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EVALUACIÓN DE MONTAJES UTILIZADOS PARA PRUEBAS DE BOMBAS
TRABAJANDO COMO TURBINAS, CON UN CAPÍTULO SOBRE TABLEROS DE
DISTRIBUCIÓN.
PROYECTO DE GRADO
AUTOR:
JORGE LUIS GONZÁLEZ RODRÍGUEZ
ASESOR:
PhD ÁLVARO ENRIQUE PINILLA S.
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
FACULTAD DE INGENIERÍA
JULIO DEL 2020
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Contenido 1. Nomenclatura .................................................................................................................................... 4
1.1 Símbolos ..................................................................................................................................... 4
1.2 Subíndices ................................................................................................................................... 4
1.3 Superíndices ................................................................................................................................ 4
2. Introducción ...................................................................................................................................... 5
3. Objetivos ........................................................................................................................................... 6
3.1 Objetivos generales ..................................................................................................................... 6
3.2 Objetivos específicos .................................................................................................................. 6
4. Marco Teórico ................................................................................................................................... 7
4.1 Mecánica de fluidos .................................................................................................................... 7
4.2 Turbomáquinas ........................................................................................................................... 8
4.3 Bombas centrífugas trabajando como turbinas (PAT) .............................................................. 12
4.4 Tablero de distribución para arranque de motores .................................................................... 15
5. Equipos ........................................................................................................................................... 16
5.1 Bomba de alimentación ............................................................................................................ 16
5.2 Bomba-Turbina ......................................................................................................................... 17
5.3 Motores DC .............................................................................................................................. 17
5.4 Fuentes DC ............................................................................................................................... 19
6. Antecedentes ................................................................................................................................... 20
6.1 Proyecto de grado: Juan Sebastián Ochoa ................................................................................ 20
6.2 Proyecto de grado: Andrea Rodríguez Mier ............................................................................. 21
6.3 Proyecto de grado: Juan Esteban Torres Ruiz .......................................................................... 23
6.4 Proyecto de grado: Santiago José Galvis .................................................................................. 25
7. Estado actual de montaje ................................................................................................................ 27
8. Análisis de montajes utilizados para caracterización de PATs ....................................................... 28
8.1 Theoretical, Numerical and Experimental Prediction of Pump as Turbine Performance y
Effects of Blade Wrap Angle Influencing a Pump as Turbine........................................................ 28
8.3 Pumps as Turbines, Fundamentals and Applications - Instituto Superior Tecnico .................. 35
8.4 Influence of Nonflow Zone (Back Cavity) Geometry on the Performance of Pumps as
Turbines .......................................................................................................................................... 38
8.5 Optimization, Numerical and Experimental Study of a Propeller Pump .................................. 39
3
8.6 Stability Limits of Reversible-Pump Turbines in Turbine Mode of Operation and
Measurements of Unstable Characteristics ..................................................................................... 41
9. Propuesta de mejora ........................................................................................................................ 41
10. Manual y guía sobre tableros de distribución ............................................................................... 43
11. Conclusiones ................................................................................................................................. 45
12. Índice de ilustraciones................................................................................................................... 46
13. Índice de tablas ............................................................................................................................. 47
14. Referencias .................................................................................................................................... 48
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1. Nomenclatura
1.1 Símbolos A Área de sección transversal
CH Número adimensional de cabeza
CQ Número adimensional de caudal
CP Número adimensional de potencia
D Diámetro del impeler
g Aceleración de la gravedad
H Cabeza de presión
h Razón de cabeza para PAT
n Velocidad angular del impeler
ns Velocidad específica
p Presión
P Potencia
Q Caudal
q Razón de caudal para PAT
T Torque mecánico
U Velocidad tangencial
V Velocidad media la sección transversal
z Altura
W Velocidad relativa
β1 Ángulo de entrada del aspa
β2 Ángulo de salida del aspa
μ Factor de Slip de bomba
λ Factor de Slip de turbina
η Eficiencia
ρ Densidad del fluido
1.2 Subíndices a Atmosférico
E De Euler
f Por fricción
l Fugas
m Mecánico
p Bomba
t Turbina
v De vapor
W Hidráulico
1.3 Superíndices “ Teórico
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2. Introducción
La creciente demanda energética y el declive de los combustibles fósiles, debido a la contaminación
causada y su futura escasez, dan paso a las energías renovables como una necesidad más que una
opción. En Colombia existe la ventaja que alrededor del 70% de la capacidad instalada es en base a
energías renovables y, de este porcentaje, la energía hidráulica lo compone casi en su mayoría.
Tomando en cuenta la última subasta energética realizada a finales del 2019, donde fue dada la
adjudicación de 2 250MW, que representan 10% de la capacidad instalada actual, parece que el futuro
energético en Colombia es prometedor.
Sin embargo, inconvenientes e interrupciones referentes a este proyecto nacional ya están presentes:
Hidro Ituango, que era parte de esta adjudicación; mínima, o en algunos casos inexistente, producción
nacional de equipos como rotores eólicos, góndolas, celdas fotovoltaicas y turbinas hidráulicas;
sumando la crisis sanitaría actual, da a pensar que el desarrollo de estos proyectos tome más tiempo
de lo esperado. Por esto, vale la pena contemplar la producción de energía a menor escala, por lo
menos para aliviar la demanda o, ¿Por qué no?, ser suficiente para algunas comunidades o pueblos;
las demografías más afectadas por la ausencia de una red nacional total o por su mal estado.
Aprovechando los recursos hídricos que provee la geografía nacional, la micro producción de energía
hidráulica puede ser una solución a esta coyuntura. Estas “pequeñas” hidroeléctricas no usarían
turbinas convencionales, si no bomba centrífugas operando como turbina. Las razones de esta elección
son las siguientes:
• Ventaja económica. Las turbinas convencionales, como Pelton o Francis, son mucho más
costosas que bombas estándares de tamaños similares. Los constructores de turbinas son
limitados y su mercado también lo es. [1]
• La accesibilidad de adquisición. La compra y adquisición de bombas y sus repuestos es más
fácil que para turbinas y aún más en países en desarrollo. [1]
• Mantenimiento y robustez. Las bombas estándares no requieren técnicos altamente
calificados para su mantenimiento e instalación. Además, son relativamente simples y
robustas, y sus tuberías también lo pueden ser. [1]
Vale la pena mencionar que en algunos países ya hay plantas de micro generación eléctrica utilizando
bombas como turbinas. Algunos ejemplos son en: Malecón, España; San Vito di Cadore, Italia; San
Antonio, Chile y Beliche, Portugal. Tomando en cuenta que Colombia tiene mayor producción
energética con hidroeléctricas que los países mencionados [2], considerar la micro generación con
bombas como turbinas puede llegar a marcar la diferencia.
6
3. Objetivos
3.1 Objetivos generales
Realizar un trabajo de investigación sobre bombas trabajando como turbina con el fin de proponer
mejoras al montaje de caracterización de bombas como turbinas utilizado en la Universidad de los
Andes.
3.2 Objetivos específicos
Definir un manual de implementación y guía para un tablero de distribución destinado a mejorar el
rendimiento y seguridad del montaje de caracterización de bombas trabajando cómo turbinas.
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4. Marco Teórico
4.1 Mecánica de fluidos
Desde la mecánica de fluidos un fluido es aquel estado de la materia en el que cualquier esfuerzo
cortante realizado sobre él resulta en su movimiento, y por tanto el fluido se moverá y deformará
continuamente mientras que esté bajo un esfuerzo cortante. Esta es la diferencia fundamental que
distingue un fluido de un sólido y que permite estudiar, hasta cierto punto, un líquido y gas como
iguales. [3]
Un fluido tiene dos caminos para ser analizado, un estudio de las relaciones integrales para un volumen
de control o un estudio de las relaciones diferenciales para un flujo de fluido. Para este caso, debido a
su escala, un estudio a partir de un volumen de control resulta el más adecuado y permite obtener
resultados teóricos, bajo algunas suposiciones que simplifican su cálculo, que son cercanos y
aplicables a la práctica. La ecuación, o relación si se quiere, fundamental que permite este
acercamiento es la ecuación de Bernoulli. La ecuación de Bernoulli en primera instancia es una
relación idealizada de energía para un volumen de control de un fluido y es aplicables siempre y
cuando el flujo sea: estable, sus propiedades cómo velocidad, densidad y presión en cada punto del
flujo son independientes del tiempo; incompresible, su densidad permanece prácticamente igual a lo
largo del flujo; sin fricción, por paredes sólidas y efectos introducidos por mezclas; y flujo a lo largo
de una sola línea de corriente. [3]
𝑝1
𝜌𝑔+
𝑉12
2𝑔+ 𝑧1 =
𝑝2
𝜌𝑔+
𝑉22
2𝑔+ 𝑧2 = 𝑐𝑡𝑒 (1) (1)
Sin embargo, esta ecuación puede ser sujeta a algunas modificaciones que permiten añadir efectos
termodinámicos, especialmente adición y extracción de trabajo, y los causados por la fricción causada
por paredes. De este modo la introducción de turbomáquinas al estudio de fluidos se vuelve posible;
su efecto en la ecuación de Bernoulli resulta como un cambio de trabajo o para mayor practicidad
como cambio en la cabeza neta.
