“AÑO DE LAS CUMBRES MUNDIALES EN EL PERU” UNIVERSIDAD NACIONAL “SAN LUÍS GONZAGA” DE ICA FACULTAD DE INGENIERIA Y ELECTRICA TRABAJO DE INVESTIGACION ACTUALIZACION DE LA GUIA DE LABORATORIO DE ENERGIA II PARA LA FIME
PRESENTADO POR
CHACALTANA HERENCIA RAUL EDUARDO ICA - PERU 2008
UNIVERSIDAD NACIONAL “SAN LUIS GONZAGA” DE ICA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
LABORATORIO DE ENERGÍA II
TEMA:
MEDICIÓN DE CAUDAL
FUNDAMENTO TEÓRICO Estudio de flujos por su naturaleza son altamente móviles, el transporte de fluidos suele darse en canales abiertos o conductos cerrados. En forma muy general podemos diferenciar los siguientes tipos de flujo: • • • • • • • • • •
Flujo Exteriores Flujos Interiores Flujo con efectos viscosos Flujos no viscosos Flujo laminar Flujo turbulento Flujo permanente Flujo No permanente Flujo Incompresible Flujo Compresible
MEDIDOR DE CAUDAL Es un dispositivo que, instalado en una tubería, permite conocer el flujo volumétrico o caudal que está circulando por la misma, parámetro éste de muchísima importancia en aquellos procesos que involucran el transporte de un fluido. La mayoría de los medidores de caudal se basan en un cambio del área de flujo, lo que provoca un cambio de presión que puede relacionarse con el caudal a través de la ecuación de Bernoulli.
P v2 Z H .g n 2 g n
MEDIDAS DE CAUDAL En la mayor parte de operaciones realizadas en procesos industriales y en las efectuadas en laboratorio y en plantas piloto es muy importante la medición de caudales de líquidos o de gases. Existen varios métodos para medir el caudal según sea el tipo de caudal volumétrico o másico deseado. Entre los transductores más importantes figuran los siguientes:
MEDIDAS DE CAUDAL
MEDIDORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL Puesto que la medida de caudal volumétrico en la industria se realiza, generalmente, con instrumentos que dan lugar a una presión diferencial al paso del fluido, abordaremos en primer lugar los medidores de presión diferencial. Los instrumentos que se denominan, habitualmente, caudalímetros o medidores de caudal, constituyendo una modalidad particular los contadores, los cuales integran dispositivos adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la conducción. Los medidores de caudal volumétrico pueden determinar el caudal de volumen de fluido de dos formas: • Directamente, mediante dispositivos de desplazamiento positivo, o • Indirectamente, mediante dispositivos de: presión diferencial, área variable, velocidad, fuerza, etc.
Principales medidores de presión diferencial – – –
Placas de orificio, toberas, Tubos Venturi, tubos Pitot, tubos Annubar, codos, Medidores de área variable, medidores de placa.
Se estima que, actualmente, al menos un 75% de los medidores industriales en uso son dispositivos de presión diferencial, siendo el más popular la placa de orificio.
VENTAJAS: • • • • •
Su sencillez de construcción, no incluyendo partes móviles, Su funcionamiento se comprende con facilidad, No son caros, particularmente si se instalan en grandes tuberías y se comparan con otros medidores, Pueden utilizarse para la mayoría de los fluidos, y Hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usos.
DESVENTAJAS: • • • • • •
La amplitud del campo de medida es menor que para la mayoría de los otros tipos de medidores, Pueden producir pérdidas de carga significativas, La señal de salida no es lineal con el caudal, Deben respetarse unos tramos rectos de tubería aguas arriba y aguas abajo del medidor que, según el trazado de la tubería y los accesorios existentes, pueden ser grandes. Pueden producirse efectos de envejecimiento, es decir, acumulación de depósitos o la erosión de las aristas vivas, La precisión suele ser menor que la de medidores más modernos, especialmente si, como es habitual, el medidor se entrega sin calibrar.
TIPOS DE INSTRUMENTOS MEDIDORES DE CAUDAL
1. MEDIDORES DE MASA Y VOLUMEN: • MEDIDORES DE CAUDAL PARA FLUJO INCOMPRESIBLE –
MEDIDORES DE MASA Y VOLUMEN.- Estos instrumentos se basan en la medición de masa y/o volumen que fluyen en determinado tiempo. Consiste en dos tanques separados por medio de un tabique de placa metálica. El nivel del agua se observa en los tubos transparentes. Se le adosa una graduación donde se puede leer directamente el volumen.
TIPOS DE INSTRUMENTOS MEDIDORES DE CAUDAL
2 . MEDIDORES DE FLUJO DE MASA DE VOLUMEN: • 2.1 MEDIDORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO O CANTIDAD: Se basan en las mediciones de cantidad de fluido. –
Los medidores de desplazamiento positivo miden la cantidad de fluido que circula por un conducto, dividiendo el flujo en volúmenes separados y sumando los volúmenes que pasan a través del medidor. En cada medidor, se pueden destacar tres componentes comunes:
– Cámara, que se encuentra llena de fluido, – Desplazador, que, bajo la acción del fluido circulando, transfiere el fluido desde el final de una cámara a la siguiente, y – Mecanismo (indicador o registrador), conectado al desplazador, que cuenta el número de veces que el desplazador se mueve de una parte a otra en la cámara de trabajo. Dentro de los diferentes tipos de medidores para líquidos se considerarán los siguientes: – Medidores de tipo pistón,
– Medidores de paletas deslizantes, y – Medidores de engranajes.
TIPOS DE INSTRUMENTOS MEDIDORES DE CAUDAL •
2.1.1 MEDIDORES DE CONDENSADOS O CONTADOR DE FLUJO.
- A. MEDIDOR DE PISTÓN OSCILANTE-ROTATORIO.- Consiste de un pistón hueco montado excéntricamente dentro de un cilindro. El cilindro y el pistón tienen la misma longitud, pero el pistón, como se aprecia en la figura, tiene un diámetro más pequeño que el cilindro. El pistón, cuando está en funcionamiento, oscila alrededor de un puente divisor, que separa la entrada de la salida de líquido. Al comienzo de un ciclo el líquido entra al medidor a través de la puerta de entrada A, en la posición 1, forzando al pistón a moverse alrededor del cilindro en la dirección mostrada en la figura, hasta que el líquido delante del pistón es forzado a salir a través de la puerta de salida B, en la posición 4, quedando el dispositivo listo para comenzar otro ciclo
Q V # Com partim iento # R.P.M
TIPOS DE INSTRUMENTOS MEDIDORES DE CAUDAL
OPERACIÓN: Consiste de un pistón hueco montado excéntricamente dentro de un cilindro. El cilindro y el pistón tienen la misma longitud, pero el pistón tiene un diámetro más pequeño que el cilindro. El pistón, cuando está en funcionamiento, oscila alrededor de un puente divisor, que separa la entrada de la salida del líquido. Al comienzo de un ciclo el líquido entra al medidor a través de la puerta de entrada A, en la posición 1, forzando al pistón a moverse alrededor del cilindro en la dirección mostrada en la Figura, hasta que el líquido delante del pistón es forzado a salir a través de la puerta de salida B, en la posición 4, quedando el dispositivo listo para comenzar otro ciclo.
TIPOS DE INSTRUMENTOS MEDIDORES DE CAUDAL - B . MEDIDORES DE PALETAS DESLIZANTES.En la figura 15 se muestra un medidor de paletas deslizantes, que consta de un rotor con unas paletas, dispuestas en parejas opuestas, que se pueden deslizar libremente hacia adentro y hacia afuera de su alojamiento. Los miembros de las paletas opuestas se conectan rígidamente mediante varillas, y el fluido circulando actúa sobre las paletas sucesivamente, provocando el giro del rotor. Mediante esta rotación el líquido se transfiere desde la entrada a la salida a través del espacio entre las paletas. Como éste es el único camino para el paso del líquido desde la entrada a la salida, contando el número de revoluciones del rotor, puede determinarse la cantidad de líquido que ha pasado. El cierre se lleva a cabo por la acción de las paletas sobre la pared de la cámara, Mediante una combinación de presión de líquido y fuerzas centrífugas, auxiliado por el apriete, mediante resortes, de las paletas contra la pared de la cámara. Esto ayuda a mantener en valores aceptables cualquier escape de líquido que pueda producirse a través de las paletas.
Fig. 15. Medidor de paletas deslizantes.
TIPOS DE INSTRUMENTOS MEDIDORES DE CAUDAL - C. MEDIDORES DE ENGRANAJES.Entre los más importantes medidores de engranajes se pueden destacar los siguientes: – medidores de rueda oval, y – medidores helicoidales. - C.1. MEDIDORES DE RUEDA OVAL El medidor de rueda oval, que se muestra en la figura 16, dispone de dos ruedas ovales que engranan entre sí y tienen un movimiento de giro debido a la presión diferencial creada por el flujo de líquido. La acción del líquido actúa de forma alternativa sobre cada una de las ruedas, dando lugar a un giro suave de un par prácticamente constante. Tanto la cámara de medida como las ruedas están mecanizadas con gran precisión, con el fin de conseguir que el deslizamiento entre ellas se produzca con el mínimo rozamiento, sin que se formen bolsas o espacios muertos y desplazando la misma cantidad de líquido en cada rotación.
