TRABAJO TRABAJ O COLABORATIVO FASE FASE 3 SISTEMAS HIDRONEUMATICOS
ELABORADO ELAB ORADO POR: POR:
EDWIN IVAN MALPUD DARIO ORLANDO DITTA JHON JAIVER ARDILA ROSA IRENE DAZA
No.Grupo:243011_1
PRESENTADO A:
NESTOR JAVIER RODRIGUEZ
UNIVERSIDAD UNIVERSIDAD NACIONAL AB IERTA Y A DISTANCIA UNAD ESCUELA DE LAS L AS CIENCIAS BASICAS TECNOLOGIA E INGENIRIA INGENIRIA ECBTI 12 de Mayo d e 2017
INTRODUCCIÓN
El actual trabajo tiene como prioridad conocer los diversos conceptos de la unidad dos Aplicar componentes para sistemas hidroneumáticos los cuales nos va a determinar que conceptos estudiados durante la unidad se utilizaran en la implementación del caso estudio para que sea la correcta y eficaz solución al problema
RESUMEN
Este informe tiene como objetivo fundamental, presentar una breve información sobre las lecturas recomendadas de la unidad dos del curso sistemas hidroneumáticos además de conocer el funcionamiento de cada uno de los elementos para un sistema hidroneumático para la aplicación aplicaci ón de conceptos del caso estudio.
OBJETIVOS
Objetivo general Identificar el funcionamiento de los componentes de un sistema hidroneumático Objetivos específicos Comprende e interpreta un sistema hidroneumático desde sus propósitos hasta su aplicabilidad, para comprender su funcionamiento, utilizando las referencias bibliográficas recomendadas. •
Asimilar las diferencias diferencias y similitudes existentes entre los sistemas hidroneumáticos aplicados tanto en la industria como en el hogar, usando fuentes de información sugeridas. •
Investigar y desarrollar los conceptos básicos de sistemas neumáticos e hidráulicos mediante software de simulación y aplicándolos al desarrollo del caso de estudio. •
Conocer: Funcionami ento de una bomba centrifuga ✓ Funcionamiento ✓ Tuberias equivalentes equivalentes y sifones distribuci ón ✓ Calculo de la red de distribución ✓ Cabezales de descarda ✓ Bridadas ✓ Tanque hidroneumático
MARCO METODOLÓGICO Calculo del sistema
1. Determinar caudal
Para este problema vamos a suponer que queremos llenar los 5 tanques de 5000 cm3 (5 litros), cada uno, en 30 segundos, es decir se van a llenar 25 litros en 210 segundos Sabemos que:
=
Donde: •
• •
3 0. 0 25 = 210 =,
Q= caudal del fluido t = tiempo de llenado [ ] V = volumen del tanque [
]
2. Determinar diámetro de la tubería
Sabiendo el caudal y utilizando la siguiente tabla para determinar una un a velocidad aproximada podemos determinar el diámetro aproximado de la tubería a utilizar
De la fórmula de continuidad tenemos
= √ 4 ∗∗ Donde: •
•
•
Q= caudal del fluido
v = velocidad del fluido D = diámetro de la tubería [ ]
4∗1, ∗1394 = √ 4∗1, = √ 4,9,447624 =, 3. Determinar cargas •
Perdidas de carga por fricción en tubería recta
Para el cálculo de las pérdidas de carga se ha tomado como base la fórmula de Hazen & Williams, ya que es una de las más populares para el diseño y análisis de sistemas de agua. Su uso está limitado al flujo de agua en conductos mayores de 2 pulgadas y menores de 6 pies de diámetro.
