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7/22/2019 propuesta de adecuacin y actualizacin de un banco de
pruebas de bombas centrifugas para incluir el estudio de
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Abstract Se describe la propuesta de adecuacin y
actualizacin de un banco de pruebas para el estudio de
bombas centrfugas en el Laboratorio de Hidrulica del
Departamento de Geologa, Minas, e, Ingeniera Civil de la
UTPL, de cara a ampliar las posibilidades de trabajo e
incluir
la investigacin del desempeo de turbinas tipo turgo.
Keywords bombas centrfugas, experimentacin de bombascentrfugas,
turbinas turgo.
I. INTRODUCCIN
Dentro la iniciativa de incorporar fuentes renovables, enforma
experimental, al sistema de provisin de energa delcampus
universitario San Cayetano de la UTPL, un papelimportante juegan
las aplicaciones de hidrogeneracin.
El diseo de estas aplicaciones, requiere de la utilizacin deun
banco de pruebas para estudiar, en un ambiente controlado,
el funcionamiento de varios tipos de turbinas centrfugas, a
finde trasladar los resultados obtenidos a la implementacin delas
soluciones de hidrogeneracin en campo.
En este contexto, se decidi rehabilitar y adecuar un bancode
pruebas para estudio de bombas centrfugas, existente en
elLaboratorio de Hidrulica del Departamento de Geologa,Minas, e,
Ingeniera Civil de la UTPL. El banco de pruebasreferido, fuera de
servicio al momento de empezar el trabajo,fue modificado respecto a
la versin original fabricada porArmfield, para la experimentacin de
bombas centrfugas [1].Este trabajo, describe la propuesta de
adecuacin yactualizacin del banco, para posibilitar el estudio de
varios
tipos de turbinas, incluyendo la denominada turbina turgo.II.
GENERALIDADES DE LAS BOMBAS HIDRULICAS
Los bancos de prueba para ensayos en bombas, permitenreproducir,
en un ambiento controlado, las condiciones realesen las que operan
las mquinas hidrulicas, tuberas, y,accesorios [2]. Como resultado,
se obtienen curvascaractersticas de los sistemas hidrulicos, que
permitenevaluar la performance en condiciones de campo.
A. Sobre las bombas centrfugasLa finalidad bsica de una bomba
centrfuga, en cualquier
sistema de fluidos, es agregar energa al fluido. En una
bombacentrfuga, el lquido es forzado por la presin hacia
elimpulsor, que descarga el lquido a una presin ms alta, y, a
mayor velocidad. En el grupo de paletas de difusinestacionarias,
que rodean la periferia del impulsor, la mayor
parte de la energa de velocidad se convierte en energa depresin
[3].
Estructuralmente, una bomba centrfuga est conformadapor un
impulsor o rodete, una voluta, y, una tubera deimpulsin (ver
Fig.1).
Fig. 1 Elementos constituyentes de una bomba centrfuga.
[Disponible en:
http://fluidos.eia.edu.co/lhidraulica/guias/bombas/Bombas.html]
El impul sor o r odetees la parte mvil de la bomba, y,
estformado por un conjunto de labes que giran dentro de unacarcasa
circular, impulsados por un motor. Dado que una
bomba centrfuga es una mquina dinmica, para producir laenerga,
la bomba depende por completo de los cambios develocidad del
rodete.
Propuesta de adecuacin y actualizacin de un banco
de pruebas para el estudio de bombas centrfugas
A. Uchuary#1, J. Jaramillo#2
#1Profesional en formacin de IET, Universidad Tcnica Particular
de Loja
#2Docente Investigador de la SEE DCCE, Universidad Tcnica
Particular de Loja
Loja, Ecuador 2013#[email protected]
#[email protected]
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La volutaes un rgano fijo, dispuesto en forma de
caracolalrededor del rodete. La voluta recoge el lquido que
abandonael rodete a gran velocidad, cambia la direccin de
movimiento,y, encamina el lquido hacia la brida de impulsin de
la
bomba.
