Recomendaciones y Bibliografía

Recomendaciones

A través de este trabajo se desarrolló una exploración del simulador FluidSIM-H 4.5, donde los estudiantes interactuaron con este verificando sus funcionalidades, características y aplicaciones, así mismo desarrollando ejemplos de circuitos hidráulicos que permitan comprender la lógica de funcionamiento de los sistemas hidráulicos. Esto se puede evidenciar a través de los siguientes videos realizados por los estudiantes:

FluidSIM-H 4.5: https://youtu.be/z9DJCys5J8I

Así, el diseño en su segunda versión, se realizó con este simulador comprobando su funcionamiento ideal, es decir, que el diseño funcione como se desea. Sin embargo, se recomienda establecer los valores de los parámetros y especificaciones de los componentes, así como programar el circuito para que funcione de manera automática con base a dichos parámetros.

Referencias bibliográficas

• Fernández Figueroa, F. J. (2012). Guía general para el cálculo, instalación y mantenimiento de bombas hidroneumáticas [Tesis de grado]. En línea. {15 de diciembre de 2016} disponible en: http://biblioteca.usac.edu.gt/tesis/08/08_0720_M.pdf
• López, A. (1997). Manual de Hidráulica. Digitalia: Publicaciones Universidad de Alicante. Recuperado de http://bibliotecavirtual.unad.edu.co/login?url=https://bibliotecavirtual.unad.edu.co:2969/login.aspx?direct=true&db=e000xww&AN=317966&lang=es&site=ehost-live&ebv=EB&ppid=pp_21
• Monge Redodndo, M.A (9 de octubre 2017) Fundamentos básicos de hidráulica (I). AZUD [Mensaje en un Blog]. Recuperado de https://www.iagua.es/blogs/miguel-angel-monge-redondo/fundamentos-basicos-hidraulica-i

Propuesta de diseño y Conclusiones

NOTA: Hay componentes que no se anexan debido a que en el simulador (FluidSIM 4) no se encuentran (en especial la parte neumática, debido a que FluidSIM 4 tiene 2 simuladores: el H para la parte hidráulica y el P para la parte neumática y no se pueden trabajar conjuntamente hasta donde se ha visto). Sin embargo, el circuito cuenta con los componentes necesarios y las funciones requeridas para dar solución a la problemática planteada

A través del trabajo realizado, se concluye que para el sistema hidroneumático a nivel práctico se requieren los siguientes componentes:

Sección Hidráulica

·         Tramo de Succión

-          Fuente de agua

-          Bomba Centrifuga y conjunto Motor

-          Filtro de la Bomba

-          Válvula de Pie

-          Válvulas de Corte

-          Presostato de Control

-          Medidor de Vacío (Vacuómetro)

-          Medidor de Nivel

-          Conexiones (Codos, Tee, Reducciones, Bujes)

-          Junta de expansión

-          Tuberías

·         Tramo de Bombeo o Impulsión

-          Tanque de Alimentación (Hidroneumático)

-          Filtro del Tanque

-          Válvulas Antirretorno

-          Válvula de Control Direccional (Descarga)

-          Válvulas de Corte

-          Indicador de Presión

-          Medidor Manométrico

-          Medidor de Descarga (Caudal)

-          Conexiones (Codos, Tee, Reducciones, Bujes)

-          Tuberías

·         Tramo de Conducción

-          Tanques de Almacenamiento

-          Filtros de Tanques

-          Válvulas Antirretorno

-          Válvula de Control Direccional (Selectora de tanque)

-          Válvulas de Corte

-          Válvula Limitadora de Presión (Alivio)

-          Válvula Reguladora de Presión

-          Indicadores de Presión

-          Medidores manométricos

-          Medidor de Llenado (Caudal)

-          Medidor de Descarga (Caudal)

-          Conexiones (Codos, Tee, Reducciones, Bujes)

