proyecto mecanico

M E M O R I A D E C Á L C U L O

PROYECTO MECÁNICO

PLANTA DE BOMBEO "EL MORALILLO"

MUNICIPIO DE PÁNUCO, VER.

Octubre de 1998

GENERALIDADES.

Este proyecto de bombeo de agua pluvial de 3570 lps, consiste en recibir el caudal

mencionado en un cárcamo enterrado, caudal proveniente de unos canales

recolectores. Antes de llegar al cárcamo se hará pasar por unas rejillas de limpieza

de sólidos, y con bombas del tipo flujo axial se mandarán las aguas hacia la parte de

atrás de un bordo perimetral, a 54 m de distancia.

El equipo de bombeo se instalará sobre la losa del cárcamo y será del tipo

propela. Se seleccionaron equipos verticales, por tratarse de un bombeo de gran

caudal, con el cual los equipos sumergibles, inatascables, resultan demasiado

costosos. Comparándolos con los tipo propela, que también cuentan con un paso de

esfera bastante aceptable para trabajar con aguas sucias, estos son mucho más

baratas. El inconveniente es que necesitan de mayor sumergencia que los

sumergibles.

Para tener un bombeo protegido, el control será como sigue:

Paro: Sensor tipo pera al detectar nivel bajo de agua en el

cárcamo.

En forma manual.

Arranque: Al detectar agua el sensor, dará una señal luminosa.

En forma manual.

Alternación: Manual, con contadores de horas en los arrancadores.

Simultaneación: Manual, dependiendo de la cantidad de agua pluvial.

DATOS DE PROYECTO

Gastos: Período de retorno:

Máximo: 3570 lps 100 años.

Medio: 2380 lps 10 años.

Mínimo: 1390 lps 2 años.

El gasto de diseño será el maximo. 3570 lps

Tipo de bombas: Centrífuga vertical tipo propela.

Conducción:

A: Bordo perimetral (laguna)

Diámetro: 762 30 ")

Material: Acero A 36 (helicoidal) , cédula 10

Longitud: 54 m

Temperatura del agua: 15 °C

Cotas (sobre el nivel del mar):

Cárcamo de bombeo.

Terreno: 1.00 m

Piso de operación: 1.40 m

Fondo del cárcamo: -5.10 m

Fondo canal de llegada: -0.80 m

Laguna de almacenamiento.

Descarga (eje de tubo): 3.30 m

Bordo perimetral: 4.10 m

Niveles en el cárcamo.

Máximo: -1.10 m

De arranque: -1.65 m

Paro y de diseño: -3.10 m

CROQUIS DEL BOMBEO.

3.30 4.10

1.40 30 " 54 m

-1.10 1.00

-3.10

-5.10

DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE EQUIPOS

mm (

En múltiples ocasiones se ha tratado de determinar el número de equipos en

función del costo de la inversión, habiendo encontrado en todos los casos que

el costo total no varía significativamente de un arreglo a otro, por lo que es

necesario recurrir a otras consideraciones para la selección de éste.

La velocidad del agua en el tubo de descarga se mantendrá cercana a los 3 m/s.

Considerando la marca de bomba Worthington y comparando sus modelos KLD y

KM, se hará un análisis para definir el número de equipos en función del gasto, tipo

de flujo y costo aproximado de adquisición.

1- Si fueran 2 + 0 equipos Q = 1785 lps ( 28292 gpm)

Con tubo de descarga de: 36 "

Velocidad del agua en la descarga:

Q 4 x 1.785 v = 2.72 m/s

A x 0.914

Empleando la fórmula de Manning:

Ver hoja Nº 170 del King.

