RESUMEN En el presente trabajo se muestra el análisis del sistema hidráulico de una casa-habitación con una bomba centrífuga SIEMENS® de motor monofásico Tipo 1RF4 25A-2YC34 25A -2YC34 de la Serie A12, obteniendo o bteniendo su flujo volumétrico, caída de presión, carga hidráulica, eficiencia de la bomba, así como el flujo volumétrico máximo, considerando todos los elementos básicos del sistema y sus accesorios.
INTRODUCCIÓN Nuestros antepasados ya buscaban medios técnicos para elevar el agua a niveles más altos, tanto para el riego de los campos como para llenar fosos que protegían ciudades o castillos. Al principio la herramienta mas sencilla fue la misma mano del humano, la invención del cántaro, que luego los colgaron y fijaron a una rueda. r ueda. Al girar la rueda mecánicamente por el empuje del rio, el agua se elevaba hasta el eje más alto de la rueda. Alrededor del año 250 a.C. el matemático Arquímedes describió un tornillo, que por el giro de una espiral se eleva el agua en un tubo. Sin S in embargo, observó que siempre fluía la misma cantidad de agua hasta que encontró una relación entre la inclinación del tornillo y el caudal de agua bombeada. bombeada. Mientras mas empinado era la posición posici ón del tornillo mayor era la altura que podía elevar el agua a medida que el caudal disminuía, fue así posible elegir un funcionamiento entre mayor caudal y una mayor altura de presión. Muy similar al mecanismo con el que funcionan las bombas centrifugas. La curva característica de la bomba muestra la misma dependencia entre la altura de presión y el caudal. Fuentes históricas revelaron que los tornillos de Arquímedes se usaron con inclinaciones de 37 ° y 45° obteniendo alturas de 2 a 6 metros y 10m3/h de caudal máximo. Actualmente, las bombas centrífugas son maquinas hidráulicas que mueven volúmenes de líquido entre dos niveles. Transforman trabajos mecánicos en hidráulicos. Constan de varios elementos: • Tubería de aspiración • Impulsor • Voluta • Una tubería de impulsión
Imagen1. Estructura de una bomba centrífuga SISTEMA ABIERTO DE TRANSPORTE DE AGUA El suministro de agua ha sido importante para la supervivencia de la humanidad así como la eliminación de las aguas residuales por lo que ha sido necesario un sistema de bombeo para transportar el agua desde un nivel a una altura requerida.
Imagen 2. Diagrama de un sistema abierto de transporte de agua Sin embargo, no es suficiente dimensionar la capacidad de la bomba solo conforme a la altura de elevación topográfica, necesitan vencer las perdidas de carga en el sistema de tuberías, originadas principalmente por la fricción del material. Incluso para la realización del mantenimiento es pertinente colocar válvulas en distintas secciones de la tubería para no tener que evacuar grandes cantidades de agua al querer reparar o sustituir una bomba, adicionar válvulas de flotador para evitar desbordamiento en los depósitos cuando estos lleguen a su capacidad máxima y en tanto instalar un preostato que pueda desconectar la bomba en caso de no haber un consumo de agua ya que puede tener un sobreesfuerzo y llegar a quemarse el motor CAVITACIÓN Se denomina a la implosión de burbujas de vapor (huecos) formadas en la entrada al rodete como consecuencia de un vacío parcial local por debajo de la presión de evaporación del líquido a transportar. La cavitación origina pérdidas de potencia (altura de presión), ruidos, reducción del rendimiento y daños materiales (en el interior de la bomba). Una magnitud importante para una bomba centrífuga es el valor NPSH (Net Positive Suction Head). Este indica la mínima presión que se necesita en la entrada para que un determinado tipo de bomba pueda funcionar sin cavitaciones, lo que corresponde a la presión adicional requerida para evitar una evaporación del líquido. PUNTO DE TRABAJO El NPSH determina la energía neta (presión) con que llega el fluido a la succión de la bomba, por lo tanto es una característica de instalación. La bomba tiene un NPSH disponible (instalación) y NPSH requerido (proporcionada por proveedor de la bomba), cuando el disponible es mayor que el requerido no habrá problemas de cavitación. Para cualquier bomba el rango completo de valores para cada medida de impulsor y velocidad de operación se expresa como una curva (Imagen #) (Barreto,2004).