La tubera de impulsin, instalada a la salida de la
voluta,permite evacuar el lquido con la presin y la velocidad
creadas por la bomba [4].Las bombas centrfugas se clasifican de
acuerdo a varios
criterios. En funcin del tipo de impulsor, las bombascentrfugas
pueden ser de flujo radial, de flujo axial, y, deflujo mixto [3],
segn la direccin principal del flujo conrespecto al eje de rotacin
del impulsor.
De acuerdo a la disposicin del flujo, las bombascentrfugas
pueden ser de succin sencilla (con una solaentrada en un lado), de
succin doble (en que el agua fluye enforma simtrica hacia el
impulsor desde ambos lados).
Si la carga o elevacin de la bomba centrifuga, proviene de
un impulsor sencillo, entonces la bomba se denomina de unaetapa;
y, se conoce como de etapas mltiples, cuando seemplea dos o ms
impulsores funcionando en serie.
B. Parmetros bsicos de las bombas centrfugasLos parmetros bsicos
que definen el funcionamiento de
una bomba centrifuga, son la descarga, la cabeza, y, lapotencia
y eficiencia [5].
La descarga o caudal, es el volumen de lquido bombeadopor unidad
de tiempo. Habitualmente, el caudal se determinamidiendo la
velocidad del fluido al pasar por una seccin
determinada de la conduccin.
El trmino cabezase refiere a la elevacin de la superficielibre
del agua, sobre o por debajo de una referencia. Laenerga
proporcionada por la bomba a un sistema, se expresacomo la cabeza
equivalente del lquido que est siendo
bombeado, y, se conoce como la cabeza total de la bomba.
C. Curvas caractersticas de las bombas centrfugasLa curva de
bombeo o curva caracterstica de la bomba, es
la representacin grfica del rendimiento de la bomba. Lacurva
caracterstica se emplea para seleccionar una bomba
para una aplicacin especfica, o, para determinar si la
bombainstalada rinde al nivel de su capacidad nominal [4]. La
Fig.2muestra una caracterstica tpica en la cabeza, la eficiencia,
y,la potencia de la bomba, se expresan en funcin del
caudalmanejado.
Fig. 2. Curva caracterstica de una bomba centrfuga.
[Disponibleen:
http://facingyconst.blogspot.com/2008/07/bombas-centrfugas.html]
El punto de operacin de una bomba, es aquel en el que lacurva
caracterstica se intercepta con la curva caracterstica delsistema
[4]. La curva caracterstica del sistema, representa
elcomportamiento del sistema hidrulico al que se encuentrainstalada
la bomba (ver Fig.3).
Fig. 3. Comportamiento de un conjunto sistema -
bomba,enfatizando en el punto de operacin de la bomba.
[Disponibleen:
http://facingyconst.blogspot.com/2008/07/bombas-centrfugas.html]
III. GENERALIDADES DEL BANCO DE PRUEBAS ARMFIELD
El banco de pruebas disponible en el Laboratorio deHidrulica del
Departamento de Geologa, Minas, e,Ingeniera Civil de la UTPL, fue
construido por la firma
Armfield Limited en el ao 1990 (ver Fig.4)
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Fig. 4. Banco de pruebas de bombas centrifugas fabricadopor
Armfield. [Disponible
en:http://www.consultexim.hu/katalogus/armfield/dshtml/
rseries/r2.html]
El banco de prueba incluye una bomba centrfuga, deimpulsor
abierto de hierro fundido, con placa transparente de
plexigls, y, 4 puntos de muestreo de presin en diferentesradios.
El impulsor es activado por un motor de 1.6 KW de2900 rpm, de
velocidad variable controlada por tiristores [6].Las curvas de
rendimiento de la bomba centrfuga del banco,se muestran en la Fig.
5.
Fig. 5. Curvas caractersticas de la bomba incluida en el banco
de
pruebas de Armfield. [Disponible
en:http://www.consultexim.hu/katalogus/armfield/pdf/ r/r2.pdf]
El banco de pruebas tiene una capacidad volumtrica de 140litros,
sostenida por un depsito de 420 litros. En la versinoriginal, se
incluyen [7] un venturmetro, manmetros demercurio de 0.5m, 1m, y,
25m; un vacumetro de 0 a 5m paraun flujo de hasta 5 l/s, y, un
motor shunt de 2.1 HP. Elesquema de conexin del banco de pruebas se
muestra en laFig. 6. La instrumentacin del banco de pruebas,
permiteadquirir informacin relacionada a:
Cabeza de la bomba / caudal caracterstico avelocidad
constante
Caracterstica de rendimiento de la bombaintegrada (diagrama de
iso-eficiencia)
Determinacin de la relacin entre velocidad,caudal, altura, y,
potencia absorbida por una
bomba centrfuga Alimentacin, entrada / flujo caracterstico
Potencia de vlvula cerrada / cabeza caracterstica Impulsor de
distribucin de presin radial Calibracin de tubos Venturi.
