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UNIVERSIDAD TECNOLOGICA EQUINOCCIAL
Extensión Santo Domingo
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERIA
CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
Tesis previa a la obtencion del título de:
INGENIEROS ELECTROMECÁNICOS
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE PRUEBA HIDRÁULICO
DE PRESIÓN CONSTANTE MEDIANTE UN H.M.I. PARA EL
LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS DE LA UNIVERSIDAD
TECNOLOGICA EQUINOCCIAL.
Estudiantes:
CEVALLOS VASQUEZ PAOLO ISRAEL
VELASCO PEREZ FRANCISCO MARCELO
Director de Tesis:
ING. HOLGER ZAPATA
Santo Domingo– Ecuador
Agosto, 2012
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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE PRUEBA HIDRÁULICO
DE PRESIÓN CONSTANTE MEDIANTE UN H.M.I. PARA EL
LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS DE LA UNIVERSIDAD
TECNOLOGICA EQUINOCCIAL.
Ing. Holger Zapata DIRECTOR DE TESIS
APROBADO Ing. Marcelo Estrella PRESIDENTE DEL TRIBUNAL Ing. Jorge Terán MIEMBRO DEL TRIBUNAL Ing. Javier Díaz MIEMBRO DEL TRIBUNAL Santo Domingo…….de……………………….del 2012.
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Del contenido del presente trabajo se responsabilizan los autores.
Cevallos Vásquez Paolo Israel
C.I. 1003161369
Velazco Pérez Francisco Marcelo
C.I. 1716010945
Autores: CEVALLOS VÁSQUEZ PAOLO ISRAEL VELASCO PÉREZ FRANCISCO MARCELO Institución: UNIVERSIDAD TECNOLOGICA EQUINOCCIAL Título de Tesis: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE PRUEBA HIDRÁULICO DE PRESIÓN CONSTANTE MEDIANTE U H.M.I, PARA EL LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS DE LA UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL. Fecha: Agosto, 2012
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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL Extensión Santo Domingo
INFORME DEL DIRECTOR DE TESIS
Santo Domingo…….de………………………del 2012. Ingeniero Marcelo Estrella COORDINADOR DE LA CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA Estimado Ingeniero Mediante el presente tengo a bien informar que el presente trabajo bajo el tema:
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BANCO DE PRUEBA HIDRAULICO
DE PRESION CONSTANTE MEDIANTE UN H.M.I. PARA EL
LABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS DE LA UNIVERSIDAD
TECNOLOGICA EQUINOCCIAL, propuesto por los señores Cevallos Vásquez
Paolo Israel y Velazco Pérez Francisco Marcelo, doy fe que ha sido elaborado bajo
mi supervisión y control, luego de haber sido concluido el tratamiento de los contenidos
se encuentra en condiciones de ser defendido.
Particular que comunico a usted para los fines pertinentes.
Cordialmente,
Ing. Holger Zapata DIRECTOR DE TESIS
v
AGRADECIMIENTO
A la UNIVERSIDAD TECNOLOGICA EQUINOCCIAL, a la escuela de
Electromecánica por darme la oportunidad de ingresar a sus aulas y cumplir una meta de
mi vida.
A los profesores que me guiaron durante todos mis años de estudio, en especial al Ing.
Alfredo Zapata e Ing. Jorge Terán, los cuales permitieron que este proyecto se concluya
con éxito
Paolo Cevallos.
Deseo expresar mis más sinceras muestras de agradecimiento:
A Dios por estar conmigo en todo momento, guiarme por el camino del bien, fortalecer
mi corazón por darme sabiduría para continuar y por haber puesto en mi camino
aquellas personas que han sido soporte y compañía en lo largo de mi vida.
A mis padres y hermanos por creer y confiar siempre en mí, porque siempre me han
apoyado y han estado estimulándome para no decaer en la lucha incansable de
superarme día a día.
A la Ing. Holger Zapata, por permitirme realizar esta tesis apoyada en su dirección, por
sus consejos, amplios conocimientos y experiencias para el desarrollo del presente
trabajo investigativo.
A los catedráticos de “UTE”, por compartir sus conocimientos.
Marcelo Velasco.
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DEDICATORIA
A mis padres los cuales pusieron su confianza en mí dándome la oportunidad, de
ingresar a la institución ya que con todo su sacrificio no me dejaron de apoyar.
Paolo Cevallos.
Dios Creador y padre celestial, por darme la oportunidad de vivir, sabiduría y
encaminarme por la dirección indicada para finalizar esta etapa de mi vida.
Mis queridos padres Apoyos fundamentales en mi vida, por su amor, comprensión y
apoyo absoluto, motivándome para formarme como profesional.
Mis Hermanos María de los Ángeles, Luis Israel por ser parte de mi motivación.
Marcelo Velasco.
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ÍNDICE
Portada I Aprobacion de los miembros del tribunal II Responsabilidad del autor. III Aprobación del director de tesis IV Agradecimiento V Dedicatoria VI Índice VII Índice de tablas XI Índice de figuras XII Resumen XIV Summary XVI
CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN
1.1. Planteamiento del problema 1 1.1.1. Diagnóstico 1 1.1.2. Pronóstico 1 1.1.3. Control del pronóstico 2 1.1.4. Formulación 2 1.1.5. Sistematización 3 1.2. Objetivos 3 1.2.1. Objetivo general 3 1.2.2. Objetivo especifico 3 1.3. Justificación 4 1.4. Marco de referencia 4 1.4.1. Marco teórico 4 1.5. Marco temporal/espacial 8 1.6. Idea a defender 8 1.6.1. Variables e indicadores 9 1.6.1.1. Variables 9 1.6.1.2. Indicadores 9 1.7. Metodología de la investigación 9 1.7.1. Diseño de investigación 9 1.7.2. Métodos de investigación 10 1.7.3. Fuentes y técnicas de investigación 10
CAPÍTULO II MARCO DE REFERENCIA
2.1. Antecedentes 11 2.2. Conceptos básicos 12 2.2.1. Fluido 12 2.2.2. Presión. 12 2.2.3. Hidrodinámica 13
viii
2.3. Ecuación de bernoulli generalizada 14 2.4. Tuberías y válvula 15 2.4.1. Válvulas. 15 2.4.1.1. Válvulas de compuerta. 16 2.5. Collarines 16 2.6. Válvulas de solenoide. 17 2.7. Perdidas en conductos o tuberías 17 2.7.1. Perdidas primarias 18 2.7.2. Perdidas secundarias 18 2.8. Golpe de ariete 18 2.9. Cavitación 18 2.10. Rendimiento o eficiencia 19 2.11. Turbo máquinas hidráulicas 20 2.11.1. Generalidades 20 2.11.2. Máquinas hidráulicas 20 2.11.3. Clasificación de las máquinas hidráulicas 21 2.11.4. Máquinas térmicas 21 2.11.4.1. Bombas rotodinamicas 22 2.11.4.1.1. Definición 22 2.11.4.1.2. Clasificación de las bombas 22 2.11.4.2. Elementos constitutivos 23 2.11.4.3. Curvas características de las turbomaquinas hidráulicas 24 2.12. Bomba sumergible 26 2.12.1. Características y funcionamiento 26 2.12.2. Aplicaciones de las bombas sumergibles 27 2.12.2.1. Pozos 27 2.12.2.2. Cisternas, depósitos y pantanos 27 2.12.2.3. Fuentes ornamentales y estanques 28 2.13. Dispositivos de control 28 2.13.1. El uso de los instrumentos en la industria 28 2.13.2. Instrumentación y medición de flujos 30 2.13.2.1. Medidores de flujo de carga 30 2.13.2.2. Manómetros 31 2.13.2.3. Transductores 32 2.13.2.4. Variadores de velocidad 34 2.13.2.5. Plc`s (programable logia controller). 35 2.14. Sistema scada 37 2.14.1. Definiciones del sistema scada 38 2.14.2. Funciones del sistema scada 38 2.14.2.1. Sistemas de bombeo hidroneumático 39 2.14.3. Sistemas de tanque a tanque 41
CAPÍTULO III DISEÑO DEL BANCO DE PRUEBA HIDRÁULICO DE PRESIÓN
CONSTANTE MEDIANTE UN H.M.I. 3.1. Comparación de los bancos de pruebas de presión constante 42 3.1.1. Sistema de presión constante 42 3.1.2. Banco de pruebas sistema grounfos q mpc 44 3.1.3. Banco para pruebas de bombas franklin electric 45 3.1.3.1. Ponderación de los diferentes bancos de pruebas. 46 3.2. Diseño propuesto del banco de pruebas hidráulico de presión constante 47
ix
3.2.1. Modelo tentativo del banco de pruebas. 47 3.2.1.1. Tanque de abastecimiento 48 3.2.1.2. Esfuerzo longitudinal en un cilindro de pared delgada 49 3.2.1.3. Tanque de descarga 50 3.2.1.3.1. Esfuerzo longitudinal en un cilindro de pared delgada 52 3.2.1.4. Selección de bomba sumergible. 54 3.2.1.4.1. Motores eléctricos. 66 3.2.1.4.2. Calculo del tdh para bomba de retorno 67 3.2.1.4.3. Numero de reynols 69 3.2.1.5. Mesa de trabajo 70 3.2.1.5.1. Pesos de la mesa 71 3.2.1.5.2. Cálculos de la carga de la mesa 72 3.2.1.6. Distribuidor 82 3.2.1.7. Bomba de retorno 83 3.2.2. Circuito eléctrico y protecciones eléctricas 84 3.2.2.1. Cables eléctricos 85 3.2.2.2. Variadores de velocidad 86 3.2.2.3. Funcionalidad 86 3.2.2.4. Conexión mediante convertidor de frecuencia 87 3.2.3. Programación del controlador. 88 3.2.3.1. Twidosoft 88 3.2.3.2. Programación 89 3.2.3.3. Configuración del hardware 89 3.2.3.4. Sistema scada 90 3.2.3.5. Pantallas. 91
CAPITULO IV CONSTRUCCIÓN, PRUEBAS Y OPERACIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS
HIDRAÁULICO DE PRESIÓN CONSTANTE MEDIANTE UN HMI PARA EL LABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS DE LA UTE
4.1. Construcción banco de prueba hidráulico de presión constante mediante un H.M.I.
para el laboratorio de mecánica de fluidos de la ute. 94 4.1.1. Mesa de trabajo 94 4.1.2. Pruebas de la bomba trifásica con arranque directo 97 4.2. Beneficios el sistema de presión constante vs sistema convencional 98 4.2.1. Sistema convencional 99 4.2.2. Sistema de presión constante 100 4.3. Elaboración de un manual de operación y mantenimiento 102 4.3.1. Seguridad de control 103 4.3.2. Mantenimiento. 103
CAPITULO V PROCEDIMIENTO DE PRÁCTICAS DEL BANCO DE PRUEBA
HIDRÁULICO DE PRESIÓN CONSTANTE MEDIANTE UN H.M.I. PARA EL LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS DE LA UNIVERSIDAD
TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL. 5.1. Procedimiento manual. 105 5.1.1. Verificación de la presión constante del sistema hidráulico. 106 5.1.1.1. Formato para la realización de prácticas manual y automática 106
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CAPÍTULO VI
ANALISIS ECONÓMICO. 6.1. Costos 111 6.1.1. Costos de materiales hidráulicos 111 6.1.2. Costos de materiales eléctricos y electrónicos de control 113 6.1.3. Costos de las bombas de agua 114 6.1.4. Otros costos 114 6.1.5. Consolidación de los costos de materiales 115 6.1.6. Costo de mano de obra 115 6.2. Costos totales 115 Conclusiones 116 Recomendaciones 118 Bibliografia 119 Webgrafia 120 Anexos 122
xi
Índice de Tablas
Tabla 3. 1 Ponderación de los bancos de pruebas ................................................................ 46 Tabla 3. 2 Caracteristicas tecnicas del PVC ........................................................................ 50 Tabla 3. 3 Características del acrílico.................................................................................. 53 Tabla 3. 4 Factor K para accesorios ................................................................................... 57 Tabla 3. 5 Perdidas en accesorios para tubería de una pulgada un cuarto ............................ 57 Tabla 3. 6 Fórmulas para encontrar el coeficiente de rugosidad.......................................... 59 Tabla 3. 7 Perdidas en accesorios para tubería de una pulgada ........................................... 60 Tabla 3. 8 Perdidas en accesorios para tubería de una pulgada un cuarto ............................ 61 Tabla 3. 9 Pérdidas en accesorios para tubería de una pulgada un cuarto ............................ 62 Tabla 3. 10 Altura vs caudal estrangulando la válvula de compuerta .................................... 65 Tabla 3. 11 Características Bombas sumergibles .................................................................. 66 Tabla 3. 12 Perdidas por accesorios (medidas en milímetros y en metros) ........................... 68 Tabla 3. 13 Pesos de Madera .............................................................................................. 71 Tabla 3. 14 Tanque Reservorio ........................................................................................... 72 Tabla 3. 15 Tol ................................................................................................................... 72
Tabla 4. 1 Arranque directo a 60 Herz vs arranque con variador de frecuencia Herz ............ 98 Tabla 4. 2 Datos de la bomba............................................................................................. 101 Tabla 4. 3 Matriz causa efecto ........................................................................................... 103
Tabla 6. 1 Costo de materiales ........................................................................................... 112 Tabla 6. 2 Costo materiales................................................................................................ 113 Tabla 6. 3 Costo materiales................................................................................................ 114 Tabla 6. 4 Otros costos ...................................................................................................... 115 Tabla 6. 5 Consolidación de los costos de materiales . ....................................................... 115 Tabla 6. 6 Costo de mano de obra ...................................................................................... 115 Tabla 6. 7 Costos totales .................................................................................................... 116
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Índice de figuras
Figura 2.1 Válvula de compuerta. .......................................................................................... 16 Figura 2. 2 Collarin. .............................................................................................................. 16 Figura 2. 3 Electroválvula...................................................................................................... 17 Figura 2. 4 Elementos de la bomba ........................................................................................ 23 Figura 2. 5 Curva característica de la bomba.......................................................................... 25 Figura 2. 6 Curva característica de eficiencia ......................................................................... 26 Figura 2. 7 Componentes de la Bomba sumergible ................................................................ 27 Figura 2. 8 Diagrama de flujo de la industria ........................................................................ 29 Figura 2. 9 Transductor ......................................................................................................... 30 Figura 2. 10 Manómetro ........................................................................................................ 32 Figura 2. 11 Transductor de presión ....................................................................................... 33 Figura 2. 12 Variador de velocidad ........................................................................................ 34 Figura 2. 13 PLC`s ................................................................................................................ 35 Figura 2. 14 Implementación de un HMI .............................................................................. 39 Figura 2. 15 Sistemas de Bombeo Hidroneumático ................................................................ 40 Figura 2. 16 Sistemas de tanque a tanque ............................................................................... 41 Figura 3. 1 Sistema de presión constante ............................................................................... 43 Figura 3. 2 Banco de pruebas sistema Groundfos Q MPC ...................................................... 44 Figura 3. 3 Banco de pruebas Franklin Electric Sub Drive/ Mono Drive ................................ 46 Figura 3. 4 Tanque de plástico PVC ...................................................................................... 48 Figura 3. 5 Tanque de descarga ............................................................................................. 50 Figura 3. 6 Esquema de fuerzas que actúan sobre el tanque ................................................... 51 Figura 3. 7 Esquema Bomba Sumergible ............................................................................... 55 Figura 3. 8 Curva de la tabla caudal vs altura ......................................................................... 66 Figura 3. 9 Bomba sumergible .............................................................................................. 67 Figura 3. 10 Esquema de la bomba de retorno....................................................................... 67 Figura 3. 11 Curva de bombas centrifugas ............................................................................ 70 Figura 3. 12 Mesa ................................................................................................................. 71 Figura 3. 13 Diagrama de esfuerzo de la mesa ....................................................................... 72 Figura 3. 14 Diagrama del momento flector de la mesa.......................................................... 75 Figura 3. 15 Diagrama de esfuerzo ........................................................................................ 76 Figura 3. 16 Diagrama del momento flector de la viga ........................................................... 78 Figura 3. 17 Diagrama del momento flector de la viga ........................................................... 78 Figura 3. 18 Esfuerzos simulado en Solid Work ..................................................................... 82 Figura 3. 19 Distribuidor ....................................................................................................... 83 Figura 3. 20 Esquema de bloques del variador de frecuencia ................................................. 87 Figura 3. 21 TWIDO SOFT ................................................................................................... 88 Figura 3. 22 Pantalla Proyecto ............................................................................................... 91 Figura 3. 23 Pantalla circuito ................................................................................................. 92
Figura 4. 1 Sistema De Presión Constante............................................................................93
xiii
Figura 4. 2 Construcción De La Mesa De Trabajo ...............................................................94 Figura 4. 3 La tubería es de material de PVC ros cable ........................................................95 Figura 4. 4 Rectificación de la base para el cudalimetro .......................................................95 Figura 4. 5 Instalación de tuberías .......................................................................................96 Figura 4. 6 Instalación de la bomba de evacuación del tanque de acrílico .............................96 Figura 4. 7 Prueba al instante en el que arranca el motor ......................................................97 Figura 4. 8 Prueba en el que la corriente del motor se estabiliza ...........................................97 Figura 4. 9 Comparación de los costos de energía de los sisetmas ..................................... 101
xiv
RESUMEN EJECUTIVO
Los sistemas de presión constante tienen como objetivo principal mantener la misma
presión del fluido a pesar de las variaciones de la demanda del líquido, se caracterizan
por ser sistemas de velocidad variables ajustables a las necesidades de la aplicación,
estas características combinadas con dispositivos electrónicos permiten obtener el
líquido necesario.
El sistema de presión constante posee equipos que permite programar el abastecimiento
del líquido. El elemento principal es una bomba sumergible, la cual es comandada por
un variador de frecuencia que regula la velocidad del motor de la bomba según el
consumo de fluido que se requiera.
El PLC será el encargado de poner en marcha o detener el sistema de acuerdo a las
órdenes enviadas por el usuario desde el computador de operación, mientras que el
Variador de Frecuencia varia la velocidad del motor de la bomba para regular la presión
en dicho sistema.
