PROYECTO PRIMER PARCIAL Sistema de bombeo casero de transferencia de momento lineal con dos salidas
Operaciones Unitarias
Sistema de bombeo casero de transferencia de momento lineal con dos salidas
Descripción breve
Demostración de los conocimientos aprendidos
durante el primer parcial de la asignatura impartida por el docente.
INTRODUCCIÓN
Este proyecto consiste en estudiar y analizar un sistema de bombeo
de agua casero, analizar cada uno de los componentes que contiene, en base a
datos de accesorios, elementos y materiales en condiciones que se aproximen a
una realidad que demuestre los principios de transferencia de momento lineal y
sus aplicaciones en un ejemplo de la vida real o un caso de estudio real, el
mismo se realizó en base a conceptos, principios y leyes de aplicación del tema
que fueron adquiridos en la materia de Operaciones Unitarias.
El proyecto es
muy significativo en nuestro proceso de enseñanza por razones de que el los
principios de transferencia lineal son muy empleados en los distintos procesos
de una industria y como futuros ingenieros esto nos ayuda a desarrollar capacidades
y habilidades de deducción para enfrentar problemáticas de análisis y de este
modo tomar decisiones acertadas en base a resultados confiables mediante la
aplicación técnica y teórica de los conocimientos adquiridos sobre este tema y
de otros en general que están relacionados al estudio del proyecto.
JUSTIFICACIÓN
Este proyecto que
presentamos busca mediante la aplicación de conceptos teóricos de la
transferencia de momento lineal mostrar cómo operan algunos de los sistemas de
bombeos de agua caseros que existen en el medio, y comprobar que las
condiciones a la que opera el sistema es óptima, es decir: que existe un
correcto funcionamiento del sistema, los elementos y materiales que los
componen.
Las condiciones
del proyecto son las de un sistema de bombeo de agua que se encuentra en punto
determinado a nivel del suelo y que busca bombear agua a cierto punto de altura
adaptándonos a condiciones objetivas o cercanas a la realidad para que el
estudio tenga una directriz pueda ser establecido como un proyecto apegado o no
muy alejado de la realidad.
Los resultados
del proyecto tienen como finalidad de comprobar que el funcionamiento del
sistema está siendo el adecuado o en el caso de existir anomalías demostradas
mediante cálculos, poder realizar una interpretación de los mismos y tomar
medidas correctivas que mejoren el proceso de operación del sistema.
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
Para comenzar a entrar de lleno en nuestro proyecto podemos mencionar los
diferentes y diversos conceptos básicos que se podrían encontrar.
1.
Las operaciones unitarias
Las operaciones unitarias son cada uno de los cambios físicos que se
producen en los procesos de la industria química. Surgen del estudio de
distintos procesos químicos en los cuales aparentemente se realiza una
operación distinta pero la base es la misma.
2.
Transferencia de momento lineal
En operaciones unitarias Transferencia de momento lineal hace referencia
a presenta en los materiales en movimiento, como en operaciones unitarias de
flujo de fluidos, sedimentación y mezclado.
3.
Cavitación
La cavitación es un fenómeno físico, mediante el cual un líquido, en
determinadas condiciones, pasa a estado gaseoso y unos instantes después pasa
nuevamente a estado líquido.
4.
Coeficiente de resistencia
La mayor parte de la energía perdida por un sistema asocia a la fricción
en las porciones rectas la tubería y se denominada pérdida de fricción. Las
pérdidas de energía son proporcionales a la carga de velocidad del fluido, conforme
el fluido pasa por un codo, por una válvula o cualquier contracción de la
sección del fluido.
5.
NPSH (Carga de succión neta positiva)
Por definición el NPSH es la carga de succión neta positiva, medida con
relación al plano de referencia, aumentada de la altura correspondiente a la
presión atmosférica y disminuida de la altura debida a la tensión de vapor del
líquido.
Hay que tener presente dos conceptos:
5.1. NPSH (Requerido)
Es la NPSH mínima que se necesita para evitar la cavitación. Depende de las características de la bomba, por lo que es un dato regularmente proporcionado por el fabricante.
5.2. NPSH (Disponible)
Depende de las características de la instalación y del líquido a bombear.
Esta es independiente del tipo de bomba y se calcula de acuerdo a las
condiciones atmosféricas y de
instalación/operación.
6.
Potencia de Freno
La potencia requerida para conducir una bomba
centrífuga se conoce generalmente como la potencia de
frenado. Se puede expresar en términos de la potencia del agua dividida
por la eficiencia.
7.
