaje 150 # AC 150 # AI 300 # AC 300 # AI 600 # AC 600 # AI
No. de sensor, tamaños de brida y códigos 15 25 35 45 25.4 mm 38.1mm 50.8 mm 76.2 mm (1") (1½") (2") (3") F00 F00 F00 F00 FA4C FA6C FA8C FADC FA4S FA6S FA8S FADS FB4C FB6C FB8C FBDC FB4S FB6S FB8S FBDS FC4C FC6C FC8C FCDC FC4S FC6S FC8S FCDS
7.3.2.8 Ejemplo de aplicación a) Se requiere medir la cantidad de flujo en cabezal de descarga de bombeo de agua de pozo, localizando el annubar sobre el ramal principal de distribución. Datos: Tipo de agua cuyo flujo se medirá: Agua clara servicio continuo Colocación del instrumento: Sobre tubería horizontal Ambiente: No corrosivo Presión máxima del agua: 2.45MPa (25 Kg/cm2) Flujo máximo: 6000 L/min (1 585,2GPM) Flujo normal: 5000 L/min (1321,0 GPM) Diámetro de tubería nominal 254 mm (10”)/Ced. 40 Diámetro interno 254,5 mm (10,02”) Temperatura del agua. Máx/mín 25 C/22 C
77 F/ 72 F
Gravedad especifica a condiciones de operación (Gf): 1,0 (Adimensional) b) Tamaño del sensor. Se selecciona un modelo de Annubar apropiado para las condiciones de operación y para tener una mayor versatilidad que sea de fácil Inserción y remoción sin parar servicio, de la figura 7.19 se selecciona el modelo DHF que es del tipo bridado y que tiene las características indicadas.
264
- Con el diámetro nominal de la tubería (10") se obtiene el No. de sensor de las figuras. 7.22 y 7.23. Sensor seleccionado No. 25/26 - Se calcula el valor de la presión diferencial hwf hw
(G f )(
GPM 2 2 ) 5.666KDi
1[
1585.2 2 2] 5.666(0.625)(10.02)
hw
c' FNA K Di2 FRA FM FAA
O QA c'
19.878 pulg. de agua
2
1 Gf
(7.13)
(7.14)
Con la temperatura máxima (77 F) y el material de la placa (acero inoxidable 304), se obtiene el valor de expansión térmica FAA tabla 7.18 se toma el valor de FAA = 1,001 que corresponde a un valor de temperatura mayor. El valor de la constante para la medición de líquidos (FNA) se obtiene de la tabla 7.0 y el valor depende de las unidades de flujo que se manejen, para GPM FNA = 5,667. El valor del coeficiente K, se obtiene a partir del No. de sensor (25), y el diámetro nominal de la tubería en mm o plg (254 mm o 10 plg) y la tabla 7.11. K = 0, 6250 Como los annubares no requieren factor de corrección por el no. de Reynolds FRA = 1 Se va a utilizar un indicador de flujo del tipo celda de presión diferencial por lo que FM = 1 La gravedad específica del fluido es igual a 1,0 El diámetro interno de la tubería es igual a 10,02". Sustituyendo valores en la fórmula de c'. 2 c' 5.6664 0.6250 (10.02) 1 1 1001 . 1 c' = 355.96127 hw
1585.2 2 19.8360 pulgadas de agua 355.92358
265
c) Verificación del sensor seleccionado Con el no. de sensor, el modelo, el diámetro nominal de la tubería y la tabla 7.11, se observa que el valor de hw = 19,8318 calculado es menor que el indicado (hw = 296) por lo que el medidor es el adecuado y no se requiere soporte opuesto. Con el modelo y tamaño del sensor (DHF, 25) se obtienen las características para instalación del Annubar de la figura 7.15. Diámetro del sensor 20,63 mm (131169. Diámetro del agujero de inserción 22,22 mm (7/8”). Como el valor calculado hw es menor al 25% del reportado no se requiere calcular la resonancia. Valor reportado:
7.51m (296 pulgadas) de agua
25% de 296" = 1.87m (74 pulgadas) de agua hw calculado = 0.50m (19.8318 pulgadas) de agua 74 > 19.8318 No se requiere el cálculo de resonancia d) Especificación del instrumento - Para la selección del cabezal H, se debe tomar en cuenta la posición de la tubería sobre la cual se va a instalar el annubar (para este ejemplo es tubería horizontal), el No. de sensor seleccionado (25) y la forma como se requiere que salgan las señales (considerando que se requiere sacar las señales en forma paralela para que se libre la parte superior del instrumento), con estos datos y la tabla 7.15 se obtiene el código del cabezal. HA2 (1/2" NPT) Para la selección de las conexiones a las válvulas de bloqueo se requiere conocer el modelo del sensor (25), la presión (25 kg/ cm2) y temperatura máxima del agua (77 F), y el tipo de cabezal (axial), con estos datos y la tabla 7.16 se obtiene que debe ser: Conexión 1/2" NPT para válvula de compuerta de vástago saliente y niple de acero inoxidable código: CC2S. - El empaque se selecciona de la tabla 7.17, considerando la temperatura y presión máxima (77 F/355.55 lb/pIg2 ) si el fluido es corrosivo o no (agua clara) y el No. de sensor (25), con estos datos se obtiene: Empaque de uretano 300# de 1 1/2" código: GH6SB.
266
- Por ser el annubar del tipo retráctil se selecciona el tipo de varilla de la tabla 7.18 y considerando que va a estar instalado en un ambiente corrosivo se obtiene: Impulsor de dos varillas para ambiente corrosivo, código: 1 HRS. - Para la selección de la válvula de bloqueo, se realiza a partir de las condiciones de proceso, el libraje requerido, el no. de sensor y la tabla 7.19 se selecciona la válvula de compuerta de acero al carbón 300# código: VB6CG. - La conexión a proceso se selecciona a partir M no. de sensor y el libraje requerido (150#, 300# ó 600#) de la tabla 7.20 herrajes de montaje, de acero al carbón 300# con código: FB6C. 7.3.2.9 Referencias - Catálogo Diamond 11 *Annubar" de la Compañía Dieterich - Annubar Flow Handbook. Dietrich Standard - Instrument Engineers Handbook. Lipták G., Belá Chilton Book Company, Revised Edition - Instrumentación Industrial. Creus S., Antonio Ed. Marcombo, 1989 7.3.3 Tipo propela o hélice 7.3.3.1 Principio de funcionamiento El medidor de flujo tipo propela tiene su principal aplicación en la medición de agua fría o caliente y gracias al buen grado de exactitud y a la versatilidad de sus accesorios lo hace de gran utilidad en la indicación de flujo tanto local como remota. Este medidor de flujo tiene como elemento sensor a un rotor llamado PROPELA soportado y guiado dentro de un cuerpo generalmente, con extremos bridados que se inserta en la línea (tubería) de agua (clara, libre de sólidos y sustancias corrosivas) la cual a su paso hace girar a dicha propela a una velocidad tangencial proporcional al flujo volumétrico. El giro de la propela es transmitido al indicador/totalizador local por medio de una flecha de transmisión mecánica. Ver figura 7.27. Como ya se había comentado anteriormente, este medidor siendo del tipo industrial, cuenta con la preparación para conectar un pulsador (opcional) para enviar una señal en forma de pulsos proporcional al flujo medido, a un elemento receptor (indicador, totalizador, registrador, etc.) remoto.
267
Cubierta
Cubierta del registrador
(Indicador/Totalizador)
Anillo de sello Brida de cubierta
Flecha de transmisión
Inserto
Propela Venas guía
Cuerpo del medidor 150 # R.F.
Figura 7.27 Componentes del medidor tipo propela
268
Tabla 7.21 Tamaños y capacidades del medidor 2" gpm
Flujo Máximo Intermi- 352 tente Máximo 176 Continuo Mínimo ±2% 4.4 Precisión Mínimo ±5% 2 Precisión Flujo de 0.88 Arranque
SERVICIO EN AGUA FRÍA (Hasta 40°C) 4" 6" 8" gpm m³/hr gpm m³/hr gpm m³/hr
10" gpm
200
1100
250
2642
600
3520
800
5283 1200 6605 2000
528
120
793
180
1761
400
2420
550
330
750
4400
1000
1
4.4
1
11
2.5
17.6
4
26.4
6
52.8
12
66
15
0.45
2.6
0.6
5.3
1.2
12.1
2.75
17.6
4
26
6
53
12
0.2
1.1
0.25
1.3
0.3
7.5
1.7
8
1.8
13.2
3
39
9
m³/hr
3" gpm
m³/hr
80
880
40
m³/hr
12" gpm
m³/hr
Tabla 7.22 Tamaños y caídas máximas de presión para medidores de flujo tipo propela TAMAÑO DEL MEDIDOR 2"
psi 1.31
EN AGUA FRIA Kg/cm² 0.091
bar 0.09
3"
4.35
0.305
0.30
4"
4.55
0.319
0.31
6"
2.18
0.153
0.15
8"
2.18
0.153
0.15
10"
1.31
0.091
0.09
12"
0.73
0.051
0.05
* Distancia requerida para cambiar el elemento de medición
269
D E* C
B A Tamaño Medidor A B C D E*
Peso (solo medidor)
2" Plg 77/8 31/4 67/8 67/8 1411/ 64 lbs 261/2
82
3" Plg 815/16 4
175
6-7/8
175
4" Plg 927/32 45/16 6-7/8
176
6-7/8
175
6-7/8
175
360
1411/64
360
1411/64
360
kg 12
lbs 33
kg 15
lbs 371/2
kg 17
mm 200
mm 225 100
mm 250 110 175
6" Plg 1113/16 55/16 9-1/4
135
8" Plg 133/4 6-1/2
233
815/32 183/4
215
lbs 86
kg 39
mm 300
470
162
10" Plg 173/4 7-3/4
194
12" Plg 1911/16 11
9-1/4
233
13
321
13
321
815/32 183/4
215
317 680
121/2 27
317
470
121/2 27
lbs 110
kg 50
lbs 225
kg 102
lbs 258
kg 117
mm 350
mm 450
* Distancia requerida para cambiar el elemento de medición
Figura 7.28 Dimensiones para medidores tipo propela
270
mm 500 219
680
7.3.3.2 Tamaños y capacidades Cada fabricante tiene sus propios tamaños basados en distintas capacidades de flujo (en la tabla 7.21 se indican las capacidades para diferentes tamaños de medidores), a manera de ejemplo y como referencia en la figura 7.28 se indican las diferentes dimensiones y masas de estos medidores para tamaños desde 51 mm (2") hasta 305 mm (12") de diámetro del fabricante Brooks. En la tabla 7.22 se muestran los valores de la máxima caída de presión permisible para estos medidores de acuerdo con el estándar AWWA CTD1, al cual los fabricantes deben ajustarse. 7.3.3.3 Materiales de construcción Los materiales mostrados en la tabla 7.23 son típicos para servicio en agua de pozos, potable o tratada y son estándar del fabricante de referencia. Tabla 7.23 Materiales de construcción de medidores tipo propela o hélice para servicio en agua fría (hasta 40°c) COMPONENTE
T A M A Ñ O / M A T E R I A L E S 2” - 4”
6” - 8”
Cuerpo
Acero Forjado
Tornillos y Tuercas
Acero Inoxidable
Placa de Sello
Bronce Laminado
Elemento Medición
de
Oxido de Polifenileno
Engrane Motriz
Poliamida
Engranes
Polieteramida
Baleros
Poliamida / Safiro
Teflón / Safiro
Baleros / Pivote
Acero Inoxidable
Ajuste de Flecha
Bronce
Flecha Transmisión
de
Poliamida / Safiro
Acero Inoxidable
Registro
Policarbonato
Cubierta
Policarbonato
Anillos de Sello y Propileno-etilieno Empaques (EPDM)
Buna-N
271
10” - 12”
Buna-N
7.3.3.4 Criterios de instalación Para asegurar un correcto funcionamiento de cualquier medidor tipo propela, se requiere sea colocado con 20 diámetros rectos antes y 5 después, libres de cualquier accesorio de tubería Utilizando rectificadores de flujo, las distancias se reducen a 10 diámetros antes y 5 después, como se ve en las figuras 7.28 y 7.29 Las máximas condiciones de trabajo deben ser: 230 psi (1,6 MPa) a 40 C El medidor tipo propela deberá estar lleno de agua todo el tiempo por lo que nunca se instalará en la parte más alta del arreglo de tuberías Se puede instalar en tubería vertical, siempre y cuando el sentido del flujo a través del medidor sea de arriba hacia abajo En el sistema de instalación, la diferencia de diámetros entre la tubería y el medidor generalmente no es problema, cuidando solamente que el ángulo de reducción del accesorio corriente arriba, no sea muy pronunciado o tal que provoque turbulencias. Si esto es inevitable, al menos se deberán considerar tres (3) diámetros de tramo recto 7.3.3.5 Ventajas y desventajas Ventajas: - Baja caída de presión - El montaje puede ser horizontal o vertical - Ajuste de precisión integral independiente del elemento medidor - Buen grado de exactitud (± 2.0%) - Peso ligero - Diseño compacto Desventajas: - Medidores mayores de 6” son costosos - No se pueden utilizar en líquidos con sólidos en suspensión - Sólo funciona con el flujo en un solo sentido
272
FILTRO 10 D D FLUJO
5D
5D
MEDIDOR DE FLUJO RECTIFICADORES
TIPO PROPELA
DE FLUJO
EL DIÁMETRO INTERIOR DE LA TUBERÍA DEBE COINCIDIR CON EL DIÁMETRO INTERIOR DEL MEDIDOR DE FLUJO.
LÍNEA DE DERIVACIÓN PARA CUANDO NO SE PUEDE INTERRUPIR EL FLUJO DE AGUA POR MANTENIMIENTO DEL FILTRO O DEL MEDIDOR.
Figura 7.28 Montaje típico de un medidor de flujo tipo propela o hélice en agua de agua clara 7.3.3.6 Método de selección Para poder Iniciar la metodología de selección de un medidor tipo propela se deben conocer los siguientes datos: a) Servicio Contínuo, Intermitente, etc. Tipo de fluido* Flujo máximo, normal, mínimo Densidad relativa* Presión máximal normal Temperatura máxima/normal Diámetro de la tubería Cédula Tipo de instalación (Horizontal o vertical)
Q, (G) (Pmáx/Pnor) (Tmáx/Tnor) (D)
GPM Adimensional Kg/cm2 psi C, F mm, plq
* Se pueden omitir estos datos si el servicio es agua clara o limpia.
b) Definido el servicio, las condiciones de operación (presión y temperatura) y con la tabla 7.21 se selecciona el medidor, para el cual el gasto máximo debe estar al 80 % del máximo continuo.
273
c) Con el tamaño seleccionado y la tabla 7.22 se conoce la caída de presión en el medidor. d) Y finalmente con la figura 7.22 se pueden conocer las dimensiones y la masa del medidor. 7.3.3.7 Ejemplo de aplicación Se requiere medir el flujo de agua potable a la descarga de bombas de transferencia (servicio continuo). Flujo máximo 55,000 L/min, 1453 GPM Flujo normal 5000 L/min, 1321 GPM Densidad relativa 1 Temperatura máxima = 25 C, 77 F Normal= 22 C, 72 F Presión máxima= 8 Kg/cm2114 psi (0,78 MPa) Normal= 5 Kg/cm2 ,71 psi (0,49 MPa) 3
1
5
4
2 10 d
7
6
8
12
9
10
6
11
6 5 d
1.- CODO DE 90 ° (ROSCADO O BRIDADO) O CABEZAL DE DESCARGADO 2.- TUBO DE ACERO 3.- VÁLVULA DE EXPULSIÓN DE AIRE 4. JUNTA DRESSER 5.- MANÓMETRO 6.- CARRETE EXTREMIDAD 7.- MEDIDOR DE GASTO 8.- VÁLVULA CHECK 9.- "T" CON REDUCCIÓN 10.- VÁLVULA DE COMPUERTA O VÁLVULA DE MARIPOSA 11.- CODO DE 45 ° 12.- VÁLVULA ALIVIADORA DE PRESIÓN CONTRA GOLPE DE ARIETE
Figura 7.29 Instalación típica de un medidor de flujo tipo propela o hélice en la descarga de los pozos Tipo de conexión 150 # R.F. Diámetro de la tubería (nominal/interno) 254 mm (10") 1257 mm (10, 13") Instalación: Arreglo de tubería horizontal
274
Con el valor de flujo máximo a medir y con la tabla 7.21, se selecciona un medidor con diámetro nominal de 6" (152 mm), cuyo flujo máximo continuo es de 1761 GPM (6666 l/min), donde: 1453 sería el 82,5 % de 1761 por lo que es aceptable el medidor. Con la tabla 7.22 obtenemos que la caída de presión para un medidor de 6" es kg/cm2 (0,015 Mpa) (2,18 psi).
0,153
Las dimensiones y masa se muestran en la figura 7.22 mientras que los materiales de construcción se pueden seleccionar en la tabla 7.23. 7.3.3.8 Referencias Norma AWWA (American Water Works Association) No. C704-92 "Propeller-Type Meters for Waterworks Applications” Catálogo: Design Specifications DS-3300 A, Brooks Instruments, January 1994
7.3.4 Tipo Ultrasónico 7.3.4.1 Principio de funcionamiento Los medidores de flujo tipo ultrasónico miden el caudal por diferencia de velocidades del sonido al propagarse éste, en el sentido del flujo del fluido, los sensores deben estar situados en una tubería en la que se conocen el área y el perfil de velocidades. (Ver figura 7.301). En uno de los modelos más sencillos la velocidad del fluido está determinada por la siguiente fórmula. C 2 tan V= 2D
t
(7.15)
En la que: V : Velocidad del fluido. C : Velocidad del sonido en el fluido. : Ángulo de haz del sonido con relación al eje longitudinal de la tubería. D : Diámetro interior de la tubería. t: Diferencia entre los tiempos transiente del sonido aguas arriba y aguas abajo del fluido.
Como con la mayoría de los medidores de tipo ultrasónico requieren que las tuberías se encuentren llenas de agua para operar satisfactoriamente, su precisión varía entre ± 1 % a 3% para los de tiempo transiente y para los de efecto Doppler entre ± 2% a 5%, del rango del flujo medido. Algunos fabricantes especifican la distancia mínima requerida
275
para la instalación a partir de válvulas, tees, codos, bombas, etc., para asegurar una mejor precisión en la medición. TRANSDUCTOR V D TRANSDUCTOR
Figura 7.30 Medición de caudal por ultrasonido 7.3.4.2 Clasificación y descripción Los medidores de flujo tipo ultrasónico se dividen de acuerdo al método en que se basan en: - Tiempo Transiente - Efecto Doppler A su vez éstos se clasifican de acuerdo a su utilización en: - Fijos - Portátiles De estos últimos, el fijo se utiliza para obtener mediciones permanentes y los segundos, para mediciones temporales. 7.3.4.2.1 Tipo tiempo transiente Este tipo de medidor consta de dos transductores piezoeléctricos montados en su forma más común en un carrete de tubería (ver figura 7.31) o bien pueden ser suministrados para montarse por fuera de tubería ya existente, ver figura 7.32. Un transductor inyecta una onda de presión ultrasónica y esta onda es reflejada por las discontinuidades (sólidos o vórtices) que el flujo contenga, siendo la onda recibida en un segundo transductor piezoeléctrico, invirtiendo el proceso de emisión y recepción se calcula la diferencia en tiempo de un pulso para propagarse corriente aguas arriba y aguas abajo, permaneciendo este valor proporcional a la velocidad promedio del fluido.
276
Figura 7.31 Medidor de flujo tipo tiempo en transito
277
Figura 7.32 Medidor de flujo ultrasónico, tipo tiempo en tránsito (tipo abrazadera) 7.3.4.2.2 Tipo efecto Doppler Los medidores de flujo tipo efecto Doppler constan de un elemento emisor de ultrasonido y un receptor o detector de cristal piezoeléctrico, también conocido como transductor, que se monta en el exterior de la tubería. El transductor inyecta una onda de presión ultrasónica y esta onda es reflejada por los sólidos o discontinuidades que el flujo contenga por ejemplo burbujas, la onda es recibida en un segundo transductor y la diferencia de frecuencia entre las dos ondas es determinada en la electrónica del aparato, de donde por la proporcionalidad existente entre la diferencia de frecuencia, velocidad de la superficie reflejada y flujo volumétrico es posible que el instrumento obtenga la señal de éste último y la envíe al exterior mediante un transmisor para su indicación local o remota. Ver figura 7.33.
278
RECEPTOR
ONDAS ULTRASÓNICAS
PARTÍCULAS O BURBUJAS
V
EMISOR DE ONDAS ULTRASÓNICAS
Figura 7.33 Medidor de flujo ultrasónico tipo Doppler La diferencia básica que existe entre éste y el de tiempo tipo transiente, es que en los de efecto Doppler las ondas sónicas se proyectan a lo largo del flujo y se mide el corrimiento de frecuencia que experimenta la señal de retorno al reflejarse el sonido en partículas contenidas en el fluido, y el de tipo transiente la señal acústica va del emisor al receptor sin ser reflejada por el material que lleva el agua en suspensión. Debido a lo anterior, el medidor ultrasónico de tipo transiente es únicamente utilizable en aguas limpias o con bajo contenido de sólidos en suspensión. En cambio el de efecto Doppler, sólo puede usarse en aguas que contengan sólidos en suspensión (del 0.2 % al 60 % dependiendo del tamaño de partícula). 7.3.4.3 Materiales de construcción La aplicación y selección de un buen diseño del medidor de flujo tipo ultrasónico, depende de la observación de consideraciones tanto para el lugar donde se instala el medidor como el medidor mismo, indicándose las principales a continuación: - En este tipo de medidores la velocidad del agua es un parámetro a considerar, normalmente debe estar dentro de los siguientes rangos: - Para los de tiempo transiente: De 0.1 pies/s a 100 pies/s (30 mm/s a 30 m/s). - Para los de efecto Doppler: De 0.2 pies/s a 60 pies/s (60 mm/s a 18 m/s). - La mayor absorción o reflexión de energía acústica del material de la tubería corresponde a la mayor pérdida de señal a través de la tubería, se recomienda para tuberías los siguientes materiales: Acero, hierro fundido, PVC y recubrimiento epóxico para tubería metálica. - Los materiales no recomendados para tuberías donde serán montados este tipo de medidores son: Cemento y recubrimientos de cerámica, tuberías viejas de hierro fundido las cuales sufren una reducción en su diámetro interno debido a corrosión e incrustaciones y debido a ésto causan errores en la medición. - Los materiales de construcción estándar para este tipo de instrumentos son los siguientes: a) Cajas. Normalmente cada transductor es alojado en una caja de acero inoxidable 316 ó aluminio y protegido herméticamente con recubrimiento epóxico; el cinturón mordaza que ajusta al tubo los transductores son también de acero inoxidable 316. 279
b) Sensores. Son de cristal piezoeléctrico. c) Indicadores/transmisores. Se utilizan electrónicos digitales con un número de dígitos de acuerdo al caudal de agua a medir. Generalmente el mismo estuche o caja que aloja al indicador es el que contiene al transmisor, en cuyo interior se encuentran los circuitos electrónicos incluyendo lógica electrónica a base de microprocesadores. 7.3.4.4 Criterios de instalación - Se debe evitar exponer al instrumento a altas vibraciones mecánicas por lo que se recomienda colocar este instrumento lejos de válvulas, placas de orificio, secciones de tubería de diámetros reducidos y bombas. - En cuanto a su posición en la tubería, la instalación puede efectuarse en forma inclinada o vertical, sin embargo de preferencia debe instalarse en el eje horizontal de la tubería. - Para la instalación del medidor se requiere una distancia mínima de 20 y 10 diámetros aguas arriba y aguas abajo respectivamente de cualquier pieza especial (codos, reducciones, etc.). - Se recomienda que cuando los transductores sean instalados sobre tubería en posición horizontal, no se coloquen arriba o abajo de ella, sino a los lados. Para el caso de transductores instalados sobre tuberías en posición vertical no importa como se coloquen. - La instalación típica para los medidores de flujo tipo tiempo transiente y efecto Doppler se muestra en las figuras 7.34 y 7.35 respectivamente. 7.3.4.5 Ventajas y desventajas Tanto las ventajas como las desventajas para los medidores de flujo tipo tiempo transiente y efecto Doppler son muy similares (salvo algunas excepciones que son claramente indicadas), por lo que se indican en forma conjunta: Ventajas: - Fácil de instalar. - No tiene partes en contacto con el fluido. - Para diámetros desde 1/8" hasta 72". - Se utiliza para agua sucia (efecto Doppler). Desventajas: - Costo relativamente alto. - Su funcionamiento depende en gran parte del contenido uniforme de los sólidos en suspensión. - Se debe revisar con frecuencia. - Para instalarlos en tuberías existentes o viejas se deben tener todos los datos necesarios para no ocasionar errores en la medición.
280
7.3.4.6 Método de cálculo o selección En el caso de los medidores de flujo tipo ultrasónicos todavía no se tiene una metodología de cálculo, por lo que el usuario simplemente debe determinar el valor volumétrico máximo, verificar que el instrumento cumpla con la exactitud requerida, materiales de fabricación, el suministro de energía, la señal de salida y el tipo de encapsulado para los componentes electrónicos.
Figura 7.34 Instalación típica de un medidor de flujo tipo tiempo transiente
281
Figura 7.35 Instalación típica del medidor de flujo tipo Doppler Los datos requeridos son los siguientes: Flujo máximo (Qmáx), GPM Flujo normal (Qnor), GPM Presión máxima Pa (kg/cm²), (psig) Presión normal Pa (kg/cm²,) (psig) Temperatura máx/nor, °C , °F Diámetro nominal de la tubería (D) (mm) (plg) Diámetro interno (Di) (mm) (plg) Tipo de fluido 7.3.4.7 Ejemplos de aplicación a) Se requiere medir el flujo en una tubería presurizada de transferencia de agua residual, en descarga de bombas. Datos: 2 Presión máxima (Presión de cierre dada por el fabricante de la bomba):6.5 kg/cm (92 psig) Presión normal:0.49MPa (5.0 kg/cm2 )(71 psig) Temperatura máxima:25 °C, (77 °F)
282
Temperatura mínima: 20 °C, (68 °F) Flujo máximo (Qmáx): 240 GPM Flujo normal (Qnor): 200 GPM Velocidad (Vnor): 0.3 m/s, (1 pie/s) Diámetro nominal de tubería (D): 254.5 mm (10 ") Diámetro interior (Di): 254.0 mm (10.02 ") Tipo de fluido: Agua residual, contenido de sólidos menor al 1 % Selección Con los datos anteriores se especifica y selecciona lo siguiente: Un medidor de flujo ultrasónico tipo tiempo transiente para medir agua residual con las características anteriormente listadas. Los transductores deberán de ser de cristal piezoeléctrico, montados en un carrete de tubería conexión a proceso 150 lbs R.F. Los transductores deberán estar protegidos herméticamente (encapsulados) contra entrada de humedad, deberán tener recubrimiento epóxico. Con señal de salida de 4 - 20 mA, el suministro de energía eléctrica 115 VCA, 60 Hz o 24 VCD. El indicador deberá tener un desplegado de cristal líquido con línea de 8 caracteres, adecuado para montaje en pedestal a prueba de agua e intemperie. b) Se requiere medir el flujo en una tubería presurizada de agua residual con 5 % de contenido de sólidos. Datos: Iguales al anterior pero con 5 % de sólidos en suspensión. Selección Con los datos anteriores se especifica y selecciona lo siguiente: Un medidor de flujo ultrasónico tipo efecto Doppler para medir agua residual con el 5 % de sólidos en suspensión, con dos transductores de cristal piezoeléctrico protegidos herméticamente (encapsulados) contra humedad en cajas de aluminio o resina epóxica. El montaje será tipo abrazadera ajustable de acero inoxidable 316. Con señal de salida de 4 - 20 mA, suministro eléctrico de 115 VCA, 60 Hz o 24 VCD. El indicador deberá tener un desplegado de cristal líquido con indicación de 8 caracteres e indicación del estado de la batería, adecuado para montaje en pedestal a prueba de agua e intemperie.
283
7.3.4.8 Referencias. - Instrument Engineers Handbook. Lipták G., Belá Chilton Book Company, Revised Edition. - Instrumentación Industrial. Creus S., Antonio Ed. Marcombo, 1989. - Catálogo de fabricante TN Technologies Inc. - Catálogo Model EM68 Energy Flowmeter, Panametrics. 7.3.5 Tipo magnético 7.3.5.1 Principio de funcionamiento El funcionamiento de este tipo de medidor se basa en la ley de Faraday de la inducción electromagnética, la cual establece que "El voltaje inducido sobre cualquier conductor que se mueve en ángulo recto en un campo magnético, es proporcional a la velocidad relativa entre el conductor y el campo"; siendo en este caso, el conductor, el líquido que fluye a través de un tramo de tubo sujeto a un campo magnético (Fig. 7.3.5-1) por lo que se produce en dicho líquido, un voltaje que es proporcional a la velocidad de flujo y a la intensidad del campo.
Figura 7.36 Esquema del medidor de flujo tipo magnético
284
De acuerdo con este principio, el medidor de flujo magnético se compone de dos partes principales: a) El elemento sensor (tubo y electrodo de medición).- El cual está en contacto directo con el fluido de proceso. b) El acondicionador de señal (transmisor electrónico).- Que convierte el voltaje inducido y detectado en los electrodos del sensor, a una señal eléctrica en pulsos o en corriente de 4-20mA C.D., que se envían a un indicador digital instalado en campo o a uno remoto (Por ejemplo: en un cuarto de control). En las figuras 7.37 y 7.3.5-3 se muestran algunos detalles de construcción de este tipo de medidor. TABLILLA DE TERMINALES
TERMINALES DE INTERCONEXIÓN TERMINALES DE CALIBRACIÓN
AISLANTE INTERIOR
BOBINAS MAGNÉTICAS TUBO DE MEDICIÓN
NÚCLEO LAMINADO
ELECTRODO DE MEDICIÓN
Figura 7.37 Componentes del medidor de flujo tipo magnético
Figura 7.38 Corte con detalles interiores amplificados de un medidor de flujo tipo magnético compacto
285
7.3.5.2 Tamaño y capacidad estándar Los tamaños nominales de los medidores de flujo tipo magnético, están determinados por el tamaño de la línea en la cual se instalarán. Cada fabricante de este tipo de medidores tiene sus propios tamaños. En las figuras 7.39 y 7.40 se muestran las dimensiones para medidores en tamaños de 0.15" a 54" de diámetro para el fabricante de referencia. TAMAÑO DEL TAMAÑO DE A B C MEDIDOR LA BRIDA Plg mm Plg mm Plg mm Plg mm Plg 0.15 4 0.30 8 1/2 15 8 - 11/16 221 10 - 1/8 257 3 - 9/16 1/2 15 1 25 1 25 9 229 10 - 3/4 273 4 - 1/2 1 - 1/2 40 1 - 1/2 40 9 229 10 - 1/2 267 3 - 1/4 2 50 2 50 9 - 5/16 237 11 - 1/8 283 3 - 7/8 3 76 3 76 9 - 15/16 252 12 - 1/2 318 5 - 1/8 4 102 4 102 10 - 5/8 270 13 - 7/8 352 6 - 1/2 6 152 6 152 11-11/16 297 15-13/16 402 8 - 9/16 8 203 8 203 12 - 3/4 324 18 457 10-11/16
D mm
Plg
mm
90
2 - 1/8
54
114 2 - 1/8 83 2 - 3/4 98 3 - 1/4 130 4 - 11/16 165 5 - 7/8 218 6 - 7/8 272 8 - 7/8
54 70 83 119 149 175 225
ALIM. ELÉCTRICA PURGA DE AIRE CONEXIÓN AMBOS LADOS
6 1/4" (159 mm)
3/4" N.P.T.
CONDUIT
2 5/8" 1 7/8" (67 mm)
8 1/16" (205 mm)
(48 mm)
1/4" N.P.T.
Conexión a tierra
A
A B B
3/4" N.P.T.
C
D
Conduit Señal de salida
0.15" - 1"
C
D
1 1/2" - 8"
Figura 7.39 Dimensiones para medidores de 0.15" a 8" con Electrónica integral y conexión entre bridas
286
8" (203 mm)
8 1/16"
ESPACIO MÍNIMO REQUERIDO
6 1/4" (159 mm)
(205 mm)
6 1/4" (159 mm)
4 1/2" (114 mm)
CONEXIÓN PURGA DE AIRE
H
(AMBOS LADOS) D
BRIDAS
B A
C
+/- 1/8" +/- 3 mm
NOTA: AGREGAR 1/8" A "A" POR CADA ANILLO U ORIFICIO PROTECTOR (NO MOSTRADO)
( A ) DE 10" A 30" CON BRIDAS 150 Y 300 lbs. ANSI.
8 1/16"
8" (203 mm)
6 1/4"
(205 mm)
(159 mm) 6 1/4" (159 mm)
4 1/2" (114 mm)
H
B A
G
+/- 1/8" +/- 3mm
C
( B ) DE 36" A 54" CON BRIDAS 150 lbs. ANSI. Figura 7.40 Dimensiones para medidores de flujo tipo Electromagnético de 10" a 54" (cont.)
287
Tamaño medidor
10" 150 lbs. 10" 300 lbs. 12" 150 lbs. 12" 300 lbs. 14" 150 lbs. 14" 300 lbs 16" 150 lbs. 16" 300 lbs. 18" 150 lbs. 20" 150 lbs. 24" 150 lbs. 30" 150 lbs. 36" - 150 lbs.
plg
Recubi erto
mm
c/teflón
plg mm plg mm plg mm plg mm plg mm plg mm plg mm plg mm plg mm plg mm plg mm plg mm
19-1/4 489 20-5/8 524 21 533 22-3/8 568 22-1/4 565 23-3/4 603 24-3/8 619 25-7/8 657 26-1/2 673 27-1/8 689 30-3/8 772 37-5/8 956
plg
mm 42" - 150 plg lbs. mm 48" - 150 plg lbs. mm 54" - 150 plg lbs. mm
*
**
**
**
A Recubi erto c/hule neopre no 19 483 20-3/8 518 20-3/4 527 22-1/8 562 21-7/8 556 23-3/8 594 24 610 25-1/2 648 26-1/4 667 26-3/4 679 30 762 37-1/4 942
Recubiert o
B
C
D
G
H
19-1/8 486 20-1/2 521 20-7/8 530 22-1/4 565 22 559 23-1/2 597 24-1/8 613 25-5/8 651 26-1/4 667 26-3/4 679 30 762 37-1/2 952
12-1/4 311 12-1/4 311 13-1/2 343 13-1/2 343 14-7/16 367 14-7/16 367 16-5/16 414 16-5/16 414 17-7/8 454 18-1/4 464 21-3/4 552 26-3/4 679
18 457 18 457 20 508 20 508 21-1/4 540 21-1/4 540 23-1/4 591 23-1/4 591 25-1/4 641 27-1/4 692 31-1/4 794 37-3/4 959
8 203 8-3/4 222 9-1/2 343 10-1/4 260 10-1/2 267 11-1/2 292 11-3/4 298 12-3/4 324 12-1/2 318 13-3/4 349 16 406 19-3/8 492
13-5/16 338 13-5/16 338 14-5/16 364 14-5/16 364 14-15/16 379 14-5/16 379 15-15/16 405 15-15/16 405 16-31/32 431 17-31/32 456 20 508 23-1/4 591
16 406 17-1/2 445 19 483 20-1/2 521 21 533 23 584 23-1/2 597 25-1/2 648 25 635 27-1/2 699 32 813 38-3/4 984
40-3/4
41
29-3/4
45
----
22-1/2
46
1035
1041
756
1143
----
559
1158
47-3/4
48
34
53
----
26-1/2
53
1213
1219
864
1346
----
673
1346
51
51-1/4
37-1/2
60
----
30
59-1/2
1295
1302
953
1524
----
762
1511
57-3/4
58
43-5/8
64
----
32
66-1/4
1467
1473
1108
1626
----
813
1683
c/polyuret ano
* Se debe consultar al proveedor. ** No disponible.
