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IM-2005-I-28 INSTRUMENTACIÓN DE UNA BOMBA DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO PARA DESALINIZACIÓN DE AGUA POR OSMOSIS INVERSA CARLOS JULIAN OSPINA ESPITIA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ, D. C. 2005

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INSTRUMENTACIÓN DE UNA BOMBA DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO PARA DESALINIZACIÓN DE AGUA POR OSMOSIS

INVERSA

CARLOS JULIAN OSPINA ESPITIA

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ, D. C. 2005

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INSTRUMENTACIÓN DE UNA BOMBA DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO PARA DESALINIZACIÓN DE AGUA POR OSMOSIS

INVERSA

CARLOS JULIÁN OSPINA ESPITIA

Proyecto de grado para optar por el titulo de

Ingeniero Mecánico.

Asesor ÁLVARO ENRIQUE PINILLA SEPÚLVEDA, MSc, PhD.

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ, D. C.

2005

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Bogotá D. C Junio 9 de 2005

Doctor

LUIS MARIO MATEUS

Universidad de los Andes

Facultad de Ingeniería

Director de departamento de Ingeniería Mecánica

Ciudad

Reciba un Cordial Saludo.

Presento a usted el informe del proyecto de grado “INSTRUMENTACIÓN DE UNA

BOMBA DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO PARA DESALINIZACIÓN DE

AGUA POR OSMOSIS INVERSA” elaborado por Carlos Julián Ospina Espitia, como

requisito para optar por el titulo de Ingeniero Mecánico.

Atentamente,

ÁLVARO ENRIQUE PINILLA SEPÚLVEDA

Asesor

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Bogotá D. C Junio 9 de 2005

Doctor ÁLVARO ENRIQUE PINILLA SEPÚLVEDA

Universidad de los Andes

Facultad de Ingeniería

Director de departamento de Ingeniería Mecánica

Ciudad

Reciba un Cordial Saludo.

Presento a usted el informe del proyecto de grado “INSTRUMENTACIÓN DE UNA

BOMBA DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO PARA DESALINIZACIÓN DE

AGUA POR OSMOSIS INVERSA” como requisito para optar por el titulo Ingeniero

Mecánico.

Cordialmente,

CARLOS JULIÁN OSPINA ESPITIA

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TABLA DE CONTENIDO INTRODUC CIÓN

O BJETIVOS

1. BO MBAS DE DESPLAZAMIENTO PO SITIVO

2. C AMBIO S REALIZADOS AL EQ UIPO

2.1 Cambios realizados al banco de pruebas

2.2 Cambios realizados al controlador

3. PROC ESOS DE INSTRUMENTAC IÓN 3.1 Medición de presión

3.2 Medición de caudal

3.3 Medición de desplazamiento

3.4 Medición de fuerza

3.5 Medición de voltaje

3.6 Medición de corriente

4. ANÁLISIS DE RESULTADO S

4.1 Coeficientes de desempeño

4.2 Determinación de los coeficientes de desempeño

4.3 Eficiencia de la bomba

4.3.1 Eficiencia del motor

4.3.2 Eficiencia Mecánica

4.3.3 Eficiencia Volumétrica

4.3.4 Eficiencia Hidráulica

C ONCLUSIONES Y REC OMENDACIO NES

BIBLIOGRAFÍA

ANEXO 1: Curva de Calibración del Transductor de Presión.

ANEXO 2: Curva de Calibración LVDT100-100.

ANEXO 3: Curva de Calibración Celda de Carga.

ANEXO 4: Curva de Calibración Mecanismo para medición del desplazamiento.

ANEXO 5: Curva de Fuerza vs. Desplazamiento para el Resorte de Válvula de

Alivio.

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TABLA GRÁFICOS

Figura 1. Equipo de Bombeo.

Figura 2. Banco de Pruebas.

Figura 3. Cambio en la señal del Controlador.

Figura 4. Gráfica de Presión vs. Tiempo.

Figura 5. Mecanismo para Medición del Desplazamiento.

Figura 6. Gráfica de Desplazamiento vs. Tiempo.

Figura 7. Gráfica de Fuerza vs. Tiempo.

Figura 8. Gráfica de Voltaje vs. Tiempo.

Figura 9. Gráfica de Corriente vs. Tiempo.

Figura 10. Gráfica Experimental Caudal de Deslizamiento vs. Presión.

Figura 11. Gráfica Experimental Torque vs. Presión.

Figura 12. Gráfica de Torque vs. Velocidad.

Figura 13. Tabla de Coeficientes Encontrados.

Figura 14. Potencia Eléctrica Consumida vs. Tiempo.

Figura 15. Diagrama Indicador de Fuerza

Figura 16. Tabla Presión y Eficiencia eléctrica del motor.

Figura 17. Diagrama Indicador de Presión.

Figura 18. Gráfica de Eficiencias Teóricas y Experimentales.

Figura 19. Gráfica Eficiencia Hidráulica.

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18

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26

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INTRODUCCIÓN

Actualmente la Universidad de los Andes se encuentra trabajando en un proyecto que

consiste en el desarrollo de un equipo energéticamente autónomo capaz desalinizar agua

mediante el proceso de osmosis inversa. El equipo esta pensado para operar en las

regiones de la alta guajira donde las comunidades Wayúu, Rancherías, se encuentran

totalmente aisladas tanto de la red del acueducto como de la red eléctrica nacional. Así se

piensa en un equipo energizado mediante un rotor eólico diseñado para operar en las

condiciones de viento de la zona, el cual es capaz de proveer una potencia de 500 W

disponibles para el proceso de desalinización.

