Ccomparación del caudal de funcionamiento y el caudal recomendado Quintuña W, estudiante ESPOCH, y Aldas W, estudiante ESPOCH Escuela de ingeniería mecánica Escuela superior politécnica de Chimborazo [email protected] [email protected] Resumen- el presente documento detalla explícitamente la manera en la cual se calcula la curva de rendimiento, para una instalación domiciliaria, de esta maneta obtenemos mediante catálogos la curva de altura de bombeo en función del caudal. Para que luego logremos la comparación del caudal que se obtiene mediante la obtención de la curva resistente que rige al sistema en correcto funcionamiento que es instalado en la instalación domiciliaria. Con esto buscamos obtener conclusiones que nos permita comprender de mejor forma lo que sucede en la instalación, en su funcionamiento. Para lograr todo lo descrito se debe obtener de manera experimental datos como el caudal, factor de fricción, cantidad de accesorios, etc., y que con ello obtengamos la curva caracteristica. Palabras Clave- caudal, bomba I. INTRODUCCIÓN La turbo maquinaria es la trasformación de energía mecánica en energía hidráulica o viceversa. La turbo maquinaria permite generar un intercambio de energía debido a la variación del momento cinético, generado por el paso del fluido a través de un rodete. (TRANSPORTE, 2019) En el campo de la turbo maquinaria resulta importante el estudio de bombas hidráulicas, volumétricas, roto dinámicas, eléctricas, manuales, moto bombas diésel, en fin, una gran cantidad de elementos que permiten y ayudan a satisfacer las necesidades del cliente, claro está que, para el desarrollo de cada uno de estos tipos de bombas, se realizó un gran estudio que no se ha detenido a lo largo de los años, al contrario, cada día la tecnología en bombas mejora a cada momento. Las bombas por lo general en nuestros domicilios o en edificios, están ocultas a la vista, pero ubicadas de manera estratégica, todo esto se realizó con un estudio previo y considerando las necesidades que se desea satisfacer. La mayoría de empresas que diseñan y se encargan de la producción, también se encargan del mantenimiento de las mismas, pero en la mayoría de casos ignoramos esto, pues el costo es mínimo, a un consumo menor, pero hay que considerar que si en una instalación a gran escala comienzan a generarse fallas es mejor contar con un respaldo técnico y de mantenimiento. (HTFCOM, 2019) El presente estudio de bombas se dedicara a verificar, comparar y llegar a la conclusión de si la instalación de nuestro domicilio está diseñada de una manera correcta y eficaz, para ello partiremos desde el punto de vista teórico, realizado mediante los cálculos, mediciones y toma de datos experimentales, de los cuales esta conformado el sistema de bombeo; y así lograr luego de realizar todas estas operaciones una comparación con los datos proporcionados por el fabricante, dichos datos del fabricante serán tomados de catálogos, instrucciones o manuales de funcionamiento de la bomba. La instalación de un sistema de bombeo debe ser realizada considerando todos los posibles escenarios que intervienen o intervendrán en el correcto funcionamiento de la bomba, durante el desarrollo del diseño hay que asegurar que la bomba cumpla con su propósito, garantizar una eficiencia exacta, pero a la vez generar un costo mínimo, tanto desde el punto de instalación como en el punto de consumo. Es importante definir las características de un sistema de bombeo, partiendo desde que es, hasta en que consiste y como evitar o corregir fallas. Consideremos que en un sistema no existen perdidas en