Figura 7.41 Dimensiones para medidores de flujo electromagnético de 10" a 54" (continuación)
288
7.3.5.3 Materiales de construcción Los materiales mencionados a continuación son los típicos y sus porcentajes de aleación están sujetos a las tolerancias aceptadas comercialmente Para tubo de medición fabricados de acero inoxidable 304 a) Electrodos: De acuerdo a la tabla 7.3.5-4 b) Cajas o cuerpo: Construidas de hierro fundido c) Bridas: De acero inoxidable 316 o acero al carbón d) Tornillos y tuercas: Acero al carbón e) Recubrimiento: Normalmente teflón y neopreno, el interno: poliuretano se utiliza cuando el agua contiene sólidos abrasivos en suspensión TAMAÑO DEL TAMAÑO DE MEDIDOR LA BRIDA Plg mm Plg mm 0.15 4 0.30 8 1/2 15 1/2 15 1 25 1 25 1 - 1/2 40 1 - 1/2 40 2 50 2 50 3 76 3 76 4 102 4 102 6 152 6 152 8 203 8 203
A Plg
B mm
8 - 11/16 221 9 9 9 - 5/16 9 - 15/16 10 - 5/8 11-11/16 12 - 3/4
C
D
Plg
mm
Plg
mm
Plg
mm
10 - 1/8
257
3 - 9/16
90
2 - 1/8
54
229 10 - 3/4 273 4 - 1/2 229 10 - 1/2 267 3 - 1/4 237 11 - 1/8 283 3 - 7/8 252 12 - 1/2 318 5 - 1/8 270 13 - 7/8 352 6 - 1/2 297 15-13/16 402 8 - 9/16 324 18 457 10-11/16
114 2 - 1/8 83 2 - 3/4 98 3 - 1/4 130 4 - 11/16 165 5 - 7/8 218 6 - 7/8 272 8 - 7/8
54 70 83 119 149 175 225
ALIM. ELÉCTRICA PURGA DE AIRE CONEXIÓN AMBOS LADOS
6 1/4" (159 mm)
3/4" N.P.T.
CONDUIT
2 5/8" 1 7/8" (67 mm)
8 1/16" (205 mm)
(48 mm)
1/4" N.P.T.
Conexión a tierra
A
A B B
3/4" N.P.T.
C
D
Conduit Señal de salida
0.15" - 1"
C
D
1 1/2" - 8"
Figura 7.42 Dimensiones para medidores de 0.15" a 8" con electrónica integral y conexión entre bridas
289
7.3.5.4 Criterios de instalación - Los medidores de flujo tipo magnético se utilizan en líneas horizontales, verticales o inclinadas, con la condición de que en cualquier caso, se mantengan completamente llenas del fluido que se esté midiendo. - Al instalar el medidor es importante considerar su localización. Los campos electromagnéticos de alta intensidad pueden perturbar su operación normal. Por esta razón, es preferible localizarlos lejos de motores eléctricos grandes, transformadores, equipos de comunicación, etc., hasta donde sea posible. - Para obtener buenos resultados, se debe tener cuando menos una longitud de tubería recta (sin accesorios y/o conexiones) de 10 diámetros corriente arriba de su punto de conexión de entrada y cuando menos 5 diámetros de su punto de conexión de salida. 7.3.5.5 Ventajas y desventajas Ventajas: - No provoca caída de presión, ya que no tiene partes que obstruyan el flujo. - Por su diseño pueden ser utilizados para líquidos con sólidos en suspensión (aguas residuales), así como para substancias pastosas (aguas negras y Iodos), en este tipo de servicios se debe tener cuidado tanto en la selección del material (que sea el apropiado para las propiedades corrosivas y erosivas del fluido) como en la velocidad del fluido, ya que para fluidos corrosivos la velocidad máxima es de aproximadamente 2 m/s y para fluidos pastosos la velocidad mínima debe ser arriba de 2 m/s. - Mayor confiabilidad porque no tiene partes movibles - Instalación en líneas horizontales o verticales - Bajo consumo eléctrico - Se utiliza para medir el flujo de cualquier líquido conductivo, con un mínimo de 0.1 microohms de conductividad (por ejemplo: agua potable y tratada). - El electrodo puede ser reemplazable en campo - Puede medir en ambas direcciones Desventajas: - Sólo funciona para medir fluidos eléctricamente conductivos - Son relativamente pesados, sobre todo en tamaños grandes - mayores a 6" (152 mm) de diámetro) - El precio de estos medidores va de moderado a caro - Requiere de mantenimiento continuo para servicio de agua con alto contenido de grasa 7.3.5.6 Selección - Para especificar un medidor (transmisor) de flujo tipo magnético, se deben conocer los siguientes datos:
290
Tipo de fluido Flujo máximo (QMáx) L/min, Gal/min Flujo normal (Gnor) L/min, Gal/min Presión máxima (Prnáx) kg /cm2, psi, Pa Presión normal (Pnor) kg/cm2, psi, Pa Temperatura máxima (Tmáx) C, F Temperatura normal (Tnor), C, F Valor de la conductividad, micromhos (microsiemens) Velocidad (V), m/s, pies/s Diámetro de la tubería (D), mm, plg Tipo de instalación, Horizontal o vertical - Con el flujo y la tabla 7.24 se selecciona el tamaño del medidor. - Con la presión máxima de operación, la temperatura y las tablas 7.25 y 7.26 se selecciona el recubrimiento interior más apropiado. - Con la tabla 7.27 se selecciona el tipo de electrodo y el material. Algunas consideraciones se deberán tomar en cuenta al seleccionar el tamaño del medidor, por ejemplo: a) Si el fluido es erosivo, se seleccionará considerando una baja velocidad para evitar desgaste del interior. b) Si el fluido es limpio, se puede seleccionar de un tamaño menor al de la tubería, de esta forma aumenta la velocidad en el medidor y mejora la señal (el voltaje inducido en los electrodos).
291
Tabla 7.24 Capacidades de flujo FACTORES DE CONVERSIÓN VELOCIDAD A FLUJO (VALORES APROXIMADOS, LOS VALORES REALES DEPENDEN DEL FACTOR K DEL MEDIDOR * ) Tamaño de Medidor
Flujo en GPM Velocidad en pies/s 1.0 10 Bajo flujo pies/s pies/s de corte
Flujo en GPM Velocidad en m/s 1.0 10 Bajo flujo m/s m/s de corte
1/2"
0.61
6.1
0.004
2
20
0.05
Guía Flujo @ 6 pies/s 4
1"
2.1
21
0.05
7
70
0.16
13
1 - 1/2"
6.4
64
0.15
21
210
0.48
38
2"
9.8
98
0.22
34
340
0.78
62
3"
26
260
0.60
85
850
2.0
156
4"
44
440
1.0
145
1450
3.3
266
6"
99
990
2.3
325
3250
7.5
593
8"
170
1700
4
557
5570
12
1018
10"
266
2660
6
875
8750
20
1594
12"
376
3760
9
1233
12330
28
2354
14"
454
4540
10
1490
14900
34
2726
16"
597
5970
14
1960
19600
45
3585
18"
760
7600
18
2495
24950
57
4562
20"
937
9370
22
3074
30740
71
5621
24"
1352
13520
31
4435
44350
102
8111
30"
2112
21121
49
6930
69300
159
12675
36"
3106
31060
71
10190
101900
234
18641
42"
4215
42150
97
13830
138300
318
25296
48"
5523
55227
127
18120
181200
417
33138
54"
6845
68445
157
22450
224500
516
41070
* EL FACTOR K DE CADA MEDIDOR SE ENCUENTRA ESTAMPADO EN UNA PLACA DE ACERO INOXIDABLE ADHERIDA PERMANENTEMENTE EN LA CAJA DE LA BOBINA DEL MISMO 292
Tabla 7.25 Límites de presión (medidores con construcción estándar ANSI) Tamaño del medidor
Bridas (Lbs.)
1/2" a 2" 3"
150 300 150 300 150 300 150 300 150 300 150 300 150 300 150 300 150 300 150 150 150 150 150* 150* 150* 150*
4" 6" 8" 10" 12" 14" 16" 18" 20" 24" 30" 36" 42" 48" 54"
Para todos Recubrimiento Recubrimiento Recubrimiento Prueba los de teflón de Neopreno de Poliuretano hidróstatica recubrimientos (psi @ 185 ºF) (psi @ 185ºF) (psi @ 150ºF) (psi) (psi @100ºF) 285 230 260 270 450 740 655 685 705 1125 285 230 260 270 450 740 655 685 705 1125 285 230 260 270 450 740 655 685 705 1125 285 230 260 270 450 740 655 685 705 1125 285 230 260 270 450 740 655 685 705 1125 285 230 260 270 450 740 655 685 705 1125 285 230 260 270 450 740 655 685 705 1125 285 230 260 270 450 740 655 685 705 1125 285 230 260 270 450 740 655 685 705 1125 285 230 260 270 450 285 230 260 270 450 285 230 260 270 450 150 150 150 150 225 150 150 150 225 150 150 150 225 150 150 150 225 150 150 150 225
* AWWA Bridas clase D cara plana.
Tabla 7.26 Máxima presión y temperatura de trabajo Materiales del Recubrimiento
Teflón
Neopreno Poliuretano Especial (1)
Características del Recubrimiento
Resistente a productos químicos Resistente a la abrasión Resistente a la abrasión Consultar al proveedor
Presión en (Bridas de
psig (Kpa) 150 # )
A 100ºF (38ºC) 285 psi (1964 Kpa)
A Temp. Máx. 230 psi (1585 Kpa)
300 ºF (149ºC)
285 psi (1964 Kpa) 285 psi (1964 Kpa) Consultar al proveedor
260 psi (1791 Kpa) 270 psi (1863 Kpa) Consultar al proveedor
185ºF (85 ºC) 185ºF (85ºC) Consultar al proveedor
(1) Consultar al proveedor para la disponibilidad de otros materiales. (2) El limite de temperatura puede variar dependiendo del líquido a medir.
293
Máxima Temperatura del líquido (2)
Tabla 7.27 Material y tipo del electrodo No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tipo de electrodo No reemplazable en campo No reemplazable en campo No reemplazable en campo No reemplazable en campo No reemplazable en campo No reemplazable en campo No reemplazable en campo Reemplazable en campo Reemplazable en campo Reemplazable en campo
Material Acero inoxidable 316 Alloy 25 Monel Platino con 10% de iridio Tantalio Titanio Hastelloy ""c" 276 Acero inoxidable 316 Acero inoxidable 316 Hostelloy "c" 276
7.3.5.7 Ejemplo de aplicación Se requiere medir el flujo en una línea de agua clara con rastros de arena en servicio intermitente. Datos: Instalación del instrumento: Horizontal Velocidad de flujo: 2,0 m/s Diámetro de tubería nominal: 254 mm (10") Tipo de conexión: Bridas 150 psi (1,03 MPa) Flujo máximo: 6000 L/min (1585 Gal/min) Flujo normal: 5000 L/min (1321 Gal/min) Temperatura del agua Normal/máxima: 25 C/28 C, 77 F/82 F Presión máxima:10kg/cm2(0.98MPa) 142 psi Selección: - Con el valor del flujo máximo y la tabla 7.24 se selecciona el medidor De la tabla se tiene lo siguiente: Tamaño del medidor = 10 “ (254 mm) Flujo en GPM a una velocidad de 10 m/s = 8750 GPM (33 123 Ipm) Por lo que a 2 m/s se tendría: 1750 Gal/min (6625 L/min) Para el flujo normal: 1321 Gal/min (5000 L/min) < 1750 Gal/min (6625 L/min) Si consideramos el flujo máximo de operación tendríamos: 1585 Gal/min (6 000 L/min) < 1750 Gal/min (6 625 L/min) Por lo que un medidor de 10 u (254 mm) de diámetro es el adecuado. Con la temperatura máxima, presión máxima y las tablas 7.25 y 7.26 se selecciona el material del recubrimiento interior.
294
Como no se exceden los límites de presión y temperatura para ninguno de los recubrimientos se selecciona con recubrimiento de: poliuretano (por ser resistente a la abrasión). En las Figuras 7.40 y 7.41 encontramos las dimensiones siguientes: A= Con recubrimiento de poliuretano 486 mm (19 - 118 “) B= 311 mm (12 – 1/4 “) C= 457 mm (18”) D= 203 mm (8 “) G = 338 mm (13 – 5/16”) H= 406 mm (16”) Materiales: Del inciso 7.3.5.3 para tubo de medición fabricado en acero inoxidable 304, tenemos: Caja o cuerpo: Hierro fundido Bridas: Acero al carbón Tornillos y tuercas: Acero al carbón Alimentación eléctrica: 24 VCD Señal de salida: 4 - 20 mA De la tabla 7.42 se selecciona el electrodo de acero inoxidable 316 reemplazable en campo. 7.3.5.8 Referencias Instrument Engineers Handbook. Lipták G., Belá Chilton Book Company, Revised Edition Catálogo: Electromagnetic Flowmeter, Mag - 7500 Brooks Instrument. 7.4 INDICADORES DE NIVEL Clasificación El nivel de líquidos es una variable de gran importancia en los sistemas de agua potable y alcantarillado, ya que el tener un buen control de nivel en recipientes y pozos, evita tanto el posible derramamiento de líquidos como garantiza la protección de las bombas centrífugas por bajo nivel. Los mecanismos para la indicación, registro y/o control automático de ésta variable varían desde los simples indicadores visuales hasta los instrumentos locales o de lectura remota. El nivel de líquidos se puede medir por dos métodos:
295
Los métodos directos de medición de nivel se efectúan comparando directamente la altura del nivel con un plano de referencia, son los más sencillos y se pueden catalogar como auxiliares de los indirectos. Los métodos indirectos se efectúan tomando como base ciertas características del líquido a medir, por ejemplo la densidad, capacitancia, etc.
296
7.4.1 Tipo regleta 7.4.1.1 Principio de funcionamiento El principio de funcionamiento de este tipo de medidor/indicador local de nivel, se basa en la apreciación visual directa de las variaciones del nivel, indicadas sobre una regleta graduada en unidades de longitud (metros, pies, etc.), la cual es sumergida en el recipiente o depósito de agua, cuyo nivel se desea medir. Los medidores / indicadores de nivel tipo regleta se clasifican en regleta fija y regleta móvil: Regleta fija: Se instala en forma permanente dentro del recipiente, ver figura. 7.43, se utiliza cuando se requiere una indicación permanente y si se tiene fácil acceso visual al interior del recipiente. Regleta móvil: Se utiliza para conocer el nivel en pruebas, para chequeos de nivel ocasionales o temporales. Tiene un alcance de medición corto (hasta 5 metros) y no es de uso muy común. Ver figura 7.43. REGLETA FIJA
REGLETA MOVIL
SOPORTES
Figura 7.43 Indicadores locales de nivel tipo regleta 7.4.1.2 Tamaños y rangos estándar Por ser un instrumento sencillo, versátil y de fácil manufactura, los rangos y tamaños no están estandarizados. Los fabricantes los proporcionan ajustándose a los requerimientos del cliente y de acuerdo a las condiciones de operación. 7.4.1.3 Materiales de construcción La mayoría de los fabricantes disponen de los siguientes materiales para los componentes.
Regleta. Para instalaciones en áreas cubiertas y en servicio de agua clara se fabrican de madera "Redwood". Para instalaciones a la intemperie se fabrican en aluminio. Soportes: De fierro galvanizado 7.4.1.4 Criterios de instalación - Deben ser instalados en forma permanente en aquellos recipientes que proporcionen fácil acceso visual a su interior. - La regleta debe ser solicitada con soportes de fierro galvanizado para soldarse a la pared del tanque o a las preparaciones, en caso de tanques de concreto. - Se recomienda instalarlas en recipientes para servicio de agua clara. 7.4.1.5 Ventajas y desventajas Ventajas: - Bajo costo inicial y de mantenimiento. - No requieren ningún tipo de energía (eléctrica o neumática). - Se pueden instalar en áreas cubiertas o a la intemperie. - Indicación directa de nivel. Desventajas: - No es recomendable este tipo de indicador en caso de recipientes con difícil acceso visual a su interior. - No son recomendados para usarse en aguas residuales, debido a incrustaciones y ataque químico a que quedan sometidos. 7.4.1.6 Selección del rango Para seleccionar el rango de la escala del medidor de nivel tipo regleta, se deben conocer los niveles máximo y mínimo que se desean medir, así como el lugar donde será instalado, ya sea a la intemperie o en un área cubierta. También se deben elegir las unidades en las que deberán estar las divisiones de la escala de la regleta, normalmente se utilizan decímetros por su visibilidad a distancia y facilidad de transformación a metros. En base a esta información, se selecciona un medidor como se ilustra en el siguiente ejemplo: 7.4.1.7 Ejemplo de aplicación Se requiere medir el nivel de agua clara en un cárcamo Servicio: Indicación local de nivel en cárcamo de agua clara. Profundidad de cárcamo: 6,0 m Nivel máximo de operación: 5,0 m desde el fondo (Nivel 0) Área de localización: Intemperie
299
Selección: Para solicitar un indicador de nivel tipo regleta, únicamente se debe indicar la siguiente información: Longitud total de la regleta: 6,0 m Rango: 0 - 5,0 m Graduación: En decímetros Material: Aluminio Accesorios: Soportes de fierro galvanizado 7.4.1.8 Referencias -Instrument Engineers Handbook. Lipták G., Belá , Chilton Book, Company, Revised Edition -Catálogo; indicador de nivel tipo regleta, serie 25. Protecto Tank. 7.4.2 Tipo flotador 7.4.2.1 Principio de funcionamiento El principio de funcionamiento de este tipo de indicador local de nivel, se basa en la acción de un flotador, sujeto (desde la parte superior del recipiente o desde un soporte) por un cable, el cual, mediante poleas, transmite su movimiento a un contrapeso que a su vez, mueve una escala graduada siguiendo las variaciones del nivel. Ver figura 7.44 a y b. El flotador puede tener forma de cilindros unidos y atados en forma de balsa, etc.; el cable puede ser una cinta graduada que se enrolla en la parte de la escala, una cinta que mueva una flecha y la indicación sea sobre una regleta graduada o bien del tipo automático-electrónico (no contemplado en esta sección). La acción del flotador combinada con la función de¡ indicador de nivel tipo regleta (que se instala en forma externa al recipiente), hace que sea uno de los medidores más usados en las instalaciones en donde se tiene almacenamiento de líquidos en tanques atmosféricos, debido a su bajo costo y buena precisión. La graduación de la escala, grabada en forma permanente se prefiere en decímetros, ya que se tiene mejor visibilidad y la conversión a metros o a centímetros es más fácil.
300
Figura 7.44 Indicador local de nivel con flotador y regleta graduada 7.4.2.2 Tamaños y rangos estándar Por la sencillez y versatilidad de este tipo de indicador local de nivel, para sus componentes no existen tamaños y/o rangos estandarizados. El tamaño y rango de la regleta lo define el cliente en base a los niveles máximo y mínimo de operación. La longitud del cable mecánico puede ser ajustada en campo y el tamaño y forma del flotador depende del fabricante. 7.4.2.3 Materiales de construcción La mayoría de los fabricantes de este tipo de medidor tienen, para los componentes, los siguientes materiales: - Flotador.- Se fabrican normalmente de plástico polietilieno, acero inoxidable 304,316 y aluminio. - Regleta.Son fabricadas de madera “Reedwood" para lugares cubiertos o aluminio para uso en intemperie.
301
-
Cables guía, cable soporte y ancla.- De acero inoxidable 316. Poleas.- De aluminio. Tubos guía.- De fierro galvanizado o acero inoxidable. Soportes.- De fierro galvanizado.
7.4.2.4 Criterios de instalación - Se optará por este tipo de indicador, para recipientes atmosféricos con difícil acceso visual a su interior. - La regleta deberá contar con soportes de fierro galvanizado para ser soldado a la pared del tanque o a las preparaciones en caso de tanques no metálicos. - Para tanques mayores de 3,5 m (138 “) de altura (o de profundidad), se utilizan cables guía y anclas, esto es recomendable donde existan turbulencias que muevan bruscamente al flotador quedando estos cables sujetos al fondo del tanque por la placa llamada ancla. Ver figura 7.45.
Figura 7.45 Instalación típica de un indicador local de nivel tipo flotador con regleta
302
7.4.2.5 Ventajas Y desventajas Ventajas: - Bajo costo de instalación y mantenimiento. - Evita la necesidad de tener acceso visual al interior del recipiente. - Para funcionar no necesita ningún tipo de energía. - Se puede instalar en áreas cubiertas o a la intemperie. - Es aplicable a recipientes con cualquier tipo de fluido líquido. - Buena precisión en indicación local. Desventajas: - Requiere revisión periódica en las partes húmedas. - Las partes móviles están expuestas al fluido. - El tanque no puede estar sometido a presión. - El flotador debe mantenerse limpio para no tener errores en la medición. 7.4.2.6 Selección Para seleccionar un indicador de nivel tipo flotador 1 regleta se deben conocer lo siguientes datos: - Dimensiones y tipo de recipiente - Tipo de fluido, densidad - Área de localización - Nivel máximo de operación 7.4.2.7 Ejemplo de aplicación Se requiere medir el nivel de agua potable en un tanque de almacenamiento atmosférico: Datos: Tipo de fluido: Agua potable Presión normal de Operación: Atmosférica Temperatura normal del fluido: 25 C /22 C (77 F / 72 F) Área de localización: Intemperie Dimensiones del tanque:7,0 m de altura(22,9 pies) 8,0m de diámetro (26,2 pies) Material del tanque/techo: Concreto/acero al carbón Nivel máximo a medir:6,80 m (22,3 pies) Determinación del rango del medidor: Con el dato del nivel máximo a medir de 6,80 m, a partir del fondo del tanque (nivel 0), se obtiene que el rango de la escala es de:
303
Rango de la escala: 0 - 6,80 m graduada en decímetros. Longitud de la regleta: 7,0 m con soportes de acero para soldarse a las preparaciones del tanque. Selección de materiales: Regleta: De aluminio Flotador, cables y ancla: De acero inoxidable 316 Poleas: De aluminio Tubos y arandelas para guías: De acero galvanizado 7.4.2.8 Referencias Instrument Engineers Handbook. Lipták G. Bela , Chilton Book Company, Revised Edition. Ingeniería de Control Automático, Nacif N. José, La Ilustración Catálogos de fabricantes: Protecto Tank; Indicador de Nivel tipo Regleta/Flotador Serie 25. Varec, Inc., Boletín CP 67001), 6700, Series Target-Reading Type liquid Level Indicators. 7.4.3 Tipo Presión hidrostática (presión diferencial 7.4.3.1 Principio de funcionamiento El nivel de líquidos puede ser medido por medio de un instrumento de presión diferencial (celda hidrostática). Cuando se usa para medir el nivel en tanques abiertos que trabajan a presión atmosférica, el lado de alta presión se conecta en el fondo del recipiente y el lado de baja presión se ventea a la atmósfera. Teóricamente, la presión diferencial puede ser medida censando dos presiones separadamente y tomando la diferencia para obtener el nivel de líquidos. En la práctica se utiliza un solo sensor de presión diferencial en el cual los niveles de presión estática son intrínsecamente balanceados. La celda de presión diferencial electrónica es el elemento sensor del medidor/transmisor, y trabaja bajo principios físico-eléctricos como capacitancia, efecto piezoeléctrico, piezorresistivo, entre otros. En la figura 7.45 se muestra una sección de un elemento sensor de presión diferencial, la cual trabaja bajo el principio de capacitancia. Para la unidad que se muestra, al incrementarse la presión en el lado de alta, el diafragma hace que el aceite de llenado fluya a la cámara interior, forzando al diafragma sensor hacia la derecha. Este cambio es detectado por un circuito amplificador electrónico el cual produce una corriente en miliamperes, proporciona¡ a la presión diferencial. El principio con el que trabaja este tipo de sensor, normalmente se aplica a la medición del nivel para tanques, por lo que se verá otro tipo de sensor el cual tiene su aplicación en la medición de nivel de pozos. Otro principio sobre el cual trabajan las celdas de presión diferencial es el principio piezorresistivo, que es la variación de una resistencia eléctrica por la acción de un esfuerzo mecánico. 304
Figura 7.45 Celda de presión diferencial electrónica, trabajando por variación de capacitancia En el caso de medición de nivel, la presión hidrostática de la columna actúa sobre un diafragma de acero inoxidable, esta acción es transmitida al interior de la celda la cual está llena de aceite silicón; al mismo tiempo se deflecta un diafragma sensor en el cual se encuentra el elemento piezoresistivo. Un puente de resistencias suministra la señal eléctrica y al variar la resistencia, proporcionalmente a la presión hidrostática, la electrónica del transmisor la convierte en una señal de salida de 4- 20 mA C.D. Ver figura 7.46.
305
PRESIÓN 4 - 20 mA HIDROSTÁTICA
PRESIÓN
+
ATMOSFÉRICA PRESIÓN ATMOSFÉRICA
Figura 7.46 Principio de operación de una celda hidrostática con base a una celda de carga piezorresistiva Las variaciones de presión sobre la superficie del líquido son compensadas por la línea de aire conectada por el lado de baja presión y que va junto con los cables, para ser venteada lejos del diafragma sensor Ver figura 7.47. TUBO DE AIRE C/FILTRO DE TEFLON CABLES A LA CAJA DE CONEXIÓN O AL INDICADOR LOCAL
DIÁM.30 276 mm
DIAFRÁGMA ACERO INOXIDABLE PROTEGIDA CON UNA REJILLA METÁLICA Y UNA CUBIERTA PLÁSTICA
Figura 7.47-Arreglo general de una celda hidrostática
306
7.4.3.2 Rangos estándar Los rangos estándares de las celdas hidrostáticas de medición con sensor piezorresistivo se muestran en la tabla 7.29. La longitud del. cable se le debe especificar al fabricante tomando en cuenta las condiciones de operación y de conexión (ya sea directo al indicador montado en poste, pared o bien a la caja de conexión local). Tabla 7.29 Rangos de medición RANGO DE MEDICIÓN * En metros Col. agua Sobrepresión en bar
0.2 bar
0.4 bar
0.6 bar
1.0 bar
1.6 bar
2.5 bar
4.0 bar
6.0 bar
10.0 bar
2 m
4 m
6 m
10 m
16 m
25 m
40 m
60 m
100 m
1.6
1.6
2.4
4.0
6.4
10.0
16.0
24.0
40.0
Los rangos de medición de las celdas corresponden a la altura de la columna de agua formada entre el nivel mínimo de medición y el nivel máximo de operación en los pozos profundos (éste tipo de medidor también puede ser utilizado en recipientes). 7.4.3.3 Materiales de construcción Los siguientes materiales son estándar del fabricante y son los adecuados para la instalación de agua potable, alcantarillado y saneamiento. Materiales para las partes húmedas: Tubo del sensor: Diafragma: Líquido de llenado: Cable: Empaques: Cubierta protectora del diafragma: Materiales para accesorios de montaje: Soporte del cable: Cubierta: Caja de conexiones:
Acero inoxidable 316 Acero inoxidable 316 Silicón Con aislamiento de polietileno. Vitón Material plástico. Acero galvanizado c/grapas de presión Aluminio Duroplast
7.4.3.4 Criterios de instalación - El medidor /transmisor de nivel tipo presión diferencial puede ser instalado tanto en tanques atmosféricos, como en pozos profundos. - La sonda / cable debe instalarse donde no haya flujo o turbulencia. Si esto no es posible, entonces es necesario utilizar un tubo guía el cual debe tener un diámetro interno mayor de 50 mm, esto con el propósito de evitar movimientos laterales que tendrán como consecuencia errores en la medición. - Cuando se instale este tipo de medidor se debe tener la precaución de que el elemento sensor y el cable no toquen la pared del tanque.
307
- La celda de presión diferencial y su cable pueden ser instalados colgando de un soporte o bien directamente de la caja de conexión atornillada (con contratuerca) en un orificio de 1 1/2" (38 mm) de diámetro. Ver fig. 7.48.
Figura 7.48 Instalaciones típicas para medidores tipo celda hidrostática
308
7.4.3.5 Ventajas y desventajas Ventajas: - Se puede aplicar tanto para tanques abiertos atmosféricos como para pozos profundos. - Tienen un amplio rango de medición: De 2 m a 300 m de columna de agua, como estándar de fabricante, pero puede ser solicitado hasta para 300 m de columna de agua. - No se necesitan preparaciones, bridas o roscas especiales en los tanques o en el pozo. - Se puede montar en campo, ya que cuenta con protecciones contra sobrevoltajes. - En campo se puede alimentar con 127 / 220 V.C.A. o 12 - 30 V.C.D. - Se puede utilizar con agua limpia o con sólidos en suspensión. Desventajas: - Si se instala en un lugar donde haya turbulencias o flujo, las mediciones serán erróneas. - Si se desea instalar un medidor en campo, se debe proteger bien contra la intemperie. 7.4.3.6 Selección y/o especificación Para hacer la selección y/o especificación de un medidor /transmisor de nivel por presión hidrostática, se debe conocer: - El tipo de fluido - Gravedad específica del fluido - Rango de nivel a medir (nivel máximo - nivel mínimo) - Tipo de tanque o recipiente En base a los datos anteriores y con las tablas de rangos del fabricante (ver tabla 7.29), se selecciona el rango de medición de la celda de presión diferencial (hidrostática), el cual va a estar en función del nivel mínimo y máximo a medir. 7.4.3.7 Ejemplo de aplicación Datos: Servicio:Medición de nivel en pozo profundo Tipo de fluido: Agua clara Densidad del agua: 998,23 kg/m3 Tipo de medidor: Celda hidrostática Rango de nivel a medir: 70 m La presión de la columna hidrostática será: P= h Sustituyendo valores:
309
998.23 kg
x 70 m = 69876.1 Kg/m2 m3
= 6,98761 kg/cm2 X 0,9807 bar/kg/cm2. = 6,8527 bar (0,68 MPa)
DIMENSIONES DE CAJA DE TIPO N.E.M.A 4 28 mm (1.1") 23 mm (0.9")
17 mm (0.66")
37 mm (1.45")
A) CON AGARRADERA DE CABLE
80 mm (3.1")
119 mm (4.68") 75 mm (3 ")
160 mm (6.29")
100 mm (4 ") 57 mm (2 1/4") 25 mm (1 ")
290 mm (11 ") 130 mm (5 ")
38 mm (1 1/2")
70 mm (2.7 ")
B) CAJA DE CONEXIÓN PARA MONTAJE EN EL TANQUE Figura 7.49 Accesorios de montaje (ejemplo) Con este valor de presión y el rango de nivel a medir, se selecciona de la tabla 7.29, una celda hidrostática cuyo rango es 100 m de columna de agua o 10 bar, ya que ésta cubre los 70 m col. de agua que se requiere medir.
310
El rango inmediato inferior es de 60 m col. de agua o 6 bar, que no cubre el rango de medición. La longitud del cable del sensor será aproximadamente. 70 m del rango de medición + 10 m Previendo llevar la medición a una caja de conexión que estará montada en poste o en panel local junto con el indicador y la fuente de poder. Como accesorio de montaje se selecciona una agarradera con ojillo para colgar o atornillar a un soporte. Ver fig. 7.49. 7.4.3.8 Referencias - Catálogos del fabricante: Endress + Hauser GmbH + Co Instruments. - Instrument Engineers Handbook Lipták G., Belá. Chilton, Book Company, Revised Edition. 7.4.4 Tipo sonda neumática o de burbujeo 7.4.4.1 Principio de funcionamiento El principio de funcionamiento de los indicadores de nivel tipo sonda neumática o burbujeo se basa en el equilibrio que existe entre la columna hidrostática del fluido a medir y la presión del aire comprimido que se inyecta a la sonda neumática, la cual consiste en un tubo de 1/4" o 1/2" (6 o 12 mm) de diámetro como mínimo que se sumerge en el recipiente o pozo donde se desea medir el nivel, por este tubo se inyecta aire o gas presurizado y regulado, a flujo constante. El flujo de este aire o gas se regula a través de una válvula, y la presión es medida en un indicador de presión local o si se requiere enviar la señal a un tablero de control es necesario utilizar un transmisor de presión. Cuando la presión de aire inyectado vence a la columna hidrostática, se produce un burbujeo, al ocurrir esto, la presión en el manómetro dejará de incrementarse y el valor de ésta será proporcional al nivel en el recipiente (Ver figura 7.50)
311
Figura 7.50 Esquema del principio de operación del medidor local de nivel tipo sonda neumática para pruebas temporales de medición de nivel
312
7.4.4.2 Tamaños y rangos estándar Para los indicadores de nivel tipo sonda neumática no existen tamaños y rangos estándar ya que los instrumentos y equipos que intervienen, generalmente no son de un mismo fabricante. El tamaño del tubo sonda, el rango del indicador de presión y el tamaño, tiro de válvula estranguladora, están dadas por las condiciones de operación. 7.4.4.3 Materiales de construcción a) Tubo sonda: Para el tubo sonda, la conexión del manómetro y la toma de aire comprimido, se utiliza cobre o acero galvanizado de 1/4" (6 mm) de diámetro como mínimo. b) Indicador de presión: Los materiales de construcción serán los estándares del fabricante, ya que estará conectado a una línea de aire comprimido de baja presión. Para el material del tubo bourdon se utiliza bronce fosforado o cobre - berilio, para una mejor selección referirse a la sección de indicadores de presión (sección 7.2). 7.4.4.4 Criterios de instalación Para la instalación de los indicadores de nivel tipo sonda neumática se deben considerar algunos factores como son: - Si la instalación será en forma temporal para pruebas de medición de nivel, se deberá contar con un compresor de aire portátil o una bomba de aire manual. Ver figura 7.50. - Si la instalación será en forma permanente, el suministro de aire se deberá hacer desde una fuente continua como compresoras; si se carece de ellas, este tipo de medición no se puede realizar. Ver figura 7.51 - El tubo deberá tener una longitud adecuada para evitar que las variaciones bruscas del nivel introduzcan en su interior una cierta columna de líquido que retarde el paso del aire y falsee momentáneamente la lectura.
313
Figura 7.51 Instalación típica en pozo profundo del indicador de nivel tipo sonda neumática 7.4.4.5 Ventajas y desventajas Ventajas: - Para servicio de líquidos muy corrosivos o con sólidos en suspensión - Instalación en forma temporal y permanente - Aplicable en pozos profundos y cualquier recipiente atmosférico - Amplio rango de medición Desventajas: - Se requiere de una fuente de suministro de aire ya sea permanente o temporal - En instalaciones permanentes el suministro de aire debe ser continuo, con el respectivo costo de energía
314
7.4.4.6 Selección y/o especificación Para la selección y/o especificación del indicador de nivel tipo sonda neumática se deben conocer los siguientes datos: Servicio:Medición de nivel en pozo o recipiente. Tipo de fluido: (Agua clara, residual tratada, etc). Presión de operación: kg/cm2 (lb/pIg2) (MPa) Nivel máximo: m (pies) Nivel mínimo: m (pies) Densidad del fluido a temperatura de operación: kg/cm3 (lb/plg3) Con esta información y la fórmula siguiente: P
h
(7.16)
donde: P :Presión en Pa (1 kg/cm2=98100Pa) (lb/plg2) h :Nivel máximo que se desea medir en metros, centímetros, pulgadas. :Densidad del fluido a temperatura de operación en Kg/cm3 (lb/plg3). A partir del valor resultante de ésta fórmula se determina el rango de medición del indicador de presión, que para este caso hace la función de indicador de nivel. 7.4.4.7 Ejemplo de aplicación Datos: Servicio:Medición de nivel en pozo profundo Tipo de fluido:Agua clara Presión de Operación: Atmosférica, 101.33MPa, (1,033 Kg/cm2). (14,7 lb/plg2). Temperatura del agua:25 C max. 122 C min_. (77 F 172 F) Densidad del fluido: 998,23 Kg/m3. (62,4 lb/pies3) Profundidad de¡ pozo: 40 m (131,23 pies) Nivel mínimo de operación: 38 m desde el nivel 0 (124,67 pies) Nivel máximo de operación: 20 m (65,62 pies) (con respecto al nivel mínimo) Para determinar la longitud del tubo sonda consideramos el nivel mínimo de operación. Longitud del tubo sonda: 38 m desde el nivel 0 (124,67 pies) Para determinar la presión hidrostática a medir: Sustituyendo valores: P = (20 m.) (998,23 Kg/m3) = 19964,6 kg/m2 P = 1,99 Kg/cm2 ( 28,27 lb/plg2) (0,195 MPa) Con este valor se selecciona el rango del indicador de presión de la tabla 7.1 (de la sección 7.2): Rango seleccionado: 0 - 2 Kg/cm2 Divisiones:0,2 Kg/cm2 Subdivisiones:0,02 Kg/cm2
315
7.4.4.8 Referencias Instrument Engineers Handbook, Lipták G., Belá, Chilton Book Company, Revised Edition. Ingeniería de Control Automático, Tomo 1. Nacif Narchi, José. La Ilustración. Instrumentación Industrial. Creus Antonio. Ed. Marcombo. Catálogo fabricante: Surex - Aschoft. 7.4.5 Tipo sonda eléctrica 7.4.5.1 Principio de funcionamiento El medidor local de nivel tipo sonda eléctrica basa su funcionamiento en la acción de "Abrir y cerrar un circuito eléctrico energizado". En su forma más simple consta de: Una sonda compuesta por un cable dúplex de cobre, conectado, por uno de sus extremos a un electrodo y en el otro a un medidor de corriente y a una alarma audible o luminosa. El circuito se energiza por una batería contenida en el mismo indicador de corriente. Ver figura 7.52.