𝐻 = (𝑝
𝜌𝑔 +
𝑉2
2𝑔+ 𝑧)
2
− (𝑝
𝜌𝑔 +
𝑉2
2𝑔+ 𝑧)
1
+ 𝐻𝑓 (2)
Otra ecuación que pueden ser aplicada bajo las suposiciones realizadas para la relación de Bernoulli,
efectiva si el flujo es tomado con o sin fricción, es la ecuación de continuidad. La masa en el sistema
definido no cambia. Tomando como ejemplo una tubería, la masa por segundo que entra tiene que ser
igual a la masa por segundo que sale. Añadiendo que el flujo no es compresible, la densidad del flujo
no cambia a lo largo del trayecto, resulta en que el caudal que entra el sistema es igual al que sale. [4]
𝐴1𝑉1 = 𝐴2𝑉2 = 𝑄 (3)
8
ILUSTRACIÓN 1 CONSERVACIÓN DE MASA, ENERGÍA Y MOMENTUM. [4]
4.2 Turbomáquinas
Una turbomáquina puede ser definida como una máquina que intercambia energía con un flujo
continuo de fluido y un sistema de aspas continuamente rotando, dándose el intercambio de energía
por fuerzas generadas por el flujo. Una turbomáquina que extrae energía del flujo es usada para
conducir un elemento rotativo, generalmente llamado rotor, y este tipo de máquinas típicamente son
denominadas como turbinas. Cuando la energía es entregada al fluido por el rotor se puede estar
hablando de una bomba, para fluidos incompresible, compresor para fluidos compresibles de alto
aumento de presión, o ventilador para bajo aumento de presión. Para este caso se enfocará en bombas,
en específico centrífugas. [5]
ILUSTRACIÓN 2 VISTA PLANAR DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA [5]
Impeler/impulsor
Voluta
9
ILUSTRACIÓN 3 DETALLES DEL IMPELER Y ASPA [5]
Una bomba centrífuga es capaz de transportar líquidos mediante el aumento de presión de un volumen
especificado. Este aumento de presión es logrado por el impeler que acelera el fluido en dirección
circunferencial, luego la voluta desacelera el fluido y el difusor aumenta aún más la presión antes de
salir totalmente de la bomba. Por esto, el rendimiento de una bomba centrifuga está dado por la
velocidad del rotor, el caudal entregado, el aumento de presión, la potencia usada a la entrada, la
eficiencia y la cabeza positiva de succión neta NPSH (por sus siglas en ingles Net Positive Suction
Head). [5]
Con las siguientes ecuaciones y con 5 números adimensionales, es posible relacionar los parámetros
mencionados para distintos puntos de operación:
𝐻 =Δ𝑝
𝜌𝑔 (4)
La ecuación de cabeza entregada por la bomba puede ser definida desde la ecuación de Bernoulli
tomando en cuenta que: usualmente la velocidad del fluido a la entrada y salida de la bomba son casi
iguales, el cambio de altura no es más de 1 metro en la mayoría de los casos.
𝑃𝑤 = 𝜌𝑔𝑄𝐻 (5)
Esta potencia de salida es la que la bomba entrega efectivamente al fluido, también suele llamarse
wáter horsepower o potencia hidráulica.
𝜂 =𝑃𝑤
𝑛𝑇 (6)
Por ende, la eficiencia de la bomba es la razón de la potencia de salida por la potencia mecánica
entregada al eje de la bomba; esta última potencia viene siendo el producto del torque por la velocidad
angular en el eje. Puede ser vista como la potencia requerida para conducir la bomba y es llamada
brake horsepower (bhp) o potencia mecánica.
Superficie de succión
Superficie de presión
pre
Cubierta traseraCubierta frontal
Aspa
Cubo
Ojo
10
𝑁𝑃𝑆𝐻 =𝑝𝑎
𝜌𝑔− 𝑧𝑖 − 𝐻𝑓𝑖 −
𝑝𝑣
𝜌𝑔 (7)
El NPSH es la cabeza máxima que puede tener la bomba, en las condiciones de prueba del fabricante,
antes de que el fluido de operación, normalmente agua, llegue a su presión de vapor. El NPSH suele
tener complicaciones al momento de ser medido experimentalmente; si las condiciones no son
suficientemente seguras la cavitación causada puede terminar dañando el montaje de prueba. [3]
𝐶𝑄 =𝑄
𝑛𝐷3 (8)
𝐶𝐻 =𝑔𝐻
𝑛2𝐷2 (9)
𝐶𝑃 =𝑃𝑚
𝜌𝑛3𝐷5 (10)
Si bien los números adimensionales de caudal, cabeza y potencia pueden ser utilizados para obtener
resultados cercanos a la práctica, es notable que no toman en cuenta efectos de viscosidad y rugosidad.
Por esto, deben ser usados entre bombas que sean geométricamente similares y, si el fluido de
operación quiere ser cambiado, cambios en la viscosidad del orden de 3 veces o más tendrán efectos
notables en 𝐶𝐻 y 𝐶𝑄. [6]
ns =n√𝑄
(gH)3 4⁄ (11)
𝐷𝑠 =𝐷(gH)1/4
√𝑄
(12)
Estos dos últimos números adimensionales son la velocidad y diámetro específico. Estos números son
calculados en el punto de mejor operación de la turbomáquina; no se limitan a bombas centrífugas.
Son importantes porque tienen una correlación con la eficiencia y rendimiento de la turbomáquina. El
diagrama de Cordier (Ilustración 4) está compuesto por estos dos números y en él pueden estar curvas
para cada tipo de turbomáquinas, es particularmente útil al momento de diseñar. Además, cabe notar
que no todas las turbomáquinas son diseñadas para una eficiencia máxima, por lo que con
modificaciones a bomba centrífugas pueden obtenerse características de turbinas. [6]
11
ILUSTRACIÓN 4 DIAGRAMA DE CORDIER PARA TURBOMÁQUINAS [7]
12
Si tanto bombas como turbinas son turbomáquinas, tiene sentido para las turbinas tener parámetros, o
variables, similares a una bomba. Su variable de salida es brake horsepower, la potencia de frenado
que el eje es capaz de entregar, y esta depende de: el flujo de entrada, la cabeza disponible, la velocidad
del impeler y el diámetro. Por esto mismo las ecuaciones definidas previamente también son aplicables
para turbinas radiales. Algunos cambios tienen que hacerse, por ejemplo:
𝜂 =𝑃𝑚
𝜌𝑔𝑄𝐻
(13)
La ecuación de eficiencia es la inversa de la usada para bombas. No obstante, los números
adimensionales de caudal, cabeza y potencia son exactamente iguales. Por estas similitudes, una gran
simplificación que se puede hacer es que una bomba centrífuga trabajando al contrario puede ser
tomada como una turbina axial (aunque esto no se limita a bombas centrífugas, si será el enfoque que
se tomará). Esto lleva al concepto de bombas como turbinas, o normalmente conocidas como PAT
(pump as turbine). [3]
4.3 Bombas centrífugas trabajando como turbinas (PAT)
Una de las razones que una PAT puede llegar a tener buen rendimiento es debido a sus componentes,
en especial por la voluta, impeler y el tubo divergente. La voluta funciona como un distribuidor del
flujo alrededor del impeler cuando funciona como turbina, y funciona de forma adecuada porque su
método de diseño es a partir de velocidad constante, parecido al usado para el diseño de volutas de
turbinas Francis. El impeler inicialmente es diseñado para presurizar el fluido a partir de fuerza
centrífuga, y si bien no tiene las optimizaciones en sus aspas que tendría una turbina, por ejemplo, una
Pelton, tiene la capacidad de recibir energía con notable eficiencia. Por último, el tubo divergente, en
si no es propio de la bomba, pero si es acoplado directamente a la bomba, permite minimizar las
pérdidas a la salida de la PAT al convertir energía cinética en potencial; convierte la velocidad del
fluido en presión hidrostática. [5]
Un acercamiento teórico que puede relacionar la operación como bomba y como turbina empieza con
un análisis de sus triángulos de velocidades en ambos modos. Cuando la bomba opera en modo turbina
solo la dirección de rotación del eje y la dirección del flujo son contrarias del modo bomba, pero sus
triángulos de velocidades son diferentes. Otro inconveniente que presenta el cambio de modo es que
el ángulo de salida y entrada al impeler en modo turbina no son iguales. Sin embargo, con la ayuda de
la voluta, cuyo ángulo es aproximado al ángulo de entrada, puede hacerse la aproximación que la
cabeza de Euler para ambos modos de PAT es igual. [8]
𝐻𝑝𝐸 = 𝐻𝑡𝐸
(14)
13
ILUSTRACIÓN 5 TRIANGULO DE VELOCIDAD EN LA SALIDA DEL IMPELER DE UNA BOMBA [8]
ILUSTRACIÓN 6 TRIÁNGULOS DE VELOCIDAD, ENTRADA Y SALIDA, DEL IMPELER DE UNA TURBINA [8]
A partir de esta consideración junto al slip (factor de deslizamiento), la eficiencia hidráulica y la cabeza
teórica, para los dos modos de operación se llega a la siguiente relación de cabezas:
ℎ𝑝 𝑡⁄ =𝐻𝑡
𝐻𝑝=
𝑏
𝜂𝑝𝑎 (15)
Con a y b mayores que 1.0 y están relacionados con:
𝜂𝑝𝑎 = 𝜂𝑝𝑤𝜂𝑡𝑤, 𝑏 =
1
𝜆𝜇
(16)
De este análisis es que es posible definir que en modo turbina una bomba requiere de mayores cabezas
para la misma eficiencia, o por lo menos para la más cercana. [8]
A partir de la ecuación (15) puede llegarse a una relación de caudales teóricos siguiendo una relación
de fugas:
14
𝑄𝑙𝑡
𝑄𝑙𝑝=
𝑄𝑡"
𝑄𝑝"= √
𝐻𝑡
𝐻𝑝 =
𝑏0.5
𝜂𝑝0.5𝑎 (17)
A partir de esta relación puede aproximarse una relación añadiendo un factor que depende de los
caudales teóricos y las fugas a la ecuación (15):
𝑞 ≈ (𝑄"𝑝 + 𝑄𝑙𝑝
𝑄"𝑝 − 𝑄𝑙𝑝)
𝑏0.5
𝜂𝑝0.5𝑎 = 𝑐
𝑏0.5
𝜂𝑝0.5 (18)
C es mayor que 1. Por esto, la bomba trabajando como turbina requiere de mayores caudales. [8]
Otro desafío que tienen las PAT es que la operación como turbina es muy sensible a los cambios.
