desarrollo de un banco de pruebas para bombas …
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DESARROLLO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA BOMBAS RECIPROCANTES
DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO
Fabián Alberto Dulcé Salcedo
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ, D.C, COLOMBIA
2008
DESARROLLO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA BOMBAS RECIPROCANTES
DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO
Fabián Alberto Dulcé Salcedo
Proyecto de grado para optar al título de Ingeniero Mecánico
Asesor
Ing. Álvaro Pinilla, M.Sc, Ph.D
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ, D.C, COLOMBIA
2008
TABLA DE CONTENIDO
LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................... iii
LISTA DE FOTOGRAFÍAS ....................................................................................................... iv
LISTA DE TABLAS ................................................................................................................. v
1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 1
2 OBJETIVOS ....................................................................................................................... 2
2.1 OBJETIVO GENERAL ............................................................................................... 2
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................................ 2
3 FUNDAMENTOS BÁSICOS ACERCA DE LA OPERACIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS.......... 3
3.1 La bomba de pistón.................................................................................................. 3
3.2 Caudal de descarga .................................................................................................. 3
3.3 Velocidad de carrera................................................................................................ 4
3.4 Carga estática........................................................................................................... 4
3.5 Cargas de fricción..................................................................................................... 4
3.6 Operación de la bomba............................................................................................ 5
3.7 Funcionalidad y alcances del banco de pruebas...................................................... 7
4 DESARROLLO DEL BANCO DE PRUEBAS ....................................................................... 9
4.1 Descripción del banco de pruebas........................................................................... 11
4.2 FASE 0: TRABAJOS DE ADECUACIÓN DEL ML‐122A .............................................. 11
4.3 FASE I: SELECCIÓN DE ELEMENTOS ....................................................................... 12
4.3.1 Selección de una caja reductora .............................................................. 12
4.3.2 Selección de una Bomba Sumergible ....................................................... 13
4.3.3 Selección de una Grúa de Techo .............................................................. 14
4.3.4 Selección de un flujómetro electromagnético ......................................... 15
4.3.5 Selección de un sistema de inspección por video ...................................... 18
4.4 FASE II: DISEÑO PARA MANUFACTURA DE ELEMENTOS ...................................... 19
4.4.1 Diseño de un Soporte para el sistema de transmisión de potencia ......... 19
4.4.2 Diseño de un sistema para la medición del nivel de agua.......................... 20
4.4.3 Diseño de un volante para atenuar vibraciones en el sistema de transmisión
de potencia .................................................................................................... 21
4.5 FASE III: INSTALACIÓN DE LOS ELEMENTOS Y SISTEMAS DEL BANCO .................. 23
4.5.1 Instalación de la Grúa de Techo ................................................................ 23
i
4.5.2 Instalación del Flujómetro Electromagnético .......................................... 23
4.5.3 Instalación de la Bomba Sumergible ........................................................ 24
4.5.4 Instalación del Medidor del Nivel de Agua (MNA) ................................... 24
4.5.5 Instalación de la bomba JOBER de 3” ...................................................... 24
4.6 FASE IV: CALIBRACIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS .................................................. 25
4.6.1 Pruebas del Flujómetro............................................................................... 25
5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...................................................................... 29
6 BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................. 32
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Corte esquemático de la bomba JOBER de 3”.
Figura 2. Volumen desplazado en el cilindro
Figura 3. Ilustración de la operación de una bomba de pistón.
Figura 4. Esquemático de instalación de la bomba de pistón JOBER de 3”.
Figura 5. Comparación entre el volumen ideal (abajo) y el volumen real (arriba) entregado por la bomba debido al retraso en el cierre de la válvula de pistón
Figura 6. Ilustración de un diagrama indicador de fuerza. Bomba JOBER 3”. Condiciones de operación H=40m, N=50rpm
Figura 7. Vista general proyectada en CAD del ML‐122A.
Figura 8. Curva de la bomba sumergible Anauger 800 (H=27m, Q=1150 L/hora).
Figura 9. Esquemático de la instalación de un medidor de nivel por burbujeo
Figura 10. Diagrama de cuerpo libre del mecanismo de candado de la transmisión
Figura 11. Diagrama de la variación de energía de la función de torque para un ciclo de bombeo
Figura 12. Configuración de la instalación temporal para pruebas del flujómetro
Figura 13. Gráfico de Caudal versus Tiempo con constante de tiempo = 10s. Flujo continuo.
Figura 14. Gráfico de Caudal versus Tiempo con constante de tiempo = 0.1s. Flujo continuo.
Figura 15. Gráfico de Caudal versus Tiempo con constante de tiempo = 0.1s. Flujo pulsátil.
Figura 16. Gráfico de Caudal versus Tiempo con constante de tiempo = 0.1s. Flujo pulsátil.
ii
LISTA DE FOTOGRAFÍAS
Fotografías 1 y 2. Identificación de los sistemas que componen el banco de pruebas
Fotografía 3. Caja reductora sinfín corona.
Fotografía 4. Bomba de achique sumergible.
Fotografía 5. Sistema de izaje de carga.
Fotografía 6. Flujómetro electromagnético KROHNE (derecha. Sensor Optiflux 2000F, izquierda. Convertidor de señal IFC300).
Fotografía 7. Interfaz USB Mactek VIATOR USB HART para la adquisición de datos
Fotografía 8. Cámara subacuática para la inspección del pozo
Fotografía 9. Montaje para la calibración del flujómetro electromagnético
iii
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Ficha técnica de la bomba JOBER de 3”
Tabla 2. Sistemas y componentes básicos que conforman el banco de pruebas
Tabla 3. Trabajos de adecuación arquitectónica ML‐122A
Tabla 4. Rangos de variación permitidos para la operación de la bomba
Tabla 5. Ficha Técnica caja reductora sinfín corona
Tabla 6. Ficha técnica bomba sumergible Anauger 800
Tabla 7. Características técnicas del sistema para izaje de carga
Tabla 8. Ficha técnica sistema de medición de caudal.
Tabla 9. Ficha técnica sistema de inspección por video
Tabla 10. Función de torque integrada
Tabla 11. Cálculo de la inercia del volante
Tabla 12. Dimensiones básicas del volante
Tabla 13. Ficha técnica de los transductores de presión sumergibles para la bomba JOBER
Tabla 14. Resultados de la intensidad de turbulencia (T.I) en los experimentos de calibración del flujómetro magnético
iv
v
1. INTRODUCCIÓN
El objetivo de este proyecto consiste en desarrollar un banco de pruebas para la caracterización y evaluación de maquinaria hidráulica reciprocante para el bombeo de agua. Para ello, se partió del trabajo de maestría del Ing. Juan Miguel La Rotta (2006), donde se elaboró un banco de pruebas para la evaluación de la bomba de pistón JOBER de 3 pulgadas de diámetro, pero las pruebas experimentales debían hacerse simulando las condiciones de operación (cabezas estáticas) mediante el uso de un tanque presurizado con aire.
El presente trabajo describe las actividades relacionadas con el desarrollo de un banco de pruebas para bombas reciprocantes de desplazamiento positivo de acción simple, el cual permite efectuar la experimentación sobre bombas de pistón en un ambiente controlado y sin necesidad de emplear tanques presurizados. Éste desarrollo se realizó en cinco fases, las cuales corresponden con los objetivos específicos propuestos. Se describirán los criterios de selección y diseño de cada uno de los componentes, su funcionamiento y recomendaciones de uso.