A SONDA (CABLE DUPLEX)
ALARMA VISUAL O AUDIBLE
ELECTRODO
Figura 7.52 Principio del funcionamiento del medidor de nivel tipo sonda eléctrica. El cable se enrolla y se desenrolla en un tambor al subir o bajar el electrodo en el pozo. Cuando el electrodo no esta en contacto con el agua el circuito eléctrico se mantiene abierto, cuando entra en contacto el electrodo se moja y por la conductividad del agua se cierra el circuito, lo que da como resultado el flujo de corriente eléctrica que sirve para actuar al medidor de aguja y a las alarmas.
316
Al producirse el movimiento en la aguja del indicador y activarse la alarma, corresponderá al nivel en el pozo y la lectura se hace visualmente en base a las marcas grabadas numéricamente sobre la sonda. Ver fig. 7.4.5-2 y tabla 7.4.5-1. Tabla 7.30 Parámetros de fabricante de los indicadores de nivel tipo sonda eléctrica
Figura 7.53 Componentes del indicador de nivel tipo sonda eléctrica 7.4.5.2 Rangos estándar Los rangos estándar de medición, son las longitudes de la sonda, para este tipo de medidor. Ver tabla 7.30. La mayoría de los fabricantes los tienen en 50, 100, 150, 200, 250 y hasta 300 metros de longitud. La longitud de la sonda a utilizar depende de la profundidad del pozo, mas un margen de 5 vueltas de circunferencia, para el enrollamiento de la sonda en el tambor, esto es suficiente para estimar la longitud total de la sonda, la cual debe tener la escala de
317
valores de longitud grabada por cada metro para ser leída en el punto de referencia determinado en un punto a la entrada del pozo. 7.4.5.3 Materiales de construcción Los materiales para la fabricación de los componentes, que a continuación se mencionan, son típicos para este tipo de aplicación. a) Sonda. El cable-sonda es el conductor de la señal eléctrica al detectarse el nivel, es un cable "duplex" de cobre calibre 18, con aislamiento de plástico, capaz de soportar una tensión mecánica de trabajo mínimo de 136 kg. b) Electrodo. El electrodo debe ser de un diámetro no menor de 12,7 mm. (1/2") para asegurarse que el cable no presente rizamientos, el material recomendado es acero inoxidable 316. c) Marcas de longitud sobre la sonda. De acero inoxidable fijados a presión cada metro de longitud. d) Tambor laminado de acero al carbón e) Armazón. Soporte tubular de acero al carbón 7.4.5.4 Criterios de instalación - Este tipo de indicador se instala para medición de prueba y verificación del nivel del agua clara en pozos profundos. - El armazón soporte debe ser anclado al piso En la figura 7.54 se muestra el arreglo de instalación típica, para el medidor de nivel tipo sonda eléctrica.
318
Figura 7.54 Instalación típica del indicador de nivel tipo sonda eléctrica 7.4.5.5 Ventajas y desventajas Ventajas - No requiere operarlo especializado - Bajo costo inicial de operación y mantenimiento - Portátil por su ligereza y poco volumen - De operación local-manual - Trabajan a la intemperie - Se energiza por una batería - Se utiliza en mediciones de prueba y verificación de nivel en pozos profundos de hasta 300 m de profundidad. Desventajas - No indica medición continua de nivel - Tiene la desventaja de los sistemas con partes móviles - La indicación es por apreciación visual 7.4.5.6 Especificación y/o selección Para hacer la especificación y/o selección de un medidor local de nivel tipo sonda eléctrica, se deben conocer:
319
La profundidad aproximada desde la superficie (nivel 0) al nivel de espejo del agua en el pozo. La calidad del agua con que la sonda estará en contacto En base a esta información se selecciona la longitud de la sonda y sus materiales de construcción. 7.4.5.7 Ejemplo de aplicación - Se requiere medir el nivel de agua de un pozo Datos: Profundidad de pozo:175 m. Tipo de fluido: Agua clara Temperatura del agua:22 C/ 20 C Determinación de la longitud de la sonda: Para poder contabilizar la longitud total de la sonda se considera un tambor con un diámetro de 260 mm (26 cm), tomando como referencia la dimensión L de la tabla 7.30, con esta información y utilizando la siguiente fórmula: c= D 5c=5 D
(7.17)
donde: c: Circunferencia del tambor D : Diámetro del tambor 5c = 5 (26 cm) 408,41 cm = 4,0841 m La longitud requerida del cable es: 175 m + 4,0841 m = 179,084 m Con este valor y la tabla 7.1, se selecciona el modelo 7.2 el cual tiene una longitud de sonda de 200 m, que cubre el rango de medición de ésta aplicación. El indicador se solicita en miliamperes y señal luminosa, el cable o sonda con escala indicadora cada metro y electrodo de acero inoxidable 316. 7.4.5.8 Referencias - Catálogo de Fabricantes: Medidores Azteca S.A. Ingeniería y Sistemas de Agua S.A. 7.4.6 Tipo ultrasónico 7.4.6.1 Principio de funcionamiento El sensor de este tipo de medidor local de nivel, funciona bajo el principio del “sonar" (emisión y recepción de pulsos ultrasónicos).
320
Trabaja de la siguiente manera: El sensor emite un pulso ultrasónico dirigido en ángulo recto hacia la superficie del agua (en este caso), de donde es reflejado en la misma dirección en forma de eco, éste es detectado por el mismo sensor, que ahora actúa como un receptor que a modo de micrófono direccional, convierte el sonido a una señal eléctrica. Al tiempo transcurrido entre la transmisión y la recepción del pulso en forma de eco, se le llama “tiempo de recorrido sónico" y es directamente proporciona¡ a la distancia (D) entre el emisor/sensor y la superficie del espejo de agua. Ver figura 7.4.6-11. Esta distancia es determinada tomando en cuenta la velocidad del sonido en el aire (c) y el tiempo de recorrido (t). Se expresa por la siguiente fórmula: D
c t 2
(7.18)
donde: c = 340 m/s. Al emitir un pulso, el sensor toma un tiempo para recibir el eco reflejado, debido a esto, existe una zona en la cual no hay detección o “distancia de bloqueo" (B) que depende de la frecuencia a la que trabaja el sensor y determina la mínima distancia entre la cara emisora-receptora de éste y máximo nivel en el tanque (F). Ver figura 7.4.6-1. Esto podría considerarse una limitación para éste tipo de instrumentos, sin embargo actualmente se diseñan para permitir mediciones con errores no mayores de 0,01 pulgadas (0,254 mm) por cada pie (305 mm) de distancia entre el transmisor-receptor y la superficie del líquido (D).
321
Figura 7.55 Parámetros de funcionamiento del medidor de nivel tipo ultrasónico 7.4.6.2 Rangos de medición De acuerdo con la información de los fabricantes tomados como referencia y según el modelo del sensor, el rango de monitoreo de nivel en recipientes abiertos o cerrados va de 0,3 hasta 60 metros de altura para agua limpia, con sólidos en suspensión, aguas negras y Iodos. Rango máximo.- Para un sensor en particular, está determinado por la potencia en frecuencia del pulso ultrasónico, por las características de reflexión del eco, por la superficie del fluido y por los factores de atenuación para el pulso. Una mala localización del punto de instalación, también afecta la medición. Ver tabla 7.31.
322
Tabla 7.31 Factores y condiciones de atenuación para el pulso ultrasónico FACTORES
ATENUACIÓN (dB)
TEMPERATURA Diferencia de temperatura entre el sensor y la superficie del material hasta 20 °C hasta 40 °C hasta 60 °C CORTINA DE LLENADO
0 5-10 10-20
Fuera de la zona de detección Poca cantidad en zona detección Gran cantidad en zona detección SUPERFICIE CON SÓLIDOS
0 5-10 10-20
Material duro Material suave SUPERFICIE DEL LÍQUIDO
20 20-40
Tranquila Olas Fuertes turbulencias (P. ej. aspas de agitador)
0 5-10 10-20
Rango mínimo.- Como ya se dijo anteriormente, la "distancia de bloqueo" determina la mínima separación entre el diafragma del sensor y el máximo nivel en el tanque. Esta depende del tipo de sensor. Ver tabla 7.32. Ejemplo: Determinación del rango de medición Usando la tabla 7.31 se suman los factores de atenuación Factores: Diferencia de temperatura en el tanque 40 C: 10 dB Cortina de llenado (poca cantidad) : 5 dB Espuma por agitador : 20 dB Total : 35 dB Se mueve la curva del sensor recorriendo 35 dB en el eje de atenuación del eco. El rango máximo es indicado en la intersección de la curva ideal y la curva de nivel normal de interferencia. Para este ejemplo y en estas condiciones, el rango máximo es 7 m. Este rango es cubierto por el sensor modelo 81 que en condiciones ideales cubre hasta 9 m. 7.4.6.3 Materiales de construcción Los materiales que se mencionan a continuación son los típicos y estándares de uno de los fabricantes de referencia. De acuerdo a la tabla 7.32 tenemos: Cubiertas: En polipropileno. Conexión roscada: En polipropileno. 323
- La instalación de medidores de nivel tipo ultrasónico es aplicable para tanques cubiertos o descubiertos, a presión atmosférica. Aunque su instalación es sencilla, se recomienda seguir las recomendaciones de cada fabricante en particular. - El sensor no debe estar cerca de la toma de llenado u otra causa que provoque turbulencias en el espejo de agua (la superficie deberá estar lo más tranquila en la zona de medición). Tabla 7.32 Dimensiones, materiales y características técnicas
324
Figura 7.56 Gráfica atenuación de eco. (cada modelo de sensor tiene una gráfica propia)
325
El máximo nivel en el tanque, no debe rebasar la distancia de bloqueo del sensor. - La cara del sensor quedará paralela a la superficie del agua. - El cable de conexión no está diseñado para ser soporte, el sensor no colgará de este cable. 7.4.6.4 Ventajas y desventajas Ventajas - Aplicable para medición de nivel para cualquier tipo de material - Útil para hacer mediciones en tanque atmosférico - Montaje sencillo - Selección y especificación sencillas - El sensor se conecta a un indicador y/o transmisor local por lo que se considera un instrumento muy versátil Desventajas - No se recomienda para recipientes a presión - Durante el llenado del tanque la medición puede no ser exacta - En caso de haber espumas u oleaje producto de agitación o mezclados continuos, no es muy recomendable por la atenuación de la señal - El costo es caro con respecto a los medidores. de nivel anteriormente descritos 7.4.6.5 Selección Para poder seleccionar un medidor de nivel tipo ultrasónico se debe conocer lo siguiente: - Forma de tanque o recipiente - Dimensiones - Tipo de Fluido - Nivel máximo (mm) (plg) - Nivel mínimo (mm) (plg) - Presión de operación (kg/cm2) lb/pig2) (MPa) - Temperatura de operación ( C) ( F) En base a esta información, seleccionamos un sensor que tenga un rango de medición, tal que el nivel máximo no rebase la distancia de bloqueo del sensor y el nivel mínimo.
326
7.4.6.6 Ejemplo de aplicación Servicio Forma del tanque: Dimensiones: Tipo de fluido: Nivel máximo a medir: Nivel mínimo a medir: Presión de operación: Temperatura de operación:
Medición de nivel en tanque de almacenamiento de agua potable Rectangular / abierto 10 m ancho x 12 m largo x 8 m (394"X 472.5" X 315") altura Agua clara 7.5 m (295") (desde el fondo) 0.5 m (20") (desde el fondo) Atmosférica 25°C / 23°C (77ºF/73ºC)
Se concluye que: Rango de medición:7.0 m. (276") Superficie del espejo de agua:Tranquilo Factores de atenuación del pulso: prácticamente ninguno Ahora en base a la figura 7.56 se selecciona un sensor mod. 81 (sólo ejemplo) que cubre un rango de medición de 9.0 m para líquidos. Se observa que este sensor tiene una distancia de bloqueo de 0.5 m Entonces, para que el nivel máximo no rebase esta distancia, el sensor debe instalarse a una distancia mayor a 0.5 m desde el punto de nivel máximo, o sea mayor a 8.0 m desde el fondo. Como componente adicional al sensor, se selecciona un transmisor con indicador digital local, este dispositivo recibe la señal eléctrica originada en el sensor ultrasónico. El transmisor se instala en campo, ya sea en bastidor o en pared Los materiales de construcción son de acuerdo a lo descrito en la tabla 7.56 (son estándares del fabricante). 7.4.6.7 Referencias Instrument Engineering Handbook. Lipták G. Bela, Book Company, Revised Edition. Catálogo Información Técnica: Technologies, Inc.
Endress + Hauser GmbH
+ Co. Milltronics - TN
7.5 VÁLVULAS 7.5.1 Generalidades. En esta sección se abarcan los aspectos básicos que pueden servir para seleccionar el tipo de válvula idónea al servicio requerido, comparando el costo con las características y materiales de su construcción (cuerpo e interiores), funcionamiento ante determinadas condiciones de trabajo y el comportamiento del diseño mecánico, para un diseño de planta y/o instalaciones que sea competitivo y libre de problemas.
327
Las características y materiales de construcción más comúnmente conocidas como especificaciones de válvulas, por lo general, se incluyen en las correspondientes para las tuberías y accesorios, que se preparan de acuerdo a los servicios para abastecimiento de agua potable y alcantarillado tomando en cuenta las disponibilidades para su operación, la limpieza de los fluidos manejados, las tolerancias para corrosión y cualesquiera otros factores que influyan en las selección del material de construcción (Ver tablas 7.33 y 7.34). En estas especificaciones de tuberías se incluyen todos los datos para el diseño, como conexiones y accesorios, bridas, las válvulas mismas, etc., para un servicio dado. Cuando se desea realizar un proyecto para nuevas instalaciones de bombeo, distribución o tratamiento de aguas, ampliaciones a las existentes, modificaciones, etc., que involucre la adquisición de tuberías, accesorios y válvulas, la empresa proyectista junto con el contratista, deberán establecer las especificaciones de tuberías requeridas para el caso, las cuales serán presentadas al organismo operador correspondiente para su revisión y/o aprobación. Sin embargo, cuando solo se requiere hacer el cambio de una válvula o modificaciones menores, y no se cuenta con las especificaciones de tuberías que aplican, el organismo operador del sistema de abastecimiento de agua potable y alcantarillado respectivo, será quien deba decidir en cuanto a que válvula es aceptable de acuerdo al procedimiento indicado en los siguientes puntos:
328
Tabla 7.33 Especificaciones de materiales para tubería Servicio:
Agua para servicios a nivel de piso
Brida primaria:
Hierro fundido, 125 lb, cara plana y acero al carbon,
Presiones y temperaturas: Tolerancia para corrosión: Concepto Tamaño, Cédula o plg capacidad Tubo ½ - 1½ Céd. 80
ANSI B.16.1-167, hasta 150°F máximo 0.05 plg mínima Descripción Especificación del material Sin costura, acero al carbón ASTM A106, Gr.B, Tipo F Sin costura, acero al carbón ASTM A53, GrB, Tipo E Soldado por resistencia eléctrica, acero al ASTM A53, Gr. B carbon Soldado por resistencia eléctrica, acero al ASTM A53, Gr. B carbon Soldado por fusión eléctrica, acero al carbon. ASTM A134; Placa, Espesor de pared ¼ in ASTM A283, Gr.,C.
2-6
Céd. 40
8 - 12
Céd. 20
14 - 36
Céd. 10
24 - 36
¼ plg
½ - 1½ 2 - 24 24 - 36 ½ - 1½ 2 - 24 1½ - 36
150 lb 150 lb * 150 lb 150 lb 300 lb
Roscada acero al carbon, cara plana Cuello para soldar, acero al carbon, cara plana Deslizable, acero al carbon, cara plana Roscada, acero al carbon, cara plana Deslizable, acero al carbon, cara plana Cuello para soldar, acero al carbon, cara plana
ASTM A105 ASTM A105 ASTM A105 ASTM A105 ASTM A105 ASTM A105
½ - 1½ ½ - 1½ ½ - 1½ ½ - 1½
300 lb 300 lb 3 000 lb
ASTM A197 ASTM A197 ASTM A105 ASTM A105
Soldados a tope
2-6 8 - 12 14 - 24 24 - 36 18 - 36
ASTM A234, Gr. WPB ASTM A234, Gr. WPB ASTM A234, Gr. WPB ASTM A234, Gr. WPB Igual que el tubo
Conexiones de ramales
½ - 1½
Céd. 40 Céd. 20 Estándar Pared ¼ plg Igual que el tubo Igual que el tubo Igual que el tubo Igual que el tubo Igual que el tubo Igual que el tubo G 20
Reborde, hierro maleable Unión, hierro maleable, asiento latón Coples, acero al carbon Tapones macizos cabeza rebordeada y bujes de cabeza hexagonal, acero al carbon Sin costura, acero al carbon Sin costura, acero al carbon Sin costura, acero al carbon Sin costura o soldado, acero al carbon Codos angulares Tés rectas o reductoras
Igual que el tubo
Tamaño completo: Tés, reductoras: soldadura de boquilla Completas y reductoras; soldadura de boquilla
Igual que el tubo
Coples (acoplamientos)
Igual que el tubo
Soldadura a tope
Igual que el tubo
Asbesto (amianto) cara completa Espárragos (birlos) de acero de aleación Tuercas hexagonales de acero al carbon
Igual que el tubo ASTM A193, Gr.,B7 ASTM A194, Gr.,2
Bridas Tubería
Reductoras Orificio Accesorios Roscados
2 3 - 36 Uniones de tubo
½ - 1½ 2 - 36
Juntas Sujetadores
Todos Todos Todos
329
Igual que el tubo
7.5.1.1 Selección Conforme avanza la demanda de servicios de abastecimiento de agua potable, aumenta la capacidad de desalojo y tratamiento de las aguas residuales y con esto, la capacidad de manejo de grandes volúmenes de estos líquidos, algunos de ellos abrasivos, otros corrosivos o contaminados con materias que se van incrustando en los materiales que tienen contacto directo con el fluido y que al paso del tiempo los van deteriorando, a las válvulas se les han mejorado las características mecánicas, aumentando su tamaño y por ende su costo, por lo que cada vez es más importante el máximo cuidado en su selección. La selección de las válvulas incluye muchos factores y es preferible tener como referencia un sistema que facilite esta actividad. Se deben tener en cuenta, como mínimo, las siguientes especificaciones básicas: Tipo de válvula, características y materiales de construcción, capacidades de presión, material de empaquetaduras y juntas, costo y disponibilidad. (Ver tablas 7.34, 7.5-2a y 7.5-3).
330
Tabla 7.34 Lista de válvulas aplicables Válvulas Extremos
Tamaño, plg (diám.)
Tipo
*Númer Empaque Variaciones u Observaciones o de -tadura válvula
Roscados
½a3
Compuerta
VC-1
Roscados
½a1½
Compuerta
VC-2
Roscados
½a3
Globo
VG-1
Roscados
½a1½
Globo
VG-2
Roscados Rosados
½a3 ½a1½
Inserto soldables Inserto soldables Inserto soldables Bridados
½a1½
Columpio VR-1 Bola (H ó VR-2 V) Compuerta VC-3
½a1½
Globo
½a1½ 2 a 48
Bola (H ó VR-3 V) Compuerta VC-4
Asbesto
Bridados
2 a 16
Compuerta
VC-5
Asbesto
Bridados
4 a 16
Globo
VG-4
Asbesto
Bridados
2 a 12
Globo
VG-5
Asbesto
Bridados Bridados Bridados
4 a 36 2 a 16 8 a 48
Columpio Balancín Compuerta
VR-4 VR-5 VC-6
Asbesto Asbesto Asbesto
Bridados
4 a 14
Compuerta
VC-7
Asbesto
Bridados Bridados
2 a 36 4 a 12
Compuerta Compuerta
VC-8 VC-9
Asbesto Asbesto
Mariposa
VM-1
Asbesto
Cuerpo 2 ½ a 36 oblea/orejado
VG-3
* Estos números relacionan las tablas 7.5-2 y 7.5-2a.
331
Valv. operada con volante bloqueo Valv. operada con volante bloqueo Valv. operada con volante regulación Valv. operada con volante regulación Valv. s/operador para retención Valv. s/operador para retención
para
Valv. operada con volante bloqueo Valv. operada con volante regulación Valv. s/operador para retención
para
para para para
para
Valv. operada con volante para bloqueo Valv. operada con volante para bloqueo Valv. operada con volante para regulación Valv. operada con volante para regulación Valv. s/operador para retención Valv. s/operador para retención Valv. operada con engrane para bloqueo Valv. operada con volante para bloqueo Valv. s/volante para bloqueo Valv. operada con volante para bloqueo Valv. operada con volante o palanca p/bloqueo
Tabla 7.35 Lista de clasificación de válvulas Númer o de Clase Válvula VC-1
VC-2 VG-1 VG-2 VR-1 VR-2 VC-3 VG-3 VR-3 VC-4 VC-5 VG-4 VG-5 VR-4 VR-5 VC-6 VC-7
VC-8 VC-9 VM-1
Descripción
Notas
Cuerpo ASTM B-62, interiores de bronce, vástago ascendente, 125# MSSrosca interior, bonete con tuerca unión, disco de cuña sólida, SP80 asiento integrado. Cuerpo de ac. al carbón forjado ASTM A-105, similar a Walworth 800# ANSI 950-S, interiores de ac. inox. con 13% cromo AISI-410, asientos renovables, bonete bridado, vástago ascendente, cuña sólida. 125# MSS- Cuerpo ASTM B-62, interiores en bronce, vástago ascendente, SP80 rosca interior, bonete roscado, disco macho, asiento integrado. Cuerpo ASTM A-105, similar a Walworth W-5520-S, interiores de 800# ANSI ac. inox. con 13% cromo AISI-410, asientos renovables, bonete bridado, vástago ascendente, disco suelto. 125# MSS- Cuerpo ASTM B-62, interiores en bronce, tapa roscada, asiento SP80 integrado. Cuerpo ASTM A-105, similar a VOGT-5-4853, interiores de ac. 600# ANSI inox. con 17% cromo, tipo bola, horizontal o vertical. Cuerpo ASTM A-105, interiores de ac. inox. con 13% cromo AISI800# ANSI 410, similar a Walworth W 950-SW, asientos renovables, bonete bridado, vástago ascendente, cuña sólida (opcional). Idem VG-2, excepto: similar a Walworth W-5520-SW, disco suelto 800# ANSI (opcional). 800# ANSI Idem VR-2, excepto: similar a VOGTH SW-5-4853. Cuerpo ASTM A-126, clase B, con interiores montados en bronce, 125# F.F. tornillo exterior y yugo, bonete atornillado, disco de cuña sólida, asiento recambiable. Cuerpo ASTM A-216 WCB, similar a Walworth 5202-F-AA, vástago 150# ANSI ascendente, interiores de ac. inox. con 13% cromo AISI-410 125# F.F. Idem VC-4, excepto: disco macho. 150# ANSI Idem VC-5, excepto: similar a Walworth 5275-F-AA, disco suelto. Cuerpo ASTM A-126, clase B, interiores montados en bronce, tapa 125# F.F. atornillada, asiento recambiable. Cuerpo ASTM A-216 GRADO WCB, similar a Walworth 5321-F-AA, 150# ANSI interiores de ac. inox. 13% cromo AISI-410 125# F.F. Idem VC-4, excepto: operador. Idem VC-4, excepto: rosca interna, vástago no elevable, disco 175# F.F. doble, asiento paralelo, con drenaje automático y poste indicador, aprobada por U.L. Idem VC-4, excepto: disco doble, rosca interna, vástago no 125# F.F. elevable,norma American Water Works Assn. (AWWA). Tiene tuerca de 2" por lado estándar AWWA. Montada en bronce, disco doble, asientos paralelos reemplazables, 175# F.F. brida de poste indicador. Aprobada por UA y FM. Cuerpo ASTM A-216 WCB, disco ac. inox. 316 (ASTM A-351150 y 300# CF8M) vástago 17-4ph S.S. (ASTM A-564-H1075), asiento TFE, ANSI buje RTFE, empaque del estopero TFE.
(1)
(1), (2) (2) (1)
(2)
(1)
(2) (2) (1)
(1) (1)
(1) (1) (3)
(1)Válvulas recomendadas para servicio de agua potable y alcantarillado (A.P.A.) y bajo costo. (2)No usar válvulas de globo en instalaciones de tubería bajo nivel de piso. (3)Válvulas recomendadas en tamaños arriba de 12".
332
7.5.1.2 Tipos de válvulas El tipo de válvula dependerá de la función que debe efectuar, ya sea de cierre (bloqueo), estrangulación, para impedir el flujo inverso o para alivio de presión. Estas funciones se deben determinar después de un estudio cuidadoso de las necesidades del sistema y las condiciones de servicio para las cuales se destina la válvula. Como a menudo hay más de un tipo de válvula para cada función, en puntos posteriores se tratarán en forma especifica, las válvulas más comunes para el manejo de agua potable y aguas negras. Una vez determinada la función y el tipo de servicio, se puede seleccionar el tipo de válvula según su construcción. En la figura 7.57 se ilustran los componentes de algunos tipos de válvulas.
Figura 7.57 Componentes de los diferentes tipos de válvulas
333
7.5.1.3 Fundamentos de construcción Después de establecer la función y de seleccionar el tipo de válvula, se debe tener en cuenta las características y los materiales de construcción adecuados para el servicio a que se le destinará. De manera genérica se pueden enlistar los principales componentes de las válvulas: - Cuerpo. Es un elemento estático (generalmente de material de fundición) y se acopla a la línea de proceso o tubería mediante bridas en la mayoría de los casos, aunque también los acoplamientos los hay inserto soldables o del tipo roscado, comúnmente para diámetros pequeños. - Disco, tapón o compuerta. Es un componente fundamental, ya que su función es permitir o detener total o parcialmente el paso del fluido a través del cuerpo. Es un elemento dinámico (normalmente de materiales resistentes a esfuerzos), con bajo coeficiente de resistencia hidráulica y de diseño hidrodinámico. - Asiento. Permite el sello entre el cuerpo y el tapón de la válvula. Generalmente, en válvulas de diámetros mayores de 102 mm. (4"), los asientos son reemplazables, permitiendo mantenimientos rápidos, sin embargo, son fabricados de materiales resistentes a la erosión generada por el paso del fluido y su diseño evita en lo posible, atascamientos entre las dos partes. - Vástago. Es el elemento de transmisión del par proporcionado al tapón desde el actuador para la apertura o cierre de la válvula. Generalmente se construye de materiales resistentes a la deformación por torsión. Se encuentra aislado del fluido y en ocasiones encapsulado para evitar la acción abrasiva o corrosiva del fluido. El material de construcción para una válvula esta restringido por las características corrosivas del fluido. Cuando se tienen en cuenta estos factores, se puede determinar la aceptabilidad de un sólo material de construcción, pero por lo general hay elección de más de uno. La selección definitiva del material se suele basar en los aspectos económicos. Los cuerpos y los componentes individuales de las válvulas se fabrican con muchas aleaciones diferentes, lo cual da más libertad para la elección. Todas las partes de la válvula que están en contacto con el fluido (partes húmedas), deben tener la resistencia necesaria a la corrosión. Para seleccionar el material de construcción, se debe utilizar como guía los materiales recomendados por los fabricantes para cada servicio en especial ya sea de agua limpia, con solidos en suspensión, residuales, con sales disueltas, aguas negras, altas velocidades de flujo, etc. El efecto de estos factores no se puede determinar por completo, excepto cuando se cuenta con datos de una unidad o sistema idéntico. Por tanto, aunque los datos publicados de corrosión resultaran válidos en muchos casos, sólo se podrá tener una certidumbre completa con la experiencia.
334
Por ejemplo, las válvulas requieren diferente dureza entre la parte movible y la parte estacionaria (de preferencia, el asiento debe ser más duro que el globo, compuerta o aguja). Salvo que los datos de corrosión de un material incluyan su comportamiento según las diferentes durezas, esos datos tendrán escaso valor para el fabricante de válvulas. A continuación se establecen algunos otros lineamientos generales, más no reglas firmes en el aspecto de construcción de las válvulas: - Aunque normalmente en el manejo de agua potable, alcantarillado y saneamiento no se tienen condiciones de operación extremas, se deben examinar con cuidado las capacidades de presión y temperatura del fabricante para válvulas construidas con materiales no estándar para asegurar que se está cumpliendo con las especificaciones de tubería en el servicio a que se destinan. - Cuando se utilizan los materiales estándar para construcción (acero al carbón, acero inoxidable, latón, etc.), las fuerzas hidráulicas dentro de las válvulas rara vez alteran el servicio; sin embargo, el material no estándar propuesto puede estar propenso a fallas por abrasión, por lo que es necesario investigar a fondo dichas fuerzas. - El costo de las válvulas que requieren materiales no estándar (servicio en aguas residuales industriales) se puede reducir con un revestimiento interno de la válvula. En estos casos, los materiales metálicos que se protegen en la válvula no serían resistentes a la corrosión. Por ello se debe tener un cuidado especial en el momento de seleccionar el material de las válvulas. Cualquier falla en el revestimiento o en los sellos que permita que los fluidos hagan contacto con el metal, siempre ocasionará falla de la válvula. Muchas veces no se puede aplicar un revestimiento perfecto sobre las complicadas formas internas, o los revestimientos se pueden desprender del metal base cuando hay condiciones severas de fuerza hidráulica, mecánica e inversión de temperatura. Las válvulas revestidas suelen tener sellos anulares ("o" rings) para separar las secciones revestidas y las no revestidas. Es importante que los sellos estén en un lugar donde se pueda detectar su falla antes de que ocurra una grave corrosión. 7.5.1.4 Capacidades de presión y temperatura Una vez determinadas las presiones y temperaturas máximas de operación, se podrá establecer la capacidad de presión requerida por la válvula. A este respecto ya se dijo en el punto anterior que de acuerdo al servicio aquí manejado, incluso las presiones máximas quedan dentro de la clasificación ANSI de 125, 150 y 300 psi. En la tabla 7.36, se presentan las capacidades de presión de gran número de materiales disponibles para válvulas con extremos roscados, inserto soldable y con bridas desde 125 hasta 300 psi basadas en las normas ANSI. Para materiales que no aparezcan en la tabla, se deben de consultar dichas normas o la literatura del fabricante respectivo.
335
Tabla 7.36 Válvulas disponibles en el mercado Válvulas de compuerta Material Acero inoxidable Hierro fundido Hierro dúctil Bronce Acero fundido Acero forjado
125
150
---2 - 48 ---¼-3 -------
½ - 24 ½ - 24 2 - 24 ¼ - 12 2 - 48 ----
Capacidad de presión, psi 175 200 250 ---2½ - 14 -------------
¼-2 ------¼-3 -------
---2 - 16 -------------
300 ½ - 24 ---2 - 12 ¼-3 2 - 30 ½-3
Válvulas de globo Materiales Acero inoxidable Hierro fundido Hierro dúctil Bronce Acero fundido Acero forjado
125
150
175
200
250
300
---2 - 10 ---1/8 - 3 -------
½ - 24 ---2 - 24 1/8 - 6 2 - 14 ----
-------------------
¼-2 ------1/8 - 3 -------
---2-8 -------------
½ - 24 ---2-6 ¼-3 2 - 16 ½-2
Válvulas en ángulo Material Acero inoxidable Hierro fundido Hierro dúctil Bronce Acero fundido
125
150
175
200
250
300
---2 - 10 ---1/8 - 3 ----
½-6 ---2 - 24 1/8 - 6 2 - 14
----------------
¼-2 ------¼-3 ----
---2-8 ----------
½-2 ---2-6 ¼-3 2 - 16
Válvulas de macho (lubricadas) Material Acero inoxidable Hierro fundido Acero fundido
125
150
175
200
250
300
---½ - 16 ----
1-4 ---1 - 36
----------
----------
---½ - 24 ----
½-4 ---½ - 24
175
200
250
300
-------------
------½ - 14 ----
-------------
½ - 14 ------½ - 16
Válvulas de bola Material
125
Acero inoxidable Hierro dúctil Bronce Acero fundido
------¼-2 ----
150 ½ ½ ¼ ½
-
14 12 14 16
336
Tabla 7.37 Válvulas disponibles en el mercado (continuación). Válvulas de retención, de bisagra Material Acero inoxidable Hierro fundido Hierro dúctil Bronce Acero fundido
125
150
175
200
250
300
---2 - 24 ---1/8 - 3 ----
½ - 24 ---2 - 16 ¼-4 2 - 24
---2½ - 12 ----------
¼ - 24 ------¼-3 ----
---2 - 12 ----------
½ - 24 ---2 - 12 ¼-3 2 - 20
Válvulas de retención, disco inclinable Material Hierro fundido Acero fundido
125
150
175
200
250
300
2 - 72 ----
---2 - 72
-------
-------
2 - 48 ----
---2 - 36
Válvulas de retención, horizontales Material Hierro fundido Bronce Acero fundido
125
150
175
200
250
300
2-6 1/8 - 3 ----
½-2 1/8 - 2 ----
----------
---¼-2 ----
----------
---¼-2 3 - 12
175
200
250
300
1½ - 2 1½ - 2 ------1½ - 2
½ - 1¼ ½ - 1¼ ---1½ - 2 ½ - 1¼
----------------
------1½ - 2 ½ - 1¼ ----
175
200
250
300
-------------
-------------
-------------
3 - 16 ------3 - 16
Válvulas de diafragma Material
125
Acero inoxidable Hierro fundido Hierro dúctil Bronce Acero fundido
---5-6 ---5-6 ----
Material
125
150 2½ 2½ 2½ 2½ 2½
-
4 4 4 4 4
Válvulas de mariposa Acero inoxidable Hierro fundido Hierro dúctil Acero fundido
-------------
150 3 2 2 3
- 16 - 24 - 24 - 30
Válvulas de macho (no lubricadas) Material Acero inoxidable Hierro dúctil Hierro fundido
125
150
175
200
250
300
----------
¼ - 12 ¼ - 12 ¼ - 12
----------
----------
----------
¼ - 12 ¼ - 12 ¼ - 12
----------------------
----------------------
Válvulas diversas Tipo válvula
Material
Fondo plano En Y Aguja Aguja Aguja Retención Purga
Acero inoxidable Acero inoxidable Acero inoxidable Bronce Acero forjado Acero fundido Acero forjado
150
300
½ - 10 ½-2 ----------------
1 - 10 ½-6 ---1/8 - 3/4 ---3 - 12 1½ - 2½
337
7.5.1.5 Material de empaquetaduras y juntas La selección del material adecuado para estos aditamentos es tan importante como la de los materiales de las propias válvulas. Su mala selección puede ocasionar fugas en la válvula y requerir un paro del sistema para reemplazarla. Al seleccionar el material de empaquetaduras, se debe consultar la literatura de los fabricantes y las publicaciones técnicas, para comprobar que el material seleccionado sea compatible con los fluidos que se manejan. Así mismo, la forma física de la empaquetadura debe ser compatible con las características mecánicas de la válvula. 7.5.1.6 Costo y disponibilidad Muchas veces se encontrará más de un tipo de válvula para un trabajo específico. Cuando los factores que ya se han visto son iguales, se debe seleccionar de los diversos proveedores la válvula de menor precio y mayor disponibilidad, ya que sería ilógico ordenar una válvula que no va a ser entregada a tiempo o que no tiene un costo razonable. 7.5.2 Cálculo del Cv (Coeficiente de capacidad de la válvula) El Cv se define como un índice de capacidad que indica el caudal de agua a 60 ºF ( 16ºC ) en gpm, que pasarán por la válvula totalmente abierta con una diferencia de presión de 1 lb/in² entre las bridas de entrada y de salida. El coeficiente Cv de flujo en la válvula depende de las dimensiones internas y del diseño de la válvula. Las pruebas de los fabricantes con agua o aire y con una caída de presión ( P) predeterminada establecen los valores de Cv. La ecuación para manejar el Cv es de aplicación universal y es compatible con la mostrada en la norma ANSI/ISA 5-75 "Flow Equations for Sizing Control Valves": Cv =
P =
Q P P 1 2 N 1 Gf Q N Cv 1
2
(7.20) Gf
donde: Q : Flujo volumétrico GPM o m³/hr P1 : Presión estática absoluta corriente arriba psia o bar P2 : Presión estática absoluta corriente abajo psia o bar
338
(7.19)
Gf : Gravedad específica del agua = 1.0 @ 15 ºC Adimensional Cv : Coeficiente de capacidad de la válvula. Adimensional N1 : Constante numérica N q p 0.0865 m³/hr kPa 0.865 m³/hr bar 1.00 gpm psia P = P1 - P2 Cabe mencionar que para las válvulas de bloqueo normalmente no se efectúan cálculos del Cv ya que para estos tipos de válvulas el tamaño se selecciona de acuerdo al diámetro de la tubería y para la P, el procedimiento usual es utilizar una longitud equivalente de tubo (ver tabla 7.38) según lo especifique el fabricante.
