Optimizacin De Una Bomba PerifricaAltamar Estrada Carlos Mario a, Aragn Lozano Walter Yesid a, Donado Dippe Donaldo David a, Fernndez Pea Jorge Mario a, Martnez Roger David aa Facultad de Ingeniera, Ingeniera Mecnica, Universidad del Atlntico, Programa Maquinas Hidrulicas, http://www.uniatlantico.edu.co/uatlantico/ResumenPara la mejora de la eficiencia de la bomba perifrica, se hizo necesario el anlisis de la dinmica de fluidos computacional (CFD) la cual es una de las herramientas ms avanzadas utilizadas a nivel industrial. En donde partir del anlisis CFD se puede observar fcilmente el cambio de algunas caractersticas geomtricas de algunas de las partes de la bomba que traen consigo una mejora en su rendimiento. Las modificaciones de este dispositivo fueron probadas solamente por medio de una simulacin y los resultados de la simulacin en forma de curvas caractersticas se compararon con los datos experimentales ya realizados, y se obtuvo una concordancia. Esta investigacin cumpli con el objetivo de ayudar a reducir el trabajo experimental necesario para el desarrollo y diseo de este dispositivo en particular.Palabras Claves: Bomba Perifrica, CFD, Simulacin.Abstract

For improving the efficiency of the peripheral pump analysis computational fluid dynamics (CFD) which is one of the most advanced tools used in the industry became necessary. Where from CFD analysis can easily analyze the change of some geometrical characteristics of some parts of the pump that bring an improvement in performance. Modifications of this device were tested only through simulation and simulation results in the form of characteristic curves were compared with experimental data already made, and a concordance was obtained. This research complied with the aim of helping to reduce the experimental work necessary for the development and design of this particular device.

Keywords: Peripheral Pump, CFD, Simulation.

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I. IntroduccinLas bombas son dispositivos que se utiliza en la industria, la agricultura o usos domsticos empleadas con un nico objetivo principal, suministrar la energa mecnica requerida para que un lquido fluya, venciendo las restricciones que se pueden presentar en el sistema en cuestin, las bombas pueden manejar diferentes tipos de lquidos a diferentes condiciones de operacin. El principio de funcionamiento de una bomba consiste en transportar un lquido mediante una serie de alabes en un rodete que se mueve gracias a una fuente de energa, de esta forma el fluido se transporta el exterior por efecto de la fuerza centrfuga y es guiado por la geometra del cuerpo de la bomba hacia una salida. La energa consumida por una bomba va a depender de diferentes variables a la hora de su funcionamiento tales como la altura a travs de la cual se eleva el fluido, las presiones existentes en el punto de descarga, la longitud y dimetro de la tubera, la velocidad del flujo y las propiedades fsicas del fluido (densidad y viscosidad).Es de vital importancia al momento de disear una bomba, tener en cuenta las modificaciones pertinentes para optimizar la funcin que va a desempear la bomba en las condiciones de operacin sealadas.La bomba de estudio es de tipo perifrica Pedrollo (PKM 60), esta serie est constituida por ELECTROBOMBAS PERIFERICAS, as llamadas porque en la periferia del rodete han sido aplicadas numerosas aspas radiales, que se encargan de ceder energa al fluido bombeado. El apropiado perfil de las aspas confiere al fluido en entrada a la bomba un movimiento veloz de recirculacin radial entre las aspas del rodete y la doble ranura situada a ambos lados de ste en el cuerpo bomba. Puesto que cada una de las numerosas aspas contribuye a ceder energa, la presin del fluido aumenta gradualmente, durante su recorrido desde la boca de aspiracin a la de impulsin, asegurando por otra parte un flujo regular sin ser intermitente y, por otra parte, elevadas presiones y curvas particularmente inclinadas. La tipologa constructiva, relativamente sencilla de las bombas de la serie PK, exige, sin embargo, una ejecucin mecnica particularmente esmerada, con el fin de garantizar la curva caracterstica de la misma.

Ficha tcnica

Figura 1, Bomba Perifrica PKm 60ModeloPotencia00.30.60.91.21.51.82.12.43.03.64.24.85.4

MonofsicaTrifsicakWHP05101520253035405060708090

PKm 60PKm600.370.50H metros403833.5292419.515105

Figura 2, Despiece De La BombaMotor elctrico PIEZANOMBRE

1Cuerpo bomba

2Soporte

3Rodete

4Eje motor

5Sello mecnico

6Rodamiento

7Condensador

8Motor elctrico

ModeloBocasDimensionesKg

MonofsicaTrifsicaDN1DN2afhh1H2H3imN1ws13

PKm60PK6011392071455675131205511896535.25.2

ModeloTensin (monofsica)

