Construcción de un Banco de Pruebas Hidraúlicas para el ...
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1 z Abstract— the purpose of this degree article is to build and provide fluid mechanics students and teachers at the Antonio Nariño University, Santa Marta headquarters, with a hydraulic test bench where energy losses can be verified in different types of conduits such as, PVC type ¾, ½, hose type ¾, and galvanized type ¾. Furthermore, it is suitable for simulating the effect called "water hammer" and calculating the characteristic curve of the connected electric pump. This equipment has a circuit of conduits for each test. In case of using it for energy loss tests, only the specific piping circuit to be checked must be selected and the data measured by the accessories of the hydraulic bench must be taken, since it has both pressure gauges with a pressure range of 0-150 psi, at the inlets and outlets of the conduits to be measured, separated by a distance of 1.80m, as a flow meter and specialized valves for each test. The data collected is recorded in tables specially designed for the practices of students and teachers. The article has been structured in the sections of the specific objectives, where, to begin with, the functions and tests suitable in the bench are identified and followed by the design, construction and verification of their functionalities to later leave a guide for general use and specific practice. The implementation and supply of this equipment to the laboratory of the Antonio Nariño University is a fundamental element in the learning process of students in the area of electromechanical engineering and industrial electromechanical technology, allowing the clear understanding and verification of arguments given by teachers, books and theory articles. Keywords— Hydraulic bench, pressure losses, flow, water hammer, characteristic curve, galvanized, hose, PVC. Resumen— La finalidad de este artículo de grado es construir y proporcionar a los estudiantes y docentes de mecánica de fluidos, de la universidad Antonio Nariño, sede Santa Marta, un banco para pruebas hidráulicas donde se puedan determinar las pérdidas de energía en diferentes tipos de conductos como, tipo PVC ¾, ½ , tipo manguera de ¾, y tipo galvanizado ¾. Además, es apto para simular el efecto llamado “golpe de ariete” y calcular la curva característica de la electrobomba conectada. Este equipo posee un circuito de conductos para cada prueba. En caso de utilizarlo para pruebas de pérdidas de energía, solo se deberá seleccionar el circuito de la tubería específica a comprobar y tomar los datos medidos por los accesorios del banco hidráulico, ya que cuenta tanto con manómetros de rango de presión 0-150 psi, en las entradas y salidas de los conductos a medir, separadas a una distancia de 1.80m, como flujo metro y válvulas especializadas para cada prueba. Los datos tomados se registran en tablas diseñadas especialmente para las prácticas de los estudiantes y docentes. El artículo se ha estructurado en los apartados de los objetivos especificos, donde, para iniciar se identifican las funciones y pruebas aptas en el banco y seguido se hace el diseño, la construcción y la comprobación de sus funcionalidades para posteriormente dejar una guía de uso general y practica especifica. La implementación y suministro de este equipo al laboratorio de la universidad Antonio Nariño es un elemento primordial en el proceso de aprendizaje de los estudiantes del área de Ingeniería electromecánica y tecnología electromecánica industrial, permitiendo la clara compresión y comprobación de argumentos dados por los docentes, libros y artículos de teoría. Palabras clave— Banco hidráulico, pérdidas de presión, caudal, golpe de ariete, curva característica, galvanizado, manguera, PVC. I. INTRODUCCIÓN Cada dia se hace mas necesaria la implementación y dotación de equipos de laboratorio en las universidades para profundizar mas los temas y documentos teoricos dados por el personal docente en los salones de clases, si bien las universidades que cuentan con programas de ingenieria o afines poseen laboratorios de practica y la mayoria de equipos, hay algunos de estas que cuentan conque se provean con equipos como bancos de pruebas hidraulicas para practicas o ensayos en asiganturas mas especificas, esto ocurre no solo en los laboratorios de las universidades nacionales sino del resto la sociedad educativa internacional. Asi mismo [1], “Es una idea asumida por la generalidad de los profesores de ciencias la importancia de las “prácticas de laboratorio” en el proceso de enseñanza/aprendizaje de la ciencia, por cuanto tienen un efecto motivador, familiarizan a los estudiantes con la metodología científica, y promueven el aprendizaje de conceptos científicos”. Los proyectos de las universidades y alumnos de la dotación y provición de equipos para practicas de laboratorios de las unviersidades en colombia ha ido aumentado. Los estudiantes deben buscar siempre la forma de profundizar, esclarecer y ampliar los conocimientos adoptados en las clases. En la universidad Antonio Nariño sede santa marta docentes de materias como mecanicas de fluidos y sus alumnos consideran la urgencia de un banco hidraulico para pruebas. Ahora bien, en los bancos hidraulicos se pueden hacer mcuhas pruebas dependiendo las caracteristica del mismo, por lo cual las funciones del de este proyecto va mas en especifico hacia los temas dados en mecanica de fluidos o afines, como perdidas de presion en tuberias por accesorios, fricción y tipos de tuberia, efectos del fluido, como el “golpe de ariete y curvas caracteristica de la electrobomba conectada al banco. Debido al impacto que tiene en el aprendizaje para los estudiantes, un equipo de practicas resulta muy Construcción de un Banco de Pruebas Hidráulicas para el Laboratorio de la Universidad Antonio Nariño Andrés Prada Rueda, Kevin A. Socarráz Rico Universidad Antonio Nariño, Tecnología en mantenimiento Electromecánico Industrial aprada88@uan.edu.co, [email protected] Asesor Jairo Daza
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Abstract— the purpose of this degree article is to build and
provide fluid mechanics students and teachers at the Antonio
Nariño University, Santa Marta headquarters, with a hydraulic
test bench where energy losses can be verified in different types
of conduits such as, PVC type ¾, ½, hose type ¾, and galvanized
type ¾. Furthermore, it is suitable for simulating the effect
called "water hammer" and calculating the characteristic curve
of the connected electric pump. This equipment has a circuit of
conduits for each test. In case of using it for energy loss tests,
only the specific piping circuit to be checked must be selected
and the data measured by the accessories of the hydraulic bench
must be taken, since it has both pressure gauges with a pressure
range of 0-150 psi, at the inlets and outlets of the conduits to be
measured, separated by a distance of 1.80m, as a flow meter and
specialized valves for each test. The data collected is recorded in
tables specially designed for the practices of students and
teachers. The article has been structured in the sections of the
specific objectives, where, to begin with, the functions and tests
suitable in the bench are identified and followed by the design,
construction and verification of their functionalities to later
leave a guide for general use and specific practice.
The implementation and supply of this equipment to the
laboratory of the Antonio Nariño University is a fundamental
element in the learning process of students in the area of
electromechanical engineering and industrial electromechanical
technology, allowing the clear understanding and verification of
arguments given by teachers, books and theory articles.
Keywords— Hydraulic bench, pressure losses, flow, water
hammer, characteristic curve, galvanized, hose, PVC.
Resumen— La finalidad de este artículo de grado es construir y
proporcionar a los estudiantes y docentes de mecánica de
fluidos, de la universidad Antonio Nariño, sede Santa Marta, un
banco para pruebas hidráulicas donde se puedan determinar las
pérdidas de energía en diferentes tipos de conductos como, tipo
PVC ¾, ½ , tipo manguera de ¾, y tipo galvanizado ¾. Además,
es apto para simular el efecto llamado “golpe de ariete” y
calcular la curva característica de la electrobomba conectada.
Este equipo posee un circuito de conductos para cada prueba.
En caso de utilizarlo para pruebas de pérdidas de energía, solo
se deberá seleccionar el circuito de la tubería específica a
comprobar y tomar los datos medidos por los accesorios del
banco hidráulico, ya que cuenta tanto con manómetros de rango
de presión 0-150 psi, en las entradas y salidas de los conductos a
medir, separadas a una distancia de 1.80m, como flujo metro y
válvulas especializadas para cada prueba. Los datos tomados se
registran en tablas diseñadas especialmente para las prácticas
de los estudiantes y docentes. El artículo se ha estructurado en
los apartados de los objetivos especificos, donde, para iniciar se
identifican las funciones y pruebas aptas en el banco y seguido
se hace el diseño, la construcción y la comprobación de sus
funcionalidades para posteriormente dejar una guía de uso
general y practica especifica.
La implementación y suministro de este equipo al laboratorio de
la universidad Antonio Nariño es un elemento primordial en el
proceso de aprendizaje de los estudiantes del área de Ingeniería
electromecánica y tecnología electromecánica industrial,
permitiendo la clara compresión y comprobación de
argumentos dados por los docentes, libros y artículos de teoría.
Palabras clave— Banco hidráulico, pérdidas de presión, caudal,
golpe de ariete, curva característica, galvanizado, manguera,
PVC.
I. INTRODUCCIÓN
Cada dia se hace mas necesaria la implementación y
dotación de equipos de laboratorio en las universidades para
profundizar mas los temas y documentos teoricos dados por
el personal docente en los salones de clases, si bien las
universidades que cuentan con programas de ingenieria o
afines poseen laboratorios de practica y la mayoria de
equipos, hay algunos de estas que cuentan conque se provean
con equipos como bancos de pruebas hidraulicas para
practicas o ensayos en asiganturas mas especificas, esto
ocurre no solo en los laboratorios de las universidades
nacionales sino del resto la sociedad educativa internacional.
Asi mismo [1], “Es una idea asumida por la generalidad de
los profesores de ciencias la importancia de las “prácticas de
laboratorio” en el proceso de enseñanza/aprendizaje de la
ciencia, por cuanto tienen un efecto motivador, familiarizan a
los estudiantes con la metodología científica, y promueven el
aprendizaje de conceptos científicos”. Los proyectos de las
universidades y alumnos de la dotación y provición de
equipos para practicas de laboratorios de las unviersidades en
colombia ha ido aumentado. Los estudiantes deben buscar
siempre la forma de profundizar, esclarecer y ampliar los
conocimientos adoptados en las clases.
En la universidad Antonio Nariño sede santa marta docentes
de materias como mecanicas de fluidos y sus alumnos
consideran la urgencia de un banco hidraulico para pruebas.
Ahora bien, en los bancos hidraulicos se pueden hacer
mcuhas pruebas dependiendo las caracteristica del mismo,
por lo cual las funciones del de este proyecto va mas en
especifico hacia los temas dados en mecanica de fluidos o
afines, como perdidas de presion en tuberias por accesorios,
fricción y tipos de tuberia, efectos del fluido, como el “golpe
de ariete y curvas caracteristica de la electrobomba conectada
al banco. Debido al impacto que tiene en el aprendizaje para
los estudiantes, un equipo de practicas resulta muy
Construcción de un Banco de Pruebas
Hidráulicas para el Laboratorio de la
Universidad Antonio Nariño Andrés Prada Rueda, Kevin A. Socarráz Rico
Universidad Antonio Nariño,
Tecnología en mantenimiento Electromecánico Industrial
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beneficioso. Por tanto, la construcción de este banco presenta
mas ventajas que desventajas para la universidad, partiendo
de que no solo se benefician los estudiantes actuales sino los
futuros que se inscriban a los programas y asiganturas con
necesidad de este equipo. Se puede reforzar aún mas el
conocimiento contunio como lo expresa, [2] “los puntos
basicos a) las sesiones de laboratorio se han de tener una
periodicidad, como minimo semanal; b) deben estar
perfectamente sincronizados con la teoria y c) el estudiante
debe estar motivado para realizarlas”.
