optimizacion de una bomba inteligente para su posterior

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
ESPECIALIDAD MECÁNICA
OPTIMIZACION DE UNA BOMBA
INTELIGENTE PARA SU POSTERIOR
INSTALACION INDUSTRIAL
Autor: Francisco Javier Navarro Simón
Director: Íñigo Sanz Fernández
Madrid
Mayo 2015
OPTIMIZACION DE UNA BOMBA INTELIGENTE PARA SU
POSTERIOR INSTALACION INDUSTRIAL
Autor: Javier Navarro Simón
Director: Iñigo Sanz Fernández
Entidad colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas
Resumen del Proyecto
El proyecto desarrolla el estudio de los ángulos de los álabes de un rodete
y un difusor, así como el diseño de la instalación de bombeo de agua para el
suministro a un edificio de oficinas cuya actividad principal es diurna.
El proyecto se estructura en dos partes. La primera es el estudio detallado
de los ángulos de los álabes del rodete y del difusor, para encontrar la
combinación de éstos más óptima. La segunda parte es el diseño de la
instalación de bombeo de la bomba.
El estudio teórico se realiza para los ángulos β1, β2 y α4, ya que son los
ángulos más importantes del rodete (junto con el ángulo α1). Dado que el año
2014, Alejandro Hermosin realizó el estudio de todo el rodete, se ha decidido
centrar nuestro estudio en los dos ángulos mencionados del rodete y el tercero
del difusor, tomando el ángulo α1 con un valor constante de 89,5º. Los ángulos
β, son los que forman el vector velocidad relativa del fluido junto con el vector
velocidad lineal del rodete, siendo el subíndice 1 el que indica que es a la entrada
del rodete y el 2 a la salida de éste. El ángulo α4 es el ángulo del vector velocidad
del fluido a la salida del difusor, siendo su antecesor (a la entrada del difusor) el
indicado con el subíndice 3. En nuestro caso, hemos elegido un ángulo α1 como
constante de valor 89,5º. Esto hace que los ángulos α2 y α3 sean dependientes,
y que los tres ángulos que estudiamos puedan tener distintos valores (son
parámetros de entrada o lo que es lo mismo, ángulos constructivos de la bomba).
El estudio teórico de los ángulos se realiza de la forma que se resume a
continuación.
En primer lugar, se realiza el estudio teórico de cómo varían los
parámetros de rendimiento potencia y altura en función de los ángulos, haciendo
variar uno de ellos y dejando los otros dos constantes. Con esto, se consigue ver
cómo varían esos tres parámetros (que son aquellos parámetros que luego se
tendrán en cuenta a la hora de elegir la combinación más óptima) en función de
cada uno de los ángulos. Para la realización de este cálculo, se ha utilizado el
software de cálculo Matlab, con el cual a partir de un programa con bucles se ha
conseguido cubrir todas las combinaciones posibles de los tres ángulos, y
obteniendo al finalizar el programa los tres parámetros que se han mencionado
anteriormente (potencia, rendimiento y altura) que serán los que se utilizaran
para elegir la combinación más óptima.
Una vez terminada esta primera parte acerca del estudio teórico, se
comienza con el estudio de la instalación de bombeo. La instalación de bombeo
se realizará para el edificio de oficinas de una empresa situada en Méndez Álvaro
en la calle Retama 3 (Madrid). Se realizará una instalación hidráulica tal que
impulse el agua desde el nivel cero (nivel del suelo, que es desde donde llega el
agua del Canal de Isabel II) hasta la cima del edificio, desde donde se dejará
caer por gravedad a cada una de las plantas. El desarrollo de esta instalación se
realizará mediante los siguientes pasos:
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Estimación del volumen del pozo de bombeo
Selección de tuberías
Selección de válvulas
Selección de la bomba (en nuestro caso, motobomba)
Determinación de los niveles de arranque y parada del pozo de
bombeo
El cálculo del volumen del pozo de bombeo se ha realizado mediante el
software PSD de ABS – SULZER, con el cual se ha obtenido un volumen útil del
pozo de bombeo de 0,4 m3. Una vez calculado el pozo de bombeo, se procede
a la elección de las tuberías y válvulas. Para las tuberías se ha elegido el material
Polietileno (PE), ya que sus características de baja rugosidad y bajo precio
concuerdan bien con las necesidades de nuestro proyecto (además, el código
del Canal de Isabel II establece que este material es el más indicado para este
tipo de instalaciones). Las válvulas elegidas son de dos tipos: la primera es una
válvula de compuerta elástica para dirigir el fluido por el sistema de tuberías
adecuado, y la segunda es una válvula de bola (anti retorno) para impedir que el
fluido circule por la bomba en sentido contrario. Al igual que en el caso de las
tuberías, el código del Canal de Isabel II establece que estos tipos de bombas
son las más indicadas para nuestra instalación.