Alrededor de PMO los cambios de cabeza con respecto al caudal son mucho más pronunciados qué
en modo bomba. Sin embargo, la eficiencia en el PMO en ambos modos es muy cercana, tomando en
cuenta que en modo turbina requiere de mayores cabezas y caudales, y esto se debe a:
• Las fugas en modo turbina son mayores que en modo bomba;
• Las pérdidas en la voluta en turbina son menores que en bomba;
• Las perdidas por fricción en el impeler en ambos modos son similares, en bomba
aumentan por mayores velocidades del flujo y en turbina disminuyen por la convergencia del
camino del flujo;
• Por último, es considerar las pérdidas por choques, tomando el PMO como la
operación sin choques, este factor de pérdidas no tiene efecto en el cálculo del PMO. Para
modo turbina sería aconsejable evitar la operación a caudales menores del PMO ya que
después de este las perdidas por choques aumentan considerablemente. [5]
En la ilustración 5 está graficada una curva de caracterización completa de una PAT, tomando en
cuenta las pérdidas por fricción, fugas y choques. También es evidente la sensibilidad del modo
bomba, que puede entenderse como una curva con mayores pendientes.
Por estas características intrínsecas que tienen las PAT tiene sentido escoger una bomba con alta
velocidad específica. Además, debido al aumento de pérdidas por fugas, causadas por mayores
presiones de trabajo, los sellos de la maquina son de gran importancia. Otro elemento que toma
importancia son los rodamientos del eje; el aumento de fuerzas radiales y axiales disminuyen la vida
útil de los rodamientos. [5]
15
ILUSTRACIÓN 7 COMPARACIÓN DE PERDIDAS EN MODO TURBINA Y BOMBA. [1]
4.4 Tablero de distribución para arranque de motores
Un tablero de distribución, también conocido como tablero eléctrico, tiene como objetivo distribuir
adecuadamente la fuente de alimentación a través de distintos circuitos. Para acometidas de baja
tensión es fundamental tener un tablero de distribución para la seguridad y funcionamiento de equipos
utilizados. Esto se debe a que permite la instalación de elementos de maniobra, por ejemplo: los
contactores, guardamotores, relees y breakers.
El tablero de distribución permite la instalación de aparatos de mando y señalización que permiten a
operadores manipular con seguridad los contactos del circuito; algunos ejemplos: módulos de interfaz,
pulsadores, lámparas y muletillas. Estos elementos permiten que si existen sobre cargas en el sistema
los equipos como motores sean protegidos, también permite que haya redundancias en el circuito para
evitar accionar más de un equipo a la vez, para este caso, una bomba de alimentación y la PAT
operando como bomba no pueden estar funcionando al mismo tiempo. El tablero suele estar confinado
en una caja metálica para evitar tener el circuito expuesto. La caja, dependiendo de las normas, debe
tener características adicionales dependiendo del ambiente de instalación; para instalaciones que
involucren líquidos la caja debe evitar la filtración a distintos caudales que golpean el cofre.
Modo turbina Modo bomba
Fricción
Fugas
Teoría
Choques
Circulación
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ILUSTRACIÓN 8 EJEMPLOS DE TABLEROS DE DISTRIBUCIÓN ABIERTOS Y CERRADOS
5. Equipos
Los equipos que actualmente se encuentran disponibles en el sitio del montaje PAT, laboratorio de
fluidos ML 032, son los siguientes:
5.1 Bomba de alimentación
TABLA 1 VALORES NOMINALES PARA LA BOMBA SIHI ZLND 040200
Modelo ZLND 040200
Caudal [m3/h] 28.00
Velocidad angular [rpm] 1 800.00
Cabeza [m] 23.00
Potencia [hp] 4.00
Bomba SIHI
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5.2 Bomba-Turbina
TABLA 2 PMO TEÓRICO PARA LA ELECTROBOMBA PEDROLLO HFM 5B A PARTIR DE LAS CURVAS DE
CONSTRUCTOR.
5.3 Motores DC
Actualmente hay dos motores DC que pueden ser utilizados, uno de ellos es un generador que puede
funcionar como motor DC mientras que el otro es un motor DC Brushless que puede funcionar como
generador.
TABLA 3 VALORES NOMINALES DEL GENERADOR WINDSTREAM
El voltaje de salida depende de la carga y velocidad, puede definirse a partir de las curvas de
caracterización del proveedor:
ILUSTRACIÓN 9 CURVAS DE CARACTERIZACIÓN DEL GENERADOR WINDSTREAM
El generador Windstream, como fue mencionado, puede trabajar como motor DC y sus características
nominales son las siguientes:
Modelo Hfm 5B
Caudal [m3/h] 21.00
Velocidad angular [rpm] 3 450.00
Cabeza [m] 9.20
Potencia [hp] 1.00
Electrobomba Pedrollo
Modelo #443902
Corriente continua [A] 7.50
Corriente máxima [A] 15.00
Torque de arranque [Nm[ 0.13
Generador de imanes permanentes
Windstream
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TABLA 4 VALORES NOMINALES DE GENERADOR WINDSTREAM TRABAJANDO COMO GENERADOR
TABLA 5 VALORES NOMINALES DEL MOTOR DC BRUSHLESS VOLCANO
Este motor actualmente está con el siguiente controlador Brushless:
TABLA 6 VALORES NOMINALES DEL CONTROLADOR BRUSHLESS KELLY CONTROLS
TABLA 7 VALORES NOMINALES DEL MOTOR SIEMENS DE 3KW ACOPLADO A LA BOMBA DE
ALIMENTACIÓN
Modelo #443902
Corriente [A] 8.20
Voltaje [V] 90.00
Potencia [W] 700.00
Generador de imanes permanentes
Windstream como motor dc
Modelo VOL-BL07B24
Corriente [A] 36.76
Voltaje [V] 24.00
Potencia [W] 750.00
Motor DC Brushless Volcano
Modelo KBS24101X
Corriente de 30 segundos [A] 100.00
Corriente continua [A] 45.00
Voltaje mínimo[V] 12.00
Voltaje máximo [V] 24.00
Controlador de motor Brushless Kelly
Modelo LA7 112 4YB60
Corriente [A] 12.20
Voltaje [V] 220.00
Potencia [kW] 3.00
Motor Siemens acoplado a la bomba de
alimentación
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5.4 Fuentes DC
En proyectos pasados fueron usadas dos fuentes DC del departamento de Ingeniería electrónica y se
había planeado obtener una nueva fuente propia, esto debido a que las fuentes actuales no permiten
llevar el generador Windstream o el motor Volcano a operar a la capacidad nominal la PAT.
Igualmente serán presentadas las dos fuentes antiguas y la que se había planeado.
TABLA 8 VALORES NOMINALES DE LA FUENTE DE VOLTAJE KEPCO
TABLA 9 VALORES NOMINALES DE LA FUENTE DE VOLTAJE PROTEK
TABLA 10 VALORES NOMINALES DE LA FUENTE DE VOLTAJE SIEMENS
Esta última fuente tiene la característica que iba a estar integrada a un tablero de distribución, e iba a
ser utilizada para la caracterización de la PAT con el motor Volcano de 24V.
