adaptación de un sistema motor-bomba para operación
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ADAPTACIÓN DE UN SISTEMA MOTOR-BOMBA PARA OPERACIÓN CONMUTABLE DE BOMBEO Y GENERACIÓN DE
ENERGÍA ELÉCTRICA
PROYECTO DE GRADO
AUTOR:
JUAN ESTEBAN TORRES RUIZ
ASESOR:
PHD ÁLVARO ENRIQUE PINILLA S.
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
FACULTAD DE INGENIERÍA
MAYO DEL 2019
B
Agradecimientos
A mis padres y mi hermano porque gracias a ellos soy quien soy, y todos mis logros son de ellos también.
A mis amigos y a Daniela, por acompañarme en este increíble viaje.
A Alejandro Barbosa, por mostrarme que a veces se encuentra una mano amiga en el momento menos esperado, y al profesor Álvaro Pinilla por mostrarme la ingeniería auténtica de una forma excepcional.
C
Tabla de contenido
Tabla de contenido C Tabla de Ilustraciones E Índice de Tablas G Índice de Ecuaciones G 1 Introducción 1 2 Objetivos del proyecto 3
2.1 Objetivo general 3
2.2 Objetivos específicos 3
3 Marco teórico 4 3.1 Mecánica de fluidos 4
3.1.1 Ecuación de Bernoulli [3] 4
3.2 Bombas centrífugas 5
3.2.1 Triángulo de velocidades 5
3.2.2 Números adimensionales 6
3.2.3 Operación 6
3.2.4 Caracterización 7
3.3 Bombas centrífugas operando como turbinas 9
3.4 Motores DC de imanes permanentes 9
4 Equipos e instrumentación 11 4.1 Equipos instalados en el banco de pruebas 11
4.2 Instrumentos de medición utilizados 11
5 Trabajo previo en el tema 12 5.1 Juan Sebastián Ochoa 12
5.2 Andrea Rodríguez Mier 15
5.3 Hiefer Daniel Martínez 16
6 Ejecución 18 6.1 Empalme y mantenimiento 18
6.1.1 Mantenimiento inicial y ajuste del banco de pruebas 18
6.1.2 Verificación de instrumentos 19
6.1.2.1 Verificación de manómetros 19
6.1.2.2 Verificación de torquímetro 21
6.1.3 Alineación de ejes 23
6.2 Caracterización del equipo Windstream como motor 24
D
6.2.1 Caracterización con torquímetro 25
6.2.2 Caracterización sin torquímetro 26
6.2.3 Análisis del desempeño en condición de motor 28
6.3 Caracterización del equipo Windstream como generador 30
6.3.1 Determinación de la carga resistiva óptima 30
6.3.2 Caracterización del equipo 31
6.3.3 Análisis del desempeño en condición de generador 33
6.4 Caracterización en rango completo de Caudal 34
6.5 Modificación del banco de pruebas 36
6.5.1 Diseño de la tubería 36
6.5.2 Diseño de dispositivo conmutador 38
6.5.3 Instrucciones para conmutación del sistema 40
6.6 Pruebas del sistema en condición conmutable 42
6.6.1 Pruebas en operación conmutable 42
6.6.2 Despiece de la bomba 45
7 Conclusiones 50 8 Recomendaciones 51 9 Bibliografía 52
E
Tabla de Ilustraciones
Figura. 1 Esquemático del funcionamiento de una bomba centrífuga [2] 1
Figura. 2 Esquemático del principio de Bernoulli [4]. 4
Figura. 3 Diagrama de velocidades a la entrada y salida del rotor de una bomba centrífuga [3]. 5
Figura. 4 Ejemplo de curva de desempeño de una bomba centrífuga. 8
Figura. 5 Curvas características del desempeño de turbomaquinaria. [3] 8
Figura. 6 Ejemplo de curva característica de una bomba centrífuga en operación conmutable. 9
Figura. 7 Voltaje libre del generador Windstream. [7] 13
Figura. 8 Voltaje efectivo generado con resistencias fijas para el generador. [7] 13
Figura. 9 Corriente generada con resistencias fijas para el generador. [7] 14
Figura. 10 Potencia eléctrica desarrollada con resistencias fijas para el generador. [7] 14
Figura. 11 Eficiencia del generador con resistencias fijas. [7] 15
Figura. 12 Variación de la eficiencia en términos del caudal y la resistencia. [17] 15
Figura. 13 Torque Vs Velocidad angular para el generador Dayton. [18] 16
Figura. 14 Eficiencia Vs. Velocidad angular para el generador Dayton. [18] 16
Figura. 15 Potencia mecánica Vs. Torque para el generador Dayton. [18] 17
Figura. 16 Fotografía del estado inicial del banco de pruebas. El contorno indica la sección de tubería modificada. 18
Figura. 17 Banco de pruebas adecuado para caracterización como sistema de bombeo. 19
Figura. 18 Curva de verificación manómetro de alta presión para la bomba Pedrollo 20
Figura. 19 Curva de verificación manómetro de baja presión para la bomba Pedrollo. 20
Figura. 20 Curva de verificación del manómetro de alta presión para la bomba SIHI (de alimentación). 21
Figura. 21 Curva de verificación del manómetro de baja presión de la bomba SIHI (de alimentación). 21
Figura. 22 Montaje de verificación del torquímetro. 22
Figura. 23 Curva de verificación del torquímetro TQ501-100. 22
Figura. 24 Tipos de desalineación de ejes. [20] 23
Figura. 25 Alineación de ejes utilizando nivel láser. 24
Figura. 26 Velocidad angular en función del torque para el generador Windstream en operación como motor. 25
Figura. 27 Potencia mecánica en función del torque para el generador Windstream operando como motor. 25
F
Figura. 28 Eficiencia del generador Windstream en función de torque, en operación como motor. 26
Figura. 29 Cabeza en función del caudal para la bomba Pedrollo operada por el generador Windstream, con torquímetro. No normalizada. 26
Figura. 30 Cabeza en función del caudal para la bomba Pedrollo accionada por el generador Windstream, sin torquímetro. No normalizada., 27
Figura. 31 Velocidad angular en función del caudal para el sistema motor bomba, sin torquímetro. 27
Figura. 32 Potencia hidráulica en función del caudal para la bomba operada por el generador Windstream. 28
Figura. 33 Eficiencia del sistema motor-bomba operado por el generador Windstream. 28
Figura. 34 Cabeza en función del caudal para la unidad de potencia Windstream, sin torquímetro. No normalizada., 29
Figura. 35 Eficiencia del generador en función del caudal para cada carga resistiva instalada. 31
Figura. 36 Velocidad angular en función del torque para la unidad de potencia Windstream como generador. 32
Figura. 37 Potencia generada en función del torque para la unidad de potencia Windstream como generador 32
Figura. 38 Eficiencia en función del torque para la unidad de potencia Windstream como generador 33
Figura. 39 Cabeza en función del caudal para el sistema bomba-turbina operando como turbina. No normalizada. 33
Figura. 40 Potencia generada por el sistema bomba-turbina en función del caudal. 34
Figura. 41 Eficiencia global del sistema bomba-turbina en función del caudal. 35
Figura. 42 Eficiencia de la unidad de potencia Windstream para el sistema bomba-turbina. 35
Figura. 43 Curva de desempeño del sistema bomba-turbina, con torquímetro usando la unidad de potencia Windstream. No normalizada. 36
Figura. 44 Tubería inicial del banco de pruebas. 36
Figura. 45 Sección de tubería diseñada antes de ser instalada. 37
Figura. 46 Tubería construida e instalada en el banco de pruebas. 38
Figura. 47 Esquemático del funcionamiento diferentes tipos de relevos. [21] 38
Figura. 48 Muestra del relevo MY4J adquirido inicialmente. [23] 39
Figura. 49 Esquemático del circuito relevo usado. 39
Figura. 50 Relevo implementado en el banco de pruebas como dispositivo conmutador. 40
Figura. 51 Curva de desempeño del sistema con conmutador. No normalizada. 43
G
Figura. 52 Potencia generada por el sistema con conmutador. 43
Figura. 53 Eficiencia de la unidad de potencia Windstream con conmutador. 44
Figura. 54 Eficiencia global del banco de pruebas con conmutador. 44
Figura. 55 Bomba centrífuga antes y después de ser abierta.. 45
Figura. 56 Fotografías de la bomba al ser abierta. 46
Figura. 57 Tuerca de sujeción del rotor retirada. 46
Figura. 58 Rotor antes y después de ser retirado del eje. 47
