Los
sistemas hidroneumáticos son la evolución de los sistemas de suministro de agua
por gravedad, su principal función es controlar la presión del sistema para que
el suministro del fluido sea continuo y no sufra indisponibilidad.
Este
documento tiene como propósito iniciar con el estudio, definición y apropiación
de los elementos que intervendrían en el sistema hidráulico propuesto y avanzar
en su diseño.
Una
delas estrategias para el desarrollo del trabajo propuesto es incorporar los
conocimientos previamente adquiridos como son neumática, hidráulica, control,
magnitudes físicas, simbología y manejo de software aplicado al diseño de
circuitos hidroneumáticos.
Teniendo encueta el estudio de caso se pretende realizar un estudio el cual nos de las características físicas de cada elemento a utilizar a demás la forma y dimensiones así nuestro diseño cumplirá con los estándares de calidad
Teniendo encueta el estudio de caso se pretende realizar un estudio el cual nos de las características físicas de cada elemento a utilizar a demás la forma y dimensiones así nuestro diseño cumplirá con los estándares de calidad
OBJETIVOS
Objetivo
general
Ø Dar
solución al problema propuesto en el caso de estudio Objetivos
específicos
Ø Estudiar
los elementos que intervienen en el sistema y definirlos
Ø Revisar
cuantas y cuáles son las partes que intervienen en el sistema para un buen
funcionamiento.
Ø Revisar
si el diseño cumple con lo que se está solicitando en el trabajo.
Ø Conocer
bien como es el funcionamiento de un sistema hidroneumático.
Ø Evaluar
que el lector haya comprendido el funcionamiento, el significado de cada parte
principal que lo compone
DESARROLLO
DE LA ACTIVIDAD
Caso de
estudio
En el centro comercial (LA GRAN
VIA) se desea obtener un sistema presurizado de agua, tal que sea capaz de
llevar este líquido a dos de los principales almacenes del centro comercial
desde un tanque principal del centro que se encuentran a gran distancia, se
desea desarrollar un sistema hidroneumático que pueda suplir esta necesidad.
El sistema hidroneumático que se
solicita debe contener un tanque hidroneumático capaz de llenar 2 tanques, cada
uno de 10000 𝑐𝑚3,
en el cual se debe anexar tanto las bombas centrifugas que logren hacer una
presión para suplir el llenado en el menor tiempo posible pero teniendo en
cuenta que la distancia recorrida entre el sistema hidroneumático y los tanques
de llenado es de 125 metros, como los cabezales de descarga bridadas y el
presóstato que se utilice debe hacer que el paso del agua llene un tanque a la
vez, ya que si se llenan todos al tiempo se pude elevar la presión, una vez se
tengan estos elementos también se debe diseñar el tablero de control e
indicadores los cuales visualizaran las presiones del sistema hidroneumático
como también el control de estas presiones y demás componentes que se
consideren necesarios para el buen funcionamiento de este sistema, las
conexiones hidráulicas se dejan a libre diseño pero deben tenerse en cuenta los
aspectos antes mencionados.
Con los componentes
del sistema hidroneumático, se debe diseñar las presiones que se ejecutaran
dentro del sistema, calculando las presiones máxima y mínima como también el
tipo de bomba que se utilizara y el área interna de este, se debe hacer el
análisis del tanque y la viabilidad de este, diseñando y calculando las
presiones internas que se manejan dentro del tanque y el sistema como tal, por
último se hace necesario utilizar un compresor que para ello se diseña mediante
el cálculo de las áreas intervinientes del sistema hidroneumático.
RESUMEN
RESUMEN
Para dar solución al caso de estudio se diseño un sistema hidroneumático
abastecido por una bomba centrifuga que capta agua de un tanque con la capacidad
suficiente para llenar los dos tanques. El
tanque hidroneumático se hiso con la
capacidad suficiente para llevar esta agua a una distancia de 125 metros tomando
en cuenta las perdidas de presión por distancia y el material de la tubería para
que el agua llene los tanques en un tiempo mínimo posible. Por otro lado se
diseño un tablero de control donde se muestran los mandos de la bomba centrifuga
y las válvulas de control hacia los tanques de llenado a demás tienen las
indicaciones de estado de cada una de estas válvulas y la bomba, para medir las
presiones tanto en el tanque hidroneumático como en la descarga de la bomba se puso
indicadores locales y en el tablero de control así poder visualizarla, del
mismo modo para el nivel de los tanques se uso sensores por sonda para tener una
medida exacta de nivel y poder llevar un control además para protección de
equipos o derrames.
