estudio de la capacidad del sistema de …red.uao.edu.co/bitstream/10614/6192/1/t04199.pdf2 estudio...

1

ESTUDIO DE LA CAPACIDAD DEL SISTEMA DE BOMBEO EN EL ÁREA DE ELABORACIÓN INGENIO LA CABAÑA

FABIO ANDRÉS HERNÁNDEZ SHEK

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI 2008

2

ESTUDIO DE LA CAPACIDAD DEL SISTEMA DE BOMBEO EN EL ÁREA DE ELABORACIÓN INGENIO LA CABAÑA

FABIO ANDRÉS HERNÁNDEZ SHEK

Trabajo de Pasantía para optar por el titulo De Ingeniero Mecánico.

Director HUGO CENEN HOYOS

Ingeniero Mecánico

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA Y MECÁNICA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA

SANTIAGO DE CALI 2008

3

Nota de aceptación: Aprobado por el Comité de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar por el título de Ingeniero Mecánico. Ing. HUGO CENEN HOYOS Director

Santiago de Cali, Mayo de 2008.

4

AGRADECIMIENTOS

A Dios que me brindo la vida, y la fortaleza para lograr este triunfo, a mis padres y hermano que fueron quienes me impulsaron todos los días a no desfallecer en cualquier obstáculo que se presentara en todo este tiempo, a mis profesores por darme parte de su conocimiento para encaminarme en este sueño hecho realidad, y a todas las personas que de una u otra forma estuvieron a mi lado en este largo camino.

5

CONTENIDO

Pág.

RESUMEN 10 INTRODUCCIÓN 11 1. PROCESOS DE PRODUCCIÓN DEL AZÚCAR 12 1.1 LABORES DE CAMPO Y COSECHA 12 1.2 PATIOS DE CAÑA 12 1.3 PICADO DE CAÑA 13 1.4 MOLIENDA 13 1.5 PESADO DE JUGOS 13 1.6 CLARIFICACIÓN 13 1.7 EVAPORACIÓN 13 1.8 CRISTALIZACIÓN 14 1.9 CENTRIFUGACIÓN 14 1.10 SECADO 14 1.11ENVASE 14 1.12 TIPOS DE AZÚCAR 15 2 JUGO TANQUE AMORTIGUACIÓN 16 2.1 POTENCIA REQUERIDA 19 2.2 CONCLUSIÓN 19 3 JUGO CLARIFICADO 20 3.1 LINEA 1 (CALENTADOR 5A Y 5B) 21 3.2 LINEA 2 (CALENTADOR 6A Y 6B) 22

6

3.3 POTENCIA REQUERIDA 22 3.4 CALCULO ALTURA MAXIMA (Hs) 23 3.5 CONCLUSIÓN 23 4 JUGO ENCALADO 26 4.1 LINEA 1 (CALENTADOR 1A, 1B Y 2A, 2C) 27 4.2 POTENCIA REQUERIDA 27 4.3 LINEA 2 (CALENTADOR 1A, 1B Y 9) 28 4.4 POTENCIA REQUERIDA 28 4.5 CONCLUSIÓN 29 5 AGUA CALIENTE A CENTRIFUGAS 30 5.1 CALCULO CON TUBERIA DE 2” 30 5.2 CALCULO CON TUBERIA DE 3” 32 5.3 CONCLUSIÓN 32 6 CONCLUSIONES 34 BIBLIOGRAFIA 35 ANEXOS 36

7

LISTA DE TABLAS

Pág. Tabla 1. Pérdidas equivalentes accesorios Jugo Tanque Amortiguación 17 Tabla 2. Calculo perdida de presión por calentadores, Amortiguación 18 Tabla 3. Calculo perdida de presión por calentadores, Jugo Clarificado 20 Tabla 4. Pérdidas equivalentes accesorios Jugo Clarificado, Línea 1 24 Tabla 5. Pérdidas equivalentes accesorios Jugo Clarificado, Línea 2 25 Tabla 6. Calculo perdida de presión por calentadores, encalado 26 Tabla 7. Calculo caudal centrifugas 30 Tabla 8. Calculo perdidas por accesorios tubería 2” 31 Tabla 9. Calculo perdidas por accesorios tubería 3” 33

8

LISTA DE FIGURAS

Pág. Figura 1. Diagrama del proceso del azúcar 15 Figura 2. Esquema Jugo Tanque Amortiguación 16 Figura 3. Esquema Jugo Clarificado, Línea 1 21 Figura 4. Esquema Jugo Clarificado, Línea 2 22 Figura 5 . Esquema Jugo Encalado, Línea 1 27 Figura 6. Esquema Jugo Encalado, Línea 2 28

9

LISTA DE ANEXOS

Pág. Anexo A Curva bomba Worthington 5M244 “Jugo Encalado” 36 Anexo B. Tipos de succión en los sistemas de bombeo. 37 Anexo C. Tablas para cálculo de pérdidas de acuerdo al diámetro 38

de la tubería. Anexo D. Tabla calculo perdidas para accesorios. 42 Anexo E. Diagrama bomba Wilfley HD 8X4 43 “Jugo tanque de amortiguación” Anexo F. Curva bomba Wilfley HD 8X4 44 “Jugo tanque de Amortiguación” Anexo G. Curva bomba Worthington 6LR-16 “Jugo Clarificado”. 45 Anexo H. Isométrico “Jugo tanque de amortiguación” 46 Anexo I. Isométrico “Jugo clarificado” 47 Anexo J. Isométrico “Agua caliente a centrifugas” 48

