UNIVERSIDAD VERACRUZANA

FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS

PROGRAMA EDUCATIVO

INGENIERÍA QUÍMICA

El programa de cómputo fue implementado en el Programa

Educativo de:

Ingeniería Química

En las secciones:

501 y 502

De la Experiencias Educativas de:

Mecánica de fluidos

Agosto 2016 – Enero 2017

Manual de Usuario para el Programa de Computo

‘Cálculo de la potencia de una bomba’

ÍNDICE

Introducción ................................................................................................................................. 3

Descripción. ................................................................................................................................. 3

Iniciar el programa....................................................................................................................... 6

Pantalla principal ....................................................................................................................... 11

Ejemplo. ..................................................................................................................................... 25

Procedimiento de forma manual. ............................................................................................... 26

Introducción

El presente software está pensado para que los estudiantes y maestros puedan calcular de una

manera rápida y eficaz la Potencia de una bomba para un sistema de distribución de fluidos.

Este software, fue realizado mediante Visual Basic (VB) incorporado en los entornos de

programación de Visual Studio 2013, VB es uno de los lenguajes de programación más utilizado

para el desarrollo de sistemas de cómputo y La Universidad Veracruzana cuenta con un convenio

con Microsoft, el cual otorga a sus estudiantes licencias gratuitas para que utilicen una gran

variedad de software listados en la página web del DREAMSPARK.

Como complemento para el software, se creó una base de datos en Access 2010, la cual permite

almacenar información de forma organizada y se encuentra instalada en la mayoría de las

computadoras de la UV.

Descripción.

El presente programa de cómputo, permite realizar el cálculo de la potencia de una bomba para

un sistema de distribución de fluidos, teniendo en consideración el fluido que se transporta, la

longitud de los tubos, los accesorios y los materiales utilizados a lo largo del sistema.

Permitiendo variar el tipo de fluido a transportar, así como el material de las tuberías y

accesorios, logran realizar comparaciones entre los diferentes materiales para la construcción del

sistema de tuberías y de los fluidos a transportar.

Debido al gran número de componentes y materiales empleados en el diseño y construcción de

los sistemas de distribución, se creó una base de datos en Access 2010 la cual almacenará las

características fundamentales para el cálculo de la potencia de la bomba, como son:

• Un catálogo de fluidos a diferentes temperaturas, así como los valores de viscosidad y densidad

del mismo, indispensables para los cálculos a realizar.

• Un catálogo de los materiales más utilizados en la industria para la fabricación de tubos y

accesorios, con su respectivo valor de rugosidad.

• Un catálogo de accesorios tales como: codos, válvulas, conexiones, expansiones y

contracciones, debido a que cada uno de ellos posee un valor de pérdida de energía originado al

impedir el libre flujo del fluido.

• Un catálogo con los principales diámetros para la fabricación de los tubos y accesorios, lo que

nos permite aumentar o disminuir la cantidad de fluido a transportar.

En conjunto la base de datos y el software permitirán la determinación exacta del potencial de la

bomba a utilizar para el trasporte de fluidos, ya que si la bomba utilizada en la industria tuviera

menor potencia de la requerida, ocasionaría que el proceso de llenado se realizara en mayor

tiempo, lo que podría detener temporalmente algún otro proceso productivo; y si tuviera un

potencial mayor al necesario, implicaría un gasto excedente.

Se desarrolló un software en Visual Basic que permite realizar el cálculo de la potencia de una

bomba para un sistema de distribución de fluidos, teniendo en consideración el fluido que se

transporta, la longitud de los tubos, los accesorios y los materiales utilizados a lo largo del

sistema.

Debido al gran número de componentes y materiales empleados en el diseño y construcción de

los sistemas de distribución, se creó una base de datos en Access 2013 la cual almacenará las

características fundamentales para el cálculo de la potencia de la bomba, como son:

- Un catálogo de fluidos a diferentes temperaturas, así como los valores de viscosidad y densidad

del mismo, indispensables para los cálculos a realizar.

- Un catálogo de los materiales más utilizados en la industria para la fabricación de tubos y

accesorios, con su respectivo valor de rugosidad.

- Un catálogo de accesorios tales como: codos, válvulas, conexiones, expansiones y

contracciones, debido a que cada uno de ellos posee un valor de pérdida de energía originado al

impedir el libre flujo del fluido.