Para materializar lo anterior se contruyó un banco hidraulico
con accesorios necesarios para cumplir con las practicas de
los programas y temas mencionados anterioirmente.
II. PROBLEMA
El uso de equipos de laboratorio de las universidades a nivel
mundial es cada vez mas importante ya que permite a los
estudiantes aprender mediante la experiencia; pues aprender
por la experiencia es revelador y realizar la practica de
cualquier tema, se ha demostrado es mas significativa en los
aprendices o estudiantes. A dia de hoy en el mundo hay mas
de 8.000 universidades registradas de las cuales si se hace
ranking de las mejores universidades en cuanto a calidad de
educación estas siempre tendran algo en común y es que todas
cuentan con un laboratorio de experimentos dotados con
herramientas y maquinas desde la mas simple hasta la mas
avanzada, perfectamente calibradas y funcionales para
practicas en el mismo; de todas las asignaturas ofrecidas por
estas universidades.
La enseñanza y el aprendizaje efectivos de la ciencia implican
un estado continuo de mostrar y contar. Las buenas
universidades en todo el mundo mezclan la enseñanza del
salon de clases con experimentos o ensayos en las
herramientas del laboratorio, esto para garantizar que sus
estudiantes comprendan todos y cada uno de los conceptos a
fondo. El equipo de laboratorio de ciencias permite a los
estudiantes interactuar directamente con los datos
recopilados, obtienen una experiencia de aprendizaje de
primera mano al realizar varios experimentos por su cuenta.
Se hace que los estudiantes utilicen los modelos y
comprendan diferentes teorias y conceptos cientificos. [3].
En america latina, los niveles de educación de las
universidades no destacan a nivel mundial, generalmente por
sus infraestructuras o falta de inspiracion de los estudiantes y
las que logran hacerlo no llegan al nivel de las mejores del
mundo, esto debido a que no cuentan con la suficientes
inversiónes en relacion a herramientas para investigacion,
tales como laboratorios dotados y/o expediciones de campo.
Si bien las universidades de Latinoamerica para certificar sus
programas necesitan laboratorios proporcionados de
materiales y maquinas para los ensayos de investigación, hay
algunas que no lo están del todo y es ahí donde los aprendices
o estudiantes tienden a perder mas el hilo del conocimiento
en cuanto a teoria. En general no todas estas universidades
cuentan con todas las herramientas suficientes para cada
asignatura en sus laboratorios; por esto y la poca importancia
de inversion de los gobiernos a los presupuestos de educación
siempre estaremos en desventaja. Ademas los pocos
estudiantes que surgen en esta parte del mundo con alto
coeficiente intelectual prefieren las transferencias a
universidades de primer nivel, donde pueden con toda
seguridad ampliar sus conocimientos mediantes las practicas
en laboratorios.
La importancia de los laboratorios tanto en la enseñanza de
las ciencias como en la investigacion y en la industria es, sin
duda alguna, indiscutible. No se puede negar que el trabajo
practico en laboratorio proporciona la experimentacion y el
descubrimiento y evita el concepto de “resultado correcto”
que se tiene cuando se aprende manera teorica, es decir, solo
con datos procedentes de los libros. La experiencia de un
laboratorio de alta calidad requiere de instituciones de
educación superior comprometidas, de miembros interesados
en el éxito de un programa de laboratorios para estudiante, de
asistencia del personal de laboratorio como tecnicos,
mecanicos o analistas de computo. De igual manera, la ayuda
del personal calificado permitirá a las universidades centrarse
en la planeacion y la ejecución. [4].
Siguiendo el estudio anterior, para Colombia el panorama de
las universidades que cuentan con laboratorios con equipos
completos y para todas las asiganturas ofrecidas en los
programas de estas universidades, ¡no es mejor! ya que
actualmente la mayoria que ofrecen programas con necesidad
de laboratorio de practicas no cuentan con estos laboratorios
completos, algunas de las razones pueden ser, que no es la
sede principal; que es lo que actualmente pasa con la sede
Santa Marta de la universidad Antonio Nariño con sede
central en Bogotá, Colombia. El laboratorio de esta sede
Santa Marta si bien está equipado con muchas herramientas
para practicas y ademas cuenta con un banco de pruebas; no
tiene uno para pruebas hidraulicas en cuanto a perdidas de
energia, golpe de ariete y curva caracteristica de bombas se
refiere. Este sería demasiado util para los estudiantes de la
asignatura de Mecanica de fluidos, tanto del programa de
Ingenieria Electromecanica como para los de Tecnologia en
Mantenimiento electromecanico industrial. Ademas de haber
ramas o asiganturas de otros programas de esta sede con
necesidad de un equipo de estas caracteristicas. Dando así la
necesidad de suministrar otra herramienta o equipo hecho
para los temas mencionados antes y permitiendo aclarar las
dudas que surgen de la teoria ocupando este equipo.
Planteamiento del problema
De acuerdo a lo anterior, para los estudiantes de la
universidad Antonio Nariño, sede Santa Marta ¿Cómo se
podría determinar las perdidas de presión de un sistema de
tuberias de diferentes tipos? Temas dados teoricamente en la
asignatura de mecanica de fluidos.
III. JUSTIFICACIÓN
Para los estudiantes de la universidad Antonio Nariño, más
en específico, de la sede Santa marta en los programas de
Ingeniería Electromecánica y Tecnología en manteamiento
electromecánico industrial, se dictan asignaturas como
Mecánica de Fluidos, donde se profundizan temas con mucha
teoría que demandan ensayos en equipos de laboratorio por
ende genera dudas en los estudiantes y hace surgir la
necesidad de contar con los equipos construidos y calibrados
especialmente para estas pruebas y/o ensayos y así solventar
las curiosidades generadas con temas vistos de solo teoría,
además de generar más conocimiento práctico de estas.
3
Consecuencia de esto, resulta de especial interés también
saber cuáles herramientas o equipos aún hacen falta en el
laboratorio de la universidad en esta sede para posteriormente
brindar un proceso de aprendizaje más completo y
competente, llenando los vacíos de estos equipos. Además
permitiendo a los estudiantes de mayor intriga y curiosidad
comprobar o no los resultados dados teóricamente en los
salones de clases, generando más seguridad en el proceso de
enseñanza y aprendizaje y ¿qué mejor que un laboratorio
dotado desde lo más básico a lo más avanzado? para un
estudiante con deseos de aprender y ejercer labores físicas.
Con lo cual resulta de gran interés construir o suministrar
equipos de laboratorios académicos para temas específicos,
los cuales le permitan a los estudiantes y docentes tener un
desarrollo de los temas más didáctico, experimental y
ensayado posible, si bien la universidad Antonio Nariño, sede
Santa Marta cuenta ya con un banco en el laboratorio, este no
es apto para la mayoría de pruebas necesarias en las materias
mencionadas por sus características de fabricación y guías de
uso, por tanto se busca construir un banco hidráulico con
características necesarias para determinar o no las pérdidas de
carga por tipos y accesorios de las tuberías y el efecto de
golpe de ariete, además de poder calcular la curva
característica de la electrobomba conectada a este equipo.
A nivel social este proyecto tendrá como beneficiarios a toda
la comunidad educativa, ya que se pretende generar una
nueva herramienta de aprendizaje para que los estudiantes
puedan fortalecer y dinamizar sus conocimientos dentro las
materias asociadas y/o similares a mecánica de fluidos
dictadas por la universidad Antonio Nariño sede Santa Marta.
También se pretende ayudar a impulsar la utilización y
relevancia que tienen los equipos de laboratorio para el
desarrollo de aprendizaje tanto en los estudiantes como para
las clases de los docentes de esta universidad, además de
motivar a más estudiantes para la creación, diseño y dotación
de nuevos herramientas necesarias para el laboratorio. Como
valor agregado se estará en la capacidad de ofrecer este
equipo a otras instituciones educativas y estudiantes que aún
no cuentan con alguno; esto en función de combinar esfuerzos
y recursos para un mejor proceso de aprendizaje y enseñanza
de todos.
La investigación ha demostrado que los estudiantes que
participan en experiencias de laboratorios bien diseñadas
desarrollan habilidades de resolución de problemas y
pensamiento crítico, así como también se exponen a
reacciones, materiales y equipos en un entorno de laboratorio.
La sociedad cree que no existe un sustituto equivalente para
las actividades prácticas en las que los materiales y el equipo
se utilizan de manera segura y se guían las experiencias de los
estudiantes. [5].
En el aspecto teórico, se justifica por el análisis realizado al
contenido conceptual de las investigaciones actuales
de equipos de pruebas hidráulicas en las Instituciones
educativas, ya que aporta conocimientos y antecedentes para
la realización de futuras investigaciones y va a servir para
perfeccionar la calidad educativa en el progreso del
desempeño estudiante-docente, de forma que puedan
estimular con mayor efectividad el conocimiento adquirido.
Este proyecto tiene una utilidad metodológica, y es que en
futuras investigaciones o proyectos para la construcción de
nuevos equipos en el laboratorio, se tomará esta metodología
ya que son compatibles, de forma que recolectaran aún más
datos y las modificaciones y construcción del equipo en
función de sus características mejorará considerablemente,
partiendo ya de los procesos utilizados en la construcción de
este.
IV. OBJETIVOS
Objetivo general
Construir un banco de pruebas hidráulicas para el laboratorio
de la universidad Antonio Nariño, sede Santa Marta.
Objetivos específicos
Diseñar el banco para la implementación de las funciones
y características.
Determinar las pérdidas de presión en los diferentes tipos
de tuberías.
Simular el efecto “golpe de ariete” en el banco hidráulico.
Calcular la curva característica de la electrobomba
conectada al banco.
Elaborar las guías para la práctica de cada prueba y uso
general de este equipo.
V. ALCANCE
Se realizará la construcción de un banco hidráulico para las
pruebas en laboratorio de las clases de mecánica de fluidos,
permitiendo como principales funciones las de determinar las
pérdidas de presión en diferentes tipos de tuberías, simular el
efecto llamado “golpe de ariete” y calcular la curva
característica de la electrobomba conectada al banco, en la
universidad Antonio Nariño, teniendo como beneficiarios
principales a los estudiantes de la sede Santa Marta.
Además de estimular a los mismos a crear, modificar y
suministrar aún más equipos de laboratorio para tener un
conocimiento más práctico y completo.
Limitaciones
Las limitaciones que se presentaron para el cumplimiento de
este proyecto fueron:
Utilidad de las fuentes: ya que al ser un tema en
específico de la sede santa marta de la universidad
Antonio Nariño, no existen demasiados datos ya
documentados para tener referencia de ellos y los que
se encontraron no fueron compatibles con la creación
de este proyecto.
Tiempo: Se debió a que los períodos de entrega del
proyecto en estas fechas del año donde ha primado
una cuarentena general debido a la reciente pandemia
mundial generada por el Covid-19, fue muy poco, ya
que para el trabajo de campo, como la construcción
y pedido de materiales se hizo particularmente difícil
porque los materiales debían pedirse con cierto
4
tiempo anticipado y sus fechas de entrega fueron
bastante demoradas. Cabe mencionar también el
tiempo libre de trabajo como limitación debido a que;
al pertenecer a la figura de empleados de alguna
empresa, estamos en la obligación de cumplir
horarios extendidos diarios y así quedar con poco
tiempo para culminar el proyecto.
