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Este documento proporciona una guía completa sobre el diseño y cálculo de sistemas de tuberías para el transporte de fluidos, cubriendo aspectos como la selección de bombas, accesorios de tuberías, pérdidas de carga y criterios de selección de materiales. El documento incluye ejemplos prácticos y fórmulas para calcular la potencia necesaria de la bomba y el npsh disponible, lo que lo convierte en un recurso valioso para estudiantes de ingeniería.
Tipo: Esquemas y mapas conceptuales
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El transporte de fluidos a través de tuberías o válvulas requiere de una serie de condiciones para que se desarrolle de forma efectiva. Aspectos como el mantenimiento y el resguardo de la instalación son fundamentales para una correcta operatividad.
El sistema de transporte de fluidos desempeña un papel vital en el funcionamiento de una faena minera, ya que permite llevar a la operación agua fresca, industrial o con desechos, así como material sólido en suspensión a través de mineroductos, relaveductos o concentraductos.
La función de bombeo realizada por las bombas en el transporte de fluidos es la manera en cómo se le agrega la energía cinética y la energía potencial a un líquido para que se mueva y se traslade de un punto a otro. Por lo tanto, el papel de las bombas en estos procesos es crucial, ya que permiten incrementar la energía mecánica del líquido, generando velocidad, presión o elevación en el fluido.
Según los expertos, las mantenciones de los sistemas de transporte de fluidos deben ser periódicas, pero dependerán de cada operación, que las definirá de acuerdo a la capacidad de la planta, material tratado o desgaste de los elementos de transporte.
Una bomba es un dispositivo mecánico que se utiliza para mover líquidos o gases de un lugar a otro, mediante la aplicación de energía mecánica. Estas pueden ser impulsadas por electricidad, combustibles fósiles, energía hidráulica o neumática, y se utilizan en una gran variedad de aplicaciones, desde sistemas de suministro de agua y gas hasta procesos químicos y de producción de energía.
Básicamente, una bomba convierte la energía mecánica en energía hidráulica, generando un flujo de líquido o gas a través de un sistema. El fluido es aspirado por la bomba desde una entrada o reservorio, y se mueve a través de un impulsor o rotor que gira dentro de una carcasa. A medida que el impulsor gira, el líquido o gas es impulsado hacia la salida de la bomba, aumentando la presión y el caudal.
Las bombas se clasifican en diferentes tipos según su funcionamiento, diseño y aplicación, como las bombas centrífugas, de desplazamiento
positivo, de diafragma, entre otras. Cada tipo de bomba tiene características específicas que lo hacen adecuado para ciertas aplicaciones.
Clasificación de bombas
Las bombas dinámicas son un tipo de bomba que funciona mediante la conversión de la energía cinética en energía de presión en un fluido. Son ampliamente utilizadas en la industria para el transporte de líquidos a alta velocidad y con altas presiones.
La principal característica de las bombas dinámicas es que la energía se transfiere del impulsor a las partículas del fluido, generando una acción de bombeo. Estas bombas se dividen en dos categorías principales: las bombas centrífugas y las bombas axiales.
Las bombas centrífugas son las más comunes y están diseñadas para aumentar la velocidad de un fluido a través de un impulsor giratorio, creando un flujo de alta energía. El fluido entra en la bomba por el centro del impulsor y es lanzado hacia la periferia, donde se convierte en un flujo de alta presión. Las bombas centrífugas son utilizadas para una amplia gama de aplicaciones, incluyendo la distribución de agua, el suministro de productos químicos, el bombeo de petróleo y gas, entre otras.
Las bombas axiales, por otro lado, están diseñadas para aumentar la velocidad del fluido a través de un conjunto de álabes dispuestos en forma de hélice alrededor de un eje central. Estas bombas se utilizan principalmente en aplicaciones donde se necesita un alto caudal de líquido y una presión moderada, como en la transferencia de agua de mar, la irrigación y el suministro de agua para sistemas de refrigeración.
