OPTIMIZACIÓN DE UN SISTEMA DE POTABILIZACION POR VACÍO ...
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OPTIMIZACIÓN DE UN SISTEMA DE POTABILIZACION POR VACÍO IVÁN MAURICIO GÓMEZ HOYOS Tesis presentada a La Universidad de los Andes para optar al título de Ingeniería Mecánica Director RAFAEL BELTRÁN Ingeniero Mecánico UNIVERSIDAD DE LOS ANDES DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA ÁREA DE TERMODINÁMICA BOGOTA D.C 2003
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OPTIMIZACIÓN DE UN SISTEMA DE POTABILIZACION POR VACÍO
IVÁN MAURICIO GÓMEZ HOYOS
Tesis presentada a
La Universidad de los Andes para optar al título de
Ingeniería Mecánica
Director
RAFAEL BELTRÁN
Ingeniero Mecánico
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
ÁREA DE TERMODINÁMICA
BOGOTA D.C
2003
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OPTIMIZACIÓN DE UN SISTEMA DE POTABILIZACION POR VACÍO
IVÁN MAURICIO GÓMEZ HOYOS
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
ÁREA DE TERMODINÁMICA
BOGOTA D.C
2003
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Especiales agradecimientos a toda mi familia,
mis padres y mis hermanas, por su siempre
incondicional apoyo. A mis compañeros de
estudio y a mis profesores.
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TABLA DE CONTENIDO
TABLA DE CONTENIDO........................................................................................................iv
LISTA DE FIGURAS ..............................................................................................................vii
LISTA DE TABLAS...............................................................................................................viii
LISTA DE SÍMBOLOS ............................................................................................................ix
INTRODUCCIÓN .................................................................................................................... 1
1 DESCRIPCIÓN DE SISTEMAS DE VACÍO ...................................................................... 2
1.1 PARÁMETROS Y CLASIFICACIONES DE LAS BOMBAS DE VACÍO.................... 2
1.2 CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS DE VACÍO 1 ................................................... 4
1.2.1 Anillo líquido:..................................................................................................... 4
1.2.2 Paleta rotatoria:................................................................................................... 5
1.2.3 Pistón rotatorio:................................................................................................... 5
1.2.4 Bombas de vacío secas: ....................................................................................... 6
1.2.5 Aumentadores de presión del vacío:...................................................................... 6
1.3 SISTEMA DE VACÍO DEL POTABILIZADOR DE AGUA........................................ 7
1.3.1 Sistema implementado inicialmente:..................................................................... 7
1.3.2 Sistema alterno con bomba de vacío: .................................................................... 8
2 EVALUACIÓN DE LA BOMBA DE ANILLO LÍQUIDO .................................................. 9
2.1 GENERALIDADES................................................................................................... 9
2.2 FUNCIONAMIENTO...............................................................................................10
2.3 CONSIDERACIONES DEL DISEÑO........................................................................11
2.3.1 Ventaja de usar una bomba de anillo líquido:........................................................12
2.3.2 Desventaja de usar una bomba de anillo líquido:...................................................13
2.4 DISEÑO DE LA BOMBA DE ANILLO LIQUIDO PARA ESTA APLICACIÓN........13
2.4.1 Ecuaciones de diseño :.......................................................................................13
2.4.2 Valores obtenidos:..............................................................................................15
2.4.3 Materiales de construcción de bombas: ................................................................16
2.5 VALORES COMERCIALES.....................................................................................18
2.6 ANÁLISIS DE UN SISTEMA ALTERNO DE VACIO BOMBAS DE PISTÓN:..........21
3 IMPLANTACIÓN DEL EYECTOR..................................................................................22
3.1 FUNCIONAMIENTO DEL EYECTOR. ....................................................................23
3.2 SELECCIÓN DEL EYECTOR ..................................................................................25
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3.3 CARACTERÍSTICAS DEL EYECTOR ESCOGIDO..................................................26
3.3.1 Especificaciones generales:.................................................................................26
3.3.2 Materiales y conexiones:.....................................................................................26
3.3.3 Gráficas del eyector:...........................................................................................27
3.4 PLANOS Y DIMENSIONES.....................................................................................28
3.5 INSTALACIÓN DEL EYECTOR..............................................................................29
3.6 PRUEBAS REALIZADAS........................................................................................30
3.6.1 Prueba 1:............................................................................................................30
3.6.2 Prueba 2:...........................................................................................................32
3.6.3 Prueba 3:............................................................................................................33
3.6.4 Cuadro comparativo de los tres eyectores:............................................................34
3.7 RESULTADOS GENERALES ..................................................................................35
4 SELECCIÓN DE BOMBA................................................................................................36
4.1 SELECCIÓN DE BOMBAS......................................................................................36
4.2 BOMBA INSTALADA ACTUALMENTE.................................................................37
4.3 REQUERIMIENTOS DE LA BOMBA......................................................................38
4.4 ALTERNATIVAS ....................................................................................................39
4.4.1 Bombas tipo jet:.................................................................................................39
4.4.2 Bombas de Pistón:..............................................................................................41
4.5 CONCLUSIONES ....................................................................................................43
5 TUBERIA........................................................................................................................45
5.1 ESPECIFICACIONES GENERALES ........................................................................45
5.2 DIAGRAMA DE INSTALACION.............................................................................46
5.3 ESPECIFICACION DETALLADA DE CADA ELEMENTO......................................48
5.3.1 Mangueras:........................................................................................................48
5.3.2 Tubería PVC:.....................................................................................................49
5.3.3 Filtros:...............................................................................................................49
5.3.4 Racores:.............................................................................................................50
5.3.5 Abrazaderas:......................................................................................................50
6 ANALISIS DE PARTICULAS..........................................................................................51
6.1 TURBIEDAD ...........................................................................................................51
6.2 COLOR....................................................................................................................52
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6.2.1 método comparativo ...........................................................................................52
6.2.2 Espectrofotómetro:.............................................................................................53
6.3 TEMPERATURA .....................................................................................................53
6.4 PH Y ALCALINIDAD..............................................................................................53
6.5 RESULTADOS.........................................................................................................54
7 CUADRO COMPARATIVO DE CONSUMO DE ENERGIA.............................................55
8 CONCLUSIONES............................................................................................................56
ANEXOS...............................................................................................................................58
REFERENCIA BIBLIOGRAFICA ...........................................................................................75
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LISTA DE FIGURAS
Titulo Página
Figura 1.1 Rasgos de presión para bomba de vacío. 12
Figura 1.2 Equipos y niveles de vacíos des por diferentes equipos. 13
Figura 1.3 Esquema de la planta con sistema de vacío (Bomba-Eyector) 16
Figura 1.4 Esquema del potabilizador con la bomba de vacío. 17
Figura 2.1 Rodete concéntrico. 19
Figura 2.2 Rodete excéntrico. 20
Figura 2.3 Graficas de funcionamiento bomba comercial (DVT) . 28
Figura 2.4 Tablas de operación de la bomba comercial ( TRH). 29
Figura 3.1 Partes del eyector. 31
Figura 3.2 Curvas óptimas para diseño de eyectores. 33
Figura 3.3 Curvas de saturación eyector SMC . 36
Figura 3.4 Corte interno eyector SMC ZH0.7-DS. 37
Figura 4.1 Curva de rendimiento bomba Barnes C2S. 46
Figura 5.1 Diagrama tubería flexible instalada. 55
Figura 5.2 Tubería en PVC , acoples en T y tubos. 57
Figura 5.3 Tubería en PVC , acoples en T y tubos. 58
Figura 5.4 Filtro instalado . 58
Figura 5.5 Racores espina de pescado. 59
Figura 5.6 Abrazaderas para manguera. 59
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viii
LISTA DE TABLAS
Titulo Página
Tabla 1.1 Condiciones de operación de la bomba de vacío. 17
Tabla 2.1 Materiales de fabricación de la bomba. 27
Tabla 3.1
Tabla 3.2
Relaciones de operación del eyector SMC.
Especificaciones técnicas de eyector SMC.
33
35
Tabla 3.3 Materiales del eyector SMC. 35
Tabla 3.4 Medidas del eyector SMC. 37
Tabla 3.5 Datos eyector SMC-ZH0.7-DS ( aire). 40
Tabla 3.6 Datos eyector Barnes ( aire). 40
Tabla 3.7 Datos eyector bronce ( aire). 41
Tabla 3.8 Datos eyector funcionando con agua. 42
Tabla 3.9 Datos eyector bronce y SMC en serie. 42
Tabla 3.10 Datos eyectores funcionando con agua y bomba Peerless. 42
Tabla 3.11 Cuadro comparativo de los eyectores de prueba. 43
Tabla 4.1 Condiciones de operación de la bomba. 45
Tabla 4.2
Tabla 4.3
Caudales requeridos para diferentes potencia.
Cuadro comparativos de bombas centrifugas.
47
49
Tabla 4.4 Cuadro comparativos de bombas de pistón. 51
Tabla 4.5 Cuadro comparativos de bombas de engranaje. 51
Tabla 4.6 Cuadro comparativos de bombas seleccionadas. 53
Tabla 5.1 Ducto y elementos. 56
Tabla 6.1
Tabla 6.2
Tabla 7.1
Unidades de turbiedad.
Tabla de resultados de turbiedad.
