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UNIVERSIDAD NACIONAL “SAN LUIS GONZAGA” DE ICA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

MANUAL PARA EL DISEÑO Y SELECCIÓN DE UN EQUIPO DE BOMBEO PARA RIEGO USANDO BOMBA VERTICAL TIPO TURBINA

TESIS PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL INGENIERO MECÁNICO - ELECTRICISTA BACH. FERNANDO ALBERTO RAMOS CHAVEZ BACH. FERNANDEZ HUAMAN JOSÉ ANGEL

ICA - PERU 2014 1

AGRADECIMIENTOS A DIOS Agradezco a Dios por protegerme durante todo mi camino y darme fuerzas para superar los obstáculos y dificultades a lo largo de toda mi vida, porque hiciste realidad este sueño anhelado. A MIS PADRES Fernando Luis Ramos Ascama y Elizabeth Graciela Chávez Ramos. Por su amor, trabajo, sacrificio y los ejemplos de perseverancia y constancia que los caracterizan y todo el apoyo brindado en mi vida y compartir uno más de sus logros conmigo. A MIS HERMANOS A mis queridos hermanos Carlo Javier, Elizabeth Yesenia, Nury Janet, Wilder Luis y Jorge Antonio por haber creído en mi cuando la situación parecía que caminaba de turista y han sido inspirador de todos mis sueños les deseo mi éxito. A MI HIJO A mi adorable hijo Waldir Fernando Ramos Soto, porque él tuvo que soportar largas horas sin la compañía de su papá, sin poder entender, a su corta edad, por qué prefería estar frente a la pantalla del notebook y no acostado y/o jugando con él. A pesar de ello, cada vez que podíamos, al reunirnos, aprovechamos hermosos momentos, en los que su sola sonrisa me llenaba de ánimo y fuerzas, mi mayor inspiración de haber realizado este sueño te deseo mi trabajo. A MIS ABUELOS Herminia Irene Ascama García (Q.E.P.D), Juan Santiago Chávez Quintana (Q.E.P.D), Flor Smith Ramos De la Cruz por todos sus consejos y amor y darles mi reconocimiento porque sin ustedes no existiríamos.

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A MIS SOBRINOS A mis sobrinos Gonzalo, Viani, Saúl, Fabiana, Alison, Iarley Juan, Lupita, Dayron y Thiago, por su presencia y sonrisas que alegran mis días para que sea una motivación y así puedan lograr sus sueños. A MIS AMIGOS Seria innumerable mencionar, pero siempre recordándolos a mis amigos, José Luis Moquillaza, Piero Gianfranco, Jonathan Lizandro, Katia Miluska, María Victoria angelitos que se han cruzado en mi camino quienes siempre me animaban y ayudaron con una sonrisa, que Dios los bendiga y proteja. A MIS PRIMOS Como poder mencionar tremendo familión pero siempre recordándolos a mis primos George Abraham, Elizabeth del Rosario, Pedro Alberto, Humberto Martin, Samantha Secibel, Jorge Armando, Roxana Paola, Jhony Limbert, Alexis Wilfredo. Mil palabras no bastarían para agradecerles su apoyo, su comprensión y sus consejos en los momentos difíciles. A todos, espero no defraudarlos y contar siempre con su valioso apoyo, sincero e incondicional.

FERNANDO ALBERTO RAMOS CHAVEZ

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DEDICATORIA

A mis maestros que en este andar por la vida, influyeron con sus lecciones y experiencias en formarme como una persona de bien y preparada para los retos que pone la vida, a todos y cada uno de ellos les dedico cada una de estas páginas de mi tesis. Con todo mi cariño y mi amor para las personas que hicieron todo en la vida para que yo pudiera lograr mis sueños, por motivarme y darme la mano cuando sentía que el camino se terminaba, a ustedes por siempre mi corazón y mi agradecimiento. A quienes yo les llamo cariñosamente papa Nando y mama Chela. Dedico esta tesis principalmente a mi familia por apoyarme cuando lo necesite, y que siempre estuvieron ahí ante cualquier situación. A mi precioso hijo Waldir Fernando para quien ningún sacrificio es suficiente que con su luz ha iluminado mi vida y hace mi camino más claro y que han sido el pilar principal para la culminación de la misma, que con su apoyo constante y amor incondicional ha sido un amigo y compañero inseparable, fuente de sabiduría, calma y consejo en todo momento. A mi Tío Israel Raymundo Ramos Ascama, tío gracias por ayudarme en el tiempo que estuve de estudiante, por tu apoyo y consejos, porque siempre tuviste disponibilidad para mí, ahora que culmino mis estudios profesionales tú también formas parte de este logro. Gracias Tío Irra Y especialmente quiero agradecer a Dios, quien me ha dado la vida y todas las cosas hermosas que me ha concedido llenando a cada paso mi vida de constante felicidad y gratificación.

FERNANDO ALBERTO RAMOS CHAVEZ

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RESUMEN El agua es el elemento vital para la vida, sin el agua no se podría vivir, la mayoría de los productos agrícolas y pecuarios están hechos en su mayor parte de agua, como ejemplo se pueden mencionar los siguientes productos; el tomate que contiene el 94% de agua, la lechuga el 95%, el plátano el 76% y la naranja el 87%. La producción agrícola, por lo tanto, depende del agua. En nuestra región encontramos que la mayor parte de la producción agrícola es abastecida con aguas del subsuelo, ante la sobreexplotación desmedida y el uso deficiente de tan importante recurso natural, se requiere proporcionar información para el diseño y selección de un equipo de bombeo eficientes, capaces de satisfacer las inquietudes de los alumnos, personas, usuarios e ingenieros, así como brindar un apoyo escrito sobre el diseño y selección de un equipo de bombeo con imágenes claras, tablas y diagramas seccionados para un mejor entendimiento. Para tal efecto proporcionar una herramienta básica en forma de poder diseñar y seleccionar un equipo de bombeo que pueda suministrar fluido desde un pozo profundo hasta donde se requiere para el uso de agua. Al diseñar y seleccionar equipos de bombeo eficientes también se está haciendo uso eficiente de la energía eléctrica que consumen los equipos de bombeo ya que en la actualidad la demanda de energía eléctrica para este tipo de equipos ha ido aumentando considerablemente.

5

INDICE CARATULA AGRADECIMIENTOS DEDICATORIA RESUMEN INDICE INTRODUCCIÓN CAPÍTULO I:

10

PROBLEMA DE LA INVESTIGACIÓN

1.1.

Antecedentes

12

1.2.

Formulación del Problema

13

1.3.

Importancia de la Investigación

14

1.4.

Objetivos del Estudio.

15

1.4.1 Objetivo General.

15

1.4.2 Objetivos Específicos.

15

Hipótesis y Variables

16

1.5.1 Hipótesis

16

1.5.2 Variables

17

1.5.

1.5.2.1

Variable Independiente

17

1.5.2.2

Variable Dependiente

17

CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO 1.1

Clasificación y Descripción de las Bombas

18

1.2

Bomba de Desplazamiento Positivo

20

1.3

Bomba Roto-Dinámica

25

6

1.4

Bomba Centrifuga

25 1.5

Acción de la Bomba Centrifuga

28

CAPÍTULO III: SELECCIÓN DEL TIPO DE BOMBA 3.1

Componentes de una Bomba Vertical

32 3.2

Elementos Básicos para el Cálculo y Selección de un Equipo de Bombeo

33 3.2.1 Terminología

y

Definiciones

Básicas

37 3.3

Elementos Básicos para el Diseño de un Equipo de Bombeo y Obtención de la Información Necesaria

41

3.3.1 Cuando se Trata de un Pozo Nuevo

44

3.3.2 Si se Trata de un Pozo que no es Nuevo

44

3.4

Elementos de la Carga Dinámica Total (CDT)

44

3.5

Perdidas Hidráulicas

46

3.5.1 Perdidas

Primarias

47 3.5.2 Perdidas

Secundarias

52 3.6

La Carga Dinámica Total (CDT)

54

3.7

Diseño del Cuerpo o Ensamble de Tazones

57

3.7.1 Calculo de la Caga por Paso y Numero de Pasos

58

Calculo de la Potencia Consumida

64

3.8.1 Análisis de la Flecha de Tazones

65

3.8.2 Calculo del Empuje Axial

67

3.8

7

3.9

Diseño de la Columna del Equipo

70

3.9.1 Tubo de Columna

70

3.9.2 Transmisión

70

3.9.2.1

Ensamble de la Columna, en Caso de Lubricación por

72

Agua 3.9.2.2

Ensamble de la Columna, en Caso de Lubricación por Aceite

73

3.9.3 Estiramiento Debido al Empuje Axial y Juego Axial

79

3.10

Determinación del Cabezal de Descarga

83

3.11

Calculo del Elemento Motriz

84

3.12

Consideraciones de Ingeniería

84

3.12.1 Carga Neta de Succión Positiva NPSH

84

Procedimiento para el Cálculo

88

3.13

CAPÍTULO IV:

ASPECTOS TECNICOS PARA EL DISEÑO DE EQUIPOS DE BOMBEO

4.1

Ejemplo de Aplicación

89

4.2

Datos Básicos

89

4.3

Calculo de la Carga Dinámica Total (CDT)

90

4.3.1 Obtención de la Rugosidad Absoluta y Rugosidad Relativa

90

4.3.2 Calculo del Número de Reynolds

91

4.3.3 Obtención del Factor de Fricción en Tubería

91

4.3.4 Calculo de las Perdidas Primarias y Secundarias

93

4.3.5 Calculo de la Carga Estática

94

4.3.6 Calculo de la Caga de Velocidad

94

4.3.7 Calculo de la Carga Dinámica Total

95

8

4.4

Calculo del Ensamble de Tazones

95

4.4.1 Calculo de la Carga Real por Paso y Nº de Pasos

95

4.5

Calculo de la Potencia Consumida

97

4.6

Análisis de la Flecha de Tazones

97

4.7

Tubo de Columna

97

4.8

Transmisión

98

4.9

Análisis del Empuje Axial y Estiramiento de la Flecha

98

4.10

Cabezal de Descarga

99

4.11

Calculo de Larga Neta Positiva de Succión

99

CAPÍTULO V: MATERIALES Y EQUIPOS NECESARIOS 5.1

Verificación del Pozo

100

5.2

La Cimentación

100

5.3

Descarga del Equipo

102

5.4

Instalación del Tubo de Succión

103

5.5

Instalación del Cuerpo de Tazones

103

5.6

Instalación de la Columna de Descarga

104

5.7

Instalación del Cabezal de Descarga

106

5.8

Alineación de la Bomba

107

5.9

Instalación del Elemento Motriz

107

5.10

Instalación del Tubo de Descarga

109

5.11

Instalación del Sistema de Lubricación

109

5.12

Arranque de la Bomba

109

5.13

Mantenimiento

110

5.13.1

111

Tipos de Mantenimiento

9

5.14

Problemas de Servicios y sus Causas

CAPÍTULO VI:

112

CONCLUSIONES

6.1 Conclusiones

116

BIBLIOGRAFIA|

117

INTRODUCCIÓN El objetivo del presente trabajo de diseño y selección de un equipo de bombeo es dar una guía, un manual en la cual se recopila información de manera breve la más objetiva, accesible y posible para aprender a diseñar adecuadamente un equipo de bombeo. La bomba vertical de turbina cuya función es generar la presión necesaria para vencer la altura a la que queremos tenerla así como subsanar todas las pérdidas de presión generadas por la fricción en las tuberías y accesorios para su transporte, en estas bombas el eje va por el interior de un tubo de impulsión desnuda si la lubricación es por agua o dentro de un tubo protector si la lubricación es por aceite de una fuente externa.

En el capítulo uno se conoce la clasificación de las bombas en base a una gran cantidad de criterios que van desde sus aplicaciones, materiales de construcción hasta su configuración mecánica, un criterio básico en la clasificación general de las bombas es el que se basa en el principio por el cual se adiciona energía al fluido. Así se tendrán también que funcionan para cambiar la posición de un cierto fluido, por ejemplo las bombas de pozo profundo que adicionan energía para que el agua del subsuelo se eleve a la superficie.

En el capítulo dos una parte de hidráulica básica, la cual es muy importante conocer para generar un buen diseño se introducen fórmulas que son esenciales para determinar los parámetros que ayudan a diseñar y seleccionar un equipo de bombeo. Todas las dimensiones y pesos que se utilizan en este 10

trabajo son estándares cualquier diseño especial que se quiera hacer debe consultarse con el fabricante.

En el capítulo tres, el alumno, usuario y el ingeniero encontrara una guía general sobre los procedimientos y calculo, se desarrolla la teoría expuesta en el capítulo dos, para dimensionar y especificar adecuadamente el equipo de bombeo.

En el capítulo cuatro se hace una breve referencia de la instalación y mantenimiento de la bomba por lo cual debe leer detenidamente el manual de operación y cualquier información entregada con el equipo antes de operarlo, el manual proporciona las instrucciones completas para la instalación, ajuste, operación, servicio y desmontaje de la bomba y son entregadas por el fabricante.

11

CAPÍTULO I: PROBLEMA DE LA INVESTIGACIÓN

1.1 ANTECEDENTES El agua es uno de los principales motores del desarrollo tanto social como económico, como podemos ver a través de los tiempos, cuando en los lugares con buen abastecimiento de agua comienzan a surgir, hace ya miles de años, las grandes civilizaciones como son la Mesopotámica entre los ríos Tigris y Éufrates, la Egipcia en el Nilo, la China en el rio Amarillo y otras alrededor del mundo como la Tiahuanaco en el lago Titicaca. Esto debido a que más que un buen medio de transporte (en esa época), una manifestación de una deidad o simplemente un bien estético de un pueblo, el agua es lo que muchos llaman “el elemento que da la vida” debido a que desde el momento en que el hombre primitivo se convirtió de nómade a sedentario, necesitó del agua no solo para beber, sino que también para alimentar a sus animales y regar sus cultivos. El agua es una de las necesidades primordiales del ser humano, por lo cual siempre se ha buscado la forma de ahorrar esfuerzos para tener acceso inmediato al preciado líquido. Con tal fin desde tiempos remotos se ha conducido el agua hacia las poblaciones, desde fuentes (ríos, lagos, manantiales, etc.), cuya altura es superior a la de dicho poblado, por conducto de un sistema de gravedad constituido por tuberías y canales. Las estadísticas del Ministerio de Agricultura (MINAG), indican que en el Perú alrededor de la tercera parte de la población vive en las zonas rurales, cuyos ingresos dependen del 50% de la agricultura, además se estima que el área de riego en el país está representado por un 70% bajo secano, 26.9% bajo riego por gravedad, 2% bajo riego tecnificado y 0,7% a través de la explotación de las aguas subterráneas mediante pozos, bajo estas circunstancias alrededor de 10 millones de peruanos aplican una tecnología de bombeo y riego ineficiente que trae como 12

consecuencia un bajo nivel de competitividad que se refleja en una baja productividad principalmente de la sierra y selva del Perú.