Recursos económicos: Si bien en investigación
teórica de este artículo fue casi nulo el gasto en
recursos económicos, para el trabajo de campo, como
los materiales necesarios para construcción y la
implementación misma en si del banco de pruebas,
¡fue todo lo contrario! Partiendo de una
electrobomba centrifuga de alto caudal hasta las
válvulas, el flujo metro y los manómetros, debido
que estos son accesorios particularmente de alto
costo y difíciles de conseguir, por tanto los gastos en
busca y compra de estos accesorios se elevaron
considerablemente.
Recursos humanos: Por supuesto, fuimos dos
compañeros con la intención de culminar este
proyecto de forma exitosa pero la falta de los
suministros necesarios en las ciudades de nuestra
localización para la implementación del banco de
pruebas, la distancia entre ciudades; que es
considerable y las demoras en obtener los accesorios
para la construcción hizo que nos quedáramos
precarios en personal para la obra e implementación
de este banco de pruebas hidráulicas.
Contexto: Esta limitación se debió a que
inicialmente se había realizado una solicitud de
permiso para desarrollar este proyecto en el
laboratorio de la universidad de la sede santa marta
pero debido, como mencionamos antes, a la
cuarentena general del país ocasionado por la
pandemia del Covid-19, no fue posible. Razón por la
cual, el espacio, las herramientas y las ayudas
externas presenciales allí, se hicieron de mucha
necesidad.
VI. MARCO TEÓRICO
En esta sección se definen y analizan de manera detallada los
conceptos que intervienen en la construcción y comprobación
de las funciones del banco hidráulico de este artículo.
Banco hidráulico: Los bancos hidráulicos tienen diferentes
aplicaciones que abarcan una gran parte de la hidráulica,
como el estudio del flujo sobre un vertedero, pérdidas en
tuberías, circuitos de tuberías, demostración del teorema de
Bernoulli, fenómeno de cavitación, golpe de ariete, impacto
de chorro, flujo a través de orificios, orificio y flujo de chorro
libre, vórtices libres y forzados, canal miniatura para
visualización de flujo, fricción en tuberías, pérdida
secundaria de carga, pérdidas de energía en curvas, estudio de
caudalímetros, estudio de redes de caudal, estática de fluidos
y medición de presión, bomba centrífuga, Aparato de
demostración de Osborne-Reynolds, bombas paralelas en
serie, demostrador de canal de flujo hidráulico, turbina
Pelton, turbina Francis, turbina Kaplan y turbina de hélice.
[6].
Perdidas de energía en las tuberías y accesorios: En las
perdidas de energía en tuberías o sistemas de conductos
depende muchos factores como, material del conductor,
fraccionamiento, si es flujo laminar o turbulento; todo eso
ocasiona una pérdida de presión de un punto a otro
evidenciándose ya sea con manómetros u otros objetos de
medición.
Los coeficientes de pérdidas localizadas de energías en codos
o curvas son independientes del número de Reynolds para
casi todas situaciones prácticas de conducción de agua
(Méndez, 1995).
Flujo laminar y turbulento: En la dinámica de fluidos, el flujo
laminar se caracteriza por trayectorias suaves o regulares de
las partículas del fluido. El fluido fluye en capas
paralelas (con una mezcla lateral mínima), sin interrupción
entre las capas. Por lo tanto, el flujo laminar también se
conoce como flujo fluido o viscoso. El flujo turbulento se
caracteriza por el movimiento irregular de partículas (se
puede decir caótico) del fluido. El fluido no fluye en capas
paralelas, la mezcla lateral es muy alta y hay una ruptura entre
las capas. La turbulencia también se caracteriza
por recirculación, remolinos y aparente aleatoriedad. En un
flujo turbulento, la velocidad del fluido en un punto
experimenta cambios continuos tanto en magnitud como en
dirección. [7]
Para el cálculo y comprobación de las pérdidas de energía o
presión por fricción u otras variables como tipos de tuberías,
se necesita el uso de ciertas ecuaciones y así demostrar en la
teoría y en la práctica con el banco hidráulico si existen estas
pérdidas o no. Las más utilizadas son:
Ecuación 1.
Ecuacion de Darcy-Weisbach. Mott, R. L. (1996)
Δℎ
L= 𝑓𝐷 .
1
2𝑔 .
𝑉2
𝐷
En la cual:
Hf: perdida de energía por fricción en los contornos,
expresada en la altura del fluido (mca) por ejemplo.
F: Coeficiente de fricción de Darcy-Weisbach
L: longitud del tramo de tubería asociado con la perdida de
energía señalada.
D: diámetro de la tubería
V: velocidad media del flujo
G: aceleración de la gravedad.
Ecuacion 2.
Ecuacion de Hazen-Williams. Mott, R. L. (1996)
5
ℎ = 10.674 𝑥 𝑄1.852
𝐶1.852 𝑥 𝐷4.78 𝑥 𝐿
Donde:
H: perdida de carga o energía
Q: caudal
C: coeficiente de rugosidad
D: diámetro interno de la tubería
L: longitud de la tubería
Este método es bastante usado por su sencillez a la hora de
aplicarlo.
Ecuacion 3.
Ecuacion de Hazen-Williams. Mott, R. L. (1996)
ℎ = 64
𝑅𝑒 𝑥 (
𝐿
𝐷) 𝑥 (
𝑉2𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎
2 𝑥 𝑔)
Esta fórmula también se utiliza para el cálculo de perdidas
pero de fluidos a velocidades menores o bajas; es decir, en
flujo laminar.
Como lo mencionado antes, las características del material
del conducto, y su estado son determinantes en la obstrucción
o resistencia que el fluido encuentra y por lo cual en la pérdida
de presión que se genera.
Además de este valor, denominado rugosidad, es de vital
importancia en la expresión de Darcy-Weisbach, el
denominado factor de fricción f, lo que ha llevado que se
hayan formulado muchas y diferentes expresiones y gráficos
para su determinación. Las más utilizadas son:
Ecuacion 4.
Ecuacion de Colebrook-White. (Méndez, 1995)
1
√𝑓 𝑥 2 𝑥 log (
𝜖𝑟
3.71𝑥𝐷) + (
2.51
𝑅𝑒𝑥√𝑓)
Este es el método más universal y utilizado ya que es válida
para todo tipo de flujos y rugosidades, pero tiene una
limitación ya que para obtener el coeficiente F se necesitan
métodos iterativos.
Ecuacion 5.
Ecuacion de Blasius. (Luszczewski, 2004)
𝑓 = 0.3164 𝑥 𝑅𝑒−0.25
Este método es utilizado para sistemas de tubería lisa, ya que
la rugosidad no influya al flujo. Este está dado en función del
número de Reynolds.
Diagrama 1.
Diagrama de Moody. (Mott, 2006)
En este método se representa la expresión de Colebrook-
White en un ábaco para hacerlo más fácil de calcular.
Expresión 1.
Expresión de Swamee-jain. (Mott, 2006)
𝑓 = 0.25
(log (𝐸𝑟
3.7 +5.74𝑅𝑒0.9))
Es quizás la expresión más directa para el cálculo de la
fricción.
Si bien ya compartimos las ecuaciones y expresiones más
utilizadas para los cálculos de las pérdidas de energía según
sus variables; también existe el número de Reynolds.
Numero adimensional 1. (Mott, 2006)
Número de Reynolds
𝑅𝑒 = 𝑃 𝑥 𝐷𝑖𝑛𝑡 𝑥 𝑉
µ
Donde:
D: diámetro de la tubería
V: velocidad del fluido
P: densidad del fluido
μ: viscosidad del fluido
Básicamente el número de Reynolds nos permite identificar
cuando un fluido es laminar o turbulento y en base a eso
aplicar las ecuaciones antes mencionadas.
Análisis del golpe de ariete (Méndez, 1995)
6
El golpe de ariete se produce por la cambios repentinos de
presión como en los cierres de válvulas o interrupciones en el
fluido de un solo sentido, ocasionando sobrepresión y ruidos
molestos en las tuberías o sistemas de conductos.
Análisis de la curva característica de la bomba.
Representa la altura a la que la maquina puede impulsar
diferentes caudales. Normalmente la curva característica se
establece para una misma velocidad de giro y en ella también
podemos encontrar la potencia consumida.
Según la Ecuacion de Euler depende de la forma del rodete.
Por el contrario, en una bomba de embolo el gasto no va a
depender de la carga del sistema sino que dependerá del
desplazamiento y la velocidad (Zubicaray, 2005).
VII. MARCO METODOLÓGICO
Tipo de investigación. “la investigación experimental es
un proceso que consiste en someter a un objeto o grupo de
individuos en determinadas condiciones, estímulos o
tratamiento (variable independiente), para observar los
efectos o reacciones que se producen (variable dependiente)”
[8]. El estudio que se llevó a cabo en esta investigación es de
tipo experimental, debido a las pruebas o prácticas de
laboratorio que se realizan en el banco hidráulico.
Y de diseño experimental verdadero, ya que se basó en
análisis de los datos del banco hidráulico para probar las
pérdidas de presión en diferentes tipos de tuberías según los
artículos y libros con teoría de estas variables.
Diseño de la investigación. “Busca medir probabilísticamente
la relación causal que se establece entre las variables, y estar
en posibilidad de confirmar o rechazar las hipótesis sometidas
a prueba” [9]. Por tanto el diseño de esta investigación es de
tipo experimental, ya que se realizan prácticas de cálculos de
presión entre dos referencias de mediciones de una estructura
hidráulica, con variables como las propiedades de la tubería,
tipo de flujo, fuerzas hidrostáticas, mediciones en dos puntos
y los accesorios en el sistema de tuberías.
Así mismo el enfoque de estudio de esta investigación es
cuantitativo, ya que se busca determinar la hipótesis
previamente establecida, y como las mencionadas en libros,
artículos o reseñas sobre pruebas de pérdidas de cargas en
tuberías, efecto de golpe de ariete y curvas característica de
la bomba, así como los objetivos planteados. Como mencionó
Hernández, [10], “Utiliza la recolección y análisis de datos
para contestar preguntas de investigación y probar hipótesis
establecidas previamente, y confía en la medición numérica,
el conteo y frecuentemente en el uso de la estadística”.
Población. [11] “una población está determinada por sus
características definitorias. Por lo tanto, el conjunto de
elementos que posea esta característica se denomina
población o universo. Desde el punto de vista estadístico, una
población o universo de estudio puede estar referido a
cualquier conjunto de sus elementos de los cuales se pretende
indagar y conocer sus características, o una de ellas, y para el
cual serán válidas las conclusiones obtenidas en la
investigación”. De acuerdo a esto, la población de este
proyecto está compuesta por la comunidad de estudiantes y
docentes que harán uso de este equipo en el laboratorio de la
universidad Antonio Nariño, sede Santa Marta.
En la presente investigación el análisis cuantitativo se realizó
cuando:
Observación directa: Se hizo mediante la toma de datos de
cada prueba realizada para comprobar las funciones del banco
hidráulico.
Revisión de información: Cuando se comprobaron las
funciones del banco hidráulico y se compararon los datos
sobre otros proyectos o artículos con el mismo objetivo.
Procedimiento para el logro de los objetivos:
Durante el progreso del presente proyecto se empleará una
metodología con estructura de (4) etapas.