Pérdidas en la descarga y en la columna:

10.3 x 0.014 x 59 x 1.785

0.914

= 0.61 mca

Piezas especiales:

1 succión (campana) K = 0.05

1 codo de 90° (cabezal) K = 0.20

2 codo de 45° (descarga) K = 0.13

2 codo de 30° (descarga) K = 0.08

1 compuerta de aleta (desc) K = 2.00

1 carga de velocidad K = 1.00

3.67 x 2.72 = 1.383 mca

2 x 9.81

Desnivel estático: 6.40 m C.D.T. = 6.40 + 1.99 = 8.39 mca.

hf

hf

hn L Q

Df

10 3 2 2

163

.

hf =5.333

22

v = = 2

hf =2

42 KLD - 500 rpm - 2 paso - 267 mm de paso de esfera. 84.0 % de eficiencia.

30 KMP - 590 rpm - 1 paso - 127 mm de paso de esfera. 83.0 % de eficiencia.

Q x CDT 1785 x 8.39

76 x Ef 76 x 0.84

HP = 235 Motor de 250 HP para 42 KLD

HP = 237 Motor de 250 HP para 30 KMP

2- Si fueran 3 + 0 equipos Q = 1190 lps ( 18861.5 gpm)


Velocidad del agua en la descarga: v = 2.61 m/s

Pérdidas en la descarga y columna: = 0.71 mca

Pérdidas en piezas especiales: = 1.27 mca

C.D.T. = 6.40 + 1.99 = 8.39 mca.

36 KLD - 590 rpm - 2 pasos - 229 mm paso de esfera. 82.5 % de eficiencia.

HP = 159 Motor de 200 HP

30 KMM - 505 rpm - 1 paso - 127 mm de paso de esfera. 83.0 % de eficiencia.


3- Si fueran 4 + 0 equipos Q = 893 lps ( 14146 gpm)



Pérdidas en la descarga y columna: = 0.40 mca


C.D.T. = 6.40 + 1.12 = 7.52 mca.

24 KLD - 880 rpm - 2 pasos - 152 mm paso de esfera. 77.0 % de eficiencia.


24 KML - 705 rpm - 1 paso - 83 mm de paso de esfera. 83.5 % de eficiencia.


4- Si fueran 5 + 0 equipos Q = 714 lps ( 11316.9 gpm)



Pérdidas en la descarga: = 0.84 mca


hf

hf

hf

hf

hf

hf

HP = HP =

C.D.T. = 6.40 + 1.96 = 8.36 mca.

20 KLD - 1175 rpm - 1 paso - 114 mm. paso de esfera. 80.0 % de eficiencia.


20 KMM - 880 rpm - 1 paso - 86 mm de paso de esfera. 82.0 % de eficiencia.


TABLA RESUMEN

Opción Nº 1 2 3 4

Nº equipos 2 2 3 3 4 4 5 5

Flujo Axial Mixto Axial Mixto Axial Mixto Axial Mixto

HP/motor 250 250 200 200 125 125 125 125

HP totales 500 500 600 600 500 500 625 625

Nº pasos 2 1 2 1 2 1 1 1

Eficiencia 84 83 82.5 83.0 77.0 83.5 80.0 82.0

Velocidad 500 590 590 505 880 705 1175 880

Descarga 36 36 30 30 30 30 24 24

$ motores 344 295 387 451 260 325 244 326

$ bombas 306 230 408 345 416 416 435 435

$ tubería 249 249 310 310 413 413 330 330

$ total 899 774 1105 1106 1089 1154 1009 1091

Los costos de los equipos son aproximados y se da en miles de pesos.

Puntos a considerar:

1- Mientras mayor número de equipos se tengan, las velocidades serán mayores,

y por lo tanto los motores serán más comerciales.

2- Para la capacidad de la generadora, es mejor manejar motores de menor potencia

al momento del arranque del último motor.

3- Al tener bombas de menor caudal, el volumen de agua requerido por ciclos de

arranque y paro es menor, resultando cárcamos más pequeños.

4- El costo de la energía eléctrica no se tomará en cuenta en el estudio, en virtud de

que el tiempo de operación de los equipos será relativamente chico, pues

trabajarán sólo cuando se presenten tormentas extraordinarias.

Por lo anterior y tomando en cuenta que es importante tener un paso de esfera

grande, se selecciona la opción Nº 3 con euipos del tipo flujo axial, lubricación aceite

por tratarse de aguas pluviales y cabezal de descarga bajo superficie por tratarse

de equipo de gran tamaño.

