UNIVERSIDAD AUTONOMA DE ZACATECAS “FRANCISCO GARCIA SALINAS”

REPORTE DE PRACTICAS PROFESIONALES MIGUEL ANGEL LOPEZ GARCIA Abril – Diciembre del 2011

“DETERMINACIÓN DE EFICIENCIAS ELECTROMECÁNICAS PARA IMPLEMENTAR MEDICIÓN INDIRECTA EN POZOS PROFUNDOS”

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Índice General INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 4 CAPITULO 1 DATOS GENERALES DE LA INSTITUCIÓN .......................................................... 5 CAPITULO 2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS Y PRÁCTICOS ........................................................ 9 2.1 EFICIENCIA ELECTROMECÁNICA.............................................................................................. 9 2.2 PARTES FUNDAMENTALES DE UN EQUIPO DE BOMBEO.............................................................. 10 2.2.1 Bomba ..................................................................................................................... 11 2.2.2 Columna .................................................................................................................. 13 2.2.3 Cable submarino trifásico ........................................................................................ 14 2.2.4 Arrancadores ........................................................................................................... 15 2.2.5 Transformador......................................................................................................... 18 2.3 PROCEDIMIENTO GENERAL PARA LA EVALUACIÓN DE EFICIENCIAS ELECTROMECÁNICAS .................. 19 2.3.1 Mediciones hidráulicas ............................................................................................ 19 2.3.2 Mediciones eléctricas .............................................................................................. 27 2.3.3 Determinación de la eficiencia electromecánica (cálculos) .................................... 31 CAPITULO 3 RESULTADOS OBTENIDOS EN CAMPO ............................................................ 35 3.1 APROVECHAMIENTO EVALUADO #1 ..................................................................................... 36 3.1.1 Medición de niveles de bombeo y lecturas de inicio ............................................... 36 3.1.2 Medición de parámetros eléctricos ......................................................................... 37 3.1.3 Determinación de gasto (l.p.s) y presión ................................................................. 40 3.1.4 Calculo de la eficiencia del equipo .......................................................................... 41 3.1.5 Conclusiones sobre los datos obtenidos .................................................................. 43 3.2 APROVECHAMIENTO EVALUADO #2 ..................................................................................... 44 3.2.1 Medición del nivel estático y lecturas de inicio ....................................................... 44 3.2.2 Medición de parámetros eléctricos ......................................................................... 45 3.2.3 Determinación de gasto (lps) y presión ................................................................... 47 3.2.4 Medición del Nivel Dinámico y lecturas de finalización .......................................... 48 3.2.5 Calculo de la eficiencia del equipo .......................................................................... 48 3.2.6 Conclusiones de los resultados que se obtuvieron .................................................. 50 3.3 RECOMENDACIONES PARA LOS USUARIOS ................................................................ 51 CONCLUSIONES ................................................................................................................ 52

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ANEXOS ........................................................................................................................... 54 ANEXO. 1 TABLA DE PÉRDIDAS POR FRICCIÓN PARA BOMBAS TIPO VERTICAL ....................... 54 ANEXO 2. TABLA DE PÉRDIDAS POR FRICCIÓN PARA BOMBAS SUMERGIBLES ........................ 55 ANEXO 3. CÉDULA DE DETERMINACIÓN DE EFICIENCIAS ELECTROMECÁNICAS ...................... 56 ANEXO 4. CÉDULA DE DETERMINACIÓN DE EFICIENCIAS ELECTROMECÁNICAS (RESULTADOS OBTENIDOS). .............................................................................................................................. 57 ANEXO 5. FACTOR DE POTENCIA ............................................................................................... 58 GLOSARIO ........................................................................................................................ 59 REFERENCIAS.................................................................................................................... 61

Índice de figuras Ilustración 2.1 Pozo con equipo de bombeo tipo vertical ----------------------------------------------13 Ilustración 2.2 Arrancador magnético ----------------------------------------------------------------------16 Ilustración 2.3 Arrancador de aceite ------------------------------------------------------------------------17 Ilustración 2.4 Niveles de bombeo --------------------------------------------------------------------------20 Ilustración 2.5 Uso de la sonda eléctrica -------------------------------------------------------------------21 Ilustración 2.6 Forma de instalación de una sonda neumática ---------------------------------------22 Ilustración 2.7 Medidor ultrasónico -------------------------------------------------------------------------24 Ilustración 2.8 Método volumétrico ------------------------------------------------------------------------25 Ilustración 3.1 Medición de niveles de bombeo ---------------------------------------------------------37 Ilustración 3.2 Medición de parámetros eléctricos ------------------------------------------------------38 Ilustración 3.3 Medición de gasto ---------------------------------------------------------------------------40 Ilustración 3.4 Medición de niveles -------------------------------------------------------------------------44 Ilustración 3.5 Mediciones eléctricas -----------------------------------------------------------------------45 Ilustración 3.6 Medición de gasto ---------------------------------------------------------------------------47

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Índice de tablas

Tabla 2.1 Parámetros para la elección de transformadores -------------------------------------------18 Tabla 3.1 Voltajes medidos -----------------------------------------------------------------------------------39 Tabla 3.2 Corrientes medidas --------------------------------------------------------------------------------39 Tabla 3.3 Factor de potencia----------------------------------------------------------------------------------39 Tabla 3.4 Conversiones ----------------------------------------------------------------------------------------41 Tabla 3.5 Resultados obtenidos ------------------------------------------------------------------------------42 Tabla 3.6 Valores mínimos de eficiencias electromecánicas ------------------------------------------43 Tabla 3.7 Voltajes -----------------------------------------------------------------------------------------------46 Tabla 3.8 Corrientes --------------------------------------------------------------------------------------------46 Tabla 3.9 Factor de potencia----------------------------------------------------------------------------------46 Tabla 3.10 Conversiones requeridas ------------------------------------------------------------------------48 Tabla 3.11 Resultados obtenidos ----------------------------------------------------------------------------49

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Introducción

En la Universidad Autónoma de Zacatecas existen diferentes métodos para que un egresado pueda titularse, uno de ellos es la modalidad de Prácticas Profesionales dirigidas, en las cuales el egresado aplica los conocimientos que adquirió a lo largo de su carrera. En este documento hago mención del trabajo realizado en el periodo de Abril a Diciembre del año 2011, con motivo de mis prácticas profesionales, mismas que se llevaron a cabo en la Coordinación General de Vinculación a través de la Maestría en Planeación de Recursos Hidráulicos de la UAZ, en el proyecto: Determinación de Eficiencias Electromecánicas para Implementar Medición Indirecta en pozos profundos en algunos de los acuíferos de los estados de: Aguascalientes, Jalisco, Zacatecas, San Luis Potosí, Guanajuato, Querétaro y Michoacán. El cual la UAZ desarrolló en convenio para la Comisión Nacional del Agua. Este último organismo, ante la sobreexplotación desmedida y el uso deficiente de tan importante recurso natural, ha emprendido programas de concientización y apoyo para que los usuarios de aguas nacionales hagan uso eficiente tanto del vital líquido como de la energía eléctrica que consumen los equipos de bombeo con los que cuentan ya que en la actualidad la demanda de energía eléctrica para este tipo de equipos ha ido aumentando considerablemente así como su costo, esto debido a que están en malas condiciones, son equipos obsoletos y carecen de mantenimiento por parte de sus propietarios. Para conocer el porcentaje de eficiencia del conjunto Bomba-Motor en los pozos profundos de los acuíferos que se visitaron se llevaron a cabo la mediciones correspondientes, tales como: Mediciones Hidráulicas (niveles de bombeo estático y dinámico, Gasto y Presión de bombeo), Medición de parámetros eléctricos (Voltajes, Corrientes, Potencia y Factor de potencia) y algunas lecturas de inicio tales como: datos del motor, medidor de CFE, entre otros. Con estos parámetros obtenidos se llevaron a cabo los cálculos correspondientes para determinar lo que se pretendía. 4

CAPITULO 1 1 Datos generales de la institución La Coordinación General de Vinculación (CGV) de la Universidad Autónoma de Zacatecas es la instancia encargada de vincular las unidades y programas académicos de la Universidad con la sociedad y las instituciones educativas, nacionales e internacionales. Dentro de la CGV se desprenden 5 Subcoordinaciones dentro de ellas está, la de Vinculación Intra e Interinstitucional y uno de sus objetivos es; Articular la vinculación entre las áreas, unidades y programas académicos de la Universidad. Producto de ello, en conjunto con la Maestría en Planeación de Recursos hidráulicos se ha llevado a cabo la firma de convenios con la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA) para realizar los Proyectos de “Determinación de Eficiencias

Electromecánicas

para

Implementar

Medición

Indirecta

en

Aprovechamientos” en algunos de los acuíferos en los Estados de: Aguascalientes, Jalisco, Zacatecas, San Luis Potosí, Guanajuato, Querétaro y Michoacán. La Maestría en Planeación de Recursos Hidráulicos de la UAZ, es un área de la ingeniería que se encarga de formar profesionistas capaces de proponer y aplicar alternativas

de

solución

sustentable,

empleando

procesos

de

planeación,

programación y administración, para su aplicación en el uso y manejo eficiente del agua, así como, desarrollar todo tipo de tecnología en recursos hidráulicos que conlleve al uso eficiente del vital líquido. Dentro de sus objetivos particulares está el prestar servicios profesionales sobre planeación y manejo de los recursos hidráulicos a las instituciones y organizaciones que lo soliciten.

