DOCUMENTO PROYECTO DE GRADO

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE ENSAYOS PARA BOMBAS
CENTRIFUGAS PARA LA EMPRESA FUNDICION HERMANOS SANCHEZ Y
PARRA S.A.S
JUAN GABRIEL DAZA ALBA
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
FACULTAD DE INGENIERÍAS FÍSICOMECÁNICAS
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA
BUCARAMANGA
2019
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE ENSAYOS PARA BOMBAS
CENTRIFUGAS PARA LA EMPRESA FUNDICION HERMANOS SANCHEZ Y
PARRA S.A.S
JUAN GABRIEL DAZA ALBA
Trabajo de grado para optar el título de
Ingeniero mecánico
Director
Ing. Javier Rúgeles Pérez
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
FACULTAD DE INGENIERÍAS FÍSICOMECÁNICAS
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA
BUCARAMANGA
2019
CONTENIDO
TABLA DE FIGURAS .............................................................................................................................. 9
INTRODUCCION ................................................................................................................................. 10
1.
OBJETIVOS ................................................................................................................................. 11
2.
BASE TEORICA ........................................................................................................................... 12
2.1.
MAQUINAS HIDRAULICAS ................................................................................................. 12
2.1.1.
Clasificación de máquinas hidráulicas ....................................................................... 12
2.1.1.1.
Bombas rotodinámicas.......................................................................................... 12
2.1.1.1.1.
Bombas centrifugas ............................................................................................... 12
2.1.1.2.
Bombas volumétricas ............................................................................................ 13
2.1.1.2.1.
Bombas rotativas................................................................................................... 13
2.1.1.2.2.
Bombas reciprocante ............................................................................................ 14
2.2.
TEORIA DE BOMBAS CENTRIFUGAS .................................................................................. 14
2.2.1.
Teoría del impulsor ................................................................................................... 15
2.2.2.
Potencias y rendimientos de una bomba centrifuga ................................................ 18
2.2.3.
Clasificación de las bombas mediante velocidad especifica. ................................. 19
2.2.4.
Velocidad especifica de succión ................................................................................ 20
2.2.5.
Curvas de la bomba ....................................................................................................... 20
2.2.6.
Curva del sistema .......................................................................................................... 21
2.2.7.
Cavitación en bombas ............................................................................................... 21
2.2.7.1.
Altura neta positiva de aspiración (NPSH). ............................................................... 22
2.3.
TARJETAS DE ADQUISICIÓN............................................................................................... 22
2.3.1.
Hardware. ...................................................................................................................... 23
2.3.1.1.
Raspberry pi.............................................................................................................. 23
2.3.1.2.
Arduino mega. ........................................................................................................... 24
2.3.2.
Características principales ............................................................................................. 25
2.3.2.1.
Número de canales analógicos:................................................................................. 25
2.3.2.2.
Velocidad de muestreo ............................................................................................. 25
2.3.2.3.
Resolución ................................................................................................................. 25
2.3.2.4.
Rango de entrada. ..................................................................................................... 25
2.3.2.5.
Capacidad de temporización. .................................................................................... 25
2.3.2.6.
Forma de comunicarse con el computador. ............................................................. 26
2.4.
SISTEMA DE ADQUISICION DE DATOS. .............................................................................. 26
2.4.1.
Labview.......................................................................................................................... 26
2.4.2.
Matlab ........................................................................................................................... 26
2.5.
3.
4.
SENSORES Y EQUIPOS TRANSDUCTORES .......................................................................... 27
2.5.1.
Medición de presión...................................................................................................... 27
2.5.2.
Medición de caudal ....................................................................................................... 28
2.5.3.
Medición de potencia eléctrica ..................................................................................... 28
2.5.4.
Medición de rpm ........................................................................................................... 28
CONSTRUCCION DE BOMBAS CENTRIFUGAS ............................................................................ 28
3.1.
DISEÑO MECANICO ........................................................................................................... 28
3.2.
MODELADO INICIAL 3D DE LA GEOMETRIA ...................................................................... 29
3.3.
SIMULACION DE FLUIDOS (CFD) ........................................................................................ 29
3.4.
CONSTRUCCION DE MODELOS.......................................................................................... 29
3.5.
MOLDEO Y FUNDICION ..................................................................................................... 29
3.6.
Mecanizado ....................................................................................................................... 30
DESARROLLO DE INGENIERIA .................................................................................................... 31
4.1.
ENSAYOS DE ACEPTACION ................................................................................................ 31
4.2.
ELEMENTOS DEL SISTEMA ................................................................................................. 31
4.
IMPLEMENTACION DE HARDWARE-SOFTWARE ....................................................................... 33
5.
PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS....................................................................................... 36
6.
CONCLUCIONES ......................................................................................................................... 36
7.
OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES .................................................................................. 36
BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................................... 37
TABLA DE FIGURAS
Figura 1. Partes bomba centrifuga ........................................................................ 13
Figura 2.flujo en bombas centrifugas. ................................................................... 15
Figura 3. Triángulos de velocidades en la entrada y salida del impulsor .............. 16
Figura 4. Triangulo de velocidades. ...................................................................... 16
Figura 5.Diagrama de potencias en bombas centrifugas. ..................................... 18
Figura 6. Velocidad especifica Ns ......................................................................... 19
Figura 7. Características de columna desarrollada. .............................................. 20
Figura 8. Curvas características de una bomba centrifuga. .................................. 21
Figura 9. Curva característica del sistema. ........................................................... 21
Figura 10. Placa raspberry pi. ............................................................................... 23
Figura 11. Tarjeta arduino mega. .......................................................................... 24
Figura 12. Proceso de moldeo en arena verde. .................................................... 29
Figura 13. Vista superior CAD banco de pruebas. ............................................... 31
Figura 14. Isométrico CAD banco de pruebas....................................................... 32
Figura 15. Esquema del sistema de adquisición de datos. ................................... 32
Figura 16. Panel de inicio toolboxe GUI. .............................................................. 33
Figura 17. Código en matlab de la interfaz gráfica. ............................................... 34
Figura 18. Plataforma GUI App potenciómetro. ..................................................... 34
Figura 19. Apps de potenciómetro en funcionamiento. ......................................... 35
INTRODUCCION
El hombre en su afán de transformar el mundo ha utilizado el conocimiento como
una herramienta de aprendizaje. Existen varios tipos de conocimiento
considerados maneras de clasificar y adquirir información. El ser humano tiene la
capacidad de expandir su conocimiento, lo cual le permite conocer, a través de la
razón o la experiencia, la naturaleza, las relaciones y las cualidades entre las
cosas. Fundición hermanos Sánchez y Parra S.A.S en el compromiso de cumplir
sus objetivos misionales busca generar y compartir un espacio para la
construcción de herramientas que permitan ampliar el conocimiento de los
productos ofrecidos por la empresa.
Fundición hermanos Sánchez y parra S.A.S es una empresa dedicada a procesos
metalúrgicos y metalmecánicos especialmente en el área de la fundición, en la
variedad de productos que ofrecen se encuentra una línea dedicada al diseño y
construcción de bombas centrifugas enfocadas a sectores agrícolas y mineros.
Para garantizar el buen rendimiento de sus productos y cumplir lo promulgado en
su misión FHSYP S.A.S tiene interés en mejorar el control de calidad de sus
bombas para cumplir con los requerimientos de los clientes. Para tal fin se debe
construir un banco de pruebas en el cual se pueda medir las características
principales de una bomba centrifuga. Las propiedades a medir son: caudal (Q),
cabeza de presión (H), eficiencia energética (ᶯ) y cabeza neta positiva de succión
(NPSHR).
En la actualidad FHSYP S.A.S utiliza un meto rustico para la caracterización de
sus bombas. En las mediciones que se implementan se obtienen los valores de
caudal máximo y cabeza de presión máxima pero no se generan las curvas
respectivas y las condiciones de medición no son las apropiadas.
La empresa busca mejorar el rendimiento de sus máquinas hidráulicas en cuanto
al consumo energético. Es de vital importancia contar con un sistema que facilite
la caracterización de sus productos, por ende, se pretende minimizar las fallas en
la medición de propiedades, utilizando instrumentación electrónica y software que
permitan la automatización del proceso; de tal manera que permita al operario un
ambiente más cómodo, pero además garantizando la precisión de los datos
tomados.
1. OBJETIVOS
1.1. OBJETIVO GENERAL:
Contribuir con la misión de la universidad industrial de Santander, de
brindar conocimientos y soluciones a las diferentes necesidades de la
industria, específicamente en la industria metalmecánica, mediante el
diseño y la construcción de un banco de pruebas para bombas
centrifugas para la empresa FUNDICION HERMANOS SANCHEZ Y
PARRA S.A.S
1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Diseñar y construir un banco de pruebas para bombas centrifugas
que permita medir: presión, caudal, y potencia en bombas centrifugas
con consumos de 3 a 25 hp.

Implementar manómetros, flujómetros, voltímetros, amperí metros y
otros equipos que permitan la medición de las variables del sistema
utilizando como guía la norma ISO 9906: 1999.

Generar las curvas características (presión estática vs caudal, curvas
de eficiencia, curvas de NSPH, y curvas de potencia) de un mod elo
de bomba centrifuga distribuido por la empresa FHSYP para una
velocidad de 3500 rpm.
2. BASE TEORICA
2.1. MAQUINAS HIDRAULICAS
Se considera como maquina hidráulica un sistema mecánico que intercambia
energía con un fluido que este contenido o que circula a través de él.
Se pueden considerar máquinas hidráulicas las bombas, ventiladores,
compresores, turbinas hidráulicas, turbinas de vapor y de gas, entre otros. Debido
a la gran complejidad del flujo en estas máquinas existen investigaciones
permanentes en las cuales se implementan simulaciones y teorías experimentales.
2.1.1. Clasificación de máquinas hidráulicas
Para clasificar las maquinas hidráulicas se consideran características
de funcionamiento, como la transmisión de energía entre la máquina y el
fluido, compresibilidad del fluido, principios de funcionamiento .
Para este proyecto se abordan las bombas hidráulica s. Su función es la
transmitir energía a un líquido para permitir su transporte en una
instalación. El transporte del fluido s e puede dar a presión constante o
con incremento de la misma, dependiendo el caudal a la salida de la
bomba. La relación entre la presión y el caudal es una característica
única de cada bomba que depende de su principio de funcionamiento, su
tamaño, su velocidad de accionamiento entre otros.
Las bombas más usuales en la industria son: las bombas rotodinámicas
o turbomáquinas como también las de desplazamiento positivo.
2.1.1.1.
Bombas rotodinamicas
Las bombas rotodinámicas son las que intercambia energía con el
fluido a su paso por uno o varios impulsores incrementando su cantidad
de movimiento. 1
2.1.1.1.1.