La topografía accidentada de la sierra hace que las comunidades rurales en el Perú sean de difícil acceso, además sus poblaciones y viviendas dispersas con bajo consumo eléctrico determina que los proyectos de electrificación sean poco rentables y por ende no tengan acceso a esta energía; por otro lado, debido al desconocimiento de otro tipo de fuente de energía, las comunidades agrícolas se ven obligadas a esperar la época de lluvia, que sucede una vez al año, para cultivar. Es necesario recurrir a fuentes situadas a una cota igual o inferior a la del punto de consumo, incluso a fuentes subterráneas (pozos profundos), usando sistemas de bombeo, para la extracción del vital líquido. 1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA El agua es un elemento vital para la conservación y desarrollo de todos los seres vivos que habitan el planeta. A pesar que el suministro de agua potable se ha incrementado notablemente como parte vital del desarrollo socio-económico del país, en la actualidad existen grandes grupos poblacionales con carencia de recursos hídricos debido a innumerables factores, entre los que se cuentan los desórdenes climatológicos y contaminación de fuentes superficiales de agua ocasionada por la minería ilegal, la tala indiscriminada de bosques, el inapropiado manejo de las tierras, las grandes demandas del sector agrícola e industrial y el alto crecimiento poblacional. En las últimas décadas, la explotación de los recursos hídricos subterráneos, se ha convertido en una excelente alternativa para suplir las necesidades de abastecimiento de agua potable en muchas regiones y para algunos sectores económicos del país.

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La tesis desarrollada plantea un análisis técnico para determinar y seleccionar el equipo de bombeo óptimo para el riego en terrenos de cultivo de acuerdo a la necesidad hídrica de los diferentes cultivos de la zona, es así que nuestra investigación formulará la siguiente pregunta ¿Es posible demostrar la eficiencia energética de los sistemas de bombeo con la

adecuada

selección de los equipos

y el

correspondiente mantenimiento?

1.3 IMPORTANCIA DE LA INVESTIGACIÓN La agricultura comercial del Perú se desarrolla principalmente en la Costa, que a diferencia de las otras regiones, como son la Sierra y la Selva, depende exclusivamente del riego, y a su vez, la disponibilidad de agua en la vertiente del Pacífico, en donde se ubica la Costa, cuenta con apenas el 1.7% del agua a nivel nacional, frente al 98% de disponibilidad con que cuenta la vertiente del Atlántico. Las fuentes hídricas en la costa, son el agua superficial, obtenida por la derivación de los ríos alimentados por lluvias, nevados o lagunas de la cordillera, y el agua subterránea, obtenida por la excavación de la tierra hasta encontrar la napa freática. El agua en la Costa, si bien es cierto es un bien renovable, es a su vez agotable y escaso. Las ventajas comparativas de varios valles de la Costa peruana, consiste en la producción en contra estación de frutas y hortalizas, que permite abastecer al hemisferio norte. Este factor que ha sido determinante para explicar el nuevo auge de las agro exportaciones del Perú, iniciado a partir de los 90´s, cuando los campos estadounidenses, europeos y del Asia presentan condiciones climáticas adversas, lo que propicia la demanda de hortalizas y frutas del Perú. El valle de Ica, que de acuerdo a la definición del vocablo quechua significa “Agua que emana de la Tierra”, pues antiguamente eran muchas las lagunas que brotaban del subsuelo está ubicado a 300 km al sur de Lima, la capital del Perú, viene orientando desde hace más de 50 años a la agricultura de exportación, habiendo comenzado por el 14

algodón y desde 1990 dicha canasta agroexportadora está compuesta por hortalizas, legumbres y frutas destinadas principalmente hacia la Unión Europea y Estados Unidos, con una participación que llega al 30% de las exportaciones agrícolas totales del Perú. El crecimiento agrícola del valle de Ica, que se abre paso en una zona desértica, se ha sustentado principalmente en la extracción de aguas del acuífero subterráneo. En la presente tesis se analizará técnicamente la selección de un equipo de Bombeo capaz de satisfacer eficientemente las necesidades de los pobladores agricultores.

1.4 OBJETIVOS DEL ESTUDIO. 1.4.1 Objetivo General

Proporcionar una herramienta básica que diseñe y seleccione un equipo de bombeo que pueda suministrar eficientemente fluido desde un pozo profundo hasta donde se requiere para el uso de agua.

1.4.2 Objetivos Específicos.

 Comprender el concepto de bomba para un mejor manejo  Analizar el funcionamiento básico de la bomba.  Identificar la bomba más viable para el proyecto a desarrollar.

15

1.5.

HIPÓTESIS Y VARIABLES 1.5.1 HIPÓTESIS Casi el 50% de la oferta de agua del valle de Ica, desde 1950 hasta el año 2007, ha provenido de las aguas subterráneas del acuífero del valle, mientras que el 42% tuvo como origen el rio Ica, y el 8% las aguas del Sistema Choclococha, lo que está indicando la gran importancia que tienen para Ica las aguas subterráneas. La agricultura comercial del valle de Ica se abastece de dos fuentes de agua: una segura y otra incierta. El agua subterránea es la fuente segura y es seis veces más costosa que las aguas superficiales, que es la fuente incierta, y es asignada por un proceso de negociaciones. En las circunstancias actuales, la agricultura comercial del valle no puede prescindir del agua subterránea, pues ésta es su principal fuente, tal como vimos anteriormente. El costo del agua superficial comparada con el agua subterránea, que desde el año 1993, es casi 6 veces más cara en promedio que el agua de rio. Esto sucede porque la Junta de Usuarios de Rio, tanto del rio Ica, como del canal la Achirana, asume costos que alcanzan básicamente para pagar los costos de la administración, pero no quedan recursos para ejecutar nuevas obras de riego. Casi el 90% de la demanda de agua del valle de Ica corresponde a la agricultura, y para que los productores agrarios puedan disponer del recurso, requieren de importantes inversiones en obras de captación, redes de canales para su transporte e instrumentos adecuados de control así como hacer uso eficiente de este recurso tan escaso. En este trabajo se pretende alcanzar información para el diseño y selección eficiente de equipos de bombeo, quedando planteada nuestra hipótesis en la siguiente pregunta ¿Es posible lograr la eficiencia energética de los

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sistemas de bombeo con la adecuada selección de los equipos y el correspondiente mantenimiento?

1.5.2 VARIABLES 1.5.2.1 Variable Independiente Agua para el riego de terrenos agrícolas.

1.5.2.2 Variable Dependiente  Bombas centrifugas.  Consumo de energía

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CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO

1.1

CLASIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN DE LAS BOMBAS Definición de bomba La bomba es una máquina que absorbe energía mecánica que puede provenir de un motor eléctrico, térmico, etc., y la transforma en energía que la transfiere a un fluido como energía hidráulica la cual permite que el fluido pueda ser transportado de un lugar a otro, a un mismo nivel y/o a diferentes niveles y/o a diferentes velocidades. En general una bomba se utiliza para incrementar la presión de un líquido añadiendo energía al sistema hidráulico para mover el fluido de una zona menor presión o altitud a otra de mayor presión o altitud

Aplicaciones Se emplean para bombear toda clase de fluidos como agua, aceites de lubricación, combustibles, algunos otros líquidos alimenticios como son cerveza y leche, también se encuentran los sólidos en suspensión como fangos y desperdicios. Cuando han de bombearse líquidos a temperaturas arriba de los 82° C debe consultarse al fabricante para obtener sus recomendaciones.

Clasificación de las bombas Las bombas se clasifican en base a una gran cantidad de criterios desde sus aplicaciones, materiales de construcción y hasta su configuración mecánica Ciertas bombas funcionan con un movimiento alternativo y otras con movimiento de rotación continuo, aunque el sistema de movimiento no

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permite su clasificación por el contrario su modo de accionar si permite clasificarlos. Un criterio básico que incluye una clasificación general se basa en el principio por el cual se adiciona energía al fluido, bajo este criterio las bombas pueden dividirse en dos grandes grupos. a) Bombas de desplazamiento positivo b) Bombas Rotodinámica Antes de conocer los fundamentos de operación de las bombas es necesario distinguir las diferentes clases de bombas que existen, y para esto la clasificación dada por el “Hydraulic Institute” de E.U.A. (1984) parece ser la más adecuada. Existe una diversidad de clasificación de bombas que ocasionalmente puede causar confusión al intentar ubicarlas dentro de un cierto tipo, clave u otra distinción, sin embargo la más adecuada para propósitos de este trabajo es la proporcionada por el instituto de Hidráulica de los E.E.U.U.

19

La clasificación anterior, nos permite apreciar la gran diversidad de tipos que existen y si a ello agregamos materiales de construcción, tamaños diferentes para manejo de gastos y presiones sumamente variables y los diferentes líquidos a manejar, etc., entenderemos la importancia de este tipo de maquinaria.

1.2

BOMBA DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO Estas bombas guían al fluido que se desplaza a lo largo de toda su trayectoria, el cual siempre está contenido entre el elemento impulsor, que puede ser un embolo, un diente de engranaje, un aspa, un tornillo, etc., y la carcasa o el cilindro. “El movimiento del desplazamiento positivo” consiste en el movimiento de un fluido causado por la disminución del volumen de una cámara. Por consiguiente, en una máquina de desplazamiento positivo, el elemento que origina el intercambio de energía no tiene necesariamente movimiento alternativo (émbolo), sino que puede tener movimiento rotatorio (rotor). Sin embargo, en las máquinas de desplazamiento positivo, tanto reciprocantes como rotatorias, siempre hay una cámara que aumenta de volumen (succión) y disminuye volumen (impulsión), por esto a éstas máquinas también se les denomina Volumétricas.

Clasificación de las bombas de desplazamiento positivo Se pueden clasificar en:

BOMBA DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

BOMBA RECIPROCANTES BOMBA ROTATORIA

20

Bomba de pistón y embolo Bomba de diafragma Bomba de engranaje Bomba de lóbulos Bomba de paletas Bomba de tornillo

A. Bombas de émbolo En estas bombas el líquido es forzado por el movimiento de uno o más pistones ajustados a sus respectivos cilindros tal y como lo hace un compresor, Estas bombas de pistones son de desplazamiento positivo, y dada la incompresibilidad de los líquidos no pueden funcionar con el conducto de salida cerrado, en tal caso. Se produciría o bien la rotura de la bomba, o se detiene completamente la fuente de movimiento, por ejemplo, el motor eléctrico de accionamiento, en la fig. 1.2 - 1 se muestra la bomba de embolo de efecto simple y en la fig. 1.2 - 2 se muestra la bomba de embolo de efecto doble.

B. Bombas de diafragma, El elemento de bombeo en este caso es un diafragma flexible, colocado dentro de un cuerpo cerrado que se acciona desde el exterior por un mecanismo reciprocante. Este movimiento reciprocante hace aumentar y disminuir el volumen debajo

del

diafragma,

observe

que

un

par

de

válvulas

convenientemente colocadas a la entrada y la salida fuerzan el líquido a circular en la dirección de bombeo. Como en las bombas de diafragma no hay piezas friccionantes, ellas encuentran aplicación en el bombeo de líquidos contaminados con sólidos, tal como los lodos, aguas negras y similares.

21

6

C. Bombas de engranes

Existen varios tipos de bombas de

engranajes. La bomba de engranajes más simple consta de dos engranajes rectos engranados entre sí y girando en sentidos opuestos dentro de una carcasa. Cualquier líquido que rellene el espacio existente entre los dientes del engranaje y la carcasa debe seguir junto con los dientes cuando gire el engranaje. Cuando los dientes del engranaje engranen con los dientes del otro engranaje, el espacio existente entre los dientes prácticamente desaparece, y el líquido atrapado sale despedido de la bomba. A medida que el engranaje gira y los dientes se desenganchan, volverá a aparecer espacio en el lado de aspiración de la bomba, volviendo a admitir nuevas cantidades de líquido y transportándolo alrededor de la carcasa de la bomba.

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D. Bombas de paletas, Dentro de un cuerpo con una cavidad interior cilíndrica se encuentra un rotor giratorio excéntrico por donde entra el movimiento a la bomba. En este rotor se han practicado unos canales que albergan a paletas deslizantes, construidas de un material resistente a la fricción. Cada paleta es empujada por un resorte colocado en el fondo del canal respectivo contra la superficie interior de la cavidad del cuerpo. Este resorte elimina la holgura entre la paleta y el interior de la bomba. Cuando el rotor excéntrico gira, los espacios entre las paletas de convierten en cámaras que atrapan el líquido en el conducto de entrada, y lo trasladan al conducto de salida. Debido a la excentricidad, del lado de la entrada, la cámara se agranda con el giro y crea succión, mientras que del lado de la salida, la cámara se reduce y obliga al líquido a salir presurizado.

E. Bomba de lóbulos, Estas bombas se asemejan al funcionamiento de una bomba de engranajes de dientes externos los cuales giran en sentidos opuestos con lo que logran aumentar el volumen y disminuir la presión y con ello conseguir la aspiración del fluido.

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F. Bomba de tornillos, Trabajan a grandes velocidades, a pesar de ello es una bomba silenciosa. También se le conoce como bomba helicoidal. El tornillo central tiene rosca de derechas y es el eje del motor; mientras que los otros dos tornillos son de rosca de izquierdas. Al girar se originan cámaras entre los filetes de los tres tornillos haciendo que el fluido circule desde la zona de aspiración a la zona de impulsión. El tornillo central es el que mueve a los otros dos tornillos

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1.3

BOMBA ROTO-DINÁMICA Conceptos de la bomba roto-dinámica  El principio de funcionamiento está basado en el intercambio de cantidad de movimiento entre la máquina y el fluido aplicando la hidrodinámica  en este tipo de bombas hay uno o varios rodetes con alabes que giran generando un campo de presiones en el fluido.  en este tipo de máquinas el flujo del fluido es continuo.

Pueden subdividirse en:  Radiales o centrifugas: cuando el movimiento del fluido sigue una trayectoria perpendicular al eje del rodete del impulsor.  Axiales: cuando el fluido pasa por los canales de los alabes siguiendo una trayectoria contenida en un cilindro  Diagonales o helico- centrifugas: cuando la trayectoria del fluido se realiza en otra dirección entre las anteriores es decir en un cono axial con el eje de rodete. En el caso de flujos bajos y altas presiones, la acción del rotor es en gran medida radial. En flujos más elevados y presiones de salida menores, la dirección de flujo en el interior de la bomba es más paralela al eje del rotor (flujo axial). En ese caso, el rotor actúa como una hélice. La transición de un tipo de condiciones a otro es gradual, y cuando las condiciones son intermedias se habla de flujo mixto. 1.4

BOMBA CENTRIFUGA Conceptos de bomba centrifuga 1. Las

bombas

centrifugas

transforman

la

energía

generalmente de origen eléctrico en energía hidráulica. 25

mecánica,

2. La energía de un motor hace girar el eje de la bomba, solidaria con él, es el rodete, cuyos alabes aportan la energía cinética al agua que ha llegado al rodete por el tubo de aspiración, la caja espiral transforma parte de la energía cinética en altura piezometrica debido al aumento progresivo de sus secciones y por lo tanto de la perdida de la velocidad inicial del líquido, el agua sale por el tubo de impulsión con una determinada energía en parte cinética y en parte piezometrica.