- Un catálogo con los principales diámetros para la fabricación de los tubos y accesorios, lo que

nos permite aumentar o disminuir la cantidad de fluido a transportar.

En conjunto la base de datos y el software permitirán la determinación exacta del potencial de la

bomba a utilizar para el trasporte de fluidos, ya que si la bomba utilizada en la industria tuviera

menor potencia de la requerida, ocasionaría que el proceso de llenado se realizara en mayor

tiempo, lo que podría detener temporalmente algún otro proceso productivo; y si tuviera un

potencial mayor al necesario, implicaría un gasto excedente.

Iniciar el programa

Una vez que se ha realizado correctamente la instalación del software, se puede abrir de la

siguiente manera:

i. Por acceso directo. Dar doble clic sobre el icono del software ubicado en el escritorio,

e inmediatamente se abrirá la pantalla principal.

ii. Buscar en los programas del equipo.

Para Windows 8

Dar clic en el botón de inicio que se muestra en el escritorio.

Botón

de inicio

Se mostrará la página de inicio y se debe dar clic en la flecha que se muestra en la parte

inferior izquierda. Esta flecha nos lleva a la ventana de aplicaciones.

Se abre la pantalla de aplicaciones, donde se muestran los programas instalados en orden

alfabético.

Aplicaciones

Una vez ubicado el programa que se necesita, se debe dar doble clic en la opción señalada e

inmediatamente se abrirá la pantalla principal del programa.

Para Windows 7

Dar clic en el botón de inicio que se muestra en el escritorio.

Botón

de inicio

Dar clic en ‘Todos los programas’.

Buscar la carpeta ‘UV’, dar clic sobre ella. Luego dar clic en la carpeta ‘Setup’.

Todos los programas

Dar doble clic sobre el programa ‘Potencia de una Bomaba.exe’ y se abrirá el software instalado.

Nota: Si al ejecutar el software instalado se muestra alguna de las siguientes ventanas de ‘error’,

será necesaria la instalación de otra aplicación. Ver la sección 2 del manual de instalación.

Pantalla principal

Al abrir el programa, la pantalla principal que se observa la siguiente.

Se describen los siguientes menús:

I. Catálogos. Al hacer clic sobre este menú, se despliega una lista de catálogos que

contiene información necesaria para los cálculos a realizar.

I

I II III 2

IV

a

b

c

d

Al abrir cualquiera de los 4 catálogos disponibles, dentro de la ventana se encuentran los

siguientes botones:

Al dar clic sobre este botón se abrirá inmediatamente una pantalla donde

se muestre una tabla con la información acerca del catálogo que estemos consultando.

Esta opción la podemos utilizar cuando no se conozca el valor o el nombre del

accesorio, diámetro del tubo, fluido o material.

Permite guardar un registro introducido por el usuario.

Borra todos los campos dentro del catálogo para volver a utilizarlo.

Elimina un registro del catálogo. Ya sea ingresado por el usuario o

seleccionado directamente de la tabla de información.

Cierra el catálogo y regresa a la ventana principal

a. El catálogo de accesorios despliega a su vez las opciones de codos y válvulas, así como

expansiones y contracciones.

Al seleccionar la opción de codos y válvulas, se abrirá la ventana siguiente

En esta ventana, el usuario puede introducir el nombre del codo o válvula y obtendrá a su vez el

valor del coeficiente de pérdida de energía (k), este valor es adimensional. De igual manera puede

crear un nuevo registro o eliminar uno existente. Si no se conoce el nombre del codo o válvula

que necesita, puede buscarlo directamente en la base de datos que aparece al dar clic sobre el

botón buscar.

En esta nueva ventana se observa una tabla con el nombre y el valor de cada uno de los codos y

válvulas, al seleccionar uno, su nombre aparecerá en la parte superior de la tabla y al dar clic en

el botón salir, la información del accesorio que haya sido seleccionado aparecerá en la ventana de

catálogo de codos y válvulas.