Son bombas que se caracterizan por manejar grandes cargas a bajos caudales. En ellas, el elemento móvil (generalmente un pistón, un émbolo o un engranaje) se encarga de desplazar el fluido desde el cuerpo de la bomba, incrementado a la vez su presión. El "movimiento de desplazamiento positivo" consiste en el movimiento de un fluido causado por la disminución del volumen de una cámara. Por lo tanto, en una máquina de desplazamiento positivo, el elemento que origina el intercambio de energía no tiene necesariamente movimiento alternativo (émbolo), sino que puede tener movimiento rotatorio (rotor).
Dentro de este tipo de bombas, se encuentran las bombas reciprocantes y las bombas rotatorias:
Bombas reciprocantes: Son dispositivos mecánicos de desplazamiento positivo, es decir, reciben un volumen fijo de líquido en condiciones casi de succión, lo comprimen a la presión de descarga y lo expulsan por la boquilla de descarga.
Se utilizan para restringir, detener o controlar el flujo. - Válvula de compuerta - Válvula de bola - Válvula de retención - Válvula de tapón - Válvula de aguja - Válvula de mariposa - Válvula de globo
Cruces Tes Gorra y pezones Casquillos Bridas de tubería Juntas de expansión Trampas de vapor Curvas de radio largo Lengüetas Tuercas de bloqueo Curvas de inglete Tapas y tapones
Estos accesorios de tubería se fabrican en una variedad de materiales, como acero, hierro fundido, polímeros, latón, aluminio, bronce y cobre, dependiendo de las condiciones de temperatura y presión del sistema.
Tipos de accesorios de tubería
Acoplamientos Adaptadores Sindicatos Tapas Enchufes
Codos Curvas Conexión en T Cruz Acoplamientos Camiseta reductora
Carga neta de succión positiva (NPSH)
La diferencia entre la presión de entrada y el nivel de presión más bajo dentro de la bomba se denomina NPSH: Altura de aspiración neta positiva. NPSH es, por tanto, una expresión de la pérdida de presión que tiene lugar dentro de la primera parte de la la carcasa de la bomba. Si la bomba opera
con una aspiración excesiva, la presión a la entrada puede disminuir hasta llegar a alcanzar la tensión de vapor del agua, lo que provocaría la formación de burbujas de vapor que, cuando la presión se recupera, explotarían violentamente ocasionando graves daños en los mecanismos de la bomba.
El valor de NPSHreq solamente depende de las características de la bomba y no de las características de la instalación. Es variable para cada bomba, siempre es positivo y cambia según el caudal y el número de revoluciones del motor. Los valores y las curvas son suministrados por el fabricante. Cuanto menor es el valor de NPSHreq, mayor es la capacidad de aspiración de la bomba.
El valor de NPSHdisp depende de las características de la instalación y equivale a la reserva total de presión por encima de la tensión de vapor del fluido y que se encuentra disponible en la zona de la brida de aspiración de la bomba. Este valor resume en un solo concepto todas las características de la instalación que influyen en la altura de aspiración de una bomba.
Para que una bomba funcione sin cavitación, debe cumplirse que NPSHdisp ≥ NPSHreq + 0,5 metros de seguridad.
Pérdidas de carga
La pérdida de carga en una tubería o canalización es la pérdida de presión que se produce en un fluido debido a la fricción de las partículas del fluido entre sí y contra las paredes de la tubería que las conduce. Existen dos tipos de pérdidas de carga:
Son las que ocurren por los rozamientos del fluido con las tuberías y dependen de parámetros como longitud y rugosidad de la tubería, y la velocidad, viscosidad o densidad del fluido.
Son las causadas por el cambio de movimiento que experimenta el fluido cuando cambia de dirección, como en válvulas, codos, cambios de dirección, juntas, derivaciones, etc.
Metodología
Se comienza con la elaboración del DTI (Diagrama de Trayectoria de Información) del mecanismo que fue seleccionado por el equipo con las características propuestas. Ahora, se utilizan los criterios de selección de materiales y bombas para elegir qué materiales son los adecuados para el prototipo.
Comenzamos con la elaboración de la estructura del prototipo, tratando de acomodar los accesorios y las tuberías. Se ensambla la primera parte de la estructura, con los accesorios y tuberías, con ayuda de codos T, para las salidas del agua. De igual forma, se ensambla la segunda parte de las tuberías, con ayuda de codos de 90°, al igual que, en la recirculación que inicia ensamblando la tubería y los conectores para que se coloquen al recipiente con agua.