El control del funcionamiento consta de un selector de tres posiciones manual, apagado
y automático, además tienen electroválvulas las mismas que simulan los puntos de
abastecimiento del liquido, estos se abren secuencialmente para que pase el fluido del
agua y para que se ponga en marcha el sistema, en caso de que las electroválvulas se
encuentren cerradas en un tiempo permanente y no existe flujo de agua el caudalimetro
enviara a apagar al grupo sumergible. También se cuenta con un tablero en el cual existe
un pulsador de paro general el cual desactivara en caso de una mala maniobra haciendo
parar todo el circuito.
El proyecto cuenta con dos tanques el primer tanque es de 1100 litros donde se
encuentra la bomba principal este enviara a un tanque de acrílico de 180 litros y el cual
xv
por medio de sus sensores de nivel enviaran a activar una bomba de ½ HP haciendo
que retorne el fluido hacia el tanque principal y de esta manera poder obtener un sistema
hidráulico en circuito cerrado.
xvi
SUMMARY EXECUTIVE
The constant pressure system's main goal is to maintain the same liquid pressure despite
the variations in demand for liquid, it is characterized by be adjustable variable speeds
and the type of application, this feature combined with high performance electronic
devices obtain the fluid needed.
The constant pressure system has equipment that allows programming the fluid supply.
The main element is a submersible pump, which is controlled by a frequency variator
which adjusts the speed of pump motor according to the water consumption is required.
The PLC will control starting or stopping of the system according to the programs sent
by the operator's computer terminal, while the speed adjustor varies the speed of the
pump motor frequency inverter to regulate pressure in the above mentioned system.
Operational control consists of a three position switch, off, manual, and automatic. It
also has solenoid valves which allow water to be supplied to various points, these open
sequentially so that the liquid passes into the system. When the valves are closed there
is no water flow so the flow meter trips and shuts off the submersible pump.
It also has a kill switch which is located on the operation board this will shut down
everything in case of an accident.
The project has two tanks, the first being 1100 liters where the main pump is located.
This same pump then sends the liquid to a 180 liters acrylic tank. The sensors are
activated and a 1/2 HP pump is turned on and returns the liquid to the main tank thus
obtaining a closed-circuit hydraulic system.
1
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
1.1. Planteamiento del problema
1.1.1. Diagnóstico
La Universidad Tecnológica Equinoccial Campus Arturo Ruiz Mora está situada en la
vía Chone Km. 4 ½. Actualmente cuenta con carreras técnicas y administrativas como:
Ingeniería Electromecánica, Ingeniería en Administración, Ingeniería en Agroindustria,
Diseño Gráfico.
En la carrera de Ingeniería en Electromecánica, se siente la necesidad de complementar
la parte teórica con la práctica, específicamente en la cátedra de Mecánica de Fluidos.
Para el correcto entendimiento de los estudiantes, es necesario para tener una idea a la
parte real de los fluidos.
Implementando la instalación de un banco de prueba hidráulico de presión constante en
el laboratorio de Mecánica de Fluidos contribuirá a la parte práctica y didáctica, siendo
directamente beneficiados los estudiantes y por otra parte los docentes complementando
la calidad académica.
Si en la Universidad no se implementa un banco de prueba hidráulico para el laboratorio
de mecánica de fluidos, se estará dejando un vacío académico muy importante para los
alumnos de Ingeniería Electromecánica.
1.1.2. Pronóstico
Si no se implementa un banco de pruebas hidráulico de presión constante se dejará un
vacío académico, no se logrará determinar la eficiencia de los sistemas de
2
abastecimiento de agua en la industria que provocan una reducción de la vida útil de
cada parte de los equipos y un elevado costo de energía.
Si no se tiene un control adecuado del uso eficiente del sistema de abastecimiento de
agua mediante un sistema de presión constante, se producen costos elevados de
producción.
1.1.3. Control del Pronóstico
Este estudio se realizará desde un laboratorio mediante un banco de prueba de presión
constante logrando controlar la corriente y estabilizando la presión, permitiendo:
Crear una fuente didáctica, para que el docente pueda demostrar realmente sus
conocimientos impartidos.
Ampliar el rendimiento académico tanto como el interés por una educación
técnica integral a través de las prácticas didácticas en laboratorios
correctamente equipados.
Establecer un banco de prueba de presión constante, nos permite solucionar en la
industria el abastecimiento de agua sin interrupción durante los procesos de
producción, logrando controlar el consumo de energía eléctrica.
1.1.4. Formulación
Con el Banco de prueba hidráulico de Presión Constante (SPC), podemos garantizar
las técnicas aprendizaje de los conocimientos impartidos, desarrollando habilidades y
destrezas en el manejo adecuado de herramientas y tecnología para el control de
procesos.
3
1.1.5. Sistematización
¿Cómo ayudara un sistema de presión constante?
¿Será necesario mostrar una curva donde se indique el comportamiento de la presión, la
variación del caudal y de la frecuencia?
¿Será necesario un manual de operación y mantenimiento para el banco de pruebas?
¿Por qué se debe introducir un sistema HMI para el monitoreo y control de su
supervisión?
¿Cómo mejora el consumo de energía eléctrica y vida útil del sistema?
1.2. Objetivos
1.2.1. Objetivo General
Diseñar y construir un banco de prueba hidráulico de presión constante mediante un
H.M.I. para el laboratorio de mecánica de fluidos de la UNIVERSIDAD
TECNOLÓGICA
EQUINOCCIAL campus Arturo Ruiz Mora.
1.2.2. Objetivo Especifico
Construir un sistema de presión constante mediante el cual se permita resolver el
abastecimiento de agua.
Crear un ambiente técnico de aprendizaje implementando un banco de prueba
hidráulico.
Ejecutar el método indicado para construir el sistema de presión constante.
Justificar el ahorro energético utilizando un sistema de presión constante en la
industria.
4
1.3. Justificación
Esta tesis con su método sistemático y los experimentos que se realizaran,
proporcionará conocimientos prácticos, para que el estudiante cuente con herramientas
de aprendizaje sobre fluidos. Con el sistema convencional hidroneumático que se está
manejando hasta el momento se puede observar que existen falencias en lo referente al
excesivo consumo de energía eléctrica, por los valores picos de corriente que se genera
al momento de los arranques continuos.
El Sistema de Presión de Agua Constante (SPC), permite mantener un sistema de
abastecimiento de agua, controlando el número de RPM del motor mediante un variador
de velocidad que estabiliza la presión del agua automáticamente con equipos y
dispositivos de medición que serán comprobados en el laboratorio: normaliza las
fluctuaciones de agua, disminuye el consumo de energía eléctrica y minimiza los
golpes de ariete.
Mediante la implementación del sistema de presión constante se obtendrá un control
eficiente de la energía eléctrica y de paso se podrá corregir el exceso de consumo, de
haberlo, cada una de las medidas serán claves para el ahorro de la misma, desde el punto
de vista técnico y económico.
1.4. Marco de referencia
1.4.1. Marco teórico
Potencia (P)1
La Potencia es la cantidad de energía necesaria para mantener una corriente eléctrica en
una maquinaria. La unidad utilizada en la Industria Petrolera es el Caballo de Fuerza
(HP, siglas en inglés de Horse Power). 1 http://www.dspace.espol.edu.ec/handle/123456789/6233
5
Motor eléctrico2
Los motores eléctricos proveen la energía que necesita la bomba para rotar y acelerar
los fluidos que están siendo bombeados. En una aplicación de Bombeo se utilizan
motores eléctricos con estator bobinado de inducción bipolar trifásica y rotor tipo jaula
de ardilla que opera a una velocidad de 3600 RPM y a una frecuencia de 60 Hz. Los
motores trifásicos tienen tres bobinas separadas 120° entre sí, una por cada fase y
distribuidas uniformemente alrededor de la circunferencia interna de un tubo cilíndrico
con laminaciones de acero. El estator está formado por las bobinas y las láminas de
acero.
Dentro de la circunferencia interna del estator se encuentra localizado lo que se llama
rotor, fabricado en un tubo cilíndrico de láminas de hierro silicio dejando un espacio
mínimo entre el diámetro exterior del rotor y el diámetro interior del estator.
Este espacio se lo conoce como entrehierro. Se requiere de él para evitar la fricción
entre el estator y el rotor.
La velocidad a la que el campo del estator gira es:
(1,1)
N = revoluciones por minuto
f = frecuencia en línea
P = número de polos en el motor
El diámetro interior del pozo es una limitante para las dimensiones del motor, por esta
razón se construyen motores de mayor potencia en dos piezas para un mismo diámetro
exterior, conectados interiormente.
2 Estudio De La Eficiencia Operativa De Las Bombas Eléctricas Sumergibles (Bes) En El Campo V.H.R. En Base A Las Curvas De Operación
PfN *1201
6
Fluido3
Fluido es una sustancia que se puede escurrir fácilmente y que puede cambiar su forma
debido a la acción de pequeñas fuerzas. Por lo tanto el término fluido influye a los
líquidos y a los gases.
Bomba 4
Una Bomba es una máquina capaz de transferir energía a un fluido en forma de poder
hidráulico. Las Bombas Centrífugas son turbo-máquinas y su rata de descarga depende
de varios factores como: la carga hidrostática, las revoluciones por minuto a las que este
girando el motor, diseño de las etapas y propiedades del fluido. Cada etapa consiste de
un impulsor rotatorio y un difusor estacionario. La bomba centrifuga trabaja por medio
de la transferencia de energía del impulsor al fluido desplazándolo como si fuera un
acelerador de partículas.
Figura 1.1 Bomba
Fuente: ABB Ecuador Elaborado por: Paolo Cevallos y Francisco Velazco/ 2010.
3 Mecanica de Fluidos - Irving H. Shames Pag. 3 4 Estudio De La Eficiencia Operativa De Las Bombas Eléctricas Sumergibles (Bes) En El Campo V.H.R. En Base A Las Curvas De Operación
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El Variador de Velocidad 5
Es un dispositivos empleado para controlar la velocidad giratoria de maquinaria,
especialmente de motores. Un variador de velocidad puede consistir en la combinación
de un motor eléctrico y el controlador que se emplea para regular la velocidad del
mismo. La combinación de un motor de velocidad constante y de un dispositivo
mecánico que permita cambiar la velocidad de forma continua.
Tubería6
La tubería es un conducto que cumple la función de transportar agua u otros fluidos. Se
suele elaborar con materiales muy diversos. Cuando el líquido transportado es petróleo,
se utiliza la denominación específica de oleoducto. Cuando el fluido transportado es
gas, se utiliza la denominación específica de gasoducto.
Válvulas 7
Es un accesorio que se utiliza para regular y controlar el fluido de una tubería. Este proceso
puede ser desde cero (válvula totalmente cerrada), hasta de f lujo (válvula totalmente abierta),
y pasa por todas las posiciones intermedias, entre estos dos extremos.
H.M.I.8
Los sistemas H.M.I. en computadoras se los conoce como software H.M.I. de monitoreo y
control de supervisión. Las señales del proceso son conducidas al H.M.I. por medio de
dispositivos como tarjetas de entrada/salidas en la computadora, PLC´s (controladores lógicos
programables), RTU (unidades remotas (I/O) o DRIVE`s (variadores de velocidad de
motores). Todos estos dispositivos tienen que tener una entrada que entienda el H.M.I.
5 http://www.dspace.espol.edu.ec/handle/123456789/6233 6 Estudio De La Eficiencia Operativa De Las Bombas Eléctricas Sumergibles (Bes) En El Campo V.H.R. En Base A Las Curvas De Operación 7 http://www.dspace.espol.edu.ec/handle/123456789/6233 8 http://html.rincondelvago.com/tuberias_1.html
8
PLC (CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE)9
Es un hardware industrial, que se utiliza para la obtención de datos. Una vez obtenidos, los pasa
a través un servidor.
Sensores 10
Este elemento cumple la función de censar la presión y la temperatura de fondo, para así
poder chequear estos parámetros en superficie y evitar problemas con la unidad. Se los
instala según las condiciones y requisitos específicos, permitiendo un mejor control del
funcionamiento del equipo mediante el monitoreo y dispositivos de protección al
equipo. Esta unidad toma distintas denominaciones según el fabricante: unidades PSI y
PHD, para REDA y CENTRILIFT, respectivamente.
1.5. Marco Temporal/Espacial
Esta tesis se va a elaborar para el laboratorio de la Universidad Tecnológica Equinoccial
Campus Arturo Ruiz Mora durante el año 2012.
1.6. Idea a Defender
El sistema de presión constante conseguirá desarrollar técnicas de aprendizaje para el
analizar de los parámetros de trabajo, complementando los conocimientos impartidos y
mejorando el nivel de aplicaciones tecnológicas en el diseño de controles automáticos
según las necesidades del mercado industrial que lo aplique, consiguiendo mantener el
control eficiente del consumo de energía eléctrica.
9 http://es.wikipedia.org/wiki/HMI 10 http://www.dspace.espol.edu.ec/handle/123456789/6233
9
1.6.1. Variables e Indicadores
1.6.1.1. Variables
Variable independiente: Diseño construcción de un sistema de presión constante
mediante un H.M.I.
Variable dependiente: calidad y eficiencia energética.
1.6.1.2. Indicadores
En el sistema de presión constante tendrá que censar:
Presión
Caudal
Frecuencia
1.7. Metodología de la investigación
1.7.1. Diseño de investigación
El diseño de investigación se relaciona con el tipo de investigación que se va a realizar
en el presente caso será:
De acuerdo a la profundidad del estudio: Analítico No observacional.
10
1.7.2. Métodos de investigación
La presente investigación tiene como punto de partida el problema por lo que se
utilizara el método de investigación Analítico.
1.7.3. Fuentes y técnicas de investigación
Fuentes: Libros de mecánica de fluidos, folletos de bombas de marcas
reconocidas, folletos de variadores de frecuencia, documentales de profesionales
en la rama de mecánica y electricidad, internet etc.
Técnicas: Consultas con expertos, revisión de archivos, revisión de documentos,
trabajo de campo.
11
CAPÍTULO II
MARCO DE REFERENCIA
2.1. Antecedentes
El control de la presión en los procesos industriales da condiciones de operaciones seguras.
Cualquier recipiente o tubería posee cierta presión máxima de operación y de seguridad
variando este, de acuerdo con el material y la construcción. Las presiones excesivas no
solo pueden provocar la destrucción del equipo principal, si no también puede provocar la
destrucción de los equipos adyacentes y ponen al personal en situaciones peligrosas,
particularmente cuando están contenidas, fluidos inflamables o corrosivos. Para tales
aplicaciones, las lecturas absolutas de gran precisión con frecuencia son tan importantes
como lo es la seguridad extrema.
El sistema de agua de presión constante, es un sistema para el abastecimiento de agua
con una bomba que une las ventajas de un motor con un número de revoluciones mayor
para la regulación de la presión del agua al valor programado en el banco de pruebas
hidráulico.
Este es uno de los métodos más comunes para el abastecimiento de agua, dicho sistema
de presión constante no es el único, el sistema de presión constante propuesto ofrece
una regulación consistente de la presión de agua usando dispositivos electrónicos para
el mando de la bomba/motor de acuerdo a la demanda en tiempo real del sistema. La
demanda de presión de agua se monitorea constantemente con un transductor de presión
robusto de alta precisión que viene con el sistema de visualización donde se presentan
los parámetros de trabajo: presión, frecuencia, potencia, corriente, conectado al
momento de la instalación. Ajustando la velocidad de la bomba/motor, el Sistema de
presión constante reacciona automáticamente a cualquier cambio de demanda del
sistema, mientras mantiene la presión de salida constante.
12
Además de regular la presión de la bomba controla precisamente la operación del
motor, el Sistema monitorea continuamente el desempeño del sistema y puede detectar
una variedad de condiciones anormales por medio del variador de frecuencia.
En muchos casos, el controlador compensará lo que sea necesario para mantener la
operación continua del sistema según su programación. Pero, si existe un elevado riesgo
de daños al equipo, el controlador protegerá el sistema apagándolo. Para ayudar a
identificar un problema en el sistema en el display de variador de frecuencia se
presentara códigos de falla que serán interpretados mediante los manuales del fabricante
de los dispositivos, el controlador intentará reiniciar el sistema cuando se reduzca la
condición de falla.
El proyecto se construirá en el laboratorio de mecánica de fluidos de la Universidad
Tecnológica Equinoccial Campus Arturo Ruiz Mora, en donde realizaremos parámetros
de mediciones de dicho sistema.
2.2. Conceptos Básicos
2.2.1. Fluido
Fluido es aquella sustancia que, debido a su poca cohesión intermolecular, carece de
forma propia y adopta la forma del recipiente que lo contiene11
2.2.2. Presión
La presión es la fuerza que ejerce un fluido por unidad de área. La presión solo se trata
cuando se habla de un gas o un líquido. La contraparte de la presión en los sólidos es el
esfuerzo. En un fluido en reposo, la presión en un punto determinado es la misma en
todas las direcciones. La presión en un fluido aumenta con la profundidad como
11 MECANICA DE FLUIDOS Y MECANICA HIDRAULICA, Matix Claudio. Pag. 13
13
resultado del peso del fluido. Este aumento se debe a que el fluido a niveles más bajos
soporta más peso que el fluido a niveles más altos.
La presión varía en dirección vertical como consecuencia de los efectos gravitacionales,
pero no existe variación en la dirección horizontal. La presión en un tanque que
contiene un gas se considera uniforme, puesto que el peso del gas es demasiado
pequeño para hacer una diferencia apreciable.12
2.2.3. Hidrodinámica
La hidrodinámica estudia los fluidos en movimiento. Se dice que el movimiento del
fluido es de régimen estacionario cuando la velocidad es un punto en el espacio no varía
con el tiempo. Toda partícula que pasa por ese punto tendrá la misma velocidad.13
El movimiento de los fluidos presenta algunos de los fenómenos complejos en la
naturaleza, los mismos que deberán cumplir con las siguientes características:
Ser estable o estacionario: el movimiento de un fluido es estable, cuando la
velocidad no es muy grande y los estrechamientos y curvas del tubo, no hacen
cambiar bruscamente la dirección de las líneas de corriente. Además, en
cualquier punto, la velocidad, la presión y la densidad no cambian con el tiempo,
pero si varían de lugar en lugar y la velocidad nunca es nula. Cuando el
movimiento del fluido es estable, Las líneas de corriente siguen caminos
paralelos a las paredes del tubo. Si la rapidez del fluido es muy grande, las líneas
de corriente pueden hacerse turbulentas y giran formando remolinos.