Con todo esto se entrega un proyecto con las características
dadas por el cliente para dar un buen servicio del sistema.
Diagrama de flujo
Figura 1: Diagrama sistema hidroneumatico
COMPONENTES DE LOS SISTEMAS HIDRONEUMATICOS Y SUS CARACTERÍSTICAS
TANQUE HIDRONEUMATICO
Su función es almacenar y presurizar el
agua a una determinada presión para esto necesita de un suministro de agua que
llene el tanque y un sistema de presión de aire estas dos separadas por un
diafragma. Por lo tanto tendremos dos cámaras una de aire que este será constante a una determinada presión y la otra del agua que se va a presurizar, cuando el
agua llegue al tanque este se comenzará a llenar y a medida de que se llene
empujara el diafragma haciendo que el agua se presurice al ejércele una fuerza
opuesta gracias al aire. Al estar presurizado el tanque habrá una línea de
descarga por donde saldrá el agua a presión constante al consumidor o según para
donde se requiera.
Figura 2: Tanque hidroneumático.
BOMBAS CENTRIFIGAS
Una bomba centrifuga es un sistema
rotatorio empujado por un motor eléctrico que toma agua de un reservorio o
tanque de almacenamiento para llevarla hasta el tanque hidroneumático. Esta bamba
se energiza cuando el tanque hidroneumático presenta baja presión, asi mismo se
apaga cuando este con la presión adecuada.
Figura
3: Bomba centrifuga.
BRIDAS DE CABEZAL DE DESCARGA
Las bridas de descarga son las uniones de
la tubería a la bomba, estas bridas son de diferentes diámetros para diferentes
bombas o tuberías y llevan una serie de agujeros que dependen igual del
fabricante para poner los pernos de acople así asegurar la bomba a la tubería con
esto podemos desmontarla o montarla para temas de mantenimiento. No solo
encontramos estas bridas en la descarga si no en la succión o para unir tuberías
o válvulas.
Figura 4: Esquema
brida http://educativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/1000/1101/html/2_acoplamiento_entre_rboles.html
PRESOSTATO
El presostato es un switch o interruptor electroneumático
que su principal funcionamiento es que cuando la presión del agua comience a
subir este será calibrado a una presión adecuada para activar un contacto que
de una señal de alerta de presión. Este puede ser usado para apagar la bomba o
ajustar la presión en el sistema hidroneumático.
Figura 5: Esquema Presostato
VALVULA DE CORTE
Una válvula de corte en los sistemas
hidroneumáticos es muy importante para temas de mantenimiento esto para cortar el
paso de agua, estas válvulas su diámetro depende del diámetro de la tubería y por
lo general son válvulas de cortina para tuberías grandes o válvulas de bola. En
los sistemas hidroneumáticos encontramos válvulas ubicadas en la descarga de las
bombas, en la succión de las bombas, en las descargas de los tanques hidroneumáticos
y salida o entrada de tanques de almacenamiento.
Figura 6: Válvula corte
VALVULA CHEQUE
Las válvulas cheque o antirretorno también
llamadas si utilizan en estos sistemas para evitar que el agua que pase no se
devuelva por las tuberías en condiciones que no haya presión.
Estas válvulas son instaladas en la
descarga de las bombas para evitar que el agua se devuelva a l tanque cuando la
bomba no está en funcionamiento. Encontramos diferentes timos de válvulas cheques
como lo son de compuerta, de resorte, tipo bola o tipo pistón entre otras.