Bombas centrifugas
Las bombas centrifugas constan de un rodete o impulsor que gira por la
acción de un motor, esta parte es la encargada de incrementar la
cantidad de movimiento del fluido. También costa de una voluta que es
la encargada de rodear el impulsor y guiar el flu ido.
1
(HERAS, 2011)
Figura 1. Partes bomba centrifuga
2.1.1.1.2.
Bombas axiales
El impulsor de este tipo de bombas posee los alabes de manera que
inciden el flujo del líquido en dirección axial al eje de rotación del
impulsor. Este tipo de bombas son utilizadas para bombear grandes
caudales a poca altura.
2.1.1.1.3.
Bombas periféricas
Estas son similares a las bombas centrifugas en cuanto a la dirección
del flujo dentro de la máquina, pero la robustez es menor. Este tipo de
bombas ofrecen bajos caudales pero alta s presiones lo contrario a las
bombas centrifugas, su impulsor tiene una superficie dentada de forma
radial y el agua circula sobre la superficie del mismo.
2.1.1.2.
Bombas volumétricas
Para las bombas de desplazamiento positivo su funcionamiento se da
mediante el movimiento de paquetes de fluido al sistema, su
característica principal es la acumulación de energía en la instalación
hidráulica. Estas bombas se clasifican en bombas rotativa s y bombas
reciprocante. 2
2.1.1.2.1.
Bombas rotativas
En una bomba rotativa, la rotación lleva al líquido desde la succión
hasta la salida. Las bombas rotativas son generalmente clasificadas de
acuerdo al tipo de elemento que transmite al líquido, por lo que
2
(SOLORZA, 2017)
hablamos de una bomba de engranajes, émbolo giratorio, paletas o
bombas rotativas de pistones. 3
2.1.1.2.2.
Bombas reciprocante
El principio de desplazamiento positivo se ilustra de manera clara en la
bomba reciprocante, A medida que el pistón se extiende, el vacío parcial
creado en la cámara de bombeo sustrae líquido del reservorio a través
de la válvula antirretorno en la entrada hacia la misma. Éste vacío
parcial ayuda a que la válvula antirretorno de salida se asiente
firmemente. “El volumen de líquido succionado hacia la cámara es
conocido debido a la geometría de la carcasa, en este caso, un cilindro.
A medida que el pistón se retrae, la antirretorno de entrada se asienta
nuevamente, cerrando la válvula, y la fuerza del pistón levanta la
antirretorno de salida, forzando el líquido fuera de la bomba hacia el
sistema. La misma cantidad de líquido se fuerza fuera de la bomba en
cada ciclo reciprocante” 4.
2.2. TEORIA DE BOMBAS CENTRIFUGAS
Las bombas centrifugas son un equipo simple y común en procesos industriales.
Su propósito es convertir energía eléctrica, mecánica o química en energía
hidráulica mediante la implementación de elementos como motores eléctricos,
motores de combustión o turbinas.
Las bombas centrifugas trasforman la energía cinética en energía de presión
mediante dos elementos. El primer elemento que interviene en el proceso es el
impeler en cargado de convertir la energía mecánica en energía cinética mediante
la rotación del mismo. La espiral voluta o difusor es la encargada de guiar el fluido
y trasformar su energía cinética en energía de presión.
La configuración básica de las bomba centrifugas es una máquina de simple
etapa la cual consiste de un elemento de rotación (impulsor), una envolvente
(voluta) y un conjunto de sellos mecánicos.
El funcionamiento se da mediante el accionamiento del motor (eléctrico,
combustión o turbina) que hace girar el impulsor llevando el líquido al centro y
puesto en rotación mediante las aspas del impulsor. “Debido a la fuerza centrífuga
que se genera en el impulsor, el líquido es lanzado a su periferia con valores de
velocidad y presión considerables”.5
El casco que encierra al impulsor, tiene una voluta formando un pasaje cuya área
de sección transversal va aumentando y la cual recoge al líquido que sale del
impulsor y convierte una porción de su energía de velocidad en energía de
3
(SOLORZA, 2017)
Ibit
5
(Martin Reina, 2012)
4
presión. Este pasaje del casco conduce a la conexión de descarga de la bomba a
la tubería que forma el sistema.
Figura 2.flujo en bombas centrifugas.
2.2.1. Teoría del impulsor
Existe un procedimiento grafico en el que se utilizan técnicas vectoriales para
estudiar las componentes de la velocidad del flujo en una bomba. Este
procedimiento se conoce como triángulos de velocidades y se aplica normalmente
en dos puntos de la trayectoria del flujo en el impulsor, estos puntos normalmente
son la entrada y la salida del mismo.
Las componentes de la velocidad del flujo son:
𝑢 Velocidad periférica o circunferencial del impulsor.
𝑤 Velocidad relativa del flujo.
𝑐 Velocidad absoluta del flujo.
“La velocidad relativa se considera con respecto al impulsor y su dirección lleva
incorporada la curvatura del alabe del rotor; la absoluta, es la velocidad del flujo y
con respecto a la carcasa; esta última es siempre igual a la suma vectorial de la
relativa y la circunferencias o de arrastres. Las velocidades citadas llevan
subíndices 1 ó 2 según sean a la entrada o a la salida, respectivamente. Pueden
llevar también los subíndices 0 y 3 que corresponden a un punto anterior a la
entrada del impulsor y a uno posterior a la salida, respectivamente”6
Figura 3. Triángulos de velocidades en la entrada y salida del impulsor
Se considera que las velocidades son velocidades promedio a menos de que se
especifique algo diferente. Este método es uno de los que se implementa en el
diseño práctico de bombas, pero no es un método exacto.
