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Este documento es un reporte de practica que en el cual se busca mostrar el proceso de automatización que se realizó para una aplicación practica en una industria, en el cual se buscaba por medio de la automatización un control secuencial de un sistema de bombeo. Dentro su contenido se encuentra el contexto necesario para entender los equipos como son las bombas de engranajes, la programación realizada en lenguaje Ladder, su presentación en una HMI, diagramas multifilares, etc.
Tipo: Ejercicios
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2. OBJETIVOS
Presentación de un marco teórico que ponga en contexto y fundamentos al lector del reporte para que pueda comprender mejor, aunque sea de manera general de los equipos que se estarán utilizando para el desarrollo de la práctica.
Realizar un control de secuencia o plantear una solución para un control de secuencia de arranque de unas bombas.
Generar una selección de equipo adecuado para ese control de secuencia y también una cotización para los materiales y equipo seleccionado.
Generar los diagramas eléctricos a detalle de cómo se conectara el instrumental y los dispositivos unas vez que se lleve el proceso o el proyecto a planta.
Presentar por medio de un reporte todo el procedimiento que se realizó para llevar a cabo las actividades mencionadas anteriormente, explicando de manera detallada como es que funcionan o como se obtuvieron esos resultados que hacen funcionar la secuencia de arranque.
Por ultimo generar una retroalimentación o conclusión de todo lo que se realizó para poder señalar las ideas más importantes del procedimiento.
3. MARCO TEORICO
Las bombas de desplazamiento positivo son equipos hidrostáticos. Bombean un volumen definido independientemente de las revoluciones del motor, pero de manera prácticamente independiente de la presión. Se trata de bombas de bombeo forzado que, a pesar de sus distintos principios constructivos, a menudo son capaces de dominar tareas de bombeo similares.
Dicho de otra forma, las bombas de desplazamiento positivo mueven el líquido creando un desequilibrio de presión dentro de un entorno sellado. Este desequilibrio hace que el líquido se mueva de un lugar a otro en un intento de equilibrar la presión. Este tipo de bomba solo se usó con líquidos y es un método simple de crear un flujo constante.
En las bombas de desplazamiento positivo, hay dos cavidades: una cavidad de succión en expansión y una cavidad de descarga decreciente. Al comienzo del ciclo, la cavidad de succión es más pequeña que la cavidad de descarga. A medida que el líquido entra, el lado de succión se expande. Esto cambia la presión interna. A medida que el líquido se mueve, la cavidad de succión contrae, recreando el desequilibrio de presión original.
No existe un cabezal de cierre en este tipo de bomba, por lo que se debe tener cuidado para garantizar que la válvula de seguridad o de alivio está operativa. El uso adecuado de esta válvula asegura que se mantenga el equilibrio de presión adecuado dentro del sistema de bombeo. Si la cavidad de descarga está cerrada, pero la bomba está funcionando, la línea o tubería por la que se mueve el líquido puede reventar. Esto sería causado por la creciente cantidad del líquido que se empuja hacia la cavidad de descarga. Si la línea estalla, todo el líquido que intentaba entrar en la cavidad de descarga se derramaría por la bomba, creando un gran lio.
Hay dos clases principales de bombas de desplazamiento positivo: raíces reciprocas y helicoidales. Una bomba reciproca también se conoce como bomba de embolo o de diafragma. La bomba de embolo tiene una culata, donde se encuentran las cavidades de succión y descarga. Con el movimiento hacia adelante, el embolo empuja el líquido hacia afuera. La carrera de succión retrae el embolo y abre la cavidad de succión para tirar del fluido hacia el cilindro.
Una bomba de embolo genera una gran cantidad de energía desperdiciada en los extremos opuestos del ciclo de bombeo. Una bomba de diafragma utiliza el mismo movimiento de embolo presurizado para mover el diafragma dentro de la propia bomba. Este tipo de bomba se usa para materiales peligrosos, ya que el material de diafragma se usa para contener el líquido lejos del operador.
La bomba de raíces helicoidales también se conoce como bomba Wendelkolben. Se utiliza en situaciones en las que el líquido tiene una alta viscosidad y se requiere una acción de bombeo más suave. Estas bombas de desplazamiento positivo utilizan dos rotores helicoidales retorcidos en ángulo recto para generar una tasa de pulsación baja. Se utiliza una línea de sellado de forma triangular en las entradas de la cavidad de succión y descarga para garantizar un flujo continuo y uniforme.