Principio básico de funcionamiento de la bomba centrifuga Los dos componentes principales de las bombas centrifugas son el impulsor o rodete y la envuelta o caja dentro de la que gira, el principio es la conversión de la energía cinética en energía de presión, la energía del motor se transmite directamente a la bomba por su eje haciendo girar al rodete a gran velocidad, dentro de una carcasa y que su movimiento impulsa el fluido en contacto con él, hacia la periferia del mismo con cierta velocidad los pasos de conversión de energía varían según el tipo de bomba.

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Clasificación de las bombas centrifugas Se clasifican según la dirección del flujo, de acuerdo a la trayectoria de fluido en el interior del impulsor y pueden ser de flujo radial, flujo axial y flujo mixto. a) Flujo radial.- El movimiento del fluido se realiza en un plano paralelo al eje de giro del impulsor de la bomba y terminan en un plano perpendicular a este, estas bombas pueden ser horizontales o verticales. b) Flujo axial.- La dirección del fluido en el impulsor es en forma axial y alrededor del eje de giro del impulsor de la bomba, sin tener cambios de elevación de los alabes sobre el líquido y usualmente son bombas verticales de un solo paso. c) Flujo mixto.- El movimiento del fluido dentro del impulsor se desarrolla en tres direcciones tangencial, radial y axial al eje de giro del impulsor de las bombas desarrollan su carga parcialmente por fuerza centrífuga y parcialmente por el impulso de los alabes sobre el líquido. Esquema de la clasificación de las bombas centrifugas

CENTRIFUGAS

Flujo radial Flujo mixto

Flujo axial

Autocebantes Cebadas por medios externos Impulsor abierto Simple Impulsor Unipaso succión semiabierto Doble succión Multipaso Impulsor cerrado Unipaso Impulsor abierto Simple Multipaso Impulsor cerrado succión

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1.5

ACCIÓN DE LA BOMBA CENTRIFUGA a)

Bomba tipo voluta

El impulsor descarga en una caja espiral que se expande progresivamente en tal forma que la velocidad del líquido

se

reduce en forma gradual, por este medio parte de la energía de velocidad del líquido se convierte en presión estática. (ver fig.1.5 1)

b)

Bomba tipo difusor

Los alabes direccionales estacionario rodean al rotor o impulsor en una bomba tipo difusor esos pasajes con extensión gradual cambian la dirección del flujo del líquido y convierten la energía de velocidad a columna de presión. (ver fig. 1.5 - 2)

28

c)

Bomba turbina regenerativa También se conoce como bomba de vórtice, periféricas y regenerativas, en este tipo se producen remolinos en el líquido por medio de los alabes a velocidades muy altas dentro del canal anular en el que gira el impulsor, el líquido va recibiendo impulsos de energía. Las bombas del tipo difusor de pozo profundo, se llaman frecuentemente bombas turbinas, sin embargo no se asemejan a la bomba turbina regenerativa en ninguna forma por lo que no se debe confundir con ella. (Ver fig. 1.5 - 3 y fig. 1.5 - 4)

d)

Bombas tipo turbina Es una bomba vertical para servicio en pozos o cárcamos, donde el nivel del líquido sobrepasa la altura de succión de las bombas horizontales. Estas bombas por lo general se construyen, con el principio de lubricación por aceite o por el mismo fluido bombeado, es decir auto lubricado, con tazones y difusor. Bombas verticales 1.

Bomba de sumidero 29

Provista de impulsor semi-abierto de un solo paso, chumaceras de bola y chumaceras de mango para la flecha, es una bomba centrifuga que se dispone verticalmente que se dispone suspendida de una placa base mediante un caño de suspensión un caño de descarga de este modo y apoyando la placa base en la parte superior de un pozo o tanque con el fluido a bombear la parte impulsora de la bomba queda sumergida en el líquido permaneciendo cebada y lista para ser puesta en marcha cada vez que sea necesario. (Ver fig. 1.5 -5)

2.

Bomba vertical lubricada por aceite Es una bomba del tipo usado frecuentemente para servicio de pozo profundo y para una gran variedad de tareas de bombeo. (ver fig1.5 - 6) Esta unidad en particular tiene impulsores cerrados y chumaceras en la línea de flecha.

30

3.

Bomba Se aplican

vertical de flujo mixto generalmente en tareas

bombeo de

gran capacidad, las unidades

de este tipo

son comunes en aplicación de

sumidero

de agua, irrigación, servicio de

muelles

y

otros similares.

CAPÍTULO III:SELECCIÓN DEL TIPO DE BOMBA

31

de

3.1

COMPONENTES DE UNA BOMBA VERTICAL Los principales componentes de una bomba vertical son:    

Elemento motriz Ensamble del cabezal de descarga Ensamble de Columna y eje de la bomba Ensamble de tazones

DEFINICIÓN DE UN EQUIPO DE BOMBEO Un equipo de bombeo consiste de dos elementos, una bomba y su motor el cual puede ser un motor eléctrico, motor de combustión interna, etc. El motor entrega energía mecánica y la bomba la convierte en energía cinética que un fluido adquiere en forma de presión, de posición y de velocidad. Un equipo de bombeo de pozo profundo se utiliza para cambiar la posición del agua que se encuentra en el subsuelo para que salga a la superficie. Se utiliza una de tipo centrifugo, llamada bomba vertical tipo turbina de pozo profundo. 32

La bomba se compone de un conjunto de rotores con alabes, llamados impulsores montados sobre un largo eje que se extiende verticalmente en dirección al pozo y los hace girar cuando rotan, el agua que entra por el centro de dichos rotores es empujada hacia arriba y entra en la tubería.

3.2

ELEMENTOS BÁSICOS PARA EL CÁLCULO Y SELECCIÓN De un equipo de bombeo. La correcta evolución entre la gran variedad de bombas deberá cumplir con lo mejor eficiencia y potencia, suministrando el caudal requerido sin afectar la carga dinámica total. Los diseños para servicios específicos, facilitan la selección de la bomba porque mucho de los problemas ha sido resuelto por el fabricante. Conceptos de hidráulica Se define a la Hidráulica como una rama de la física que estudia el comportamiento de los fluidos. En nuestro caso el fluido a estudiar siempre será agua, y se conoce como hidrostática el estudio del comportamiento de agua en reposo e hidrodinámica el estudio del agua en movimiento.

 Otro concepto interesante es la gravedad específica, la cual es el valor relativo del peso de cualquier líquido con respecto al agua que pesa 1 kg/Lit.

Concepto de presión Otro concepto básico para entender el comportamiento del agua es la Presión que se define como:

33

La fuerza que ejerce el agua en una determinada área. Es decir, el agua confinada en un recipiente, necesariamente ejerce una fuerza contra las paredes y base de dicho recipiente.

Debido a su peso mismo, esta fuerza dividida entre el área donde la ejerce se conoce como presión y su fórmula matemática es: P=

F A

Sus unidades comunes son kg/cm2

Dónde: P = presión F = fuerza A = área Esta fuerza es el peso del agua sobre el punto donde se está midiendo, por lo que dependemos de la altura de la columna de agua en dicho punto. EJEM. Si nosotros tomamos un recipiente de 1 cm x 1 cm y lo llenamos de agua a una altura de digamos 1 mts. La presión será igual a: P = Peso/Área Para obtener el peso debemos sacar cuantos decímetros cúbicos de agua hay en el recipiente que será: 0.1 x 0.1 x 10 = 0.10 dm3 y si sabemos que la densidad del agua es 1 kg/dm3, deduzco que el peso o fuerza ejercida es 0.1 kg y como el área es 1 cm2, la presión será 0.1Kg/cm2 por cada metro de columna de agua. Esto no cambia si el agua a 1 mts de profundidad está contenida en este pequeño depósito, a que si está en un lago y al mismo metro de profundidad, el área analizada es solo un centímetro cuadrado del fondo de ambos recipientes. 34

Si en lugar de 1 metro de profundidad tengo dos metros, la presión será lo doble pues tengo el doble de peso de agua en el mismo centímetro cuadrado del fondo. Esto significa que para obtener una presión de 1kg/cm2 yo necesito una columna de 10 mts y a esta relación entre presión y elevación se le conoce como: METROS DE CARGA Es decir, yo requiero, de 1 kg/cm2 de presión para elevar 10 mts de carga de desnivel desde un punto de referencia.

 Presión estática se refiere a los kg/cm2 de presión en un sistema cerrado y sin movimiento. En una línea de tubería, cuando nosotros tenemos agua dentro de ella y están cerradas todas las válvulas de salida, esta línea puede tener una presión estática, esta presión estática es una presión potencial disponible para operar un sistema. Hay dos maneras de crear esta presión estática en la línea, llevando el agua a un tanque o deposito a un punto más alto del que la necesitamos o mediante una bomba, presurizando directamente. Cuando en el sistema cerrado anterior nosotros abrimos una válvula, el agua fluye por la tubería, esta lo hace a una cierta velocidad, la cual depende de dos variables básicas: 1. El gasto o sea los lts/seg que quiero que fluyan en esa tubería. 2. El diámetro de la misma, es decir entre menor sea el diámetro de la tubería de conducción tengo una menor área y la velocidad aumenta y entre mayor sea el gasto que quiero pasar por un diámetro dado, también tengo una mayor velocidad. Por lo que defino la velocidad con la siguiente fórmula:

35

V=

Q A x 1000

Dónde: V

=

Velocidad a la que pasa un fluido en mts. /seg

Q

=

Gasto que está pasando en lts /seg

Entendiendo el concepto de velocidad ahora trataremos de definir el de fricción.

 La fricción es una pérdida de presión o carga al transportar agua en una tubería y se debe a la resistencia al flujo que ofrecen las paredes del tubo, así también como cualquier tipo de accesorio o elemento que

oponga

resistencia al

flujo

como: válvulas,

conexiones, etc. por donde circula dicha agua. Esta resistencia depende de la velocidad a la que pasa el agua por el tubo o accesorio y a la rugosidad del tubo mismo. Esta rugosidad significa que entre más rugosa sea la pared mayor fricción tengo en la tubería y entre más velocidad del agua mayor fricción tengo también. En este momento podemos hablar ya de lo que se conoce como:  Presión dinámica o presión de operación, esta presión es variable en diferentes puntos de la tubería debido a estas pérdidas por fricción por la tubería y accesorios, así como la pérdida o ganancia por elevación. Debemos calcular nuestra bomba para obtener una presión mínima necesaria, que sea capaz de vencer todos los desniveles desde donde tengo el agua hasta donde la necesito llevar, así como vencer todas las perdidas por fricción tanto en la tubería de 36

conducción como en los accesorios, y así tener la presión necesaria en el punto de salida de línea para que un sistema de distribución de agua funcione adecuadamente. Para calcular las perdidas por fricción en tuberías existen fórmulas, las cuales atreves de una computadora las podemos calcular, y existen también tablas basadas en dichas formulas, que nos ayudan a determinar dicha fricción.

3.2.1

Terminología y Definiciones Básicas Antes de iniciar con la selección, es necesario definir los siguientes conceptos:  Nivel de referencia.- Es el plano horizontal definido sobre el cual asienta el cabezal de descarga. Algunas veces la línea del centro de la descarga es referida como la referencia y es aceptable, pero la distancia vertical entre la línea de centro de la descarga y el asiento del cabezal de descarga debe ser considerada.  Longitud de columna.- Es la distancia vertical nominal en pies o metros desde la base del cabezal de descarga a la conexión de la tubería de la columna en el tazón ensamblado  Longitud de la bomba.- Distancia entre el nivel de referencia y el punto más bajo de la bomba.  Nivel estático.- Es la distancia vertical entre el nivel de referencia y el nivel del agua cuando el equipo está parado.  Nivel dinámico.- Es la distancia vertical entre el nivel de referencia y el nivel que alcanza el agua en el pozo al caudal de bombeo cuando la bomba está operando.  Altura estática de descarga.- Es la distancia vertical a la que debe elevarse el líquido desde el nivel de referencia.  Altura estática de succión.- Es la distancia vertical entre la referencia y el nivel dinámico (no incluyen perdidas de fricción en la columna). 37

 Altura de velocidad.- Es la energía cinética del líquido bombeado por unidad de peso (se expresa en metros de 2

líquido) =

V 2g

 Altura de descarga.- Es la suma de la altura estática de descarga, las pérdidas en la tubería y accesorios desde la línea de referencia hasta el punto de descarga y la altura de velocidad.  Potencia.- Se define como energía por unidad de tiempo y esta expresada en unidades de caballos de fuerza o KW, Kilowatts Un caballo de fuerza es equivalente a 550 ft-lb por segundo, 33,000ft-lb por minuto, 2545 Btu por hora, o 0.746 (KW).  Potencia de Entrada Motor.- Es la potencia consumida por el elemento motriz o de entrada, expresada en caballos de fuerza o KW (Kilowatts). Cuando se trata de un motor eléctrico trifásico. KW =√ 3 x V x A x F P Dónde: V = Volts, A = Amperes, FP = Factor de Potencia  Potencia de Salida del Motor.- Es la potencia que el motor entrega en la flecha motriz y es la potencia de entrada por eficiencia del motor, la cual la da el fabricante de motores en sus curvas de rendimiento  Eficiencia del motor.- es la relación de potencia de salida o entregada entre potencia consumida o de entrada por el motor ya sea de combustión o eléctrico, y expresada en porcentaje.  Altura de campo.- Se define como la altura de descarga más el nivel dinámico al caudal de bombeo.  Altura de laboratorio o carga dinámica total (CDT).- Es la presión necesaria que deberá tener la bomba para 38

vencer la carga desde el nivel dinámico de bombeo hasta el punto más alto donde deseamos llevar el agua más todas las pérdidas por fricción y por carga de velocidad tanto en el cabezal como en la columna de succión y de descarga más la presión de operación que se llegara a necesitar a la salida de la tubería de descarga.  Eficiencia de laboratorio o eficiencia de los tazones.Es la eficiencia que se muestra en la curva de la performance

de

la

bomba,

(curva

característica)

incluyendo sus respectivas correcciones.  Gravedad especifica.- Es un término relativo que expresa la densidad de los fluidos haciendo referencia al agua.

3

Sg=

Densidad del liquido a bombear (lb/ft ) Densidad delagua (lb /ft 3)

Sg = Gravedad especifica De donde gravedad especifica del agua = 1.0  Potencia de laboratorio o de salida del ensamble de tazones o de la bomba.- Es la potencia en HP requerida en el extremo del eje del definido como: Pot .lab . ( HP )=

Caudal ( lps )∗Altura de Lab .(m) 76∗Efic .de Lab.