Teniendo la estructura de las tuberías, se inicia la elaboración de la parte de bombeo, es decir, el cómo se llevará, en este caso el agua por las tuberías, colocando en la parte de la tapa del recipiente la tubería, la cual, dará inicio a la transportación del fluido.
Para el recipiente del fluido se realiza un orificio en la parte inferior que permitirá recibir el fluido que recirculará.
Para poder transportar el prototipo se realiza una base de madera. Por cuestión de estética y movilidad se agregan accesorios que permitan esta característica.
Ahora, ya que se tiene la estructura, la base y la bomba ya montada en la tapa del recipiente que contiene el fluido, se unirá la primera parte, es decir, este recipiente junto con la base. Finalmente se ensamblan las partes de la tapa en donde contiene la bomba, y la estructura de las tuberías de PVC, obteniendo este resultado.
Diagrama DTI
Criterios de selección de material utilizado
Para la selección adecuada del tipo de material para el diseño de una tubería tenemos que tener en cuenta diversos factores tales como las características físicas y químicas del fluido a transportar, así como también las condiciones del sistema, es decir, la temperatura a la cual será transportado el fluido, al igual es necesario conocer los distintos de tipos de materiales que se utilizan para el diseño de tuberías, así como las especificaciones de cada material, es por ello que para seleccionar el material adecuado tenemos que tomar en cuenta los puntos mencionados anteriormente y así nuestro sistema tenga el rendimiento esperado.
El fluido a transportar en nuestro sistema es agua potable, por lo que sabemos que tiene propiedades químicas que no necesitan de un cierto material en especifico ya que mucho de los que se encuentran en el mercado se adecuan porque el agua no es una sustancia acida, ni básica, sino neutra. Siendo así que el policloruro de vinilo clorado (CPVC), es la opción más viable pues es un termoplástico que cuenta con características como: costo relativamente bajo, alta temperatura de distorsión de calor, y excelentes propiedades mecánicas, dieléctricas, para el fuego y humo.
Conceptualmente, el CPVC es un homopolímero de PVC que ha sido sometido a una reacción de cloración. Comúnmente, el cloro y el PVC reaccionan de acuerdo con un mecanismo básico de radicales libres, que puede lograrse mediante diversos enfoques que utilizan energía térmica y / o UV (ultra violeta). El CPVC es inherentemente inerte a los ácidos, bases, sales e hidrocarburos alifáticos, todos los cuales tienden a consumir los metales. Es esta resistencia química inherente, junto con su temperatura y resistencia a la presión, lo que permite su uso en una variedad de aplicaciones industriales y comerciales.
Además, las tuberías de CPVC tienen una mayor capacidad de soporte de presión que otras tuberías plásticas como el tubo verde de polipropileno (también conocido como PPR). Adicionalmente, el CPVC no se oxida ni se corroe con los años, ni tampoco se ve afectado por el cloro y el dióxido de cloro presentes en los suministros de agua potable. Todo ello ayuda a mantener las clasificaciones de presión, las velocidades de flujo y la pureza del fluido, y para evitar reparaciones costosas.
El índice límite del oxígeno (LOI por sus siglas en inglés) es el porcentaje de oxígeno necesario en la atmósfera para admitir la combustión. Cuanto mayor sea el valor, mayor será la resistencia a la quema. La tubería de CPVC tiene un LOI de 60 y no admite la combustión. En cambio, el PPR tiene un LOI de 18 que lo convierte en un material combustible y que puede aumentar el daño por incendios cuando caen gotas de flama de la tubería. El coeficiente de transferencia de calor es aproximadamente 1/300 del coeficiente del acero, y el material no se quema y no requiere llama para instalarlo.
La tubería de CPVC es liviana: una instalación completa pesa la octava parte de un sistema de tuberías de acero. Esto representa tiempos de mano de obra reducidos. Tampoco se requiere el uso de sopletes ni de electricidad como con otros sistemas. Esto automáticamente reduce los riesgos en la obra (y los costos). En cuanto al mantenimiento, si se instala correctamente éste es mínimo o casi nulo. Además, dado que es altamente resistente a la corrosión, el exterior de la tubería CPVC no se ve alterado por duras condiciones climáticas o de suelo.
o una válvula de aire, tiene ventajas como: resistente a la corrosión, conducción de agua fría y caliente hasta 82 °, fácil y rápida instalación, no requiere de herramientas.
