proyecto mecanico
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M E M O R I A D E C Á L C U L O
PROYECTO MECÁNICO
PLANTA DE BOMBEO "EL MORALILLO"
MUNICIPIO DE PÁNUCO, VER.
Octubre de 1998
GENERALIDADES.
Este proyecto de bombeo de agua pluvial de 3570 lps, consiste en recibir el caudal
mencionado en un cárcamo enterrado, caudal proveniente de unos canales
recolectores. Antes de llegar al cárcamo se hará pasar por unas rejillas de limpieza
de sólidos, y con bombas del tipo flujo axial se mandarán las aguas hacia la parte de
atrás de un bordo perimetral, a 54 m de distancia.
El equipo de bombeo se instalará sobre la losa del cárcamo y será del tipo
propela. Se seleccionaron equipos verticales, por tratarse de un bombeo de gran
caudal, con el cual los equipos sumergibles, inatascables, resultan demasiado
costosos. Comparándolos con los tipo propela, que también cuentan con un paso de
esfera bastante aceptable para trabajar con aguas sucias, estos son mucho más
baratas. El inconveniente es que necesitan de mayor sumergencia que los
sumergibles.
Para tener un bombeo protegido, el control será como sigue:
Paro: Sensor tipo pera al detectar nivel bajo de agua en el
cárcamo.
En forma manual.
Arranque: Al detectar agua el sensor, dará una señal luminosa.
En forma manual.
Alternación: Manual, con contadores de horas en los arrancadores.
Simultaneación: Manual, dependiendo de la cantidad de agua pluvial.
DATOS DE PROYECTO
Gastos: Período de retorno:
Máximo: 3570 lps 100 años.
Medio: 2380 lps 10 años.
Mínimo: 1390 lps 2 años.
El gasto de diseño será el maximo. 3570 lps
Tipo de bombas: Centrífuga vertical tipo propela.
Conducción:
A: Bordo perimetral (laguna)
Diámetro: 762 30 ")
Material: Acero A 36 (helicoidal) , cédula 10
Longitud: 54 m
Temperatura del agua: 15 °C
Cotas (sobre el nivel del mar):
Cárcamo de bombeo.
Terreno: 1.00 m
Piso de operación: 1.40 m
Fondo del cárcamo: -5.10 m
Fondo canal de llegada: -0.80 m
Laguna de almacenamiento.
Descarga (eje de tubo): 3.30 m
Bordo perimetral: 4.10 m
Niveles en el cárcamo.
Máximo: -1.10 m
De arranque: -1.65 m
Paro y de diseño: -3.10 m
CROQUIS DEL BOMBEO.
3.30 4.10
1.40 30 " 54 m
-1.10 1.00
-3.10
-5.10
DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE EQUIPOS
mm (
En múltiples ocasiones se ha tratado de determinar el número de equipos en
función del costo de la inversión, habiendo encontrado en todos los casos que
el costo total no varía significativamente de un arreglo a otro, por lo que es
necesario recurrir a otras consideraciones para la selección de éste.
La velocidad del agua en el tubo de descarga se mantendrá cercana a los 3 m/s.
Considerando la marca de bomba Worthington y comparando sus modelos KLD y
KM, se hará un análisis para definir el número de equipos en función del gasto, tipo
de flujo y costo aproximado de adquisición.
1- Si fueran 2 + 0 equipos Q = 1785 lps ( 28292 gpm)
Con tubo de descarga de: 36 "
Velocidad del agua en la descarga:
Q 4 x 1.785 v = 2.72 m/s
A x 0.914
Empleando la fórmula de Manning:
Ver hoja Nº 170 del King.
