Unidad II Motores Acoplados a

Bombas

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2

Índice

1 Motores Acoplados a Bombas

2 Motores Eléctricos

3 Motores de Combustión Interna.

4 Otros Dispositivos Acoplados a Bombas

Conclusión

Problema Propuesto

Referencias

1

3

1 Motores Acoplados a Bombas

Motores Eléctricos

Motores Combustión

interna

Eficiencia de los motores

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Re

Salidad DeseadaDesempeño

Entrada querida

La eficiencia indica

Un proceso

De conversión o transferencia de energía

ITSCO 5

Ejemplo

mec ejeMOTOR

eléctrica

w

W

6

Eficiencia

Eficiencia de una bomba

Una eficiencia de combustión

mec fluidoBOMBA

mec eje

E

W

..............( .4)

.COMBUS

Cant calor liberado por la combustiónEc

Poder calorífico del combust quemado

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2 Motores Eléctricos

Ventajas

Menor inversión

inicial

Facilidad de operación y

mantenimiento

Vida útil más prolongada.

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Partes del motor eléctrico

ITSCO Ingeniería Petrolera (607-A)

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2.1 Voltaje

Motores Voltaje HP

Monofásico 110/220 volts 1HP

Trifásico

220/440 volts 20 HP

440 volts 200 HP

440/2200/4000 volts Mayores

10

Selección de Voltaje

de Operación

Costo inicial del equipo, un motor de 100HP a 100 volts será más caro que a 440

Costo de mantenimiento.

Riesgos al personal de operación y mantenimiento.

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2.2 FrecuenciaF=

frecuencia en Hz (cps).

N= r.p.m

PP= Numero de pares de

polos

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2.3 Velocidad de los motores eléctricos

Se refie

ra a la

velocid

ad de

giro del c

ampo m

agnético

del inducto

r o esta

tor

Velocidad

sincrónica

RealEs

la ve

locidad

de

rota

ción

del

inducido o ro

tor

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2.4 Característica de operación

1. Corriente de arranque: 5 a 10 veces la corriente a plena carga.

2. Siempre deben ir controlados por un interruptor y un arrancador.

3. Par de arranque bajo.

4. Par máximo: 2 a 2.5 veces el par de operación.

5. Velocidad de operación: buena, puede disminuir 5% entre el arranque y la carga total.

6. Control de velocidad: ninguno, trabaja a la velocidad especificada.

7. Apropiada para cargas constantes y operación continua. Excelente para bombas centrifugas.

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2.5 Tipo de cubierta

Tipo ¿Para que sirven?

Abierto Para ambiente limpio y seco.

A prueba de goteo

Ambiente limpio con goteo de agua.

A prueba de salpicaduras

Cerca de caídas o salpicaduras de agua

A prueba de explosión

Para ambientes con polvos o gases explosivos.

Totalmente cerrado

Para ambiente con polvos, gases explosivos y otros efectos. 

ITSCO Ingeniería Petrolera (607-A)

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2.6.- Subestación eléctrica

Partes que la componen

Transformador

Cuchillas

fusibles

Aparta rayos

Seleccionador

Medidor

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Transformador

Es un aparato mediante el cual se cambia el voltaje de la corriente para obtener el requerido.

17

Seleccionador Se utiliza para

proteger la instalación contra cualesquiera tipos de fallas debidas a sobrecarga de la corriente, originada por un corto circuito o alguna otra falla.

18

Cuchillas y fusibles Permiten proteger la

instalación contra sobre-corrientes por fallas en la línea de alimentación y también la desconexión con carga del trasformador para poder darle servicio de mantenimiento.

19

Aparta rayosProtege la

subestación contra descargas de estos (Rayo eléctricos) meteoros.

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Medidor

Permite registrar la energía consumida para su pago a la CFE.

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2.7 Clasificación y determinación de la potencia de motores eléctricos.

La National Electric Manufactures Association (NEMA), es decir, la Asociación Nacional de Fabricantes de Equipo Eléctrico de los U.S.A, clasifica los motores eléctricos de acuerdo con sus diversas características, tales como el par que desarrolla a rotor bloqueado, par máximo desarrollado, corriente de arranque o algunas otras.

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Clasificación

Clase B Clase C Clase D

23

Clase B

Utilizada característica

•Bombas centrifugas de diversos tipos •Bombas turbinas verticales

•Par de arranque normal•Baja corriente de arranque

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clase D

Bombas positivas del tipo reciprocarte o alternativo, suelen emplearse motores eléctricos

Alto par de arranque, baja corriente de arranque y alto deslizamiento

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El procedimiento práctico para encontrar el factor de potencia (fp)

• Entre fases en el secundario del trasformador

Se miden el voltaje y la corriente

• Entre fases con un wattmetro en el motor.

Se mide la potencia • el factor de

potencia (fp).