10

RESUMEN

Siempre que se trata temas como procesos químicos, y de cualquier circulación de fluidos estamos, de alguna manera entrando en el tema de bombas. El funcionamiento en si de la bomba será el de un convertidor de energía, o sea, transformará la energía mecánica en energía cinética, generando presión y velocidad en el fluido. Los sistemas de bombeo juegan uno de los papeles más importantes dentro de la industria azucarera, ya que existe la necesidad de trasladar un fluido a temperaturas muy elevadas de un lado a otro. Los productos que manipulan las bombas en la industria de la alimentación pueden ser soluciones acuosas, aceites vegetales ligeros como también producto con mayor densidad como jarabes, melazas o líquidos con un alto contenido de sólidos. Dada la extensa variedad de características de estos medios. La industria emplea casi todos los tipos de bombas con ciertas preferencias en aplicaciones concretas, como en el caso de las máquinas específicamente proyectadas como bombas para producto alimenticio. La condición principal que deben cumplir estas bombas es que no contaminen el producto en modo alguno. Básicamente esto significa que la bomba no debe ser sensible al ataque corrosivo o abrasivo por parte del producto que se manipula y que no le teñirá en absoluto. Al final de un periodo de utilización, la bomba puede verse obligada a cierto tiempo de inactividad, o incluso pasar a manipular un producto diferente. Dentro de los objetivos de toda organización industrial, económica o de servicios, está el de obtener el máximo rendimiento sobre las inversiones realizadas, asegurando el bienestar de todos los empleados y la comunidad en general, brindando excelencia en sus productos y servicios, y sirviendo de generador de empleo y desarrollo para el país.

11

INTRODUCCIÓN En un ambiente tan competitivo como el actual que se basa en la globalización de la economía, en los tratados con otros países, en los convenios y fusiones entre grandes compañías, ha llevado a que la mayoría de las empresas de todo el mundo mejoren sus condiciones internas en la búsqueda de mejor calidad, mayor productividad y menores costos en sus operaciones, que les permita tener ventajas competitivas frente a sus rivales y que puedan sobrevivir en el cambiante mercado mundial.

En la mayor parte de los ingenios azucareros la mayor tarea es alcanzar un proceso con mayor eficiencia, por eso es tan importante que en todos los procesos de la fábrica cuente con un buen estudio de su funcionamiento para poder disminuir costos de mantenimiento y operación. Cabe destacar que la instauración de la industria azucarera en Colombia, se realizo prácticamente de manera empírica, es decir sin poseer una base científica solida. Gracias a esto, muchos de los procesos que se hacen en estos ingenios pueden poseer unos índices bajos de eficiencia. El presente trabajo, tiene como objetivo realizar un análisis integral del sistema de bombeo en el área de elaboración del Ingenio La Cabaña S.A, esta es una empresa Agroindustrial, ubicada en el Dpto. del Cauca, dedicada a la producción y comercialización de azúcares y mieles, posee alrededor de 15.000 hectáreas de terrenos destinados al cultivo de la caña de azúcar y alrededor de 200.000 metros cuadrados asignados a la planta física de la fábrica y áreas administrativas. Entre su personal existente dispone alrededor de 1.700 personas afiliadas y 1.500 contratistas. La planta de producción está conformada principalmente por los equipos de molinos, turbinas, calderas, clarificadores, calentadores, filtros, evaporadores, tachos, cristalizadores, centrífugas, secadoras, transportadores y además elementos técnicos y humanos necesarios para el cumplimiento de la función fabril. Los productos elaborados por el Ingenio pertenecen a la línea de azúcar crudo, azúcar blanco especial, azúcar blanco, miel virgen y miel final.

12

1. PROCESO DE PRODUCCIÓN DEL AZÚCAR

El presente trabajo contiene estudios realizados en el área de elaboración del Ingenio la Cabaña, son 4 sistemas estudiados que son: � Jugo tanque de amortiguación � Jugo clarificado � Jugo encalado � Agua caliente a centrifugas Pero antes de entrar en detalle con los sistemas a estudiar es necesario entender el proceso de obtención del azúcar el cual se mostrara a continuación: La caña de azúcar ha sido sin lugar a dudas uno de los productos de mayor importancia para el desarrollo comercial en el continente americano y europeo. El azúcar se consume en todo el mundo, puesto que es una de las principales fuentes de calorías en las dietas de todos los países.

El azúcar puede obtenerse principalmente a partir de la caña de azúcar y la remolacha azucarera. Para su obtención se requiere de un largo proceso, desde que la semilla de caña germina hasta que el azúcar se comercializa nacional e internacionalmente. A continuación se detalla el proceso en la fábrica.