Pérdidas en la descarga y en la columna:
10.3 x 0.014 x 59 x 1.785
0.914
= 0.61 mca
Piezas especiales:
1 succión (campana) K = 0.05
1 codo de 90° (cabezal) K = 0.20
2 codo de 45° (descarga) K = 0.13
2 codo de 30° (descarga) K = 0.08
1 compuerta de aleta (desc) K = 2.00
1 carga de velocidad K = 1.00
3.67 x 2.72 = 1.383 mca
2 x 9.81
Desnivel estático: 6.40 m C.D.T. = 6.40 + 1.99 = 8.39 mca.
hf
hf
hn L Q
Df
10 3 2 2
163
.
hf =5.333
22
v = = 2
hf =2
42 KLD - 500 rpm - 2 paso - 267 mm de paso de esfera. 84.0 % de eficiencia.
30 KMP - 590 rpm - 1 paso - 127 mm de paso de esfera. 83.0 % de eficiencia.
Q x CDT 1785 x 8.39
76 x Ef 76 x 0.84
HP = 235 Motor de 250 HP para 42 KLD
HP = 237 Motor de 250 HP para 30 KMP
2- Si fueran 3 + 0 equipos Q = 1190 lps ( 18861.5 gpm)
Con tubo de descarga de: 30 "
Velocidad del agua en la descarga: v = 2.61 m/s
Pérdidas en la descarga y columna: = 0.71 mca
Pérdidas en piezas especiales: = 1.27 mca
C.D.T. = 6.40 + 1.99 = 8.39 mca.
36 KLD - 590 rpm - 2 pasos - 229 mm paso de esfera. 82.5 % de eficiencia.
HP = 159 Motor de 200 HP
30 KMM - 505 rpm - 1 paso - 127 mm de paso de esfera. 83.0 % de eficiencia.
HP = 158 Motor de 200 HP
3- Si fueran 4 + 0 equipos Q = 893 lps ( 14146 gpm)
Con tubo de descarga de: 30 "
Velocidad del agua en la descarga: v = 1.96 m/s
Pérdidas en la descarga y columna: = 0.40 mca
Pérdidas en piezas especiales: = 0.72 mca
C.D.T. = 6.40 + 1.12 = 7.52 mca.
24 KLD - 880 rpm - 2 pasos - 152 mm paso de esfera. 77.0 % de eficiencia.
HP = 115 Motor de 125 HP
24 KML - 705 rpm - 1 paso - 83 mm de paso de esfera. 83.5 % de eficiencia.
HP = 106 Motor de 125 HP
4- Si fueran 5 + 0 equipos Q = 714 lps ( 11316.9 gpm)
Con tubo de descarga de: 24 "
Velocidad del agua en la descarga: v = 2.45 m/s
Pérdidas en la descarga: = 0.84 mca
Pérdidas en piezas especiales: = 1.12 mca
hf
hf
hf
hf
hf
hf
HP = HP =
C.D.T. = 6.40 + 1.96 = 8.36 mca.
20 KLD - 1175 rpm - 1 paso - 114 mm. paso de esfera. 80.0 % de eficiencia.
HP = 98 Motor de 125 HP
20 KMM - 880 rpm - 1 paso - 86 mm de paso de esfera. 82.0 % de eficiencia.
HP = 96 Motor de 125 HP
TABLA RESUMEN
Opción Nº 1 2 3 4
Nº equipos 2 2 3 3 4 4 5 5
Flujo Axial Mixto Axial Mixto Axial Mixto Axial Mixto
HP/motor 250 250 200 200 125 125 125 125
HP totales 500 500 600 600 500 500 625 625
Nº pasos 2 1 2 1 2 1 1 1
Eficiencia 84 83 82.5 83.0 77.0 83.5 80.0 82.0
Velocidad 500 590 590 505 880 705 1175 880
Descarga 36 36 30 30 30 30 24 24
$ motores 344 295 387 451 260 325 244 326
$ bombas 306 230 408 345 416 416 435 435
$ tubería 249 249 310 310 413 413 330 330
$ total 899 774 1105 1106 1089 1154 1009 1091
Los costos de los equipos son aproximados y se da en miles de pesos.
Puntos a considerar:
1- Mientras mayor número de equipos se tengan, las velocidades serán mayores,
y por lo tanto los motores serán más comerciales.
2- Para la capacidad de la generadora, es mejor manejar motores de menor potencia
al momento del arranque del último motor.
3- Al tener bombas de menor caudal, el volumen de agua requerido por ciclos de
arranque y paro es menor, resultando cárcamos más pequeños.
4- El costo de la energía eléctrica no se tomará en cuenta en el estudio, en virtud de
que el tiempo de operación de los equipos será relativamente chico, pues
trabajarán sólo cuando se presenten tormentas extraordinarias.