La opción de contar con cuatro equipos cumple con la mayoría de los puntos

anteriores a considerar, pues de los estudiados, son los que tienen más puntos

a su favor, como es: buena flexibilidad de operación, equipos pequeños de pocos

HP y poco caudal, y es de los que requieren menos costo de adquisición. Además el

que sea número par, facilita en muchas ocasiones el arreglo de distribución eléctrico.

Por lo tanto, el número de equipos será: 4 + 0

Y el gasto por equipo será de: 893 lps

DIMENSIONAMIENTO DEL CÁRCAMO DE BOMBEO

CICLOS DE OPERACIÓN.

Para garantizar una vida útil económica tanto de los motores como de los

transformadores, se deberá establecer un ciclo entre "arranque - paro - arranque"

de una misma bomba, no menor de 20 minutos.

Caso crítico:

0.893 x 20 x 60 en donde:

4 V = Volumen mínimo requerido

Q = Gasto de uno de los equipos

V = 268 T = Tiempo del ciclo

Si se piensa en tener, en función del número de equipos seleccionado, un ancho de

cárcamo interior de: 9.40 m, y un tirante útil de 1.45 m, el largo del cárcamo

deberá ser:

L = 19.64 m Se fijará en 20 m.

m3

V=QT4

=

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DEL EQUIPO.

COMPUERTA

DE CHARNELA

TUBERÍA 30 "

JUNTA DRESSER

BOMBA

2.125

9.40

VELOCIDAD DEL AGUA EN EL CÁRCAMO.

Canal de distribución - De acuerdo con el Instituto de Hidráulica no deberá

exceder de: 0.61 m/s (2 fps)

Equipos de bombeo - La velocidad de acercamiento deberá ser del orden de:

0.30 m/s (1 fps)

Canal de distribución:

Gasto = 3.570

Área (nivel mínimo) = 2.00 x 9.40 = 18.80

Velocidad del agua = 3.570 / 18.80 = 0.19 m/s < 0.61 m/s

Entre bombas:

Gasto = 0.893

Área (nivel mínimo) = 2.00 x 2.13 = 4.25

Velocidad del agua = 0.893 / 4.25 = 0.21 m/s < 0.30 m/s

En virtud de que se espera que los equipos trabajen en operación normal,

varios simultáneamente, se propondrá la instalación de mamparas divisorias

entre los equipos, mejorando con ello las condiciones de succión.

m3/s

m2

m3/s

m2

1 432

También, como se cuenta con rejillas de limpieza de sólidos antes del bombeo,

se solicitarán los equipos sin colador en la campana de succión, pues además,

son equipos que no pueden fallar al momento de requerirlos y un colador tapado

haría que la potencia aumentara y posiblemente se presentara el disparo de la

protección eléctrica.

CARGA DINÁMICA TOTAL

PARÁMETROS DE DISEÑO.

Diámetro del tubo de descarga = 762 mm

Material del tubo de descarga = Acero

Gasto total a bombear = 3570 lps.

Gasto por equipo = 893 lps.

Número de equipos operando = 4

Longitud total de la descarga = 54 m.

VELOCIDAD DEL AGUA.

Velocidad del agua en cada descarga:

Q 4 x 0.893 v = 1.96 m/s

A x 0.762

PÉRDIDAS POR FRICCIÓN.

Tubería de descarga:


10.3 x 0.014 x 54.00 x 0.893

0.762

= 0.370 mca

Columna:

Se calcularán las pérdidas considerando la columna como un simple tubo, y

posteriormente se compararán con las proporcionadas por algún fabricante.


Suponiendo una longitud de columna de: 4.50 m

10.3 x 0.014 x 4.50 x 0.893

0.762

= 0.031 mca

v = = 2

h f=10 .3 ´ n2 ´ L´ Q2

D163

hf = 5.333

22

hn L Q

Df

10 3 2 2

163

.

hf = 5.333

22

Considerando las tablas de las bombas Fairbanks para una columna del mismo

diámetro se tiene una pérdida de : 0.74 m por cada 100 m de longitud,

por lo tanto, la pérdida será:

= 0.007 x 4.50 = 0.033 mca

Piezas especiales:

30 "

1 succión (campana) K = 0.50 Pag. 298, del Sotelo.

