Comprobación de la eficiencia de una bomba sumergible Modelo NK 81

RESUMEN

El siguiente trabajo surge dada la necesidad de comprobar que la bomba sumergible Modelo NK 81 ubicada en la estación de bombeo de agua potable del poblado del Cafetal perteneciente al Municipio de San Juan y Martínez trabaja dentro del rango de eficiencia óptimo. Para lograr este fin se determinan los parámetros de la bomba y el sistema de trabajo de la misma, creando la curva de trabajo del sistema y por ende comprobando la eficiencia de la misma. Se demostró que le bomba trabajo dentro del rango óptimo.

Introducción

El presente trabajo se fundamenta en la necesidad que tiene nuestro país de ser eficiente en lo que a consumo de energía respecta en las diferentes actividades económicas y de producción. La problemática que da origen al mismo es la necesidad de comprobar que la bomba modelo NK 81 de pozo profundo ubicada en la localidad del Cafetal perteneciente al Municipio de San Juan y Martínez para el bombeo de agua potable a la población trabaja dentro de los parámetros de eficiencia establecidos. Para dar solución a la misma se creó el siguiente diseño de investigación:

Problema: Se necesita comprobar que la bomba modelo NK 81 ubicada en el poblado del Cafetal perteneciente al Municipio de San Juan y Martínez trabaja dentro del rango de eficiencia óptimo.

Objeto: Eficiencia de bombas sumergibles.

Campo de acción: Eficiencia de la bomba sumergible modelo NK 81 para pozo profundo.

Objetivo: Demostrar que la bomba modelo NK 81 ubicada en el poblado del Cafetal perteneciente al Municipio de San Juan y Martínez trabaja dentro del rango de eficiencia establecido.

Hipótesis: Aplicando la ecuación de Bernouli se podrá graficar la curva de trabajo del sistema, la misma permitirá demostrar que este trabaja dentro del rango de eficiencia óptimo.

CAPÍTULO I.

Revisión bibliográfica

1.1. Historia de la Mecánica de los fluidos.

El hombre en su desarrollo evolutivo siempre trató de comprender los fenómenos en los fluidos, cuando presentó problemas en el suministro de agua, de irrigación, de navegación y de aprovechamiento de la energía hidráulica. Con solo una rudimentaria apreciación física cavo posos, opero ruedas hidráulicas, dispositivos de bombeo y con el desarrollo poblacional y el aumento de los asentamiento urbanos se construyeron acueductos cada vez más grandes los que alcanzaron su mayor escala en la mítica ciudad de Roma. A excepción de las ideas de Arquímedes sobre los principios de flotación, en la mecánica de los fluidos moderna queda muy poco del conocimiento antiguo.

Después de la caída del Imperio Romano no existen rastros de evolución de la mecánica de los fluidos hasta la época de Leonardo Da Vinci, que rigió algunos progresos de la misma. Este genio proyectó y construyó la primera esclusa de cámara para un canal, cerca de Milán, e introdujo una nueva era en la ingeniería hidráulica.

Después de esta época se sumaron los aportes de sobresalientes científicos como Galileo, Torricelli, Mariotte, Pascal, Newton, Pitot, Bernoulli, Euler y D Alembert. Siguiendo el desarrollo en el tiempo muchos otros eminentes científicos hicieron numerosos aportes apoyándose en la numerosa información ya recopilada a través de la historia como fueron Reinor, Froude, Vernon-Harcort, Farged y Engels que crearon los modelos experimentales con los que se trabajan hoy día.

1.2. Tipos de flujos presentes en los fluidos.

Para realizar cálculos relacionados con la mecánica de los fluidos se hace necesario clasificar los diferentes tipos de flujos que se pueden encontrar en la práctica. Esta clasificación permite hacer algunas consideraciones con el comportamiento de las diferentes variables que caracterizan al mismo. Es por esto que se puede encontrar:

Flujo no permanente: Es el flujo en el cual las variables del fluido varían en el tiempo en los puntos espaciales del fluido.

Flujo permanente: Ningunas de las variables cambia con el tiempo en ningún punto del flujo.

Línea de corriente: Son las curvas que describen los puntos de tangencia del vector de velocidad de una partícula elemental que se desplaza en un fluido permanente.

Tubode corriente: Espacio entre líneas de corrientes en un flujo permanente a través del cual no pueden pasar las partículas debido a que la velocidad es siempre al límite.

Flujo unidimensional: Es el cambio de variables del fluido a través de una línea de corriente que es despreciable en comparación con el cambio a lo largo de esa línea de corriente.

Flujo bidimensional: Se define por completo, por líneas de corriente en un plano único.

Flujo tridimensional: Se define igual que los anteriores pero en el espacio tridimensional.

1.3. Máquinas hidráulicas.

Muchos son los tipos y modelos de máquinas diseñadas para accionar o impartir energía a un fluido estático. Existen también varios tipos de motores de accionar hidráulico y se pueden clasificar de la siguiente manera:

Motores hidráulicos:

• Hidroturbinas.

• Ruedas hidráulicas.