El proceso de desalinización consiste en hacer fluir el agua a través de una membrana

diseñada para tal efecto que funciona a modo de filtro, generando una oposición al flujo

que se ve representada en la necesidad de grandes presiones de bombeo que están

alrededor de los 6.9 MPa (1000 psi) y bajos caudales, 1 gpm.

Comercialmente se consiguen equipos de bombeo que realizan tal función de manera

satisfactoria pero son de un altísimo costo que oscila entre US$ 1000 y US$ 1500.

Teniendo en cuenta el propósito del proyecto y los usuarios finales del equipo, las

comunidades indígenas, esto se vuelve en una opción poco viable.

Así durante la investigación consignada en la referencia [2], se desarrolló un sistema de

bombeo de desplazamiento positivo diseñado para alcanzar presiones de 8.3 MPa y

potenciado con un motor de paso de un consumo promedio de 140 W. El sistema cumple

satisfactoriamente la función de bombeo y presurización del agua hasta 5.5 MPa y un

caudal de 0.26 gpm. Estas condiciones de operación requieren de una investigación

sobre su comportamiento para entender su funcionamiento y poder cuantificarlo con el

fin de rediseñar el sistema de una manera más robusta, que cumpla los requisitos que

exige el sistema de desalinización y que aproveche mejor la energía proveniente del

generador eólico.

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La mejor manera de realizar este estudio es mediante la completa instrumentación del

sistema y el correcto análisis de los datos. De esta manera, se encontrarán constantes

físicas y coeficientes de desempeño de la bomba que permitirán mediante su apropiada

visualización realizar pronósticos para un futuro rediseño del sistema.

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OBJETIVOS Durante el desarrollo del presente trabajo se estudiará de manera experimental el

comportamiento de la bomba de desplazamiento positivo mencionada con anterioridad y

estos resultados serán cotejados con la teoría que se encuentra detrás de este fenómeno.

De esta manera se tendrá la tipificación de la bomba en una base común que permita

compararla con diferentes tipos de sistemas de bombeo y también así poder predecir su

comportamiento a diferentes condiciones de bombeo que las impuestas en los

experimentos.

Para ellos es necesario realizar la instrumentación completa del equipo de bombeo

midiendo así las principales variable que describen el sistema y analizar los datos

obtenidos aplicando el método correcto que revele características de diseño y desempeño

que no son evidentes mediante un tratamiento de datos común.

También es parte principal del trabajo encontrar causantes del actual desempeño del

equipo y poder así generar especificaciones para un futuro rediseño del sistema que

permitan lograr el objetivo principal del equipo. Esto implica directamente el análisis de

las eficiencias en las diferentes etapas de conversión de energía, teniendo en cuenta el

actuador y la unidad de bombeo como tal.

Así no solo se estudiara el sistema de bombeo sino que también será objeto de importante

análisis el actuador dado que existen restricciones de consumo de energía eléctrica.

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1. BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO Actualmente se encuentra en el mercado disponible gran diversidad de sistemas

diseñados para el bombeo de fluidos ya sea para aumentar el nivel energético del fluido,

para su dosificación o por que es necesario desplazar líquidos bajo ciertas condiciones

hidrodinámicas.

Los sistemas de bombeo son divididos en dos grandes grupos según su funcionamiento

por lo que se conoce en primera instancia bombas dinámicas y rotodinámicas y por otro

lado las bombas de desplazamiento positivo. Este último grupo se subdivide en bombas

de desplazamiento positivo rotativas donde se encuentran las bombas de engranes

internos, externos, de husillos y de paletas; y bombas de desplazamiento positivo

reciprocantes donde se encuentran las bombas de diafragma y de émbolo - pistón en las

cuales justamente se encuentra el equipo en estudio [1].

Comúnmente las bombas de deslazamiento positivo reciprocantes son potenciadas

mediante acción de vapor o gas o simplemente mediante mecanismos de biela –

manivela. El funcionamiento general de una bomba de este tipo consiste en el retroceso y

avance del émbolo dentro de la cámara de compresión generando así presiones de

succión y compresión respectivamente. De esta manera es necesario controlar el tipo de

válvulas de admisión y escape que se instalan en la cámara para que según las

dimensiones del émbolo y la potencia obtenida por el actuador se admita fluido y se

presurice el mismo según la fuerza generada por el émbolo.

Una característica de este tipo de bombas es la relación entre el diámetro del émbolo, la

presión de trabajo y la velocidad de operación; dado que a altas presiones el diámetro y la

velocidad son menores y a bajas presiones se admite un diámetro de émbolo más grande

y velocidades de trabajo más altas.

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Las variables que permiten obtener un mejor análisis del proceso de bombeo en un

sistema de desplazamiento positivo son la presión a la cual trabaja el equipo, su

velocidad, su desplazamiento y su entrega, dado que estos conforman la teoría detrás del

fenómeno físico del sistema. Su correcta medición implica poder tomar datos de las

distintas variables de manera simultánea dado que es necesario analizar datos

correspondientes para poder entender mejor el funcionamiento del equipo como se hará

más adelante en este trabajo.