Fig. 16. Medidor de rueda oval.
La principal ventaja de estos medidores es que la medida realizada prácticamente independiente de variaciones en la densidad y en la viscosidad del líquido.
es
TIPOS DE INSTRUMENTOS MEDIDORES DE CAUDAL
- C.2. MEDIDORES HELICOIDALES En la figura 17 se muestra un medidor de tipo helicoidal, cuyo funcionamiento es similar al de la rueda oval, por lo que no merece más detalles.
Fig. 17. Medidor de engranajes helicoidales.
TIPOS DE INSTRUMENTOS MEDIDORES DE CAUDAL - F. MEDIDOR DE DISCO NUTANTE O CONTADOR DE FLUJO.Utilizado como medidor de agua de tipo domestico. Opera bajo el principio de disco nutante; mientras que el disco nuta, transmite un movimiento al tren de engranaje que mueve el mecanismo de control al pasar el agua. Ventajas: * Muy difundido y comprobado. * Muy económico. Simple y de bajo mantenimiento. Desventajas: * Es el de menor precisión de los instrumentos de desplazamiento positivo. * No se fabrica para tuberías de gran tamaño. * El par disponible para el accionamiento de accesorios mecánicos es muy limitado. Medidor de disco, sección vertical
TIPOS DE INSTRUMENTOS MEDIDORES DE CAUDAL
OPERACION: El agua fluye a través del filtro del medidor para llegar a la cámara de medición donde provoca la nutación del disco. El disco que se mueve libremente, nuta sobre su propia esfera, guiado por un rodillo de empuje. El eje del disco hace girar el magneto de la cámara de medición. Mediante inducción magnética, se transmite el movimiento del disco hacia un imán seguidor localizado dentro del registro. El imán seguidor está conectado al tren de engranes del registro. El tren de engranes convierte las nutaciones del disco a unidades de volumen totalizado que se muestran en la carátula del registro.
TIPOS DE INSTRUMENTOS MEDIDORES DE CAUDAL •
2.2. MEDIDORES POR EL MÉTODO DE RESTRICCIÓN DE FLUJO O ALTURAS DE PRESIÓN Se basan en que un líquido que fluye por una tubería tiene una cantidad determinada o fija de energía total.
- 2.2.1 MEDIDORES DE ÁREAS CONSTANTES Y ALTURAS VARIABLES: A. TUBO DE PITOT .Es uno de los medidores más exactos para medir la velocidad de un fluido dentro de una tubería. El equipo consta de un tubo cuya abertura está dirigida agua arriba , de modo que el fluido penetre dentro de ésta y suba hasta que la presión aumente lo suficiente dentro del mismo y equilibre el impacto producido por la velocidad.
Q
PD = PT - PE
V t
[Ec. 1]
Donde: PD: presión dinámica, en milímetros de columna de agua (mm cda) PE: presión estática, mm cda PT: presión total, mm cda
• 2.2. POR EL MÉTODO DE RESTRICCIÓN DE FLUJO O TIPOS DEMEDIDORES INSTRUMENTOS MEDIDORES DE CAUDAL
ALTURAS DE PRESIÓN Se basan en que un líquido que fluye por una tubería tiene una cantidad determinada o fija de energía total.
- 2.2.1 MEDIDORES DE ÁREAS CONSTANTES Y ALTURAS VARIABLES:
A. TUBO DE PITOT .Es uno de los medidores más exactos para medir la velocidad de un fluido dentro de una tubería. El equipo consta de un tubo cuya abertura está dirigida agua arriba , de modo que el fluido penetre dentro de ésta y suba hasta que la presión aumente lo suficiente dentro del mismo y equilibre el impacto producido por la velocidad. El Tubo de Pitot mide las presiones dinámicas y con ésta se puede encontrar la velocidad del fluido, hay que anotar que con este equipo se puede verificar la variación de la velocidad del fluido con respecto al radio de la tubería (perfil de velocidad del fluido dentro de la tubería).
Q
PD = PT - PE
V t
[Ec. 1]
Donde: PD: presión dinámica, en milímetros de columna de agua (mlm cda) PE: presión estática, mm cda PT: presión total, mm cda
El Tubo de Pitot mide las presiones dinámicas y con ésta se puede encontrar la velocidad del fluido, hay que anotar que con este equipo se puede verificar la variación de la velocidad del fluido con respecto al radio de la tubería (perfil de velocidad del fluido dentro de la tubería).
Los tubos de Pitot tienen la ventaja de que produce una pérdida de presión despreciable. Son también baratos, y su instalación simplemente consiste en un simple proceso de ponerlo en un pequeño agujero taladrado en la tubería. Si se utilizan adecuadamente pueden conseguirse precisiones moderadas y aunque su uso habitual sea para la medida de velocidad del aire, se usan también para indicar el caudal total en grandes conductos y prácticamente con cualquier fluido. Su principal fallo es que la exactitud de la medida es sólo del 5% y los dispositivos de medida de presión tienen que alcanzar algo más de exactitud, sobretodo si la diferencia de presión creada es muy pequeña.
TIPOS DE INSTRUMENTOS MEDIDORES DE CAUDAL B. TUBO DE VENTURI
.-
El Venturi consiste de una reducción gradual del área de flujo, seguido de un ensanchamiento gradual de la misma; por estas características, provoca una pérdida de energía moderada. Es útil para medir caudales en conductos cerrados a presión La ecuación de la energía y la ecuación de continuidad pueden utilizarse para derivar la relación a través de la cual podemos calcular la velocidad del flujo.
Q = A1v1 = A2v2 (2)
COMPARATIVA DE LOS DISTINTOS SENSORES DE FLUJO Sensor de flujo
Líquidos recomen dados
Pérdida de presión
Exactitud típica en %
Medidas y diámetro s
Orificio
Líquidos sucios y limpios; algunos líquidos viscosos
Medio
±2 a ±4 of full scale
10 a 30
Alto
Bajo
Tubo Venturi
Líquidos viscosos, sucios y limpios
Bajo
±1
5 a 20
Alto
Medio
Tubo Pitot
Líquidos limpios
Muy bajo
±3 a ±5
20 a 30
Bajo
Bajo
Turbina
Líquidos limpios y viscosos
Alto
±0.25
5 a 10
Alto
Alto
Electromagn et.
Líquidos sucios y limpios; líquidos viscosos y conducto res
No
±0.5
5
No
Alto
Efecto viscoso
Coste Relativo
TIPOS DE INSTRUMENTOS MEDIDORES DE CAUDAL B. TUBO DE VENTURI
.-
El Venturi consiste de una reducción gradual del área de flujo, seguido de un ensanchamiento gradual de la misma; por estas características, provoca una pérdida de energía moderada.
Es útil para medir caudales en conductos cerrados a presión
Diametro de la tuberia
La ecuación de la energía y la ecuación de continuidad pueden utilizarse para derivar la relación a través de la cual podemos calcular la velocidad del flujo.
Diametro de la garganta 20o
5 a 7o
Mercurio Tubo de vidrio
Q = A1v1 = A2v2 (2)
Tubo Venturi
TUBO DE VENTURI
TIPOS DE INSTRUMENTOS MEDIDORES DE CAUDAL C. TOBERA.La tobera presenta una entrada curvada que se prolonga en un cuello cilíndrico, siendo el coeficiente de descarga similar al del tubo Venturi. Sin embargo, la caída de presión es del mismo orden que en la placa de orificio, para el mismo caudal y con el mismo tamaño de tubería.
Caudal Teórico:
Se ha de tener en cuenta las pérdidas, que no hemos considerado en la ecuación de Bernoulli, eso se consigue mediante la introducción de una parámetro adimensional,Cv , que afecta a la velocidad:
Qr A2 .( Cv .v2 )
2g( Qr A2 .Cv
p1 p2
)
2 A1 1 A 2
Cv oscila entre un valor de 0.95 y una valor ligeramente superior a la unidad, pero como regla general podemos tomar un valor de 0.98. Si definimos el Coeficiente de Caudal como:
TIPOS DE INSTRUMENTOS MEDIDORES DE CAUDAL D. PLACAS DE ORIFICIO O DIAFRAGMA.• Consiste en una placa perforada que se instala en la tubería. • El orificio es perpendicular al plato. • Su popularidad de este medidor es por su bajo costo y fácil instalación.
VENTAJAS: Su colocación y extracción de la cañería es sencilla lo que favorece la inspección de daños producidos por erosión, corrosión, incrustación o deformación.
PLACAS DE ORIFICIO
DEMOSTRACIÓN DE FÓRMULA:
Por la ecuación de conservación de la masa:
Q1 Q2
v1. A1 v2 . A2 v 2 v1 .