 Pérdidas de potencia en la flecha.- Es la potencia, expresada en caballos de fuerza (KW) requerida debido a la fricción de la rotación por las flechas a todo lo largo de la longitud de la columna.

39

30

 Potencia al freno, de entrada del ensamble de tazones o de la bomba.- Es la potencia requerida en el extremo superior del eje de transmisión, se define como la suma de la potencia de laboratorio más las pérdidas en el eje de transmisión.

Potenciaal freno=Pot . Lab+ Perdias en el eje

 Eficiencia de campo de la bomba.- Es la eficiencia del equipo completo, tomando en cuenta todas las pérdidas, Esta es la eficiencia que usualmente se muestra en la curva de operación de la bomba definido como:

Efic .campo ( HP )=

Caudal ( lps )∗Altura de campo(m) 75∗Pot . campo( HP)

 Perdidas de carga en la Columna.-

hc

, Es el valor de

la perdida de carga o presión expresada en pies o metros, provocada por la fricción debido a la velocidad del líquido en la tubería de la columna.  Empuje total (Thrust total).- Está compuesto por la suma del peso de todos los componentes en rotación en la bomba, el peso de los ejes y el empuje hidráulico. El empuje hidráulico depende del tipo de impulsor de la bomba, del líquido bombeado y del punto de operación. Se calcula como el número de etapas de la bomba por el empuje hidráulico generado por etapa indicado en la curva de performance de la bomba.

40

3.3

ELEMENTOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE UN EQUIPO DE BOMBEO Y OBTENCIÓN DE LA INFORMACIÓN NECESARIA Elección de una bomba Para seleccionar una bomba, sea grande o pequeña, centrifuga, reciprocante o rotatoria debemos dar respuesta a las siguientes preguntas: A. CONDICIONES DEL POZO  Aplicación de la bomba  Profundidad total del pozo (mts.)  Abatimiento.- Es la distancia vertical entre el nivel estático y el nivel dinámico

41

 Diámetro del ademe: del aforo directamente o del equipo de bombeo anterior  Nivel estático.- Es la distancia vertical entre el nivel de referencia y el nivel del agua cuando el equipo está parado.  Nivel dinámico.- Lo obtenemos del aforo, Es la distancia vertical entre el nivel de referencia y el nivel que alcanza el agua en el pozo al caudal de bombeo cuando la bomba está operando.

B. CONDICIONES DEL FLUIDO BOMBEADO  Fluido que será bombeado  Gravedad específica: Se obtiene pesando un decímetro cúbico del agua a bombear.  Temperatura del fluido a bombear en °C C. CONDICIONES HIDRAULICAS DE BOMBEO  Gasto.- Del aforo o gasto de diseño, es el volumen de agua o cualquier otro líquido que se bombea en un determinado tiempo puede ser en gal/min, lts /seg, etc.  Carga Dinámica Total (mts)  Longitud de columna (mts)  Tipo de lubricación: Lo sugerimos nosotros o directamente el usuario  Tipo de impulsor: Lo sugerimos nosotros o directamente el usuario  Altitud sobre el nivel del mar: Se debe conseguir si estamos bombeando en un lugar de excesiva altitud pues puede afectar el NPSH.  Presión de operación a la descarga de la bomba: Esta información puede estar previamente definida por el cliente o bien la calculamos.  Elevación Topográfica: Es el desnivel topográfico desde el cabezal de descarga hasta la descarga del agua. D. ELEMENTO MOTRIZ  Según el tipo de energía, se puede instalar una bomba eléctrica monofásica 220 voltios o trifásica 380 voltios, si no dispone de

42

electricidad se debe instalar una bomba a combustión ( gasolina, diésel)  Velocidad (rpm): Se sugiere inicialmente 1760 rpm que es la velocidad normal y posteriormente si de acuerdo a las condiciones de operación del equipo no se logran con esa velocidad se escogerá otra

3.3.1

Cuando se Trata de un Pozo Nuevo Lo correcto es practicar un aforo en dicho pozo, es decir determinar cuánta agua es capaz de dar y a que profundidad, lo 43

cual se logra con una bomba de prueba diseñada para tal fin y un motor de combustión al que podamos variar las revoluciones y experimentalmente tomamos los datos que arroje dicho aforo, que es básicamente el gasto que nos da el pozo a una determinada profundidad y a determinadas revoluciones por minuto que gira la flecha de la bomba.

3.3.2

Si se Trata de un Pozo que no es Nuevo Debemos tener los datos del equipo anterior.

3.4

ELEMENTOS DE LA CARGA DINÁMICA TOTAL (CDT)

La carga dinámica total de bombeo se define como la suma total de resistencias del sistema, correspondientes a la carga estática total, a la pérdida de carga por fricción en la tubería de succión y descarga, a la carga de velocidad y a la carga a presión. 44

CDT = carga estática + perdidas de fricción + Carga a velocidad + la carga a presión 1. La carga estática (he), está representada por la diferencia de nivel entre la superficie del líquido donde tiene que tomarlo la bomba y la superficie del líquido en el lugar de descarga ver fig. 2.3 - 2 y fig. 2.3 - 3 H e =hd ± h s

2. Perdidas por fricción (hf), las pérdidas de carga representan las pérdidas de energía como consecuencia de la resistencia que presentan las tuberías y accesorios a la circulación del líquido.

3. La carga de velocidad, está representada por el término

V2 2g ,

generalmente, en la mayoría de los casos no se la toma en cuenta, porque su valor es muy pequeño: a no ser en casos especiales en que la velocidad es muy alta (y por consiguiente la fricción es alta también),o la carga total es muy pequeña y el volumen de agua bombeado es muy grande

45

4. La carga a presión,

P ϒ

está representada por la presión

existente en la superficie del líquido y se expresa por metro de la columna de agua (m.c.a) equivalente a la presión existente. Si la presión dentro del tanque se eleva hasta un punto fijo máximo, dicha presión será la que se usará para encontrar la carga a presión máxima contra la cual deberá operar la bomba. Esta carga a presión en pies o metros, deberá añadirse a la carga estática, la carga debida a la fricción y la carga a velocidad, para determinar la carga dinámica total o carga total contra la que trabajará la bomba.

3.5

PERDIDAS HIDRÁULICAS Son las pérdidas asociadas con los problemas en tuberías tenemos: 

Las pérdidas de energía por fricción o rozamiento de cada una de las láminas del fluido, entre si o con las paredes del conducto,



llamadas también perdidas primarias. Las pérdidas que ocurren localmente en el disturbio del flujo llamada s "menores" o “secundarias”. La pérdida total de la carga hidráulica en el caso de un flujo en la tubería será la suma de pérdida debido a la fricción de la pared del tubo, más las pérdidas debido a las válvulas y conexiones entre otras y están compuestas por las pérdidas primarias y las pérdidas secundarias.

3.5.1

Perdidas Primarias

46

Estas son ocasionadas por el rozamiento que el fluido experimenta con la pared de la tubería por la que circula y al roce de las partículas entre sí. En la determinación de este tipo de pérdidas juegan un papel importante los factores siguientes:  El tipo de material y el acabado interno de la tubería, ya sea liso o rugoso.  El régimen en que se maneja el flujo del fluido si es laminar o turbulento. Un parámetro muy importante en el tipo de régimen del flujo del fluido es el número de Reynolds el cual involucra la velocidad, la viscosidad del fluido y el diámetro interno de la tubería. El número de Reynolds, se calcula por medio de la siguiente expresión cuya expresión se muestra a continuación, para tuberías de sección transversal circular:

Re =

v∗d υ

Dónde: v = Velocidad promedio del fluido en la tubería (m/s). d = Diámetro interno de la tubería (m). � = Viscosidad cinemática en (m2/s). Tipos de régimen de flujo: a) El régimen laminar se presenta con números de Reynolds inferiores a 2000 b) Una zona llamada crítica, comprendida entre 2000 < R < 4000. c) Un área designada de transición, están comprendidos 4000 < R < 11000 47

d) El régimen de flujo turbulento se presenta con números de Reynolds superiores a 11000 Para estimar las pérdidas primarias es necesario contar con los datos de rugosidad absoluta y el diámetro interno de la tubería. Con estos datos se calcula el valor de la rugosidad relativa por medio de la siguiente expresión:

Rugosidad relativa ɛ r =

ɛ d

Dónde: ɛ r =¿

Rugosidad relativa

ɛ = Rugosidad absoluta (mm) d = Diámetro interno de la tubería (mm) Con los valores del número de Reynolds y la rugosidad relativa, se determina el coeficiente de rozamiento en el diagrama de Moody Este coeficiente es útil para determinar las pérdidas primarias por medio de la ecuación de Darcy Weisbach: L 2 ∗V d hƒ=ƒ 2g

Dónde: hƒ ƒ=

= Pérdida de carga en tramos rectos de tubo Coeficiente de rozamiento

48

L=

Longitud total de tubería del mismo diámetro

d=

Diámetro interno de la tubería.

V=

Velocidad promedio del fluido

g=

Aceleración de la gravedad

Si existen cambios de sección transversal como diámetros de tubería se deben calcular las pérdidas de carga en cada sección El factor de fricción o coeficiente de resistencia de Darcy-Weisbach (ƒ) es un parámetro adimensional que se utiliza

para

calcular

la pérdida

de

carga en

una tubería debida a la fricción. El cálculo del factor de fricción y la influencia de dos parámetros (número de Reynolds Re y rugosidad relativa ε r) depende del régimen de flujo En régimen laminar, el factor de fricción es independiente de la rugosidad relativa y depende únicamente del número de Reynolds, el factor de fricción se calcula como:

ƒ=

64 Re

Para régimen turbulento el coeficiente de fricción depende además de Reynolds, de la rugosidad relativa de la tubería que representa la altura promedio de las irregularidades de la superficie interior de la tubería. Colebrook y White (1939) combinaron diversas expresiones y propusieron una única expresión para el coeficiente de fricción

que

puede

turbulento. 49

aplicarse

a

cualquier

régimen

ɛ 1 2.51 =−2 lo g r + 3.7 R e √ ƒ √ƒ

(

)

Esta ecuación tiene el inconveniente de que el coeficiente de fricción no aparece de forma explícita y tiene que recurrirse al cálculo numérico (o a un procedimiento iterativo) para su resolución. Posteriormente

otros

autores

ajustaron

los

datos

experimentales y expresaron el coeficiente de fricción en función del número de Reynolds y de la rugosidad relativa con una formula explicita.

Barr: ɛ r 5.1286 1 =−2 lo g + 3.7 R 0.89 √ƒ e

(

)

Haaland:

[( )

ɛr 1 =−1.8 lo g 3.7 √ƒ

1.11

+

6.9 Re

]

Una forma de hallar el factor de fricción de manera directa es con esta fórmula se cometen errores inferiores al 1% con respecto a la fórmula de Colebrook y White

ƒ=

0.25

[ (

ε 5.74 log + 0.9 3.7 D Re

2

)]

Es para condiciones

10−6 ≤

50

ε ≤ 10−2 y 5000 ≤ Re ≤108 D

Moody (1944) consiguió representar la expresión de Colebrook-White en un ábaco de fácil manejo para calcular "f" en función del número de Reynolds (Re) y actuando la rugosidad relativa (εr) como parámetro diferenciador de las curvas: Dicho diagrama es la representación (en escala logarítmica), de las dos ecuaciones anteriores, y permite determinar el valor de ƒ en función del número de Reynolds y la rugosidad relativa, ver Fig. 2.4.1 – 1 La utilización de este diagrama permite: a. Determinar el valor del factor de fricción (f) para ser utilizado en la ecuación de Darcy. b. Resolver todos los problemas de pérdidas de carga primarias en conductos de cualquier diámetro, cualquier material, y para cualquier caudal. c. Puede utilizarse en conductos de sección no circular, sustituyendo el diámetro (D) por el radio hidráulico (Rh)

51

Régimen turbulento completamente desarrollado, para números de Reynolds muy altos la importancia de la subcapa limite lamina disminuye frente a la rugosidad y el coeficiente de fricción pasa a depender solo de la rugosidad relativa (von Karman 1938).

ɛ 1 =−2 lo g r 3.7 √ƒ

( )

3.5.2

Perdidas Secundarias Las pérdidas de carga secundarias o de forma son ocasionadas por la resistencia que presentan al paso del fluido los accesorios del arreglo de tuberías (reducciones, válvulas, estrangulaciones, expansiones, cambios de dirección, etc.). El cálculo de las pérdidas locales de los accesorios se obtiene como una pérdida de la velocidad del fluido por medio de la siguiente expresión:

h s=k

V2 2g

Dónde:

h s = Pérdida de carga local del accesorio (m) K

= Coeficiente de resistencia del accesorio (adimensional) 52

V

= Velocidad del fluido m/s

G

= Aceleración de la gravedad m/s2

Método de la Longitud Equivalente  Un método no completamente exacto pero válido a efectos de estimar las pérdidas de carga localizadas consiste en expresarlas en forma de longitud equivalente (Le), es decir, valorar cuántos metros de tubería recta del mismo diámetro producen una pérdida de carga continua que equivale a la pérdida que se produce en el punto singular.  El método de "longitud equivalente" consiste en evaluar la caída de presión que se genera a través de un accesorio de tubería y determinar una longitud de tubería recta que genere la misma cantidad de pérdida. Una vez determinada la longitud equivalente de los accesorios, se determina la carga de presión por medio de la siguiente fórmula.

hT =ƒ

( L+ Ʃ Le ) V 2 . D

2g

Dónde: hT Ʃ Le

=

Pérdida de carga =

Suma del total de longitudes de tubería recta

equivalente de los accesorios. ƒ=

Coeficiente de fricción de la tubería

D=

Diámetro interno del tubo

V=

Velocidad del fluido 53

g=

3.6

Aceleración de la gravedad 9.8 m/s2

LA CARGA DINÁMICA TOTAL (CDT) Para determinar la carga dinámica total del sistema, se hace uso de la ecuación de Bernoulli, y que aplicada a un sistema de bombeo como el mostrado en la figura 2.5 - 1. Se tiene la siguiente expresión

1. Nivel superior del agua en el poso de aspiración 2. Nivel superior del agua en el depósito de impulsión s. Entrada de la bomba d. Salida de la bomba.

2

2

P1 V 1 P V + +Z 1 +CDT −hƒ = 2 + 2 + Z 2 ϒ 2g ϒ 2g 1 →2

54

Dónde: P1 y P2

: Presión sobre la superficie del líquido en los puntos 1 y 2 respectivamente.

V1 y V2

: Velocidad que experimenta el fluido en los puntos 1 y 2 respectivamente.

Z1 y Z2

: Alturas de succión y descarga respectivamente.