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En 1917 es creada la Dirección de Aguas, Tierra y Colonización para posteriormente pasar a ser la Comisión Nacional de Irrigación en 1926, además de otros nombres que le antecedieron a la actual Comisión Nacional del agua que tiene como misión; Administrar y preservar las aguas nacionales, con la participación de la sociedad, y así lograr el uso sustentable del recurso. La Comisión considera que la participación de la sociedad es indispensable para alcanzar las metas que se han trazado en cada cuenca del país, ya que son los habitantes quienes pueden dar continuidad a las acciones planteadas. Por otra parte considera que el uso sustentable del agua se logra cuando se cumple con los siguientes aspectos: 1.- El agua genera bienestar social; este aspecto se refiere al suministro de los servicios de agua potable y alcantarillado a la población así como el tratamiento de aguas residuales. 2.- El agua genera desarrollo económico; se considera al agua como un insumo en la actividad económica, por ejemplo, en la agricultura, en la generación de energía eléctrica o en la industria. 3.- Si bien es cierto se sabe que el agua debe proporcionar bienestar social y apoyar el desarrollo económico pero también es cierto que se debe preservar en cantidad y calidad adecuada para las generaciones actuales y futuras. Para cumplir con su propósito, la CONAGUA se divide en 3 grandes áreas que son: Oficinas Centrales, Organismos de Cuenca y Direcciones Locales.

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Las Oficinas Centrales se encargan de: establecer las políticas de recaudación y fiscalización en materia de derechos de agua y permisos de descargas, coordina las modificaciones que se requieran a la Ley de Aguas Nacionales y apoya su aplicación en el país, elabora las normas en materia hidráulica, opera el servicio meteorológico nacional, mantiene una sólida y fructífera relación con el H. Congreso de la Unión, atiende a los medios de comunicación nacionales y se vincula con las dependencias federales para trabajar en forma conjunta en acciones que beneficien al Sector Hidráulico. Los Organismos de Cuenca son los responsables de administrar y preservar las aguas nacionales en cada una de las trece regiones hidrológicoadministrativas en que se ha dividido el país. Y las Direcciones Locales tienen la importante labor de aplicar las políticas, estrategias, programas y acciones en cada una de las entidades federativas del país.

La Comisión Nacional del Agua ante la necesidad de implementar medidas emergentes para un uso consiente del agua, ha implementado una serie de proyectos para apoyar a los usuarios principalmente a los agricultores ya que son quienes desperdician considerablemente el vital líquido con los antiguos sistemas de riego ya obsoletos, agregándole a esto, el mal estado de los equipos de bombeo que estos usan. Para ello es necesario identificar las zonas en las que se presenta este problema, lo cual se puede saber ejecutando estudios de eficiencias en los sistemas de bombeo y para ello

la CONAGUA siempre ha requerido del apoyo de

universidades para realizar sus proyectos y en esta ocasión, es la UAZ la indicada para realizarlos. Esto se lleva a cabo periódicamente con el fin de conocer la eficiencia con la que operan los equipos de bombeo y así poder implementar programas que contribuyan al mejoramiento de eficiencias y al uso eficiente de los recursos naturales.

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Dentro de los proyectos que se están implementando actualmente en el rubro agrícola, destaca el de Infraestructura Hidroagricola de este se desprenden varios programas que tienen como fin, establecer la normatividad que permita eficientar el uso del agua que se utiliza en las zonas agrícolas además de

incrementar la

producción y productividad en la agricultura de riego y de temporal tecnificado, algunos de estos programas son: Rehabilitación y Modernización de Distritos de Riego.- El cual tiene como objetivo principal hacer un uso más eficiente del vital líquido, desde la red de conducción y distribución hasta la parcela, logrando con esto, reducir los volúmenes de agua regando la misma cantidad de terreno. Modernización y Tecnificación de Unidades de Riego.- Tiene como propósito contribuir al mejoramiento de la productividad del agua, mediante un manejo eficiente, eficaz y sustentable en la agricultura de riego, lográndolo apoyando a los productores de las unidades de riego con aprovechamientos subterráneos y superficiales, además a los propietarios de pozos particulares para la modernización de la infraestructura hidroagricola y la tecnificación de la superficie agrícola.

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CAPITULO 2 2 Fundamentos teóricos y prácticos 2.1 Eficiencia electromecánica

Actualmente los volúmenes de extracción de aguas subterráneas son muy grandes, y los costos de extracción han ido incrementando día con día de manera considerable, esto debido a la sobreexplotación de los mantos acuíferos ocasionando que cada vez más los niveles de bombeo sean más profundos. Es por ello que la Comisión Nacional del Agua desarrolla periódicamente proyectos de determinación de eficiencias electromecánicas con el fin de conocer la eficiencia con la que operan los equipos de bombeo de cada uno de los usuarios de aguas nacionales, y con estos resultados promover programas emergentes para hacer un uso eficiente de nuestro recurso natural. Dichos estudios consisten en una serie de pruebas y mediciones en los equipos de bombeo de los pozos, en los cuales se determina el porcentaje de eficiencia en el equipo, así como las causas por las cuales se presenta una baja eficiencia, tomando en cuenta; parámetros eléctricos, niveles de bombeo, presión y gasto. Dicho de otra manera la eficiencia electromecánica es la relación que hay entre la energía eléctrica que se consume y el rendimiento que se tiene en la descarga (los litros por segundo que se extraen). La gran cantidad de pozos y plantas de bombeo en el país, equipados con motores eléctricos, han incrementado considerablemente el consumo de energía, esto se debe en gran medida a un uso ineficiente de este energético.

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2.2 Partes fundamentales de un equipo de bombeo

Para llevar a cabo la elección del equipo de bombeo para un pozo profundo es necesario conocer la cantidad de agua que será posible extraer del mismo, así como, las alturas de succión y descarga (estáticas y dinámicas). Con estos parámetros podremos definir teóricamente la potencia requerida y por defecto elegir el equipo necesario. Además hay otros factores que hay que tomar en cuenta para elegir el equipo de bombeo adecuado tales como; las condiciones del pozo, es preciso mencionar que un pozo ideal es el que da agua limpia, fría, sin sólidos y sin gas, sin que baje su nivel dinámico durante el año. Existen gran variedad de requisitos que se deben tomar en cuenta para asegurar la vida útil del equipo de bombeo, algunos de los más importantes son: 

Pozo de diámetro adecuado, debe tener un ademe de por lo menos 4 pulgadas más que el diámetro de la tubería.



Pozo ademado y con filtro de grava, no colapsado y correcta verticalidad.



Pozo aforado, se deben comprobar los niveles estático y dinámico.



Pozo sin azolve



Dictamen técnico del pozo, de la calidad del agua y los estratos geológicos.

Algunos de los elementos más importantes que conforman un sistema de bombeo son:

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2.2.1 Bomba

Para extraer agua de grandes profundidades es necesario contar con una máquina que provoque velocidad y presión en dicho líquido y así pueda salir a la superficie, y claro estamos hablando de una Bomba de agua, la cual al aplicarle energía eléctrica ocasiona que la energía mecánica que se produce, arrastre el agua hasta cierta altura. Para elegir la potencia de este equipo es necesario conocer la profundidad desde la que se extraerá el líquido, así como, la distancia a la que se quiere que esta llegue y la cantidad. Por lo regular una bomba se mide en HP (caballos de fuerza), y las hay de diferentes tipos y necesidades. En los pozos que se visitaron solo encontramos bombas sumergibles y verticales, por ello en esta sección solo se mencionan estos dos tipos. Bomba tipo sumergible: Este equipo consiste de un motor eléctrico sumergible directamente acoplado, que acciona una bomba centrifuga vertical. Estos dos elementos forman una unidad que está construida de tal manera que se puede enroscar directamente a ella la tubería de la columna, que a su vez es sujetada del brocal del pozo con la ayuda de una abrazadera de bronce. El cuerpo de la bomba está compuesto de una o varias etapas, mismas que constan cada una de ellas por un impulsor y un tazón, el conjunto impulsor-tazón es el que genera presión en el agua al pasar por cada etapa hasta ser descargada en la columna de bombeo, la presión total generada por la bomba aumenta en porción directa al número de etapas. Es importante tener en cuenta que los tazones tienen cojines lubricados por el agua por tal motivo la bomba nunca debe trabajar en seco, además de evitar el bombeo de residuos sólidos ya que estos son muy dañinos para la bomba tal es el caso de la arena, por ello cuenta con una malla de acero inoxidable tipo colador que disminuye el paso de estos residuos que provocan daños considerables al equipo. Las bombas se identifican por el diámetro de salida en pulgadas y la potencia en HP.