-Bombas rotatorias de tornillo: En su interior se encuentran de uno a tres tornillos que giran entre sí para desplazar el líquido axialmente a lo largo de la carcasa. Las bombas que poseen un solo tornillo cuentan con un rotor metálico en forma de espiral que gira en un estator de hélice. Cuando las bombas rotatorias poseen más de un tornillo, estos giran cada uno en contacto con el otro y pueden utilizar roscas opuestas para reducir el empuje axial.
-Bombas rotatorias de aspas: Equipadas con un sistema de aspas articuladas que utilizan la fuerza centrífuga para desplazar el líquido con fuerza hacia el tubo de salida.
-Bombas rotatorias lobulares: su funcionamiento es muy similar a las bombas de engranajes. Cuentan con dos o más rotores con varios lóbulos por cada rotor para impulsar el líquido hacia el tubo de descarga. Estos giran entre sí de manera sincronizada con la ayuda de engranes externos.
Bombas reciprocantes: Las bombas reciprocantes funcionan gracias que los pistones de la maquina crean un vacío parcial dentro del cilindro, lo que hace que el fluido se puede elevar gracias a la presión atmosférica. La cantidad de líquido que ingresa al espacio de desplazamiento depende de la velocidad a la que trabaje la bomba, las dimensiones de sus válvulas de entrada y la cantidad de material sellante de las válvulas y del pistón.
Este tipo de bombas de agua se caracterizan porque logran un alto nivel de presión en el líquido con un flujo pulsante. Su funcionalidad autocebante evita que se requieran bombas de vacío o válvulas adicionales para su correcta operación y son altamente adaptables para una puesta en marcha ya sea a mano o por medio de un motor.
-Bombas reciprocantes de pistón: Su funcionamiento se basa a partir del movimiento reciprocante de uno o varios émbolos o pistones, que permiten que el líquido se desplace desde la válvula, hasta el interior de la bomba para que posteriormente salga a presión por la tubería de descarga. Las bombas reciprocantes de pistón cuentan con un sistema biela-manivela que se encuentra en constante movimiento para lograr que la presión de trabajo no supere las 140 atmosferas.
-Bombas reciprocantes de diafragma mecánico: Muy similares a las bombas de pistón, con la diferencia de que estas no permiten que la presión de trabajo llegue a niveles tan elevados como en las de pistón. Esto ocurre gracias a que la cámara de compresión de volumen se logra por la deformación de un diafragma y no debido al movimiento de un pistón o embolo.
Caracteristicas de las bombas reciprocantes.
En las bombas reciprocantes el piston crea un vacio parcial dentro del cilindro permitiendo que el agua se eleve ayudad por la presion atmosferica. Como hace falta un espacion determinado de tiempo para que se llene el cilindro, la cantidad de agua que entra al espacio de desplazamiento dependera de la velocidad de la bomba, el tamaño de las valvulas de entrada y la efectividad del material sellante de las valvulas y del piston.
Debido a la resistencia friccional que se desarrolla en sus partes en movimiento, las bombas reciprocantes tienen una eficiencia relativamente baja; las perdidas en las correas, lo engranes y las chumaceras se añaden a la resistencia de las partes moviles para dar un rendimiento bajo en proporcion a la potencia suministrada por la unidad motriz.
Las valvulas de las bombas de piston son de dos tipos las de succion, que permiten la entrada al aespacio de desplzamiento, y las de descarga, que dejan que el agua pase hacia el tubo de descarga. Estas valvulas operan por la fuerza que ejerce sobre ellas el peso del agua, o por la accion ejercida por elemento de desplazamiento.
Ventajas y desventajas de las bombas reciprocantes.
Las ventajas de las bombas reciprocantes son:
Alta presion disponible.
Autocebantes (dentro de ciertos limites).
Flujo constante para cargas a presion variable.
Adaptabilidad a ser movidas manualmente o por motor.
Las desventajas son:
Baja descarga. Baja eficiencia comparada con las bombas centrifugas. Muchas partes moviles. Requieren mantenimiiento a intervalos frecuentes. Succion limitada. Costo relativamente alto para la cantidad de agua suministrada. Requieren un torque considerable para llevarles a su velocidad. Flujo pulsante en la descarga.