Rangos de operación de diferentes bombas
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LISTA DE SÍMBOLOS
ACFM Actual Acurrance fluid per minute.
Pl
Ps
Pt.
R
Vl
RPM
lb
Poa
Presión parcial del aire seco.
La tensión del vapor de agua a la temperatura del fluido Tw.
Presión total del aire en la boca de aspiración.
Constante universal.
Gasto de aire seco (m3/s).
Revoluciones por minuto.
Libra.
Presión del fluido motriz del eyector.
SÍMBOLO VARIABLE
Pob Presión de succión del eyector.
Po Presión de descarga del eyector.
Toa Temperatura de succión.
To Temperaturas de descarga.
wb
wa
Pesos moleculares de los fluidos motriz.
Pesos moleculares de los fluidos en succión.
v Diámetro del venturi.
Hp Potencia en caballos de fuerza
LPM Litros por minuto
GPM Galones por minuto
Torr Torricelli
E Cabeza dinámica de la bomba.
Q Caudal de la bomba.
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INTRODUCCIÓN
Por medio de este documento ilustraremos los análisis de las diferentes alternativas para
optimizar una planta experimental de potabilizacion de agua por vacío.
Es nuestro propósito optimizar el desempeño de la planta en general, para esto trabajamos en
dos aspectos, uno es la disminución del consumo de energía de la bomba centrífuga que
opera actualmente, que es de 1 caballo de fuerza y disminuirla a 1/20 caballos, y el otro
aspecto es el diseño general de la planta, haciéndola más versátil.
Para estos propósitos se han propuesto una serie de soluciones alternas que nos ayudarán a
cumplir nuestros propósitos. Dentro de estas alternativas esta la de reemplazar el sistema de
vació exististe, que consta de un compresor y un eyector, por una bomba de vacío de anillo
líquido que este conectado directamente al tanque.
Otra alternativa es disminuir las dimensiones del eyector, de tal forma que se acople a una
bomba de menor caballaje ( 1/20 Hp), para esto se evaluará que tipo de bomba es la mas
adecuada tal que cumpla las especificaciones de operación deseada, como vacío requerido,
caudal requerido y bajo consumo de energía .
En el trabajo estudiaremos las diferentes opciones, para así escoger la que más convenga.
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1 DESCRIPCIÓN DE SISTEMAS DE VACÍO
La definición del vacío se utiliza para describir cualquier presión debajo de una atmósfera
estándar ( 14.7 psi). La unidad internacionalmente aceptada de la medida del vacío es el
Torricelli (Torr) . Un torr es equivalente a 1 milímetro del absoluto del mercurio; Una (1)
atmósfera estándar apoyará una columna del mercurio 760 milímetros de alto contra vacío
(perfecto) absoluto.
1.1 PARÁMETROS Y CLASIFICACIONES DE LAS BOMBAS DE VACÍO
La selección de la bomba de vacío que va a emplear para un cierto proceso está definida por
sus parámetros específicos, los cuales determinan sus propiedades. Los parámetros más
importantes de los sistemas de vacío son: la presión más baja que puede lograr, el intervalo
de presión, la velocidad de bombeo y la presión de descarga .
Por otra parte, la clasificación de las bombas de vacío se presenta en la figura 1.1 de acuerdo
con su intervalo de presión.
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Figura 1.1 Rasgos de presión para bomba de vacío (www.usvacuumpumps.com).
En la figura 1.1 se muestra la gama operacional que se puede obtener para de diferentes tipos
de bombas. Muchas bombas pueden realizarse más allá de sus valores respectivos, pero se
debe evaluar el rendimiento de procesamiento (eficacia), el coste e incluso el sentido práctico
exige otros sistemas complementarios de vacío.
El funcionamiento de una bomba de vacío en general, está caracterizado por la velocidad de
bombeo, y la cantidad de gas evacuado por unidad de tiempo. Toda bomba de vacío tiene una
presión mínima de entrada, que es la presión más baja que puede obtenerse, y también, un
límite superior a la salida o presión previa. Si la presión previa aumenta por encima de este
valor, el bombeo cesa.
A continuación se muestran diferentes equipos para hacer vacío, con su respectivo rango de
presiones.
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Figura 1.2 Equipos y niveles de vacíos alcanzados por diferentes equipos ( Perry, cap 10).
1.2 CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS DE VACÍO 1
Las bombas de vacío se utilizan en una variedad de plantas de proceso para bombear el aire,
vapor de agua, los solventes orgánicos e inorgánicos y los ácidos. Hay muchos diversos tipos
de bombas de vacío en el mercado hoy que resuelvan necesidades especiales en el bombeo de
los varios gases.
1.2.1 Anillo líquido:
Las bombas de vacío de anillo líquido se utilizan generalmente para condiciones de carga
pesadas del vapor. Un sellante líquido se utiliza con el vacío operacional limitado cerca a los
30 torr ( 4000 Pa) . Se puede aumentar el vacío con el uso de aceite, de glicol u otro líquido
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siempre que este por bajo de la presión del vapor. Este tipo de bomba es deseable porque
puede ser sellado con un líquido compatible con el proceso gas / vapor, que dañaría otro tipo
de bomba (por ejemplos bombas que usan como sellos lubricantes) y es relativamente barato.
La confiabilidad es alta debido su simplicidad.
1.2.2 Paleta rotatoria:
Las bombas de vacío rotatorias de paleta son bombas selladas con aceite usadas para
bombear gases secos y no-reactivos. Puesto que se utiliza aceite como sellante y lubricante;
la limitación práctica del vacío es alrededor 5 torr ( 670 Pa). Estas bombas son generalmente
refrigeradas por aire, son de relativa bajas revoluciones, a 1750 RPM. La confiabilidad es
media con los cambios regulares del aceite y los cambios periódicos de la paleta y el filtro,
requeridos para mantener máximo el rendimiento de la bomba.
1.2.3 Pistón rotatorio:
Las bombas de vacío de pistón rotatorio son bombas resistentes del grado industrial hechas
para producir un vacío en la gama de 50-1 torr ( 7000Pa-140 Pa). Se utilizan estas bombas
cuando los contaminantes son altos y deben ser dirigidos por la bomba. La confiabilidad es
alta teniendo en cuenta las condiciones de operación críticas a las que son sometidas estas
bombas. El funcionamiento de estas bombas se caracteriza por producir altos vacíos
mientras que también el poder manejar cantidades grandes de contaminantes.
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1.2.4 Bombas de vacío secas:
Las bombas de vacío secas son las máquinas que la comprime gas sin la ayuda de un líquido
del lacre tal como aceite o agua. Se utilizan en los usos extremadamente corrosivos, o donde
están presentes las preocupaciones ambientales. La gama del vacío es de atmósfera 20 torr .
1.2.5 Aumentadores de presión del vacío:
Los aumentadores de presión lobulados rotatorios del vacío de las " raíces " son utilizados
para ampliar el nivel del vacío y/o la capacidad de bombeo de la bomba de vacío por un
factor de 2-10. Los aumentadores de presión son gas " aceleradores " que aumentan el caudal
del gas que es alimentado a la bomba de vacío por lo tanto que aumenta la capacidad del
equipo existente del vacío.
------------
1 Resumen tomado de: U.S vacum.com . Recuperado 20/2/03 de:<http://www.usvacuumpumps.com/espanol/tipos_de_bombas.html>
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1.3 SISTEMA DE VACÍO DEL POTABILIZADOR DE AGUA
A continuación describiremos el sistema que esta implantado actualmente.
1.3.1 Sistema implementado inicialmente:
Figura 1.3 Esquema de la planta con el sistema de vacío ( Bomba-Eyector)
En el equipo construido para realizar vacío consta de bomba de calor, de un compresor R
operado con refrigerante R-22, un eyector E , el cual es accionado por medio de una bomba
centrífuga B de ½ H.P, y cuyo fin es realizar vacío. Mediante la operación del eyector y del
intercambiador de calor C, se logran presiones del orden de 2.5 pulgadas de mercurio
absolutas dentro del depósito de agua cruda con lo cual la ebullición de esta se realiza
a 46 °C.
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1.3.2 Sistema alterno con bomba de vacío:
Con el fin de mejorar el diseño en consumo de energía y su versatilidad, se puede
implementar una bomba de vacío que este conectado entre el tanque de depósito A, donde
llega el agua cruda y el depósito auxiliar D. Implementando en el sistema una bomba de
vacío, piezas como el eyector serian reemplazados y se reducirían las dimensiones de los
tubos.
Figura 1.4 Esquema del potabilizador con la bomba de vacío.
A continuación se muestran los valores requeridos para el potabilizador de agua por vacío,
estos valores fueron ya fueron medidos con anterioridad.
Tabla 1.1 Condiciones de operación de la bomba de vacío.VALORES
Presión de succión. Ps =2 inHg = 6.7 Kpa = 50.8 Torr
Presión de descarga Po = 74.5 Kpa = 558.8 torr
Intervalo de presión [0.2 inhg - 0.4 inhg ]
Nota: presiones relativas.
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2 EVALUACIÓN DE LA BOMBA DE ANILLO LÍQUIDO
A continuación se darán algunas explicaciones de las bombas de vacío de anillo líquido, su
funcionamiento y el modelo matemático para un diseño.