339
Tabla 7.38 Longitud equivalente en diámetros de tubo de diversas válvulas Tipo de válvula y condiciones de operación
Válvulas de globo
Válvulas de compuerta
Vástago perpendi- Asiento plano, cónico o tipo macho cular a los tubos sin obstrucción Con disco de aleta o guiado con pasador Modelo en Y Asiento plano, cónico o tipo macho sin obstrucción: Con vástago a 60° de la tubería Con vástago a 45° de la tubería Modelo en ángulo Asiento plano, cónico o tipo macho (conexiones a 90°) sin obstrucción Con disco de aleta o guiado con pasador Disco de una sola Con asientos integrales al cuerpo o cuña o disco de de construcción anular macho Disco de cuña dividida o doble disco
Válvulas para Con vástago e oleoductos; internos para altos válvulas de torques y presiones bola y macho Convencional de columpio Columpio inclinable
Con asientos flexibles o discos con movimiento independiente
Apert. total
Longitud equivalente en diámetros de tubo, L/D 340
Apert. total
450
Apert. total Apert. total Apert. total
175 145 145
Apert. total
200
Apert. total ¾ Apert. ½ Apert. ¼ Apert. Apert. total ¾ Apert. ½ Apert. ¼ Apert.
13 35 160 900 17 50 260 1200
Con asientos y sellos para cierre hermético. Movimiento rotatorio. Apert. total Mínima P
3*
0.5 †
Apert. total
135
0.5 † 2.0 †
Apert. total Apert. total
50 Igual que globo
Apert. total
Igual que ángulo
Apert. total
150
Apert. total
420
Apert. total
75
Apert. total
40
Válvulas retención
de Globo elevable o corte: vástago 2.0 † perpendicular al tubo o en Y Elevación o tope en P = 2.5 vertical y 0.25 horizontal † ángulo Con disco elevable con vástago Válvulas de pie Bola en la tubería 0.3 † con coladera Con disco con columpio de cuero 0.4 † Válvulas de Tipo de oreja y con Diseño abierto que evita mariposa (8 in brida acumulación de sólidos. Baja P y más grandes)
* La longitud equivalente exacta es igual a la longitud entre las caras de brida o extremos soldados. † Caída mínima calculada de presión (psi) en la válvula para producir flujo suficiente para elevar del todo el disco.
340
7.5.3 Válvulas de Seccionamiento y Estrangulación 7.5.3.1 Principio de funcionamiento En los servicios de agua, alcantarillado y saneamiento, las válvulas se emplean, por lo general, para dos funciones básicas o "primarias": Seccionamiento y estrangulación (control manual). Las válvulas utilizadas para aislar equipo, instrumentos y componentes de la tubería (filtros, coladores, etc.) cuando se necesita mantenimiento, se llaman VÁLVULAS DE BLOQUEO O DE SECCIONAMIENTO. Además las válvulas de Seccionamiento se utilizan en los múltiples y cabezales, para desviar o distribuir las corrientes a diversos lugares según se desee. Estas válvulas suelen ser del tamaño de la tubería y tienen un orificio más o menos del tamaño del diámetro interior del tubo. Para calcular la caída de presión en una válvula de bloqueo, el procedimiento usual es utilizar una longitud equivalente de tubo, según lo especifique el fabricante. Normalmente no se efectúan cálculos de la caída de presión en las válvulas individuales, porque los datos de los fabricantes han estado en uso durante muchos años (Ver tabla 7.38). Las válvulas de operación manual cuya finalidad es regular el flujo, la presión o ambos, se denominan VÁLVULAS DE ESTRANGULACIÓN. La selección del tamaño de una válvula de estrangulación dependerá del coeficiente Cv de flujo en la válvula. La capacidad se determina con pruebas de flujo para una caída dada de presión a lo largo del cuerpo de la válvula y se puede obtener con los fabricantes de este tipo de válvulas. Para mayor información respecto al cálculo del Cv referirse al punto 7.5.2 Después de calcularse el coeficiente de válvula requerido puede hacerse la selección de la válvula del tamaño necesario con el uso de las especificaciones de Cv del fabricante. Las funciones generales de las válvulas son sólo guías del uso más adecuado o más común de determinado tipo de construcción. A menudo hay más de un tipo de construcción apto para una función específica. Las características principales y los usos más comunes de los diversos tipos de válvulas para la función de seccionamiento son: Válvulas de compuerta: Resistencia mínima al fluido de la tubería. Se utiliza totalmente abierta o cerrada. Accionamiento poco frecuente. Válvulas de macho: Cierre hermético. Deben estar abiertas o cerradas M todo. Válvulas de bola: No hay obstrucción al flujo. Se utilizan para líquidos viscosos y pastas aguadas (aguas negras y Iodos). Cierre positivo totalmente abierta o cerrada.
341
Válvulas de mariposa: Su uso principalmente es para cierre y estrangulación de grandes volúmenes de líquidos a baja presión (agua potable, residual y tratada). Su diseño de disco abierto, rectilíneo, evita cualquier acumulación de sólidos; la caída de presión es muy pequeña. Las características principales y los usos más comunes para diversos tipos de válvulas para servicio de estrangulación son: ' Válvulas de globo: Son para uso poco frecuente. Cierre positivo. El asiento suele estar paralelo con el sentido de flujo; produce resistencia y caída de presión considerables. Válvulas de aguja: Estas válvulas son, básicamente, válvulas de globo que tienen un macho cónico similar a una aguja, que ajusta con precisión en su asiento. Se puede tener estrangulación exacta de volúmenes pequeños porque el orificio formado entre el macho y el asiento es cónico, se puede variar a intervalos pequeños y precisos. Válvula en Y: Las válvulas en Y son válvulas de globo que permiten el paso rectilíneo y sin obstrucción igual que las válvulas de compuerta. La ventaja es una menor caída de presión en esta válvula que en la de globo convencional. Válvulas de ángulo: Son, en esencia, iguales que las válvulas de globo. La diferencia principal es que el flujo del fluido en la válvula de ángulo hace un giro de 90 . Válvulas de mariposa: Descrita anteriormente debido a que por su construcción versátil, su uso es común tanto en seccionamiento como en estrangulación o control. Aunque en el comercio hay disponibles otros tipos de válvulas de selección especial para manejar Iodos y pastas aguadas gruesas o finas, como son las de diafragma, fondo plano, etc., su uso está más popularizado en la industria química debido a que con frecuencia, sus partes húmedas están construidas de materiales especiales o revestidas con aleaciones especiales para darles resistencia a la corrosión o a la erosión. De hecho, en el siguiente inciso sólo se tocarán los tipos más comunes en los servicios de agua potable, alcantarillado y saneamiento. 7.5.3.2 Tipos más comunes Para tener una correcta operación del sistema a tratar o de las instalaciones, es de suma importancia definir el número adecuado y tipo de válvulas a instalar, garantizando su continuidad y seguridad al menor costo. Respecto al número adecuado, las principales variables a considerar son: El número de equipos de bombeo a instalar (cantidad de bombas), particularidades del sistema (por ejemplo: La llegada a un cárcamo, protecciones y futuras incorporaciones), etc., mientras que para definir el tipo
342
de válvula adecuada, las principales variables a considerar son: Los espacios disponibles, el arreglo de tuberías, las características y especificación de la línea (tubería), la función o el servicio al que se le destinará, de las cuales, la mayoría depende de las características constructivas y del diseño propio de cada válvula. En puntos anteriores se ha visto de manera genérica los principales componentes de las válvulas, los fundamentos constructivos y sus funciones en los servicios de seccionamiento y de estrangulación. A continuación se tratarán los aspectos relacionados al diseño propio de las válvulas más comúnmente usadas y/o recomendadas para dichos servicios en las instalaciones que competen a este manual. 7.5.3.3 Válvulas de compuerta 7.5.3.3.1 Principio de funcionamiento Las' válvulas de compuerta consisten en un disco que tiene movimiento alternado en el cuerpo. Cuando estas válvulas están abiertas del todo tienen una caída de presión equivalente a la de una sección de tubo. Estas válvulas están disponibles con vástago saliente o fijo. El vástago saliente requiere mayor altura en la instalación, pero las roscas no están expuestas al fluido del proceso. En el vástago fijo, es difícil determinar el grado de apertura. El disco de cuña sólida suele ser macizo y con asientos cónicos de la válvula. Ver figura 7.58.
1 1.- VOLANTE 2.- BONETE 3.- VÁSTAGO 2
4.- CUERPO
3
5.- ASIENTOS 6.- DISCO 6
4 5
Figura 7.58 Válvula de compuerta con bonete atornillado y vástago saliente.
343
En las válvulas con doble disco, las dos superficies de asiento tienen movimiento relativo entre sí. Esto produce buen cierre aunque los asientos estén desalineados o tengan ángulos diferentes. En los diseños de doble y asientos paralelos se utilizan expansores o cuñas para empujar a los discos contra el asiento. Ver figura 7.59.
Figura 7.59 Algunos tipos de discos de cierre en las válvulas de compuerta. 7.5.3.3.2 Aplicación La válvula de compuerta supera en número a los otros tipos de válvulas en servicios, donde se requiere circulación ininterrumpida y poca caída de presión. - Las válvulas de compuerta no se recomiendan para servicio de estrangulación, porque la compuerta y el sello tienden a sufrir erosión rápida cuando se restringe la circulación y producen turbulencia. Por lo tanto se usa donde el disco de la válvula se mantiene totalmente abierto o totalmente cerrado. - Es usada prácticamente para cualquier fluido, generalmente en donde la operación es poco frecuente, para aperturas rápidas y flujo libre. - Debido a su diseño, reporta bajas o nulas caídas de presión en condiciones normales de operación. - Las principales ventajas de estas válvulas son: Acción relativamente rápida, operación sencilla, pueden instalarse en cualquier posición ocupando relativamente poco espacio. 7.5.3.3.3 Materiales de construcción Antes de decidir sobre la elección de los materiales de construcción de una válvula para determinado servicio, se deberán tomar en cuenta los fundamentos que al respecto están contenidos en el punto 7.5.1.3 en donde en una forma concluyente se revaloriza el aspecto de la experiencia constructiva.
344
Es precisamente de esta experiencia de donde se puede establecer que los materiales comúnmente empleados para: a) Válvulas de compuerta de acero los materiales empleados son: - Cuerpo y bonete de acero al carbón forjado para componentes de sistemas sujetos a presión. - Vástago de acero al cromo-molibdeno laminado en caliente. - Disco de acero al carbón. b) Válvulas de compuerta de hierro, los materiales empleados son: - Cuerpo y bonete de fundición de hierro gris para servicios generales. - Cubierta de fundición de hierro gris para componentes de válvulas. - Vástago de acero inoxidable. - Disco de acero al carbón. 7.5.3.3.4 Mantenimiento Como ya se mencionó anteriormente, es recomendable revisar periódicamente las válvulas de compuerta. Esta revisión será visual y su periodicidad se determinará por el tipo de fluido manejado y operación realizada; en base a esto, deberá elaborarse un programa de mantenimiento en donde se incluya a todas las válvulas de este tipo, pero indicando como deberá ser efectuado de acuerdo al servicio y características de cada una de ellas. Generalmente a lo largo del bonete y cubierta del vástago se tienen tapones que al ser cuidadosamente aflojados sin llegar a retirarlos, señalan fugas para lo cual los empaques deberán ser ajustados o sí es necesario, reemplazados. Nunca se debe permitir escurrimientos exteriores del fluido en la válvula por la zona de empaques ya que esto puede ir dañando el buje prensa empaques y facilitará gradualmente la presencia de fugas. Estas inspecciones deberán realizarse frecuentemente junto con la verificación de que las uniones de la válvula permanecen bien apretados para evitar fugas. Debido al diseño de estas válvulas, es posible su reempacamiento en servicio, lo cual representa una ventaja fundamental para el personal de mantenimiento y para la continuidad de la operación. Sin embargo, y aunque el fluido manejado normalmente será agua, se recomienda abatir al mínimo posible la presión de operación y asegurarse de que los empaques nuevos sean los adecuados (preformados) al tipo de servicio que se maneje. La lubricación de la tuerca del vástago se debe verificar periódicamente, de acuerdo a un buen programa de mantenimiento. La grasa industrial es recomendable cuando se requiera lubricar.
345
Con estas medidas de precaución se puede decir, en términos generales, que la válvula de compuerta se caracteriza por sus requerimientos mínimos de mantenimiento correctivo en condiciones normales de operación. 7.5.3.4 Válvulas de mariposa 7.5.3.4.1 Principio de funcionamiento En esencia, la válvula consiste en un disco (llamado también oblea, mariposa, galleta u hoja), ejes. y un cuerpo con empaquetadura y cojinetes para sellamiento y soporte. Los dos cuerpos disponibles son el de anillo macizo o para instalarse entre bridas y el de carrete o bridado ilustrados en la figura 7.60. El cuerpo de anillo macizo requiere poco espacio. El eje es una varilla continua que soporta el disco. El espesor del eje(s) y del disco se determina según la caída máxima de presión requerida
TIPO CARRETE Figura 7.60 Válvulas de mariposa (operación manual) en tipos de placa, orejas (anillo macizo) y de carrete (bridada) El diseño del disco es de máxima importancia. Los tipos circulares cierran con el disco paralelo al diámetro del cuerpo. Los discos tipo elíptico cierran entre 11T y 151 fuera del diámetro del cuerpo. Este diseño es más costoso pero produce cierre hermético. Los discos circulares pueden girar 360 y se requiere cierta holgura entre el disco y el cuerpo; la rotación se limita con topes externos. El espesor del disco y el eje, que limita la zona para circulación, se determina con la caída de presión y la torsión requerida para operar la válvula; cuanto más alta sea la caída de presión mayor es la torsión requerida. Las válvulas con poca caída de presión y baja torsión (llamadas a veces ligeras) tienen disco y eje delgados para máxima capacidad de flujo. Las válvulas "gruesas" son para caídas grandes de presión y tienen disco reforzado y eje más grueso para manejar la alta torsión requerida. El efecto neto es una reducción en la zona de flujo y en la capacidad con la válvula abierta del todo.
346
7.5.3.4.2 Aplicación Las válvulas de mariposa son, quizá, uno de los tipos más antiguos que todavía están en uso. Sin embargo, en los tipos actuales se ha ampliado su aplicación a servicios con gran caída de presión y requisitos de cierre hermético. Su masa reducida y bajo costo las han hecho muy populares. En el tipo de circulación rectilínea se tienen las ventajas de alta capacidad y autolimpieza en el manejo de pastas aguadas o Iodos, evitando cualquier acumulación de sólidos. La caída de presión es muy pequeña cuando está totalmente abierta. Su operación manual es fácil y rápida mediante un volante o una palanca. Es posible moverla desde la apertura total (90 ) hasta el cierre completo (0 ), con gran rapidez. (Ver Figura 7.60) Ya se mencionó anteriormente que las válvulas de mariposa son usadas como válvulas de seccionamiento, pero además pueden regular el flujo (estrangulación) entre 30 y 60 de apertura con mucha exactitud para velocidades por debajo de 5,0 m/s y en tamarlos mayores de 12 pulgadas. En resumen: Las válvulas de mariposa son empleadas cuando se requiere una operación frecuente de estrangulación, abrir o cerrar el paso de¡ flujo, una baja caída de presión, apertura rápida y autolimpieza; adicionalmente son empleadas en lugares en donde el espacio es un factor relevante. 7.5.3.4.3 Materiales de construcción En este tipo de válvulas, los datos de presión y temperatura máximas de operación son de suma importancia para lograr establecer los materiales de los diferentes componentes de la válvula. Para el servicio de agua, alcantarillado y saneamiento, la presión es el parámetro determinante en este aspecto. Las presiones nominales de trabajo son 125, 150 y 300 psi, y están sujetas a la cantidad de flujo y diámetro de la línea. Las principales partes y materiales más empleados en dicho servicio son: Cuerpo. De acero fundido y la especificación apegada a normas es función de la presión. Se requiere un maquinado preciso de este elemento para su correcto acoplamiento con los demás componentes o partes integrantes de la válvula. Disco. De hierro gris y al igual que el cuerpo, su especificación apegada a normas es función de la presión a la que estará expuesto en conjunto con los demás componentes. Flecha. De acero inoxidable y resistente a la deformación. Asientos del cuerpo. Acero inoxidable. Asiento del disco. Buna N.
347
Bujes. De bronce, autolubricados y cuyo diseño no requiera lubricación adicional. 7.5.3.4.4 Mantenimiento Las válvulas de MARIPOSA no requieren mayor mantenimiento que el de conservar en buen estado los empaques de la flecha superior, asientos y reemplazar rutinariamente los bujes (cojinetes) de la misma. Es decir, deberá mantenerse bien firme el prensa empaques (estopero) aplicando a las tuercas solamente el apriete necesario para evitar fugas, pues un ajuste excesivo producirá un mayor desgaste de los empaques. Bujes. Los bujes o cojinetes son de material auto lubricado y no requieren de lubricación adicional. Asiento de¡ disco. El material del asiento del disco es BUNA N y consiste en un anillo de sección trapezoidal con los bordes de contacto redondeados. Se mantiene fijo a la periferia del disco por medio de anillo retén y tornillos inoxidables. El asiento de BUNA N tiene un tiempo de vida prácticamente indefinido y depende de muchos factores circunstanciales el tener la necesidad de dar a la válvula mantenimiento por este concepto. Sin embargo, este tipo de asientos puede ser ajustado o reemplazado sin desmontar la válvula de la línea, en tamaños de 30% (762 mm) en adelante. Durante los trabajos de inspección en mantenimiento preventivo, pueden llegar a destacar fugas por el asiento, que pueden ser causadas por un simple desajuste o en casos extremos, por el agrietamiento del mismo. A) PARA AJUSTAR EL ASIENTO DEL DISCO (Procedimiento para válvulas mayores de 30" (762 mm). a) Cerrar totalmente la válvula, asegurando que no sea operada mientras dure el trabajo. b) Vaciar la tubería del lado plano del disco, ya que en este sentido se encuentran el asiento de hule y retén. c) Señalar los puntos de fuga d) Identificar si existe daño en el asiento de¡ disco, en el anillo retén o en el asiento del cuerpo. En caso afirmativo, cambiar el asiento del disco (ver inciso b) y si el daño es en el asiento del cuerpo, es preferible que sea reparada por el fabricante. En caso negativo, si sólo se trata de alguna fuga, se deberán ajustar los tornillos en la zona afectada con el torque o fracción de vuelta recomendado en el manual de¡ fabricante. NOTA: Lo descrito con anterioridad es sólo una guía práctica.
348
B) PARA REEMPLAZAR EL ASIENTO DEL DISCO a)Seccionar el paso del agua en ambos lados de la válvula (si es posible, es recomendable retirarla de la línea). b) Marcar la posición del anillo retén (dos puntos como mínimo). c) Aflojar los tornillos, quitar el anillo retén y el asiento, teniendo cuidado de no deformar el anillo retén. d) Limpiar la superficie en donde se fijará el asiento usando de preferencia lija. e) Presentar el nuevo asiento y el anillo retén en su posición original, indicada por las marcas del inciso 2). Dibujar con un bolígrafo sobre el asiento del disco los barrenos del retén, usándolo como plantilla para el trazo. f) Señalar con un marcador la posición del asiento respecto al disco. Desensambiar el asiento del disco y perforar los barrenos trazados (mismo diámetro que el de los tornillos). g) Ya hechas las perforaciones, colocar el asiento. 7.5.4 Válvulas de retención 7.5.4.1 Principio de funcionamiento La principal función de las válvulas de retención (check) es evitar la inversión o contrasentido del flujo; es decir, evitar el cambio de dirección del fluido que se conduce a través de la tubería. Son de funcionamiento automático y se mantienen abiertas por la presión del fluido que circula. La presión del flujo abre la válvula y el peso del mecanismo de retención o cualquier inversión en el flujo la cierran. Los discos y componentes movibles de la válvula pueden estar en movimiento constante si la fuerza de la velocidad del flujo no es suficiente para mantenerlas en su posición de apertura total. A diferencia de la mayoría de las otras válvulas, las de retención tienen mayores probabilidades de tener fugas a bajas presiones que a altas, esto es debido a que no suelen tener un cierre confiable lo que ocasiona escurrimiento. En la mayor parte de los casos, la válvula de retención se instala junto con una válvula de cierre para tener un mejor control del escurrimiento. Existen diferentes tipos de válvulas de retención y su selección depende del tipo de servicio, de la temperatura, caída de presión que producen y limpieza del fluido.
349
La clasificación de las válvulas de retención abarca varios tipos dentro de los cuales se tienen los siguientes: 7.5.4.2 De columpio 7.5.4.2.1 Principio de funcionamiento Este tipo de válvula abre con la presión en la tubería, pues el flujo en sentido normal hará que el disco oscile y se separe de¡ asiento. Se cierra cuando la presión llega a cero; en este caso, el disco queda sujeto contra el anillo de asiento por su propio peso. Las válvulas de retención de columpio (Ver figura 7.61) se utilizan con bajas velocidades del fluido y en la mayoría de los sistemas se utilizan en combinación con válvulas de compuerta.
1.- Cuerpo 2.- Tapa 3.- Disco 4.- Asiento 5.- Brazo
6.- Empaque 7.- Perno 8.- Tuerca 9.- Caja del disco 10.- Plato del disco
11.- Eje del brazo 12.- Tornillo del Retén 13.- Retén del disco (tuerca)
Figura 7.61 Válvula de retención tipo disco de columpio Las válvulas de retención de columpio requieren un tiempo menor para cerrar que las válvulas de seccionamiento; no tienen huecos ni cavidades que puedan alojar sólidos que impidan su operación y sello total. 350
Esta válvula funciona por gravedad, cosa que se debe tomar en cuenta para instalarla; por lo general, la válvula se instala en posición horizontal, pero también se puede instalar en tuberías verticales con flujo ascendente. El flujo por este tipo de válvula es brusco, originando turbulencia dentro de ella, por lo que, contribuye significativamente al aumento de la longitud equivalente en diámetros de tubería, al incluiría dentro de los análisis de caída de presión (Ver tabla 73-4).
Tabla 7.39 Longitud equivalente en diámetros de tubo de diversas válvulas
351
7.5.4.2.2 Ventajas y desventajas Las principales ventajas de esta válvula son: es de gran utilidad para servicios de baja velocidad, acción rápida, operación sencilla; pueden instalarse en cualquier posición, cierre casi hermético, mantenimiento sencillo, etc. Dentro de las desventajas más importantes se tiene que no asegura un cierre hermético, se utilizan generalmente para flujo horizontal; si se utilizan en posición vertical aumentará la caída de presión, y la inversión súbita del flujo hace que el disco golpee contra el asiento y se produzca un severo golpe de ariete. 7.5.4.2.3 Materiales de construcción En este tipo de válvula al igual que las anteriores, los datos de presión y temperatura máxima de operación son de gran importancia al seleccionar los materiales de los diferentes componentes de la válvula. Los cuales son: Cuerpo: Las válvulas de columpio pueden ser fabricadas en dos diferentes tipos de cuerpo, en Y y rectilíneos. En la figura 7.61 se muestra una descripción más detallada de los componentes de la válvula: Las válvulas en Y tienen una abertura alineada con el asiento que está integrada al cuerpo; esto permite rectificar por esmerilado las válvulas que asientan metal con metal. Las válvulas rectilíneas tienen un disco embisagrado en la parte superior, con lo cual la superficie de asentamiento está a un pequeño ángulo, lo cual permite que el disco oscile y se abra con presiones más bajas. Los anillos del asiento pueden ser fácilmente reemplazables. Disco: Los que se emplean en estas válvulas son metálicos o de composición. Los metálicos están disponibles en configuración, para flujo en Y y rectilíneo. Los discos de composición son preferibles para agua con contenido de sólidos, son más silenciosos y pueden formar cierre hermético aunque haya partículas en la tubería. Para bajas presiones, se logra un buen cierre con discos de composición. Tapas: Estas pueden ser: - Roscada, que es la más económica y sencilla. - Atornillada, con una junta entre la tapa y el cuerpo. Cuando se necesita una reacción más rápida a la inversión del flujo, algunas válvulas se pueden equipar con palanca y pesos externos. Esto producirá cierre rápido del disco y reducirá las posibilidades de borboteos y choques. Se ajustan la palanca y los pesos de modo que el disco se abra con la mínima presión o no se abra hasta que la presión llegue a un valor deseado.
352
Las válvulas de retención de disco tipo columpio se fabrican con una amplia gama de materiales: bronce, hierro fundido, acero forjado, monel, acero fundido y acero inoxidable (Ver tablas 7.33 y 7.34). Los extremos pueden ser: roscados, bridados o soldados. Se recomiendan con extremos roscados para diámetros pequeños hasta 4" (101 mm). 7.5.4.2.4 Mantenimiento Estas válvulas pueden ser reparadas sin necesidad de ser desmontadas, para corregir problemas y cambiarte los asientos o el disco en forma inmediata. De acuerdo al servicio para el cual haya sido seleccionada la válvula, se debe verificar que el pasador oscilante se encuentre debidamente lubricado (éste debe ser revisado con cierta periodicidad). Los asientos deben ser rectificados, para asegurar la eficiencia del sello. 7.5.4.2.5 Selección La válvulas de retención (check), tipo disco de columpio, sólo están diseñadas para permanecer abiertas o cerradas totalmente (no regulan flujo). Para hacer una selección adecuada se debe tomar en cuenta la limpieza del fluido y la caída de presión que producen. Una aplicación característica para estas válvulas de retención es en donde la resistencia al flujo sea mínima, servicios de baja velocidad y con cambios de dirección poco frecuentes. Estas válvulas se pueden instalar en una tubería horizontal o en una vertical con flujo ascendente. Son aplicables para servicios de baja o media presión con toda clase de fluidos, por lo que las hacen de gran utilidad para servicio de agua residual y alcantarillado. Por su característica de diseño, resultan una alternativa segura para lugares expuestos a posibilidad de incendio. 7.5.4.2.6 Cálculo de la caída de presión ( P) El ejemplo que será mostrado es sólo ilustrativo en el caso de que el fabricante seleccionado reporte valores de "Cv". La ecuación a manejar es la indicada en el punto 7.5.2, a partir de lo cual se tiene: 2
P =
Q Gf N1Cv
353
(7.21)
donde: P = Pérdida de presión de carga secundaria [ft]. Cv = Coeficiente de capacidad de la válvula (adimensional). Q = Flujo volumétrico manejado en la tubería [gpm]. Gf = Gravedad específica del agua (= 1.0 @ 1.5 C) adimensional N1 = Constante numérica = 1 cuando Q en gpm. Valores de Cv reportados por el fabricante. 6 8 10 12 14 16 18 20 24 30 36 (plg) 4 CV 450 1050 2000 3200 5100 7450 9000 11200 15400 21500 38000 47500 Requerimiento: Se necesita conocer la caída de presión generada por una válvula de retención de tipo columpio. Datos: - Diámetro nominal de la tubería = 16" (0.4064m) - Cv = 9000 - Q= 8000 gprri - Gf= 1.0 @ 15 C Sustituyendo valores en la fórmula: P
8000 2 lb 1 0.7901 1 9000 in2
0.7901 lb/in2 x 2.311 = 1.828 pies de H20, 68 F = 0.5571 m Es importante tener presente que si no se dispone de datos más precisos del fabricante, se puede hacer este tipo de análisis. Aunque normalmente los fabricantes de válvulas de retención proporcionan sus nomogramas de caída de presión( P). Los valores de caída de presión varían de acuerdo al gasto transportado por la línea y a la velocidad deseada dentro de la misma. 7.5.4.3 De disco inclinable 7.5.4.3.1 Principio de funcionamiento La válvula de retención (check), tipo DISCO INCLINABLE (ver figura 7.62), es similar a la de columpio, su principal función es evitar el retroceso o contrasentido del flujo, es decir, evitar el cambio de dirección del fluido que se conduce a través de la tubería.
354
1
4
2
3
1
1.2.3.4.-
CUERPO DISCO ASIENTO EJE DE PIVOTEO
Figura 7.62 Válvula de retención disco inclinable Esta válvula consiste en una cubierta cilíndrica que tienen un disco pivotado (inclinable). El disco se separa con facilidad del asiento para abrir la válvula, debido a que su diseño rectilíneo opone baja resistencia al flujo. Los topes para el disco, integrados al cuerpo, sirven para colocar éste y obtener un flujo óptimo cuando está abierto. Cuando se reduce el flujo, el disco empieza a cerrar porque se inclina a un ángulo creciente con la trayectoria del flujo. Esta válvula de retención tiene menos caída de presión a baja velocidad, y más caída a alta velocidad que una válvula equivalente de columpio. La presión del flujo abre la válvula, en el sentido normal hará que el disco se estabilice y se separe del asiento; el balanceo en el peso del mecanismo de retención y cualquier inversión en el flujo, la cierran. Estas válvulas son operadas en forma automática cuando el fluido que pasa a través de la válvula cambia de sentido.
355
Los discos y componentes movibles de la válvula pueden estar en movimiento constante si la fuerza de la velocidad no es suficiente para mantenerlas en su posición estable de apertura total. Son de funcionamiento un poco más silencioso que las del tipo columpio y forman un asiento hermético aunque haya partículas en la tubería. Para presiones de considerable valor, se logra un cierre positivo. El flujo por la válvula es rectilíneo, originando baja resistencia, por lo tanto, el valor de caída de presión es bajo, sin que esto represente la eliminación para los análisis de caída de presión. 7.5.4.3.2 Ventajas y desventajas Las principales ventajas de esta válvula son: Acción rápida, operación sencilla; pueden instalarse en cualquier posición, regular espacio para instalación, cierre hermético, etc. Existe una desventaja muy importante en la aplicación de este tipo de válvulas, y es que posee una mayor probabilidad de que se presente el golpe de ariete. 7.5.4.3.3 Materiales de construcción El tipo más usado dentro de esta clasificación de válvulas es el que cuenta con el cuerpo dividido en dos secciones y unidos diagonalmente con bridas en la sección central, a una inclinación entre los 50 y 60 grados. Los principales elementos estructurales de la válvula de retención de disco inclinable son: a) Cuerpo c) Disco b) Eje de pivoteo(varilla) d) Tapa La unión pivotante del disco se encuentra justo encima del centro y está descentrada del plano de¡ cuerpo. Este diseño disminuye el recorrido del disco y reduce la fuerza de cierre, cosa que reduce al mínimo el golpeteo. Cuando se esperan flujos inversos a alta presión, se pueden equipar las válvulas con un amortiguador de cierre (dashpot) en el disco para controlar el cierre. Estas válvulas están disponibles con sello de anillo blando o de metal con metal. Las válvulas grandes tienen también un sello insertado. Las válvulas de disco inclinable se fabrican de diferentes materiales como: Hierro dúctil, hierro fundido, acero inoxidable, aluminio, bronce y aleaciones resistentes a la corrosión.
356
1
4
2
3
1
1.2.3.4.-
CUERPO DISCO ASIENTO EJE DE PIVOTEO
Figura 7.63 Válvula de retención disco inclinable Los discos que se emplean en estas válvulas son metálicos. Están disponibles en configuración para flujo rectilíneo. Cuando se necesita una modificación en la reacción de inversión del flujo, algunas válvulas se pueden equipar con actuadores externos. Esto producirá cierre amortiguado del disco y reducirá la posibilidad de golpe de ariete. Los extremos pueden ser: bridados o soldados. 7.5.4.3.4 Mantenimiento Esta válvula puede ser reparada sin necesidad de ser desmontada, para corregir problemas y es posible cambiarle los asientos o el disco en un tiempo relativamente corto. De acuerdo al servicio para el cual ha sido seleccionada la válvula, se debe verificar con cierta frecuencia la lubricación en el eje de pivoteo. Los asientos pueden ser rectificados, con lo cual se asegura la eficiencia del sello. 7.5.4.3.5 Aplicación y selección La selección de este tipo de válvula depende de la temperatura, presión de operación, de la caída de presión que producen, de la limpieza del líquido y en grado menor, del costo de operación y las limitantes por la configuración de tubería.
357
Estas válvulas son usadas para prevenir el contraflujo en una tubería y sólo están diseñadas para permanecer abiertas o totalmente cerradas (no regulan flujo). La temperatura máxima de trabajo para estas válvulas varía de acuerdo al material de construcción de la válvula (hierro dúctil o fundido) y a la presión bajo la cual trabajará. Es recomendable su utilización donde se requiera tener baja caída de presión a bajas velocidades. Estas válvulas se pueden instalar en una tubería horizontal o en una vertical con flujo ascendente, se emplea para velocidades medias de fluido con inversiones en flujo de relativa frecuencia; en algunos sistemas se utilizan en combinación con válvulas de compuerta. Son aplicables para servicios de media o alta presión con toda clase de fluidos. Por su característica de diseño, resultan una alternativa segura para lugares expuestos a posibilidad de incendio. 7.5.4.3.6 Cálculo de la caída de presión ( P) para válvulas de disco inclinable Siguiendo el mismo procedimiento de cálculo que para las válvulas de tipo columpio, se tienen los siguientes valores de Cv reportados: (plg) CV
6
8
10
12
14
16
18
20
24
30
36
1160
2200
3600
5400
7600
10300
13200
16800
25500
42000
63000
Requerimiento: Se requiere medir la caída de presión que genera una válvula de tipo disco inclinable la cual será instalada en una línea de 18 plg. Datos: - Diámetro nominal de la tubería = 18" (0.4572m) - Cv = 13200 - Q = 12,000 gpm - Gf = 1.0 @ 15 C Sustituyendo valores en la fórmula: P
12000 2 1 0.8264 lb plg2= 5697 Pa 1 13200 0.8264 x 2.311 = 1.909 pies de agua a 68°F = 0.5818 m P = 1.909 pies = 0.5818 m
358
Es importante tener presente que si no se dispone de datos más precisos del fabricante o de datos experimentales, se puede hacer uso de este tipo de análisis. Aunque normalmente, los fabricantes de válvulas de retención proporcionan sus nomogramas de pérdidas de carga. los valores de pérdida de presión varían de acuerdo al gasto transportado por la línea y a la velocidad deseada dentro de la misma. 7.5.4.4 De disco bipartido 7.5.4.4.1 Principio de funcionamiento La válvula de retención (check), tipo. DISCO BIPARTIDO, es una variante de las válvulas descritas anteriormente, al igual que éstas, su función principal es evitar el retroceso o contrasentido del flujo, es decir, evitar la inversión del flujo conducido a través de la tubería cuando éste se interrumpa. Estas válvulas consisten en un par de discos divididos embisagrados en el centro con un pasador y tienen un resorte para mantenerlos cerrados cuando no hay flujo, esta válvula no funciona por gravedad, lo cual permite una mayor flexibilidad en su instalación. La operación de estas válvulas es simple; sólo basta tener presión en el sentido del fluido para abrirlas, o en el caso contrario cualquier inversión en el flujo la cierra, no tienen huecos ni cavidades que puedan alojar sólidos que impidan su operación y el sello. Posee esferas estabilizadoras, integradas al cuerpo que sirven para evitar las vibraciones a lo largo de la vida de la misma, con lo que es posible obtener un flujo óptimo cuando está abierta. Cuando se reduce el flujo, los discos empiezan a cerrar gracias a la acción mecánica de los resortes, modificando el ángulo de paso a la trayectoria del flujo. Esta válvula de retención tiene mayor caída de presión que las válvulas de columpio y de disco basculante, pero al contrario de ésta, no cierra de golpe ni ocasiona choques de presión. Los discos y componentes movibles de la válvula están en estado estacionario constante, mientras no exista fuerza que sea mayor a la energía potencial que mantienen los resortes. Al momento de presentarse una mayor fuerza sobre las caras de los discos, éstos perderán su posición estable para de esta forma permitir la apertura parcial o total. Son de funcionamiento poco más silencioso que las del tipo columpio pero no reportan mayor hermeticidad. Para presiones de considerable valor, se logra un cierre positivo.
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Al igual que las válvulas anteriores son utilizadas únicamente para prevenir el contraflujo en una tubería y sólo están diseñadas para permanecer abiertas o totalmente cerradas (no regulan flujo). El flujo que atraviesa por la válvula no es rectilíneo, dada la naturaleza de la misma, la cual genera considerable resistencia y, por lo tanto, el valor de la longitud equivalente en diámetros de tubería, es importante en el análisis de caída de presión. 7.5.4.4.2 Ventajas y desventajas Las principales ventajas de esta válvula son: Sencillez y mantenimiento fácil; se pueden utilizar en servicio con líquidos de manera óptima, es ligera de peso, delgada y se instala entre dos bridas de tubo con un solo juego de tornillos; el cierre del disco es con carga de resorte para evitar la inversión del flujo al interrumpirse éste, se puede instalar en posición horizontal o vertical, es de acción rápida, y minimiza el espacio requerido para su instalación. NOTA: Para aplicaciones de flujo horizontal, la posición del perno deberá mantenerse en forma vertical. Existen desventajas considerables para este tipo de válvulas como son: El funcionamiento depende de que el asiento y disco estén limpios, por lo cual no se permiten sólidos en suspensión, el accionamiento con resorte aumenta la caída de presión en el sistema, esta válvula no asegura el cierre hermético, no permite incorporarle operadores que reduzcan o amortigüen la velocidad de cierre, la inversión súbita del flujo hace que el disco choque contra el asiento y se produzca golpe de ariete.
