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SISTEMA DE VACIQ PARA FiLTRAClON M. en C. Hugo Soiís Correa
M. en C. lcela Barceló Quintal Pasante de Ing. Mecánica
Miguel Angel Farrera Rebollo
E!!íA UNIVERSIDALI AUTONOMA METROPOLITANA UNIDAD AZCAPOTZALCO División de Ciencias Basicas B Ingeniería
Departamento de Ciencias Bbsicds
SISTEMA DE VACIO PARA FILTRACION.
Memoria de Diseño y Construcción.
Hugo E. Soli:; Correa, Icela D. Barceló Quintal,
Miguel A . Farrera Rebollo.
RESUMEN :
En este Reporte se da a conocer el diseño y la construcción de un
sistema de vacío para filtración para uso de Laboratorio, armado
en una armazón metálica recubierta y dotada de ruedas para su
transporte y almacenamiento.El vacío se obtiene mediante el uso de
un tubo venturi alimentado a chorro de agua impulsada mediante una
motobomba eléctrica de 1/4 de H I > . E l agua se mantiene a circuito ce-
rrado, almacenada en un tanque de 20 1.En las experiencias de ope-
ración se logró un vacío de hasta 0.35 atm. El sistema es de bajo
costo y fácil manejo.La construcción es sencilla desde el punto de
vista de diseño, aunque requiere de la infrestructura de un taller
mecánico para su realización.
3
INTRODUCCION:
La operación de filtrado es una actividad muy común en un labora-
torio. Es frecuente que la infrestructura del mismo contenga ser-
vicios de vacío instalado, aunque en muchas ocasiones esto no ocu-
rre, a veces motivado por el costo de la instalación o por las di-
ficultades que implica el mantenimiento.Una alternativa es el uso
de bombas de vacío portátiles, de las cuales hay modelos comercia-
les(i), con rotores mecánicos de desplazamiento positivo que exi-
gen, para su protección, el USCI de trampas que evitan que l o s 1í-
quidos o vapores del sistema filtrante contaminen el aceite de lu-
bricación del rotor y que, a pesar de tal precaución, el equipo ne-
cesita mantenimiento intensivo. Este tipo de equipo produce presio-
nes negativas de hasta 0.9 atm, lo cual hace posible una filtración
rápida y cÓmoda.Sin embargo, su costo de adquisición y la necesidad
de un mantenimiento frecuente y 'especializado hacen atractiva otras
alternativas viables, como el uso de VENTURIS. Estos dispositivos
funcionan en base a un chorro de agua perpendicular a un orificio
en donde se provoca el vacío segiin el principio de Bernouilli ( 2 ) .En
el laboratorio se conocen con el nombre de /trompaSrque se conectan
a una llave de agua.Si bien su uso es cómodo y frecuente, tiene el
inconveniente de aumentar significativamente el consumo de agua del
laboratorio, agua que va al drenaje casi sin ninguna utilidad. A-
parte de esto, como son dispositivos fijos, en un laboratorio de
uso intensivo es necesario instalar varias 'trompas/ y, por ende,
consumir grandes cantidades de agua.
En el presente REPORTE proponemos el diseño y la construcción de
5
un sistema de vacío basado en el uso de un tubo VENTURI (o trompa)
instalado en un armazón metálico que permite al sistema ser des-
plazado por el laboratorio y que funciona a base de un chorro de
agua proporcionado por una bomba trabajando a circuito cerrado con
un tanque de almacenamiento de 20 litros, lo que conduce al ahorro
de este 15quido.El mantenimiento consiste en cambiar frecuentemente
el agua del sistema, para lo cual el equipo propuesto tiene válvu-
las idóneas, y el que corresponda a la motobomba.
A pesar de que en el mercado existen venturis construidos en alu-
minio o en plástico(3), en este trabajo se decidió diseñar y cons-
truir este dispositivo, con el objeto de tener un trabajo indepen-
diente y completo en materia de autoconstrucción.
PARTES DEL SISTEMA:
El sistema de filtración construido consta de las siguientes par-
tes :
Bomba mecánica: Su función es darle movimiento al agua y crear el
chorro de presión que necesita el venturi para su funcionamiento.
Seleccionamos una motobomba eléctrica de 1/4 HP, 127 v.
Tubo de Venturi: Este es el elemento mas importante del sistema.Es
colocado al final de la tubería de descarga de la bomba.Su función
es originar una caida de presión que es aprovechada para producir
el vacío necesario para la operación de filtración de laboratorio.
La demanda de vacío en esta operación no es muy exigente y proba-
6
blemente un vacío de 1/2 atm6sfera sea suficiente para los usos
generales de laboratorio (filtración, rotoevaporación).