En la figura 4 se presenta más a detalle las componentes de las velocidades en la
entrada y salida del impulsor.
Figura 4. Triangulo de velocidades.
6
(Marchegiani, 2004)
Para el cálculo de las variables que se presentan en las figuras anteriores se
exponen una serie de ecuaciones.
𝑢=
𝜋∗𝑛∗𝐷
60
Donde n y D son la velocidad de giro del impulsor y el diámetro de entrada o salida
dependiendo la velocidad a calcular y teniendo como referencia el SI.
La altura total o cabeza de la bomba es la suma de Ha altura de aspiración y Hi
altura de impulso.
𝐻𝑇 = 𝐻𝑎 + 𝐻𝑖
Como lo expresa Fernández diez en su libro bombas centrifugas “Para el caso del
agua, la altura teórica de aspiración para un número infinito de alabes conocida
como (teoría unidimensional) trabajando la bomba en condiciones ideales, sería la
equivalente a la columna de agua correspondiente a la presión a que se
encontrase el nivel inferior, si éste está sometido únicamente a la presión
atmosférica la altura teórica seria de 10.33 m sin embargo esta altura es siempre
menor pues hay que tener en cuenta: las pérdidas de carga en la tubería,
rozamiento en la entrada del impulsor, temperatura del líquido y el fenómeno de
cavitación.”
𝐻𝑡 =
𝑐2 ∗ 𝑢2 ∗ cos ∝2 − 𝑐1 ∗ 𝑢1 ∗ cos ∝1 𝑐2𝑛 ∗ 𝑢2 − 𝑐1𝑛 ∗ 𝑢1
=
𝑔
𝑔
Si se considera que 𝐶1𝑛 = 0 se obtendrá la altura máxima teórica
𝐻𝑡 =
𝐶2𝑛 ∗ 𝑈2
𝑔
Existe una expresión matemática que permite graficar la curva característica de la
bomba centrifuga ideal.
𝐻𝑡 = 𝐴 − 𝐵 ∗ 𝑞
Donde
𝐴=
𝑈2 2
𝑔
, 𝐵=
𝑈2
𝐾2 ∗𝑔∗∆2
∗ cot 𝛽2
𝐾2 Es una constante que depende del espesor del alabe a la salida.
𝛽2 Es un ángulo característico que dependiendo su valor la bomba tendrá
características diferentes.
∆2 Se define como el área media de la salida del impulsor.
2.2.2. Potencias y rendimientos de una bomba centrifuga
El diagrama de funcionamiento de la potencia actuante en una bomba centrifuga
se visualiza en la siguiente figura.
Figura 5.Diagrama de potencias en bombas centrifugas.
Donde
𝑁 Potencia aplicada al eje.
𝑁ℎ Potencia cedida al líquido.
𝑁𝑢 Potencia útil o disponible en la bomba.
𝜂 Rendimiento global.
𝜂𝑣𝑜𝑙 Rendimiento volumétrico.
𝜂𝑚𝑒𝑐 Rendimiento mecánico.
En las bombas se presentan pérdidas de caudal debido a la recirculación de un
porcentaje del líquido. Esto quiere decir que el caudal impulsado q es menor que
el caudal aspirado q1.
𝑞1 = 𝑞 + 𝑞 ∗
Donde 𝑞 ∗ es el caudal perdido.
𝜂𝑣𝑜𝑙 =
𝑞1 =
𝑞1 −𝑞 ∗
𝑞1
=
𝑞
𝑞1
𝑞
𝜂𝑣𝑜𝑙
Fernández diez en su libro bombas centrifugas expresa que: “el caudal aspirado
corresponde con la carga total Ht y la potencia hidráulica Nh cedida al líquido es”
𝑁ℎ = 𝛾𝑞𝑡 𝐻𝑡 = 𝑞 ∗ ∆𝑝 = 𝛾(𝑞𝑡 𝐴 − 𝐵𝑞𝑡 2 )
𝑁𝑢 = 𝛾𝑞𝐻𝑚 =
𝜂𝑚𝑎𝑛 =
𝑁=
𝑞∗∆𝑝
𝜂ℎ
𝐻𝑚
𝐻𝑡
𝑁ℎ
𝜂𝑚𝑒𝑐
=
𝛾∗𝑞1
𝑔
∗ (𝐶2𝑛 ∗ 𝑈2 − 𝐶1𝑛 ∗ 𝑈1 )
𝜂=
𝑁𝑢
𝑁
2.2.3. Clasificación de las bombas mediante velocidad especifica.
Este método consiste en relacionar las características medibles de la
bomba (caudal, cabeza de presión y revoluciones de giro) mediante una
expresión matemática. Se precisa una clasificación numérica asignando
a toda la familia de bombas un valor numérico.
𝑁𝑆 =
𝑛∗√𝑄
3
𝐻4
𝑁𝑆
Velocidad especifica
N
revoluciones por minuto (rpm)
H altura total de impulsión (pies)
Q caudal (g.p.m)
Figura 6. Velocidad especifica Ns
En la figura 3 se aprecia que la columna disminuye bruscamente a medida que se
incrementa la velocidad específica. A bajas velocidades especificas las
características de columna son iguales o con poca inclinación.7
(Martin Reina, 2012) 7
Figura 7. Características de columna desarrollada.