Por último, se procede a la elección de la bomba. La bomba seleccionada
deberá cumplir con las necesidades de caudal (establecido por el Canal de Isabel
II para edificios de oficinas) y de altura (altura del edificio junto con las pérdidas
de carga que producen las tuberías y la geometría de la instalación). Por lo tanto,
el punto de trabajo será un caudal de 6,63 l/s y una altura de 100,514 m
(contando con las pérdidas). Utilizando el software ABS ABSEL, se elige la
bomba NK 65/40 – 26 C 50 Hz para nuestra instalación.
La memoria del proyecto se realizó conjuntamente con el anexo Cálculos,
donde se han explicado los cálculos realizados durante el proyecto. El anexo
Resultados muestra parte de los resultados que se obtuvieron tras el barrido de
ángulos de la primera mitad del proyecto.
A continuación se realizó el presupuesto del proyecto donde se tuvo en
cuenta el coste de compra de los materiales y maquinaria, coste de la instalación,
coste energético, costes de operación, costes de mantenimiento, costes por
impactos medioambientales, costes por avería y costes por retirada.
Con todo esto, el presupuesto total de nuestro proyecto asciende a la cifra
de 155.372,98 €.
Por último, se añaden también los pliegos de condiciones técnicas y
económicas que indican las condiciones técnicas y económicas que debe de
cumplir la ejecución del proyecto.
OPTIMIZATION OF AN INTELLIGENT PUMP FOR FURTHER
INDUSTRIAL INSTALLATION
PROYECT ABSTRACT
The project develops the study of the angles of the blades of an impeller
and a diffuser, as well as the design of the water pumping facility to supply an
office building with daily main activity.
The Project is structured in two sections. The first one focuses on the
detailed study of the angles of the blades of the impeller and the diffuser, to reach
the optimum combination of them. The second part is the design of the pumping
facility.
The theoretical study is performed for the angles β1, β2 y α4, as these are
the most relevant ones for the impeller (together with the α1 angle). As during
2014, Alejandro Hermosín developed the study of the whole impeller, it is decided
here to focus the study on the two mentioned angles of the impeller and on the
third mentioned for the diffuser, taking the value for α1 to be 89,5º. The β angles
are formed by the relative velocity vector of the fluid with the lineal velocity vector
of the impeller, where subscript 1 correspond to the entrance of the impeller and
subscript 2 its exit. α4 angle is formed by the velocity vector of the fluid at the exit
of the diffuser, and the angle at the entrance of the diffuser is marked with the
subscript 3. In our case, an α1 constant angle has been selected to be 89,5º. This
makes α2 and α3 angles to be dependent, and allows that every three angles
under study to take different values (they are input parameters or in other words,
constructive angles for the pump). The theoretical study of the angles is
performed as summarized below.
As a first step, the theoretical study of the variation of the power
performance and height is carried out as a function of the angles, letting one of
them vary and the rest being constant. This shows the variation of these three
parameters (they will be taken into account later to choose de optimum
combination) as a function of every angle. For this calculation, Matlab software
has been applied. Matlab has calculated with loops all the potential combination
among the three angles and getting as results the three parameters (power,
performance and height). These three parameters will be used for the selection
of the optimum combination.
Once this first part is concluded, the study of the pumping facility is started.
The facility is designed for and offices building sited in Méndez Álvaro, Retama
3rd Street (Madrid). The hydraulic installation will pump water from the ground
floor (where Canal de Isabel II provision is sited) to the top of the building, from
where water will be distributed to every floor by the impulse of gravity. The
development of this facility will be done through the following steps:
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Estimation of the pumping well volume
Pipes selection
Valves selection
Selection of a pump (motorpump for this case)
Determination of the start and stop levels for the pumping well
The calculation of the pumping well volume has been carried out with PSD
(ABS – SULZER) software. The usable volume for the pumping well has been
calculated to be 0,4 m3. After obtaining this value, the selection of pipelines and
valves is done. Polyethylene (PE) pipeline has been chosen based on its low
rugosity and low cost, properties that fit well for the need of this project. Besides
this, Canal de Isabel II establishes that this material is the most adequate one for
this kind of facilities. There are two kinds of chosen valves: the first one is the
elastic gate valve, which directs the fluid through the adequate pipes system; the
second valve is a ball valve (check valve) to avoid the fluid to flow through the
valve in the opposite direction. Analogous to the pipelines, Canal de Isabel II
establishes that both pumps are the most adequate for this facility.
Finally, the selection of the pump is carried out. The selected pump shall
comply with the flow needs (established by Canal de Isabel II for offices buildings)
and the height (real height of the building, adding the load loss due to pipelines
themselves and the facility geometry). Hence, the working point will provide for a
flow of 6,63 l/s and 100,514 m height (load loss added). ABS ABSEL software is
used for the pump selection, being the model named as NK 65/40 – 26 C 50 Hz
the one selected for this facility.
The project memory has been elaborated in parallel with the annex of
Calculations. This annex shows the calculations performed. The Results annex
gives partial results obtained after the combinations of the first half of the project.
The budget for the Project has been estimated taking into account the cost
of materials, machinery, cost of the facility, energy cost, operational cost,
maintenance cost, environmental impact cost, breakdown cost and withdrawal
cost.
All considered, the total budget estimation is given to be 155.372,98 €.
To conclude with the documentation, the technical and economical
conditions specifications for the project are attached.