A1 A2
TIPOS DE INSTRUMENTOS MEDIDORES DE CAUDAL 2.2.2-Medidores de Área Variables y alturas constantes: A. Rotámetro.•Es un dispositivo medidor de caudal que consta de un tubo vertical ligeramente cónico. •Dentro del tubo juega libremente un flotador de forma de plomada. •Trabaja hasta los 300 ºC. •Mide caudales de agua limpia en la industria de procesos alimenticios y otros.
Qr Cd A2
A2
d 4
2
a2
2g
Vf Ae
f
tg
d 2a 26.4
A a H h
TIPOS DE INSTRUMENTOS MEDIDORES DE CAUDAL Rotámetro Es un dispositivo medidor de caudal que consta de un tubo vertical transparente, ligeramente cónico, el extremo mas grande del cono queda arriba. Dentro del tubo juega libremente un flotador con forma de plomada. El flotador esta en contacto directo con el liquido que se ha de medir y este fluye hacia arriba por el tubo cónico. DESCRIPCIÓN DE FUNCIONAMIENTO: Cuando no hay flujo alguno el flotador descansa sobre el tope inferior y obtura la entrada inferior. Cuando comienza el flujo, el flotador debe levantarse de su asiento inferior y moverse hacia arriba por el tubo cónico y a medida que sube, es mayor el paso libre que queda para el liquido a los lados del flotador. A medida que el flujo aumenta, el flotador sube en el tubo, dejando cada vez mas grande el espacio anular de paso. La lectura de la altura del flotador se da directamente en unidades de área y viene a ser el área anular de la altura a que se encuentra el flotador y como está determinada por el volumen del flujo, se puede decir que es un medidor de área variable. Hay unas ranuras diagonales o estrías como se quiera apreciar en los costados del flotador que lo mantiene girando y que también lo mantiene alejado de las paredes de vidrio de manera que se mantiene en el centro del tubo y no hay fricción entre el flotador y el tubo cónico. Esta rotación también tiende a mantener el flotador libre de burbujas y de mugre. El rotámetro no necesita tramos especialmente rectos, sean instalados antes o después del rotámetro, tampoco afectan su precisión los codos, uniones y pequeñas irregularidades de las tuberías . La escala se construye en escala simple y para variar la capacidad del medidor , por lo general se cambia el flotador ( de tamaño o material); y algunas veces el tubo cónico de vidrio. Los flotadores pueden construirse de metales de densidad variable, como plomo, aluminio, vidrio o acero inoxidable
FUERZAS DE ROTÁMETRO:
• • •
• • • • • • •
La fuerza de la gravedad (peso) que actua hacia abajo sobre el flotador (Wf). Fuerza debida al empuje hidrostático (hacia arriba del fluido) sobre el flotador (FE). Fuerza de la resistencia al movimiento resultante de la fricción de la viscosidad alrededor del flotador. Esta fuerza en muchos casos puede despreciarse por ser muy pequeñas (FR). Diferencia de presión, puede expresarse por el equilibrio de fuerzas en el flotador, que actúan tanto en su superficie como inferior : (P1 – P2). En la superficie inferior actúa la presión de impacto P1(N/m2) y en la superficie superior actúa la presión estática, P2(N/m2), corriente abajo. e) El área efectiva (Ae) del flotador en ángulo recto con la corriente La diferencia de presión (P1 – P2) por el Ae, produce una furza en la direcion de la corriente. FP(N). Vf = volumen del flotador (m3) f = densidad del flotador (Kg/m3). = densidad del fluido (Kg/m3).
(Peso del flotador) = (Diferencia de presiones x Área afectiva) + (Empuje Hidrostático o sobre el flotador) Wf = Fp + FE DEMOSTRACIÓN DE LA FÓRMULA:
V f . f .g (P1 - P2 ).Ae V f . .g Ordenando Terminos (P1 - P2 ).Ae V f . f .g V f . .g (P1 - P2 ).Ae V f f g P1 P2
Vf Ae
f
g .........................................( )
La velocidad del fluido por el espacio anular es : V 2 2gh 2
..........................................( )
Tambien : h 2 . .g P1 - P2 ..............................( ) luego : ( ) y ( ) en ( ) :
V f f P1 - P2 V 2g 2g .g Ae 2 2
Entonces el caudal que fluye por el espacio anular es:
QR Cd A2 xV2 Cd xA2
2 gV f ( f ) Ae x
Donde : A2 = Área del orificio anular
En unidades de masa :
QR Cd xA2
2 gV f ( f ) x Ae
Para calcular el área y la velocidad a diferentes alturas:
y
(Kg/seg)
(m3/seg)
Donde los valores de “d” se hallan de la siguiente manera; siendo la forma del rotámetro como se muestra en la figura :
TIPOS DE INSTRUMENTOS MEDIDORES DE CAUDAL 2.2.3- Medidores de Área Variables y alturas variables: A. Vertederos.Es un dispositivo que se usa para medir caudales , especialmente agua en canales abiertos. Existen varias formas de vertederos (WEIRS), ente los más utilizados están la rectangular y la triangular. El caudal real “ɗq” lo calculamos de la siguiente manera:
3 q 8 C 2 g (tg )h 2 15 2 5
C = Constante del elemento DEDUCCIÓN DE LA FÓRMULA:
dq C 2gZ dA Como:
dA Xdz
y
Entonces :
dq C
2 gZ
qC
b 2g h
qC
b 2g h
q C 2g
Z h
Z 0
(h Z ) Z 1/ 2 dZ
Z h
Z 0
(hZ 1/ 2 dZ Z 3 / 2 dZ )
b 2 5 2 2 5 2 h h h 3 5
q C 2g Pero:
b (h Z )dZ h
b 4 52 4 h C 2 g bh3 2 h 15 15
b Tg 2 b 2hTg 2 h 2
q
8 C 2 g Tg h 5 2 15 2
b 2hTg 2 Donde C: coeficiente de descarga
TIPOS DE INSTRUMENTOS MEDIDORES DE CAUDAL
TIPOS DE INSTRUMENTOS MEDIDORES DE CAUDAL
TRIANGULAR
TIPOS DE INSTRUMENTOS MEDIDORES DE CAUDAL
TIPOS DE INSTRUMENTOS MEDIDORES DE CAUDAL
TIPOS DE INSTRUMENTOS MEDIDORES DE CAUDAL 2.2.3- Medidores de Área Constantes y alturas constantes: A. Tubo de Reynolds.En el flujo de fluidos a través de una tubería se pueden presentar diferentes tipos de flujo: uniforme, permanente, variado, etc. y diferentes regímenes: laminar, turbulento, de transición. El régimen de flujo está definido por el número de Reynolds (número adimensional).
Re
VD VD
como
Densidad del líquido en
Kgrm
Viscosidad del fluido en
m
3
Sist. M.K.S.;
Kgr F Seg m
2
,
Re
VD
UTM Sist. Tec. m3
N Seg Kgrm , m2 m Seg
Según el número de Reynolds, los flujos se definen: Re < 2000 Re 2000 - 4000 Re > 4000
Flujo laminar Flujo de transición Flujo turbulento
TIPOS DE INSTRUMENTOS MEDIDORES DE CAUDAL 3. Medidores de caudal electrónico y magnéticos.-
- 3.1 MEDIDORES ELECTROMAGNÉTICOS.-
A - FLUXOMETRO ELECTROMAGNÉTICO.Los componentes principales incluyen un tubo con un material no conductor, dos bobinas electromagnéticas y dos electrodos, alejados uno del otro, montados a 180° en la pared del tubo. Los electrodos detectan el voltaje generado en el fluido. Puesto que le voltaje generado es directamente proporcional a la velocidad del fluido, una mayor velocidad de flujo genera un voltaje mayor. Su salida es completamente independiente de la temperatura, viscosidad, gravedad específica o turbulencia. Los tamaños existentes en el mercado van desde 5 mm hasta varios metros de diámetro.
TIPOS DE INSTRUMENTOS MEDIDORES DE CAUDAL
B - FLUXOMETRO DE ULTRASONIDO.Consta de unas Sondas, que trabajan por pares, como emisor y receptor. La placa piezo-cerámica de una de las sondas es excitada por un impulso de tensión, generándose un impulso ultrasónico que se propaga a través del medio líquido a medir, esta señal es recibida en el lado opuesto de la conducción por la segunda sonda que lo transforma en una señal eléctrica.
Hay dos tipos de medidores de flujo por ultrasonidos: •DOPPLER •TRÁNSITO
TIPOS DE INSTRUMENTOS MEDIDORES DE CAUDAL - 3.2 TIPO TURBINA.La energía cinética del fluido circulando hace girar el rotor con una velocidad angular que, en el margen lineal del medidor, es proporcional a la velocidad media axial del fluido y, por tanto, al caudal volumétrico.