2.2.4. Velocidad especifica de succión
Termino aplicable a las limitaciones de succión y su magnitud es un índice de
posibilidad de la bomba para operar sin cavitación. La relación matemática con la
cual podemos calcular esta magnitud relaciona la velocidad de rotación, el caudal
total y la columna de succión positiva neta.
𝑆=
𝑁 ∗ 𝑄0.5
(𝑁𝑃𝑆𝐻)0.75
N
Velocidad de giro (rpm)
Q
Caudal (g.p.m)
NSPH
Columna de succión neta positiva
2.2.5. Curvas de la bomba
La curva característica de una bomba se da por la relación entre el
caudal y la cabeza de presión de la siguiente manera 𝐻𝑚 = 𝑓(𝑞). La
relación se mide a una velocidad de giro definida (RPM). También
existen otras curvas que caracterizan el funcionamient o de una bomba,
estas son la curva de NPSHR, eficiencia y consumo de energía.
Las curvas de funcionamiento son proporcionadas por el fabricante
después de un ensayo previo en un banco de pruebas. Es de vital
importancia el conocimiento de estas curvas ya que en ellas se
especifica: el punto de máxima eficiencia, curvas de iso -eficiencia, una
curva para cada modelo de impulsor admisible en la bomba y la altura
neta de succión positiva.
Figura
8.
Curvas
características
de
una
bomba
c entrifuga.
2.2.6. Curva del sistema
La curva del sistema representa el comportamiento de la presión con
respecto al caudal que por ella fluye, es necesario conocerla para
determinar si la bomba propuesta funciona adecuadamente.
Al seleccionar una bomba la curva del sistema debe superponerse en la
curva característica H-Q de la bomba, el punto de cruce de estas dos
curvas ofrecerá el punto de funcionamiento de la bomba el cual debe
estar en el área de mayor eficiencia.
Figura 9. Curva característica del sistema.
2.2.7. Cavitación en bombas
“La cavitación es una condición anormal de los sistemas de bombeo que se
presentan principalmente en la succión de las bombas.”8 El fenómeno de
cavitación consiste en un proceso en donde la primera etapa se genera burbujas
en el fluido. Se crea una baja presión que hace que las burbujas se evaporen y se
8
(Quiroga, Oviedo, & Garcia, 2011)
expandan. El proceso de baja presión se da en la tubería de succión, las burbujas
son llevadas por el ojo del impulsor al centro del mismo donde por la alta presión
se producen pequeñas implosiones que generan erosión en las superficies
cercanas al hecho.
“El fenómeno de cavitación afecta considerablemente el proceso de bombeo y por
lo general produce una reducción del caudal bombeado y su presión debido a que
el volumen ocupado por el fluido en fase gaseosa reduce el espacio disponible
para el líquido a ser bombeado. En casos extremos se puede producir una
interrupción total del bombeo. Adicionalmente, la formación y colapso de las
burbujas no es uniforme en el interior de la cavidad de la bomba, por lo que se
producen fluctuaciones en el flujo.”9
Debido a que este problema se presenta en la succión de la bomba fue necesario
establecer un parámetro que permitiera la selección más eficaz de una bomba
centrifuga.
2.2.7.1.
Altura neta positiva de aspiración (NPSH).
El propósito de esta variable es caracterizar las condiciones para una buena
aspiración. El NPSH representa la energía medida en columna de líquido con el
que el fluido entra a la brida de succión, este debe cumplir un requisito
fundamental que es que su valor debe ser superior a la presión de vapor del
líquido a la temperatura de bombeo. Este concepto nos sirve de manera práctica
para poner limitaciones a las condiciones de aspiración de la bomba.
Existen dos tipos de NPSH los cuales son NPSHr y NPSHd el primero de ellos es
la altura neta positiva de aspiración requerida y el ultimo es la disponible. El
NPSHr es una característica propia de la bomba que solo se puede obtener de
manera experimental y comúnmente está incluida en las curvas características de
las bombas. El NPSHd es una característica de la instalación en donde se tienen
encuentra los accesorios de la tubería de aspiración es de vital importancia que el
ingeniero o proyectista de una instalación calcule esta variable para una óptima
selección de la bomba.
2.3. TARJETAS DE ADQUISICIÓN
Los sistemas de adquisición de datos son productos que se implementan
para la recolectar información de fenómenos. Se puede pon er como
ejemplo de adquisición de datos a un técnico que recolecta información
de la presión de una tubería en un oleoducto durante un determinado
tiempo.
La adquisición de datos es la representación de un registro de datos, el
cual en la actualidad se compone de una variedad de productos tales
como sensores que miden temperatura, caudal, velocidad, presión, etc.
9
Ibit
Sistemas que se implementan como amplificadores, transformación,
filtrado, excitación y linealización. Para que los equipos antes
mencionados funcionen en una cadena de adquisición de datos es
necesario implementar tarjetas de adquisición.
2.3.1. Hardware.
El hardware es la composición de elementos físicos que constituyen un
sistema eléctrico, electrónico, informático o mecánico. 10
2.3.1.1.
Raspberry pi.
Raspberry PI es una placa computadora (SBC) de bajo coste, se podría
decir que es un ordenador de tamaño reducido, del orden de una tarjeta
de crédito. 11 Esta tarjeta se compone de memoria RAM, puertos de
entrada y salida de audio y video, conectividad de red, ranura SD para
almacenar, reloj, una toma para la alimentación, entre otros.