El espacio destinado para el banco de pruebas está localizado en el cuarto ML‐122A del Edificio de Ingeniería Mario Laserna de la Universidad de los Andes. Éste cuenta con una salida de un tubo de concreto de 27 metros de profundidad y 16 pulgadas de diámetro nominal, el cual sirve como fuente de agua para el funcionamiento de los sistemas que componen el banco.
La instalación ha sido concebida inicialmente para que se puedan simular escenarios cuasi reales de operación para la bomba JOBER. Esta bomba hace parte de los equipos de aerobombeo serie JB 25‐00 y JB 35‐00, con los cuales los usuarios pueden satisfacer las necesidades de suministro de agua en regiones donde la cabeza de bombeo sea menor a 50 metros. Sin embargo, la flexibilidad del diseño del banco permite la instalación de cualquier otra bomba de pistón mediante la modificación de los soportes y armaduras de la bomba que se desee instalar.
El aporte de este proyecto para el estudio en el campo de maquinaria hidráulica en la universidad será muy importante, ya que anteriormente no se contaba con una instalación de este tipo, y la información que se podrá extraer será muy valiosa para el desarrollo de nuevos proyectos tanto de pregrado como de posgrado, así como para complementar estudios en el área de la mecánica de fluidos en conjunto con organizaciones y universidades del exterior.
Se espera que este sea un primer paso para el inicio de un programa para el desarrollo de bombas de mano1, que permita producir un producto que proporcione agua segura, en adecuada cantidad y que sean accesibles a las comunidades pobres y menos privilegiadas de los países en desarrollo.
1 Se refiere a cualquier dispositivo sencillo para elevar agua, accionado por energía humana y empleado para el abastecimiento de agua potable en zonas rurales. Tomado de [1]
1
2. OBJETIVOS
2.1 Objetivo General Objetivo del banco de pruebas La finalidad del desarrollo del banco de pruebas es, principalmente, extraer información sobre ciertas variables de interés mientras la bomba funciona de manera controlada. Objetivo general del proyecto de grado Desarrollar un banco de pruebas para bombas reciprocantes, flexible, cómodo y que funcione en un ambiente controlado, el cual permita simular escenarios cuasi‐reales de operación y que se pueda usar para la mejora y desarrollo de productos para la industria.
2.2 Objetivos específicos - Coordinar la adecuación del espacio del ML‐122A. - Seleccionar los elementos mecánicos disponibles comercialmente. - Diseñar para manufactura los elementos mecánicos requeridos. - Instalar los componentes y sistemas seleccionados y diseñados. - Calibrar y probar los componentes y sistemas del banco.
2
3. FUNDAMENTOS BÁSICOS ACERCA DE LA OPERACIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS
A continuación se describirán algunos aspectos técnicos básicos de la bomba de pistón, necesarios para fundamentar y comprender el funcionamiento y desarrollo del banco de pruebas como tal, en relación con los criterios de selección y diseño de los componentes listados previamente, puesto que todo el proyecto gira en torno a este elemento.
3.1 La bomba de pistón
La bomba de estudio es del tipo reciprocante de desplazamiento positivo de efecto simple. Estas bombas tienen un actuador mecánico (pistón), conectado a un vástago, que se mueve de forma intermitente dentro de una camisa rígida; esto produce su llenado y vaciado, cíclicamente. Este movimiento produce la transferencia de ‘paquetes’ discretos de fluido de volumen constante.
Adicionalmente, la bomba cuenta con tres válvulas, dos de ellas esenciales. La primera se encuentra en el pistón (válvula del pistón); éste, a su vez, está acompañado de dos empaques de cuero (retenedores), los cuales permiten realizar un sello hidráulico entre la cámara superior al pistón y la inferior. La segunda válvula se localiza en la succión (válvula de succión) (Figura 2). Y una tercera válvula, llamada de pie, que se instala debajo de la válvula de succión, complementa su labor.
Figura 1. Corte esquemático de la bomba JOBER de 3”. Tomado de [4]
3.2 Caudal de descarga
El caudal teórico de descarga de una bomba reciprocante de efecto simple es una función del volumen del cilindro (V) que barre el pistón en su carrera ascendente de bombeo y el número de carreras por unidad de tiempo (N). Es decir Q = VN. Como se ve en la Figura 3, el volumen (V) es el producto del área de la sección del cilindro (A) y de la longitud de la carrera del pistón (S). Expresando Q en función de las variables descritas, se tiene que:
(1)
3
S = Carrera
PMS Punto Muerto Superior
PMIPunto Muerto Inferior
D
Pistón
Area (A)
Figura 2. Volumen desplazado en el cilindro
Es importante tener en cuenta que el caudal real de descarga normalmente varía ligeramente respecto de la descarga teórica dada por (1), debido que las válvulas no cierran instantáneamente cuando cambia el sentido del desplazamiento del pistón, y a que parte del agua escapa entre el pistón y las paredes del cilindro durante el bombeo. Ésta diferencia se conoce como “pérdida” y se define como la diferencia entre la descarga teórica (Qt) y la descarga real (Qr) expresada como porcentaje de la descarga teórica:
(2)
3.3 Velocidad de carrera
El producto del número de carreras de bombeo del émbolo por unidad de tiempo (N) y la longitud de la carrera (S) se conoce como la velocidad de carrera del pistón, o de la bomba, es decir:
(3)
En una bomba de efecto simple, la velocidad de carrera que figura en las ecuaciones (1) y (3) es la velocidad promedio del pistón durante su ciclo de carrera en un sentido. La velocidad promedio efectiva es 2 NS. En la ecuación (1), N representa el número de ciclos de bombeo y también el número de carreras del émbolo por unidad de tiempo.
Este concepto de velocidad de carrera es de gran utilidad para entender la operación de una bomba de pistón. Por ejemplo, si permanece invariable Q y D, si se reduce la longitud de carrera a la mitad, el número de ciclos por minuto debe duplicarse. De la misma manera, es de notar que la descarga Q es directamente proporcional a N o a S.
3.4 Carga estática
La carga estática es la distancia vertical a la cual debe ser elevada el agua desde su mas bajo nivel, en reposo o estático, hasta el nivel mas alto de descarga libre, ya sea por un surtidor o por el nivel superior de un tanque.
3.5 Cargas de fricción
4
Durante el bombeo se requerirá energía adicional para superar: la fricción entre el flujo de agua y las paredes de las tuberías de succión y de ascenso, la turbulencia asociada a la contracción y expansión del líquido cuando fluye a través de varias secciones, y la turbulencia debida a las pérdidas por inercia, propias de la acción reciprocante, incluidas en la aceleración y desaceleración constante del flujo.
En general, en las instalaciones de bombas provistas de tuberías de succión y descarga de diámetros adecuados, de bombas con válvulas bien diseñadas, las pérdidas de carga por fricción son negligibles.
3.6 Operación de la bomba
La Figura 3 muestra una bomba de émbolo de efecto simple. El concepto de operación general es el siguiente: “las bombas no ‘elevan’ el agua desde la fuente. Mas bien, la bomba reduce la presión atmosférica sobre el agua de la tubería de ascenso, y la presión atmosférica sobre el agua exterior al tubo la empuja hacia arriba y dentro de la bomba.”2
Aire Aire
A B C D E
Cilindro
PistónVálvula de retención
Tubería de succión
F
Figura 3. Ilustración de la operación de una bomba de pistón. Tomado de [2]
Teniendo en cuenta lo anterior, se describe la operación de bombeo:
(1) Con la bomba cebada (parte A), se eleva el pistón. Dado que el aire no puede entrar a causa del sello hidráulico entre el pístón y la camisa de la carcaza, se produce un vacio parcial que reduce la presión de aire sobre el agua de la tubería de succión. La presión atmosférica que actúa sobre el agua del pozo, al ser mayor que la presión de aire sobre el agua del tubo, empuja el aire y el agua del tubo hacia arriba siguiendo al pistón en su carrera ascendente. El espacio del cilindro que queda debajo del pistón se llena con aire del tubo.