Ser rotacional: es cuando el movimiento del fluido no presenta ningún
movimiento giratorio. Esto significa que no debe girar, ni rotar, solamente
trasladarse.
12 TERMODINAMICA , Yunus A. Cengel, Michael A. Boles Pag. 17 13 Zambrano Orejuela, Física Vectorial Básica Pág. 215
14
Ser incompresible: para que el volumen no cambie con el movimiento y la
densidad se mantenga constante.
Ser no viscoso: que el movimiento entre las capas del fluido en movimiento y
entre el fluido y las paredes del recipiente que le conducen sea cero.
2.3. Ecuación de Bernoulli generalizada 14
Si la corriente atraviesa una o varias máquinas que le suministran energía (bombas)
experimentan un incremento de energía que, expresada en forma de altura, la
llamaremos ∑ HB. Así mismo si la corriente atraviesa una o varias máquinas a las que
cede energía (turbinas) experimentan un decremento de energía, que, expresada en
forma de altura, la llamaremos -∑ Ht. Por tanto:
La energía del fluido en el punto uno – la energía perdida entre el punto y punto dos +
la energía suministrada al fluido por las bombas que haya entre el punto 1 y el punto 2
– la energía cedida a las turbinas o motores que haya entre el punto 1 y el punto 2, ha de
ser igual a la energía en el punto 2. En hidráulica se prefiere, como hemos dicho,
expresar todas estas energías en forma de alturas equivalentes (dividiendo todos los
términos por la g).
ECUACIÓN DE BERNOULLI GENERALIZADA
gZ
gPHH
gZ
gP
br 22
22
22
21
21
11
22
g
21
g 2ZPHH
2Z 2
Dónde:
P1 / ,gg P2/ ,gg ------ Alturas de presión.
Z1, Z2 -------- Alturas geodésicas.
14 MECANICA DE FLUIDOS Y MECANICA HIDRAULICA, Matix Claudio. Pag. 113
15
212
1 /2g, 2222 /2g ------ Alturas de velocidad.
21 2rH ------ Suma de todas las presiones hidráulicas entre 1 y 2
bHH ------- Suma de los incrementos de altura proporcionados por las
bombas instaladas entre 1 y 2
tHH ------- Suma de los incrementos de altura absorbida por los
motores (turbinas) instalados entre 1 y 2.
2.4. Tuberías y válvula
La tubería o cañería es un conducto que cumple la función de transportar agua u otros fluidos. Se suele elaborar con materiales muy diversos.
Cuando el líquido transportado es petróleo, se utiliza la denominación específica de oleoducto.
Cuando el fluido transportado es gas, se utiliza la denominación específica de gasoducto. También es posible transportar mediante tubería materiales que, si bien no son un fluido, se adecúan a este sistema: hormigón, cemento, cereales, documentos encapsulados, etcétera.
2.4.1. Válvulas
Son elementos que controlan la dirección o la rapidez del flujo en un sistema,
típicamente establecen turbulencias locales en el fluido ocasionando que la energía se
disipe en forma de calor. Estas pérdidas de energía se presentan siempre que haya una
restricción, un cambio de velocidad de flujo o un cambio en su disminución.
16
2.4.1.1. Válvulas de compuerta
La válvula de compuerta es de vueltas múltiples, en la cual se cierra el orificio con un
disco vertical de cara plana que se desliza en ángulos rectos sobre el asiento.
Figura 2.1
Válvula de compuerta.
Fuente: SolidWord2011 Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2010
2.5. Collarines
Accesorio dispositivo conector hidráulico que permite atreves de un orificio circular en
la línea principal de flujo alimentar una línea transversal secundaria de menor cauda
Figura 2.2 Collarin.
Fuente: SolidWord/2011 Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2010
17
2.6. Válvulas de solenoide
Un solenoide es definido como una bobina de forma cilíndrica que cuenta con un hilo
de material conductor enrollada sobre si a fin de que, con el paso de la corriente
eléctrica, se genere un intenso campo eléctrico. Cuando este campo magnético aparece
comienza a operar como un imán. La función principal de un solenoide es activar una
válvula que lleva su mismo nombre, la válvula solenoide. Esta válvula opera de acuerdo
a los pulsos eléctricos de su apertura y de su cierre. Es importante mencionar que
existen varios tipos de solenoide, por lo que es lógico que su instalación y conexión
también varíe. No obstante, ya se trate de un solenoide u otro, y se le den usos
diferentes, todos ellos operan bajo el mismo principio.
Figura 2. 3 Electroválvula
Fuente: SolidWord/2011 Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2010
2.7. Perdidas en conductos o tuberías15
Las pérdidas de cargas en las tuberías son de dos clases: primarias y secundarias
15 MECANICA DE FLUIDOS Y MECANICA HIDRAULICA, Matix Claudio. Pag. 203
18
2.7.1. Perdidas Primarias
Son las pérdidas de superficie en el contacto del fluido con la tubería (capa limite),
rozamiento de unas capas de fluidos con otras (régimen laminar) o de las partículas de
fluidos entre sí (régimen turbulento). Tienen lugar en fluido uniforme por tanto
principalmente en los tramos de tuberías de sección constante.
2.7.2. Perdidas Secundarias
Son las pérdidas de forma que tiene lugar en las transiciones (estrechamientos o
expansiones de la corriente), codos, válvulas, y en toda clase de accesorio de tubería.
2.8. Golpe de ariete
Se llama golpe de ariete a una modificación de la presión en una conducción debida a la
variación del estado dinámico del líquido.
En las paradas de las bombas, en el cierre de las válvulas, etc., se produce esta variación
de la velocidad de la circulación del líquido conducido en la tubería.
2.9. Cavitación
La cavitación es un fenómeno que se produce siempre que la presión en algún punto o
zona de la corriente de un líquido desciende por debajo de un cierto valor mínimo
admisible. La misma que produce burbujas de vapor que deteriora el impulsor. El
fenómeno puede producirse lo mismo en presiones hidráulicas estáticas (tuberías,
Venturis, etc.) que en máquinas hidráulicas.
19
2.10. Rendimiento o eficiencia 16
En toda máquina, mecanismo o sistema, la energía que ingresa a este por unidad de
tiempo, no se puede aprovechar al máximo (100%) para producir trabajo, ya que
siempre estarán presentes fuerzas de rozamiento que ocasionan una pérdida de energía.
En muchas de las aplicaciones, se considera a los sistemas como ideales, es decir sin
rozamientos, pero la mayor parte de las máquinas y dispositivos mecánicos, son de una
construcción tal, que el rozamiento debe ser tomado en cuenta.
En estos casos, es necesario considerar, que además del trabajo de las fuerzas activas
aplicadas al sistema, el trabajo de las fuerzas de rozamiento.
Para evaluar que tan cerca esta una maquina ideal de ser ideal, se define al rendimiento
o eficiencia de una maquina como, mecanismo o sistema, como la relación entre el
trabajo que sale y el trabajo que entra o, la relación entre la potencia que sale y la
potencia que entra, en un mismo periodo de tiempo. La eficiencia de un motor es
definida como la relación de la potencia (mecánica) de salida y la potencia (eléctrica) de
entrada.
La eficiencia puede ser medida directa o indirectamente.
En la medición directa la relación es calculada usando:
La potencia de entrada basada en la fuente de corriente y voltaje, y la
potencia de salida basada en la velocidad de rotación y el par.
Las mediciones indirectas involucran medir la potencia de entrada y calcular
la potencia de salida basándose en las pérdidas dentro del motor
Las pérdidas del motor pueden ser clasificadas en 5 áreas mayoritarias:
Pérdidas del cobre
Pérdidas del hierro
Pérdidas del rotor
16 FISICA VECTORIAL BASICA ZAMBRANO OREJUELA
20
Pérdidas por fricción
Pérdidas por cargas parásitas (SLL)
2.11. Turbo máquinas hidráulicas
2.11.1. Generalidades
Una máquina es un transformador de energía; Una máquina absorbe energía de una
clase y restituye energía de otra clase (un motor eléctrico por ejemplo, absorbe energía
eléctrica y restituye energía mecánica). Las máquinas se clasifican en grupos:
Máquinas de fluido.
Máquinas herramientas
Máquinas eléctricas.
Máquinas de fluido son aquellas máquinas en el que el fluido, o bien proporciona la
energía que absorbe (por ejemplo, el agua que se suministra a una turbina posee una
energía preferentemente de presión, proveniente de la energía geodésica que poseía en
el embalse y que a su vez la turbina transforma en energía mecánica) o bien aquellas en
las que el fluido es el receptor de energía, al que la maquina restituye la energía
mecánica absorbida.
Las máquinas de fluidos se clasifican en máquinas hidráulicas y maquinas térmicas.
2.11.2. Máquinas hidráulicas
Es aquella en que el fluido que intercambia su energía no varía sensiblemente de la
densidad en su paso a través de la máquina, por lo cual en el diseño y estudio de la
misma se hace la hipótesis de que la densidad es constante.
21
Las máquinas hidráulicas pertenecen a un grupo muy importante de máquinas que se
llaman máquinas de fluido. Aunque rara es la máquina en que no intervienen uno o
varios fluidos como refrigerantes, lubricantes, etc.; eso solo no es suficiente para incluir
dicha máquina en el grupo de máquinas de fluido.
2.11.3. Clasificación de las Máquinas Hidráulicas
Las máquinas hidráulicas se clasifican en:
Turbo máquinas
Máquinas de desplazamiento positivo.
En las turbomáquinas, denominadas también máquinas de corriente, los cambios en la
dirección y valor absoluto de la velocidad del fluido juegan un papel esencial.
En las turbomáquinas el órgano transmisor de energía (rodete) se mueve siempre con
movimiento rotativo, en las máquinas de desplazamiento positivo el órgano trasmisor de
energía puede moverse tanto con movimiento alternativo como con movimiento
rotativo. Al grupo de las máquinas de desplazamiento positivo pertenece a la clase
importantísima de las máquinas empleadas en las transmisiones y controles hidráulicos
y neumáticos. En las máquinas de desplazamiento positivo, también llamadas máquinas
volumétricas, el órgano intercambiador (émbolo) de energía cede energía al fluido o el
fluido a él en forma de presión creada por la variación de volumen. Los cambios en la
dirección y valor absoluto de la velocidad del fluido no juegan un papel esencial alguno.
2.11.4. Máquinas térmicas
Es aquella en que el fluido en su paso a través de la máquina varía sensiblemente de
densidad y volumen específico, el cual en el diseño y estudio de la máquina ya no puede
suponerse constante.
22
2.11.4.1. Bombas rotodinamicas
2.11.4.1.1. Definición
Bomba es una máquina que absorbe energía mecánica y restituye al líquido que la
atraviesa energía hidráulica.
Se llaman rotodinámicas porque su movimiento es rotativo y la dinámica de corriente
juega un papel esencial en la transmisión de la energía.
2.11.4.1.2. Clasificación de las bombas
Las bombas se clasifican:
Según la dirección del flujo:
Bombas de flujo radial,
Bombas de flujo axial
Bombas flujo radioaxial.
Según la posición del eje:
Bombas de eje Horizontal,
Bombas de eje vertical
Bombas de eje inclinado.
Según la presión engendrada:
Bombas de baja presión,
23
Bombas de media presión
Bombas de alta presión.
Según el número de flujo en la bomba:
Bombas de simple aspiración o de un flujo
Bomba de doble aspiración, o de dos flujos.
Según el número de rodetes:
Bombas de un escalamiento o de varios escalamientos.
2.11.4.2. Elementos constitutivos
Figura 2. 4 Elementos de la bomba
Fuente: Mecánicas de fluidos y maquinas hidráulicas; Claudio Mataix pág. 370 Elaboración: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2010
24
Rodete (1), que gira solidario con el eje de la máquina y consta de un cierto
número de álabes que imparten energía al fluido en forma de energía cinética y
energía de presión.
Corona directriz (2), llamada también corona de álabes fijos, que recoge el
líquido del rodete y transforma la energía cinética comunicada por el rodete en
energía de presión, ya que la sección de paso aumenta en esta corona en la
dirección del flujo. Esta corona directriz no existe en todas las bombas; porque
encarece su construcción; aunque hace a la bomba más eficiente.
Caja espiral (3), que transforma también la energía dinámica en energía de
presión, y recoge además con pérdidas mínimas de energía el fluido que sale del
rodete, conduciéndolo hasta la tubería de salida o tubería de impulsión.
Tubo difusor troncocónico (4), que realiza una tercera etapa de difusión o sea de
transformación de energía dinámica en energía de presión.
2.11.4.3. Curvas Características de las Turbomaquinas Hidráulicas
Ensayo elemental de una bomba
Ensayo elemental de una bomba es aquel en que, manteniéndose constante el número de
revoluciones, n, se varia el caudal, Q, y se obtienen experimentalmente las curvas H =
f1 (Q); Pa=f2 (Q), y η tot=f3 (Q). Estas curvas, y en particular la curva H=f1 (Q), se
llaman curvas características. En las instalaciones más corrientes la bomba acoplada a
un motor eléctrico de inducción está destinada a girar a velocidad constante.
Sin embargo, es frecuente que, aunque la bomba gire a n constante, el utilizador
necesite más o menos caudal, lo que sólo puede conseguirse en este caso abriendo o
cerrando la válvula de impulsión
25
Figura 2. 5 Curva característica de la bomba
Fuente: Mecánicas de fluidos y maquinas hidráulicas; Claudio Mataix pag. 541 Elaboración: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2010
Ensayo completo de una bomba
Ensayo completo de una bomba es un conjunto de ensayos elementales, caracterizado
cada uno por un número de revoluciones distinto: consta de varias (cinco a ocho) curvas
H-Q y de varias curvas de ηtot -Q. Al conjunto de curvas se denomina curvas en concha.
Las bombas pueden ser accionadas no sólo por motores de inducción de velocidad
constante, sino también por motores de gasolina, o diesel, turbinas de vapor, motores
eléctricos de corriente continua, motores de corriente alterna de colector, de velocidad
regulable o motores de inducción, a través de cambios de velocidad es decir, una bomba
puede trabajar a números de revoluciones distintos.
26
Figura 2. 6 Curva característica de eficiencia
Fuente: Mecánicas de fluidos y maquinas hidráulicas; Claudio Mataix pág. 542
Elaboración: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2010
2.12. Bomba Sumergible
Una bomba sumergible es una bomba que tiene un impulsor sellado a la carcasa. El
conjunto se sumerge en el líquido a bombear. La ventaja de este tipo de bomba es que
puede proporcionar una fuerza de elevación significativa pues no depende de la presión
de aire externa para hacer ascender el líquido.
2.12.1. Características y funcionamiento
Un sistema de sellos mecánicos se utiliza para prevenir que el líquido que se bombea
cause un cortocircuito al motor. La bomba se puede conectar con un tubo, manguera
flexible o estar abajo de los carriles o de los alambres de guía de modo que la bomba
siente en "un acoplador del pie de los platos", de tal forma conectándola con la tubería
de salida.
27
Figura 2. 7 Componentes de la Bomba sumergible
Fuente: Dspace espol Elaboración: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2010
2.12.2. Aplicaciones de las bombas sumergibles
2.12.2.1. Pozos
Es la aplicación típica de los motores sumergibles
Tener en cuenta las normas dadas, principalmente en cuanto a refrigeración y
distancia de instalación respecto al fondo del pozo.
2.12.2.2. Cisternas, depósitos y pantanos
Debe instalarse siempre una camisa de refrigeración en el motor ya que, en caso
contrario, no se produciría la velocidad del flujo de refrigeración requerida
produciéndose una sobre temperatura en el motor y la avería del mismo.
En un pantano tener en cuenta la calidad del agua en el lugar de la instalación. La
existencia de lodos y sedimentos en la misma pueden causar graves problemas en el
grupo hidráulico.
28
2.12.2.3. Fuentes ornamentales y estanques
Se trata de una aplicación complicada especialmente debido a los factores de
refrigeración y usual presencia de elementos sólidos en el agua.
Normas para la instalación de motores sumergibles en fuentes, estanques o
depósitos abiertos
Tener en cuenta la temperatura del agua de la fuente a bombear (circuito cerrado,
poca profundidad, elevada temperatura exterior). Sobredimensionar el motor para
evitar problemas de consumo y refrigeración.
Instalar siempre camisa de refrigeración (el agua no se direcciona en forma de flujo
a lo largo del motor)
Bomba instalada con protección anti oleaje para evitar la entrada de aire (cavitación
y mala refrigeración)
El agua a bombear debe estar libre de elementos sólidos (hojas, arena, papeles,
ramas,…) para evitar taponar la boca de aspiración de la bomba o depositarse en la
superficie del motor (mantenimiento adecuado de la fuente)
El motor se puede instalar en posición horizontal, pero nunca con el eje boca abajo,
ni tan siquiera leve inclinación hacia abajo.
Verificar durante y después de la instalación que el consumo del motor no
sobrepase el máximo permitido (placa de características del motor). Instalar
protecciones para evitar sobrepasarlo.
2.13. Dispositivos de control
2.13.1. El uso de los instrumentos en la industria
Los instrumentos son herramientas indispensables que sirven para conseguir y
conservar la calidad con que se identifícale producto que se está manufacturando. Se
utilizan para controlar las variables de un proceso o sistemas en forma tan exacta como
se necesite para satisfacer las especificaciones del producto en lo que se respecta a
composición, forma color o acabado.
29
Los instrumentos o el sistema de instrumentación pueden ser mecánicos, neumáticos,
hidráulico, eléctricos, electrónicos, o una combinación de dos o más de estas formas
básicas, por ejemplo, electromecánicos. Cada instrumento o sistema de instrumentos
tiene tres funciones básicas que son:
1.- Detector
2.- Dispositivo intermedio de transferencia
3.- Dispositivo final
El dispositivo de entrada debe captar la señal y transferirla a algún sistema de salida. El
tipo de instrumento o sistema depende de las variables que se van a controlar o medir y
de la rapidez y la precisión con que se debe efectuar la medición o el control.La
automatización, que requiere del control y la recopilación de datos por computadora, ha
fomentado el uso de instrumentos para mediciones y control, tanto de una sola estación
como de sistemas completos en todas las industrias modernas.