1.1 LABORES DE CAMPO Y COSECHA

El proceso productivo se inicia con la preparación del terreno, etapa previa de siembra de la caña. Una vez la planta madura entre los 12 y 14 meses, las personas encargadas de la tarea de cosecha se disponen a cortarla y recogerla a través de alce mecánico y llevarla hacia los patios de caña de los ingenios.

1.2 PATIOS DE CAÑA

La caña que llega del campo se muestra para determinar las características de calidad y el contenido de sacarosa, fibra y nivel de impurezas. Luego se pesa en básculas y se conduce a los patios donde se almacena temporalmente o se dispone directamente en las mesas de lavado de caña para dirigirla a una banda conductora que alimenta las picadoras.

13

1.3 PICADO DE CAÑA

Las picadoras son unos ejes colocados sobre los conductores accionados por turbinas, provistos de cuchillas giradoras que cortan los tallos y los convierten en astillas, dándoles un tamaño uniforme para facilitar así la extracción del jugo en los molinos.

1.4 MOLIENDA

La caña preparada por las picadoras llega a un tándem de molinos, constituido cada uno de ellos por tres o cuatro mazas metálicas y mediante presión extrae el jugo de la caña. Cada molino esta equipado con una turbina de alta presión. En el recorrido de la caña por el molino se agrega agua, generalmente caliente, para extraer al máximo la sacarosa que contiene el material fibroso. Este proceso de extracción es llamado maceración. El bagazo que sale de la última unidad de molienda se conduce a una bagacera para que seque y luego se va a las calderas como combustible, produciendo el vapor de alta presión que se emplea en las turbinas de los molinos. 1.5 PESADO DE JUGOS .

El jugo diluido que se extrae de la molienda se pesa en básculas con celdas de carga para saber la cantidad de jugo sacaroso que entra en la fábrica.

1.6 CLARIFICACION

El jugo obtenido en la etapa de molienda es de carácter ácido (pH aproximado: 5,2), éste se trata con lechada de cal, la cual eleva el pH con el objetivo de minimizar las posibles pérdidas de sacarosa. La cal también ayuda a precipitar impurezas orgánicas o inorgánicas que vienen en el jugo y para aumentar o acelerar su poder coagulante, se eleva la temperatura del jugo encalado mediante un sistema de tubos calentadores. La clarificación del jugo por sedimentación; los sólidos no azúcares se precipitan en forma de lodo llamado cachaza y el jugo claro queda en la parte superior del tanque. Este jugo sobrante se envía antes de ser desechada al campo para el mejoramiento de los suelos pobres en materia orgánica.

1.7 EVAPORACION

Aquí se comienza a evaporar el agua del jugo. El jugo claro que posee casi la mitad composición del jugo crudo extraído (con la excepción de las impurezas eliminadas en la cachaza) se recibe en los evaporadores con un porcentaje de sólidos solubles entre 10 y 12 % y se obtiene una meladura o jarabe con una concentración aproximada de sólidos solubles del 55 al 60 %.

14

Este proceso se da en evaporadores de múltiples efectos al vacío, que consisten en una solución de celdas de ebullición dispuestas en serie. El jugo entra primero en el preevaporador y se calienta hasta el punto de ebullición. Al comenzar a ebullir se generan vapores los cuales sirven para calentar el jugo en el siguiente efecto, logrando así al menor punto de ebullición en cada evaporador. En el proceso de evaporación se obtiene el jarabe o meladura. La meladura es purificada en un clarificador. La operación es similar a la anterior para clarificar el jugo filtrado.

1.8 CRISTALIZACION

La cristalización se realiza en los tachos, que son recipientes al vacío de un solo efecto. El material resultante que contiene líquido (miel) y cristales (azúcar) se denomina masa cocida. El trabajo de cristalización se lleva a cabo empleando el sistema de tres cocimientos para lograr la mayor concentración de sacarosa.

1.9 CENTRIFUGACION.

La masa pasa por las centrífugas, máquinas agrícolas en las cuales los cristales se separaran del licor madre por medio de una masa centrífuga aplicada a tambores rotatorios que contienen mallas interiores. La miel que sale de las centrifugas se bombea a tanques de almacenamiento para luego someterla a superiores evaporaciones y cristalizaciones en los tachos. Al cabo de tres cristalizaciones sucesivas se obtiene miel final que se retira del proceso y se comercializa como materia prima par la elaboración de alcoholes.

1.10 SECADO

El azúcar húmedo se transporta por elevadores y bandas para alimentar las secadoras que son elevadores rotatorios en los cuales el azúcar se colocan en contacto con el aire caliente que entra en contracorriente. El azúcar debe tener baja humedad, aproximadamente 0.05 %, para evitar los terrones.

1.11 ENVASE

El azúcar seca y fría se empaca en sacos de diferentes pesos y presentaciones dependiendo del mercado y se despacha a la bodega de producto terminado para su posterior venta y comercio.

15

1.12 TIPOS DE AZUCAR

El azúcar se clasifica dependiendo de los procesos aplicados a la extracción y el gusto del consumidor: � Crudo, mascado o morena: se produce con cristales de tamaño y conserva una película de melaza que envuelve cada cristal.