. 10. 6 43∗ ℎ = . ∗ .∗
Donde •
• • •
Q= caudal del fluido L = Longitud del tramo de tubería D = diámetro de la tubería [ ] C = coeficiente que depende de la naturaleza de las paredes de los tubos (ver tabla)
[ ]
. 10. 6 43∗1, 1 9 ℎ = 130. ∗0,688,∗580 643∗1,20∗0,379∗580 ℎ = 10,8143, 16 4 8 ℎ = 8512, 669,31 = , 4. Perdidas presión en válvulas y conexiones
Cualquier obstáculo en la tubería cambia la dirección direc ción de la corriente en forma for ma total o parcial, altera la configuración característica de flujo y ocasiona turbulencia, causando una pérdida de energía mayor de la que normalmente se produce en un flujo por una un a tubería recta. De esta forma, tanto las Pérdidas por Fricción como las Pérdidas Localizadas, para cada diámetro en el sistema, serán evaluadas con la misma ecuación de Pérdidas por Fricción para obtener la Pérdida Total (ht) del sistema, sólo que a la longitud de tubería real (Lr) se le adicionará la suma de la Longitud Equivalente de cada accesorio. La tabla indica la longitud equivalente respecto a cada accesorio y su diámetro. Las longitudes equivalentes de la tabla corresponden a tuberías de hierro fundido. Deben usarse factores de corrección para otros materiales con la siguiente formula
. 130 =(100) = = 1,3. = ,
. =(100)
Longitudes equivalentes a pérdidas locales (en metros de d e tubería de hierro fundido
Las pérdidas por longitud serán:
Ʃℎ=12,71+1,62 Ʃ=,
Ʃℎ=ℎ+
5. La presión residual
Es aquella presión óptima, la cual debe vencer el sistema de bombeo para poder mandar el agua hasta un punto deseado, el cual es considerado hidráulicamente como el más desfavorable.
ℎ = 1 = 2,3131 = 0,7041
En los puntos de consumo la presión residual (presión mínima) deberá ser: 4,27 libras por pulgada cuadrada.
6. Carga o altura dinámica total de bombeo (ADT)
La Carga Dinámica Total de bombeo representa todos los obstáculos que tendrá que vencer un líquido impulsado por una máquina (expresados en metros de columna del mismo) para poder llegar hasta el punto específico considerado consider ado como la toma más desfavorable. La expresión para el cálculo de ADT proviene de la ecuación de Bernoulli:
= = ℎ + ∑ℎ + 2 + ℎ
• •
•
•
h = Altura geométrica entre el nivel inferior y el superior del líquido. = La sumatoria de todas las pérdidas (tanto en tubería recta como en accesorios) que sufre el nivel de succión y el de descarga
∑ℎ ℎ =
= Energía cinética o presión dinámica
presión residual que debe vencer la bomba cuando el fluido llegue a su destino o punto más desfavorable
Velocidad media; es la distancia recorrida sobre la trayectoria en un intervalo de tiempo dado, tenemos la velocidad media sobre la trayectoria o rapidez media, la cual es una cantidad escalar. La expresión anterior se escribe en la forma:
= 580210
= ∆∆
= , / = = 2 + 14,33+3 + 29,2,78607 +4,27 = = 16,33+3 + 19,7,66141 +4,27 = = , , 7. Dimensiones de la bomba
La primera consideración al seleccionar el tamaño de las bombas, es el hecho de que deben ser capaces por si solas de abastecer la demanda máxima dentro de los rangos de presiones y caudales, existiendo siempre una bomba adicional para alternancia con la (s) otra (s) y para cubrir entre todas, por lo menos el 140 por ciento de la demanda máxima probable. •
Potencia requerida por la bomba
La potencia de la bomba para un sistema hidroneumático, representa la potencia requerida por la bomba para p ara transferir trans ferir líquidos de un punto a otro y la energía requerida para vencer sus pérdidas. Podr á́ calcularse por la fórmula siguiente:
= ∗∗ 76∗ 76 ∗ 100
Donde: •
•
•
• •
Pot = Potencia de la bomba en Caballos de Vapor (CV) 1 CV = 0,985923257373 HP 1 HP = 1,014277726508357 CV Densidad del agua
=
1000 []
Q= caudal del fluido = Carga Dinámica Total n = eficiencia de la bomba
Bombas chicas ¾” a 2” de succión = 30 – 50%. 50%. 75%. Bombas medianas 2” a 6” de succión = 50 – 75%. 80%. Bombas grandes 6” o mayores = 75 – 80%.
Las bombas deben seleccionarse para trabajar contra contr a una carga por lo menos igual a la presión máxima en el tanque hidroneumático.