Figura. 59 Tapa de la voluta antes y después de ser retirada del eje. 47
Figura. 60 Cilindro metálico y sello mecánico. 48
Figura. 61 Asiento del rodamiento y rodamiento antes de ser retirado del eje. 48
Figura. 62 Rodamiento retirado del eje. 49
Figura. 63 Anillo de goma y eje de la bomba centrífuga. 49
Índice de Tablas
Tabla 1 Dimensiones y unidades que actúan sobre una bomba rotodinámica [5]. 6
Tabla 2 Equipos usados en el banco de pruebas. 11
Tabla 3 Instrumentos de medición usados. 11
Tabla 4 Orden de verificación de manómetros. 20
Tabla 5 Comparación del PMO del banco de pruebas, con y sin torquímetro a 110V. 29
Tabla 6 Resistencia encontrada para cada bombillo según su potencia. 30
Tabla 7 Arreglos de resistencias utilizados en la caracterización. 31
Tabla 8 Comparación de las diferentes unidades de potencia usadas en el banco de pruebas. 34
Índice de Ecuaciones
Ecuación 1 Relación de Bernoulli [3]. 4
Ecuación 2 Ecuaciones de Turbomaquinaria de Euler. [3] 6
Ecuación 3. Números adimensionales para una bomba rotodinámica [5]. 6
Ecuación 4 Cálculo de la cabeza de presión. 7
Ecuación 5 Cálculo de la potencia hidráulica. 7
Ecuación 6 Cálculo de la potencia mecánica. 7
Ecuación 7 Eficiencia de una bomba centrífuga. 7
H
Ecuación 8 Eficiencia de un sistema eléctrico de bombeo. 7
Ecuación 9 Resistencia eléctrica para un circuito resistivo simple. 10
Ecuación 10 Eficiencia de un motor DC operando como motor y como generador. 10
1
1 Introducción
En el más reciente reporte del IPCC [1] de las Naciones Unidas se afirma que un incremento de 1.5°C en la temperatura promedio global implicaría enormes beneficios en comparación con el límite de 2°C del acuerdo de París. No obstante, dicho objetivo requiere de un cambio drástico en el funcionamiento de la sociedad, modificando la manera en que se genera la energía, se disponen los desechos y se produce alimento. Dicho reporte señala también que la tecnología de la que se dispone actualmente tiene la capacidad de materializar este objetivo; siempre y cuando la reacción sea inmediata.
En este orden de ideas, es de vital importancia el estudio y la implementación de sistemas de generación de energía basados en fuentes renovables, que contribuyan a la suplencia energética del vacío que los combustibles fósiles pronto dejarán. Es por ello que el presente documento propone desarrollar un sistema de generación de energía hidráulica utilizando un conjunto motor-bomba centrífuga.
Un sistema de bombeo por bomba centrífuga consta de un motor, y una bomba. El motor, en este caso eléctrico, recibe energía eléctrica y la transforma en energía mecánica al hacer rotar un eje. Dicho eje se acopla al elemento principal de la bomba: el rotor. El agua entra a la bomba por la abertura frontal para encontrarse con el rotor girando, el cual impulsa el agua hacia la carcasa que guiará el fluido hacia la abertura de salida. Este proceso eleva la presión de la sustancia y permite enviarla a sitios alejados como un tanque de agua elevado o casas aledañas.
Figura. 1 Esquemático del funcionamiento de una bomba centrífuga [2]
Es interesante ver entonces que, si entrara un caudal de agua a presión lateralmente a la bomba, este haría girar el rotor, que acoplado al eje del motor generaría energía eléctrica
2
para ser usada en cualquier dispositivo disponible. Esta operación de bombeo inversa es llamada bomba como turbina (Pump as Turbine).
Es importante aclarar que un sistema de bombeo operando como turbina presentará pérdidas de energía, puesto que elementos como el rotor tienen una geometría diseñada especialmente para bombeo. Dicho esto, para el primer semestre del 2019 se buscará modificar el sistema instalado de tal forma que se pueda encontrar un equilibrio óptimo entre bombeo y generación para que al ser instalado se puedan cumplir las dos funciones sin mayores cambios en la configuración.
3
2 Objetivos del proyecto
2.1 Objetivo general
Articular el sistema conformado por una bomba centrífuga y un motor eléctrico de imanes permanentes presente en la Universidad de Los Andes, de tal forma que presente un funcionamiento eficaz como sistema de bombeo y como turbina de reacción.
2.2 Objetivos específicos
• Realizar la caracterización del banco de pruebas con la unidad de potencia Windstream #443902 instalada actualmente, en funcionamiento como motor.
• Analizar la aptitud de la unidad de potencia Windstream #443902 para ser usada como generador y como motor para el sistema del banco de pruebas.
• Realizar las modificaciones pertinentes al banco de pruebas y al sistema motor-bomba para lograr una conmutabilidad eficaz.
4
3 Marco teórico
3.1 Mecánica de fluidos
3.1.1 Ecuación de Bernoulli [3]
Uno de los principios básicos más usados para el cómputo de las relaciones entre presión, velocidad y altura de un fluido en estado estable es la ecuación propuesta por Daniel Bernoulli en 1798.
𝑝𝑝1 +12𝑝𝑝1𝑉𝑉12 + 𝜌𝜌𝜌𝜌𝑍𝑍1 = 𝑝𝑝2 +
12𝑝𝑝2𝑉𝑉22 + 𝜌𝜌𝜌𝜌𝑍𝑍2 = 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶
Ecuación 1 Relación de Bernoulli [3].
Donde p es la presión del fluido en movimiento, V es la velocidad del fluido, Z su altura y 𝜌𝜌 su densidad, en el momento 1 y momento 2.
El principio de Bernoulli afirma que para un fluido que cumpla las condiciones detalladas a continuación, la suma de su energía potencial, cinética y de flujo se mantendrá constante.
Figura. 2 Esquemático del principio de Bernoulli [4].
Esta relación puede ser utilizada únicamente cuando se cumplan las siguientes condiciones:
- Flujo en estado estable
- Fluido incompresible
- Fricción despreciable
- Flujo a través de la misma corriente
5
3.2 Bombas centrífugas
Una de las aplicaciones más comunes de la mecánica de fluidos es el diseño y desarrollo de Turbomaquinaria. Este término se refiere a las máquinas que agregan o extraen energía de un fluido mediante un eje rotante [3]. Las máquinas que extraen energía del fluido son llamadas turbinas, y las que agregan energía a él son llamadas bombas.
Paralelamente, existen bombas de desplazamiento positivo, los cuales son dispositivos que introducen energía en un fluido, pero como su mecanismo no está basado en un eje rotante, no hacen parte de las turbomáquinas.
Dado que el presente proyecto se desarrollará en torno al desempeño de la Turbomaquinaria tanto de bombas como de turbinas, a continuación, se detallarán los principios básicos de su funcionamiento.
3.2.1 Triángulo de velocidades
En la Figura. 3 se ilustra el diagrama idealizado de velocidades del fluido al atravesar un rotor en movimiento. El fluido se asume entrando al rotor con una velocidad w1 en r=r1, y saliendo de este con una velocidad w2 en r=r2. Dichas velocidades son separadas en su componente tangencial y radial. [3]
Figura. 3 Diagrama de velocidades a la entrada y salida del rotor de una bomba centrífuga [3].
Conociendo la geometría del rotor, es decir sus radios interno y externo y los ángulos de entrada y salida de cada álabe, además de su velocidad de rotación, es posible calcular los indicadores de desempeño de la bomba centrífuga.
6
𝑃𝑃 = 𝜔𝜔𝜔𝜔 = 𝜌𝜌𝜌𝜌(𝑢𝑢2𝑉𝑉𝑡𝑡2 − 𝑢𝑢1𝑉𝑉𝑡𝑡1)
Ecuación 2 Ecuaciones de Turbomaquinaria de Euler. [3]
3.2.2 Números adimensionales
Analizando el funcionamiento de una bomba rotodinámica, se observa que las dimensiones y su expresión en unidades de longitud L, tiempo T y masa M son: [5]
Tabla 1 Dimensiones y unidades que actúan sobre una bomba rotodinámica [5].