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Las bobinas del motor son enfriadas a base de agua por ello es muy importante que el motor siempre ese lleno de agua sin aire o vapor, por eso se recomienda llenarlo completamente con agua limpia (preferentemente de garrafón) antes de ser instalado. Las especificaciones eléctricas de cada motor dependerán de las condiciones de trabajo a las que va a ser sometido tales como la profundidad de succión y la cantidad de agua a bombear, la mayoría de estos motores son alimentados con corriente alterna trifásica y una tensión de 220 o 440 Volts. Bomba vertical tipo turbina: Como su nombre lo dice su eje de transmisión está colocado de forma vertical y puede ser lubricado por aceite o agua. Sus componentes principales son: Motor eléctrico externo, Cabezal de descarga, Columna, y Cuerpo de tazones e impulsores; la potencia del motor dependerá de la profundidad y la cantidad de agua a extraer, el cabezal de descarga es el elemento que permitirá alinear y sostener la transmisión del equipo, la columna está compuesta en su interior por la flecha, estrictamente alineada al cabezal y al cuerpo de tazones su diámetro dependerá también de los litros por segundo que se desean extraer, este último será diseñado de acuerdo a la cantidad de líquido, así como, la presión que se requiere. Ya que es este, quien finalmente envía el agua hacia la superficie de descarga. Para la elección de este tipo de bombas, primero se debe tomar en cuenta las condiciones físicas del pozo donde se instalara, ya que estos equipos son muy exigentes en cuanto a verticalidad debido a la alineación de su transmisión. En la imagen 2.1 se muestra un pozo con equipo de bombeo tipo vertical en el cual se puede observar el motor externo y el cabezal de descarga.

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Ilustración 2.1 Pozo con equipo de bombeo tipo vertical

2.2.2 Columna

Se le conoce así a la tubería instalada en un pozo y su longitud será la medida en metros desde la unión al cuerpo de la bomba hasta el brocal del pozo, generalmente está conformada por tramos de 3 o 6 metros, unidos con abrazaderas de acero, el diámetro de la misma va en función de la cantidad de agua que se va a extraer, una forma práctica y sencilla de calcular el diámetro exacto es elevar al cuadrado el diámetro propuesto en pulgadas y el resultado será los litros de agua por segundo que pueden fluir por esa tubería, esto sin elevar demasiado la velocidad de flujo del líquido así como las perdidas hidráulicas. Por ejemplo: una tubería de 3” esto será 3x3 = 9 litros/segundo, Esta es la cantidad ideal que podrá fluir a tubo lleno, aunque pueden fluir más de 9 lts/s pero a mayor velocidad. A medida que aumenta la velocidad, aumentan las pérdidas por fricción en la tubería. 13

2.2.3 Cable submarino trifásico

Para poder suministrar el voltaje y potencia necesaria para accionar el equipo de bombeo sumergible es necesario la selección del cable adecuado, y está en función de: la tensión que se utilizará, la longitud que se requiere, la temperatura del agua así como la carga que se alimentará. Con estos parámetros se define la conducción adecuada en el cable para el equipo, al instalar el cable es importante tener en cuenta las siguientes consideraciones para un mejor funcionamiento. 

No es recomendable usar cables en paralelo de calibres diferentes, es importante que sean de igual calibre y longitud, para así evitar pérdidas de tensión.



Es importante la instalación de un conductor neutro (tierra) de calibre #4 como mínimo, desde el gabinete del arrancador hasta el ademe del pozo, esto con el fin de no poner en riesgo la seguridad de quienes tienen contacto directo con la operación del equipo.



Si sobra cable trifásico en la superficie entre el brocal del pozo y el arrancador, este debe ir extendido formando un serpentín alargado, nunca se debe de enrollar y menos en un material ferroso o magnético, esto para evitar el efecto bobina. Y en el cable que va dentro del pozo es recomendable sujetarlo cada 3 metros como mínimo a la columna, ya sea con abrazaderas, alambre de cobre o cinta suficientemente fuerte. Teniendo cuidado de no apretar exageradamente el cable ya que se podría dañar la cubierta provocando que entre agua en el mismo.

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2.2.4 Arrancadores

Cualquier motor de corriente alterna trifásica requiere de un arrancador, esto para protegerlos de los arcos eléctricos que se dan en los interruptores de seguridad; así como limitar, la sobre-corriente de arranque que demanda el motor en los conductores que lo alimentan y para obtener un funcionamiento apropiado de aceleración. La Comisión Federal de Electricidad recomienda arrancar los equipos de bombeo a tensión reducida, ya sea con arrancadores magnéticos a voltaje reducido o bien con arrancadores electrónicos de rampa reducida. Este tipo de arranque normalmente inicia con el 65% del voltaje en el primer paso durante 5 a 8 segundos y en el segundo paso entrega el 100% del voltaje. Con esto, se disminuye considerablemente el calentamiento excesivo en el cable sumergible y bobinas, arranque brusco del rotor y flecha de la bomba, entre otros. El diseño de cada uno de ellos depende de su fabricante pero en general las funciones de los arrancadores son: 

Arrancar y parar los motores de una manera conveniente, ya sea de forma manual, automática o incluso de manera remota.



Limitar la intensidad de la corriente en la línea, durante un retardo de tiempo apropiado para el arranque.



Proteger el motor de sobrecargas eléctricas o por fallas de voltaje.



Proporcionar una aceleración uniforme y suave al motor y la flecha de la bomba.



Proporcionar seguridad a los operadores del equipo.

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En los pozos que visitamos nos encontramos en su mayoría con estos tipos de arrancadores, en la ilustración 2.2 se muestra un arrancador magnético con sensores de presión y gasto, medidores de parámetros eléctricos, así como encendido automático con timmer. Además nos encontramos con algunos arrancadores de aceite como el que se ilustra en la imagen 2.3.

Ilustración 2.2 Arrancador magnético

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Ilustración 2.3 Arrancador de aceite

Protecciones eléctricas opcionales. Es recomendable la instalación de algunos elementos de seguridad para el equipo tales como: 

Electroniveles magnéticos o electrónicos, o bien sondas eléctricas o neumáticas que desconecten la bomba en caso de falta de sumergencia.



Fasealert, el cual protege de falla de fase y fase a simetría



Sensor plus, protege de altos y bajos voltajes así como descargas atmosféricas.



Instrumentos análogos o digitales que muestren los parámetros eléctricos (voltajes, corrientes, potencia, etc.).



Interruptor de presión, el cual apagará el equipo al sobrepasar la presión máxima. 17



Capacitores para corregir el factor de potencia.



Sensor de temperatura en el devanado del motor con paro y arranque preestablecido.

Algunos de estos elementos los pudimos observar en algunos de los arrancadores que visitamos.

2.2.5 Transformador

Es recomendable tener un transformador

exclusivo para el equipo de

bombeo, y este se selecciona en función de la potencia de la bomba en HP con la ayuda de la tabla que se muestra a continuación (Tabla 2.1). Tabla 2.1 Parámetros para la elección de transformadores Potencia de la bomba

Tamaño del transformador

en HP

En KVA

Hasta 15

15

20 a 30

30

35 a 40

45

50 a 75

75

85 y 100

112.5

125 y 150

150

175 y 200

225

250 y 300

300

350

500

Los transformadores de 225 KVA son físicamente grandes y pesados por lo que su instalación es recomendable acondicionarla en el piso, los de menor tamaño pueden ser instalados en postes de concreto o sobre una parrilla atornillada a 2 postes. 18

2.3 Procedimiento general para la Evaluación de eficiencias electromecánicas

2.3.1 Mediciones hidráulicas

2.3.1.1 Niveles de bombeo

Nivel estático.- Es el nivel del agua en un pozo cuando no está en operación, dicho de otra manera, es la distancia vertical que hay desde la superficie del suelo hasta el espejo del agua. Nivel dinámico.- Es el abatimiento que sufre el nivel estático durante el proceso de bombeo, este se define hasta que se establece el equilibrio hidráulico entre la cantidad de agua que se extrae y la capacidad de producción del pozo. En ese momento queda determinado el nivel dinámico del pozo, se mide a partir del brocal del pozo hasta el espejo del agua y es un valor fundamental en la selección de un equipo de bombeo, ya que con él se determina la longitud de la columna, así mismo obteniendo periódicamente

este valor podemos conocer el comportamiento del

acuífero, en la ilustración 2.4 se pueden apreciar de una forma más clara los niveles antes mencionados.

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Ilustración 2.4 Niveles de bombeo En la actualidad hay métodos muy eficientes para conocer el abatimiento que se produce durante el bombeo, tales como, el uso de sensores y el uso de sondas la neumática y la eléctrica, que fueron las que se usaron en el proyecto, por ello solo se hace mención de este método (sondas) mismas que se describen a continuación: Sonda eléctrica.- Dispositivo que consiste de dos alambres (cable) con forro de goma o plástico; una batería, generalmente de 9 voltios y un amperímetro. El circuito se forma por: la batería, el amperímetro, el alambre que baja al pozo y el alambre que sube del pozo; estos dos alambres conectados a la batería junto con el amperímetro cierran el circuito. Las dos puntas que no están conectadas deben estar desnudas y separadas con cinta aislante para que estas no hagan contacto entre sí. Para que estas puntas al ser introducidas en el pozo conserven una posición recta, es necesario amarrar en su extremo un contrapeso (clavo, tornillo o fierro plano). El circuito se cierra cuando estas dos puntas hacen contacto con el agua, de ahí que el largo del cable desde su extremo inferior hasta el centro de la descarga será la profundidad del espejo del agua.

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En la figura 2.5 se muestra un panorama más claro del uso de la sonda eléctrica en un pozo profundo.

Ilustración 2.5 Uso de la sonda eléctrica Su construcción ha sido diseñada con tecnología de última generación, con materiales sólidos y ligeros que permiten su fácil transportación, es un equipo de larga vida útil y bajo mantenimiento, así como su fácil adaptabilidad a cualquier zona de trabajo y profundidad de los pozos.