Etapa 1. Sé profundizó en información sobre bancos
hidráulicos y sus funciones aplicadas a laboratorios de
instituciones educativas. Específicamente en universidades,
mediante búsquedas bibliográficas nacionales e
internacionales.
Etapa 2. En base a la información obtenida en la etapa 1, se
diseñó y construyó con los materiales más adecuados el
equipo objeto de este proyecto de grado. Por medio del
análisis de la calidad-precio de cada uno los materiales
utilizados.
Etapa 3. Consistió en comprobar mediante su encendido las
funciones adaptadas a este equipo, como fueron perdidas de
presión en diferentes tipos de tubería, simulación de golpe del
efecto “golpe de ariete” y curva característica de la
electrobomba conectada, identificando posibles errores de
trabajo de alguno de los elementos que participan en el banco.
Etapa 4. Para el uso adecuado y conocimiento de las prácticas
aptas en este banco hidráulico se diseñaron guías y formatos
tanto para el uso digital como físico. En función de asegurar
su calidad de vida útil, mediante el uso de programas como
AutoCAD y Excel.
Marco legal. En el proceso de diseño, uso y construcción de
actividades con relación a hidráulica y electricidad, constan
normas para regular los accesorios y elementos que participan
en estos equipos. Para este proyecto se aplican algunas como:
Norma para tubos PVC. NTC 382 (2011),
Colombia.
Artículo 34, reglamentación técnica de instalaciones
electricas. RETIE, Colombia.
7
VIII. UBICACIÓN DENTRO DE LAS LÍNEAS DE
INVESTIGACIÓN DE LA FACULTAD
Esta investigación se llevará a cabo siguiendo las medidas del
programa de Tecnología en Mantenimiento Electromecánico
Industrial de la universidad Antonio Nariño, perteneciendo a
la línea de investigación de sistemas electromecánicos,
puesto que se busca construir un banco hidráulico para
realizar pruebas de laboratorio como perdidas de presión en
diferentes tipos de tuberías, simulación de golpe de ariete y
curva característica de la electrobomba conectada al banco.
IX. ESTADO DEL ARTE
El estado de arte que aquí se presenta se agrupa en dos partes,
referencias internacionales y nacionales. A continuación se
muestran algunos bancos construidos como proyecto de
grado en otras instituciones educativas.
Internacional
Banco hidráulico para prácticas de laboratorio.
Gil Rodríguez, Á. (2015). Diseño de experimento en banco
hidráulico para prácticas de laboratorio.
Objeto: Esta investigación, se basó en el esquema de
perfeccionamiento de unas funciones para un banco
hidráulico de pruebas. Este mismo, es para empleo
institucional por parte de la división de ingeniería mecánica
en la institución técnica superior de ingeniería, de la
universidad de Sevilla. Este programa se produjo por la
exigencia, por parte de los instructores de la división de
mecánica, de una herramienta académica que se apartara de
lo hipotético, en el cual los estudiantes pudieran colocar en
aplicación los temas conocidos anticipadamente en las salas
de clases. En los laboratorios de la ETSI, ya había un banco
hidráulico con el mismo propósito. No obstante, la finalidad
de este programa era el de planear una mejoría de variación
para dicho banco de pruebas, que fuera sólida, manipulable y
visual para favorecer el entendimiento de los elementos
importantes de hidráulica, seguido de alguna limitada parte
eléctrica por parte de los estudiantes. Así mismo, se hicieron
una explicación de una secuencia de prácticas que se pueden
ejecutar en mencionado banco hidráulico, aclarando
minuciosamente los principios que intervienen en cada
práctica y su trabajo dentro del compuesto.
Pruebas académicas: Este equipo fue probado modificando
el comportamiento y la distribución de sus accesorios,
manteniendo algunos y desmontando una parte de los otros,
conforme las prácticas lo demandaban. Ambas pruebas
residieron en suspender un elemento de una masa de unos 20
kg y de unas medidas, con el objetivo de que fuera sencillo a
la hora de manejar por los estudiantes. Antes que nada, era
esencial, tal como se expresaba en el manual del banco
hidráulico de MC2, ingeniería y sistemas, poseer una primera
conexión con el banco hidráulico. Este programa fue
aceptado y aplicado en la Escuela técnica superior de
ingeniería, para la división de ingeniería mecánica. Ciudad de
Sevilla, España.
Banco hidráulico para pruebas de caudales
Márquez Pizarro, C. A. (2015). Diseño y construcción de un
banco hidráulico para prueba de caudales aplicado a la
acuacultura (Bachelor's thesis, Machala: Universidad Técnica
de Machala).
Acerca del proyecto: Los laboratorios tienen un papel
fundamental en la formación de estudiantes, tanto en los de
las universidades como los de los colegios, ya que los
alumnos pueden emplear su conocimiento hipotético a
circunstancias palpables. No obstante, estos son regularmente
austeros y permiten solo la puesta en marcha de instrumentos
muy sencillos. En este sentido, los programas de teoría se
pueden emplear para perfeccionar las prácticas de hidráulica
acuícola y también intensificar los conceptos previos.
Consideraron que era indispensable contar con estos tipos de
máquinas, en consecuencia de que se pudieran conseguir los
objetivos formulados para los programas académicos y de
igual forma los estudiantes del pregrado de ingeniería
acuícola pudieran asociar la teoría con la realidad, para eso se
fabricó un banco hidráulico, que posibilita a los instructores
y estudiantes para medir el gasto, caudal y velocidad del flujo,
que corre por los vertederos. Actualmente los aprendices de
la carrera de ingeniería acuícola, no disponen de los
conocimientos idóneos suficientes, por lo que se causan
vacíos elementales en el sector de hidráulica, en su educación
integral como futuro profesional, obteniendo como resultado
menos potencial a nivel académico y laboral.
Objetivo: Diseñar y construir un banco hidráulico para la
determinación de caudales y su aplicación didáctica.
Conclusiones: Cumplieron con el propósito esencial, que fue
diseñar y construir un banco de pruebas para ensayos de
pérdidas de carga en tuberías y accesorios, al analizar el flujo
del caudal por el vertedero, resolvieron que podía reducir la
velocidad por efectos de choques dependiendo del material
de su construcción, condición en que podría estar la misma
(de primera, gastado o muy gastado), la distancia y la
velocidad de recorrido del fluido, y estudiaron en el banco de
pruebas que anticipadamente de efectuar la toma de datos del
volumen del flujo, se precisaba tiempo para equilibrar el
llenado y esto a la vez facilitaba tener una lectura concreta en
tiempo real y antes de llevar a cabo los cálculos se necesitaba
seleccionar una electrobomba que diera credibilidad y
garantía, con objeto que la electrobomba se desempeñara al
extremo o por debajo de lo deseado.
Este proyecto fue aceptado y ejecutado en la universidad
técnica de Machala, para la división de ciencias
agropecuarias. Ciudad de Machala, Ecuador.
Nacional
Banco hidráulico para perdidas de energía en tuberías
CPVC
Ramírez Montoya, O. (2017). Diseño y construcción de
banco hidráulico para determinar las pérdidas de energía en
tuberías.
8
Acerca del proyecto: En el programa de ingeniería civil de la
universidad católica de Colombia, se busca preparar
educandos que incrementen sus capacidades, talentos y
habilidades para planear, efectuar y coordinar programas
relacionados con infraestructura de vías terrestres,
cimentaciones, edificaciones y obras hidráulicas; por
consiguiente el proyecto lo iniciaron con la sabiduría
académica de la disciplina de instalaciones Hidrosanitarias y
de gas que enseña el programa, por tanto una de las
finalidades de este proyecto fue producir una simplicidad en
la mecánica de fluidos con una proposición que pretendía
estudiar las pérdidas de presión primarias por fricción,
rugosidad y velocidad que son ciertas de las variables que
participan en la coacción fluido-pared solida de la tubería
redonda para trasegar el líquido. De esta manera pretendieron
estudiar la transformación de carga que padece el flujo en el
instante de cambiar la temperatura en cada uno de sus
medidas, se concentraron en la perdida de energía en dos
puntos de referencia del conducto con el fluido expuesto a
diferentes cambios de temperaturas (como por ejemplo las de
un calentador corriente). Lo antes expuesto, lo
materializaron, diseñaron y lo llevaron a cabo mediante la
construcción de un banco hidráulico para pruebas que
facilitaba comprender claramente las pérdidas de carga en el
movimiento de líquidos en conductos CPVC, cogiendo como
alusivo teórico para su diseño, la hipótesis básica de mecánica
de fluidos, la ecuación de continuidad, la preservación de la
energía (ecuación de Bernoulli) como también las pérdidas de
carga primarias por fricción en los conductos.
Objetivo: Su objetivo principal fue diseñar y construir un
banco hidráulico con tuberías CPVC, que permitió realizar
pruebas de pérdidas de presión en el laboratorio, para los
estudiantes de ingeniería civil de la Universidad Católica de
Colombia.
Conclusiones: El equipo hidráulico que construyeron, facilitó
la realización de prácticas para entender con clareza las
pérdidas de energía en el circula miento del fluido a distintas
temperaturas la cual circulaba por conductos tipo CPVC,
conocieron la variación de estas pérdidas de carga al
modificar su temperatura, esta herramienta facilitó tomar
abundantes mediciones por cada dimensión de conducto, de
este modo recibieron diferentes mediciones, que fueron
registrado para así poder dictaminar la conducta de las de
pérdidas de energía. Con la implementación de esas prácticas,
se estuvo en la capacidad de establecer que las pérdidas de
presión en los conductos del banco construido para la
universidad católica de Colombia, en el instante en que el
agua se le aumentó la temperatura, la perdida de energía
empezó a bajar producido por el cambio en los atributos
mecánicos del flujo, hallando, que, a una elevada temperatura
bajaba la viscosidad dinámica, viscosidad cinemática, peso y
su densidad.
Este proyecto fue aceptado y ejecutado en la universidad
católica de Colombia, para la división de ingeniería, ciudad
de Bogotá, Colombia.
Estas referencias, fueron de gran ayuda y apoyo para la
presentación de este proyecto, ya que nos permitió relacionar,
modificar y mejorar conceptos de los presentados
anteriormente. Además conocimos las distintas
funcionalidades y variedades de construcción para la que se
pueden usar estos equipos, también nos permitió agregar y
documentar otras funciones en el banco hidráulico para esta
universidad.
Como valor agregado al encontrar tantas referencias nos da
satisfacción saber que tanto a nivel internacional como en
otras partes de Colombia, los estudiantes buscan las formas
de profundizar sus conocimientos al mismo tiempo que dejan
su aporte para los que continúan en el saber.
X. RESULTADOS
Tipos de pruebas aptas para realizar en este banco
hidráulico
Para establecer las funciones y características que tiene este
banco se hizo una recopilación de información, tanto de otros
proyectos de grado como también de revistas, artículos e
investigación y definición del concepto “banco hidráulico” en
general. Así mismo este banco se construyó a partir de una
necesidad, razón por la cual sus funciones principales o para
lo que es apto son pruebas específicas, tales como:
Determinar perdidas de presión en conductos de
diferentes tipos.
Pruebas de simulación del efecto en sistemas de
tuberías llamado “golpe de ariete”
Pruebas para mostrar o calcular la curva
característica de la bomba allí conectada.
Diseño y construcción del banco hidráulico
Diseño. En función de evitar errores al momento de la
construcción se realizó un diseño de estructura adecuado en
oficio a sus funciones y características, además de optimizar
espacio, peso y estructura del banco hidráulico mismo.