(2) En el punto muerto superior del cilindro, se detiene el pistón y la válvula de retención se cierra por su propio peso, atrapando el aire dentro del cilindro.
(3) En la siguiente carrera descendente, el aire atrapado es comprimido entre el émbolo y el fondo del cilindro. Cuando tal compresión supera la presión atmosférica sobre el pistón más
2 Tomado de [2]
5
el peso de la válvula y el peso del agua de cebado, el aire empuja la válvula del pistón hacia arriba y escapa a través del agua de cebado (parte B).
(4) En la siguiente carrera ascendente, otra cantidad de aire es forzada a salir del tubo y el agua se elevará más, fluyendo eventualmente dentro del cilindro hasta llegar al pistón (parte C).
,
(6) san a través del agua (parte D).
(9) dente. El hecho que el cilindro se
llene con el movimiento del pistón en una dirección y se desocupe con el movimiento en la otra, hace que la bomba se denomine de efecto simple.3
(5) Con el cilindro y el tubo llenos de agua, la válvula de retención se cierra por gravedadatrapando el agua dentro del cilindro. En la siguiente carrera descendente, el pistón y su válvula pa
(7) Cuando el pistón alcanza el punto muerto inferior y se detiene, su válvula se cierra, atrapando el agua que queda por encima de éste (parte E).
(8) En la siguiente carrera ascendente, el agua atrapada por encima del pistón es elevada (parte F). Asimismo, mas agua es forzada a ingresar al cilindro a través de la válvula de retención. En cada carrera descendente se repite la parte E, y en cada carrera ascendente se repite el paso F. La bomba suministra agua en cada carrera ascen
Figura 4. Esquemático de instalación de la bomba de pistón JOBER de 3”. Tomado de [4]
Las características técnicas de la bomba de pistón JOBER, objeto de estudio, son las siguientes:
3 Tomado de [4]
6
Reciprocante, de simple efecto, doble chupa
50m @ 4m/sTubería 1 1/2" Tubería 1 1/2" con válvula de pie Retenedor compuesto de cueroAcero inoxidable3in
Bomba de pistón JOBER
Capacidad de bombeoAltura máxima de bombeo
DescargaSucción
Sistema de selloMaterial del cilindroDiámetro de bomba
Tipo de bomba
1500 L/h @ 4m/s (2500 L/hora max.)
Tabla 1. Ficha técnica de la bomba JOBER de 3”. Tomado de [4] y [10]
3.7 Funcionalidad y alcances del banco de pruebas
En términos generales, las variables que se desean conocer son la fuerza sobre el vástago que mueve el émbolo o pistón de la bomba y el diferencial de presiones generado en el interior de la misma; las cuales, a su vez, se registran en función del desplazamiento del pistón para cada ciclo de bombeo.
Conociendo esta información, es posible caracterizar la máquina de bombeo en términos de su eficiencia volumétrica, eficiencia total de conversión de energía y la fuerza máxima que actúa sobre el vástago del pistón.
La eficiencia volumétrica, es un indicador acerca del adecuado funcionamiento de los sellos y las válvulas de la bomba. En aplicaciones reales, el caudal entregado por la bomba en cada ciclo de operación disminuye debido a retrasos en su apertura (respuesta tardía). Por tal motivo, se estudia su comportamiento para reproducir y verificar la capacidad de bombeo.
Figura 5. Comparación entre el volumen ideal (abajo) y el volumen real (arriba) entregado por la bomba debido al retraso en el cierre de la válvula de pistón
7
La eficiencia total de conversión de energía, es un indicador del desempeño global del sistema. Este indicador relaciona la potencia hidráulica transmitida al agua y la potencia mecánica introducida al sistema.
(4)
(5)
Donde, es la densidad del fluido, g es la gravedad, H es la cabeza estática de bombeo y Q es el caudal entregado por ciclo de bombeo.
La fuerza máxima que actúa sobre el vástago, es un indicador que sirve para el diseño estructural del montaje (soportes y armaduras) de la bomba. Su análisis se realizará elaborando diagramas indicadores de fuerza; en ellos se grafica la fuerza en el vástago y la fuerza sobre el pistón en función del desplazamiento del pistón para un ciclo de bombeo. La gran utilidad de estos gráficos radica en que el área inscrita en la curva es proporcional a la energía mecánica introducida al sistema durante un ciclo de bombeo.
Figura 6. Ilustración de un diagrama indicador de fuerza. Bomba JOBER 3”. Condiciones de operación H=40m, N=50rpm
Teniendo en cuenta lo mencionado anteriormente, los estudios que se podrán realizar en el banco de pruebas están enfocados al análisis del comportamiento transciente de bombas, lo cual permitirá identificar específicamente oportunidades de mejora para los elementos de la bomba de estudio, tales como válvulas, sellos, vástago de la bomba, transmisión de potencia, entre otros.
8
4. DESARROLLO DEL BANCO DE PRUEBAS
Este proyecto de grado se desarrolló en cinco etapas o fases: una fase preliminar, denominada fase cero, en la que se contemplaron todos los trabajos de adecuación del espacio destinado para la instalación de los componentes del banco; la fase uno, que consistió en la búsqueda y selección de los elementos mecánicos requeridos que se pudieran adquirir en el comercio; la fase dos, en la cual se diseñaron los elementos mecánicos que debían hacerse a la medida y que no existían comercialmente; la fase tres sirvió para la integración e instalación de los componentes y sistemas del banco; y, en la fase cuatro, se realizó la calibración general del banco de pruebas. A continuación se detallarán los aspectos relevantes relacionados con cada una de las fases descritas anteriormente.
Paralelamente a los trabajos de adecuación del cuarto, se realizó un trabajo de diseño asistido por computador (CAD por sus siglas en inglés) acerca de la instalación de los sistemas del banco, debido a que no se disponía del espacio finalizado; por tal razón se desarrolló el diseño de varios de los componentes en un espacio virtual utilizando el programa Solid Edge, éste ejercicio de diseño y planeación se denominó Visualización CAD.
El resultado de éste trabajo se ilustra en la Figura 1. Éste proceso de planeación permitió realizar múltiples pruebas de instalación virtuales, sin necesidad de tener el cuarto físicamente terminado, lo cual a su vez sirvió para ahorrar tiempo y dinero y agilizar los procesos de selección y compras de los elementos mecánicos requeridos.
2
1
5
3
4
9
Figura 7. Vista general proyectada en CAD del ML‐122A
10
Fotografías 1 y 2. Identificación de los sistemas que componen el banco de pruebas
4.1 Descripción del banco de pruebas
De acuerdo con lo proyectado en el ejercicio de la visualización CAD, y en las Fotos 1 y 2, se identificaron cinco grandes sistemas que conforman el banco de pruebas: el sistema para izaje de carga (1), el sistema para la entrada de energía y la transmisión de potencia (2), el sistema para la medición de caudal y la recirculación de agua (3), el sistema de la bomba JOBER de 3” y su tubería de ascenso (4), y la fuente de agua ‐pozo‐ (5). A continuación se presenta un cuadro donde se detallan cada uno de estos sistemas y sus componentes:
Mecanismo de 'candado' tipo biela manivela JOBERCaja ReductoraVolante
Tapa de seguridad para la boca del pozo
Tubo de concreto (27m profundidad, 16" diámetro nom.)