Dimensión Símbolo Unidades Energía por unidad de masa gH L2/T2
Caudal Q L3/T Potencia mecánica W ML2/T3 Velocidad angular n 1/T
Diámetro nominal del impulsor D L Densidad del fluido bombeado ρ M/L3
Viscosidad cinemática del fluido υ L2/T
Con esta información es posible hacer un análisis adimensional para encontrar cuatro grupos adimensionales:
𝜋𝜋1 = 𝑄𝑄𝑛𝑛𝐷𝐷3
𝜋𝜋2 = 𝑔𝑔𝑔𝑔𝑛𝑛2𝐷𝐷2
𝝅𝝅𝟑𝟑 = 𝑾𝑾𝝆𝝆𝒏𝒏𝟑𝟑𝑫𝑫𝟓𝟓
𝜋𝜋4 = 𝑅𝑅𝑅𝑅 = 𝜈𝜈𝑛𝑛𝐷𝐷2
Ecuación 3. Números adimensionales para una bomba rotodinámica [5].
Los números adimensionales ilustrados en la Ecuación 3 son ampliamente usados en el análisis del desempeño de bombas rotodinámicas. El número 𝜋𝜋1 se conoce como número adimensional de capacidad, 𝜋𝜋2 se conoce como número adimensional de cabeza y 𝜋𝜋3 como número adimensional de potencia [3]. Nótese que el cuarto número adimensional resultante es el número de Reynolds, ampliamente usado en el análisis de turbulencia en fluidos en movimiento.
3.2.3 Operación
Una bomba centrífuga introduce energía a un fluido que pasa a través de su rotor. Dicha energía se manifiesta en forma de una diferencia de presión antes y después de entrar a la voluta. Esta es usualmente expresada como cabeza de presión, medida en metros (Ecuación 4).
7
𝐻𝐻 =𝑃𝑃2 − 𝑃𝑃1𝜌𝜌𝜌𝜌
Ecuación 4 Cálculo de la cabeza de presión.
La potencia hidráulica es entonces la energía introducida por la bomba al fluido por unidad de tiempo y se calcula de la siguiente manera:
𝑃𝑃𝑔𝑔𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻 = 𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝐻𝐻
Ecuación 5 Cálculo de la potencia hidráulica.
Por otra parte, una bomba centrifuga recibe potencia mecánica a través de un eje rotante (Ecuación 6), por lo cual su eficiencia será calculada como la relación entre la potencia hidráulica entregada y la potencia mecánica recibida (Ecuación 7)
𝑃𝑃𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀 = 𝜔𝜔𝜔𝜔
Ecuación 6 Cálculo de la potencia mecánica.
𝜂𝜂𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 =𝑃𝑃ℎ𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝑃𝑃𝑏𝑏𝑀𝑀𝑀𝑀
Ecuación 7 Eficiencia de una bomba centrífuga.
Finalmente, una electrobomba o sistema eléctrico de bombeo recibe potencia eléctrica en un motor eléctrico que luego moverá la bomba centrífuga encargada de elevar la cabeza de presión de un fluido. La eficiencia global de un sistema como este se calcula de la siguiente manera:
𝜂𝜂𝑆𝑆𝐻𝐻𝑆𝑆𝑡𝑡 =𝑃𝑃ℎ𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝐻𝑃𝑃𝐸𝐸𝐸𝐸𝑀𝑀
Ecuación 8 Eficiencia de un sistema eléctrico de bombeo.
3.2.4 Caracterización
Comercialmente, las variables más representativas de la operación de una bomba centrífuga son su cabeza y su caudal. Aunque son comercializadas con un valor nominal de cabeza y caudal nominales, este corresponde únicamente a un punto de operación cercano al de mayor eficiencia.
Para un análisis más detallado de la operación de una bomba centrífuga, es común remitirse a su curva de desempeño (Figura. 4). En ella es posible detallar la cabeza de presión entregada en función del caudal que fluye a través de su voluta, a partir de lo cual
8
es posible realizar la selección del equipo según los requerimientos del caso. Es importante aclarar que estas curvas de desempeño son reportadas como normalizadas a una velocidad angular fija. En el presente proyecto se presentarán las curvas de desempeño netamente experimentales.
Figura. 4 Ejemplo de curva de desempeño de una bomba centrífuga.
Paralelamente, dos curvas características usadas para el análisis del desempeño de Turbomaquinaria son la curva de potencia en el eje y la curva de eficiencia. En la Figura. 5 se observa que el punto de mejor operación (PMO) se encuentra aproximadamente en el 60% del caudal máximo [3], mientras en los caudales máximo y mínimo la eficiencia es prácticamente nula. Nótese también el incremento constante de la potencia en el eje, independiente de las demás curvas.
Figura. 5 Curvas características del desempeño de turbomaquinaria. [3]
0
1
2
3
4
5
6
7
0 5 10 15 20
Cabe
za (m
)
Caudal (m3/h)
Cabeza Vs Caudal
9
3.3 Bombas centrífugas operando como turbinas
Como se indicó en la Introducción, al operar un sistema de bombeo como bomba centrífuga, el flujo de líquido a través de la voluta cambiará su dirección, ingresando por la abertura de expulsión y saliendo por la abertura de admisión. En este caso el rotor de la bomba centrífuga girará en el sentido contrario al diseñado y se presentará una disminución de la cabeza de presión en el fluido.
El principio del triángulo de velocidades y los números adimensionales calculados en la sección 3.2 Bombas centrífugas se mantiene vigente. No obstante, la curva característica de una bomba centrífuga es reportada tal como se muestra en la Figura. 6, donde el rango negativo de caudal muestra el comportamiento del dispositivo como turbina, y el rango positivo muestra el comportamiento como bomba.
Figura. 6 Ejemplo de curva característica de una bomba centrífuga en operación conmutable.
Nótese que en la anterior Figura la cabeza de presión del fluido en el rango de generación alcanza hasta dos veces el orden de magnitud de la cabeza de bombeo, decreciendo hasta el punto de inflexión de la curva.
3.4 Motores DC de imanes permanentes
Un motor DC de imanes permanentes se define como un dispositivo que convierte energía eléctrica en energía mecánica por medio de la interacción de los campos magnéticos de los imanes permanentes de su estator y los campos electromagnéticos generados por el embobinado de su rotor. Cuando el motor DC es conectado al circuito de su fuente de
0
2
4
6
8
10
12
14
-25 -15 -5 5 15
Cabe
za (m
)
Caudal (m3/h)
Cabeza Vs. Caudal
10
poder, este puede ser considerado una resistencia eléctrica simple, como se muestra a continuación.
𝑉𝑉 = 𝐼𝐼𝑅𝑅 𝑃𝑃 = 𝑉𝑉𝐼𝐼
𝑅𝑅 =𝑉𝑉2
𝑃𝑃
Ecuación 9 Resistencia eléctrica para un circuito resistivo simple.
Las pérdidas presentes en una máquina DC se dividen en cinco categorías [6]:
1. Perdidas eléctricas o perdidas en el cobre (perdidas I2R).
2. Perdidas en las escobillas.
3. Perdidas en el núcleo.
4. Perdidas mecánicas.
5. Perdidas dispersas o misceláneas.
Ahora bien, así como en su funcionamiento usual este dispositivo es capaz de convertir potencia eléctrica potencia motriz, este también puede tener una operación inversa en la cual transforma potencia motriz en potencia eléctrica; en este caso el dispositivo dejaría de ser llamado motor para ser llamado generador.
𝜂𝜂 = 𝑃𝑃𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑃𝑃𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆
𝜂𝜂𝑀𝑀𝑏𝑏𝑡𝑡𝑏𝑏𝐻𝐻 = 𝑃𝑃𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑃𝑃𝐸𝐸𝑆𝑆𝑀𝑀
𝜂𝜂𝐺𝐺𝑀𝑀𝑛𝑛 = 𝑃𝑃𝐸𝐸𝑆𝑆𝑀𝑀𝑃𝑃𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀
Ecuación 10 Eficiencia de un motor DC operando como motor y como generador.
En el caso del presente proyecto, dado que el dispositivo tendrá operación como motor y como generador, se referirá a este como unidad de potencia. Nótese que la unidad de potencia Windstream #443902 utilizada en el presente proyecto fue fabricada para operar como generador de energía.
