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PROYECTO DE GRADO
GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA CON
BOMBA CENTRIFUGA
AUTOR: ASESOR:
JUAN JOSÉ OROZCO VILLEGAS ÁLVARO PINILLA SEPÚLVEDA
DEPARTAMENTO INGENIERÍA MECÁNICA
FACULTAD DE INGENERÍA
BOGOTÁ D.C, JUNIO DE 2013
2
Índice General:
1. Capítulo 1. 7
Introducción: 7
2. Capítulo 2. 8
Motivación: 8
3. Capítulo 3. 9
Objetivos: 9
3.1. Objetivo Principal: 9
3.2. Objetivos Específicos: 9
4. Capítulo 4. 10
Marco Teórico: 10
4.1 Bombas Centrifugas en Operación como Turbinas Hidráulicas: 10
4.2 Conceptos Utilizados: 11
4.3 Curvas Adimensionales para Turbinas: 12
5. Capítulo 5. 14
Montaje e Instrumentos de Medición: 14
5.1. Banco de Pruebas: 14
Bomba de alimentación: 14
Bomba-Turbina: 15
5.2. Instrumentos de Medición: 21
Torquímetro: 21
Flujómetro Ultrasónico: 22
5.3. Mantenimiento y Limpieza de la Bomba Pedrollo HF-5B: 23
6. Capítulo 6. 24
Bomba de Alimentación: 24
6.1. Diagrama Hidráulico de Operación: 24
6.2. Resultados de la Caracterización: 25
7. Capítulo 7. 26
Bomba Centrifuga en Operación como Turbina: 26
7.1 Diagrama Hidráulico de Operación: 27
7.2 Resultados de la Caracterización: 27
8. Capítulo 8. 33
Selección del Generador: 33
3
9. Capítulo 9. 36
Bomba Centrifuga en Operación como Turbina Acoplada al Generador: 36
9.1 Diagrama del Sistema: 36
9.2 Curvas Características de Generación de Energía Eléctrica: 37
10. Capítulo 10. 40
Calculo de Coeficientes y Análisis de Resultados: 40
10.1 Curvas Adimensionales 40
10.2 Calculo de Coeficientes 42
11. Capítulo 11. 44
Conclusiones y Recomendaciones: 44
12. Bibliografía. 45
4
Índice de Figuras
Figura 4.1. Diagrama de Velocidades en el Alabe de la Bomba Centrifuga en Operación como Turbina Hidráulica. 4
Figura 4.2. Caudal Unitario Vs. Velocidad Unitaria. Turbina de Reacción como Francis y Kaplan. 12
Figura 4.3. Torque Unitario Vs. Velocidad Unitaria Característico de las Turbinas Hidráulicas. 12 Figura 4.4. Potencia Unitaria Vs. Velocidad Unitaria 12 Figura 5.1. Isométrico del Diseño de banco de Pruebas. (OCHOA 2013) 16
Figura 5.2. Imagen del Banco de Pruebas Final 16
Figura 5.3. Salida del Tanque de Almacenamiento. Válvula de Bola y Manómetro de Entrada a Bomba de Alimentación. 17
Figura 5.4. Reducción Excéntrica de Entrada a la Bomba de Alimentación. 17
Figura 5.5. Elementos Salida de la Bomba de Alimentación. 17
Figura 5.6. Ingreso del Flujo a la Bomba Centrifuga Operando como Turbina Hidráulica. Manómetro de Entrada. 18
Figura 5.7. Salida de la Bomba-Turbina. Manómetro de Salida y Válvula de Bola. 19
Figura 5.8. Acople Mecánico entre Bomba-Turbina, Torquímetro y Alternador. 19
Figura 5.9 Acople Mecánico entre Bomba-Turbina, Torquímetro y Alternador. 20
Figura 5.10. Zona de Generación de Energía Eléctrica. Alternador, Batería de Alimentación y Resistencia Variable. 20
Figura 5.11. Torquímetro FUTEK FSH01996 Rango de 0 a 5 Nm. 21
Figura 5.12. Calibración del Torquímetro FUTEK. 21
Figura 5.13 Curva de Calibración del Torquímetro FUTEK TRS600 FSH01996. 22 Figura 5.14. Flujómetro Ultraflux UF 801-P. 22