-          Tuberías

Sección Neumática

-          Compresor de Aire

-          Filtro del compresor

-          Válvula Antirretorno

-          Interruptor Neumático (Corte y Control)

-          Limitador de Presión

-          Regulador de Presión

-          Indicador de Presión

-          Medidor manométrico

-          Medidor de Descarga (Caudal)

-          Conexiones (Codos, Tee, Reducciones, Bujes)

-          Tuberías

Análisis del Sistema Hidroneumático y Componentes de Figueroa

Conocidos los componentes, sus funciones y parámetros, se realiza el siguiente análisis de los componentes, con base a Fernández Figueroa, F. J. (2012) que detalla los requerimientos para la instalación adecuada del sistema hidroneumático

• Bomba Hidráulica y Motor: Deben permanecer alineados durante el trabajo, por lo que se requiere una correcta cimentación (resistencia a las diversas cargas y esfuerzos mecánicos) de la estructura donde se ubican. Así mismo, el sistema de alimentación eléctrica debe ser el óptimo (voltaje, amperaje, potencia, consumo energético adecuados) y las conexiones deben cumplir con los estándares eléctricos y de calidad, teniendo muy presente que deben estar totalmente aisladas, así como el cableado, de cualquier contacto con el fluido.
•  Instrumentación para bombas y tuberías: Los parámetros de funcionamiento de la bomba y el motor deben ser constantemente controlados, por lo que se requieren componentes e instrumentación que permitan ello

Derivado de lo que explica Fernández Figueroa, F. J. (2012) un sistema hidroneumático puede dividirse en tres:

1. Sección de succión, que tiene como función conducir el fluido desde el depósito, tanque o pozo hacia la bomba.
2. Sección de bombeo o impulsión, que tiene como función conducir el fluido desde la bomba hacia el sistema.
3. Sección de conducción, que tiene como función conducir el fluido a través del sistema hasta su destino.

Para la Sección de Succión, se tienen los siguientes componentes esenciales:

• Filtro: Puede ser una reja o criba que evite el ingreso de elementos extraños (tipo FOD) a la bomba que puedan causarle daño. El área total de agujeros debe ser como minimo de 2½ veces la sección transversal del tubo de conexión de la bomba.
• Válvula de pie: Sus varias funciones incluye la retención (antirretorno) del fluido, filtrado y mantener el cebado de la bomba, es decir, evitar que, cuando el sistema se detenga, toda el agua se fugue de la bomba y esta quede vacía (lo que puede provocar malfuncionamiento de esta)
• Codos y Tee: Permiten el cambio de dirección fijo del fluido, lo que ayuda a direccionar el fluido a la vez que permiten preestablecer un control fijo sobre el caudal.
• Reducciones y Bujes: Se usan cuando se requiere conectar tuberías y accesorios de diferente diámetro, o cuando se requiere reducir o aumentar la presión y velocidad del fluido. Deben instalarse directamente a las bridas de la bomba para reducir las pérdidas de carga hidráulica.
•  Válvulas de corte: Su función es controlar el caudal del fluido en la tubería, es decir, cerrar completamente el paso del fluido hasta permitir el máximo caudal posible, pasando por los estados intermedios donde se controla la cantidad de fluido que circula por el sistema dependiendo de la abertura de la válvula. Existen diferentes tipos de válvulas de corte dependiendo de las especificaciones de la sección donde se ubiquen en el sistema. Pueden ser accionadas de forma manual (para bajas presiones), mecánica (para medias presiones) o electromecánica (para altas presiones y cierres de emergencia)
•  Medidores de presión (Manómetros y Vacuometros): Miden, respectivamente, la presión de bombeo (a la salida de la bomba) y la depresión o vacío de succión (a la entrada de la bomba). En régimen de trabajo, miden la presión manométrica dinámica de la bomba con el respectivo caudal de descarga
•  Medidores de nivel: Permiten medir el nivel de líquido presente en los tanques o pozos. Actualmente se usan sensores eléctricos para esta función.
•  Medidores de caudal: Permiten medir el flujo del fluido (caudal) entregado por la bomba, así como calcular la velocidad de este. Esto es fundamental para calcular los tiempos de descarga, vaciado y llenado.
• Junta de expansión: Evitan la transmisión de los esfuerzos sufridos por la tubería a la bomba, protegiéndola de efectos no deseados o perjudiciales.
• Presostato: Tiene la función de actuar como interruptor eléctrico (swtich) del motor por activación con presión. Por lo tanto, debe ir debidamente conectado tanto a la parte eléctrica como al transductor hidráulico/neumático. Fundamental verificar su regulación donde la presión de arranque debe ser mínimo la suma de la altura del edificio más 20 mca. Igualmente, esta debe ser superior a la presión mínima de trabajo de la bomba instalada. La presión de parada normalmente no debe ser mayor que el punto máximo de la curva de presión de la bomba.

