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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