19∗20. 9 8 = 1000∗1,76∗ 76 ∗ 10080 7 = 24975, 60,8 =, 8. Presión mínima
La presión mínima de operación Pmin (PSI) del cilindro en el sistema hidroneumático deberá ser tal que garantice en todo momento, la presión requerida (presión residual) en la toma más desfavorable, podrá ser determinada por la fórmula siguiente:
=ℎ+∑ℎ + 2 + ℎ
Donde: • •
•
•
h = Altura geométrica entre el nivel inferior y el superior del líquido. = La sumatoria de todas las pérdidas (tanto en tubería recta como en accesorios) que sufre el nivel de succión y el de descarga
∑ℎ ℎ =
= Energía cinética o presión dinámica
presión residual que debe vencer la bomba cuando el fluido llegue a su destino o punto más desfavorable
2, 7 6 =2+14,3 3+ 29,807 +4,27 =16,33+ 19,7,66141 +4,27 == ,, 9. Presión máxima
El artículo número 205 de la Gaceta Oficial 4.044 Extraordinario, recomienda que la presión diferencial, no sea inferior a 14 metros de columna de agua (20 PSI). Sin embargo, no fija un límite máximo que se pueda utilizar, por lo que hay que tener en cuenta que al aumentar el diferencial de presión, aumenta la relación de eficiencia ef iciencia del cilindro considerablemente y por lo tanto reduce en tamaño final del mismo; pero aumentar demasiado el diferencial puede ocasionar inconvenientes, pequeños, tales como un mayor espesor de la lámina del tanque, elevando así su costo y obligando a la utilización de bombas de mayor potencia para vencer la presión máxima, o graves, tales como fugas en las piezas sanitarias y acortamiento de su vida útil. La elección de la Presión Máxima se prefiere dejar al criterio del proyectista De acuerdo a este articulo nuestra presión máxima de 40,98 Psi
10. Dimensionamiento del tanque a presión
El dimensionamiento del tanque a presión, se efectúa tomando como parámetros de cálculo el caudal de bombeo (Qb), los ciclos por hora (U), y las presiones de operación, el procedimiento es resumido en cuatro pasos, cada c ada uno con su respectiva fórmula: fór mula: a. Determinación tipo de ciclo de bombeo (Tc)) Representa el tiempo trascurrido entre dos arranques consecutivos de las bombas, y se expresa de la siguiente manera:
Donde:
= 12
U = Número de ciclos por hora
= 12 = ,
b. Determinación del volumen útil del tanque (Vu) Es el volumen utilizable del volumen total del tanque y representa la cantidad de agua a suministrar entre la presión máxima y la presión mínima.
= = 0.5∗1,4 19
= = ∗
=,
c. Porcentaje de volumen útil (%Vu)
Representa la relación entre el volumen utilizable y el volumen total del tanque y se podrá calcular a través de la siguiente ecuación:
Donde:
%=90∗ −
Pmáx = Presión máxima del sistema. Pmin = Presión mínima del sistema Nota: Tanto la Pmáx como la Pmin serán dados como presiones absolutas. absolutas .
9 8 %=90∗ 40,940,8−20, 98 %=90∗0, 48 %=,% d. Volumen del tanque
Ahora para saber cuál es el volumen total (VT) del tanque a utilizar, se debe tener preestablecidos los siguientes valores: Volumen Útil Porcentaje de volumen útil
= = 0.43,1001489 = = 0.0.14483 =,
= = % 100
Presión mínima La presión de operación mínima del sistema, deberá ser tal que garantice en todo momento, la presión residual (requerida), en la toma más desfavorable y puede ser obtenida, del siguiente balance de energía:
=ℎ+Σh + 2 ∗ + ℎ h = Diferencia de altura entre el nivel inferior y el nivel superior del líquido en el tanque. = Σhf =
Sumatoria de pérdidas tanto a lo largo de la tubería como en accesorios, que sufre el fluido desde la descarga del tanque hasta la toma más desfavorable. V2/2*g = V2/2*g = Energía cinética o presión dinámica. = presión residual. hr = Presión máxima El artículo número 205 de la Gaceta Oficial 4.044 extraordinario, recomienda que la diferencia de presiones no sea inferior a 14 m.c.a. Sin embargo no se establece un límite máximo que se pueda utilizar, por lo que hay que tener en cuenta que al aumentar el diferencial de presión, aumenta la relación de eficiencia del tanque considerablemente. Al aumentar el diferencial puede ocasionar: •
•
mayor espesor de la lámina del tanque obligando la utilización bombas de mayor potencia para vencer la presión máxima fugas en las piezas y acortamiento de su vida útil.