los accesorios y en la longitud, la altura de bombeo resultaría fácil de conocer, pero en la vida profesional y real esto no ocurre así, no se puede ignorar las perdidas, pero si podemos ignorarlas en los casos en las que los accesorios en comparación a la longitud del sistema son insignificantes. Un sistema de bombeo se caracteriza por elevar la presión en un fluido, para así romper con la resistencia que presenta una instalación, pero a su vez garantizando que la presión no varié las características del fluido, es decir mantenerlo en estado líquido y estar ciento por ciento seguros de que no cambiara de fase a estado gaseoso. Una recomendación para la instalación de sistemas de bombeo es utilizar una presión de entrada de 10 Bar, con esto se garantiza que el fluido no va a cambiar de fase, ya que rara vez o por decir nunca va a llegar a una temperatura de 393°C, claro estas consideraciones son a nivel industrial. En instalaciones tanto de uso industrial como domestico se recomienda trabajar con presiones bajas o mínimas que garantizan un funcionamiento adecuado y a su vez un ahorre en el consumo energético, así generando un ahorro a largo plazo en el pago del consumo. Ahora bien, en un sistema de bombeo doméstico, la bomba de agua está en constante funcionamiento, es por eso que una correcta selección y una instalación adecuada de la bomba garantiza este uso continuo. Se debe tomar en cuenta que una bomba por mas resiste y bien instalada que este, va a llegar a un punto en el que va a cumplir con su vida útil y dejara de funcionar. Causas más comunes al momento de producir fallas son: mal posicionamiento de la bomba con respecto al suelo, es decir declives o desniveles en el suelo provocan una falla en la bomba, caudal inferior al caudal de diseño, mala selección en los diámetros de tuberías o colocación inapropiada de los accesorios, ya sea válvulas, tomas, etc. Una conexión inapropiada de la bomba con la tubería producirá fallas ya sea desde generar un caudal inferior al de diseño, así como producir fallas en la bomba provocando averías y daños que en algunos casos no pueden ser arreglados en su totalidad, o que a su vez si son arreglados, no quedan al 100% de su capacidad. La manera adecuada de seleccionar es partir desde un caudal de diseño, posteriormente recurrir a seleccionar los diámetros adecuados y los accesorios que estarán involucrados, con todos estos datos, ahora podemos calcular una curva resistente de nuestro sistema, y así poder compararlo con modelos y tipos de bombas que están disponibles en el mercado, seleccionando la más eficiente y a su vez la que mejor ahorro energético y económico proporcione. Las características de una curva de resistencia, varían desde el punto de vista de presiones, alturas, accesorios y la longitud de todo el sistema. El propósito de garantizar un funcionamiento adecuado, considerando estos parámetros es buscar las mejores opciones de diseño, desde el uso adecuado de válvulas y accesorios hasta verificar los puntos de ubicación tanto de entrada como salida de consumo. Bien, si una vez considerado todos los parámetros y resulta que la curva resistente es correcta, ahora deberemos enfocarnos en la selección de una bomba para uso doméstico, considerando la opción de utilizar una bomba periférica, una bomba centrifuga o el uso de una motobomba. Todas estas de uso doméstico, pero con características y aplicaciones diferentes. La bomba periférica dependiendo del modelo puede ser utilizada para generar 30 mca, permitiendo tener presiones y caudales requeridos. Esta bomba funciona con electricidad. Esta