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

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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 

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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

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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 

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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. 

 

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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 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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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 

 

 

 

 

 

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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  

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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  

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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  

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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  

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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

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  

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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  

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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  

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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  

Page 16: DESARROLLO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA BOMBAS …

 

 

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  

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Figura 7. Vista general proyectada en CAD del ML‐122A  

 

 

10  

Page 18: DESARROLLO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA BOMBAS …

 

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: 

11  

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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  

Page 20: DESARROLLO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA BOMBAS …

 

 

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  

Page 21: DESARROLLO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA BOMBAS …

 

 

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. 

14  

Page 22: DESARROLLO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA BOMBAS …

 

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  

Page 23: DESARROLLO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA BOMBAS …

 

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. 

 

16  

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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  

Page 25: DESARROLLO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA BOMBAS …

 

   

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: 

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Page 26: DESARROLLO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA BOMBAS …

 

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.  

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Page 27: DESARROLLO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA BOMBAS …

 

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  

Page 28: DESARROLLO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA BOMBAS …

 

  (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

 

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: 

                                                                                                                                                                                          

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Page 29: DESARROLLO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA BOMBAS …

 

  (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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Page 30: DESARROLLO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA BOMBAS …

 

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  

Page 31: DESARROLLO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA BOMBAS …

 

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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Page 32: DESARROLLO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA BOMBAS …

 

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.   

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Page 33: DESARROLLO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA BOMBAS …

 

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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Page 34: DESARROLLO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA BOMBAS …

 

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

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30

35

14:42:43

14:42:45

14:42:48

14:42:50

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14:42:54

14:42:56

14:42:58

14:43:00

14:43:03

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14:43:07

14:43:09

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14:43:13

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14:43:20

14:43:22

14:43:24

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14:43:31

14:43:33

14:43:35

14:43:37

14:43:39

14:43:42

14:43:44

14:43:46

14:43:48

14:43:50

14:43:52

14:43:54

14:43:57

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

14:52:07

14:52:10

14:52:13

14:52:15

14:52:18

14:52:20

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. 

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Page 35: DESARROLLO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA BOMBAS …

 

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

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0,8

1

1,2

1,4

1,6

0

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40

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60

15:13:15

15:13:19

15:13:24

15:13:28

15:13:32

15:13:36

15:13:41

15:13:45

15:13:49

15:13:54

15:13:58

15:14:02

15:14:07

15:14:11

15:14:15

15:14:20

15:14:24

15:14:28

15:14:33

15:14:37

15:14:41

15:14:46

15:14:50

15:14:54

15:14:59

15:15:03

15:15:07

15:15:12

15:15:16

15:15:20

15:15:24

15:15:29

15:15:33

15:15:37

15:15:42

15:15:46

15:15:50

15:15:55

15:15:59

15:16:03

15:16:08

15:16:12

15:16:16

15:16:21

15:16:25

15:16:29

15:16:34

15:16:38

15:16:42

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  

Page 36: DESARROLLO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA BOMBAS …

 

‐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

14:57:16

14:57:24

14:57:33

14:57:42

14:57:50

14:57:59

14:58:08

14:58:16

14:58:25

14:58:34

14:58:42

14:58:51

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) 

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 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. 

2. BURTON J.D & LOBOGUERRERO. Bombas Rotodinámicas y de Desplazamiento Positivo. Universidad de los Andes. Bogotá. 2004 

3. Centro Internacional de Referencia para Abastecimiento Público de Agua. Bombas de Mano. Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente y la Organización Mundial de la Salud. La Haya, Países Bajos. Julio 1977. 

4. LA ROTTA JM, Evaluación y caracterización de la bomba JOBER de 3 pulgadas de diámetro y su tubería de ascenso. 

5. LA ROTTA & PINILLA, (2006, Junio), Performance evaluation of a commercial positive displacement pump for wind‐water pumping. 

6. OLDENKAMP, Henk. Field measurements on the CWD 5001 performed in the period 85‐05‐18 to 85‐12‐18. Consultancy Services Wind Energy Developing Countries. January 1987. 

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 

petroleros. Cuarta Edición. Compañía Editorial Continental. México, D.F. 1964.  9. WHITE, Frank. Fluid Mechanics. Fifth Edition. McGraw‐Hill. New York. 2003. 10. World Bank. Laboratory Testing of Handpumps for Developing Countries: Final Technical 

Report. WTP19. 1984. 11. http://www.molinosjober.com/index.htm ‐ Página web de la fábrica colombiana de 

aerobombas JOBER. 12. http://anaugerargentina.com.ar/cont/prod/prod4/prod4.htm ‐ Página web del fabricante de 

bombas sumergibles Anauger. 13. http://www.splashcam.com/DVColor/dv.htm ‐ Página web del fabricante de cámaras 

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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