2.1 GENERALIDADES
En este tipo de bombas la circulación del aire se produce en estrecho contacto con el agua,
por esto, el aire se encuentra saturado de vapor de agua y su presión parcial Pl esta
disminuida respecto a la presión total Pt, en la tensión Ps del vapor de agua, por lo tanto:
Pl = Pt – Ps
La tensión Ps debido a su completa saturación ( Humedad relativa = 1) es igual a la tensión
del vapor correspondiente a la temperatura del agua, y se puede conocer por tablas de vapor.
El gasto de aire Gl ( Kg/s) se puede conocer por ecuación de estado:
Gl = Pl*Vl / R*Tw = (Pt - Ps) Vl / R Tw:
Donde : Pl = Presión parcial del aire seco.
Ps = La tensión del vapor de agua a la temperatura del fluido Tw.
Pt= Presión total del aire en la boca de aspiración.
R = Constante universal.
Vl = gasto de aire seco (m3/s).
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Cuando Pt = Ps, es decir que el agua esta tan caliente que hierve a la presión de aspiración Pt
, no hay flujo de aire. De esto se deduce que vacíos elevados se consiguen utilizando agua
fría.
2.2 FUNCIONAMIENTO
Si el rodete b, con alabes radiales gira concéntricamente en un cilindro parcialmente lleno de
agua, se forma un anillo de agua concéntrico al eje. Los espacios vacíos entre los alabes son
iguales como muestra la figura.
Figura 2.1 Rodete concéntrico.
Si situamos el centro del rodete excéntricamente, los espacios entre los alabes ya no es el
mismo, en las secciones 1-3 el espacio vacío aumenta gradualmente su capacidad,
produciendo el efecto de aspiración, mientras que la otra mitad las secciones 4-6, la
capacidad disminuye, produciendo el efecto de compresión, o elevación, a través de la
apertura de impulsión.
Rodete b
Anillo de agua
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Figura 2.2 Rodete excéntrico.
2.3 CONSIDERACIONES DEL DISEÑO
• Las superficies laterales del rodete deben ajustar bien contra las paredes laterales
planas del cuerpo de la bomba, en las cuales se encuentran las aperturas de aspiración
e impulsión, de lo contrario se producirá perdidas por fugas.
• Diferentes materiales de construcción dependiendo de las propiedades del fluido a
comprimir, en este caso especial se buscaría un material poco corrosivo.
• El cierre periférico queda asegurado por el anillo de agua.
• En la bomba de anillo de agua muy anchas sería difícil llenar rápidamente los
espacios entre los alabes si solo existieran aberturas en un solo lado; por este motivo
es conveniente prever en ambos lados aberturas de aspiración e impulsión.
• Para mejorar el diseño, resulta ventajoso construir el cuerpo (carcaza), no como un
cilindro circular, sino dotado de una o varias expansiones, en forma de ovalo.
Rodete b
Anillo de agua Orificio de aspiración
Orificio de impulsión
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• Los álabes normalmente no se distribuyen radialmente, como se hace en el estudio
teórico, sino curvados hacia delante.
2.3.1 Ventaja de usar una bomba de anillo líquido:
• Es menos susceptible, por lo general, a las impurezas del líquido a elevar que las
bombas de engranaje y rotativas.
• El anillo de agua hace que sea compatible con el aire que se esta extrayendo de la
cámara de vacío.
• Las presiones que alcanzan esta bomba están en el rango de operación del
potabilizador de agua.
• Posibilidad de bombear prácticamente cualquier tipo de vapor o gas.
• Los gases a bombear pueden estar saturados de vapor o gas con líquidos.
• Cámara de compresión libre de lubricante, que para el caso del potabilizador resulta
mas seguro para la salud.
• Trabajo seguro, bajo nivel de ruido, libre de vibraciones, y mínimo mantenimiento.
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2.3.2 Desventaja de usar una bomba de anillo líquido:
• El maquinado debe ser muy bueno con tolerancias mínimas ( acabado tipo espejo )
para evitar pérdidas por fugas, entre el rodete y la carcaza.
• Para mejorar la eficiencia de la bomba se debe diseñar una carcaza, no circular, sino
ovalada, lo que implica un costo mayor.
• Presentan una desventaja respecto a las bombas de pistón, y es que generalmente hay
que llenar con agua la bomba, antes de la puesta en marcha.
2.4 DISEÑO DE LA BOMBA DE ANILLO LIQUIDO PARA ESTA APLICACIÓN
Condiciones estándares:
• La compresión es prácticamente isotérmica.
• Para facilitar los cálculos se toman alabes radiales.
2.4.1 Ecuaciones de diseño :
Velocidad mínima del rodete
Vel_min= Ra * RPM = [ g (3 Hd- 2 Ha] ^ ½ (1)
Volumen de absorción teórico de aire.
( Va ) real = � ( Va ) th (2)
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Igualando la absorción real de aire, que es conocida con la absorción teórica podemos tener
una ecuación en términos de la longitud axial del alabe b y el radio del anillo Ra..
Despejamos el valor de el valor de b*Ra.
(Va)th = [ 1-2� -� ² - (z/ � )* (1- �- � )*(s/ Ra) ] . [(b*Ra* RPM) / 2] (3)
Igualando 2 y 3 y reemplazando el valor de 1 tenemos la siguiente expresión:
b *Ra = [ 2 * ( Va )real] / [ �* [ 1-2� -� ² - (z/ � )* (1- �- � )*(s/ Ra) ]*[Ra*RPM] ]
(4)
Conociendo el valor promedio de b*Ra podemos hallar la longitud del alabe b, determinando
las revoluciones de operación del rodete.
Ra = [(Vel_min) * 30 ] / [RPM * � ]
Sabiendo el valor de Ra despejamos de la ecuación 4 el valor de b.
b = Resultado ecuación 4 / Ra
Con b y Ra podemos hallar la geometría del rodete y del cilindro.
Ri = �* Ra
a = �*Ra
s = cte* Ra
Característica del cilindro :
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Excentricidad e = [1/ 4λ]* [1-�²]
Radio cilindro Rg = 1 + [ (1-�²) / 4λ]
Long superior L1 = Ra (1-�)
Long inferior L2 = ( 1/ 2λ ) * (1-�)
2.4.2 Valores obtenidos:
DISEÑO DE LA BOMBA DE ANILLO DE AGUA.
1. CONDICIONES DE OPERACIÓN
Variable Nombre Valor unidades valores unidades
Presión aspiración Pa 6670 Pa 0,6803415 mH2O
Presión descarga Pd 75000 Pa 7,65001683 mH2O
Caudal ( m3/s ) Vl 0,0006 m3/s 0,0045 L/s
2. Parámetros estimados
Revoluciones operación RPM 1500
Eficiencia de bomba h 0,3
Inclinación del rodete l 1
3. Diseño del rodete
No de alabes z 12
Relación radio anillo / espesor alabe s/Ra 0,06
Inclinación de la super. del agua con relación Ra a 0,03
Espesor de las paredes s
Profundidad de inmersión del alabe en el anillo a
A a/Ra 0,02
Relación Rad interno del rodete/ Rad anillo: Ri / Ra q 0,5
Perdidas del volumen teórico de aire h1 0,7
POTENCIA Teórica 9,6843128 Watt
Potencia real en Hp 0,0432896 Hp
RODETE velocidad Ra*RPM 14,545645 m/s
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Relación de la long axial del rodete b* Radio anillo b*Ra 0,0002024 m2
Radio de anillo zona aspiración Ra 0,0926032 m
Long. del alabe axial b 0,0021857 m
Radio del rodete Ri 0,0463016 m
Profundidad de inmersión del alabe en el anillo a 0,0027781 m
Espesor de las paredes s 0,0055562 m
anchura del anillo = Ra-Ri L1 0,0463016 m
Excentricidad e 0,0173631 m
Radio de la carcaza Rg 0,1099663 m
Tomando la grafica sacamos a que Angulo debe empezar el orificio de presión.
Relación de presiones 11,244378
Angulo de orificio 200 grados
2.4.3 Materiales de construcción de bombas:
El diseño de las bombas se puede dividir en dos partes uno en su comportamiento (Carga,
capacidad y eficiencia) y otro en la vida (Número de horas en funcionamiento), que depende
de los materiales y procesos de fabricación. La vida de la bomba es la medida de la
resistencia de los materiales empleados en la construcción a la corrosión y erosión en la
operación. Variables para tener en cuenta son las características de los líquidos a bombear,
ausencia de partículas abrasivas y capacidad máxima de la bomba.
Para trabajar con vapor de agua se debe considerar los siguientes factores que afectan los
materiales:
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2.4.3.1 Corrosión por erosión: Cuando hay flujo de líquido relativo a la componente misma.
2.4.3.2 Corrosión por fatiga: Cuando la pieza esta sometida a esfuerzos cíclicos.
2.4.3.3 Corrosión intragranular: Corrosión en los límites de granos en el cuerpo del mismo
material.
2.4.3.4 Erosión por cavitación: Desprendimiento de metal como resultado del ataque de las
burbujas de vapor.
2.4.3.5 Desgaste por abrasión: Desprendimiento de material debido a la acción de corte de
sólidos en suspensión que lleva el líquido o vapor bombeado.
Tabla 2.1 Materiales de fabricación de la bomba.
PIEZA ATAQUE PROCESO MATERIALESPOSIBLES
Impulsor /Rodete
Corrosión.Desgaste abrasivo.Cavitación.Fatiga.