La presiona máxima la define el proyectista teniendo en cuenta lo anterior.
Dimensionamiento Dimensionamiento de las bo mbas y mot ores.
La potencia de la bomba podrá calcularse de la siguiente forma:
Dónde: CV: potencia de la bomba en caballos de vapor (para caballos de fuerza usar una constante de 76 en lugar de 75) Q: capacidad de la bomba ADT: carga total de la bomba n: rendimiento de la bomba, que a los efectos del cálculo teórico se estima en 60% los motores eléctricos que accionan las bombas deberán tener un margen de seguridad que les permita cierta tolerancia a la sobrecarga y deberá preverse los siguientes márgenes: ✓ ✓ ✓ ✓ ✓
50% aproximado para potencia de la bomba hasta unos 2 HP 30% aproximado para potencia de la bomba hasta unos 2 a 5 HP 20% aproximado para potencia de la bomba hasta unos 5 a 10 HP 15% aproximado para potencia de la bomba hasta unos 10 a 20 HP 10% aproximado para potencia de la bomba hasta unos 20 HP
Estos márgenes son meramente teóricos e indicativos y pueden ser variados según la curva de funcionamiento de la bomba o según las características del motor aplicado.
PRESIONES
a. Presión mínima
La presión mínima de operación (Pmín) del cilindro del sistema hidroneumático deberá ser tal que garantice, en todo momento, la presión requerida (presión residual) en la toma más desfavorable, es decir, en el punto más alto al que debe llegar el agua y podrá determinarse con la siguiente fórmula:
En donde: h = Altura geométrica entre el nivel inferior y el nivel superior del líquido Σhf = La sumatoria de todas las pérdidas (tanto en la tubería como en accesorios) que sufre el fluido desde la descarga del tanque hasta la toma más alejada.
Energía cinética o presión dinámica. hr = presión residual. En cuanto a la presión mínima se recomienda que no sea menor a 14 M.C.A. (20 psi), sin embargo, no se fija límite máximo que se pueda utilizar, por lo que hay que tener en cuenta que al aumentar el diferencial de presión, aumenta la relación de eficiencia del cilindro considerablemente y por lo tanto reduce el tamaño final del mismo; pero también aumentar demasiado el diferencial puede ocasionar inconvenientes pequeños, tales como un mayor 20 espesor de lámina del tanque, elevando así su costo y obligando a la utilización de bombas de mayor potencia para vencer la presión máxima, o graves, tales como fugas en las piezas sanitarias y acortamiento de su vida útil, o el total reemplazo del sistema hidroneumático. hidroneumático.
La elección de la presión máxima se prefiere dejar a criterio del proyectista.
b. Presión diferencial y máxima
Se recomienda que la presión diferencial no sea inferior a 14 metros columna de agua (20 PSI). Sin embargo, no fija un límite máximo que se pueda utilizar, por lo que hay que tener en cuenta que al aumentar el diferencial de presión, aumenta la relación de eficiencia del cilindro considerablemente y por lo tanto reduce el tamaño final del mismo; pero aumentar demasiado el diferencial puede ocasionar inconvenientes, pequeños, tales como un mayor espesor de la lámina del tanque, elevando su costo y obligando a la utilización de bombas de mayor potencia para vencer la presión máxima, o graves, tales como fugas en las piezas sanitarias y acortamiento de su vida útil. La elección de la presión máxima (Pmax) se deja a criterio del diseñador. Calculo del caudal necesario
Se conocen varios métodos para el cálculo de caudales necesarios para el funcionamiento de un sistema de este tipo, pero en este caso se presenta uno de los más usados y de fácil cálculo, la estimación de la demanda se hará de acuerdo a la siguiente fórmula, la cual es de uso únicamente domiciliar, es decir, para viviendas unifamiliares o edificios pequeños de no más de 15 personas.
