FASE 2
TRABAJO COLABORATIVO
Presentado por: Héctor Eduardo Alarcón Castro 4208385
Código de la materia 243011 Grupo 1
Presentado a: Fabián Bolívar Marín
SISTEMAS HIDRONEUMATICOS
Universidad Nacional Abierta y a Distancia - UNAD 23-10-2016
Tabla de contenido 1
Introduccion. Resumen.4 Objetivos5 Caso de estudio6 Calculo del sistema 7 Componentes a usar para el sistema17 Conclusiones 19 Bibliografía20
Introducción 2
El presente trabajo tiene como finalidad conocer los diferentes conceptos, referenciados a circuitos de fluidos, suspensión y dirección, donde encontramos temas relacionados a nuestro problema planteado, siendo necesario identificar los temas aplicados que conllevan a un mayor entendimiento del principio de la hidroneumática. De igual manera se logra reconocer todos los componentes aplicados a esta ciencia, donde destacamos las magnitudes y leyes de los circuitos de fluidos, los componentes neumáticos e hidráulicos y la simbología aplicada a la neumática e hidráulica.
Resumen
3
De acuerdo al problema planteado, se realizara el proceso de reconocimiento teórico del contenido de las diferentes temáticas propuestas, de acuerdo a su contenido compartiremos los aspectos principales, los cuales relacionamos; las leyes del circuito de fluidos, aquí solo referenciamos lo correspondiente a la presión de los fluidos y las propiedades de los líquidos y gases, también haremos referencia a los componentes propios de circuitos neumáticos donde reconoceremos el tratamiento del aire comprimido, identificación de las diferentes válvulas y actuadores. Después de conocer los elementos neumáticos, identificamos los circuitos hidráulicos y el tipo de bombas hidráulicas, entre los componentes de un circuito, es necesario conocer válvulas y actuadores hidráulicos para poder combinar los circuitos neumáticos e hidráulicos. Revisada la parte teórica de los temas tratados identificaremos los elementos que serán necesarios para la solución del problema planteado.
Objetivos
Conocer las ventajas en la aplicación de los sistemas neumáticos 4
Conocer las magnitudes y leyes de los fluidos Identificar los tipos de compresión, de acuerdo a su necesidad. Conocer el tipo de canalización de los circuitos hidroneumáticos. Identificar las válvulas que se requieren usar para la solución del problema planteado. Conocer la simbología usada en los circuitos eléctricos, hidráulicos y neumáticos.
Caso de estudio En una empresa de plásticos (PLASTICOL S.A.) se desea obtener un sistema presurizado de agua, tal que sea capaz de llevar este líquido a los tanques de mezclado de los compuestos 5
químicos que se encuentran a gran distancia desde la fuente hasta la planta de mezcla, en donde 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 5 tanques de mezcla cada uno de 5000 ��3, 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 580 metros, como los cabezales de descarga bridadas y el preostato 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.
Información entregada
1 Tanque de mezcla cada uno de 5000 cm3 = 0.005 m3 = 5 L Tiempo = 42 segundos 5 tanques de mezcla = 0.025 m3 = 25 L Tiempo = 210 segundos Distancia de llenado 580 m
Calculo del sistema 1. Determinar caudal 6
Para este problema vamos a suponer que queremos llenar los 5 tanques de 5000 cm3 (5 litros), cada uno, en 30 segundos, es decir se van a llenar 25 litros en 210 segundos Sabemos que: Q=
V t
Donde:
Q=
[ ] m s
3
Q= caudal del fluido
t = tiempo de llenado [ s ]
3 V = volumen del tanque [ m ]
0.025 m 21 0 s
3
3
Q=1,19
m s
2. Determinar diámetro de la tubería Sabiendo el caudal y utilizando la siguiente tabla para determinar una velocidad aproximada podemos determinar el diámetro aproximado de la tubería a utilizar
7
De la fórmula de continuidad tenemos D=
√
4∗Q π∗v
Donde:
D=
D=
√ √
[ ] m3 s
Q= caudal del fluido
v = velocidad del fluido
D = diámetro de la tubería [ m ]
[ ] m s
4∗1, 19 4 π∗3 4,476 9,424
D=0,688 m
3. Determinar cargas
Perdidas de carga por fricción en tubería recta
Para el cálculo de las pérdidas de carga se ha tomado como base la fórmula de Hazen & Williams, ya que es una de las más populares para el diseño y análisis de sistemas de agua. Su uso está limitado al flujo de agua en conductos mayores de 2 pulgadas y menores de 6 pies de diámetro. hf =