Se calcula

26

Factor de Potencia

..................( .13)p

Lectura del wattmetro kWf Ec

Voltaje Ampere

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3 Motores de Combustión Interna.

En este tipo de motores la energía mecánica aprovechada es la que proviene de la combustión casi total de combustible en el motor.

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3.1 Tipo de ignición.

Diesel

• El efecto se produce sometiendo dicha mezcla a una alta presión.

Eléctrica

• En los primeros, la mezcla de aire y gasolina vaporizada se quema con la chispa de una bujía

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3.2 Enfriamiento

30

3.2 Enfriamiento

Por aire

Se distinguen por sus aletas de radiación alrededor de los cilindros

En algunos casos con ventilación directa a base de ducto

Por agua

Puede disponer de un radiador con su ventilador ya sea integral al motor o separado

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Gasolina

Aceite diesel

Petróleo diáfano o tractolina

Gas butano

3.3 Combustibl

e

3.3 Combustible

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Mezcla de

gasolina y

aceite.

Ciclos de 2 Time

3.4 Ciclos

.

Ciclos de 4 Time

3.4 Ciclos

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3.5 VelocidadEl motor de combustión interna puede variar su velocidad por medio de un gobernador que lo ajusta a la que se desee.

Su potencia varía de acuerdo con sus rpm y su consumo de combustible.

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Cálculos aproximados de consumo de combustible

Valores de referencia

Tractolina (4 tiempos) _ 300 gr/HP/hora, w’ = 0.8 Kg/litro

Gasolina (4 tiempos) _ 280 gr/HP/hora, w’ = 0.750 Kg/litro

Diésel (2 tiempos) _200 gr/HP/hora, w’ = 0.860 Kg/litro

Calculo del consumo de combustible

K potencia útil

Potencia neta

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potencia en la

flecha del motor

pérdidas propias

Potencia neta

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3.6 Potencia. curvas de potencia

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3.7 Selección del Motor No resulta conveniente que un motor trabaje en sus condiciones

máximas o muy cerca de ellas, pues su vida económica puede acortarse por su mayor desgaste, aunque por otra parte tampoco conviene elegir un motor muy sobrado

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3.8 Cabezal de engranes. Cuando así se requiera, debe conocer la potencia efectiva y la

velocidad del motor con la cual se proporciona aquélla, la velocidad de la bomba, así como el empuje vertical de esta.

39

3.9 Cabezal de descargaConocido el modelo de cabezal de engranes y

sus características de tamaño, se podrán definir las de la cabeza de descarga a la que deberá acopiarse la columna de la bomba, o bien, éste influirá en la determinación anterior, según la bomba a la que tendrá que accionar.

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3.10 Flecha flexible.

Para la elección de la flecha flexible, se deberán consultar las tablas, diagramas y nomogramas de los catálogos respectivos, tomando como argumentos los datos de velocidad y potencia.

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3.11Tanque de combustible.

Descripción

1. Lámina negra de 4.762mm (3/16 in) de espesor.

2. Capacidades para 10, 000 litros

3. Peso de 1100 kg.

4. Dimensiones son de 1.70m de diámetro por 4.50m de largo.

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Procedimiento de montaje

Se monta sobre tres silletas de concreto o de mampostería de piedra de suficiente altura para que el combustible del tanque, aun con poca carga, circule libremente hacia la toma del motor, y con una pendiente adecuada hacia el dren.

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4 Otros Dispositivos Acoplados a Bombas

4.1 Unidades de Arranque

Unidades de arranque a tensión plena.

Accionamiento

Manual

Unidades de arranque a tensión reducida.

Eléctrico

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ARRANCADORES

Son dispositivos diseñados para iniciar la operación de los motores eléctricos además de protegerlos de sobrecargas o fallas de la línea de alimentación.

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Unidades de arranque a tensión plena

Son aquellas unidades que conectan directamente el motor a la línea de alimentación que viene del interruptor general. Este tipo de arrancador se utiliza cuando las corrientes de arranque no causan disturbios a los demás equipos o al sistema eléctrico

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Unidades de arranque a tensión reducida

Son aquellos dispositivos que proporcionan una tensión menor a la nominal en el arranque del motor, por sólo unos segundos (entre 8 y 15), ya que cuando el motor ha vencido la inercia del rotor en el estado de reposo, el arrancador suministra el 100 % de la tensión.

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4.2 Interruptores Los interruptores son dispositivos de protección y desconexión

de circuitos eléctricos.

• Operan térmicamente, con listones fusibles desechables

De navajas con fusibles

• Cuando elemento térmico, se calienta se efectúa el disparo

Termomagnético.

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Conclusión

Como vimos un motor de combustión interna tendrá un menor rendimiento y potencia con el inconveniente del costo del combustible.