Figura 7: válvula cheque
TABLERO DE CONTROL
El tablero de control es el lugar donde podemos
operar y controlar todo el sistema hidroneumático ya sea en el arranque de las
bombas en control manual automática o controlar las diferentes presiones de
agua o aire en el tanque hidroneumático a demás podemos visualizar cada una de
estas señales y discrepancias de estado de los equipos, podemos incluir algunas
alarmas de fallas en los equipos y bloqueos en caso de mantenimientos.
Figura 8: Tablero
de control
INDICADORES
Podemos encontrar varios tipos de
indicadores ya sea locales o en el tablero de control que lo ideal es que sea
en los dos lugares ya que estos pueden quedar a grandes distancias. Encontramos
indicadores lumínicos que pueden ser pilotos de color rojo o verde para indicar
el estado de funcionamiento de las bombas o sistema hidroneumático. Además podemos
encontrar indicadores de presión de descarga de bomba o en del sistema hidroneumático
esta indicación puede ser digital en panel electrónico está en el tablero de
control y análoga en manómetros de presión para indicaciones locales.
Figura 9: Indicadores
Presión, Flujo, Discrepancias
JUNTA DE EXPANSIÓN
La junta de expansión o junta de expansión flexible, es una unión flexible de dos tramos de tubería que se encuentra por lo general en la descarga de la bomba y está diseñada para absorber los movimientos de la tubería generados por la presión del agua. Con esto evitamos que las tuberías sufran daños o las bridas se rompan y hallan fugas en los sistemas además también disminuye el ruido por la vibración de tubería.
SENSOR DE NIVEL
Los sensores de nivel son usados en tanques de agua su principal función es detectar niveles altos o niveles bajos de agua para así dar una señal o alarma para energizar o parar una bomba. Estos sin muy importantes ya que si el nivel del agua se baja mucho y la bomba que se abastece de esta agua sigue funcionando se puede dañar por trabajar en vacío. Estos sensores los hay de diferentes tipos como lo son en los tanques de almacenamiento pequeños pueden ser de flotador, también los hay tipo radar para tanques de mayor dimensión o de otro modo de presión diferencial. Del mismo modo todos pueden enviar una señal o cerrar una válvula para evitar que siga funcionando un equipo o le siga entrando agua al tanque y así se rebose.
Figura 11: Sensores de nivel
https://www.bloginstrumentacion.com/instrumentacion/como-funciona-un-medidor-de-nivel/
VALVULA DE SEGURIDAD
Este dispositivo debe garantizar las sobrepresiones generadas en el
tanque hidroneumático, cumpliendo con un alto grado de seguridad y
confiabilidad, su selección depende del diseño del sistema, el material de
fabricación y sus componentes de instalación. Su importancia radica en la
protección del sistema dando continuidad a la producción, y la seguridad e
integridad a las personas, al medio ambiente y a los equipos.
ELECTROVÁLVULAS
Es una válvula
electromecánica diseñada para controlar el paso de agua en nuestro sistema hidroneumático
está compuesta por una bobina que al energizarse se magnetiza y hace actuar un
embolo por medio del campo magnético generado ocasionado la apertura o cierre
de la válvula.
Accesorios
LAS TUBERÍAS
Son elementos
conductores del fluido, son muy importantes en los sistemas hidroneumáticos
Estas
tuberías se deben seleccionarse muy bien debido a que debe cumplir una serie de
requisitos
Como
exigencias de alta presión, que sean de un material resistente y adecuado para
el requerimiento solicitado. Por lo general esta tubería vienen de tramos de 6
metros.
LOS MANÓMETROS
son instrumentos
de medida de la presión en fluidos (líquidos y gases) en circuitos cerrados.
Miden la diferencia entre la presión del fluido y la presión atmosférica,
llamándose a este valor, presión manométrica. A este tipo de manómetros se les
conoce también como "Manómetros de Presión".
Lo
que realmente hacen es comparar la presión atmosférica con la de dentro del
circuito por donde circula al fluido. Por eso se dice que los manómetros miden
la presión relativa. Su función en nuestro sistema es identificar las áreas de
la red donde se evidencie ausencia de presión o problemas de baja
presión.