Las bridas son una parte fundamental de muchos sistemas de tuberías y poseen diversas aplicaciones. Se utilizan para unir diferentes partes del sistema y de esta forma cerrar una cámara o cilindro de forma segura, debido a que la sustancia que se encuentra en el interior es diferente a la exterior. Las piezas que unen pueden ser tubos, válvulas, bombas u otros elementos, es un conector hecho a base de polivinilo negro. Se utiliza para la instalación hidráulica del tinaco de tu hogar, oficina o cualquier lugar que tenga uno. El conector ofrece un uso para instalaciones en tuberías y conexiones hidráulicas en exteriores. Está disponible en presentación con 2 piezas una es para embonar y la otra es la que permite ser embonada, las dos tienen acabado en rosca que otorga un buen ajuste y evita que se barra al cierre; al unirse ofrecen un adecuado paso de agua, de esa manera se podrán limpiar o reemplazar las piezas cuando sea necesario.
Especificaciones de la bomba utilizada en el
prototipo
Las bombas periféricas son también conocidas como bombas tipo turbina, de vértice y regenerativas; en este tipo de bomba de agua se producen remolinos en el líquido por medio de los álabes a velocidades muy altas, dentro del canal anular donde gira el impulsor. Son capaces de entregar gran presión de descarga con motores de baja potencia. Adecuadas para uso doméstico, aumento de presión de la red de agua potable, típicamente automatizada con un kit hidroneumático o controlador eléctrico. La bomba agua periférica se utiliza para el bombeo en el tratamiento de agua potable en cuatro tipos de industrias: alimentaria, farmacéutica, química y cosmética.
La bomba periférica ½ HP Pretul es una buena elección para el diseño del prototipo a elaborar ya que puede generar mayor presión y sube el agua a una mayor altura. Además, que puede ser utilizada en sistemas hidroneumáticos para incrementar la presión.
Imagen 1. Partes de la bomba periférica 1/2 HP, Pretul
Tabla 1. Información técnica de la bomba
| Característica | Valor | | --- | --- | | Potencia | ½ HP | | Altura máxima | 20 m | | Flujo máximo | 30 L/min | | Profundidad máxima de succión | 8 m | | Diámetro de entrada/salida | 1'' | | Velocidad | 3,450 rpm | | Material del embobinado de motor | Aluminio | | Ciclo de trabajo | 20 minutos de trabajo por 15 minutos de descanso. Máximo diario 6 horas. | | Tensión/Frecuencia |
127 V/ 60Hz | | Consumo | 3 A | | Dimensiones (Base x Altura x Fondo) | 12 x 15 x 24 cm | | Peso | 3.4 kg | | Empaque individual | Caja |
Imagen 2. Ejemplo de funcionamiento de la bomba
Ideal para llenado de tinacos a grandes elevaciones. Para usarse en sistemas de riego por mini aspersión o pulverización aérea. Útil para riegos de huertas , para bombear líquidos no agresivos y para incrementar la insuficiente presión de la red de acueductos. Genera mayor presión y sube el agua a una mayor altura. Motor eléctrico monofásico, con bobinas de aluminio. Impulsor de aluminio. Protector térmico para protección del motor. Capacitor de trabajo continuo. Motor cerrado con ventilación externa. Cubierta de aluminio para mayor resistencia a la corrosión.
La presente norma oficial mexicana establece las características y especificaciones de seguridad que deben cumplir los productos eléctricos, que se importen o comercialicen, en el territorio de los Estados Unidos Mexicanos, con el propósito de prevenir peligro a los consumidores y para la conservación de sus bienes, en términos de ausencia de riesgo de daño inaceptable, en función de las propiedades de uso de los productos, previendo el mal uso razonablemente previsible, cuando su instalación, conservación y uso, correspondan a la finalidad a que estén destinados, conforme a los principios siguientes:
i. Protección contra los peligros provenientes del propio producto eléctrico ii. Protección contra los peligros causados por efecto de influencias exteriores sobre el producto eléctrico iii. Funcionamiento seguro iv. Información de uso y conservación de los productos eléctricos, marcado y etiquetado.