Dónde: ✓ ✓ ✓ ✓
Qd = caudal de demanda en litros por segundo. Dotación = Total litros de la demanda diaria por habitante. No. Habitantes Habitantes = Número de habitantes habitantes estimados estimados en la vivienda. vivienda. Área de riego = Área verde existente en en la residencia que requiera de riego.
ASPECTOS IMPORTANTES Y RELEVANTES DE LAS LECTURAS UNIDAD 2 TUBERIAS EQUIVALENTES Su usa para calcular la pérdida de carga de un conducto o conjunto de ellos de diámetros, longitudes y/o coeficientes de rugosidad diferentes. ❖ Tuberías en serie ❖ Tuberías en paralelo ❖ Tuberías simples
TUBERÍAS EN SERIE Unión en serie de varios tramos de conductos. Datos característicos característicos de cada una de las tuberías: Caudal Longitud Factor de fricción Perdida de carga
Tubería en paralelo Están formadas por diferentes conductos que tienen en común sus puntos extremos. Donde Donde el caudal caudal es el mismo mismo en punto punto A y B.
TUBERIAS SIMPLES ❖ Tuberias del mismo mismo diámetro y coeficiente coeficiente de rugosidad rugosidad diferentes. diferentes. mismo coeficiente de de rugosidad y diámetros diámetros diferentes diferentes ❖ Tuberias con el mismo ❖ Tuberias con distinto coeficiente de rozamiento y distinto diámetro. SIFONES Se denominan sifones los conductos parcialmente a presión situados por encima de la línea de energía.
❖ ❖ ❖ ❖
El punto se define como boca de entrada del sifón El punto B se define como boca de salida El punto C se se denomina denomina como cresta o vértice del sifón La longitud del sifón se determina como L=L1+L2 según la gráfica anterior
Calculo de la red de distribución distribuci ón Este cálculo nos permite llevar a agua a un punto de abastecimiento. PASOS 1) los factores que se deben tener en cuenta Zona donde se va implementar Volumen de agua a servir Tuberías, velocidades, presiones. 2) Los datos previos para el estudio Planos del sitio Determinación de los puntos de agua Volumen de agua que necesita cada punto Diámetro mínimo a emplear en la red. Presión mínima requerida en el momento de mayor carga 3) Caudales de calculo Tamaño de la población Revisión de crecimiento Demanda punta Agua para incendios 4) Diámetros mínimos 5) Velocidades recomendadas en tuberías Es necesarios fijar las velocidades para evitar erosiones o golpes de ariete que puedan provocar rupturas en la red 6) Redes de distribución. distribución.
Garantiza a todos los puntos el caudal y la presión precisa, la calidad de agua requerida evitando contaminación desde su recogida en el depósito hasta el punto de consumo y el servicio continúo de líquido.
Calculo de pérdida total
=ℎ+ℎ+∆ℎ+∆ℎ+ ℎ: ℎ: ℎ: ∆ℎ: ∆ℎ: + + ∆ℎ: : 2 ∗∗ ℎ = +2 ℎ Perdidas por fricción en la tubería de impulsión (reservorio) (reservorio)
::
Perdidas menores en la tubería de impulsión
Calculo del caudal caudal de impulsión impulsión
ℎ=Σ ℎ=Σ ∗ 2
Caudal de bombeo
= ∗24 :∗ : : ℎ =∗ 184400 : : / /
Caudal medio (Qm)
Con los anteriores resultados lo lo implementados para el calculo de la potencia de la bomba Calculo de potencia de la bomba
== ∗ 76∗∗
: ⁄ : :=0.8 ⁄ :
Planteamiento Caso de estudio En una empresa de plásticos (PLASTICOL S.A.) se desea obtener un sistema presurizado de agua, tal que sea capaz de llevar este líquido a los tanques de mezclado de los compuestos químicos que se encuentran a gran distancia desde la fuente hasta la planta de mezcla, en donde se desea desarrollar un sistema hidroneumático que pueda suplir esta necesidad. El sistema hidroneumático que se solicita debe contener un tanque hidroneumático capaz de llenar 5 tanques de mezcla cada uno de 5000 3 , en el cual se debe anexar tanto las bombas centrifugas centr ifugas que logren