Fundición. Bronce.Hierro Fundido.
Carcaza Resistencia mecánica.Resistencia a corrosión.Desgaste abrasivo.
Fundición.Maquinado.
Fundición hierro.Acero Inox. 300
Ejes Fatiga.Corrosión.
Maquinado Acero Inox. 400Acero Inox. 300Metal Monel.
Anillos dedesgaste
Corrosión.Desgaste abrasivo.Antifricción.
Fundición.Maquinados.
Bronce.Acero Inox. 400Acero Inox. 300
En estos materiales hay que tener en cuenta la temperatura de funcionamiento, y otros
aspectos como salinidad del ambiente, del liquido y vapor, tipo de alabes y tamaño de las
piezas.
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2.5 VALORES COMERCIALES
Evaluación de algunas bombas encontradas en el mercado.
Figura 2.3 Graficas de funcionamiento bomba comercial marca DVT.
Al analizar esta cata para una bomba de anillo de agua de la empresa DVT2, notamos que las
presiones de succión máxima es del orden de 6 pulgadas de mercurio 6 in Hg, que dista
demasiado de los 2 pulgadas de mercurio 2 in Hg que requerimos en el sistema de vacío,
además los caudales de succión están entre los 1000 y 1600 ACFM ( 0.47 m3 /s-0.75 m3/s),
que están muy por encima del caudal requerido, esto disminuirá la potencia de la bomba, que
según la carta esta entre 50 Hp y 100 Hp.
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19
Figura 2.4 Tablas de operación de la bomba comercial marca TRH.
La empresa TRH3 presenta bombas que manejan caudales menores como es el caso de la
bomba TRH32-4, con 2 ACFM ( 0.0094 m3/s) y potencias bajas de 0.75 HP, a pesar que
esta bomba puede tener un menor consumo de energía que el empleado actualmente ( Hp ),
debido al que el caudal requerido por nosotros es menor ( 1 ACFM o 0.00045 m3/s), sus
requerimientos de vacío están en 60 torr ( 3 in Hg ), que no satisfacen los 50 torr ( 2 in Hg)
que necesitamos.
------------
2 Tabla tomada de: www.Dekker.com. Recuperado 26/2/03 de:http://www.vacuumpumpsystems.com/dekker_Vmax.htm.
3 Tabla tomada de: GRAHAM. Recuperado 26/2/03 de: http://www.graham-mfg.com/productsvac.html.
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20
2.6 ANÁLISIS DE UN SISTEMA ALTERNO DE VACIO BOMBAS DE PISTÓN:
La bomba de anillo liquido no logra satisfacer nuestros requerimientos de operación, a pesar
de las condiciones favorables que aparentemente tenían frente a las diferentes opciones de
sistema de vacío, como las bombas de paletas rotatorias, o las de pistón.
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21
3 IMPLANTACIÓN DEL EYECTOR
Un eyector es un tipo de bomba de vacío que no tiene partes móviles, como válvulas,
pistones o rotores. Este consiste en una tobera de vapor que descarga un chorro de alta
velocidad a través de una cámara de succión conectada al equipo que debe vaciarse. El vapor
recoge al gas y lo lleva a un difusor en forma de venturi que convierte la energía cinética del
vapor en energía de presión.
Figura 3.1 Partes del eyector.
Las toberas son dispositivos de flujo subsónico que tienen una sección de paso decreciente
que actúa acelerando el flujo , convirtiendo energía de presión en energía cinética; el área
mínima de la tobera se consigue cuando la velocidad del valor correspondiente a un flujo
sónico se logra la mayor velocidad del vapor. Por el contrario, en el flujo supersónico, la
boquilla en un ducto de área creciente.
Un difusor, en flujo subsónico, presenta una sección de paso creciente y convierte la energía
cinética en energía de presión, mientras que un difusor en flujo supersónico presenta una
disminución de sección de paso.
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22
Puede conectarse uno o más eyectores en serie o en paralelo para manejar mayores
cantidades de gas o vapor.
3.1 FUNCIONAMIENTO DEL EYECTOR.
El funcionamiento de cualquier eyector depende de la superficie de paso de la tobera de gas
y de la garganta del vénturi (v), así como la presión del fluido motriz (Poa), de las presiones
de succión (Pob ) y descarga ( Po); Además de la relación de los pesos moleculares de los
fluidos (wa, wb) relación de calores específicos y relación de temperaturas succión y descarga
(Toa, To).
Var = f ( v, Poa, Pob , Po, wa, wb, Toa, Tob, To)
Los ensayos de laboratorio demuestran que para los eyectores con áreas de mezcla constantes
representan aproximadamente el 90 y 100 por ciento del valor calculado, e incluso menores
en el caso de valores muy pequeños de Pob/Poa. Esto compensa en omisión pérdidas por
fricción y demás.
En teoría cada punto de la curva del diagrama de la figura 3.2 esta asociado a un eyector
óptimo de efecto simple para unas condiciones de operación determinadas. Los puntos
adyacentes sobre la misma curva representa eyectores teóricamente diferentes para nuevas
condiciones de operación , estando la diferencia que para una nueva relación de Pob/Poa
existe un área optima para la sección de salida de la tobera de gas .
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23
Figura 3.2 Curvas óptimas para diseño de eyectores ( Perry Rober , Manual del Ingeniero Químico, el 2001,
Volumen II ,Cap10).
Sin embargo un segmento de curva dada para A2/A1( Área flujo motriz / Área venturi )
constante representa el funcionamiento de un eyector simple, el cual se puede usar para
estimación, siempre y en cuando este en los rangos preestablecidos.
Tabla 3.1 Relaciones de operación del eyector SMC.
Presión Motriz Poa [65-75 ] psi Relación área Aoa/ Venturi:
Presión Succión Pob 1.7 psi Tabla (ideal) 15
Presión descarga Po 10.73 psi Real(mm) 3.1752 / 0.72 20
Relación decompresión motrizPob/ Poa
0.024 Relación de eficacia wb/ wa 0.08
Relación decompresión Max. Po/Pob
6
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24
La tabla anterior nos muestra que para lograr el vacío que requerimos, la relación de
compresión máxima es alta (6), estando casi en el límite de la curva de diseño. Además la
relación de áreas de la entrada del fluido motriz y del venturi real con la teórica es acorde,
teniendo en cuenta que estas curvas son para operación ideal, por lo que se debe tener en
cuenta un factor de ajuste. Para lograr el vacío requerido necesitamos una relación de área
entrada/venturi de 20 aproximadamente.
La relación de eficacia wb/ wa , nos muestra que es aproximadamente 0.08 lb aire succionado
por cada lb de agua.
3.2 SELECCIÓN DEL EYECTOR
Escoger el eyector correcto es crucial para la operación del sistema de vacío, conocer las
características de los fluidos, de las presiones de succión que se desea, y la presión de entrada
y salida, determinarán el eyector que más se adecue a las necesidades del proceso. A
continuación se presentan La información requerida para la selección de una adecuada
boquilla y/o vénturi.
- Presión de vapor: La selección debe basarse en la presión mínima en la línea de
suministro escogida para dar servicio a la unidad.
- Presión y temperatura de succión: Presión y temperatura de succión: deberán
considerarse las necesidades del proceso, la selección se rige por la mínima
presión de succión ( el vacío mas alto).
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25
- Capacidad necesaria: De nuevo es necesario considerar las necesidades generales
del proceso, pero la selección normalmente se rige por la capacidad requerida
para la mínima presión de proceso necesaria.
- Presión de suministro disponible en la entrada: Presión que se le puede
suministrar al fluido motriz .
3.3 CARACTERÍSTICAS DEL EYECTOR ESCOGIDO
3.3.1 Especificaciones generales:
A continuación se muestran las características de funcionamientos del eyector dado por los
fabricantes SMC; dentro de las ventajas esta su peso ligero, su caudal de paso y compacto.
Tabla 3.2 Especificaciones técnicas de eyector SMC.FLUIDO Aire comprimido, Filtrado, Regulado y libre de aceite.
PRESIÓN DE OPERACIÓN [ 35 – 85 psi] [2.5-6 bar]CARACTERISTICAS Sin Silenciador.
TEMPERATURA DE OPERARION 5 a 60 °C ( 41 a 140 °F) 5 – 40 °CFLUJO DE SUCCIÓN A 65 psi 0.42 SCFM (12 Nl/min) 0.6 ACFM
NIVEL VACÍO -660 mm Hg (-12.5 psi ) 4 in HgVENTURI 0.7 mm 0.7 mm
Código Conexión Referencia Orificio venturi AccesorioZ2910 1/8 ZH7HS-01-01-01 0.7 mm Sin silenciador
3.3.2 Materiales y conexiones:
Su cuerpo hecho casi todo por materiales compuestos lo hace resistente y liviano.
Tabla 3.3 Materiales del eyector SMC.COMPONENTES MATERIALES
Cuerpo Resina CompactaRacores de conexión Bronce
Empaque NBR ( Goma acrílonitrilo butadieno)
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3.3.3 Gráficas del eyector:
Las características del eyector están expresadas en la succión de flujo y en la presión de
vacío. Si el caudal de succión de vacío cambia, cambiará la presión de vacío, esta relación se
ve representada en la curva de saturación (grafica: “flow characterist”)
Figura 3.3 Curvas de saturación eyector SMC ( Tomado de www.SMC.com).