Fernández Figueroa, F. J. (2012) da las siguientes recomendaciones para la Tubería de succión:

1. La tubería de succión debe ser lo más corta posible, exenta al máximo de singularidades, con pendiente positiva siempre (ascendente) aunque se toleran trechos horizontales.
2. Nunca debe colocarse un codo en un plano horizontal directamente en la brida de admisión de la bomba
3. El diámetro comercial es generalmente inmediatamente superior al de la tubería de impulsión
4. Debe colocarse sólo los accesorios absolutamente necesarios. Se procura reducir al mínimo las necesidades en válvulas y piezas especiales.
5.   La altura máxima de succión aumenta con las pérdidas de carga, debe satisfacer la especificación de los fabricantes de la bomba (NPSH).

Para la Sección de Bombeo o Impulsión se tienen los siguientes componentes esenciales:

Las especificaciones más importantes en esta sección, que vienen determinadas por los parámetros matemáticos del sistema, son el diámetro del tubo, la velocidad del líquido, la presión ejercida por el líquido, la longitud de la tubería, el número y tipo de accesorios. Adicional a ello, se deben considerar los siguientes instrumentos:

•  Reducciones invertidas: Evitan la formación de las bolsas de aire de la sección de succión. Deben instalares directamente a la brida de descarga de la bomba.
•  Válvulas de Retención o Anti-retorno (Cheque): Su función es mantener una sola dirección de circulación del fluido, evitando que este se retorne por la tubería hacia el conjunto de la bomba. Dentro de sus funciones específicas, Fernández Figueroa, F. J. (2012) las detalla así:

-        Impedir la rotación inversa del motor

-        Preservar la bomba de sobrepresiones por golpe de ariete

-       Permitir el uso de tuberías, válvulas y accesorios de baja presión en el lado de succión de la bomba

-       Impedir el vaciado de las líneas de impulsión y posibles inundaciones de la instalación de las bombas

Se ubican antes de la válvula de cierre, claramente en sentido del flujo del líquido y en posición horizontal con respecto a la tubería. Existen válvulas de corte y de retención especiales para by-pass del líquido en situaciones especiales, en especial, para el cebado de la bomba

•  Válvulas de descarga: Se usan en la sección de conducción para la descarga de esta misma y la limpieza de sedimentos acumulados. Pueden ser manuales, electromecánica o hidráulica.
• Medidores de descarga: Miden la descarga de fluido a través de un registro continuo y un totalizador. Deben ser ubicadas lo más lejos posible del conjunto de bombas para evitar medidas imprecisas por las perturbaciones generadas en este.
• Codos y Tee: Permiten el cambio de dirección fijo del fluido, lo que ayuda a direccionar el fluido a la vez que permiten preestablecer un control fijo sobre el caudal.
• Válvulas de corte: Su función es controlar el caudal del fluido en la tubería, es decir, cerrar completamente el paso del fluido hasta permitir el máximo caudal posible, pasando por los estados intermedios donde se controla la cantidad de fluido que circula por el sistema dependiendo de la abertura de la valvula. Existen diferentes tipos de válvulas de corte dependiendo de las especificaciones de la sección donde se ubiquen en el sistema. Pueden ser accionadas de forma manual (para bajas presiones), mecánica (para medias presiones) o electromecánica (para altas presiones y cierres de emergencia)
• Tuberías: Deben ser instaladas adecuadamente donde se soporte las condiciones mecánicas de esta (peso de la tubería, presión estática, presión dinámica, flujo) al igual que debe evitar todos los efectos no deseados producidos por los esfuerzos mecánicos (esfuerzos, fricción, vibraciones, etc.)