Sonda neumática.- Este instrumento de medición está compuesto por: un manómetro, una bomba de aire (similar a las usadas para las llantas de bicicleta o automóvil) así mismo la cantidad necesaria de tubo galvanizado comúnmente de 6.35 mm. (1/4”) de diámetro. El tubo galvanizado debe estar colocado en el pozo preferentemente adherido con abrazaderas a la columna y su largo debe ser por los menos el mismo de la columna más el cuerpo de tazones. para tener una medición fiable es necesario conocer la medida exacta del tubo desde su extremo inferior hasta algún punto fijo del cabezal de descarga, además de que la punta inferior del tubo no debe de estar a 21

la profundidad del pozo o cerca del colador, ya que las mediciones pueden verse afectadas por la turbulencia del agua. Al extremo superior del tubo se conecta el manómetro y la bomba de aire. Estas conexiones deben quedar absolutamente herméticas para evitar fugas de aire la figura muestra la forma en que debe ir puesta en el pozo (ilustración 2.6).

Ilustración 2.6 Forma de instalación de una sonda neumática Para llevar a cabo la medición del espejo del agua es necesario aplicar aire con la bomba, la presión del manómetro subirá hasta que el agua contenida en el tubo colgante del pozo sea expulsada, cuando eso ocurre la presión que se observa en el manómetro permanecerá constante aun y cuando se siga aplicando aire. Esa presión que se observa en el manómetro es equivalente a la presión que ejercía la columna de agua que antes llenaba el tubo y el largo de esa columna de agua es 22

equivalente al tramo sumergido del tubo de medición. A la presión que se indica en el manómetro después de ser convertida en metros columna de agua, se le resta la longitud total que ya se conoce del tubo galvanizado y el resultado corresponde a la longitud del tubo que no está sumergido en el agua. Esto es, la longitud que se quiere conocer (el nivel del espejo del agua). Para conocer el nivel dinámico es necesario llevar a cabo el mismo procedimiento solo que con la diferencia de que el pozo debe estar en operación después de un lapso de 30 a 45 minutos en este tiempo se considera estable el abatimiento de un pozo.

2.3.1.2 Gasto (medición de litros por segundo)

Otro de los parámetros que debemos conocer para poder determinar la eficiencia de un equipo de bombeo es el gasto,

que es lo mismo los litros por

segundo (l/s) o metros cúbicos por segundo (

) que hay en la descarga de un

pozo. Para medir este parámetro se han ideado diversos métodos a consecuencia de las múltiples necesidades de obtener resultados prácticos. Aunque algunos métodos requieren equipos muy complicados y costosos, pero hay otros muy sencillos y económicos. El método a utilizar dependerá de la cantidad de flujo, las condiciones bajo las cuales se llevara a cabo la medición así como el grado de exactitud requerido.

En general, existe gran variedad de medidores tanto para conductos a presión como para ductos abiertos tales como: de velocidad, Tubo Pítot, Medidor de Área Variable (Rotámetro), Magnético, Ultrasónico, Vertedores, molinete, entre otros. Así mismo, existen otros métodos para determinar el gasto en campo, tales como: el de flujo vertical y el volumétrico, pero para los fines que se requieren en el presente 23

proyecto, bastó con el uso de un medidor Ultrasónico y el método Volumétrico ya que van de acuerdo a las condiciones del campo de trabajo. Los cuales se describen a continuación. Ultrasónico.- Es un medidor electrónico que consta de dos sensores ultrasónicos, un rojo y un azul. El rojo envía un haz de luz que es retachado por la pared de la tubería formando un triángulo, este haz es recibido por el sensor azul, esta información es enviada a la unidad de proceso para ser transformada en velocidad y volumen del líquido que en ese momento está pasando por la superficie que se está midiendo y así mostrarla en la pantalla. Una vez encendida la unidad central de proceso, se le introducen los parámetros de la tubería estos ya definidos por el fabricante; material de la tubería así como diámetro interno y externo. Con estos datos la CPU nos proporciona la separación de los sensores en milímetros. Con esta medida se colocan los sensores en la tubería

anivelados y sujetados con abrazaderas separados la distancia

indicada, esto lo podemos observar en la ilustración 2.7.

Ilustración 2.7 Medidor ultrasónico 24

Volumétrico.- Este método consiste en tomar el tiempo que tarda en llenarse un recipiente de volumen conocido con la ayuda de un cronometro, la medición se hace directamente en la descarga y es recomendable realizarlo en pozos cuya presión es casi nula, ya que de lo contrario es muy complicado captar el chorro completo. Para tener una visión más clara de este método, se muestra la imagen 2.8.

Ilustración 2.8 Método volumétrico Para el desarrollo del proyecto se usó un bote de 100 litros graduado cada 2 lts. Lo que se hace es tomar 5 mediciones para de ahí sacar un promedio y obtener la medición más exacta posible. Se divide el volumen captado entre el tiempo en que se obtuvo esa cantidad de agua y el resultado son los litros por segundo que hay en la descarga.

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2.3.1.3 Presión de bombeo

En sistemas de bombeo, se da el nombre de presión de bombeo a la energía de presión generada por la bomba, misma que es necesaria

para mover cierta

cantidad de agua de un punto a otro. Existen varias definiciones de presión, de entre ellas están: Presión atmosférica.- por los aparatos que se usan para medirla (barómetros), es llamada también, presión barométrica, y es aquella que se presenta en un lugar debido al peso de la atmosfera. Presión Manométrica.- es la presión que se tiene en una superficie, sin tomar en cuenta la presión atmosférica por ello suele llamarse también presión relativa. Presión absoluta.- es el resultado de sumar la presión atmosférica y la presión manométrica. Se mide arriba del cero absoluto y puede estar arriba o debajo de la presión atmosférica. El método más usual para conocer la presión de descarga en equipos de bombeo es por medio de un manómetro y este se debe instalar lo más cercano posible al cabezal de la bomba, en la tubería de descarga. Es el instrumento más usado para medirla, y para obtener valores lo más exacto posible. Es necesario la selección de un manómetro de mucha precisión. Generalmente la lectura que obtenemos del manómetro está dada en pero por razones prácticas, en el diseño y operación de equipos de bombeo, es preferible indicar la presión de descarga en metros columna de agua (m.c.a.).

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2.3.2 Mediciones eléctricas

Para llevar a cabo la determinación de la eficiencia electromecánica en los equipos de bombeo que se visitaron, fue de suma importancia conocer los parámetros eléctricos con los que trabaja la bomba y el motor, los cuales se mencionan enseguida. 2.3.2.1 Voltaje

Hasta la actualidad en la ciencia eléctrica no se ha llegado a encontrar una definición clara de lo que es la electricidad y solamente se ha aceptado decir que es un fluido.

Algunos autores la han definido como una forma de energía que se

manifiesta por fenómenos mecánicos, luminosos, térmicos y químicos. La electricidad según su estado, puede ser estática o en movimiento; cuando está en movimiento es llamada también corriente eléctrica, con la cual se trabajó en este proyecto. La corriente eléctrica en función del valor y sentido de la tensión con que circula, puede ser continua o alterna; la continua es aquella en la que el valor y sentido de la tensión con que circula la corriente son constantes y la alterna es la que el valor y sentido de la tensión de circulación de la corriente son variables con respecto al tiempo, generalmente esta última es la que se utiliza en la alimentación de los motores que operan los equipos de bombeo, en su modalidad trifásica. El medio de circulación de la corriente eléctrica es un alambre conductor principalmente de cobre, la cantidad de electricidad que fluye por el en un segundo, recibe el nombre de Coulomb por segundo mejor conocido como Ampere. La tensión que los ampere necesitan para fluir por el conductor se le denomina Volt, dicho de otra manera el Voltaje es la tensión con que circulan los amperes a través del conductor.

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Resumiendo, la tensión es la cantidad de volts de un aparato o sistema eléctrico. Se le conoce también, como la fuerza electromotriz de una corriente o la diferencia de potencial en las terminales de un conductor o de un circuito. La medición de este parámetro se realiza directamente con la ayuda de un voltímetro. Los voltajes de alimentación más comunes para operar los motores en cualquier sistema de bombeo son: MONOFASICOS: 127 Volts, 220 Volts TRIFASICOS: 220 Volts, 440 Volts, 480 Volts

2.3.2.2 Corriente

Para llevar a cabo una instalación eléctrica, es muy importante conocer la corriente que consume cada equipo que se va a conectar, ya que con estos valores se puede determinar el calibre adecuado de los conductores por donde circulará la corriente, ya que a mayor valor de esta, mayor deberá ser el calibre del conductor que se instalara, de la misma manera conociendo el valor de la corriente se pueden seleccionar los elementos de control y protección de los equipos. La corriente, cuya unidad de medida es el ampere, es un parámetro eléctrico que se presenta en los circuitos por efecto de una carga conectada y que esta se encuentra en operación. Es decir, cualquier equipo que se encuentre funcionando consume una corriente, misma que está en función del tamaño de su potencia en watts y del voltaje de alimentación. En un motor, mientras mayor sea su potencia mayor será la corriente que demanda y a mayor sea el voltaje de alimentación la corriente disminuye.