• Máquinas de columnas de agua (embolo).

• Motores hidráulicos rotativos.

También como se había expresado existen las maquinas diseñadas para impartir energía a un fluido, estas son las bombas, y se pueden clasificar de la siguiente manera:

Bombas:

• De paletas.

• 1. De torbellino.

• 2. Axial.

• 3. Centrifuga.——–(este es el tipo de bomba que nos ocupa)

• 4. Diagonales.

• Volumétricas.

• 1. De embolo.

• 2. Rotativa.

• De chorro.

• Neumáticas.

• Elevadores neumáticos de empuje artificial.

• Instalaciones neumáticas.

Nota: La bomba con la que se trabaja es de tipo centrífugo y modelo sumergible marca WILO-EMU y MODELO NK 81 se pueden ver sus características técnicas a continuación en la Tabla 1.

Tabla 1: Características generales de la bomba.

CAPÍTULO II.

Materiales y métodos

Este capítulo recogerá las principales características del sistema al cual se le comprueba la eficiencia además en el mismo se explica la metodología empleada para cumplir con el objetivo propuesto.

• Datos técnicos y diagrama del sistema objeto de trabajo.

El poblado del Cafetal está ubicado en el kilómetro doce de la Carretera Panamericana. Tiene una población que sobrepasa el millar de habitantes y es una comunidad donde predominan los edificios. Este poblado es relativamente joven pues fue fundado por la revolución en el año 1974. El bombeo de agua al mismo se realiza diariamente durante un plazo de 6 horas. La Figura 1 ilustra el sistema de bombeo de agua potable instalado.

Figura 1: Diagrama del sistema de bombeo de agua potable de la comunidad El Cafetal.

A continuación en la Tabla 2 se recogen algunas caracteristicas generales del sistema instalado.

Tabla 2: Características generales del sistema de bombeo de agua potable del poblado El Cafetal.

La Tabla 3 recoge los datos de las pérdidas por accesorios, en este caso el sistema instalado esta compuesta de tres codos de 90o y una válvula decompuertas.

Tabla 3:Datos de las pérdidas por accesorios.

• Metodología de cálculo a emplear para dar solución al problema de la investigación.

La siguiente ecuación se emplea para determinar la curva de trabajo del sistema.

(1)

En la misma:

distancia desde el nivel estático del pozo hasta la altura máxima de la tubería.

: Pérdidas totales del sistema.

Caudal.

Nota: Sustituyendo en esta expresión varios valores de caudal, podemos determinar la curva de trabajo del sistema.

Las pérdidas totales del sistema a su vez se determinan mediante la ecuación de Dacy (ecuación 2).

(2)

En la misma:

Factor de fricción, valor obtenido en el diagrama de Moody.

Longitud de la tubería.

Diámetro de la tubería.

Pérdidas locales por conceptos de accesorios (codos, válvulas y otros).

Velocidad del fluido.

Dos por la gravead (9.81).

A su vez la siguiente fórmula permite determinar las perdidas por fricción en el interior de la tubería.

(3)

Dónde:

Rugosidad del interior del tubo.

Diámetro interior.

La velocidad del fluido se determina mediante la siguiente ecuación:

(4)

Dónde:

Caudal que fluye.

Área de la sección transversal de la tubería.

El cálculo del número de Reynolds se realiza con la finalidad de determinar si el flujo de agua en el interior de las tuberias es turbulento o laminar.

(5)

En este caso si se cumple que:

Se está en presencia de un flujo Turbulento, sería un flujo laminar si:

Las variables de la ecuación son:

Velocidad del fluido.

Diámetro interior.

Viscosidad del fluido de trabajo.

El área de la sección transversal de la tubería se determina mediante la ecuación siguiente:
(6)

Dónde:

Constante (3.14).

Diámetro interior.

La siguiente fórmula es empleada para comprobar la existencia de posibles cabitaciones.

(7)

Dónde:

Presión.

Valor de la longitud entre el nivel estático y el nivel dinámico.

Relación entre presión, masa específica del fluido y la gravedad.

El coeficiente se determina a través de la ecuación ocho.

Dónde:

Presión.

Densidad del fluido.

Constante gravitatoria (9.81).

CAPÍTULO III.

Análisis de los resultados

El presente capitulo pretende realizar un análisis de los resultados obtenidos por la aplicación de la metodología explicada en el capítulo anterior al sistema hidráulico objeto de estudio. El análisis pertinente de los resultados irá dirigido a cumplimentar el objetivo final del trabajo.

La Tabla 4 recoge los resultados del cálculo de los diferentes parámetros del sistema:

Tabla 4: Resultados obtenidos en el cálculo.

En la Tabla 5 se muestran los datos del punto de operación según el fabricante.

Tabla 5: Datos de trabajo de la bomba estimados por el fabricante.

Comparando los resultados obtenidos se puede decir que el sistema trabaja dentro del rango de eficiencia óptimo. Para una mayor certeza de esta afirmación se procede a determinar la curva de trabajo del sistema.

La Tabla 7 recoge los resultados obtenidos de sustituir varios valores de caudal en la ecuación uno.