360
1.- Cuerpo 2.- Disco 3.- Eje de disco 4.- Eje de paro del disco Figura 7.64 Válvula de retención disco bipartido 7.5.4.4.3 Materiales de construcción Esta válvula es la menos utilizada dentro de la familia de las válvulas de retención; su cuerpo es de menor tamaño y su disco está dividido en dos secciones y unidas transversal mente con un perno ubicado en la sección central. La unión en el eje de los discos se encuentra justo en el centro y soporta el esfuerzo producido por la presión del fluido a través de la válvula. Este diseño disminuye el recorrido de los discos pero reduce la fuerza de cierre. Estas válvulas están disponibles con sello de anillo de metal con metal. El cuerpo de las válvulas de disco bipartido se fabrican de diferentes materiales como: Hierro dúctil, hierro fundido, acero inoxidable, aluminio, acero al carbón, bronce y aleaciones específicas.
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Los discos son metálicos en materiales como hierro dúctil, acero inoxidable, bronce al aluminio, acero al carbón, bronce y aleaciones específicas. La interconexión a la tubería es entre bridas estándar. 7.5.4.4.4 Mantenimiento Esta válvula ofrece un fácil mantenimiento al momento de corregir problemas y es posible cambiarle los asientos o el disco en un tiempo relativamente corto. De acuerdo al servicio para el cual ha sido seleccionada la válvula, se debe realizar el ajuste en el eje de pivoteo con cierta frecuencia. Los asientos pueden ser rectificados, con lo cual se asegura el buen funcionamiento del sello. Por su reducido peso, es posible su manipulación manual hasta tamaños de válvula de 12" de diámetro. 7.5.4.4.5 Aplicación y selección La selección de este tipo de válvula depende de la temperatura y presión de operación, de la caída de presión que producen, de la limpieza del líquido y del costo de operación y adquisición. Resultan una buena opción donde la caída de presión no sea de cuidado, y se tengan limitaciones tanto en el costo como en el espacio para su instalación. Las válvulas de disco bipartido se pueden instalar en una tubería horizontal o en una vertical con flujo ascendente. Esta válvula es utilizada para diámetros pequeños (hasta 12") y donde existan inversiones de flujo con relativa frecuencia; en algunos sistemas se utilizan en combinación con válvulas de compuerta. Son aplicables para servicios de medía o alta presión, con fluidos limpios. Por su característica de diseño, resultan una alternativa segura para lugares expuestos a la posibilidad de incendio. Los rangos de temperatura para las válvulas de retención tipo disco bipartido son: - De acero al carbóri, de 0 C a 300 C, clase 150 y 300, para presiones de hasta 800 psi. - De hierro fundido, de 0 C a 200 C, clase 125 y presiones de hasta 300 psi. - De hierro fundido de 0 C a 200 C, clase 250 y presiones de hasta 600 psi. De acuerdo a la combinación presión-temperatura, es posible tener flexibilidad dentro de los anteriores rangos mencionados.
362
7.5.4.4.6 Cálculo de la caída de presión para válvulas de disco bipartido Se calcula igual que para las válvulas anteriores, con la única diferencia de los valores de Cv para este tipo de válvulas. 4 6 8 10 12 14 16 18 20 24 30 36 (pig)} CV 330 840 1600 2700 4000 5200 7200 9400 12000 18500 33000 50000 Es importante tener presente que si no se dispone de datos más precisos del fabricante o de datos experimentales, se puede hacer uso de este tipo de análisis. Aunque normalmente, los fabricantes de válvulas de retención proporcionan sus nomogramas de pérdidas de carga. Los valores de pérdida de presión varían de acuerdo al gasto transportado por la línea y a la velocidad deseada dentro de la misma. 7.5.4.5 Dé pie 7.5.4.5.1 Principio de funcionamiento Las válvulas de "pie" son un tipo especial de las válvulas de retención (check), se utilizan en la parte inferior del tubo de succión en las bombas horizontales para evitar flujo inverso y pérdida del líquido en la succión. Esta válvula es para flujo ascendente y para mantener el cebado en la bomba. Se utiliza un colador desmontable (pichancha) en el lado inferior o de entrada de la válvula para que no pasen cuerpos extraños a la bomba. Su operación es sencilla, abre con la succión que genera la bomba lo cuál hace que la presión atmosférica actuando sobre la superficie libre del líquido, crea un flujo en sentido ascendente que hará que el disco se levante y se separe del asiento. Se cierra cuando la succión se reduce y llega a cero (paro de bomba) o con cualquier inversión en el flujo; en este caso, el disco queda sujeto contra el asiento por el peso de la columna del fluido atrapado en la tubería, evitando el vaciado de la línea de alimentación de la bomba. Son de funcionamiento silencioso y forman un sello hermético aun con la existencia de pequeñas partículas en la succión. Estas válvulas son operadas en forma automática con el paso o interrupción del fluido manejado por la bomba y sólo están diseñadas para permanecer abiertas o totalmente cerradas.
363
7.5.4.5.2 Ventajas y desventajas Las principales ventajas de esta válvula son: impide la pérdida del líquido en la succión de la bomba mientras el nivel del líquido esté más arriba que la entrada a la válvula, acción rápida, operación sencilla y cierre hermético. Al no haber flujo inverso, se evita la contaminación del líquido en el depósito o cisterna, la operación es sencilla, se instala en posición horizontal y reporta cierre hermético. Esta válvula genera turbulencia dentro de ella y por lo tanto, caída de presión, en la mayoría de los casos prácticos, se considera despreciable si la comparamos, por ejemplo, con las válvulas de retención de columpio o disco, sin embargo aumenta la resistencia en la succión de la bomba y reduce la carga positiva neta de succión disponible (NPSH)d. Otra desventaja importante es el costo y el peso que llega a tener ésta y que son proporcionales al aumento de su tamaño. 7.5.4.5.3 Materiales de construcción El cuerpo de este tipo de válvula se construye, en general, de acero fundido bajo en carbono para incrementar su resistencia a la oxidación. Generalmente, la sección de la tubería en la succión de la bomba es muy semejante a la de la válvula, originando con esto disminuciones notables en pérdidas. El material más empleado para la fabricación de asientos y discos en estas válvulas son, generalmente, metálicos de bronce para aumentar la resistencia a la corrosión debida al contacto permanente con el agua. El disco de las válvulas de retención tipo de pie, al momento de cerrar, establece un contacto inicial con el asiento de la válvula el cual esta provisto generalmente de Buna-N en los extremos para aumentar la fiabilidad del sello cuerpo-asiento de la válvula. Los extremos son bridados, lo cual facilita su manipulación al momento de desmontarlas de la tubería de succión de las bombas.
364
7.5.4.5.4 Mantenimiento Para darle mantenimiento a este tipo de válvula se debe desmontar de la línea para poder repararla. Es posible cambiarle el asiento de Buna-N o el disco, ya que son fácilmente reemplazables.
1.- Cuerpo 5.- Buje 2.- Asiento 6.- Tornillos 3.- Disco 7.- Colador 4.- Resorte Figura 7.65 Válvula de pie La carrera del vástago del disco y el buje son lubricados con el mismo fluido, haciendo más confiable su operación y evitando atascamiento entre estas partes. Los asientos pueden ser rectificados, con lo cual se asegura la eficiencia del sello. La frecuencia con la que se debe limpiar el colador depende de la calidad del fluido manejado; de esta manera se tienen largos períodos sin mantenimiento requerido, cuando el fluido es limpio y está libre de sólidos o partículas en suspensión.
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7.5.4.5.5 Aplicación y selección La selección de la válvula de retención (check), tipo de pie depende principalmente de la presión de trabajo de la línea de succión de la bomba, diámetro de la tubería, caída de presión que producen y la limpieza del fluido. Esta válvula tiene menos caída de presión a diámetros mayores, manteniendo la velocidad constante a través de ella. La aplicación característica para estas válvulas son en la succión de la bomba, dentro del cárcamo o cisternas, sumergidas totalmente, en el fluido. Son válvulas muy seguras y tienen una larga vida. La válvula de retención tipo de pie se pueden obtener con extremos del tipo bridado. 7.5.4.5.6 Cálculo de la caída de presión para válvulas de pie Se calculan igual que las válvulas anteriores, por lo que sólo se indican los valores teóricos de Cv (plg) Cv
2
3
4
5
6
8
10
12
14
16
18
310
730
1300
2130
2900
5300
8300
11790 15270 18950 23590
Estas válvulas se fabrican normalmente (incluyendo colador) hasta 18" de diámetro. 7.5.4.6 De cierre lento 7.5.4.6.1 Principio de funcionamiento La función principal de la válvula de CIERRE LENTO es evitar el retroceso del flujo de agua en forma gradual (no de golpe o rápidamente). Generalmente esta válvula tarda de 3 a 5 minutos para abrir y de 5 a 10 minutos para cerrar; estos tiempos están en función de los requerimientos que se presenten por el funcionamiento propio del sistema; ya que los tiempos de apertura y cierre son ajustables. Permite el paso de flujo en posición completamente abierta y lo impide en la posición completamente cerrada. Dado que el cierre de la válvula es suave y continuo, hay poca turbulencia dentro de ella en comparación con las válvulas de retención de disco inclinado. Estas válvulas no tienen huecos, ni cavidades que puedan alojar sólidos que impidan su operación y el sello total. 7.5.4.6.2 Ventajas y desventajas Las principales ventajas de esta válvula son: Operación sencilla, silenciosa, proporcionan seguridad de operación al sistema y reducen el efecto del golpe de ariete,
366
evita el retroceso o contrasentido del flujo lentamente, es decir, evita el cambio de dirección del fluido que se conduce a través de la tubería. Estas válvulas tienen un disco pivotado (inclinable) controlado por un pistón (a base de aceite) externo e interconectado con el disco interior. Cuando se reduce el flujo, el disco empieza a cerrar inclinándose a un ángulo creciente con la trayectoria del flujo. Los discos y componentes movibles relativos a los mecanismos pueden estar en movimiento constante, si la fuerza de la velocidad no es suficiente para mantenerlas en su posición estable de apertura total. El flujo por la válvula es rectilíneo. La principal desventaja de este tipo de válvula es que debido a su diseño, reporta caídas de presión importantes del orden de 1.0 m por cada metro cúbico por segundo de agua conducido por una válvula de 24" (0.61 m) de diámetro. 7.5.4.6.3 Materiales de construcción Las válvulas de cierre lento se fabrican de diferentes materiales como: hierro dúctil, hierro fundido, acero inoxidable, aluminio, bronce y aleaciones resistentes a la corrosión.
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1.- Cuerpo 3.- Acoplamiento (Válvula - control) 2.- Disco 4.- Control hidráulico Figura 7.66 Válvula de retención de cierre lento La unión pivotante del disco se encuentra justo encima del centro y está descentrada de¡ plano de¡ cuerpo. Este diseño disminuye el recorrido del disco y reduce la fuerza de cierre, cosa que reduce al mínimo el golpeteo; se fabrican con extremos bridados. Los discos que se emplean en estas válvulas son metálicos. Están disponibles en configuración para el flujo rectilíneo.
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7.5.4.6.4 Mantenimiento Esta válvula puede ser reparada sin necesidad de desmontarla totalmente, y es posible renovarle los asientos o el disco en un tiempo relativamente corto. De acuerdo al servicio para el cual ha sido seleccionada la válvula, es necesario revisar con cierta frecuencia que el eje de pivoteo se encuentre correctamente lubricado. 7.5.4.6.5 Aplicación y selección La selección de este tipo de válvula depende del gasto a conducir, de la velocidad deseada dentro de ellas, de la presión de funcionamiento y de la caída de presión que producen; del costo de operación y las limitantes por la configuración de tubería. Estas válvulas se instalan en tubería horizontal. En algunos sistemas se utilizan en combinación con válvulas de compuerta, son aplicables para servicios de media o alta presión manejando diversos fluidos. Por su característica de diseño, resultan una alternativa segura para lugares expuestos a posibilidad de incendio. Son de gran seguridad, larga vida y costo relativamente alto. Los rangos de temperatura para las válvulas de cierre lento de hierro dúctil y hierro fundido, son de -10 C a 150 C, en clases 400 y 600 y presiones de hasta 800 psi. De acuerdo a la combinación presión-temperatura es posible tener flexibilidad dentro de los anteriores rangos mencionados. 7.5.4.6.6 Cálculo de pérdidas de presión para válvulas de cirre lento El cálculo es similar al punto 7.5.2, la única diferencia es el proporcionar un mayor tiempo para cerrar o abrir la válvula. 7.5.5 Válvulas de flotador 7.5.5.1 Principio de funcionamiento La función principal de la VÁLVULA DE FLOTADOR es controlar el nivel de agua dentro de depósitos o tanques, por medio de un piloto (interno o externo) y un flotador externo el cual se encarga de sensar el nivel del fluido dentro del tanque, para hacer operar la válvula (Ver figura 7.67). Debido a su diseño, la operación e instalación de estas válvulas es simple; basta con tener una diferencia de niveles entre el existente dentro del tanque y el calibrado para que la válvula abra o cierre totalmente, el tiempo depende de la velocidad a la cual se llene el tanque; aunque no hay que olvidar que la velocidad de apertura o cierre también depende de la correcta selección de la válvula, actuador y de los accesorios con los que cuentan este tipo de válvulas.
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También es importante mencionar que el diseño de estas válvulas les permite permanecer totalmente abiertas o cerradas. El flotador de la válvula se acciona para cerrar, cuando el nivel del fluido dentro del tanque ha alcanzado el valor deseado y opera para abrir cuando éste se abate. El paso del flujo a través de la válvula genera turbulencia dentro de ella, motivo por el cual esta válvula se instala en la terminación de línea. Presenta caídas de presión de considerable valor y en la mayoría de los casos prácticos se consideran fuertemente dentro de los cálculos de pérdidas totales (a diferencia de válvulas de compuerta por ejemplo). Existen dos tipos principales de válvulas de flotador: De pistón y de palanca. La aplicación de uno u otro tipo depende del tamaño y de la presión de trabajo.
3 2 4 1
1.- Cuerpo 2.- Tapa superior 3.- Contrapeso 4.- Flotador Figura 7.67 Válvula de flotador
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7.5.5.2 Ventajas y desventajas Las principales ventajas de este tipo de válvulas es que son de acción automática, cierre hermético, es posible controlar la velocidad de cierre con lo cual se evita el golpe de ariete, no requieren ningún dispositivo extra para poder operar. Son seguras, tienen una larga vida y un bajo costo de operación. Las desventajas más conocidas para este tipo de válvulas son: La instalación debe ser horizontal, se requiere un espacio considerable para su montaje e instalación, requiere una válvula de seccionamiento antes de ésta, no puede ser operada remotamente. 7.5.5.3 Materiales de construcción Los principales componentes de la válvula de flotador son: a) Cuerpo d) Caja b) Tapa e) Sello c) Elemento de estrangulamiento f) Flotador (pistón, diafragma, etc.) En la figura 7.67 se muestra una válvula tipo flotador - El cuerpo en lo posible deberá ser bridado (bridas de acuerdo a la presión de operación) para ser instalado entre bridas. - El material del cuerpo de la válvula debe ser de acero al carbón o hierro, el material del tapón y los internos deberán ser de níquel-cromo-molibdeno o bronce, dependiendo el servicio. - El asiento debe ser de Buna-N o de un material adecuado de acuerdo a las condiciones de operación. - Los empaques deben ser de Buna-N o un material suave 7.5.5.4 Mantenimiento Esta válvula puede ser reparada y desmantelada sin desmontarla de la línea para corregir problemas. Los asientos deben ser revisados y ajustados con cierta frecuencia para asegurar un óptimo sellado. Generalmente requieren poco mantenimiento, dependiendo éste de la calidad de los componentes y de los accesorios propios de la válvula. Las válvulas de flotador son usadas para seccionar el paso de flujo y su diseño les permite permanecer totalmente abiertas o cerradas.
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7.5.5.5 Aplicación y selección Las válvulas de flotador se caracterizan por su amplio campo de aplicación en la distribución de agua potable. Un punto importante en la selección de estas válvulas es considerar que el material de los asientos debe ser resistente a la erosión provocada por el paso continuo del fluido y el material de construcción de la válvula, tapón y empaques deben ser los adecuados para la temperatura y presión máxima de trabajo. Por su característica de diseño, resultan una alternativa segura para controlar el nivel del agua dentro de los tanques o depósitos de agua. Se fabrican con extremos roscados y bridados. Cuentan con accesorios como válvulas de seccionamiento, filtros, tee y piloto flotador. Son operadas automáticamente (son autónomas); sólo necesitan de una calibración adecuada. Los rangos de temperatura para las válvulas de flotador de acero al carbón y de hierro son de 0 C a 150 C, para presiones de hasta 150 y 175 psi respectivamente. De acuerdo a la combinación Presión-Temperatura, es posible tener flexibilidad dentro de los anteriores rangos mencionados. 7.5.5.6 Cálculo de la caída de presión en válvulas de flotador Para el cálculo de la P en este tipo de válvulas se debe tomar en cuenta el diseño del cuerpo, si es de tipo globo debe considerarse una P=10 psi (estimada) para seleccionar el tamaño de la válvula. 7.5.6 Válvulas para aire 7.5.6.1 Válvula de admisión y expulsión de aire 7.5.6.1.1 Principio de funcionamiento La función principal de la válvula de ADMISIÓN Y EXPULSIÓN DE AIRE (AEA) es: expulsar el aire contenido en una tubería cuando se arranca una bomba de pozo profundo. Su funcionamiento es simple ya que basta con tener presiones diferenciales distintas a la de trabajo para que admita o expulse aire. Abre o cierra completamente al acumular esta diferencial de presión previamente determinada. Al admitir la suficiente cantidad de aire en una tubería cuando se va a vaciar y en la tubería de la columna cuando se va a parar el equipo de bombeo, previene que la presión de vacío excesiva pueda deteriorar o destruir ambas tuberías. Dado que el flujo a través de la tubería en diversas condiciones de operación llega a permitir la inclusión de aire en la línea, es necesario expulsarlo para evitar ruidos y
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deterioro de las tuberías, por lo que este tipo de válvulas favorecen la operación continua de las tuberías. Por su diseño propio, estas válvulas no pueden permanecer totalmente abiertas o cerradas y no operan para eliminar pequeñas cantidades de aire que se acumulan, en caso de ser necesario se debe emplear la válvula eliminadora de aire. Para las líneas de conducción que presentan puntos altos y cambios de pendiente, son de gran utilidad este tipo de válvulas. Trabajan de acuerdo a la cantidad de aire (en m3/s) que se desee desalojar o admitir en el sistema. La válvula opera suave y constantemente sobre la tubería, por tanto, la caída de presión por la aplicación de esta válvula es muy pequeña y en la mayoría de los casos prácticos se consideran despreciables si se compara con las caídas a través de las largas líneas de conducción. 7.5.6.1.2 Ventajas y desventajas Las principales ventajas de esta válvula son: Acción segura, rápida, sencilla, espacio mínimo para su instalación y caída de presión ( P) despreciable. Otra ventaja importante de estas válvulas es que debido a su diseño los asientos no se encuentran expuestos al fluido, por lo que es posible utilizarlas para servicios de aguas residuales. La principal desventaja de esta válvula es que no son capaces de expulsar cantidades pequeñas de flujo y requieren de una válvula eliminadora de aire. 7.5.6.1.3 Materiales de construcción Los principales elementos estructurales de la válvula de AEA son: El cuerpo, la cubierta, la pantalla del flotador y el flotador; este último con movimiento. Un quinto y sexto componente básico es la flecha guía para el flotador y el buje. Para las válvulas de AEA de acero fundido, los materiales empleados son: - Cuerpo de acero al carbón fundido - Cubierta de acero al carbón fundido - Pantalla del flotador de acero dúctil - Flotador de acero inoxidable - Flecha guía y buje guía de acero inoxidable
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7.5.6.1.4 Mantenimiento Esta válvula es posible ser reparada sin desmontarla, para corregir problemas en las guías y en el flotador, así como el cambio de sello. A esta válvula se le puede reemplazar tanto las guías como el flotador, ya que son elementos móviles expuestos a golpeteo constante. La aplicación de pinturas no deben obstruir el orificio de la válvula. La frecuencia en la aplicación del mantenimiento rutinario es función del servicio para el cual haya sido seleccionada la válvula.
1.- Cuerpo 4.- Tapa superior 2.- Cubierta 5.- Buje guía 3.- Flotador Figura 7.68 Válvula de admisión y expulsión de aire
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Los asientos pueden ser reemplazados fácilmente con solo desplazar la cubierta de la válvula, lo cual incrementa la eficiencia del sello y mejora la operación de la misma. 7.5.6.1.5 Aplicación y selección Para expulsar el aire se debe conocer la pendiente de la línea de conducción y su longitud, así como el diámetro de la misma. Para admitir aire es requisito primordial, dentro de la selección del diámetro de la válvula de AEA, conocer el diámetro del tubo y la presión de colapso del mismo o la presión de diseño indicada en la especificación de tubería correspondiente. La válvula de AEA se caracteriza por su amplio campo de aplicación en las redes de abastecimiento de agua, así como en las líneas de conducción. Por su característica de diseño, resultan una alternativa segura para lugares expuestos a posibilidad de acción galvánica. Son posibles de obtenerse con dos tipos de extremos: roscados y bridados. Los rangos de presión para las válvulas de AEA de acero al carbón fundido son de hasta 300 psi. 7.5.6.2 Válvula combinada para aire 7.5.6.2.1 Principio de funcionamiento La válvula COMBINADA PARA AIRE (CA) es similar a la válvula de admisión y expulsión de aire, la diferencia es que esta válvula si permite la expulsión de pequeñas cantidades de aire. Esto es posible porque cuenta con una válvula eliminadora de aire y una válvula de aire-vacío (Ver figura 7.69). Dentro de las principales funciones de la válvula combinada de aire se tienen: - Expulsar el aire contenido en los sistemas de tuberías - Admitir la suficiente cantidad de aire para evitar presión de vacío dentro de estas, cuando se va a vaciar. En este caso el prevenir presión de vacío excesiva evita el deterioro e inclusive la destrucción de las tuberías - Aumentan la eficiencia de operación de las líneas - Protege la operación continua de las tuberías Dado que el flujo a través de la tubería en diversas condiciones de operación llega a permitir la inclusión de aire en la línea, es necesario expulsarlo para evitar problemas con la formación de bolsas de aire. Trabajan de acuerdo a la cantidad de aire (en m3/s) que se desee desalojar o admitir en el sistema.
375
Estas válvulas son capaces de eliminar pequeñas y grandes cantidades de aire acumulado en los puntos altos de las tuberías en valores que oscilan entre 0.1 a 18 m3 de aire por segundo en tamaños de 1" (0.025m) a 16" (0.406m) de diámetro. Para las líneas de conducción que presentan puntos altos y cambios de pendiente, es aplicable el uso de este tipo de válvulas. La válvula opera suave y constantemente sobre la tubería, por lo que la caída de presión para esta válvula es muy pequeña y en la mayoría de los casos prácticos se consideran despreciables si se compara con las caídas de presión generadas por las válvulas de seccionamiento.
1.- Cuerpo 5.- Buje guía 2.- Cubierta 6.- Tapa superior 3.- Flotador principal 7.- Válvula de seccionamiento 4.- Válvula aíre vacío Figura 7.69 Válvula combinada para aire
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7.5.6.2.2 Ventajas y desventajas Las principales ventajas de esta válvula son: acción segura y rápida, operación sencilla y espacio pequeño de instalación dentro de la tubería. La desventaja más conocida por este tipo de válvulas es que su instalación debe ser sólo en posición vertical sobre la línea. 7.5.6.2.3 Materiales de construcción A diferencia de la válvula de AEA, esta cuenta con una válvula de aire-vacío y una válvula eliminadora de aire. Los principales elementos de la válvula CA son: el cuerpo, la cubierta, el flotador principal para expulsar y admitir aire, la flecha guía para el flotador principal y el buje, y una válvula de aíre-vacio para pequeños volúmenes. Para las válvulas de CA de acero fundido, los materiales empleados son: -
Cuerpo de acero al carbón fundido Cubierta de acero al carbón fundido Flotadores de acero inoxidable Flecha guía y buje guía de acero inoxidable
7.5.6.2.4 Mantenimiento Esta válvula es posible repararla sin desmontarla, para corregir problemas en las guías y en el flotador. A esta válvula se le puede reemplazar tanto las guías como el flotador, ya que son elementos móviles expuestos a golpeteo constante. la aplicación de pinturas no deben obstruir el orificio de la válvula. No requiere de mantenimiento regular y la frecuencia con que se dé depende del servicio para el cual haya sido seleccionada la válvula. Los asientos pueden ser reemplazados fácilmente con solo desplazar la cubierta de la válvula. 7.5.6.2.5 Aplicación y selección Para expulsar el aire es requisito indispensable conocer el gasto volumétrico de aire a desalojar, la pendiente de la línea de conducción y su longitud, así como el diámetro de la misma. Para admitir aire es requisito primordial, dentro de la selección del diámetro de la válvula CA, conocer el diámetro del tubo y la presión de colapso del mismo.
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La válvula de CA es empleada en redes de abastecimiento de agua, así como en las líneas de conducción. Es posible obtenerlas con dos tipos de extremos: roscados con opción a brida y bridados (las mas utilizadas en este tipo). Los rangos de presión de trabajo para las válvulas CA son de 300 psi como valor máximo. 7.5.7 Válvulas aliviadoras de presión (VAP) 7.5.7.1 Principio de funcionamiento Considerada como una válvula de control, esta válvula actúa con solo detectar una sobrepresión dentro de la línea o sistema hidráulico en donde se encuentra instalada, permitiendo la expulsión del agua hacia el exterior. En la mayoría de los casos posee sensores locales o pilotos de control los cuales se ajustan a la presión diferencial de disparo requerida por operación; en algunos otros, se utilizan sensores remotos que manejan señales de presión, flujo o nivel para hacer actuar a la válvula de control, previamente a la presencia de algún fenómeno diferente al deseado en condiciones normales, mediante una señal eléctrica. El piloto de control de la VAP trabaja hidráulicamente manteniendo un balance interno previamente calibrado, es decir, se acciona para abrir, cuando la presión del agua dentro de la tubería alcanza un valor no deseado (de sobrepresión ) y opera para cerrar cuando se estabiliza. Debido a que su instalación es al límite o parte final de la tubería, en una derivación («by-pass"). de la misma o a 90 equivalente a una válvula de relevo (aunque no se le certifica normativamente como tal), generalmente no se considera su valor de caída de presión dentro de los cálculos de pérdidas totales. 7.5.7.2 Ventajas y desventajas Las principales ventajas de las VAP son: acción rápida, posibilidad de operación remota, autonomía en su funcionamiento, cierre hermético, facilidad de establecer la presión diferencia¡ a la cuál trabajará en forma automática y es posible controlar su velocidad de apertura. Las desventajas más conocidas para este tipo de válvulas son: en instalación horizontal, requiere de un espacio considerable para su montaje; en cualquier caso siempre va acompañada con una válvula de seccionamiento montada antes de ésta, aumentando el espacio y costos de instalación.
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1.- Cuerpo 4.- Válvula de seccionamiento 2.- Tapa superior 5.- Piloto de control 3.- Tapa inferior 6.- Accesorios para tomas de presión Figura 7.70 Válvula aliviadora de presión 7.5.7.3 Construcción El diseño del cuerpo generalmente es del tipo de globo y los principales elementos estructurales de las VAP son: el cuerpo con los extremos bridados, la cubierta, elementos de movimiento hidráulico y de estrangulación normalmente, diafragmas, pistones, discos y asientos y/o sellos; el actuador o piloto de control hidráulico o eléctrico con sus dispositivos de calibración o ajuste (valor de disparo). Para VAP de acero al carbón, los materiales empleados son: • Cuerpo de acero al carbón, para componentes de sistemas sujetos a presión • Tapa o cubierta de placa de acero fundido • Diafragma (s) de fundición de acero al níquel-cromo-molibdeno y de buna N y nylon reforzados • Disco y/o pistón de acero inoxidable o bronce • Sello de buna N-nitrilo
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7.5.7.4 Mantenimiento Esta válvula es posible de ser reparada y desmantelada sin desmontarla de la línea. Los asientos pueden ser ajustados, con lo cual se incrementa la eficiencia del sello inmediatamente. Generalmente requieren mantenimiento rutinario. La frecuencia depende de la calidad de los componentes y de los accesorios propios de la VAP. 7.5.7.5 Aplicación y selección Se caracterizan por su amplio campo de aplicación en el bombeo de agua potable, siendo una alternativa segura para prevenir sobrepresiones ("golpes de ariete") y como consecuencia, posibles rompimientos o desprendimientos de los sistemas de tuberías, con la gran ventaja de poder trabajar automáticamente a distancia, no necesariamente cerca de los sistemas de bombeo; sólo necesitan de calibración adecuada. Las VAP son usadas para permanecer normalmente cerradas. Los rangos de temperatura para las VAP de acero al carbón son de 0 a 100 C, para presiones de hasta 300 psi. De acuerdo a la combinación presión-temperatura, es posible tener flexibilidad dentro de los anteriores rangos mencionados. Se encuentran normalmente con extremos bridados. 7.6 ACTUADORES PARA VÁLVULAS 7.6.1 Generalidades Como ya se ha visto en esta sección, para seleccionar el tipo de válvula idónea al servicio requerido, se deben tomar en cuenta los materiales de construcción y su funcionamiento ante determinadas condiciones de trabajo, lo cual depende de su diseño mecánico, siendo precisamente esta característica, en donde se encuentra intimamente ligado el aspecto del accionamiento que es el tema que a continuación será tratado. Se abarcará la información que debe ser proporcionada para la especificación de los actuadores en una forma muy genérica (ya que el tema corresponde a otro capítulo), dando mayor énfasis, al conocimiento básico de los tipos de estos mecanismos aplicables a los sistemas de abastecimiento de agua potable y alcantarillado. Así mismo, como una parte no menos importante, se menciona y ejemplifica el cálculo del par de apertura. Por último cabe mencionar, que serán los usuarios del manual quienes apliquen a modo de guía, estos conocimientos para justificar la adquisición de un determinado tipo de actuador el cual será acoplado a una válvula tomando en cuenta su colocación y compatibilidad con ésta, el servicio al que se le va a destinar y los márgenes de seguridad en cuanto a su operación y mantenimiento requerido, contra su costo.
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7.6.1.1 Forma de especificar En el capítulo 10 de este manual, se indica el formato necesario para especificar a la válvula junto con sus actuador respectivo, sin embargo, a continuación se menciona la forma general para especificar a dichos actuadores. Para las válvulas nuevas, el fabricante determina el tamaño y suministra los actuadores. No importa si el actuador es para equipo nuevo o existente; el usuario solo debe proporcionar la siguiente información: - Tamaño, tipo y marca de la válvula - Presión de trabajo - Presión diferencial mínima en la válvula - Dimensiones, forma y avance de la punta del vástago y sentido de las roscas - Tiempo deseado de cierre o apertura en segundos - Vueltas de la tuerca del yugo para abrir la válvula - Características del suministro de energía (en su caso) - Temperaturas máximas de ambiente y del fluido - Tipo y frecuencia de servicio - Consideraciones especiales como la clasificación de áreas o necesidad de alojamiento a prueba de explosión, intemperie, etc., en los actuadores eléctricos 7.6.2 Tipos de actuadores 7.6.2.1 Manuales También conocidos como operadores de volante o palanca, estos actúan directamente en la flecha de la válvula a través de reductores de engranes y manejadores del tipo especial. Para la operación manual, se pueden obtener diversos accesorios para casi todos los tipos de válvulas, para satisfacer tres necesidades principales: a) Facilitar el accionamiento de la válvula cuando está en un lugar inaccesible. b) Dar mayor fuerza de palanca para girarla cuando el volante no es bastante grande. c) Hacer variar a criterio la velocidad de la apertura y el cierre. 7.6.2.1.1 Extensión del vástago No siempre es posible o práctico tener las válvulas al alcance, como en el caso de las redes de distribución de agua potable, por lo cual las válvulas tienen un vástago de extensión para accionarlas desde cierta distancia. Las extensiones del vástago que pueden ser un volante, una llave de cubo o un pedestal, pueden ser de la longitud requerida. La extensión suele ser una varilla de acero laminado en frío y un acoplador para colocarlo en el vástago.
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Figura 7.71- Tuerca cuadrada para adaptar el vástago a la llave de tuercas En extensiones largas, se utiliza un tubo grueso de acero en lugar de la varilla, montado en un tapón de extremo del volante y un tapón inferior de extensión. En la punta cuadrada, cónica de la varilla o en el tapón de extremo de la rueda, se coloca un volante de entrada cuadrada o una tuerca de operación (de 2 pulgadas por lado), ver figura 7.71. Las extensiones muy largas requieren un soporte. Por lo general, el extremo para operación en la extensión es de 2 pulgadas por lado que permite el empleo de cualquier llave de cubo o de llave en "T" del mismo tamaño. (Ver Figura 7.72). En la figura 7.72 se ilustran ejemplos de extensiones para vástagos elevables y no elevables.
Figura 7.72- Llave en t utilizada como extensión del vástago
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Figura 7.73 Unidades de extensión para vástagos de válvulas 7.6.2.1.2 Operadores con rueda y cadena Con estos operadores se pueden utilizar válvulas colocadas en un lugar alto en tuberías verticales u horizontales. Estos operadores se montan con facilidad en el aro o en los rayos del volante. Las ruedas de cadena (Ver figura 7.74) requieren que el vástago de la válvula pueda soportar el peso y tracción adicionales. Algunas ruedas de cadena tienen guías para que no se salga la cadena. También hay ruedas de cadena para sustituir a los volantes.
Figura 7.74 Rueda de cadena para válvulas en lugares altos
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7.6.2.1.3 Operadores de engranes Estos operadores dan ventaja mecánica adicional para abrir y cerrar válvulas grandes. El operador se puede montar directamente en la válvula o se puede accionar desde cierta distancia con vástagos de extensión. Se han creado varios tipos de operadores para la industria en general (Ver figura 7.75). Los engranes abren la válvula cuando se gira el volante a la izquierda, pero también están disponibles para rotación derecha. Se pueden obtener cubiertas para los engranes. 7.6.2.2 Eléctricos El actuador con motor eléctrico y engranes es una buena selección por su gran adaptabilidad. En su forma más sencilla, consta de un motor eléctrico conectado por una caja de engranes con el vástago de la válvula, pero hay tipos más complejos para casi todas las clases de trabajo (Ver figura 7.76).
Figura 7.75 Operador Uno de los principales beneficios del actuador eléctrico es que se pueden equipar con un interruptor limitador de torsión que controla la intensidad de la fuerza para asentamiento, produciendo un empuje constante para cierre hermético al mismo tiempo que protege las piezas de la válvula contra sobrecarga (torque máximo permisible); el interruptor limitador de torsión se puede ajustar cuando cambian las condiciones de servicio. Los actuadores tienen también interruptores limitadores de engranes para controlar la carrera del disco mientras abre y cierra, y también cuenta con dispositivos piloto (botones, selectores y luces indicadoras).
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Todos los componentes eléctricos están alojados en cubiertas a prueba de intemperie, sumergibles o a prueba de explosión. La impulsión del motor se puede desacoplar con el volante para tener accionamiento manual. Los motores están diseñados para servicio con actuadores de válvulas y suelen funcionar a 1800 ó 3600 rpm. La carrera del vástago de la válvula varía entre 12 y 72 pulgadas/minuto en válvulas de compuerta. Las velocidades mayores de 30 pulgadas/minuto necesitan un freno del motor para absorber las fuerzas de inercia. Los actuadores típicos para válvulas de mariposa están proyectados para cerrar de 30 a 60 segundos.