Modelo SM 325-2M
Voltaje de salida máximo [V] 325.00
Corriente de salida máxima [A] 2.00
Regulación 1%
Fuente de voltaje Kepco
Modelo PL3003T
Voltaje de salida máximo [V] 30.00
Corriente de salida máxima [A] 5.00
Fuente de voltaje Protek
Modelo 6EP3337-8SB00-0AY0
Voltaje de salida máximo [V] 24.00
Corriente de salida máxima [A] 40.00
Fuente de voltaje Siemens
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6. Antecedentes
Debido a que este proyecto es un eslabón más de un trabajo progresivo que se ha hecho sobre bombas
trabajando como turbinas, amerita comprender los avances y recomendaciones que anteriores
proyectos han dejado para comprender a que dirección puede avanzar este y futuros proyectos
6.1 Proyecto de grado: Juan Sebastián Ochoa
En el proyecto de Juan Sebastián Ochoa fue caracterizada por primera vez la bomba Predollo Hfm 5B
obteniendo resultados de eficiencia en modo turbina altos. En este proyecto aún no se tenía la bomba
de alimentación SIHI ZLND 040200 ni el sistema de tubería de PVC actuales; en cambio, el montaje
era más rudimentario. Sin embargo, si pudo dar las pautas para realizar la caracterización de PATs.
ILUSTRACIÓN 10 MONTAJE UTILIZADO PARA LA CARACTERIZACIÓN EN MODO TURBINA DE LA BOMBA
PEDROLLO HFM 5B [9]
21
Los resultados que Juan Sebastián obtuvo fueron los siguientes:
TABLA 11 RESULTADOS OBTENIDOS POR JUAN SEBASTIÁN OCHOA [9]
Luego, en su tesis de maestría, Juan Sebastián continuo el proyecto de bombas como turbina
planteando e implementando mejoras al montaje que llevaron, prácticamente, al diseño que se tiene
actualmente.
ILUSTRACIÓN 11 DISEÑO DE JUAN SEBASTIÁN OCHOA PARA EL MONTAJE DE BOMBAS COMO TURBINAS.
[10]
6.2 Proyecto de grado: Andrea Rodríguez Mier
En su proyecto, Andrea Rodríguez mejorar la eficiencia y funcionamiento de la bomba utilizada como
turbina a diferentes cargas. Esto lo logró haciendo trabajos de mantenimiento al banco de pruebas y
en haciendo un trabajo de arreglo sobre los rotores disponibles. Estos últimos empezaron con un
escaneo 3D donde fue posible identificar las imperfecciones geométricas en la fase de alineación y
fusión, luego, fueron maquinados para arreglar dichas imperfecciones.
22
ILUSTRACIÓN 12 ROTORES MODIFICADOS [10]
Los resultados que obtuvo fueron los siguientes, tomando en cuenta que varió la carga resistiva en el
generador y el caudal:
ILUSTRACIÓN 13 RESULTADOS OBTENIDOS POR ANDREA PARA EL ROTOR ORIGINAL [10]
ILUSTRACIÓN 14 RESULTADOS OBTENIDOS POR ANDREA CON EL ROTOR 2 [10]
23
ILUSTRACIÓN 15 RESULTADOS OBTENIDOS POR ANDREA PARA EL ROTOR 3 [10]
De estos resultados pudo evidenciarse que, por lo menos, para el rotor 2 si hubo un aumento en la
eficiencia de PAT evidente por que concluyó que la eficiencia del sistema está estrechamente
relacionada con la geometría del rotor. Además, pudo definir que para maximizar la producción
energética durante las pruebas se debe trabajar a resistencias bajas y caudales altos.
6.3 Proyecto de grado: Juan Esteban Torres Ruiz
En este proyecto, Juan Esteban Torres buscó articular el sistema conformado por una bomba centrífuga
y un motor de imanes permanentes con el fin de lograr un funcionamiento eficaz entre los dos modos
de operación. Por esto, resulto en la modificación en el banco de pruebas la lograr la conmutabilidad
eficaz entre ambos modos.
El primer cambio que hizo fue la implementación de un by-pass en tubería que pasa sobre el tanque
de alimentación, con el fin de poder trabajar en modo turbina cerrando válvulas que van a dar a la
bomba de alimentación, y trabajar en modo turbina abriendo las válvulas mencionadas y cambiando
la apertura del by-pass. Antes era necesario cambiar tuberías y añadir otras para poder conmutar el
modo de operación de la PAT.
24
ILUSTRACIÓN 16 BANCO MODIFICADO POR JUAN ESTEBAN TORRES. [11]
Con este banco modificado más un sistema inicial de relees, se pudo realizar la conmutación del
sistema. Sin embargo, si fueron reportadas vibraciones y ruidos provenientes de la PAT. Esto da a
conocer que el montaje, desde antes o quizá desde las modificaciones realizadas, no era lo
suficientemente robusto, por lo que en este proyecto el rendimiento del sistema fue significativamente
menor.
ILUSTRACIÓN 17 RESULTADOS OBTENIDOS POR JUAN ESTEBAN TORRES. [11]
ILUSTRACIÓN 18 RESULTADOS OBTENIDOS POR JUAN ESTEBAN TORRES. [11]
25
ILUSTRACIÓN 19 RESULTADOS OBTENIDOS POR JUAN ESTEBAN TORRES. [11]
6.4 Proyecto de grado: Santiago José Galvis
En este proyecto, Santiago Galvis busco desarrollar un dispositivo que permitiera la conmutación
efectiva entre los dos modos de operación de PAT, trabajando sobre el sistema de relees inicialmente
usados por Juan Esteban Torres. Además de esto, tuvo que realizar un dispositivo placa orificio para
poder medir el caudal dentro de la tubería; flujómetro ultrasónico se encontraba dañado.
El sistema de conmutación que fue implementado es el siguiente:
ILUSTRACIÓN 20 SISTEMA DE CONMUTACIÓN A BASE DE RELEES IMPLEMENTADO [12]
Al final de su proyecto, Santiago logró operar exitosamente la conmutación de sistema y no presento
los inconvenientes de vibraciones y ruidos en el banco de pruebas. Además, añadió un sistema de
medición de caudal adicional, aunque si reportó que el sistema placa orificio afectaba el rendimiento
de la PAT. Otro reportaje importante que hizo fue que actualmente no se ha podido llegar a operar la
PAT en modo turbina a su PMO basado en curvas del proveedor. Por esto, sugirió utilizar en el
26
siguiente proyecto el motor Brushless Volcano que es capaz de llegar mayores velocidades que el
generador Windstream trabajando como motor.
Los resultados obtenidos del rendimiento de la PAT son los siguientes:
ILUSTRACIÓN 21 RESULTADOS OBTENIDOS POR SANTIAGO GALVIS [12]
TABLA 12 RESULTADOS OBTENIDOS POR SANTIAGO GALVIS PARA LOS ROTORES DISPONIBLES [12]
27
7. Estado actual de montaje
ILUSTRACIÓN 22 ESTADO DEL MONTAJE PARA PATS
El estado del montaje (hasta finales de abril de 2020) consistía en:
• Un sistema abierto de tuberías de PVC;
• Un tanque de almacenamiento;
• La bomba SIHI acoplada al motor Siemens de 3kW;
• La bomba Pedrollo funcionando como PAT con un torquímetro acoplado que su vez
está acoplado al generador Windstream;
• Válvulas de admisión;
• Manómetros;
• El sistema eléctrico de conmutación para el motor Siemens de 3kW y el generador
Windstream;
• El arreglo de bombillos para la caracterización de los generadores.
Hasta la fecha ya un número de proyectos se han realizado en este montaje, cada vez adecuándolo a
tener mejor eficacia y facilidad de operación para actividades de bombas, turbinas y PATs. Uno de los
cambios más recientes fue el sistema de conmutación para los dos motores. Sin embargo, para este
semestre se había propuesto cambiar este sistema por un tablero de distribución del que luego se
discutirá más a fondo.
28
Otro cambio que se tenía planeado era la instalación del motor Volcano de 24V para reemplazar el
generador Windstream. Esto con el fin de tener un motor que llevara a la bomba Pedrollo a su punto
de operación nominal. Este motor iba a ser potenciado la fuente de voltaje Siemens de 24V que estaría
en el cuadro de distribución.
8. Análisis de montajes utilizados para caracterización de PATs
8.1 Theoretical, Numerical and Experimental Prediction of Pump as Turbine Performance
y Effects of Blade Wrap Angle Influencing a Pump as Turbine.