Tabla 7: Valores de los puntos de la curva de trabajo del sistema.

Los resultados obtenidos en la Tabla 7 se grafican para obtener el punto de operación del sistema, esto se observa en la Figura 2. El punto de intercepción de la curva característica de la bomba y la curva de trabajo del sistema es el punto de operación del mismo. En la figura aparece graficada la sección de la curva de la bomba correspondiente al área de aplicación de la misma, como el punto de operación del sistema se encuentra dentro de este rango se puede decir que queda comprobado que el sistema está trabajando dentro del rango de eficiencia óptimo.

Figura 2: Determinación gráfica del punto de operación del sistema.

3.1. Gestión del mantenimiento.

Dadas las características de la bomba y su condición de sumergible lo que hace muy difícil el acceso a la misma, se recomienda evitar el desarme innecesario del sistema. Por tal motivo las acciones de mantenimiento pueden estar regidas por los resultados que arroje el monitoreo periódico de los parámetros de trabajo del sistema, entiéndase por estos parámetros: presión, caudal, altura de impulsión, etc.

Este tipo de mantenimiento se acerca más al mantenimiento predictivo, eso sí, se recomienda en todo momento disminuir los costos por este concepto, pues se conoce que esta modalidad se encarece producto al empleo de instrumental destinado a realizar los ensayos y técnicas de diagnóstico. Estos costos se justifican dada la importancia de la tarea que se realiza con el sistema instalado, sistema al cual se le debe disminuir la intensidad de fallos a su mínima expresión.

3.2. Valoración económica.

Que el sistema instalado trabaje dentro del rango de eficiencia óptimo constituye una ventaja desde el punto de vista de eficiencia económica. La fuente de energía empleada para hacer funcionar a la bomba es la eléctrica por lo que una explotación eficiente del equipo garantiza mayores índices de ahorro desde el este punto de vista.

Los costos de realización de la investigación están relacionados con gastos por concepto de transporte y salarios por el fondo de tiempo empleado. Pero desde un punto de vista crítico se puede decir que son ínfimos, los mismos están recogidos en la Tabla 8.

Tabla 8: Gastos de realización de la investigación.

3.3. Valoración medioambiental.

Como se analizaba en el epígrafe anterior la fuente de energía del sistema instalado es la electricidad. Es por esto que una correcta explotación del mismo conlleva a ahorros significativos en cuanto a consumo eléctrico y por ende esto se traduce en un ahorro de diesel por concepto de generación de electricidad.

Al quemar diesel se emana carbono a la atmósfera y este compuesto juega un papel determinante en el cambio climático que ha venido experimentando el planeta tierra como consecuencia del calentamiento global. Es por este sentido que el aporte desde el punto de vista medioambiental de la investigación puede que no se considere significativo, pero si se realizan esfuerzos como estos encaminados a mantener los diferentes equipos industriales y sistemas dentro de su rango de explotación adecuado, entonces se estará contribuyendo a minimizar el impacto negativo resultante de la explotación de estos sobre el medio ambiente.

Otro aspecto importante a tener en cuenta es el relacionado con las acciones de mantenimiento que se le realizan al sistema, por ejemplo, un fallo de la bomba que provoque el vertimiento de lubricante al pozo puede provocar la contaminación del manto freático de la zona. Así mismo los desechos sólidos producidos por acciones de reparación deben ser correctamente tratados por las entidades pertinentes, entiéndase la Empresa de Recuperación de Materias Primas y la Empresa de Comunales del territorio.

Conclusiones

Con la realización del trabajo se determinaron varios parámetros del sistema que permitieron la comprobación de la correcta explotación del mismo.

Se comprobó que el punto de operación de la bomba instalada esta dentro del área de aplicación recomendada por el fabricante.

En el trabajo se realizaron valoraciones desde los puntos de vista económico y medioambiental encaminadas a mejorar la explotación del mismo y por ende garantizar seguridad en ambos aspectos.

Se realiza un breve análisis del mantenimiento a aplicar, ahondando en el régimen recomendado y algunas técnicas de diagnóstico que se pueden emplear para el monitoreo de los parámetros de explotación.

El trabajo cumple con lo propuesto en el diseño de la investigación, dando solución al problema planteado y cumpliendo el objetivo propuesto mediante el cumplimiento de la hipótesis.

Recomendaciones

• Se recomienda cumplir con el mantenimiento recomendado en aras de garantizar la correcta explotación del sistema.

• Se recomienda la compra de un sistema automatizado de arranque que permita una respuesta segura ante posibles fallas del sistema.

Bibliografía

• Bombas, ventiladores y compresores de Néstor Ramos.

• Bombas, ventiladores y compresores de V.M.Cherkaski.

• Documentos de la sección de tipometría de la empresa Departamento Provincial de Acueductos y Alcantarillados (DPAA).

Autores:

Ing. Pedro Luis Díaz Navarro.

Ing. Daniel Regalado Nuñez.

MSc. Julio Rivero González.

Ing. Tania M. Pérez Sanjudo.

Pinar del Río. 2014