es la típica bomba que se encuentra en un domicilio, pero ¿será que la instalación de la misma se realizó de manera correcta? ¿Por qué no utilizar las otras opciones? Son inquietudes que trataremos en este trabajo. La bomba centrifuga puede ser utilizada en la agricultura y en domicilios, una de sus características es que debemos constar con un depósito de agua, esta bomba se diferencia de la anterior en su capacidad de mover mayor caudal y ser más silenciosa, pero también funciona con velocidad. ¿Sería adecuado colocar esta bomba de uso agrícola en una vivienda en la ciudad? o, ¿Por qué no hacerlo? Se ha preguntado usted en algún momento alguna de estas ideas. Una motobomba a diferencia de las anteriores funciona con combustión, y permite ser instalada en lugares remotos o de difícil acceso, de los que se necesite extraer fluido. Para el caso de nuestro domicilio contamos con la bomba de la marca FW- Flint and Walling, sus características e instrucciones se detallan en el catálogo del fabricante, y es posible acceder y comparar con los datos experimentales de nuestro domicilio. ¿Usted usaría cualquiera de estas opciones sin conocer su sistema o sus necesidades? (Maestro, 2018) Supongamos ahora que contamos con diferentes bombas, todas para tratar de solucionar el mismo sistema de bombeo, se puede utilizar diferentes alternativas como: la combinación de bombas en serie, bombas en paralelo, esto llegado al caso en el que la bomba no me permita llegar a un punto de funcionamiento. A su vez que pasa cuando sobre pasamos este punto, podemos aplicar un variador de frecuencia desacelerando la bomba, realizar un recorte de rodete para garantizar un funcionamiento adecuado, o simplemente aumentar las perdidas en la curva resistente. Es posible que en ciertos casos estas soluciones se combinen ya sea desde un variador de frecuencia con bombas en serie, o by pasear caudal cuando uso bombas en paralelo, siempre y cuando estas no alteren mi sistema. En fin, en la selección de bombas existe una gran variedad de combinación y soluciones que nos ayudan a solucionar los problemas y las necesidades ya sea de un edificio, domicilio o hasta de una comunidad. 3 −4 𝑚 𝑄 3,8759 𝑥 10 𝑠 = 𝟎, 𝟎𝟗𝟎 𝑚⁄ 𝑉= = 𝑠 3 𝑚 𝐴 3,8759 𝑥 10−4 𝑠 Calculamos Reynolds. 𝑚 𝑉𝐷 (0,090 𝑠 )𝑥(0,0737 m) 𝑅𝑒 = = = 74194,63 𝑣 8,94 𝑥 10−7 𝑚2 /𝑠 > 4000 Como Reynolds es mayor a 4000 usamos la siguiente fórmula para calcular el factor de fricción. 𝑓= 𝑓= II. RESULTADOS Caudal Datos Volumen = 1 Litro Tiempo = 2.58 seg 𝑽𝒐𝒍𝒖𝒎𝒆𝒏 𝑸= 𝑻𝒊𝒆𝒎𝒑𝒐 𝑄= 𝜀 5.34 2 [log (3.7𝐷 + 0.9 )] 𝑅𝑒 0.25 1,5 𝑥 m 5.74 [log( 0,0737 m + )]2 (74194,63)0.9 3.7 0.25 𝑓= [log(2,42 𝑥 10−4 )]2 0.25 𝑓= 13,064 𝑓 = 0,0191 10−6 Calculamos las pérdidas por longitud de tubería utilizando la ecuación de Darcy. ℎ𝐿𝑇 = 0,001𝑚3 2,58 𝑠 𝑸 = 𝟑, 𝟖𝟕𝟓𝟗 𝒙 𝟏𝟎−𝟒 0.25 8 𝑓 𝑄2 = 𝑚𝑐𝑎 𝜋 2𝑔 𝐷5 Realizamos la tabla de accesorios y calculamos la constante k total de perdida por accesorio. 𝒎𝟑 𝒔 Perdidas Datos 𝐿 𝑇 = 28,845 𝑚 𝐷 = 73,7 𝑚𝑚 = 0,0737𝑚 𝑚3 𝑄 = 3,8759𝑥10−4 𝑠 𝜀 = 1,5 𝑥 10−6 𝑚 Z1 = 0 m Z2 = 13,50 m Calculamos la velocidad con el caudal medido con la ayuda de un balde y un cronometro. ACCESORIO CANTIDAD CODO 12 U.UNIVERSAL 6 U.NORMAL 3 V. GLOBO 2 K 0,54 1 1 6,1 TOTAL 6,48 6 3 12,2 Tabla 1. Constante de pérdidas en accesorios 𝐾𝑇 = 27,68 Aplicamos Bernoulli entre el punto A de la tubería y el tanque para encontrar la altura de la bomba. Curva resistente: 𝑷𝟏 𝜸 + (𝑽𝟏 )𝟐 𝟐𝒈 + 𝒁𝟏 + 𝑯𝑩 = 𝑷𝟐 𝜸 + (𝑽𝟐 )𝟐 𝟐𝒈 𝑯𝑳𝑻 + 𝑯𝒂𝒄𝒄 𝐻𝐵 = 𝑍2 + 𝐻𝐿𝑇 + 𝐻𝑎𝑐𝑐 + 𝒁𝟐 + 𝐻𝐵 = 𝑍2 + 8𝑓𝐿𝑄 2 8𝑘𝑄 2 + 𝜋 2 𝑔∅5 𝜋 2 𝑔∅𝑎𝑐𝑐 4 𝐻𝐵 = 13,50 + 3392767,055𝑄 2 + 4540988,876𝑄 2 𝑯𝑩 = 𝟏𝟑, 𝟓𝟎 + 𝟕𝟗𝟑𝟑𝟕𝟓𝟓, 𝟗𝟑𝟏𝑸𝟐 𝑯𝒓 = 𝟏𝟑, 𝟓𝟎 + 𝟕𝟗𝟑𝟑𝟕𝟓𝟓, 𝟗𝟑𝟏𝑸𝟐 𝐻𝐵 8(0,0191)(28,845 𝑚)𝑄 2 𝑚2 𝜋 2 (9,81 𝑠 )(0,02664 m)5 8(27,68)𝑄 2 + 𝑚2 𝜋 2 (9,81 𝑠 )(0,02664 m)4 = 𝑍2 + Catalogo Bomba PB0512 Figura 1 curva caracteristica de la bomba Figura 2 obtención de datos experimentales de la bomba Con los siguientes puntos logramos calcular la ecuación que rige a todos los puntos como es el caso de la altura de bombeo Hb y el caudal de funcionamiento Q. 