TEMA DE PRESENTACION AGUAS Y MEJORAMIENTO MEDIANTE POZOS

1. DISEÑO DE UNA MAQUINA PORTATIL PERFORADORA
DE POZOS DE AGUA PARA LA EMPRESA “AGUA
CRISTALINAS” PARA LA CIUDAD DE COCHABAMBA
ESTUDIANTE: RODRIGO JHASMANI BERNAL BALLON
TUTOR: ING. RONALD CORDERO PAREJA
UNIVERSIDAD SIMÓN I. PATIÑO
FACULTDAD DE INGENIERIA
INGENIERIA ELECTROMECANICA

2. INTRODUCCION
Aguas Subterraneas Perforacion de pozos Sequias

3. ANTECEDENTES
PERFORACION DE POZOS DE
AGUA EN ROCA
AGUA CRISTALINAS

4. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
¿Cómo se podrá reducir la escasez de agua en la ciudad de Cochabamba
y optimizar el proceso de perforación de pozos de agua?

5. OBJETIVO GENERAL
Diseñar una maquina portátil perforadora de pozos de agua para la
empresa “Agua Cristalinas” para la ciudad de Cochabamba.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Realizar un
relevamiento de
sistemas de
perforaciones de
pozos de agua.
Diseñar los
mecanismos
adecuados para el
funcionamiento de la
máquina.
Seleccionar el tipo
de actuadores y
sistemas que se van a
emplear en la
máquina.
Modelar y simular el
funcionamiento de la
maquina en el
software
“SOLIDWORKS”.
Elaborar el análisis
costo-beneficio del
proyecto.

6. MARCO TEORICO

7. Perforación
de pozos de
agua
PERFORACION CON
BARRENA
PERFORACION A
PERCUSION
PERFORACION POR
ELIMINACION DE LODOS
PERFORACION POR
INYECCION DE AGUA

8. Perforación
de pozos de
agua
PERFORACION POR
ROTACION
LIQUIDOS DE
PERFORACION
VELOCIDAD DE
PENETRACION

9. INGENIERIA DEL PROYECTO

10. PARAMETROS PARA EL DISEÑO
Resistencia de las rocas del suelo Diámetro de perforación
Fuerza de impulso para perforar la roca del suelo
𝐹 = 28.5 ∗ 𝑆𝑐∗ ∅
𝐹 = 5130 𝐿𝑏 = 22.819 𝐾𝑁

11. DISEÑO DEL SISTEMA HIDRAULICO
Velocidad del Liquido
TIPO DE LA
HERRAMIENTA
CORTANTE
VELOCIDAD APROXIMADA DEL
FLUJO ASCENDENTE DEL
LIQUIDO (m/min)
CON AGUA
CON SOL.
ARCILLOSA
Trépanos
puntiagudos en
rocas blandas
Trépanos de
rodillos en
rocas duras
Coronas de
aleación dura
Coronas
adiamantadas
48-60
36-48
18-36
36-48
36-48
24-36
15-30
18-36
Caudal del liquido
𝑄 = 𝐴 ∗ 𝑉
𝑄 =
𝜋 ∗ ∅2
4 ∗ 106 ∗ 𝑉
𝑄 = 0.142 𝑚3
𝑚𝑖𝑛

12. DISEÑO DEL SISTEMA HIDRAULICO
Calculo de la bomba de trabajo
• Cálculo de las Velocidades
𝑉 =
𝑄
𝐴
𝑉1 = 31.139 𝑚
𝑚𝑖𝑛 = 0.519 𝑚
𝑠
𝑉2= 36.898 𝑚
𝑚𝑖𝑛 = 0.615 𝑚
𝑠
• Cálculo del número de Reynolds
𝑅 =
𝑉2 ∗ 𝐷
𝜐
𝑅 = 43.05𝑥103
• Cálculo de la rigurosidad relativa
𝜖
𝐷
=
0.007
76.2
= 9.186𝑥10−5
• Cálculo del coeficiente de friccion
1
𝑓
= −2 ∗ log
𝜀
𝐷
3.7
+
2.51
𝑅 ∗ 𝑓
𝑓 = 0.022
• Cálculo de la altura geodésica
𝑍2−1 = 𝑍2 − 𝑍1
𝑍2−1 = 3.27 𝑚