Por lo anterior y tomando en cuenta que es importante tener un paso de esfera
grande, se selecciona la opción Nº 3 con euipos del tipo flujo axial, lubricación aceite
por tratarse de aguas pluviales y cabezal de descarga bajo superficie por tratarse
de equipo de gran tamaño.
La opción de contar con cuatro equipos cumple con la mayoría de los puntos
anteriores a considerar, pues de los estudiados, son los que tienen más puntos
a su favor, como es: buena flexibilidad de operación, equipos pequeños de pocos
HP y poco caudal, y es de los que requieren menos costo de adquisición. Además el
que sea número par, facilita en muchas ocasiones el arreglo de distribución eléctrico.
Por lo tanto, el número de equipos será: 4 + 0
Y el gasto por equipo será de: 893 lps
DIMENSIONAMIENTO DEL CÁRCAMO DE BOMBEO
CICLOS DE OPERACIÓN.
Para garantizar una vida útil económica tanto de los motores como de los
transformadores, se deberá establecer un ciclo entre "arranque - paro - arranque"
de una misma bomba, no menor de 20 minutos.
Caso crítico:
0.893 x 20 x 60 en donde:
4 V = Volumen mínimo requerido
Q = Gasto de uno de los equipos
V = 268 T = Tiempo del ciclo
Si se piensa en tener, en función del número de equipos seleccionado, un ancho de
cárcamo interior de: 9.40 m, y un tirante útil de 1.45 m, el largo del cárcamo
deberá ser:
L = 19.64 m Se fijará en 20 m.
m3
V=QT4
=
DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DEL EQUIPO.
COMPUERTA
DE CHARNELA
TUBERÍA 30 "
JUNTA DRESSER
BOMBA
2.125
9.40
VELOCIDAD DEL AGUA EN EL CÁRCAMO.
Canal de distribución - De acuerdo con el Instituto de Hidráulica no deberá
exceder de: 0.61 m/s (2 fps)
Equipos de bombeo - La velocidad de acercamiento deberá ser del orden de:
0.30 m/s (1 fps)
Canal de distribución:
Gasto = 3.570
Área (nivel mínimo) = 2.00 x 9.40 = 18.80
Velocidad del agua = 3.570 / 18.80 = 0.19 m/s < 0.61 m/s
Entre bombas:
Gasto = 0.893
Área (nivel mínimo) = 2.00 x 2.13 = 4.25
Velocidad del agua = 0.893 / 4.25 = 0.21 m/s < 0.30 m/s
En virtud de que se espera que los equipos trabajen en operación normal,
varios simultáneamente, se propondrá la instalación de mamparas divisorias
entre los equipos, mejorando con ello las condiciones de succión.
m3/s
m2
m3/s
m2
1 432
También, como se cuenta con rejillas de limpieza de sólidos antes del bombeo,
se solicitarán los equipos sin colador en la campana de succión, pues además,
son equipos que no pueden fallar al momento de requerirlos y un colador tapado
haría que la potencia aumentara y posiblemente se presentara el disparo de la
protección eléctrica.
CARGA DINÁMICA TOTAL
PARÁMETROS DE DISEÑO.
Diámetro del tubo de descarga = 762 mm
Material del tubo de descarga = Acero
Gasto total a bombear = 3570 lps.
Gasto por equipo = 893 lps.
Número de equipos operando = 4
Longitud total de la descarga = 54 m.
VELOCIDAD DEL AGUA.
Velocidad del agua en cada descarga:
Q 4 x 0.893 v = 1.96 m/s
A x 0.762
PÉRDIDAS POR FRICCIÓN.
Tubería de descarga:
Empleando la fórmula de Manning:
10.3 x 0.014 x 54.00 x 0.893
0.762
= 0.370 mca
Columna:
Se calcularán las pérdidas considerando la columna como un simple tubo, y
posteriormente se compararán con las proporcionadas por algún fabricante.