1 codo de 90° (cabezal) K = 0.24 Pag. 6, sec 5, del Johnston.

2 codo de 45° (descarga) K = 0.13 Fig. 8.20, del Sotelo.

2 codo de 30° (descarga) K = 0.08 Fig. 8.20, del Sotelo.

1 compuerta de aleta (desc) K = 2.00 Pag. 59, del Handbook F.M.

De acuerdo con Nassa, el cabezal tiene una pérdida de 0.24 pies.

La suma de las K's es: = 3.00

Empleando la fórmula:

3.00 x 1.958 = 0.586 mca

2 x 9.81

Carga de velocidad:

1.958

9.81 x 2

= 0.195 mca

DESNIVEL ESTÁTICO.

Máximo y de diseño: 3.30 - -3.10 = 6.40 m

Mínimo: 3.30 - -1.10 = 4.40 m

CARGA DINÁMICA TOTAL.

hf

SK

hf

hv

CDT = D.E. + Sh

De

h f=SKv2

2ghf =

2

hv=v2

2 ghv =

2

((( ))

)

= 0.370 + 0.033 + 0.586 + 0.195 = 1.19 mca

CDT máxima y de diseño: 6.40 + 1.19 = 7.59 mca

CDT mínima: 4.40 + 1.19 = 5.59 mca

Para contar con una pequeña holgura o sobre carga en el equipo solicitado se

especificará una CDT de 7.65 m. para el punto de diseño. Esto no perjudicará

al motor pues al encontrar realmente menor carga, dará más gasto y el consumo de

potencia bajará un poco.

POTENCIA REQUERIDA.

La potencia requerida por la bomba se obtendrá con la siguiente fórmula:

893 x 7.65 HP = 112

76 x 0.80

HP = 112 x 1.10 = 124 Motor = 125 HP

Por tratarse de agua pluvial, la cual no obstante haberla hecho pasar por rejillas de

limpieza previamente a la llegada del cárcamo, no es posible contar con agua

sin sólidos o elementos que perjudican al equipo de bombeo. Por tal motivo para

mayor seguridad, se solicitará el motor con un factor de servicio de 1.15 .

Sh

HPQ x H

x

76 =

BOMBAS ESTUDIADAS FLUJO AXIAL

Byron Jack Worthington Nassa

20 HSPR 24 KLD NJ 20 PO

COLUMNA (pulg.) 30 30

VELOCIDAD (rpm) 885 880 880

PASOS 2 2 2

PASO ESFERA (mm) 152 124

LONG. TAZONES (mm) 938 1448 1302

NPSHR (pies) 24.4

CAMPANA (mm) 864 965 851

CDT 1 (mca) 7.65 7.65 7.65

CDT 2 (mca) 5.59 5.59 5.59

GASTO 1 (lps) 893 893 893

GASTO 2 (lps) 959 946 953

EFICIENCIA 1 0.81 0.77 0.81

EFICIENCIA 2 0.78 0.66 0.74

POTENCIA 1 (HP) 111 117 111

POTENCIA 2 (HP) 90 105 95

MOTOR (HP) 125 125 125

Las marcas Fairbanks Morse y Peerless Tisa, no cuentan con un modelo para el

gasto requerido.

De la tabla anterior se observa que el motor de 125 HP, 8 polos, cumple con el

requerimiento de los modelos estudiados que tienen mejor eficienciencia, y no

conociendo por el momento la marca ni el modelo de bomba que será adquirida,

se tomará esta potencia como base para el proyecto eléctrico, poniendo como

requisito, en las especificaciones de las bombas, que tengan éstas una eficiencia

mínima en el punto de diseño de 80 %.

De acuerdo con la tabla anterior, los equipos más convenientes son los de NASSA

y los de Byron Jackson, siendo NASSA una marca más comercial que la de Byron.

Por tal motivo se recomienda la bomba NJ 20 PO de NASSA.

REVISIÓN DEL NIVEL MÍNIMO DE AGUA CON RESPECTO AL NPSH REQUERIDO.