Caracteristicas de las bombas rotatorias.
Las bombas rotatorias son unidades de desplazamiento positivo, que consisten en una caja fija que contiene engranes, aspas u otros dispositivos que rotan, y que actuan sobre el liquido atrapandolo en pequeños volumenes entre as paredes de la caja y el dispositivo que rota, desplazando de este modo el liquido de manera similar a como lo hace el piston de una bomba reciprocante.
Pero las bombas rotatorias en vez de suministrar un flujo pulsante como sucede con las bombas reciprocantes, descargan un flujo uniforme, por el movimiento de rotacion de los engranes que es bastante rapido.
Las bombas rotatorias se usan generalmente para aplicaciones especiales, con liquidos viscosos, pero realmente pueden bombear cualquier clase de liquidos, siempre que no contengan solidos en suspension. No obstante, debido a su construccion, su uso mas comun, es como bombas de circulacion o de transferencia de liquidos.
Caracteristicas principales:
Son de accion positiva. Desplazamiento rotativo. Flujo uniforme. Construccion compacta. Carga alta. Descarga relativamente baja. Velocidades de operación moderadas a altas. Pocas partes moviles. Requieren toda la potencia para llevarlas a su velocidad de operación. Flujo constante dentro de ciertos limites para carga variable. Aspiracion limitada.
Como las piezas que originan el desplzamiento son de metal y rotan, el contacto metalico entra las partes moviles originan desgastes que posibilitan resbalamientos a altas presiones, es por eso que la efectividad de las bombas rotatorias desminuye con el uso.
3. Las turbo máquinas basadas en la ecuación de Euler, en general, no son reversibles. Si una bomba centrifuga trabaja como turbina, se reduce su eficiencia y en algunos casos la bomba no produce ninguna potencia útil. Esto se debe a que los ángulos de los alabes desempeñan un papel decisivo en la transmisión de energía en una bomba centrifuga, pero al funcionar esta como turbina, los alabes no poseen ya que los ángulos apropiados. Por el contrario, todas las maquinas basadas en el principio de desplazamiento positivo fundamentalmente son reversibles. El que algunas máquinas no lo sean en la práctica, no se debe a la mecánica del fluido si no a la mecánica del aparato. 4. Las bombas de desplazamiento positivo se emplean casi exclusivamente en las transmisiones y controles, quedando prácticamente eliminadas las turbo máquinas de esta área.
Para ello existen dos razones:
a) En las turbo máquinas al varias la presión varía el caudal. Si por ejemplo, se emplease una bomba roto dinámica para el sistema de presión del accionamiento hidráulico de una excavadora, al encontrar esta mayor resistencia en el terreno, se reduciría la velocidad de trabajo de la misma. En una aplicación de estas se usan bombas de desplazamiento positivo.
b) Una bomba roto dinámica tiene una presión máxima. Si aumenta la resistencia también aumenta la presión suministrada por la bomba, pero esta no puede vencer la resistencia que cede la presión máxima de la bomba en cuestión. En una bomba de desplazamiento positivo no pasa esto.
5. Las bombas de desplazamiento positivo y en especial las bombas de embolo prácticamente no tienen límites de presiones. Actualmente se construyen para presiones de más de 15, lb/plg. Para aumentar la presión basta construir una bomba más robusta y dotarla de un motor más potente.
El principio de desplazamiento positivo demuestra que cualquier presión es alcanzable. Sin embargo, las bombas rotatorias, con excepción de las de tornillo, no son adecuadas para presiones mayores de 500 lb/plg. Por su parte las bombas roto dinámicas centrifugas (radiales y radio axiales) y axiales desarrollan grandes presiones si se aumenta el número de pasos; pero si el número de estos es excesivo, la eficiencia disminuye mucho.
Sin embargo en el campo de las grandes presiones, existe la tendencia de usar las bombas roto dinámicas, las bombas construidas para la alimentación de calderas de vapor en las plantas termoeléctricas desarrollan presiones de más de 5,000 lb/plg.
6. Diferencia en gastos suministrados. Las bombas de embolo solo son adecuadas para gastos limitados. Para aumentar el gasto ellas habría que aumentar el tamaño de la bomba, ya que, en estas máquinas de flujo pulsatorio, los fenómenos de inercia impiden aumentar el gasto mediante el aumento de la velocidad. En cambio, las bombas centrifugas y axiales se adaptan fácilmente a grandes caudales.