CDT

: Carga dinámica total que la bomba tiene que desarrollar para Conducir. El fluido del depósito 1 al depósito 2 a la capacidad determinada.

hƒ

1 →2

:

Pérdidas totales de carga que el líquido experimenta en La tubería de Succión y descarga

ϒ

: Densidad del fluido a la temperatura de bombeo.

G

: Aceleración debido a la gravedad

De la ecuación anterior tenemos que la carga dinámica total será:

CDT =

P 2−P1 V 2−V 21 + ( Z 2−Z1 ) + hƒ + 2 ϒ 2g 1→2

En sistemas atmosféricos P1 = P2 y para fines prácticos se considera la velocidad de succión, V1 = 0 despreciable, por lo que tenemos: Para sistemas con carga de succión:

CDT =( Z 2−Z 1 ) +h ƒ

1 →2

V 22 + 2g

Para sistemas con altura de succión

55

2

CDT =( Z 2+ Z 1 )−h ƒ + 1 →2

V2 2g

Estos conceptos ya se explicaron en la sección de definiciones y conceptos de hidráulica pero podemos revisarlos brevemente de la siguiente manera: 1. Elevación Es el nivel máximo al cual deseamos llevar el agua con respecto al cabezal de descarga 2. Fricciones en columna Son las pérdidas de carga, generadas por el rozamiento que existe entre las paredes del tubo debido a la velocidad del agua que circula dentro de él y a la rugosidad. 3. Fricciones en conducción Son las pérdidas de carga, generadas por el rozamiento que existe entre las paredes del tubo de descarga debido a la velocidad del agua que circula dentro de él, así como en los accesorios que existan en el trayecto de la descarga o conducción después del cabezal de descarga. 4. Nivel Dinámico.- Es la distancia vertical desde el cabezal de descarga o nivel de superficie, hasta el nivel del agua cuando se encuentra en operación el equipo de bombeo 5. Presión de operación Es la presión que se requiere en el último punto de salida del agua, expresada en: MTS o PIES (Recordemos que: 1 kg/cm2 = 10 mts y 1 Lb/Plg2 = 2.31 Pies) puede esta presión de operación ser cero si deseamos el agua a descarga libre. Para fines de calcular la fricción en la columna de la bomba proponemos un diámetro inicial de acuerdo a la tabla 1 que luego ratificaremos en el diseño del tubo de columna. Y para la conducción posterior al cabezal longitud adicional, normalmente nos vamos a un diámetro mayor al de columna de la bomba, aunque todo depende de un análisis de fricciones y económico entre el costo de la tubería y el costo de energía de caballaje adicional. GASTO

DIAMETRO DEL TUBO DE

lts./seg:

COLUMNA 56

5 – 12 3 12 – 20 4 20 – 40 6 40 – 70 8 70 – 110 10 110 – 160 12 Tabla A Diámetro inicial propuesto 3.7

DISEÑO DEL CUERPO O ENSAMBLE DE TAZONES El ensamble de los tazones es el corazón de la bomba de turbina vertical. El impulsor y la carcasa de están diseñados para desarrollar de la manera más eficaz posible la altura dinámica y la capacidad que su sistema requiere. El hecho de que el diseño de la bomba de turbina vertical está basado en etapas múltiples, ofrece una gran flexibilidad en la selección inicial de la bomba y permite modificar la capacidad de la bomba para adaptarla a las necesidades futuras. Ver fig. 2.6 – 1.

Consiste con una o varias etapas

diseñados para reunir los

requerimientos de carga del sistema, existe una amplia variedad de

57

tamaños de bombas para cubrir el gasto necesario del sistema de bombeo. Con el gasto de diseño, buscamos la curva de operación que nos dé mejor eficiencia, y tratando de quedar en el lado izquierdo del punto de mejor eficiencia Debemos siempre, tomar en cuenta el diámetro del ademe, para así poder localizar la curva de operación de acuerdo a la familia del modelo de tazón que corresponde, tomando en cuenta el diámetro máximo disponible.

3.7.1

Calculo de la Caga por Paso y Numero de Pasos En la curva de operación seleccionada ver fig. 2.6.1 - 1 nos posicionamos en el gasto de diseño y trazamos una línea vertical hasta tocar la curva de operación, de mayor diámetro, obteniendo el porcentaje de eficiencia de ese punto de operación. Luego trazamos una línea horizontal en dirección a la carga total, la cual nos va a dar el número de metros que eleva un paso de dicho modelo de tazón-impulsor, y obtenemos el Nª de pasos dividiendo la CDT entre la carga que nos da por paso a la eficiencia del punto de operación. Esa eficiencia sin embargo no es la real a la que trabajara nuestra

bomba,

por

lo

consideraciones al respecto.

58

que

hay

que

hacer

algunas



La Eficiencia real es a la que va a trabajar realmente nuestra bomba, hasta ahora solo tenemos el punto de eficiencia obtenido en el inciso anterior, la cual es una eficiencia con tazón esmaltado y con un numero de pasos tal, que no hay necesidad de corregir dicha eficiencia.

59

Pero debemos analizar, los puntos de eficiencia que hay que disminuir por no. de pasos y por no ser esmaltado, dato que podemos ver en las tablas de la curva de operación. La eficiencia de la curva de operación menos los puntos restados nos dará la nueva eficiencia o eficiencia real. Para saber cuál es la carga real por paso obtengo un factor de corrección el cual es la división de la eficiencia real entre la eficiencia de la curva de operación, con este factor lo multiplico por la carga por paso sin corregir, para obtener la carga real por paso y de aquí obtenemos el no de pasos real. También tenemos que hacer la corrección por concepto de gravedad específica, es decir que si la gravedad especifica del agua es diferente a 1.0 tenemos que obtener un segundo factor de corrección que es igual a la gravedad especifica del agua destilada (1.0) entre la gravedad especifica del agua que se pretende bombear. Lo anterior matemáticamente hablando será:

c.p.p.2 = F1 x F2 x c.p.p. 1

ecu……….a)

Dónde:

F 1=

ef 2 ef 1

Y

F 2=

g1 g2

c.p.p.2 = carga real o ajustada por paso

60

Dónde: ef2

=

ef1 menos los puntos por tazón no esmaltado y menos los puntos por los números

de

pasos de nuestra bomba. ef1

=

Es la eficiencia obtenida en las curvas de operación.

g1

=

Gravedad especifica del agua destilada = 1.0

g2

=

Gravedad

especifica

del

agua

que

se

pretende bombear. c.p.p.1 =

Carga por paso teórica obtenida en las curvas de operación.

Nº de pasos = CDT/(c.p.p.2) (el entero mayor de esta división) Ecu………………………b) Recorte del impulsor Si la carga real por paso multiplicada por el Nº de pasos es muy diferente a la C.D.T. requerida, (esto es porque se toma el entero mayor de la división), debemos corregirla y la manera de hacerlo es mediante un recorte del diámetro del impulsor. Es decir disminuir un poco el diámetro del impulsor para que disminuya su carga por paso y la CDT sea más cercana a la que requerimos realmente. Para calcular el recorte de un impulsor debemos hacer un proceso inverso o sea: partir primero de obtener la carga real por paso, es decir la carga dinámica total dividida entre 61

el Nº de pasos obtenidos anteriormente (ec. b), con esa carga real por paso obtenemos la carga teórica por paso dividiendo la carga real por paso entre los factores de corrección obtenidos en la (ec. a) O sea: c.p.p2 = CDT/No de pasos c.p.p1 = c.p.p2 / (F1 x F2).

Es decir obtenemos una solución de tipo grafica Solo debemos de tomar en cuenta los factores de corrección F1 y F2 mencionados anteriormente basados en disminuir la eficiencia a una eficiencia real y en la gravedad especifica real del agua a bombear. Antes de continuar vamos analizar 5 puntos que pueden quedar en la zona de operación con sus respectivas características ver fig. 2.6.2 – 2.

a) El punto se sitúa sobre la curva de diámetro máximo del impulsor, esta bomba no tiene posibilidad de 62

aumentar su gasto y la carga en el caso de una verificación o una alteración en las perdidas de carga de la línea o se requiera una ampliación de capacidad. b) Punto situado sobre el diámetro mínimo implica que esta sobre dimensionada para las

condiciones de

operación. c) El punto se encuentra muy a la izquierda de la línea de máximo

rendimiento,

la

bomba

esta

sobre

dimensionada, si la potencia es alta las pérdidas de energía son sensibles Un alto desplazamiento de este punto implica un gran esfuerzo radial que puede provocar un contacto entre las partes

fijas y móviles de la máquina, con el

consecuente deterioro de la bomba. El punto situado muy a la izquierda provoca un alto calentamiento en el fluido por bajo rendimiento y a la vez una presión de vapor alta que puede afectar la carga de aspiración de la bomba con la posible cavitación. Para corregir esto, es necesario poner bypass entre la descarga y la aspiración y así proteger el equipo de bombeo. d) El punto ligeramente a la izquierda será, el punto óptimo porque en caso de querer aumentar el gasto y la carga, quedaría en el máximo rendimiento. e) El punto a la derecha implica una

bomba

subdimensionada, al aumentar el gasto disminuiría el rendimiento con los mismos efectos del inciso c).- en cuanto al deterioro de equipo.

63

3.8

CÁLCULO DE LA POTENCIA CONSUMIDA Siempre las curvas de operación nos muestran ciertos diámetros típicos de operación de impulsor a ciertos diámetros típicos, a medida que el impulsor tiene menor diámetro, la curva tiene menor carga a un determinado gasto. La primera curva es la que corresponde al diámetro nominal del impulsor, debemos ubicar o interpolar la curva en la que nuestro impulsor operara, esto se logra ubicando de una manera relativa el diámetro nuevo (determinado en la sección anterior), contra el diámetro nominal en la curva de operación. Existe una curva de caballaje por paso también de acuerdo al diámetro del impulsor, con la cual obtenemos los caballos de potencia consumidos por el equipo, en la parte inferior de la curva de operación del modelo seleccionado ver fig. 2.6.1 - 1. Estos caballos se obtienen, trazando una línea vertical del gasto en dirección a la curva elegida, tomando en cuenta también el recorte si lo hubo, de este punto trazamos una línea horizontal y obtenemos los HP que nos consume un paso de dicho modelo de tazón-impulsor. Este valor lo multiplicamos por el Nº de pasos obtenidos en la sección anterior y obtendremos los hp totales consumidos por nuestra bomba en cuestión. Esta potencia obtenida es la potencia que requiere la bomba en la flecha. A esta potencia se deberá agregar la potencia perdida en la flecha de acuerdo a la tabla N° "1"

64

3.8.1

Análisis de la Flecha de Tazones Debemos tener en cuenta que la potencia que nos consume nuestra bomba, no debe exceder los límites de resistencia a la torsión que tiene la flecha del ensamble de tazones. Esta resistencia depende del diámetro de la misma flecha, la velocidad de rotación a la que funciona, el empuje axial máximo a que está sometida dicha flecha y del material de construcción. Para analizar nuestra flecha de tazones, en la tabla Nº 2 nos indica a que diámetro de flecha corresponde cada modelo de 65

tazón-impulsor, tenemos que tomar en cuenta la potencia en la flecha que ya calculamos en el punto anterior, y el empuje axial, ya que el diámetro de flecha del ensamble de tazones deberá ser mayor o igual la diámetro mínimo permisible que aparece en la tabla 4, de otro modo se tendrá que consultar a la fábrica para realizar un diseño especial.

60 66

L1 = Longitud flecha de tazones lubricación agua L2 = Longitud flecha de tazones lubricación aceite SL = Longitud de succión IL = Longitud intermedia DPL = Longitud de descarga de la bomba

3.8.2

Calculo del Empuje Axial Debemos calcular el empuje axial al que está sometida la flecha del cuerpo de tazones, el cual es el empuje hacia abajo ocasionado por la reacción al girar los impulsores, dato que

67

aparece en la tabla Nº 3 en kg/mts de carga y depende del modelo del tazón, más el peso del impulsor mismo. La longitud de la flecha de tazones, está dada por: Longitud de la flecha = Longitud de flecha en la succión (A) + Longitud de tazón intermedio x No. de tazones intermedios (B) + Longitud de la flecha en descarga (C) + Proyección. Proyección.- En el caso de lubricación agua es de 10" En el caso de lubricación aceite es de 20" de los cuales los primeros 10" lleva una funda o cubierta. El sentido de la resultante depende de la magnitud de cada componente, siendo en condiciones normales de operación en sentido contrario al ingreso del fluido. Sin embargo cuando una bomba está operando con un caudal excesivo, la “fuerza hacia arriba” puede superar a la “fuerza hacia abajo” especialmente en turbinas Cortas y con impulsor cerrado.

68

En la tabla Nº 3 nos muestra el empuje axial y el peso del impulsor según el modelo de la bomba.

El factor K y el peso del impulsor es la constante necesaria para calcular el empuje hidráulico desarrollado por la bomba por efecto de reacción al bombear el líquido, el peso del impulsor incluye cono y flecha.

69

3.9

DISEÑO DE LA COLUMNA DEL EQUIPO 3.9.1

Tubo de Columna La columna conecta al cabezal de descarga y el ensamble de la bomba se une como un sello convencional tanto en lubricación en agua como en aceite la columna también es parte integral de la bomba y es maquinada a precisión para un alineamiento correcto entre las flechas de líneas chumaceras y ensamble de tazones. De acuerdo al gasto que nos solicitan, elegimos el diámetro de tubo con la tabla A El diámetro de tubo elegido debe acoplar con el tazón de descarga, si no coincidieran, se hace un acoplamiento mixto chequeándolo con la fábrica, ya que es una restricción que debemos tomar en cuenta.

3.9.2

Transmisión Aquí el único problema es calcular el diámetro de la flecha de nuestra transmisión, y el diámetro a seleccionar va en relación a los H.P. que va a consumir nuestra bomba.

Lubricación por Agua Nombre de la Parte Material Estándar Tubo de columna. Acero al carbón Coples de tubo Acero al carbón Flecha intermedia. CR-1045 Coples de flecha. CR-1018 Mariposas. Bronce SAE 40 Hule P/Mariposa. Neopreno.

70

Nombre De la Parte. Tubo de columna. Coples de tubo. Flecha intermedia. Coples de flecha. Cubiertas Chumaceras Estabilizador

Lubricación por Aceite Mat. Estándar Acero al carbón Acero al carbón CR-1045 CR-1018 Acero al Carbón Bronce, SAE 40. Neopreno.

Longitud. 3.05 Mts. Varios. 3.05 Mts. Varios. 1.52 Mts. -

La tabla Nº.4, nos indica los caballos de potencia máximos que resiste una flecha a un determinado diámetro, estos HP ya fueron calculados en el paso 2.7, lo único que debemos hacer es escoger un diámetro que este dentro del rango de resistencia de la flecha. En el caso de que nuestros Hp se encuentren muy cerca de los valores que nos limitan el diámetro de nuestra flecha se recomienda a criterio seleccionar el diámetro siguiente. Se debe tener mucho cuidado al escoger nuestra transmisión ya que es un elemento muy importante de nuestra bomba.