Y es que después de todo se trata de un ordenador bastante básico , por
lo que cuanto más RAM, más potencia en el chip o más puertos y más
velocidad son de agradecer para cualquier tar ea.
Figura 10. Placa raspberry pi.
10
11
(Anonimo, Wikipedia)
(Valencia, 2013)
2.3.1.2.
Arduino mega.
Es un micro controlador que posee 54 pines digitales que funcionan
como entrada y salida, 16 entrada análogas un cristal oscilador de 16
MHz conexión USB, botón de reset y entrada de alimentación. Esta
placa tiene infinidades de usos pero uno de los más importantes es su
adaptabilidad para controladores motor de paso dando una placa
potente para Impresoras 3D, CNC, etc.
Las características técnicas de arduino son:












Micro controlador: ATmega2560
Voltaje Operativo: 5V
Voltaje de Entrada: 7-12V
Voltaje de Entrada (límites): 20V
Pines digitales de Entrada/Salida: 54 (de los cuales 15 proveen
salida PW M)
Pines análogos de entrada: 16
Corriente DC por cada Pin Entrada/Salida: 40 mA
Corriente DC entregada en el Pin 3.3V: 50 mA
Memoria Flash: 256 KB (8KB usados por el bootloader)
SRAM: 8KB
EEPROM: 4KB
Clock Speed: 16 MHz
Figura 11. Tarjeta arduino mega.
2.3.2. Características principales
Los fenómenos físicos se miden con señales análogas, estas señales
son tensión o corriente y varían de forma continua en el tiempo. Las
tarjetas de adquisición se encargan de transformar señales análogas en
señales digitales y transmiten esta comunicación al computador. Las
características más relevantes de las tarjetas de adquisición son:
2.3.2.1.
Número de canales analógicos:
Nos indica la cantidad de magnitudes distintas que podemos adquirir
con la misma tarjeta. Generalmente disponen de un único ADC y los
diferentes canales se generan por medio de un multiplexor analógico.
2.3.2.2.
Velocidad de muestreo
Cuanto mayor sea la velocidad de muestreo mejor representación
obtendremos de la señal analógica, en cualquier caso la velocidad de
muestreo debe ser siempre mayor que el doble de la frecue ncia de la
señal que queremos muestrear. /*Según el Teorema de Nyquist*/.
2.3.2.3.
Resolución
Viene dada por el número de bits del ADC que se utilizan para
representar cada muestra, a mayor número de bits del ADC la tarjeta
será capaz de detectar variaciones menores en la señal. El número de
distintos niveles en que se divide la señal a convertir viene dada por 𝟐𝒏
, siendo n la longitud de palabra del conversor.
2.3.2.4.
Rango de entrada.
Indica los márgenes entre los que debe estar la señal de entrada para
que pueda ser convertida. Las tarjetas de adquisición de datos suelen
dar varias posibilidades que se pueden seleccionar por hardware o por
software.
2.3.2.5.
Capacidad de temporización.
La capacidad de temporización interna en la propia tarjeta de
adquisición de datos es una característica interesante en estos
sistemas, ya que permite unas funcionalidades adicionales:
Puede controlar los momentos en los que se debe leer una señal,
también identifica cuantas veces se ha producido un evento, y genera
formas de onda de acuerdo al reloj, entre otros.
Y de esta forma descarga de estas misiones al computador que podrá
usar ese tiempo para otras ocupaciones. También proporciona una
forma de trabajo en tiempo real en aquellos casos en los que el
computador no puede atenderla debido a sobrecargas o a limitaciones
en su sistema operativo. 12
2.3.2.6.
Forma de comunicarse con el computador.
Su funcionamiento, como dispositivo periférico se puede realizar de dos
formas: Mediante entrada-salida por interrupción, lo normal y mediante
acceso directo a memoria (DMA). En aquellos casos en los que el flujo
de datos puede ser elevado.
2.4. SISTEMA DE ADQUISICION DE DATOS.
Para la adquisición de datos se necesita convertir las señales análogas
en digitales mediante un dispositivo A/D; los datos son trasferidos por
medio USB o de manera inalámbrica a un servidor pc el cual implementa
un software para almacenar y disponer la información en diferentes
operaciones.
La adquisición de datos es controlada y visualizada por software
desarrollados que utilizan lenguajes d e programación de propósito
general como BASIC, Assembly, C, C ++, Fortran, Java, Lisp, LabVIEW,
etcétera.
2.4.1. Labview
Es un lenguaje de programación grafico para el diseño de sistemas de
adquisición de datos, instrumentación y control. Labview permite diseñar
interfaces de usuario mediante una consola interactiva con ayuda del
software. Esta interfaz da la facilidad de integración con el hardware,
específicamente con tarjetas de medición, adquisición y procesamiento
de datos.
Al diseñar en labview se implementan dos plataformas o paneles que se
definen como panel frontal y panel de programación. En el primero se
diseña la interfaz de usuario la cual me permite visualizar las diferentes
operaciones, gráficos o análisis de la información a manejar. El panel de
programación se encarga de automatizar la interfaz gráfica mediante
operaciones matemáticas o de texto. 13
2.4.2. Matlab
Se define como matriz de laboratorio. Se implementa para cálculos
técnicos y científicos. Su sistema de cálculo se maneja de forma
matricial, cuenta con la capacidad de realizar gráficos en dos y tres
dimensiones. Matlab posee diversas librerías que permiten al usuario
aplicarlas en simulación, calculo, diseño y creación de entornos
interactivos para diversas áreas.