La bomba alternativa es una bomba de movimiento alternativo compuesta básicamente de un cilindro cerrado que contiene un pistón o émbolo buzo como mecanismo de desplazamiento. El líquido es llevado al cilindro a través de una válvula de entrada y forzado a salir por una válvula de salida. Cuando el pistón actúa sobre el líquido en un extremo del cilindro, la bomba se llama de acción simple; cuando actúa en ambos extremos se llama de acción doble. Las bombas alternativas están formadas por un pistón que oscila en un cilindro dotado de válvulas para regular el flujo de líquido hacia el cilindro y desde él. Estas bombas pueden ser de acción simple o de acción doble. En una bomba de acción simple el bombeo sólo se produce en un lado del pistón, como en una bomba impelente común, en la que el pistón se mueve arriba y abajo manualmente. En una bomba de doble acción, el bombeo se produce en ambos lados del pistón, como por ejemplo en las bombas eléctricas o de vapor para alimentación de calderas, empleadas para enviar agua a alta presión a una caldera de vapor de agua.
En las bombas alternativas la energía de presión transmitida al líquido se logra a través del movimiento alternativo (o reciprocante) de un pistón o diafragma que en su acción alterna de trabajo succiona y comprime un volumen de líquido constante en cada carrera. Son del tipo de desplazamiento positivo es decir que el caudal que erogan no depende de la contrapresión del sistema, sino que es función propia de las dimensiones del conjunto cilindro-pistón, de la velocidad del movimiento, de las condiciones de succión y del rendimiento.
Dicho de otro modo si la presión del sistema varia, la bomba absorberá más o menos potencia, pero el caudal entregado será el mismo.
Pueden normalmente auto cebarse dentro de un cierto tiempo, extrayendo los vapores de la línea de succión hacia el sistema de descarga.
Se fabrican de “simple efecto” una compresión por cada carrera y “doble efecto” dos compresiones por carrera, en el momento que un extremo del cilindro se está llenando el otro extremo está comprimiendo, bombeando liquido tanto en avance como en retroceso.
Los términos simplex, dúplex, triplex, quituplex estan asociados al número de pistones dispuestos en el cuerpo hidráulico: 1, 2, 3 y 5.
La acción cíclica del movimiento alternativo origina también un efecto cíclico en el caudal erogado que es compensado por la cantidad de pistones y su disposición geométrica en el recorrido.
Capacidad, Rendimiento y Potencia.
El movimiento alternativo de los pistones define las características cinemáticas de la bomba.
La velocidad instantánea será cero en los puntos muertos y máxima en la mitad de la carrera, siguiendo una curva senoidal a lo largo de la misma.
Al ser el caudal función de la velocidad también seguirán una ley senoidal pues el área del cilindro es constante (Recordar que el caudal es Q = A x V).
Como la presión de descarga es función del caudal esta también será senoidal. Por lo tanto los tres parámetros serán “Pulsantes”.
El fenómeno de pulsación se repite para cada pistón, pero el efecto se va amortiguando por la superposición de las ondas senoidales desfasadas entre sí de todo el conjunto de pistones.
Las condiciones de pulsación propias del bombeo alternativo se ven magnificadas si el llenado de la bomba no es bueno.
Para minimizar sus efectos se recurre al montaje de amortiguadores de pulsación tanto en la succión como en la descarga.
Las bombas alternativas no tienen, al igual que las centrifugas, una curva característica, ya que por ser de desplazamiento positivo el caudal de bombeo es independiente de la presión del sistema.
Los fabricantes proveen tablas que especifican los valores de caudal en función de:
Diámetro de los pistones. Carrera. Emboladas por minuto.
El diámetro de los pistones limitara la máxima presión de trabajo del conjunto. A medida que el diámetro disminuye, la presión contra la cual la bomba puede trabajar será mayor, pero el volumen barrido será menor por lo que el caudal disminuirá.
Lo inverso ocurre si aumentamos el diámetro.
Los caudales se tabulan basados en una eficiencia volumétrica del 100 % (sin perdidas).
Rendimiento Volumétrico.
Rendimiento Energético.