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Para determinar el valor de la corriente de un motor es necesario aplicar la siguiente formula:

Dónde: I = Corriente, en Amperes P = Potencia del motor, en Watts 1.732 = Factor para sistemas trifásicos V = Voltaje de alimentación entre fases, en Volts fp = Factor de potencia Como podemos ver, la corriente puede ser fácilmente determinada conociendo los watts y el voltaje de alimentación del equipo, pero también la podemos conocer directamente con la ayuda de un medidor (Amperímetro) el valor del factor de potencia se puede suponer de entre los valores 0.85 y 0.9.

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2.3.2.3 Factor de potencia

Para información más específica de lo que es el factor de potencia, véase el Anexo 5, ya que en esta sección solo se mencionan las formas de medirlo. Los métodos más comunes para medir el factor de potencia son: a) POR CONSUMO DE ENERGIA En cualquier instalación industrial el factor de potencia suele sufrir variaciones cuya intensidad depende de los equipos que están instalados y de los horarios de trabajo. Cuando la carga alimentada no está sujeta a grandes alteraciones durante las horas de trabajo, puede ser muy práctico y sencillo conocer el factor de potencia medio, aplicando la expresión:

Dónde: KWh = Kilowatts-hora consumidos durante un mes KVARh = Kilovares-hora consumidos durante un mes Ambas magnitudes, generalmente, vienen especificadas en los recibos mensuales proporcionados por la Comisión Federal de Electricidad. Estos recibos especifican directamente el factor de potencia medio, en el periodo de medición. La utilización de este método es el más confiable, ya que se toma en cuenta el comportamiento del consumo de energía eléctrica en cierto periodo de tiempo.

30

b) UTILIZANDO UN FACTORIMETRO Para este método la medición del factor de potencia es de forma directa, con la ayuda de un instrumento de medición conocido como factorímetro de gancho, y la capacidad de este, depende de la potencia máxima instalada que se medirá. Para medir en instalaciones de pozos profundos, es recomendable utilizar un instrumento con los siguientes rangos: Voltaje:

100 a 600 Volts.

Frecuencia:

50 a 60 Hz.

Corriente Max:

500 Amps.

Corriente min:

3 Amps.

Ya que regularmente los equipos de bombeo se alimentan con parámetros de estos rangos. Este método presenta la desventaja de que la medición obtenida es instantánea y no refleja las variaciones de la carga que normalmente ocurren a lo largo de un mes, es importante mencionar que el factor de potencia no tiene unidades.

2.3.3 Determinación de la eficiencia electromecánica (cálculos)

La eficiencia electromecánica global (conjunto bomba- motor) de los equipos de bombeo instalados en los pozos, se define con la siguiente relación:

31

La potencia hidráulica se determina por:

Dónde: Q = Gasto, en Litros por Segundo. H = Carga de Bombeo, en m.c.a. 746 = Factor de Conversión a HP Para llevara a cabo la determinación de la eficiencia global del conjunto bomba-motor, es necesario evaluar previamente las perdidas por fricción en la columna, medir la presión a la descarga, determinar el nivel dinámico así como el gasto. Enseguida se muestra la forma de obtener cada uno de los parámetros que se requieren para dicho cálculo.

2.3.3.1 Evaluación de pérdidas por fricción en la tubería Para conocer las perdidas por fricción en la columna de bombeo, es necesario hacer uso de la ficha técnica proporcionada por los fabricantes, en la cual aparecen tabuladas las perdidas por fricción para cada diámetro y condiciones de la tubería, y así obtener de forma directa dicho valor. Para llevar a cabo la realización del proyecto se usaron 2 tablas una para bombas tipo vertical y la otra para bombas tipo sumergibles, dicha información se muestra en los Anexos 1 y 2.

32

2.3.3.2 Determinación de la carga de bombeo

La carga total de bombeo se define por medio de la siguiente expresión:

Dónde: H = Carga total de bombeo, en m.c.a Pm = Presión manométrica medida a la descarga, en m.c.a N.D = Nivel dinámico, en metros = Perdidas por fricción en la columna, en m.c.a

2.3.3.3 Determinación de la potencia eléctrica

La potencia eléctrica que se suministra al motor la podemos conocer de la siguiente manera: Cuando el equipo de bombeo está en operación es necesario medir los voltajes, las corrientes y el factor de potencia con la ayuda del factorímetro de gancho, para posteriormente aplicar la fórmula:

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Dónde: Pe = Potencia eléctrica suministrada al motor, en HP 1.732 = Factor para sistemas trifásicos V = Tensión entre fases, en volts I = Corriente de fase, en amperes fp = Factor de potencia, sin unidades 746 = Factor de conversión a HP

2.3.3.4 Determinación de la eficiencia electromecánica total

Una vez que ya se conocen los valores anteriores se sustituyen en la ecuación general quedando de la siguiente manera:

Siendo: = Eficiencia total conjunto bomba-motor Q = Gasto en litros por segundo H = Carga total de bombeo, en m.c.a Pe = Potencia eléctrica suministrada al motor, en HP 746 = Factor de conversión a HP

34

CAPITULO 3 3 Resultados obtenidos en campo. Para llevar a cabo el desarrollo del proyecto: “Determinación de Eficiencias Electromecánicas para Implementar Medición Indirecta en pozos profundos” se nos proporcionó la base de datos de todos los pozos registrados en cada uno de los acuíferos así como los pozos que fueros seleccionados para ser evaluados, dicha base de datos contiene la información correspondiente a cada uno de ellos (fotografías, datos del titular, domicilio, coordenadas geográficas, entre otros), mapas de los acuíferos divididos en celdas de 2x2 Kilómetros en los cuales se indica la ubicación de cada aprovechamiento, cedulas para ser llenadas en campo con los resultados obtenidos, 2 sondas eléctricas, medidor de flujo ultrasónico portátil, factorímetro (usos múltiples) de gancho, manómetro, GPS, lap-top, cronometro, maletín de herramienta de apoyo (pinzas, desarmadores, martillo, etc.), botes graduados de 100 y 19 litros, equipo de seguridad (guantes, casco, botas) y un vehículo. Una vez asignada e identificada la zona donde se trabajaría. Con la ayuda de la base de datos, diariamente se hizo una planeación de los pozos a visitar teniendo los datos de: diámetro de la tubería,

propietario, domicilio, croquis de ubicación y

coordenadas geográficas. Con estos datos y la ayuda del GPS se ubicó cada uno de los pozos que se evaluaron. Una vez estando en el domicilio indicado se pidió la autorización del propietario o propietarios para llevar a cabo la evaluación de la eficiencia electromecánica de su equipo de bombeo. Para esto se requirió que el equipo estuviera en operación para poder llevar a cabo las mediciones necesarias, En cada uno de los pozos se tomaron 5 fotografías del procedimiento de medición así mismo en la mayoría de ellas aparece un pintarrón pequeño en el cual se indica el número de folio del aprovechamiento, las coordenadas geográficas y la fecha en que se visitó. Esto con el fin de evidenciar el trabajo realizado. 35

Enseguida se muestran los datos y fotografías de las mediciones realizadas en dos de los pozos que se visitaron, así como los resultados obtenidos.

3.1 Aprovechamiento evaluado #1

Ubicado en una comunidad del Municipio de San Miguel de Allende en el Estado de Guanajuato, con una bomba de tipo vertical de motor externo y diámetro de descarga de 6”, el gasto se midió aplicando el método Volumétrico 3.1.1 Medición de niveles de bombeo y lecturas de inicio

Para este equipo de bombeo en particular, es importante mencionar que al iniciar las mediciones, el pozo estaba en operación por consecuencia no se pude determinar el nivel estático ya que éste se determina cuando no se está en operación, por lo cual se inició tomando la lectura del medidor de C.F.E (19108) y la hora de inicio (10:23 am) para posteriormente medir el nivel dinámico con la ayuda de la sonda eléctrica, como se ilustra en la imagen 3.1. Encontrando que el espejo del agua fue de: N.D = 159.57 metros, de la misma manera se tomaron los datos de operación del motor los cuales son: Tensión. 440 V Potencia 100 HP Corriente 124.7 Amp. Frecuencia de rotación. 1800 rpm Diámetro de la flecha 0.0381 metros

36

Ilustración 3.1 Medición de niveles de bombeo

3.1.2 Medición de parámetros eléctricos

Una vez encontrado el nivel dinámico, pasamos a medir los parámetros eléctricos, esto lo llevamos a cabo directamente en el arrancador del equipo, usando un factorímetro de gancho de usos múltiples con el cual se midieron todos los parámetros sin necesidad de usar un medidor para cada uno de ellos, la forma en que se midió la podemos observar en la ilustración 3.2. .

37

Ilustración 3.2 Medición de parámetros eléctricos Para cada uno de los factores a medir se toman cuatro lecturas en cada una de las fases (A, B, C) con el fin de tener el comportamiento promedio del sistema de bombeo los resultados se muestran en las siguientes Tablas (3.1, 3.2 y 3.3).

38

Tabla 3.1 Voltajes medidos Voltaje AB

Voltaje AC

Voltaje BC

Voltaje 1

444

445

444

Voltaje 2

444

445

444

Voltaje 3

444

445

444

Voltaje 4

444

445

444

Voltaje Prom.

444

445

444

Corriente B

Corriente C

Tabla 3.2 Corrientes medidas Corriente A

Corriente 1

81.2

81.6

83.5

Corriente 2

81.4

81.3

83.0

Corriente 3

81.3

81.2

83.1

Corriente 4

81.5

81.4

83.3

Corriente Prom.