VARIADORES DE FRECUENCIAS
Son dispositivo
electrónico capaces de controlar la velocidad de un motor, a través del control
de la frecuencia, El uso de variadores de frecuencia para el control
inteligente de los motores tiene muchas ventajas financieras, operativas y
medioambientales ya que supone una mejora de la productividad, incrementa la
eficiencia energética y a la vez alarga la vida útil de los equipos,
previniendo el deterioro y evitando paradas inesperadas que provocan tiempos de
improductividad.
CALCULOS PRELIMINARES RED DE DSITRIBUCION
Vamos a diseñar un
sistema con un tanque de 10000 𝑐𝑚3
donde vamos a bombear inicialmente el agua desde el reservorio, llenando el
tanque en 1 minuto
10000
𝑐𝑚3=10
L=0,01m^3
Distancia
= 125 metros
Hallaremos la
presión mínima ya que esta se puede determinar a partir de las alturas de
trabajo con la siguiente formula: P=hCh.f
Determinar
perdidas
hf=
perdidas de tubería
Q=
caudal mˆ2/s
L=longitud
(mts)
C=
coeficiente de
D=
diámetro (mts)
Calcular caudal
Q = Volumen/Tiempo Q= 0,01mˆ3/
60s Q= 0,00016mˆ3/s
Coeficiente
El
coeficiente
Para
la tubería en acero galvanizado es = 125
Diámetro
Se escoge teniendo en
cuenta el caudal
Seria de ½” = 0,0127mts
Donde=
Accesorios
serian 2 curvas y 1 válvula cada una mide 25 mm = 75mm
hf= 10,67L*
(Qˆ1.852/Cˆ1.852*Dˆ4.87)
hf= 10,67(125.75)
* ((0,00016mˆ3/s)ˆ1.852/(125ˆ1.852)(0,0127 ˆ4.87)
hf= 31.307m
volvemos
a la fórmula de presión mínima que se determina a partir de la altura de
trabajo.
Altura de los
tanques 2mts
P= hCh.f
P= 2m+32.3017m P= 33.307m+31.3017mts
Volemos al
principio y remplazamos
P=phg P= (997kg/m)(33.307)(9.8m/sˆ2)
P= 325.429,9 (kg/m(m/sˆ2)
P= 47.19PSI
Presión diferencial:
Presión
mínima 50 PSI<Presion <60PSI presión máxima
Bomba:
Pot=
YQ(Ht)
Pot= (1.000kg/mˆ2)(0,00016mˆ3/s)(31.307m)
Pot = 5kw = 6.7hp
Volumen útil:
P(kw)
|
1.00
|
2.00
|
3.00
|
4.00
|
5.00
|
6.00
|
8.00
|
10.00
|
k
|
0,25
|
0,33
|
0,42
|
0,5
|
0,58
|
0,66
|
0,83
|
1,00
|
Vu = (Qmax)(k)
Vu= (0,00016mˆ3/s)(0.58)
Vu= 0.0000928 mˆ3/s
CONCLUSIONES
Para el desarrollo de este trabajo se tubo en
cuenta el caso de estudio propuesto Enel
que se diseñó un sistema hidroneumático que
nos llene dos tanques que se encuentran a una distancia de 125 metros por lo
que se realizaron los cálculos necesarios para asi tener claro cada uno de los
materiales y equipos que se tienen que utilizar para obtener un óptimo rendimiento. Para esto se hizo un pazo a pazo comenzado
con darles a conocer las principales características que componen cada elemento
del sistema hidroneumático y su funcionamiento.
Teniendo
en cuenta los objetivos planteados se da cumplimento a cada uno de ellos y se
logra dar solución al caso de estudio.
BIBLIOGRAFIA
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López, A. (1997). Manual de Hidráulica. Digitalia
Publicaciones Universidad de Alicante.
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Sánchez, M. Bladé, E, & Puertas,
J. (2005). Hidráulica. Barcelona: Universidad Politécnica de Catalunya.
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(2011). Circuitos de fluidos: suspensión y dirección.
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Mobley, R. Keith (2000). Fluid Power Dynamics.
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Parr, E. A. (2000). Hydraulics and Pneumatics.
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Carulla,
M. & Lladonosa, V. (1993). Circuitos básicos de neumática.