Donde:
Q A V
Q :Caudal A = Sección de tubería
V R
W = velocidad angular
TIPOS DE INSTRUMENTOS MEDIDORES DE CAUDAL - 3.3 MEDIDOR DE ALABES ROTATORIOS.Los velómetros de alabes rotativos están basados en la medición de las revoluciones por minuto del molinete, siendo este valor proporcional a la velocidad del fluido que circula por el conducto. La señal puede medirse con un reloj (velómetros mecánicos) o bien translucirse a una señal eléctrica. En este caso deben utilizarse instrumentos intrínsecamente seguros cuando las mediciones se realizan en atmósferas inflamables. Existen velómetros de distintos diámetros. Es obvio que los de mayor tamaño no son adecuados para mediciones dentro de los conductos ya que requerirían orificios demasiados grandes. En este caso, su utilidad se pone de manifiesto para medidas en boca de campana o a la descarga del sistema. En general, las sondas de molinete pierden precisión por debajo de 0,25 m/s, lo que no significa un problema para su uso en mediciones en sistemas de extracción localizada pero sí para mediciones ambientales.
OTROS MÉTODOS DE MEDICIÓN. Métodos volumétricos Método velocidad/superficie
a) Napa de agua baja (altura de descarga baja) Q = 5,47D1,25 H1,35 (1) Q en metros cúbicos por segundo; D y H en metros. Si H < 0,4 D utilícese la ecuación (1) Si H > 1,4 D utilícese la ecuación (2) Si 0,4D < H < 1,4D calcúlense ambas ecuaciones y tómese la media
b) Chorro
Q = 3,15D1,99 H0,53 (2)
Método Variación de la velocidad en una corriente
Método del molinete Dos tipos de molinete a) tipo taza cónica
b) tipo hélice
MEDIDORES DE CAUDAL COMERCIALES.
Medidor de caudal térmico compacto
Medidor de caudal magnético
Medidor de caudal bridado
Totalizador mecánico Medidor de caudal de masa electrónico
UNIVERSIDAD NACIONAL “SAN LUIS GONZAGA" DE ICA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
TEMA:
PÉRDIDAS DE CARGA EN TUBERÍAS
INTRODUCCIÓN El método más común para transportar fluidos de un punto a otro es impulsarlo a través de un sistema de tuberías. Las tuberías de sección circular son las más frecuentes, ya que esta forma ofrece no sólo mayor resistencia estructural sino también mayor sección transversal para el mismo perímetro exterior que cualquier otra forma. A menos que se indique específicamente, la palabra “tubería” en este estudio se refiere siempre a un conducto cerrado de sección circular y diámetro interior constante. Debido a la gran variedad de fluidos que se utilizan en los procesos industriales modernos, una ecuación que pueda ser usada para cualquier fluido ofrece ventajas obvias. Una ecuación de este tipo es la fórmula de Darcy, que puede ser deducida por análisis dimensional; sin embargo, una de las variables en la fórmula, el coeficiente de fricción, debe ser determinado experimentalmente. Esta fórmula tiene una extensa aplicación en el campo de la mecánica de fluidos y se utiliza mucho en este estudio.
FUNDAMENTO TEÓRICO ECUACIÓN GENERAL DE ENERGÍA TEOREMA DE BERNOULLI.
El teorema de bernoulli es una forma de expresión de la aplicación de la ley de la conservación de la energía al flujo de fluidos en una tubería. La energía total en un punto cualquiera por encima de un plano horizontal arbitrario fijado como referencia, es igual a la suma de la altura geométrica, la altura debida a la presión y la altura a la velocidad, es decir: Z
P v2 H .g n 2 g n
Nótese que la pérdida por rozamiento en la tubería desde el punto uno al punto dos (hL) se expresa como la pérdida de altura en metros de fluido (pies de fluido). La ecuación puede escribirse de la siguiente manera: P1 v12 P2 v22 Z1 Z2 hL 1.g n 2 g n 2 .g n 2 g n
MEDIDA DE LA PRESIÓN En la fig.1-5 se ilustra gráficamente la relación entre las presiones absoluta y manométrica. El vacío perfecto no puede existir en la superficie de la tierra pero es, sin embargo, un punto de referencia conveniente para la medición de la presión. • Presión Barométrica es el nivel de la presión atmosférica por encima del vacío perfecto. • La presión atmosférica normalizada es 1.01325 bar (14.7 lb/pulg²) o 760 mm de Hg. • La presión manométrica es la presión medida por encima de la atmosférica, mientras que la presión absoluta se refiere siempre al vacío perfecto. • Vacío es la depresión por debajo del nivel atmosférico. La referencia a las condiciones de vacío se hace a menudo expresando la presión absoluta en términos de altura de columna de mercurio o de agua.
NÚMERO DE REYNOLDS Las investigaciones de Osborne Reynolds han demostrado que el régimen de flujo en tuberías, es decir, si es laminar o turbulento depende del diámetro de la tubería, de la densidad y la viscosidad del fluido y de la velocidad del flujo. En el flujo de fluidos a través de una tubería se pueden presentar diferentes tipos de flujo: uniforme, permanente, variado, etc. y diferentes regímenes: laminar, turbulento, de transición. El régimen de flujo está definido por el número de Reynolds (número adimensional). El régimen de flujo está definido por el número de Reynolds (número adimensional). Donde :
V Velocidad en
m seg
Re
VD VD
como
D Diámetro tubería en m
Kgrm
UTM Sist. Tec. m m3 Kgr F Seg N Seg Kgrm Viscosidad del fluido en , , m2 m2 m Seg
Densidad del líquido en
3
Sist. M.K.S.;
m2 Viscosidad cinemática en Seg Para estudios técnicos, el régimen de flujo de tuberías se define: Re < 2000 Re 2000 - 4000 Re > 4000
Flujo laminar Flujo de transición Flujo turbulento
Re
VD
APARATO DE REYNOLDS
El Aparato de Reynolds ha sido ideado con el propósito de servir como ayuda didáctica para el estudiante de temas relacionados al transporte de líquidos en conductos cerrados. El aparato permite reproducir el experimento mediante el cual Osborne Reynolds pudo observar la existencia del flujo laminar y el flujo turbulento para un mismo fluido que es transportado bajo diferentes condiciones.
Radio Hidráulico A veces se tienen conductos con sección transversal que no es circular. Para calcular el número de Reynolds en estas condiciones, el diámetro circular es sustituido por el diámetro equivalente (cuatro veces el radio hidráulico). RH
sup erficie.de.la.sec cion.transversal.de.la.vena.líquida perímetro.mojado
Esto se aplica a cualquier tipo de conducto (conducto circular no completamente lleno, ovalado, cuadrado o rectangular), pero no a formas muy estrechas, como aberturas anulares o alargadas, donde la anchura es pequeña con relación a la longitud. En tales casos, el radio hidráulico es aproximadamente igual a la mitad de la anchura de paso.
LONGITUD EQUIVALENTE (Leq)
Es aquella longitud de tubería que ocasionaría las mismas pérdidas que algún accesorio. Leq V 2 KV 2 f 2g D 2g
K Leq D f
Es el diámetro de una tubería de sección circular que ha igualdad de caudal, longitud y fluido generan la misma caída de presión que otra tubería de sección no circular.
SISTEMAS DE TUBERÍAS
Tuberías en serie
Tuberías en paralelo
FÓRMULA DE DARCY Ecuación general del flujo de fluidos. El flujo de los fluidos en tuberías está siempre acompañado de rozamiento de las partículas del fluido entre sí y, consecuentemente, por la pérdida de energía disponible; en otras palabras, tiene que existir una pérdida de presión en el sentido del flujo. Si se conectan dos manómetros Bourdon a una tubería por la que pasa un fluido, según se indica en la fig. 1-6, el manómetro P, indicaría una presión estática mayor que el manómetro P2. Ec. 1-4
FACTOR DE FRICCIÓN La Fórmula de Darcy puede deducirse por análisis dimensional con la excepción del factor de fricción f, que debe ser determinado experimentalmente. El factor de fricción para condiciones de flujo laminar (Re < 2000) es función sólo del número de Reynolds; mientras que para flujo turbulento (Re > 4000) es también función del tipo de pared de la tubería.
La información más útil y universalmente aceptada sobre factores de fricción que se utiliza en la fórmula de Darcy, la presentó L.F. Moody . El profesor Moody mejoró la información en comparación con los conocidos diagramas de factores de fricción, Piggot y Kemler, incorporando investigaciones más recientes y aportaciones de muchos científicos de gran nivel.
DETERMINACIÓN DEL FACTOR DE FRICCIÓN PARA EL
FLUJO LAMINAR
Asi para el flujo laminar el factor de fricción es : f = 64/Re Flujo laminar Re < 2100 Este es un valor analítico demostrado experimentalmente.
DETERMINACIÓN DEL FACTOR DE FRICCIÓN PARA FLUJO TURBULENTO Experimentalmente se ha demostrado que el factor de fricción para el flujo turbulento está en función del número de Reynolds en una tubería. Para un mismo número de Reynolds hay diferentes valores del factor de fricción de acuerdo a la modificación del área del conducto. El diámetro no incide en el factor de fricción cuando el flujo es laminar, más si cuando es turbulento. La caída de presión en el flujo laminar, no depende de la naturaleza de la superficie interna del conducto, sin embargo en el flujo turbulento la naturaleza de la superficie interna del caño controla la caída de presión.