Al seleccionar la opción de expansión y contracción, se abrirá la ventana siguiente

En esta ventana, el usuario puede introducir el nombre de la expansión o contracción y obtendrá a

su vez el valor del diámetro inicial y diámetro final de la tubería, en metros. De igual manera

puede crear un nuevo registro o eliminar uno existente. Si no se conoce el nombre de la

expansión o contracción que necesita, puede buscarlo directamente en la base de datos que

aparece al dar clic sobre el botón buscar.

En esta nueva ventana se observa una tabla con el nombre de la contracción o expansión y el

valor del diámetro inicial y diámetro final. Al seleccionar un nombre, éste aparecerá en la parte

superior de la tabla y al dar clic en el botón salir, la información de la expansión o contracción

que haya sido seleccionado aparecerá en la ventana de catálogo de expansión y contracción.

b. Al seleccionar el catálogo de diámetros, se abrirá la siguiente ventana.

En esta ventana, el usuario puede introducir el nombre comercial del diámetro de la tubería y

obtendrá a su vez el valor del diámetro interior del tubo, en metros. De igual manera puede crear

un nuevo registro o eliminar uno existente. Si no se conoce el nombre comercial del diámetro de

la tubería que necesita, puede buscarlo directamente en la base de datos que aparece al dar clic

sobre el botón buscar.

En esta nueva ventana se observa una tabla con el nombre comercial del diámetro y el valor del

diámetro interno del tubo. Al seleccionar un nombre, éste aparecerá en la parte superior de la

tabla y al dar clic en el botón salir, la información del diámetro de la tubería que haya sido

seleccionado aparecerá en la ventana de catálogo de diámetros.

c. Al seleccionar el catálogo de fluidos, se abrirá la siguiente ventana

En esta ventana, el usuario puede introducir el nombre del fluido y obtendrá a su vez el valor de

su viscosidad (Kg/m·s) y densidad (Kg/m3). De igual manera puede crear un nuevo registro o

eliminar uno existente. Si no se conoce el nombre del fluido que necesita, puede buscarlo

directamente en la base de datos que aparece al dar clic sobre el botón buscar.

En esta nueva ventana se observa una tabla con el nombre del fluido y el valor de su viscosidad y

densidad. Al seleccionar un nombre, éste aparecerá en la parte superior de la tabla y al dar clic en

el botón salir, la información del fluido que haya sido seleccionado aparecerá en la ventana de

catálogo de fluidos.

d. Al seleccionar el catálogo de materiales, se abrirá la siguiente ventana

En esta ventana, el usuario puede introducir el nombre del material de la tubería y obtendrá a su

vez el valor de rugosidad (ε), en metros. De igual manera puede crear un nuevo registro o

eliminar uno existente. Si no se conoce el nombre del material que necesita, puede buscarlo

directamente en la base de datos que aparece al dar clic sobre el botón buscar.

En esta nueva ventana se observa una tabla con el nombre del material de la tubería y su valor de

rugosidad (ε). Al seleccionar un nombre, éste aparecerá en la parte superior de la tabla y al dar

clic en el botón salir, la información del material que haya sido seleccionado aparecerá en la

ventana de catálogo de materiales.

II. Cálculo de potencia. Al dar clic sobre este menú, la pantalla se muestra de esta forma,

en ella se deben introducir todos los datos dados en el problema a resolver.

1

2

3

4 5

6

7

9

11

8

10

12

13 14

15

16

17 18

Descripción:

1. Fluido a transportar. Se debe dar clic sobre el menú desplegable, a continuación se

muestra una lista en orden alfabético de los fluidos a sus respectivas temperaturas.

2. Introducir la cantidad del fluido en m3/s a transportar en el sistema. Acepta cantidades

númericas positivas, enteras y decimales.

3. Introducir la presión en atmósferas, a la que se encuentra el tanque inicial donde se

almacena el fluido antes de ser transportado. Acepta cantidades numéricas positivas,

enteras y decimales. Acepta también cantidades numéricas negativas, enteras y decimales

pero no mayores a -1.

4. Introducir la altura en metros, a la que se encuentra el tanque inicial. Acepta valores

numéricos positivos y negativos, enteros y decimales.

5. Introducir la presión en atmósferas, a la que se encuentra el tanque final. Acepta

cantidades numéricas positivas, enteras y decimales. Acepta también cantidades

numéricas negativas, enteras y decimales pero no mayores a -1.

6. Introducir la altura del tanque final de almacenamiento. Acepta valores numéricos

positivos y negativos, enteros y decimales.