Fig. N° 1. Estructura de soporte del banco hidráulico.
Fuente: Prada, Socarráz (2020)
El diseño de la estructura se hizo de tal forma que fuera lo
más resistente, simple, accesible y cómoda para mover
9
posible, teniendo en cuenta los espacios físicos del
laboratorio de la universidad. Se desarrolló en el software de
diseño asistido por computadora, AutoCAD en su versión (V.
20.1).
Fig. N° 2. Circuitos de tuberías y accesorios.
Fuente: Prada, Socarráz (2020)
El diseño de los circuitos de tuberías y accesorios en general,
se hizo de la forma más ergonómica posible, además estos
elementos se seleccionaron de manera que fueran factibles
con las demás electrobombas del laboratorio de la
universidad; por ejemplo, la electrobomba seleccionada para
suministrar con este banco es de 2 HP, con el objetivo de
establecer una línea de electrobombas diferentes para calcular
su curva característica ya que las existentes en el laboratorio
son de ½ y 1 Hp, como también en la selección de la válvula
limitadora de presión, válvula de cierre tipo bola y los
diferentes tipos de dimensiones de los conductos; partiendo
que son accesorios especialmente escogidos para la
compatibilidad de pruebas y soporte de los equipos dentro del
laboratorio de la universidad mencionados anteriormente.
Este banco está diseñado de manera que todas sus piezas sean
fácilmente removibles, ya sea para su transporte o cambio. Se
desarrolló en el software de diseño asistido por computadora,
AutoCAD en su versión (V. 20.1).
Selección de electrobomba centrifuga.
En el cálculo y selección de la electrobomba se tuvieron en
cuenta dos condiciones para que cumpliera este equipo,
como: características diferentes a las electrobombas ya
existentes en el laboratorio, cuya potencia son de ½ y 1 HP,
de la universidad Antonio Nariño, sede santa marta, y
capacidad para el circula miento de agua limpia en los
circuitos del banco hidráulico.
Datos para la selección.
Como en este caso la electrobomba está en carga,
debido a que la tubería de succión desde el tanque
con el equipo están al mismo nivel y la distancia no
es considerable, las pérdidas de carga en aspiración
es cero (0) o lo más cercano a este número. Por
consiguiente no tiene altura de aspiración.
En altura de impulsión solo son dos metros como
máximo y un recorrido de tubería total de hasta 10
metros, siendo la mayoría, tubería horizontal.
No se requiere un caudal mínimo o máximo a
estudiar.
En base a los datos anteriores, una electrobomba con la ficha
técnica de las ya existentes en el laboratorio; seria apta para
este equipo, ya que no se requiere mayor rendimiento para el
movimiento de agua en los circuitos, pero, como requeríamos
una electrobomba con característica diferentes a las ya
ubicadas en el laboratorio, se seleccionó a partir de un alto
caudal, debido a que las anteriores tienen un caudal medio y
bajo, además de una altura máxima de impulsión variable a
35 metros. Además, con esta selección de tres bombas
diferentes en el laboratorio, se amplía el catálogo de equipos
a estudiar y comparar por los estudiantes.
Cavitación de la electrobomba.
En base a las condiciones del diseño e implementación del
banco hidráulico, se tomaron medidas para evitar el
fenómeno de cavitación como:
Utilizar como fluido, agua a temperatura
ambiente y en exposición abierta sin muestra a
cambios bruscos de temperatura.
Succión con presión positiva (Electrobomba en
carga), es decir se ubicó la electrobomba al nivel
del fluido para aprovechar la gravedad y generar
presión en la succión; además de evitar el trabajo
extra del equipo en generar el vacío para extraer
el fluido del tanque.
El conducto de succión está lo más cercano
posible desde el tanque hasta el impulsor de la
bomba, evitando pérdidas significativas de carga
en succión.
Se evitaron reducciones de alto rango de medidas
y el no acoplamiento de válvulas reguladoras en
la succión.
Para el cálculo de NPSH, se utilizó la siguiente ecuación:
𝑁𝑃𝑆𝐻𝐷𝑖𝑠𝑝. = 105 𝑥 (𝑃𝐿 − 𝑃𝑉)
𝑃 𝑥 𝑔 + 𝐻𝑎 − ℎ𝑎
10
Donde:
PL = presión sobre el líquido.
Pv = presión de vapor del liquido
P = densidad del liquido
G= aceleración de la gravedad
Ha = altura de aspiración en metros
ha = perdida de carga en conducto de aspiración
𝑁𝑃𝑆𝐻𝐷𝑖𝑠𝑝. = 105 𝑥 1 − 0.023
997 𝑥 9.81 + 0 − 1.49 = 8.8 𝑚
Dando 8.8 m – 0.5 como coeficiente de seguridad = 8.3 m.
Obteniendo que se puede utilizar cualquier electrobomba con
NPSH requerido menor a este número. La bomba
seleccionada tiene una altura de succión de 8 m.
Cálculo y selección del depósito de agua.
Para calcularlo, se hizo de acuerdo a la tubería de diámetro
mayor, con el fin de obtener la capacidad de todos los
circuitos de tuberías con carga al mismo tiempo. Por ende; se
utiliza la siguiente tabla de información, donde se especifican
todos los diámetros, densidad y capacidad del conducto
seleccionado, en este caso; tubo de PVC de 1” con longitud
de 2m.
Tabla N° 1. Especificaciones de tubo PVC 1”.
Fuente: Imec (2018)
Como resultado obtenemos que un conducto tipo pvc de 1”
con esa longitud tiene un volumen de: 1.738,70 cm³ y un peso
de 550,13 g. Para obtener la capacidad aproximada de todos
los circuitos de conductos del banco hidráulico se calculó la
longitud total en tubería del equipo, el cual equivale a 12 m.
Ahora bien, la longitud total tendría un volumen de 10.432,22
cm³ y por tanto una capacidad en litros de 10.4
aproximadamente, cabe resaltar que esta operación se hizo
con la tubería de más capacidad para que subsanara algún
margen de error en el cálculo. Por consiguiente se necesita un
tanque con capacidad igual o superior a los 10.4 litros
mencionados. Se seleccionó uno de mayor capacidad en base
las modificaciones que pueda tener en los diferentes
conductos durante su vida útil en el laboratorio.
Soporte de la estructura o viguetas del banco.
En base a la tabla 1 y 2, tomamos el peso del conducto de 1”
con longitud de 2 metros, el cual equivale a 550,13 gramos, a
esto se suma la sección de tubería galvanizada ¾ de 2 metros
de longitud, el cual es 2.85 kg.
Tabla N° 2. Especificaciones de tubo galvanizado ¾”.
Fuente: Imec (2018)
Dado esto, obtenemos que los 11 metros sostenidos en las
viguetas corresponden a un peso de 3.03 kg, para una carga
total de 6.38. El peso total del circuito con carga soportado en
las viguetas tendría una equivalencia aproximada a 16.38
kilogramos si le sumamos los litros soportados por todo el
circuito de tuberías, con lo cual se necesita una lámina o tubo
de estructura que soporte en lo posible más de este peso.
11
Soporte del piso y accesorios de movilidad.
En cuanto al soporte de piso lo seleccionamos a partir de la
capacidad del tanque de depósito que es de 50 litros,
fabricado en un material lo más liviano posible con un peso
en carga de 50 kilogramos y el peso de la bomba soportada
allí, que equivale a 10 kg según fichas técnicas de equipos
relacionados con estas características, dando como resultado
un peso a sostener de 60 kg más 6.38 de los circuitos de
tuberías sin carga, obteniendo un peso total de 67 kilogramos
aproximadamente. Para esto se seleccionaron la base de piso
hecha en madera y 4 rodachinas individuales de pestaña de
freno, con soporte de carga máxima de hasta 150 kg cada una
según especificaciones.
Construcción.
A partir del diseño, se seleccionaron los accesorios necesarios
para la construcción de la estructura que soportan las tuberías,
bomba centrifuga y tanque de almacenamiento de flujo (ver
definiciones). Además los tipos de tubería y elementos para
cada prueba correspondiente en el banco hidráulico como se
muestran a continuación.
Fig. N° 3. Perfil galvanizado.
Fuente: Prada, Socarráz (2020)
Perfil galvanizado, con medidas de 38x19 milímetros y
espesor de 0.40. Utilizada como uno de los principales
componentes para la estabilidad y soporte de la estructura del
banco hidráulico.
Fig. N° 4. Vigueta galvanizada.
Fuente: Prada, Socarráz (2020)
Vigueta galvanizada con medidas de 38x20 milímetros y
espesor de 0.38. Utilizada también como soporte y base de la
estructura del banco.
Fig. N° 5. Base de piso.
Fuente: Prada, Socarráz (2020)
Base soporte de madera con medidas de 82x54 centímetros.
Utilizada como piso para la bomba centrifuga y el tanque de
depósito del banco.
Fig. N° 6. Estructura del banco hidráulico.
Fuente: Prada, Socarráz (2020)
Estructura general del banco con rodachinas, incluyendo
pestaña de frenos para asegurar el equipo, y para traslados de
posición, utilizada para el soporte y carga de los sistemas de
tuberías, bomba y tanque de agua. Apta para el soporte del
peso de la estructura y elementos que intervienen en el banco
hidráulico.
12
Fig. N° 7. Tanque de almacenamiento de fluido.
Fuente: Prada, Socarráz (2020)
Tanque de almacenamiento de agua con capacidad de
volumen de 50 litros, utilizado para el descargue y succión
del fluido que pasa por la electrobomba.
Fig. N° 8. Electrobomba centrifuga.
Fuente: Prada, Socarráz (2020)
Electrobomba centrifuga con especificaciones de potencia de
2 HP, caudal de hasta máximo 500 LPM y voltaje de 110/220,
utilizada para trasegar el fluido del tanque por el sistema de
tuberías para las pruebas.
Fig. N° 9. Accesorios del sistema de tuberías.
Fuente: Prada, Socarráz (2020)
Elementos del banco hidráulico como tubería tipo PVC,
manguera y galvanizado con diámetros de 1”, ¾ y ½”,
manómetros con capacidad de medición de 0 a 160 psi, llaves
de paso tipo PVC con dimensiones de 1 pulgada, codos tipo
PVC de 1” y tee de tipo pvc con diámetro de 1”, todos estos
utilizados para la medición de presión y cortar o dejar pasar
el fluido en las tuberías de cada prueba
Fig. N°10. Accesorios del sistema de tuberías.
Fuente: Prada, Socarráz (2020)
Elementos del sistema de tuberías como flujo metro con
capacidad de medición de 100 a 500 LPM, válvula limitadora
de presión, válvula anti retorno con presión máxima de 200
psi y válvula de globo de 1” hecha en latón, todos estos
utilizados para medir el caudal, limitar la presión, cortar o
dar paso total o parcial y evitar el regreso del fluido por las
tuberías. También se incluye una caja de pulsadores para el
encendido y apagado de la electrobomba.
13
Fig. N°11. Banco hidráulico, parte frontal.
Fuente: Prada, Socarráz (2020)
Imagen de la parte frontal del banco para pruebas hidráulicas.
Se aprecia con todos sus accesorios y circuitos de conductos
especiales para las prácticas adaptadas.
Fig. N°12. Banco hidráulico, parte lateral.