12
13
(Anonimo)
(Instruments, 2003)
Matlab integra análisis numérico, cálculo matricial, proceso de señal,
visualización gráfica e interfaz gráfica en un entorno completo donde los
problemas y sus soluciones son expresados del mismo modo en que se
escribían tradicionalmente, sin necesidad de
hacer uso de
programación.
Actualmente matlab dispone de una amplia cantidad de programas de
apoyo especializados; librerías se denominan toolboxes. Estas librerías
cuentan con un número basto de funciones incorporadas en el programa
principal. Matlab ha incorporado toolboxes que cubren casi todas las
áreas principales en el mundo de la ingeniería y la simulación.
2.5. SENSORES Y EQUIPOS TRANSDUCTORES
Mediante la consulta de la norma NTC 4990 se identificaron los
diferentes equipos de medición que se pueden imp lementar en la
obtención de características propias de las bombas centrifugas.
Considerando también el avance tecnológico y la facilidad acceder al
mundo digital se consultaron diversos productos que en su mayoría
fueran compatibles con sistemas de adquisi ción de datos DAQ.
2.5.1. Medición de presión
Existe una variedad de transductores de presión los cuales se emplean
en diferentes situaciones de pruebas a nivel laboratorio como también a
nivel industrial. “Para presiones bajas se emplean manómetros de
columna de líquido los cuales pueden ser de extremo abierto o cerrado,
formados por un tubo en u y cuyo liquido de medida suele ser mercurio o
agua”. 14 Este tipo de manómetros se suelen conectar de manera que se
mide la presión diferencial entre la succión y la desca rga de la bomba.
Suelen utilizarse también manómetros de escalas de presión resorte, los
cuales consisten en un bucle de tubo que presenta una ligera deflexión
mecánica que mediante un mecanismo muestran un valor de presión en
la escala de disco bourdon. En la NTC 4990 15 se recomienda que este
tipo de manómetro se utilice en un intervalo de medición superior al 40
% de su escala total.
En la actualidad se emplean transductores que convierten la presión en
una señal eléctrica analógica mediante extensómet ros, capacitores y
resistencias eléctricas. El principio de estos equipos consiste en la
deformación física del diafragma de presión, lo cual produce un cambio
en la resistencia eléctrica proporcional al cambio de presión.
14
15
(INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TECNICAS Y CERTIFICACION, 2001)
(INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TECNICAS Y CERTIFICACION, 2001)
2.5.2. Medición de caudal
Existe diversos métodos de medir el caudal en una instalación
hidráulica, por ejemplo, la norma ISO 4185 describe el método de peso
que consiste en pesar el caudal promedio vertido en un recipiente
durante un lapso de tiempo, este método suele ser el más e xacto, pero
no el más práctico.
Otro método similar al método de peso es el método volumétrico el cual
se explica en la norma ISO 8316, “para este caso se calcula el tiempo
que tarda en llenarse un recipiente con un volumen ya establecido al
igual que el método de peso este es exacto, pero no practico”. 16
En la norma ISO 5167-1 se describen algunos instrumentos de medición
como, las placas de orificio, boquillas y tubos Venturi, instrumentos que
funcionan con el principio de velocidad y presión variable. El
instrumento que se implementa en este trabajo es el tubo Venturi.
El tubo Venturi es un instrumento que origina una pérdida de presión
debido al cambio de sección que presenta su construcción consta de
tres cambios de área. El primero es una sección conve rgente en donde
la presión disminuye; la segunda sección es un área constante donde de
mide la presión más baja generada. La tercera sección es divergente y
permite la expansión suave del líquido, recupera la velocidad y la
presión que tenía aguas arriba del Venturi.
2.5.3. Medición de potencia eléctrica
La norma NTC 4990 recomienda que la medición de potencia eléctrica
se debe hacer mediante vatímetros. Para este proyecto se
implementaran tres sensores de corriente dispuestos en cada una de las
fases eléctricas del motor
2.5.4. Medición de rpm
Para la medición de las rpm se implementa un tacómetro, el cual se
puede hacer utilizando diferentes principios. El sistema de infrarrojo es
uno de ellos, pero también se puede implementar el principio hall que
es la creación de un campo eléctrico.
3. CONSTRUCCION DE BOMBAS CENTRIFUGAS
3.1. DISEÑO MECANICO
En el diseño preliminar de las bombas deberían considerarse algunas variables
como la cabeza de presión, el caudal, la potencia y el tipo de bomba a construir.
Se esquematiza los elementos que componen la estructura de la bomba.
16
(INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TECNICAS Y CERTIFICACION, 2001)
En esta etapa se calculan las fuerzas y los esfuerzos en las partes móviles, se
definen los procesos de construcción de las partes, los materiales entre otros.
3.2. MODELADO INICIAL 3D DE LA GEOMETRIA
Se trazan los planos de los componentes. En la actualidad se
implementan programas profesionales de CAD como inventor, solidwors
visual etc.
3.3. SIMULACION DE FLUIDOS (CFD)
En algunos casos se implementan programas profesionales en la
simulación de fluidos para visualizar las aproximaciones en el
comportamiento del flujo en la bomba .
3.4. CONSTRUCCION DE MODELOS
En la construcción de bombas centrifugas se implementan procesos de
fundición. Los materiales más utilizados en bombas centrifugas son la
fundición gris, aluminio y acero inoxidable, los procesos de fundición
varían dependiendo el material utilizado y el método de moldeo.