Potencia Hidráulica.
Define el trabajo efectivamente hecho sobre el líquido por la bomba.
La fórmula siguiente es muy útil para determinar luego en función del rendimiento, la potencia necesaria mecánica o eléctrica que necesitaremos para los requerimientos de caudal y presión del sistema.
Consideraciones de Instalación y Operación.
Al igual que en las bombas centrifugas la instalación anexa a la bomba será determinante en su trabajo eficiente en el tiempo.
La instalación de alimentación diseñada debe asegurar, para cualquier solicitud de caudal, el ANPA requerido por la bomba.
Será de fundamental importancia los diámetros de las cañerías de alimentación, así como las longitudes a los tanques (tan corta y recta como sea posible).
Las válvulas deber ser de apertura total y de recirculación en caso de reapertura de la válvula de seguridad o para el control de caudal debe reingresar al tanque, nunca a la línea.
El buen diseño de la soporteria y el conexionado libre de tensiones reducirían la vibración del sistema.
Los filtros de succión deben mantener un pasaje completo en todo momento, asegurando que su sección de pasaje sea igual o mayor a 3 veces el área de la cañería.
La cañería de impulsión deber estar libre de restricciones y de cambios de dirección hasta por lo menos 5 o 6 mts. De la brida de descarga de la bomba.
La utilización de amortiguadores es muy conveniente en los casos en que la bomba se utilice en diferentes regímenes de caudal. Estos se construyen con una vejiga interna de goma cargada con nitrógeno de manera que la energía de pulsación de líquido es absorbida en un ciclo y devuelta en el otro mantenimiendo un flujo sin picos serios de variación.
La bomba debe ser puesta en marcha siempre con la válvula de descarga y recirculación abiertas, posteriormente se deberá tomar agua cerrando progresivamente la válvula de recirculación hasta alcanzar el régimen de bombeo deseado.
Como en toda instalación los ruidos y vibraciones anormales que se presenten son indicativos para el operador de posibles fallas.
La válvula de seguridad y su rápida respuesta es fundamental para la vida del equipo ya que un bloqueo aguas abajo producirá un aumento y golpe de presión de serias consecuencias.
-De engranajes:
De engranajes externos. De engranajes internos. De tornillos. De lóbulos.
-De paletas:
Deslizantes. Oscilantes.
Descripción de las bombas más comunes.
1. Máquinas de paletas deslizantes. En apartados anteriores ya se describió la máquina de paletas deslizantes, y se vio como gracias a la excentricidad, la cámara entre el rotor y el estator aumenta y disminuye de volumen. Esta máquina se construye como máquina de desplazamiento fijo y como máquina de desplazamiento variable. Para variar el desplazamiento basta variar la excentricidad del rotor. Si la excentricidad es 0 el desplazamiento es nulo también. Existen unidades que incorporan dos bombas de este tipo conectadas de múltiples maneras con controles automáticos: en paralelo con salida común o distinta; en paralelo pero unidades de distinto caudal; en serie y finalmente con posibilidad de funcionamiento en serie o en paralelo. 2. Máquina de émbolos radiales. Esta máquina es muy utilizada para trabajo pesado en prensas, maquinaria de acererías, etc., así como en máquinas-herramientas, etc., y se adapta con facilidad al tipo de desplazamiento variable. Se construyen hasta presiones superiores a 250 bares. Consta de
Bloque cilíndrico central fijo: que tiene la forma de la imagen de abajo, los dos orificios de arriba corresponden, por ejemplo, a la admisión y los dos de abajo a la impulsión; la cruceta central mantiene incomunicadas las dos admisiones de las impulsiones.
Bloque cilíndrico excéntrico: que gira alrededor del anterior. Este bloque tiene un cierto número de cilindros con sus émbolos respectivos.
Rotor o anillo : que gira arrastrado por las cabezas de los émbolos que se mantienen en contacto con el rotor por la fuerza centrífuga. Al girar el bloque con los émbolos estos se mueven con movimiento alternativo, con relación al bloque, realizando la aspiración e impulsión.
Estator: que en las máquinas de desplazamiento variable, como la de la figura de abajo puede deslizar sobre guías. La figura indica esquemáticamente como al moverse el estator se varía la excentricidad y con ella el desplazamiento, que el rotor pierda su alineamiento.