11
4 Equipos e instrumentación
4.1 Equipos instalados en el banco de pruebas
Los equipos usados en el banco de pruebas se detallan en la tabla a continuación:
Tabla 2 Equipos usados en el banco de pruebas.
Equipo Referencia Datasheet Bomba alimentación SIHI ZLND 40-200 [7]
Bomba/Turbina Pedrollo HFm5B [8] Fuente DC Kepco SM 325 - 2 Nivel láser Bosch GLL 2 [9]
Unidad de potencia Windstream #443902 [10]
4.2 Instrumentos de medición utilizados
A continuación, se encuentra la lista detallada de los instrumentos de medición utilizados.
Tabla 3 Instrumentos de medición usados.
Instrumento Marca Referencia Rango Resolución Caudal Katronic KATflow 200 0.01-25 m/s 0.25 mm/s
Multímetro (tensión) Fluke [11] 117 0-600 V 0.05 V Multímetro (corriente) Fluke [12] 115 0 – 6 A 0.001 A
Tacómetro óptico TachIR [13] RPM 10 0.5 - 20000 rpm 1 rpm Manómetro Wika 316 SS 0 – 60 psi 1 psi
Torque Omega [14] TQ 501-100 11.3 Nm 0.01 Nm Manómetro precisión Wika [15] CPG 1500 0-150000 psi 0.01 psi
Fuente DC UNI-T UTP3702S 0 – 28 V 0.1 V Fuente DC Kepco ATE 55 10M 0 – 54 V 1 V Fuente DC Kepco SM 325 - 2 0 – 200 V 2 V1
1 Dada la antigüedad del equipo, su voltaje y corriente de salida fueron medidos mediante multímetros.
12
5 Trabajo previo en el tema
Algunos de los autores de los trabajos previos realizados en la Universidad de Los Andes, concernientes al desarrollo del presente proyecto son:
5.1 Juan Sebastián Ochoa
Durante el año 2012, Juan Sebastián Ochoa [16] inició el desarrollo del banco de pruebas para el desarrollo del sistema de generación de energía mediante una bomba centrífuga en la Universidad de Los Andes.
En dicho proyecto se realizó el diseño del banco de pruebas y la selección de una bomba centrífuga adecuada para la generación de energía. En consecuencia, se adquirió la bomba Pedrollo HFm5B. Esta se caracterizó en su operación como bomba y como turbina, alimentada por una bomba Pedrollo HF20A.
Consiguientemente, para su tesis de grado de maestría, Juan Sebastián Ochoa [7] diseñó en el 2013 lo que sería la primera versión del sistema; seleccionando, adquiriendo e instalando el banco de pruebas con el generador y el banco de baterías. Ochoa realizó la selección del generador Windstream 44902 basado en los requerimientos de velocidad angular, potencia entregada y torque entregado. Las características del motor indicadas por el fabricante son [10]:
Velocidad angular: 0-3000 rpm
Tensión de salida: 12, 24, 36, 48, 60, 90 o 120 V según carga y velocidad
Corriente de salida: 7.5, 8, 10 o 15 A según tiempo de operación.
Adicionalmente seleccionó y realizó la primera caracterización de la bomba de alimentación SIHI 40-200, la bomba con su rotor original en operación como turbina y el generador instalado, encontrando el punto de mejor operación en las condiciones iniciales.
13
Figura. 7 Voltaje libre del generador Windstream. [7]
Figura. 8 Voltaje efectivo generado con resistencias fijas para el generador. [7]
14
Figura. 9 Corriente generada con resistencias fijas para el generador. [7]
Figura. 10 Potencia eléctrica desarrollada con resistencias fijas para el generador. [7]
15
Figura. 11 Eficiencia del generador con resistencias fijas. [7]
5.2 Andrea Rodríguez Mier
Para su proyecto de grado "Mejoramiento de la eficiencia de una bomba operando como turbina" [17], Andrea Rodríguez Mier realizó una serie de ajustes al banco de pruebas, instalando elementos de medición de torque y potencia eléctrica, realizando mantenimiento correctivo al banco de pruebas. De igual forma, realizó la caracterización del generador Windstream para encontrar el punto óptimo entre resistencia, caudal y eficiencia, encontrando los siguientes resultados:
Figura. 12 Variación de la eficiencia en términos del caudal y la resistencia. [17]
Conociendo entonces la operación del sistema, realizó la caracterización de tres rotores diferentes en la turbina, variando la resistencia equivalente a la salida del generador para hallar el punto de mejor operación y seleccionar el rotor más eficiente en la operación como turbina.
16
5.3 Hiefer Daniel Martínez
El desarrollo más reciente del banco de pruebas fue realizado por Hiefer Daniel Martínez en su proyecto de grado [18], en el cual realizó el diseño y caracterización de una serie de rotores con modificaciones adicionales a las realizadas por Andrea Rodríguez, buscando un mejor desempeño de generación de energía y evaluando el desempeño de la turbina con diferentes generadores.
Figura. 13 Torque Vs Velocidad angular para el generador Dayton. [18]
Figura. 14 Eficiencia Vs. Velocidad angular para el generador Dayton. [18]
17
Figura. 15 Potencia mecánica Vs. Torque para el generador Dayton. [18]
18
6 Ejecución
6.1 Empalme y mantenimiento
6.1.1 Mantenimiento inicial y ajuste del banco de pruebas
Gracias al reciente trabajo realizado por Daniel Martínez en su proyecto de grado, el banco de pruebas se encontraba en un estado funcional adecuado, por lo cual no fue necesario ejecutar un mantenimiento correctivo. No obstante, todas las piezas del sistema fueron inspeccionadas para verificar su funcionalidad.
Tal como se observa en la Figura. 16, aunque el banco de pruebas se encontraba adecuado para ser caracterizado como turbina, este tuvo que ser modificado para permitir su caracterización como sistema de bombeo. Para ello fue necesario ensamblar una nueva sección vertical a la salida de la voluta de la bomba, puesto que se requería de una válvula de compuerta capaz de regular su caudal de salida.
Figura. 16 Fotografía del estado inicial del banco de pruebas. El contorno indica la sección de tubería modificada.
Por otra parte, se instaló una sección de tubería que enviase el agua bombeada de nuevo al tanque de almacenamiento, sin que pasase por la bomba de alimentación. Estas dos nuevas secciones fueron unidas por una unión universal, y mediante una unión roscada a la voluta de la bomba HFm5b, tal como se ilustra en la Figura. 17.
19
Figura. 17 Banco de pruebas adecuado para caracterización como sistema de bombeo.
6.1.2 Verificación de instrumentos
Idealmente, para asegurar una confiabilidad adecuada de los resultados del proyecto, se debe realizar una calibración de los instrumentos de medición. No obstante, dicho procedimiento debe ser ejecutado por personal calificado y autorizado por la compañía fabricante, lo cual implica altos costos y tiempos de envíos internacionales. Es por ello que se resolvió realizar una verificación experimental de manómetros y torquímetros dentro de los laboratorios de la universidad, lo cual permitía una confiabilidad conveniente para los objetivos del presente documento.
6.1.2.1 Verificación de manómetros
La verificación de los manómetros se realizó utilizando el manómetro de precisión WIKA CPG1500, cuyo rango de medición se encuentra entre 0 y 150000 psi.
Se verificó entonces cada uno de los cuatro manómetros instalados en el banco de pruebas, identificando cada uno como alta o baja presión para las bombas Pedrollo y SIHI (de alimentación). En la Tabla 4 se muestra el escalonamiento de medición de presión para cada ciclo de verificación.
20
Tabla 4 Orden de verificación de manómetros.
Manómetro Rango (psi)
Escalonamiento Ciclo 1 (psi)
Escalonamiento Ciclo 2 (psi)
Escalonamiento Ciclo 3 (psi)
Pedrollo alta P. 0 - 60 10 5 2 Pedrollo baja P. 0 – 15 3 2 1
SIHI alta P. 0 - 30 6 5 2 SIHI baja P. 0 - 60 10 5 2
La curva de verificación para los cuatro manómetros se muestra a continuación. Cabe resaltar se encontró que la pendiente y el desfase de cada una de las curvas de calibración tienen valores cercanos a 1 y a 0, respectivamente; lo cual implica un error suficientemente menor a la resolución de los instrumentos.