Fuente: Prada, Socarráz (2020)
Imagen de la parte lateral del banco y su estructura, con el fin
de denotar los diferentes tipos de vista de este equipo.
Fig. N° 13. Banco hidráulico, parte trasera.
Fuente: Prada, Socarráz (2020)
Banco hidráulico terminado para suministro al laboratorio de
la universidad Antonio Nariño, sede Santa Marta. Utilizado
para pruebas de pérdidas de presión en conductos
dependiendo el tipo, simulación del efecto “golpe de ariete”
y para cálculo de la curva característica de la electrobomba
conectada al banco.
Determinar las pérdidas de presión en los diferentes
tipos de tubería del banco hidráulico.
Para determinar estas pérdidas en el banco hidráulico
construido, se diseñaron e imprimieron unas tablas adaptadas
exclusivamente para la recolección y comparación de datos
de estas mediciones y poder registrar las pérdidas a demostrar
en cada circuito de conducto escogido.
Tabla N° 3. Medidas de presión.
DATOS DE PRESION EN DIFERENTES TIPOS DE
CONDUCTOS (TODO EL CIRCUITO ABIERTO)
Tipo y
diámetro. Caudal
GPM/LPM Med. 1
(PSI) Med. 2
(PSI) Dif. de
presión Distancia.
Galv.
¾
102 lpm 20 14 6 1,8 m
Mang.
¾
102 lpm 20 16 4 1,8 m
PVC ¾ 102 lpm 19 16 4 1,8 m
PVC ½ 102 lpm 20 12 8 1,8 m
Fuente: Prada, Socarráz (2020)
La tabla 3, es la tabla general para la toma de datos con todos
los circuitos abiertos menos el de curva característica. Como
se aprecia en ella, tiene dos espacios para tomar medidas de
presión en manómetros que corresponden a medida 1, que
sería presión en el manómetro de entrada en la tubería
seleccionada y medida 2, que corresponde a la presión del
manómetro de salida de la tubería. En el caso del espacio de
caudal, es para las medidas del flujo metro que se pueden
expresar en GPM o LPM, según se requiera, luego según las
dos mediciones de los manómetros tanto de entrada como de
salida, se registra la diferencia de presión en el apartado de
“diferencia de presión” de la tabla misma, esto con el objetivo
de determinar las perdidas primarias de carga en esos tramos
de tuberías. Cabe resaltar que estas mediciones se tomaron
como demostración y no representan ningún resultado.
Tabla N° 4. Presión en PVC ½”
MEDIDAS EN EL CONDUCTO TIPO PVC ALTA
PRESION ½”.
Caudal
GPM/LPM
Med. 1
(PSI) Med. 2
(PSI) Dif. De
presión.
Distancia.
98 lpm 19 10 9 1,8 m
97-98 lpm 19 10 9 1,8 m
Fuente: Prada, Socarráz (2020)
14
Como se aprecia en la tabla número 4, los datos requeridos
son solo para el tramo de tubería tipo PVC de alta presión con
dimensión de ½ pulgada. Por tanto los demás circuitos
permanecen en estado de bloqueo.
En esta practica de resultado, se tomaron dos veces las
mediciones tanto de caudal como de presiones para evitar
posibles errores o mal funcionamiento de los accesorios.
Según los datos obtenidos hay una pérdida de presión por
fricción de 9 psi en este tramo de la tubería.
Para convertirlos a “m”, se convierte la unidad de PSI a Pascal
y se divide sobre el peso específico del fluido, en este caso;
el agua:
9 =62052.8
9800= 6 𝑚.
Ahora, para conocer el margen de error del equipo, se
calculan las perdidas teóricamente. Los datos para este
cálculo son:
Rugosidad = 0.0015
Viscosidad cinemática a 25° del agua = 0.893x10-6
m2/s.
Diámetro interior para tubería PVC ½ = 0.013 m.
Caudal = 98 LPM
Para la conversión del caudal:
98𝑥𝐿
𝑚𝑖𝑛𝑥
1 𝑚3
1000 𝐿𝑥
1 𝑚𝑖𝑛
60 𝑠𝑒𝑔= 1.633𝑥10−3 𝑚
3
𝑠⁄
Para velocidad:
𝑉 = 1.633𝑥10−3 𝑚
3
𝑠⁄𝜋4 (0.013 𝑚)2
= 12.3 𝑚𝑠⁄
Aplicando Número de Reynolds:
𝑁𝑅𝑒 =𝐷. 𝑉
𝑉𝑐𝑖𝑛=
0.013 𝑚 𝑥 12.3 𝑚𝑠⁄
0.893𝑥10−6 𝑚2
𝑠⁄= 179.059
= 1.79𝑥105
Quedando el flujo, como régimen turbulento. Como se
obtiene número de Reynolds y viscosidad absoluta, se calcula
F, mediante el diagrama de Moody, obteniendo la viscosidad
relativa. Como consecuencia el factor de fricción es:
F = 0.021 aproximadamente.
Se reemplazan los valores en la ecuación de Darcy-Weisbach:
𝐻𝑓 = 0.021𝑥1.8 𝑚(12.33 𝑚
𝑠⁄ )2
0.013 𝑚 𝑥 2𝑥9.81 𝑚𝑠2⁄
= 22.5 𝑚
Obteniendo como perdida 22.5 m, en la tubería de tipo PVC
de ½ pulgada según la ecuación de Darcy- Weisbach.
Si se comparan las perdidas obtenidas a nivel experimental en
el banco hidráulico con las perdidas en teoría en este tipo de
tubería, se determina que el banco nos muestra una lectura
con un error absoluto de -16.50, esto pudo causarse por las
poca distancia que existe entre los lectores de presión con los
accesorios como codos y Tees, la variación al momento de
tomar el valor de presión, ya que las agujas del mismo no son
estables, los rangos de los manómetros, obedeciendo a que no
son medidas milimétricas o un mal cálculo teórico de las
perdidas mediante la Ecuacion de Darcy- weisbach.
Tabla N° 5. Presión en PVC ¾”
MEDIDAS EN EL CONDUCTO TIPO PVC ALTA
PRESION 3/4”.
Caudal
GPM/LPM
Med. 1
(PSI) Med. 2
(PSI) Dif. De
presión.
Distancia.
100 lpm 20 15 5 1,8 m
100 lpm 20 15 5 1,8 m
Fuente: Prada, Socarráz (2020)
Para el circuito de la tubería tipo PVC de alta presión con
dimensión de ¾ de pulgada, según los datos registrados en la
tabla 5, se obtuvo una perdida primaria de presión de 5 psi.
Como en las mediciones anteriores, también se corroboró el
resultado, tomando los datos dos (2) veces. Para convertirlos
a “m”, se convierte la unidad de PSI a Pascal y se divide sobre
el peso específico del fluido, en este caso; el agua:
5 =34473.8
9800= 3.5 𝑚.
Para el cálculo teórico de las pérdidas en el conducto tipo
PVC de 3/4, se toman los siguientes datos.
Rugosidad = 0.0015 mm.
Viscosidad cinemática a 25° del agua = 0.893x10-6
m2/s.
Diámetro interior para tubería PVC ¾ = 0.019 m
Caudal = 100 LPM
Para la conversión de caudal:
100𝑥𝐿
𝑚𝑖𝑛𝑥
1 𝑚3
1000 𝐿𝑥
1 𝑚𝑖𝑛
60 𝑠𝑒𝑔= 1.667𝑥10−3 𝑚
3
𝑠⁄
Para velocidad:
𝑉 = 1.667𝑥10−3 𝑚
3
𝑠⁄𝜋4 (0.019 𝑚)2
= 5.88 𝑚𝑠⁄
Aplicando Número de Reynolds:
𝑁𝑅𝑒 = 𝐷. 𝑉
𝑉𝑐𝑖𝑛=
0.019 𝑚 𝑥 5.88 𝑚𝑠⁄
0.893𝑥10−6 𝑚2
𝑠⁄= 125.106
= 1.25𝑥105
Quedando el flujo, como régimen turbulento. Como se
obtiene número de Reynolds y viscosidad absoluta, se calcula
15
F, mediante el diagrama de Moody, obteniendo la viscosidad
relativa. Como consecuencia el factor de fricción es:
F = 0.021
Se reemplazan los valores en la ecuación de Darcy-Weisbach:
𝐻𝑓 = 0.021𝑥1.8 𝑚(5.88 𝑚
𝑠⁄ )2
0.019 𝑚 𝑥 2𝑥9.81 𝑚𝑠2⁄
= 3.4 𝑚.
Obteniendo como perdida 3.4 m, en la tubería de tipo PVC
de ¾ de pulgada. Para este caso, comparando medidas
teóricas y experimentales, se obtiene un error absoluto en la
medida de 0.10. Y por lo tanto reduciendo el margen de error
con los valores teóricos considerablemente.
Tabla N° 6. Presión en MANGUERA ¾”
MEDIDAS EN EL CONDUCTO TIPO MANGUERA ¾”.
Caudal
GPM/LPM
Med. 1
(PSI) Med. 2
(PSI) Dif. De
presión.
Distancia.
100 gpm 22 18 5 1,8 m
100 gpm 22 18 5 1,8 m
Fuente: Prada, Socarráz (2020)
En el conducto tipo manguera de ¾ de pulgada, se obtuvo una
pérdida de presión de 5 psi. También, fue la de más dificultad
para registrar, ya que en principio tenía mucha elongación por
sus características. Para convertirlos a “m”, se convierte la
unidad de PSI a Pascal y se divide sobre el peso específico
del fluido, en este caso; el agua:
5 =34473.8
9800= 3.5 𝑚.
Para el conducto tipo manguera de ¾ de pulgada, se calcula
en base a los siguientes datos:
Rugosidad = 0.0015 mm.
Viscosidad cinemática a 25° del agua = 0.893x10-6
m2/s.
Diámetro interior para tubería de manguera ¾ =
0.018 m.
Caudal = 100 LPM.
Para la conversión de caudal:
100𝑥𝐿
𝑚𝑖𝑛𝑥
1 𝑚3
1000 𝐿𝑥
1 𝑚𝑖𝑛
60 𝑠𝑒𝑔= 1.667𝑥10−3 𝑚
3
𝑠⁄
Para velocidad:
𝑉 = 1.667𝑥10−3 𝑚
3
𝑠⁄𝜋4 (0.018 𝑚)2
= 6.55 𝑚𝑠⁄
Aplicando Número de Reynolds:
𝑁𝑅𝑒 = 𝐷. 𝑉
𝑉𝑐𝑖𝑛=
0.018 𝑚 𝑥 6.55 𝑚𝑠⁄
0.893𝑥10−6 𝑚2
𝑠⁄= 132.026
= 1.32𝑥105
Quedando el flujo, como régimen turbulento. Como se
obtiene número de Reynolds y viscosidad absoluta, se calcula
F, mediante el diagrama de Moody, obteniendo la viscosidad
relativa. Como consecuencia el factor de fricción es:
F = 0.021 aproximadamente.
Se reemplazan los valores en la ecuación de Darcy-Weisbach:
𝐻𝑓 = 0.021𝑥1.8 𝑚(6.55 𝑚
𝑠⁄ )2
0.018 𝑚 𝑥 2𝑥9.81 𝑚𝑠2⁄
= 4.5 𝑚.