El primer informé que será analizado es Theoretical, numerical and experimental prediction of pump
as turbine performance. Este informe presenta un modelo teórico para predecir el desempeño de una
PAT usando análisis teóricos y correlación empírica. El modelo que presentan en parte ya ha sido
presentado en el capítulo 4.3 Bombas centrífugas trabajando como turbinas (PAT), son las
ecuaciones (15), (16) y (18) con lo que se puede estimar la cabeza y caudal en modo inverso. En el
informe a partir de resultados experimentales de: proporción de cabeza de PATs, a distintas
velocidades específicas; proporción de descarga de PATs, con bombas a máxima eficiencias. Resultan
en los siguientes ajustes a las ecuaciones mencionadas por correlación empírica: [8]
ℎ =1.2
𝜂𝑝1.1 (19)
𝑞 =1.2
𝜂𝑝0.55 (20)
Además, añaden la siguiente relación para estimar la velocidad específica de la bomba a partir de la
velocidad específica de la turbina: [8]
𝑛𝑠𝑝 = 1.125𝑛𝑠𝑡 + 1.73
(21)
29
En términos de montaje, el usado para la caracterización de PATs es el siguiente:
ILUSTRACIÓN 23 ESQUEMA DEL MONTAJE DE PRUEBA PARA PATS EN LA UNIVERSIDAD DE JIANGSU [8]
ILUSTRACIÓN 24 CONEXIÓN DE LA PAT PARA LA PRUEBA EN LA UNIVERSIDAD DE JIANGSU [8]
La principal diferencia que tiene este montaje es todo lo que se encuentra a lado derecho del
torquímetro. Tienen implementado una bomba de consumo, es usada para disipar la energía generada
por la PAT. Esta bomba vendría siendo el arreglo de bombillos, claramente las diferencias son
numerosas. Esta bomba tiene conectado otro sistema abierto de tuberías. Aunque en el informe no sea
presentado, se puede indagar que en este sistema adicional de tuberías hay los instrumentos necesarios,
como manómetros y flujómetros, para poder calcular la energía generada por la PAT que es transmitida
a la bomba de consumo. [8]
Otra diferencia es que el montaje de la Universidad de Jiangsu parece ser mucho más robusto,
industrial se podría decir. Esto permite trabajar a mayores presiones y caudales, los trayectos de tubería
tienen mayor longitud por lo que valdría la pena tomar en cuenta pérdidas por fricción, pero a su vez
Válvula
Flujómetro de la
turbina
manómetro
Bomba de
alimentaciónTorquímetro
Bomba de
consumo
30
el flujo podría desarrollarse uniformemente y obtener valores de caudal con mayor exactitud, o, en
general, menor turbulencia. Esta robustez también permitiría que el by-pass del montaje, usado
posiblemente para control de caudal en modo turbina y caracterización en modo bomba, no cause
muchas perturbaciones del flujo por causa de vibraciones; vibraciones que ocurren en el montaje de
la Universidad de los Andes al usar el by-pass disponible.
ILUSTRACIÓN 25 MONTAJE DE PRUEBAS DE BOMBAS DE LA UNIVERSIDAD DE JIANGSU [8]
Este montaje luego vio un cambio y es evidenciado en el artículo Effects of Blade Wrap Angle
Influencing a Pump as Turbine.
ILUSTRACIÓN 26 SEGUNDO MONTAJE PARA PRUEBAS DE PATS DE UNIVERSIDAD DE JIANGSU [13]
Este montaje actualizado cambia el sistema enfocado a la bomba de recuperación con un EECD (Eddy
current dynamometer) conectado a la PAT y a un computador que tiene conectado el flujómetro y dos
transmisores de presión. El elemento clave, parece ser, el EECD. [13]
Válvula
Bomba
Transmisor de presión
Flujómetro
Computador
31
El EECD mide el torque y potencia del motor principal. El rotor del EECD gira con la ayuda del eje
del motor principal y el voltaje es aplicado al embobinado o casa del estator. Luego, debido a los flujos
magnéticos generados y que el rotor corta estos flujos, la corriente parásita opuesta al cambio en el
flujo magnético es generada en el rotor. Esto resulta en que el rotor obtenga una fuerza opuesta e
intente reducir la rotación del rotor. Pero el torque del motor principal mantiene la velocidad. Este
torque es medido por el sensor del EECD. Debido a que este dinamómetro funciona como un tipo de
carga, funciona para medir distintas características de equipos mecánicos de prueba como: motores de
combustión interna, motores eléctricos de mediana y baja potencia, sistemas de transmisión y turbinas
de agua. [14]
ILUSTRACIÓN 27 EJEMPLO DE UN EECD [14]
En general los beneficios que trae un EECD son:
• Tiene simple estructura, operación y mantenimiento conveniente;
• Tiene un alto torque de frenado, alta precisión y operación estable;
• Baja inercia rotacional y respuesta dinámica rápida;
• Con monitoreo y sistemas de control puede realizar operaciones automáticas. [14]
Por esto, resultaría adecuado tener un EECD en la caracterización de PATs ya que estaría remplazando
el torquímetro, el generador y las cargas resistivas usadas para simular la carga en el generador. Esto
permitiría tener mayor precisión en dos variables relacionadas con el rendimiento de la PAT, torque y
potencia generada, y una variable de entrada que sería la carga del generador. Además, da la
posibilidad de tecnificar aún más un montaje en el futuro; añadiendo un sistema de control al sistema
permitiría mejorar el rendimiento en que se lograrían las pruebas con PATs, tanto en modo turbina
como en bomba.
Además, este artículo compara resultados obtenidos por CFD y experimentalmente del efecto del
ángulo de envoltura 𝜖𝑠𝑏 (wrap angle) del aspa en el rendimiento de las PAT con distintas velocidades
específicas.
32
ILUSTRACIÓN 28 ÁNGULO DE ENVOLTURA (WRAP ANGLE) DEL ASPA DE UN ROTOR [4]
Los resultados obtenidos dan a conocer que a medida que el ángulo de envoltura disminuye también
lo hace el gradiente de velocidad en el impeler. Esto lleva a que las pérdidas hidráulicas disminuyan.
El canal de flujo del impeler es reducido a medida que también lo hace en ángulo de envoltura, esto
resulta en la disminución de las pérdidas por fricción en la superficie del canal de flujo del impeler.
[13]
Añadiendo el efecto de la velocidad específica, el análisis de la distribución de pérdidas dio a conocer:
• Las pérdidas hidráulicas en el impeler representan la mayor parte de las pérdidas totales;
• La razón de pérdidas en el impeler y las pérdidas totales crece con el aumento de la velocidad
específica. [13]
Esto dio a conocer que la optimización de PATs deberían enfocarse en el impeler. [13]
8.2 Pumps as Turbines, Fundamentals and Applications – Universidad Federico II
El siguiente montaje para analizar se encuentra en la Universidad de Federico II en Nápoles, Italia. La
información de este montaje se encuentra en el libro Pumps as Turbines, Fundamentals and
Applications. El esquema y vista del montaje es el siguiente:
ILUSTRACIÓN 29 ESQUEMA DEL MONTAJE PARA LA PRUEBA DE PATS EN LA UNIVERSIDAD FEDERICO II
Transductor de presión
Flujómetro
Válvula de aguja
Válvula de compuerta
motorizada
Salida
Cámara de aire
Nodo MS Nodo SS
33
ILUSTRACIÓN 30 PLANTA FÍSICA UTILIZADA PARA PRUEBAS DE PATS EN LA UNIVERSIDAD FEDERICO II
Este montaje, o mejor planta de prueba, consiste en una red de laboratorio de cuatro lazos que
reproduce la operación de una pequeña red de alimentación de agua (WSN Water Supply Network).
La red de agua es alimentada por una bomba con caudal de descarga de 40-50l/s con una cabeza
máxima de 100m. Una cámara de aire aguas abajo de la bomba trabaja como un tanque de
compensación que permite que la presión en la entrada de la red sea constante evitando perturbaciones
en el flujo. Debido a los caudales y presión con los que se trabaja, la tubería es de hierro fundido con
un diámetro nominal de 150mm. [5]
El sistema tiene 19 válvulas motorizadas en los nodos de la red, que son controladas remotamente por
actuadores eléctricos, que permiten el control del flujo a lo largo de las tuberías. La red permite trabajar
con dos PAT simultáneamente, seguramente para analizar el comportamiento en paralelo, y cada una
está conectada a un inversor que permite: controlar la rotación del impeler y maximizar la potencia
generada. La obtención de datos se hace remotamente mediante un sistema SCADA conectado a
controladores de programación lógica (PLCs). Por esto, hay un total de 11 transductores de presión y
7 flujómetros dispuestos en la red. [5]
ILUSTRACIÓN 31 VISTA DETALLADA DE LOS NODOS CON PATS
34
La característica fundamental de este montaje es su alta tecnificación. La escala en la que trabajan las
PAT en esta planta hacen que elementos como la cámara de aire, dos PAT en paralelo y las condiciones
de operación no sean adaptables a las condiciones disponibles en la Universidad de los Andes. Sin
embargo, si vale la pena detallar los elementos de los nodos con PATs. Para un circuito abierto resulta
casi que necesario un by-pass para tener un buen control del sistema, con el fin que, al disminuir el
caudal de entrada a la bomba, cerrando la abertura de una válvula, no cauce cavitación. En este caso
el by-pass tiene 3 válvulas: una válvula de aguja entre dos de compuerta. Esto, además de permitir
tener mayor control en el caudal, posiblemente está para realizar tareas de mantenimiento permitiendo
la menor cantidad de fugas. Las válvulas de aguja son particularmente útiles en aplicaciones de alta
presión, también cuando hay cambios considerables de presión evitan que haya cavitación, por esto,
posiblemente las tienen instaladas antes de las PAT.
El ramal que tiene la PAT tiene dos configuraciones distintas, pero resulta más adecuada la del nodo
MS. Este nodo tiene dos transductores de presión, uno antes y uno después de la turbina, un flujómetro
antes del by-pass y el ramal de la PAT y uno después de la PAT. De este modo se estaría obteniendo
valores de presión y caudal en puntos críticos del sistema con mayor precisión debido, a parte del
sistema SCADA, a la ausencia de instrumentos análogos en los que influye la interpretación del
observador. Además, el sistema resulta tener gran robustez y evita tener trayectos verticales mayores
a 1 metro, más que todo es horizontal la distribución de la red. Esto permitiría que el sistema tenga
soportes más estables que a su vez eviten vibraciones. Finalmente, el tanque de aire presurizado
permite tener más exactitud y precisión al momento de definir la presión de trabajo del sistema.