La dinámica dentro de un sistema de émbolo buzo es compleja dado que no solo la

presión se opone al desplazamiento del émbolo mismo sino que existen gran cantidad de

factores que influyen en este movimiento como lo son las tolerancias existentes entre la

cámara de compresión y el émbolo, la presencia del arrastre viscoso por partes del fluido,

la presencia de distintos elementos mecánicos que se encuentran en contacto permanente

ya sean metal – metal o metal – caucho en el caso de los sellos; y es todo esto los que se

debe analizar y poder tener una idea de cómo la suma de todos estos efectos causa

problemas al perfecto funcionamiento del equipo y es así como se desarrolla en este

trabajo siguiendo el análisis adecuado se puede obtener una idea de la magnitud de todos

estos fenómenos y poderlos cuantificar de manera adimensional.

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2. CAMBIOS REALIZADOS AL EQUIPO

El equipo recibido de la investigación referenciada en [1] es como se muestra en la

figura, cambios necesarios se tuvieron que realizar en el mismo para poder hacer una

buena instrumentación.

Figura 1. Equipo de Bombeo.

Como se muestra en la figura 1, el sistema cuenta con un actuador SKF de

desplazamiento positivo, el cual debe ser alimentado con 24 V DC y un consumo de

corriente de 6 A. Este motor tiene un recorrido máximo de 100 mm y una carga máxima

de 3100 N. El actuador esta unido al embolo mediante un acople, de esta manera

transmite el movimiento al mismo embolo que realiza la acción de bombeo, compresión y

succión, mediante la interacción con la cámara de compresión.

La succión se realiza cuando el embolo se desplaza hacia atrás, el agua entra por la

válvula de succión; cuando el motor cambia su movimiento, se realiza el proceso de

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compresión el cual debe vencer una presión impuesta por la válvula de relajación, dado

que con esta se simula la presencia de una membrana de osmosis inversa.

Naturalmente para que el sistema cumpla los requerimientos que se desean debe operar

de manera automática, para esto la presencia de un controlador el cual básicamente

cambia la polaridad de la corriente que consume el motor y así se produce el efecto

reciprocante que da lugar al bombeo del fluido.

2.1 Cambios realizados al banco de pruebas Teniendo en cuentas las condiciones de presión del sistema y las características del

actuador que se usa las cargas dinámicas son extremadamente altas. Debido a esto, fue

necesario reforzar el banco de pruebas, dado que este permitía inclinaciones en la

dirección del movimiento rectilíneo del conjunto actuador-embolo causadas por pandeos

en la lámina de soporte del banco, la cual era de un calibre de 1/4” y se cambio por una

de 3/8”, además de eso se reforzó con un ángulo de acero soldado en la línea de acción

del embolo, así se evitan pandeos y las mediciones serán mas reales.

Además de esto la cámara de compresión fue maquinada externamente para generar un

espacio radial en el cual se ubican las abrazaderas que evitan el desplazamiento relativo

entre la cámara misma y el banco de pruebas.

Figura 2. Banco de Pruebas.

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2.2 Cambios realizados al controlador El motor SKF utilizado para potenciar el sistema requiere de un sistema de control que

invierta la polaridad de la corriente cada cierto tiempo para producir el movimiento

reciprocante correspondiente a succión y compresión, requerido para el bombeo de agua.

De esta manera, para la bomba se requiere un ciclo de utilidad del 50%, esto es que el

tiempo sea igual para las dos polaridades de corriente, además que dicho tiempo sea igual

a 7.5 segundos, esto obedece al recorrido del vástago y a la velocidad de trabajo del

motor.

Para lograr esto, se modifico el controlador que se recibió, el cual contaba con el reloj

LM 555 que según la configuración de resistencias, genera la señal que requiere el

sistema, así esta señal la reciben los reles que funcionan como compuertas mecánicas que

soportan altas cargas (10A), de esta manera estos controlan el cambios de polaridad del

motor sin verse afectado por las altas cargas de 6A que requiere el actuador. Al depender

el ciclo de utilidad y los tiempos generados por el reloj de los valores de las resistencias

de manera simultánea, se hace muy difícil la labor de obtener las condiciones de señal

dado que los valores de las resistencias comerciales no son exactamente los requeridos.

Así se opto por cambiar una resistencia por un potenciómetro, lo cual nos permite obtener

mediante pruebas de ensayo y error, el valor de un tiempo igual a los 7.5 segundos de

manera asíncrona. Esta señal es enviada a un contador de pulsos, el cual cuenta solo las

veces que recibe esta señal y la invierte idénticamente igual en cuanto tiempo y valores

de voltaje, así se obtiene un ciclo de utilidad del 50 % de manera totalmente garantizada

y el tiempo para cada ciclo igual a los 7.5 segundo que requiere el mecanismo. El flujo

de señal es como se indica en la siguiente figura.

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Figura 3. Cambio en la señal del controlador.

Al lograr esto se obtuvo un recorrido mas amplio en la succión, se paso de 82 milímetros

a un recorrido de 100 milímetros, dado que los tiempos son iguales. Un problema

observado al poner en marcha el mecanismo es que el motor no trabaja siempre a la

misma velocidad, sino que a altas cargas, a partir de los 4.2 MPa (600 psi), el motor

cumple con la carga pero a menor velocidad. Dado que el movimiento es controlado por

tiempo, el embolo no cumple con el recorrido completo, esto es perfectamente apreciable

al comparar las graficas de desplazamiento en el tiempo.