Instalar las bombas en lugares cubiertos En ambientes cuya temperatura no sobrepase los 40 °C Llenar por completo la bomba con agua limpia antes de encender por primera vez Colocar las bombas en posición horizontal en lugares planos y sujetarnos con tornillo
Cálculos
En la figura 1, se muestra el diagrama del sistema donde el proceso se divide en tres líneas principales, donde se calcula la potencia necesaria de la bomba para cada línea.
Cálculo del flujo volumétrico
Para la primera corrida, se determinó un flujo de 4300 ml en 10 segundos. Para convertir a flujo volumétrico, se ajustan las unidades:
4300 ml 10 seg = 430 ml/seg (1 L 1000 ml )(3600 seg 1 h ) = 1548 L/h
Características de la tubería
El sistema está realizado con tubería de PVC de la marca Cresco, cédula 40, de 3/4 de pulgada. Las especificaciones de la tubería se muestran en la tabla 3:
Tabla 3: Características de la tubería
| Propiedad | Valor | | --- | --- | | Diámetro nominal | 0.75 pulg | | Diámetro interior | 21 mm | | Diámetro exterior | 26.8 mm | | Espesor mínimo | 2.9 mm | | Rugosidad (ε) | 3 * 10^-7 m |
Además, consultando la tabla 8.2 de Valores de diseño de la rugosidad de tubos (Mott, 2015), se obtiene el valor de rugosidad para la tubería de PVC.
Cálculos para la Corrida 1
Caudal (Q): Q = 1548 L/h (1 h 3600 seg)( 1 m^3 1000 L) = 0.00043 m^3/ seg
Diámetro (D): D = 21 mm (1 m 1000 mm) = 0.021 m
A = πD^2/4 = π(0.021 m)^2/4 = 0.000346361 m^
V̅ = Q/A = 0.00043 m^3/seg / 0.000346361 m^2 = 1.241480735 m/seg
Re = V̅Dρ/μ = (1.241480735 m/seg)(0.021 m)(998.38 Kg/m^3) / (0. N*s/m^2) = 25221.
Según la tabla 4, el flujo es turbulento.
Tabla 4: Régimen de flujo
| Re | Régimen | | --- | --- | | < 2000 | Flujo laminar | | 2000 < Re < 4000 | Transitorio | | Re > 4000 | Flujo turbulento |
f = 0.25 / [log10(ε/3.7D + 5.74/Re^0.9)]^2 f = 0.25 / [log10(3 * 10^-7 m / 3.7(0.021 m) + 5.74/(25221.76)^0.9)]^2 = 0.
hf = f(L/D)(V̅^2/2g) = 0.024413755(1.7 m/0.021 m)((1.241480735 m/ seg)^2/2(9.81 m/s^2)) = 0.155254849 m
Las pérdidas secundarias se calculan utilizando los coeficientes de resistencia (K) de los accesorios, obtenidos de la tabla 2.6 del libro Fundamentos de Mecánica de Fluidos (Munson, 1990). Estos se resumen en la tabla 6:
Tabla 6: Coeficiente de pérdida (K) para accesorios de tubería
| Accesorio | Cantidad | K | | --- | --- | --- | | Te (extremos lisos) | 2 | 0.2 | | Codo 90° (extremos lisos) | 1 | 0.2 | | Brida | 0 | 0.08 | | Válvula bola | 1 | 0.05 | | Unión con extremos roscados | 1 | 0.08 |
La ecuación utilizada para calcular las pérdidas secundarias es: hi = Ki(V̅^2/2g)
Sumando todas las pérdidas secundarias, se obtiene: hl = 0.057346092 m
Las pérdidas totales son la suma de las pérdidas primarias y secundarias: hL = hf + hl = 0.155254849 m + 0.057346092 m = 0.212600941 m
La diferencia de presión se calcula con la ecuación: hLρg = ΔP ΔP = hLρg = (0.212600941 m)(998.38 Kg/m^3)(9.81 m/s^2) = 2082.236534 Pa = 2. kPa
Δh = ΔP/ρg + hL = 2082.236534 Pa / (998.38 Kg/m^3)(9.81 m/s^2) + 0.212600941 m = 0.425201882 m
El NPSH disponible se calcula con la siguiente ecuación: NPSHd = (Pabs - Pvapor)/ρg - hL - hvp - Z1 + Z2 - V^2/2g
Donde: Pabs = Patm + Pm Pm = ρgZ2 hvp = Pvapor/ρg
Pérdidas de carga en sistemas de tuberías
Las tuberías introducen pérdidas de carga debido a la fricción del fluido con las paredes de la tubería. Estas pérdidas de carga dependen de la longitud y el diámetro de la tubería, así como de la velocidad del fluido. A medida que aumenta la longitud de la tubería, también aumentan las pérdidas de carga y, por lo tanto, se requiere una mayor energía para mover el fluido a través del sistema.