13. DISEÑO DEL SISTEMA HIDRAULICO
Calculo de la bomba de trabajo
• Cálculo de la carga dinámica total
𝐶𝐷𝑇 =
𝑃2 − 𝑃1
𝛾
+ 𝑍𝑇 + ℎ𝑣 + ℎ𝑓1−2
𝐶𝐷𝑇 = 3.305 𝑚. 𝑐. 𝑎.
• Cálculo de la potencia de la bomba
𝐵𝐾𝑊 =
𝑄 ∗ 𝐶𝐷𝑇 ∗ 𝛾
1000 ∗ 𝜂
𝐵𝐾𝑊 = 0.096 𝑘𝑊 = 0.129 𝐻𝑃
• Cálculo de la carga de velocidad
ℎ𝑣 =
𝑉2
2
− 𝑉1
2
2 ∗ 𝑔
ℎ𝑣 = 0.006 𝑚
• Cálculo de la longitud total de la
manguera
𝐿𝑇 = 1.26 + 0.58 + 0.53 + 2.5
𝐿𝑇 = 4.87 𝑚
• Cálculo de las perdidas primarias y
secundarias
ℎ𝑓1−2
= 𝑓 ∗
𝐿𝑇
𝐷
∗
𝑉2
2
2 ∗ 𝑔
ℎ𝑓1−2
= 0.029 𝑚

14. DISEÑO DEL SISTEMA ELECTRICO
Motor de rotación
Velocidad de rotación Potencia del motor
𝐻𝑃𝑟 = 8.55𝑥10−9 ∗ ∅2 ∗ 𝑁𝑟 ∗ 𝐹2
𝐻𝑃𝑟 = 12. 408 𝐻𝑃 = 9.253 𝐾𝑊

15. DISEÑO DEL SISTEMA ELECTRICO
Motor de perforacion
Velocidad de rotación
𝑉𝑃 =
63.9 ∗ 𝐹 ∗ 𝑁
𝑆𝑐2 ∗ ∅0.9
𝑉𝑃 = 215.045 𝑚
ℎ
𝑉𝑃 = 3.584 𝑚
𝑚𝑖𝑛
3.584
𝑚
𝑚𝑖𝑛
∗
1 𝑟𝑒𝑣
0.045 𝑚
= 79.64 𝑟𝑝𝑚
Potencia del motor
𝑇𝑟 =
2
3
∗ 𝜇 ∗ 𝐹 ∗
𝑟𝑜
3
− 𝑟𝑖
3
𝑟𝑜
2 − 𝑟𝑖
2
𝜇 = tan(𝜑)
𝜇 = tan 30
𝜇 = 0.577
𝑇𝑟 = 0.621 𝑘𝑁. 𝑚 = 621 𝑁. 𝑚
𝑃 =
2 ∗ 𝜋 ∗ 𝑇𝑟 ∗ 𝑁
60
𝑃 = 5202.477 𝑊
𝑃 = 5.202 𝑘𝑊 = 6.976 𝐻𝑃

16. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL
Selección del PLC

17. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL
Selección del variador de frecuencia
MODELO
TENSION DE
ALIMENTACION
(V)
CORRIENTES
NOMINALES
(A)
TIPO DE
ALIMENTACION
POTENCIA
DEL
MOTOR
(HP)
CFW100 200-240 1.6-4.2 Monofásica 0.25-1
CFW300
100-127
200-240
1.6-15.2 Monofásica Trifásica 0.25-5
CFW500 200-600 1-56 Monofásica Trifásica 0.25-30
CFW700 200-600
2.7-211
Monofásica Trifásica 1.5-175
CFW11 200-690 3.6-2850 Monofásica Trifásica 2-2500
CFW501 200-480 1-31 Trifásica 0.25-20
CFW701 200-600 2.9-211 Monofásica Trifásica 2-175
MW500 380-480 4.3-10 Trifásica 1.5-6

18. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL
Selección del HMI
MODELO TAMAÑO
RELACION
DE
ASPECTO
ETHERNET POTENCIA
GH104E 10,4’ 4:3 Si 8 W
G100E 10,1’ 16:9 Si 6 W
GL100 10,1’ 16:9 No 6 W
GL100E 10,1’ 16:9 Si 6 W

19. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL
Automatizacion del proceso
1 3
INICIO
ENCENDIDO DE LA
MAQUINA
ENCENDIDO DE LA
BOMBA
ENCENDIDO DEL
MOTOR DE
ROTACION
ENCENDIDO DEL
MOTOR DE
PERFORACION
4
1
¿SE LLEGO AL
LIMITE
INFERIOR DE
LA MAQUINA?
APAGADO DE LA
BOMBA Y DEL
MOTOR DE
PERFORACION
INVERSION DE
GIRO DEL MOTOR
DE ROTACION
2
2
3
ELEVACION CON EL
MOTOR DE
PERFORACION
¿SE LLEGO A LA
PROFUNDIDAD
DE
PERFORACION?
FIN
¿LA VELOCIDAD
DE ROTACION
ES LA
ADECUADA?
SELECCIONAR LA
VELOCIDAD DE
ROTACION
4
SI
SI
SI
NO
NO
NO

20. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL
Automatizacion del proceso

21. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL
Automatizacion del proceso
PARAMETRO DESCRIPCION
AJUSTE DE
FABRICA
AJUSTE DE
USUARIO
PO100 Tiempo Aceleración 10 s 5 s
PO101 Tiempo Desaceleración 10 s 5 s
PO124 Ref. 1 Multispeed 3 Hz 5.3 Hz
PO125 Ref. 2 Multispeed 10 Hz 6 Hz
PO126 Ref. 3 Multispeed 20 Hz 7 Hz
PO127 Ref. 4 Multispeed 30 H 8 Hz
PO222 Sel. Referencia REM 1= AI1 8= Multispeed
PO265 Función de la Entrada DI3 20= Reset 13= Multispeed
PO266 Función de la entrada DI4 10= JOG 13= Multispeed
PO271 Señal de las DIs 0= (DI1..DI8) NPN 4= (DI1…DI4) PNP
PO296 Tensión Nominal Red
Conforme modelo del
convertidor
1= 380 V
PO399 Rendimiento Nom. Motor 75% 89%
PO401 Corriente Nom. Motor 1xI 19.1 A
PO402 Rotación Nom. Motor 1425 750
PO404 Potencia Nom. Motor
Conforme modelo del
convertidor
15= 12.5 HP

22. EQUIPO
POTENCIA
NOMINAL
POTENCIA
MAXIMA
MOTOR DE
ROTACION
9.2 KW 23 KW
MOTOR DE
PERFORACION
5.5 KW 16.5 kW
BOMBA DE
AGUA
1.1 KW 3.3 KW
VARIADOR DE
FRECUENCIA
0.32 KW 0.32 KW
FUENTE DE
ALIMENTACION
DC
0.24 KW 0.24 KW
TOTAL 16.36 KW 43.36 KW
DISEÑO DEL SISTEMA DE ALIMENTACION
Potencia del generador a combustión
Potencia mínima del generador
𝑃𝐺 = 9.2 + 16.5 + 3.3 + 0.32 + 0.24
𝑃𝐺 = 29.56 𝑘𝑊
Potencia final del generador
𝑃𝐺 = 𝑃𝐺 + (0.2 ∗ 𝑃𝐺)
𝑃𝐺 = 29.56 + (0.2 ∗ 29,56)
𝑃𝐺 = 35.47 𝑘𝑊

23. DISEÑO DEL SISTEMA DE ALIMENTACION
Elementos de protección del Variador de Frecuencia y el motor de rotación

24. DISEÑO DEL SISTEMA DE ALIMENTACION
Elementos de protección del motor de perforacion
Guardamotor
Contactores
Por corriente nominal:
𝐼𝑛 = 11.1 𝐴 = 2.08 𝑚𝑚2
Por caída de tensión:
𝑆 =
𝐾 ∗ 𝜌 ∗ 𝐿 ∗ 𝐼
𝑉 ∗ Δ𝑉%
𝑆 = 0.09 𝑚𝑚2
Cable 14 AWG
Conductores

25. DISEÑO DEL SISTEMA DE ALIMENTACION
Elementos de protección de la bomba de agua
Disyuntor termomagnético Relé Térmico
Por corriente nominal:
𝐼𝑛 = 3.3 𝐴 = 1.31 𝑚𝑚2
Por caída de tensión:
𝑆 =
𝐾 ∗ 𝜌 ∗ 𝐿 ∗ 𝐼
𝑉 ∗ Δ𝑉%
𝑆 = 0.0036 𝑚𝑚2
Cable 16 AWG
Conductores
Contactores