Capacidad: 3.5 m3 aproximadamente
Tubería + tanque de recirculaciónConvertidor de señal KROHNEFlujómetro electromagnético KROHNEBomba de pistón JOBER de 3"
4. Medición de caudal y recirculación de agua
5. Fuente de agua
SISTEMA COMPONENTES
Soporte motor eléctrico‐volante‐caja reductoraPolipasto diferencial YaleCarro de empuje (trolley) YaleMonoriel
Motor eléctrico Siemens de 3hp @ 850rpm
1. Izaje de carga
2. Entrada de energía y transmisión de potencia
3. Bomba JOBER y tubería de ascenso
Tubería de ascenso de PVC 1 1/2"Tee de descarga 1 1/4"Celda de cargaSoportes de la bomba
Tabla 2. Sistemas y componentes básicos que conforman el banco de pruebas
4.2 FASE 0: TRABAJOS DE ADECUACIÓN DEL ML‐122A
En un principio, el espacio destinado para la instalación del banco de pruebas no se encontraba con los requerimientos dimensionales, estructurales, de redes eléctricas y redes hidráulicas necesarios para su montaje y operación. Por estas razones, se decidió intervenir el ML‐122A, con la colaboración del departamento de Planta Física de la universidad. Para ello se elaboró un plano que reflejara las condiciones deseadas (ver Anexo 1 al final de este documento), el cual satisfizo los criterios tanto arquitectónicos como funcionales que permitirían el desarrollo de las fases posteriores del proyecto.
Los requerimientos de adecuación solicitados están consignados en la Tabla 3:
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TRABAJOS DE ADECUACIÓN ARQUITECTÓNICA ML‐122A
Ampliación de dimensiones interiores Altura: 3100mm; Ancho: 2400mm; Profundo: 2720mm
Corte del tubo de 16" Altura: 1170mm
Instalación de un monoriel (techo) Viga en I para izaje de carga hasta de 500kg
Enchufe regulado 120V
Enchufe convencional 120V
Enchufe trifásico 220V
Punto de red
Línea de agua 1/2 in
Desagüe Recubrimiento del piso Pintura epóxica
Instalación eléctrica y de comunicaciones
Instalación hidráulica
Potencia de consumo1kVA
Tabla 3. Trabajos de adecuación para el ML‐122A
4.3 FASE I: SELECCIÓN DE ELEMENTOS
Se realizó un completo trabajo de búsqueda en el mercado con el fin de adquirir elementos mecánicos e instrumentación de excelente calidad para la transmisión de potencia de la bomba de pistón, el vaciado del pozo, el izaje de cargas pesadas, la medición de caudal, y la inspección del interior del pozo. La descripción de los criterios de selección de cada uno de estos elementos se presenta enseguida.
4.3.1 Selección de un caja reductora
El sistema de transmisión es el encargado de convertir el movimiento rotacional del motor eléctrico en un desplazamiento vertical oscilatorio, el cual es transmitido al pistón de la bomba. Está compuesto por un mecanismo tipo biela manivela, también llamado ‘de candado’, que produce un movimiento vertical ascendente y descendente y lo transmite al pistón de la bomba por medio de un vástago.
Se seleccionó una caja reductora, del tipo sinfín corona para transmitir el movimiento del motor eléctrico, teniendo en cuenta los rangos de variación permitidos para las variables de operación de la bomba, de acuerdo con el diseño propuesto por La Rotta:
Variable Desde HastaVelocidad [ciclos/min] 0 100Cabeza Estática [m] 20 50
Tabla 4. Rangos de variación permitidos para la operación de la bomba, tomado de [4]
Cabe anotar que, por experiencias previas, se decidió sobre dimensionar la caja (potencia de entrada mayor a la del motor eléctrico y factor de servicio cercano a 2), con el fin de evitar una falla en la corona debido a las cargas (impactos) súbitas producidas por el movimiento reciprocante del vástago de la bomba.
12
Fotografía 3. Caja reductora sinfín corona
Marca
Tipo
Tamaño
Relación
Potencia
Factor de Servicio
Sinfín Corona
Tametal S.A
Lubricación
CAJA REDUCTORA SINFÍN CORONA
Aceite SAE 140, ISO 460
Por salpique
1.9
4 hp
7.5 : 1
TF‐80
Tabla 5. Ficha Técnica caja reductora sinfín corona
4.3.2 Selección de una bomba sumergible
Con el propósito de variar las condiciones de operación de la bomba (cabezas estáticas), se seleccionó una bomba sumergible de tipo vibratoria (operada por diafragma). Los requerimientos de selección fueron portabilidad, mínimo tamaño (diámetro), y capacidad de evacuar toda el agua del interior del pozo sin ser prioritario el tiempo de vaciado.
Altura 290mmDiámetro 165mm
BOMBA SUMERGIBLE DE ACHIQUEAnauger
380W800
PotenciaTipoMarca
Peso
Caudal @ 27mTensión nominal
Tiempo de vaciado del pozo 3 horas6kg
1150 L/hora120V
Dimensiones básicas
Diámetro de descarga 3/4in
Tabla 6. Ficha técnica bomba sumergible Anauger 800
13
Figura 8. Curva de la bomba sumergible Anauger 800 (H=27m, Q=1150 L/hora)
Fotografía 4. Bomba de achique sumergible. Tomado de [11]
La bomba cuenta con una manguera de polipropileno de ¾” de diámetro y 40m de largo para la descarga, así como con un cable de acero (guaya) que sirve para sumergirla, sostenerla y recuperarla durante los trabajos de vaciado.
4.3.3 Selección de una grúa de techo
Para la instalación de los elementos pesados del banco, tales como soportes, sistema de transmisión y la bomba JOBER con su tubería de ascenso, se especificó un sistema sencillo para el levantamiento de cargas el cual consta de una viga con sección en I (monorriel), a la cual se le instaló un polipasto, o grúa diferencial, de 500kg de capacidad, montada a su vez sobre un carro (trolley de empuje) que le permite desplazarse a lo largo del monorriel y sostener el peso.
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Altura 260mm
Ala 130mmAltura 220mmEspesor 7mm
MonorielTipo Viga en 'I' IPE 130
Dimensiones
Marca Yale Tipo HTG‐A
Capacidad 500kg
Peso 8kgCarro de traslación (trolley)
Polipasto
Dimensiones básicas
SISTEMA DE IZAJE DE CARGA
Marca Yale Tipo HTP‐A de cadena manual
Capacidad de levante 500kg
Tabla 7. Características técnicas del sistema para izaje de carga
Fotografía 5. Sistema de izaje de carga
4.3.4 Selección de un flujómetro electromagnético
Se decidió adquirir un flujómetro electromagnético para la medición del flujo de agua descargado por la bomba de pistón, con el propósito de realizar un análisis muy preciso y en tiempo real de lo que sucede en relación con el flujo pulsátil, característico de las bombas de pistón.
15
Este tipo de flujómetros son instrumentos capaces de medir muy bajas caídas de presión, son insensibles a la gravedad específica, viscosidad, presión y temperatura del fluido de trabajo, no poseen partes móviles, y ofrecen la más alta precisión en la medición, al igual que brindan la posibilidad de tener múltiples clases de salidas con el fin de adquirir datos de una manera fácil y rápida.