Estos van desde una simple estación de control manual hasta un complejo centro de
actividad y control utilizando computadoras. Para cada aplicación debe existir una
comprensión clara y concisa del funcionamiento de cada instrumento y de sus
limitaciones en el sistema de medición y control. Es esencial que se conozca la teoría
adecuada, la operación fundamental y las interacciones entre los componentes en el
proceso que se va a medir o controlar.
Figura 2. 8 Diagrama de flujo de la industria
Fuente: DSPACE/EPN Elaboración: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2010
La utilidad de un instrumento en cualquier sistema de medición y control depende de la
medida en que se pueda poner en marcha con éxito un dispositivo de control y del grado
de seguridad con que se logre reproducir la iniciación del control.
Detector Dispositivo intermedio
Dispositivo final
30
Tanto la exactitud como la seguridad de un instrumento dependen de su construcción y
de la manera en que conserve su calibración. Un instrumento mal calibrado produce un
riesgo de medición y no sirve al utilizarlo para medir.
2.13.2. Instrumentación y medición de flujos
2.13.2.1. Medidores de flujo de carga
Los medidores de flujo de carga constituyen el tipo de dispositivo más común que sirve
para medir el flujo de gases, líquidos y lechadas. Estos medidores determinan la presión
diferencial en una restricción al flujo. La presión se puede relacionar con la fuerza por
unidad de área y la carga se convierte en una función de velocidad del flujo y la
densidad del medio fluyente. Todas las ecuaciones aplicables se pueden derivar del
teorema de BERNOULLI, que establece que:
Dónde:
= densidad del liquido
v= Velocidad del liquido
p= Presión
g= constante gravitacional
Figura 2. 9 Transductor
Fuente: Instrumentación industrial; Harold E. Soisson pag. 235 Elaboración: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2010
cpg
cp2
22
31
Cuando se coloca una restricción en una tubería, se crea una diferencial de presión, de
manera que, en el caso de fluidos no compresibles, la carga h se define como.
Dónde:
P1= presión en el lado corriente arriba de la restricción
P2= presión en el lado corriente abajo
= peso específico del fluido
v1= velocidad promedio en el lado corriente arriba
v2= velocidad en el lado corriente abajo.
Para crear la presión diferencial, esta restricción al flujo se genera mediante un tubo
venturi, una boquilla, una placa de orificio o un tubo Pilot.
2.13.2.2. Manómetros
Las mediciones de presión son las más importantes que se hacen en la industria; sobre
todo en industrias de procesos continuos, como el procesamiento y elaboración de
compuestos químicos. La cantidad de instrumentos que miden la presión puede ser
mucho mayor que la que se utiliza en cualquier otro tipo de instrumento.
La presión es una fuerza que ejerce sobre un área determinada, y se mide en unidades de
fuerzas por unidades de área. Esta fuerza se puede aplicar a un punto en una superficie o
distribuirse sobre esta. Cada vez que se ejerce se produce una deflexión, una distorsión
o un cambio de volumen o dimensión. Las mediciones de presión pueden ser desde
valores muy bajos que se consideran un vacío, hasta miles de toneladas de presión por
unidad de área.
gvpph
2
21
2221 vpp 2
32
Los principios que se aplican a la medición de presión se utilizan también en la
determinación de temperaturas, flujos y niveles de líquidos. Por lo tanto, es muy
importante conocer los principios generales de operación, los tipos de instrumentos, los
principios de instalación, la forma en que se deben mantener los instrumentos, para
obtener el mejor funcionamiento posible, cómo se debe usar para controlar un sistema o
una operación y la manera como se calibran.
Figura 2. 10 Manómetro
Fuente: Internet Elaborado por: Paolo Cevallos- Francisco Velasco/2011
2.13.2.3. Transductores
Los transductores para mediciones de parámetros físicos, como presión y temperatura,
se define como el dispositivo que convierte la energía de una forma a otra. En términos
de instrumentación, el transductor debe presentar las siguientes características.
1. Deben medir con exactitud la magnitud del fenómeno físico.
2. Debe reproducir con exactitud el evento físico en relación con el tiempo.
Desde el punto de vista ideal, no debe tener un retardo de tiempo.
33
3. Debe reproducir exactamente todo el rango de frecuencia del fenómeno
físico sin cambios o degradaciones en ninguna porción del espectro que se
este midiendo.
4. Debe producir datos exactos en medio ambiente extremos de humedad,
temperatura, choques o vibraciones.
5. Debe ser capaz de proporcionar una señal de salida que sea compatible con
el equipo acondicionador de señal sin modificar las características del suceso
original.
6. Debe tener una construcción fuerte y ser lo suficientemente simple para
funcionar de manera que lo pueda manejar el personal inexperimentado sin
dañarlo o sin afectar las características de su señal.
Los transductores se utilizan para interpretar la energía física en términos de corriente o
voltajes equivalentes. Gran parte de la energía física que se mide se relaciona con el
movimiento o las fuerzas mecánicas como desplazamiento aceleración, vibración y
presión.
Figura 2. 11 Transductor de presión
Fuente: Sick Elaborado por: Paolo Cevallos y Francisco Velasco/2011
34
2.13.2.4. Variadores de velocidad
Los variadores de velocidad, también llamados convertidores de frecuencia, son
dispositivos utilizados para los procesos industriales. Se trata de equipos utilizados hoy
en día en múltiples aplicaciones, existiendo un buen número de fabricantes y
suministradores del mismo. Es un sistema para el control de la velocidad rotacional de
un motor de corriente alterna, por medio del control de la frecuencia de alimentación
suministrada al motor. El principio de funcionamiento del variador de velocidad
consiste en convertir el voltaje de CA a un voltaje de CD por medio de un puente
rectificador trifásico compuesto por seis diodos para posteriormente convertir ese
mismo voltaje de CD a un voltaje de CA por medio de un puente inversor trifásico
compuesto por seis tiristores los cuales controlan el voltaje de XCA variando su
frecuencia.
Los componentes del variador de velocidad son un puente rectificador trifásico y un
convertidor PWM creado con tiristores.
Figura 2. 12 Variador de velocidad
Fuente: Schneider Elaborado por: Paolo Cevallos y Francisco Velasco/2011
35
2.13.2.5. PLC`s (Programable Logia Controller)
Es un equipo electrónico, programable no informático, diseñado para controlar en
tiempo real y en ambiente de tipo industrial, proceso secuencial. Un PLC trabaja en base
a la información recibida por los captadores y el programa lógico interno, actuando
sobre lo que queremos controlar en la instalación, no todos los autómatas ofrecen las
mismas ventajas sobre la lógica cableada, ello es debido, principalmente, a la variedad
de modelos existentes en el mercado y las innovaciones técnicas que surgen
constantemente.
Figura 2. 13
PLC`s
Fuente: Schneider Elaborado por: Paolo Cevallos y Francisco Velasco/2011
Campo de aplicación
El PLC por sus especiales características de diseño tiene un campo de aplicación muy
extenso. La constante evolución del hardware y software amplia constantemente este
campo para poder satisfacer las necesidades que se detectan en el espectro de sus
posibilidades reales. Su utilización se da fundamentalmente en aquellas instalaciones en
donde es necesario un proceso de maniobra, control, señalización, etc., por tanto, su
aplicación abarca desde procesos de fabricación industriales de cualquier tipo a
transformaciones industriales, control de instalaciones, etc.
36
Implementaciones
Para su adecuada aplicación se debe tomar en cuenta su función:
Detección
Lectura de señal de los captadores distribuidos por el sistema de fabricación.
Mando
Elaborar y enviar las acciones al sistema mediante los accionadores y preaccionadores.
Dialogo hombre maquina:
Mantener un dialogo con los operarios de producción, obedeciendo sus consignas e
informando del estado de proceso.
Programación
Para introducir, elaborar y cambiar el programa de aplicación del autómata. El dialogo
de programación debe permitir modificar el programa incluso con el autómata
controlando la máquina.
Redes de comunicación
Permiten establecer comunicación con otras partes de control. Las redes industriales
permiten la comunicación y el intercambio de datos entre autómatas a tiempo real. En
unos cuantos milisegundos pueden enviarse telegramas e intercambiar tablas de
memoria compartida.
37
Sistemas de supervisión
También los autómatas permiten comunicarse con ordenadores provistos de programas
de supervisión industrial. Esta comunicación se realiza por una red industrial o por
medio de una simple conexión por el puerto serie del ordenador.
Control de procesos continuos
Además de dedicarse al control de sistemas de eventos discretos los autómatas llevan
incorporadas funciones que permiten el control de procesos continuos. Disponen de
módulos de entrada y salida analógicas y la posibilidad de ejecutar regularles PID que
están programados en el autómata
Entrada- Salidas distribuidas
Los módulos de entrada salida no tienen por qué estar en el armario del autómata. Puede
estar distribuido por la instalación, se comunican con la unidad central del autómata
mediante un cable de red.
Buses de campo
Mediante un solo cable de comunicación se puede conectar al bus captadores y
accionadores, reemplazando al cableado tradicional. El autómata consulta cíclicamente
el estado de los captadores y actualiza el estado de los accionadores.
2.14. Sistema Scada
Nos referimos básicamente a medios o conductos de comunicación es decir los
interfaces. Una interfaz Hombre – Máquina o HMI (“Human Machina Interface”) es el
38
aparato que presenta los datos a un operador (humano) y a través del cual éste controla
el proceso.
La industria del HMI nació esencialmente de la necesidad de estandarizar la manera de
monitorear y de controlar múltiples sistemas remotos, PLC´s y otros mecanismos de
control. Aunque un PLC realiza automáticamente un control pre-programado sobre un
proceso, normalmente se distribuyen a lo largo de toda la planta, haciendo difícil
recoger los datos de manera manual, los sistemas SCADA lo hace de manera
automática. La obtención de los datos por el sistema SCADA parte desde el PLC o
desde otros controladores y se realiza por medio de algún tipo de red posteriormente
esta información es combinada y formateada.
2.14.1. Definiciones del sistema Scada
SCADA es el acrónimo de Supervisor y Control And Data Acquisition (Supervisión,
Control y Adquisición de Datos).
Un SCADA es un sistema basado en computadores que permite supervisar y controlar a
distancia una instalación de cualquier tipo. A diferencia de los Sistemas de Control
Distribuido, el lazo de control es generalmente cerrado por el operador. Los Sistemas de
Control Distribuido se caracterizan por realizar las acciones de control en forma
automática. Hoy en día es fácil hallar un sistema Scada realizando labores de control
automático en cualquiera de sus niveles, aunque su labor principal sea de supervisión y
control por parte del operador.
2.14.2. Funciones del sistema Scada
Dentro de las funciones básicas realizadas por un sistema Scada están las siguientes:
39
Recabar, almacenar y mostrar información, en forma continua y confiable,
correspondiente a la señalización de campo: estados de dispositivos, mediciones,
alarmas, etc.
Ejecutar acciones de control iniciadas por el operador, tales como: abrir o cerrar
válvulas, arrancar o parar bombas, etc.
Alertar al operador de cambios detectados en la planta, tanto aquellos que no se
consideren normales como cambios que se produzcan en la operación diaria de
la planta. Estos cambios son almacenados en el sistema para su posterior
análisis.
Aplicaciones en general, basadas en la información obtenida por el sistema,
tales como: reportes, gráficos de tendencia, historia de variables, cálculos,
predicciones, detección de fugas, etc.
Figura 2. 14
Implementación de un HMI
Fuente: National Instruments. Elaborado por: Paolo Cevallos y Francisco Velasco/2011
2.14.2.1. Sistemas de Bombeo Hidroneumático17
Funcionamiento
Las bombas Convencionales arrancan a una sola velocidad 3450 RPM 17 Soluciones Integrales de Bombeo para el hogar, comercio, agricultura e Industria
40
Un interruptor de presión se utiliza para interrumpir o conectar la energía a la
bomba dependiendo de la presión en el sistema.
Cuando la presión del sistema baja a una presión “de conexión” (generalmente
de 40 psi), el interruptor de presión conecta la energía al sistema.
Cuando la presión del sistema aumenta hasta la presión “de desconexión”,
(generalmente de 60 psi), el interruptor de presión desconecta la energía del
sistema.
Si la bomba tiene un motor de “3-hilos”, una caja de control que contiene
componentes de arranque electrónico forma parte del sistema. De otra forma, los
componentes electrónicos de arranque se encuentran en la bomba (diseño de “2-
hilos”).
Se requiere un tanque de presión en este tipo de sistema para proporcionar un
tiempo de marcha mínimo de la bomba de 1 minuto después del arranque. Esto
significa que la capacidad de abatimiento del tanque, debe ser por lo menos
equivalente al número de galones que la bomba puede producir cuando está en
marcha por 1 minuto. Por ejemplo, un sistema equipado con una bomba de 25
galones por minuto, requiere un tanque de presión con una capacidad de
abatimiento de por lo menos 25 galones.
Figura 2. 15 Sistemas de Bombeo Hidroneumático
Fuente: Escuela Politécnica Nacional Elaborado por: Darwin Vinicio Paredes Plazarte, Roberto Alexander Rodriguez Landeta/2011
41
2.14.3. Sistemas de tanque a tanque
Consiste en trasladar el líquido de un tanque que se encuentre en la parte inferior hacia
un tanque más elevado con una altura que permita tener la presión de líquido requerido,
de esta manera se hace descender el líquido mediante tuberías hacia el proceso basado
en el principio de la gravedad. La selección de los equipos de bombeo se debe hacer en
base a las curvas características de los mismos y de acuerdo a las condiciones del
sistema de distribución
Figura 2. 16 Sistemas de tanque a tanque
Fuente: Escuela Politécnica Nacional Elaborado por: Darwin Vinicio Paredes Plazarte, Roberto Alexander Rodriguez Landeta/2011
42
CAPÍTULO III
DISEÑO DEL BANCO DE PRUEBA HIDRÁULICO DE PRESIÓN
CONSTANTE MEDIANTE UN H.M.I.
3.1. Comparación de los bancos de pruebas de presión constante
3.1.1. Sistema de presión constante18
Los sistemas de presión constante ajustan la velocidad de la bomba para satisfacer la
demanda de agua. Mantienen la presión independientemente de las variaciones de
caudal. Elimina el golpe de ariete debido a los arranques suaves que genera este sistema.
Estos sistemas también contribuyen al ahorro de energía y generan una mejor vida útil
para la bomba/motor.
Son sistemas basados en controlar y mantener la presión del líquido constante,
colocando un sensor a la línea de descarga y luego conectado directamente hacia el
variador para que ejecute el algoritmo de control enviando la frecuencia adecuada hacia
el motor para mantener constante la presión. Un sistema de parámetros programables
desde la interface del controlador permite una operación sencilla y sin complicaciones
para el operador. Estos parámetros contienen toda la información que el sistema
requiere para controlar la presión del líquido y permite cambiar la forma de operación
en un espacio de tiempo muy corto sin tener que detener el proceso de bombeo,
aumentando así la productividad.
El variador de frecuencia incorpora una función de arranque suave que consume menos
corriente de la red eléctrica y permite fluctuaciones en el nivel de voltaje de
alimentación. El arranque suave controlado por el variador de frecuencia disminuye el
estrés mecánico al que se ven expuestas las cajas reductoras, los acoplamientos y las 18 SAI Soluciones de Automatización Industrial http://saicr.blogspot.com/2008/04/sistema-debombeo- de-agua-presin.html
43
bombas de agua, esto incide directamente en la disminución de los costos por
mantenimiento. El sistema de control con variador de frecuencia no requiere que los
motores estén continuamente arrancando y parando.
Las ventajas que presenta este sistema son:
Inversión menor al compararse con soluciones con tanques elevados.
Mejor calidad de servicio. Presión constante.
Ocupa menos espacio que los sistemas hidroneumáticos.
Menor costo de mantenimiento.
Menor consumo de energía.
Características de control avanzadas.
Figura 3. 1 Sistema de presión constante
Fuente: Escuela Politécnica Nacional Elaborado por: Darwin Vinicio Paredes Plazarte, Roberto Alexander Rodriguez Landeta/2011
44
3.1.2. Banco de pruebas sistema Grounfos Q MPC
El sistema Grounfos Q MPC es compatible con la Bomba CRE de Grounfos- Bomba
de velocidad variable – lo cual asegura un control completo e instantáneo, optima
flexibilidad de rendimiento, además de una eficiencia incomparable.
Un BoosterpaQ MPC es un sistema completo de aumento de presión contante de agua,
hecho a la medida, con bombas CR de Grounfos. El cerebro del sistema es el
controlador de las bombas, el CU 351. Este controlador esta montado en una base junto
con el equipo eléctrico adicional construido para el panel de control.
Figura 3. 2 Banco de pruebas sistema Groundfos Q MPC
Fuente: Grounfos /2011 Elaborado por: Paolo Cevallos, Marcelo Velasco/2011
45
Ventajas
Gran confiabilidad
Alta eficiencia
Sistema todo –en – uno completamente integrados
Sistema que se ajustan a cualquier requerimiento
Fácil de instalar
Fácil de operar
Basado en décadas de experiencia y conocimiento.
3.1.3. Banco para pruebas de bombas Franklin Electric
Los equipos de Franklin Electric están compuestos por 4 piezas:
Bomba estándar y motor Franklin electric
Regulador SubDrive o MonoDrive
Tanque de Presión
Sensor de presión Finaklin Electric
Los equipos sub Drive y Monodrive de Franklin Electric permiten regular la presión de
manera uniforme, mediante componentes electrónicos avanzados que impulsan un
motor y una bomba estándar según la demanda de presión, indicada por un sensor de
gran precisión diseñados para trabajos pesados' Al ajustar la velocidad del motor y de la
bomba el SubDrive y MonoDrive puede ofrecer una presión constante de manera fiable
incluso si cambia la demanda del suministro de agua.