𝐻𝑏 = 94,353 − 5,7872𝑄 − 0,685𝑄 2 Donde: Hb en mca Q en m3/s El caudal de intersección lo obtenemos 𝐻𝑏 = 𝐻𝑟 94,353 − 5,7872𝑄 − 0,685𝑄 2 = 13,50 + 7933755,931𝑄 2 𝑸𝒊𝒏𝒕 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟑𝟏𝟗𝟐 𝒎𝟑 𝒔 𝑸𝒄𝒂𝒍 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟎𝟑𝟖𝟕𝟓𝟗 𝒎𝟑 𝒔 CURVA (CARACTERISTICA RESISTENTE) CURVA RESISTENTE ALTURA (mca) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -0,1 PUNTO DE FUNCIONAMIE NTO BOMBA 0,1 0,3 0,5 CAUDAL (LITROS/SEGUNDO) Grafica 1 curvas características de la bomba III. DISCUSION El factor de fricción calculado debe poseer un correspondiente factor de corrección, el mismo que permita obtener una mejor precisión al momento de proceder con su cálculo, de otro modo el mismo corresponderá a un resultado con un cierto margen de error. Los datos de catálogos son fiables, ya que los mismos son datos experimentales, comprobados con características que logre con el correspondiente cumplimiento de la norma que rige a estos experimentos. La obtención de las curvas normalizadas es mediante la obtención de una curva que asemeja a la continuidad de los puntos que contiene dicha gráfica. La intersección de los caudales se lo obtiene mediante la comparación entre la curva resistente y la de la bomba. El caudal de intersección no corresponde al de funcionamiento, debido a que no se toma los datos con las normas que especifica, o quizá la temperatura en la que se realizó la respectiva experimentación. IV. CONCLUSIONES El Hb de la bomba calculado para nuestra instalación, en comparación con el tabulado por el fabricante se asemejan, dándonos a entender que la curva resistente y su cálculo se hizo de manera adecuada. El caudal de diseño que se utilizó está dentro del rango de funcionamiento de la bomba, es decir si se deseara variar el caudal, si sería posible, siempre y cuando este, esté dentro de los límites de funcionamiento. La bomba utilizada en el sistema esta seleccionada de manera correcta, siempre y cuando no se varíen parámetros de diseño, o se varia la curva resistente. Si en algún momento la bomba se reemplaza, es necesario realizar la comparación de la nueva bomba con la curva del sistema. Cada fabricante permite examinar su catálogo, si en algún momento existe dudas o inquietudes, ahí podemos revisar, corregir o aclararlas. V. RECOMENDACIONES Si una bomba se acerca, pero no cumple en un 100% las condiciones necesarias, es mejor cambiarla. Si la curva resistente está mal calculada y eso provoca fallos en la bomba, no podemos culpar al proveedor por dicha falla. Se debe seguir la guía de instalación de la bomba en todo momento mientras se está haciendo su instalación. Siempre verificar dos veces cada calculo y comparación entre el Hb y el Hr. VI. BIBLIOGRAFIA HTFCOM, S. (2019). LA FUNCIÓN DEL SISTEMA DE BOMBEO. Recuperado 10 de mayo de 2019, de LA FUNCIÓN DEL SISTEMA DE BOMBEO Maestro. (2018). CONOCE LOS TIPOS DE BOMBA DE AGUA Y SUS FUNCIONES. Recuperado 12 de mayo de 2019, de https://www.maestro.com.pe/hazlo-conmaestro/gasfiteria/cuantos-tipos-de-bombas-deagua-hay TRANSPORTE, F. DE. (2019). UNET. Recuperado 10 de mayo de 2019, de http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T164.htm