Su principio de operación se basa en la Ley de Faraday de inducción de voltaje para un conductor moviéndose a través de un campo magnético. Donde el voltaje inducido (e) es proporcional a la velocidad promedio del fluido (V), a la intensidad del campo magnético (B) y a la distancia entre electrodos (longitud del conductor) (D).
(6)
Par la selección del instrumento, se tuvieron en cuenta los siguientes aspectos:
- Fluido de trabajo: Agua limpia - Medición del flujo continuo - Requerimiento de una terminal electrónica para adquirir datos - Rango de flujo: desde 0 gpm (0 L/hora) hasta 12 gpm (2500 L/hora), a una velocidad
máxima de 4 m/s (determinado a partir de la capacidad de la bomba) - Diámetro tubería de descarga: 1 ¼”
Se seleccionó un flujómetro marca KROHNE, serie Optiflux 2000F con convertidor de señal IFC300W e interfaz USB Mactek Viator para la adquisión de datos directamente al computador. Como características relevantes, este instrumento tiene una precisión del 0.15% del valor medido; una constante de tiempo configurable desde 0.0s hasta 100s a intervalos de 0.1s, que permite detectar perfiles de velocidad pulsantes y turbulentos con gran fiabilidad; sistema de autodiagnóstico, que permite identificar cualquier problema relacionado con el instrumento con sólo conectarlo al computador; y medición de la conductividad eléctrica del fluido, la cual ayuda a medir la calidad de la limpieza del agua y facilita las labores de mantenimiento de la fuente de agua.
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Materiales
SISTEMA DE MEDICIÓN DE CAUDAL*Convertidor de señal
Marca KROHNETipo IFC300 W
Precisión ± 0.15% del valor medidoRepetibilidad
Pantalla con pantalla local
± 0.06%
Comunicaciones salida de corriente 4‐20mA, comunicación HART, Profibus PA/DP
Alimentación eléctrica 120V
Constante de tiempo 0…99.9s (seleccionada en incrementos de 0.1s)
Fundición de aluminio (recubrimiento de PU)
Medida continua del caudal volumétrico actual, velocidad del fluido, conductividad, caudal másico,
temperatura de las bobinas.
Diagnósticos: Precisión, linealidad, electrodos contaminados, ruido, perfil del caudal, tubería
parcialmente llena.
Dirección del fluido (directa o inversa)Funciones generales
Consumo eléctrico
Software Pactware 3.0
13WCable de señal DS300
Liner Goma dura
Rango de caudales 15 ‐ 83 L/min (0.9 ‐ 5.1 m^3/hora)Electrodos Hastelloy C4
Marca KROHNE
Funciones generales
Windows 98, 2000, XP
Interfaz PC con instrumentos HART** (modem) para la adquisión de datos
MactekViator USB HART**
Libre de mantenimiento
Tipo Optiflux 2000F bridadoDiámetro nominal 1 1/4" (DN 32)
Sensor
Interfaz USB Puerto USB
Interfaz USBMarcaTipo
Software
*Para consultar toda la información técnica relacionada con el instrumento, remitirse al manual del usuario adjunto al documento en CD. ** HART es un protocolo de comunicaciones bidireccional ampliamente usado en la industria para transmitir información entre instrumentos y sistemas de control, que funciona con señales de corriente de 4 a 20mA. Es un estándar global para la instrumentación y control de procesos.
Tabla 8. Ficha técnica sistema de medición de caudal
17
Fotografía 6. Flujómetro electromagnético KROHNE (derecha. Sensor Optiflux 2000F, izquierda. Convertidor de señal IFC300)
Fotografía 7. Interfaz USB Mactek VIATOR USB HART para la adquisición de datos
4.3.5 Selección de un sistema de inspección por video
Para efectuar las labores de inspección y mantenimiento del pozo y de la instalación de la bomba de pistón, se seleccionó una cámara de video subacuática operada por guaya. Los criterios de selección fueron portabilidad, tamaño reducido, bajo peso, buena resolución de imagen e iluminación, y adecuada capacidad de maniobra.
Se seleccionó la cámara Splashcam Delta Vision, con las siguientes características técnicas:
18
Diámetro 6cmLargo 11.5cm
Fuera del agua 1kgEn agua 0.68kg
Material Acero inoxidable
120kg (nominal)Resistencia a la tensión de
la guaya de control
Voltaje de operación
420 lineas de TV
12V
Dimensiones
Peso
Señal de salidaVideo compuesto con clavija
RCA
Formato de imagen NTSCResolucion
Sensibilidad a la luz 0.5 lux
SISTEMA DE INSPECCIÓN POR VIDEOCámara subacuática
Marca SplashcamTipo Delta Vision
Tabla 9. Ficha técnica sistema de inspección por video
Fotografía 8. Cámara subacuática para la inspección del pozo. Tomado de [12]
Esta cámara hace falta por adquirirse, pero la información de contacto está disponible y se adjunta como anexo al final del documento.
4.4 FASE II: DISEÑO PARA MANUFACTURA DE ELEMENTOS
Otro tipo de elementos tuvieron que diseñarse de acuerdo con las solicitudes tanto dimensionales como estructurales de cada uno de los sistemas del banco. Tales elementos se describen a continuación:
4.4.1 Diseño de un Soporte para el sistema de transmisión de potencia
Se manufacturó en el Laboratorio de Manufactura de Ingeniería Mecánica un soporte de pared capaz de resistir el peso del conjunto relacionado con la entrada de energía del banco, utilizando perfiles estructurales en acero (ángulos) de fácil adquisión en el mercado local.
19
Rediseño de los soportes de la bomba JOBER de 3”
Se tomó el diseño de los soportes, propuesto por La Rotta en [1], y se escaló su tamaño para acondicionarlos a las nuevas condiciones de operación del banco, que tienen que ver con las solicitudes de carga inherentes al funcionamiento de la bomba y a las restricciones físicas del ML‐122A (localización de la boca del tubo).
4.4.2 Diseño de un sistema para la medición del nivel de agua de la fuente de agua
Se decidió implementar la medición de nivel del pozo de agua utilizando el método de burbujeo. Los sistemas de burbujeo realizan la medición de nivel determinando la presión requerida para que un flujo constante de aire venza la presión hidrostática de un líquido. Al salir el aire, lo hace en forma de burbujas.
Este tipo de medidor es el más flexible, de bajo costo y generalmente utilizado. Este instrumento consta de un tubo sumergido en el líquido, a través del cual se pasa aire mediante un rotámetro, que permite mantener un caudal de aire constante a través del líquido, independientemente del nivel. La tubería empleada suele ser de ½ pulgada con el extremo biselado para una fácil formación de las burbujas de aire.4 (ver Figura 9)
Figura 9. Esquemático de la instalación de un medidor de nivel por burbujeo
Realizando un balance de presiones para el interior del tubo, se encuentra que la presión es igual a la presión hidrostática causada por la columna de agua presente en el tubo5. Por lo tanto, si se mide la presión dentro del tubo, se obtiene la medición de nivel. Es decir:
4 Tomado de: http://www.industria.uda.cl/Academicos/AlexanderBorger/Docts%20Docencia/Seminario%20de%20Aut/trabajos/2001/Alvarez%20Labarca/Medicion%20de%20NIveles.htm 5 Tomado de: Measurement, Instrumentation, and Sensors Handbook CRCnetBase 1999.
20
(7)
(8)
Donde, Ptubo es la presión al interior del tubo, Patm es la presión atmosférica, γagua es la gravedad específica del agua y H es la altura del nivel de agua medido.