Normalmente, cuando se requiere agua el SubDrive y MonoDrive se mantiene en
funcionamiento para mantener la presión del sistema de manera precisa. Cuando el
SubDrive y MonoDrive detecta el uso de agua el regulador acelera el motor, a la vez
que aumenta gradualmente el voltaje lo que mantiene frio el motor y evita que aumente
el consumo eléctrico de arranque, en comparación con los sistemas de suministros
46
tradicionales. En los casos de poca demanda de agua el sistema puede apagarse y
prenderse a baja velocidad por ciclos estos ciclos no daña ni al motor ni al sensor de
presión.
Figura 3. 3 Banco de pruebas Franklin Electric Sub Drive/ Mono Drive
Fuente: Franklin Electric /2011. Elaborado por: Paolo Cevallos, Marcelo Velasco/2011
3.1.3.1.Ponderación de los diferentes bancos de pruebas
A continuación se muestra una ponderación para los diferentes tipos de bancos
de pruebas descritos anteriormente.
Tabla 3. 1 Ponderación de los bancos de pruebas
DESCRIPCIÓN MONTAJE DISEÑO CALIDAD DIDACTICA
FACILIDAD DE OPERACIÓN COSTO PROMEDIO
Sistema de presión constante EPN
5 2 4 4 5 4
Banco de pruebas sistema Groundfos Q MPC
3 3 2 4 2 2.8
Banco de pruebas Franklin Electric Sub Drive/ Mono Drive
4 5 2 3 4 3.6
Fuente: Investigación propia Elaboración: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco /2011
47
3.2. Diseño propuesto del banco de pruebas hidráulico de presión constante
Después de haber observado los bancos de pruebas antes mencionados se ha elaborado
un modelo tentativo compuesto de la siguiente manera:
3.2.1. Modelo tentativo del banco de pruebas
Consta de un tanque de 1100 litros donde se encuentra una bomba sumergible de 1 HP
trifásica con tubería de descarga de 1¼ pulgada tubería que es de plástico (PVC)
roscable.
La mesa de trabajo que es construida de un tubo cuadrado de 1 pulgada, ángulos de 3/4
de pulgada, dos cajones de un metro de largo por un metro de ancho y treinta de alto
para guardar herramientas, un tablero de control de ochenta de alto por cuarenta de
ancho y veinte de profundidad. También cuanta con accesorios como codos Tee´s de 90
grados, reducciones, válvulas de compuerta, válvulas de media vuelta, válvula
solenoide, entre otras. Además de un distribuidor de 3 pulgadas el cual se lo realizo
así por el proceso de selección de la tabla de Bombas Gulf la cual nos indica que el
distribuido debe ser escogido por las pérdidas más bajas de fricción en consumos de
agua. El Banco de pruebas tiene 4 electroválvulas, un transductor de presión, y un
sensor de caudal o caudalimetro para las respectivas mediciones. Por otra parte tiene un
tanque de acrílico de 6mm. de grosor con las siguientes medidas 1 m. de altura y 0.50
m. de diámetro. Este sirve de abastecimiento de agua en caso se lo requiera. Este tanque
tiene un conector de 11/2 pulgada con una valvula de ½ vuelta para el retorno del agua
hacia el tanque donde se encuentra sumergida la bomba.
En lo referente al modelo tentativo del circuito eléctrico este está formado por breakers
un contactor, una fuente de 220 voltios corriente alterna a 24 voltios corriente continua,
para el funcionamiento de los equipos que funcionan a ese voltaje como él (PLC),
transductor de presión, sensor de caudal, se tiene también un transformador de 220
voltios corriente alterna a 24 voltios corriente alterna para el funcionamiento de la
48
válvulas solenoide. Para controlar el sistema vamos a utilizar una computara con un
programa llamado Twido Solft
3.2.1.1.Tanque de abastecimiento
Para el presente proyecto se utiliza un tanque de abastecimiento para el sistema el
mismo que es de plástico PVC como se muestra a continuación.
Figura 3. 4 Tanque de plástico PVC
Fuente: Catálogo Plastigama Elaboración: Paolo Cevallos Marcelo Velazco/2011
P = Po + ∂gh
Dónde:
P = Presión Hidráulica
Po = Presión atmosférica (1.013x 105 Pa )
∂ = Densidad del líquido (densidad del agua a 20ºC =1000 Kg/m3)
49
g = Fuerza de Gravedad (9.8 m/s2)
h = Altura del recipiente (1.27 m)
Por lo tanto:
KpaP
msm
mkgPaxP
92.114
.39.1.8.9.100010013.1 235
1
11
Diámetro medio
2DiDoDm DD
Do (diámetro externo)= 112.00 cm
Di (diámetro interno) = 111.97cm.
297.11100.112 cmcmDm 11
98.1111Dm
T espesor = 0.275cm = 2.75 mm.
3.2.1.2.Esfuerzo longitudinal en un cilindro de pared delgada
tDm4D
P= Presión Hidráulica (114.92 Kpa)
Dm= Diámetro medio. (111.98 cm)
t = espesor (0.275 cm)
cmcmKpa
275.0*498.11*92.1141
Mpa69.111
50
Tabla 3. 2 Caracteristicas tecnicas del PVC
Fuente: http://www.plasticbages.com/caracteristicaspvc.html Elaboración: Paolo Cevallos, Marcelo Velazco. /2011
De acuerdo a la tabla se puede constatar que el esfuerzo que soporta un tanque de
policroruro de vinilo (PVC) es de 49.03 Mpa lo que significa que el tanque resiste.
3.2.1.3.Tanque de descarga
Este tanque esta acoplado a 1 metro sobre la mesa de trabajo. Es de acrílico de 6
milímetros de 0.50 metros de diámetro y de un metro de alto, tiene un acople de 1 ½
pulgadas que sirve para el retorno de abastecimiento de líquido. Este tanque es doblado
en forma cilíndrica a alta temperatura y esta soldado con una masilla epóxica, masilla
altamente resistente a la temperatura y al peso de líquidos.
Figura 3. 5 Tanque de descarga
Fuente: Elaboración Propia Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2011
Espesor del tanque 6mm de acrílico Diámetro: 50 cm. Altura: 100 cm. Capacidad: 196 lt.
51
El tanque de descarga tiene una capacidad de 196 litros la misma que se calculo con la
fórmula del volumen.
Dónde:
V= Volumen
r = Radio
h = Altura
Figura 3. 6 Esquema de fuerzas que actúan sobre el tanque
Fuente: Investigación propia Elaboración: Paolo Cevallos y MarceloVelasco/2011
La presión que intervienen en el cilindro es:
1 m³ 1000 lts 0.196 m³
52
P = Po + ∂gh
Dónde:
P = Presión Hidráulica
Po = Presión atmosférica (1.013x 105 Pa )
∂ = Densidad del líquido (densidad del agua a 20ºC =1000 Kg/m3)
g = Fuerza de Gravedad (9.8 m/s2)
h = Altura del recipiente (1 m)
Por lo tanto:
KpaP
msm
mkgPaxP
1.111
.1.8.9.100010013.1 235
1
11
Diámetro medio
2DiDoDm DD
Do (diámetro externo)= 50.06 cm
Di (diámetro interno) = 50 cmm
25006.50 cmcmDm 55
03.505Dm
T espesor = 0.6 cm = 6 mm.
3.2.1.3.1. Esfuerzo longitudinal en un cilindro de pared delgada
tDm4D
P= Presión Hidráulica (111.1 Kpa)
53
Dm= Diámetro medio. (50.03 cm)
t = espesor (0.6 cm)
cmcmKpa
6.0*43.50*1.1111
2.3Mpa.
Esfuerzo del cilindro 2.3Mpa esfuerzo que soporta el acrílico 31.65 Mpa es decir que el
cilindro es resistente
Tabla 3. 3 Características del acrílico
Índice de refracción 1,49 mínimo
ND. 296 K ( 23 C) 1,50 máximo
material no pigmentado
% nebulosidad 2,0 máxima
Material incoloro
% transmisión de luz para espesores de 92 mínimo 1,5 mm. A 5,00 mm. 90 máximo
5,6 mm a 25,4 mm.
% transmisión espectral a cualquier longitud de 5 máximo onda en la región 290-330mm con 0,3 mm de espesor
espesor de lámina (material incoloro)
factor de desplazamiento para espesores de : 50 máximo
1,5mm -5,0mm 80 máximo 56 mm -25,4mm
(colores Transparentes)
% encogimiento 2,9 máximo
esfuerzo a la tensión 3,103 mínimo
Mpa (kgf/cm) 31,651
% elongación a la ruptura 2 _ 5
Dimensiones 0,60 x 1,22 (6 mm de espesor)
Fuente: Tesis ESPE PID Jonathan López. Elaboración: Paolo Cevallos Marcelo Velasco/ 2011
54
3.2.1.4. Selección de Bomba sumergible
Para la selección se ha construido un tanque de acrílico con una capacidad de 196 litros;
debido a que es un prototipo, para el laboratorio de fluidos de la Universidad
Tecnológica Equinoccial además se adquirió un tanque de abastecimiento PVC
Plastigama de 1100 litros donde se ubicara la bomba y se encuentre sumergida hasta la
cabeza dinámica de dicha bomba que como norma indica que tiene que estar sumergida
hasta ese nivel.
Para la realización del cálculo se tiene los siguientes datos:
V= 196 litros Dato obtenido del tanque de descarga
t= 1.33 seg. Tiempo que demora en llenar el tanque de descarga.
Para nuestro cálculo se utilizó la ecuación general de Bernoulli o de la energía
P1= Presión manométrica en el punto 1
= Densidad del agua
g = Gravedad (9.8 m/s2)
Z1= altura del punto 1 con respecto a una referencia
gZ
gPHH
gZ
gP
br 22
22
22
21
21
11
22
g
21
g 2ZPHH
2Z 2
55
21 2rH = Perdidas en tuberías = gD
L2
22
DL
Coeficiente de pérdida.
Re64R6 Cuando el flujo es laminar
Cuando el flujo es turbulento ver tabla diagrama de Moody
Re= Número de Reynolds
Re > 2000 el flujo es turbulento
Re < 2000 el flujo es laminar
Re= D
Viscosidad cinemática del agua a 25 °C = s
mx2
610914.0 6
Figura 3. 7 Esquema Bomba Sumergible
Fuente: Elaboración propia. Elaboración: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco /2011
Datos del punto 1
Z1=-1.00m. V1=2.6m/seg. P1= ?
Z0= 0
P2= 10 psi Z2= 0,93m. V1=2,6m7seg.
Z 1
D
A
B C
Z2
56
P1=?
V1= 2.6 m/seg
Z1= -1 m.
Datos del punto 2
P2= 10 Psi
V2= 2.6 m/seg.
Z2= 0.93 m.
Para realizar el cálculo de la ecuación general de Bernoulli es necesario contar con el
dato de la velocidad el cual se lo realizara a continuación.
4)032.0(
1010.22
332 xAQ
./62.2 segm2
Donde A es el área de la sección transversal del tubo
4
2DA
Una vez obtenido el dato de la velocidad calculamos la pérdida total 21 2rH .
Para esto se ha dividido el sistema de tuberías en 4 partes debido a que el circuito
hidráulico tiene diferentes diámetros; debemos tomar el factor K y el coeficiente de
perdidas λ para realizar cálculos.
57
Tabla 3. 4 Factor K para Accesorios
½ ¾ 1 ½ 2 3 4 5 6
Valvula de compuerta
(abierta)
0.22 0.20 0.18 0.16 0.15 0.14 0.13 0.12
Valvula de globo
(abierta)
9.20 8.50 7.80 7.10 6.50 5.80 5.40 5.10
Codo estándar
(atornillado) 93°
0.80 0.75 0.69 0.63 0.57 0.51 0.48 0.45
Codo estándar
(atornillado) 45°
0.43 0.40 0.37 0.34 0.30 0.27 0.26 0.24
“T” estándar (flujo neto) 0.54 0.50 0.46 0.42 0.38 0.34 0.32 0.30
“T” estándar (flujo
Cruzado)
1.62 1.50 1.38 1.26 1.14 1.02 0.96 0.90
Fuente: mecánica de fluidos Irving H. Shames pag. 338 Elaboración: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2011
Debido a que tenemos tuberías de una pulgada un cuarto tenemos que interpolar los
siguientes datos, entre 1 pulg. y 1 ½ pulg.
Tabla 3. 5 Factor K para accesorios de una pulgada un cuarto
Accesorio Pérdida 1 codo 90° 0.66 1 acople 1.57
1 Tee 0.78
2 codos 45° 0.80
1 válvula de compuerta 0.17
2 universales 6.28
TOTAL 10.26
PARTE A Fuente: Investigación propia Elaboración: Paolo Cevallos y Marcelo Velazco/2011
Donde:
58
gvKH SAr 2
2
21 K2
8.9*262.226.10
2
21 12SArH
59.321 32SArH
Numero de Reynolds
Re= D
Re= 610914.0032.062.2
6xx
Re= 91728.66521
Con estos datos se calcula la altura de perdidas primarias de la parte A
gv
DLH PAr 2
2
21 DL
2
8.9*262.2
032.031.1 2
21 02PArH
8.9*262.2
032.031.1018.0
2
21 02PArH
.25.02_1 mH PAr 0
El valor del coeficiente de rozamiento ( ) fue calculado utilizando la fórmula de
Blasius, según se muestra en la tabla
59
Tabla 3. 6 Fórmulas para encontrar el coeficiente de rugosidad
TUBERIA REGIMEN FORMULA AUTOR
Lisas y Rugosas Laminar
Poiseulle
Lisas Tubulento (1) Re < 100.000
Blasius
Lisas Tubulento (1) Re < 100.000
Kármán-Prandtl (Primera ecuación)
Rugosas
Tubulento (1) (zona de transición)
Colebrook
Rugosas Turbulento (zona final)
Kármán-Prandtl (Segunda ecuación)
Fuente: Mecánicas de fluidos y maquinas hidráulicas; Claudio Mataix pág. 216 Elaboración: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
4/1Re316.0
R0
4/166.91728316.0
9
018.00
En la parte B se debe dividir equivalentemente por las 4 tuberías que contiene el
sistema. Por lo que el caudal que atraviesa por allí va a ser igual en todos los ramales:
Q= 0.52x10-3 m3/s.
4)025.0(
1052.02
330 xAQ
./05.1 segm1
4
2DA
60
Tabla 3. 7 Factor K para de una pulgada
Accesorio Pérdida 2 codo 90° 1.38
4 uniones 18.8
2 Tee 0.92
2 codos45° 0.74
4 electrovalvulas 31.2
2 universales 1.92
TOTAL 55.04
PARTE B Fuente: Investigación propia Elaboración: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco /2012
Donde:
gvKH SBr 2
2
2_1 K
8.9*262.204.55
2
2_1 5SBrH
.26.192_1 mH SBr 1
A continuación se calcula el número de Reynolds, para obtener la altura. HB
Re= D
Re= 610914.0025.005.1
6xx
Re= 28719.91
Luego de haber calculado el número de Reynolds se calcula la altura respectiva.
61
4/1Re316.0
R0
4/191.28719316.0
2
024.00
La longitud de tubería en este tramo es 3.46m.
gv
DLH PBr 2
2
2_1 DL
8.9*205.1
025.046.3 2
2_1 03
PBrH
8.9*205.1
025.046.3024.0
2
2_1 0PBrH
.18.02_1 mH PAr 0
En la parte C
Tabla 3. 8 Factor K para accesorios una pulgada un cuarto
Accesorio Pérdida 1T 0.78
1codo 90°C 0.66
1union 1.57
TOTAL 3.01
PARTE C Fuente: Investigación propia Elaboración: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
gvKH SCr 2
2
21 K2
8.9*262.201.3
2
21 32SCrH
.05.12_ mH SCra 1
62
La longitud de tubería en este tramo es de 1.54m.
gv
DLH SPCr 2
2
2_1 DL
8.9*205.1
032.054.1 2
2_1 0SPCrH
8.9*262.2
032.054.1018.0
2
2_1 0SPCrH
.30.02_1 mH PAr 0
Tabla 3. 9 Factor K para accesorios de una pulgada un cuarto
Accesorio Pérdida
1 Tee 0.78
1 codo 90° 0.66
TOTAL 1.44
PARTE D Fuente: Investigación propia Elaboración: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
Donde:
gvKH SDr 2
2
21 K2
8.9*262.244.1
2
21 12SDrH
.05.02_ mH SDra 0
La longitud de tubería en esta parte es 0.23m.
gv
DLH SDr 2
2
2_1 DL
63
8.9*205.1
032.023.0 2
2_1 0SDrH
8.9*262.2
032.023.0018.0
2
2_1 0SDrH
.04.02_1 mH PAr 0
Ahora se calcula la altura total de perdidas 21 2rH
PrSrr HHH 212_121 22 HH
SDrSCrSBrSArSr HHHHH 2_12_12_12_12_1 HHHH
50.0.05.1.26.19.59.32_1 0113 mmmH Sr
.4.242_1 mH Sr 2
PArPArPArPArPr HHHHH 2_12_12_12_12_1 HHHH
mmmmH Pr 04.030.018.025.02_1 0000
.77.02_1 mH Pr 0
PrSrr HHH 212_121 22 HH
mmH r 77.04.2421 022
mH r 17.2521 22
Utilizando la ecuación de Bernoulli de alturas entre los puntos 1 succión y 2 descarga
gZ
gP
HHg
Zg
Pbr 22
22
22
21
21
11
22
g
21
g 2Z
PHH
2Z 2
22
2
21
22_1
21
11v
gZPgHv
gZP rv
ggv
g P
64
222111 gZPgHgZP r ggg P2
Remplazando los siguientes datos
Datos del punto 1
P1=?
V1= 2.6 m/seg
Z1= -1 m.
Datos del punto 2
P2= 10 Psi
V2= 2.6 m/seg.
Z2= 0.93 m.
P1= -(9800)(-1)+(98009(25.14)+7+(9800)(0.93)
P1= 9800+246.666+7+9144
psimNP 54.38/617.256 21 32
gP
Hg1P
3
2
9800
617.256
mNmN
H
H= 26.18m.