(Nota: Los valores introducidos del apartado 2 al 6 deben ser de valor numérico y signo

positivo.)

7. Información de la tubería de entrada. Contiene dos columnas con listas desplegables de

las cuales se debe seleccionar el diámetro del tubo y el material que se está utilizando. En

la tercera columna se introduce el largo en metros del tubo que se está describiendo. La

tubería de entrada se considera desde el tanque de almacenamiento hasta antes de entrar el

fluido a la bomba.

8. Información de la tubería de salida. Contiene dos columnas con listas desplegables de las

cuales se debe seleccionar el diámetro del tubo y el material que se está utilizando. En la

tercera columna se introduce el largo en metros del tubo que se está describiendo. La

tubería de salida se considera a partir de que el fluido sale de la bomba.

9. Información de los accesorios de entrada. De las columnas con lista desplegable, se

selecciona el tipo de accesorio y el diámetro de la tubería. En la tercera columna se debe

introducir la cantidad de accesorios que poseen las características seleccionadas.

Se consideran todos los accesorios que se encuentren antes de la bomba.

10. Información de los accesorios de salida. De las columnas con lista desplegable, se

selecciona el tipo de accesorio y el diámetro de la tubería. En la tercera columna se debe

introducir la cantidad de accesorios que poseen las características seleccionadas.

Se consideran todos los accesorios que se encuentren después de la bomba.

11. Información de expansiones y contracciones de entrada. De la lista desplegable se elige la

expansión o la contracción que sea necesaria, así como la cantidad que se requieren del

mismo tipo. Se consideran todas las expansiones y contracciones utilizadas antes de la

bomba.

12. Información de expansiones y contracciones de salida. De la lista desplegable se elige la

expansión o la contracción que sea necesaria, así como la cantidad que se requieren del

mismo tipo. Se consideran todas las expansiones y contracciones utilizadas después de la

bomba.

Para los apartados del 7 al 12 se encuentran los botones 13 y 14, los cuales se utilizan para lo

siguiente:

13. Agrega una nueva fila a la tabla en caso de ser necesarias tuberías, accesorios,

expansiones y contracciones con características diferentes.

14. Elimina una fila completa de la tabla.

15. Una vez que se han llenado todos los campos, se presiona el botón de calcular

para así obtener el resultado de la potencia de la bomba.

16. Se muestra el resultado obtenido mediante los cálculos correspondientes. En unidades de

watts y hp.

17. Borra todos los campos del formulario que hayan sido llenados, para así volver a

iniciar un nuevo cálculo.

18. Cierra la ventana del programa.

III. A cerca de. Muestra una ventana con la información básica del software.

IV. Salir. Cierra el software.

Ejemplo.

Se tiene un sistema de tuberías que transporta agua a 25°C, en la parte inferior del tanque de

almacenamiento inicial se encuentra una válvula de bola totalmente abierta que une al tanque

con la tubería de acero galvanizado (galvanización ordinaria) de 2 pulgadas cédula 80 de

diámetro y 3 metros de largo, al final del tubo se encuentra una reducción, la tubería ahora es

de 1.5 pulgadas cédula 80 y 1.5 m de largo. En este punto, el fluido entra a la bomba, la tubería

después de la bomba tiene un diámetro de 1 pulgada cédula 80 y 1 m de largo, ésta se une

mediante un codo de 90° roscado a otro tramo de tubería de 5 m de largo, seguido de otro codo

de 90° roscado y 2 m de tubería, se utiliza un tercer codo de 90° y 1 m de tubería el cual

termina en el tanque de almacenamiento final. Los tanques de almacenamiento se encuentran a

presión de 1 atmósfera. El caudal del sistema es de 0.00166 m3/s.

Procedimiento de forma manual.

Primero se identificarán los valores que proporciona el problema así como los que deben

obtenerse de la bibliografía.