Figura 5.15. Apariencia Antes y Después del Mantenimiento y Limpieza Realizado. 23 Figura 6.1 Bomba SIHI ZLND 040200. 24
Figura 6.2. Diagrama Hidráulico de la Caracterización de la Bomba SIHI ZLND 040200. 24
Figura 6.3. Montaje para la Caracterización de la Bomba SIHI ZLND 04020. 25
Figura 6.4. Grafica de Caracterización de la Bomba SIHI ZLND 040200. Comparación de Resultados entre Fabricante y Prueba. 25
Figura 7.1. Bomba Centrifuga Pedrollo HF-5B instalada para operar como Turbina Hidráulica 26
Figura 7.2. Diagrama Hidráulico de la Caracterización de la Bomba Pedrollo HF5B en su operación
como turbina Hidráulica. 27
5
Figura 7.3. Cabeza Tomada por La Bomba-Turbina en Relación con el Caudal. 28
Figura 7.4. Potencia Hidráulica en la Turbina en Función del Caudal. 28
Figura 7.5. Momento Par en el Eje en Función de la Velocidad Angular de Rotación. 29
Figura 7.6. Potencia Mecánica en el Eje en Función del Caudal. 29
Figura 7.7. Potencia Mecánica en el Eje en Función de la Cabeza Tomada por la Turbina. 30
Figura 7.8. Potencia Mecánica en el Eje en Función de la Velocidad Angular. 30
Figura 7.9. Eficiencia de Conversión (Hid/Mec) en Función del Caudal. Bomba-Turbina. 31
Figura 7.10. Eficiencia de Conversión (Hid/Mec) en Función de la Cabeza. Bomba-Turbina. 31
Figura 7.11. Eficiencia de Conversión (Hid/Mec) en Función de la Velocidad Angular en el eje. 32
Figura 8.1. Alternador Vehículo Honda Accord 1995. 33
Figura 8.2. Diagrama Instalación Prueba Alternador. 34
Figura 8.3. Curva Típica Alternador. [9] 34
Figura 9.1 .Diagrama del Sistema Acoplado al Alternador. 37
Figura 9.2 Potencia Eléctrica de Salida en Función del Caudal. 37
Figura 9.3. Potencia Eléctrica de Salida en Función de la Cabeza. 38
Figura 9.4. Potencia Eléctrica de Salida en Función de la Velocidad Angular. 38
Figura 9.5. Eficiencia Global del Sistema en Función del Caudal. 39
Figura 9.6. Eficiencia Global del Sistema en Función de la Cabeza. 39
Figura 10.1. Caudal Unitario Vs. Velocidad Unitaria. 40
Figura 10.2. Potencia Unitaria Vs. Velocidad Unitaria. 41
Figura 10.3. Torque Unitario Vs. Velocidad Unitaria. 41
6
Nomenclatura.
Q Caudal (m3/h)
H Cabeza (m)
n Velocidad de Rotación (rpm)
ρ Densidad del Agua (kg/m3)
T Torque en el Eje (N.m)
P Potencia (Watts)
g Aceleración de la Gravedad (m/s2)
η Eficiencia (%)
V Voltaje (Voltios)
I Corriente (Amperios)
7
Capítulo 1.
Introducción:
En este proyecto de grado se pretende dar continuidad a un proyecto que empezó hacia
finales de los años ochenta bajo la dirección del profesor Álvaro Pinilla Sepúlveda. Se ha venido
probando la operación de bombas centrifugas como turbinas hidráulicas. A lo largo de los años
varios estudiantes han caracterizado la operación de la bomba centrifuga en ambas
condiciones y han generado reportes de eficiencias relativamente bajas en operación como
turbina con relación a la eficiencia en funcionamiento como bomba centrifuga. En el último
proyecto de esta línea de investigación, el estudiante de pregrado Juan Sebastián Ochoa
Álvarez logró avances importantes en el tema [1].