81.35

81.37

83.22

Tabla 3.3 Factor de potencia Fp en A

Fp en B

Fp en C

Fp 1

0.89

0.91

0.90

Fp 2

0.89

0.91

0.90

Fp 3

0.89

0.91

0.90

Fp 4

0.89

0.91

0.90

Fp Prom.

0.89

0.91

0.90

La potencia promedio que demanda el motor fue de 56.64 Kw misma que se midió en cada una de las fases y se determinó su promedio. 39

3.1.3 Determinación de gasto (l.p.s) y presión

Para determinar los litros que el equipo de bombeo estaba extrayendo en ese momento se midió directamente en la descarga por medio del método Volumétrico ya que fue el más práctico, realizando cinco mediciones para de ahí sacar el promedio obteniendo un gasto de: 12.2 lps la medición se llevó a cabo tal y como se muestra en la siguiente imagen (ilustración 3.3).

Ilustración 3.3 Medición de gasto De la misma manera se midió la presión que ejercía el agua al pasar por la tubería, esto se logró directamente con un manómetro en el cual la lectura que nos mostró fue: 30 psi equivalente a 21.10 m.c.a. y la distancia de referencia fue de 52 cm. Finalmente se tomaron las lecturas de finalización: medidor de CFE (19150) y hora de finalización (11:08 am).

40

3.1.4 Calculo de la eficiencia del equipo

Para llevar a cabo los cálculos necesarios para conocer la eficiencia total del equipo de bombeo, se hizo uso de una hoja de cálculo en excel, en la cual se incluyeron todas las ecuaciones y conversiones necesarias esto para facilitar dichos cálculos. La cual se muestra a continuación (Tablas 3.4 y 3.5).

Tabla 3.4 Conversiones

DIAMETRO DE DESCARGA plg m 0.1524

6.00

DIST. NIVEL REFERENCIA MANÓMETRO cm m 0.52

52.00

LECTURA DEL MANÓMETRO A LA DESCARGA psi m.c.a. 30 21.10 FLUJO lts/seg

m^3/seg 12.2

0.0122

PÉRDIDAS DE FRICCIÓN EN LA COLUMNA (m) X1 X2 X" Y1 11.04 12.62 12.2

Y2 1.1

m COLUMNA (m) 1.4 0.18987342 139

41

Tabla 3.5 Resultados obtenidos

Diámetro interno de la tubería (m) nivel estatico Nivel dinámico Distancia desde el nivel de referencia a la línea de centros del manómetro

Lectura del manómetro a la descarga (m) Presión a la descarga =((4)+(5)) (m) Área del tubo a la descarga π * (Di)2 /4 Gasto (flujo) de las tablas 2 Carga de velocidad [(qv)/ (A)] / 2g Pérdidas de fricción en tubería Carga a la descarga (Pm) + (hv) + (hfc) Carga total (ND) + (hd) Corriente línea A Corriente línea B Corriente línea C Promedio (IA + IB + IC) / 3 Tensión línea AB Tensión línea AC Tensión línea BC Promedio (VAB + VAC + VBC ) / 3 Factor de potencia en fase AB Factor de potencia en fase BC Factor de potencia en fase AC Promedio (FpA+ FpB + FpC) / 3 Potencia de entrada al motor [√3 (V_prom)(I_prom)(Fp_prom)]/1000 Potencia de la salida de la bomba (qv) * (H) * g Eficiencia electromecánica [(Ps) / (PE)]*100

m m m m m m2 3

m /Seg m m m m Amperio Amperio Amperio Amperio Volt Volt Volt Volt % % % % Kw Kw %

0.1524

0.1524 0 0 159.57 159.57 0.52 0.52 21.10 21.10 21.62 21.62 0.0182 0.0182

0.1524 0 159.57 0.52 21.10 21.62 0.0182

0.1524

0.0122 0.0228 1.84 23.48 183.05 81.20 81.60 83.50 82.10 444.00 445.00 444.00 444.33 0.89 0.91 0.90 0.90 56.87 21.90 38.51

0.0122 0.0228 1.84 23.48 183.05 81.30 81.20 83.10 81.87 444.00 445.00 444.00 444.33 0.89 0.91 0.90 0.90 56.70 21.90 38.62

0.0122 0.0228 1.84 23.48 183.05 81.50 81.40 83.30 82.07 81.98 444.00 445.00 444.00 444.33 444.33 0.89 0.91 0.90 0.90 0.90 56.84 21.90 38.52 38.56

0.0122 0.0228 1.84 23.48 183.05 81.40 81.30 83.00 81.90 444.00 445.00 444.00 444.33 0.89 0.91 0.90 0.90 56.73 21.90 38.60

0 159.57 0.52 21.10 21.62 0.0182

42

Con los datos obtenidos y los cálculos, se procede a llenar los formatos que conforman la cedula y se entregó una copia a los propietarios. Dichos formatos son: Anexo 3 es la carátula de la cedula en la cual aparecen los datos del pozo (propietario, titulo, domicilio, etc.), datos del equipo de bombeo, instrumentos de medición que se usaron, lecturas de inicio y observaciones. En el Anexo 4 se incluyen todas las mediciones eléctricas e hidráulicas, así como los resultados de los cálculos. Al final de la tabla se muestra la eficiencia total del equipo. 3.1.5 Conclusiones sobre los datos obtenidos

La NOM-006-ENER-1995 establece que todo sistema de bombeo para pozo profundo que funcione a base de energía eléctrica debe cumplir con cierto porcentaje de eficiencia en su equipo dependiendo de la potencia con que este trabaje. Estos valores se muestran en la Tabla 3.6. Tabla 3.6 Valores mínimos de eficiencias electromecánicas Intervalo de potencias

Eficiencia electromecánica

en HP

(%)

7.5-20

52

21-50

56

51-125

60

126-350

64

Para este caso en particular nos podemos dar cuenta de que la eficiencia que se obtuvo con las mediciones que se realizaron, está muy por debajo del porcentaje establecido que es del 60%, analizando los resultados, concluimos que la deficiencia del equipo se debe al desgaste de la bomba ya que el factor de potencia está dentro del valor que exige la CFE (90%), además de que el propietario nos mencionó que tenía aproximadamente 5 años que no se le daba mantenimiento, por lo cual se le hizo la recomendación de reparar o sustituir el equipo de bombeo. El tiempo que duro la prueba fue de 45 minutos y se consumieron en total 42. 4 KW/h 43

3.2 Aprovechamiento evaluado #2 Los datos que a continuación se muestran se obtuvieron de un pozo de agua potable ubicado en una Comunidad del Municipio de Dolores Hidalgo en Guanajuato, con un diámetro de 3 pulgadas y bomba sumergible

3.2.1 Medición del nivel estático y lecturas de inicio

A diferencia del pozo anterior aquí se inició midiendo el nivel estático, ya que al llegar el equipo no estaba en operación el cual fue: N.E. = 154.80 m. una vez medido este nivel, se procedió tomando la lectura del medidor de C.F.E (6892) y la hora de inicio (16:00 pm) para este caso en particular no se tomaron los datos del motor de la bomba ya que es un equipo sumergible y el nivel dinámico se midió hasta el final de todas las mediciones. En la imagen 3.4 se ilustra lo realizado.

Ilustración 3.4 Medición de niveles 44

3.2.2 Medición de parámetros eléctricos

Una vez que se logró medir el nivel estático, se le pidió al operador del pozo que lo pusiera en operación, esto para poder llevar a cabo la medición de los parámetros eléctricos, y los realizamos al igual que en el caso anterior, directamente en el arrancador del equipo, y lo podemos observar en la siguiente imagen (ilustración 3.5).

Ilustración 3.5 Mediciones eléctricas En las Tablas 3.7, 3.8 y 3.9 se muestran los valores obtenidos en cada una de las fases (A, B, C).

45

Tabla 3.7 Voltajes Voltaje AB

Voltaje AC

Voltaje BC

Voltaje 1

474

475

477

Voltaje 2

474

475

477

Voltaje 3

474

475

477

Voltaje 4

474

475

477

Voltaje Prom.

474

475

477

Corriente B

Corriente C

Tabla 3.8 Corrientes Corriente A

Corriente 1

53.8

54.5

53.8

Corriente 2

53.6

54.6

53.9

Corriente 3

53.5

54.7

53.8

Corriente 4

53.7

54.6

53.7

Corriente Prom.

53.65

54.60

53.80

Tabla 3.9 Factor de potencia Fp en A

Fp en B

Fp en C

Fp 1

0.79

0.79

0.78

Fp 2

0.79

0.79

0.78

Fp 3

0.79

0.79

0.78

Fp 4

0.79

0.79

0.78

Fp Prom.

0.79

0.79

0.78

La potencia promedio que demandó el motor fue de: 35.1 Kw la cual se midió en cada una de las fases y se determinó su promedio. 46

3.2.3 Determinación de gasto (lps) y presión

Para conocer los litros que en ese momento pasaban por la tubería nos auxiliamos del medidor ultrasónico debido a que no había descarga libre para poder realizar el método volumétrico, el cual nos indicó un gasto de: 9.9 lps y se instaló en la tubería de descarga, tal y como se muestra en la siguiente imagen (ilustración 3.6).