Agua a 25°C

𝜌 = 997.08 𝐾𝑔/𝑚3

𝜇 = 0.0008937 𝐾𝑔/(𝑚 ∙ 𝑠)

𝑄 = 0.00166 𝑚3/𝑠

𝐷1 = 0.0508 𝑚

𝐷2 = 0.0381 𝑚

𝐷3 = 0.0254 𝑚

𝜀 = 0.00015 𝑚

𝑘𝐿 𝐶𝑜𝑑𝑜 = 0.9

𝑘𝐿 𝑉á𝑙𝑣𝑢𝑙𝑎 = 0.05

𝐿1 = 3 𝑚

𝐿2 = 1.5 𝑚

𝐿3 = 9 𝑚

𝑃1 = 𝑃2 = 1 𝑎𝑡𝑚

Se calcula la velocidad del fluido en las tuberías con la ecuación 3, como son 3 diámetros

diferentes, se calcularán 3 velocidades del agua.

𝑣1 =0.00166

𝑚3

𝑠

𝜋 (0.0508 𝑚

2 )2

= 0.81𝑚

𝑠

𝑣2 =0.00166

𝑚3

𝑠

𝜋 (0.0381 𝑚

2 )2

= 1.45𝑚

𝑠

𝑣3 =0.00166

𝑚3

𝑠

𝜋 (0.0254 𝑚

2 )2

= 3.27𝑚

𝑠

Como el diámetro influye directamente en el cálculo del número de Reynolds, también se

calcularán 3 números de Reynolds mediante la ecuación 4.

𝑅𝑒1 = (997.08

𝐾𝑔𝑚3) (0.81

𝑚𝑠 ) (0.0508 𝑚)

0.0008937 𝐾𝑔/(𝑚 ∙ 𝑠)= 45907.85

𝑅𝑒2 = (997.08

𝐾𝑔𝑚3) (1.45

𝑚𝑠 ) (0.0381 𝑚)

0.0008937 𝐾𝑔/(𝑚 ∙ 𝑠)= 61635.54

𝑅𝑒3 = (997.08

𝐾𝑔𝑚3) (3.27

𝑚𝑠 ) (0.0254 𝑚)

0.0008937 𝐾𝑔/(𝑚 ∙ 𝑠)= 92665.85

A continuación, mediante la ecuación 6 se calculan los valores de la rugosidad relativa.

𝜀𝑇1 =0.00015 𝑚

0.0508 𝑚= 0.0029

𝜀𝑇2 =0.00015 𝑚

0.0381 𝑚= 0.0039

𝜀𝑇3 =0.00015 𝑚

0.0254 𝑚= 0.0059

Una vez calculada la rugosidad relativa y conociendo el número de Reynolds se procede a

determinar el factor de fricción de cada tramo de la tubería utilizando el Diagrama de Moody.

Figura 28. Factor de Fricción 1.

0.0029

45900

0.028

Figura 29. Factor de Fricción 2.

Figura 30. Factor de Fricción 3.

0.0039

61600

0.0059

92600

0.033

Como se puede observar, los factores de fricción quedan establecidos de la siguiente manera,

𝑓1 = 0.028 , 𝑓2 = 0.03 y 𝑓3 = 0.033 .

Ahora se procede a calcular las pérdidas de energía mediante la ecuación 8.

𝐻𝐿𝑇1 = (0.028)(3 𝑚)

(. 0508 𝑚)∙

(0.81 𝑚)2

2 (9.81𝑚𝑠2)

= 0.05 𝑚

𝐻𝐿𝑇2 = (0.03)(1.5 𝑚)

(. 0381 𝑚)∙

(1.45 𝑚)2

2 (9.81𝑚𝑠2)

= 0.12 𝑚

𝐻𝐿𝑇3 = (0.033)(9 𝑚)

(. 0254 𝑚)∙

(3.27 𝑚)2

2 (9.81𝑚𝑠2)

= 6.37 𝑚

Para obtener la pérdida total de la tubería se deben sumar las pérdidas de energía de cada

tramo previamente calculado.

𝐻𝐿𝑇 = 𝐻𝐿𝑇1 + 𝐻𝐿𝑇2 + 𝐻𝐿𝑇3 = 6.54 𝑚

Luego se deben calcular las pérdidas de energía en los accesorios, para ello se utiliza la

ecuación 9. Este sistema cuenta con 3 codos de 90° roscados. La velocidad que se utiliza en

este caso es 𝑉3 ya que ésta corresponde al diámetro 𝐷3 que es donde se encuentran los codos.