Empleando la fórmula de Manning:
Suponiendo una longitud de columna de: 4.50 m
10.3 x 0.014 x 4.50 x 0.893
0.762
= 0.031 mca
v = = 2
h f=10 .3 ´ n2 ´ L´ Q2
D163
hf = 5.333
22
hn L Q
Df
10 3 2 2
163
.
hf = 5.333
22
Considerando las tablas de las bombas Fairbanks para una columna del mismo
diámetro se tiene una pérdida de : 0.74 m por cada 100 m de longitud,
por lo tanto, la pérdida será:
= 0.007 x 4.50 = 0.033 mca
Piezas especiales:
30 "
1 succión (campana) K = 0.50 Pag. 298, del Sotelo.
1 codo de 90° (cabezal) K = 0.24 Pag. 6, sec 5, del Johnston.
2 codo de 45° (descarga) K = 0.13 Fig. 8.20, del Sotelo.
2 codo de 30° (descarga) K = 0.08 Fig. 8.20, del Sotelo.
1 compuerta de aleta (desc) K = 2.00 Pag. 59, del Handbook F.M.
De acuerdo con Nassa, el cabezal tiene una pérdida de 0.24 pies.
La suma de las K's es: = 3.00
Empleando la fórmula:
3.00 x 1.958 = 0.586 mca
2 x 9.81
Carga de velocidad:
1.958
9.81 x 2
= 0.195 mca
DESNIVEL ESTÁTICO.
Máximo y de diseño: 3.30 - -3.10 = 6.40 m
Mínimo: 3.30 - -1.10 = 4.40 m
CARGA DINÁMICA TOTAL.
hf
SK
hf
hv
CDT = D.E. + Sh
De
h f=SKv2
2ghf =
2
hv=v2
2 ghv =
2
((( ))
)
= 0.370 + 0.033 + 0.586 + 0.195 = 1.19 mca
CDT máxima y de diseño: 6.40 + 1.19 = 7.59 mca
CDT mínima: 4.40 + 1.19 = 5.59 mca
Para contar con una pequeña holgura o sobre carga en el equipo solicitado se
especificará una CDT de 7.65 m. para el punto de diseño. Esto no perjudicará
al motor pues al encontrar realmente menor carga, dará más gasto y el consumo de
potencia bajará un poco.
POTENCIA REQUERIDA.
La potencia requerida por la bomba se obtendrá con la siguiente fórmula:
893 x 7.65 HP = 112
76 x 0.80
HP = 112 x 1.10 = 124 Motor = 125 HP
Por tratarse de agua pluvial, la cual no obstante haberla hecho pasar por rejillas de
limpieza previamente a la llegada del cárcamo, no es posible contar con agua
sin sólidos o elementos que perjudican al equipo de bombeo. Por tal motivo para
mayor seguridad, se solicitará el motor con un factor de servicio de 1.15 .
Sh
HPQ x H
x
76 =
BOMBAS ESTUDIADAS FLUJO AXIAL
Byron Jack Worthington Nassa
20 HSPR 24 KLD NJ 20 PO
COLUMNA (pulg.) 30 30
VELOCIDAD (rpm) 885 880 880
PASOS 2 2 2
PASO ESFERA (mm) 152 124
LONG. TAZONES (mm) 938 1448 1302
NPSHR (pies) 24.4
CAMPANA (mm) 864 965 851
CDT 1 (mca) 7.65 7.65 7.65
CDT 2 (mca) 5.59 5.59 5.59
GASTO 1 (lps) 893 893 893
GASTO 2 (lps) 959 946 953
EFICIENCIA 1 0.81 0.77 0.81
EFICIENCIA 2 0.78 0.66 0.74
POTENCIA 1 (HP) 111 117 111
POTENCIA 2 (HP) 90 105 95
MOTOR (HP) 125 125 125
Las marcas Fairbanks Morse y Peerless Tisa, no cuentan con un modelo para el
gasto requerido.
De la tabla anterior se observa que el motor de 125 HP, 8 polos, cumple con el
requerimiento de los modelos estudiados que tienen mejor eficienciencia, y no
conociendo por el momento la marca ni el modelo de bomba que será adquirida,
se tomará esta potencia como base para el proyecto eléctrico, poniendo como
requisito, en las especificaciones de las bombas, que tengan éstas una eficiencia
mínima en el punto de diseño de 80 %.
De acuerdo con la tabla anterior, los equipos más convenientes son los de NASSA
y los de Byron Jackson, siendo NASSA una marca más comercial que la de Byron.