OPERADOR DE ENGRANES Y VOLANTE (MANUAL)
ACTUADOR ELECTRICO
ACTUADOR NEUMATICO DE PISTON Y RESORTE PARA RETORNO ( ACCION SIMPLE )
ACTUADOR NEUMATICO DE DIAFRAGMA Y RESORTE
Figura 7.76 Actuadores más comunes adaptados a una válvula de mariposa 7.6.2.3 Neumáticos Este tipo de actuadores se pueden conseguir de una manera estándar de dos tipos: - Actuadores de diafragma - Actuadores de pistón
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7.6.2.3.1 Actuadores de diafragma El actuador neumático de diafragma y resorte, muy común y muy sencillo (Ver figura 7.76) es de bajo costo y muy confiable. Estos actuadores suelen funcionar con aire a presiones de 20 a 40 psi para servicios de seccionamiento (ABRE/CIERRA) a través de una válvula solenoide, la cual es un dispositivo compuesto de dos elementos: Una válvula generalmente de aguja de dos o más vías, para instalarse en tuberías de diámetros pequeños y una solenoide que es un actuador eléctrico compuesto de un núcleo de hierro blando que se mueve dentro de un campo eléctrico producido por una bobina que lo circunda para abrir y cerrar dicha válvula. Esta válvula solenoide debe ser adecuada para servicios de estrangulación mediante señales directas desde los instrumentos el cual es un uso poco frecuente en las instalaciones que competen a este manual. Los tipos disponibles incluyen resortes ajustables o una amplia selección de resortes para adaptar el actuador a la aplicación. Los actuadores de resorte y diafragma tienen menos piezas movibles que se puedan dañar y, por ello, son muy confiables. Si tienen alguna falla, el mantenimiento es sencillo. Cuando se aplica el aire en la cubierta del actuador, el diafragma mueve la válvula y comprime el resorte. La energía del resorte mueve la válvula otra vez a su posición original cuando se corta el aire. 7.6.2.3.2 Actuadores de pistón Cuando se requiere mayor potencia que la disponible con un actuador de resorte y diafragma, los actuadores neumáticos de pistón (Ver figura 7.76) son los más económicos en cuanto a la fuerza producida para accionar válvulas de estrangulación y seccionamiento; sin embargo, al igual que en el caso anterior, sólo se describirán los conceptos referidos a los actuadores de las válvulas para servicio de seccionamiento. Suelen funcionar con presión de entrada de 50 y 150 psi aplicada en un sentido lineal sobre el pistón el cual del lado opuesto tiene un resorte de retorno. El actuador de resorte y pistón (o de acción simple) neumático, es una excelente elección cuando se requiere un dispositivo compacto y de mediano empuje. Estos actuadores son casi totalmente metálicos, con pocas piezas de elastómeros, se adaptan con facilidad en donde hay altas temperaturas o humedad relativa. Su desventaja principal es que se requiere aire limpio y seco (aire de instrumento) a alta presión. En otros actuadores neumáticos de alta presión y de doble acción (sin resorte) se deben tener elementos que en forma simultánea apliquen y quiten la carga en ambos lados opuestos del pistón para que se mueva longitudinalmente hacia el lado de baja presión.
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Otro tipo, aunque menos común, es el actuador de doble acción que utiliza aspas o vejigas de caucho y que mediante un movimiento rotatorio o circular, producen el empuje o torsión de salida directamente. 7.6.3 Cálculo del par de apertura Como ya se mencionó en el punto 7.6.1.1, cuando se adquiere una válvula, se debe especificar el tipo de accionamiento requerido (manual, eléctrico o neumático); el proveedor de la misma, está obligado a suministrar el actuador u operador con el tamaño, la potencia o el par de apertura adecuado. Cuando la válvula es existente y se desea cambiar o adaptar un actuador diferente al original, se deberán indicar las características de la válvula. Sin embargo para evitar que se suministre un actuador "sobrado", es decir, de mayor costo al realmente requerido o que incluso pueda dañar al vástago y los internos de la válvula, es recomendable conocer el procedimiento básico que permita revisar la memoria de cálculo con la cual el proveedor dimensionará dicho actuador. 7.6.4 Ejemplos de aplicación No. 1.- Obtención del valor del "par" en libras-pies, necesario para operar (abrir/cerrar) una válvula de compuerta cuña flexible de 12" de diámetro nominal mediante un actuador de motor eléctrico. a) Obtención del área máxima de oposición o resistencia al flujo (área del puerto). Esto es equivalente a la fuerza que tendrá que ejercer la flecha o vástago para mover la compuerta: A = /4 D² = 0.7854 (12)² = 113.0976 plg² En donde: A = Área máxima D = Diámetro nominal valor a) = 113.0976 plg² b) Un dato básico de los esfuerzos a vencer, es la presión diferencial o caída de presión provocada por el paso del flujo a través de la válvula la cual irá de un valor de cero (válvula totalmente abierta) a un valor máximo (válvula totalmente cerrada) que en este caso será la presión de operación del sistema. Suponiendo una P = 15 kg/cm²: 15 kg/cm² x 14.23 = 213.45 lb/plg² valor b) = 213.45 lb/plg² c) Factor FV o "coeficiente de fricción"*. Normalmente se manejan valores predeterminados por los fabricantes de actuadores para distintos tipos de válvulas.
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Diseño de la válvula: COMPUERTA CUÑA SÓLIDA CUÑA DIVIDIDA CUÑA FLEXIBLE ASIENTOS PARALELOS Ó DOBLE DISCO GLOBO O ÁNGULO
FACTOR FV* 0.3 0.3 0.35 0.2 1.1
* Por recomendación del fabricante de la válvula en base al diámetro nominal, servicio y condiciones de operación. Entonces valor c) = 0.35 d) Multiplicando a) x b) x c), se obtendrá el valor de la fuerza requerida (par) para mover o accionar a la válvula. 113.0976 plg² x 213.45 lb/plg² x 0.35 = 8449.2387 lbf = valor d) e) El fabricante de actuadores recomienda adicionar un valor en lbf por la fricción del vástago (dependiendo de su diámetro) con la caja del estopero que es equivalente a la fuerza para levantar la compuerta. Cuando no se tiene la tabla que a continuación se indica, se recomienda que para las válvulas de 2" de diámetro, sea de 1500 lbf y de 2 ½" hasta 12" de diámetro, de 2500 lbf. Suponiendo un diámetro de vástago* de 1 - ¾" tenemos: d) +2500 lbf = 10,949.238 lbf = valor e) DIÁMETRO DEL FRICCIÓN DE LA VÁSTAGO CAJA DE ESTOPERO hasta 1" 1000 lbf de 1 - 1/8" a 1 - 1/2" 1500 lbf de 1 - 5/8" a 2 - 1/2" 2500 lbf de 2 - 5/8" a 4" 4000 lbf de más de 4" 5000 lbf f) Para el diámetro de vástago recomendado y un avance longitudinal de 1/3", de la tabla 7.40 se tiene un factor* de 0.019. Entonces: e) x 0.019 = 208.04 lb-pie =valor f) * Factor de vástago recomendado por el fabricante del actuador, expresado en lbpie por cada lbf de empuje (lb-pie/lbf). RESULTADO: Este valor f) nos indica el valor del par de apertura requerido o torque ejercido sobre la tuerca de acoplamiento del vástago o flecha. 388
No. 2.- Cálculo de la velocidad de operación necesaria para abrir o cerrar completamente la válvula del ejemplo anterior, en función del tiempo de operación del propio sistema y el avance longitudinal para recorrer la compuerta de un extremo a otro. Tabla 7.40 factor de avance de la válvula Diáme tro 1/2" 5/8" 3/4" 7/8" 1" 1-1/8" 1-1/4" 1-3/8" 1-1/2" 1-5/8" 1-3/4" 1-7/8" 2" 2-1/8" 2-1/4" 2-3/8" 2-1/2" 2-5/8" 2-3/4" 2-7/8" 3" 3-1/4" 3-1/2" 3-3/4"
Avance del vástago de la válvula 1/12" .006 .007 .009 .010 .012 .013 .014 .016 .017 .018 .020 .021 .022 .024 .025 .026 .028 .029 .030 .031 .032 .035 .037 .039
1/6" .006 .007 .008 .009 .010 .012 .013 .014 .015 .016 .017 .018 .019 .020 .021 .022 .024 .025 .026 .027 .028 .030 .032 .034
1/5" .006 .008 .009 .010 .011 .012 .013 .014 .015 .016 .017 .019 .020 .021 .022 .023 .024 .025 .026 .027 .028 .031 .033 .034
2/5" .009 .010 .011 .012 .013 .014 .015 .016 .017 .018 .019 .020 .021 .023 .024 .025 .026 .027 .028 .029 .030 .032 .034 .036
1/4" .007 .008 .009 .010 .011 .012 .014 .015 .016 .017 .018 .019 .020 .021 .022 .023 .024 .026 .027 .028 .029 .031 .033 .035
1/2" .011 .012 .013 .014 .015 .016 .017 .018 .019 .020 .021 .023 .024 .025 .026 .027 .028 .029 .030 .031 .032 .035 .037 .038
2/7" .008 .009 .010 .011 .012 .013 .014 .015 .016 .017 .018 .019 .020 .022 .023 .024 .025 .026 .027 .028 .029 .031 .033 .035
4/7" .012 .013 .014 .015 .016 .017 .018 .019 .020 .021 .022 .024 .025 .026 .027 .029 .029 .030 .031 .032 .033 .035 .038 .040
1/3" .008 .009 .010 .011 .012 .013 .014 .015 .017 .018 .019 .020 .021 .022 .023 .024 .025 .026 .027 .028 .030 .032 .034 .036
2/3" --------.017 .018 .019 .020 .021 .022 .023 .025 .026 .027 .028 .029 .030 .031 .032 .033 .035 .037 .040 .041
1" --------.023 .024 .025 .026 .027 .028 .029 .030 .031 .032 .033 .034 .035 .036 .037 .038 .039 .042 .044 .046
a) Respecto al tiempo de operación, es práctica común considerar que deberá ser de cinco (5) segundos por cada pulgada de diámetro nominal de la misma (tamaño). De acuerdo con esto, el tiempo de apertura / cierre será: 5 segundos/pulgada x 12 pulgadas = 60 segundos (1 minuto) b) Mientras que el número de vueltas necesarios para la apertura o cierre total se obtiene de la siguiente forma: NUMERO DE VUELTAS =
DIÁMETRO DE LA VÁLVULA AVANCE LONGITUDINAL
* Ver inciso f) del ejemplo anterior.
389
=
12 plg 0.33 *
= 36.36 REVOLUCIONES
RESULTADO: c) De los incisos a) y b) se obtiene la velocidad de operación de 36 R.P.M. (vueltas por minuto) que se requiere, sea aplicada sobre la tuerca de acoplamiento del vástago o flecha. Es importante puntualizar que a mayor valor de R.P.M., menor será el par a vencer. NOTA: El método anterior es manejado por un fabricante de actuadores. Cada fabricante puede requerir diferentes sistemas de estimación de acuerdo a su propio análisis y experiencia. Se recomienda conocer el método manejado por cada fabricante, antes de revisar su memoria de cálculo.
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7.6.5 Referencias Válvulas, Selección, Uso y Mantenimiento. Greene W. Richard., Ed. Mc. Graw Hill, 1989 Catálogos de fabricantes: Actuators and Controls. Keystone Controls Inc Cat. No. 3S-377-BB. Sella Valve Corporation Cat. HPI. Valves Walworth Boletín Técnico No. 1 Renval, S.A. de C.V.
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CONTENIDO 8. EQUIPO DE MANIOBRAS Y MANTENIMIENTO ....................................................393 INTRODUCCIÓN ...........................................................................................................393 8.1 OBJETIVO Y ALCANCES .......................................................................................393 8.2 DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN............................................................................394 8.3 GRUAS Y SUS APLICACIONES ............................................................................398 8.3.1 Grúa puente viajera...............................................................................................398 8.3.2 Grúa aporticada ....................................................................................................403 8.3.3 Sistema monocarril ...............................................................................................408 8.3.4 Grúa giratoria ........................................................................................................414 8.4 CARROS PORTANTES (TROLES) Y SUS APLICACIONES ................................417 8.4.1 Carro con desplazamiento por rodillos (por jalón)................................................417 8.4.2 Carro con desplazamiento por torno ....................................................................417 8.4.3 Carro con desplazamiento por motor eléctrico.....................................................417 8.5 POLIPASTOS Y SUS APLICACIONES ..................................................................419 8.5.1 Polipasto de trinquete ...........................................................................................419 8.5.2 Polipasto de mordaza ...........................................................................................419 8.5.3 Polipasto de torno .................................................................................................419 8.5.4 Polipasto de motor ................................................................................................420
8. EQUIPO DE MANIOBRAS Y MANTENIMIENTO INTRODUCCIÓN Los diferentes arreglos, capacidades y dimensiones de las grúas que existen en el mercado son el resultado de los requerimientos observados en las diversas áreas de aplicación, como es el caso de plantas de bombeo y/o rebombeo, en las que se ha tipificado el uso de algunas de ellas, que por sus características físicas y formas de operación, cubren satisfactoriamente los requerimientos de manipulación de equipos en estas instalaciones. Además de definir el tipo de grúa a utilizar, también es importante seleccionar adecuadamente su capacidad, evitando el sobredimensionamiento y la utilización de equipamiento auxiliar innecesario, que eleva los costos de adquisición y operación de la misma, esto es, saber identificar el rango de cargas (bomba, motor, columna de succión, accesorio, etc.), la carga máxima crítica y si los distintos movimientos de la grúa (izaje, traslación, giro) serán con accionamiento manual o motorizado. Se tratará todo lo anterior más adelante. Es importante, antes de hacer cualquier selección, considerar que las grúas para plantas de bombeo y/o rebombeo son equipos que realmente sólo se utilizan en el montaje inicial y arranque de la planta y después su uso es muy esporádico, por lo que no conviene tener tantos recursos económicos ociosos. 8.1 OBJETIVO Y ALCANCES En la actualidad el desarrollo de un proyecto de diseño o selección de grúas y polipastos se encuentra supeditado a las recomendaciones de los fabricantes, ya que no se cuenta con la información técnica necesaria, que permita evaluar si efectivamente el equipo recomendado por los mismos es el adecuado y más económico. Por lo anteriormente mencionado, el objetivo de este capítulo es proporcionar a los proyectistas y profesionales de la ingeniería los criterios generales para seleccionar el tipo de grúa que se debe utilizar en plantas de bombeo y/o rebombeo de agua potable o aguas residuales (negras), para distintas aplicaciones, tales como pozos, cárcamos, acueductos y obras de toma, partiendo principalmente del arreglo de los equipos a manipular. Es importante apuntar que las capacidades y arreglos de grúas y polipastos propuestos en este capítulo, están acotados según las capacidades recomendadas para plantas de bombeo y/o rebombeo, considerando las opciones más económicas y funcionales, ya que en el mercado existe una gama de selección mucho mayor, pero que no son recomendables en este tipo de instalaciones, por su grado de complejidad y costo.
393
8.2 DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN La grúa es un equipo estructurado, formado por un conjunto de mecanismos, cuya función es la elevación y el transporte de cargas, que en plantas de bombeo y/o rebombeo se usan en las siguientes modalidades: a) Elevación y transporte de carga a lo largo de una línea de trabajo y b) Elevación y transporte de carga a través de una superficie de trabajo. Para cumplir satisfactoriamente con los requerimientos de manipulación de equipos y accesorios, tales como bombas, motores, válvulas, columnas de succión, etc. y trasladarlos a una área de maniobras para enviarlos a reparación y/o mantenimiento y que cubren las dos modalidades descritas, en general se utilizan los siguientes tipos de grúas: Grúa viajera Grúa aporticada Sistema monocarril Grúa giratoria La primera modalidad comprende el levantar, desplazar, girar y depositar una carga. Para ello, son adecuados los sistemas monocarril (el polipasto de izaje se desplaza a lo largo de una viga carril fija situada sobre la línea de transporte) y las grúas giratorias (el polipasto de izaje se desplaza a lo largo de un brazo giratorio que traza un círculo o arco que constituye la línea de transporte). Ver figura 8.1. La segunda modalidad comprende el levantar, desplazar transversal y longitudinalmente, girar y depositar la carga. Para ello, son adecuadas las grúas viajeras y las grúas aporticadas, en donde el puente o pórtico, respectivamente, se desplaza longitudinalmente y el polipasto de izaje transversalmente, teniendo este último un aparejo inferior (mufla) que permite el giro del gancho y de la carga.Ver fig. 8.2. El polipasto es un dispositivo mecánico y/o eléctrico para elevación de carga, cuyos componentes (motor, tambor, reductor de velocidad, freno magnético, flecha, soporte, armazón estructural, interruptor límite, reductor de velocidad, etc.) pueden formar una unidad compacta o de malacate abierto, teniendo este último sus componentes distribuidos adecuadamente sobre una estructura que normalmente forma parte del bastidor de un carro portante. Ver figs. 8.3 y 8.4. Los polipastos compactos, principalmente, se clasifican de acuerdo a su mecanismo de accionamiento para el izaje, en: Polipasto de trinquete Polipasto de torno Polipasto de mordaza Polipasto de motor
394
TAMBOR DEL POLIPASTO
MOVIMIENTO LONGITUDINAL SUBE CARRO
GANCHO PRINCIPAL GANCHOS
2o. MOVIMIENTO BASICO SISTEMA MONOCARRIL
CARGA
BAJA
1er. MOVIMIENTO BASICO (SUBE) 3er. MOVIMIENTO BASICO (BAJA) AMBOS SISTEMAS
2 3 1
CARGA
CARGA
TRES MOVIMIENTOS BASICOS SISTEMA MONOCARRIL
2
C
2 MOVIMIENTO CIRCULAR 1
2o. MOVIMIENTO BASICO GRUA GIRATORIA
CARGA
3
CARGA
TRES MOVIMIENTOS BASICOS GRUA GIRATORIA
Figura 8.1 Movimientos básicos de un sistema monocarril y de una grúa giratoria.
395
TAMBOR DE POLIPASTO
PUENTE
SUBE MOVIMIENTO LONGITUDINAL DEL PUENTE
C
(ADELANTE Y REVERSA)
BAJA
CARGA
MOVIMIENTO TRANSVERSAL DEL CARRO
3er. MOVIMIENTO BASICO (TRANSVERSAL)
1er. MOVIMIENTO BASICO (SUBE)
2o. MOVIMIENTO BASICO (LONGITUDINAL)
4o. MOVIMIENTO BASICO (BAJA)
3 4 2 CARGA
1
CARGA
COMBINACION DE LOS MOVIMIENTOS BASICOS
Figura 8.2 Movimientos básicos de una grúa viajera y de una grúa aporticada
396
SOPORTE ARMAZON DEL POLIPASTO
DEVANADOS Y FLECHA DEL MOTOR
CARCAZA DEL MOTOR
CABLE DE CARGA TAMBOR PARA DEVANAR EL CABLE DE CARGA
FLECHA DE TRANSMISION
FRENO MAGNETICO DE RETENCION REDUCTOR DE VELOCIDAD CON FRENO WESTON
Figura. 8.3 Polipasto tipo compacto Dispositivo para elevacion de carga, cuyos componentes forman una unidad compacta incluyendo su armazon estructural. REDUCTOR DEL CARRO
TRANSMISION DEL CARRO
MOTOR DEL CARRO
FRENO MAGNETORQUE
FRENO DE RETENCION MOTOR DEL GANCHO
REDUCTOR DE VELOCIDAD DEL GANCHO
FLECHA DE TRANSMISION
BASTIDOR DEL CARRO
INTERRUPTOR LIMITE
POLEAS DEL APAREJO REDUCTOR DE VELOCIDAD DEL GANCHO
SUPERIOR
TAMBOR PARA DEVANAR EL CABLE DE CARGA
Figura 8.4 Polipasto tipo malacate abierto
397
Dispositivo para la elevacion de la carga, cuyos componentes no forman una unidad compacta, sino que estan distribuidos en forma adecuada para su buen funcionamiento sobre una estructura que normalmente forma parte del bastidor del carro. 8.3 GRUAS Y SUS APLICACIONES 8.3.1 Grúa puente viajera Las grúas puente se presentan básicamente en dos arreglos: grúas de puente apoyado y grúas de puente suspendido, pudiendo ser en ambos casos monopuente o bipuente. Las grúas de puente apoyado consisten en una estructura mecánica en forma de puente, soportado y unido en sus extremos por medio de carros cabezales con ruedas, que corren sobre un riel instalado arriba y a lo largo de una estructura llamada vía o trabe carril apoyada sobre las columnas del edificio. Ver figs. 8.5 y 8.6. Las grúas de puente suspendido consisten en una estructura mecánica en forma de puente, soportado y unido en sus extremos por medio de carros cabezales que van suspendidos o colgados de una estructura fija (vía o trabe carril) por medio de ruedas que le permiten desplazarse a lo largo de dicha estructura. Ver figs. 8.7 y 8.8. Cuando las grúas son monopuente, el polipasto de izaje va montado sobre un carro portante (trole) que se desplaza sobre el patín inferior del puente, apoyando su rueda plana directamente sobre el patín inferior, sin el uso de rieles. Ver figs. 8.5 y 8.7. Cuando las grúas son bipuente, el polipasto de izaje va montado sobre un carro portante (trole) que se desplaza sobre el patín superior o inferior de las vigas carril (puentes), apoyando su rueda ahusada sobre rieles instalados arriba y a lo largo de ambos puentes o apoyando su rueda plana directamente sobre el patín inferior de los mismos. Ver figuras 8.6 y 8.8. Ambos arreglos de grúas pueden tener hasta dos polipastos de izaje montados sobre el o los puente(s), obedeciendo esto a la necesidad que se tiene de manipular cargas cuyos pesos y formas son muy variadas, conociéndose estos equipos como gancho principal y gancho auxiliar. Las grúas viajeras se seleccionan para ser utilizadas en aquellas plantas de bombeo o rebombeo donde se requiere la elevación y transporte de equipos y/o accesorios a través de una superficie de trabajo, esto es, equipos de bombeo en batería proyectados para descargar a un múltiple, y cuyos motores, y trenes horizontales de descarga son visibles o registrables, encontrándose el conjunto dentro de una nave o local. El uso de este tipo de grúa, en estos casos, sólo se justifica en plantas medianas y grandes, donde el equipo puede o no estar sobre una misma línea de transporte y los accesorios son demasiado pesados (mayor de 100 kg) como para transportarlos manualmente. Las grúas pueden ser manuales o eléctricas.
398
LUZ DE LA NAVE =20 cm.
=20 cm.
CLARO DE LA GRUA VER DETALLE ''A''
60 a 80 cm.
70 a 90 cm.
60 a 90 cm.
80 a 100 cm.
MOTOR DEL POLIPASTO DE IZAJE. BOTONERA DE CONTROL CABEZAL DEL CARRO PUENTE
RIEL CARRIL
PUENTE RUEDAS MOTRICES
TRABE CARRIL
DETALLE ''A''
A PAÑOS
ACCIONAMIENTO SEPARADO PARA CADA APOYO
CARRO CABEZAL
A EJES
Figura 8.5 Grúa puente viajera, de puente apoyado (monopuente) Grúa con mando desde el suelo, carro portante de polipasto de izaje montado sobre el patin inferior del puente, accionamiento separado para cada carro cabezal, construccion normal. se diseñan para cargas de 1 a 10 ton. y distancia entre apoyos de 6 a 20 metros
399
LUZ DE LA NAVE =22 cm.
=22 cm.
CLARO DE LA GRUA
10 cm. 90 a 195 cm.
80 a 135cm.
80 a 135 cm. BOTONERA DE CONTROL
ACCIONAMIENTO SEPARADO PARA CADA APOYO
CARRO CABEZAL
120 cm. 200 cm. 120 cm.
Figura 8.6 Grúa puente viajera, de puente apoyado (bipuente) Grúa con mando desde el suelo. carro portante de polipasto de izaje montado sobre los patines superiores del los puentes, accionamiento separado para cada carro cabezal, construccion normal se diseñan para cargas de 2 a 20 ton. y distancia entre apoyos de 9 a 30 metros
400
LUZ DE LA NAVE CLARO DE LA GRUA
TRABE CARRIL
VER DETALLE ''A''
MOTOR DEL POLIPASTO DE IZAJE
ALIMENTADORES PRINCIPALES
VISTA LATERAL DEL PUENTE
BOTONERAS DE CONTROL
ABERTURA PUENTE
TRABE CARRIL
RUEDAS
CARRO CABEZAL
DETALLE ''A''
ACCIONAMIENTO SEPARADO PARA CADA APOYO
CARRO CABEZAL
Figura 8.7 Grúa puente viajera, de puente suspendido (monopuente) Grúa con mando desde el suelo, carro portante de polipasto de izaje montado sobre el patin inferior del puente, accionamiento separado para cada carro cabezal, construccion normal. se diseñan para cargas de 0.5 a 10 ton. y distancia entre apoyos de 20 metros
401
LUZ DE LA NAVE CLARO DE LA GRUA
POLIPASTO DE MALACATE ABIERTO
VER DETALLE ''A''
ALIMENTADORES PRINCIPALES
BOTONERA DE CONTROL GANCHO DE CARGA TRABE CARRIL
RUEDAS
CARRO CABEZAL
DETALLE ''A''
ACCIONAMIENTO SEPARADO PARA CADA APOYO
Figura 8.8 Grúa viajera de puente suspendido, (bipuente) Grúa con mando desde el suelo, carro portante de polipasto de izaje montado sobre los patines superiores de los puentes, accionamiento separado para cada carro cabezal, construccion normal,. se diseñan para cargas de 0.5 a 20 ton. y distancia entre apoyos de hasta 20 metros
402
8.3.2 Grúa aporticada En este tipo de grúa la estructura del pórtico está rígidamente soportada en sus extremos por marcos de acero estructural, provistos de ruedas que permiten el movimiento longitudinal de la misma sobre vías instaladas en el piso. Las grúas aporticadas pueden desplazarse sobre rieles, utilizando en sus piernas carros cabezales con ruedas metálicas ahusadas; pero tienen la limitante de recorrer rutas predeterminadas, lo cual se evita utilizando grúas con ruedas de hule, que les proporcionan una mayor flexibilidad de movimientos fuera de rutas definidas. Las grúas aporticadas se presentan básicamente en los siguientes arreglos: grúa aporticada (con piernas iguales en ambos extremos, apoyadas sobre el piso) y grúa semiaporticada (con uno de sus extremos apoyados sobre una trabe carril en alto y la otra sobre vías en el piso). Al igual que las grúas puente, pueden ser en ambos casos monoportico o biportico, siendo también aplicable lo que ya se dijo sobre arreglo de polipastos. Ver figs. 8.9 y 8.10. Las grúas aporticadas, con piernas iguales en ambos extremos tienen el mismo uso que las grúas puente, pero se justifican sólo en plantas de bombeo a la intemperie sin edificios anexos, donde la distribución de equipos no es regular y se requiera transportarlos fuera de los límites de la planta, sin incurrir en la elevación de costos, que significaría la prolongación de una estructura fija para montar una grúa puente. El recorrido de la grúa en este arreglo no estará limitado más que por el alcance del tendido total de riel o vía, que le permite el movimiento longitudinal. Ver fig. 8.9. Las grúas semiaporticadas también se usan a la intemperie, pero se requiere que estén ubicadas junto a edificios, en cuyas caras exteriores de columnas se pueda montar una trabe carril que sirva de apoyo a uno de los extremos de la grúa. El recorrido de ésta, en este arreglo, estará limitado a la longitud total del edificio adjunto a la planta. Ver fig. 8.10. Si la planta de bombeo se encuentra dentro de un edificio, la opción más económica será siempre utilizar una grúa puente o un sistema monocarril, suponiendo que la estructura haya sido dimensionada, considerando el peso adicional de la grúa; pero si la planta se encuentra a la intemperie, la decisión de qué opción utilizar estará en función de analizar el costo que representaría construír una estructura fija a lo largo del área de servicio, sobre la cual se montaría la grúa puente o sistema monocarril, o simplemente comprar una grúa aporticada. La mayoría de las veces, una grúa aporticada no sustituye a una grúa puente, ya que aunque sus usos parezcan ser semejantes, la aporticada se prefiere utilizar en patios abiertos, para dar servicio a más de una planta de bombeo, con cárcamos relativamente cercanos y con un área común de maniobras. Es una práctica propagada que los fabricantes de grúas puente y aporticadas, recomienden en todos los casos, utilizar las de doble puente, equipadas con polipasto
403
abierto, gancho principal y auxiliar, sistema motriz del puente con flechas de transmisión y con mando remoto desde cabina de conductor; sin un análisis serio de las necesidades reales, sólo regidos por el interés de vender equipo pesado y caro, cuya existencia, será ocioso la mayor parte del tiempo de su vida útil. Por ningún motivo se utilizará este tipo de grúas en plantas de bombeo. En plantas de bombeo y/o rebombeo, para capacidades de 10 ton (algunos fabricantes cubren hasta 15 ton) y claros de hasta 20 m, se recomienda el uso de grúas puente o aporticadas, con polipasto compacto, gancho principal, sistema motriz con motor individual y con mando remoto desde una estación de botones colgante (botonera de control), para todas las funciones. Las grúas bipuente con polipasto abierto, gancho principal, sistema motriz con motor individual y con mando remoto desde una estación de botones colgante para todas las funciones, es recomendable en plantas de bombeo donde se requieran capacidades mayores de 15 toneladas y claros mayores de 20 m. Es obvio que las grúas puente o aporticadas no son equipos económicos, y se podría estar tentado en eliminarlas totalmente de cualquier selección y simplemente rentar el equipo necesario cuando así se requiera; pero en las recomendaciones dadas en este manual también se consideran otros aspectos, aparte del económico, tales como la comodidad y la eficiencia en la manipulación de cargas, que en este caso específico justifica su adquisición, cuidando el equipamiento innecesario. De hecho, los equipamientos de pozo profundo son las únicas instalaciones donde no se requiere el instalar una grúa como equipo fijo, ya que por su ubicación (alejada de zonas urbanas y expuesta al vandalismo y al robo), número de equipos (normalmente sólo una motobomba del tipo sumergible) y la frecuencia de la reparación y/o mantenimiento del equipo, resulta más recomendable llevar al sitio, ya sea una grúa telescópica (montada sobre la plataforma de un vehículo, cuyo brazo es retráctil) o una estructura portátil en forma de tripié, donde el utilizar una u otra opción dependerá de la longitud del tramo de columna de succión utilizado en el pozo; si éste mide hasta 3 m, se puede maniobrar fácilmente con un tripié, de lo contrario se deberá utilizar una grúa telescópica, pudiendo ser en ambos casos equipo rentado o perteneciente al organismo operador.
404
PUENTE
ACCIONADOR INDIVIDUAL
PIERNA SISTEMA DE ENGRANES
RUEDA MOTRIZ
MOTOR DEL POLIPASTO DE IZAJE
REDUCTOR DEL CARRO
PIERNA VIGA CARRIL PISO TERMINADO
PIERNA GANCHO DE CARGA
FOSA
DETALLE ''A''
CARRO CABEZAL
BOTONERA DE CONTROL
ACCIONAMIENTO SEPARADO PARA CADA PIERNA DE APOYO
VER DETALLE ''A''
Figura 8-9A Grúa aporticada monopuente Grúa aporticada monopuente, con mando desde el suelo, carro portante de polipasto de izaje montado sobre el patin inferior del puente, accionamiento separado para cada pierna de apoyo, se diseñan para cargas de 0.5 a 10 ton. y distancia entre apoyos de hasta 10 metros
405
CARRO PORTANTE DE POLIPASTO TIPO MALACATE ABIERTO
MOTOR ESTRUCTURA DE LA PIERNA
SISTEMA DE TRANSMISION ENGRANADO
RIEL CARRIL TRABE CARRIL
POLIPASTO
RUEDA MOTRIZ
CARRO CABEZAL
RUEDAS
PIERNA DE LA ESTRUCTURA
RIEL DE TRASLADO DE LA GRUA GANCHO DE CARGA
SISTEMA DE ACCIONAMIENTO INDIVIDUAL
DETALLE ''B''
DETALLE ''A'' CARRO PORTANTE DE POLIPASTO TIPO MALACATE ABIERTO
RIEL
VER DETALLE ''B''
TRABE CARRIL
PIERNA
BOTONERA DE CONTROL ACCIONAMIENTO SEPARADO PARA CADA PIERNA DE APOYO
CARRO CABEZAL
VER DETALLE ''A''
Figura 8.9B Grúa aporticada bipuente Grúa aporticada bipuente con mando desde el suelo, carro portante de polipasto de izaje montado sobre los patines superiores de los puentes, accionamiento separado para cada carro cabezal, se diseñan para cargas de 2 a 20 ton. y distancia entre apoyos de hasta 15 metros
406
50 A 80 cm.
40 A 60 cm.
RECORRIDO DEL CARRO
PUENTE
PUENTE
53 A 136 cm. PARA TROLE
POLIPASTO DE IZAJE GANCHO DE CARGA
ALTURA DE IZAJE LIBRE
PIERNA
MURO
CARRO CABEZAL PIERNA
EN PISO
Figura 8.10A Grúa semiaporticada monopuente Grúa semiaporticada monopuente con mando desde el suelo, carro portante de polipasto de izaje montado sobre el patin inferior del puente, accionamiento separado del carro cabezal en alto y en piso, se diseñan para cargas de 0.5 a 5 toneladas y distancia entre apoyos de 6 a 8 metros
407
50 A 80 cm.
RECORRIDO DEL CARRO
40 A 60 cm.
POLIPASTO DE MALACATE ABIERTO PUENTE
ACCIONAMIENTO SEPARADO PARA CADA APOYO PUENTE
53 A 136 cm. PARA TROLE
POLIPASTO DE MALACATE ABIERTO GANCHO DE CARGA
ALTURA DE IZAJE LIBRE PIERNA
BOTONERA DE CONTROL MURO
PIERNA
CARRO CABEZAL EN PISO
CARRO CABEZAL EN PISO
Figura 8.10B Grúa semiaporticada bipuente Grúa semiaporticada bipuente con mando desde el suelo, carro portante de polipasto de izaje montado sobre los patines superiores de los puentes, accionamiento separado del carro cabezal en alto y en piso, se diseñan para cargas de 1 a 6 toneladas y distancia entre apoyos de hasta 10 metros 8.3.3 Sistema monocarril Los sistemas monocarril se destinan al transporte de cargas en las que éstas deben sujetarse, levantarse, trasladarse, girarse y depositarse a lo largo de una línea de trabajo. Estos sistemas pueden ser rectos o curvos (en plantas de bombeo sólo se utilizan los arreglos rectos), y consisten de una viga carril fija al techo de un edificio o estructura, donde el polipasto de izaje va montado sobre un carro portante que se desplaza sobre el patín inferior de dicha viga, apoyando su rueda plana directamente sobre el patín, sin el uso de rieles, dirigiéndose a través de agujas de desvío o vías giratorias a otros carriles auxiliares. Ver fig. 8.11. El uso generalizado de los sistemas monocarril es en cárcamos de bombeo de sección rectangular, donde el arreglo de los equipos pesados (motor, bomba, columna, tazones, etc.) es en batería, normalmente instalados en línea y los accesorios a la descarga, más ligeros (menor de 100 kg), pueden ser transportados manualmente. El equipo de
408
bombeo puede ir instalado, indistintamente, sobre la tapa del cárcamo o sumergido en el mismo, siendo este sistema igualmente aplicable. Cuando los cárcamos están totalmente aislados de cualquier construcción, el arreglo de este tipo de sistema consiste básica y normalmente de una viga "I", que va apoyada en marcos estructurales espaciados a lo largo de la viga, que representa la línea de transporte, rematando en cualquiera de sus extremos, en un tramo de viga en cantilíver que permite llevar la carga más allá del área de equipos, para ser depositada en una área de maniobras o directamente sobre la plataforma de un vehículo, para ser llevada a reparación y/o mantenimiento. Ver fig. 8.12. Cuando los cárcamos están junto a una construcción y los equipos alineados también cercanos a ella, el arreglo de este tipo de sistema consiste básica y normalmente de una viga "I", que va apoyada en estructuras espaciadas a lo largo de la viga, que están empotradas en las dalas de cerramiento de la construcción, reforzadas en forma de ménsulas, que apoyan a la viga carril más allá del área de equipos, para poder depositar la carga en una área de maniobras o directamente sobre la plataforma de un vehículo, para ser llevada a reparación y/o mantenimiento. Ver fig. 8.13. Estos sistemas también se utilizan en plantas de bombeo y/o rebombeo pequeñas y medianas, alojadas dentro de una nave o local, mientras los equipos pesados (motores y bombas) se encuentren sobre una línea de trabajo, y los accesorios sean lo suficientemente ligeros (menor de 100 kg) como para transportarlos manualmente. En este caso, el monocarril se apoya sobre la losa o techo de la construcción. Los arreglos de sistemas monocarril descritos anteriormente, deberán ser proyectados tomando en cuenta la estabilidad del cárcamo o de la construcción donde irán empotrados los apoyos, según sea el caso.