10.643∗Q1.85∗L 1.85 4.87 C ∗D
8
Donde
[ ] m s
3
Q= caudal del fluido
L = Longitud del tramo de tubería [ m ]
D = diámetro de la tubería [ m ]
C = coeficiente que depende de la naturaleza de las paredes de los tubos (ver tabla)
hf =
10.643∗1,191.85∗580 1301.85∗0,6884,87
hf =
10,643∗1,379∗580 8143,20∗0,16
hf =
8512,48 669,31
9
h f =12,71 m
4. Perdidas presión en válvulas y conexiones Cualquier obstáculo en la tubería cambia la dirección de la corriente en forma total o parcial, altera la configuración característica de flujo y ocasiona turbulencia, causando una pérdida de energía mayor de la que normalmente se produce en un flujo por una tubería recta. De esta forma, tanto las Pérdidas por Fricción como las Pérdidas Localizadas, para cada diámetro en el sistema, serán evaluadas con la misma ecuación de Pérdidas por Fricción para obtener la Pérdida Total (ht) del sistema, sólo que a la longitud de tubería real (Lr) se le adicionará la suma de la Longitud Equivalente de cada accesorio. La tabla indica la longitud equivalente respecto a cada accesorio y su diámetro. Las longitudes equivalentes de la tabla corresponden a tuberías de hierro fundido. Deben usarse factores de corrección para otros materiales con la siguiente formula C 100
1.85
FC=
( ) 130 100
1.85
FC=
( )
1.85
FC=( 1,3 )
FC=1,62 m Longitudes equivalentes a pérdidas locales (en metros de tubería de hierro fundido
10
Las pérdidas por longitud serán: Ʃhf =hf + fc
Ʃhf =12,71+1,62
11
Ʃhf =14 , 33 5. La presión residual Es aquella presión óptima, la cual debe vencer el sistema de bombeo para poder mandar el agua hasta un punto deseado, el cual es considerado hidráulicamente como el más desfavorable. hr=1 p si=2,31 ft=0,7041 m En los puntos de consumo la presión residual (presión mínima) deberá ser: 4,27 libras por pulgada cuadrada.
6. Carga o altura dinámica total de bombeo (ADT) La Carga Dinámica Total de bombeo representa todos los obstáculos que tendrá que vencer un líquido impulsado por una máquina (expresados en metros de columna del mismo) para poder llegar hasta el punto específico considerado como la toma más desfavorable. La expresión para el cálculo de ADT proviene de la ecuación de Bernoulli: 2
ADT =h+∑ h f +
v +h 2g r
h = Altura geométrica entre el nivel inferior y el superior del líquido. ∑h f = La sumatoria de todas las pérdidas (tanto en tubería recta como en accesorios)
que 2 V 2g
hr =¿
sufre el nivel de succión y el de descarga = Energía cinética o presión dinámica presión residual que debe vencer la bomba cuando el fluido llegue a su destino o
punto más desfavorable Velocidad media; es la distancia recorrida sobre la trayectoria en un intervalo de tiempo dado, tenemos la velocidad media sobre la trayectoria o rapidez media, la cual es una cantidad escalar. La expresión anterior se escribe en la forma:
12
v=
∆s ∆t
v=
580 210
v =2,76 m/s ADT =2+14,33+
ADT =16,33+
2,762 + 4,27 2( 9,807)
7,61 + 4,27 19,614
ADT =20 , 98
7. Dimensiones de la bomba La primera consideración al seleccionar el tamaño de las bombas, es el hecho de que deben ser capaces por si solas de abastecer la demanda máxima dentro de los rangos de presiones y caudales, existiendo siempre una bomba adicional para alternancia con la (s) otra (s) y para cubrir entre todas, por lo menos el 140 por ciento de la demanda máxima probable.
Potencia requerida por la bomba
La potencia de la bomba para un sistema hidroneumático, representa la potencia requerida por la bomba para transferir líquidos de un punto a otro y la energía requerida para vencer sus pérdidas. Podráá́ calcularse por la fórmula siguiente: Pot=
γ∗Q∗H T 76∗n 100
Donde:
Pot = Potencia de la bomba en Caballos de Vapor (CV) 13
1 CV = 0,985923257373 HP 1 HP = 1,014277726508357 CV
kg γ =¿ Densidad del agua 1000 3 m
Q= caudal del fluido HT
[ ] m s
3
= Carga Dinámica Total [ m ]
n = eficiencia de la bomba
Bombas chicas ¾” a 2” de succión = 30 – 50%. Bombas medianas 2” a 6” de succión = 50 – 75%. Bombas grandes 6” o mayores = 75 – 80%. Las bombas deben seleccionarse para trabajar contra una carga por lo menos igual a la presión máxima en el tanque hidroneumático.