Imagen 3. Curva típica del NPSH requerido
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL • Analizar correctamente el sistema hidráulico de una casa-habitación, identificando los distintos accesorios
que lo componen e identificar las posibles causas de los problemas de bombeo
OBJETIVOS ESPECÍFICOS • Determinar de manera experimental el flujo volumétrico del sistema y con esto obtener el flujo másico,
carga hidráulica y caída de presión. • Determinar por medio de la ecuación de la energía la carga de la bomba así como las pérdidas por fricción del material y accesorios. • Obtener la potencia teórica de la bomba y compararla con la potencia de la bomba real para tener como resultado la eficiencia de la bomba. • Determinar si hay cavitación en el sistema
DESCRIPCCIÓN DEL SISTEMA DIAGRAMA DE LA INSTALACIÓN
DATOS DETERMINACIÓN DEL CAUDAL Volumen (tazas) Tiempo (s)
10 12.88
PROPIEDADES DEL AGUA Se tomó lectura de la temperatura del agua obteniendo 20°C para determinar las propiedades viscosas correspondientes del anexo 1 Tabla 1. Propiedades del agua saturada (Cengel, 2006) Densidad (Kg/m3)
998
Viscosidad (kg/m*s) 0.001002 Gravedad (m/s2)
9.81
CARACTERISTICAS DE LAS TUBERIAS Para la tubería que inicia de la cisterna hasta la bomba (succión) es de material de cobre temple rígido tipo M de 1/2'' con una longitud de 3 m; la tubería que parte de la salida de la bomba hacia el tinaco (descarga) es del
mismo material pero con dos medidas nominales, 1/4'' y 3 /8'' con longitudes de 20 m y 41 cm respectivamente. De acuerdo al Manual Técnico del Cobre Nacobre® (anexo 2), las tuberías rígidas de cobre tienen la característica de ser ideales en la conducción de fluidos en las instalaciones fijas, las de tipo “M” se fabrican para ser usadas en
instalaciones hidráulicas de agua fría y caliente para casas habitación y edificios, en general en donde las presiones de servicio sean bajas. El valor de la rugosidad absoluta ε varía con el material del conducto y con la tecnología de su fabricación por lo que se utilizarán los valores recomendados por distintos autores que han sido reportados: Tabla 2. Valores de ε para distintos materiales de los tubos [Ramos (1985), Shames (2001), Wallas (1997), Worth GPSA (2003), Vennard (1988) y Sámano (2003)]
Tabla 3. Datos correspondientes de las tuberías Descripción Cobre M 1/2'' Cobre M 1/4'' Cobre M 3/8''
Diámetro (m)
0.0145
0.0083
0.0114
Área (m2)
0.0002
0.00005352
0.0001026
Longitud (m)
3.00
20.00
0.41
(m)
0.0000015
0.0000015
0.0000015
/D
0.000104
0.000182
0.000131
ε
ε
ACCESORIOS DEL SISTEMA Tubería de succión Cantidad Descripción
KL
1
Entrada de tubería reentrante
0.8
3
Codo de 90° roscado
0.9
1
Válvula de charnela
2
Tubería de descarga 1
Expansión y contracción repentinas
0.4803
5
Codo de 90° bridado
1.5
1
Codo de 90° roscado
0.9
1
Válvula de compuerta, totalmente abierta 0.2
1
Válvula de charnela
2
1
Conexión en T (flujo derivado) bridado
1
1
Conexión en T (flujo en línea) bridado
0.2
1
Salida de tubería reentrante
1.05 TOTAL 11.73
Para el cálculo de la expansión y contracción repentinas se determinó empleando las relaciones del anexo 3
Expansión repentina: ; y Contracción repentina: con la relación , ver grafica del anexo 3. BOMBA El análisis del sistema se realizó en una casa-habitación con una bomba centrífuga SIEMENS® de motor monofásico Tipo 1RF4 25A-2YC34 de la Serie A12 (imagen 4).