Depósito de liquido de trabajo: La bomba funciona por recirculación
de agua. La succión y la descarga de la bomba se integran en este
mismo recipiente. El volumen de trabajo del sistema es apenas el
contenido en el conjunto de tubos, cabezal de la bomba y el véntu-
ri, que suman aproximadamente 1,5 1.Se escogió como depósito un re-
cipiente de plástico de 20 litros del cual se utiliza entre el 30
y el 4 0 % .
Válvula de compuerta: Su funciijn es regular el flujo del fluido al
través del tubo de venturi para1 modificar la cantidad de vacío ge-
nerado. La elección de este tipo de válvula respondió al deseo de
tener un flujo mas libre y regulable en comparación con otras vál-
vulas, v. gr. las de globo que causan mucha turbulencia a la des-
carga y, por tanto, mayor calentamiento del fluido y mayores pér-
didas de carga.
Llave de descarga: Se optó por adicionar una llave de descarga para
el sistema, cuya función será ayudar en las operaciones de manteni-
miento y 1impieza.Se escogió una llave de bronce de 1/2 pulgada con
rosca estándart para manguera de jardin.
Tubería: Se utilizó tubera conlduit cédula estándart.Este tipo de
tubos se caracterizan por ser rígidos pero de pared delgada y poco
peso. Todas las roscas se hicieron en nuestros laboratorios. Para la
alimentación de la bomba se usó tilberia de 1” y para la descarga,
7
de 314". Todos los codos y demás accesorios son de galvanizado.En
la práctica se observa que este tipo de tubería tiende a generar
Óxidos que ensucian el agua, pero como ésta nunca está en contacto
con los materiales de trabajo, se decidió mantener esta opción.La
alternativa es la tubería de PVC, mas con ésta no se logra rigidi-
zar el sistema.Otra opción es la tubería de VINIDUR de pared grue-
sa, roscable, pero el costo de sus accesorios (codos, derivaciones
en T, reducciones, etc) es muy alto.
Mesa d8 trabajo: El sistemá se instaló en una mesa dotada de ruedas
para el fácil transporte del sistema.La mesa fué construida con
perfil L de 1/2" x 1/8" que mantiene rígido el sistema de vacío.El
fondo fue recubierto com madera de 1/2Ig para sostener la motobomba
y la cubeta, pero las paredes y la cubierta fueron realizadas en
triplay de 6 mm y son fácilmente desmontables, en caso de que se
desee hacer mantenimiento.Las dimensiones de la mesa, 55x55~90 cm,
permiten estacionar el sistema debajo de las mesas de nuestro labo-
ratorio, minimizando el espacio de trabajo.
DISEÑO DEL TUBO VENTURI.
Para poder construir el tubo de venturi, realizamos algunos cálcu-
los con el objeto de obtener una idea concreta de las dimensiones
del misrno.Un tubo venturi consiste en una entrada cilíndrica, un
8
cono convergente, una garganta y un cono divergente.Se recomienda
que la entrada convergente teinga un ángulo de constricción de 21
grados y que el cono divergente tenga un ángulo de apertura de 7
u 8 grados.
La ecuación de Bernoulli considera que entre la entrada y la gar-
ganta, sin tomar en cuenta las pérdidas por fricción, se establece
la ecuación
U
donde p1 y p2 son las presiones en la entrada y en la garganta res-
pectivamente, en kg/cm2, es el peso específico del fluido en g/cm3,
v1 y v2 son las velocidades de flujo en las regiones citadas, en
cm/ceg, z1 y z2 son sus correspondientes alturas, en cm, respecto
a un nivel de referencia.El valor de g, la aceleración de la gra-
vedad, es de 981 cm/seg2.
Dado que deseamos que el dispositivo sea pequeño, se puede
considerar que z1 sea próximo a z2.Entonces la ecuación 1 puede
reducirse a
Por otro lado, la ecuación de c:ontinuidad nos señala que el gasto
9
de entrada es igual al de salida, por lo que
VI A, = ~2 A2
donde A significa el área transversal en las ubicaciones dadas.la
( 3
ecuación 3 puede escribirse también como
donde D es el diámetro de la entrada y d el d- la garganta.Sustit
yendo 4 en 2 se obtiene la ecuación
Con esta ecuación se pueden obtener las características del véntu-
ri, siempre que se conozcan algunos datos de la misma. S e puede pro-
poner que la caida de presión sea alrrededor de 1/2 atm ( 3 8 cm de
mercurio, 5 kg/cm2), así como que el diámetro máximo de la entrada
no sea mayor de 1/2 pulgada, ya que es fácil conseguir tubo de Ny-
lamidr de 1".