En cuanto a la instalación de la bomba y la tubería de descarga, Fernández Figueroa, F. J. (2012) da las siguientes recomendaciones:

1. Para evitar posibles fugas en el equipo hidroneumático, se recomienda utilizar cinta de teflón (o pegamento para tubería de agua) en las roscas de cada uno de los accesorios que se van a ensamblar.
2. El diámetro de la tubería debe ser el mismo que el diámetro de descarga de la bomba, es recomendable utilizar tubería nueva, de preferencia que sea de cobre para una máxima eficiencia y duración.
3.  Es de importante cuidado no enroscar demasiado las conexiones de tubos o niples que van en la succión y la descarga de la bomba (apretar a mano y luego, con herramienta 1 ½ vuelta más).
4.  El tanque hidroneumático debe ser colocado en el lugar que haya sido destinado y a nivel requerido. Éste se debe localizar lo más cerca posible del interruptor de presión para reducir las diferencias de pérdidas por fricción, elevación y falsas señales.
5.  Generalmente los problemas posteriores son ocasionados por una mala conexión de la tubería, es de suma importancia ser cuidadoso al realizarlas.
   

Diagrama de instalación de sistema hidroneumático básico
Fuente: Fernández Figueroa, F. J. (2012).

Sistema eléctrico

Los elementos y conexiones eléctricas son de gran importancia en el conjunto de la bomba. Esto está definido según el tipo de motor y bomba a utilizar. Dentro de las recomendaciones dadas por Fernández Figueroa, F. J. (2012) están usar el cableado adecuado para la conexión del motor y la bomba, usar los elementos de protección adecuados para sobre cargas eléctricas y cortos circuitos, verificar los parámetros de operación del motor en su respectiva placa y verificar que la fuente de alimentación del motor sea la adecuado en sus parámetros eléctricos y seguridad física.

Especificaciones del motor monofásico
Fuente: Fernández Figueroa, F. J. (2012).

Calibración del tanque hidroneumático y Cebado de la bomba

El tanque debe ser calibrado en precarga antes de entrar en funcionamiento. Para ello el tanque debe estar sin liquido en su interior y la presión debe ser 2 psi menor a la presión de arranque del sistema, teniendo como máximo una precarga de presión no mayor a 70 psi

Entre tanto la bomba debe estar cebada, es decir, con líquido en su interior, llenando la tuviera de succión y la carcasa de la bomba para evitar bolsas de aire en el interior de esta que puedan generar un mal funcionamiento.

Otro fenómeno para tener muy presente, y uno de los más perjudiciales, es el golpe de ariete, que es una sobrepresión (60 a 100 veces la presión nominal de la tubería) generada por cambios abruptos e instantáneos en la presión y caudal del fluido. Cualquier componente puede sufrir este fenómeno que causa daños extremos en estos (roturas, fisuras, desconexiones, deformaciones). Fernández Figueroa, F. J. (2012) recomienda lo siguiente para contrarrestar el golpe de ariete:

1.  Limitación de la velocidad en tuberías.
2. Cierre lento de válvulas o registros.
3. Construcción de piezas que no permitan la obstrucción muy rápida.
4. Empleo de válvulas o dispositivos mecánicos especiales como las válvulas de alivio, cuyas descargas impiden valores excesivos de presión.
5. Fabricación de tubos con espesor aumentado, teniendo en cuenta la sobrepresión admitida.
6. Construcción de pozos de oscilación, capaces de absorber los golpes de ariete, permitiendo la oscilación del agua.
7.  Instalación de cámaras de aire comprimido que proporcionen el amortiguamiento de los golpes.