Figura. 18 Curva de verificación manómetro de alta presión
para la bomba Pedrollo
Figura. 19 Curva de verificación manómetro de baja presión para la bomba Pedrollo.
y = 0,9679x + 0,2643
0
10
20
30
40
50
60
0 10 20 30 40 50 60
Med
ició
n an
álog
a (p
si)
Medición digital (psi)
Ciclo 1 Ciclo 2 Ciclo 3
y = 0,9809x - 0,2004
-1
1
3
5
7
9
11
13
15
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Med
ició
n an
álog
a (p
si)
Medición digital (psi)
Ciclo 1 Ciclo 2 Ciclo 3
21
Figura. 20 Curva de verificación del manómetro de alta presión para la bomba SIHI (de alimentación).
Figura. 21 Curva de verificación del manómetro de baja presión de la bomba SIHI (de
alimentación).
6.1.2.2 Verificación de torquímetro
Paralelamente a los manómetros, se ejecutó una verificación del torquímetro TQ501-100. Dicha verificación se realizó anclando el dispositivo a una mesa de trabajo del laboratorio, bloqueando el extremo pasivo del eje y aplicando momento estático al extremo activo a través de un brazo metálico diseñado por Juan Camilo Castaño (Figura. 22).
y = 0,98x + 0,1571
0
10
20
30
40
50
60
0 10 20 30 40 50 60
Med
ició
n di
gita
l (ps
i)
Medición digital (psi)
Ciclo 1 Ciclo 2 Ciclo 3
y = x + 0,0667
0
5
10
15
20
25
30
35
0 5 10 15 20 25 30
Med
ició
n an
álog
a (p
si)
Medición digital (psi)
Ciclo 1 Ciclo 2 Ciclo 3
22
Figura. 22 Montaje de verificación del torquímetro.
La verificación del instrumento se ejecutó acorde a la guía de calibración de máquinas de ensayo uniaxiales del Instituto Nacional de Metrología [19]. Utilizando el modelo CAD del brazo metálico, creado por Daniel Martínez [18], se localizó el centroide y el radio de torque ejercido por el apoyo de las masas. Seguidamente, se estableció un escalonamiento de siete cargas con aumentos de aproximadamente 2.5 Nm, abarcando todo el rango nominal del torquímetro, desde cero hasta 13 Nm, completando cinco ciclos de cargas; esto se realizó una vez ejerciendo torque positivo, y una vez ejerciendo torque negativo.
Figura. 23 Curva de verificación del torquímetro TQ501-100.
y = -0,3395x - 1,0346
-15
-10
-5
0
5
10
15
-45 -30 -15 0 15 30 45
Tens
ión
de sa
lida
(mV)
Torque (Nm)
Ciclo 1 Ciclo 2 Ciclo 3 Ciclo 4 Ciclo 5
23
Los resultados encontrados en la verificación se ilustran en la Figura. 23. La ecuación de la curva de verificación fue utilizada durante todo el desarrollo del presente proyecto para el cálculo del torque ejercido y recibido por el motor.
6.1.3 Alineación de ejes
En un sistema de transmisión de potencia rotacional, una de las principales fuentes de ineficiencia mecánica es la desalineación de ejes. Dicho fenómeno puede presentarse de dos maneras: angular y desfase (Figura. 24). Estas pérdidas de energía pueden ser evidenciadas por la presencia de vibraciones y ruido, generando daños en acoples, apoyos e incluso maquinaria.
Figura. 24 Tipos de desalineación de ejes. [20]
Lamentablemente, los laboratorios de la universidad no cuentan con equipos de precisión para alineación de ejes, por consiguiente, para cada configuración del banco de pruebas se ajustó la alineación por desfase utilizando el nivel láser para construcción que se muestra en la Figura. 25. Para ello, dicho instrumento fue montado sobre un trípode frente al banco de pruebas, y su línea laser fue alineada con el centro del banco y el centro de la voluta del rotor, para que así tanto el torquímetro como el generador se encontrasen en línea con los demás dispositivos.
24
Figura. 25 Alineación de ejes utilizando nivel láser.
6.2 Caracterización del equipo Windstream como motor
Se realizó la caracterización de la unidad de potencia Windstream #443902 en su operación como fuente motriz del sistema de bombeo, utilizando la voluta y el rotor originales de la bomba Pedrollo HFm5b.
Ahora bien, según los documentos presentados por Rodríguez [17] y Martínez [18], el uso del torquímetro en las caracterizaciones el banco de pruebas tiene como implicación un decremento en la eficiencia global del sistema; no obstante, su uso es necesario para la medición de la potencia mecánica entregada por el generador y recibida por el rotor de la bomba. En consecuencia, se efectuaron dos caracterizaciones del banco de pruebas: una con torquímetro para el cálculo del desempeño del motor, y otra sin torquímetro para el cálculo del desempeño global del sistema.
Sumado a esto, dichas mediciones se efectuaron utilizando una fuente de corriente directa en la cual se varió el voltaje de alimentación del motor para conocer su comportamiento en dichas condiciones, con miras a una futura aplicación con baterías de diferentes capacidades. Se realizó entonces la caracterización del dispositivo como motor alimentado por 54, 80, 90 y 110 V en corriente directa.
25
6.2.1 Caracterización con torquímetro
La caracterización del equipo Windstream #443902 se efectuó fijando la fuente de potencia Kepco SM 325-2 en los voltajes anteriormente mencionados, mientras la válvula de expulsión era abierta gradualmente. Se realizaron 17 mediciones para cada voltaje, a excepción del ciclo de 110V, el cual tuvo 10 mediciones para prevenir daños en la fuente de potencia, dada su antigüedad y capacidad. Los resultados obtenidos se muestran en las figuras a continuación.
Figura. 26 Velocidad angular en función del torque para el generador Windstream en operación como motor.
Figura. 27 Potencia mecánica en función del torque para el generador Windstream operando como motor.
900
1400
1900
2400
0,20 0,40 0,60 0,80 1,00
Velo
cida
d an
gula
r (rp
m)
Torque (Nm)
Velocidad angular Vs. Torque54V 80V 90V 110V PMO
0
50
100
150
200
250
300
0,20 0,40 0,60 0,80 1,00
Pote
ncia
Mec
áica
(W)
Torque (Nm)
Potencia mecánica Vs Torque54V 80V 90V 110V PMO
26
Figura. 28 Eficiencia del generador Windstream en función de torque, en operación como motor.
Para un mejor análisis del comportamiento de la bomba, y con el propósito de una comparación con otras condiciones, se muestra el comportamiento de la cabeza en función del caudal en la Figura. 29.
Figura. 29 Cabeza en función del caudal para la bomba Pedrollo operada por el generador Windstream, con torquímetro. No normalizada.
6.2.2 Caracterización sin torquímetro
Paralelamente, se efectuó de nuevo la caracterización del sistema motor bomba operado por el equipo Windstream como motor. Nótese que en este caso no es posible conocer el desempeño del motor como elemento aislado, puesto que para ello es necesaria la medición del torque ejercido.
30%
40%
50%
60%
70%
0,20 0,40 0,60 0,80 1,00
Efic
ienc
ia
Torque (Nm)
Eficiencia Vs Torque54V 80V 90V 110V PMO
0
2
4
6
8
0 3 6 9 12 15 18
Cabe
za (m
)
Caudal (m3/h)
Cabeza Vs Caudal54V 80V 90V 110V PMO
27
Las curvas de desempeño del sistema de bombeo se muestran a continuación.
Figura. 30 Cabeza en función del caudal para la bomba Pedrollo accionada por el generador Windstream, sin torquímetro. No normalizada.,
Figura. 31 Velocidad angular en función del caudal para el sistema motor bomba, sin torquímetro.
0
2
4
6
8
0 5 10 15 20
Cabe
za (m
)
Caudal (m3/h)
Cabeza Vs Caudal54V 80V 90V 110 V PMO
500
1000
1500
2000
2500
0 5 10 15 20
Velo
cida
d an
gula
r (rp
m)
Caudal (m3/h)
Velocidad angular Vs. Caudal54V 80V 90V 110 V PMO
28
Figura. 32 Potencia hidráulica en función del caudal para la bomba operada por el generador Windstream.