4.4.3 Diseño de un volante para atenuar vibraciones en el sistema de transmisión de potencia
A partir de los resultados experimentales registrados por La Rotta en la Figura 3(b) de la referencia [5] donde se muestra el comportamiento de la fuerza en el vástago del pistón contra el tiempo para una velocidad de giro N = 50rev/min y cabeza estática H = 40m, que corresponden a las condiciones extremas de operación del sistema y donde, por tanto, se somete a la transmisión de potencia a las máximas cargas, se diseñó un volante con el fin de proteger la caja reductora y el motor de los impactos que sufren cada vez que se completa un ciclo de bombeo.
Se obtuvo el diagrama de la variación de energía de la función de torque Figura 8, a partir de los diagramas del torque externo y el torque inercial del sistema. Dichos torques se hallaron teniendo en cuenta que el mecanismo usado para convertir el movimiento rotacional del motor en recíproco es del tipo biela manivela. El torque externo incluye los efectos dinámicos debidos a la operación de la bomba (movimiento del vástago), y el torque inercial tiene que ver con los efectos debidos al peso del vástago que conecta el pistón de la bomba con el mecanismo de ‘candado’ de la transmisión.
F
Rθ
W = mg
R
Figura 10. Diagrama de cuerpo libre del mecanismo de candado de la transmisión
Por tanto, el torque externo y el inercial se representan con las siguientes ecuaciones:
21
(9) Torque externo
(10) Torque Inercial
Donde F es la fuerza del vástago, R es el radio de la manivela, θ es la posición angular y el producto mg corresponde al peso del vástago.
Figura 11. Diagrama de la variación de energía de la función de torque para un ciclo de bombeo (Torque vs. Angulo del ciclo)
Para el diseño geométrico del volante se discretizó e integró numéricamente la curva de la Figura 11 y se identificó el área de mayor energía consumida por el sistema, la cual corresponde a la región B‐C.
FUNCION DE TORQUE INTEGRADADesde deltaArea Suma Acum. = EA ‐ B 45390 45390 Omega min @ B (94,5°)B ‐ C ‐57135 ‐11745 Omega max @ C (228°)C ‐ A 12375 630
Total Energia = E@OmegaMax ‐ E@OmegaMinTotal Energia 57135 kg‐cm
Tabla 10. Función de torque integrada
Se procedió a calcular la inercia del volante para determinar sus dimensiones básicas (radios), suponiendo coeficientes de variación (Cv) de 5 y 10%, que son valores típicos sugeridos en la literatura.
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CALCULO DE LA INERCIA DEL VOLANTE
Inercia [kg‐cm^2] Inercia [kg‐m^2] Radio [m](Cv=5%) 2469 0,2469 0,1263
(Cv=10%) 1235 0,1235 0,1003
I=Energía/Cv*w^2
Tabla 11. Cálculo de la inercia del volante
Finalmente, se escogió el diseño con Cv=5%. Las dimensiones básicas del volante resultante son las siguientes:
Diámetro 250mmEspesor 50.8mm (2in)Ancho 50.8mm (2in)
DIMENSIONES DEL VOLANTE
Tabla 12. Dimensiones básicas del volante
4.5 FASE III: INSTALACIÓN DE LOS ELEMENTOS Y SISTEMAS DEL BANCO Para la instalación de los elementos del banco, se requirió de la colaboración del Departamento de Planta Física de la Universidad en gran medida. Por tal razón todo lo relacionado con esta fase estuvo sujeto a la respuesta de las solicitudes enviadas a través de la base de datos de Cimanto, así como la disponibilidad de personal que tuvieran en el momento.
4.5.1 Instalación del sistema para izaje de carga La puesta en marcha del sistema para izaje de carga requirió únicamente ensamblar las partes correspondientes al carro de empuje (trolley), de manera que se adaptara a las dimensiones del monorriel. El polipasto se enganchó al carro de empuje, teniendo en cuenta que el eje de suspensión del carro debía estar en posición vertical con respecto a la viga.
4.5.2 Instalación del flujómetro electromagnético La instalación del flujómetro se planificó con el procedimiento de la visualización en CAD, ya que ésta dependía de la altura de corte del tubo de concreto, lo que afectaba a su vez la localización de la ‘tee’ de descarga de la tubería de ascenso de la bomba. Para la instalación también se tuvo en cuenta la manera de recircular el agua proveniente de la acción de bombeo, y las condiciones de operación óptimas descritas en el manual de servicio del flujómetro para evitar la medición de caudal bajo flujo turbulento y con tubería parcialmente llena. Tal instalación se puede observar en la Fotografía 1, al inicio de este documento.
23
Previo a la instalación en el ML‐122A, se llevó a cabo, en el Laboratorio de Dinámica de Fluidos, una prueba en la que se verificó la capacidad de medición del instrumento, así como los requerimientos técnicos para las conexiones eléctricas, hidráulicas, así como para la adquisición de datos en tiempo real. Los resultados de estas pruebas se comentan en la sección 3.6 del presente documento.
4.5.3 Instalación de la bomba sumergible La bomba de achique seleccionada, se especificó de tal manera que su instalación únicamente necesitara la conexión de la manguera de descarga, la conexión a la red eléctrica, y la conexión del cable de seguridad que permita su manipulación dentro del pozo. Por lo demás, la bomba no requiere de mayor atención.
4.5.4 Instalación de la bomba JOBER de 3” y su tubería de ascenso Se diseñó un procedimiento para la instalación de la bomba JOBER y su tubería de ascenso consultando artículos y bibliografía que tuviera que ver con la instalación de tubería en pozos petroleros. Se dedujo que lo más importante a tener en cuenta a la hora de la instalación es la necesidad de tener mecanismos o formas de sujeción redundantes que pudieran sostener los tramos de tubería sin que terminaran en el fondo del pozo. A continuación se describe el procedimiento: Descripción de los elementos requeridos y secuencia de ensamble Se requirió primero diseñar una tapa para la boca del tubo, que además de impedir el acceso al interior, también sirviera como elemento estructural para apoyar, en un segundo punto, las herramientas necesarias para sostener la bomba y la tubería, ya que en un comienzo todo va a colgar del polipasto diferencial y se hace necesario dirigir y asegurar cada tramo que descienda. Adicionalmente se necesitaba contar con algunas herramientas básicas que permitieran sostener y manipular los tramos de tubería que se quisieran instalar. Estos son:
- Grúa de techo - ‘Elevador’ de tubería: permite sujetar desde un extremo el tramo de tubería.
Éste se cuelga del gancho de la grúa de techo. - Hombre‐solo (x2) - Llave de tubo (x2) - ‘Tenedor’: permite bloquear desde la tapa de seguridad todo el tramo de tubería
que se encuentre dentro del pozo. Secuencia de instalación (1) Utilizar el ‘elevador’ de tubería para colgar el primer tramo de tubería, que incluye la
bomba JOBER y el vástago. No olvidar atar una cuerda o cable a la abrazadera de la
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bomba JOBER. Esto previene que un accidente durante la instalación envíe el conjunto de la bomba y su tubería de ascenso hasta el fondo de pozo.
(2) Bajar con la ayuda de la grúa de techo el primer tramo hasta alcanzar el nivel de la tapa de seguridad. Una vez allí situado, sujetar con llaves de tubo y el ‘tenedor’, y al tiempo sujetar un hombre‐solo en el extremo superior del tramo; desacoplar el elevador para llevarlo de nuevo hacia arriba. Instalar una tuerca larga en el extremo roscado del vástago.