� Blanco directo o directo especial: se producen por procesos de clarificación y su producción final se logra en una sola etapa de clarificación. � Refinamiento: se cristaliza dos veces con el fin de lograr su máxima pureza. Figura 1. Diagrama proceso del azúcar

16

2. JUGO TANQUE DE AMORTIGUACIÓN

En este sistema se encuentran instaladas dos bombas WILFLEY HD 8X4, cada una cuenta con un motor de 150 HP, con transmisión por correas donde el diámetro de la polea del motor es de 10 7/8” y el de la bomba es de 16”. El presente informe presenta los cálculos realizados donde se chequeo la operación del sistema de bombeo para 270 ton /h de caña molida, con un sobre flujo del 25 % equivalente a jugo filtrado y retorno del sistema de recuperado, la capacidad de bombeo se estima en 340 ton/h de jugo equivalentes a 1450 gpm Para el cálculo es necesario verificar la línea más crítica y en este caso existen tres líneas con diferentes calentadores que son: Línea 1. Calentador 3 y 10 Línea 2. Calentador 9 y 10 Línea 3. Calentador 3 y 9 Las pérdidas en el sistema son calculadas en la Tabla 1que da a entender el cálculo de las pérdidas equivalentes por accesorios en el jugo del tanque de amortiguación. La figura 2, representa las tres opciones a calcular. Figura 2. Esquema Jugo Tanque de amortiguación

TanqueAmortiguaciòn

CalentadorNo 3

CalentadorNo 3

CalentadorNo 9


17

Tabla 1. Calculo pérdidas equivalentes accesorios. Jugo Tanque amortiguación

DIAMETRO DIAMETRO DIAMETRO

ACCESORIOSL.E.( Pies ) CANT.

Subtotal en Pies ACCESORIOS L.E. CANT.


Subtotal en Pies

Valvula cheque de 6" 40 1 40

Valvula de compuerta de 6" 20 1 20

Expansión de 4" x 6" 10 1 10

0Expansion de 6" x 8" 12 1 12

0Codo de 8" x 45°

10 2 20

0Codo de 8" X 90°

19 3 57

0Valvula de compuerta

de 8" 4 2 8


0Valvula cheque

de 8" 50 1 50

0Reducción de 10"

x 8" 4 1 4

0 0Codo de 10" x 90°

25 15 375

0 0Codo de 10" x 45°

15 4 60

0 0Valvula de compuerta

de 10" 35 5 175

0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0 0

70 157 610

0 32.33 200

70 189.33 810

9.52 2.38 0.65325

6.66 4.506054 5.291325

PERDIDA DE CARGA TOTAL EN TUBERIA Y ACCESORIOS ( Pies )

PERDIDA DE CARGA (Ft)

16.46

TOTAL LONGITUD ( accesorios y tuberia ) (Ft)PERDIDAS POR FRICCION (Hf) TABLA (Ft/100Ft)

TOTAL LONGITUD EQUIVALENTE ACCESORIOS (Ft)TOTAL LONGITUD RECTA DE TUBERIA (Ft)

6 Pulgadas 8 pulgadas

INGENIO LA CABAÑA S. A.DEPARTAMENTO DE MANTENIMIENTO MECANICO ELABORACIONCALCULO DE LUNGITUDES EQUIVALENTES TUBERIAS Y ACCESORIOS BOMBAS

PROYECTO : BOMBAS DE JUGO ENCALADO AMORTIGUADO GPM : 1300 FECHA : MAYO 24 DE 2007

10 pulgadas

18

En la tabla anterior se especifican los accesorios por diámetro y la cantidad de tubería lineal para así ser calculada la perdida que tiene el sistema por accesorios y tubería. La caída de presión por tubería y accesorios es 17 Ft Para la pérdida de presión en los calentadores se utilizo la formula:

Donde: ∆P Pérdida de presión por calentadores N Número de pasos ρ Densidad fluido 1050 Kg/m³ V Velocidad L Longitud de tubería Di Diámetro interno tubería ƒ Fricción 0.025 Є Por entradas agudas 0.5 En este sistema los calentadores están en serie por lo tanto el caudal para los calentadores es de 1450 gpm = 0.09135 m³/s. Tabla 2. Calculo perdida de presión por calentadores, Jugo Tanque Amortiguación

Calentador No 3

Calentador No 9

Calentador No 10

Caudal (gpm) 1450 1450 1450

Caudal por tubo (m³/s) 2,28 x 10-3 2,28 x 10-3 2,28 x 10-3

Densidad del fluido (Kg/m³) 1050 1050 1050

Numero de pasos 10 10 10

Numero de tubos por paso 40 40 40

Longitud de tubería (m) 4,26 6,09 6,09

Diámetro interno tubería (m) 0,0356 0,0356 0,0356

Velocidad del jugo por tubo (m/s) 2,29 2,29 2,29

Total caída de presión (ft) 60 72 72

19

Con los cálculos obtenidos de pérdida de presión por calentadores y los siguientes datos se verifica cual de las tres líneas del sistema es la más crítica. El sistema cuenta con una válvula de control de flujo que tiene una pérdida de presión de 20 Ft La altura estática es de 52 Ft Los calentadores están en serie entonces para cada línea se deben sumar: Línea 1: Calentador 3 + Calentador 10 + Perdidas por accesorios + Válvula

de control de flujo + Altura estática. 60 + 72 + 17 + 20 + 52 = 221 ft = 67,3 m Línea 2: Calentador 9 + Calentador 10 + Perdidas por accesorios + Válvula

de control de flujo + Altura estática. 72 + 72 + 17 + 20 + 52 = 233 ft = 71 m Línea 3: Calentador 3 + Calentador 9 + Perdidas por accesorios + Válvula

de control de flujo + Altura estática. 60 + 72 + 17 + 20 + 52 = 221 ft = 67,3 m De esta manera la línea más crítica es la No 2 2.1 POTENCIA REQUERIDA (P):