Bomba Trifásica
Las bombas de agua trifásicas tienen la característica de
funcionar fuera del agua. Su uso es para aguas limpias, por lo general son
bombas silenciosas por lo que el uso doméstico es una opción muy buena. Poseen
una entrada de auto aspiración a la bomba (por donde absorbe el agua) y otra salida
de expulsión (donde empuja el agua por el circuito). Su uso es principalmente
en las aplicaciones domésticas, regadíos de huertas y campos.
7.1. Ventajas de los sistemas trifásicos
En la práctica un sistema trifásico es más económico y tiene ciertas
ventajas sobre otros sistemas polifásicos. Por ello los sistemas trifásicos son
muy populares y ampliamente usados.
En los sistemas trifásicos, la armadura del alternador tiene tres
devanados y produce tres voltajes alternos independientes
a.
La producción de las máquinas trifásicas es
siempre mayor que las de las máquinas monofásicas del mismo tamaño,
aproximadamente 1,5 más. Así para un tamaño y voltaje dado un alternador
trifásico ocupa menos espacio y es menos costoso también que los monofásicos
del mismo tamaño.
b.
Para una transmisión y distribución, los
sistemas trifásicos necesitan menos cobre o menos material conductor que un
sistema monofásico simple dado en voltio amperios y voltaje por lo que la
transmisión es mucho más económica.
c.
Es posible producir campos magnéticos
rotatorios con bobinados estacionarios usando el sistema trifásico. Por ello
los motores trifásicos son de autoarranque.
d. Los sistemas trifásicos dan una salida estable.
7.2. Consumo motor de sistema Trifásico
La mayoría de los motores trifásicos son máquinas grandes que tienen sus
propios voltímetros y amperímetros. ... Para un motor eléctrico trifásico que
consume 12.975 vatios podemos decir que consume 12.975 kilovatios.
El primer grupo es el sector residencial con consumos de energía que
superen 500 kilovatios hora (kWh) por mes, que pagarán una tarifa plana (fija)
de 10,5 centavos por kWh.
Por lo tanto; el consumo energético se basará en:
DESCRIPCIÓN DEL CASO
A Luis le acaban de obsequiar una nueva Bomba trifásica marca PEDROLLO
F40/160B con la que desea experimentar
en su casa de dos plantas donde suministra agua que está a 20°C en un
reservorio por debajo del suelo (1,5 metros). Él quiere analizar sistema de
tuberías de PVC de 1.1/2 in (Diámetro interior de 43,68mm)( ε = 0,0000015m) que
en este caso solo consideraremos el sistema de tuberías que va desde el
reservorio hacia el baño que está ubicado en la segunda planta de la vivienda y
que pertenece a él y su esposa, donde en este caso solo se considerara una
ducha y un lavamanos. La razón de flujo de la bomba es de 400 LPM,
Luis aún tiene algunas dudas
acerca de la Bomba y por ese motivo le pidió un favor a su sobrino que estudia
ingeniería industrial para que le haga algunos cálculos y que le determine
ciertos puntos y para eso su sobrino ya investigo el sistema. El sobrino del
señor ha conseguido los siguientes datos:
Viscosidad dinámica del agua =
1,02x10-3 Pa.s
Densidad del agua a 20 oC
= 998 kg/m3
Diámetro interno de la tubería de
1.1/2 in según tablas = 43,68 mm
Rugosidad de tubería PVC = 0,0015
mm
También tiene los siguientes datos de Coeficientes de resistencia
para los accesorios que utilizan en el sistema
Pérdida de entrada de depósito a
tubería = 1
Válvula de globo – completamente
abierta (Le/D) = 340
Codo estándar de 90o
(Le/D) = 30
Te estándar – con flujo a través
de un tramo (Le/D) = 20
a.) Cuál será el Consumo
energético monetario a lo largo de 1 mes suponiendo que la bomba se encienda
cada vez que utilicen la ducha o el lavamanos y el baño lo usan él y su esposa
en promedio cada uno 10 minutos al día y abren el grifo del lavamanos un
promedio 18 minutos al día entre los dos. Y según el ministerio de Energía
eléctrica 1K/h cuesta alrededor de $0,10 ctvs.
b.) También desea saber si existe
o no cavitación, ya que no quiere correr riesgos con la nueva bomba y en el
caso de existir cavitación poderla cambiar por una más adecuada. Teniendo en
cuenta que la presión de vapor a 20 oC es de 2339 Kpa absolutos y la
presión atmosférica es de 101,3 Kpa Para el cálculo se utiliza el parámetro de
flujo llamado carga de aspiración neta positiva (NPSH, por sus siglas en
inglés) que se define como la diferencia entre la carga de presión de
estancamiento en la entrada de la bomba y la carga de presión de vapor.