Los rendimientos tanto del motor de combustión interna y los motores eléctricos, son indispensables para el cálculo general del rendimiento de las bombas, tomamos en cuenta los trabajos realizados tanto por el eje de la bomba, como por el trabajo que realizaría un motor eléctrico.

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Conclusión

Debemos recordar que la potencia de los motores de combustión interna disminuye con la altura. Los motores eléctricos en todo caso son los más usados.

Dos dispositivos esenciales que se encuentran acoplados a una bomba son los interruptores y los sistemas de arranque.

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Problema Propuesto

5.2 Una bomba de aceite extrae 35 kW de potencia eléctrica mientras bombea aceite con ρ = 860 kg/m3 a una tasa de 0,1 m3/s. Los diámetros de entrada y salida de la tubería son 8 cm y 12 cm respectivamente. Si el aumento de presión en la bomba se determina como 400 kPa y la eficiencia del motor es de 90 %, determine la eficiencia mecánica de la bomba. (Figura 12).

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Datos:

3

3

1

2

860

0.1

8

12

400

Kgm

msQ

D cm

D cm

P kPa

Datos:

51

Problema Propuesto SoluciónSolución:

La Eficiencia mecánica de la bomba viene expresada por la Ecuación 3 que nos

dice:

.......................( .3)mec fluidoBOMBA

mec eje

EEc

W

Es conocido la eficiencia del motor eléctrico que es del 90%, del cual si vemos

proviene de la Ecuación 2:

.......................( .2)mec ejeMOTOR

eléctrica

WEc

W

Despejando la potencia en el eje de la Ecuación 2 tenemos:

mec eje MOTOR eléctricaw W

Ahora resolvemos el despeje de la Ecuación 2 para determinar la potencia

mecánica en el eje:

0.9 35

31.5

mec eje

mec eje

w kW

w kW

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Problema Propuesto Solución

Teniendo la variable anterior, necesitamos determinar la energía mecánica del

fluido, esta se determinara con la siguiente ecuación:

2 2

2 1 2 12 13

...............( .23)2 10mec fluido

p p V VE m g Z Z kW Ec

Dónde:

2 1

22 1

2 1

lujo de masa

iferencia de presion

Diferencia de Velocidad al Cuadrado

Aceleracion de la Gravedad

Diferencia de Altura

m F

p D

V

g

Z

Para poder resolver la Ecuación 24, primero buscamos sus variables. El flujo de

masa se determina por la siguiente ecuación:

................( .24)m Q Ec

Resolviendo la Ecuación 24 tenemos:

3

30.1 860 86kg kgms sm

m

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Problema Propuesto SoluciónDeterminamos ahora la presión, siendo que:

2 1 400P P P kPa ,

Las alturas Z2 y Z1 son despreciables

Las velocidades se obtienen a partir del caudal, utilizaremos la siguiente ecuación

para determinarla:

2

4.................( .25)

Q Q mV Ec

A D s

Con la anterior ecuación resolvemos para la velocidad 1 y 2:

3

3

1 2

2 2

4 0.119.89

0.08

4 0.18.84

0.12

ms

ms

ms

ms

Vcm

Vcm

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Problema Propuesto SoluciónYa teniendo las variables anteriores, vamos a sustituirlas en la Ecuación 23 para

encontrar la energía mecánica del fluido:

3

2 2

3

8.84 19.8940086

860 2 10

26.35

m ms skg

smec fluido kgm

mec fluido

kPaE

E kW

Ahora bien ya que tenemos los resultados de las ecuaciones 23 y el despeje de la

ecuación 2, resolveremos la ecuación 3 para saber la eficiencia con que trabaja la

bomba:

26.350.8365

31.5BOMBA

kW

kW

Tenemos entonces que debido al resultado anterior llegamos a que la eficiencia de

nuestra bomba será de un 83.65%.

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Referencias

I. Electrónicas

es.wikipedia.org/wiki/Motor_eléctrico

http://www.mcgraw-hill.es/bcv/guide/capitulo/8448173104.pdf

http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_combusti%C3%B3n_interna

http://www.slideshare.net/linkin_po/motores-de-combustion-interna-presentation

http://www.banrepcultural.org/blaavirtual/ciencias/sena/mecanica/gas-preconversion-vehiculos/gaspre5a.htm

http://www.industronic.com.mx/UPS%20Serie%20Basica%20101/M%C3%B3dulo%2021%20Arrancadores%20Estat%C3%B3ricos.pdf

Ing. Carlos Fidel Cruz Mamani, Termodinámica Técnica, Universidad Técnica de Oruro, 2010, PDF.

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Referencias

II. Bibliográficas

Fernando Martínez Saino-Natalio Gutiérrez Carrillo, Maquinas Hidráulicas, Universidad Autónoma de Chapingo, Primera Edición en Español 2003, Pag. 264-272.