Fig. 6. Esquema de conexin de los elementos del banco deprueba
de la bomba centrifuga. [Disponible
en:http://dspace.espoch.edu.ec/bitstream/123456789/896/1/15T00467.pdf]
IV. ADECUACIN Y ACTUALIZACIN DEL BANCO DEPRUEBAS
El banco de pruebas instalado en el Laboratorio deHidrulica del
Departamento de Geologa, Minas, e,Ingeniera Civil de la UTPL,
contiene una bomba centrfugaque mueve el agua a presin, a travs de
las tuberas, hastallegar a un inyector, que la enva una turbina
tipo Pelton. LaFig.7, muestra la campana que sostiene a la turbina,
elinyector, el sistema de alimentacin del inyector, y, el mdulode
medicin del par motor. En el marco de este proyecto, sedecidi
adecuar el banco de pruebas para experimentar
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tambin turbinas tipo turgo, a la vez que se actualizaba
lainstrumentacin existente.
Fig. 7. Estructura del bloque para experimentacin de la turbina
tipoPelton, instalado en el banco de pruebas. [Fotografa de
autores]
A. Propuesta de adecuacin del banco de pruebas para
incluir la variabilidad del ngulo de inyeccin
Por cuanto las turbinas tipo Pelton y tipo turgo, son turbinasde
accin, las acciones requeridas para la adecuacin del
banco de pruebas son mnimas.
Los cambios requeridos, incluyen diferenciar la forma
ydisposicin de los alabes [6], y, considerar la variabilidad
delngulo de inyeccin. En las turbinas de accin, el chorro de
agua incide de forma tangencial a la turbina, pero en
lasturbinas turgo, el ngulo de incidencia vara entre 15 a
22,respecto al plano diametral del rodete.
La Fig. 8, muestra la disposicin actual del inyector en elbanco
de pruebas. Para incluir la variabilidad del ngulo deinyeccin, se
analiz dos opciones potenciales: proveer demovilidad al inyector, o
proveer de movilidad a la campanaque sostiene a la turbina.
La primera opcin, present una serie de
inconvenientes,relacionados principalmente con la naturaleza
compacta de laestructura que sostiene al inyector, y, con la
necesidad de
proveer tambin de movilidad a las tuberas que alimentan
alinyector (ver Fig. 9).
a. Vista frontal del inyector.
b. Vista lateral del inyector.Fig.8. Ubicacin del inyector en el
banco de pruebas. [Fotografas deautor]
Fig. 9. Tuberas de alimentacin al inyector. [Fotografa
deautores]
La adecuacin de la campana, se mostr como la solucinms factible.
Se plante entonces, mantener la posicin delinyector, y, facilitar
el desplazamiento de la campana(consecuentemente la variacin del
ngulo de inyeccin), atravs del fresado de un canal en la base de
apoyo de lacampana, tal que la campana misma pueda girar respecto
alinyector (ver Fig. 10).
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Fig.10. Diseo del riel en el mdulo. [Diseo de autores]
B. Propuesta de actualizacin de la instrumentacin del
banco de pruebas
La Fig. 11 muestra una panormica del banco de pruebas,en la que
se aprecia la instrumentacin analgica existente,gran parte de la
cual se encuentra fuera de servicio.
Con la intencin de mejorar la adquisicin de data deldesempeo del
sistema, proporcionando incluso acceso onlineal banco de pruebas,
se decidi reemplazar la instrumentacinexistente con otra de formato
digital.