Donde: Q Caudal (0,09135 m3/s) H Cabeza dinámica línea 2 (71 m)

Densidad (1050 Kg/m3)

P = 0.09135 * 71 * 1050 = 6811.9

6811.9/76 = 89,63 HP 2.2 CONCLUSIÓN

De acuerdo con la curva la bomba (Anexo 6) tiene una capacidad de bombeo de 1500 gpm a 300 ft de cabeza dinámica, y comparados con los valores calculados no tendría problema alguno en las condiciones de operación actuales. Es necesario hacer un seguimiento al sistema de bombeo ya que los operarios informan que una de las bombas presenta mejor comportamiento que la otra.

20

3. JUGO CLARIFICADO

El presente informe presenta los cálculos realizados donde se chequeo la operación del sistema de bombeo para condiciones de molienda de 300 Ton/h de caña molida, equivalentes a 1400 gpm. El sistema cuenta con una bomba Worthington 6LR – 16 1770 rpm Diámetro del impulsor 15” Este sistema cuenta con dos líneas de impulsión y con calentadores en paralelo es por esto que para calcular las perdidas en los calentadores se toma un caudal de 700 gpm; y se calcula con el calentador que muestre más perdidas en la línea. Para el cálculo de pérdida de presión en los calentadores se utilizo la siguiente fórmula:

Donde: ∆P Pérdida de presión por calentadores N Número de pasos ρ Densidad fluido 1050 Kg/m³ V Velocidad L Longitud de tubería Di Diámetro interno tubería ƒ Fricción 0.025 Є Por entradas agudas 0.5 Tabla 3. Calculo perdida de presión por calentadores, Jugo Clarificado

Calentador Calentador Calentador Calentador

No 5A No 5B No 6A No 6B

Caudal (gpm) 700 700 700 700

Caudal por tubo (m³/s) 2,205 x 10-3 2,205 x 10-3 2,205 x 10-3 2,205 x 10-3

Densidad del fluido (Kg/m³) 1100 1100 1100 1100

Numero de pasos 20 20 10 14

Numero de tubos por paso 20 20 30 15

Longitud de tubería (m) 6,09 6,09 5,79 5,79

Diámetro interno tubería (m) 0,0356 0,0356 0,0356 0,0356

Velocidad del jugo por tubo (m/s) 2,209 2,209 1,47 2,94

Total caída de presión (ft) 140 140 30 170

21

Se analizan los cálculos por las dos líneas existentes 3.1 LINEA 1 (CALENTADOR 5A y 5B) Figura 3. Esquema Jugo Clarificado, Línea 1

TanqueClarificado

CalentadorNo 5B

CalentadorNo 5A

Evaporador

Las perdidas por accesorios de esta línea son de 30.22 ft, los cuales son mostrados en las tablas de perdidas. El sistema cuenta con una válvula de control de flujo que presenta una caída de presión de 30 ft. La altura estática es de 42 ft. El evaporador crea una contrapresión de 34.65 ft.

Donde: Head Carga hidráulica HS Altura estática HFS Perdidas por accesorios (válvula de control de flujo, perdida de presión por accesorio, perdidas en el calentador, contrapresión del evaporador)

42 + (30.22 + 20 + 140 + 34.65) = 267 ft = 81 m

22

3.2 LINEA 2 (CALENTADOR 6A y 6B) Figura 4. Esquema Jugo Clarificado, Línea 2

TanqueClarificado

CalentadorNo 6B

CalentadorNo 6A

Evaporador

Las perdidas por accesorios de esta línea son de 28.13 ft, los cuales son mostrados en las tablas de perdidas. El sistema cuenta con una válvula de control de flujo que presenta una caída de presión de 30 ft. La altura estática es de 42 ft. El evaporador crea una contrapresión de 34.65 ft.

Donde: Head Carga hidráulica H Altura estática HFS Perdidas por accesorios (válvula de control de flujo, perdida de presión por accesorio, perdidas en el calentador, contrapresión del evaporador)

42 + (28.13 + 20 + 170 + 34.65) = 295 ft = 90 m Según los cálculos la línea más crítica es la No 2 3.3 POTENCIA REQUERIDA (P) Carga hidráulica (m) * Densidad (Kg / m3) * Caudal (m3 / s)

P = 90 * 1100 * 0.082 = 8731.8/76 = 114.88 HP

23

3.4 CALCULO ALTURA MAXIMA (H S) Para este sistema es necesario saber hasta que nivel puede llegar el fluido en el tanque de succión (Hs), ya que existe la incógnita si el fluido en algún momento cavita en el sistema. DATOS Presión atmosférica a 3000 ft 90778 N/m2 = 27.6 ft H2O Presión de vapor a 93 °C 79401 N/m 2 = 10.47 psi Peso especifico 10780 N/m3