Figura. 33 Eficiencia del sistema motor-bomba operado por el generador Windstream.
6.2.3 Análisis del desempeño en condición de motor
Tal como se mencionó anteriormente, la implementación del torquímetro afecta directamente la eficiencia del sistema, disminuyéndola. En la Figura. 34 se observa claramente la disminución de la cabeza de presión entregada por la bomba en función del caudal, lo cual se ve reflejado en la Tabla 5, donde en el punto de mejor operación la eficiencia global del sistema decrece en un 26.32%.
0
30
60
90
120
150
180
0 5 10 15 20
Pote
ncia
(W)
Caudal (m3/h)
Potencia hidráulica Vs Caudal54V 80V 90V 110 V PMO
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
0 5 10 15 20
Efic
ienc
ia
Caudal (m3/h)
Eficiencia global Vs Caudal54V 80V 90V 110 V PMO
29
Figura. 34 Cabeza en función del caudal para la unidad de potencia Windstream, sin torquímetro. No normalizada.,
Con base en los puntos de operación reportados por Ochoa [7] es pertinente señalar que el dispositivo Windstream #443902 no presenta un desempeño comparable con el motor monofásico original de la bomba Pedrollo [8]. Esto puede ser confirmado al ver una eficiencia mucho menor a la medida por Ochoa. De igual manera se evidencia un decremento en los rangos de caudal y cabeza de la bomba centrífuga, dada la baja potencia de esta unidad de potencia instalada.
Tabla 5 Comparación del PMO del banco de pruebas, con y sin torquímetro a 110V.
Caracterización Con torquímetro
Caracterización Sin torquímetro
Caracterización original [7]
Eficiencia global (%) 35.72 47.68 74 Eficiencia bomba (%) 55.38 - - Eficiencia motor (%) 64.50 - -
Cabeza (m) 3.86 4.22 12.82 Caudal (m3/h) 12.95 13.58 18.5
Vel. Angular (rpm) 2194 2249 3450 Pot. Hidráulica (W) 135.95 155.77 - Pot. Mecánica (W) 245.50 - - Pot. Eléctrica (W) 380.60 326.70 -
012345678
0 5 10 15 20
Cabe
za (m
)
Caudal (m3/h)
Cabeza Vs Caudal110 V Torquímetro 110 V Libre PMO Libre PMO Torquímetro
30
6.3 Caracterización del equipo Windstream como generador
6.3.1 Determinación de la carga resistiva óptima
Para llevar a cabo la caracterización del generador Windstream #443902 es necesaria la implementación de una carga resistiva al sistema. Para ello es necesario primero determinar el valor de dicha carga que aumente en mayor manera la eficiencia de desempeño del generador.
Se comenzó entonces realizando las caracterizaciones del sistema utilizando únicamente uno o dos bombillos incandescentes idénticos de cada potencia como carga resistiva, determinando además su resistencia unitaria con el fin de realizar combinaciones en paralelo para abarcar un mayor rango de cargas resistivas.
Dado que la resistencia eléctrica de elementos como los bombillos incandescentes varía según el voltaje y la temperatura del mismo, se calculó su resistencia utilizando la Ecuación 9, utilizando la potencia nominal del arreglo y el voltaje instantáneo medido. Los resultados encontrados para cada uno de los bombillos se ilustran en la Tabla 6.
Tabla 6 Resistencia encontrada para cada bombillo según su potencia. Potencia
bombillo (W) Resistencia por bombillo (Ω)
200 37,9 150 53,8 100 72,7 60 36,0 25 313,1
Conociendo entonces la resistencia eléctrica de cada bombillo, se procedió a realizar la caracterización del generador para los arreglos indicados en la Tabla 7.
Adicionalmente, en la Figura. 35 se ilustra la curva de eficiencia del generador para 5 de las cargas resistivas más representativas experimentadas. Cabe resaltar que dichas caracterizaciones presentan una leve tendencia a incrementar la eficiencia con resistencias bajas, no obstante, la eficiencia máxima se presentó con una carga de 17.9 Ω.
31
Tabla 7 Arreglos de resistencias utilizados en la caracterización. Cantidad de bombillas Potencia
arreglo (W) Resistencia
equivalente (Ω) Eficiencia
máxima (%) 200W 150W 100W 60W 25W Arreglo 1 3 450 17,9 60,5% Arreglo 2 3 300 24,2 44,8% Arreglo 3 2 120 18,0 14,1% Arreglo 4 1 200 37,9 38,2% Arreglo 5 1 25 313,1 7,7% Arreglo 6 1 3 330 9,8 53,5% Arreglo 7 1 1 1 1 510 11,6 49,8% Arreglo 8 1 1 160 24,1 29,2% Arreglo 9 1 1 175 45,9 33,5%
Figura. 35 Eficiencia del generador en función del caudal para cada carga resistiva instalada.
El arreglo de resistencias seleccionado fue el Arreglo 1, con 3 bombillas de 150 W cada una, lo cual representó una resistencia de 17.9 Ω. Con base en la eficiencia medida del 60.4 %, se procedió a efectuar la caracterización del generador con la bomba operando como turbina.
6.3.2 Caracterización del equipo
Una vez conocida la carga resistiva óptima del sistema, se procedió a realizar una caracterización completa de la unidad de potencia Windstream. Los resultados en función del torque recibido se
60,4%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
1000 1300 1600 1900 2200 2500 2800 3100
Efic
ienc
ia
Velocidad angular (rpm)
Eficiencia Vs Velocidad angular17,930 18,00 32,64 47,74 313,09
32
Figura. 36 Velocidad angular en función del torque para la unidad de potencia Windstream como generador.
Figura. 37 Potencia generada en función del torque para la unidad de potencia Windstream como generador
1000
1500
2000
2500
3000
2,20 2,25 2,30 2,35 2,40 2,45 2,50 2,55 2,60
Velo
cida
d an
gula
r (rp
m)
Torque (Nm)
Velocidad angular Vs. Torque
100
150
200
250
300
350
400
2,20 2,25 2,30 2,35 2,40 2,45 2,50 2,55 2,60
Pote
ncia
(W)
Torque (Nm)
Potencia generada Vs Torque
33
Figura. 38 Eficiencia en función del torque para la unidad de potencia Windstream como generador
Figura. 39 Cabeza en función del caudal para el sistema bomba-turbina operando como turbina. No normalizada.
6.3.3 Análisis del desempeño en condición de generador
En la Tabla 8 se observan los indicadores de desempeño de la unidad de potencia Windstream en condición de generador, comparado con el generador Dayton caracterizado por Martínez y la unidad de potencia Pedrollo original, caracterizada por Ochoa.
Pese a que la eficiencia global del sistema con la unidad Windstream no fue la mayor, la cabeza y el caudal entregados en el punto de mejor operación sí superan los indicadores medidos por las dos condiciones comparadas.
Es importante resaltar también que en la caracterización realizada en el presente proyecto se presentó una energía hidráulica mayor recibida por la turbina, lo cual originó una mayor energía eléctrica generada por el sistema.
30%
35%
40%
45%
50%
55%
60%
2,20 2,25 2,30 2,35 2,40 2,45 2,50 2,55 2,60
Efic
ienc
ia
Torque (Nm)
Eficiencia Vs Torque
6
8
10
12
14
18 19 20 21 22 23 24 25 26
Cabe
za (m
)
Caudal (m3/h)
Cabeza Vs. Caudal
34
Tabla 8 Comparación de las diferentes unidades de potencia usadas en el banco de pruebas.
Windstream
#443902 Dayton
4Z143D [18] Unidad
Original [18] Eficiencia global (%) 48.84 48.70 51.75 Eficiencia turbina (%) 80.77 77.66 80.03
Eficiencia generador (%) 60.46 62.7 64.66 Cabeza (m) 12.65 12.07 10.99
Caudal (m3/h) 25.07 24.32 25.18 Vel. Angular (rpm) 2580 2724 2776 Pot. Hidráulica (W) 862.74 800.54 754.79 Pot. Mecánica (W) 696.87 621.76 604.07 Pot. Eléctrica (W) 421.36 389.87 390.61
6.4 Caracterización en rango completo de Caudal
Sumado a las caracterizaciones detalladas en los capítulos anteriores, y con miras a una futura modificación del banco de pruebas, se efectuó una caracterización del sistema motor-bomba abarcando desde el rango negativo de caudal (generación de energía) hasta el rango positivo (de bombeo). Para esta caracterización fue usado el torquímetro, puesto que se buscó también reportar el desempeño de la unidad de potencia.