Los resultados son reportados en su proyecto de grado Implementación de una bomba
centrifuga en operación como turbina hidráulica. 2012. Universidad de los Andes. [1] Ochoa
registró una eficiencia en conversión de energía en la bomba operando como turbina, desde
potencia hidráulica hasta potencia en el eje de 64.8 % que corresponde al 88% de la eficiencia
de la misma bomba en operación como bomba. La base teórica de la selección de la bomba se
realizó basada en los trabajos anteriores en la Universidad de los Andes y con un trabajo
realizado por profesores de la Universidad de Teherán. [3]
Este proyecto pretende dar un siguiente paso en la línea de investigación. El acople de un
generador para la realización de curvas de generación de energía eléctrica en corriente directa
es el avance dado en este proyecto. La selección de este generador se dio solo por la oferta
disponible en los laboratorios de la Universidad de los Andes y no tuvo una selección estricta,
ya que en este proyecto la eficiencia de conversión de energía desde energía cinética
rotacional en el eje a energía eléctrica no va ser optimizada.
Este proyecto de grado es realizado en conjunto con el estudiante de maestría Juan Sebastián
Ochoa Álvarez, quien como se dijo anteriormente fue el último en trabajar en este tipo de
proyectos. El trabajo conjunto se basa en el diseño y construcción del banco de pruebas en la
fase inicial de tesis de Ochoa [1] y la caracterización y realización de curvas de generación de
energía eléctrica.
En este documento se muestran los resultados de la caracterización de la bomba de
alimentación adquirida para generar el caudal y cabeza en la entrada de la bomba turbina. Los
cálculos y consideraciones del diseño y montaje de banco de pruebas serán incluidos junto a la
caracterización de la bomba centrifuga en operación como turbina hidráulica. Se construyen
las graficas de generación de energía eléctrica resultantes del acople de un alternador de un
vehículo al eje de la bomba-turbina. Por último, todos los datos recopilados serán incluidos en
graficas adimensionales para estudiar los resultados como un conjunto.
8
Capítulo 2.
Motivación:
Garantizar la demanda de energía eléctrica en sitios aislados de Colombia donde no se tiene
acceso a la red interconectada nacional, ha sido una línea de investigación estudiada en la
Universidad de los Andes desde hace bastantes años. En Colombia se tiene un gran potencial
hidráulico y debe ser aprovechado de la mejor manera para lograr satisfacer un servicio básico
que es el acceso a la energía eléctrica para toda la población.
El uso de máquinas hidráulicas para la conversión de energía hidráulica en energía eléctrica es
la manera como se utiliza el potencial hidráulico en nuestro país. Se tienen centrales
hidroeléctricas de pequeña, mediana y gran escala que utilizan turbinas hidráulicas como
Pelton, Francis y Kaplan. La utilización de otro tipo de turbinas en centrales de pequeña escala
o en sitios de autogeneración no ha sido estudiada de manera exhaustiva en Colombia.
Con este trabajo se pretende dar a conocer una forma de generación de energía eléctrica
mediante el uso de una bomba centrifuga con una capacidad de generación eléctrica entre 2.5
y 4 kWh/día [4], la cual permite el abastecimiento de una vivienda rural. El uso de una bomba
centrifuga como turbina hidráulica para la generación de energía eléctrica trae bastantes
ventajas en términos económicos, ambientales y de instalación. En Colombia esta opción no ha
sido estudiada a fondo y es deber nuestro como ingenieros buscar maneras de garantizar el
acceso a la población aislada a la energía eléctrica como servicio básico.
La zona no interconectada del país en la cual esta solución energética puede ser aprovechada
es en zona de montaña en donde se tienen afluentes como riachuelos con diferencias de altura
considerables. Llevar energía eléctrica desde la red interconectada a estos sitios es bastante
costoso debido a que toda la infraestructura de torres de energía y otros equipos deben ser
instalados. La autogeneración a partir de la utilización de una bomba centrifuga en operación
como turbina hidráulica compite de manera efectiva con otras formas de generación de
energía como el uso de plantas de combustible diesel. El aprovechamiento del recurso hídrico
es más amigable con el ambiente y tiene menores costos de operación que la compra de
combustible. Los costos más importantes de este proyecto se encuentran en la instalación de
la tubería desde la fuente hídrica hasta el sitio en el cual se desea instalar la bomba centrifuga.