Pot=
Pot=
1000∗1,19∗20.98 76∗80 100 24975,7 60 , 8
Pot=410 ,7 8
8. Presión mínima La presión mínima de operación Pmin (PSI) del cilindro en el sistema hidroneumático deberá ser tal que garantice en todo momento, la presión requerida (presión residual) en la toma más desfavorable, podrá ser determinada por la fórmula siguiente: 14
2
Pmin=h+∑h f +
v +h 2g r
Donde:
h = Altura geométrica entre el nivel inferior y el superior del líquido. ∑h f = La sumatoria de todas las pérdidas (tanto en tubería recta como en accesorios)
que V2 2g
sufre el nivel de succión y el de descarga = Energía cinética o presión dinámica
hr =¿
presión residual que debe vencer la bomba cuando el fluido llegue a su destino o
punto más desfavorable
Pmin=2+14,33+
Pmin=16,33+
2,762 + 4,27 2(9,807)
7,61 + 4,27 19,614
Pmin=20 , 98 psi
9. Presión máxima El artículo número 205 de la Gaceta Oficial 4.044 Extraordinario, recomienda que la presión diferencial, no sea inferior a 14 metros de columna de agua (20 PSI). Sin embargo, no fija un límite máximo que se pueda utilizar, por lo que hay que tener en cuenta que al aumentar el diferencial de presión, aumenta la relación de eficiencia del cilindro considerablemente y por lo tanto reduce en tamaño final del mismo; pero aumentar demasiado el diferencial puede ocasionar inconvenientes, pequeños, tales como un mayor espesor de la lámina del tanque, elevando así su costo y obligando a la utilización de bombas de mayor potencia para vencer la presión máxima, o graves, tales como fugas en las piezas sanitarias y acortamiento de su vida útil. La elección de la Presión Máxima se prefiere dejar al criterio del proyectista
De acuerdo a este articulo nuestra presión máxima de 40,98 Psi 15
10. Dimensionamiento del tanque a presión El dimensionamiento del tanque a presión, se efectúa tomando como parámetros de cálculo el caudal de bombeo (Qb), los ciclos por hora (U), y las presiones de operación, el procedimiento es resumido en cuatro pasos, cada uno con su respectiva fórmula: a. Determinación tipo de ciclo de bombeo (Tc)) Representa el tiempo trascurrido entre dos arranques consecutivos de las bombas, y se expresa de la siguiente manera: Tc=
1 Hora 2
Donde: U = Número de ciclos por hora Tc=
1 Hora 2
Tc=0,5
b. Determinación del volumen útil del tanque (Vu) Es el volumen utilizable del volumen total del tanque y representa la cantidad de agua a suministrar entre la presión máxima y la presión mínima. Vu=
Vu=
Tc∗Q( bombeo) 4
0.5∗1,19 4 3
Vu=0,148
m s
16
c. Porcentaje de volumen útil (%Vu)
Representa la relación entre el volumen utilizable y el volumen total del tanque y se podrá calcular a través de la siguiente ecuación: %Vu=
90∗Pmax−Pmin Pmax
Donde: Pmáx = Presión máxima del sistema. Pmin = Presión mínima del sistema Nota: Tanto la Pmáx como la Pmin serán dados como presiones absolutas. %Vu=
90∗40,98−20,98 40 ,98
%Vu=90∗0, 48
%Vu=43 , 9 d. Volumen del tanque Ahora para saber cuál es el volumen total (VT) del tanque a utilizar, se debe tener preestablecidos los siguientes valores: Volumen Útil Porcentaje de volumen útil Vt=
Vt=
Vu %Vu 100 0.148 43,9 100
17
Vt=
0.148 0.43
m Vt=0,34 s
3
Componentes a usar para el sistema
a. Tanque de presión
b. Bomba acorde a la necesidad de la red
c. Purga para drenaje de la tubería
d. Manómetros
18
e. Válvulas de seguridad
f. Válvulas antirretorno
g. Interruptores de presión
h. Tablero de control potencia de motores
i. Compresor
j. Dispositivo de drenaje del tanque hidroneumático, con su correspondiente llave de paso
k. Filtro para aire, en el compresor o equipo de inyección
19
Conclusiones
20
Bibliografía
Domínguez, E, & Ferrer, J. (2011). Circuitos de fluidos: suspensión y dirección. Consultado en 12/09/2015 en http://bibliotecavirtual.unad.edu.co:2068/lib/unadsp/reader.action? docID=10505011 Parr, E. A. (2000). Hydraulics and Pneumatics : A Technician's and Engineer's Guide. Consultado en 12/09/2015 en http://bibliotecavirtual.unad.edu.co:2048/login? url=http://search.ebscohost.com/login.aspx? direct=true&db=nlebk&AN=205722&lang=es&site=ehost-live Carulla, M. & Lladonosa, V. (1993). Circuitos básicos de neumática. Consultado en 12/09/2015 en http://bibliotecavirtual.unad.edu.co:2068/lib/unadsp/reader.action?docID=10345424
21