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16

3. PROCESOS DE INSTRUMENTACION

La instrumentación del sistema se realizo con el uso de sistemas e instrumentos

disponibles en el laboratorio de ingeniería mecánica de la Universidad de los Andes. La

tarjeta de adquisión de datos LABJACK U12 la cual admite entradas en voltajes no

mayores a 5 V y no menores a 1 mV para obtener buena precisión del equipo. Esto

permite tener las señales de manera simultánea y en tiempo real.

3.1 Medición de Presión El proceso de medición de presión en el tiempo se realizo mediante el transductor de

presión de máxima capacidad equivalente a 6.8 MPa (1000 psi. La señal que sale del

transductor tiene que ser amplificada para su precisa adquisición con la tarjeta

LABJACK, así es enviada al computador y se tiene la variación de presión en el tiempo

durante el proceso de bombeo a diferentes presión de prueba como lo son 1.3, 2.6, 4.1 y

5.5 MPa. Un ejemplo de los datos tomados de presión en el tiempo es la siguiente

grafica.

Presión vs. Tiempo

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Tiempo (seg)

Pre

sión

(kP

a)

Figura 4. Gráfica Presión vs. Tiempo.

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17

Así se puede ver como tarda un tiempo en abrir la válvula de relajación y como la mitad

del ciclo la presión es de succión.

La correcta medición de la presión es necesaria para ver el comportamiento del sistema a

diferentes cargas, así como la distribución de presión en el tiempo. Dado que la carga del

equipo la produce la válvula de relajación, esta nos da un buen indicio de la respuesta del

sistema a cargas impuestas ya sea por esta misma válvula o por la membrana de

desalinización.

3.2 Medición de caudal La medición del caudal se realizo de manera sencilla pero correcta. Se obtuvo la muestra

correspondiente a tres ciclos de bombeo, se midió el volumen obtenido y se divide entre

tres. De esta manera se conoce la cantidad de volumen por unidad de tiempo o por ciclo

de operación. La razón de tomar el volumen de tres ciclos es para tener una medida mas

exacta puesto que el volumen de un ciclo es muy pequeño y eso genera desconfianza en

la medición.

3.3 Medición de desplazamiento La medición del desplazamiento en el tiempo se hizo mediante el uso del LVDT de

máxima capacidad disponible en el laboratorio, el cual corresponde a 50 mm. Dado que

este instrumento no alcanza a sensar el recorrido completo del embolo el cual esta por

encima de los 90 mm, fue necesario la construcción de un mecanismo capaz de reducir el

movimiento rectilíneo del embolo y transmitirlo al transductor. La configuración del

mecanismo es como se muestra en la figura, donde el pivote esta ubicado a un tercio de la

distancia entre el émbolo y el LVDT.

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Figura 5. Mecanismo para la medición del Desplazamiento.

De esta manera se logro tomar los datos de desplazamiento en el tiempo en tiempo real

amplificando la señal y enviándola a la tarjeta de adquisición de datos, obteniendo

similares resultados al que se muestra en la figura.

Desplazamiento 2.6 MPa

-20

0

20

40

60

80

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Tiempo (seg)

Des

plaz

amie

nto

(mm

)

Figura 6. Gráfica de Desplazamiento vs. Tiempo

Pivote

LVDT

Émbolo

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19

3.4 Medición de fuerza La fuerza con la cual el motor SKF impulsa al embolo para generar la acción de bombeo

fue medida mediante el uso de una celda de carga cuya capacidad máxima es de 2.2 kN

(500 Lb). Así, solo se puedo tomar medidas de la fuerza correspondientes a presiones de

1.3, 2.6, 4.1 MPa, puesto que el instrumento no soportaría la fuerza ejercida por el motor

en condiciones de operación de 5.5 MPa, lo cual indica una fuerza de 2.4 kN. [2].

Fuerza a 1,3 MPa

0

500

1000

1500

2000

2500

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Tiempo (seg)

Fuer

za (N

)

Figura 7. Gráfica de Fuerza vs. Tiempo.

Se puede ver como se distribuye la fuerza a lo largo del ciclo de bombeo, así el gran pico

indica cuando se llega al máximo punto de desplazamiento de hay para adelante la fuerza

de compresión en el embolo es nula. También es observable la distribución de fuerza

lineal al momento de abrir la válvula de relajación indicando la presencia del resorte de la

misma válvula.

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20

3.5 Medición de voltaje La medición del voltaje suministrado al actuador fue medido directamente en la tarjeta de

adquisición de datos siendo una vez reducido con un divisor de voltaje de valor conocido.

Así es posible ver como cambia el ciclo en avance y retroceso del embolo.

Voltaje en el motor a 4.1 MPa

0

5

10

15

20

25

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Tiempo (seg)

Volta

je (V

)

Figura 8. Gráfica de Voltaje vs. Tiempo.

3.6 Medición de corriente Mediante el uso de la pinza amperimétrica se toma la medida en tiempo real de la

corriente que consume el motor a lo largo del ciclo de bombeo. Así con esta medida y el

voltaje, se puede tener un muy buen indicativo de la potencia eléctrica que consume el

motor, la cual debe ser menor a los 500 W proporcionados por el rotor eólico. La grafica

se muestra a continuación muestra los grandes valores de corriente consumida por el

actuador.

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Corriente en el motor a 5.5 MPa

0

2

4

6

8

0 5 10 15

Tiempo (s eg)

Cor

rien

te (A

)

Figura 9. Gráfica de Corriente vs. Tiempo.