Fig.11. Instrumentacin existente en el banco de prueba[Fotografa
de autores]
De acuerdo a las variables que se registran en el banco
depruebas, se decidi la implementacin de un sensor de caudal,un
sensor de presin, sensor de velocidad tipo encoder. Ycomo elementos
adicionales se implementara un motorasncrono de 2HP, un variador de
frecuencia y una DAQ parala adquisicin de datos de cada sensor a
implementar.
Para la seleccin de los diferentes elementos a implementarse
considera dos caractersticas principales como la frecuenciade
muestreo y resolucin; adems se fija un techo para el erroren la
medicin del 5%.
Sensor de caudal
Para proceder a registrar la variable caudal presente en el
stand, se tom en consideracin las siguientes
restriccionespresentes en los datos tcnicos del banco de pruebas
como:caudal de 0 a 300 lts/min, presiones de 25 a 50psi, acople
detubera al sistema de 1,5 pulgadas.
Para registrar esta informacin, se seleccion un sensor deflujo
bajo 2536, tipo turbina con salida de pulsos (Ver Fig.12), cuyos
parmetros bsicos se resumen en la Tabla 1.
Fig.12. Sensor de caudal serie
2536[http://products.uscosupply.com/viewitems/flowmeters-process-controls-gf-signet-sensors-flow/2536-low-flow-sensor]
Tabla 1Caractersticas tcnicas del sensor de flujo bajo 2536
[8]Condicin Dato Valor
Datos generales
Rango de caudal 0,1 a 6 m/s
Precisin 1%
Repetibilidad 5%
Acople 0,5 a 36 pul
Presin Max 200psi
Condiciones elctricas
Fuente de voltaje 3,3 a 24 VDC
Fuente de corriente
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Fig.13. Sensor de
presin[https://www.mysick.com/saqqara/wrapper.aspx?id=im0032017]
Tabla 2
Caractersticas tcnicas del sensor de presin [9]Condicin Dato
Valor
Datos generales
Rango de medida 0 a 100 psi
Precisin 1% (de span)
No linealidad 0,5%
Acople 1/4 pulg
Grado de proteccin IP67
Condiciones elctricas
Fuente de voltaje 830VDC
Tipo de salida Voltaje
Salida 05 V
Sensor de velocidad
Para hacer el anlisis del rendimiento del sistema en el
aspectode rpm, se seleccion un sensor angular tipo
encoderincremental de serie HE40B-6-100-2-O-12, el mismo que
nos
permite determinar el nmero de rpm que se generan en elmotor o
en la turbina; tiene una salida en pulsos (100
pulsos/rev), (Ver Fig. 14), cuyos parmetros bsicos se
resumen en la Tabla 3.
Fig.14. Sensor de velocidad
[http://pdf.directindustry.com/pdf/hanyoung/hanyoung-product-guide/39710-80826-_62.html]
Tabla 3Caractersticas tcnicas del sensor de velocidad [10]
Condicin Dato Valor
Datos generales
Rango de medida 5000rpm
Tipo de eje 40mm
Dimetro externo 6mm
Numero de pul/rev 100
Fases 2
Tipo de salida NPN, Colectorabierto
Grado de proteccin IP50
Tipo de conexin Cable
Especificacioneselctricas
Max respuesta enFrecuencia
300kHz
Corriente de consumo 20-70mA
Tiempo de respuesta 1s Max.
Voltaje 12VDC
Adems de los sensores, tambin es necesario uninstrumento que nos
permita variar la velocidad del motor dela bomba centrifuga.
Como se muestra en la Fig. 15, en el banco de pruebasexiste un
variador de velocidad, el mismo que se encuentrafuera de servicio
por problemas elctricos existentes en elmismo.
Fig.15.Variador de velocidad del banco de pruebas [Diseo
deautores]
Por tal razn es necesario implementar un nuevo variadorde
velocidad seleccionado por la potencia del motor que sedesea
controlar.
Variador de velocidad
El variador de velocidad esta seleccionado de acuerdo a
lascaractersticas elctricas del motor, el mismo que tiene una
potencia de 2,1HP, trifsico, asncrono, con una velocidadmxima de
3600 rpm. El variador seleccionado se lo muestraen la Fig.16.