71

Para un diseño más preciso debemos tener en cuenta el empuje axial en los tazones y el peso mismo de las flechas, para obtener los kg de fuerza a los que está sometida dicha flecha, dependiendo del tipo de lubricación.

3.9.2.1

Ensamble de la Columna, en Caso de Lubricación por Agua Nuestra flecha tiene una longitud 120 pulgadas (3.05 Mts), las cuales se unirán a otra flecha del mismo diámetro por medio de un cople. Esta flecha tiene un metalizado donde deberán trabajar las mariposas, estas 72

mariposas o porta chumacera tienen en su interior un buje o chumacera de hule cuya función es la de lubricar con el agua misma a la flecha. La función de la mariposa es la de estabilizar la flecha cuando gira, tal como se muestra en la figura 2.8.2 - 1

3.9.2.2

Ensamble de la Columna, en Caso de Lubricación por Aceite Nuestra transmisión cuando es lubricación aceite consta de una flecha cuya longitud es 3.05 MTS. Y se une por medio de un cople a otra flecha. Cada transmisión o columna

interior,

tiene

dos

chumaceras,

dichas

chumaceras tienen la función de unir las cubiertas y lubricar las flechas. Las cubiertas tienen una longitud de 1.52 MTS que es la mitad de una flecha y su función es la de alojar a la flecha para que no esté en contacto con el agua, y pueda lubricarse con el aceite, que viene desde el gotero que está en el cabezal de descarga, y para que las chumaceras por medio de las venas que se encuentran en su interior permitan ir lubricando dicha flecha. Al mismo tiempo tiene una función de estabilización, evitando vibraciones que pudiera ocurrir. Entre las cubiertas y el tubo de columna se colocan cada tres tramos de cubierta un estabilizador, el cual es de neopreno y su función es la de amortiguar los movimiento radiales de las cubiertas, al estar en movimiento la flecha. Tal como se muestra en la figura 2.8.2 - 2

73

69

74

75

TRANSMISIÓN MOTRIZ Nuestra transmisión motriz tiene una longitud de 3.05 mts., la cual tiene la particularidad que en un extremo de ella cuenta con un cuerda acmé, la cual nos permite ajustar el juego axial en los impulsores por medio de la tuerca de ajuste, esta tuerca tiene en cada una de sus caras un opresor para así evitar que se descalibre nuestra bomba cuando ya está perfectamente calibrada. En la cuerda acmé tiene la flecha por uno de sus lados un cuñero y una cuña de arrastre, esta permite que el movimiento de motor se trasmita a nuestra flecha. También cuenta con un metalizado que se encuentra a la altura del estopero (cuando se trata de lubricación agua) y por ultimo tiene un cople y un niple para unirse a nuestra flecha intermedia. Tal como se muestra en la figura 2.8.2 – 3. Cuando es lubricación aceite, se tiene una cubierta superior que esta roscada en su exterior, y que sirve para tensar la totalidad de la cubierta, por medio de una tuerca tensora alojada en el cabezal de descarga. Tal como se muestra en la figura 2.8.2 – 4.

76

77

78

3.9.3

Estiramiento Debido al Empuje Axial y Juego Axial La flecha de la columna de la bomba (no la de los tazones), experimenta un fenómeno de estiramiento, debido a que los impulsores producen una reacción o empuje hacia abajo, así como por el efecto del peso mismo de la flecha de la columna, por lo cual debemos calcular este fenómeno, para por medio de la tuerca de ajuste compensar dicho estiramiento y eliminar el peligro de que dichos impulsores arrastren sobre el tazón así como para que nuestros impulsores trabajen en el lugar óptimo de eficiencia .

FORMULA PARA CÁLCULO DE EMPUJE HIDRAULICO Para calcular el empuje total al que está sujeta la flecha motriz de una bomba tenemos que sumar el empuje hidráulico más el peso de las flechas y los impulsores.

ET =( K x CDT x SG ) + ( SW x Longitud de la columna en pies )+ ( WI x Etapas )

En donde: K=

Constante de empuje hidráulico depende de

CDT= SG = SW =

la geometría y diseño de cada impulsor lb/ft Carga Dinámica Total en pies Gravedad específica del líquido a bombear Peso de la flecha en lbs por cada pie ver

WI =

tabla Nº 7 Peso del impulsor con cono y sección de flecha de acuerdo a tabla Nº 3

79

El resultado de esta operación es el empuje hacia abajo, solo falta considerar el peso mismo de la flecha y para obtener la elongación de la flecha por cada 100 ft de flecha de columna con el empuje total se calcula con la siguiente formula:

E=

L x 12 x H .T e x G. S . A

En donde: E= L= H.T = e= G.S.A=

Elongación de flecha ( Pulg ) Longitud de flecha (ft) Empuje hidráulico en lbs Módulo de elasticidad = 29,000,000.00 Área transversal de la flecha = (pi x d x d)/4 resultado en Pulg cuadradas y se introduce el diámetro de la flecha en Pulg.

Para la calibración de los impulsores sólo necesitamos saber el empuje hidráulico pues este actúa al operar el equipo, el empuje debido al peso de las flechas actúa desde que se está instalando

80

y la elongación extra que es la que se calibra adicionando al juego axial óptimo opera hasta estar en operación. Luego la tabla Nº 6 nos relaciona la carga axial total y el diámetro de la flecha, obteniendo el estiramiento por cada 100 pies, y así obtenemos el estiramiento total.

81

La fuerza hacia abajo, provocada por la carga hidráulica de la bomba, provoca que la flecha se alargue al estar la bomba en operación.

A menos

que

los

impulsores

se

hallen

lo

suficientemente separados de su asiento en el tazón para permitir este alargamiento y dejar además una holgura entre ellos y el anillo de desgaste del tazón, habrá rozamiento entre las partes móviles y las fijas, con la que la bomba se desgastará y consumirá exceso de potencia.

82

3.10

DETERMINACIÓN DEL CABEZAL DE DESCARGA Este es de acuerdo al diámetro del tubo utilizado. Sus partes son: Estopero, prensa empaque, empaque grafitado, bridas tanto succión como descarga y en lubricación aceite además de estos elementos también lleva estrella, depósito y conexiones tal como se muestra en las figuras 2.9 - 1 y 2.9 - 2

83

3.11

CÁLCULO DEL ELEMENTO MOTRIZ El elemento motriz es el motor que dará la potencia para poner a funcionar el equipo de bombeo, puede ser eléctrico o de combustión interna. Lo debemos escoger de acuerdo al caballaje que consume nuestro equipo y tomando en cuenta las perdidas mecánicas en las flechas y nunca limitado, pues corremos riesgo de forzarlo.

3.12

CONSIDERACIONES DE INGENIERÍA Este punto es para obtener algunos datos críticos de diseño en el equipo de bombeo, que siempre hay que tomar en cuenta en lo que respecta a condiciones de operación y diseño.

3.12.1 Carga Neta de Succión Positiva NPSH El NPSHR requerido.- Es la carga neta positiva absoluta requerida en metros, que deberá existir en la succión de la bomba para prevenir la vaporización o cavitación del fluido. Esta cantidad de carga en metros depende del diseño y geometría del impulsor y lo define el fabricante en sus curvas de operación. Dicha carga varía de acuerdo al gasto y es basada en agua clara y con una gravedad especifica de 1.0 Para obtener el NPSH requerido, existe una curva que se encuentra dentro de las curvas de operación, en la parte inferior de estas. El valor en metros, lo encontramos trazando una línea vertical partiendo del gasto en dirección a la curva y de este punto trazamos una línea horizontal y obtenemos el NPSH requerido. El NPSHD disponible.- Es la carga neta Positiva absoluta que se dispone en metros en la succión de la bomba, Depende de las características de la instalación y del líquido a bombear. Esta es

84

independiente del tipo de bomba y se calcula de acuerdo a las condiciones atmosféricas y de instalación/operación. El NPSHD depende de la carga de succión o elevación, la carga de fricción, y la presión de vapor del líquido manejado a la temperatura de bombeo. Si se varía cualquiera de estos puntos, la NPSH puede alterarse. El siguiente paso es obtener el NPSHD (NPSH Disponible) que se calcula de la siguiente manera. Ver fig. 2.11.1 – 1

Dónde: 1.

Patm. :

Presión

atmosférica

(PATM)

en

metros en el lugar de instalación la cual depende de la altura sobre el nivel del mar en el lugar de instalación. 2. h v : Carga de velocidad en metros de agua en la succión. (Normalmente es despreciable). 3. h s : Carga estática en mts. sobre o bajo el nivel del primer impulsor. Siendo esta carga positiva si el nivel del líquido esta sobre el impulsor o negativa si está bajo el nivel de primer impulsor. (Sumergencia o Desnivel) 4. h f : Todas las perdidas por fricción en metros incluyendo válvulas y accesorios que hubiera entre el primer impulsor y la conducción de succión 5. Pv : Presión de vapor del agua bombeada a la temperatura del agua bombeada, expresada en mts de carga (adjuntamos tabla). NPSH D=P atm. + hv −P v ± hs−hf

Para obtener dicho NPSHD, se debe siempre tomar un punto de referencia constante; en el que se harán las mediciones de presión o carga en metros ya sea, a favor (+), 85

82

o en contra (-), que en el caso de las bombas verticales se toma como punto de referencia la entrada de agua en el primer impulsor de la bomba. La carga de velocidad de agua en la succión es normalmente es despreciable de la ecuación anterior tenemos que: NPSH D=P atm. −Pv ± h s−h f NSHPD con carga de succión negativa.-siendo esta carga negativa si el nivel del líquido está bajo el nivel de sumergencia o desnivel

NPSH D=P atm−( P v + hs +h f ) 1.

= Presión atmosférica 2. = Carga estática de succión 3. = Perdidas por fricción 4. = Presión de vapor NPSHD con carga de succión positiva.- siendo esta carga positiva si el nivel del líquido esta sobre el nivel de sumergencia o desnivel

NPSH D=P atm. + hs−( V p+ hf )

1. = Presión atmosférica 2. = Carga estática de succión 3. = Perdidas por fricción 4. = Presión de vapor Por

lo

tanto

sumando

y

restando

los,

elementos

mencionados anteriormente obtenemos el NPSHD el cual 86

deberá siempre ser al menos un metro mayor que el NPSHR para no tener problemas de cavitación. NPSHD> HPSHR

Debido a la discusión anterior, la temperatura, la gravedad específica y el nivel de sumergencia requerido tiene una gran importancia ya que si la bomba no se encuentra con un NPSH disponible mayor que el NPSH requerido, se tendrá el fenómeno de cavitación, el cual hace que por condiciones de presión y temperatura dentro del impulsor, se generen burbujas dentro del mismo, que al pasar a una zona de baja a una de alta presión estallan, generando daños importantes al impulsor y al funcionamiento de la bomba En la tabla Nº 7 se puede observar cómo la altura sobre el nivel del mar varía junto con la presión atmosférica, estos dos factores están involucrados en la succión que realizan las bombas para agua y tomarlos en cuenta al calcular la bomba adecuada.

La tabla Nº 8 se ilustra cómo cambia la presión del vapor con respecto a la temperatura, tomarlo en cuenta para los cálculos para prevenir daños en el sistema como la cavitación. 87

3.13

PROCEDIMIENTO PARA EL CÁLCULO a) Elaborar un isométrico del sistema, en caso de no tenerlo, elaborar un esquema con los niveles y acotaciones correspondientes. b) Anotar en la hoja de cálculo las propiedades del líquido a bombear. c) Determinar las pérdidas de presión en las líneas de succión y descarga. d) La velocidad recomendada para el agua en la línea de succión es de 1.5 m/s,

La velocidad recomendada para el agua en la línea de

descarga es de 1,5 a 2,5 m/s  Determinar diámetros de tuberías con los valores de velocidad 

elegidos. Determinar el número de Reynolds y el factor de fricción con

ayuda del diagrama de Moody.  Colocar las longitudes de tubería (L), las conexiones con sus longitudes equivalentes (Le) y determine la longitud total equivalente a partir del isométrico. e) Determine la carga total.

CAPÍTULO IV: ASPECTOS

TÉCNICOS

PARA

DISEÑO DE EQUIPOS DE BOMBEO

4.1

EJEMPLO DE APLICACIÓN

88

EL

Se necesita seleccionar una bomba para suministrar agua para riego de parcelas agrícolas con un caudal de 80 lps.

4.2

DATOS BÁSICOS Gasto Nivel dinámico Nivel estático Tipo de lubricación Tipo de impulsor Velocidad de operación Fluido a manejar Temperatura Altitud Presión de operación

58 l/s 30 mts. 21 mts. Aceite Cerrado 1760 rpm Agua 20º C 500 m.s.n.m A descarga abierta

Ejemplo de cálculo Diagrama esquemático

Lo primero que hacemos es definir el Nº de tramos, lo cual hacemos una aproximación inicial de 10 mts. Adicionales al nivel dinámico y con la tabla A se propone un diámetro de tubería de columna de acuerdo al gasto de diseño.

89

En nuestro caso escogemos 13 tramos (39.65 mts) de columna y 10” de diámetro. Con esta información procedemos al cálculo de la carga dinámica total.

4.3

CALCULO DE LA CARGA DINÁMICA TOTAL (CDT)

∅∫ . =0.203 m

∅nominal =8 L Q=58 =0.058 m3 / s s

V=

 V=

Q A

Pero

π D2 A= 4

→

V=

4Q πD 2

Sustituyendo valores tenemos que:

4 ( 0.058 ) =1.79 m/s π ( 0.203 )2

4.3.1 Obtención de la Rugosidad Absoluta y Rugosidad Relativa Datos: Acero al Carbón cedula 40 ε = 0.05 mm D = 203 mm ε 0.05 mm = =2.46 x 10−4 D 203 mm

Rugosidad relativa

90

εr =

ε D

;

ε r =2.46 x 10−4 Adimensional

4.3.2 Calculo del Número de Reynolds Datos Re =

Re =¿ ?

VD 1.79 x 0.203 = υ 1.003 x 10−6

υ=1.003 x 10−6 m2 /s Re =362283.15

D = 0.203 m

Re =3.62 x 105

4.3.3 Obtención del Factor de Fricción en Tubería Con los valores obtenidos del Nº de Reynolds y la rugosidad relativa, buscamos en el Diagrama de Moody el factor de fricción. a) MÉTODO GRÁFICO 

Para tubería de acero de 8" Ø tenemos: Re =3.62 x 10

5

ε =¿ 0.000246 d ƒ b) MÉTODO ANALÍTICO

91

= 0.0164

ƒ=

Utilizando la ecuación:



0.25

[ (

ε 5.74 lo g + 3.7 D R0.9 e

)]

2

Para tubería de acero de 8" Ø tenemos: ∅∫ . =203 mm Re =362283.15 ε ƒ=

= 0.05 mm 0.25

[ (

0.05 5.74 log + 3.7 x 203 362283.150.9

ƒ=0.01636



Sumatoria de los tramos de tubería recta

De la fig.3.2. 3 – 1 tenemos:

92

)]

2

ƩL=( 39.65+ 10+ √ 200+ 10+ √ 244+1+0.7 )

L = 91.09 mts.