Además, las tuberías también pueden sufrir deformaciones o fugas, lo que puede afectar el rendimiento del sistema.
Bombas en sistemas de tuberías
La bomba es un componente esencial en los sistemas de tuberías, ya que se encarga de proporcionar la energía necesaria para mover el fluido a través del sistema.
La elección de la bomba adecuada dependerá de las características del fluido, el caudal requerido y la presión necesaria para el sistema. Es importante evitar problemas futuros, especialmente el fenómeno de cavitación, para lo cual se debe considerar la altura de aspiración neta positiva disponible (NPSH disponible) de la bomba.
En el ejemplo presentado, se obtuvo un NPSH disponible de 10.999 m, mientras que el NPSH requerido de la bomba es de 8 m. Por lo tanto, se concluye que no se presentará cavitación en esta parte del sistema.
Además de las pérdidas de carga por fricción en la tubería, los accesorios también introducen pérdidas de carga. En el ejemplo, se analizan las pérdidas de carga para diferentes configuraciones de accesorios, como tes, codos, válvulas de bola y uniones roscadas. Las pérdidas totales varían entre 0.308527162 m y 0.745389016 m, dependiendo de la cantidad y tipo de accesorios.
Al igual que en el caso anterior, se evaluó el NPSH disponible para las diferentes configuraciones, obteniendo valores entre 10.5635095 m y 10.8927239 m. En todos los casos, el NPSH disponible es mayor que el NPSH requerido, lo que indica que no se presentará cavitación.
Se observa que a medida que aumenta la longitud del sistema, se incrementa el número de accesorios y, por lo tanto, las pérdidas de carga totales. La corrida 3, con una longitud de 6.1 m, presenta las mayores pérdidas de carga, mientras que la corrida 2, con una longitud de 2.1 m, tiene las menores pérdidas.
En resumen, en un sistema de tuberías que incluye diversos tipos de accesorios y una bomba, es esencial tener en cuenta las pérdidas de carga introducidas por cada componente para poder diseñar un sistema óptimo que proporcione la energía necesaria para mover el fluido a través del sistema. El conocimiento de las propiedades del fluido, las características de los accesorios y la bomba, así como la selección adecuada de los componentes, son fundamentales para garantizar el buen funcionamiento del sistema.
Durante la realización del proyecto, se aplicaron y retroalimentaron conocimientos de diversas áreas, lo que permitió reconocer y solucionar las distintas variables y situaciones presentes en el diseño y elaboración del sistema de transporte de fluidos. La adecuada interpretación, estructuración y gestión de estos conocimientos fueron fundamentales para cumplir satisfactoriamente el objetivo del proyecto.
La aplicación de accesorios en el sistema implica realizar los cálculos necesarios para reconocer su función y el trabajo que pueden realizar. Asimismo, la selección adecuada de los accesorios y la bomba que impulsará el fluido en el sistema pueden determinar el trabajo y la eficiencia del sistema, así como su correcto funcionamiento.
Se incluyen diversas referencias bibliográficas y sitios web relacionados con los temas abordados, como propiedades del CPVC, válvulas de bola, cálculo de NPSH, pérdidas de carga en tuberías, selección de bombas, entre otros.