Notamos de la gráfica, que para llegar al vacío máximo de -81Kpa ( -23 inHg), se debe
suministrar fluido motriz hasta aproximadamente a los 0.5 MPa (72 psi),
Cuando la boquilla de succión del eyector se satura, se provoca un sello hermético, la succión
de aire es cero, en este caso la presión es máxima. Si la boquilla de succión se abre
gradualmente, el flujo de succión aumenta y la presión de succión disminuye (condición P1,
Q1) hasta llegar a un flujo de succión máximo y presión cero (atmosférica); además si no hay
escape la presión de vacío es máxima y esta disminuirá tanto como sea el escape.
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3.4 PLANOS Y DIMENSIONES
A continuación se muestran las medidas del eyector SMC ZH0.7DS y se hace un cuadro
comparativo con el eyector de bronce.
Figura 3.4 Corte interno eyector SMC ZH0.7-DS ( Tomado de www.SMC.com).
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Tabla 3.4 Medidas del eyector SMC.
EYECTOR A B C D E F G OH I OJ K L M ON O P
SMC-ZH0.7-DS 76 12 12 41 29 1/8 12 3,2 31 1,8 29 1/8 14 7,8 17 24
BARNES 120 25 25 58 46 1/2 25 0 60 ½ 0 1/2 32 0 32 50
Medidas mm, diámetros en pulga das.
3.5 INSTALACIÓN DEL EYECTOR
La instalación de estos eyectores es relativamente sencilla, sin embargo hay que tener en
cuenta algunas recomendaciones para su buen funcionamiento.
Hay que asegurarse de no sobrecargar o aplicar un momento al cuerpo del eyector,
especialmente en las conexiones o en la instalación.
Se debe mantener abierta la boquilla de descarga, antes de conectar hay que asegurarse que el
orificio vénturi este despejado y que el sentido de circulación del flujo motriz es el correcto,
revise que el tubo de succión esta succionando aire y que el aire circula sin dificultad; una
vez funcionando no debe haber ruidos extraños en el eyector.
Para evitar el taponamiento del eyector se instaló dos filtros de agua, uno ubicado en la
bocatoma del tanque y otro en la tubería de succión de la bomba.
No instale elementos de medición como vacúmetros o manómetros sin antes haber revisado
las instalaciones.
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3.6 PRUEBAS REALIZADAS
Para conocer que presión del fluido motriz mínima necesita el eyector para hacer la succión
requerida, se realizó una serie de pruebas; no obstante teniendo la gráfica de saturación del
eyector escogido ( eyector japonés SMC-ZH0.DS), se decidió realizar estas pruebas para
verificar la validez de esta gráfica y poderla comparar con otros eyectores; Uno es el eyector
instalado anteriormente ( Barnes No 119600-1) y otro un eyector de Bronce de fabricación
Local ( Ver Anexo A ).
Las pruebas consistieron en hacer circular primero aire comprimido en la entrada del eyector,
medir la presión de entrada y el vacío en cada de los tres eyectores; y luego se realizar las
mismas pruebas pero con circulación de agua ( Con la bomba instalada inicialmente para el
eyector Barnes la bomba Peerless ).
Instalación No 1 :
MANÓMETRO VACÚMETRO
BOMBA /COMPRESOR EYECTOR
3.6.1 Prueba 1:
En esta prueba se probó el eyector SCM , el eyector Barnes y el eyector de bronce con aire
comprimido para hallar la curva de saturación de los eyectores con aire.
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Eyector SMC-ZH0.7-DS:Tabla 3.5 Datos eyector SMC-ZH0.7-DS ( aire).MANÓMETRO (psi) VACUMETRO( -in Hg)
0 010 220 630 1040 1650 1860 2070 20
CURVA DE SATURACION EYECTOR SMC ZH0.7DS
05
10152025
0 10 20 30 40 50 60 70
MANOMETRO (psi)
VA
CU
ME
TR
O (
-in
Hg)
Eyector Barnes No 119600-1:Tabla 3.6 Datos eyector Barnes ( aire).
MANÓMETRO (psi) VACUMETRO ( -in Hg)0 02 24 46 88 10
10 1112 12
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31
CURVA DE SATURACION EYECTOR BARNES No 119600-1
0
2
4
6
8
10
12
0 2 4 6 8 10 12
MANOMETRO (psi)
VA
CU
ME
TRO
(
- in
Hg)
Eyector Fabricación local bronce:
Tabla 3.7 Datos eyector bronce ( aire).MANOMETRO(psi) VACUMETRO( -in Hg)
0 05 2
10 515 720 825 930 10
CURVA DE SATURACION EYECTOR DE BRONCE F.L
0
5
10
15
0 5 10 15 20 25 30
MANOMETRO ( psi)
VA
CU
ME
TR
O (
- in
H
g)
3.6.2 Prueba 2:
Para esta prueba se reemplazó el flujo motriz aire por agua, impulsada por una bomba Barnes
C2S ( ver cap 4.1 ) instalada inicialmente, estos fueron los resultados:
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Tabla 3.8 Datos eyectores funcionando con agua y bomba Barnes.
EYECTOR MANÓMETRO (psi) VACUMETRO( - in Hg)
SMC ZH0.7DS 16 4BARNES 119600 18 6
Bronce 20 10
Complementariamente se realizó una prueba con los eyectores en serie.
Tabla 3.9 Datos eyector bronce y SMC en serie.
EYECTOR MANÓMETRO 1 10 psi
BRONCE VACÚMETRO 2 7 -inHg
EYECTOR MANÓMETRO 3 20 psi
SMC ZH0.7DS VACUMETRO 4 6 - inHg
3.6.3 Prueba 3:
Esta prueba se realizó con una bomba de mayor cabeza y mayor potencia que la Barnes C2S,
instalada inicialmente para el eyector Barnes, la bomba es de marca Peerless de 1 Hp. Se
procedió a realizar las mismas mediciones con esta bomba y los eyectores de prueba. Estos
fueron los resultados obtenidos:
Tabla 3.10 Datos eyectores funcionando con agua y bomba Peerless.
EYECTOR Manómetro (psi) Vacúmetro (- in Hg)
BARNES 119600 36 14
SMC ZH0.7DS 33 3
BRONCE 25 7
.
1 432
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33
3.6.4 Cuadro comparativo de los tres eyectores:
Tabla 3.11 Cuadro comparativo de los eyectores de prueba
EYECTOR Vénturi(mm)
Diámetrosucción (
mm)
Rel. Áreasin/out
Aoa/ Venturi:
Peso(gr)
CaudalGPM
medido
Presiónvacío max( in Hg)
Presiónmax flujo
motriz(psi)
SMC ZH0.7DS 0.7 3.175 20 80 6 - 20 60BARNES 8 25 10 2500 - -14 36BRONCE 3 12.5 17 800 10 -10 30
De estas mediciones podemos anotar que el eyector que mas capacidad de vacío tiene es el
SMC, pero necesita una presión de fluido motriz alta , las pruebas con aire nos dan una
proximidad del comportamiento del eyector con agua y nos ayudara a la selección de la
bomba.
Tomando como flujo motriz agua notamos que la capacidad de succión del eyector SMC
baja notablemente mientras que el eyector Barnes aumenta su capacidad.
Por otro lado, la bomba instalada previamente Barnes de ¼ HP de potencia esta muy por
debajo de los requerimientos de los tres eyectores de prueba, sin embargo se optó por estas
pruebas para ver como se comportaba el eyector con fluido motriz agua.
Las gráficas de saturación de los eyectores nos indican tope máximo de vacío que se puede
lograr. Comparando la curva de saturación del eyector dada por el fabricante SMC y la
tomada en el laboratorio notamos un pequeño desfase debido a que estas tablas son hechas a
nivel del mar, bajo condiciones controladas y el mínimo de escapes; a pesar de esto los
resultados obtenidos son acordes.
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34
3.7 RESULTADOS GENERALES
Los resultados generales muestran que se requiere una presión de 50m ( 164 ft) para generar
el vacío requerido.
El volumen estimado de la cámara de vacío es de aproximadamente 100 litros y la succión
promedio de aire del eyector SMC es de 10 LPM esto indica que en 10 minutos se estaría
desalojando el aire necesario, a pesar de tener un diámetro de succión pequeño de 1/8 in su
capacidad de succión es alta.
El eyector SMC ZH0.7DS al hacerlo funcionar con agua tiende a taparse frecuentemente
debido al diámetro del vénturi de 0.7mm, esto obliga a mantener limpios los filtros
instalados y a renovar el agua para nueva cada prueba.
Se esperaba que el eyector SMC se comportara de manera muy similar con agua que con
aire como fluido motriz, pero notamos que no fue así, el agua tiende a saturarse de residuos
sólidos que tapan al eyector, además el caudal que maneja las bombas de agua es muy alto
para la capacidad del eyector, lo que hace un taponamiento en el vénturi y reduce la
capacidad de succión del eyector.
El eyector Barnes por el contrario mejoró su capacidad de succión con agua. El vénturi de
este es diez veces mayor que el vénturi del eyector SMC, haciendo su taponamiento nulo.
El eyector de Bronce presenta un comportamiento mas homogéneo al hacerlo funcionar con
agua y con aire.