409
ESTRUCTURA DEL TECHO DE CASA DE MAQUINAS BRIDAS DE TECHO VIGA CARRIL
TRAMO DE CARRIL CURVO BRIDA DE SUSPENSION
AGUJA DE DESVIO
MANIJA PARA CAMBIO DE CARRIL
TRAMO DE CARRIL RECTO
CARRO DE JALON
GANCHO DE CARGA
PIEZA DE REMATE DEL CARRIL
Figura 8.11A Monocarril curvo y recto Monocarril con un carril secundario que se le une, mediante una aguja de accionamiento manual.. viga de construcción ligera en forma de carril suspendido
410
VIGA MONOCARRIL
CABLE CONDUCTOR ELECTRICO, CON REVESTIMIENTO DE GOMA. LOS CARRILLOS DEL CABLE SE DESLIZAN POR LA MISMA VIGA MONORRIEL.
POLIPASTO ELECTRICO
CARRILLO DE CABLE SOBRE PATIN INFERIOR
BOTONERA DE CONTROL
CABLE PLANO CONDUCTOR DE CORRIENTE ELECTRICA
VIGA MONOCARRIL
CARRILLO DEL CABLE
POLIPASTO ELECTRICO
BOTONERA DE CONTROL CABLE CONDUCTOR DE CORRIENTE ELECTRICA
CABLES DE SUMINISTRO DE CORRIENTE ELECTRICA.
CARRIL DE LOS CARRILLOS DEL CABLE.
LOS CARRILLOS DEL CABLE SE DESLIZAN POR UN CARRIL PROPIO.
Figura 8.11B Sistemas de alimentación eléctrica Sistemas monocarril con mando desde una botonera de control, con carro portante de polipasto de izaje, montado sobre el patin inferior de la viga carril, accionamiento manual o electrico. se diseñan para soportar cargas de 10 ton. aunque los mas comunes sean de 1 a 4 ton., esta capacidad estara condicionada al diseño de su soporteria
411
VIGA CARRIL
POLIPASTO
MOTOBOMBAS
AREA DE MANIOBRAS
NIVEL MAXIMO
NIVEL MINIMO
CARCAMO
VISTA FRONTAL
POLIPASTO
MOTOBOMBAS
MARCO ESTRUCTURAL
NIVEL MAXIMO
CARCAMO
NIVEL MINIMO
VISTA LATERAL
Figura 8.12 Monorriel recto sobre cárcamo aislado
412
VIGA CARRIL
POLIPASTO
EDIFICIO MOTOBOMBAS
AREA DE MANIOBRAS
NIVEL MAXIMO
NIVEL MINIMO
CARCAMO
VISTA FRONTAL
MENSULA DE REFUERZO
DALA
POLIPASTO
MOTOBOMBAS MURO DE EDIFICIO
NIVEL MAXIMO
CARCAMO
NIVEL MINIMO
VISTA LATERAL IZQUIERDA
Figura 8.13 Monocarril recto, adjunto a construcción
413
8.3.4 Grúa giratoria Las grúas giratorias se destinan al transporte de cargas en las que éstas deben sujetarse, levantarse, trasladarse, girarse y depositarse a lo largo de una línea y/o superficie de una circunferencia de trabajo. Estas grúas pueden tener ángulos de giro de 180 hasta 360 , dependiendo si se montan en paredes o en columnas libres. Consisten de una columna vertical desde la que se proyecta una pluma, pescante o brazo horizontal. El polipasto de izaje montado sobre un carro portante se desplaza longitudinalmente sobre el patín inferior de la viga o brazo, apoyando su rueda plana directamente sobre el patín, sin el uso de rieles, pudiendo ser su accionamiento manual o eléctrico. En este tipo de grúas, el brazo siempre trabaja en cantilíver. Ver figs. 8.14.1 y 8.14.2. El uso generalizado de las grúas giratorias es en cárcamos de bombeo y obras de toma de sección circular, donde el arreglo de los equipos pesados (motor, bomba, columna, tazones, etc.) está alrededor del perímetro o dentro de la sección circular y los accesorios a la descarga, más ligeros (menor de 100 kg), pueden ser transportados manualmente o también estar dentro del alcance del brazo de dicha grúa. Para el rango de capacidades de carga que manejan estas grúas, el accionamiento para girar el brazo siempre será manual (por jalón). Las grúas giratorias van montadas en columnas libres, que forman parte de la estructuración de la misma y que le permiten el movimiento radial. Cuando el brazo va directamente articulado a la columna, su movimiento radial queda limitado a menos de los 180 , defecto que suele eliminarse montando el brazo sobre rodillos de tal forma que pueda efectuar una revolución completa alrededor de la columna mencionada. La columna libre sobre la que descansa el brazo de la grúa siempre será fija, y la forma de cimentarla se presenta comercialmente en dos variantes, esto es, embebida en un dado de cimentación a través de un encamisado o montada sobre una placa reforzada con cartabones, que a su vez va fija a la cimentación a través de pernos-anclas. En plantas de bombeo la grúa giratoria de mayor uso es la que gira 360 , ya que esta no tiene ninguna restricción y su brazo puede dar cobertura a todos los equipos pesados, llevándolos a una área de maniobras para su transporte a reparación y/o mantenimiento.
414
100 cm
RECORRIDO DEL CARRO 40cm
ANCLAJE
TOPE
BRAZO
53 a 106 cm. PARA TROLE PEQUEÑO
85 a 136 cm. PARA TROLE NORMAL
POLIPASTO DE IZAJE
GANCHO DE CARGA MURO BOTONERA DE CONTROL
IZAJE LIBRE
COLUMNA
Figura 8.14.1 Grúa giratoria montada sobre muro Grúa giratoria con mando desde el suelo, carro portante de polipasto de izaje montado sobre el patin inferior del brazo horizontal. grúa montada en pared con angulo de giro de 180°, accionamiento manual del giro y polipasto manual o electrico, se diseñan para cargas de 0.5 a 6 ton. y alcances de brazo de 6 a 8 metros
415
50 cm
RECORRIDO DEL CARRO
40cm
GIRO DE 180 GRADOS
TOPE
BRAZO GIRATORIO
53 a 106 cm. PARA TROLE PEQUEÑO
85 a 136 cm. PARA TROLE NORMAL
POLIPASTO DE IZAJE
GANCHO DE CARGA BOTONERA DE CONTROL COLUMNA LIBRE
IZAJE LIBRE COLUMNA FIJA CON ANCLAJE
BASE DE PLACA REFORZADA CON CARTABONES
PISO TERMINADO
Figura 8.14.2 Grúa giratoria montada sobre columna libre Grúa giratoria con mando desde el suelo, carro portante de polipasto de izaje montado sobre el patin inferior del brazo horizontal. grua montada en columna libre con angulo de giro de 360°, accionamiento manual del giro y polipasto manual o electrico, se diseñan para cargas de 0.5 a 6.0 ton. y alcances de brazo de 6 a 8 metros
416
8.4 CARROS PORTANTES (TROLES) Y SUS APLICACIONES El carro portante del polipasto de izaje se distingue según su accionamiento, en carro con desplazamiento por rodillos (por jalón), por torno o por motor eléctrico, donde el polipasto puede ir sencillamente suspendido al carro portante o acoplado en forma fija al mismo (trolley hoist) Ver fig. 8.15. 8.4.1 Carro con desplazamiento por rodillos (por jalón) Se utiliza en grúas puente y aporticadas, sistemas monocarril y grúas giratorias, para capacidades de hasta 3 ton y alturas de izaje de 3 a 4 metros. Arriba de esta capacidad y alturas se dificulta su desplazamiento manual, por lo que se utiliza cualesquiera de los dos siguientes arreglos. Ver fig. 8.15.1. 8.4.2 Carro con desplazamiento por torno Se utiliza en grúas puente y aporticadas, sistemas monocarril y grúas giratorias (hasta 5 ton), para capacidades de hasta 10 ton y alturas de izaje de 3 a 4 metros. Ver fig. 8.15.2. 8.4.3 Carro con desplazamiento por motor eléctrico Se utiliza en grúas puente y aporticadas monopuente, sistemas monocarril y grúas giratorias (hasta 5 ton), para capacidades de hasta 10 ton, sin restricción en la altura de izaje ya que su operación es por medio de una botonera de control colgante (estación de botones). Ver fig. 8.15.3. El carro portante con desplazamiento por motor eléctrico siempre se utiliza en grúas puente y aporticadas, para capacidades mayores de 10 ton, sin restricción en la altura de izaje, ya que su operación también es por medio de una botonera de control colgante (estación de botones). Ver fig. 8.15.3. Cuando se dice "sin restricción en la altura de izaje" significa, hasta donde el arreglo comercial y capacidad del tambor de enrollamiento de polipastos compactos o de malacate abierto permita el izaje. En plantas de bombeo se pueden utilizar cualesquiera de los carros portantes arriba descritos, mientras se cumpla con los lineamientos y limitantes de uso que se recomiendan, esto para lograr una selección económica, tomando en cuenta que este equipo quedará casi ocioso, después del montaje inicial y puesta en operación de dicha planta
417
Carros portantes VIGA CARRIL
VIGA CARRIL
ALTURA MUERTA
5.4 a 8 cm.
Figura 8.15.1 Carro portante con desplazamiento, por rodillos (por jalón) 27 a 33 cm. 13 a 24 cm.
VIGA CARRIL
20 a 27 cm.
ALTURA MUERTA
Figura 8.15.2 Carro portante con desplazamiento, por torno
418
Carros portantes VIGA CARRIL
VIGA CARRIL
53 a 106 cm. PARA TROLE PEQUEÑO
85 a 136 cm. PARA TROLE NORMAL
Figura 8.15.3 Carro portante con desplazamiento, por motor eléctrico
8.5 POLIPASTOS Y SUS APLICACIONES 8.5.1 Polipasto de trinquete Son aparejos de accionamiento manual (mediante trinquete o palanca de embrague), para tirar, tensar y elevar cargas de 2.5 a 5 ton, mediante cadena de acero. Se utilizan suspendidos de carros portantes con desplazamiento por rodillos (por jalón hasta 3 ton), por torno o por motor eléctrico, montados en grúas puente y aporticadas monopuente y bipuente, sistemas monocarril y grúas giratorias, útiles para alturas de izaje de 3 a 4 metros. Ver fig. 8.16.1. 8.5.2 Polipasto de mordaza Son aparejos de accionamiento manual, para tirar, tensar y elevar cargas de 0.75 a 6 ton, mediante cable de acero. Se utilizan suspendidos de carros portantes con desplazamiento por rodillos (por jalón hasta 3 ton), por torno o por motor eléctrico, montados en grúas viajeras y aporticadas monopuente y bipuente, sistemas monocarril y grúas giratorias (hasta 5 ton), útiles para alturas de izaje de 3 a 4 metros. Ver fig. 8.16.2. 8.5.3 Polipasto de torno Son aparejos de accionamiento manual (con mecanismo de tornillo sinfín, polea diferencial o de engranajes), para tirar, tensar y elevar cargas de hasta 10 ton, mediante cadena de torno o cable de acero. Se utilizan suspendidos o acoplados a carros portantes con desplazamiento por rodillos (por jalón hasta 3 ton), por torno o por motor eléctrico, montados en grúas viajeras y aporticadas monopuente y bipuente, sistemas monocarril y grúas giratorias (hasta 5 ton), útiles para alturas de izaje de 3 a 4 metros. Ver fig. 8.17.1.
419
8.5.4 Polipasto de motor Son aparejos de accionamiento por motor eléctrico, para tirar, tensar y elevar cargas mayores de 10 ton, mediante cadena o cable de acero. Los aparejos eléctricos de cable se construyen para elevar cargas desde 0.25 hasta 20 ton, para distintas alturas y velocidades de izaje; los de cadena se construyen para las mismas capacidades, pero para alturas y velocidades menores. Estos aparejos se utilizan normalmente acoplados a carros portantes con desplazamiento por rodillos (por jalón hasta 3 ton), por torno (hasta 10 ton) o por motor eléctrico, montados en grúas viajeras y aporticadas monopuente (hasta 10 ton) y bipuente (mayores de 10 ton), sistemas monocarril (hasta 10 ton) y grúas giratorias (hasta 5 ton), sin restricción en la altura de izaje. Ver fig. 8.17.2.
420
Polipastos de accionamiento manual y electrico 22 cm.
20 a 25 cm.
GANCHO DE SUSPENSION AL CARRO PORTANTE
CADENA DE CARGA 38 a 53 cm. PALANCA DE TRINQUETE
GANCHO DE CARGA
Figura 8.16.1 Polipasto de trinquete
Polipastos de accionamiento manual y electrico PALANCA DE ACCIONAMIENTO PARA SUBIR LA CARGA
GANCHO DE SUSPENSION AL CARRO PORTANTE
PALANCA DE CAMBIO
PALANCA DE ACCIONAMIENTO PARA BAJAR LA CARGA
BOQUILLA
CABLE O CADENA DE CARGA
GANCHO DE CARGA
Figura 8.16.2 Polipasto de mordaza
421
60 cm 70 cm POLEAS
APAREJO INFERIOR (MUFLA) GANCHO DE CARGA
24 cm.
Figura 8.17.1 Polipasto de torno
Polipastos de accionamiento manual y electrico VIGA CARRIL VIGA CARRIL
MOTOR DE CARRO PORTANTE MOTOR DEL POLIPASTO DE IZAJE
CABLE DE CARGA APAREJO INFERIOR (MUFLA) GANCHO DE CARGA
Figura 8.17.2 Polipasto de motor eléctrico
422
CONTENIDO SECCIÓN 1: PROYECTO MECÁNICO ........................................................................424 APÉNDICE ¨ A ¨: EJEMPLOS DE APLICACIÓN ..........................................................424 1.0 CÁLCULO DE LA CARGA TOTAL DE BOMBEO ..................................................424 1.1 DATOS BÁSICOS:...................................................................................................424 1.2 DESARROLLO: .......................................................................................................424 1.2.1 Identificar las líneas de tubería (ver figura A-1 diagrama esquemático de la instalación) .....................................................................................................................424 1.2.2 Cálculo de las velocidades respectivas a cada sección transversal para los diferentes diámetros de tubería involucrados................................................................425 1.2.3 Obtención de la rugosidad absoluta y rugosidad relativa.....................................427 1.2.4 Determinar el número de Reynolds para el sistema ............................................427 1.2.5 Obtención del factor de fricción en tubería (gráfica y analíticamente) .................427 1.2.6 Cálculo de las pérdidas en accesorios ...............................................................430 1.2.7 Cálculo de la carga estática.................................................................................431 1.2.8 Cálculo de la carga total de bombeo ....................................................................431 2.0 CÁLCULO DE LA POTENCIA HIDRÁULICA..........................................................432 2.1 DATOS .....................................................................................................................432 2.2 DESARROLLO ........................................................................................................432 2.3 CÁLCULO DE LA POTENCIA AL FRENO ............................................................432 2.3.1 Desarrollo .............................................................................................................432 3.0 TRAZO DE LA CURVA DEL SISTEMA .................................................................434 3.1 PROCEDIMIENTO..................................................................................................434 3.2 DESARROLLO .......................................................................................................434 3.2.1 Tubería nueva y Q = 150 L/s tenemos: ...............................................................434 3.2.2 Tubería usada y Q = 150 L/s tenemos: ...............................................................435 4.0 CÁLCULO DEL EMPUJE AXIAL............................................................................436 4.1 DATOS BÁSICOS:..................................................................................................436 4.2 DATOS DE LA CURVA DE LA BOMBA NO. 2811625-E (FIG. A-3).....................436 4.3 DATOS DEL EMPUJE Y PESOS DE LA BOMBA.................................................436 4.4 CÁLCULOS (PARA LA PRESIÓN A VÁLVULA CERRADA) ................................436 5.0 LEYES DE AFINIDAD. ( EJEMPLO DE APLICACIÓN ).......................................442 5.1 DATOS ....................................................................................................................442 5.2 DESARROLLO .......................................................................................................442 6.0 VELOCIDAD ESPECÍFICA ( EJEMPLO DE APLICACIÓN ).................................443 7.0 VELOCIDAD ESPECÍFICA DE SUCCIÓN ( EJEMPLO DE APLICACIÓN ) ........444
SECCIÓN 1: PROYECTO MECÁNICO APÉNDICE ¨ A ¨: EJEMPLOS DE APLICACIÓN En este apéndice el ingeniero de proyecto encontrará una guía general sobre los procedimientos de cálculo para predimensionar y específicar adecuadamente las instalaciones y equipos de bombeo. Sin embargo, nunca debe olvidar que en el desarrollo de un proyecto es necesario la aplicación de códigos, estándares y especificaciones de ingeniería, así como el conocimiento de los requisitos específicos de cada proyecto. 1.0 CÁLCULO DE LA CARGA TOTAL DE BOMBEO Una planta de bombeo de aguas negras descarga un gasto total de 600 L/s; está compuesta de cuatro motobombas sumergibles iguales (3 en operación constante y una de relevo). Cada uno de los equipos maneja 200 lps y se tienen los siguientes datos básicos: 1.1 DATOS BÁSICOS: Gasto total de bombeo Gasto por equipo Fluido a manejar Viscosidad cinemática Tubería de succión y descarga Tubería de conducción Altura estática de descarga : Nivel mínimo del agua Condición crítica
Qt = 600 L/s Q = 200 L/s Aguas negras 8 x 10 -7 m2/s @ T=30 oC Acero comercial cédula. 40 Asbesto-Cemento 13.45 m. desde el eje de succión 0.32 m. sobre el eje de succión 3 equipos en operación a plena carga
1.2 DESARROLLO: 1.2.1 Identificar las líneas de tubería (ver figura A-1 diagrama esquemático de la instalación) De la pag. B-21b obtenemos los diámetros interiores (Øint) para la tubería cédula. 40. TRAMO
Ønominal (Plg) 10 14 14 14 14 24 24 24
Øint. (m) 0.254 0.3333 0.3333 0.3333 0.3333 0.5746 0.5746 0.5746a
LONGITUD (m) 13.600 7.550 0.800 0.757 0.478 7.675 1.000 523.700
MATERIAL
acero cédula 40 0 A acero cédula 40 A B acero cédula 40 B C acero cédula 40 C D acero cédula 40 D E acero cédula 40 E F acero cédula 40 F G asbesto-cemento G H a Para cuestiones de cálculo consideraremos el valor del Ø int. de la tubería de asbestocemento igual al Øint. de la tubería de acero cédula. 40. b Datos obtenidos del manual de Flujo de Fluidos "CRANE".
424
1.2.2 Cálculo de las velocidades respectivas a cada sección transversal para los diferentes diámetros de tubería involucrados Para el tramo 0 A tenemos: Ønominal. = 10" Øint. = 0.254 m Q = 200 lps. = 0.2 m3/s Q = VA
(A-1)
Ejemplo de cßlculo Diagrama esquemßtico VISTA AA A
2 1 B A
3
a
CONSIDERANDO 2m DE ALTURA A LA SUPERFICIE.
13.45 m
b
0.32 m
4 C c 5
DESCARGA DE LA BOMBA VISTA AA
d 6 E 7 e F f G
8 H 9
TUBER A tramo AB BC CD DE EF FG GH
a b c d e f G
L mm 7550# 800# 757# 478# 7675# 1000# 523700# *
0 pulg
ACCESORIOS
14 14 14 14 24 24 24
1 2 3 4 5 6 7 8
O pulg
Codo a 90 oR.L. Reducci n excentrica Codo a 90 oR.L. Vßlvula de retencion Vßlvula de compuerta Codo a 45 oR.L Inserci n Codo a 96 oa gajos
* acero # asbesto cemento
Figura-A.1 Diagrama esquemático de la instalación
425
10 10-14 14 14 14 14 14-24 24
V=
Q A
pero
A=
D 4
2
V=
4Q D2
(A-2)
Sustituyendo valores, tenemos: V
4(0.2) = 3.94 m/s (0.254)2
Para los tramos A B, B -C, C -D y D -E tendremos la misma velocidad puesto que tienen el mismo diámetro. Ønominal. = 14"
Øint. = 0.3333 m
V
Q = 200 L/s = 0.2 m3/s
4(0.2) = 2.29 m/s (03333 . )2
Para los tramos E - F, F - G, y G - H estaremos manejando el gasto total y además tendremos la misma velocidad puesto que tienen el mismo diámetro . Ønominal. = 24"
Øint. = 0.5746 m
V
Ønominal (Pulg) 10 14 24
4(0.6) (05746 . )2
= 2.31 m / s
Tabla de velocidades Øint. (m) 0.254 0.3333 0.5746
426
Q = 600 L/s = 0.6 m3/s
VELOCIDAD (m/s) 3.94 2.29 2.31
1.2.3 Obtención de la rugosidad absoluta y rugosidad relativa Estos valores los obtenemos de la pag. A-41b a de la forma siguiente: 1 ).- Localizamos el diámetro interior de la tubería en la parte inferior de la gráfica. 2 ).- Sobre esa línea nos desplazamos hacia arriba hasta intersectar con la línea del material de tubería en estudio. 3 ).- Sobre esta misma línea leemos el valor de la rugosidad absoluta ( ) correspondiente a dicho material de tubería. 4 ).- Desplazándonos hacia la izquierda del punto de intersección leemos el valor de la rugosidad relativa( /d). Para nuestro ejemplo tenemos: Ønominal (Plg) 10 14 24 24
Øint. (m) 0.254 0.3333 0.5746 0.5746
MATERIAL acero comercial acero comercial acero comercial asbesto-cemento
(mm) 0.05 0.05 0.05 0.076
/d 0.00019 0.00015 0.000087 0.00013
1.2.4 Determinar el número de Reynolds para el sistema a).- Para el tramo de tubería (0 A ) de 10" Ø tenemos:
Re =
Vd
=
3.94 X 0.254 = 1250950 > 4000 8 X 10-7
es un flujo turbulento
b).- Para los tramos de tubería ( A -B, B -C, C -D, D -E ) de 14" Ø tenemos: Vd 2.29 X 0.3333 Re = = = 954071.25 > 4000 es un flujo turbulento 8 X 10-7 c).- Para los tramos de tubería ( E F, F - G, G - H) de 14" Ø tenemos: Vd 2.31 X 0.5746 Re = = = 1654157.5 > 4000 es un flujo turbulento 8 X 10-7 1.2.5 Obtención del factor de fricción en tubería (gráfica y analíticamente) a) MÉTODO GRÁFICO Con los valores obtenidos del No. de Reynolds y la rugosidad específica, buscamos en el Diagrama de Moody (pag. A-43) el factor de fricción correspondiente a cada Ø de tubería.
427
Modo de empleo del diagrama De Moody 1.- Fijamos el No. de Reynolds (Re) obtenido en la escala que muestra estos valores. 2.- Fijamos el valor de la rugosidad relativa ( /d) obtenido. 3.- Sobre la escala del No. de Reynolds nos desplazamos hacia arriba hasta intersectar con la curva de la rugosidad relativa elegida. 4.- Una vez encontrada la intersección de los valores, nos desplazamos hacia la izquierda para leer el valor correspondiente al factor de fricción (f). Para tubería de acero de 10" Ø tenemos: Re = 1250950 /d = 0.00019 f = 0.014 Para tubería de acero de 14" Ø tenemos: Re = 954071.25 /d = 0.00015 f = 0.14 Para tubería de acero de 24" Ø tenemos: Re = 1654157.5 /d = 0.000087 f = 0.0125 Para tubería de asbesto-cemento de 24" Ø tenemos: Re = 1654157.5 /d = 0.00013 f = 0.0132 b) MÉTODO ANALÍTICO
1 Utilizando la ecuación: fT = 2 log (3.71 X d / ) Para tubería de acero de 10" Ø tenemos: Øint.= 254 mm. = 0.05 1 fT = 2 log (3.71 X 254 /0.05) Para tubería de acero de 14" Ø tenemos: Øint.= 333.3 mm. = 0.05
428
2
2
= 0.0136
1 fT = 2 log (3.71 X 333.3/0.05)
2
= 0.0129
Para tubería de acero de 24" Ø tenemos: Øint.= 574.6 mm. = 0.05 2 1 fT = = 0.0116 2 log (3.71 X 574.6 /0.05) Para tubería de asbesto-cemento de 24" Ø tenemos: Øint.= 574.6 mm. = 0.076 2 1 fT = = 0.0126 2 log (3.71 X 574.6 /0.076) Una vez que se han calculado los parámetros anteriores calculamos las pérdidas primarias en tubería por medio de la ecuación de Darcy Weisbach. (A-3) L V2 hf = f D 2g Nota: Para nuestro cálculo utilizaremos los valores de f obtenidos analíticamente; sin embargo, en la práctica se utilizan con mayor frecuencia los valores de f obtenidos en el diagrama de Moody TRAMO
0 A E G
A E G H
Ønominal (Plg) 10 14 24 24
Øint. (m) 0.254 0.3333 0.5746 0.5746
Re
f
1250950.0 954071.25 1654157.5 1654157.5
0.0136 0.0129 0.0116 0.0126
Para tubería de acero de 10" Ø tenemos: 13.60 3.942 hf = 0.0136 = 0.576 m 0.254 2(9.81) Para tubería de acero de 14" Ø tenemos: 9.585 2.292 hf = 0.0129 = 0.099 m 0.3333 2(9.81) Para tubería de acero de 24" Ø tenemos: 8.675 2.312 hf = 0.0116 = 0.04763 m 0.5746 2(9.81) Para tubería de asbesto-cemento de 24" Ø tenemos:
429
longitud (m) 13.60 9.585 8.675 523.7
523.7 2.312 = 3.123 m 0.5746 2(9.81) Ahora sumamos todas las perdidas en tubería. hft = 0.576 + 0.0990 + 0.04763 + 3.123 = 3.845 m hf = 0.0126
1.2.6 Cálculo de las pérdidas en accesorios De las pag. A-47b a A-49b obtenemos el coeficiente de resistencia (K) para accesorios. No. 1 2 3 4 5 6 7 8
ACCESORIO Codo 900 R.L Reducción excéntrica Codo 900 R.L Válvula de retención Válvula de compuerta Codo 450 Inserción Codo de 900 a gajos
Ø (Plg) 10 10-14 14 14 14 14 14-24 24
COEFICIENTE K = 14fT = 0.196 0.3 K = 14fT = 0.182 K = 50fT = 0.65 K = 8fT = 0.104 K = 16fT = 0.208 0.1 0.45
De la pag. A-46b obtenemos el factor fT para tuberías de acero: Para Ø = 10" fT = 0.014 Ø = 14" fT = 0.013 Ø = 24" fT = 0.012 Ahora aplicamos la ecuación para pérdidas en accesorios: V2 hfa = K 2g Para el accesorio No. 1 3.942 hfa = 0.196 = 0.155 m 2(9.81) Para los accesorios de 14" Ø @ accesorios 2, 3, 4, 5, 6 y 7. Puesto que la velocidad en todos estos accesorios es la misma, podemos sumar todos y cada uno de los coeficientes de resistencia (K) obtenidos. K = 0.3 + 0.182 + 0.65 + 0.104 + 0.208 + 0.1 = 1.544 2.292 hfa = 1.544 = 0.412 m 2(9.81) Para el accesorio No. 8 de 24" Ø tenemos: 2.312 hfa = 0.45 = 0.122 m 2(9.81)
430
Las pérdidas totales por accesorios será la suma de cada una de las pérdidas por accesorios involucrados. hfa = 0.155 + 0.412 + 0.122 = 0.689 m T
1.2.7 Cálculo de la carga estática Teniendo las elevaciones de la planta de bombeo, con motobombas sumergibles, la carga en la succión es nula, por lo que solo existe carga estática a la descarga. hest. desc. = Nivel de descarga - n min agua hest. desc. = 13.45 - 0.32 = 13.13 m 1.2.8 Cálculo de la carga total de bombeo
CDT = h est. desc. + h fT
h f aT
CDT = 13.13 + 3.845 + 0.689 = 17.664 mca
CDT = 17.664 mca
431
2.0 CÁLCULO DE LA POTENCIA HIDRÁULICA Para este ejemplo tomaremos como base los resultados del ejemplo anterior. 2.1 DATOS Q = 200 L/s = 0.2 m3/s = 3170.16 GPM CDT = 17.664 m.c.a. = 57.97 ft.c.a = 10791 N/m3 r = 1.1 2.2 DESARROLLO De acuerdo a las ecuaciones: Q x CDT x WHP 1000 3 donde : Q en m /s CDT en m.c.a en N/ m3 WHP
Donde :
Q x CDT x 3960
r
(KW)
...1
(HP)
...2
Q en GPM. CDT en ft.c.a
Sustituyendo valores en la ecuación 1 tenemos: 0.2 x 17.664 x 10791 = 38.122 KW 1000 sustituyendo valores en la ecuación 2 tenemos: WHP
WHP
3170.16 x 57.97 x 1.1 = 51.048 HP 3960
2.3 CÁLCULO DE LA POTENCIA AL FRENO Para este ejemplo tomaremos los valores obtenidos en los dos ejemplos anteriores, además consideraremos que la bomba tiene una eficiencia de 83%. 2.3.1 Desarrollo De acuerdo a las ecuaciones:
432
BHP
Q x CDT x 1000 b
BHP
Q x CDT x 3960 b
r
(KW)
...3
(HP)
...4
Donde: b = eficiencia de la bomba Sustituyendo valores en las ecuaciones 3 y 4 respectivamente, tenemos:
BHP
0.2 x 17.664 x 10791 = 45.93 KW 1000 x 0.83
BHP
3170.16 x 57.97 x 1.1 = 61.50 HP 3960 x 0.83
433
3.0 TRAZO DE LA CURVA DEL SISTEMA Del proyecto de una planta de bombeo de aguas negras, que cuenta con un arreglo de cuatro bombas, se han obtenido los siguientes datos básicos: Gasto por bomba Gasto máximo Gasto mínimo Carga estática Pérdida total de carga Pérdida total de carga
Qb Qt Q Hest. Hf Hf
= 200 L/s = 600 L/s = 80 L/s = 13.13 m. = 4.42 (en tubería usada) = 2.85 (en tubería nueva)
Se requiere obtener la curva del sistema con el propósito de conocer el comportamiento del mismo. 3.1 PROCEDIMIENTO 1 ).- Tabulemos los datos de pérdidas (Hf) y carga total (H) correspondientes a gasto máximo (Q máx.) 2 ).- Seleccionamos un intervalo de variación del gasto (Q), para el ejemplo fijaremos un rango de 0 a 600 lps. 3 ).- De acuerdo a la ecuación H fn = H fi
Qn Qi
2
obtenemos la pérdida correspondiente
a cada gasto. 4 ).- Determinamos la carga total (H) de cada gasto con la ecuación:
H fn = H f
H est.
5 ).- Localizamos los puntos obtenidos en una gráfica de coordenadas Q vs H y trazamos la curva, y esta será la curva del sistema. 3.2 DESARROLLO Para efecto del ejemplo se calcularán únicamente las pérdidas de carga de tubería nueva y tubería usada con un gasto seleccionado: 3.2.1 Tubería nueva y Q = 150 L/s tenemos: a) Hf en tubería nueva: 2 150 H fn = 2.85 = 1.603 m 200 b) Carga total en tubería nueva: H f 150 E-3 m3 / s = 13.13 1.60 = 14.73 m
434
3.2.2 Tubería usada y Q = 150 L/s tenemos: a) Hf en tubería usada: 2 150 H fn = 4.42 = 2.48 m 200 b) Carga total en tubería usada:
H f 150 E-3 m3 / s = 13.13
2.48 = 15.61 m
Tabla constructiva de la curva del sistema Q(lps)
Hf (m) (Tub. nueva) 0.0 0.178 0.712 1.603 2.85 4.45 6.41 8.72 11.4 14.42 17.81 21.55 25.65
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600
Hf (m) (Tub. usada) 0.0 0.27 1.10 2.48 4.42 6.9 9.94 13.53 17.68 22.37 27.62 33.42 39.78
H (m) (Tub. nueva) 13.13 13.30 13.84 14.73 15.98 17.58 19.54 21.85 24.53 27.55 30.94 34.68 38.78
H (m) (Tub. usada) 13.13 13.40 14.23 15.61 17.55 20.03 23.07 26.66 30.81 35.50 40.75 46.55 52.91
En la figura A-2 se muestran las curvas correspondientes.
60
H con tubo nuevo
50
H con tubo usado Carga estatica
40 30 20 0 0 0
100
200
300
400
500
Capacidad (l/s)
Figura A-2 Curva del sistema
435
600
700
4.0 CÁLCULO DEL EMPUJE AXIAL Calcular el empuje axial de una bomba Peerless modelo 10 HXB/4, que maneja un gasto de 44 lps de agua clara y una carga total de bombeo de 29.6m, con cuatro pasos y una longitud de flecha de 30m, acoplada a un motor de flecha hueca de 30 HP, que gira a 1750 r.p.m. Se convertirán las unidades al sistema inglés, en virtud de que el catálogo del fabricante se encuentra en esas unidades. 4.1 DATOS BÁSICOS: a) Gasto de la bomba: Q = 44 L/s = 697.5 GPM b) Carga total de bombeo: H = 29.6 m = 97 pie c) Presión de succión: Psi = 3.04 m = 10 pie = 4.33 lb/pulg²= 207.32Pa d) Longitud de la flecha: L = 30 m = 98.4 pie e) Potencia del motor: 30 HP 4.2 DATOS DE LA CURVA DE LA BOMBA No. 2811625-E (Fig. A-3) f) Modelo de la bomba/velocidad: 10 HXB/1750 r.p.m. g) Carga por paso: 7.31 m = 24 pie h) Número de pasos: 4 i) Diámetro del impulsor: 151 mm = 5 15/16" j) Eficiencia de la bomba: 0.77 k) Presión a válvula cerrada = 12.9 m x 4 = 51.6 m (a flujo cero) = 169 pie = 73 lb/pulg² = 3,495Pa 4.3 DATOS DEL EMPUJE Y PESOS DE LA BOMBA l) Empuje hidráulico unitario (Fig. A-4) a válvula cerrada ke = 8 lb/pie (hacia abajo) m) Diámetro de la flecha (Tabla 4.2) = 25 mm = 1" (Para 30 HP a 1760 r.p.m.) n) Peso unitario de la flecha (Tabla 4.4) kf = 2.67 lb/pie = 0.0397kg/cm o) Área de la flecha (Tabla 4.5) Af = 0.785 pulg²= 5.06cm2 p) Área de la manga de la flecha (Tabla 4.5) Am = 1.0 pulg²=6.452cm2 q) Peso del elemento rotativo ver (Tabla 4.3 columna 2) Wr = 15 lb/paso 4.4 CÁLCULOS (para la presión a válvula cerrada) Eh = ke x H x r = 8 x 96 x 1 = 768 lb = 348kg Wm = Wf + Wr = (2.67 x 98.4)+(15 x 4) = 323 lb = 146.51kg
436
Pf = Ps x Af = 4.33 x 0.785 = 3.4 lb = 1.54kg Pm = Pd x Am = 73 x 1.0 = 73 lb = 33.11kg Pa = Pf + Pm = 3.4 + 73 = 76.4 lb = 34.65kg Sustituyendo valores en la ecuación de ER, se tiene: ER = Eh + Wm - Pa ER = 768 + 323 - 76.4 = 1014.7 lb = 460kg Comparando el valor obtenido del empuje axial resultante de ER = 460kg (1014.7 lb) con el permisible para un motor vertical de 30 HP, 1750 r.p.m. 3 220 V, se tiene: Empuje axial permisible = 1537.7 Kg. x 2.2 = 3383 lb.= 16534 kg Esta valor corresponde en la tabla 4.6 a un motor de alto empuje axial con armazón 213 TP NEMA B. Por lo anterior, se concluye que, el motor soportará el empuje resultante de la bomba con cojinete estándar a la condición de máxima presión desarrollada por la bomba (a flujo cero con la válvula cerrada). En casos donde no sea una condición de la bomba arrancar a válvula cerrada, deberá considerarse en el cálculo la presión de descarga. 60 40
1
CHANGE EFFICIENCY AS FOLLOWS
65 70 72
35
1 2
75 78 80
2
SHUTOFF HEAD 49.5 SHUTOFF HEAD 42.5
NUMBERS OF POINTS
FOR NUMBERS OF STAGES
1
3
"
3
2
"
5
1
HEAD CAPACITY
81
NOTE: ANY CHANGE IN EFFICIENCY AFFECTS EITHER THE HEAD OR HORSE POWER CORRESPONDINGLY.
82
30
LOWER
81
25
80 78
20 1 2
15
SHUTOFF HP 4.6 SHUTOFF HP 3.8
75 70
40
10
20
NPSH
0 1
B.H.P.