Estudiar la viabilidad de soluciones limpias, económicas y que tengan una alta eficiencia de
conversión de energía es un objetivo que debe ser alcanzado para mejorar las condiciones de
habitantes y diversificar las fuentes de energía en algunas comunidades.
9
Capítulo 3.
Objetivos:
En este capítulo se presentan los objetivos a cumplir en este proyecto para llegar a tener
generación de energía eléctrica con bomba centrifuga.
3.1. Objetivo Principal:
Con la realización de este proyecto se busca:
Generar las curvas características de generación de energía eléctrica para una bomba
centrifuga operando como turbina hidráulica.
3.2. Objetivos Específicos: Para lograr el objetivo principal de este proyecto se deben primero cumplir algunos objetivos
específicos que se asemejan a tareas específicas.. Las tareas específicas a cumplir son:
Implementación de un banco de pruebas para la instalación permanente del
montaje. En este banco de pruebas se realiza la caracterización de la turbina
acoplada a un generador eléctrico.
Caracterización de la bomba de alimentación SIHI ZLND 040200 para obtener el
rango de caudal y cabeza que simula la fuente hídrica que ingresa a la turbina.
Caracterización de la bomba centrifuga en operación como turbina hidráulica para
obtener datos vitales para el acople a un sistema de generación de energía eléctrica.
Selección de un generador de energía eléctrica existente en el Laboratorio de
Dinámica de Fluidos.
Producir las curvas características de generación de energía eléctrica y así conocer el
comportamiento del sistema en cada rango de caudal, cabeza y velocidad angular.
Analizar e interpretar los resultados obtenidos en las pruebas hechas a una bomba
centrifuga en operación como turbina hidráulica para la generación de energía
eléctrica
10
Capítulo 4.
Marco Teórico:
4.1 Bombas Centrifugas en Operación como
Turbinas Hidráulicas:
Una bomba centrifuga es una maquina rotodinámica que está diseñada con el propósito de
convertir energía cinética rotacional en un eje en energía hidráulica en un fluido con una
cabeza y un caudal. Al utilizar una bomba centrifuga como turbina hidráulica se está utilizando
de manera reversa la bomba, el fluido ingresa de forma radial por la descarga con una cabeza y
un caudal, la energía hidráulica se convierte en energía cinética rotacional en el eje cuando el
fluido hace mover el rodete y finalmente el fluido abandona axialmente la bomba con una
cabeza menor que la de ingreso. La diferencia entre la cabeza de entrada y la cabeza de salida
se conoce como la cabeza de la turbina. La Figura 4.1 muestra un diagrama de velocidades en
los alabes de la bomba. [5]
Figura 4.1. Diagrama de Velocidades en el Alabe de la Bomba Centrifuga en Operación como Turbina Hidráulica.
La utilización de una bomba centrifuga como turbina hidráulica es viable y ha sido estudiada en
el mundo. Algunos autores mediante la caracterización de varias bombas han creado modelos
empíricos que predicen la eficiencia, caudal necesario y cabeza necesaria para operar una
bomba centrifuga como turbina hidráulica. En este proyecto se hace referencia a un
documente realizado en la Universidad de Teherán en el cual mediante la velocidad especifica
se tiene un modelo de los parámetros anteriormente dichos [3].
En cuanto al acople de un generador eléctrico este debe estar diseñado para lograr acoplar
ambos puntos de mejor eficiencia para lograr una eficiencia global máxima del sistema desde
hidráulica a eléctrica. Este acople se realiza al tener las curva de momento par contra
velocidad angular de ambos sistemas. El punto en el cual ambos sistemas se encuentre es el
punto de acople y se espera que coincida con el punto de mejor eficiencia del generador
eléctrico.
11
4.2 Conceptos Utilizados:
Es importante definir los conceptos utilizados en cuanto a calculo de potencias en el sistema.
Las eficiencias del sistema son calculadas:
En cuanto a los números adimensionales utilizados para la generación de las curvas
características de la bomba operando como turbina tenemos:
√
√
12
4.3 Curvas Adimensionales para Turbinas:
Las curvas características de las turbinas con estos números adimensionales son mostradas en
las Figuras 4.2 a 4.4.