Ilustración 3.6 Medición de gasto De igual manera se midió la presión que ejercía el agua en la tubería, esto se logró con un manómetro en el cual la lectura que nos mostró fue: 40 psi equivalente a 28.13 m.c.a. así mismo se midió la distancia de referencia del manómetro que es la altura a la que se encuentra dicho medidor en este caso fue de 75 cm.

47

3.2.4 Medición del Nivel Dinámico y lecturas de finalización

Para este pozo fue necesario medir el nivel dinámico hasta el final ya que para conocer el abatimiento real debe de haber transcurrido por lo menos 40 minutos de estar funcionando el equipo obteniendo que N.D = 158.90 metros, así mismo se tomó la lectura del medidor de C.F.E (6928) y la hora de finalización (17:03 pm).

3.2.5 Calculo de la eficiencia del equipo

Una vez que se obtuvieron las mediciones necesarias para llevar a cabo los cálculos de la eficiencia, se introdujeron los datos en la tabla de cálculo en excel obteniendo los siguientes resultados (Tablas 3.10 y 3.11): Tabla 3.10 Conversiones requeridas DIAMETRO DE DESCARGA plg m 0.0762

3.00

DIST. NIVEL REFERENCIA MANÓMETRO cm m 0.75

75.00

LECTURA DEL MANÓMETRO A LA DESCARGA psi m.c.a. 40 28.13 FLUJO lts/seg

m^3/seg 9.9

0.0099

PÉRDIDAS DE FRICCIÓN EN LA COLUMNA (m) X1 X2 X" Y1 8.83 10.09 9.9 PÉRDIDA TOTAL 7.75

Y2 4.5

m COLUMNA (m) 5.77 1.00793651 139

48

Tabla 3.11 Resultados obtenidos

Diámetro interno de la tubería (m) nivel estatico Nivel dinámico Nivel de referencia (m) Lectura del manómetro a la descarga (m) Presión a la descarga =((4)+(5)) (m)

m m m m

0.0762 154.8 158.90 0.75 28.13 28.88

0.0762 154.8 158.90 0.75 28.13 28.88

m2

0.0046

0.0046 0.0046 0.0046

Gasto (flujo) de las tablas

m3/Seg

0.0099

0.0099 0.0099 0.0099

Carga de velocidad [(qv)/ (A)]2 / 2g Pérdidas de fricción en tubería Carga a la descarga (Pm) + (hv) + (hfc) Carga total (ND) + (hd) Corriente línea A Corriente línea B Corriente línea C Promedio (IA + IB + IC) / 3 Tensión línea AB Tensión línea AC Tensión línea BC Promedio (VAB + VAC + VBC ) / 3 Factor de potencia en fase AB Factor de potencia en fase BC Factor de potencia en fase AC Promedio (FpA+ FpB + FpC) / 3 Potencia de entrada al motor [√3(V_prom)(I_prom)(Fp_prom)]/1000 Potencia de la salida de la bomba (qv) * (H) * g Eficiencia electromecánica [(Ps) / (PE)]*100

m m m m Amperio Amperio Amperio Amperio Volt Volt Volt Volt % % % % Kw Kw %

0.2403 7.75 36.87 195.77 53.80 54.50 53.80 54.03 474.00 475.00 477.00 475.33 0.79 0.79 0.78 0.79 35.00 19.01 54.31

0.2403 7.75 36.87 195.77 53.60 54.60 53.90 54.03 474.00 475.00 477.00 475.33 0.79 0.79 0.78 0.79 35.00 19.01 54.31

Área del tubo a la descarga

m

π * (Di)2 /4

0.0762 154.8 158.90 0.75 28.13 28.88

0.2403 7.75 36.87 195.77 53.50 54.70 53.80 54.00 474.00 475.00 477.00 475.33 0.79 0.79 0.78 0.79 34.97 19.01 54.34

0.0762 154.8 158.90 0.75 28.13 28.88

0.2403 7.75 36.87 195.77 53.70 54.60 53.70 54.00 54.02 474.00 475.00 477.00 475.33 475.33 0.79 0.79 0.78 0.79 0.79 34.97 19.01 54.34 54.33

49

Con las mediciones obtenidas y los cálculos, se procede a llenar los formatos que conforman la cedula, Anexos 3 y 4

3.2.6 Conclusiones de los resultados que se obtuvieron

La potencia del equipo analizado es de 50 HP por lo tanto según los datos de la Tabla 3.6 el valor mínimo de eficiencia que debe de presentar el equipo es del 56%, al comparar el resultado del estudio que es del 54.33% podemos decir que se encuentra en los límites de lo permitido, esto es a causa del bajo factor de potencia que tiene el equipo, la recomendación para este caso es la instalación de un banco de capacitores para su corrección, a excepción de eso podemos asegurar que el equipo aún está operando en buenas condiciones ya que el rendimiento que se tiene es aceptable. El tiempo que duro la prueba fue de 63 minutos y se consumieron 36.8 KW/h.

50

3.3 Recomendaciones para los usuarios

Para que los usuarios hagan un uso eficiente de la energía eléctrica y puedan mejorar la eficiencia en los equipos electromecánicos es necesario que se tome en cuenta las siguientes recomendaciones. 1.- En bombas verticales con motor externo para pozo profundo, cuando la eficiencia del conjunto bomba-motor sea menor del 55% es recomendable reparar o sustituir el equipo de bombeo. 2.- En bombas tipo sumergibles, cuando la eficiencia global sea menor del 42% al igual que en las bombas verticales se recomienda reparar o sustituir el equipo de bombeo. 3.- En cuanto al factor de potencia, si en la instalación eléctrica este es menos a 87%, se recomienda la instalación de un banco de capacitores, para poder corregirlo, por lo menos a un 90%, ya que es el rango mínimo que pide la Comisión Federal de Electricidad. 4.- Es de suma importancia que los usuarios implementen programas de mantenimiento preventivo en sus equipos electromecánicos, así como instrumentar un programa de verificación de eficiencias periódicas, con el fin de saber el comportamiento del equipo en determinado tiempo. 5.- Es muy importante también, la selección adecuada del equipo de bombeo, de acuerdo a las condiciones que se tienen en el pozo. Esto puede significar ahorros muy importantes en los costos de operación.

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Conclusiones

En la actualidad se dice que la extracción de agua de pozos profundos es solo para quienes tienen dinero debido a los altos costos que esto implica, la mayoría de los productores agrícolas que visitamos se quejan de que la Comisión Federal de Electricidad abusa en los cobros de la energía eléctrica, pero en la mayoría de los casos pudimos constatar que el problema no es ese, el problema se deriva del mal estado y la mala selección del equipo de bombeo que actualmente operan. De los resultados que obtuvimos nos pudimos dar cuenta que el mayor problema que afecta a estas personas es el bajo factor de potencia esto a consecuencia principalmente de motores y bombas sobrados, dicho de otra manera, se tienen operando equipos con potencias superiores a las que el pozo requiere, por ejemplo: en uno de los aprovechamientos se tenía operando una bomba de 8 pulgadas y el pozo solo era capaz de mantener 4 pulgadas, en este caso se estaba consumiendo el doble de energía del que se pudiera consumir si se tuviera un abomba de 4 pulgadas. Pero desafortunadamente los agricultores están en la creencia de que si instalan bombas más grandes podrán obtener mayor cantidad de agua, pero lo único que si les aumenta es el gasto en el consumo de energía eléctrica. Otro de los problemas con los que nos encontramos fue, el mal estado de los arrancadores y el calibre no adecuado de los cables. A consecuencia de todo lo anterior, la eficiencia de la mayoría de los equipos de bombeo está por debajo de los parámetros aceptables, cabe mencionar que esto no es en todos los acuíferos, tal es el caso de los que se encuentran en el estado de Querétaro, casi en su mayoría las eficiencias de los equipos de bombeo están dentro de los rangos aceptables.

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Las prácticas profesionales es una de las mejores formas de titulación ya que se adquieren experiencias que sin duda alguna sirven tanto en el desarrollo personal como profesional. El interactuar directamente con el campo laboral es algo que fortalece y complementa los conocimientos teóricos, porque es hasta cuando se llevan a la práctica, cuando se comprende por completo el porqué de las cosas. Además, de manera personal influye muchísimo la experiencia de aprehender a interactuar con personas de diferentes costumbres, creencias y formas de pensar.