Con esos datos se obtuvo que, para la velocidad de alimentación
medida de la bomba de 1/4 de H . P . adquirida, D debe ser semejante
a 10 mm y d a 3 mm. Los demás detalles de construcción se conside-
raron con el objeto de tener un dispositivo cómodo de usar, con su-
ficiente rigidez mecánica y que se pueda adaptar a las tuberías y
depósito del sistema.Se anexa la figura que describe eldimensiona-
10
- UN@
I
ALETA
miento final del dispositivo.
A la entrada del tubo se insertó una aleta curvada a 90 grados con
el objeto de incrementar la turbulencia del fluido al ingresar a
la garganta.
PRUEBAS REALIZADAS AL SISTEMA DE VACÍO.
Después de adquirir, construir y ensamblar todas las partes (ver
la Memoria Gráfica de la Construcción del Sistema) se realizaron
pruebas de trabajo.Una de ellas, la mas significativa quizá, fué
que al inicio de la operación de la bomba se logra un vacío de 3 3
cm de altura de mercurio, 86% de la carga estimada por diseño.Otra
prueba consistió en poner a operar el sistema por períodos prolon-
gados. Después de una hora de trabajo continuo, el motor eléctrico
se encontraba a su temperatura de operación de 3 6 centígrados y el
agua del sistema había sufrido un calentamiento de 10 centígrados,
encontrándose a 3 4 centígrados.Es justificable que al aumentar la
temperatura del fluido disminuya el vacío que logra el vénturi.
Después de una hora de funcionamiento, el vacío logrado por el
sistema aún era de 29 cm de altura de mercurio.
DESCIPCION TECNICA DE LOS COMPiONENTES.
Se adjunta el plano de construcción del Sistema de Vacío.La
descipción técnica de sus complonentes es la siguiente:
1.- 3 llaves de vacío, válvula de paso de 1 mm de poro, terminal
13
en oliva para inserción de mangueras de hule-látex de pared
gruesa para vacío.Las vávulas están construidas en bronce cro-
mado resistente a la oxidación.
2.- Orificio de 2" en la cubierta para operación de la vávula 5.
3.- Cubierta de triplay, 5 mm de grueso.Acabado barniz impermeable
en el exterior y esmalte-aceite en el interior.Laterales de
triplay, 5 mm de grueso.Todas las superficies acabadas en es-
malte-aceite.Todos los paños se fijan al armazón con pijas
p/madera de 1/419.
4 . - Manera1 soldado al armazÓn.Tubo conduit cédula std. 3/4", ex-
tremos soldados base eléctrica.
5.- Tubo de distribución del vacío en cobre, 1 / 2 I w , pared delgada.El
arreglo lleva un codo de 90, 2 piezas iitfi de 90 y 3 niples para
conectar las llaves de vacío descritas en 1.
6 . - Manguera de hule-látex pared gruesa.Conecta la salida lateral
del vénturi con el tubo de distribución de vacío 5.
7.- Válvula de globo para regular la presión de descarga de la bom-
ba 13 al vénturi y poder modificar el vacío alcanzado.Bronce,
3/4".
8.- Válvula de sello, bronce, 1/2'I.Servirá para descarga/alimenta-
ción del sistema como apoyo a las operaciones de limpieza y
mantenimiento.Tiene rosca ctd. en la boca para conectar man-
guera de jardín, no descrita en el dibujo.
9.- Tubo de vénturi o trompa de vacío. Autoconstruido.
10.-Armazón metálico de 55x55~90 cm, construido con perfil L de 1/2
x 1/8".En un lado se coloca el manera1 4 con soldadura eléctri-
ca, 10 cm arriba del plano de la cubierta.Tiene cuatro ruedas
tipo sillón de escritorio que permiten el desplazamiento del
14
VIS$.% S U Q E R l Q R
I
-3
4
conjunto.
11.-Cubeta de plástico de 18 1.
12.-Nivel del 1Fquido.Debe rebasar siempre el nivel del cabezal de
la bomba de circulación de agua y quedar debajo de la descarga
del vénturi.
13.-Motobomba centrífuga de 1/4 H.P., 110 V, 6.1 amps, marca EMCO
14. -Fondo del armazón. Preparado con tablones de madera 55~15~1.5
cm, atornillados al armaztjn con pernos de l 1 I
ANALISIS DE COSTOS.