Aspectos fundamentales

Es pertinente relacionar las principales variables físicas que inciden en estos: Volumen, Caudal y Presión. Estas 3 son los parámetros principales que definen el diseño de un sistema hidroneumático y las especificaciones requeridas de sus componentes. Claramente existen otras variables que se desprenden de estas 3 y que hay que tener en cuenta a la hora del diseño.

·         Volumen: El volumen de agua no es mas que el espacio que ocupa esta. Simplemente es el producto de las longitudes espaciales del espacio coordenado (largo, ancho, alto)

Hidráulicamente existen diferentes medidas del volumen, siendo los más comunes con sus respectivos múltiplos y submúltiplos:

-          Metro cubico (m³)

-          Pie cubico (ft³)

-          Litro (lt)

-          Galón (gal)

-          Onza (Oz)

·         Presión: López, A. (1997, p. 29) define la presión P como “la fuerza normal F que actúa por unidad de superficie S”. Debido a la presión atmosférica y su variación con la altura, según el teorema de Bernoulli, la presión de cualquier fluido variara con relación a la altura donde se toma la medición. López, A. (1997, p.29-30) explica que hay diferentes tipos de presiones según su referencia de medición:

-          Presión absoluta

-          Presión diferencial

-          Presión manométrica

-          Presión atmosférica o barométrica

Se puede terminar matemáticamente como

                                                            P = F / S

Y se puede medir, según Monge Redondo (2017), a nivel de fluidos, en

-          Atmosfera (atm)

-          Bar (bar)

-          Kilogramo fuerza sobre metro cuadrado (kgf/m²)

-          Pascal (Pa)

-          Libra por pulgada cuadrada (psi)

-          Metro columna de agua (mca), siendo esta de gran importancia para la medición de tuberías equivalentes y su relación con respecto a la presión

·         Caudal: Monge Redondo (2017) define el caudal Q como el “volumen de agua V que atraviesa una superficie en un tiempo determinado t” definido matemáticamente como

Fig.9. Caudal
Fuente: Monge Redondo (2017)

Sin embargo, como muestra López, A. (1997, p.82-83) el caudal poder ser calculado de a partir de la velocidad del fluido y la superficie que atraviesa

Fig.10. Caudal vectorial
Fuente: López, A. (1997)

El caudal se mide en unidad de volumen por tiempo. Así, el caudal no es mas que el flujo (movimiento del fluido) que fluye en una determinada cantidad de tiempo que atraviesa una sección a lo largo de una longitud

Así, a partir de estas variables se pueden determinar otros parámetros matemáticos del sistema, como los que se relacionan a continuación:

Tipos y dimensiones de las pérdidas de carga

Existen 2 tipos de perdidas hidráulicas:

• Las producidas por la fricción del fluido con las tuberías longitudinales (conductores)
• Las producidas por los accesorios y elementos del sistema (codos, curvas, derivaciones, tomas, coladores, válvulas de retención, otros).

Teorema de Bernoulli Generalizado

Presión en términos de altura

Presión mínima de trabajo

Pérdidas por longitudes equivalentes

Potencia de la Bomba en CV

Tuberías equivalentes

Es la longitud equivalente de un accesorio o elemento del sistema, es decir, cada uno de estos puede expresarse matemáticamente y en diseño como una tubería recta de x longitud, donde dicho accesorio y su tubería equivalente generan la misma perdida de carga hidráulica (Fernández Figueroa, F. J. (2012))