hacer una presión para suplir el llenado en el menor tiempo posible pero teniendo en cuenta que la distancia recorrida entre el sistema sis tema hidroneumático y los tanques de llenado es de 580 metros, como los cabezales de descarga bridadas y el preostato que se utilice debe hacer que el paso del agua llene un tanque a la vez, ya que si se llenan todos al tiempo se pude elevar la presión, una vez se tengan estos elementos también se debe diseñar el tablero de control e indicadores los cuales visualizaran las presiones del sistema hidroneumático como también el control de estas presiones y demás componentes que se consideren necesarios para el buen funcionamiento de este sistema, las conexiones hidráulicas se dejan a libre diseño pero deben tenerse en cuenta los aspectos antes mencionados. Con los componentes del sistema hidroneumático, se debe diseñar las presiones que se ejecutaran dentro del sistema, calculando las presiones máxima y mínima como también el tipo de bomba que se utilizara y el área interna de este, se debe hacer el análisis del tanque y la viabilidad de este diseñando y calculando las presiones internas que se manejan dentro del tanque y el sistema como tal, por último se hace necesario utilizar un compresor que para ello se diseña mediante el cálculo de las áreas intervinientes intervinientes del sistema s istema hidroneumático. hidroneumático. Bombas centrifugas centrifugas horizontales horizontales La disposición del eje de giro horizontal presupone que la bomba y el motor se hallan a la misma altura ; éste tipo de bombas se utiliza para funcionamiento en seco, exterior al líquido bombeado que llega a la bomba por medio de una tubería de aspiración.
Tanque hidroneumático: Consta de un tanque de placa acero con tapas semi – elípticas y conexiones para entrada y salida del flujo y un control de nivel; además tiene un pequeño tanque determina la entrada de aire por ciclo al sistema y una serie de válvulas check y solenoides. Cuando se pone en funcionamiento el sistema se llena por completo de agua, entonces se paran las bombas y se abre la válvula solenoide que deja salir el agua acumulada en el tanque pequeño llenándolo de aire cuando vuelven a arrancarlas bombas el aire atrapado en el tanque pequeño es inyectado dentro del tanque y queda acumulado, el control de nivel determina la apertura de válvulas del
sistema de admisión de aire por lo que no siempre se inyecta aire para evitar que este ingrese a la red.
Presostato
Código: SK-2 Modelo: Presostato Marca: Lawn Industry Características:
Accesorio para tanque hidroneumático Descripción:
Presostato 127V/60Hz Presión mínima: 20 PSI Presión máxima: 80 PSI Conexión hembra roscada posterior: 1/4" Φ
Conexiones hidráulicas
-
Hidroneumáticos múltiples
Funcionan de igual manera que los sistemas hidroneumáticos simples con la diferencia que éstos utilizan dos o más bombas para generar la presión en el tanque, dado que se utilizan en estructuras más grandes que requieren de una mayor presión para alcanzar los niveles más altos, o por el uso de maquinaria industrial que requiere de mucha más presión de lo normal. Están fabricados con el criterio de alta calidad para lograr una excelente operación durante muchos años sin problemas de mantenimiento. Equipo hidroneumático con dos b ombas multietapas multietapas con tanque vertical en acero
Esquema del sistema
Links de los videos
Link de presentación del trabajo https://www.youtube.com/wa https://www.youtube.com/watch?v=1COJMnUoP4 tch?v=1COJMnUoP4A&feature=y A&feature=youtu.be outu.be •
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El link d el video explicativo sobre el software FluidSim
https://youtu.be/uzb8kvR1NvE
CONCLUSIONES
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Se interpretó, los elementos que intervienen en un sistema hidroneumático, tanto sus conceptos generales como su aplicabilidad en el campo, con el propósito de aplicar los conocimientos adquiridos mediante lecturas sugeridas y estudio de caso
Para el buen funcionamiento de un sistema hidroneumático se debe debe seleccionar los elemento elementoss correctos de acuerdos al caudal, presión, volumen volumen estudiados en las unidades anteriores.
BIBLIOGRAFÍA
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