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35
4 SELECCIÓN DE BOMBA
4.1 SELECCIÓN DE BOMBAS
Para escoger una bomba es necesario tener en cuenta el conocimiento del líquido, la carga
dinámica total, la carga de succión y descarga y en muchos casos la temperatura, la
viscosidad, la presión del vapor y la densidad relativa del líquido. En nuestro caso particular
estas últimas recomendaciones pueden ser despreciadas debido al estrecho intervalo de
operación a la que va a estar sometida el agua.
Tabla 4.1 Condiciones de operación de la bomba.
CONDICIONES VARIABLE
LIQUIDO AGUA (std)
TEMPERATURA ( 20-40 ) °C
DENSIDAD 1000 Kg/m3
PRESION SUCCION 1 atm
PRESION DESCARGA 1 atm
CARGA DINAMICA 50 m
Variables que hay que determinar:
1. Carga dinámica total: Es la diferencia entre la carga total de descarga y la carga total
de succión.
2. Capacidad: Se define como el caudal requerido.
3. Trabajo realizado por la bomba: Medir la cantidad de trabajo útil realizado teniendo
en cuenta el caudal másico del fluido en movimiento, fricción en tubería, etc.
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4. Limitación de la bomba : Cuando un líquido se somete a una presión inferior a su
presión de vapor, hay cambio de fase a vapor, a la temperatura que se encuentre este
vapor produce cavitación , al igual que cuando la presión de succión es muy baja.
Para evitar este fenómeno hay que mantener la carga neta de succión requerida
(NPSH)R que equivale a la carga total equivalente en el centro de la bomba
menos la presión de vapor Vp. Hay que mantener la carga neta de succión
disponible de (NPSH)D por encima de (NPSH)R.
4.2 BOMBA INSTALADA ACTUALMENTE
La bomba instalada actualmente, con la que se realizaron las pruebas , es una centrífuga
Barnes modelo C2S de tipo monobloque de motor eléctrico monofásico de uso casero (
elevación de agua a tanques, sistemas de irrigación, suministro de agua en casas de campo,
Refrigeración de máquinas Torres de enfriamiento, etc.) de ¼ Hp de potencia.
Figura 4.1 Curva de rendimiento bomba Barnes C2S( Ver C2,Cortesía Barnes S.A)
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La curva de la bomba C2S ( última en la gráfica) muestra manejo de bajo caudal, baja
potencia y presiones baja de 18 m de cabeza. Esta bomba no alcanza a cumplir las
necesidades del eyector escogido, por esta razón hay que seleccionar una bomba que cumpla
los requisitos
4.3 REQUERIMIENTOS DE LA BOMBA
Como guía podemos utilizar la ecuación ideal de potencias de bombas, sabiendo que cabeza
requerimos y de que potencia máxima podemos disponer.
Hp = (Q γ E )/ 550 donde : γ = 64.32 lb/ft3
Q= Caudal ft3/s
E = Cabeza = 164 ft.
Los requerimientos básico de la bomba son que tenga una cabeza dinámica de por lo menos
50 m ( 164 ft) y que la potencia de consumo no supere 1 Hp, el caudal puede dejarse como
variable, pero debe tener rangos bajo .
Tabla 4.2 Caudales requeridos para diferentes potencia.
Potencia Hp Cabeza ft Caudal ft3/s Caudal GPM
1 164 0,0531 23
0,75 164 0,041 16
0,5 164 0,027 12
0,25 164 0,0134 6
Variando la potencia podemos estimar un rango de caudales, además nos da información que
la bomba a utilizar debe ser de baja potencia, bajo caudal y alta presión relativa.
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4.4 ALTERNATIVAS
Encontrar una bomba en el mercado local una bomba que cumpla las condiciones deseadas
de alta presión, caudal bajo y poco consumo de energía no es fácil, además el factor
económico de costo de la bomba debe ser tomado en cuenta para la elección de la misma.
De las alternativas que tenemos, las opciones más viables son la implementación de una
bomba de alta presión, conocido en el mercado como bomba tipo “jet” que trabaja con
impulsadores a lo largo de un tubo y bombas de pistón importadas.
Las bombas de alta presión son usadas para aplicaciones donde hay alta presión de descarga
y bajo caudal. Estas bombas descargan alrededor de 15 GPM y produce una cabeza de 240 ft
( 70m).
4.4.1 Bombas tipo jet:
Este tipo de bomba centrífuga radial de varias etapas tiene varios rotores o impulsores
montados sobre un mismo eje; el flujo que sale de una etapa reingresa a otra aumentando la
presión; su mantenimiento es delicado y hay que filtrar el agua antes de pasarla por la
bomba; presenta bajos caudales y buena eficiencia. Comercialmente tenemos fabricantes
como IHM, SAER, Barnes y Pedrollo que presentan sus modelos.
IHM ofrece una serie “Turboline” cuyo modelo TB75M se ajusta a las condiciones, con un
consumo de ¾ hp, una cabeza dinámica de 155 ft y un caudal de 5 GPM se acerca a los 164
ft de cabeza y a los 10 GPM promedio estimados para el eyector ( ver anexo E para tabla de
rendimiento).
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39
Además IHM cuenta con la serie la “super jet”, el modelo JS1-1/3 y JS1- 1/4 presentan un
consumo de potencia bajo de 1/3 Hp y ¼ Hp respectivamente pero su caudal es muy alto
con 40 y 17 GPM.
Tabla 4.3 Cuadro comparativos de bombas centrifugas.
CAUDAL CABEZABOMBA
GPM (m)
CABALLOS
hp
Dia. Succión
(in)
Dia.
Descarga
Precio $
relativo *
12000000SAER M60 3 47 0.6 1 1
.92
1220000SAER M70 3 52 0.75 1 1
.95
IHM TB-75 MW 5 47 0.75 1.25 1 829000
0.63
IHM Js1 1/3 40 43 0.75 1.25 1 -----
1300000PEDROLLO JSWm 1a 4 47 0.85 1 1
1
PEDROLLO
4 CRm-80 4 50 0.85 1 1 0,95
1020000Barnes PM-10 tipo jet 5 80 1 1 1
0.83
420000PENTAX MP 120 4 50 1.2 1 1
0.34
Nota (*) El factor de precio 1 indica la bomba mas costosa. Para ver curvas de desempeño remitirse
anexos E,F,G,H ,I Y J.
Barnes presenta el la serie “cañon jet” PM-10 con 1 HP, cabeza de 164 ft y un caudal de 10
GPM, aunque sus condiciones de operación son buenas, la potencia esta el límite superior
deseado (ver anexo E para curva de desempeño).
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40
Pedrollo presenta sus bomba tipo jet modelo JSWm 1A con 0.85 Hp , 160 ft de cabeza y
caudal aproximado de 5 GPM. Adicionalmente tiene bombas centrífugas con carcaza de
acero inoxidable 4CRm-4 con baja potencia 0.85 Hp y bajo caudal.
Barnes presenta el la serie “cañon jet” PM-10 con 1 HP y cabeza de 164 ft un caudal de 10
GPM, aunque sus condiciones de operación son buenas, la potencia esta en el límite superior
deseado (ver anexo E para curva de desempeño).
La empresa mejicana SAER en su línea jet tiene unas bombas con alta cabeza , bajo caudal
y relativo baja potencia, la bomba M60 tienen menos cabeza y menos potencia (0.6Hp), la
M70 su potencia es un poco mayor (0.75) y su cabeza es alta con 52m.
Este panorama de bombas centrifugas especiales nos muestran claramente que para nuestra
condición de operación, tener un consumo de potencia menor al ¾ Hp es bastante difícil y su
precio relativo con otras bombas es alto , siendo la bomba SAER la que mejor cumple los
requisitos.
4.4.2 Bombas de Pistón:
Este tipo de bombas se conocen como desplazamiento positivo porque hacen avanzar y
retroceder dentro de una cámara un pistón cilíndrico, el dispositivo va equipado con una
válvula de admisión y descarga que actúan sincronizadamente con el movimiento del pistón,
esta bomba es accionada accionadas por una diferencia de presión .
Dentro de este grupo esta las bombas de engranaje que transmiten energía al líquido
bombeado por medio del desplazamiento de dos cuerpos en rotación, es decir de dos ruedas
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41
dentadas. Durante el funcionamiento los dientes de las ruedas dentadas forman el elemento
de desplazamiento y el elemento de separación al mismo tiempo, enviando al líquido
bombeado la energía de presión requerida por el instalador.
Tabla 4.4 Cuadro comparativos de bombas de pistón.
BOMBA CAUDAL PRESION MAXIMA POTENCIA Rev
(GPM) (psi) (m) Hp rpm
RLM irrigaciones 2 60 42,66 0,125 1750
DANKOFF 3010-V-B 5 65 46 0,33 **
Hidro Irrigaciones 2,3 100 71,1 0,4 3100
GAYSA
Serie HOBBY 4,7 290 206,19 0,9 700
Faures Equipement 3,3 217 154,287 2 **
DAEHA DH-001-013-S 3 330 234,63 3 1750
GENERAL PUMP 9 560 398,16 3,5 550
Tabla 4.5 Cuadro comparativos de bombas de engranaje.
BOMBA CAUDAL PRESION MAXIMA POTENCIA
(GPM) (psi) (m) Hp
SAER CFP 1 136 97 0,5
Dinex power vt series 3 100 71,2 0,3
Examinando las dos tablas notamos que las bombas de pistón presenta un menor consumo
de energía a una cabeza dada respecto a las bombas tipo jet , es el caso de la bomba RLM
para irrigación la que menos potencia consume (0.125 Hp), y tiene bajo caudal pero su
cabeza dinámica esta muy por el limite inferior que deseamos ( 42m) .