Monofsica220v110v127v

PKm602.6 A5.5 A5.2

Figura 3, Curva Cabeza vs CaudalII. Revisin BibliogrficaEl campo del diseo de bombas est continuamente desafiado a proporcionar una mayor eficiencia en este tipo de mquinas, muchos investigadores han aplicado una herramienta tal es el CFD como instrumento de simulacin numrico para realizar investigaciones diferentes sobre las bombas. Esto ayuda a la prediccin del flujo en diferentes partes de la mquina. En el caso de la modificacin de estos sistemas y sus efectos, pueden ser predichos antes de la realizacin de ellos. CFD el anlisis ayuda en el estudiar los efectos de varios parmetros, por separado as como por formando los grupos sin dimensiones, sobre el funcionamiento de bomba. Mediante un anlisis realizado por CFD se pudo llegar a obtener informacin bastante exacta sobre el comportamiento de los lquidos en la mquina y a as ayudar a conseguir una evaluacin del comportamiento de la maquina utilizada al ser empleada, el uso de esta herramienta ayuda a obtener datos en los cuales el margen de error son muy pequeos, las curvas de funcionamiento caractersticas para la gama de carga entera del impeler fueron construidas, y su modelo fue encontrado razonable y de acuerdo con la teora. Gracias al anlisis por medio de CFD se lleg a la conclusin que la forma ms viable para aumentar la eficiencia de la bomba era mediante los efectos de la modificacin geomtrica de esta sobre las variaciones de presin dentro de bombas, supervisando la presin directamente o por cambios de empuje axial y o radial. Generalmente era aceptado que mientras la exactitud de anlisis de CFD an no ha alcanzado un nivel que es equivalente a tcnicas experimentales, su capacidad de correctamente predecir que la direccin de cualquier cambio es confiable [1].A lo largo del tiempo se han realizado varios estudios que tienen nfasis la modificacin de la geometra de la bomba, algunos relatan las causas principales de fallas en las bombas, en 1978 Makay y Szamody [2] sus estudios sugirieron que el nfasis en la ganancia de la eficacia de la bomba en condiciones de diseo conducan a flujos indeseables en las operaciones de cargas parciales e hicieron una investigacin a fondo sobre el diseo de la bomba relacionado con su desempeo, tambin destacaron la importancia de espacios libres internos de la bomba, especialmente aquellos entre piezas estacionarias y en donde existen altos gradientes. Adems concluyeron en que los impelers de doble entrada, la hoja del impeler debe ser escalonada para minimizar fuerzas hidrulicas Y que la cubierta central debe ampliarse al dimetro exterior del impeler. Desafortunadamente, estas recomendaciones no fueron presentadas con su informacin de respaldo o discusiones sobre los posibles cambios de rendimiento debido a las modificaciones anteriores. El movimiento relativo entre el impeler y la voluta genera una interaccin que afecta el funcionamiento de la bomba, y a la vez es culpable de cambios de presin. Los cambios de presin actan recprocamente con la cubierta de voluta y dan lugar a efectos dinmicos sobre las partes mecnicas, que son una de las fuentes ms importantes de vibracin y el ruido hidrulico.[3] Por el cambio del ngulo de salida de la cabeza del rotor puede optimizarse. Por ltimo, desde el anlisis CFD la eficiencia calculada del impulsor con ngulo ptimo de paletas se puede mejorar cambiando el ngulo de entrada y salida. Un estudio de los efectos de la separacin de las hojas sobre el flujo del agua en las bombas, Kergourlay [4], sugiri que aadir separaciones tiene efectos negativos y positivos en el comportamiento de la bomba. Esto aumenta la subida principal comparada con el impeler que es principalmente debido al aumento de un factor de deslizamiento del impeler que ayuda a la conduccin del flujo.Uno de los defectos estudiados en los ltimos aos en bombas centrfugas es el producido por el fenmeno de la cavitacin, debido a que afecta el rendimiento hidrulico del equipo. La cavitacin no slo puede hacer que la cabeza y la eficiencia gota de bombas centrfugas, sino tambin generar otra fenmenos desfavorables tales como ruidos, vibraciones y as sucesivamente. Esa es la razn por la cual muchas preocupaciones son centradas en la cavitacin en las bombas recientemente. Es bien sabido que la geometra de entrada del impulsor es el factor primario de determinacin de las caractersticas de cavitacin de una bomba. Hasta cierto punto, el ngulo de la hoja de entrada puede tener una influencia importante sobre el flujo cerca de la entrada del impulsor en una bomba centrfuga, y por lo tanto dar lugar al cambio de rendimiento de la cavitacin de la bomba [5]. El trabajo anterior indica que el flujo uniforme entrada del impulsor de aguas arriba era preferible [6]. Tambin se informa de que la hoja magra es til para mejorar el rendimiento de la cavitacin, as como el rendimiento hidrulico para una mini bomba turbo mediante la obtencin de un flujo uniforme patrn en el interior del impulsor [7-8]. Sin embargo, los resultados experimentales mostraron que el flujo aguas arriba cuenta de una entrada del impulsor eran muy complicada y difcil de controlar, porque haba por lo general pre-remolinos cerca de la entrada del impulsor [8]. En general, se recomienda una incidencia positiva de aplicar en una bomba centrfuga diseo [9]. Pero tambin hay dificultades para determinar la geometra de entrada cuchilla, por ejemplo, cmo establecer la hoja ngulo de entrada y su distribucin a lo largo del borde de ataque de la cuchilla. Con el fin de investigar el efecto de ngulo de entrada de la cuchilla en las caractersticas de cavitacin de centrfuga bombas, especialmente para obtener la visin del desarrollo de cavitacin en el impulsor de la bomba, numrico se lleva a cabo la simulacin de cavitacin flujo turbulento en el interior de paso de flujo total de una bomba de condensado. E. C. Bacharoudis et al [10] [2008] han estudiado varios parmetros que afectan el funcionamiento de bomba y el consumo de energa como el dimetro de salida de impulsor, el ngulo de alabe y el nmero de alabes y evaluaron el funcionamiento de impulsores con el mismo dimetro de salida que tiene ngulos de salida diferentes. El acercamiento unidimensional con ecuaciones empricas es adoptado para el diseo de cada impulsor. La influencia del ngulo de alabe de salida sobre el funcionamiento es verificada con la simulacin CFD. Como el ngulo de paleta de salida aumenta la curva de funcionamiento se hace ms lisa y adular para la gama entera de los caudales.