Perdidas en la succión ( HFS) 0.656 ft NPSH r 12 ft

3.5 CONCLUSIÓN De acuerdo con la curva de la bomba (Anexo 7) se nota que esta bomba a para trabajar a 1400 gpm y a una cabeza de 295 ft, este punto de operación estaría por fuera del límite de la curva de la bomba al mismo caudal, lo que muestra claramente porque existen problemas en este sistema, es necesario tomar los correctivos y definir que bomba se ajusta a estas necesidades. En este caso por tratarse de succión positiva, según el cálculo de la altura máxima de succión, que corresponde a la altura mínima del fluido en el tanque, no debe estar a menos de 3m del eje de la bomba, a fin de que no se presente cavitación el fluido.

24

Tabla 4. Calculo pérdidas equivalentes accesorios Jugo Clarificado, Línea 1





Subtotal en Pies

Codo 90°11 1 11

Expansion de 6" x 8" 5 2 10

Valvula cheque de 6"40 1 40


0Codo de 8" x 45°

10 2 20

0Codo de 8" X 90°

19 5 95


de 8" 4 3 12


0Tee de 8"

14 2 28

0Reduccion de

8" X 6" 4 1 4

0 0Codo de 10" x 90°

25 25 625

0 0Codo de 10" x 45°

15 3 45

0 0Tee de 10"

60 3 180


de 10" 35 9 315

0 0Valvula cheque

de 10" 60 1 60

0 0Valvula fo fo

125 2 250

0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0 0

81 165 1475

3 24 92

84 189 1567

11.80 2.95 0.94

9.91 5.5755 14.7298



PROYECTO : BOMBAS DE JUGO CLARIFICADO CELNTADORES 5AY5BGPM : 1300 FECHA : MAYO 24 DE 2007

10 pulgadas

PERDIDAS POR FRICCION (Hf) TABLA (Ft/100Ft)




30.22

TOTAL LONGITUD ( accesorios y tuberia ) (Ft)

25

Tabla 5. Calculo pérdidas equivalentes accesorios Jugo Clarificado, línea 2





Subtotal en Pies

Codo 90°11 1 11

Expansion de 6" x 8" 5 2 10

Valvula cheque de 6" 40 1 40


0Codo de 8" x 45°

10 2 20

0Codo de 8" X 90°

19 5 95


de 8" 4 4 16


0Tee de 8"

14 2 28

0Reduccion de

8" X 6" 4 1 4

0 0Codo de 10" x 90°

25 22 550

0 0Codo de 10" x 45°

15 5 75

0 0Tee de 10"

60 1 60


de 10" 35 7 245

0 0Valvula cheque

de 10" 60 1 60

0 0Valvula fo fo

125 2 250

0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0 0

81 169 1240

3 24 92

84 193 1332

11.80 2.95 0.94

9.91 5.6935 12.5208



PROYECTO : BOMBAS DE JUGO CLARIFICADO CELNTADORES 6a y 6bGPM : 1300 FECHA : MAYO 24 DE 2007

10 pulgadas

PERDIDAS POR FRICCION (Hf) TABLA (Ft/100Ft)




28.13

TOTAL LONGITUD ( accesorios y tuberia ) (Ft)

26

4. JUGO ENCALADO

El presente informe presenta los cálculos realizados donde se chequeo la operación del sistema de bombeo para condiciones de molienda de 300 Ton/h de caña molida, equivalentes a 1400 gpm. El sistema cuenta con dos líneas: Línea 1: Calentadores 1A y 1B (paralelo) y Calentadores 2A y 2C (paralelo) Línea 2: Calentadores 1A y 1B (paralelo) y Calentador 9 Los calentadores están en paralelo el caudal para este caso es de 700 gpm y para el calentador 9 el caudal es de 1400 gpm Para el cálculo de pérdida de presión en los calentadores se utilizo la siguiente fórmula:

Donde: ∆P Pérdida de presión por calentadores N Número de pasos ρ Densidad fluido 1050 Kg/m³ V Velocidad L Longitud de tubería Di Diámetro interno tubería ƒ Fricción 0.025 Є Por entradas agudas 0.5 Tabla 6. Calculo perdida de presión por calentadores, encalado

Calentador Calentador Calentador Calentador Calentador

No 1ª No 1B No 2A No 2C No 9

Caudal (gpm) 700 700 700 700 1400

Caudal por tubo (m³/s) 2,205x10-3 2,205x10-3 1,47x10-3 2,94x10-3 2.205x10-3

Densidad del fluido (Kg/m³) 1100 1100 1100 1100 1100

Numero de pasos 20 20 10 10 10

Numero de tubos por paso 20 20 30 30 40

Longitud de tubería (m) 6,09 6,09 5,79 5,79 6,09

Diámetro interno tubería (m) 0,0356 0,0356 0,0356 0,0356 0,0356

Velocidad del jugo por tubo (m/s) 2,207 2,207 1,47 1,47 2,207

Total caída de presión (ft) 140 140 30 30 70

27

4.1. LINEA 1. CALENTADORES 1A, 1B y 2A, 2C Figura 5. Esquema Jugo Encalado, Línea 1

TanqueEncalado

CalentadorNo 1A

CalentadorNo 1B

CalentadorNo 2A

CalentadorNo 2C


Este sistema cuenta con una válvula de control de flujo la cual causa una perdida en la presión de 20 ft. Las pérdidas por accesorios son de 20 ft. Altura estática 52 ft. Perdidas por calentadores 170 ft El valor de cabeza dinámica total es:

Donde: Head Carga hidráulica H Altura estática HFS Perdidas por accesorios (válvula de control de flujo, perdida de presión por accesorio, perdidas en el calentador)

= 20 + 20 + 52 +170 = 262 ft = 80 m 4.2 POTENCIA REQUERIDA (P)

Q = 1400 gpm = 0.882 m3/s Cabeza dinámica = 80m Densidad = 1100 Kg/m3

P= 0.0882 x 80 x 1100 = 7761.6 /76hp = 102.12 hp

28

4.3 LÍNEA 2 (CALENTADORES 1A, 1B y 9) Figura 6. Esquema Jugo Encalado, Línea 2

TanqueEncalado

CalentadorNo 1A

CalentadorNo 1B Calentador

No 9


Este sistema cuenta con una válvula de control de flujo la cual causa una perdida en la presión de 20 ft. Las pérdidas por accesorios son de 20 ft. Altura estática 52 ft. Perdidas por calentadores 210 ft El valor de cabeza dinámica total es:

Donde: Head Carga hidráulica H Altura estática HFS Perdidas por accesorios (válvula de control de flujo, perdida de presión por accesorio, perdidas en el calentador)

= 20 + 20 + 52 +210 = 302 ft = 92 m Línea mas critica 4.4 POTENCIA REQUERIDA (P)

Q = 1400 gpm = 0.882 m3/s Cabeza dinámica = 80m Densidad = 1100 Kg/m3

P= 92 x 1100 x 0.0882 = 8298.4 /76hp = 109.2 hp

29

El montaje actual de la bomba tiene un motor de 150 hp a 1760 rpm, con una polea en el motor de 8 canales con diámetro externo de 9 ¼” y una polea en la bomba con 17 ¼” de diámetro exterior con 8 canales, con estos datos podemos calcular las rpm actuales de la bomba.

943"4

117

"419*1760

==rpm

Con la curva de la bomba Worthington 5M244, (5x6x24.3) se puede ver que las rpm requeridas son de 1100. El diámetro de la polea requerido es de 14 ½” 4.5 CONCLUSIÓN Según la curva de la bomba (Anexo 1) se puede concluir que de acuerdo al montaje actual no está funcionando óptimamente la bomba, es por esto que es necesario tener en la bomba el diámetro de la polea requerido para óptimas condiciones de operación.

30

5. AGUA CALIENTE A CENTRIFUGAS

Los cálculos son motivados por la necesidad de alimentar las centrifugas directamente desde el tanque de almacenamiento de agua caliente, el diseño de este sistema es completamente diferente al actual. Para este sistema es necesario verificar el diámetro de tubería mas adecuado, en el momento la empresa cuenta con tubería de 2” para instalar en este sistema, pero es necesario hacer el estudio en tubería de otro dímetro para ver cuál es la más adecuada, para saber con qué caudal se debe trabajar se toma de catálogos el caudal requerido por cada centrifuga. Tabla No. 7 Calculo caudal centrifugas.

CENTRIFUGA CANTIDAD CENTRIFUGAS

CAUDAL X CENTRIFUGA

CAUDAL TOTAL

Silver 3 24 gpm 72 gpm Broadbent 4 16.5 gpm 66 gpm Continua 10 1.8 gpm 18 gpm TOTAL 156 gpm

5.1 CALCULO CON TUBERIA DE 2” El caudal es de 156 gpm, pero se toma de 200 gpm por factor de seguridad, la caída de presión por accesorio y longitud de tubería es de 255 ft. El cálculo se hace con la línea más critica que es hasta la centrifuga silver, que cuenta con una válvula de control de flujo que da una caída de presión de 10 ft, la succión y la descarga se encuentran a presión atmosférica la altura estática es de 4m = 13.12 ft Cabeza dinámica total

Donde: Head Carga hidráulica H Altura estática HFS Perdidas por accesorios (válvula de control de flujo, perdida de presión por accesorios)

= 13.12 + 255 + 10 = 280 ft

31

Tabla No. 8. Calculo perdidas por accesorios tubería 2”





Subtotal en Pies

0

0

0

0


de 2" 7 1 7

0Codo de 45°

3 1 3

0Yee de 2"

4 1 4

0Codo de 90º

4 5 20

0Tee de 2"

14 2 28

0 0

0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 62 0

350 0

0 412 0

66.3 0

0.00 273.156 0



PROYECTO : AGUA CALIENTE A CENTRIFUGAS GPM : 200 FECHA : ABRIL10 DE 2007




273.16


32

5.2 CALCULO CON TUBERIA DE 3”. El caudal es el mismo de 200 gpm, la caída de presión por accesorios y por longitud de tubería es de 35 ft. Cabeza dinámica total

Donde: Head Carga hidráulica H Altura estática HFS Perdidas por accesorios (válvula de control de flujo, perdida de presión por accesorios)

= 13.12 + 37 + 10 = 60ft 5.3 CONCLUSIÓN Utilizando la tubería de 2” la caída de presión es muy alta, la cual incrementaría los costos ya que se necesitaría un motor con mas potencia, pero en caso de que la decisión final de la empresa sea de instalar tubería de 2” la bomba que se recomienda para este caso es una Worthington D800 serie 3x2x10, con 3550 rpm, y una potencia de 30 hp.