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Anexos Anexo. 1 tabla de pérdidas por fricción para bombas tipo vertical

54

Anexo 2. Tabla de pérdidas por fricción para bombas sumergibles

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Anexo 3. Cédula de determinación de eficiencias electromecánicas (datos del aprovechamiento). Folio de aprovechamiento: Título: Propietario: Domicilio: Localización del pozo: Tipo:

Marca:

Vertical: Parámetros garantizados

Sumergible:

de la bomba No. De pasos

Flujo (

Carga total (m):

Eficiencia (%):

Datos de la columna:

Diámetro de succión (m):

Diámetro de la flecha (m):

Datos de la placa del motor:

Marca:

Eficiencia (%):

Potencia (KW):

Tensión (V):

Corriente (A):

Frecuencia (rpm):

instrumentos de medición:

/s):

Tipo:

Flujo: Presión de descarga: Nivel estático:

Sonda eléctrica: Sonda neumática:

Nivel dinámico:

Sonda eléctrica: Sonda neumática:

Potencia eléctrica (medición directa): Potencia eléctrica medición indirecta

Voltímetro: Amperímetro: Factorímetro:

Hora de inicio:

Hora de finalización:

Duración de la prueba:

Lectura, medidor de CFE de inicio (KW/h): Lectura, medidor de CFE de finalización (KW/h):

Fecha:

Observaciones:

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Anexo 4. Cédula de determinación de eficiencias electromecánicas (resultados obtenidos). #

símbolo

descripción

1

1

Di

Diámetro interno de la tubería (m)

2

n

Frecuencia de rotación (RPM)

3

NE

Nivel estático (m)

4

ND

Nivel dinámico (m)

5

x

6

P1

Lectura del manómetro a la descarga (m)

7

Pm

Presión a la descarga [(5)+(6)] (m)

8

A

Área del tubo a la descarga = [(3.1416)(

9

qv

Flujo (

10

hv

Carga de velocidad = {

11

hfc

Perdidas de fricción en la columna (m)

12

hd

Carga a la descarga = [(7)+(10+(11)] (m)

13

H

Carga total = [(4)+(12)] (m)

14

IA IB IC I

Corriente en línea A Corriente en línea B Corriente en línea C Promedio = [(IA+IB+IC)/3] (A)

15

VAB VAC VBC V

Tensión fase AB Tensión fase AC Tensión fase BC Promedio = [(VAB+VAC+VBC)/3] (V)

16

fpA fpB fpC fp

Factor de potencia línea A Factor de potencia línea B Factor de potencia línea C Promedio = [(fpA+fpB+fpC)/3] (%)

17

Pe

Potencia de entrada al motor = 1.732x(14)(15)(16)X (KW)

18

Ps

Potencia de salida de la bomba = [(9)x(13) x 9.806] (KW)

19

h

2

3

4

Distancia de referencia del manómetro (m)

)/4] (

)

/s) 6133} (m)

Eficiencia electromecánica = [(18)/(17)] X 100 (%)

NOMBRE Y FIRMA DEL TECNICO RESPONSABLE

NOMBRE Y FIRMA DEL PROPIETARIO O ENCARGADO

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Anexo 5. Factor de potencia

En términos generales es la relación existente entre la potencia real consumida y la potencia aparente que llega al sistema, en sistemas de bombeo es causado principalmente por la operación de motores de inducción de capacidad sobrada con respecto a la carga real. Un bajo factor de potencia implica un alto consumo de corrientes reactivas y a consecuencia, pérdidas excesivas y sobrecargas en los equipos eléctricos. Lo anterior provoca sobrecarga en los cables y transformadores, aumento de pérdidas en el cobre, reducción en el nivel de voltaje y aumento en los costos de energía. Esto puede traducirse en la necesidad de instalar conductores de mayor calibre e incluso la necesidad de invertir en nuevos equipos, esto si la potencia demandada llegara a sobrepasar la capacidad de los equipos existentes y económicamente esto sería un gran problema. Además existe otro factor económico que hay que tener muy en cuenta; el recargo por parte de la Comisión Federal de Electricidad en la factura mensual, ya que de acuerdo a lo publicado en el Diario Oficial de la Federación en Noviembre de 1991, en este caso la CFE tiene derecho a cobrar al usuario el porcentaje de recargo correspondiente, de acuerdo al factor que se tenga. El usuario debe procurar mantener un factor lo más aproximado al 100%. Pero en el caso de que se tenga un promedio menor al 90% se determinara el monto del recargo que se tiene que pagar. Y en caso contrario si el fp es igual o superior al 90%, la CFE tendrá la obligación de bonificar al usuario el porcentaje de bonificación que se calcule. Una forma sencilla y económica de resolver el problema, en la mayoría de los casos, es la instalación de capacitores de potencia, también conocidos como banco de capacitores ya sea en alta o baja tensión ya que tienen por efecto el reducir la corriente reactiva total que consume la instalación eléctrica que se esté trabajando. Se miden en Kilovares y es sencillo calcular el tamaño de estos en Kilovares solo es necesario conocer la potencia activa que se consume y el factor de potencia actual.

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Glosario

Acuífero.- Es un estrato o formación geológica que permite el almacenamiento y circulación de las aguas subterráneas por medio de sus poros o grietas. Aforo.- Se le llama al proceso de medición del caudal o gasto. Aprovechamiento.- Es el nombre que se le da a un pozo en operación. Brocal del pozo.- Se le conoce así a la placa de concreto o cualquier otro material que se coloca alrededor de la boca de un pozo, con el fin de usarlo como base o como protección para no caer al orificio. Cabezal de descarga.- Se le denomina a la parte externa que conforma la bomba, del cual se sostiene la columna, el eje y el cuerpo de la bomba. Además soporta en su parte superior al motor o sistema de transmisión de potencia. Carga de bombeo.- Es la cantidad de energía mecánica que requiere la bomba para mover el agua desde el nivel dinámico hasta el punto final del sistema de bombeo. Descarga.- Es la parte final a donde es arrojada el agua que se bombea de un pozo, por ejemplo. Estanque, depósito, parcelas, etc. Distrito de riego.- Son áreas geográficas donde se proporciona el servicio de riego mediante

obras

de

infraestructura

hidroagricola,

tales

como;

áreas

de

almacenamiento, plantas de bombeo, pozos, etc. Estratos geológicos.- Se les llama así a cada una de las capas formadas en la tierra, y pueden ser de diferentes materiales (arena, tierra, piedra, etc.). Eje de transmisión.- Conjunto de ejes o barras de transmisión de potencia, que van desde el mecanismo motriz hasta el eje del cuerpo de la bomba generalmente de bronce.

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Fasealert.- Dispositivo electrónico que protege al sistema eléctrico cuando ocurren fallas en alguna de las fases que alimentan al motor de la bomba, y lo hace apagando el equipo. Gasto o Caudal.- Volumen de agua medido en una unidad de tiempo; generalmente se expresa en litros por segundo. GPS.- Se puede definir como Sistema de Posicionamiento Global, que permite fijar a escala mundial el posicionamiento de un objeto, una persona, lugar, vehículos, entre otras aplicaciones. Impulsor.- El elemento rotativo que imparte la energía al líquido que se está bombeando, provocándole presión. Infraestructura hidroagricola.- Tiene que ver directamente con obras en las que interviene el uso del agua en la agricultura tales como; los sistemas de riego, almacenamiento y distribución del agua para riego, entre otros. Niveles de bombeo.- Son los niveles desde los cuales se bombea al agua y se mide en metros. Nivel de referencia.- Es el nivel seleccionado como referencia para todas las mediciones hidráulicas, y normalmente es la placa base donde está asentado el equipo de bombeo. Sistemas de Bombeo.- Conjunto de elementos que permiten la extracción y transporte de líquidos de un lugar a otro. Succión.- Para este tema en particular; es la extracción del agua subterránea hasta la superficie del suelo. Tazón.- Es el elemento estructural que contiene internamente el impulsor de una bomba de tipo vertical. Unidades de riego.- Es un área geográfica destinada a la agricultura que cuenta con riego y se integra por usuarios agrupados en asociaciones civiles. 60

Referencias

[1]

GUIA PARA LA

EVALUACION

DE

LA EFICIENCIA

EN

EQUIPOS

ELECTROMECANICOS EN OPERACIÓN PARA POZO PROFUNDO, Autor: Comisión Nacional del Agua, Editor: Subdirección General de Infraestructura Hidráulica Urbana e Industrial. Noviembre 1992, México [2]

GUIA PARA LA

EVALUACION

DE

LA EFICIENCIA

EN

EQUIPOS

ELECTROMECANICOS EN OPERACIÓN PARA POZO PROFUNDO,

Autor:

Comisión Nacional del Agua, Editor: Subdirección General Técnica. México, 1994 [3]

Manual de Incremento de Eficiencia Física, Hidráulica y Energética en

Sistemas de Agua Potable, Autor: Comisión Nacional del Agua, Editor: Secretaria del Medio Ambiente y Recursos Naturales. Edición México 2009 [4] Autor y Editor: Ochoa A.L. Subdirección General de Administración del Agua, Coordinación de Tecnología Hidráulica,

METODOS Y SISTEMAS DE

MEDICION DE GASTO. México, Marzo de 1992. [5] Arturo Kennedy Pérez, Fernando Fragoza Díaz, Efrén Peña Peña y J. Eduardo Moreno Bañuelos. MANUAL DE AFOROS Segunda edición.- México IMTA 2000. [6] GOULDS PUMPS, Bombas Verticales Tipo Turbina, 20/Enero/2012, http://www.gouldspumps.com/download_files/verticalturbinepumps/bvertical_S panish.pdf

[7] BOMBAS ALEMANAS, S.A. de C.V., Bombas Tipo Sumergible, 21/Enero/2012, http://www.bamsa.com.mx/curvas-tecnicas/carpeta-tecnicabamsa.pdf

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[8] Coordinación General de Vinculación, Universidad Autónoma de Zacatecas, 04/febrero/2012, http://www.uaz.edu.mx/vinculacion [9] Maestría en Planeación de Recursos Hidráulicos, Universidad Autónoma de Zacatecas, 04/febrero/2012, http://ingenieria.reduaz.mx/recursoshidraulicos [10] Comisión Nacional del Agua, Proyectos y Programas, 10/febrero/2012, http://www.conagua.gob.mx/Contenido.aspx?n1=4&n2=40&n3=40

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