Aunque, claro, esta planta está altamente tecnificada por lo que intentar replicarla sería
extremadamente costoso, pero su estructura permite tener un acercamiento a lo quepuede ser un
montaje ideal de caracterización de PATs.
35
8.3 Pumps as Turbines, Fundamentals and Applications - Instituto Superior Tecnico El siguiente montaje, disponible en el libro Pumps as Turbines, Fundamentals and Applications, está
ubicado en el Instituto Superior Tecnico en Lisboa, Portugal. El esquema y vista del montaje es el
siguiente:
ILUSTRACIÓN 32 ESQUEMA DEL MONTAJE PARA PRUEBAS DE PATS EN EL INSTITUTO SUPERIOR TECNICO
[5]
ILUSTRACIÓN 33 PLANTA PILOTO DE PATS DEL INSTITUTO SUPERIOR TECNICO [5]
Esquema de prueba de
PAT - General
Material de tubería
Válvula de bola
Flujómetro
Sensor de presión aguas arribaSensor de presión aguas abajo
BombaBomba como turbina
Recipiente circular de aire
36
ILUSTRACIÓN 34 MODELO DE LA PLANTA PILOTO DEL INSTITUTO SUPERIOR TECNICO [5]
Este montaje, también llamado planta piloto, está construido a partir de un solo trayecto de tubería con
una PAT, con el fin de simular la operación de una red de transmisión o un ramal de una red de
alimentación de agua. El flujo de agua es dado por una bomba de 4kW que alimenta un tanque de aire
presurizado y este último es el encargado de mantener la presión constante en la tubería. La longitud
de la tubería es de 114m y está construida: por 14m de tubería de PVC (PVC DN50 PN6) y 100m de
tubería de polietileno (PEAD DN50 PN5). Además, una máquina de inducción de 0.55kW de potencia
nominal está conectada a la PAT. [5]
Este montaje puede trabajar en distintas configuraciones utilizando 5 válvulas que dan al tanque de
almacenamiento, esto con el fin de simular diferentes combinaciones de emisores, como hidrantes de
irrigación. Estas válvulas pueden estar totalmente abiertas, totalmente cerradas o parcialmente
abiertas/cerradas para definir el rendimiento en distintas condiciones hidráulicas. El tanque de aire
mantiene la presión alrededor de 3 bar (300 kPa) y puede llegar a un máximo de 4 bar con una
capacidad de 1m3. [5]
ILUSTRACIÓN 35 VÁLVULAS DE SALIDA AL TANQUE DE ALMACENAMIENTO [5]
Las variables del sistema son medidas con un flujómetro electromagnético, transductores de presión,
un multímetro y un tacómetro. Con estos elementos se han caracterizados PATs y analizado el efecto
37
de estas en una red acuífera, en especial por la longitud de tubería con la que se está trabajando,
también pueden estudiarse respuestas transitorias rápidas. [5]
A la salida de cada una de las 3 fases del generador hay una resistencia de 150 Ω para simular una
carga en el sistema. Sin embargo, mencionan que lo ideal debería ser un banco de resistores variables
para simplificar la regulación de la carga. Además de los resistores, el montaje también tiene
capacitores para simular distintos puntos de excitación de la máquina. Finalmente, cuando se hacen
pruebas con la red, la máquina de inducción, que resulta ser un motor, debe sobrepasar su velocidad
sincrónica. Por esto el rotor de la PAT también debe superar esta velocidad sincrónica ya que están
conectados directamente. Después de superar la velocidad sincrónica el motor empieza a funcionar
como generador. [5]
Este montaje, aún con espacio limitado, logra recrear condiciones de operación en una red acuífera
usando tubería flexible enrollada, tomando en cuenta que en sí la planta no tiene una apariencia
robusta; no requiere de tuberías de hierro fundido como otras plantas de alta calidad. También da
evidencia que el uso de tanques presurizados puede implementarse con seguridad usando tuberías no
metálicas y con válvulas bola, válvulas que normalmente son usadas en operaciones de baja presión
que, para efectos prácticos, son de tipo on/off.
Sin embargo, esta planta es totalmente dedicada a caracterizar la PAT solo como turbina. Esto se
evidencia porque el by-pass y la salida de la bomba se conectan en una línea común antes de llegar al
tanque. Además, de lo que se puede evidenciar, el único retorno al tanque se da mediante las válvulas
que están elevadas; no hay tubería que entre directamente al fluido almacenado. Esto presentaría algún
que otro inconveniente con la seguridad de equipos electrónicos.
Los montajes que serán mostrados a continuación no proveen suficientes detalles como los anteriores.
No obstante, amerita revisarlos con el fin de obtener mayor entendimiento en este tipo de montajes.
38
8.4 Influence of Nonflow Zone (Back Cavity) Geometry on the Performance of Pumps
as Turbines
Montaje presentado en el paper Influence of Nonflow Zone (Back Cavity) Geometry on the
Performance of Pumps as Turbines, y se encuentra en el Sardar Vallabhbhai National Institute of
Technology:
ILUSTRACIÓN 36 MONTAJE DE PRUEBAS DE PATS DEL SARDAR VALLABHBHAI NATIONAL [15]
Este montaje, por su estructura, está diseñado solamente para la operación como turbina de la PAT.
Usa un dinamómetro de corrientes parásitas (EEDC) por lo que no tiene necesidad de usar un
generador o motor de inducción a la salida de la PAT. Muestra la existencia de un variador de
frecuencia a la entrada del motor que alimenta la bomba de alimentación, esto también se tiene en el
montaje de la Universidad de los Andes. De lo demás, cabe hablar del tubo divergente a la salida de
la PAT, estos tubos son útiles disminuyendo las pérdidas hidráulicas como fue explicado en el marco
teórico.
En lo que respecta el contenido de este artículo, está enfocado al estudio del efecto de las zonas de no
flujo como las cavidades traseras en las bombas con aspiración axial.
Flujómetro electromagnético Válvula de control
Dinamómetro de corriente parásita
Sensor de torque
Manómetro
Tubo divergente
Panel del variador de
frecuencia
Panel de control
Cama de prueba
Bomba de
alimentación
Sumidero común
39
ILUSTRACIÓN 37 VOLUMEN DE CONTROL DE UNA PAT CON ZONAS DE FLUJO Y NO FLUJO [15]
La zona de no flujo fue rellenada con lo que denominaron BCF (back cavity filling) con distintas
geometrías: anillo cónico, anillo cilíndrico y disco hueco; y distintos materiales: madera y acero de
bajo carbono. [15]
Sus resultados dieron a conocer que se debería realizar el relleno de las zonas de no flujo por seguridad
y rendimiento. Encontraron que con el BCF la eficiencia de la PAT aumentó consistentemente entre
1.3% y 3.6% para todas las pruebas. También fue reportado la disminución y hasta eliminación de
sonidos y vibraciones de la bomba cuando operaba en sobrecarga, por lo que concluyeron que este
comportamiento podría ser un elemento de investigación significatuvo en el estudio futuro de PATs.
[15]
8.5 Optimization, Numerical and Experimental Study of a Propeller Pump
El siguiente montaje se encuentra en el artículo Optimization, Numerical and Experimental Study of a
Propeller Pump en la Iran University of Science & Tecnology. Debido a que usan una bomba de hélice
no se enfocará mucho en los resultados obtenidos, además que no fueron suficientemente satisfactorios
según los mismos autores
Cavidad frontal, zona
de no flujo
Zona de flujo, efectos
Zona de transición
Cavidad trasera, zona
de no flujo
40
ILUSTRACIÓN 38 MONTAJE UTILIZADO PARA PRUEBAS DE PATS EN LA IRAN UNIVERSITY OF SCIENCE
& TECNOLOGY [16]
.
ILUSTRACIÓN 39 MONTAJE UTILIZADO PARA PRUEBAS DE PATS EN LA IRAN UNIVERSITY OF SCIENCE
& TECNOLOGY [16]
Este montaje parece ser solamente para trabajar en modo turbina por la ausencia de un by-pass que
permita un lazo que contenga únicamente la PAT. Parece que utilizan un tubo de Venturi con el fin de
calcular la presión del fluido ya que, por lo menos en el diagrama, no hay rastro de algún manómetro
o transductor de presión. Por lo demás no parece que haya algo más que destacar.
41
8.6 Stability Limits of Reversible-Pump Turbines in Turbine Mode of Operation and
Measurements of Unstable Characteristics
El artículo Stability Limits of Reversible-Pump Turbines in Turbine Mode of Operation and
Measurements of Unstable Characteristics presenta su montaje ubicado en NTNU University of
Trondheim, en Noruega.
ILUSTRACIÓN 40 ESQUEMA DEL MONTAJE UTILIZADO PARA PRUEBAS PATS EN LA NTNU UNIVERSITY
OF TRONDHEIM [17]
Este esquema, aunque sencillo, presenta un montaje en circuito cerrado. Aun así, el disponible en la
Universidad de los Andes sea abierto este montaje tiene, lo que parece, un tanque presurizado después
de la bomba, un elemento que también se ha visto en montajes de circuito abierto. Este elemento
parece que es esencial para obtener valores de presión con precisión y exactitud. Por lo demás, no hay
mucho más.