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22

4. ANALISIS DE RESULTADOS Los resultados obtenidos durante los procesos de medición de las distintas variables son

analizados de manera que permitan identificar coeficientes de desempeño adimensionales

mediante los cuales se identifica la bomba de manera adecuada en términos de la

geometría del equipo. [3].

Para poder entender como se analizan los datos es necesaria una breve explicación de los

principales términos que son relevantes en el análisis. Para tal efecto la bomba aunque no

es operada mediante un mecanismo de biela sino mediante un motor de paso descrito con

anterioridad, debe ser analizada como si su verdadero actuador fuera un mecanismo de

biela puesto que las ecuaciones son deducidas para dichos mecanismos actuadores.

Dos ecuaciones básicas gobiernan el desempeño en una bomba de desplazamiento

positivo y son las correspondientes al caudal y al torque (fuerza) necesario para poder

realizar el bombeo. Cada uno de estos términos esta dado primeramente por una parte

teórica mas unos términos que corresponden a lo que se puede llamar perdidas en

eficiencia y donde justamente aparecen los coeficientes adimensionales que se buscan

para caracterizar el equipo. De esta manera se tiene:

cfd

rs

TPD

cnDcPD

T

QPDc

DnQ

+∆++∆

=

−∆

−=

πµ

π

πµ

22

2

Es importante conocer las unidades en las que se expresan cada una de las variables para

entender el análisis, es decir, teniendo en cuenta que n es la velocidad de la bomba

expresada en ciclos por segundo, µ es la viscosidad del fluido expresada en Pa*seg, D es

el desplazamiento en unidades de volumen por ciclo y P∆ es la presión de bombeo del

equipo en Pa y la cantidad Qr , corresponde a las perdidas debidas a restricciones internas

las cuales son notables a altas velocidades de trabajo, así este termino es completamente

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23

despreciable para este análisis. El torque es analizado en este caso como la fuerza

medida multiplicada por la mitad del desplazamiento así se modela como una bomba de

desplazamiento positivo pero impulsada por una biela. Para la ecuación del torque

(fuerza) se presenta un torque necesario para realizar la acción de bombeo, el cual es

independiente de la presión y de la velocidad de operación del equipo, es llamado Tc.

Así cada uno de los términos son explicados mediante su propio coeficiente

adimensional.

4.1 Coeficientes de desempeño Las demostraciones y consideración específicas para la definición de los diferentes

coeficientes han sido analizadas y se han tenido como resultado estos parámetros

adimensionales. [3].

Los tres coeficientes presentes en las ecuaciones mostradas anteriormente, corresponden

a relaciones geométricas expresadas en términos adimensionales, lo cual nos permiten

analizar el equipo y poder realizar comparaciones con sistemas que cumplan la misma

función.

El coeficiente de deslizamiento Cs , es la razón entre dimensiones representativas en el

diseño de una bomba y esta asociado al caudal que se devuelve durante el proceso de

compresión en el equipo, por eso su presencia justamente responsable de que la entrega

actual sea menor que la entrega teórica. [3].

De la misma manera Cd , coeficiente de arrastre por viscosidad esta atado a una relación

geométrica de la bomba que indica la oposición al desplazamiento del embolo dentro de

la cámara de compresión lo cual hace que el torque o la fuerza necesaria para presurizar

el fluidos sea mayor que el teórico.

Un fuerte fenómeno mecánico esta presente en el proceso de bombeo en el equipo no se

ha mencionado antes y corresponde al coeficiente Cf , el cual esta relacionado con la

fricción seca presente por la interacción de piezas metálicas como es el caso del embolo y

un buje o por el contacto deslizante del embolo y los sellos internos del equipo. [3].

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4.2 Determinación de los coeficientes de desempeño Teniendo en cuenta las ecuaciones de desempeño mostradas anteriormente, es fácil ver

que con la correcta presentación de los datos se pueden obtener los coeficientes y analizar

el equipo.

Una importante consideración al momento de analizar los datos es que dada la baja

velocidad de operación de la bomba se asume la cantidad Qr exactamente igual a cero.

De igual forma todas las graficas que se realizan tienen implícito el hecho que se trabaja

con viscosidad del fluido constante; aunque puede haber requerimientos adicionales que

serán especificados según sea el caso.

Mediante la medición del desplazamiento ya se tiene una incógnita menos que determinar

del análisis de datos experimentales, así con los datos del caudal a distintas presiones y

teniendo en cuenta el caudal teórico, se puede obtener una grafica de caudal de

deslizamiento contra presión, cuya pendiente esta dada por πµ2

CsD.

Caudal deslizamiento vs. Presión

y = 0,0002x + 0,00002

R2 = 0,9918

0

0,001

0 1 2 3 4 5 6

Presión (MPa)

Qs

(m3/

seg)

Datos Experimentales Comportamiento teórico

Figura 10. Gráfica Experimental Caudal de Deslizamiento Vs. Presión.

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25

Al graficar el torque requerido por el actuador para generar el proceso de bombeo a

diferentes presiones, se obtiene el valor de Tc (torque a cero presión), y el valor de Cs,

puesto que la pendiente de la gráfica está dada por )1(2

+fCDπ

.

Torque vs. Presión

T(N*m) = 22,295*P(Mpa)+ 8,3599R2 = 0,9974

0

20

40

60

80

100

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

Presión (MPa)

Torq

ue (N

*m)

Datos Experimentales Comportamiento teórico

Figura 11. Gráfica Experimental Torque vs. Presión.