Figura 4.2. Caudal Unitario Vs. Velocidad Unitaria para una Turbina de Reacción como Francis y Kaplan.
A medida que se aumenta la relación entre la velocidad de rotación y la raíz de la cabeza de la
turbina, el caudal unitario va disminuyendo. Esto es característico de las turbinas de reacción
como las Francis y Kaplan. Una bomba centrifuga operando como turbina hidráulica esta
dentro de este tipo de turbinas debido a que el flujo dentro de la turbina se encuentra a una
presión diferente a la presión atmosférica y operan transformando la presión en momentum
angular al paso por el rodete.
Figura 4.3. Torque Unitario Vs. Velocidad Unitaria Característico de las Turbinas Hidráulicas.
Cau
dal
Un
itar
io
Velocidad Unitaria
Caudal Unitario Vs. Velocidad Unitaria
Torq
ue
Un
itar
io
Velocidad Unitaria
Torque Unitario Vs. Velocidad Unitaria
13
La Figura 4.3 muestra el comportamiento de las turbinas hidráulicas relacionando el torque
unitario en función de la velocidad unitaria. Se tiene un máximo de torque unitario a una
velocidad cero y este va descendiendo hasta llegar a un valor máximo de velocidad unitaria
con cero torque.
Figura 4.4. Potencia Unitaria Vs. Velocidad Unitaria
Por último en la Figura 4.4 tenemos la potencia unitaria en función de la velocidad unitaria. El
máximo de potencia unitaria se da en una potencia unitaria intermedia. A velocidad unitaria
mínima y velocidad unitaria máxima la potencia unitaria es minima.
Po
ten
cia
Un
itar
ia
Velocidad Unitaria
Potencia Unitaria Vs. Velocidad Unitaria
14
Capítulo 5.
Montaje e Instrumentos de Medición:
En este capítulo se muestran las consideraciones y cálculos realizados para el diseño y
montaje del banco de pruebas. Además de lo referente al diseño y montaje del banco
de pruebas se hace una explicación de los diferentes instrumentos de medición que
fueron utilizados.
5.1. Banco de Pruebas:
El banco de pruebas fue diseñado basado en lo recomendado por la Norma Técnica Colombia
NTC 4990 [2]. Esta norma establece las diferentes longitudes de tubería necesarias para tener
un flujo uniforme para medición de parámetros tales como caudal y presión. En cuanto al
ángulo de la tubería de succión de la bomba de alimentación hace recomendaciones para
tener una mejor operación del equipo.
Bomba de alimentación:
Bomba SIHI ZLND 40200
H (m) 23
Q(m3/h) 28
Din (m) 0.065
Dout (m) 0.04
n (rpm) 1750
Phid BEP (W) 1751.7 Tabla 1. Datos Bombas SIHI ZLND 40200
Según la norma NTC 4990 establece la siguiente relación para la longitud de entrada y el
diámetro de la tubería necesaria para garantizar un flujo libre de remolinos y desarrollado.
( )
√
( )
Tenemos entonces que para la entrada a la bomba mediante la norma NTC 4990 debe ser de:
Por otra parte por recomendación del fabricante SIHI se tiene que la longitud necesaria debe
ser de al menos diez veces el diámetro.
15
En esta sección anterior a la entrada a la bomba se va tener una tubería de 3 in nominal de
PVC, entontes tenemos como resultado que la longitud al considerar ambas restricciones de
fabricante y norma.
Por facilidad se toma la determinación de que la sección de 3 in anterior a la entrada a la
bomba de alimentación tendrá una longitud de 0.80 m.
Esta sección de 3 in es continuada por una reducción excéntrica de 3 in a 2.5 in para tener una
reducción que permita un flujo uniforme libre de burbujas de aire en la entrada. La inclinación
de la tubería debe ser ascendente desde el tanque de almacenamiento para prevenir también
la formación e bolsas de aire que puedan causar cavitación en la bomba.