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42
La bomba que ofrece Hidro Irrigaciones tienen una potencia mayor la RLM (0.4 Hp) y
menor que las bombas tipo jet , su cabeza dinámica es muy alta ( 71m) , de la bombas de
pistón es esta la mas se acerca alas condiciones de operación que deseamos.
En las bombas de engranaje la bomba SAER CFP cumple los requisitos energéticos además
que se puede conseguir en el mercado local, su cabeza dinámica es alta y su caudal bajo lo
que favorece al eyector SMC seleccionado.
4.5 CONCLUSIONES
La bombas tipo jet son las mas difundidas en el mercado local lo cual facilita su selección y
disminuye los costos aunque en general su consumo de energía es relativamente alto, pero su
rendimiento muy bueno. Este tipo de bomba requiere especial manejo de residuos sólidos
para alargar la vida útil de la bomba.
Las bombas de pistón que se fabrican comercialmente vienen para presiones elevadas, mas
de 150 psi (100m ), que superan nuestro requerimientos de 65 psi (50 m). Por otro lado no
son de fácil acceso en el mercado y su importación al detal elevan notoriamente los costos
de compra y de operación.
La bomba de engranaje SAER CFP resulta interesante, por su caudal es mínimo, menor que
las demás bombas, su potencia baja 0.4 Hp y su cabeza el dinámica alta 97 m. Por estas
características es la que mas se acerca a las condiciones de operación del potabilizador.
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Tabla 4.6 Cuadro comparativos de bombas Seleccionadas .
TIPO DE BOMBA CAUDAL CABEZA CABALLOSMARCA / MODELO
GPM (m) Hp
Tipo jet SAER M60 3 47 0.6
Tipo Pistón Hidro Irrigaciones 2,3 100 0,4
Tipo Engranajes SAER CFP 1 97 0,5
En esta tabla se presenta las mejores bomba teniendo en cuenta como primer parámetro de
selección el consumo de energía, y luego el caudal.
Dando valores ponderados a cada una de las variables, caudal 30%, cabeza 30% y potencia
40% el que mejor promedio tiene es la bomba de pistón, seguido de la de engranajes y por
ultimo la tipo jet, pero debido a que la primera no es comercial en el mercado local se optó
por la bomba de engranaje.
Cabe mencionar que todos estos datos fueron recopilados en las empresas fabricantes y
distribuidores locales, los datos de las bombas de pistón son proporcionados por cada uno de
los fabricantes en sus respectivas páginas Web y la bomba de engranaje SAER CFP por un
distribuidor local.
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5 TUBERIA
Con el prepósito de diseñar un modelo mas versátil y mas liviano de decidió cambiar los
rígidos tubos de PVC por manguera flexible.
Esta manguera flexible entre las ventajas ya mencionadas, hay que adicionar la reducción
de perdidas de energía por fricción a lo largo de la tubería por la eliminación de los codos
instalados anteriormente.
Esta reducción de pérdidas indudablemente que contribuirá al mejor desempeñó de la bomba
elevando su eficiencia y manteniendo su cabeza dinámica.
Su rápida y móvil instalación favorece las labores de mantenimiento, como purga y
limpieza de la tubería, el eyector , los filtros y la bomba , los racores y abrazaderas
instalados permite un desmonte rápido de la tubería.
Los tubos de PVC no permiten esta versatilidad complicando las labores de mantenimiento.
5.1 ESPECIFICACIONES GENERALES
Para escoger una manguera y su material hay que tomar en cuenta las siguientes
recomendaciones :
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• No cristalización del material y posterior perdida de la elasticidad.
• Capacidad de aislamiento térmico pare evitar pérdida de calor del agua.
• Resquebrajamiento por choques térmicos.
• Baja permeabilidad de la tubería.
• La tubería soporte la presión a la que esta trabajando.
5.2 DIAGRAMA DE INSTALACION
A continuación se muestra un esquema del tipo de tubería instalada y una
explicación.
Figura 5.1 Diagrama tubería flexible instalada.
Algunos tramos se dejaron rígidos por facilidad del diseño como en el tramo uno
que para instalar el filtro y evitar movimientos en el empaque del tanque
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se dejo tubería de PVC. En la salida de la bomba se instaló un acople en “T”
en PVC por facilidad, de este acople sale dos tuberías flexibles, una de 1 in
que va al eyector (Tramo 2 ) y otra de ½ in que va al tanque de vacío (Tramo 3).
El tramo 6 se dejo rígida PVC por que no hay manguera flexible de 1.25 in
de diámetro en el mercado.
El tramo 5 se dejo rígida en tubería en acero inoxidable para evitar fugas del
tanque de vacío.
Tabla 5.1 Ducto y elementos.
TRAMO FLUIDO MATERIAL DUCTO Dia in Dia out RESISTENCIA
1 Agua PVC Rígido 1 in 1 in 210 psi
Filtro Agua Bronce Rígido 1 in 1 in **
Bomba Agua Hierro F. Rígido 1 in 1 in **
2 Agua Hule Flexible 1 in 1 in 200
3 Agua Hule Flexible ½ in ½ in 180
Eyector Agua / aire Hierro Rígido 1 in 1 ½ in **
4 Agua PVC Rígido 1 ½ in 1 ½ in 180
5 Agua Acero inx Rígido 1 in 1 in 300
Válvula depaso
Agua Bronce Rígido 1 in 1 in **
6 Agua PVC Rígido 1 in 1 ½ in 210
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5.3 ESPECIFICACION DETALLADA DE CADA ELEMENTO
5.3.1 Mangueras:
Manguera DAYCO flexible., los terminales para esta manguera son del tipo "racor" ó "cola
de pescado" de diseño especial, que junto al diseño de la trenza de la manguera, proveen un
agarre seguro Terminal-Manguera hasta presiones de trabajo máxima de 200 psi y diámetros
de 1 in y ½ in.
Figura 5.2 Tubería flexible.
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5.3.2 Tubería PVC:
Tubería de PVC rígida PAVCO para agua potable de 1 in de diámetro , unida con sellante
para tubería PVC y acoples roscados en PVC, con bifurcación en T y acoples para rosca.
Figura 5.3 Tubería en PVC , acoples en T y tubos.
5.3.3 Filtros:
Filtro para tuberías de agua con conexión de rosca interna de 1 in de diámetro, en bronce y
mallado de 2 mm.
Figura 5.4 Filtro instalado .
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5.3.4 Racores:
Racores en bronce con rosca externa de 1in y ½ in y acople a manguera tipo espina de
pescado.
Figura 5.5 Racores espina de pescado.
5.3.5 Abrazaderas:
Abrazadera de cremallera de 1 in y ½ in banda en acero inoxidable y tornillo en acero
galvanizado.
Figura 5.6 Abrazaderas para manguera.
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6 ANALISIS DE PARTICULAS
6.1 TURBIEDAD
Esta es causada por partículas suspendidas que interfieren el paso de la luz a través del agua.
Estas partículas varían de tamaño.
Para medir la turbiedad se adoptó una unidad estándar relacionada por la turbiedad causada
por 1 mg SiO2/l cono unidad de turbiedad UT.
Métodos:
1 Nefelometría: Hace uso de la Nefelometría para medir la intensidad de la luz dispersa por
todas las partículas que causas turbiedad, este se expresa en términos de unidades de
Turbiedad Nefelométricas (UTN).
2 Visuales: Cualitativo, se puede usar el Turbidimetro de Jackson y su unidad e el JUT.
Adicionar 1mg SiO 2/l comparando con la muestra.
Tabla 6.1 Unidades de turbiedad.
UNIDAD SiO2 JTU NTU
SILICE 1 0.4 7.5
JACKSON 2.5 1 19
FORMAZINA 0.13 0.53 1
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6.2 COLOR
6.2.1 método comparativo
La determinación del color se hace por medio colorímetros utilizando soluciones estándar
arbitrarias, elaboradas a partir de cloroplatinato de potasio (K2Pt Cl 6) teñidas con una
pequeña cantidad de cloruro de cobalto, las cuales producen colores muy similares a los
colores naturales que se muestran en las aguas. En la determinación del color se prepara
diferentes patrones de color, a partir de una solución madre de (K2Pt Cl 6) , colocándose en
tubos de Nessler para compararlos con el color de la muestra a ser realizada.
Procedimiento:
• Preparar solución estándar de cloroplatinato de potasio .
• Colocar la solución en un tubo de Nessler.
• Teñir con gotas cloruro de cobalto.
• Comparar el color de la muestra con la del análisis.
• Añadir gotas de (K2Pt Cl 6) hasta llegar al color que se quiere comparar.
• Una unidad de color UC es igual al color producido por 1mg/l de (K2Pt Cl 6).
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6.2.2 Espectrofotómetro:
Por medio de este aparato se puede medir las ondas electromagnéticas de cualquier cuerpo y
así definir el color.
6.3 TEMPERATURA
La Temperatura de las Aguas Residuales es mayor que las aguan no contaminadas por la
liberación de energía durante las reacciones químicas.