Dadas las condiciones de operación del actuador, es imposible poder trabajar a diferentes

velocidades con presión constante, requerimiento adicional que se pide para poder

obtener Cd a partir de graficar Torque vs. Velocidad. De esta manera teniendo en cuenta

que la grafica correspondiente según la ecuación de desempeño para el torque es como se

muestra en la siguiente figura.

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26

Figura 12. Gráfica Torque vs. Velocidad

Como se ve la pendiente corresponde a µDCd . Teniendo distintos valores del torque a

diferentes presiones, se puede tener un buen estimativo del valor de Cd y poder así tener

ya los tres coeficientes de desempeño que caracterizan el equipo.

Analizando las graficas obtenidas y la teoría planteada anteriormente, se puede deducir

fácilmente las constantes físicas que se buscan y poder así caracterizar el equipo. De esta

manera se obtienen los siguientes valores para los coeficientes de operación del equipo

que son comparados con datos de una bomba de engranes internos [3], que ha sido

caracterizada con el mismo método.

Bomba Desplazamiento Positivo Bomba Engranes Internos*

Cf 0.343 0.0446

Cs 4.67x10-8 3.35x10-7

Cd 3.61x105 5.94x104

Tc (Nm) 12.4 2.58

Figura 13. Tabla de Coeficientes Encontrados.

CdDµ T

OR

QU

E

∆P = constante µ = constante

CdDµn

Cf D ∆P 2 π

∆PD 2 π

1

VELOCIDAD n

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27

Al observar los valores de los coeficientes del equipo se ve la altísima influencia de la

fricción en el desempeño del sistema ocasionada por la constante interacción entre

metales, por ejemplo el sistema embolo– buje, también por la interacción del embolo con

los sellos presentes a la entrada de la cámara de compresión. [2]. El gran valor del

coeficiente Cf es un buen indicador de un posible desgaste futuro del embolo y de las

partes metálicas en general al interior de la bomba, lo cual requiere especial atención en

un futuro rediseño.

El valor del coeficiente de deslizamiento esta en los rangos normales para este tipo de

sistemas de bombeo, es muy sensible a las tolerancias internas correspondientes al

diseño del mecanismo y a la cámara de compresión y lleva consigo el hecho del

calentamiento del fluido debido al esfuerzo cortante entre las cavidades del equipo.

El valor correspondiente al coeficiente de arrastre viscoso es muy alto, esto es común en

bombas de desplazamiento positivo de émbolo buzo y se debe a la geometría que enfrenta

al agua al comprimirla en el interior de la bomba, esto indica gran necesidad de vencer la

oposición del fluido a ser presurizado, nótese que es menor en el caso de los engranes

internos.

Observando la grafica de torque contra presión se puede observar un torque mínimo

requerido para realizar el proceso de bombeo, este en el sistema analizado realmente

equivale a una fuerza necesaria de vencer con un valor de 168 N, generados por la

fricción seca presente en el sistema.

4.3 Eficiencia de la bomba Durante el proceso de bombeo el equipo analizado presenta tres diferentes formas de

energía las cuales son energía eléctrica que consume el motor, energía mecánica que lleva

el émbolo al comprimir el agua y energía hidráulica que presenta el flujo a la salida de la

cámara de compresión. Esto lleva a tener 3 tipos diferentes de eficiencias presentes en la

bomba referentes a la eficiencia del motor, eficiencia mecánica y eficiencia volumétrica.

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28

4.3.1 Eficiencia del motor Al convertir energía eléctrica en energía mecánica se debe tener en cuenta que hay

pérdidas en el sistema y son cuantificables mediante la comparación de cada una de las

energías o potencias en cada etapa del equipo, así la potencia eléctrica consumida se

obtiene con las mediciones de voltaje y corriente; como lo muestra la siguiente gráfica

donde se aprecia el consumo de potencia eléctrica en el tiempo durante un ciclo de

bombeo y el cual es indiferente a la presión de trabajo con un valor promedio de 140 W.

Potencia Electrica Consumida a 5,5 MPa

0

50

100

150

0 5 10 15

Tiempo (seg)

Pote

ncia

ele

ctri

ca (W

)

Figura 14. Potencia Eléctrica Consumida vs. Tiempo.

La potencia mecánica que lleva el émbolo es cuantificable cuando se tiene un diagrama

indicador de fuerza, el cual consiste en graficar la fuerza contra el desplazamiento para

un ciclo de bombero y calculando el área bajo la curva se tiene el trabajo por ciclo,

conociendo el tiempo de duración de un ciclo se obtiene la potencia que lleva el émbolo

al momento de realizar la compresión.

El caso de un diagrama indicador de fuerza es como el que se muestra en la figura para

1.3 MPa, donde se indica el sentido de movimiento del embolo dentro de la cámara de

compresión, y se especifican el punto muerto inferior (PMI) y el punto muerto superior

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29

(PMS) correspondientes a las posiciones extremas del embolo, es decir, embolo fuera de

la cámara de compresión y embolo dentro de la cámara de compresión respectivamente.

A la vez se puede ver como es el comportamiento teórico sin la presencia de la recta

inclinada que evidencia la fuerza necesaria para vencer el resorte en la válvula de

relajación con una constante de elasticidad de 27.2 kNm-1 y medida experimentalmente

con un valor de 22.5 kNm-1 (Anexo 5). Al mismo tiempo la fuerza teórica es menor pues

es calculada como la presión de trabajo multiplicada por el área frontal del émbolo,

dejando fuera de la cuenta los resultados vistos anteriormente como lo son los

coeficientes de fricción y arrastre viscoso.