1 2 log 10(Re f ) 0.8(Re lación de Karman) f
1 D 2 log 10 g(R ) ( Nikuradse) 2E f
1 D 2 log 10 1.76 2E f
R*
EV D
f 3
DIAGRAMA DE MOODY En este grafico se puede determinar que ha una sola curva de factores de fricción en la región del flujo laminar y en cambio hay muchas en la región de flujo turbulento. Cada una de estas curvas está representada por un valor dado de la rugosidad relativa. A medida que el numero de Reynolds aumenta, los valores de los factores de fricción tienden a valores constantes. Se observará que a la derecha de la curva de guiones llamada región de turbulencia completa, los valores de los coeficientes de fricción pueden tomarse como constantes. Estos valores de los factores de fricción deben considerarse como valores medios, utilizados a falta de información mas precisa. Ha que tener en cuenta que este valor puede tener ciertas variaciones.
EFECTO DEL TIEMPO Y USO EN LA FRICCIÓN DE TUBERÍAS Las pérdidas por fricción en tuberías son muy sensibles a los cambios de diámetro y rugosidad de las paredes. Para un caudal determinado y un factor de fricción fijo, la pérdida de presión por metro de tubería varía inversamente a la quinta potencia del diámetro. Por ejemplo, si se reduce en 2% el diámetro, causa un incremento del 29%. En muchos de los servicios, el interior de la tubería se va incrustando con cascarilla, tierra y otros materiales extraños; luego, es una práctica prudente dar margen para reducciones del diámetro de paso.
Los técnicos experimentados indican que la rugosidad puede incrementarse con el uso (debido a la corrosión o incrustación) en una proporción determinada por el material de la tubería y la naturaleza del fluido, Ippen, comentando sobre el efecto del paso del tiempo, cita una tubería de 4 pulgadas de acero galvanizado que duplicó su rugosidad e incrementó el factor de fricción en 20% después de 3 años de uso moderado.
PÉRDIDA DE ENERGÍA EN TUBERÍAS Cuando un fluido circula por una tubería, sufre pérdidas en su energía por diferentes causas; siendo las más comunes las pérdidas por: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Rozamiento Entrada Salida Súbito ensanchamiento del tubo Súbita contracción de la tubería Obstrucciones (válvulas, medidores, etc.). Cambio de dirección en la circulación.
Normalmente las pérdidas más importantes son las debidas al rozamiento y se denominan "pérdidas mayores". En algunos casos, las pérdidas puntuales debidas a cambios de diámetro o secciones, cambios de dirección de flujo, válvulas, etc., que se denominan" pérdidas menores", pueden ser de importancia.
ESTUDIO DEL FLUJO INTERNO Se denomina flujos internos a aquellos que quedan completamente limitados por superficies sólidos. (Por Ej., flujos a través de tuberías, de conductos, etc.). La pérdida de cargas en tuberías puede ser de dos clases: PERDIDAS PRIMARIAS: Son aquellas que están relacionadas con las pérdidas de energía, que se generan por la fricción entre partículas del mismo fluido al desplazarse al dentro de la tubería y la fricción del fluido con las paredes de dicha tubería.
PERDIDAS SECUNDARIAS: Llamadas también pérdidas menores, son aquellas caídas o pérdidas de presión que se producen cuando el flujo atraviesa una válvula, codos, cambia de sección en la tubería (contracción o expansión), etc.
GRADIENTE HIDRÁULICO Es una forma de visualizar gráficamente la energía de presión (LGH: Línea de Gradiente Hidráulico) o la suma de todas las energías (LET: Línea de Energía Total), que tiene el fluido en cada uno de los puntos de la tubería por donde fluye. La línea de gradiente hidráulico o piezométrica muestra la elevación de la energía de presión a lo largo de la tubería; permitiendo determinar o visualizar la presión que se presenta en cada punto de la tubería. En una tubería uniforme la energía de la velocidad αxV2/2g, es constante y la línea de energía total es paralela a la línea de gradiente hidráulico.
Sf
hf L
Pendiente de la línea gradiente hidráulico. Es la tangente de ángulo α
¿Que se puede hacer para subir la L.G.H. y darle agua a la casa A de la figura 4.2?
Figura 4.2 123-
Construir un tanque elevado T, en lugar del enterrado. Instalar una bomba y subir la línea de gradiente hidráulico. Aumentar el diámetro de la tubería para reducir pérdidas.
TEORÍA Y SELECCIÓN DE BOMBAS CENTRIFUGAS LABORATORIO DE ENERGÍA II
CONCEPTO DE BOMBAS: La bomba es una máquina que absorbe energía mecánica que puede provenir de un motor eléctrico, térmico, etc., y la transforma en energía que la transfiere a un fluido como energía hidráulica la cual permite que el fluido pueda ser transportado de un lugar a otro, a un mismo nivel y/o a diferentes niveles y/o a diferentes velocidades.
Fig..Nº- 1:Bomba de dos etapas
TIPOS DE BOMBAS: Bombas de Desplazamiento Positivo: a) Bombas Oscilantes de Desplazamiento De émbolo. Axiales : Rígida y de Diafragma Radiales
Tipo de Bomba Axial
Tipo de bomba rígida
b) Bombas rotativas de desplazamiento Positivo. De Engranajes. De émbolo Rotativos De Aletas. De Husillos Helicoidales. De Husillo Excéntrico.
Tipo engranaje Tipo diafragma
c) Bombas Centrífugas. Las bombas centrífugas transforman la energía mecánica generalmente de origen eléctrico - en energía hidráulica.
USO DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS Las bombas centrífugas, debido a sus características, son las bombas que más se aplican en la industria. Las razones de estas preferencias son las siguientes: • Son aparatos giratorios. • No tienen órganos articulados y los mecanismos de acoplamiento son muy sencillos. • La impulsión eléctrica del motor que la mueve es bastante sencilla. Para una operación definida, el gasto es constante y no se requiere dispositivo regulador. • Se adaptan con facilidad a muchas circunstancias.
Aparte de las ventajas ya enumeradas, se unen las siguientes ventajas económicas: El precio de una bomba centrífuga es aproximadamente ¼ del precio de la bomba de émbolo equivalente. El espacio requerido es aproximadamente 1/8 del de la bomba de émbolo equivalente. El peso es muy pequeño y por lo tanto las cimentaciones también lo son. El mantenimiento de una bomba centrífuga sólo se reduce a renovar el aceite de las chumaceras, los empaques del presa-estopa y el número de elementos a cambiar es muy pequeño.
CARACTERÍSTICAS DE LA BOMBA CENTRÍFUGA: LA PRESION DE SERVICIO
EL CAUDAL DE SERVICIO MODO EN QUE FUNCIONA EL CEBADO CAVITACIÓN VÁLVULA DE RETENCIÓN VERTICAL CARGA NETA POSITIVA DE ASPIRACIÓN (NPSH) CURVAS CARACTERÍSTICAS DE LA BOMBAS CENTRIFUGAS
CURVA CARACTERÍSTICA DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA
OTRAS CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA
Ŋ = Eficiencia H – Altura manométrica NPSH = Altura neta positiva de aspiración P = Potencia de la bomba
CLASES DE BOMBAS. - Bombas de eje horizontal, flujo radial, de alta presión. Constituye el tipo de bomba tradicionalmente utilizada en los sistemas de alimentación de agua domiciliaria y para la industria así como en los equipos de riego y de extinción de incendios.
- Bombas multicelulares de eje vertical Sustituyen últimamente con ventaja a las bombas horizontales tradicionales; Sobre un eje vertical van montadas varias turbinas (o "stages") con sus correspondientes coronas
- Bombas de sólidos Se caracterizan por tener una caja espiral muy acusada en la que se aloja un robusto rodete. Sus alturas de impulsión son moderadas (5 á 20 m.) así como sus R.P.M. (1.400).
- Bomba Con Motor Hermético Sumergido Se caracterizan por tener una caja espiral muy acusada en la que se aloja un robusto rodete. Sus alturas de impulsión son moderadas (5 á 20 m.) así como sus R.P.M. (1.400).
- Bomba con motor seco
Presenta ventajas en cuanto a control y mantenimiento respecto al tipo anterior. Como contrapartida se exige una cuidada colocación, de modo que la verticalidad del eje garantice su buen funcionamiento.
- CIRCULADORES. Pequeño equipo de eje horizontal con rotor sumergido característico de las instalaciones de agua caliente sanitaria y que se conecta directamente a las tuberías mediante racor o soldadura
SELECCIÓN DE BOMBAS CENTRIFUGAS
EJEMPLO DE APLICACIÓN: Datos Proporcionados: Número de unidades : 1 Servicio : 5 horas continúas por día. Líquido : Agua limpia. Temperatura : 25 ºC. Gravedad Específica : 1 PH : 7 Materia Extraña : No hace falta, al indicar agua limpia. Caudal : Se desea llenar un tanque de 12000 litros 6 veces por hora.
Q
12000 litrosx6veces Lt 1hr Lt 720000 x 20 1hora hr 1600 seg . seg .