III. Anlisis Y ResultadosPara el anlisis de nuestra bomba, tendremos en cuenta las siguientes ideas planteadas por E. C. Bacharoudis et al [10], Yun Chuan-yuan [3] y Kergourlay [4].Al finalizar el anlisis de flujo al CDF, podremos comprobar cuanto varia la eficiencia de una bomba baja la influencia de cambios geomtricos en su estructura.Para obtener las curvas de nuestra bomba utilizamos el siguiente montaje.

Figura 4, Montaje ExperimentalEn el anlisis experimental de nuestra bomba dio como resultado la siguiente grafica

Grafica 1, Curvas Caractersticas de una Bomba PerifricaEl cambio esperado al variar la estructura geomtrica de la bomba, es conseguir una nueva grafica donde sea notable el aumento de la eficiencia, dicho anlisis se llev acabo con la herramienta digital SOLIDWORKS. El anlisis de flujo de flujo se puede apreciar en la siguiente grfica.

Figura 5, Anlisis De Flujo Con Flow Simulation

IV. Bibliografa

[1] Gallimore S. Axial flow compressor design. Presented at the successfulexploitation of CFD in turbomachinery design. 1 Birdcage Walk, London:IMechE; 19th March 1998.[2] Makay E, Szamody O. Survey of feed pump outages. Prepared for Electric PowerResearch Institute Research, Project 641. Report: FR-754; 1978.[3] Yun Chuan-yuan. Numerical Calculation of Turbulent Flow, Performance ExperimentMixed-flow Pump Impeller. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery.V01.39, No.3 2008.[4] Kergourlay G, Younsi M, Bakir F, Rey R. Influence of splitter blades on the flow field [5] Luo X, Zhang Y, Peng J, Xu H y W Yu 2008 Diario de Ciencia Mecnica y Tecnologa 22 1971-76[6] Luo X Geometra de Entrada de Impulsor de 2004 Conveniente para un Doctor en Filosofa de Bomba de Turbo Mini Tesis (Kyushu Instituto de Tecnologa, Kitakyushu) [7] Luo X, Xu H y S Liu 2005 Diario de Universidad Tsinghua (Ciencia y Tecnologa) 45 704-7 (En chino) [8] Luo X, Liu S, Shao J y H Xu 2006 Diario de Universidad Tsinghua (Ciencia y Tecnologa) 46 1451-54 (En chino)[9] Zhang Y, Luo X, Yi Y, Zhuang B y H Xu 2011 Diario de Tramar Thermophysics 32 33-6 (En chino) [6] Luo X y Diseo de 2012 de B Ji y Optimizacin de Maquinaria Fluida (Beijing: Tsinghua Prensa de Universidad) p 91 (En chino)[10] E.C. Bacharoudis, A.E. Filios, M.D. Mentzos and D.P. Margaris, Parametric Study of a Centrifugal Pump Impeller by Varying the Outlet Blade Angle The Open Mechanical Engineering Journal, 2008, 2, 75-83