Diagrama Indicador de Fuerza a 1.3 MPa

0

200

400

600

800

1000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Desplazamiento (mm)

Fuer

za (N

)

Diagrama Experimental

DiagramaTeórico

Figura 15. Diagrama Indicador de Fuerza.

Teniendo las diferentes potencias a las distintas condiciones de trabajo del equipo se ve

como la eficiencia del motor es muy baja llevando así el hecho de que aunque el motor

cumpla muy bien su función es necesario un cambio de actuador en el equipo para

aprovechar mejor la energía proveniente del rotor eólico.

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30

Presión (Mpa) Eficiencia Motor %

1,3 2

2,7 4

4,1 5

Figura 16. Tabla Presión y Eficiencia eléctrica del motor.

4.3.2 Eficiencia mecánica Del análisis anterior ya se tiene la potencia que lleva consigo el émbolo y al comparar

esta con la potencia que es entregada realmente al agua se puede estimar la eficiencia

mecánica del equipo. La potencia que se entrega al agua se estima de manera similar a la

potencia del émbolo mediante el diagrama indicador de presión donde el área bajo la

curva Presión vs. Desplazamiento multiplicada por el área del embolo y divida por el

tiempo de un ciclo resultan en la potencia que recibe el agua al ser comprimida. Un

ejemplo es el diagrama indicador que se muestra a continuación.

Diagrama Indicador 1,3 MPa

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 20 40 60 80 100

Desplazamiento (mm)

Pres

ión

(kPa

)

PMI PMS

Figura 17. Diagrama Indicador de Presión.

La ausencia de presión durante el inicio del desplazamiento de debe a la demora en la

apertura de la válvula lo cual ocurre ya sea por presencia de gases en el agua y su

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31

correspondiente compresión o por el mal llenado de la cámara antes de iniciar el proceso

de bombeo, es decir, el equipo no es autocebante.

Al comprar así los valores de los dos diagramas indicadores para cada una de las

condiciones de carga se tiene una eficiencia mecánica experimental. Si se observa la

ecuación correspondiente al torque y se divide el primer termino por toda la ecuación, se

tiene una eficiencia mecánica en términos de los coeficientes de operación, llamada

eficiencia mecánica teórica y se encuentra descrita por la siguiente ecuación:

PT

Dc

Pnc c

fd

M

∆++

∆+

= ππµη 221

1

Es clara la presencia del factor adimensional Pn

∆µ

llamado número de Sommerfeld, el

cual nos permite expresar la eficiencia mecánica en términos completamente

adimensionales y el término constante Tc.

4.3.3 Eficiencia Volumétrica De manera tanto teórica como conceptual la eficiencia volumétrica es la razón entre lo

que entrega el equipo y lo que debería entregar el equipo. Así manipulando la ecuación

del caudal mostrada con anterioridad de obtiene:

DnQ

nPc r

sV −∆

−=πµ

η2

1

Nótese también la presencia del número de Sommerfeld y así ya podemos expresar la

eficiencia volumétrica teórica con los factores hallados en el capítulo anterior y la

eficiencia volumétrica experimental será el caudal medido entre el caudal teórico. Al

igual es fácil calcular el número de Sommerfeld para el cual la eficiencia volumétrica es

nula, para este caso corresponde a 0.75 x 10-10.

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32

La gráfica de eficiencias mecánicas y volumétricas se tiene de la siguiente manera:

Eficiencias

0

0,20,40,6

0,81

1,2

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Efic

ienc

ias

Volumétrica Experimental Mecánica ExperimentalVolumétrica Teórica Mecánica teórica

Sommerfeld x 1010

Figura 18. Gráfica de Eficiencia Teóricas y Experimentales.

En la gráfica de las eficiencias no solo se tienen los datos plasmados sino que se puede

obtener la información de la condición de carga que se requiera, dado que esto solo

cambia el factor adimensional de Sommerfeld, así se puede estimar el comportamiento

del equipo a diferentes presiones, velocidades e incluso trabajando con diferentes

fluidos.[3].

4.3.4 Eficiencia Hidráulica Al comprar el diagrama indicador de presión con la potencia hidráulica entrega por el

equipo definida como PQPHidraúlica ∆= , se puede cuantificar que tanta de la potencia es

capaz de transmitir el agua al ser comprimida en el equipo a diferentes condiciones de

carga. Así al graficar la eficiencia volumétrica contra presión se obtiene la siguiente

gráfica:

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33

Eficiencia Hidraulica

0,9

0,92

0,94

0,96

0,98

1

0 1 2 3 4 5 6

Presión (MPa)

Efic

ienc

ia %

Eficiencia Hidraulica

Figura 19. Gráfica Eficiencia Hidráulica.

Se ve que a altas presiones la eficiencia cae dado que el motor es controlado por tiempo y

a altas cargas su velocidad de avance disminuye y no alcanza a cumplir con el recorrido

completo, así el caudal entregado es menor y la eficiencia disminuye tan notablemente.

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34

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

• Se comprendió de manera experimental el funcionamiento típico de un sistema de

bombeo de desplazamiento positivo de émbolo buzo. Esto se comprobó de

manera teórica mediante el análisis de los datos obtenidos en el proceso de

instrumentación.