Bomba-Turbina:
Bomba-Turbina Pedrollo HF5B
H (m) 12.9
h(m3/h) 18.5
Din (in) 2
Dout (m) 2
n(rpm) 3450 Tabla 2. Datos Bomba-Turbina Pedrollo HF5B
Con el mismo proceso mostrado en la sección de la bomba de alimentación tenemos que la
longitud mínima antes de la entrada a la bomba turbina por la norma NTC 4990 [2] es:
( )
√
( )
La tubería de entrada a la descarga de la bomba es de 2 in, entonces mediante la
recomendación del fabricante la longitud mínima es:
Por determinación de ensamble del conjunto de prueba se tomó la decisión de que la longitud
de tubería anterior a la entrada a la descarga de la bomba será de:
La Figura 5.1 muestra una vista isométrica del diseño del banco de pruebas realizado.
16
Figura 5.1. Isométrico del Diseño de banco de Pruebas. (OCHOA 2013)
En cuanto al diseño realizado en primera instancia se realizó un cambio concerniente con el
tanque de almacenamiento. El tanque que se observa en la Figura 5.1 tiene paredes que no
son rectas y dificultaban la instalación de las bridas para la conexión a la succión de la bomba
de alimentación y a la salida de la bomba-turbina. En la caracterización de la bomba de
alimentación se detectó que el tamaño del tanque generaba inconvenientes en cuanto a
vorticidad del flujo en la succión de la bomba. Esta vorticidad y movimiento aleatorio del fluido
en el tanque de alimentación se reduce al tener la succión de la bomba y descarga de la
bomba-turbina lo más alejado posible [2]. El diseño y montaje final tiene un tanque de 1 m3 de
capacidad con dimensiones de 1mx1mx1m.
Figura 5.2. Imagen del Banco de Pruebas Final
17
El tanque de almacenamiento utilizado fue de 1000 litros, el cual fue perforado y dos extremos
para tener la succión de la bomba de alimentación y la descarga de la bomba-turbina. En la
salida del tanque hacia la bomba de alimentación se tiene una válvula de bola la cual solo
opera en posición cerrada o abierta, posterior a esta válvula de bola tenemos un manómetro
de lectura de carga de la bomba. La Figura 5.3 ilustra es punto del sistema.
Figura 5.3. Salida del Tanque de Almacenamiento. Válvula de Bola y Manómetro de Entrada a Bomba de Alimentación.
Posteriormente en el recorrido que el fluido realiza, se tiene una reducción excéntrica de 3” a
2”, la cual evita el paso de burbujas de aire desde el tanque de almacenamiento hasta la
bomba de alimentación. Esta reducción se observa en la Figura 5.4.
Figura 5.4. Reducción Excéntrica de Entrada a la Bomba de Alimentación
En la bomba de alimentación se tiene la Bomba SIHI 040200, la cual en este banco de pruebas
permite un caudal entre 11 m3/h y 26 m3/h, con cabezas entre 3 m y 14 m. En la salida de la
bomba de alimentación se tiene una ampliación excéntrica para prevenir burbujas de aire en el
sistema, una válvula cheque que previene el flujo reverso, un manómetro para lectura de
18
presión en la salida y por último una válvula de cortina que permite variar la cabeza y caudal
de salida de la bomba. La Figura 5.5 ilustra los elementos nombrados anteriormente.
Figura 5.5. Elementos Salida de la Bomba de Alimentación
El flujo continúa su trayecto a lo largo de una tubería de 2” de diámetro con una longitud de 4
metros hasta llegar a la zona de la bomba centrifuga operando como turbina hidráulica. En la
entrada de la turbina se tiene instalado un manómetro que indica la presión con la cual el
fluido está ingresando.
Figura 5.6. Ingreso del Flujo a la Bomba Centrifuga Operando como Turbina Hidráulica. Manómetro de Entrada
19
En la salida de la turbina se instaló un manómetro para la medición de presión que tiene el
fluido al salir de la turbina. La resta del valor de presión entre el manómetro de entrada y de
salida nos indica la cabeza que es extraída por la bomba-turbina. Posterior al manómetro se
tiene una válvula de bola que en todo momento durante la operación se encuentra abierta, es
solo utilizada para cerrar el flujo del tanque cuando el sistema está inoperativo.
Figura 5.7. Salida de la Bomba-Turbina. Manómetro de Salida y Válvula de Bola.