El calculo de la potencia necesaria de la bomba se realiza con la siguiente formula
bHgQP .. gQ
65
Donde:
P= 2.10x10-3x1000x9.8x26.18
P= 538.78 w.
Se conoce que la eficiencia de la bomba es del 80% (0.80)
80.078.538 wP 5
Relación Watts/HP= 673.47w HPwHP 90.0746
1 0
P= 673.475w
P= 0.67 Kw
Para probar el comportamiento de la bomba para adaptarle al sistema de presión
contante se realizó las siguientes comparaciones entre tres variables: frecuencia, altura y
caudal.
Tabla 3. 10
Altura vs caudal estrangulando la válvula de compuerta FRECUENCIA ALTURA CAUDAL
Posición de la llave fr Pies
galones * min
totalmente abierta 60 2,31 48,68
2 posiciones 60 3,46 45,24
4 posiciones 60 4,61 46,03
6 posiciones 60 11,53 46,83
8 posiciones 60 184,52 21,43
totalmente cerrada 60 221,42 0,00 Fuente: Elaboración Propia Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
66
Figura 3. 8 Curva de la tabla caudal vs altura
Fuente: Elaboración Propia Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
3.2.1.4.1. Motores Eléctricos.
Considerar: Tipo, velocidad, voltaje potencia y sobrecarga, reguladores de velocidad,
corriente de arranque y operación, eficiencias con carga y sin carga.
Tabla 3. 11 Características Bombas sumergibles Modelo Volts Amp HP
2343159204 230 6.7 2 SF max RPM PH Kw AMP 8.1 3450 3 1.5 Phase SF
3 1.25
Potencia 1 HP Modelo 25FA154-PE
Serie 10A22280137 Fuente: Elaboración Propia
-50,00
0,00
50,00
100,00
150,00
200,00
250,00
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00
ALTU
RA (p
ies)
CAUDAL(gpm)
Curva
67
Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
Figura 3. 9 Bomba sumergible
Fuente: Elaboración Propia Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
Son equipos que tienen la bomba y motor acoplados en forma compacta, de modo
Que ambos funcionan sumergidos en el punto de captación.
3.2.1.4.2. Calculo del TDH para bomba de retorno
Figura 3. 10 Esquema de la bomba de retorno
Fuente: Elaboración Propia
68
Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012 Datos:
H= 0.97m. Altura desde el nivel de agua del tanque al punto de descarga
P=10psi
Calculo de la altura estática.
Altura estática = H+P.
Presión manométrica 10Psi
Presión manométrica en metros 8.75m
Altura estática = 0.97m. + 8.75 m
Altura estática = 9.72m.
Tabla 3. 12 Perdidas por accesorios (medidas en milímetros y en metros)
Accesorios Medidas Perdidas por metros Neplo de 10 40mm 0.10m.
2 codos 40mm 0.96m.
Tubo 40mm 0.85m.
Tee 2 1/2pulg 0.70m.
Acople 2 ½ pulg 0.09m.
Reducción 40 mm. 2 m.
Neplo cintura 1 pulg 0.05m.
2 codos 1 pulg. 0.60m.
Universal 1 pulg. 0.03m.
Neplo de 10 1 pulg. 0.10m.
Neplo de 5 1 pulg. 0.05m.
Neplo cintura 1 pulg. 0.05m. Fuente: Investigación propia Elaboración: Paolo Cevallos MarceloVelasco /2012
69
4)020.0(
1036.82
338 xAQ
segm /62.262
3.2.1.4.3. Numero de Reynols
Re= D
Re= 610914.0020.062.26
6xx
Re= 5824.94
Formula de Blasius
4/1Re316.0
R0
4/194.5824316.0
5
036.00
gDL
2 =Hv
22
DL
8.9*262.26
020.058.5 =Hv
2
05
8.9*262.26
020.052.5036.0 =Hv
2
Hv= 3.51 m Altura dinámica=0.97+3.51m Hr= 4.48m
70
TDH = ALTURA ESTATICA + ALTURA REAL TDH= 7.97+4.48m TDH= 12.45m.
Figura 3. 11
Curva de bombas centrifugas
Fuente: Catalogo Pedrollo Elaboración: Paolo Cevallos Marcelo Velasco/2012
3.2.1.5. Mesa de trabajo
Es la estructura en donde estarán ubicados todos los componentes del banco de pruebas.
Para diseñar esta mesa de trabajo se analizó un estimado del peso y del volumen que
ocupará cada elemento.
La mesa de trabajo está diseñada de acuerdo a la disposición del circuito del fluido y la
carga que va a soportar. La estructura está conformada de estructura metálica con
71
ángulos tipo “L”, tablero de madera forrado de una plancha de aluminio. Como se
muestra en la siguiente Figura
Figura 3. 12 Mesa
Fuente: Elaboración Propia Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
3.2.1.5.1. Pesos de la mesa
Para poder calcular lo que la mesa de trabajo puede soportar. Se procedió a tomar los
pesos de los elementos que constituyen la mesa. La misma que está construida de
madera MDF en su mayoría de 18 milímetros. En la siguiente tabla se muestra los pesos
de la madera
Tabla 3. 13 Pesos de Madera
Especificación Medida Peso
Parte Superior 0.99m x 1.99m x 15mm 16 Kg
Tabla blanca 0.78 x 2.16 x 18 mm 18 Kg.
Cajón 1 0.95m x 0.57m 12 Kg.
Cajón 2 0.95m. x 0.57m. 12 Kg.
Tabla lateral izquierda 0.833m.x1.03m. x18mm 10 Kg
Tabla lateral derecha 0.833m.x1.03m. x18mm 10 Kg
Parte frontal 0.91m x 0.833mx 18 mm 8 Kg
72
Total pesos maderas 86 Kg. Fuente: Elaboración Propia Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012 El peso del tanque reservorio está compuesto por el tanque vacío. El mismo que tiene
los siguientes pesos.
Tabla 3. 14 Tanque Reservorio
Especificación Medida Peso Tanque reservorio esférico 1 m x 0.50 m 14 Kg
Total pesos tanque 14 Kg. Fuente: Elaboración Propia Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
El tol es un material que forma parte de la mesa de trabajo el mismo que la recubre por
lo que se tomó en consideración el peso de este material.
Tabla 3. 15 Tol
Especificación Medida Peso Tol lateral izquierda 0.60m x 0.40m 1,3 Kg Tol lateral derecha 0.60m x 0.20m 0.7 Kg.
Parte frontal 2.0m x 1.0m 11.14 Kg. Total pesos total 13.14 Kg.
Fuente: Elaboración Propia Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012 3.2.1.5.2. Cálculos de la carga de la mesa
Figura 3. 13 Diagrama de esfuerzo de la mesa
I= 1-2
I= 2-3
L = 2.0 m H = 1.0 m.
73
Fuente: Elaboración Propia Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
Peso total = 27.14 Kg
Constantes de la estructura de la mesa
Inercia para columna
I1-2 = 1.21 cm4
Inercia para vigas
I2-3 = 0.28cm 4
Momento Flector de la Mesa
74
de la mesa
75
Cuando x =1.7 m.
Figura 3. 14 Diagrama del momento flector de la mesa
Fuente: Elaboración Propia Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
76
Carga del tanque
Figura 3. 15 Diagrama de esfuerzo
Fuente: Elaboración Propia Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
Constante k del tanque
LAnmk
***66
mmmk
2*92.1230.0*.170*66
mk 11.00
Peso total del tanque = 210 Kg.
Peso del tanque =
Peso del tanque = 105 kg.
Del tanque
0.30 m. 1.70 m.
m P n
77
Carga vertical del tanque
Cuando
2** M
LxnPM x MP
).55.11(.2
70.1*30.0*105 mKgm
mmKgM x 1(1
mkgM x .22.1515
Cuando
2** M
LxnPM x MP
).55.11(.2
1*30.0*105 mKgm
mmKgM x 1(1
mkgM x .2.4.4
78
Figura 3. 16 Diagrama del momento flector de la viga
Fuente: Elaboración Propia Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
Realizamos el diagrama la suma de momentos
Figura 3. 17 Diagrama del momento flector de la viga
W = 105 Kg
M6 = 5.49Kg.m
17 m ts
1 mts 1 mts
M5 = 14.92 Kg.m
M6 = 13.64 Kg
V1 = 22.53 Kg
H4 = 13.64 Kg
V4 = 96.O35 Kg
3
-13,64 Kg.m
-13,64 Kg.m -13,64 Kg.m
-13,64 Kg.m
2
0.3 m
79
Fuente: Elaboración Propia Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
Diseño de esfuerzo cortante y flector para la Viga
ICMGflector.M
M total 5= 14.92 Kg.m
M total 6=5.49 Kg.
Gflector = 31438571.43 kg/m2
Gflector = 31.44* kg/m2
Gflector = 308.MPa
Diseño de esfuerzo cortante y flector para la columna
mkgmkgM .55.11.009.2 1.2
M = -13.65 Kg.m
ICMGflector.M
4810*21.10127.0*.65.13m
mmkgGflector 8
1
Gflector = 14326859.5 kg/m2
Gflector = 14.33* kg/m2
4910*8.20059.0*.92.14m
mmkgGflector 9
1
80
Gflector = 140.4MPa
Diseño de esfuerzo cortante y compresión para la columna forma vertical
Vtotal=Vtanque+Vmesa
Vtotal=6.785Kg+89.25Kg
Vtotal=96.035Kg
AFGcompresíonAF
Area=1.35 cm2
Area=1.35* m2
410*35.1035.96
419 KgGcompresíon
Gcompresíon=711333.33 kg/m2
Gcompresíon = 0.711* kg/m2
Gcomresíon = 6.97MPa
Diseño de esfuerzo cortante y compresión para la columna forma horizontal
Htotal=Hmesa+Htanque
Htotal=13.64Kg
81
AFGcompresíonAF
Area=1.35 cm2
Area=1.35* m2
410*35.164.13
41KgGcompresíon
Gcompresíon=101037.037 kg/m2
Gcompresíon = 0.1010* kg/m2
Gcomresíon = 9.8MPa
Tabla ATSM A 569 Limite de fluencia Sy 260MPa
; igual que en la sección
la columna soporta sin ningún problema.
82
Para la viga
; igual que en la sección
La viga soporta sin ningún problema.
Figura 3. 18 Esfuerzos simulado en Solid Work
Fuente: Elaboración Propia / Solidword Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
3.2.1.6. Distribuidor
83
El distribuidor está construido por tubería de presión (PVC), sirve para la estanqueidad
del agua, hace que se mantenga la presión en los puntos de descarga es decir en los
puntos donde existen consumos de agua, en este caso tuberías compuestas con
accesorios, etc.
Se lo construye de acuerdo al cálculo de pérdidas por fricción, de tuberías armadas para
diferentes consumos de agua se suman todas esas pérdidas y se escoge cual es el
distribuidor que tenga menos perdidas estas pérdidas son producidas por fricción de las
tuberías, codos, reducciones, materiales, etc.
Con la tabla de la GULF PUMPS (Residential Water Systems) Friction Loss (ITT). Ver
anexo 9
Escogimos que nuestro distribuidor tiene que ser construido con una tubería de 3
pulgadas con un coeficiente de fricción de 0.19 enmarcándose en lo que dice dicha
tabla.
Figura 3. 19 Distribuidor
Fuente: Elaboración Propia Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
3.2.1.7. Bomba de retorno
84
Se utilizó una bomba de agua de medio hp para la descarga del tanque de acrílico que se
encuentra en la mesa de trabajo.
3.2.2. Circuito eléctrico y protecciones eléctricas
El circuito eléctrico es alimento en forma monofásica a 220 voltios corriente alterna
para todo el sistema del gabinete de control, se tiene un variador de frecuencia que es el
que se encarga de convertir en energía monofásica a energía trifásica para la bomba
sumergible trifásica que hace la descarga para el tanque reservorio, tiene un gabinete
tiene 60 de alto, 40 de ancho, y 20 de profundidad.
Para la bomba monofásica de evacuación que funciona a 110v corriente alterna tenemos
un gabinete de 30 de alto, 30 de ancho y 10 de profundidad. Con sus respectivas
protecciones.
De acuerdo con lo que establece el REBT (Reglamento Electrotécnico de Baja tensión),
en la instrucción IMIE BT 020, todo circuito debe estar protegido contra los efectos de
las sobre intensidades que pueden prestar en las mismas.
Además de las protecciones contra sobre intensidades, el REBT en la instrucción IMIE
BT 021 se refiere a las protecciones contra contactos directos e indirectos, que se
pueden producir en una instalación eléctrica.
Según el REBT la protección contra corto circuito se puede efectuar con una de estas
dos opciones:
Fusibles calibrados de características de funcionamiento adecuadas.
Interruptores automáticos con sistema de corte (disparo) electromagnético,
disparadores tipo n
85
La protección contra sobrecarga se puede efectuar con alguna de estas dos opciones:
Fusibles calibrados de características de funcionamiento adecuadas.
Interruptores automáticos con curva térmica de corte (disparo), disparadores tipo
O.
El REBT prescribe para la protección contra los contactos directos.
El alejamiento de las partes activas de la instalación a una distancia tal que no
puede haber un contacto fortuito.
La interposición de obstáculos que impidan todo contacto accidental con las
partes activas de la instalación.
Recubrir las partes activas de la instalación con aislamiento apropiado.
3.2.2.1.Cables eléctricos
Son cuerpos capaces de conducir o transmitir la electricidad. Un conductor eléctrico
está formado primordialmente por el conductor parte fundamental, usualmente de cobre.
Este puede ser alambre, es decir, una sola hebra o un cable formado por varias hebras o
alambres retorcidos entre sí. Los materiales más utilizados en la fabricación de
conductores eléctricos son el cobre y el aluminio.
Aunque ambos metales tienen una conductividad eléctrica excelente, el cobre constituye
el elemento principal en la fabricación de conductores por sus notables ventajas
mecánicas y eléctricas. El uso de uno y otro material como conductor, dependerá de sus
características eléctricas (capacidad para transportarla electricidad), mecánicas
(resistencia al desgaste, maleabilidad), del uso específico que se le quiera dar y del
costo.
Estas características llevan a preferir al cobre en la elaboración de conductores
eléctricos.
86
El tipo de cobre que se utiliza en la fabricación de conductores es el cobre electrolítico
de alta pureza, 99,99%.
Dependiendo del uso que se le vaya a dar, este tipo de cobre se presenta en los
siguientes grados de dureza o temple: duro, semi duro y blando o recocido.
Para bombas sumergibles es recomendable utilizar cables apantallados simétricos con
tierra concéntrica.
Cumplir con la normativa EMC.
La longitud, debido al efecto capacitivo del cable sobre el convertidor de frecuencia la
distancia máxima entre convertidor y motor son según el tipo de convertidor.
Modelos con potencia hasta 1.5Kw hasta 100 m.
Modelos con potencia superiores hasta 300 m
Distancias superiores a las recomendadas e inferiores a 600 m utilizar filtros de salida.
Para el empalme de los cables pueden usarse cartuchos de resina, cintas vulcanizadas o
funda termo retráctil para proporcionar la estanqueidad requerida.
3.2.2.2.Variadores de velocidad
El convertidor de frecuencia es un aparato electrónico que nos sirve para variar la
velocidad de los motores de inducción.
3.2.2.3. Funcionalidad
Mejora el funcionamiento
87
Arranque suave y controlado
Eliminación del golpe de ariete
No son necesarios los condensadores para la reactiva
o Ahorro energético
o Permite adaptar la velocidad del motor a las necesidades del proceso
Control de la presión
Control del nivel
Control del caudal
Figura 3. 20 Esquema de bloques del variador de frecuencia
Fuente: VACON Elaborado por: Cevallos Paolo y Velasco Marcelo /2012
3.2.2.4. Conexión mediante convertidor de frecuencia
Elimina las puntas de arranque
Arranque con intensidad controlada, puede ser inferior a la nominal
o Permite la conexión a generadores
Disminución de la intensidad de arranque
Retraso a la puesta en marcha
o Soporta los microcortes
Continúa funcionando sin desconexión frente pequeños fallos de red
o Reduce los golpes de ariete
Paro controlado, disminución progresiva de la velocidad
88
o Sin condensadores
No son necesarios para compensar la reactiva
o Reconexión automática
3.2.3. Programación del controlador
Para la programación del PLC controlador es necesario tener un Software TwidoSoft.
3.2.3.1. TwidoSoft
TwidoSoft es un entorno de desarrollo gráfico para crear, configurar y gestionar
aplicaciones para los autómatas programables (PLC Twido). TwidoSoft versión 3.5 es
un programa basado en Windows de 32 bits para un PC que se ejecute con los sistemas
operativos Microsoft Windows 98 segunda edición o Microsoft Windows 2000
Professional o superior.
Figura 3. 21
TWIDO SOFT
Fuente: TWIDO SOFTv3.5
89
Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
3.2.3.2. Programación
Principales funciones de programación y configuración:
• Programación de diagrama Ladder reversible y de lenguaje de lista de instrucciones.
• Programación en modo offline y online.
• Animación de programas y datos.
• Configuración sencilla mediante el Navegador de aplicación.
• Funciones de edición: Cortar, Copiar y Pegar.
• Programación simbólica.
• Copias impresas de programas y configuración.
3.2.3.3. Configuración del Hardware
La configuración de los controladores programables TWIDO consiste en seleccionar
opciones para los recursos de hardware del controlador, los mismos que pueden
configurarse en cualquier momento durante la creación de un programa.
• Controlador Base y Remoto
Aquí se configura el tipo de controlador que se utiliza en el proceso, sea éste modular o
compacto, siendo distintos por el tipo de alimentación. Para seleccionar el modelo de
controlador para una aplicación, se utiliza el cuadro de diálogo "Cambiar controlador
base". El modelo puede ser modificado, pero no eliminado de la estructura de la
aplicación.
• Configuración de entradas y salidas (E/S digitales) del PLC
Mediante el cuadro de diálogo "Configuración de entradas y salidas se asignan las
90
E/S digitales del controlador base que van a ser utilizadas.
• Entradas y salidas de ampliación (E/S análogas)
Se emplea el cuadro de diálogo "Agregar módulo" para añadir, dependiendo del
modelo, uno o varios módulos de ampliación de E/S a la configuración de la aplicación,
a cada módulo de ampliación se le asigna una dirección de configuración que se
enumeran en el mismo orden en el que se agregan los módulos.