Cabe resaltar que durante la generación de energía era común una oscilación de el voltaje medido, lo cual ocasionó los dos puntos anormales en la Figura. 40, la Figura. 41 y la Figura. 42.
Figura. 40 Potencia generada por el sistema bomba-turbina en función del caudal.
0
100
200
300
400
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
Pote
ncia
gen
erad
a (W
)
Caudal (m3/h)
Pot generada Vs Caudal
35
Figura. 41 Eficiencia global del sistema bomba-turbina en función del caudal.
Figura. 42 Eficiencia de la unidad de potencia Windstream para el sistema bomba-turbina.
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
Efic
ienc
iaCaudal (m3/h)
Eficiencia sistema Vs Caudal
0%
20%
40%
60%
80%
100%
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
Efic
ienc
ia
Caudal (m3/h)
Eficiencia Windstream Vs Caudal
36
Figura. 43 Curva de desempeño del sistema bomba-turbina, con torquímetro usando la unidad de potencia Windstream. No normalizada.
6.5 Modificación del banco de pruebas
6.5.1 Diseño de la tubería
Como se observa en la Figura. 44, cada vez que se conmutara el funcionamiento del banco de pruebas, este debía ser reconfigurado en cuanto a su tubería y circuitos eléctricos. Era necesario intercambiar las tuberías montadas para asegurar un retorno adecuado del agua al tanque y las terminales eléctricas del motor debían ser cambiadas de la fuente de potencia a la carga resistiva.
Figura. 44 Tubería inicial del banco de pruebas.
0
2
4
6
8
10
12
14
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
Cabe
za (m
)
Caudal (m3/h)
Cabeza Vs. Caudal
37
Para facilitar la conmutabilidad del sistema del banco de pruebas, se diseñó y construyó una sección nueva que pudiese acoplarse a los instrumentos de este. Esta tubería, en forma de T permitiría un flujo bidireccional: desde la bomba de alimentación hacia la turbina, y desde la bomba hacia el tanque. Se instalaron además dos válvulas de bola que cortan la circulación del fluido hacia las zonas no utilizadas: Una válvula de retorno hacia el tanque, y otra válvula de seguridad entre la T y la bomba de alimentación.
Figura. 45 Sección de tubería diseñada antes de ser instalada.
Adicionalmente, esta nueva sección se diseñó de tal forma que el retorno de agua desde la bomba hacia el tanque estuviese lo más alejado posible del accesorio más cercano, buscando así un flujo más laminar en el punto donde sería ubicado el flujómetro. La tubería instalada se muestra en la Figura. 45 y la Figura. 46.
38
Figura. 46 Tubería construida e instalada en el banco de pruebas.
6.5.2 Diseño de dispositivo conmutador
Una vez adaptada la tubería del banco de pruebas, se procedió a diseñar un circuito eléctrico que permitiese realizar una conmutación de las conexiones eléctricas del generador Windstream, buscando así eliminar el cambio manual de conexiones entre la fuente de poder y la carga resistiva.
Para ello, se decidió construir un circuito relevo. Este se centra en el funcionamiento de un electroimán que cuando es accionado, abre o cierra el circuito implementado o cambia su contacto de una parte móvil de una salida a otra. Dado que el objetivo del circuito es conmutar un circuito entre dos posibles terminales, se eligió el tipo de relevo SPDT, (Un polo, doble tiro, por sus siglas en inglés).
Figura. 47 Esquemático del funcionamiento diferentes tipos de relevos. [21]
La selección del relevo adecuado para el banco de pruebas partió del valor de tensión y corriente utilizados tanto para la alimentación como la generación del generador
39
Windstream, el cual corresponde a 110V DC y 3.5 A, según el desempeño mostrado en los numerales 6.2 y 6.3 del presente documento.
Dado que no fue posible adquirir un relevo de clase SPDT con la capacidad mencionada, se adquirió el dispositivo Omron MY4J (Figura. 48), teniendo en cuenta que este es de tipo DPDT, el cual presenta el mismo funcionamiento duplicado (Figura. 47). El dispositivo MY4J presenta un valor nominal de 120V DC y 3A para las terminales de transmisión, y 12V DC o 120V AC como voltaje de accionamiento [22].
Figura. 48 Muestra del relevo MY4J adquirido inicialmente. [23]
Conociendo entonces el modelo y su hoja de datos, se procedió a la definición del circuito a usar. Se utilizó solamente uno de los dos polos del relevo, con el terminal normalmente cerrado conectado a la fuente de potencia y el normalmente abierto conectado a los bombillos como carga resistiva.
Figura. 49 Esquemático del circuito relevo usado.
40
Al conectarse al sistema, el dispositivo MY4J presentó un funcionamiento correcto con su terminal normalmente cerrado, sin embargo, su accionamiento falló al ser alimentado con 12, 24, 28 y 54 V DC, y al ser conectado a una fuente 120 V AC presentaba accionamiento intermitente, por lo cual se descartó su uso en el banco de pruebas.
En consecuencia, y con la ayuda de Alejandro Barbosa, asistente graduado del departamento de ingeniería eléctrica y electrónica, se seleccionó y adquirió el relevo Relpol R15-2012-23-5110-WTL, el cual requiere de 110V AC para su accionamiento, y tiene capacitad de transmisión de 2500 W [24]. Este relevo presentó un funcionamiento adecuado tanto en las pruebas piloto con diodos LED como en su implementación en el banco de pruebas, por lo cual le fue instalada una toma de corriente tipo americana son su respectivo interruptor, tal como se ilustra en la Figura. 50.
Figura. 50 Relevo implementado en el banco de pruebas como dispositivo conmutador.
6.5.3 Instrucciones para conmutación del sistema
La más reciente versión del sistema debe ser montada usando el relevo anteriormente mostrado, conectando el motor/generador, la fuente de potencia y el banco de cargas resistivas.
El procedimiento para conmutación del sistema se detalla a continuación.
Procedimiento para inicio de operación como bomba
1. El banco de pruebas debe estar configurado para funcionamiento como bomba centrífuga, con las válvulas de admisión y expulsión de la bomba Pedrollo abiertas y la válvula de retorno al tanque abierta.
41
Adicionalmente, en cuanto a la bomba de alimentación, su válvula de admisión debe estar abierta, y sus válvulas de expulsión y seguridad cerradas.
2. El motor/generador del banco de pruebas debe ser conectado al relevo, la carga resistiva y la fuente de voltaje tal como se ilustra en la Figura. 49, no obstante, la fuente de voltaje debe estar inicialmente apagada para comenzar el procedimiento.
3. Conectar la toma de alimentación del relevo asegurándose de que su interruptor se encuentre en OFF¸ y encender la fuente de voltaje. En ese momento, el motor debe comenzar su operación y la bomba centrífuga debe bombear el agua.
Procedimiento para conmutación bomba/turbina
1. Una vez el sistema se encuentre operando como bomba, accionar el interruptor de alimentación del relevo para que este se encuentre en ON, el LED rojo indicará que se encuentra listo para generación de energía. En ese momento el motor detendrá su funcionamiento mientras la fuente de potencia sigue encendida.
2. Cerrar la válvula de retorno al tanque y abrir la válvula de seguridad de la bomba de alimentación.
3. Abrir la válvula de expulsión de la bomba de alimentación, cuidando que esta se encuentre encendida. En ese momento los bombillos incandescentes deben encenderse.
Procedimiento para conmutación turbina/bomba
1. Cerrar la válvula de expulsión de la bomba de alimentación.
2. Cerrar la válvula de seguridad de la bomba de alimentación.
3. Abrir la válvula de retorno.
4. Cerrar el interruptor de alimentación del relevo, asegurándose que este se encuentre en OFF. En ese momento el sistema debe comenzar a funcionar como bomba.
42
Los procedimientos de conmutación pueden ser efectuados múltiples veces, cuidando cumplir todos los pasos mencionados, y sin tener que apagar necesariamente la fuente de potencia o la bomba de alimentación.