Obteniendo como perdida 4.5 m, en la tubería tipo manguera
de ¾ de pulgada. Para este caso se obtuvo en error absoluto
en las comparaciones de medidas de -1.0.
Tabla N° 7. Presión en GALVANIZADO ¾”
MEDIDAS EN EL CONDUCTO TIPO GALVANIZADO
¾”.
Caudal
GPM/LPM
Med. 1
(PSI) Med. 2
(PSI) Dif. De
presión. Distancia.
100 lpm 24 16 8 1,8 m
100 lpm 24 16 8 1,8 m
Fuente: Prada, Socarráz (2020)
Para el circuito del conducto tipo galvanizado, de ¾ de
pulgada, se registró una pérdida de 8 psi, como muestra la
tabla número 7. Para convertirlos a “m”, se convierte la
unidad de PSI a Pascal y se divide sobre el peso específico
del fluido, en este caso; el agua:
8 =55158.1
9800= 5.6 𝑚.
Para el conducto tipo galvanizado de ¾ de pulgada, se calcula
en base a los siguientes datos:
Rugosidad = 0.15 mm.
Viscosidad cinemática a 25° del agua = 0.893x10-6
m2/s.
Diámetro interior para tubería tipo galvanizado ¾ =
0.018 m.
Caudal = 100 LPM.
Para la conversión de caudal:
100𝑥𝐿
𝑚𝑖𝑛𝑥
1 𝑚3
1000 𝐿𝑥
1 𝑚𝑖𝑛
60 𝑠𝑒𝑔= 1.667𝑥10−3 𝑚
3
𝑠⁄
Para velocidad:
16
𝑉 = 1.667𝑥10−3 𝑚
3
𝑠⁄𝜋4 (0.019 𝑚)2
= 5.88 𝑚𝑠⁄
Aplicando Número de Reynolds:
𝑁𝑅𝑒 = 𝐷. 𝑉
𝑉𝑐𝑖𝑛=
0.019 𝑚 𝑥 5.88 𝑚𝑠⁄
0.893𝑥10−6 𝑚2
𝑠⁄= 125.106
= 1.25𝑥105
Quedando el flujo, como régimen turbulento. Como se
obtiene número de Reynolds y viscosidad absoluta, se calcula
F, mediante el diagrama de Moody, obteniendo la viscosidad
relativa. Como consecuencia el factor de fricción es:
F = 0.1 aproximadamente.
Se reemplazan los valores en la ecuación de Darcy-Weisbach:
𝐻𝑓 = 0.1𝑥1.8 𝑚(5.88 𝑚
𝑠⁄ )2
0.019 𝑚 𝑥 2𝑥9.81 𝑚𝑠2⁄
= 16.2 𝑚.
Obteniendo como perdida 16.2 m, en la tubería tipo
galvanizado de ¾ de pulgada. Obteniendo una medida con
error absoluto de -10.6.
Según los cálculos mediante las ecuaciones de Darcy-
Weisbach, se muestra, que donde existen mayores pérdidas y
por lo tanto mayor coeficiente de error, en este caso es en el
conducto de tipo pvc de ½ pulgada, también que la velocidad
aumenta considerablemente, debido a que es el conducto con
menor diámetro. En el resto de conductos, también existen
perdidas primarias pero con más similitud, una de la otra a
excepción del galvanizado que tiene una mayor perdida.
Cabe resaltar que estos formatos, diseñados para tabular los
datos de cada conducto diferente, se entregará de forma
digital y física junto al banco hidráulico en la universidad
Antonio Nariño.
Prueba de simulación del efecto “Golpe de ariete”
Para la prueba de simulación del “golpe de ariete en el banco
hidráulico construido se obedecieron una serie de
instrucciones:
Fig. N° 14. Simulación de Golpe de ariete.
Fuente: Prada, Socarráz (2020)
Verificar que el tanque de depósito contenga agua.
Retirar y reemplazar por un adaptador o tapón de
rosca el manómetro del circuito de curva
característica.
Permitir el paso por las válvulas 1, 2, 3 y 5, como se
muestra en la figura 14.
Pulsar el control de encendido de la electrobomba y
se permite que el fluido llene completamente el
circuito de tuberías hasta regresar al tanque.
Calibrar la válvula limitadora (6) a presión de
abertura de 34 PSI.
Una vez cumplimos las instrucciones anteriores, hicimos el
cierre completo de la llave de paso número “3”, cortando
totalmente el flujo y obteniendo como resultado a partir de
ese movimiento una onda de choque generada por la
sobrepresión al cerrar esta llave, produciendo el efecto
llamado “golpe de ariete” en este banco hidráulico.
Para mitigar y bajar parcialmente las consecuencias de esta
simulación utilizamos la válvula anti retorno con el numero
“7” a fin de evitar que la onda de choque regresara hasta la
salida de la electrobomba e hicimos uso también de la válvula
limitadora de presión con el numero “6” calibrada a un rango
de abertura mínima de 34 PSI, para que al momento exacto
de la simulación y debido a la sobrepresión en los circuitos de
los conductos, esta se abriera y permitiera al fluido retenido;
liberarse evitando averías perjudiciales, como daños en los
sistemas de las tuberías incluyendo conexiones de las
válvulas y la electrobomba conectada del banco hidráulico.
Para calcular el golpe de ariete:
𝐴 = 9900
√48.3 + 𝑘.𝐷𝐸
Reemplazando valores para la celeridad:
𝐶 = 9900
√48.3 + 33.0.023
4.5
= 1422 𝑚/𝑠
Para tiempo crítico:
𝑇𝑐 = 2. 𝐿
𝑎= 𝑇𝑐 =
2𝑥1.5
1422= 2.1 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠
Como el tiempo critico es mayor a tiempo de maniobra, se
resuelve mediante Allievi:
∆𝐻 = 𝐶. 𝑉
𝑔=
1422𝑥3.7
9.81= 536 𝑚
Obteniendo como sobrepresión en ese punto 536 m.
Prueba para calcular la curva característica de la
bomba conectada al banco hidráulico.
Para la prueba de cálculo de la curva característica de la
electrobomba conectada al banco se siguen una serie de
instrucciones para posteriormente tabular los datos en
17
formatos diseñados esencialmente para esta práctica de
laboratorio. A continuación la curva característica
perteneciente a la ficha técnica de la electrobomba.
Grafica N° 1. Curva comercial.
Fuente: Aquatrece.com
En la gráfica número 1, la curva que corresponde a este
equipo es la CPQL 20, siendo la primera de arriba hacia abajo
en el diagrama especificado por el sitio de distribución y
venta de este electrobomba.
Se obtuvieron estos datos de la electrobomba conectada al
banco hidráulico.
Tabla N° 8. Datos de medición - Curva en banco.
PRESIÓN (PSI) CAUDAL (LPM)
5 110
10 101
15 87
20 76
25 52
30 21
Fuente: Prada, Socarráz (2020)
Según estas mediciones, se muestra que la electrobomba a
una presión mínima de 5 psi, marca un caudal de 110 LPM y
cuando está en su máxima presión, registra bajo el flujo metro
utilizado, un caudal de 21 LPM. En base a esto se grafica la
siguiente curva:
Grafica N° 2. Curva característica en base a prueba.
Fuente: Prada, Socarráz (2020)
Con base en los datos obtenidos de la curva en el banco
hidráulico, se determina que esta electrobomba no alcanzó su
máximo rendimiento en este circuito, en comparación con el
rendimiento presentado en la curva comercial suministrada
por el fabricante.
Obteniendo un margen de rendimiento por debajo de lo
esperado, aproximadamente un 75% menos de caudal en su
punto máximo de abertura, esto puede adjudicarse a las
reducciones del diámetro de salida de este equipo, accesorios
conectados en el circuito de esta prueba y algún margen de
error en el caudalimetro (se utilizaron dos caudalímetros, uno
con rango de medición de 0-600 LPM y el segundo con un
rango de 10 a 100-105 LPM).
Esta última medición en su máxima presión se debe a que la
válvula limitadora, comienza a aliviar el circuito momentos
antes de llegar a la máxima presión de la electrobomba, por
tanto, aún el caudalimetro sigue marcando un gasto de agua.
El formato, diseñado para tabular los datos de la prueba y
generar esta curva característica, se entregará de forma digital
y física junto al banco hidráulico en la universidad Antonio
Nariño.
Para realizar esta prueba se siguieron la siguiente serie de
pasos, utilizando los accesorios marcados en la figura número
15.
Fig. N° 15. Circuito de curva característica.
Fuente: Prada, Socarráz (2020)
Verificar que el tanque de depósito contenga agua.
Se cierra el paso por la llave de cierre número 2. Ver
figura 15.
Calibrar la válvula limitadora de presión a un rango
de abertura de 28-30 PSI.
Se abre completamente la válvula número 4 y 5. Ver
figura 24.
En este punto se hace el cierre gradual de la válvula
número 4, aumentando la presión de 5 en 5 PSI, y
110
101
87
76
52
21
0
5
10
15
20
25
30
35
0 20 40 60 80 100 120
PR
ESIÓ
N (
PSI
)
CAUDAL (LPM)
RENDIMIENTO EN EL BANCO HIDRÁULICO
18
registrando los datos obtenidos del flujo metro y
manómetro de este circuito en la tabla número 8.
Guía para la práctica de cada prueba y uso
general.
Después de haber comprobado las funciones del banco
hidráulico construido, realizamos un documento de
instrucciones para uso general y practica de cada prueba, cabe
resaltar que esta guía deberá ser aplicada en todas las pruebas
principales de este banco y será entregada de manera física
junto con el banco hidráulico al laboratorio de la universidad
Antonio Nariño sede Santa Marta.
Guía de uso general – Encendido de la Electrobomba.
Inspeccionar el nivel de agua en el tanque de
depósito.
Comprobar que la llave de paso que está conectada
del tanque de depósito a la succión de la
electrobomba permita el paso de agua.
Verificar que las válvulas de cierre de los circuitos
estén abiertas.
Conectar la caja de pulsadores a la tensión eléctrica.
Presionar el botón verde de la caja de pulsadores del
banco hidráulico para iniciar el recorrido del agua
por los circuitos.
Dejar que el fluido haga todo el recorrido por los
conductos y llene todos los circuitos.
Inspeccionar posibles fugas o demás
comportamientos extraños en los accesorios del
banco hidráulico.
Aún verificados y cumplidos los pasos anteriores,
analizamos los instrumentos de medición como los
manómetros y el flujo metro para determinar un
posible error.
Para el apagado del banco hidráulico.
Presionar el botón rojo de la caja de pulsadores del
banco hidráulico para detener el funcionamiento de
la electrobomba.
Desconectar la caja de pulsadores de la tensión
eléctrica.
Por último, si se determina que el banco hidráulico
se dejará de ocupar por un prolongado tiempo,
vaciar el tanque de depósito por su respectivo
desagüe.
Guía para la práctica de determinar las pérdidas de presión
en los conductos de diferentes tipos.
Después de verificar los primeros ocho (8) puntos del manual
de uso general, podremos continuar a nuestra prueba
específica y para ello se debe seguir la siguiente guía:
Identificar el tipo de tubería del banco hidráulico en
la cual se va a realizar la prueba.
Abrir las llaves de paso de este circuito de tubería.
Cerrar las llaves de paso de los otros circuitos de
conductos.