La fórmula para la NPSH disponible es:

En donde:

S = sumergencia al ojo del impulsor (por encontrar)

= 33.9 pies de agua (Presión barométrica)

= 1.00

= 0.567 pies de agua (Presión de vapor)

= 0.50 x 1.958 x 0.051 x 3.28 = 0.321 pies

S + 33.9 - 0.567 - 0.321

S + 33

Pero debe ser:

Por lo tanto la sumergencia requerida será:

S - 2 + 33

S + 31

Considerando el nivel mínimo de agua, establecido en las generalidades, la

sumergencia o tirante de agua al ojo del impulsor será de 3.87 pies, por tanto:

36.88 pies

Lo cual quiere decir que la bomba Nassa de la cual únicamente se tiene el valor de

NPSHR, cumple ampliamente.

24.40 pies

la bomba, y con el que deberá cumplir el equipo seleccionado, será el que se

obtiene considerando una sumergencia de cero:

PB

Pv

hf

NPSHD =

NPSHD =

NPSHR =

NPSHR =

NPSHD =

NPSHR =

Sin embargo, el valor del NPSHR máximo que se indicará en la especificación de

NPSHD=PBg+S−Pv−h f

2

NPSH R≤NPSHD−2

31 piesNPSHR =

UBICACIÓN DE LOS EQUIPOS EN EL CÁRCAMO

(Dimensiones en mm) Práctica H.I.S. Worthingt Nassa Byron J. Proyecto

común 24 KLD 20 PO 20 HSPR

A)

Diámetro de campana D 965 1000 965 851 864 965

B)

Eje de bomba a muro 1 1/2 D 1448 800 484 800

C)

Entre ejes de bombas 2 3/4 D 2654 1830 1296 2125

D)

De campana a piso 1/2 D 483 560 285 500

E)

De impulsor a campana --- --- --- 320 254 320

F)

Sumergencia debida a:

Vórtice 4 D 3860 1980 1270 1499 762 ---

NPSH --- --- --- --- negativo --- ---

G)

Nivel mínimo de agua 4 D 3860 1980 1770 1999 1262 2000

H)

Eje de bomba a rampa --- --- 3200 3200

I)

Largo del cárcamo 4830 4320 20000

** a campana de succión

Namin

-3.10 122

1500 * 2000

320

** ** **

A

B

D

EG

H

I

500

* sumergencia recomendada

por NASSA.

A

B

D

EG

H

I

DETERMINACIÓN DEL PESO TOTAL POR EQUIPO

EMPUJE AXIAL DE LA BOMBA:

Se considerará el modelo: NJ 20 PO

de la marca: Nassa

con flecha de: 1 15/16 "

= 135 lb/pie

= 115 lb

= 10.6 lb/pie

Empuje = 135 x 25.09 + 2 x 115 + 10.6 x 26 = 3896 lb

= 1771 Kg

Peso del cabezal: 1204 Kg

Peso del motor: 997 Kg

Peso del cuerpo de tazones: 716 Kg

Peso de la columna: 1104 Kg

Peso del agua: 2953 Kg

PESO TOTAL: 6974 Kg

Para fines de cálculo estructural se tomará como peso total por equipo:

7150 Kg

El motor eléctrico se solicitará con un balero de empuje axial mínimo para:

2000 Kg

Empuje = Kt x carga total + Ka x número de pasos + Ks x longitud de la flecha

Kt

Ka

Ks

VÁLVULA DE AIRE

Para el gasto máximo de una bomba, que es: 14172 gpm

Se tiene que el tamaño de la válvula de aire es:

Flujo en la válvula = 14172 = 31.56 pcs.

449

= 12.5 x 10 0.312

30

= 14.06 Psi.

Por norma se usará 5 Psi como presión diferencial para entrar en la

gráfica, pues es un valor menor al de 14.06 obtenido.

De la gráfica se selecciona una válvula de 4 "

Marca APCO, modelo N°: 1604/152

Presión de colapso = 12.5 x 106 (espesor / diámetro)3

36

De acuerdo a las recomendaciones de APCO en su catálogo de válvulas

de aire y vacio para bombas verticales, el tamaño mínimo recomendado es

de: 203 mm (8") , pero por tener solamente una columna negativa de

4 m. (5.68 Psi) en realidad no requiere de válvula de vacío.