No. unid
1 pza
1 pza
1 pza
1 pza
3 pza
1 pza
2 pza
1 pza
1 pza
1 pza
descripción
Motobomba centrífuga 1/4 H.P.
cubeta de plástico :L8 1
tubo hierro galv. 7x1.5", ros-
cado en ambos extremos
tubo conduit cédula std., lx
1211, roscado ambos extremos.
niple, hierro galv., 2x1"
tubo conduit céd. st.d., 7xl1',
roscado en ambos ext.remos.
codo de 90, hierro qalv. 1"
lvT1l de 90, hierro geilv., 1" en
las tres bocas, roscas hembra.
Llave de paso tipo std., para
manguera de jardín.
Llave de globo, bronce, 1"
NS USD CUR*
339 106 32.0
12 3.8 1.13
6 1.9 0 . 6
9 2.8
18 5.6
6 1.9
12 3.8
9 2.8
10.6 3 . 4
6 1.9
0.85
1.7
0 . 6
1.13
0.85
1.0*
0 . 6
17
4 pza
9 m
1.2 m
0.6 m
0.8 m
1 pza
2 pza
3 pza
3 pza
3 pza
1 m
6 pza
16 pza
1 pza
2 pza
2 pza
Rueda de sillón de escritorio.
Perfil de hierro en L, 1/2x1/8I1
Solera de 1x1/811, hierro, para
reforzar la base.
Tubo conduit, céd. std., l",
para maneral, sin roscados.
Tubo de cobre p/agua, pared - delgada, 1/2"
codo de 90, 1/2", bronce
ltTt@ de 90, 1/211, bronce
Convertidor ilpipalv de liso a
rosca, 1/2", bronce
Llave de paso p/vacío, bronce
cromado, con oliva terminal
Rondana, hierro negro, 1/2"
manguera hule-látex p/vacío 3/8"
tablón de pino, 55~15~1.5 cm
perno de l", hierro
madera triplay, 55~90~0.5 cm, pa-
ra cubierta, según especificacio-
nes.
madera triplay 55~90~0.5 cm,late-
rales largos, según esp.
madera triplay 55~55~0.5 cm,late-
rales cortos, según esp.
12 3.8
36 11.5
4.8 1.5
6
16
6 1.9
18 5.6
18 5.6
54 16.9
3 0.9
6 1.9
24 7.5
12.8 4.0
11 3.4
22
22
1.9
5.0
6.8
6.8
1.13
3.4
0.46
0.6
1.52
0.6
1.7
1.7
5.1
0.3
0.6
2.3
1.21
1.04
2.08
2.08
TOTAL DE MATERIALES P/CONSTRUIR 693.2 218.9 66.00
18
* CUR significa Costo Unitario Relativo.Se utiliza para abatir el efecto de los cambios de precio con el tiempo, bajo el supuesto de
que l o s precios de todos l o s artículos suben en forma proporcional.
Se tomó como unidad relativa de precio el de la llave para manguera
de jardín (N$ 10.60) por ser éste un producto est6ndart.A la fecha
de la redacción de este REPORTE el costo total se puede estimar en
N$ 10.60 x 66 cur = N$ 699.6, que es prácticamente el costo a la
fecha.Si dentro de algún tiempo el precio de la llave para manguera
de jardín fuera N$ 20.00, entonces el costo total será estimado en
N$ 1320.00.
BIBLIOGRAFIA
1.- Por ejemplo, Catálogo Cole-Palmer 1992-93, Catálogo Sargent-
Welch 1992 (distribuido por Equipar S.A. ) .
2.- Ver, por ejemplo: Fundamentals of Clasical Thermodynamics, G. J.
Van Wylen y R. Sonntag, Wiley International Eds. 1973, pp 240-1
y 599, o el Handbook for Mechanical Engineers, MARKS, 1990.
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Memoria de Diseño y Construcción.
Hugo E. Solís Correa, Icela D. Barcelo Quintal, Miguel A. Farrera Rebollo.
RESUMEN :
En e s t e Reporte se da a conocer e 1 diseño y la construcción de un sis- tema de vacío para filtración para uso de Laboratorio, armado en una - armazón metálica recubierta y dotada de ruedas p a r a su transporte y -- alrnacenamiento.El vacío se obtiene mediante el uso de un tubo venturi alimentado a chorro de agua impulsada nediante una motobomba eléctrica de 1/4 de HP.El agua se mantiene a circuito cerrado, almacenada en u:] tanque de 20 1.En l a s experiencias de opcración se loqrú un vacLo de hasta 0.35 atm.El sistema es de b a j o costo y fácil manejo.La construc- ción es sencilla desde el punto de vista de disefio, aunque requiere de la infrestructura de un taller mecánico para su realización.
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