Si la prueba corresponde al tipo de tubería,
galvanizado de dimensión ¾, observar la medida de
presión en el manómetro de entrada y salida de este
ramal de tubería para posteriormente introducir estas
mediciones en el formato de recopilación de datos.
Ver tabla 7.
Si la prueba corresponde al tipo de tubería,
manguera de dimensión ¾, observar la medida de
presión en el manómetro de entrada y salida de este
ramal de tubería para posteriormente introducir estas
mediciones en el formato de recopilación de datos.
Ver tabla 6.
Si la prueba corresponde al tipo de tubería, PVC de
dimensión ¾, observar la medida de presión en el
manómetro de entrada y salida de este ramal de
tubería para posteriormente introducir estas
mediciones en el formato de recopilación de datos.
Ver tabla 5.
Por el contrario, si la prueba corresponde al tipo de
tubería, PVC de dimensión ½, observar la medida de
presión en el manómetro de entrada y salida de este
ramal de tubería para posteriormente introducir estas
mediciones en el formato de recopilación de datos.
Ver tabla 4.
Posterior al haber introducido los datos de medición
en cada tabla específica, estas se comparan para
determinar el número exacto de la perdida de presión
de cada tipo de tubería y registrarlo en su respectiva
fila y columna de la tabla.
Aún terminada esta práctica de laboratorio se
procede a cumplir los últimos tres (3) pasos del
manual de uso general, esto solo si no se requieren
más pruebas.
19
Básicamente estas pérdidas de presión se determinan
tomando dos medidas de presión en el conducto elegido y
luego comparándolas en los formatos diseñados
exclusivamente para registrar estas pruebas.
Guía para la prueba de simulación del efecto “golpe de
ariete”.
Después de verificar los primeros ocho (8) puntos del manual
de uso general, se puede continuar a la prueba específica y
para ello se debe seguir la siguiente guía:
Medir la presión de trabajo de la electrobomba
conectada al banco hidráulico.
Calibrar la válvula limitadora número 6, utilizando
como presión máxima, la presión de trabajo de la
electrobomba conectada. Ver figura 14.
Cerrar la válvula tipo globo número 4. Ver figura 14.
En este paso exactamente es donde se genera el
golpe de ariete en el banco hidráulico, cerrando el
paso del fluido completamente con la llave número
3. Ver figura 14.
Aún terminada esta práctica de laboratorio se
procede a cumplir los últimos tres (3) pasos del
manual de uso general, esto solo si no se requieren
más pruebas.
Esta simulación es apta en este banco hidráulico ya que con
los elementos que participan en esta prueba tales como
válvula anti retorno y válvula limitadora de presión se mitigan
las consecuencias que generan estos efectos en las tuberías.
Guía para la prueba de calcular la curva característica de la
electrobomba conectada.
Después de verificar los primeros ocho (8) puntos del manual
de uso general, se puede continuar a la prueba específica y
para ello se debe seguir la siguiente guía:
Se cierra el paso por la llave de cierre número 2. Ver
figura 15.
Se calibra la válvula limitadora de presión a un
rango de abertura de 28-30 PSI. (varía según la ficha
técnica de la electrobomba conectada)
Se permite el fluido completamente en las válvulas
número 4 y 5. Ver figura 15.
En este punto se hace el cierre gradual de la válvula
número 4, aumentando la presión de 5 en 5 PSI o
según se especifique, y registrando los datos
medidos del flujo metro en cada aumento de presión.
(los formatos de registro de datos para este ensayo
estarán disponibles tanto en formato digital como
físico).
Aún terminada esta práctica de laboratorio se
procede a cumplir los últimos tres (3) pasos del
manual de uso general, esto solo si no se requieren
más pruebas.
CONCLUSIONES
Lo expuesto anteriormente permite concluir que, el banco
hidráulico, diseñado y construido para la universidad Antonio
Nariño, sede Santa Marta, permite la clara comprensión de
cómo se presentan las pérdidas de energía en los diferentes
tipos de tubería como tipo PVC de 1/2, ¾, tipo manguera de
¾ y tipo galvanizado de ¾, además del conocimiento de
cómo se genera el efecto llamado “golpe de ariete” y poder
calcular la curva característica de la electrobomba conectada
a este. Todo esto tabulando, registrando y comparando las
pruebas en los formatos previamente diseñados para ello. Ver
guía para cada prueba.
Para las pruebas de pérdidas de presión primarias se
concluyó, mediante la comparación de estas, tanto teórica
como experimental que en los materiales y las dimensiones
en que está fabricada la tubería, tienen gran influencia para
determinar las caídas de carga en las mismas. Además que
para estudiar perdidas de presión primarias, se necesitan
manómetros más ajustados en cuanto a su rango de medición,
ya que al momento de tomar los datos, se hacen solo con valor
aproximado del número en realidad, consecuencia de esto, se
aprecian algunos rangos de perdidas bastante alejadas de los
calculados teóricamente.
En cuanto al cálculo de la curva característica de la
electrobomba, se determinó, al compararla con la curva
suministrada por el distribuidor; que no llegó a su capacidad
máxima de caudal, incluso con todo el circuito de estudio
abierto; esto pudo tener múltiples razones, como: reducción
en la tubería de salida, múltiples circuitos de conductos,
demasiada carga de accesorios como llaves y válvulas.
Además que esta curva calculada experimentalmente solo es
apta para el funcionamiento de la electrobomba en este
equipo, ya que tiene muchas variaciones con respecto a la
comercial. Cabe resaltar que la grafica proporcionada de esta
bomba en la ficha técnica, no es la específica de este equipo,
sino la más cercana a su rendimiento.
Es necesario al momento de implementar un sistema de
conductos, saber elegir los materiales y dimensiones de
construcción de dicha tubería para evitar demasiadas perdidas
en ellas. Además, se concluyó también, según la prueba de
simulación de golpe de ariete, que se deben proteger los
sistemas de tuberías y accesorios conectados a ellos para
evitar las consecuencias de este efecto.
Por tanto no solo se indemnizo una necesidad en el
laboratorio de esta universidad sino que se dio una
oportunidad de explorar y materializar los conocimientos
adquiridos previamente ya sea en docentes o estudiantes.
Además se descubrió la falta de aún más equipos con
funciones especiales para cada programa de la universidad,
instando a la construcción y suministro de estas herramientas
claves en los aprendizajes presenciales.
20
Se generó además una satisfacción como educando de poder
compartir un equipo necesario, diseñado y construido por
estudiantes para nuestros compañeros actuales y también para
los futuros que harán uso de este. Con las guías,
procedimientos y formatos diseñados para las tomas de datos
se podrá dar un empleo correcto y funcional de este equipo en
el laboratorio de la universidad Antonio Nariño.
RECOMENDACIÓN
Para proyectos futuros acerca de este tema se recomienda
aumentar las funciones y características principales del banco
hidráulico, con el propósito de ocupar el mismo espacio y
satisfacer las necesidades de más estudiantes, docentes y
programas académicos con una sola herramienta. Esto traería
una gran ventaja ya que con la investigación previa de este
proyecto y los demás existentes, se estaría en la capacidad de
incluso modificar y agregar funciones experimentales en el
banco hidráulico.
En el caso de las pruebas de pérdidas de presión se
recomienda utilizar manómetros con rangos de medición más
milimétricos (tal vez, digitales) y todos de la misma marca de
fabricación, además de desplazarlos los más espaciado
posibles de los accesorios de entrada y salida como Tees, y
codos en los diferentes tipos de circuitos para medir perdidas
de presión, con el fin de garantizar las medidas lo más cercano
posible a su valor real, ya que algunas de las lecturas
registradas anteriormente son aproximadas. También, variar
los tipos de tuberías pero no las dimensiones y aumentar la
longitud de medida. Como recomendación principal, no se
deben tomar los datos de pérdidas primarias registrados con
estas pruebas como verdad absoluta, obedeciendo a que las
lecturas han variado demasiadas veces.
Para el cálculo de curva característica de la electrobomba, se
recomienda utilizar en este circuito de tubería, las mismas
dimensiones que las de salida de la electrobomba sometida a
este proceso para no afectar medidas tanto de caudal como de
presión mínima y máxima. No obstante, con el circuito actual
se puede calcular la curva pero no con la misma precisión a
la de los datos obtenidos de su curva comercial.
En pruebas de simulación de golpe de ariete, se recomienda
no realizar seguidamente para prolongar la vida útil de los
accesorios que participan en esta práctica.
Complementar que en un próximo artículo de grado de esta
categoría, se podrían agregar las siguientes funciones:
Desvió o conducto tipo probeta para medir el efecto
de “golpe de ariete”
Prototipo de impulsión de agua mediante el efecto
de “golpe de ariete” colocando válvulas modificadas
tipo anti retorno y limitadora de presión.
Instalación de elementos con funciones parecidas
pero con importantes diferencias tales como, válvula
de alivio o limitadora de presión y válvula
reguladora de presión. Esto debido a que se
confunde generalmente el término y la función de
cada accesorio.
Pruebas para fluido de aceite y presión en estos tipos
de líquidos.
Así mismo, recomendar que se tome como función o prueba
adicional:
Estudio y análisis de la válvula limitadora de
presión.
Ya que el sistema de conductos donde está ubicado este
accesorio en el banco hidráulico, permite de manera precisa
mostrar ¿cómo? y ¿para qué? funciona la válvula limitadora
de presión. Además en el manual y las guías de este banco
hidráulico contienen el procedimiento correcto para este
análisis o estudio de la válvula de alivio o limitadora de
presión.
También se incita a la universidad, facultad de ingeniería y
demás comunidad educativa a identificar el resto de
programas con necesidad de más equipos de laboratorios para
sus pruebas y posteriormente suplir dicha necesidad mediante
proyectos de grado y dotación de la universidad misma.
Partiendo de la relevancia que tienen estas prácticas en
equipos especializados y calibrados para los estudiantes en
sus procesos de investigación, comparación y comprobación
de temas teóricos impartidos por los docentes en los salones
de clase.
AGRADECIMIENTOS
El presente artículo lo dedicamos especialmente a Dios, por
ser el soporte y ayuda principal para continuar en este paso de
obtener uno de los deseos más anhelados. A nuestros padres,
por su amor, trabajo y sacrificio para vernos triunfar, a
nuestros hermanas (os) por estar siempre atentos,
acompañándonos y por el apoyo honesto, que nos brindaron
a lo largo de esta etapa de nuestras vidas.
Agradecimientos sinceros a nuestro asesor de proyecto, el
ingeniero Jairo Daza por las constantes indicaciones y amor
por la enseñanza, a nuestra directora de programa, la
ingeniera Maira Gasca por sus empeños y voluntad de vernos
seguir adelante culminando esta etapa académica y a los
demás docentes que hicieron parte de este proceso académico
para titularnos.
En general, también, a todas las personas que nos han dado
la mano y han hecho que este proyecto se realice con éxito en
especial a aquellos que nos aportaron sus granitos de arena,
tanto compartiendo sus conocimientos como sus ganas de
salir adelante.
REFERENCIAS.
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Soto López, J. (1990). Prácticas de laboratorio: ¿una
inversión poco rentable? Revista Investigación en la
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energía en tuberías.
ANEXOS
1. Manual de uso general, prueba y mantenimiento.
2. Formatos para la toma de datos dentro de las
pruebas.
3. Guías de ejercicios para los estudiantes y
docentes.
4. Fichas técnicas de los accesorios utilizados en el
banco hidráulico.