(3) Acoplar un nuevo tramo de tubería al elevador y enseguida, por abajo, en la tapa, acoplar un segmento de vástago a la tuerca larga instalada en el paso anterior. Descender el tubo para acoplarlo con el segmento que estaba abajo. Una vez apretado bien, retirar la llave de tubo y el tenedor de la tapa, para descender el nuevo tramo ensamblado.
(4) Repetir los pasos (2) y (3) para agregar la cantidad de tramos de tubería necesarios.
4.6 FASE IV: CALIBRACIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS
4.6.1 Pruebas del flujómetro Para comprobar las capacidades de medición del flujómetro se realizó una serie de ensayos en el Laboratorio de Dinámica de Fluidos sobre una instalación temporal, construida de acuerdo con las especificaciones del manual de servicio del instrumento y conectada a una línea de agua de 1” de diámetro. La configuración de la instalación se muestra en la Figura 9 y consistió de una válvula de globo, el flujómetro, una línea de agua y la tubería en PVC de 1 ¼” con sus respectivas dimensiones mínimas para la entrada y salida del flujo de agua (macadas en la figura como 1 y 2, donde 1 debía ser una longitud mayor a 5 diámetros nominales y 2 debía ser mayor a 2 diámetros nominales).
Entrada líneade agua
Válvula de globo
Flujómetro
Descarga abierta Figura 12. Configuración de la instalación temporal para pruebas del flujómetro
Las pruebas se realizaron variando el ángulo de apertura de la válvula de globo para modificar el flujo de agua y para simular condiciones de operación para flujo continuo y para flujo pulsante.
25
El montaje del experimento consistió de una instalación de tubería de PVC de 1 ¼”, la cual se conecto a una línea de agua de 1” del Laboratorio de Dinámica de Fluidos. Se siguieron todas las recomendaciones del fabricante con el fin de lograr la entrada del fluido al sensor lo mas uniforme posible, y sin la presencia de burbujas de aire. El montaje se puede observar en las siguiente fotografía:
Fotografía 9. Montaje para la calibración del flujómetro electromagnético
Se obtuvieron resultados positivos midiendo el caudal instantáneo y se logró visualizar en tiempo real su comportamiento. Esto permitió hacer la adquisición de datos con diferentes configuraciones en la precisión y en el tiempo de respuesta del instrumento (constante de tiempo). Se muestran a continuación las gráficas de caudal (eje vertical izquierdo) y de velocidad de flujo (eje vertical derecho) para cada experimento.
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0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0
5
10
15
20
25
30
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14:42:43
14:42:45
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14:42:54
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14:43:59
14:44:01
14:44:03
14:44:05
14:44:07
Velocidad de flujo [m
/s]
Caud
al [L/min]
Tiempo [s]
Caudal vs Tiempo (τ = 0.1s)
Caudal [L/min] Velocidad de flujo [m/s]
Flujo continuo(0.566 min)
Figura 13. Gráfico de Caudal versus Tiempo con constante de tiempo = 0.1s. Flujo continuo.
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
14:51:52
14:51:54
14:51:57
14:52:00
14:52:02
14:52:05
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14:52:10
14:52:13
14:52:15
14:52:18
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14:52:23
14:52:26
14:52:28
14:52:31
14:52:33
Velocidad de flujo [m
/s]
Caud
al [L/min]
Tiempo [s]
Caudal vs Tiempo (τ = 10s)
Caudal [L/min] Velocidad de flujo [m/s]
Flujo continuo(0.566 min)
Figura 14. Gráfico de Caudal versus Tiempo con constante de tiempo = 10s. Flujo continuo. La prueba de calibración consistió en comparar el volumen de agua sensado por el flujómetro contra el recogido en un tanque de agua, probando dos tiempos de respuesta del sensor diferentes (0.1s y 10s). Para ello se definió un intervalo de tiempo de medición de 34s (0.566 min) y se fijó un ángulo de apertura de la válvula de agua (43° que correspondieron a un caudal de 16 L/min). Luego se encontró el área bajo la curva, la cual corresponde al volumen de agua que pasó por el sensor.
27
Se observa que para la constante de 0.1s, la señal de salida es uniforme y no se aleja demasiado del caudal establecido para la prueba; adicionalmente, bajo esta configuración se observa que el instrumento es capaz de detectar mínimas variaciones en la velocidad del agua, que corresponden a variaciones en el caudal. En contraste, la señal de salida para la gráfica con constante de 10s evidencia retrasos en el sensado del volumen de agua de prueba., lo cual era de esperarse naturalmente. El volumen de agua recogido en el tanque fue de 9.4L y el área bajo la curva fue de 9.23L, lo que da un error menor al 2%; la diferencia en volumen no es significativa y demuestra el adecuado funcionamiento del flujómetro para diferentes condiciones de operación con flujo uniforme.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
0
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30
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15:13:15
15:13:19
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15:16:47
15:16:51
15:16:55
15:17:00
15:17:04
15:17:08
15:17:12
15:17:17
Velocidad
de flu
jo [m/s]
Caud
al [L/min]
Tiempo [s]
Caudal vs Tiempo (τ = 0.1s)
Caudal [L/min] Velocidad de flujo [m/s]
Flujo pulsante(3 min)
Figura 15. Gráfico de Caudal versus Tiempo con constante de tiempo = 0.1s. Flujo pulsátil.
28
‐0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
‐10
0
10
20
30
40
50
60
14:56:33
14:56:41
14:56:50
14:56:59
14:57:07
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14:59:00
14:59:08
14:59:17
14:59:25
14:59:34
14:59:43
14:59:51
15:00:00
Velocidad de flujo [m
/s]
Caud
al [L/min]
Tiempo [s]
Caudal vs Tiempo (τ = 10s)
Caudal [L/min] Velocidad de flujo [m/s]
Flujo pulsante(3 min)
Figura 16. Gráfico de Caudal versus Tiempo con constante de tiempo = 10s. Flujo pulsátil.
Para la prueba de flujo pulsátil se modificó varias veces el ángulo de apertura de la válvula, intentando simular las condiciones de operación de la bomba. Se nota que el flujómetro detecta muy bien los cambios súbitos en la velocidad del flujo con una constante de tiempo de 0.1s, lo cual corrobora su capacidad para detectar variaciones mínimas en el flujo a lo largo de todo el rango de caudales de operación, permitidos por la tubería de agua del laboratorio (desde 0 L/min hasta 60 L/min). Por otro lado, se ve que mientras el flujómetro opere con un tiempo de respuesta tan alto, las mediciones que se realicen no serán confiables y podrán llevar a mediciones erróneas. En conclusión, se prueba que el instrumento se comporta de acuerdo a las especificaciones. El volumen de agua recogido en el tanque fue de 32L y el área bajo la curva fue de 33.6L, lo que da un error menor al 5%.Una vez más, la diferencia en volumen no es significativa y demuestra el adecuado funcionamiento del flujómetro para diferentes condiciones de operación con flujo pulsátil. Se analizó también la intensidad de turbulencia (T.I) dentro de la tubería, la cual es una medida de qué tanto fluctúa la velocidad del fluido alrededor de un valor promedio de velocidad de flujo, dicha medida se expresa como un porcentaje. Se define como la razón entre la desviación estándar de la medición de la velocidad del flujo y la velocidad promedio desarrollada en la tubería, es decir:
(11)
29
Los resultados, para cada experimento se muestran en la Tabla 14.