En lo que respecta al artículo en sí, presentan el comportamiento de PATs en condiciones de
inestabilidad. Empezaban operando el sistema en modo turbina y luego tenía una transición en modo
bomba. Haciendo esto, entraba el sistema en condiciones de inestabilidad. En este estado, el sistema
presentaba comportamiento con histéresis, con suficiente sensibilidad a cambios en la velocidad que
causaba saltos en el tipo de operación, de turbina a bomba. [17]
9. Propuesta de mejora
Recapitulando la investigación realizada sobre montajes usados para la caracterización de bombas
como turbina, fueron definidos los siguientes puntos:
• Con el fin de poder caracterizar los dos modos de operación de la PAT es necesario tener un
by-pass; si bien ya hay uno, durante el proyecto de Juan Esteban Torres hubo complicaciones
relacionadas con vibraciones y ruidos, posiblemente atribuibles al nuevo tramo de tubería.
Con el fin de tener mayor seguridad, el by-pass puede ser sujetado al tanque de
almacenamiento y también instalar juntas antivibratorias. Estas últimas no deben ser limitadas
a la tubería del by-pass solamente. A parte de permitir la conmutación entre turbina y bomba
sin necesidad de cambiar la ubicación de las tuberías, este elemento permite trabajar a
caudales más bajos el sistema; a medida que se cierre la válvula que permite el flujo a la PAT,
Generador torque y
velocidad
Flujómetro
Bomba
Diferencia de presión
42
la velocidad del fluido aumenta y también la posibilidad de cavitación. El by-pass alivia el
aumento de velocidad del flujo.
• Si se fueran a presentar más vibraciones y sonidos en el sistema durante la operación, vale la
pena considerar reducir la distancia vertical del banco de prueba; intentar modificarlo para
que sea más cercano al suelo, permitiendo instalar soportes de menor altura y mayor robustez.
• Si se quiere empezar a trabajar mayores caudales, la tubería debería aumentar de longitud con
el fin de que el fluido pueda desarrollarse de manera adecuada antes de llegar a la PAT. Para
este desafío puede considerarse usar tubería flexible como la PEAD DN50 PN5 usada en el
montaje del Insituto Superior Tecnico.
• Si se quiere empezar a trabajar mayores cabezas, vale la pena considerar utilizar válvulas de
aguja en los puntos críticos del sistema; antes de la PAT y en el by-pass. Si el sistema empieza
a presentar, o se prevén, vibraciones o inestabilidades causadas por el aumento de presión, un
tanque de compensación ayudaría. Tomando en cuenta la accesibilidad a aire comprimido en
los laboratorios y que el montaje sea un circuito abierto, el tanque de compensación podría
cargarse solo al momento de realizar pruebas.
• Con el fin mejorar el sistema relacionado con el generador, un banco de resistencia permite
tener mayor control y certeza para la simulación de cargas en el sistema. Si se quiere avanzar
más, usar capacitores para simular distintos niveles de excitación de la máquina de inducción.
• Si va a usarse el motor Volcano de 24V como generador, su rotor tiene que estar a velocidades
mayores a su velocidad sincrónica. Tomando en cuenta que, a partir del proyecto de Santiago
Galvis, fue propuesto utilizar este motor para llevar la PAT en modo bomba a su PMO teórico
basado en las curvas del constructor.
• Si se quiere empezar a tecnificar el montaje, quizá empezar con la instalación de flujómetros
de inserción. Idealmente después de la bomba de alimentación, en el ramal de la PAT y en el
by-pass. Se sugiere empezar con este sensor debido a que el flujómetro ultrasónico disponible
ya ha tenido una falla y su corrección fue demorada. Además, el sistema placa orificio
utilizado para aliviar la falta de este instrumento requiere modificar la tubería y afecta el
rendimiento de la PAT según lo informado por Santiago Galvis.
• Idealmente la mejora a los manómetros sería implementar transductores de presión en la
salida de la bomba de alimentación, antes y después de la PAT.
• Un instrumento que permitiría ayudar, no solo a este montaje, es un dinamómetro de
corrientes parásitas (EECD). En algunos montajes este instrumento remplazaba todo el
sistema eléctrico relacionado con la máquina de inducción incluyendo el torquímetro.
• Tomar en cuenta que, basado en los informes analizados, el elemento de la PAT que más
influye en la eficiencia/rendimiento es el impeler. Las modificaciones normalmente utilizadas
son: el redondeo de la punta del aspa y bordes de entrada de la voluta; evitar recortar el
impeler. Esta última modificación es utilizada para ajustar los datos hidráulicos de la bomba,
pero disminuye su eficiencia.
43
10. Manual y guía sobre tableros de distribución
Si bien actualmente el sistema bomba-turbina puede ser conmutado satisfactoriamente entre sus dos
modos de operación, el sistema eléctrico encargado de esta operación no tiene la robustez necesaria
para la operación segura. Tomando en cuenta que el montaje (de la Universidad de los Andes) se
encuentra en un ambiente con el riesgo de fugas de agua y que el mismo montaje trabaje con agua, no
resulta para anda adecuado tener cables sin protección alguna y elementos eléctricos como relees e
interruptores protegidos por un acrílico, debería considerarse seriamente la implementación de un
tablero de distribución para poder continuar este proyecto de forma segura y más eficiente.
Este tablero de distribución permitiría tener todos los elementos de distribución y protección eléctrica
asegurados. Esto implicaría que el cofre tuviera, por lo menos, protección igual o superior a un IP 67.
También resultaría conveniente que, si se consigue una fuente eléctrica, estuviera dentro del cofre por
la misma razón del riesgo causado por el fluido de trabajo, ya que actualmente se estaba trabajando
con fuentes de otro departamento que no podían proveer la corriente necesaria.
El tablero además de proteger de fluidos al sistema eléctrico, también lo protege de sobrecargas
eléctricas, corto circuitos; en general, condiciones inestables. Esto, quizá sea lo más importante que
brinda un tablero eléctrico bien construido. Daño hecho a la bomba de alimentación no influiría
solamente al futuro de este proyecto, pero también a distintos laboratorios realizados rutinariamente
para distintos cursos.
Otro elemento que trae el tablero es la operación más intuitiva del sistema conmutado. Mediante
muletillas, botones y luces de señalización el proceso de operación del montaje reduce notablemente
su complejidad. Evitaría la conexión no intuitiva del sistema que tiene que hacerse actualmente,
añadiendo redundancias en la operación para evitar la operación de la bomba de alimentación y la
PAT como bomba en al mismo tiempo.
El tablero eléctrico debería constar de los siguientes elementos:
• Cofre con protección IP 67 o mayor
• Breaker Tripolar de 16-20A
• Arrancador directo de 4hp a 220V que consta de un guardamotor de 11-16A y un contactor
de 17A 220V para motor de 4hp a 220V
• Bloque de guardamotor
• Minibreaker bipolar de 6A
• Minibreaker bipolar de 16A
• Minibreaker bipolar de 50A
• Contactor de 38ª a 24VDC
• Selector de 2P
• Selector de 3P
• Bloque de contacto NA
• Lámparas de señalización
• Relé de 8 pines a 220V
• Relé de 14 pines a 24VDC
• Borneras de distribución de 80A
• Borneras de 76A
• Borneras de 32A
44
• Frenos borna
• Aislador de 35mm
• Potenciómetro lineal
Basándose en la cotización realizada para la construcción de un tablero de distribución con el motor
Siemens de 4hp conectado a la bomba de alimentación, y el motor Brushless marca Volcano de 24V
como motor y generador acoplado a la PAT. Es aconsejable que el controlador Kelly del motor
Volcano esté integrado en el tablero.
Una vez instalado, el funcionamiento del tablero sería el siguiente:
1. Encender el tablero desde el selector de dos posiciones, esto debe prender la lámpara de
señalización que indica que el tablero está energizado;
2. Se enciende el motor deseado colocando el selector de tres posiciones; posición 1: motor
acoplado a la bomba de alimentación encendido. Posición 2: ningún motor encendido.
Posición 3: motor acoplado a la PAT encendido. Esto evitará que más de una bomba trabaje
al mismo tiempo (la PAT como bomba).
El diagrama unifilar para este tablero es el siguiente:
ILUSTRACIÓN 41 DIAGRAMA UNIFILAR PARA EL TABLERO DE DISTRIBUCIÓN PROPUESTO
45
11. Conclusiones
A través de la ejecución de este proyecto fue realizada investigación referente a bombas trabajando
como turbinas con el fin de destacar y proponer mejoras al banco de pruebas utilizado para
caracterización de PATs. La investigación tomó en cuenta desde plantas pilotos a bancos de pruebas
similares al que se tiene en la Universidad de los Andes en el laboratorio de fluidos. De este modo, la
propuesta de mejora presentaba distintas situaciones, o condiciones de operación, seguidas por una
posible acción de mejora a partir de los montajes analizados.