26. DISEÑO DEL SISTEMA DE ALIMENTACION
Elementos de protección del PLC, HMI y modulo de expansion
Proteccion PLC y modulo de expansion
Cable 14 AWG
Proteccion HMI
Fusible
Conductores
Por corriente nominal:
𝐼𝑛 = 2 𝐴 = 0.52 𝑚𝑚2
Cable 20 AWG

27. DISEÑO DEL SISTEMA DE ALIMENTACION
Elementos de protección de la fuente DC 24 V
Componente Corriente consumida
LOGO 24 2 A
LOGO DM 8 24 2 A
Entrada digital 1 0.055 A
Entrada digital 2 0.055 A
Entrada digital 3 0.055 A
Entrada digital 4 0.055 A
Salida digital 1 0.3 A
Salida digital 2 0.3 A
Salida digital 3 0.3 A
Salida digital 4 0.3 A
Salida digital 5 0.3 A
Salida digital 6 0.3 A
Salida digital 7 0.3 A
Salida digital 8 0.3 A
HMI 0.3 A
TOTAL 6.92 A
Consumo de corriente Disyuntor termomagnetico
Conductores
Por corriente nominal:
𝐼𝑛 = 10 𝐴 = 2.08 𝑚𝑚2
Cable 14 AWG

28. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA MECANICA
Broca de perforación
Fuerza tangencial:
𝑁𝑡 =
𝑇𝑡
𝑟𝑜
𝑁𝑡 = 8.15 𝑘𝑁
Fuerza de empuje:
𝐹 = 22.819 𝑘𝑁
Fuerza de corte:
𝑃 = 𝐹2 + 𝑁𝑡
2
𝑃 = 24.231 𝑘𝑁

29. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA MECANICA
Tuberia de perforación
Fuerza debido al peso de la tubería y la broca:
𝐹𝑡𝑐 = 𝑊𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 + 𝑊𝑏𝑟𝑜𝑐𝑎
𝐹𝑡𝑐 = 270.118 𝑁
Fuerza de reacción de empuje sobre la roca:
𝐹𝑀𝐴𝑋 = 2 ∗ 𝐹
𝐹𝑀𝐴𝑋 = 45.638 𝑘𝑁
Fuerza debido al par torsor del motor:
𝑇𝑟 = 𝐹𝑐 ∗ ∅𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎
𝐹𝑐 = 9553 𝑁
Fuerza debido a la presión hidráulica:
𝑃 = 𝜌 ∗ 𝑔 ∗ ℎ
𝑃 = 1.679 𝑘𝑁
𝑚2
𝑃 =
𝐹
𝐴
𝐹 = 46.418 𝑘𝑁

30. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA MECANICA
Cabezal de rotación
Fuerza debido a la presión hidráulica:
𝐹 = 𝑃 ∗ 𝐴
𝐹 = 785.772 𝑁
Fuerza por el peso del motor:
𝐹 = 𝑚 ∗ 𝑎
𝐹 = 1.695 𝑘𝑁

31. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA MECANICA
Eje de rotacion
Fuerza debido a la presión hidráulica:
𝐹 = 𝑃 ∗ 𝐴
𝐹 = 785.772 𝑁

32. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA MECANICA
Soporte del motor
Fuerza debido al peso de los componentes:
𝐹 = 𝑚 ∗ 𝑎
𝐹 = 𝑚𝑀. + 𝑚𝐶.𝑃. + (𝑚𝑇. ∗ 𝑁𝑟𝑜𝑇.𝑀.) + 𝑚𝐵. ∗ 9.81
𝐹 = 14.527 𝑘𝑁

33. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA MECANICA
Soporte superior
Fuerza debido a la tensión:
2𝑇 = 14527
𝑇 =
14527
2
𝑇 = 7263.5 𝐾𝑁

34. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA MECANICA
Barras del soporte
Fuerza debido a la tensión:
𝐹 =
7263.5
2
𝐹 = 3.631 𝑘𝑁

35. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA MECANICA
Base de la maquina
Fuerza debido al peso del motor:
𝐹 = 𝑚 ∗ 𝑎
𝐹 = 1.506 𝑘𝑁
Fuerza debido al peso de la bomba:
𝐹 = 𝑚 ∗ 𝑎
𝐹 = 151.074 𝑁
Fuerza debido al peso y tensión de las barras de soporte:
𝐹 = 𝑚 ∗ 𝑎
𝐹 = 171.538 𝑁
𝐹𝑡 = 𝐹 + 𝑇
𝐹𝑡 = 7.435 𝑘𝑁

36. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA MECANICA
Maquina en estado fijo

37. COSTOS

38. BENEFICIOS
DESCRIPCION PRECIO (Bs) CANTIDAD POR
SEMESTRE
PRECIO TOTAL
(Bs)
Nuevas perforaciones
disponibles
120000.00 1 120000.00
COSTOS
DESCRIPCION PRECIO (Bs) CANTIDAD POR
SEMESTRE
PRECIO TOTAL
(Bs)
Mantenimiento
preventivo
400.00 8 3200.00
Operador 4000.00 8 32000.00
Ayudante 1 2500.00 8 20000.00
Ayudante 2 2500.00 8 20000.00
Back-up 8493.00 1 8943.00
TOTAL 84143.00
PERIODO INVERSION INGRESOS EGRESOS
0 79005.75 Bs. 0 0
1 120000.00 Bs. 84143.00 Bs.
2 120000.00 Bs. 84143.00 Bs.
3 120000.00 Bs. 84143.00 Bs.
4 120000.00 Bs. 84143.00 Bs.
Sumatoria Ingresos 480000.00 Bs
Sumatoria Egresos 336572.00 Bs
Sumatoria Egresos +
Inversión
415577.75 Bs
Costo-Beneficio 1.155
COSTO-BENEFICIO

39. CONCLUSIONES
Se logro realizar el proyecto de una forma satisfactoria logrando realizar todos los objetivos planteados al
principio del proyecto, permitiendo realizar todos los cálculos necesarios para garantizar el funcionamiento
adecuado de la máquina para que cumpla las condiciones necesarias y pueda realizar perforaciones de 150 m.
Al ser una maquina portátil y debido a las dimensiones de la maquina permitirá su desplazamiento de
una forma menos compleja en comparación a otras máquinas que se observó que existen en el mercado.
Gracias al software SolidWorks se pudo realizar simulaciones como el factor de seguridad y el análisis
de esfuerzos con criterio de Von Mises para cada componente, garantizando que cada uno cumpla con
el factor de seguridad mínimo.
La automatización de la maquina se realizó para que fuera entendible por el operario y de un sencillo
manejo, así evitando algunas posibles complicaciones durante el proceso de perforación.
En el análisis económico se determinó que la inversión necesaria para realizar el proyecto es de
79005.75 Bs. siendo así favorable económicamente en comparación con otras alternativas presentes
en el mercado.
Después de realizar el análisis costo-beneficio se determinó que la inversión necesaria para el proyecto
se recuperaría en el tiempo de 2 años.
En el transcurso de la elaboración del proyecto se presentaron dificultades que fueron solucionadas debido al
esfuerzo y la dedicación empleada en el proyecto.

40. RECOMENDACIONES
Se recomienda realizar el diseño en base a todos los cálculos mostrados en el proyecto, respetando los
materiales seleccionados, tanto en la estructura mecánica como en los utilizados para la automatización y
conexión eléctrica.
Se recomienda realizar un mantenimiento preventivo antes de cada perforación a realizar para garantizar que
la maquina funcione en óptimas condiciones y no se presenten fallas en pleno proceso de perforación.
Se recomienda contar con un sistema de Back-Up de los componentes más críticos en caso de que sufran
algún fallo inesperado durante el proceso de perforación.
Debido a que la maquina funciona con grandes cantidades de energía se recomiendo que los operarios
cuenten con un Equipo de Protección Personal (EPP).
Se recomienda verificar el cableado externo de los componentes de la maquina antes y durante la operación
de la máquina, esto debido a que se trabaja con agua y si se encuentran en una mala posición podrían
provocarse cortos circuitos los cuales dañarían a los equipos y obligarían a detener la máquina.
Se recomienda realizar una limpieza de toda la maquina al terminar cada perforación, esto debido a que al
trabajar con agua y tierra pueden existir partículas incrustadas en los equipos causando posibles fallas
posteriores.
Al momento de trasladar la maquina se recomienda hacerlo con cuidado para así evitar posibles lesiones en
el operario.

41. GRACIAS