En este caso, se utiliza el módulo de ampliación TWDAMM3HT que contiene 2
entradas analógicas, 1 salida analógica y pueden ser configuradas como tipo voltaje (de
0 - 10V) o corriente (de 4 a 20 mA) e intercambiadas sin necesidad de utilizar hardware
adicional.Para la aplicación, se utiliza (opcional) como entrada de corriente la
entrada %IW1.0 para adquirir los datos de caudal que da la bomba centrifuga, el agua
que bombeada se aloja en el tanque principal y la salida %QW1.0 como de voltaje para
controlar la salida de frecuencia que da el variador de frecuencia telemecanique Altivar
31 que controla la bomba centrifuga.
Se puede configurar a cada entrada en valor de palabras decimales, binario o ASCII. La
resolución es de 12 bits (o a 4095 en valor de palabra) para cada uno de los registros del
módulo analógico que podrían ser escalados en función de los requerimientos de la
aplicación para conseguir una mejor resolución, en figura 3.8 se muestra un el diagrama
de conexión.
3.2.3.4. Sistema Scada
InTouch es un paquete de software utilizado para crear aplicaciones de interface
hombre-máquina bajo entorno PC para los sistemas operativos de Microsoft. El paquete
consta básicamente de dos elementos: Windowmaker y Windowviwer.
91
WINDOWMAKER es el sistema de desarrollo, permite todas las funciones necesarias
para crear ventanas animadas interactivas conectadas a otras aplicaciones de Windows.
WINDOWVIEWER es el sistema runtime utilizado para simular las aplicaciones
creadas con Windowmaker.
3.2.3.5. Pantallas
El nombre de la ventana con la que se va a trabajar es PANTALLA PRINCIPAL, y es
la pantalla de presentación con la que se da inicio al HMI, donde se muestra el texto
fundamental en el que se basa el proyecto de titulación.
Figura 3. 22 Pantalla Proyecto
Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
En el siguiente cuadro se muestra la presentación de las opciones que los usuarios
podrán manejar en esta ventana, la cual fue creada con la finalidad de que se tenga una
vista general del proceso del sistema de presión constantes para que pueda explicar de
mejor manera el estado y funcionamiento de todo el sistema, ya que tiene acceso al
control y monitoreo de todos los parámetros que intervienen. La ventana corresponde a
la animación del proceso, de manera que el operario pueda visualizar el estado de las
92
variables del sistema y además pueda configurar cada una de ellas en el momento que lo
requiera. Para acceder a esta ventana el usuario debe ingresar al programa.
Figura 3. 23
Pantalla circuito
Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
93
CAPÍTULO IV
CONSTRUCCIÓN, PRUEBAS Y OPERACIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS
HIDRÁULICO DE PRESIÓN CONSTANTE MEDIANTE UN HMI PARA EL
LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS DE LA UTE.
Partes que forman parte del banco de pruebas hidráulico:
Tanques de abastecimiento y descarga
Mesa de trabajo
Tuberías y válvulas
Bombas
Figura 4. 1 Sistema De Presión Constante
Fuente: Elaboración Propia Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
94
3.3. Construcción Banco de prueba hidráulico de presión constante mediante un
H.M.I. Para el laboratorio de mecánica de fluidos de la UTE.
Se construyó esta mesa de trabajo en base a los requerimientos que encontramos en las
diferentes universidades y laboratorios
3.3.1. Mesa de trabajo
Esta mesa fue construida con tubos cuadrados y ángulos de hierro, esta soldada y
pintada con pintura anticorrosiva, también tiene planchas de madera que se encuentra
recubriendo la mesa, y en la parte donde se encuentra la tubería, la mesa tiene una
plancha de tol de acero para el recubrimiento de la mesa.
Figura 4. 2 Construcción De La Mesa De Trabajo
Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
95
En las fotografías que se muestran a continuación se muestra el proceso de
construcción del Banco de Pruebas de Presión Constante Hidráulico mediante un HMI
para el Laboratorio de fluidos de la UTE. Se muestra la mesa de trabajo la instalación de
tuberías e instalación de la bomba de retorno.
Figura 4. 3
La tubería es de material de PVC ros cable
Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
Figura 4. 4
Rectificación de la base para el cudalimetro
96
Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
Figura 4. 5
Instalación de tuberías
Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
Figura 4. 6 Instalación de la bomba de evacuación del tanque de acrílico
97
Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012 3.3.2. Pruebas de la bomba trifásica con arranque directo
En esta parte se consideró parte importante hacer una prueba de cuanto consumo de
energía eléctrica consume la bomba trifásica, para eso tuvimos que llevar la bomba a la
empresa PRONACA donde medimos los parámetros de corriente con un arranque
directo.
Figura 4. 7 Prueba al instante en el que arranca el motor
Elaborado por: Cevallos Paolo / Velasco Marcelo
Figura 4. 8
Prueba en el que la corriente del motor se estabiliza
98
Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
Tabla 4. 1 Arranque directo a 60 Herz vs arranque con variador de frecuencia Herz
MOMENTO DE ARRANQUE 12.(Amp)
ESTABILIDAD DE ARRANQUE 5.5(Amp) DATO DE PLACA 6.7(Amp)
CON VARIADOR DE FRECUENCIA 1.8 a 6 (Amp) Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
3.4. Beneficios el sistema de presión constante vs sistema convencional
Para la realización de esta comparación tomamos datos de un edificio de 4 familias y cada
departamento cuenta con:
2 duchas
2 baños
1 lavadora
1 llave para regar el pasto
2 lavabos en el baño
2 sanitarios
Otros.
99
Se tomó como dato que el edificio completo consume 2m3 de agua con este dato se
realizaran los cálculos para tres sistemas tales como: un sistema de presión
convencional, sistema de presión constante y un sistema tanque a tanque, luego de esto
obtendremos que sistema es más eficiente.
Según los manuales los tanques de presión almacenan el 10% de lo que entrega la
bomba, por lo que:
3.4.1. Sistema convencional
El sistema tradicional funciona con un interruptor de presión que hace que la bomba
encienda cuando el manómetro marca 40PSI y se desconecta cuándo marca 60 Psi por
lo que la bomba funciona únicamente a 60 HZ a lo que se le ha denominado como
arranque directo o arranque normal.
Calculo para el arranque directo
Motor: 2HP
Intencidad de corriente = 6.2 Amp.
Frecuencia = 60Hz
Donde
P= cos...3 IV
P = Potencia
V= Voltaje
I= Intensidad
Cosθ= Factor de potencia
100
P= 85,0.2,6.220.3
P= 2Kw = 4 horas de trabajo
E=P.t
E= consumo eléctrico
P= potencia
T= tiempo
E= 2KW.4h
E 8Kw.h
Costo del consumo eléctrico= 8kwh 60.2130*72.0$1
09.0$ 2$ diasKWh
El sistema convencional consume $21.60 en un mes según el análisis realizado.
3.4.2. Sistema de presión constante
Para el sistema de presión constante se ha tomado valores de frecuencia y de corriente
con intervalos de 10Hz desde 30Hz hasta 60HZ con los cuales se ha realizado una
media aritmética para la realización del calculo de consumo de energía mediante este
sistema.
Para calcular las revoluciones por minutos de la bomba se utilizo la siguiente formula:
PfN *1201
N= Revoluciones por minuto.
f = frecuencia
P = numero de polos en el motor.
101
Tabla 4.2 Datos de la bomba
FRECUENCIA RPM INTENSIDAD
60 Hz. 3600 rpm 6.2 Amp.
50Hz 300 rpm 5.2 Amp.
40Hz 2400 rpm 4.3 Amp.
30Hz 1800 rpm 3.2 Amp. Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
Calculando la media aritmética de la tabla realizada la insidad tiene una media de 4.7
Amp. Valor que se tomara para realizar el cálculo.
P= cos...3 IV
P= 1.73. 220.4,7.0,85
P=1522 w.
P=1.52Kw.
E= 1.52KW.4h
E=6Kwh
Costo del consumo eléctrico= 6kwh 44.1630*54.0$1
09.0$ 1$ diasKWh
El sistema de presión constante ha consumido $16.44 lo que significa que consume un
31.4% menos que el sistema convencional.
Variación de los sistemas = sistema convencional – sistema de presión constante
Sistema de presión constante.
Variación de los sistemas = 44.16
44.1460.21 1
Variación de los sistemas = 31.4.
Figura 4. 9
Comparación de los costos de energía de los sisetmas
102
Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012 3.5. Elaboración de un Manual de Operación y Mantenimiento
Inicialmente es importante alimentar a los elementos controladores en el panel principal
del banco de pruebas hidráulico de presión constante mediante un H.M.I. Para el
laboratorio de mecánica de fluidos de la Universidad Tecnológica Equinoccial
Los elementos a conectar la alimentación son PLC (twido), variador de velocidad
(Altivar312), sensor de caudal (GF), transductor de presión (sicK), electroválvulas
(Bermad), y electrodos (camsco) que controlan el nivel de agua.
Una vez que están alimentados los equipos es necesario visualizar el estado de los
elementos los cuales nos muestran los Leds de encendido para el caso del variador y el
PLC.
El tablero de control del banco de pruebas hidráulico de presión constante mediante un
H.M.I. cuenta con un pulsador principal (Paro de emergencia), un selector de tres
posiciones (apagado, manual y automático) lámparas de señalización de encendido y
apagado de los motores de las bombas de agua y abierto y cerrado de las
electroválvulas, el tablero también cuenta con un ventilador que se encenderá
0
5
10
15
20
25
Sistema convencional Sistema de presioncosntante
Costos 21,6 16,44
Costos
103
conjuntamente con el variador de velocidad para sacar el aire caliente que se acumula
dentro del tablero de control por causa de los aparatos electrónicos.
Para el fácil mantenimiento y manipulación del tablero o para cambios de dispositivos
eléctricos como contactores, relés auxiliares, etc, se lo puede realizar desconectando la
alimentación principal ya que el tablero es desmontable y todo el sistema se encuentra
conectado con borneras que internamente están conectadas con los elementos
electrónicos y eléctricos del tablero de control.
3.5.1. Seguridad de control
Verificar que el tranque de agua principal este parcialmente lleno.
El procedimiento del banco de pruebas es totalmente automático no responde a
operaciones manuales. La válvula de la salida de descarga de agua debe estar
totalmente abierta. Las universales tienen que estar ajustadas para que no existan fugas
de agua. El cable de comunicación debe estar instalado desde el PLC al computador.
Ubicar el selector en modo automático para el funcionamiento del sistema.
3.5.2. Mantenimiento
Tabla 4. 3 Matriz causa efecto
Causa Efecto
Agua contienen hierro Obstruye el flujo aspiración de agua
Rodamiento averiados Sonido perturbador de la bomba
104
Sellos mecánicos averiados Bomba no absorbe agua
Aislamiento de conductores inadecuados
Resistencia de bobina de arranque demasiado bajo
Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
Para el mantenimiento de la bomba de medio caballo de fuerza se debe desarmar la
bomba que consta de un rodete un difusor un inpulsor, sellos mecánicos.
Cuando el agua de consumo tiene mucho hierro es necesario cada cierto tiempo cambiar
sellos mecánico porque el hierro hace que se deteriore los sellos mecánicos estos hacen
que la bomba absorba aire y no trabaje, por otra parte esto ocasiona recalentamiento de
la bomba y puede quemarse el bobinado del motor de la bomba.
También es necesario cambiar rodamientos que se encuentran entre el rotor del motor
de la bomba y la bomba que debido a un mal funcionamiento la bomba de agua genera
un sonido perturbador.
Para la bomba sumergible de un caballo de fuerza es necesario lavar con desoxidantes el
impulsor el difusor las paredes de la bomba ya que cuando existe mucho hierro en el
agua hace que la bomba no pueda girar generando también recalentamiento y posibles
daños del motor, también es necesario cambiar sellos mecánicos de carbón, sellos
mecánicos de cerámica, cambiar bujes de carbón en bombas americanas o en bombas
italianas rodamientos cambiar lubricantes como es nuestro caso para nuestra bomba de
agua es el propileno glicol con agua destilada.
El lubricante externo de las bombas es el agua cuando las bombas no tienen agua se
recalientan y se dañan.
105
CAPÍTULO V
PROCEDIMIENTO DE PRÁCTICAS DEL BANCO DE PRUEBA
HIDRÁULICO DE PRESIÓN CONSTANTE MEDIANTE UN H.M.I. PARA EL
LABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS DE LA UNIVERSIDAD
TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL.
Las prácticas de laboratorio del banco de pruebas del sistema de presión constante se
realizaran de 2 formas de realizar las prácticas estas son:
Procedimiento manual.
Procedimiento automático.
5.1. Procedimiento manual
Se lo denomina como procedimiento manual porque las electroválvulas son operadas
manualmente por el usuario desde el computador (HMI SCADA)
106
Para realizar la práctica del procedimiento manual del banco de pruebas hidráulico de
presión constante mediante un H.M.I. se ha diseñado un formato que se va a utilizar. El
cual está diseñado para poder considerar todos los elementos que intervienen en el
funcionamiento del proyecto.
5.1.1. Verificación de la presión constante del sistema hidráulico
A continuación se muestra el formato diseñado para las prácticas con procedimiento
manual
Cabe indicar que el formato de prácticas puede cambiarse de acuerdo a los objetivos de
la materia que el profesor este impartiendo.
5.1.1.1. Formato para la realización de prácticas manual y automática
Universidad Tecnológica Equinoccial Campus Arturo Ruiz Mora
PRACTICA Nº 1
Nombre: Escuela: Cátedra: Fecha:
1. Tema.
Verificación de la presión constante del sistema hidráulico
2. Objetivos.
2.1.Objetivo específico. Revisar el proceso de un sistema de presión constante en el banco de
pruebas hidráulico.
107
2.2. Objetivos generales.
Analizar el funcionamiento de los instrumentos utilizados
Verificar la presión, corriente, caudal y frecuencia del sistema.
Analizar las graficas del sistema.
3. Marco Teórico
3.1.Sistema de presión constante
Son aquellos sistemas de bombeo que funcionan con la velocidad variable que
se ajusta a la demanda del consumo del fluido.
4. Equipos y Materiales
4.1.Equipos. 1 PLC
1. Bomba Sumergible
1. Bomba centrifuga de ½ HP
1. Transductor de presión
1. Sensor de caudal
1. Variador de frecuencia
1. Fuente de voltaje de 220 Vac a 24 Vdc
4.2.Materiales 3 Contactores
1 Transformador de 220 Vac a 24 Vac
108
4 Electroválvulas
Tuberías de Pvc Roscable
Tuberías de Pvc Pegable
Válvula de compuerta
Accesorios para tuberías
2 Tableros de control
Conductores
Terminales.
5. Procedimiento
a) Verificar el reservorio o deposito de agua, este parcialmente lleno.
b) Verificar que el cable de comunicación este instalado desde el PLC al
computador
c) Activar la alimentación principal, que en nuestri banco se lo realiza desde el rele
térmico
d) Ubicar el selector S1 en modo “AUTOMÁTICO”
e) En caso de hacerlo manual ubicar el selector en posición S2
5.1.1. Verificación de la presión constante.
Figura 5. 1 Curvas de frecuencia, presión y caudal en el sistema
109
Fuente: Sistema de presión constante Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
5.2.Tabulación de datos calculados.
Figura 5. 2
Datos encontrados Electroválvulas
normalmente cerradas
Q
(lt/min)
P (psi) F(Hz) I (Amp.)
1 Electroválvula abierta 22 10 30 3.2
2 Electroválvula abierta 23 9 35 2
3 Electroválvula abierta 22 9 40 4.3
4 Electroválvula abierta 23 8.9 60 5.2 Fuente: Investigación propia Elaborado por: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
6. Análisis de resultados
110
Se puede observar que la presión no varía y el caudal se mantiene
7. Conclusiones y Recomendaciones
7.1. Conclusiones
En la práctica se puede observar y analizar el funcionamiento de todos los
equipos instalados en este sistema de manera directa.
7.2. Recomendaciones
Es recomendable verificar que el tanque donde se encuentra instalada la
bomba sumergible este totalmente lleno debido a que la lubricación de la
bomba es el agua por lo que en este caso de prender la bomba sin las
respectivas consideraciones la bomba inmediatamente se quemara.