ANCLAS DE SUJECIÓN

La fuerza ejercida por el agua al cambiar de dirección en el codo del cabezal

puede calcularse de la siguiente manera:

F Fx X

+

P2 +

Fy Y

V2

D = 762 mm (30")

P1 A = 0.456

= 90°

V1 P1 = P2 = 0.765

V1 = V2 = 1.96 m/s

Q = 0.893

m2

Kg/cm2

m3/s

P1 = P2 = P V1 = V2 = V A1 = A2 = A

Se tiene:

Para las condiciones anteriores queda:

Fy = 0.765 x 10 x 0.456 + 1000 x 0.893 x 1.96

Fx = Fy = 5236.27 Kg

En sentido vertical esta fuerza estará parcialmente compensada con el peso del

equipo, pero en sentido horizontal los tornillos de las anclas deberán soportar toda

la fuerza.

Suponiendo tornillos estandard A307 con esfuerzo de diseño al corte de

3/4 " según los barrenos del cabezal, se tendrá:

4 x 700 x 2.85 = 7981 > 5236.27 Kg

NOTA:

Los diámetros de las anclas dependerán de la ingeniería del fabricante de la

bomba seleccionada.

Fx = P1 (A1) - P2 (A2) cos - r Q (V2 cos - V1)

Para = 90°

Fx = P (A) + r Q (V)

Fy = P2 (A2) sen + r Q (V2) sen

Fy = P (A) + r Q (V)

700 Kg/cm2 y 4 tornillos de:

4

DIMENSIONAMIENTO DEL TANQUE DE COMBUSTIBLE.

Este tanque de combustible será el que suministre de diesel a la planta generadora

que funcionará como emergencia cuando exista una falla del servicio de energía

eléctrica contratado.

Según el cálculo eléctrico, la planta seleccionada es de: 500 Kwatts de potencia.

No obstane parecer bastante remoto, que una falla eléctrica suceda cuando se

requiere de bombeo de agua pluvial, ésto puede ocurrir frecuentemente, pues

cuando la lluvia es más intensa, es cuando el suministro de energía eléctrica más

facilmente falla.

Por otro lado, cuando falle la energía no forzosamente tiene que operar la planta a

su plena capacidad.

Una falla de energía se puede pensar que en promedio durará: 2 hrs / día

y suponerse que solamente fallará 4 días a la semana.

Por lo tanto para 1 mes de almacenaje, se requerirá:

Consumo de combustible = 0.31 Lts/KWH

Y el consumo de combustible a plena carga es:

Litros = 0.31 x 2.00 x 4 x 4.33 x 500 = 5369

El tanque se especificará cilíndrico en posición horizontal, para tener mayor

estabilidad.

Para un diámetro de 1.50 m 5.369 x 4

3.14 x 1.50

L = 3.04 m

Se indicará de 3.00 m. de largo.

Las dimensiones finales las determinará el fabricante de línea que se seleccione

para el suministro del tanque.

Dimensiones del cajón contenedor del diesel en caso de fuga.

Volumen total 3.14 x 1.50 x 3.00

L= 2

2

4

= 5.30 m

Si se considera un contenedor rectangular de 2.50 x 5.00 m,

la altura del muro debe ser de 0.42 m.

Se especificará de 0.50 m.

3

CONTRAPESO DE LA COMPUERTA TIPO CHARNELA.

Peso de la compuerta.

Características de la placa de la compuerta.

Material Acero al carbón A 36.

Espesor 0.5 "

Diámetro 34 " 864 mm)

Área total 0.586

Peso 0.586 x 98 = 57.40 Kg.

Momentos iguales:

57.40 x 175 = x 152

= 66.09 Kg.

Contrapeso = 20 Kg. (30 %)

Redondo

de acero

300 D

D x 3.14 x 7.70 x 10 x 300 = 20 x 4

D = 11029 D = 105 mm.

m2

F1

F2

F2

-62

2

(

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