τ T.I. τ T.I.0.1s 16.76% 0.1s 11,50%10s 18% 10s 11,00%
INTENSIDAD DE TURBULENCIA
FLUJO CONTINUO FLUJO PULSANTE
Tabla 14. Resultados de la intensidad de turbulencia (T.I) en los experimentos de calibración del flujómetro magnético
De acuerdo con la literatura, valores de intensidad de turbulencia menores a 20% son aceptables y de esperarse. Esto indica que el perfil de velocidad desarrollado dentro de la tubería fluctúa o pulsa entre 11% y 18% alrededor del valor promedio registrado por el sensor.
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5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
• Se presenta un banco de pruebas para bombas reciprocantes de desplazamiento positivo, con un único componente esencial pendiente de instalación (transductores de presión sumergibles) debido a problemas de disponibilidad por parte del fabricante. Esto deja al banco con una operatividad limitada temporalmente, mientras se adquiere la instrumentación.
• Sin embargo, se cumplió con casi todos los objetivos propuestos, en un tiempo considerablemente reducido, teniendo en cuenta todos los retrasos ocasionados por las obras de adecuación y de instalación de los sistemas y componentes del banco. Sólo hizo falta la instalación de la instrumentación para registrar las caídas de presión en la bomba y la calibración general del banco de pruebas.
• La planeación del proyecto mediante la visualización CAD fue un gran acierto ya que permitió adelantar al máximo varias fases del proyecto en paralelo sin comprometer críticamente el resultado final.
• Desafortunadamente se presentaron múltiples retrasos durante la ejecución de todas las fases del proyecto. Estos se debieron principalmente a demoras en los procesos y trámites administrativos de la universidad, de los cuales no se podía tener control y se escapaba de las manos agilizar su ejecución.
• Se logró llevar a cabo una prueba exitosa del flujómetro electromagnético. Esto permitió comprobar su capacidad de medición tanto de flujo continuo como de flujo pulsátil, para diferentes condiciones de operación (rango de caudales desde 0 L/min hasta 60 L/min). De igual forma, se aprendió a instalar, configurar y a manejar este tipo de instrumentación, tanto desde el convertidor de señal, como desde una terminal remota (computador) por medio de una interfaz para transferencia de datos, lo que permitió elaborar una guía rápida de operación que servirá para futuras referencias.
• Se espera que una vez completadas las labores de calibración del banco, se pueda:
Primero, realizar una verificación experimental de los resultados de caracterización y evaluación de la bomba JOBER de 3” obtenidos por Juan Miguel La Rotta.
Segundo, complementar dichos resultados con las nuevas capacidades del banco de pruebas, tales como la inspección por medio de video del funcionamiento de la bomba; así como poder establecer una correlación de la velocidad del fluido con la velocidad del vástago del pistón.
Tercero, utilizar el ML‐122A para el desarrollo de nuevos diseños de bombas, y, en concreto, la fabricación de una bomba de mano que se pueda construir con recursos limitados pero que sea a la vez muy confiable, de manera que contribuya con la solución del actual problema de abastecimiento de agua en los países en desarrollo.
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• El proyecto que se entrega es el resultado de un proceso de diseño en ingeniería, de gran envergadura e innovador, donde se integraron criterios fundamentados en las bases científicas, teóricas y tecnológicas propias de la Ingeniería Mecánica, tales como el análisis e interpretación de datos experimentales por medio de la mecánica de fluidos y el diseño de elementos mecánicos, entre otros.
RECOMENDACIONES
Para la fecha de escritura de este documento, el banco de pruebas se entrega con algunos elementos pendientes por instalar. Se recomienda darle trámite prioritario a estas tareas, con el fin de brindarle completa funcionalidad y así proceder con una prueba piloto y la calibración general de todos los sistemas. A continuación se mencionan tales componentes:
Componentes críticos
Transductores de presión
Debido a problemas de disponibilidad del modelo 550 por parte del fabricante SETRA, los transductores de presión sumergibles no se pudieron adquirir. Como esta instrumentación es parte esencial del banco de pruebas, se sugiere su compra tan pronto exista disponibilidad del fabricante. Las características técnicas se presentan a continuación:
Tipo de presión manométricaRango de presiones 100 ‐ 1000 psig
Excitación 9 a 35 VDCSalida de corriente 4 ‐ 20 mA
Precisión ± 0.25% FS
TRANSDUCTORES DE PRESIÓN (X2)Marca SETRAModelo 550
Tabla 13. Ficha técnica de los transductores de presión sumergibles para la bomba JOBER
Componentes restantes
Cámara de inspección por video
La cámara de inspección es más una herramienta/accesorio que complementará los servicios ofrecidos por el banco y no es parte esencial del mismo. Sin embargo, una vez adquirida esta cámara, se podrán tomar videos en tiempo real para documentar el funcionamiento global de la bomba de estudio, así como para realizar inspecciones visuales de mantenimiento tanto de la fuente de agua, como de la bomba y su tubería de ascenso.
Volante
La manufactura del volante queda pendiente. El diseño teórico permitió ver la viabilidad de su construcción, ya que dimensionalmente satisface las restricciones de espacio que tienen que ver con
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la distancia del centro del eje giro y la pared donde se apoya el soporte del sistema de entrada de energía y transmisión de potencia.
Se sugiere fabricar el volante en un acero AISI 1040 o 1045 por su buena maquinabilidad y resistencia, de manera que se pueda partir de una plancha y se trabaje en el centro de mecanizado del Laboratorio de Manufactura de la universidad.
También es importante considerar un método de sujeción que permita una fácil instalación y desinstalación el componente. Para ello se recomienda el uso de acoples mecánicos tipo ‘araña’ L100 o L125, dependiendo del diámetro del eje escogido.
El volante tampoco se considera indispensable para la puesta en marcha del banco de pruebas, ya que a pesar de ser un elemento que sirve para atenuar las cargas en el sistema de entrada de energía y transmisión de potencia, se dimensionó la caja reductora para que pudiera soportar tales cargas, de manera que se pudieran realizar pruebas preliminares sin la necesidad de contar con el volante.
Instalación del sistema para la medición de nivel de agua del pozo
La instalación del sistema de medición de agua queda pendiente. Se debe solicitar a Planta Física la instalación de una línea de aire, o seleccionar un compresor de baja capacidad que sirva como alimentación de aire, para acoplarlo a un rotámetro y obtener las lecturas del nivel de agua, aplicando el principio físico descrito en la sección 3.4. Esta instalación no debe presentar mayores problemas, ya que su funcionamiento es muy sencillo.
SUGERENCIAS
Si se quiere fortalecer y consolidar los procesos investigativos en el Departamento de Ingeniería Mecánica, es muy necesario que la gestión administrativa de la Universidad apoye de manera mas eficiente y eficaz la gestión académica, investigativa y de innovación propuesta por profesores y estudiantes del departamento.
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6. BIBLIOGRAFÍA
1. BURTON JD, DAVIES DG, Dynamic model of a wind‐driven lift pump. Proc Inst Mech Eng. 1996.
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7. PINILLA, Álvaro. Notas del curso de Energía Eólica. Universidad de los Andes. Bogotá. 2003. 8. UREN, Lester Charles. Ingeniería de Producción del Petróleo. Desarrollo de los campos
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subacuáticas Splashcam.
Manuales de referencia:
• Instrucciones de servicio Yale. Carros manuales de empuje modelo HTP.
• Instrucciones de montaje y mantenimiento de reductores. Tametal transmisión de potencia S.A.
• KROHNE OPTIFLUX electromagnetic flowmeters Resource CD.
• MACTEK Viator USB HART Interface Resource CD.
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