Altura Manométrica total: La disposición que se tiene es la siguiente.
Pd
B
-Hs
Diagrama Nº - 1
+Hd
- Alturas estáticas: Hs = 5.66 metros B = 65 metros Pd = 29.4 PSI se mide con manómetro. Pérdidas por fricción: Succión Diámetro del tubo : 5’’ Material. : Fierro negro. Longitud tubería : 20 metros. Números de codos : 1 Válvulas : ninguna. Descarga Diámetro del tubo : 5’’ Material : Fierro negro. Longitud de la tubería : 100 metros. Números de codos : 2 Válvulas : 1 Condiciones de Succión : Indicadas en le croquis. Altura sobre el nivel del mar : 3000 metros. Motor : Eléctrico requerido. Velocidad : 3600 RPM preferido Corriente eléctrica : 220 voltios/3F60 ciclos Protección : Cerrado. Acoplado : Cardán Tablero : No requerido.
Determinación de la altura manométrica total (H) H = Hs + Hd + Fs + Fd + Donde: Hs Hd Fs Fd
: : : :
2
Vd 2g
-
Vs 2 2g
Altura estática de succión. Altura estática de descarga. Pérdidas por fricción en la succión. Pérdidas por fricción en la descarga.
ALTURA ESTATICA DE DESCARGA (Hd):
Hd = B + Pd = 65 metros + 29.4 psi = 65 + 20.66 = 85.66 metros (como 14.7 psi = 10 de H2O, entonces 29.4 = 20.66 metros de agua H1 = 85.66 metros PERDIDA EN DESCARGA (Fd): Pérdida en el tubo = 2.4 metros (para 100 metros el diagrama indica 2.4 metros). Pérdida en los codos = 2x0.036 = 0.072 metros. Pérdidas en válvulas = Para válvulas de 5’’ embriado K = 0.14
V2 h kx 2g
= 0.4x0.12 = 0.0168 metros
CARGA DE VELOCIDAD:
Vd 2 Vs 2 0.12 metros 2g 2g
(Ya que los diámetros de succión y descarga son iguales)
ALTURA DE SUCION (Hs): Hs = 5.66 (Se toma con signo menos según dato proporcionado) Determinación de las condiciones de succión (N.P.S.H. Disponible) NPSHd= Presión atmosférica en metros – Hs – Fs – Presión del vapor del líquido. Presión atmosférica = 10.33 metros. Para 3000 m.s.n.m de tablas hay que descontar 3.20 metros. Presión atmosférica a 3000 m.s.n.m. = 10.33 – 3.28 = 7.05 mts. Presión de vapor : depende de la temperatura, se debe descontar 0.323 metros para agua a 25ºC (del diagrama Nº 1) Hs = (-5.66) según croqis.
Determinación de la Bomba: Como se desea bombear agua limpia la bomba indicada la tendremos que buscar entre las de líneas ISO; buscamos la que más se asemeje a H = 83 metros, Q = 20 Lt/seg., V = 3600RPM, encontramos que está en un mejor punto de eficiencia la 50-200; esta parte de la sección se hace exclusivamente basada en la eficiencia H y Q. Diámetro Impulsor: (SEMEJANZA HIDRAULICA) Aplicando la fórmula indicada en los principia de Hidráulica:
H1 D1 H 2 D2
2
Q1 D1 Q2 D2
P1 D1 P2 D2
3
Cálculo del motor: La potencia consumida es 32.3 HP, podríamos colocar un motor de esas características, siempre y cuando estemos seguros: Que se va arrancar contra válvula de descarga cerrada El calculo H sea confiable; como esto no ocurre se recomienda usar factor de servicio 1.15 para el motor, siempre y cuando se cuente con válvula; si no hay válvula habría que calcular sobre la base de la potencia máxima absorbida por la bomba que para este caso es 43 HP.
. BOMBAS DE PROFUNDIDAD TURBINA Estas bombas se emplean en abastecimientos de agua, agricultura industria, minas, etc...., en fuentes y surtidores, Indispensables para elevación de aguas en pozos profundos de reducido diámetro.
Las principales ventajas a este tipo de bombas son: 1.- Funcionamiento más fácilmente regulable. 2.- Gran capacidad y rendimiento y además, a grandes velocidades. 3.- Tolerancia ante los contaminantes en el fluido. 4.-Sumamente compacta, tanto en servicio vertical como en horizontal. 5.- Funcionamiento silencioso. 6.- Amplio campo de elección de un motor apropiado.
d) Bombas de Profundidad. SELECCIÓN DE BOMBAS PARA POZOS PROFUNDOS Datos Requeridos: Para el cálculo de la altura manométrica total necesitamos conocer la distribución de bombeo. En el croquis adjunto se muestra las diferentes variante que se pueden presentar en la descarga. Altura Estática: Hd = Altura de descarga. Hs = Altura de succión
Datos Adicionales: Nivel estático (Z) Nivel Dinámico (Y) Profundidad (X) Diámetro del pozo (D)
TURBINA VERTICAL BOMBA DE POZO PROFUNDO LABORATORIO DE ENERGIA II
TURBINA VERTICAL BOMBA DE POZO PROFUNDO La bomba turbina vertical es una unidad de bombeo diseñada para operar en pozos profundos, cisternas o encapsulada en un barril como elevadora de presión. La construcción vertical reduce el espacio requerido de instalación y permite el uso de una cimentación sencilla.
ESQUEMA DE LA BOMBA
TIPOS DE TURBINA Existen dos tipos de bombas turbina vertical: De acuerdo al sistema de lubricación empleado: *Bombas lubricadas por aceite *Bombas lubricadas por agua
LEYENDA
INSTALACIÓN DE LA BOMBA
Instalación del tubo de succión a) Enrosque
la canastilla al tubo de succión aplicando la mezcla para rosca
b) Coloque un juego de abrazaderas aproximadamente a 10” de la extremidad libre del tubo de succión y levante el conjunto cuidadosamente por medio del estribo. c) Deposite el conjunto en el pozo hasta hacer descansar las abrazaderas sobre la cimentación
Instalación del tubo de succión
Instalación del cuerpo de bomba a)Fije el segundo juego de abrazaderas debajo de la brida del primer tazón intermedio superior .
b) Levante cuidadosamente el cuerpo de la bomba y conéctelo al tubo de succión. c)Eleve el conjunto, retire las abrazaderas del tubo de succión y descienda el conjunto hasta que las abrazaderas del cuerpo de la bomba descansen sobre la cimentación.
Instalación del cuerpo de bomba
Instalación de la columna
Acoples de ejes
Instalación del tramo inferior
Diseño de cabezales
CALCULO DE SELECCIÓN DE BOMBA
Datos proporcionados: Caudal= 60 l/s = 951 GPM Nivel dinámico= 50 m = 164ft Nivel estático= 30 m= 98.4ft Profundidad del pozo= 80 m = 262.4ft Diámetro de pozo =16’’ Altura (m.s.n.m.)= 100m Tipo de lubricación que se desea. Tipo de impulsor ( Semi-abierto ó Cerrado ). Velocidad de operación ( R.P.M.)=1760(recomendada) Gravedad especifica del agua a bombear Temperatura del agua a bombear.
Conociendo “Ht”
Se sabe que Ht=90m =295ft Se sabe el caudal= 951 G.P.M. TIPO
DIAMETRO EXTERIOR DE TAZONES
G.P.M.
D.I.MINIMO DEL POZO
D.I. PREFERIDO DEL POZO
5.5G
5 1/9’’
25-160
6’’
7’’
6G
5 ¾’’
85-430
6’’
7’’
8G
7 ½’’
150-450
8’’
10’’
10G
9 ½’’
350-900
10’’
12’’
12G
11 ½’’
600-1500
12’’
14’’
14G
13 ½’’
1000-2500
14’’
16’’
16G
15 ½’’
1500-3750
16’’
18’’
De la tabla se obtiene el tipo de bomba que es :12G
CALCULO DEL “IMPULSOR”
Con el diámetro de 8’’se ingresa a las tablas y se obtiene el siguiente cuadro: Se selecciona el impulsor más eficaz: impulsor
12GL
12GM
12GH
12CGL
12CGM
EFICIENCIA
78%
78%
80%
78%
78%
Altura x etapa(m)
12.5
13.6
20.8
12.5
13
NPSH(m)
4.2
5
------
4.2
5
Nº de impulsores
8
7
5
8
7
Potencia x etapa(HP)
12
13
21
12
13
Potencia total
96
91
105
96
91
Se escoge el impulsor: 12GM
CALCULO DE LONGITUD y Nº DE ETAPAS DE LA COLUMNA EXTERIOR E INTERIOR Longitud= Nivel Dinámico + Consideraciones
L= 50m+4m
L=54m=177.2ft Nº de tramos=(54-3)/3
Nº de tramos=17 Nº de medio tramo=(3)/1.5
Nº de medio tramo=2
CALCULO DEL EJE COLUMNA Del siguiente cuadro se ingresa con la potencia de la bomba=91 HP Y luego se selecciona el diámetro del eje de columna y además obtenemos datos adicionales
EJE(Dia)
PESO X PIE
R.P.M.