• El método de análisis de datos utilizado en este trabajo permite cuantificar

características de desempeño inobservables mediante otros análisis de datos,

logrando así tipificar el equipo de una manera estándar y comparable con otros

sistemas de bombeo.

• Según las gráficas experimentales obtenidas se tiene un equipo de altísimo

rendimiento mecánico, volumétrico e hidráulico el cual merece un posterior

estudio y su respectivo rediseño.

• El proyecto permitió verificar teórica con práctica en mediciones reales de

ingeniería aportando así la importancia merecida por la necesidad de realizar

complejas mediciones para conocer el comportamiento de los sistemas mecánicos.

• Es necesario investigar en otras alternativas de actuador, aunque el actual

permite un fácil control y realiza la labor de manera adecuada su eficiencia

eléctrica es muy baja y no se aprovechar de manera correcta potencia recibida por

el rotor eólico.

• El alto coeficiente Cf muestra perdidas importantes de energía debido a metales en

contacto y a los sellos presentes en el interior del equipo, esto lleva a pensar en

búsqueda de opciones para mejorar los deslizamientos del émbolo dentro de la

cámara de compresión.

• El valor de Cd muestra la gran implicación en la forma final del embolo y como

esta influye en la oposición al movimiento dentro de la cámara de compresión,

pensando así en un posible cambio de geometría que sea capas de disminuir este

coeficiente de manera razonable.

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35

• El valor de Cs es propio de un sistema de bombeo de este tipo, así no tiene gran

implicación en el desempeño del mismo y es aceptable para las condiciones de

operación del equipo.

• La fuerza mínima necesaria para poder realizar la acción de bombeo es

relativamente baja pero puede ser menor si se analizan las interacciones entre las

partes internas del equipo, así una posible disminución en su valor puede resultar

en una eficiencia mecánica mas alta y una mejor utilización de la energía.

• El controlador puede ser mejorado y debe ser cambiado a un sistema de control

por posición y no por tiempo, así se asegura que a distintas cargas de trabajo

siempre se cumpla el recorrido completo.

• Es necesario para un futuro rediseño del equipo el cambio en las tapas de la

cámara de compresión dado que su manipulación es muy difícil para labores de

mantenimiento.

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36

BIBLIOGRAFIA

1. Burton John & Loboguerrero Jaime. (1991). Bombas rotodinámicas y de

desplazamiento positivo. Departamento de Ingeniera Mecánica, Facultad de

Ingeniería, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia.

2. Vásquez, Cesar. (2004). Diseño, construcción y prueba de concepto de una

bomba accionada por un medio mecánico para osmosis inversa. Tesis de

maestría. Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia

3. Wilson, Warren Elvin. (1949). Performance criteria for positive displacement

pumps and fluid motors. Rapid City, S. Dak. Londres, Inglaterra.

4. Wilson, Warren Elvin. (1950). Positive displacement pumps and fluid motor.

Pitman Pub. Londres, Inglaterra.

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37

ANEXO 1 CURVA DE CALIBRACION TRANSDUCTOR DE PRESIÓN

Presión masas (psi) Voltaje transductor (mV)

0 0,17

120 3,98

200 6,37

300 9,41

400 12,46

500 15,47

600 18,51

700 21,51

800 24,54

900 27,53

Presión vs. Voltaje

y = 33,039x - 10,454R2 = 1

-200

0

200

400

600

800

1000

0 5 10 15 20 25 30 35

Voltaje (mV)

Pres

ión

(psi

)

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38

ANEXO 2 CURVA DE CALIBRACION LVDT 100-100

Desplazamiento (mm) Voltaje (V) 0 0,5 10 2 15 2,95 20 3,66 30 5,4 40 7,1

Calibracion LVDT100 - 100

y = 6,0264x - 2,5385R2 = 0,9992

05

1015202530354045

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Voltaje (V)

Des

plaz

amie

nto

(mm

)

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39

ANEXO 3 CURVA DE CALIBRACIÓN CELDA DE CARGA

Carga (Lb) Voltaje (mV) 0 0

100 12,8 200 19,3 260 23,3 300 27,2 360 31 400 34 480 40

Voltaje vs. Fuerza

y = 12,379x - 27,789R2 = 0,9879

-1000

100200300400500600

0 10 20 30 40 50

Voltaje (mV)

Fuer

za (L

b)

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ANEXO 4 CURVA DE CALIBRACIÓN MECANISMO PARA

MEDICIÓN DEL DESPLAZAMIENTO

Desplazamiento Bomba (mm) Desplazamiento LVDT (mm) 0 0

24,5 10,5 37 20

54,2 23,9 71 31

Desplazamiento LVDT vs. Desplazamiento Bomba

y = 2,2349x - 0,832R2 = 0,9797

01020304050607080

0 5 10 15 20 25 30 35

LVDT (mm)

Bom

ba (m

m)

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41

ANEXO 5 CURVA DE FUERZA VS. DESPLAZAMIENTO PARA EL

RESORTE DE VÁLVULA DE ALIVIO.

Desplazamiento (m) Fuerza (N) 0 0

0.001 25 0.0012 30 0.0025 57 0.0035 80

Fuerza vs. Desplazamiento Resorte

y = 22507x + 1.4891R2 = 0.9984

0102030405060708090

0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0.003 0.0035 0.004

Desplazamiento (m)

Fuer

za (N

)