33

Tabla No. 9. Calculo perdida por accesorios tubería 3”





Subtotal en Pies

0

0

0

0

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0


de 3" 10 1 10

0 0Codo de 45°

3.75 1 3.75

0 0Yee de 3"

5 1 5

0 0Codo de 90º

7 5 35

0 0Tee de 3"

4.5 2 9

0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0 62.75

350

0 0 412.75

66.3 8.9

0.00 0 36.73475



PROYECTO : AGUA CALIENTE A CENTRIFUGAS GPM : 200 FECHA : ABRIL10 DE 2007

3 pulgadas




36.73


34

CONCLUSIONES

• Partiendo del objetivo de este proyecto que era revisar los sistemas de instalación de bombeo del proceso de elaboración, del Ingenio La Cabaña S.A se realizo un ejercicio teórico con cada uno de ellos, que permitió definir con relación al estado ideal, cual era su comportamiento actual, sobre los cuales se presentan conclusiones y recomendaciones al final de cada sistema y bomba utilizada. • Es necesario tener en cuenta las recomendaciones del sistema de Jugo Clarificado, donde la carga al flujo de trabajo no está dentro de los parámetros de la bomba utilizada, lo que requiere se estudie la forma de mejorar este sistema. • En el sistema de jugo amortiguado según el estudio y comparado con la curva de la bomba esta opera dentro de los parámetros, pero si se presentan fallas en el sistema es necesario realizar un seguimiento detallado, ya que el mal funcionamiento se podría ocasionar por obstrucción en tubería, o que la bomba no opera en condiciones ideales. • Según el informe realizado en el sistema de Jugo Encalado, es necesario tener en cuenta las recomendaciones de las rpm necesarias para este sistemaza ya que en la actualidad no cumple con los requerimientos del sistema. • Con el sistema de agua caliente a centrifugas se realizaron cálculos con tubería de 2” y 3”, y se verifico que en tubería de 2” la perdida por fricción y recorrido es demasiada alta, pero como la empresa tiene en existencia tubería de este diámetro es necesario hacer el estudio de que es mas costoso si operar un motor de mas potencia con tubería de 2” o adquirir tubería de un diámetro mayor. • Se calcularon perdidas en calentadores mediante modelos matemáticos los cuales simplifican la manera de hallar esta perdida, también se tuvo en cuenta la perdida de presión en equipos como válvulas de control de flujo, evaporadores.

35

BIBLIOGRAFIA Goulds pump bulbs. ITT corporation. New York. 2003. 728 p INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS. Normas Colombianas para la presentación de trabajos de investigación. Segunda actualización. Santa fe de Bogota, D.C.: ICONTEC, 2002. 34 p

Installatión manual and part list CC-V, continuos centrifugal. Copiright 1979, Western states machine company, inc. 2001. 65 p Microsoft office Word 2003 version for Windows XP. Readmond, Washington: Microsoft corporation, 2004. Requerimientos del sistema. Silver weibull sweden AB se – 28143, Haslehalm 2001. 87 p THOMAS Broadbent & Sons limited, Queen Street south, huddersfield, England. 75 p. VIKING PUMP, INC, A Unit of INDEX Corporation, cedar falls, lowa 50613 U.S.A. 85 p Worthington pump corporation, Equipos de bombeo fabricados por Worthington, Fast Orange, New Jersey. 154 p Wikipedia: La enciclopedia libre {en línea}. Florida: Wikilmedia foundation 2006. {Consultado 10 de Abril de 2007}. Disponible en Internet: http://es.wikipedia.org

36

Anexo A. Curva bomba Worthington 5M244 “Jugo encalado”

37

Anexo B. Tipos de succión en los sistemas de bombeo.

38

Anexo C. Tablas para cálculo de pérdidas de acuerdo al diámetro de la tubería.

42

Anexo D. Tabla calculo perdidas para accesorios

43

Anexo E. Diagrama bomba Wilfley HD 8X4 “Jugo tanque de amortiguación”

44

Anexo F. Curva bomba Wilfley HD 8X4 “Jugo tanque de Amortiguación”

45

Anexo G. Curva bomba Worthington 6LR-16 “Jugo Clarificado”

46

Anexo H. Isométrico “Jugo tanque de amortiguación”

47

Anexo I. Isométrico “Jugo clarificado”

48

Anexo J Isométrico “Agua caliente a Centrifugas

Centrifugas

estudio de la capacidad del sistema de …red.uao.edu.co/bitstream/10614/6192/1/t04199.pdf2 estudio...

Documents