Sumatoria de las perdidas en accesorios

Longitud equivalente Le/D Le (m) Piezas 13 3.302 2

Accesorio Válvula de compuerta (totalmente abierta) Codo 45º T en línea con derivación

16 60

4.064 15.24

Resultado 6.604

4 1

16.256 15.24

ƩLe =

38.10

por circulación

4.3.4 Cálculo de las Pérdidas Primarias y Secundarias Datos: D = 0.203 m V2 = 1.79 m/s L(tuberia)=102.95m Le = 38.10 m ƒ = 0.01636 g = 9.81 m/s2

Ahora aplicamos la ecuación hƒ =ƒ T

[

2 L+ ƩLe V 2 D 2g

]

93

1.79 ¿ ¿ ¿2 ¿ ( 86.95+38.10 ) hƒ =0.01636 ¿ 0.203 T

[

]

hƒ =1.70 mts . T

4.3.5 Cálculo de la Carga Estática Teniendo las elevaciones en la fig. 3.2.5 – 1

Z1 = altura de succión Z2 = altura de descarga Z 2−1=Z 2−Z 1

Z 2−1=( 30+10+ 12 )−0

Z 2−1=52 m

94

4.3.6 Cálculo de la Caga de Velocidad Datos V1 = o V2 = 1.79 m/s hV =

V 22 ( 1.79 )2 = 2 g 2 ( 9.81 )

hV =0.1633 m

4.3.7 Cálculo de la Carga Dinámica Total CDT =hest .desc . +hƒ +hV T

CDT = 52 + 1.70 + 0.163 = 53.81 mts. CDT = 53.86 m.c.a

4.4

CÁLCULO DEL ENSAMBLE DE TAZONES 4.4.1 Calculo de la Carga Real por Paso y Nº de Pasos Con el gasto de diseño 58 L/s busco en las curvas de operación el más eficiente, en este caso 11WH – 1C, con su curva de operación obtengo los siguientes datos: Carga por paso = 20.10 m Eficiencia = 85.8 % Potencia por paso = 16.48 HP Nº de pasos = 53.86/20.10 = 2.679 o sea 3 pasos.

95

Puntos de eficiencia a quitar = 2 % por tazón no esmaltado y por Nº de pasos no hay necesidad de quitar ningún punto en eficiencia. Con esta información procedemos a obtener el factor de corrección en la carga por paso: Fl = (85.8 - 2.0)/85.8 = 83.8/85.8 = 0.98 Para el factor de corrección por densidad o gravedad especifica: F2 = 1.0 es decir no hay necesidad de corregir por gravedad especifica dado que esta es 1.0 Por lo que la carga ajustada por paso será: 20.10 x 0.98 = 19.69 mts/paso Y el Nº de pasos ajustados será: 53.86/19.69 = 2.735 pasos o sea 3 pasos. Y la carga que nos dará este ensamble de tazones será: 3 x l 9.69 = 59.07 mts. Lo cual excede ligeramente la C.D.T. de diseño que es de: 53.86 mts. Si esta carga excediera demasiado de la C.D.T. de diseño, debemos pensar en la opción de recortar el impulsor, para lo cual seguimos un proceso inverso es decir dividir la C.D.T. entre los 3 pasos

96

53.86/3 = 17.99 mts por paso Ajustamos la carga por los puntos de eficiencia a restar, dividiendo entre el Factor de eficiencia Fl mencionado arriba es decir: 17.99/0.98 = 18.34 mts/paso. En lugar de 20.10 mts/paso en diámetro nominal. Ahora intersecto en la curva de operación los 58 l/s Con los 18.34 mts y obtengo un punto ligeramente abajo de la curva de diámetro nominal y hago una interpelación entre el diámetro de curva nominal, el punto de operación y diámetro de curva más cercana hacia abajo, diámetros que obtengo de la curva de operación.

4.5

CÁLCULO DE LA POTENCIA CONSUMIDA Con la potencia por paso solo la multiplico por el Nº de pasos:

16.48 hp x 3 pasos = 49.44 HP Ahora, calculamos las perdidas en la flecha, tomando en cuenta que son 130 pies de columna y con la tabla "A"

0.53 x l3O/lOO = 0.69 hp Por lo que la potencia total consumida por la bomba es:

49.44 + 0.69 = 49.13 HP

4.6

ANÁLISIS DE LA FLECHA DE TAZONES 97

Aquí vemos en la tabla Nº 2 que el modelo l1WH cuenta con una flecha de 1-1/2"; la bomba, Consume 49.13 hp de acuerdo a la tabla Nº 4 dicha flecha nos resiste Perfectamente.

4.7

TUBO DE COLUMNA De hecho el tubo de columna ya lo seleccionamos al calcular la fricción en la columna con la tabla A, solo lo confirmamos y es de 8". En caso que la fricción fuera excesiva pudimos haber seleccionado un diámetro mayor. Debemos chequear que la descarga del cuerpo de tazones ensamble con la columna, esto lo vemos en el cuadro de especificaciones de tazones, tabla 2 que en el caso del 11WH es 8" por lo que si hay un ensamble correcto de otra manera se tiene que recurrir a conexiones especiales (reducciones) Para hacerlo ensamblar.

4.8

TRANSMISIÓN De acuerdo a la tabla 4 y con la velocidad de operación (1,760 RPM) vemos que debemos tener flecha de 1" que resiste hasta 71.36 hp y nosotros solo consumimos 49.13 hp. La transmisión motriz deberá ser del mismo diámetro 1".

4.9

ANÁLISIS DEL EMPUJE AXIAL Y ESTIRAMIENTO DE LA FLECHA El empuje axial de un ensamble 11WH de 3 pasos con 53.81 mts de carga así como el peso de los impulsores y las flechas serán de acuerdo a la tabla siguiente: Empuje axial Kg = 592.46

11.0 kg/mts. x 53.86 mts. 5.4 kg/impulsor x 3 98

Estiramiento Pulg. 0.069

impulsores 12.38 kg/flecha x 13 tramos

= 17.7

Total

= 160.94 = 771.10

despreciable

El estiramiento por concepto del peso de la flecha es lo que hay que "levantar la transmisión" con la tuerca de ajuste antes de arrancar, pero el estiramiento por el empuje axial de los impulsores existe cuando la bomba está en operación ya hay que tenerlo en cuenta cuando hagamos el ajuste inicial de los impulsores para compensar dicho estiramiento y dejar un espacio adicional entre y el impulsor y el tazón para evitar que exista rozamiento. 4.10

CABEZAL DE DESCARGA Tendrá que ser del mismo diámetro de la columna, en este caso 8" por lo que deberá ser 8 x 8 x l6 l/2, que significa 8" de succión 8" de descarga y 16 l/2" del plato del ensamble del motor eléctrico o cabezal de Engranes.

4.11

CÁLCULO DE LARGA NETA POSITIVA DE SUCCIÓN En nuestra curva de operación aparece la gráfica de NPSH requerido, en este caso en 58 l/s es de 2.89 mts. Solo debemos calcular el NPSH disponible el cual tendrá que ser mayor para evitar la cavitación. Presión atmosférica 500 m.s.n.m = 9.73 m. Sumergencia de la bomba:

h s=39.65−30=9.65 m .

Presión de vapor a la temperatura de bombeo 20º C = 0.9982 m Fricciones en la succión = no hay pues normalmente no hay accesorios en la succión excepto el colador de fábrica que se considera despreciable tal fricción. NPSH D=P atm. −Pv +h s+ hƒ 99

NPSH D=9.73−0.238+ 9.65+0

NPSH D=19.142 mts .

Por lo que es mayor que el requerido no hay ningún problema de cavitación.

CAPÍTULO V: MATERIALES Y EQUIPOS NECESARIOS

5.1

VERIFICACIÓN DEL POZO Antes de intentar instalar la bomba, se debe verificar cuidadosamente el pozo para asegurarse de que el ademe tenga el diámetro, la profundidad y alineación requeridas, Se sugiere que esta prueba se haga bajando al interior del pozo un tramo de tubo cuyo diámetro coincida con el cuerpo de tazones y cuya longitud sea una y media la del mismo cuerpo de tazones. Si este tubo se puede bajar hasta la profundidad requerida, se puede suponer que el pozo será adecuado para la bomba en cuestión. Asegurarse que el pozo sea vertical y no esté torcido, en caso que el perforador del pozo no suministre este dato deberá verificarse antes de instalar la bomba.

5.2

LA CIMENTACIÓN

100

A. Se recomienda especialmente que se construya una cimentación ampliamente dimensionada de concreto, alrededor del pozo antes de instalar la bomba. Téngase en cuenta que la alineación original de la flecha durará tan solo el tiempo que la cimentación soporte la bomba en una posición estable ver fig. 4.3 – 1

B. El espesor de la cimentación debe ser el adecuado para proveer la rigidez requerida, y el área de suelo ocupada debe ser suficiente para dar un asiento estable. El área espesor mínimos se determinan por medio de dos factores: 1. La firmeza de la tierra en el lugar en cuestión, considerando los Efectos adversos que puedan tener las lluvias y las eventuales inundaciones. 2. El peso total del equipo cuando se halla lleno de agua, lo que Equivale a: PESO TOTAL DE LA CIMENTACIÓN = PESO DE TODAS LAS PARTES DE LA BOMBA + PESO DE LA COLUMNA DE AGUA. C. Las cimentaciones estructurales, en ciertas ocasiones, pueden ser satisfactorias si se construyen adecuadamente. En algunos casos puede ser satisfactoria una combinación de concreto y elementos estructurales. Lo que se debe evitar siempre son las cimentaciones estructurales (ya sean de madera o metálicas) apoyadas sobre un suelo

inestable;

seguramente

101

sufrirán

deslizamientos

y/o

combaduras y pandeamientos, lo que provocará desalineamientos que perjudicaran la bomba.

D. Los pernos de cimentación (anclas) no se requieren si la bomba tiene una presión de descarga inferior a 10 psi. y una longitud de columna inferior a los 50 pies si están accionadas por un motor eléctrico, una turbina de vapor o un cabezal engranado en ángulo recto. E. Observe las reglas usuales, correspondientes en lo que se refiere a la mezcla, componentes, colado y tiempo de fraguado de las cimentaciones de concreto. Permita como mínimo 48 horas .de fraguado antes de iniciar la instalación de la bomba.

5.3

DESCARGA DEL EQUIPO Sea cuidadoso al descargar el equipo, asegúrese que los estrobos están correctamente colocados para prevenir cualquier accidente que pueda ocasionar daños personal o a la bomba. A. Si la bomba es relativamente corta, puede ser conveniente instalar la tubería de la columna, la cubierta y la flecha directamente al descargarlos del camión que ha trasportado el equipo al pozo.

102

B. B. Si la bomba que se va a instalar es mayor, será necesario descargarla del vehículo de transporte. Para esto, despeje un área alrededor del pozo como área de trabajo para depositar las partes de la bomba y para prepararlas para su instalación, Coloque una serie de tablas paralelas en el suelo para colocar sobre ellas los tramos de la columna y las flechas. Ver fig. 4.4 – 1

5.4

INSTALACIÓN DEL TUBO DE SUCCIÓN 1. Fije la grapa elevadora cerca del extremo superior del tubo de succión, aproximadamente medio metro separado de la rosca. Esta posición evitará distorsión de los hilos y facilitará ensamblar la unión roscada.

107

2. Cuidadosamente haga bajar el tubo de succión al interior del ademe hasta que la grapa elevadora descanse en los polines. Quite el estrobo. Véase fig. 4.5 - 1

103

5.5

INSTALACIÓN DEL CUERPO DE TAZONES Ize el cuerpo de tazones directamente sobre el tubo de la succión. Lubrique la rosca del tubo de succión y la del tazón de succión del cuerpo de tazones con un compuesto para roscas o con aceite automotriz. Baje cuidadosamente el cuerpo de tazones y acople las roscas

manualmente

hasta

estar

seguro

de

que

embonan

correctamente. Use una llave de cadena para apretar firmemente la unión.

5.6

INSTALACIÓN DE LA COLUMNA DE DESCARGA Instalar por tramos los ejes de la columna interior y los tubos de la columna exterior de acuerdo con el manual de instalación del fabricante. La columna está formada por la columna interior y la columna exterior, la columna exterior comprende los tubos exteriores que se conectan entre sí por medio de uniones roscadas La columna interior formada por el eje de transmisión y la funda (solo en el caso de las lubricadas por aceite) está centrada en la columna exterior por medio de los separadores de jebe (arañas) Haga rodar el primer tramo de columna completo, (con la cubierta y la flecha en su interior), hasta una posición adecuada para izarlo con la

104

grúa, Sujete la grapa elevadora en su extremo superior inmediatamente abajo del cople Sujete la cubierta y la flecha del tubo con una soga. Haga un nudo marino un medio metro por arriba del extremo inferior del tubo, y luego haga un doble nudo sencillo hacia la derecha sobre la cubierta y luego en sentido contrario, hacia la izquierda, un doble nudo sobre la rosca de la flecha. El resto de la soga se debe dejar colgar para usarlo para tensar los nudos durante la operación. Si se prefiere, el amarre al tubo se puede hacer por medio de una grapa de garganta, cuidando que el tornillo de fijación no maltrate la rosca labrada en el extremo del tubo. Véase fig. 4.7 - 1

Instalación de la columna de descarga

105

Introduzca el eje de la columna inferior dentro de la funda inferior y estos últimos dentro de la columna exterior inferior mientras se iza el tramo de columna, la parte inferior del mismo deberá ir guiado por un cable o soga operado por la grúa. El extremo inferior deberá ser guiado manualmente para evitar que se arrastre y maltrate. Ize la columna sobre el pozo. Baje cuidadosamente el tramo hasta el que extremo inferior de la flecha descanse perfectamente a escuadra sobre el cople de la flecha del tazón limpie la rosca perfectamente y lubríquela con compuesto para roscas o con aceite automotriz y asegúrese de que los extremos de las flechas asientan uno contra otro firmemente. Así que si la columna interior y su eje no están centrados, es preciso verificar las uniones de las columnas y de los ejes. Los cortes de las mismas así como la rectitud del eje. Se debe seguir armando hasta no tener esa condición correcta. Para cada una de las siguientes secciones el proceso de armado es el mismo.