𝐻𝐿𝐴𝐶 = (0.9)(3.27 𝑚)2

2 (9.81𝑚𝑠2)

= 0.49 𝑚 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑑𝑜 ∴ 𝐻𝐿𝐴 = 3(0.49 𝑚) = 1.47 𝑚

Después se debe calcular la pérdida de carga que se ocasiona en la válvula, también utilizando

la ecuación 9. La velocidad que se utiliza en este caso es 𝑉1 ya que esta corresponde al

diámetro 𝐷1 que es donde se encuentra la válvula.

𝐻𝐿𝐴𝑉 = (0.05)(0.81 𝑚)2

2 (9.81𝑚𝑠2)

= 1.67 𝑥 10−3 𝑚

Ahora se debe calcular el coeficiente de pérdida de energía 𝐾𝐿 que se ocasiona en la reducción

repentina, para ello se necesita la relación 𝑑2

𝐷2 en el que 𝑑 corresponde al diámetro final y 𝐷

corresponde al diámetro inicial de la contracción, entonces 𝑑2

𝐷2 =(.0381 𝑚)2

(.0508 𝑚)2 = 0.56 .

Figura 31. Reducción de la tubería.

Mediante la gráfica se observa que el valor aproximado de 𝐾𝐿 = 0.21 , ahora se debe utilizar

la ecuación 9 para calcular la pérdida de energía en la reducción. La velocidad que se utiliza

debe ser 𝑉2, pues esta corresponde al diámetro final 𝐷2.

𝐻𝐿𝐴𝑅 = (0.21)(1.45 𝑚)2

2 (9.81𝑚𝑠2)

= 0.02 𝑚

Las pérdidas de energía de todo el sistema corresponden a la suma de las pérdidas de energía

de la tubería y de los accesorios, entonces

𝐻𝐿 = 𝐻𝐿𝑇 + 𝐻𝐿𝐴𝐶 + 𝐻𝐿𝐴𝑉 + 𝐻𝐿𝐴𝑅 = 6.54 𝑚 + 1.47 𝑚 + 1.67 𝑥 10−3 𝑚 + 0.02 𝑚 = 8.03 𝑚

Una vez que se han calculado todas las pérdidas de energía, se utilizará la ecuación 13 para

calcular el valor de la carga hidrostática.

𝐻𝐵 = (𝑃2

𝜌𝑔+

𝑣22

2𝑔+ 𝑧2) − (

𝑃1

𝜌𝑔+

𝑣12

2𝑔+ 𝑧1) +𝐻𝐿 + 𝐻𝑇

0.56

0.21

Observando la ecuación, determinamos que debido a que 𝑃2

𝜌𝑔 y

𝑃1

𝜌𝑔 son iguales, éstas se

eliminan; también 𝐻𝑇 la eliminamos de la ecuación pues nuestro sistema no utiliza turbina, por

lo tanto, la nueva ecuación queda de la siguiente forma. En este caso 𝑣2 no se refiere a la

velocidad 2 que calculamos, sino a la velocidad final del fluido.

𝐻𝐵 =𝑣2

2

2𝑔+ (𝑧2 − 𝑧1)+𝐻𝐿 =

(3.27𝑚𝑠 )

2

2 (9.81𝑚𝑠2)

+ (4 𝑚 − 0 𝑚) + 8.03 𝑚 = 10.21 𝑚

Finalmente se puede calcular la potencia de la bomba a partir de la ecuación 14.

𝑃𝐵 = (997.08𝐾𝑔

𝑚3) (9.81

𝑚

𝑠2) (0.00166

𝑚3

𝑠) (10.21 𝑚) = 165.78 𝑤𝑎𝑡𝑡𝑠

Para convertir el resultado a caballos de fuerza, solamente se divide el resultado entre 745.7,

entonces 𝑃𝐵 = 0.22 ℎ𝑝.

Al comparar con los resultados obtenidos del software, se observa un porcentaje de error de

15.22%, esta diferencia de valores se debe a que al realizar el cálculo de forma manual, no se

utilizan todos los decimales y los datos que se obtienen de las gráficos solo son aproximados.

De acuerdo a la bibliografía y a los resultados obtenidos con el software se presentan

resultados favorables con un error porcentual mínimo, pues mediante el programa se

consiguen información más precisa y en menor tiempo que al realizar los cálculos de forma

manual.