Por tal motivo se recomienda la bomba NJ 20 PO de NASSA.
REVISIÓN DEL NIVEL MÍNIMO DE AGUA CON RESPECTO AL NPSH REQUERIDO.
La fórmula para la NPSH disponible es:
En donde:
S = sumergencia al ojo del impulsor (por encontrar)
= 33.9 pies de agua (Presión barométrica)
= 1.00
= 0.567 pies de agua (Presión de vapor)
= 0.50 x 1.958 x 0.051 x 3.28 = 0.321 pies
S + 33.9 - 0.567 - 0.321
S + 33
Pero debe ser:
Por lo tanto la sumergencia requerida será:
S - 2 + 33
S + 31
Considerando el nivel mínimo de agua, establecido en las generalidades, la
sumergencia o tirante de agua al ojo del impulsor será de 3.87 pies, por tanto:
36.88 pies
Lo cual quiere decir que la bomba Nassa de la cual únicamente se tiene el valor de
NPSHR, cumple ampliamente.
24.40 pies
la bomba, y con el que deberá cumplir el equipo seleccionado, será el que se
obtiene considerando una sumergencia de cero:
PB
Pv
hf
NPSHD =
NPSHD =
NPSHR =
NPSHR =
NPSHD =
NPSHR =
Sin embargo, el valor del NPSHR máximo que se indicará en la especificación de
NPSHD=PBg+S−Pv−h f
2
NPSH R≤NPSHD−2
31 piesNPSHR =
UBICACIÓN DE LOS EQUIPOS EN EL CÁRCAMO
(Dimensiones en mm) Práctica H.I.S. Worthingt Nassa Byron J. Proyecto
común 24 KLD 20 PO 20 HSPR
A)
Diámetro de campana D 965 1000 965 851 864 965
B)
Eje de bomba a muro 1 1/2 D 1448 800 484 800
C)
Entre ejes de bombas 2 3/4 D 2654 1830 1296 2125
D)
De campana a piso 1/2 D 483 560 285 500
E)
De impulsor a campana --- --- --- 320 254 320
F)
Sumergencia debida a:
Vórtice 4 D 3860 1980 1270 1499 762 ---
NPSH --- --- --- --- negativo --- ---
G)
Nivel mínimo de agua 4 D 3860 1980 1770 1999 1262 2000
H)
Eje de bomba a rampa --- --- 3200 3200
I)
Largo del cárcamo 4830 4320 20000
** a campana de succión
Namin
-3.10 122
1500 * 2000
320
** ** **
A
B
D
EG
H
I
500
* sumergencia recomendada
por NASSA.
A
B
D
EG
H
I
DETERMINACIÓN DEL PESO TOTAL POR EQUIPO
EMPUJE AXIAL DE LA BOMBA:
Se considerará el modelo: NJ 20 PO
de la marca: Nassa
con flecha de: 1 15/16 "
= 135 lb/pie
= 115 lb
= 10.6 lb/pie
Empuje = 135 x 25.09 + 2 x 115 + 10.6 x 26 = 3896 lb
= 1771 Kg
Peso del cabezal: 1204 Kg
Peso del motor: 997 Kg
Peso del cuerpo de tazones: 716 Kg
Peso de la columna: 1104 Kg
Peso del agua: 2953 Kg
PESO TOTAL: 6974 Kg
Para fines de cálculo estructural se tomará como peso total por equipo:
7150 Kg
El motor eléctrico se solicitará con un balero de empuje axial mínimo para:
2000 Kg
Empuje = Kt x carga total + Ka x número de pasos + Ks x longitud de la flecha
Kt
Ka
Ks
VÁLVULA DE AIRE
Para el gasto máximo de una bomba, que es: 14172 gpm
Se tiene que el tamaño de la válvula de aire es:
Flujo en la válvula = 14172 = 31.56 pcs.
449
= 12.5 x 10 0.312
30
= 14.06 Psi.
Por norma se usará 5 Psi como presión diferencial para entrar en la
gráfica, pues es un valor menor al de 14.06 obtenido.