PERDI DAS (EJE)
2000 EVB
3000 EVB
5000 EVB
7500 EVB
1000 0 EVB
15000 EVB
¾’’
1.50
1760
0.32
15.2
14.4
11.4
1’’
2.67
1760
0.53
43.0
42.5
40.7
37.0
1 3/16’’
3.76
1760
0.72
70.1
69.6
68.2
65.2
61
1 7/16’’
5.52
1760
1.05
-----
135
134
131.5
128
118
1 11/16’’
7.60
1760
1.20
-----
232
231
229
226
218
1 15/16’’
10.0
1760
1.23
-----
-----
367
365
363
356
2 3/16’’
12.7
1760
2.3
-----
-----
545
543
542
536
DATOS OBTENIDOS PESO POR PIE=5.52 LIBRAS PERDIDAS EN EL EJE=1.05HP POR 100ft Empuje vertical= K x Ht(ft)+ peso del eje E.V.= 12 x 295 ft+ 5.52x 178
E.V.=4522.5 libras Con este valor entramos ala tabla anterior y se calcula la capacidad del eje para el empuje calculado es de 134HP
DIAMETRO DE LA COLUMNA INTERIOR
OBTENIENDO VALORES DE TABLA: DIÁMETROS
PERDIDAS
8’’X 2’’
3.2
8’’ X 2 ½’’
3.8
8’’ X 3’’
5.2
El valor mas apropiado es el de 8’’ x 3’’ ya que posee el 5% de perdidas y es el valor màs apropiado por diferentes aspectos.
PERDIDAS POR FRICCIÓN:
Esta perdida se debe tener en consideración al momento de calcular la altura manométrica total: Perdida por fricción= 5.2 x 1.78
Perdidas por fricción=9.256ft Este valor se considera dentro de las consideraciones que se hace al momento del calculo de la altura manométrica total.
NUMERO DE SEPARADORES
SE EMPLEARA LA SIGUIENTE TABLA:
Datos: Longitud de la columna=177.2 ft Se necesita 5 separadores de diámetros 8’’x3’’ que serán colocados de la siguiente manera: 1º impulsor nº1 2º impulsor nº5 3º impulsor nº8 4º impulsor nº12 5º impulsor nº17
Cálculos complementarios
Diámetro de canastilla = 8’’
Tipo de lubricación: por aceite SAE 20 o 30
Linterna de descarga: 8 x 16 ½ GS
Motor eléctrico= fs.(1.05 x 1.78+ 91)=1.2(93)HP=112HP
CALCULO DEL NPSH Carga a favor:
Presión atmosférica a 100 msnm = 10m Carga de velocidad= 0.17m Normalmente este termino es despreciable. Sumergencia de la bomba=54-50= 4m (Long. Columna-nivel dinámico)
Suma de cargas a favor= 10+4+0.17= 14.17 mts
CALCULO DEL NPSH Carga en contra:
Presión de vapor a la temperatura de bombeo = 0.432m a 30ºC
Fricciones en la succión:
=no hay pues normalmente no hay accesorios en la succión excepto la canastilla de fabrica que se considera despreciable tal fricción.
Suma de cargas en contra = 0.432 m. Entonces el NPSH disponible es: = 14.17 -0 .432 = 13.7 m.
TABLA DE PRESIÓN DE VAPOR
En conclusión: De tablas de obtiene: NPSH(r)=5m NPSH(d)=13.7m y se cumple que: NPSH(r)<< NPSH(d) Por lo tanto la cavitación será pequeña.
Resumen: Tipo: CAUDAL: VELOCIDAD: EFICIENCIA: PIES X ETAPA: FRICCION EN EL EJE: FRICCION EN LA COLUMNA: LARGO DE COLUMNA DE DESCARGA: DIAMETRO EXTERIOR MAXIMO:
12GM-7 971G.P.M. 1760RPM 80% 33.02 1.86 HP 9.25 ft 178ft 11 ½
INTRODUCCION
Las calderas, en sus vertientes de vapor y agua caliente, están ampliamente extendidas tanto para uso industrial como no industrial, encontrándose en cometidos tales como, generación de electricidad, procesos químicos, calefacción, agua caliente sanitaria, etc. Estos ejemplos muestran la complejidad que puede tener una caldera y que haría muy extenso la descripción de los elementos que se integran en ellas. Por ello, para el lector interesado en el conocimiento, no ya de sus elementos, si no del léxico empleado en calderas, le remitimos a la Norma UNE 9001,donde encontrara una terminología suficientemente amplia.
Así mismo, para garantizar su seguridad, el Reglamento de Aparatos a Presión, establece unas prescripciones específicas algunas de las cuales se recogen en los siguientes puntos.
TIPOS DE CALDERAS Calderas del tipo igneotubulares o de tubos de humo Calderas de acero. Calderas del tipo acuotubular o de tubos de agua Calderas horizontales de tubos rectos. Calderas de tubos curvados de circulación normal y forzada. Calderas de cuerpo de acero. Calderas de hierro colada. Calderas de diseño especial.
CALDERAS PIROTUBULARES Son aquellas en que los gases y humos provenientes de la combustión pasan por tubos que se encuentran sumergidos en el agua.
VENTAJAS: Menor costo inicial debido a su simplicidad de diseño. Mayor flexibilidad de operación Menores exigencias de pureza en el agua de alimentación.
INCONVENIENTES: Mayor tamaño y peso. Mayor tiempo para subir presión y entrar en funcionamiento. No son empleables para altas presiones
CALDERAS PIROTUBULARES
CALDERAS ACUOTUBULARES En estas calderas, al contrario de lo que ocurre en las pirotubulares, es el agua el que circula por el interior de tubos que conforman un circuito cerrado a través del calderín o calderines que constituye la superficie de intercambio de calor de la caldera. Adicionalmente, pueden estar dotadas de otros elementos de intercambio de calor, como pueden ser el sobrecalentador, recalentador, economizador, etc. Estas calderas, constan de un hogar configurado por tubos de agua, tubos y refractario, o solamente refractario, en el cual se produce la combustión del combustible y constituyendo la zona de radiación de la caldera. Desde dicho hogar, los gases calientes resultantes de la combustión son conducidos a través del circuito de la caldera, configurado este por paneles de tubos y constituyendo la zona de convección de la caldera. Finalmente, los gases son enviados a la atmósfera a través de la chimenea.
VENTAJAS:
Pueden ser puestas en marcha rápidamente. Son pequeñas y eficientes. Trabajan a 30 o mas atm. INCONVENIENTES: Mayor consto Debe ser alimentadas con agua de gran pureza.
CALDERAS ACUOTUBULARES
CALDERAS DE VAPORIZACIÓN INSTANTÁNEA Existe una variedad de las anteriores calderas, denominadas de vaporización instantánea, cuya representación esquemática podría ser la de un tubo calentado por una llama, en el que el agua entra por un extremo y sale en forma de vapor por el otro. Dado que el volumen posible de agua es relativamente pequeño en relación a la cantidad de calor que se inyecta, en un corto tiempo la caldera esta preparada para dar vapor en las condiciones requeridas, de ahí la denominación de calderas de vaporización instantánea.
CALDERAS DE VAPORIZACIÓN INSTANTÁNEA
EL TIRO
Es la diferencia entre la presión de la caldera y la presión atmosférica. El tiro es necesario para el funcionamiento del hogar de una caldera, con el fin de poderle suministrar el aire necesario para la combustión del combustible y arrasar los gases quemados hacia el exterior a través de la chimenea
TIRO NATURAL Se produce por el efecto generado por una chimenea. Su valor depende de la altura de la boca de la chimenea sobre el nivel del emparrillado del hogar
TIRO MECÁNICO Es el tiro creado por la acción de inyectores de aire, vapor o mediante ventiladores, el cual se requiere cuando Deba mantenerse un determinado tiro con independencia de las condiciones atmosféricas y del régimen de funcionamiento de la caldera
ACCESORIOS Además deben disponer de accesorios tales como: Quemadores, Vaso de expansión
Manómetros Termómetros (sondas de temperatura) Líneas de seguridad Válvula de seguridad Llaves de paso y regulación
ACCESORIOS DE OBSERVACIÓN DESTINADOS A OBSERVAR LA OPERACIÓN DE LA CALDERA: tubos de nivel grifos de prueba manómetros termómetros analizadores de gases
Accesorios de Seguridad, destinados a evitar una excesiva presión de generación del vapor en la caldera: de palanca y contrapeso de peso directo de resorte tapón fusible sistemas de alarma
Accesorios de alimentación de agua: bomba de alimentación de agua inyector de agua
ACCESORIOS DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE:
quemadores para combustibles líquidos y gaseosos
quemadores mecánicos para combustibles sólidos elementos manuales ACCESORIOS DE LIMPIEZA: registros o tapas de limpieza válvulas de purga estanque de retención de purgas expansores deshollinadores
Funcionamiento de una Caldera
CICLO COMBINADO Este ciclo combina el Ciclo Rankine con el ciclo Brayton de esta forma se consigue un aumento de potencia gracias a la caldera recuperadora de calor.....