El moldeo en arena verde es uno de los procesos más utilizados debido
a su practicidad y bajo costo. Este proceso consiste en la mezcla de
arcillas, aditivos químicos, arena y agua que dan como resultado un
compuesto conveniente para el moldeo en arena.
Para el proceso de fundición en arena verde se emplean modelos en
diferentes materiales que son los que permiten dar la forma a la pieza
dentro del molde de arena. Su proceso de construcción se da en el taller
de modeleria en donde una persona se encarga de dar forma a las
piezas que se desean fundir, este proceso debe ser muy cuidadoso y se
deben tener en cuenta las variables de contracción de los materiales de
los cuales van a construirse las bombas.
3.5. MOLDEO Y FUNDICION
El proceso de moldeo en arena comienza con la mezcla de arena de
sílice, bentonita y agua. Se utiliza una caja base en la cual se figura la
mitad de la pieza mediante el modelo, la arena debe ser bien
compactada con un pisón para que no hayan imperfecciones en la pieza ,
la misma operación se aplica a la caja tapa.
Figura 12. Proceso de moldeo en arena verde.
3.6. Mecanizado
Las bombas después de salir de su proceso de fundición se someten a una
limpieza para retirar la arena. Los procesos de mecanizado se aplican en las
bridas de succión y de salida por medio de arranque de viruta, y roscado. También
se hacen ajustes para el empalme con el acople de la voluta.
En el caso del impulsor se mecaniza por arranque de viruta en todas las
superficies exteriores para mejorar la superficie del mismo.
4. DESARROLLO DE INGENIERIA
4.1. ENSAYOS DE ACEPTACION
En la norma NTC 4990 se describen los
de ensayos de bombas rotodinamicas.
aceptación los cuales se clasifican como
tiene como sustento otras normas como
etc. 17
parámetro s para la realización
La norma contiene grados e
grado 1 y grado 2. Esta norma
la NTC 3504 y la ISO 1438 -1
La norma NTC 4990 rige que el grado 1 de aceptación se aplica en
bombas manufacturadas para condiciones específicas. El grado 2 de
aceptación se aplica para bombas manufacturadas en masa. La norma
también establece los porcentajes de fluctuaciones permisibles en la
toma de datos, generando una tabla donde recomienda la cantidad de
mediciones que se deben aplicar en los distintos porcentajes de error.
4.2. ELEMENTOS DEL SISTEMA
Es importante conocer la tipología y los dispositivos involucrados en la
obtención y transmisión de señales y variables relacionadas con el
banco de pruebas. En este capítulo se desmenuzará y se describirán los
componentes relevantes que permitirán la obtención y control de las
variables que se relacionan con la caracterización de bombas
centrifugas, en la figura se muestra el diagrama general implementado
en la adquisición de datos.
Figura 13. Vista superior CAD banco de pruebas.
17
(INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TECNICAS Y CERTIFICACION, 2001)
En las figuras 13 y 14 se visualiza el esquema del banco de pruebas en
donde se compone principalmente de la bomba, valvulas, sensores de
presion, tubo venturi y el sistema de adquisicion de datos.
Figura 14. Isométrico CAD banco de pruebas.
Para comprender el funcionamiento y las características del banco de
pruebas, se hace necesario describir cada uno de sus componentes. La
figura 15 esquematiza la adquisición de datos de un sistema y sirve
como base para mostrar la posición y la tarea de cada instrumento.
Figura 15. Esquema del sistema de adquisición de datos.
4. IMPLEMENTACION DE HARDWARE-SOFTWARE
Para este proyecto se implementó matlab como software en el
tratamiento de datos y la visualización de los mismos en tiempo real.
Matlab ofrece la creación de Apps mediante su toolboxe GUI; que sirve
como creador de múltiples diseños de interfaz gráfica, por medio de las
cuales se controlan las aplicaciones del software.
Figura 16. Panel de inicio toolboxe GUI.
Las Apps de MATLAB son programas autónomos de MATLAB con un
frontal gráfico de usuario GUI que automatizan una tarea o un cálculo.
GUI incluye controles tales como menús, barras de herramientas,
botones, controles deslizantes, textos estáticos, textos dinámicos y
gráficos.
GUIDE (entorno de desarrollo de GUI) proporciona herramientas para
diseñar interfaces de usuario para Apps personalizadas. Mediante el
editor de diseño de GUIDE, expuesto en la figura 16, es posible diseñar
gráficamente la interfaz de usuario. GUIDE genera entonces de manera
automática el código de MATLAB para construir la interfaz, el cual se
puede modificar para programar el comportamie nto de la App.
Figura 17. Código en matlab de la interfaz gráfica.
Para la programación y corrección de parámetros en la obtención de las
señales se creó un App de prueba, el cual consiste en el muestreo de
una señal generada por un potenciómetro. El programa tiene como fin
obtener una señal en tiempo real de la resistencia aplicada en un
potenciómetro de 100 kΩ, además de guardar los datos tomados en un
vector que es guardado en formato xls. En las siguientes figuras se
evidencia la creación de la aplicación.
Figura 18. Plataforma GUI App potenciómetro.
En esta aplicación se colocaron dos push button los cuales tiene como
finalidad iniciar la adquisición de datos, graficarla y guardar los datos en
un formato xls, además permite resetear la gráfica tomada en un
segmento de tiempo anterior al parar el programa.
Figura 19. Apps de potenciómetro en funcionamiento.
5. PRUEBAS Y RESULTADOS OBTENIDOS
6. CONCLUCIONES
7. OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES
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