Además de presentar y analizar los montajes utilizados por otras universidades y proyectos, también
fue realizada una indagación en cada uno de los informes utilizados. Esto con el fin de expandir el
conocimiento sobre PATs encontrado en la literatura. Ayudando así a poder comprender más de estos
sistemas y facilitar el progreso de las futuras continuaciones de este proyecto.
Así mismo, un enfoque fue realizado sobre tableros de distribución, elemento que se tenía planeado
para facilitar y mejorar la seguridad de la operación del banco de pruebas actual; dando a conocer los
elementos que lo podrían componer y el diagrama unifilar que es requerimiento para poder cotizar un
tablero eléctrico. Es aconsejable mandar a hacer el tablero para que sea lo más robusto posible y con
todas las normas de seguridad. Sin mencionar que, de no ser así, no solo se pone en riesgo motores y
bombas, pero también la seguridad de los estudiantes y técnicos.
46
12. Índice de ilustraciones
Ilustración 1 Conservación de masa, energía y momentum. [4] ........................................................... 8
Ilustración 2 Vista planar de una bomba centrífuga [5] ........................................................................ 8
Ilustración 3 Detalles del impeler y aspa [5] ......................................................................................... 9
Ilustración 4 Diagrama de cordier para turbomáquinas [7] ................................................................ 11
Ilustración 5 Triangulo de velocidad en la salida del impeler de una bomba [8] ................................ 13
Ilustración 6 Triángulos de velocidad, entrada y salida, del impeler de una turbina [8]..................... 13
Ilustración 7 Comparación de perdidas en modo turbina y bomba. [1] .............................................. 15
Ilustración 8 Ejemplos de tableros de distribución abiertos y cerrados .............................................. 16
Ilustración 9 Curvas de caracterización del generador Windstream ................................................... 17
Ilustración 10 Montaje utilizado para la caracterización en modo turbina de la bomba Pedrollo Hfm
5B [9] .................................................................................................................................................. 20
Ilustración 11 Diseño de Juan Sebastián Ochoa para el montaje de bombas como turbinas. [10]...... 21
Ilustración 12 Rotores modificados [10] ............................................................................................. 22
Ilustración 13 Resultados obtenidos por Andrea para el rotor original [10] ....................................... 22
Ilustración 14 Resultados obtenidos por Andrea con el rotor 2 [10] .................................................. 22
Ilustración 15 Resultados obtenidos por Andrea para el rotor 3 [10] ................................................. 23
Ilustración 16 Banco modificado por Juan Esteban Torres. [11] ........................................................ 24
Ilustración 17 Resultados obtenidos por Juan esteban Torres. [11] .................................................... 24
Ilustración 18 Resultados obtenidos por Juan Esteban Torres. [11] ................................................... 24
Ilustración 19 Resultados obtenidos por Juan Esteban Torres. [11] ................................................... 25
Ilustración 20 Sistema de conmutación a base de relees implementado [12] ..................................... 25
Ilustración 21 Resultados obtenidos por Santiago Galvis [12] ........................................................... 26
Ilustración 22 Estado del montaje para PATs ..................................................................................... 27
Ilustración 23 Esquema del Montaje de prueba para PATs en la Universidad de Jiangsu [8] ............ 29
Ilustración 24 Conexión de la PAT para la prueba en la Universidad de Jiangsu [8] ......................... 29
Ilustración 25 Montaje de pruebas de bombas de la Universidad de Jiangsu [8] .............................. 30
Ilustración 26 Segundo montaje para pruebas de PATs de universidad de Jiangsu [13] .................... 30
Ilustración 27 Ejemplo de un EECD [14] ........................................................................................... 31
Ilustración 28 Ángulo de envoltura (wrap angle) del aspa de un rotor [4] ......................................... 32
Ilustración 29 Esquema del montaje para la prueba de PATs en la Universidad Federico II ............. 32
Ilustración 30 Planta física utilizada para pruebas de PATS en la universidad Federico II ................ 33
Ilustración 31 Vista detallada de los nodos con PATs ........................................................................ 33
Ilustración 32 Esquema del montaje para pruebas de PATs en el Instituto Superior Tecnico [5] ...... 35
Ilustración 33 Planta piloto de PATs del Instituto Superior Tecnico [5] ........................................... 35
Ilustración 34 Modelo de la planta piloto del Instituto Superior Tecnico [5] ..................................... 36
Ilustración 35 Válvulas de salida al tanque de almacenamiento [5] ................................................... 36
Ilustración 36 Montaje de pruebas de PATs del Sardar Vallabhbhai National [15] ........................... 38
Ilustración 37 Volumen de control de una PAT con zonas de flujo y no flujo [15] ........................... 39
Ilustración 38 Montaje utilizado para pruebas de PATs en la Iran University of Science & Tecnology
[16] ...................................................................................................................................................... 40
Ilustración 39 Montaje utilizado para pruebas de PATs en la Iran University of Science & Tecnology
[16] ...................................................................................................................................................... 40
Ilustración 40 Esquema del montaje utilizado para pruebas PATs en la NTNU University of
Trondheim [17] ................................................................................................................................... 41
Ilustración 41 Diagrama unifilar para el tablero de distribución propuesto ........................................ 44
47
13. Índice de tablas
Tabla 1 Valores nominales para la bomba SIHI ZLND 040200 ......................................................... 16
Tabla 2 PMO teórico para la electrobomba Pedrollo Hfm 5B a partir de las curvas de constructor. . 17
Tabla 3 Valores nominales del generador Windstream ...................................................................... 17
Tabla 4 Valores nominales de generador Windstream trabajando como generador ........................... 18
Tabla 5 Valores nominales del motor DC Brushless Volcano ............................................................ 18
Tabla 6 Valores nominales del controlador Brushless Kelly Controls ............................................... 18
Tabla 7 Valores nominales del Motor Siemens de 3Kw acoplado a la bomba de alimentación ......... 18
Tabla 8 Valores nominales de la fuente de voltaje Kepco .................................................................. 19
Tabla 9 Valores nominales de la fuente de voltaje Protek .................................................................. 19
Tabla 10 Valores nominales de la fuente de voltaje Siemens ............................................................. 19
Tabla 11 Resultados obtenidos por Juan Sebastián Ochoa [9]............................................................ 21
Tabla 12 Resultados obtenidos por Santiago Galvis para los rotores disponibles [12]....................... 26
48
14. Referencias
[1] J.-M. Chapallaz, P. Eichenberger y G. Fischer, Manual on Pumps Used as Turbines, Eschborn:
Friedr, 1992.
[2] B. Sevilla, «Statista,» 21 Junio 2019. [En línea]. Available:
https://es.statista.com/estadisticas/635493/paises-lideres-en-el-consumo-de-energia-
hidroelectrica/. [Último acceso: 22 Julio 2020].
[3] F. M. White, Fluid Mechanics, McGraw Hill.
[4] J. F. Gülich, Centrifugal Pumps, Villeneuve: Springer, 2014.
[5] A. Carravetta, S. Derakhshan y H. M. Ramos, Pumps as Turbines, Napoli, Lisbon, Tehran:
Springer, 2018.
[6] E. DIck, Fundamentals of Turbomachinery, Gent: Springer, 2015.
[7] Á. E. Pinilla, Diagrama de Cordier, notas de clase Conversión de Energía.
[8] S.-S. Yang, S. Derakshan y F.-Y. Kong, «Theoretical, numerical and experimental prediction
performance,» Elservier, Jiangsu, Tehran, 2012.
[9] J. S. Ochoa, «Implementación de una bomba centrífuga en operación como turbina
hidráulica,» Universidad de los Andes, Bogotá, 2012.
[10] A. R. Mier, «Mejoramiento de la eficiencia de una bomba operando como turbina,»
Universidad de los Andes, Bogotá, 2017.
[11] J. E. T. Ruiz, «Adaptación de un sistema motor-bomba para operación conmutable de bombeo
y generación de energía eléctrica,» Universidad de los Andes, 2019.
[12] S. J. G. Montero, «Diseño e implementación de dispositivo de conmutación para el
funcionamiento del sistema bomba-turbina,» Universidad de los Andes, Bogotá, 2019.
[13] S.-S. Yang, F.-Y. Kong, H. Chen y X.-H. SU, «Effects of Blade Wrap Angle Influencing a
Pump as Turbine,» ASME, Jiangsu, 2012.
[14] POWERLINK, «Eddy current dynamometer working principle,» [En línea]. Available:
https://www.powerlinkpt.com/eddy-current-dynamometer-
en/#:~:text=The%20POWERLINK%20eddy%20current%20dynamometer,the%20coil%20or
%20stator%20housing.&text=It%20can%20also%20be%20used,device%20of%20other%20po
wer%20equipment.. [Último acceso: 19 Julio 2020].
[15] A. Doshi, S. Channiwala y P. Singh, «Influence of Nonflow Zone (Back Cavity) Geomtry on
the Performance of Pumps as Turbines,» ASME, Surat, 2018.
49
[16] S. Derakhshan y N. Kasaeian, «Optimization, Numerical and Experimental Study of a
Propeller Pump as Turbine,» ASME, Tehran, 2014.
[17] G. Olimstad, T. Nielsen y B. Børresen, «Stability Limits of Reversible-Pump Turbines in
Turbine Mode of Operation and Measurements of Unstable Characteristics,» ASME,
Trondheim, 2012.