PRESENTACIÓN DEL ESQUEMA Y DATOS RELEVANTES
- Determinar el consumo energético monetario del sistema
- Calcular la carga de aspiración neta positiva y determinar si existe o no cavitación y Determinar la potencia al freno de la bomba
ESQUEMA:
DATOS:
Fluido = Agua
T = 20oC
µ = 1,02x10-3 Pa.s
ρ = 998 kg/m3
Pv = 2339 Pa
Patm = 101300 Pa
Diámetro interno de la tubería
PVC de 1.1/2 in según tablas = 43,68 mm
ε = 0,0015 mm = 1,5E-06
L total = 16,45 m
L sub = 3 m
L desc (BD) = 12,45 m
L desc (BE) = 13,45
1kwh = $ 0,10 ctvs
También
tiene los siguientes datos de Coeficientes de resistencia para los accesorios
que utilizan en el sistema
Pérdida de entrada de depósito a
tubería = 1
Pérdida de entrada de depósito a
tubería = 1
Válvula de globo – completamente
abierta (Le/D) = 340
Codo estándar de 90o
(Le/D) = 30
Te estándar – con flujo a través
de un tramo (Le/D) = 20
CÁLCULOS
a.) Determinar
consumo monetario energético de la bomba a lo largo de un mes
· Consumo monetario energético cuando se utiliza el lavamanos = Potencia bomba*tarifa eléctrica*tiempo
·
Consumo monetario energético cuando se
utiliza el lavamanos = Potencia bomba*tarifa eléctrica*tiempo
CME=(1,45kw)*(($ 0,10)/1kwh)*(10 h/mes)=$
1,45 /mes
CME total = CME (bomba a lavamanos) + CME (bomba
a ducha)
CME total=$1,40/mes +$1,78/mes =$3,18/mes
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
a) a.) En este sistema como existen dos salidas la bomba generara potencias diferentes teniendo un consumo energético total promedio en un mes de $3,18
b) b.) La carga de aspiración neta positiva será de 7,41 m ó 24,30 Ft por lo tanto no existe no existe cavitación porque la presión de estancamiento es mayor que la presión de vapor; y la potencia al freno de la bomba será de 3,82 HP
ANEXOS
REFERENCIAS
AutoSolar - Energía Eléctrica. (29 de Noviembre de 2020).
Obtenido de https://autosolar.es/horizontales-trifasicas#:~:text=Las%20bombas%20de%20agua%20de,de%20funcionar%20fuera%20del%20agua.&text=Poseen%20una%20entrada%20de%20autoaspiraci%C3%B3n,el%20agua%20por%20el%20circuito%20).
Calculo de KWh de bomba
. (19
de Septiembre de 2020). Obtenido de https://www.puromotores.com/13074290/como-calcular-el-consumo-de-energia-de-un-motor-trifasico
Edibon - Ingeniería
química. (18 de Mayo de 2018). Obtenido de
https://www.edibon.com/es/ingenieria-quimica/operaciones-unitarias
El comercio - Consumo
energético. (20 de Septiembre de 2020). Obtenido de
https://www.elcomercio.com/actualidad/gobierno-costo-tarifas-servicio-electrico.html#:~:text=El%20primer%20grupo%20es%20el,68%20centavos%20por%20cada%20kWh.
Franklin Electric -
Definiciones de NPSH y más. (14 de Febrero de 2014). Obtenido de
https://franklinelinkmx.wordpress.com/2010/04/26/npsh-carga-de-succion-neta-positiva/#:~:text=NPSH%20(Net%20Positive%20Suction%20Head,tensi%C3%B3n%20de%20vapor%20del%20l%C3%ADquido.
Slideshare - Coeficiente
de Resistencia. (06 de Diciembre de 2016). Obtenido de
https://es.slideshare.net/LuismartinRodriguez1/perdidas-menores-mecanica-de-los-fluidos
URALINA - Sistema de
tuberías. (29 de Noviembre de 2019). Obtenido de
https://www.agronoms.cat/media/upload/editora_24/Cavitacion%20espa%C3%B1ol%202_editora_241_90.pdf
https://drive.google.com/file/d/1Yav8RF815g1z9eGfMfbN6TNNQexBpV-U/view?usp=sharing
Informe PDF
https://drive.google.com/file/d/12e4PJtjPjxfEGHdrmxuaCIARwucqXjSs/view?usp=sharing
Link del video
https://drive.google.com/file/d/1reNzNfvGtVTY0dxkHMraQzfZipu_sVXS/view?usp=sharing
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