2
6 5 300
400
500
800 600 700 900 U.S. GALLONS PER MINUTE
Figura A-3 Curva H-Q de la bomba
437
1000
4
12 11
10 HXB T 82337
10 9 8 7 6 5 4 3 2 0
100
200
400
600
800
1000
GALONES POR MINUTO
Figura A-4 Empuje hidráulico ( Ke ) Tabla 4.2 Datos de selección de la bomba Diámetro de Flecha
3/4"
1"
13/16"
11/2"
1-11/16:"
1-15/16"
23/16"
Máx hp
30
100
150
300
450
--
--
Pérdida/100 ft
.62
1.1
1.45
2.2
2.8
--
--
Máx hp
15
50
75
150
250
350
450
Pérdida/100 ft
.32
.53
.72
1.25
1.4
1.9
2.3
Máx hp
10
30
50
100
150
200
300
Pérdida/100 ft
.21
.35
.48
.75
.94
1.2
1.5
3450 R.P.M.
1760 R.P.M.
1160 R.P.M.
Tabla de selección del diámetro de la flecha sólida Instalación a 152.4m (500 ft) cargas hasta 152.4m*ca (500 ft ca) Esta carga no siempre indica la selección de la flecha más económica
438
Tabla 4.3 Tazón Empuje 2 4LO
1.6
1 ½ 10LB
4.1
25 14HXB
12.4
32
20HXB
25.3
120
4LE 6LB 6MA
1.0 1.5 2.8
1 ½ 10MA 3 ½ 10HH 3 10HXB
5.5 9.5 5.8
12 14HH 35 15LC 15 15MA
20.0 6.4 15.0
44 46 56
46.1 38.5 57.0
200 135 190
6HXB
2.2
6.2
58 16MC
12.7
50
24MA 24HXB 24HH 24HHOH
Tazón Empuje 2 30HH104.0 370 OH 32HXB 87.0 470 36MA 83.0 636 36HXB 112.0 680
57.0
154
36HH
3
Tazón Empuje 2
11MB
Tazón Empuje
2
Tazón
Empuje
2
140.0
784
7LB
2.4
5
12LB
6.0
14 16HXB
20.3
35
26HXB
54.3
7HXB
3.4
6
12LD
7.8
22 16HH
30.0
75
69.0
8LB
2.6
7
12MB
7.5
21 18MA
22.5
54
69.0
225 48HXB 208.0 1075
8MA
5.6
7
12HXB
8.5
17 18HXB
24.4
72
26HH 26HHOH 27MA
36HH166 40.0 OH 275 42HXB 152.0
74.5
270
8HXB
3.62
7 12HXH
11.0
27 18HH
35.0
151
28HXB
64.2
205
9LA
3.9
11
14LD
10.4
38 20MA
30.0
100
30LA
64.0
210
14MO
10.0
33
30HH
104.0
450
48HH 48HHOH 56HH 56HHOH
679 870
235.0 1600 235.0 1425 338.0 2675 338.0 2467
NOTA: Estos valores deben usarse únicamente si en la curva de la bomba no se tiene este dato. Estos valores se buscan en el punto de máxima eficiencia de la bomba y no reflejan el empuje en condiciones de cierre brusco y a la derecha del máximo punto de eficiencia, que pueden producir una condición de empuje hacia arriba. NOTAS: La constante incluye el peso del tazón por etapa peso del elemento rotativo (Ib/ft de carga) columna No. 2
Tabla 4.4 Flecha y tubería peso por pie Diámetro de Flecha Peso de la Flecha (ft) Diámetro de Tubería Peso de Tubo (ft) Diámetro de Flecha Peso de la Flecha (ft) Diámetro de Tubería Peso de Tubo (ft)
3/4 1.50 1 1/4 2.99 2-7/16" 15.86 4" 14.98
1" 2.67 1 1/2" 3.63 2-11/16" 19.29 5" 20.78
1-3/16" 377 2" 5.02 2-15/16" 23.04 5" 20.78
1-1/2" 6.01 2 1/2" 7.66
1-11/16" 1-15/16" 7.60 10.02 3" 3" 10.25 10.25
2-3/16" 12.78 3 1/2" 12.50
3-3/16" 27.13 5" 20.78
3-7/16" 31.56 5" 20.78
3-15/16" 41.40 6" 28.57
3-11/16" 36.31 6" 28.57
Tabla 4.5 Peso y área de la flecha y manga Diámetro Flecha (plg) 1 1 3/16 1 1/2 1 11/16 1 15/16 2 3/16
Peso de la flecha (lb/ft)
Área de flecha (plg²)
Área de la manga (plg)
Flecha Hueca Flecha maciza 2.3 2.6 3.3 3.8 5.3 6.0 6.7 7.6 8.8 10.0 11.2 12.8
.78 1.1 1.8 2.2 2.9 3.7
1.0 1.1 1.1 1.5 1.8 2.0
439
Tabla 4.6 EMPUJE AXIAL PERMISIBLE EN MOTORES ELÉCTRICOS VERTICALES ARMAZÓN HP R.P.M. EMPUJE (1) EMPUJE (2) No. kg. LB kg. LB 3600 1222.5 2695 762.0 1680 3,5,7,5,10,15,30 213 TP 1800 1537.7 3390 961.6 2120 1200 1766.3 3894 1088.6 2400 25,15,20,7.5,10,5 215 TP 900 ----1193.8 2632 3600 1222.5 2695 979.8 2160 30,40,25,15,20 254 TP 1800 1537.7 3390 1233.8 2720 1200 1766.3 3894 1415.2 3120 50,60,40,25,30,20 256 TP 900 ----1585.7 3496 75,100,60,50,30 3600 ----979.8 2160 284 TP 40 1800 1537.7 3390 1233.8 2720 1200 1766.3 3894 1415.2 3120 100,125,50 286 TP 900 ----1585.7 3496 250,150,200,60,75,100,1 3600 ----2467.5 5440 324 TP 25 1800 2395.0 5280 3120.7 6880 300,350,200,250 1200 2754.3 6072 3628.7 8000 326 TP 150, 900 ----3991.6 8800 3600 ----2467.5 5440 30,45,150,75 364 TP 1800 2395.0 5280 3120.7 6880 1200 2754.3 6072 3628.7 8000 40,50,60,75 365 TP 900 ----3991.6 8800 3600 3048.1 --3048.1 6720 100 - 250 404 TP 1800 3991.5 8800 3991.6 8800 1200 4463.3 9840 4463.3 9840 100 - 250 405 TP 900 4898.8 10800 4898.8 10800 3600 ----3048.1 6720 125 - 250 444 TP 1800 4989.6 11000 5080.2 11200 1200 5579.3 12300 5806.0 12800 150 - 250 445 TP 900 ----6132,6 13520 11200 1800 4989.6 11000 5080.2 12800 150 - 350 449 TP 1200 5579.3 12300 5806.0 13520 900 ----6132.6
NOTA: Estos datos están referidos al catálogo de motores eléctricos IEM (1) MOTORES VERTICALES ABIERTOS A PRUEBA DE GOTEO, TRIFÁSICOS, DE INDUCCIÓN, JAULA DE ARDILLA, 60 HZ, 220/440 VOLTS, DISEÑO NEMA "B", ALTO EMPUJE AXIAL, FLECHA HUECA Y SÓLIDA. (2) MOTORES VERTICALES TOTALMENTE CERRADOS CON VENTILACIÓN EXTERIOR, TRIFÁSICOS, DE INDUCCIÓN, JAULA DE ARDILLA, 60 HZ, 220/440 VOLTS, DISEÑO NEMA "B", ALTO EMPUJE AXIAL, FLECHA HUECA Y SÓLIDA.
440
Tabla 4.7 (otro fabricante) Datos de constante de empuje axial en bombas de flujo mixto DIÁMETRO DE TAZÓN
DIÁMETRO DE FLECHA
PESO DE PARTES ROTATIVAS POR ETAPA
CONSTANTE DE EMPUJE "K"
8
1
12
14
10
1-1/2
31
21
12
1-11/16
44
31
14
1-15/16
70
42
16
2-7/16
120
55
18
2-7/16
135
70
20
2-11/16
185
87
24
2-11/16
290
125
30
3-7/16
550
194
36
4
950
282
42
4-1/2
1300
384
50
5
1800
542
54
5-1/2
2500
630
Tabla 4.7 (otro fabricante) Datos de constante de empuje axial en bombas tipo propela DIÁMETRO DE TAZÓN
DIÁMETRO DE FLECHA
8 10 12 14 16 20 24 30 36 42 48 54 60 72
1" 1-3/16 1-1/2 1 -11/16 1-11/16 1-15/16 1-7/16 2-11/16 3-3/16 4 4 4 4 4
PESO DE PARTES ROTATIVAS POR ETAPA 12 20 40 50 60 115 200 340 570 980 1250 1790 2230 3980
441
CONSTANTE DE EMPUJE "K" 20 32 48 66 86 135 194 304 437 594 778 986 1219 1757
5.0 LEYES DE AFINIDAD. ( EJEMPLO DE APLICACIÓN ) A continuación se tabulan los valores correspondientes a una bomba que opera a 1775 r.p.m., un gasto de 0.125 m3/s, una carga de 25 m, una eficiencia de 75 por ciento y una potencia consumida de 40,833 Watts. n r.p.m. 1775 1250 880
Q m3/s 0.125 0.088 0.062
H m 25 12.4 6.14
5.1 DATOS Q1 = 0.125 m 3 /s. H1 = 25 m. n1 =1775 r.p.m. W1 = 40,833 Watts. n2 = 1250 r.p.m. n3 = 880 r.p.m. 5.2 DESARROLLO De acuerdo a las ecuaciones: Q1 Q2
n1 n2
H1 H2
n1 n2
2
W1 W2
n1 n2
3
De donde: Q2
H2 W2
Q 1xn2 n1 2 H1 n n1
2 W1 n n1
Q3
H3
0125 . x1250 1775 2
3
2
0125 . x880 1775
880 25 1775
442
2
40833 1250 1775
Q1xn3 n1 3 H1 n n1
25 1250 1775
0. 088
1239 . 3
142608 . 0. 0619
2
61448 .
W w 40,833 14,261 4,976
W3
3 W1 n n1
880 40833 1775
3
3
49758 .
Estos factores de corrección por velocidad de rotación son muy útiles en aplicaciones de velocidad variable ( unidad motriz a base de motores a gasolina o diesel, transmisión a base de poleas, etc. ), ya que en ocasiones una bomba propuesta, cuyas curvas de comportamiento pueden parecer escasas para cumplir los requerimientos de la planta de bombeo, pueden en ocasiones cubrir la aplicación adecuada, por medio de un ligero incremento en la velocidad. Debido a que las variaciones en el requerimiento de consumo de potencia por la bomba son proporcionalmente altas, ya que varían en función de la tercera potencia del cambio en la velocidad de rotación, deben ser evaluados primordialmente, y es en ocasiones limitante para los rangos del incremento de la velocidad mayores al 20 por ciento, cuando ya se tiene adquirida la unidad motriz, sobre las velocidades estándar de 600, 720, 900, 1200, 1800 y 3600 r.p.m. 6.0 VELOCIDAD ESPECÍFICA ( EJEMPLO DE APLICACIÓN ) Determinar la velocidad específica para una bomba de una etapa de simple succión, para un flujo de 0.5 m3/s, carga total de bombeo de 35 m y operando a una velocidad de rotación de 1800 r.p.m. 1
1
n Q2
1800 0.52
Ns H
3 4
35
88.5
3 4
Determinar la velocidad específica para una bomba de doble succión, para un flujo de 0.5 m3/s, una carga total de bombeo de 35 m y operando a una velocidad de rotación de 1800 r.p.m. Flujo por cada lado del impulsor = 0.5 / 2 = 0.25 m3/s 1
1
n Q2
1800 0.252
Ns H
3 4
35
3 4
62.5
Como puede observarse de los dos ejemplos anteriores, la velocidad específica depende más de la configuración geométrica del impulsor que de la velocidad de rotación, que en estos ejemplos es la misma.
443
7.0 VELOCIDAD ESPECÍFICA DE SUCCIÓN ( EJEMPLO DE APLICACIÓN ) Para una bomba de flujo mixto con un impulsor que gira a 3600 r.p.m. y proporciona una carga total de 50 m, con una capacidad de flujo de 0.05 m3/s y si se tiene una carga neta positiva de succión disponible de 12 m, obtener el valor de la velocidad de succión:
NS
nQ
1 2
CNPSD
1
3600 0.05 2 3 4
12
3 4
12485 .
La selección de esta bomba es adecuada, el valor determinado esta dentro del rango recomendado de selección. (Ver figura 2.8 del capitulo 2 ).
444
CONTENIDO APÉNDICE ¨ B ¨ TERMINOLOGÍA Y NOMENCLATURA DE LAS BOMBAS ............446 1.0 TERMINOLOGÍA ...................................................................................................446 1.1 CARGA...................................................................................................................446 1.2 ALTURA ESTÁTICA DE SUCCIÓN ( HS ).( - ).....................................................446 1.3 CARGA ESTÁTICA DE SUCCIÓN ( HS ).( + ) .....................................................446 1.4 CARGA ESTÁTICA DE DESCARGA ( HD ) .........................................................447 1.5 CARGA ESTÁTICA TOTAL ( HE ) ........................................................................447 1.6 CARGA DE FRICCIÓN ( HF ) ...............................................................................447 1.7 CARGA DE VELOCIDAD ( HV )............................................................................448 1.8 CARGA DE PRESIÓN............................................................................................448 1.9 ALTURA ´DINÁMICA´ DE SUCCIÓN ( HS ) .........................................................448 1.10 CARGA ´DINÁMICA´ DE SUCCIÓN ( HS)..........................................................448 1.11 CARGA ´DINÁMICA´ DE DESCARGA ( HD ).....................................................449 1.12 CARGA TOTAL Ó CARGA ´DINÁMICA´ TOTAL ( CDT ) ..................................449 1.13 CAPACIDAD Ó GASTO ( Q ) ..............................................................................449 1.14 CARGA NETA POSITIVA DE SUCCIÓN ( NPSH ) ............................................449 1.15 NPSH DISPONIBLE ( NPSHA ) ..........................................................................449 1.16 NPSH REQUERIDO ( NPSHR )............................................................................450 2.0 NOMENCLATURA DE LAS BOMBAS....................................................................451
APÉNDICE ¨ B ¨ TERMINOLOGÍA Y NOMENCLATURA DE LAS BOMBAS 1.0 TERMINOLOGÍA 1.1 CARGA La presión que ejerce una columna vertical de un líquido en cualquier punto, debido a su peso se le conoce como ´carga´. La altura de la columna de líquido se le conoce como ´carga estática´ y se expresa en unidades de longitud ( metros, pies, etc. ), la carga correspondiente a una presión específica depende del peso especifico del líquido de acuerdo a la siguiente expresión:
PRESIÓN PSI 2.31 PRESIÓN Kg / cm2 CARGA H = DENSIDAD RELATIVA 1.2 ALTURA ESTÁTICA DE SUCCIÓN ( hs ).( - ) Se tiene cuando la fuente de alimentación está por abajo de la línea central de la bomba. Así, la ´ALTURA ESTÁTICA DE SUCCIÓN ´, es la distancia vertical que existe entre la línea central de la bomba al nivel del líquido que va a ser bombeado. ( Ver figura B-1 ) 1.3 CARGA ESTÁTICA DE SUCCIÓN ( hs ).( + ) Se tiene, cuando la fuente de suministro está por arriba de la línea central de la bomba. Así, la ´CARGA ESTÁTICA DE SUCCIÓN es la distancia vertical que existe entre la línea central de la bomba al nivel del líquido que va a ser bombeado. ( Ver figura B-2 ).
CARGA EST TICA DE DESCARGA
CARGA EST TICA TOTAL
ALTURA EST TICA DE SUCCI N
ALTURA DE SUCCI N
Figura B-1 Cargas estáticas en un sistema con altura estática de succión
446
CARGA EST TICA TOTAL
CARGA EST TICA DE DESCARGA
CARGA EST TICA DE SUCCI N
CARGA DE SUCCI N
Figura B-2 Cargas estáticas en un sistema con carga estática de succión 1.4 CARGA ESTÁTICA DE DESCARGA ( hd ) Es la distancia vertical entre la línea central de la bomba y el punto de la descarga o de la superficie del líquido en el tanque de descarga. ( Ver figuras B-1 y B-2 ). 1.5 CARGA ESTÁTICA TOTAL ( He ) Es la suma algebraica de las formas anteriores de carga estática, se muestran gráficamente en las figuras B-1 y B-2. He = hd hs 1.6 CARGA DE FRICCIÓN ( Hf ) Es la carga requerida para vencer la resistencia de un líquido a fluir en una tubería y sus accesorios, dependiendo del tamaño y tipo de tubo así como de la naturaleza del líquido a manejar y del tipo y cantidad de dichos accesorios. Hf = Hfs + Hfd de donde: Hfs = Carga de fricción en la succión. Hfd = Carga de fricción en la descarga.
447
1.7 CARGA DE VELOCIDAD ( Hv ) Es la energía contenida en un líquido, como resultado de su movimiento a una velocidad ( v ). Es la carga necesaria para acelerar el fluido y se calcula de la siguiente forma: v2 Hv = 2g donde: v = velocidad del líquido. ( m/s ) g = Aceleración de la gravedad ( 9.81 m/s2 ) 1.8 CARGA DE PRESIÓN Ésta carga está referida a cuando se tiene un sistema de bombeo que empieza o termina en un tanque presurizado, misma que debe convertirse a columna del líquido. Los conceptos de carga estática, fricción, velocidad y presión, se combinan en los diferentes sistemas para conformar la CARGA TOTAL DEL SISTEMA a cualquier flujo. Dichas combinaciones son conocidas también como ´CARGAS DINÁMICAS. 1.9 ALTURA ´DINÁMICA´ DE SUCCIÓN ( Hs ) Es la altura estática de succión menos la carga de velocidad en la brida de succión de la bomba más la ´carga´ total de fricción en la línea de succión. Vs2 Hs = h s + Hfs 2g La altura ´dinámica´ de succión determinada en una prueba a la bomba, es la lectura de un manómetro en la brida de succión, convertida a columna o altura del líquido y corregida a la línea central de la bomba, menos la ´carga de velocidad´ en el punto de unión del manómetro. 1.10 CARGA ´DINÁMICA´ DE SUCCIÓN ( Hs) Es la ´carga´ estática de succión, más la ´carga´ de velocidad en la brida de succión de la bomba, menos la ´carga´ de fricción en la línea de succión. Vs2 Hs = hs + - Hfs 2g La carga ´dinámica´ de succión, determinada en una prueba a la bomba, es la lectura de un manómetro en la brida de succión (en altura del líquido) y corregida a la línea central de la bomba, más la ´carga´ de velocidad en el punto de unión del manómetro.
448
1.11 CARGA ´DINÁMICA´ DE DESCARGA ( Hd ) Es la ´carga´ estática de descarga, más la ´carga´ de velocidad en la brida de descarga de la bomba, más la ´carga´ de fricción en la línea de descarga. Vd2 Hd = hd + + Hfd 2g La carga ´dinámica´ total de descarga corresponde a la lectura de un manómetro en la brida de descarga, convertida a columna del líquido y corregida a la línea central de la bomba, más la ´carga´ de velocidad en el punto de unión del manómetro. 1.12 CARGA TOTAL Ó CARGA ´DINÁMICA´ TOTAL ( CDT ) Es la carga ´dinámica´ de descarga, menos la carga ´dinámica´ de succión o más la altura ´dinámica´ de succión. CDT = Hd + Hs ( Con altura de succión ) CDT = Hd - Hs ( Con carga de succión ) 1.13 CAPACIDAD Ó GASTO ( Q ) La capacidad de una bomba es el volumen de líquido que mueve la bomba en una unidad de tiempo determinado. Generalmente se expresa en metros cúbicos por segundo (m3 / s ) o en galones por minuto ( GPM ). 1.14 CARGA NETA POSITIVA DE SUCCIÓN ( NPSH ) La NPSH es una medida de la cantidad de ´carga´ existente en la succión para prevenir la vaporización del líquido en el punto de menor presión de la bomba. 1.15 NPSH DISPONIBLE ( NPSHA ) La NPSHA es la presión absoluta en la succión de la bomba, transformada en ´carga´, menos la presión de vapor del líquido bombeado y menos las pérdidas de fricción en la línea de succión transformadas en ´carga´. La NPSHA es una función del sistema en que la bomba opera. Las figuras B-3 y B-4 muestran los sistemas típicos de succión con las fórmulas de NPSHA para cada caso. Como practica común es recomendable agregar un factor de seguridad al valor del NPSHA calculado. Como factores de seguridad se recomiendan los siguientes: SERVICIO Para condiciones de instalación bien definidas. ( ya instaladas)
FACTOR 1.0
Para diseño de servicios nuevos
1.1 mínimo
449
1.16 NPSH REQUERIDO ( NPSHR ) La NPSHR es la carga positiva, en metros de columna del líquido bombeado, que se necesita en la succión de la bomba para superar las caídas de presión en la bomba y mantener el líquido arriba de su presión de vapor. La NPSHR depende del diseño de la bomba y éste varía con la velocidad de la bomba y la capacidad . ( La curva del fabricante debe proporcionar ésta información ).
cL
hs
NPSHD = P - ( Vp + hs + hf ) b donde: Pb = Presión barométrica (pies)
Pb
Vp = Presión de vapor del líquido a su máxima temperatura de bombeo (pies) hs = Altura estática de succión máxima (pies) hf
= Pérdidas de fricción en la linea de succión a la capacidad requerida (pies)
Figura B-3 Cálculo de la NPSH disponible con altura estática de succión Pb
hs NPSHD = Pb
+ hs - ( VP + hf )
cL
Figura B-4 Cálculo de la NPSH disponible con carga estática de succión Otra manera de enunciar la NPSHR es, la ´carga´ hidrostática mínima necesaria en la succión para hacer llegar el líquido al impulsor sin vaporización.
450
2.0 NOMENCLATURA DE LAS BOMBAS El tener una nomenclatura permite identificar los diversos componentes de las bombas y tener un lenguaje común que sea entendible entre el fabricante y el usuario. En las tablas siguientes se lista la nomenclatura que ha sido normalizada por el HIS; todas aquellas partes identificadas con números pares corresponden al elemento rotatorio y los nones a las partes estacionarias o fijas de las bombas. NOMENCLATURA No. DE PARTE
NOMBRE
DESCRIPCIÓN
1
Carcasa
Cubierta de la bomba con espesor adecuado para soportar diferentes presiones y que incluye el espacio para el impulsor, la voluta o difusor y las boquillas de succión y descarga.
2
Impulsor
Elemento rotativo de la bomba con álabes o venas donde entra el líquido y es impulsado, convirtiendo la energía mecánica disponible del accionador en energía cinética a la salida del impulsor.
3
Tazón
Cámara ó recinto donde se aloja y gira el impulsor.
6
Flecha
Elemento cilíndrico en donde es montado el impulsor y a través del cual la potencia es transmitida al impulsor.
7
Anillo de desgaste de la carcasa
Anillo reemplazable estacionario, para protección de la carcasa del rozamiento del anillo de desgaste del impulsor ó del impulsor.
8
Anillo de desgaste del impulsor
Anillo reemplazable montado en uno o ambos lados del impulsor, para protegerlo del rozamiento con las partes estacionarias.
9
Cubierta de succión
Pieza removible integrada a la boquilla de succión, usada para cubrir el lado de succión de la carcasa en las bombas con succión en el extremo.
451
NOMENCLATURA No. DE PARTE
NOMBRE
DESCRIPCIÓN
10
Flecha de carga o motriz
Barra cilíndrica de una bomba vertical, que transmite la potencia del accionador a la flecha intermedia o de columna de la bomba. Localizada en la sección del cabezal.
11
Cubierta ó caja del estopero
Elemento removible con cubierta o estopero integrado, usado para cubrir el lado posterior del impulsor en las bombas con succión en el extremo.
12
Flecha intermedia
Barra cilíndrica, que transmite la potencia de la flecha superior o del accionador a la flecha de la bomba.
13
Empaque ó empaquetadura
Anillos de asbesto grafitado o de metal suave presionados entre si lateralmente contra la flecha o manga, para proveer un sellado alrededor de la flecha.
14
Manga de la flecha
Pieza cilíndrica montada sobre la flecha de la bomba para proteger la flecha de las partes estacionarias.
15
Tazón de descarga
Difusor de una bomba de flujo axial, mixto o vertical tipo turbina.
16
Rodamiento interno ( Balero )
Es el rodamiento más cercano al cople en una bomba de doble succión, y el más alejado de éste en una bomba de succión en el extremo.
17
Prensaestopas
Plato ajustable, que comprime al empaque dentro del estopero o retiene el elemento estacionario del sello mecánico.
452
NOMENCLATURA No. DE PARTE
NOMBRE
DESCRIPCIÓN
18
Rodamiento externo ( Balero )
Es el rodamiento más alejado del cople en una bomba de doble succión y el más cercano al cople de una bomba con succión en el extremo.
19
Armadura ó soporte
Pieza rígida que contiene las cajas de los rodamientos y se ensambla a la carcasa de la bomba.
20
Tuerca de la manga de la flecha
Pieza cilíndrica roscada usada para ajustar la posición de la manga de la flecha sobre ésta.
22
Contratuerca del rodamiento
Pieza que asegura al rodamiento en la flecha.
23
Base de la bomba
Elemento o bastidor metálico integral sobre la cual la bomba y su accionador son montados.
24
Tuerca del impulsor
Pieza roscada que asegura el impulsor a la flecha.
25
Anillo de desgaste de la cubierta de la succión
Anillo reemplazable estacionario para protección de la cubierta de succión, del rozamiento del anillo de desgaste del impulsor o del impulsor.
26
Tornillo del impulsor
Tornillo especial para asegurar el impulsor en la flecha.
27
Anillo de desgaste de la tapa del estopero
Anillo reemplazable estacionario que protege la tapa del estopero del rozamiento del anillo de desgaste del impulsor o de éste.
453
NOMENCLATURA No. DE PARTE
NOMBRE
DESCRIPCIÓN
28
Junta del tornillo del impulsor
Material resistente usado para sellar la unión entre el mamelón del impulsor y tornillo del impulsor.
Anillo linterna o jaula del sello
Pieza anular con perforaciones radiales usado para proveer un sello de líquido alrededor de la flecha y lubricar y enfriar el empaque.
29
Pieza hueca dentro de la cual se aloja al rodamiento interno.
31
Caja del rodamiento interno
32
Cuña del impulsor
Pieza que previene el movimiento relativo del impulsor sobre la flecha.
33
Caja de rodamiento externo
Pieza hueca dentro de la cual se aloja al rodamiento externo.
35
Tapa del rodamiento interno
Tapa que encierra el rodamiento interno de una bomba de doble succión o multietapa o para el rodamiento del lado del impulsor en una bomba de succión al extremo.
37
Tapa del rodamiento externo
Tapa que encierra el rodamiento externo de una bomba de doble succión o multietapa ó para el rodamiento cercano al cople de una bomba de succión al extremo.
38
Junta de la manga de la flecha
Material usado para sellar la manga de la flecha y el impulsor.
454
NOMENCLATURA No. DE PARTE
NOMBRE
DESCRIPCIÓN
39
Buje de Chumacera
Casquillo o buje removible de la manga de la flecha en contacto con la flecha en rotación.
40
Deflector
Brida o collarín alrededor de la flecha y que gira con ésta, para impedir el paso del líquido, grasa, aceite o calor a lo largo de la flecha.
41
Cubierta del rodamiento interno
Pieza removible de la parte superior de la caja del rodamiento interno.
42
Medio cople del motor
La mitad del cople montado en la flecha motriz.
43
Tapa del balero externo
Pieza removible de la parte extrema de la caja de rodamiento externo.
44
Medio cople de la bomba
La mitad del cople montado en la flecha de la bomba.
46
Cuña del cople
Pieza insertada en una ranura de la flecha y del medio cople para transmitir a éste la rotación y la potencia.
47
Sello de la tapa interna del rodamiento
Anillo de metal suave o elástico que sella la tapa del alojamiento del rodamiento.
48
Buje del cople
Casquillo que aloja los pernos que aseguran las mitades del cople.
455
NOMENCLATURA No. DE PARTE
NOMBRE
DESCRIPCIÓN
49
Sello de la tapa externa del rodamiento
Anillo de metal suave o elástico que sella la tapa del alojamiento del rodamiento.
50
Contra tuerca del cople
Pieza que asegura la posición de la mitad del cople a la flecha.
51
Retén de grasa
Tapa o cubierta que retiene la grasa de la caja del rodamiento.
54
Arandela del cople
Disco anular para retener el cuerpo del cople.
55
Campana de succión
Tramo tubular acampanado en la succión para dirigir el flujo del líquido hacia el interior de la bomba.
62
Salpicador (grasa o aceite)
Disco que gira con la flecha de la bomba para arrastrar el lubricante desde el recipiente al rodamiento.
63
Buje del estopero
Anillo reemplazable sobre la manga de la flecha, en el extremo del estopero, opuesto al prensa estopas.
64
Collarín protector
Casquillo que protege a las chumaceras de la penetración de arena o suciedad en las bombas verticales.
65
Elemento estacionario del sello mecánico
Subensamble que consiste de una o más partes montadas en o sobre el estopero teniendo una cara plana pulida de sellado.
456
NOMENCLATURA No. DE PARTE
NOMBRE
DESCRIPCIÓN
66
Tuerca de ajuste de la flecha
Pieza roscada para variar la posición axial del ensamble rotativo.
67
Laina de la caja de rodamientos
Laminilla situada entre dos elementos para ajustar claros para ensamble.
Arandela de seguridad
Anillo seccionado para evitar el aflojamiento de una tuerca.
69
Cople de la flecha
Mecanismo usado para transmitir potencia de la flecha motriz a la flecha de la bomba o para conectar dos piezas de flecha.
71
Adaptador
Pieza maquinada de transición para conectar a dos partes de diferente sección o para dar un espaciamiento entre estos.
73
Junta
Material resistente de características particulares para usarse en la unión de dos partes y evitar las fugas.
77
Lubricador
Recipiente tubo capilar para dosificar el lubricante en el punto de su aplicación.
78
Espaciador de rodamientos
Manga sobre la flecha para espaciar o alojar las chumaceras antifricción.
79
Soporte del lubricador
Pieza para sujetar el lubricador a la bomba.
70
457
NOMENCLATURA No. DE PARTE
NOMBRE
DESCRIPCIÓN
80
Elemento rotativo del sello mecánico
Elemento flexible montado sobre la flecha dentro o sobre el estopero con una cara plana pulida de sellado que asienta con la cara de sellado del elemento estacionario del sello mecánico (parte 65).
81
Soporte del motor
Elemento metálico donde asienta el accionador o motor de una bomba vertical, soldada a la placa soporte de la bomba.
82
Retén del Anillo de empuje
Anillo usado para alojar el anillo bipartido de empuje.
83
Estopero o caja de embragues
Parte de la carcasa o pieza hueca que aloja los anillos de empaque sobre la flecha o el sello mecánico, para evitar las fugas del líquido.
84
Buje cónico, seguro del impulsor
Pieza cónica perforada usada para asegurar el impulsor a la flecha.
85
Camisa de la flecha
Tubo para proteger la flecha intermedia de una bomba vertical, del contacto con el líquido y alojar las chumaceras.
86
Anillo bipartido de empuje
Anillo bipartido montado en la flecha para absorber el empuje axial des balanceado en la bomba.
93
Sujetador de la sombrilla
Ribete para sujetar la sombrilla de succión al tazón de succión.
458
NOMENCLATURA No. DE PARTE
NOMBRE
DESCRIPCIÓN
95
Sombrilla de succión
Aro abocinado sujetado a la campana de succión para reducir los disturbios en la entrada de la bomba y reducir la sumergencia requerida.
97
Alineador de tazón
Casquillo reemplazable insertado dentro del tazón de propela y dentro del cual gira la propela.
99
Caja de rodamiento
Cuerpo hueco donde se aloja el rodamiento.
101
Tubo de columna
Tubo vertical de la cual esta suspendido el elemento estacionario de una bomba vertical y por donde asciende el líquido hasta la descarga.
103
Conector de chumacera de la camisa de la flecha
Casquillo guía donde gira la flecha y que sirve de cople entre dos tramos del tubo de la flecha.
105
Codo de descarga
Codo de una bomba de flujo axial, mixto o tipo turbina por el cual el líquido sale de la bomba.
123
Tapa de la flecha
Disco que cierra la abertura para el tacómetro en el extremo de la caja del rodamiento externo.
125
Grasera
Recipiente que contiene y suministra el lubricante.
126
459
NOMENCLATURA No. DE PARTE
NOMBRE
DESCRIPCIÓN
127
Tubería del sello
Tubería que inyecta el líquido de sellado a la cámara del sello.
131
Guardacople
Cubierta de protección sobre el cople de la flecha.
163
Tapa de la rompedora de vacío
Pieza perforada montada sobre la válvula rompedora de vacío.
167
Válvula rompedora de vacío
Dispositivo de control del aire admitido dentro de la cámara o tubo de descarga, que rompe el vacío dentro de estas.
169
Sello de la caja del rodamiento
Anillo de material suave que sella la tapa del rodamiento .
170
Adaptador del rodamiento
Casquillo usado para montar el rodamiento sobre la flecha .
183
Tuerca de la camisa de la flecha.
Pieza que sella y sujeta el extremo superior de la camisa de la flecha.
187
Cabezal de descarga
Pieza integral compuesta del soporte del motor, de la columna, codo de descarga y brida de columna.
189
Brida de la parte superior de la columna
Pieza usada para acoplar el tubo de descarga con el cabezal de descarga.
191
Cople del tubo de columna.
Pieza tubular roscada para unir dos tramos de columna.
192
460
NOMENCLATURA No. DE PARTE
NOMBRE
DESCRIPCIÓN
193
Soporte de la chumacera en bomba vertical autolubricada.
Pieza cilíndrica que aloja la chumacera de la flecha intermedia con extensiones de placa soldada al interior de la columna.
197
Tazón de descarga
Cámara que recibe el líquido del último tazón y la guía hacia la columna.
199
Tazón intermedio
Cámara dentro de la cual gira el impulsor y sirve de guía al fluido de un impulsor a otro.
201
Envolvente del estator.
Envolvente que contiene los devanados del rotor del motor.
203
Tazón de succión
Cámara que recibe el líquido y lo guía al primer impulsor .
209
Colador
Dispositivo circular perforado y colocado en la succión, para prevenir la entrada de objetos que puedan dañar la bomba.
211
Tubo de succión
Tramo de tubo recto que conduce el líquido al interior de la bomba colocado entre el colador y el primer tazón.
213
Anillo de desgaste del tazón
Anillo reemplazable estacionario, para protección del tazón del rozamiento del anillo de desgaste del impulsor o del impulsor.
222
Ensamble núcleo del rotor
Ensamble rotatorio de un motor eléctrico que contiene laminaciones y conductores cuya interacción con el estator produce el par de giro.
NOMENCLATURA No. DE PARTE
NOMBRE
DESCRIPCIÓN
223
Ensamble núcleo del estator.
Ensamble estacionario de un motor eléctrico que contiene laminaciones y embobinados para crear los campos magnéticos.
461
Tabla de conversión de unidades de medida al Sistema Internacional de Unidades (SI) OTROS SISTEMAS SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES DE UNIDADES (SI) MULTIPLICADO SE CONVIERTE A UNIDAD SÍMBOLO POR UNIDAD SÍMBOLO LONGITUD Pie Pulgada PRESIÓN/ ESFUERZO Kilogramo fuerza/cm2 2 Libra/pulgada Atmósfera metro de agua Mm de mercurio Bar FUERZA/ PESO Kilogramo fuerza MASA Libra Onza PESO VOLUMÉTRICO Kilogramo 3 fuerza/m 3 Libra /ft POTENCIA Caballo de potencia, Horse Power Caballo de vapor VISCOSIDAD DINÁMICA
pie, ft.,‘ plg., in, “
0.3048 25.4
metro milímetro
m mm
kgf/cm2
98,066.5
Pascal
Pa
2
lb/ plg ,PSI atm m H2O (mca)
6,894.76 98,066.5 9,806.65
Pascal Pascal Pascal
Pa Pa Pa
mm Hg bar
133.322 100,000
Pascal Pascal
Pa Pa
kgf
9.8066
Newton
N
lb oz
0.453592 28.30
kilogramo gramo
kg g
9.8066
N/m
3
N/m
3
157.18085
N/m
3
N/m
3
CP, HP
745.699
Watt
W
CV
735
Watt
W
0.01
Mili Pascal segundo
mPa.s
1
Stoke
m2/s (St)
cal
4.1868
Joule
J
BTU
1,055.06
Joule
J
°C
tk=tc + 273.15
kgf/m lb/ft
3
3
Poise VISCOSIDAD CINEMÁTICA Viscosidad cinemática ENERGÍA/ CANTIDAD DE CALOR Caloría Unidad térmica británica TEMPERATURA Grado Celsius
Grado Kelvin
Nota: El valor de la aceleración de la gravedad aceptado internacionalmente es de 9.80665 m/s2
K