6.6 Pruebas del sistema en condición conmutable
6.6.1 Pruebas en operación conmutable
Utilizando el dispositivo conmutador instalado, y siguiendo los procedimientos descritos en la página 40, se realizó una vez más la caracterización del sistema en su rango completo de caudal.
Es importante señalar que durante el final de las caracterizaciones efectuadas en 6.4 se comenzaron a generar ruidos y vibraciones en el banco de pruebas. Este fenómeno comenzó con una vibración pequeña en el banco en el que se ubica el motor, el torquímetro y la bomba, y a medida que la caracterización avanzaba, también lo hacía la vibración. Tal era la agitación del sistema, que este llegó a resonar en el suelo del laboratorio, haciendo que este se sintiese en otros bancos de pruebas.
Es importante resaltar que estas vibraciones no fueron atendidas en gran manera, puesto que se asumió como una cuestión de alineación del sistema y los resultados obtenidos no fueron afectados.
No obstante, durante la caracterización del banco de pruebas usando el dispositivo conmutador las vibraciones no se hicieron presentes; pero sí surgió un ruido constante dentro de la bomba centrífuga. Los resultados de la caracterización y su posterior análisis se mostrarán a continuación.
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Figura. 51 Curva de desempeño del sistema con conmutador. No normalizada.
Figura. 52 Potencia generada por el sistema con conmutador.
0
2
4
6
8
10
12
14
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
Cabe
za (m
)
Caudal (m3/h)
Cabeza Vs. Caudal
050
100150200250300350400
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
Pote
ncia
gen
erad
a (W
)
Caudal (m3/h)
Pot generada Vs Caudal
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Figura. 53 Eficiencia de la unidad de potencia Windstream con conmutador.
Figura. 54 Eficiencia global del banco de pruebas con conmutador.
En las figuras anteriores, para el rango de generación de energía se observa un desempeño muy similar al encontrado en la sección 6.4, los rangos de caudal, cabeza, potencia generada y eficiencias presentan los mismo ordenes de magnitud ilustrados en las Figura. 40 a la Figura. 43.
Sin embargo, para el rango de bombeo de observa un desempeño significativamente bajo del banco de pruebas con respecto a las caracterizaciones de la sección 6.4, se observa una potencia generada de un orden de magnitud menor a 100 W, mientras era se esperaba obtener unos valores cercanos a los 200 W. Esto tuvo repercusiones directas en la cabeza
0%
20%
40%
60%
80%
100%
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
Efic
ienc
iaCaudal (m3/h)
Eficiencia Windstream Vs Caudal
0%
10%
20%
30%
40%
50%
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
Efic
ienc
ia
Caudal (m3/h)
Eficiencia global Vs Caudal
45
y el caudal de bombeo, y se vio reflejado en la eficiencia global del sistema y de la unidad de potencia.
6.6.2 Despiece de la bomba
Teniendo en cuenta el fenómeno de vibraciones y ruidos presente durante esta cara caracterización, se realizó un despiece del sistema de potencia del banco de pruebas, detallando el estado de las piezas de la bomba centrífuga.
Se sospechaba una falla en el sello mecánico de la voluta, en vista de que, al invertir el flujo de energía a través del banco de pruebas, se invertía también la dirección del momento par sobre todos sus componentes, en contravía a su diseño original.
El procedimiento inició desarmando el sistema de potencia del banco de pruebas: retirando la unidad de potencia Windstream y el torquímetro. De esta forma, únicamente la bomba centrífuga se encontraría en el banco de pruebas para ser analizada. Seguidamente, y asegurándose de que la tubería estuviese drenada, se procedió a abrir la voluta de la bomba centrífuga.
Figura. 55 Bomba centrífuga antes y después de ser abierta..
La bomba centrífuga no presentó ninguna señal de daño al ser abierta, no había presencia de elementos extraños dentro de la voluta, presentaba buen sellamiento y ninguna parte
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se encontraba floja. Al retirar la tapa de la bomba, antes de ser desensamblados, se observó un estado entero de los sellos mecánicos y el rotor ().
Figura. 56 Fotografías de la bomba al ser abierta.
Luego de ser abierta la bomba, se procedió a desensamblar la tapa con sus partes móviles. En este paso se tuvo especial cuidado en observar el estado de la tuerca de sujeción del rotor, puesto que este era uno de los principales focos de sospecha del bajo desempeño. Dicha tuerca se encontraba suficientemente ajustada y aunque su roscado se encontraba en buen estado y no permitía vibración alguna en el rotor, su estado de oxidación era considerablemente alto.
Figura. 57 Tuerca de sujeción del rotor retirada.
Al retirar el rotor no surgió ningún inconveniente, su sujeción mediante cuña era bastante ajustada y no permitía vibraciones, igualmente el rotor no presentaba fisuras o señales de cavitación.
47
Figura. 58 Rotor antes y después de ser retirado del eje.
Luego de retirar el rotor del eje se retiró el sello mecánico de la voluta. Dicho elemento no mostraba fisuras significativas o desniveles en su anillo cerámico, pero sí se encontró un desportillamiento en el borde interno del anillo cerámico difícil de apreciar en la Figura. 60. Aunque la falla no se considera representativa, se decidió adquirir un sello mecánico nuevo para reemplazar el retirado.
Figura. 59 Tapa de la voluta antes y después de ser retirada del eje.
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Figura. 60 Cilindro metálico y sello mecánico.
Antes de retirar el rodamiento del eje, se detectó una leve precesión en la tapa de la voluta al ser girada sobre del rodamiento. Dicha inestabilidad no fue fácilmente detectada, sin embargo, se considera suficientemente representativa para afectar el desempeño de la bomba.
Figura. 61 Asiento del rodamiento y rodamiento antes de ser retirado del eje.
Como se observa en la Figura. 62, el anillo interno del rodamiento presenta un desgaste significativo, posiblemente ocasionado por las vibraciones y la precesión señalada anteriormente. Adicionalmente, el rodamiento retirado muestra un juego considerable entre sus dos anillos rotantes, por lo cual se decidió adquirir también un reemplazo para esta pieza.
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Figura. 62 Rodamiento retirado del eje.
Figura. 63 Anillo de goma y eje de la bomba centrífuga.
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7 Conclusiones
• Se ejecutó exitosamente la caracterización de la unidad de potencia Windstream #443902, en la cual se evidenció una eficiencia de generación de 48.41%, con un caudal de 25.11 m3/h y una cabeza de 12.64 m, y una eficiencia de bombeo de 51.73%, con un caudal de 13.58 m3/h y una cabeza de 4.58 m; valores menores a los esperados para la bomba usada, según resultados obtenidos por otros estudiantes.
• Se concluyó que el uso del torquímetro tiene como efecto la disminución de la eficiencia del sistema en aproximadamente un 15.15%.
• Se modificó la tubería del banco de pruebas y se implementó un dispositivo conmutador que permite el cambio del flujo de energía por el sistema, alternando su operación como sistema de bombeo y como turbina hidráulica en tan solo unos pasos.
• Se encontró una operación inusual del banco de pruebas al finalizar el proyecto, y tras confirmar que esto no se debía a las modificaciones realizadas se realizó el despiece de la bomba, identificando el rodamiento de bolas y el sello mecánico como dos posibles pocos de ineficiencia que afectaban el desempeño del sistema.
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8 Recomendaciones
• La principal recomendación dada al siguiente desarrollador del banco de pruebas es la solución del bajo desempeño del sistema encontrado al finalizar el presente proyecto. Se recomienda adquirir e instalar las piezas señaladas anteriormente, y realizar las pruebas necesarias para confirmar la solución del inconveniente encontrado.
• Adicionalmente, se recomienda desarrollar aún más el prototipo funcional del conmutador, asegurando la robustez necesaria para un elemento comercial de ingeniería, previniendo posibles picos de tensión o corriente en el sistema.
• Por otra parte, dada la imposibilidad de la adquisición en el presente proyecto, se recomienda también la instalación y caracterización del banco de pruebas utilizando un motor DC de imanes permanentes sin escobillas como unidad de potencia, puesto que este tipo de dispositivos es altamente usado en situaciones de regeneración de energía cinética.
• La implementación de electroválvulas en la tubería se propone también como una mejora potencial para la automatización del banco de pruebas y una conmutabilidad más efectiva.
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