6.4 PH Y ALCALINIDAD
Las aguas residuales deben tener valores entre 6 y 9 PH para que provoquen un mínimo
impacto ambiental, las aguas inferiores a 6 tenderán a ser corrosivas y las superiores a 9
tenderán a ser incrustantes .
Procedimiento:
• Tomar muestra del agua residual.
• Colocar cinta de PH.
• Comparar color con color estándar.
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6.5 RESULTADOS
Se puso en funcionamiento el potabilizador por mas de una hora, hasta que la temperatura del
tanque de vacío llegara a los 40 oC, luego se tomó la muestra de agua ya condensada y se
aplicó la pruebas descritas anteriormente, estos fueron los resultados obtenidos:
Tabla 6.2 Tabla de resultados de turbiedad.
PRUEBA TURBIEDAD COLOR TEMPERATURA
PH
RESULTADO SiO2
4
JTU
1.6
NTU
30
450
nm
UC
15
18 oC 9-10
PERMITIDO Max6
Max3
Max50
[400-700nm]
Max20
Max 30 oC [6-9]
Cada vez son mas exigentes los límites de las pruebas físicas de la aguas residuales, factores
como la preservación del medio ambiente y la salud publican obligan a estrechar los niveles
de tolerancia.
En la prueba realizada notamos que los valores arrojados por las pruebas están en un valor
intermedio a las exigencias internacionales de la “Water Pollution Control Federation” que
regula y estandariza las pruebas de análisis de las aguas residuales.
La acidez del agua es un poco alta, esto puede ser causado en parte por los recubrimientos y
tubería de metal que hay en el tanque.
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7 CUADRO COMPARATIVO DE CONSUMO DE ENERGIA
A continuación se presenta un panorama general de las bombas seleccionadas y su rango de
operación, comparadas entre si.
Tabla 7.1 Rangos de operación de diferentes bombas.
TIPO RANGO CONSUMO RANGO CAUDAL DE VACIO CABEZA
DE ENERGIA (Hp) BOMBEO/SUCCION (GPM) DINAMICA (m)
BOMBAS DE AGUA EYECTOR
CENTRIFUGA TIPO JET [ 0,6-1] [ 3-5 ] 4 in hg [42-55]
PISTON [ 0,125- 1] [ 2 -4.7] 4 in hg [42-206]
ENGRANAJE [ 0,3- 0,5] [ 1-3 ] 4 in hg [72-96]
VACIO SECO
ANILLO LIQUIDO [0,75-1,5] [0,7-50] [9-6 ]in hg -
PISTON [ 1/12 - 1] [ 1-6] [6-2] in hg -
En este cuadro comparativo de bombas se puede apreciar que las bombas de pistón para
hacer vacío directo o para impulsar agua son las que consumen menos energía, y las que dan
mayor cabeza dinámica o flujo de succión.
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8 CONCLUSIONES
Como resultado de la optimización del potabilizador de agua por vacío podemos destacar que
la implementación de una bomba de anillo líquido no cumple satisfactoriamente los
requisitos de vacío, tampoco reduce notablemente los consumos de energía; además
implementar un sistema directo de vacío también implica el no aprovechamiento del ciclo
de refrigeración .
Por otro lado los eyectores de prueba no cumplieron las expectativas de funcionamiento, a
pesar de dar el vacío requerido con aire, al hacerlo funcionar con agua su capacidad se
redujo notablemente, debido al alto caudal de las bombas Barnes y Peerless; con una bomba
de menor caudal, los eyectores pueden mejorar su funcionamiento.
La presión que necesita el fluido motriz para lograr un vacío de -20 in Hg esta entre 65-75
psi, realizando varias pruebas hemos determinado este valor, esto indica que se necesita una
bomba que de un cabeza entre 50-55 m.
Reducir el consuma de energía de la bomba es posible, la bomba debe tener bajo caudal ( 5-
10 GPM), de relativa alta potencia y poco caballaje ( que no supere el que estaba instalado
anteriormente). Las bombas de pistón son las que mejor se adaptan a estas condiciones , pero
el mercado nacional es limitado en este tipo de bombas y estas usualmente se usan para
irrigación con presiones de mas de 120 psi .
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Una bomba que se adapta a los requerimiento que necesitamos es la bomba SAER de
engranaje.
La manguera flexible ayuda a labores de mantenimiento de la tubería y hace del modelo mas
versátil.
Anexo A EYECTOR BARNES No 119600-1
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2
Anexo B EYECTOR JAPONÉS SMC-ZH0.7DS
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3
Anexo C EYECTOR DE PRUEBA EN BRONCE.
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4
Anexo D CURVA RENDIMIENTO BOMBA BARNES PM-10
CAÑON JET
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5
Anexo E CURVA DE RENDIMIENTO BOMBA IHM TB-75M
LÍNEA TURBILINE
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6
Anexo F CURVA DE RENDIMIENTO DE LA BOMBA PEDROLLO JSW 1B .
LINEA SELF PRIMING.
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7
Anexo G CURVA DE RENDIMIENTO DE LA BOMBA 4-CRm 80 PEDROLLO
LINEA STAIN LESS
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8
Anexo H CURVA DE RENDIMIENTOI BOMBA IHM TB-75 E IHM Js14/3.
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9
Anexo I TABLA DE RENDIMIENTOI BOMBA SEAR TIPO JET.
BOMBA MARCA SAER DE ENGRANAJES CFP 1*230 v.
BOMBA MARCA ITALIANA SAER TIPO JET M94.
BOMBA MARCA ITALIANA SAER TIPO JET M70 Y M40
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Anexo J CATALOGO BOMBAS DE PISTON
RLM IRRIGACIONES
HIDRO PARA IRRIGACION
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.
BOMBA COTRE FAURES EQIPAMENT Presión máxima 15 bar-- 214 psi
BOMBAS GAYSA PARA USO AGRARIO
BOMBA DAEHA
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12
BOMBAS DE PISTÓN "GENERAL PUMP"
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Anexo K CATALOGO BOMBAS DE ENGRANAJE
BOMBAS DE ENGRANAJE MARCA SAER CFP
BOMBA MARCA DINEX POWER Sistema de alta presión
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Anexo L CATALOGO BOMBAS DE ENGRANAJE
BOMBAS DE ENGRANAJE MARCA SAER CFP
BOMBA MARCA DINEX POWER Sistema de alta presión
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15
Anexo M TABLA DE ÁNGULOS DE ATAQUE PARA B.A.L
Curvas para ángulos de ataque para bombas de anillo liquido.
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Anexo N RESUMEN DE TESIS
TITULO DEL PROYECTO: OPTIMIZACIÓN DE UN SISTEMA DE POTABILIZACION POR VACÍO AUTOR: IVAN GOMEZ PROFESOR ASESOR : RAFAEL BELTRÁN OBJETIVOS GENERALES: Optimizar la planta potabilizadora de agua por vacío, reduciéndola de tamaño y aumentando su eficiencia; esta
optimización en encaminada en mejorar en dos aspectos: Consumo de energía y Versatilidad de diseño.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS Diseño: * Evaluar el uso de una bomba de sello de agua en lugar del eyector. * Reducir el tamaño del eyector. * Compactar la maquina en tamaño para hacer más factible su transporte. Energía: * Reducir el consumo energético de la bomba . * Probar eficiencia con agua de diferentes contenidos de minerales y ver funcionamiento general. DESCRIPCION DEL PROCEDIMIENTO UTILIZADO Para este proyecto se aplico la teórica de mecánica de fluidos para determinar que dimensiones de venturi y entrada debían tener el eyector para provocar el vacío requerido. Una vez determinado el eyector se procedió a realizar pruebas usando diferentes fluidos motrices como aire y luego agua, se determinaron las curvas de saturación de los diferentes eyectores de prueba para determinar el vacío máximo que hacia cada uno. Seleccionado el eyector y conociendo las condiciones de operación del mismo se procedió a determinar que tipo de bomba podía utilizarse, tal que cumpliera las restricciones energéticas de no mas de 1 HP de potencia. Se hizo un cuadro comparativo de las diferentes alternativas de bombas teniendo en cuenta potencia consumida cabeza dinámica y caudal. Finalmente se opero todo la planta para tomas muestras de agua y hacerles pruebas físicas relativamente sencillas de potabilidad como color, PH, temperatura y turbiedad. FACTIBILIDAD Un país que a pesar de tener grandes recursos hídricos, no goza de una calidad de agua aceptable; este proyecto es una contribución a mejorar la calidad de vida de numerosos colombianos que no tienen acceso a consumir agua debidamente potabilizada.
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Hacer un diseño mas versátil de la planta y disminuir costos en consumo de energía hace mas viable que esta planta piloto en un futuro pueda cubrir las necesidades de poblaciones apartadas. CONCLUSIONES Es factible reducir el consumo de energía de la planta, utilizando una bomba de desplazamiento positivo, como una bomba tipo pistón o una de engranajes. Implementar una bomba de anillo liquido no reduce notoriamente los consumo de energía . Para cambiar el eyector instalado por uno de menor tamaño hay que reacondicionar la bomba por una de mayor cabeza dinámica y menor caudal, que la instalada actualmente.
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REFERENCIA BIBLIOGRAFICA
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1ra en Español 1983, Introducción y clasificación de bombas Cap1, Bombas a Chorro Cap4,
Tomas y tuberías de succión Cap 11, Materiales de construcción Cap 5.