De la gráfica se selecciona una válvula de 4 "
Marca APCO, modelo N°: 1604/152
Presión de colapso = 12.5 x 106 (espesor / diámetro)3
36
De acuerdo a las recomendaciones de APCO en su catálogo de válvulas
de aire y vacio para bombas verticales, el tamaño mínimo recomendado es
de: 203 mm (8") , pero por tener solamente una columna negativa de
4 m. (5.68 Psi) en realidad no requiere de válvula de vacío.
ANCLAS DE SUJECIÓN
La fuerza ejercida por el agua al cambiar de dirección en el codo del cabezal
puede calcularse de la siguiente manera:
F Fx X
+
P2 +
Fy Y
V2
D = 762 mm (30")
P1 A = 0.456
= 90°
V1 P1 = P2 = 0.765
V1 = V2 = 1.96 m/s
Q = 0.893
m2
Kg/cm2
m3/s
P1 = P2 = P V1 = V2 = V A1 = A2 = A
Se tiene:
Para las condiciones anteriores queda:
Fy = 0.765 x 10 x 0.456 + 1000 x 0.893 x 1.96
Fx = Fy = 5236.27 Kg
En sentido vertical esta fuerza estará parcialmente compensada con el peso del
equipo, pero en sentido horizontal los tornillos de las anclas deberán soportar toda
la fuerza.
Suponiendo tornillos estandard A307 con esfuerzo de diseño al corte de
3/4 " según los barrenos del cabezal, se tendrá:
4 x 700 x 2.85 = 7981 > 5236.27 Kg
NOTA:
Los diámetros de las anclas dependerán de la ingeniería del fabricante de la
bomba seleccionada.
Fx = P1 (A1) - P2 (A2) cos - r Q (V2 cos - V1)
Para = 90°
Fx = P (A) + r Q (V)
Fy = P2 (A2) sen + r Q (V2) sen
Fy = P (A) + r Q (V)
700 Kg/cm2 y 4 tornillos de:
4
DIMENSIONAMIENTO DEL TANQUE DE COMBUSTIBLE.
Este tanque de combustible será el que suministre de diesel a la planta generadora
que funcionará como emergencia cuando exista una falla del servicio de energía
eléctrica contratado.
Según el cálculo eléctrico, la planta seleccionada es de: 500 Kwatts de potencia.
No obstane parecer bastante remoto, que una falla eléctrica suceda cuando se
requiere de bombeo de agua pluvial, ésto puede ocurrir frecuentemente, pues
cuando la lluvia es más intensa, es cuando el suministro de energía eléctrica más
facilmente falla.
Por otro lado, cuando falle la energía no forzosamente tiene que operar la planta a
su plena capacidad.
Una falla de energía se puede pensar que en promedio durará: 2 hrs / día
y suponerse que solamente fallará 4 días a la semana.
Por lo tanto para 1 mes de almacenaje, se requerirá:
Consumo de combustible = 0.31 Lts/KWH
Y el consumo de combustible a plena carga es:
Litros = 0.31 x 2.00 x 4 x 4.33 x 500 = 5369
El tanque se especificará cilíndrico en posición horizontal, para tener mayor
estabilidad.
Para un diámetro de 1.50 m 5.369 x 4
3.14 x 1.50
L = 3.04 m
Se indicará de 3.00 m. de largo.
Las dimensiones finales las determinará el fabricante de línea que se seleccione
para el suministro del tanque.
Dimensiones del cajón contenedor del diesel en caso de fuga.
Volumen total 3.14 x 1.50 x 3.00
L= 2
2
4
= 5.30 m
Si se considera un contenedor rectangular de 2.50 x 5.00 m,
la altura del muro debe ser de 0.42 m.
Se especificará de 0.50 m.
3
CONTRAPESO DE LA COMPUERTA TIPO CHARNELA.
Peso de la compuerta.
Características de la placa de la compuerta.
Material Acero al carbón A 36.
Espesor 0.5 "
Diámetro 34 " 864 mm)
Área total 0.586
Peso 0.586 x 98 = 57.40 Kg.
Momentos iguales:
57.40 x 175 = x 152
= 66.09 Kg.
Contrapeso = 20 Kg. (30 %)
Redondo
de acero
300 D
D x 3.14 x 7.70 x 10 x 300 = 20 x 4
D = 11029 D = 105 mm.
m2
F1
F2
F2
-62
2
(