8. Bibliografía
www. Francklin-electric.com www.presioncontante.com cbs.grunfos.com/export/sites/dk…/HYDRO_0709_BGE_opt.pd
111
CAPÍTULO VI
ANÁLISIS ECONÓMICO
6.1. Costos
Se incluyen los costos inmersos en el diseño, construcción, instalación, del sistema de
presión constante el cual se distribuyó en varios rubros los cuales se muestran a
continuación:
6.1.1. Costos de materiales hidráulicos
112
Dentro de estos costos se incluyen las unidades y valores de los materiales requeridos
para la construcción del Sistema de presión constante. En la siguiente tabla se muestra
el importe de los materiales hidráulicos:
Tabla 6. 1 Costo de materiales
CANT. DETALLE VALOR UNITARIO
VALOR TOTAL
1 Codo de 1 pulgada $ 1,30 $ 1,30 2 Neplos de 1 x 10 pu $ 1,60 $ 3,20 2 Adaptadores hembra 40 x 114 mm. $ 1,25 $ 2,50 2 Neplos de cintura de 1 x 140 $ 0,65 $ 1,30 1 Neplo pegable roscable $ 1,21 $ 1,21 2 Codos de 40 mm. $ 1,40 $ 2,80 2 Abrazaderas de 1 1/2 $ 0,85 $ 1,70 4 Abrazaderas de 2 $ 0,95 $ 3,80 1 Reduccion de 50 x 40 mm. $ 1,50 $ 1,50 1 Unión de 40 mm. $ 1,00 $ 1,00 2 Bushing de 1 pulgada $ 0,95 $ 1,90 1 Tubo roscado de 1 1/4 $ 33,41 $ 33,41 1 T de 1 1/4 $ 3,07 $ 3,07 1 Codo de 1 1/4 $ 2,68 $ 2,68 1 Universal de 1 1 /4 $ 6,46 $ 6,46 1 Bushing 1 1/4 a 1/2 $ 1,17 $ 1,17 3 Bushing de 1/2 a 3/8 $ 2,00 $ 6,00 4 Teflón amarillo de 3/4 x 15 $ 0,65 $ 2,60 2 Reductor buje 1 / 14 x 1 $ 0,80 $ 1,60 2 Neplo 1 x 10 cm $ 0,32 $ 0,64 8 Neplos 1 x 8 cm. $ 0,29 $ 2,32 1 Union universal de 1 pulgada $ 4,11 $ 4,11 2 Tapones de 90 mm. $ 4,53 $ 9,06 3 Collaraines de 20 mm x 1 p $ 2,03 $ 6,09 2 Collarines de 32 mm. X 1/2 $ 2,28 $ 4,56 1 Kalipega 125 cm 3 $ 2,26 $ 2,26 10 Teflón rojo $ 0,45 $ 4,50 1 Polimex $ 5,00 $ 5,00 1 Tubo de 90 mm. 0,80 megapacales $ 29,00 $ 29,00 1 Tubo de 60mm. X 90 $ 16,00 $ 16,00 1 Válvula esférica pegable 63 mm. $ 20,09 $ 20,09 2 Reducciones 63 mm. X mm. 40 $ 1,52 $ 3,04 2 Adaptadores hembras de 50 mm. A 1/1/2 $ 1,52 $ 3,04
113
2 Codos de presión de 40 mm. X 90 $ 21,56 $ 43,12 2 Neplo tuerca de 1 1/2 $ 1,47 $ 2,94 1 T roscable de 1/1/2 $ 3,30 $ 3,30 1 Buje reductor de 11/2 x 1/2 $ 1,34 $ 1,34 1 Tubo de presion de 40 mm. $ 8,04 $ 8,04 2 Tapón plastigama 160 mm. $ 5,48 $ 10,96 1 Tanque de Acrilico de cm de diametro $ 300,00 $ 300,00 2 Manometros de presion de glicerina $ 30,00 $ 60,00 1 Válvula Check horizontal $ 20,00 $ 20,00 1 Tanque Plastigama 1100 litros $ 145,00 $ 145,00
TOTAL $783.61 Elaborado: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
En costo total invertido en el sistema de presión constante es de $783.61 valor necesario
para la construcción hidráulica; dentro de este valor se encuentra accesorios de PVC,
teflones, válvulas, los tanques acrílicos entre otros.
6.1.2. Costos de materiales eléctricos y electrónicos de control
Los costos que corresponden los materiales eléctricos utilizados para el eficiente
funcionamiento de la máquina. En el siguiente cuadro se muestra el listado de los
quipos y accesorios requerido.
Tabla 6. 2 Costos materiales
CANT. DETALLE VALOR UNITARIO
VALOR TOTAL
1 Tablero de control con chapa de 60 x 40 x 25 $ 60,00 $ 60,00 1 Contactor 6 mc 18 110 v $ 17,84 $ 17,84 1 Rele térmico 6 tk 22 5/46 $ 20,66 $ 20,66 1 Breakers de 10 Amp 1 polo $ 4,53 $ 4,53 1 Breaker de 20 Amp. 3 polos $ 16,20 $ 16,20 4 Reles de 8 pines $ 4,08 $ 16,32 4 Brekers para rele 8 pines $ 1,38 $ 5,52 1 Variador de velocidad atv312hu15m3 $ 421,50 $ 421,50 1 Plc twido Twdlmda20drt $ 320,55 $ 320,55 1 Módulo Twido tm2amm3ht $ 241,82 $ 241,82 1 Módulo Twdnoz485t $ 47,95 $ 47,95
12 Cable flexible 18 cablec $ 0,17 $ 2,04 6 Cable flexible 12 cablec $ 0,53 $ 3,18
114
40 Conecto 4 6 mm rojo $ 0,04 $ 1,60 30 Terminal espiga $ 0,04 $ 1,20 40 Borneras leg 2,5 mm. Cable # 12/20 $ 0,97 $ 38,80 10 Borneras de 4 pulgadas cable 10 $ 2,00 $ 20,00
100 Terminales punteras azul $ 0,03 $ 3,30 1 Canaleta ranurada 25 x25 $ 3,59 $ 3,59
100 Terminales punteras amarillas $ 0,03 $ 3,30 20 Tornillo tripa de pato $ 0,40 $ 8,00
1 Riel din csc metálica 35mm 1 metro $ 3,36 $ 3,36 1 Ventilador filtro 20 x 20 $ 15,00 $ 15,00 1 Fuente de poder de 24 v. Dc $ 69,89 $ 69,89 1 Transformador coactal 220 v 250 $ 49,68 $ 49,68 1 Contactor 6 mc 18 110 v $ 17,84 $ 17,84 1 Breaker de 1 p 4 a $ 4,91 $ 4,91 1 Breaker 2 p 6 p $ 9,99 $ 9,99 1 Breaker 2 p 25 a $ 9,99 $ 9,99
TOTAL $1438.56 Elaborado: Paolo Cevallos, Marcelo Velazco/2012
El costo total es de $1438,56 en el cual se incluyen contactares, terminales, entre otras.
6.1.3. Costos de las Bombas de agua
Para el presente proyecto se utiliza dos bombas una sumergible y otra periférica los
costos de las bombas se detallan a continuación.
Tabla 6. 3 Costo materiales
CANT. DETALLE VALOR UNITARIO
VALOR TOTAL
1 Bomba Motor Franklin Electric $ 430.00 $430.00 1 Bomba marca Paolo $ 40.00 $40.00
TOTAL $470.00 Elaborado: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
6.1.4. Otros costos
115
Dentro de los otros costos de materiales encontramos los siguientes elementos:
Tabla 6. 4 Otros costos
CANT. DETALLE VALOR UNITARIO
VALOR TOTAL
1 Gabinete de 30 x 30 50 50 1 Contactor 6 mc 18 110 v 17,84 17,84 1 Rele térmico 4 a 6A 20 20 20 Borneras leg 2,5mm. Cable #12 12/20 0,97 19,04
TOTAL 106,88 Elaborado: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
6.1.5. Consolidación de los costos de materiales
La consolidación de los costos se la realizo en base a los costos incurridos en
materiales
Tabla 6. 5 Consolidación de los costos de materiales . N. DETALLE VALOR 1 Materiales hidráulicos 783,61 2 Materiales eléctricos 1438,56 3 Bombas 470 4 Otros 106,88
TOTAL 2799,05 Elaborado: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012 6.1.6. Costo de mano de obra
Para la construcción del banco de pruebas hidráulico de presión constante se incurrió en
los siguientes costos de mano de obra.
Tabla 6. 6 Costo de mano de obra
N. DETALLE VALOR 1 SOLDADURA Y ARMADA DE LAMESA 300 1 INSTALACION DE TUBERIAS 120 1 INSTALACION ELECTRICA 180
TOTAL 600 Elaborado: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
6.2. Costos totales
116
Para los costos totales se incluyen los costos de materiales y los costos de mano de obra
que se utilizaron para la construcción del banco de pruebas hidráulico de presión
constante.
Tabla 6. 7 Costos totales
DETALLE VALOR PORCENTAJE A. METERIALES Materiales hidráulicos 783,61 23% Materiales de control 1438,56 42% Bombas 470 14% Otros 106,88 3% TOTAL 2799,05 82% B. MANO DE OBRA Soldadura y armada de la mesa 300 9% Instalación de tuberías 120 4% Instalación eléctrica 180 5% TOTAL 600 18% COSTOS TOTALES 3399,05 100%
Elaborado: Paolo Cevallos y Marcelo Velasco/2012
CAPÍTULO VI
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
6.1. Conclusiones
La aplicación del software con la finalidad de simular en tiempo real, además de
conocer el comportamiento de parámetros técnicos nos permite estar en la
vanguardia con la tecnología y con métodos de estudio que se emplea en la
actualidad y que van en constante crecimiento.
117
Se diseñó y construyó el banco de pruebas hidráulico de presión constante
mediante un HMI para reforzar el conocimiento teórico practico proporcionados
por el catedrático para fortalecer la nocion sobre lo extenso y complejo de la
Mecánica de Fluidos y de esta manera el estudiante se interese en otros sistemas
de bombeo con el compromiso de utilizar debidamente nuestros Recursos
Hídricos que nos provee la Naturaleza.
En nuestro país no se encuentra con facilidad bombas trifásicas menores a 1 HP.
Debido a esto se utilizó bombas que existe en el mercado para la realización del
banco de pruebas hidráulico de presión contante por lo que se torna difícil tener
una apreciación de pérdidas en tuberías o por longitud ya que el banco de
pruebas no cuenta con un tamaño apropiado.
Utilizando válvulas solenoides y válvulas piloto se pueden realizar circuitos
automáticos que funcionan con poca o ninguna intervención humana según el
grado de complejidad.
Se utilizó una bomba sumergible por sus condiciones que presenta entre las
cuales está la de variar la frecuencia en un rango de 30 HZ. Hasta 60 Hz. Y otra
condición es que evita llenar de agua la tubería de succión conocido como
sangrado o cebado de la bomba como es el caso de las periféricas. Puesto que
las bombas sumergibles no traen tubería de succión. La succión es producida
por su propio eje.
118
6.2. Recomendaciones
La utilización de este sistema de bombeo contribuye en gran manera el
estudio y análisis de comportamientos y requerimientos de los diferentes
tipos de fluidos como mediciones de líquidos, ahorro de energía, controles de
caudal, controles de nivel de líquidos, controles de presión, entre otros, por
lo que sería adecuado el que se siga impulsando la investigación de temas a
fines para poder complementar prácticas de laboratorio que contribuyen al
proceso de aprendizaje.
En lo referente al sistema de presión constante se recomienda la adecuada
manipulación de los equipos electrónicos como variador de velocidad,
119
transductor de presión, caudalimetro, puesto que estos equipos son
sumamente delicados.
Se recomienda utilizar grupos de bombeo que tengan relación con los
parámetros que nos brinda el variador de frecuencia, verificar si el tanque
principal de abastecimiento de agua se encuentra lleno de tal manera que la
bomba se encuentre totalmente sumergida con 20 cm. más de agua.
Verificar y comprobar con equipos de medición si la tensión de la red es
compatible con el rango de alimentación del variador de velocidad.
Revisar la conexión entre el PLC y el Computador.
BIBLIOGRAFIA
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eficiencia en bombas centrifugas utilizando un sistema Scada UTE Santo Domingo
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d
21. http://www.Absweknowhowwaterworks
22. http:// www.siemens.com/ Industry
23. http:// www Soluciones Integrales de Bombeo para el hogar, comercio, agricultura e
Industria
24. http://www.chestertonafinitylsws.
25. http://www. Presureconstant./francklin electric
26. http://www.dspace.espol.edu.ec/handle/123456789/6233
27. http://html.rincondelvago.com/tuberias_1.html
28. http://es.wikipedia.org/wiki/HMI
121
.
122
ANEXOS
Anexos
Anexo N. 1
123
124
Anexo 2
125
ANEXO 3
126
CURVA DE RENDIMIENTO DE LA BOMBA
FUENTE: FRANKLIN ELECTRIC
127
CURVA DE FUNCONAMIENTO DE LA BOMBA
ANEXO 4
TRANSDUCTOR DE PRESION
.
ANEXO 5
CAUDALIMETRO
135
136
ANEXO 5 BOMBA SUMIRGIBLE
137
Anexo 6
Anexo 7 DATOS DE LA BOMBA SUMERGIBLE
PARAMETROS DE LA BOMBA SUMERGIBLE
CARACTERISTICAS DEL EQUIPO Aplicación BANCO DE PRUEBAS HIDRAULICO Altura sobre nivel mar (m.s.n.m.) 655
CARACTERISTICAS DE LA INSTALACION ø tubo succion 1 1/4" Energía eléct. Volts / Hz 220 V Bomba actual / rpm 3600 Motor actual Hp / rpm 3600
CARACTERISTICAS DE OPERACION CON UNA DESCARGA Caudal Q (m3/hora) 9.72 m3/h 1) Volumen (m3) 0,180 m3/180 Litros 2) Tiempo (minutos) 1,22 min 3) P descarga (PSI) 22PSI 4) L del circuito (tubería) [m] 4,46 mts 5) N° codos / válv. descarg. 5 codos/1 valvulas 6) N° codos / válv. succión 2 codos/ 1 valvulas
CARACTERISTICAS DE OPERACION CON CUATRO DESCARGAS Caudal Q (m3/hora) 8.86 m3/h 1) Volumen (m3) 0,180 m3/180 Litros 2) Tiempo (minutos) 1,11 min 3) P descarga (PSI) 11 PSI 4) L del circuito (tubería) [m] 5,96 mts 5) N° codos / válv. descarg. 5 codos/4 valvulas 6) N° codos / válv. succión 2 codos/ 1 valvulas
EQUIPO SELECCIONADO Bomba SUMERGIBLE rpm bomba 3600 Eficacia % 95 Presión máx. trabajo 22 PSI/11PSI Motor requerido [KW] 0,75KW/1HP
139
Anexo. 8
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS TANQUE 1
140
Anexo 9
141
Anexo 10
TABLA PARA LA SELECCIÓN DEL DISTRIBUIDOR
142
PROGRAMACIÓN
143
144
145
146
147
148
PLANOS
CONTIENE:
PRESIÓN CONSTANTE
CONEXION MODULO ANALOGICOLAMINA: 2 - 6
ESCALA: 1:1
REVISO: ING. ALFREDO ZAPATA
FECHA: 24-09-11
DISEÑO:
UNIVERSIDAD TECNOLOGICA EQUINOCCIALPROYECTO: TESIS
A
1 2 3 4
B
D
E
C
PAOLO CEVALLOSMARCELO VELASCO
VDF OUT VARIADOR
MF IN 0 SENSOR DE F LUJO
TP IN 1 SENSOR DE PRESION
SIMBOLOGIA
24VDC
OUT
IN0
IN1
+
-
+
-
+
-
NC
+
-
NC
ESQUEMA DECABLEADOTWDAMM3HT
+
-
+
-
SENSORCAUDAL
SENSORPRESION4-20mA
0VDC
+24VDC
+
-VARIADOR
TP
MF
VDF
150
CONTIENE:
PRESIÓN CONSTANTE
ESQUEMA DE CONECCIONES PLCLAMINA: 1 - 6
ESCALA: 1:1
REVISO: ING. ALFREDO ZAPATA
FECHA: 24-09-11
DISEÑO:
UNIVERSIDAD TECNOLOGICA EQUINOCCIALPROYECTO: TESIS
A
1 2 3 4
B
D
E
C
PAOLO CEVALLOSMARCELO VELASCO
%I0.0
%I0.1
%I0.2
%I0.3
%I0.4
%I0.5
%I0.6
%I0.7
%I0.8
%I0.9
%I0.10
%I0.11
COM
0VDC
+24VDC
PO
S2
S1
SN 1
SN 2
RT
NC
%Q0.2
%Q0.3
%Q0.4
COM1
NC
%Q0.5
%Q0.6
COM2
NC
%Q0.7
COM3
%Q0.0
%Q0.1
COM+
N L1
K1
C1
C2
C3
ESQUEMA DECABLEADOTWDLMDA20DRT
C4
K2
S1 SELECTOR M ANUAL
S2 SELECTOR AUT OM AT ICO
P0 PULSADOR NC PARO GENERAL
SN1 SENSOR NIVEL NC M ANUAL
SN2 SENSOR NIVEL NO M ANUAL
RT RELE TERM ICO BOM BA M ONOF ASICA
K1 CONTACT OR VARIADOR
K2 CONTACT OR BOM BA M ONOF ASICA
C1 RELE CONTROL ELECT ROVALVULA 1
C2 RELE CONTROL ELECT ROVALVULA 2
C3 RELE CONTROL ELECT ROVALVULA 3
C4 RELE CONTROL ELECT ROVALVULA 4
+ -
+/1D4 -/1D4
SIMBOLOGIA
151
RUN
STOP
CANALETA RANURADA 30X30CANA LETA RANURADA 30X30
FUENTE 24VDCFUE NTE 24VDC
PROTECCIONESP ROTE CCIONES
VARRIADORV ARRIADOR
PLC Y MODULO ANALOGICOP LC Y MODULO ANALOGICO
CONTACTORES Y RELESCONTACTORE S Y RE LES
CONTIENE:
PRESIÓN CONSTANTE
TABLERO ELECTRICOLAMINA: 6 - 6
ESCALA: 1:1
REVISO: ING. ALFREDO ZAPATA
FECHA: 24-09-11
DISEÑO:
UNIVERSIDAD TECNOLOGICA EQUINOCCIALPROYECTO: TESIS
A
1 2 3 4
B
D
E
C
PAOLO CEVALLOSMARCELO VELASCO
CONTIENE:
PRESIÓN CONSTANTE
CONEXIONES CONTROL Y FUERZ
UNIVERSIDAD TECNOLOGICA EQUINPROYECTO: TESIS
REVISO: ING. ALFREDO ZAPATA
DISEÑO:PAOLO CEVALLOSMARCELO VELASCO
A B C D
1
2
3
4
L1
L2
L3
N
B1 B2 B3
6A 10A 6A
B4
4A
K1 K2
RTVDF
TR1
DF
M3
M1
220VAC 110VAC
PE PE
220VAC
24VAC
1
2
3
4
5
6
1 3 5
2 4 6
U1V1
W1
1
2
1 3 5
2 4 6
1 3 5
2 4 6
1
2
3
4
1 2
3 4
1 2
3 4
1
2
3
4
CONTIENE:
PRESIÓN CONSTANTE
CONEXION ELECTROVLVULAS
UNIVERSIDAD TECNOLOGICA EQUINPROYECTO: TESIS
REVISO: ING. ALFREDO ZAPATA
DISEÑO:PAOLO CEVALLOSMARCELO VELASCO
A B C D
1
2
3
4
+24VDC
0VDC
EV1
F1
C1
13
14
1
2
A1
A2
EV2
F2
C2
13
14
1
2
A1
A2
EV3
F3
C3
13
14
1
2
A1
A2
EV4
F4
C4
13
14
1
2
A1
A2