Imagen 4. bomba centrífuga SIEMENS® de motor monofásico Tipo 1RF4 25A -2YC34 de la Serie A12 Datos
Potencia (hp)
0.25
Velocidad de rotación (rpm)
3500
Eficiencia (%)
55.0
CALCULOS VELOCIDAD Con los datos obtenidos de caudal y medidas de las tuberías es posible determinar las velocidades de flujo de agua: Tubería de 1/2'': Tubería de 1/4'': Tubería de 3/8'':
CONSIDERACIONES DE LA PRESIÓN Se toma el Punto 0 en la superficie libre del agua, de modo que P 0=Patm (abierto a la atmosfera), V 0~=0 (la velocidad es prácticamente estática en relación a la succión) y z0=0; z1=___ (se toma el nivel de referencia justo en la succión). Así mismo, P2=Patm (el agua se descarga hacia la atmósfera). Por lo tanto, para obtener una estimación de la presión en el punto de succión [1], se emplea la ecuación de Bernoulli para una sección de línea de corriente, despreciando los efectos de fricción, de la manera siguiente:
CARGA HIDRAULICA
Siendo z1=0 (punto de referencia inicial) y P 2=Patm
Se determina el tipo de flujo para calcular el factor de fricción correspondiente Ecuación
1/2''
1/4''
3/8''
16117.2813 28218.4211 20379.9708 0.0273
0.0240
0.0258
0.1741
45.9572
0.3572
POTENCIA
Eficiencia
Flujo volumétrico máximo
Imagen 5. Gráfico de NPSH necesario y NPSH requerido Se utilizó la curva característica de la bomba proporcionada desde la página web del proveedor para comparar
Imagen 6. Curva característica de la bomba SIEMENS®7
ANÁLISIS DE RESULTADOS El mejor rendimiento total de una bomba de circulación en una instalación de calefacción se consigue en el centro del campo de curvas características. Estos puntos de trabajo óptimos están especialmente marcados en los catálogos de los fabricantes de bombas. Una bomba nunca tr abaja en un solo punto definido, por tal motivo se deben tomar en cuenta durante el dimensionado de la bomba. El rendimiento varía considerablemente en función de los distintos tipos de construcción y del tamaño de las bombas. Para bombas de rotor húmedo se obtiene un rendimiento total entre un 5% y un 54% (bombas muy eficientes), para bombas de rotor seco se consigue un rendimiento total entre un 30% y un 80%. Además, el rendimiento actual de una bomba varía en el campo de curvas características entre cero y un valor máximo 5. Del desarrollo de la curva de potencia se analiza que la energía eléctrica de accionamiento se transforma en la bomba en formas de energía hidráulicas que son un aumento de la presión y del flujo (teniendo en cuenta el rendimiento total). Cuando la bomba trabaja contra una válvula cerrada, se produce la presión máxima de la bomba. Esto se denomina altura de presión a caudal cero H0 de la bomba. Cuando la válvula se abre paulatinamente, el medio a bombear empieza a fluir. Una parte de la energía de accionamiento se transforma en energía cinética6,3. En este momento ya no es posible mantener la presión inicial. La curva característica de la bomba tiene una forma descendente. Teóricamente se alcanza el punto de intersección de la curva característica de la bomba con la abscisa cuando el agua sólo contiene energía cinética y ya no se establece una presión. Debido a que un sistema de tuberías tiene siempre una resistencia interna, las curvas características reales de las bombas
terminan antes de llegar a la abscisa. En función de la inclinación y la variación del punto de trabajo de la bomba se obtienen distintas variaciones del caudal suministrado y de la presión 2: • Curva característica poco inclinada: mayor variación del caudal suministrado, pero poca variación de la presión. • Curva característica muy inclinada: menor variación del caudal suministrado, pero gran variación de l a presión
CONCLUSIÓN Se pudo exponer y determinar la eficiencia de una bomba con respecto a las instalaciones de una casa habitación logrando una eficiencia de trabajo del 91.5% lo que demuestra que efectivamente hay pérdidas de energía por los múltiples accesorios y materiales que conforman un sistema abierto de transporte agua.
ANEXOS ANEXO1. TABLAS DE AGUA SATURADA
ANEXO2. TABLAS DE TUBERIAS DE COBRE
ANEXO 3. TABLAS DE KL PARA ACCESORIOS
ANEXO 4. FACTOR DE FRICCIÓN
BIBLIOGRAFÍA 1. Camaranza Medina, Yanán. ECUACIÓN EXPLÍCITA PARA EL CÁLCULO DE FACTORES DE FRICCIÓN EN LA ZONA DE TRANSICIÓN DEL RÉGIMEN TURBULENTO. Universidad de Matanzas “Camilo Cienfuegos". Cuba. Disponible en: [http://www.monografias.com/trabajos-pdf3/ecuacion-explicita-calculo-friccion/ecuacionexplicita-calculo-friccion.pdf ] 2. WILO SE®. PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE LA TECNOLOGÍADE LAS BOMBAS CENTRIFUGAS. 4ª edición revisada y actualizada 2005. 3. Fernández Diez, Pedro. BOMBAS CENTRÍFUGAS Y VOLUMÉTRICAS. Departamento de Ingeniería Eléctrica y Energética. Universidad de Cantabria 4. Manual del cobre. NACOBRE. Disponible en: [http://www.nacobre.com.mx/download/ayudas/manual_tecnico_cobre.pdf ] el 10/10/2016 5. Pérez-Barreto, R. Cavitación y materiales de construcción en las bombas centrífugas. Minería & Geología, 20(3-4), 114-118. (2004). 6. Mott, R. L. Mecánica de fluidos. Pearson educación. (2006). 7. https://industria.siemens.com.mx/Motores/Docs/motobombas.pdf