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Fig.16.Variador de velocidad marca
siemens[http://www.siemens.com.co/siemensdotnetclient_andina/templates/PortalRender.aspx?channel=76]
Tabla 4Caractersticas tcnicas del variador del tipo sinamics
6110 FSB [11]
Dato Valor
Potencia 2HP1,5kW
Fases 3
Alimentacin 240VDC
Frecuencia de entrada 60Hz
Compatibilidad DAQ
Control
Seal externa
BOP
Control por potencimetro
El variador es del tipo sinamics 6110 FSB para una potenciade
1,5kW, este equipo es apto para utilizarlo en redesequilibradas
capaces de entregar como mximo 10.000amperios (eficaces), para una
tensin mxima de 240 V, est
protegido por fusible de tipo H o K, por un interruptorautomtico
o mediante una lnea derivada para el motor
protegida.
Dispositivo DAQ
En la parte de la adquisicin de datos, la cual consiste entomar
seales analgicas para generar datos que puedan sermanipulados por
un ordenador. Estos datos se convierten entensiones elctricas que
se digitalizan de manera que se
puedan procesar en un computador.
De acuerdo a los sensores vistos anteriormente, tomando
enconsideracin sus salidas en voltaje en el caso de los
sensores
de caudal y presin, salida en pulsos en el sensor de
velocidad,se procedi a seleccionar una DAQ USB-6009 NI como
semuestra en la Fig. 17, cuyos parmetros bsicos se resumen enla
Tabla 5.
Fig.17. DAQ, adquisicin de datos
USB-6008/6009[http://www.ni.com/white-paper/6208/en]
Tabla 5Caractersticas tcnicas de la DAQ [12]
Dato Valor
Entradas analgicas 8 a 48kS/s
Salidas analgicas 2 a 150S/s
I/O digitales 12
Contador 32bits
Bits con entradas ref. a tierra 13bits
Error 0,012%
Ganancia Variable
Conexin externa USB
Voltaje mximo -20 a +20 VDC
V. CONCLUSIONES
Los bancos de prueba para ensayos de bombas,permiten reproducir,
en un ambiento controlado,
las condiciones reales en las que operan lasmquinas hidrulicas,
tuberas, y, accesorios. La finalidad bsica de una bomba centrfuga,
en
cualquier sistema de fluidos, es agregar energa alfluido. En una
bomba centrfuga, el lquido esforzado por la presin hacia el
impulsor, quedescarga el lquido a una presin ms alta, y, amayor
velocidad. En el grupo de paletas dedifusin estacionarias, que
rodean la periferia delimpulsor, la mayor parte de la energa de
velocidadse convierte en energa de presin.
Los parmetros bsicos que definen elfuncionamiento de una bomba
centrifuga, son la
descarga, la cabeza, y, la potencia y eficiencia. La propuesta
de adecuacin del banco de pruebas
de bombas centrfugas existente en el Laboratoriode Hidrulica del
Departamento de Geologa yMinas e Ingeniera Civil de la UTPL, se bas
enque la operacin de las turbinas de accin requieregestionar el
ngulo de incidencia del chorro deagua.
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http://www.consultexim.hu/katalogus/armfield/dshtml/rseries/r2.htm
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cienciasaplicadas, Departamento de mecnica, Gabriela Cristina
TobaRodrguez, Automatizacin del banco de pruebas ArmfieldFm20 de
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http://ri.biblioteca.udo.edu.ve/bitstream/123456789/308/1/Tesis-IM008-T80.pdf
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[3] Universidad de Oriente, Escuela de ingeniera y
cienciasaplicadas, Departamento de mecnica, Emir Jos Milano
Bruzco,Mejoramiento de los planes de mantenimiento preventivo de
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http://ri.biblioteca.udo.edu.ve/bitstream/123456789/304/1/Tesis-IM004-M56.pdf
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http://libros.redsauce.net/Bombas/PDFs/BOMBAS01.pdf
[Consultado el 17 de enero del 2013].[5] Universidad de San
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Mecnica, Ricardo Antonio RosadaMndez, Manual para los ensayos del
laboratorio de mquinashidrulicas [Online]: Disponible en:
http://www.biblioteca.usac.edu.gt/tesis/08/08_0473_M.pdf[Consultado
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