ESQUEMÁTICO DEL CICLO COMBINADO
Sistema de control computarizado que incrementa la seguridad y eficiencia Habilitado para operación remota y análisis de características. Lo ultimo en seguridad y presición capaz de comunicarse con sistemas de control centralizados habilitado para calderas pirotubulares y acuotubulares, controla y mantiene la óptima relación aire/combustible. Mejora la eficiencia, analisis con diagnósticos seguro y un gran display para leer toda la información manejada Seguridad probada
QUEMADOR AVANZADO Razones de llama garantizados de 10:1 en gas y 8:1 en petróleo diesel Reduce el stress térmico de los elementos mecánicos causados por el ciclaje ON-OFF Elimina los ciclos de purga para incrementar la eficiencia
Provee mayor constancia en la presión de vapor o temperatura en el agua Provee una rápida respuesta en los cambios en la carga
TRATAMIENTO DE AGUAS DE APORTACIÓN A CALDERAS (SEGUN EMPRESA BABCOCK WANSON ) Descalcificación Se trata de un tratamiento mínimo que elimina, mediante su paso a través de resinas, el calcio y el magnesio cuyas sales producirían el ensuciamiento de los circuitos y equipos. Estas resinas se presentan con un formato de botellas llenas de resina y regeneradas periódicamente con la ayuda de una solución cargada de cloruro y sodio. Este tipo de tratamiento no es siempre suficiente para las aplicaciones industriales. En efecto, los gases disueltos, los carbonatos, el sílice y otros iones pasan a través de estas resinas y son por tanto fuentes de corrosión, ensuciamiento, espumas o desarrollo de algas. Teóricas complementarias de tratamiento puede ser requeridas (descarbonatación, desmineralización)
DESCARBONATACIÓN : EL PROCESO CARBOMIX La descarbonatación mediante resinas permite reducir la alcalinidad (TAC) del agua bruta. el Carbomix, una instalación compacta en la que las fases de descarbonatación y descalcificación se realizan en un sólo intercambiador. El intercambiador Carbomix contiene dos tipos de resina que, teniendo en cuenta su diferencia de densidad, se posicionan en el aparato en capas superpuestas. A punto de llegar a la saturación, los intercambiadores Carbomix son regenerados mediante pasos sucesivos de una solución de ácido clorhídrico y de salmuera (cloruro de sodio). La regeneración de los intercambiadores es automática.
PROCESOS DE DESMINERALIZACIÓN Cuando las tasas de purgas son demasiado elevadas para mantener un contenido en sales satisfactorio en el agua de caldera, es conveniente purificar previamente el agua de alimentación, tratando el agua de aporte mediante un sistema de desmineralización con resinas o bien por osmosis inversa. DESMINERALIZACIÓN CON RESINAS : PROCESO HRW : Basándose en el procedimiento de regeneración contra-corriente, BABCOCK WANSON ha desarrollado el proceso « HRW » que permite, según las necesidades, eliminar todas las sales (y el sílice) con resinas catiónicas y aniónicas (cadena primaria) y/o lechos mixtos (cadena de acabado) .
El proceso denominado « en suspensión » y asociado a la regeneración a contra-corriente presente numerosas ventajas en término de consumo de reactivos regenerantes y de la calidad del agua obtenida : calidad del agua de baja conductividad y estable en el tiempo ; sin fase de contralavado ; obtención de un agua de calidad constante durante todo el ciclo ; disminución notable del volumen del agua de servicio y por tanto del volumen de efluentes a vertido ; reducción de la duración de la regeneración y de la cantidad de reactivo (-30 a - 40%) ; reducción de las dimensiones de la instalación.
DESMINERALIZACIÓN POR OSMOSIS INVERSA : Esta técnica por membranas permite reducir la mineralización del agua. Presenta la ventaja de no utilizar regenerante (ácido o base).
DESGASIFICADORES BABCOCK WANSON El oxígeno y el gas carbónico presentes en el agua son agentes de corrosión muy activos en contacto con el acero. Siendo indispensable proceder a su eliminación. Su eliminación se puede realizar, bien químicamente (para el oxígeno), bien por vía termo-física (para el conjunto de los gases disueltos). EL DESGASIFICADOR TÉRMICO A PRESIÓN : El desgasificador térmico a presión (0,3 bar) permite obtener un agua de excelente calidad con muy bajo contenido en oxígeno (inferior a 0,01mg/l), y se utiliza para instalaciones que funcionan con características de vapor elevadas (caudal, presión). El diseño Babcock Wanson, en función de los parámetros físico-químicos de funcionamiento, optimiza el stripping de los gases disueltos y el desplazamiento del equilibrio calco-carbónico. El agua de alimentación así obtenida es de excelente calidad.
EL DEPÓSITO DESGASIFICADOR A PRESIÓN : Este material que presenta resultados próximos al desgasificador térmico, se adapta bien a las calderas de potencia intermedia y constituye una alternativa económica al tratamiento químico. Las condiciones de funcionamiento son idénticas a las del desgasificador térmico, pero, la torre y sus aparellaje son sustituidos por un domo instalado en el depósito.
REFRIGERACIÓN LABORATORIO DE ENERGIA II
REFRIGERACIÓN Son máquinas térmicas inversas Son ciclos en los que Q va de Tª a Tª Necesita el aporte de energía (compresor, calor, …) Interviene un fluido, refrigerante, sufre transf. termodinámicas controladas Cada refrigerante tiene un diagrama termodinámico Además de compresión y absorción existen otros sistemas (marginales) La refrigeración es el proceso de reducción y mantenimiento de la temperatura (a un valor menor a la del medio ambiente) de un objeto o espacio. La reducción de temperatura se realiza extrayendo energía del cuerpo, generalmente reduciendo su energía térmica, lo que contribuye a reducir la temperatura de este cuerpo.
REFRIGERACION POR COMPRESION
CIRCUITO DE REFRIGERACION
El diagrama presión-entalpía. La condición del refrigerante en cualquier estado termodinámico puede quedar representado por un punto de diagrama ph . El punto sobre el diagrama ph que represente a la condición del refrigerante para cualquier estado termodinámico en particular puede ser trazado si se conocen dos propiedades cualesquiera del estado del refrigerante. Una vez localizado el punto sobre el diagrama, podrán obtenerse de la grafica todas las demás propiedades del refrigerante para dicho estado.
EL CICLO DE REFRIGERACIÓN SATURADO SIMPLE.
Es un ciclo teórico en el que se suponeque el vapor refrigerante que sale del evaporador y entra al compresor es vapor saturado a la temperatura y presión vaporizante y el líquido refrigerante que sale del condensador y llega al control del refrigerante es el liquido saturado a la temperatura y presión del condensante. Aun cuando el ciclo de refrigeración de una maquina de refrigeración real se desviará algo del ciclo saturado simple, no se piense que es inútil el análisis de un ciclo saturado simple
EVAPORADOR es un intercambiador de calor entre fluidos, de modo que mientras uno de ellos se enfría, disminuyendo su temperatura, el otro se calienta aumentando su temperatura, pasando de su estado líquido original a estado vapor (cabiendo la posibilidad de un calentamiento ulterior, con lo que se dice que alcanza el estado de vapor sobrecalentado). A fin de cuentas un evaporador, es un intercambiador de calor más complejo, en el que además de producirse el cambio de fase pueden darse otros fenómenos asociados a la concentración de la disolución, como la formación de sólidos, la descomposición de sustancias
CONDENSADOR Es un elemento intercambiador térmico, en cual se pretende que cierto fluido que lo recorre, cambie a fase líquida desde su fase gaseosa mediante el intercambio de calor (cesión de calor al exterior, que se pierde sin posibilidad de aprovechamiento) con otro medio. La condensación se puede producir bien utilizando aire mediante el uso de un ventilador o con agua (esta última suele ser en circuito cerrado con torre de refrigeración, en un río o la mar). La condensación sirve para condensar el vapor, después de realizar un trabajo termodinámico p.ej. una turbina de vapor o para condensar el vapor comprimido de un compresor de frío en un circuito frigorífico. Cabe la posibilidad de seguir enfriando ese fluido, obteniéndose líquido subenfriado en el caso del aire acondicionado
COMPRESOR Un compresor es una máquina de fluido que está construida para aumentar la presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal como lo son los gases y los vapores. Ésto se realiza a través de un intercambio de energía entre la máquina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la substancia que pasa por él conviertiéndose en energía de flujo, aumentando su presión y energía cinética impulsándola a fluir.
CIRCUITO DE LA CAMARA FRIGORIFICA DE LA PLANTA DE CONSERVAS
VISTA LATERAL
EVAPORADOR
CONDENSADOR
MOTOR
ANEXOS ► PELICULA
DE BOMBAS DE SÓLIDOS ► PELICULA DE LOS PROCESOS EN FABRICA HIDROSTAL. ► PELICULA DE REPARACION DE UNA BOMBA DE PROFUNDIDAD ► PELICULA DE CALDEROS – TRATAMIENTO