5.7

INSTALACIÓN DEL CABEZAL DE DESCARGA Una vez que están instalados todos los tramos de columna y la bomba en el pozo, el siguiente paso consiste en preparar el cabezal de descarga, el tramo superior de columna y la flecha motriz para su instalación. Por medio de un estrobo levantar la cabeza en posición vertical encima de la columna. Asegúrense de que la rosca está limpia y libre de suciedades. Al bajar el cabezal de descarga hacia la columna, cuide de no golpear ni rayar el tramo superior de flecha que sobresale de la columna, ya que la flecha podría resultar dañada de un modo definitivo. 106

Una vez que el cabezal de descarga se ha instalado, use siempre las orejas integrales con el cabezal para levantar la sección superior de la columna sobre la bomba; en caso de que no se disponga de orejas en el cabezal en cuestión, pase el estrobo por las aberturas del cabezal, cuidando que éste no interfiera con la flecha. Entonces, utilizando el estrobo, girar la bomba completa hasta poner el centro de la línea de descarga en su posición correcta, levantar la bomba, sacar las abrazaderas y bajar la bomba sobre la base

5.8

ALINEACIÓN DE LA BOMBA La alineación precisa entre el cabezal de descarga y la flecha es una condición Indispensable para una operación exenta de vibraciones y para una larga vida del equipo. Si la flecha de la bomba no cuelga libre y a plomo en el pozo, caso típico de un pozo ligeramente desalineado. La bomba deberá estar suspendida libremente desde los cimientos y no deberá ser forzada tanto al introducirla en el pozo y tampoco al nivelarla

107

con los cimientos. Un mal alineamiento causará vibraciones y fuerte desgaste en la bomba.

5.9

INSTALACIÓN DEL ELEMENTO MOTRIZ En la figura 4.10 - 1 se muestra un elemento motriz de flecha hueca típico (esto puede ser un cabezal engranado o un motor eléctrico) acoplado a la flecha motriz de la bomba.

Desde un lado del motor, inspeccione la superficie y el registro de acoplamiento al cabezal de descarga y limpie perfectamente dichas superficies. En caso de que halle alguna rebaba o golpe en ellas, apoye el motor sobre dos tablas y por medio de una lima fina corrija estas fallas. Baje lenta y cuidadosamente el elemento motriz, cuidando de que la flecha de la bomba pase libremente por el barreno de la flecha hueca sin golpearse ni rayarse. Lubrique el elemento motriz siguiendo las instrucciones del fabricante.

108

Conecte provisionalmente el motor, (en caso de estar montando uno), el voltaje del motor aparece en su placa. NO USE NINGUN OTRO VOLTAJE. Realice la conexión definitiva del motor según las marcas puestas en las terminales para asegurar la rotación correcta. En caso de que exista alguna duda vuelva a verificar MOMENTANEAMENTE la rotación. Todas las conexiones se deben aislar según las normas de los códigos de seguridad locales.

5.10

INSTALACIÓN DEL TUBO DE DESCARGA La tubería de descarga se debe soportar independientemente de tal modo que su sujeción no imponga ninguna carga adicional al cabezal de descarga. Cualquier esfuerzo transmitido al cabezal de descarga, puede provocar desalineaciones con el consiguiente perjuicio para el equipo.

5.11

INSTALACIÓN DEL SISTEMA DE LUBRICACIÓN a. Bombas lubricadas por aceite.- En las bombas accionadas por motor eléctrico la válvula solenoide del gotero se activa al arrancar el motor. La válvula de solenoide está diseñada para permitir el flujo de aceite cada vez que se arranca el motor. El voltaje de la válvula de solenoide está indicado en su placa. NO CONECTE A NINGUN VOLTAJE DIFERENTE AL INDICADO. En las bombas accionadas motor a combustión y cabezal de engranajes se debe abrir el gotero manualmente b. Bombas lubricadas por agua.- El eje de transmisión de la bomba necesariamente debe prelubricarse antes de arrancar la bomba. Al presionarse el botón de encendido en el tablero de control, se abre 109

la válvula del solenoide permitiendo que el agua del tanque bañe el eje. Transcurrido el tiempo previamente temporizador la va válvula solenoide se cierra y se enciende el motor.

5.12

ARRANQUE DE LA BOMBA Antes de intentar arrancar la bomba verifique que los siguientes puntos estén listos: -

Nivel de aceite en el depósito.

-

Todas las conexiones apretadas correctamente.

-

Prelubricación de las chumaceras.

-

Lubricación del elemento motriz.

-

Conexiones del motor eléctrico, (de haberlo).

-

Conexión de la válvula de solenoide, (de haberla).

-

Acoplamiento del cabezal engranado al motor, (de haberlo).

-

Ajuste de los impulsores.

-

Conexión de la tubería de descarga.

- Conexiones de refrigeración del motor, (de haberlas). -

Válvula en la tubería de descarga (debe estar abierta).

Arranque la bomba. EN CASO DE QUE SE NOTE UNA VIBRACION EXCESIVA O DE QUE EL MOTOR SE SOBRECALIENTE, DETENGALA INMEDIATAMENTE. Determine la causa del problema y corríjala antes de intentar un nuevo arranque de la bomba. Cuando la bomba ha estado parada por un tiempo superior a una semana, deje fluir el aceite durante dos horas antes de arrancar la bomba de nuevo.

5.13

MANTENIMIENTO

110

Definido como el conjunto de operaciones para que un equipamiento reúna las condiciones para el propósito para el que fue construido. El operador de la planta tiene la responsabilidad de asegurar que todos los trabajos de mantenimiento, inspección y ensamble sean realizados por

personal

capacitado

y

autorizado

que

esté

familiarizado

adecuadamente con todo lo concerniente con esta máquina. 

Todas aquellas acciones llevadas a cabo para mantener la bomba en una condición adecuada o los procesos para lograr esta condición. Incluyen acciones de inspección, comprobaciones, clasificación, reparación, etc.



Conjunto de acciones de provisión y reparación necesarias para que un elemento continúe cumpliendo su cometido.



Rutinas recurrentes necesarias para mantener unas instalaciones en las condiciones adecuadas para permitir su uso de forma eficiente, tal como está designado.

5.13.1

Tipos de Mantenimiento Mantenimiento correctivo Mantenimiento correctivo, aquel que corrige los defectos observados en los equipamientos o instalaciones, es la forma más básica de mantenimiento y consiste en localizar averías o defectos y corregirlos o repararlos. Cabe destacarse que este tipo de actividad es llevada a cabo por individuos que ostentan una vasta experiencia y un profundo conocimiento respecto del equipo en tanto, el trabajo implicará una serie de acciones que generalmente parten de la inspección del equipo. Mantenimiento preventivo 111

El

mantenimiento

preventivo

puede

definirse

como

la

programación de actividades de inspección del equipo, funcionamiento, inspección y calibración que deben llevarse a cabo en forma periódica. La característica principal de este tipo de mantenimiento es la de inspeccionar el equipo, detectar la falla en su fase inicial y corregirlas en su momento oportuno. Con un buen mantenimiento preventivo se obtiene experiencia en diagnóstico de fallas y del tiempo de operación seguro de un equipo. Mantenimiento predictivo Que realiza las intervenciones prediciendo el momento que el equipo quedara fuera de servicio mediante un seguimiento de su funcionamiento determinando su evolución, y por tanto el momento en el que las reparaciones deben efectuarse. Ventajas más importantes del mantenimiento predictivo 1. Las fallas se detectan en sus etapas iniciales por lo que se cuenta con suficiente tiempo para hacer la planeación y la programación de las acciones correctivas. 2. Las técnicas de detección del mantenimiento predictivo son en su mayor parte técnicas "on-condition" que significa que las inspecciones se pueden realizar con la maquinaria en operación a su velocidad máxima. 3. El mantenimiento predictivo es mantenimiento proactivo ya que permite administrar las fallas antes de que ocurran en operación y no después. El requisito para que se pueda aplicar una técnica predictiva es que la falla incipiente genere señales o síntomas de su existencia, tales como; alta temperatura, ruido, ultrasonido, vibración, partículas de desgaste, alto amperaje, etc. 112

5.14

PROBLEMAS DE SERVICIOS Y SUS CAUSAS Posibles problemas de servicio y sus causas que generalmente son responsables de estas anomalías y su posible solución.

1. La bomba no arranca Causa probable a) No hay corriente eléctrica.

-

Posible solución Reestablecer la corriente

-

eléctrica. Ajustar el impulsor. Verificar si el voltaje

-

correcto en todas las líneas. -Consultar con el proveedor del

b) Ajuste incorrecto de la bomba. c) Bajo voltaje.

d) Motor dañado.

es

el

motor.

2. No sale líquido, no sale suficiente líquido o no hay suficiente presión. Causa probable a) Válvula de descarga cerrada.

-

b) Velocidad del motor muy lenta.

-

c) Rotación errónea.



d) Obstrucción en la tubería.

e) Nivel dinámico por debajo del Primer impulsor. f) Carga dinámica total CDT, rebasa Diseño del equipo de bombeo.

g) Cuerpo de tazones dañado. 113

 



Posible solución Asegúrese que la válvula de descarga esté completamente abierta. Voltaje reducido o corriente reducida. Revise la rotación, esta debe ser en contra de las manecillas del reloj, viendo desde arriba el motor. Extraiga la bomba, inspeccione el colador, el juego de tazones y la tubería. Incremente la profundidad de la bomba agregando un tramo de columna. Controle el nivel dinámico del pozo, consulte con el fabricante la necesidad de agregar pasos a la bomba. Extraiga la bomba y repare los



h) Cavitación



i) Impulsores ajustados muy arriba.



j) Aire o gas en el líquido



k) Operación inadecuada de Bombas en paralelo.

componentes dañados. No hay suficiente NPSH disponible, incremente la profundidad de la bomba agregando un tramo de columna. Ajuste los impulsores adecuadamente. Arrancar y detener la bomba, si no hay solución reducir el flujo de agua. Revise el cálculo del sistema de bombeo.

3. La bomba funciona a veces Causa probable a) Se bombea un líquido con mayor Viscosidad de lo previsto. b) Falla mecánica

Posible solución  Verificar la viscosidad del líquido. - Verificar si hay daño en bujes, -

impulsores y elementos roscados. Destape el colador. Alinee a bomba.

c) Colador tapado d) Mala alineación

4. La bomba consume demasiada potencia Causa probable a) Impulsor dañado b) Objeto dentro del cuerpo de Tazones. c) Se bombea un líquido con mayor Viscosidad de lo previsto. d) Desperfecto en bujes. e) Prensaestopas apretado

114

-

Posible solución Inspecciónelo y reemplácelo si está dañado. Retirar el objeto. Verificar la viscosidad del líquido. Verifique que los bujes no aprieten la flecha. Afloje el prensaestopas.

5. La bomba hace demasiado ruido y vibración en exceso. Causa probable a) Cavitación

-

b) Flecha doblada c) Bujes desgastados. d) Mala alineación de los Componentes. (Impulsores, bujes, tensión en la tubería). e) Mal ajuste del juego axial.

-

f) Pozo torcido. g) Problemas de cimentación 6. El estopero o prensaestopa

se

Posible solución No hay suficiente NPSH disponible, incremente la profundidad de la bomba agregando un tramo de columna. Enderece la flecha. Reemplace bujes. Verifique estos componentes para detectar anomalías. Verificar el ajuste de la bomba. Utilizar equipo de bombeo de menor diámetro exterior. Haga verificar la cimentación.

desgasta

o

calienta

muy

rápidamente. Causa probable a) Empaque defectuosa. b) Empaque ajustado. c) Lubricación insuficiente

115

Posible solución - Reemplace los empaques defectuosos. - Afloje los birlos del estopero. - Revise que la los empaques estén lo suficientemente flojos para permitir una leve fuga.

CAPÍTULO VI:

6.1

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

CONCLUSIONES 

Se logró con el objetivo de obtener una bomba y motor eléctrico que cumplan con el requerimiento de del gasto de diseño de 0.058 m 3/s con una eficiencia y potencia aceptable



Las cuales no se exceden con respecto a su

consumo. Se

considera para dicho análisis la carga dinámica total en donde se proponen accesorios que permitan el desplazamiento del líquido sin sufrir grandes pérdidas por fricción haciendo eficiente la bomba 

El fabricante es el responsable de la eficiencia de los equipos a utilizar, por lo que la persona que la instalará, tendrá la tarea de hacer los cálculos y estudios necesarios para evitar en gran medida las pérdidas por fricción utilizando los elementos adecuados.



En una bomba, es importante comprender la forma en la que varían la capacidad, la cabeza y la potencia cuando la velocidad o el diámetro del impulsor cambia.



La selección adecuada de bombas para cualquier aplicación, entre la variedad de estilos, tipos y tamaños puede ser difícil para cualquier persona, usuario e incluso, ingeniero.



La mayoría de las bombas centrífugas pueden operarse a diferentes velocidades para obtener capacidades variadas.



La importante de conocer la variedad de tipos de materiales para la construcción de una bomba y las condiciones ambientales en el lugar donde será instalada.

116

BIBLIOGRAFIA Libros: 1. Kenneth J. McNaughton. Bombas, selección, uso y mantenimiento. México. Mc Graw Hill. 1989. 2. Mataix Claudio, Mecánica de fluidos y máquinas hidráulicas, 2a ed. España, Ediciones del Castillo, 1986. 3. Zabicaray Viejo, Manuel. Bombas, teoría, diseño y aplicaciones. 2a ed. México. Limusa. 1979 4. E. A. Brun, A. Martinot Lagarde y J. Marthieu. Mecánica de los fluidos. Tomos 1 y 2. España. Labor, 1,979. 5. I. Karassik, R. Cárter, bombas centrifugas selección, operación y mantenimiento. México. C.E.C.S.A., febrero 1980 6. E. A. Brun, A. Martinot Lagarde y J. Marthieu. Mecánica de los fluidos. Tomos 1 y 2. España. Labor, 1,979. Red: 1. ftp//ftpconagua.gob.mx…/Diseño%20%de%20instalaciones %20mecanica Diseño de Instalaciones mecánicas. 2. www.flowerse.com/files/literature/...Pumps/71516 pdf Bombas de turbina vertical. www.hidrostal.com.pe/...turbinas/manual-bomba-turbina-VLT_v.f12-07p Bomba turbina vertical 3. www.warson.com/?p=47 6/10/2009 la Bomba de turbina vertical de flecha 4. www.bombabnj.com.mx/pdf/manualagua.pdf manual de instalaciones, operación y mantenimiento. 5. https//es.scrib.com/doc/142018804/flujo-de-fluidos-crane.pdf flujo de fluidos manual CRANE

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6. hechoenmexicob2b.com/uploadedimages/15016414/Producto0-espe.pdf Bomba vertical tipo turbina con motor externo eléctrico vertical manual instalación, mantenimiento y operación. 7. www.warson.com/downloads/manuales/mantenimiento.pdf manual de instalación y mantenimiento-warson 8. maquinashidraulicasunefm.bligoo.es/.../Como-leer-la-curva-

caracteristica...Rendimiento como leer la curva característica de una bomba.

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