La bomba-turbina se encuentra acoplada en el eje a un torquímetro y el alternador para la
generación de energía eléctrica. Este acople permite medir el momento par en el eje al mismo
tiempo que el alternador genera energía dependiendo de la carga pedida al sistema. La Figura
5.8 y 5.9 ilustran el acople.
Figura 5.8. Acople Mecánico entre Bomba-Turbina, Torquímetro y Alternador
20
Figura 5.9 Acople Mecánico entre Bomba-Turbina, Torquímetro y Alternador
El torquímetro es alimentado con una señal de 15 voltios DC y tiene una salida en voltaje que
traducida a momento par mediante la curva de calibración.
El alternador utilizado se encuentra conectado a una batería de automóvil que genera el
campo magnético para la generación de energía eléctrica. La salida del alternador esta
directamente conectada a una resistencia variable que permite tener valores entre 1 Ohm y
100 Ohm. La corriente y voltaje en el sistema de generación es medida mediante multímetros
instalados en el sistema.
Figura 5.10. Zona de Generación de Energía Eléctrica. Alternador, Batería de Alimentación y Resistencia Variable
21
5.2. Instrumentos de Medición:
Torquímetro:
Para la medición del momento par en el eje de la turbina se utilizó un torquímetro marca
FUTEK Modelo TRS600 FSH01996 con un rango de lectura entre 0 Nm a 5 Nm. En la Figura
5.11 se observa el torquímetro utilizado.
Figura 5.11. Torquímetro FUTEK FSH01996 Rango de 0 a 5 Nm.
Para la correcta utilización de este instrumento de medición se realizó una calibración estática.
Se utilizó un sistema de brazo y pesas entre 0 a 40 N y una longitud de brazo de 0.1 m. Este
torquímetro tiene como entrada una señal DC de 15 Voltios y entrega una salida en Voltios, los
cuales indican mediante una conversión el valor de momento par en el eje.
La Figura 5.12 ilustra el método utilizado para la calibración del instrumento.
Figura 5.12. Calibración del Torquímetro FUTEK
Se realizó un barrido desde 0 a 40 N de peso en el brazo para lograr la calibración del
instrumento. La Figura 5.13 muestra la curva de calibración lograda junto con la ecuación que
describe el momento par en relación con el voltaje de salida del torquímetro.
22
Figura 5.13 Curva de Calibración del Torquímetro FUTEK TRS600 FSH01996
Tenemos entonces que el momento par en relación con el voltaje es el siguiente:
( )
Flujómetro Ultrasónico:
Para la medida del caudal en el sistema se utilizó un flujómetro marca Ultraflux UF 801-P, el
cual fue proporcionado por el Laboratorio de Hidráulica del Departamento de Ingeniería Civil.
Este flujómetro permite tener medidas de caudal en el sistema con una alta confiabilidad y
permite tener mediciones con una alta precisión. En la Figura 5.14 se observa el flujómetro y la
instalación realizada en la tubería para la medición del caudal.
Figura 5.14. Flujómetro Ultraflux UF 801-P.
y = 0.9932x + 0.0593 R² = 1
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
Torq
ue
[N
.m]
Voltaje [V]
Calibración Torquímetro
23
5.3. Mantenimiento y Limpieza de la Bomba
Pedrollo HF-5B:
La bomba centrifuga Pedrollo HF-5B recibió un mantenimiento en el cual se incluyó una
limpieza del rotor y carcasa, lubricación de partes móviles, entre otros. Esta limpieza y
lubricación se llevó a cabo debido a que el movimiento en el eje de la bomba se notaba un
frenado y tenía evidencia de bastante oxido en el rotor. El libre movimiento del rotor y eje es
vital para lograr una buena eficiencia de conversión de energía hidráulica a mecánica, ya que
no se tendrán perdidas en vencer el movimiento restringido del conjunto.
Figura 5.15. Apariencia Antes y Después del Mantenimiento y Limpieza Realizado.
Finalmente se deja el rotor en la condición mostrada en la Figura 5.15 y con el movimiento
libre comparado con la condición inicial.
24
Capítulo 6.
Bomba de Alimentación:
La bomba SIHI ZLND 040200 fue caracterizada en un banco de pruebas temporal. El diagrama
hidráulico es mostrado en la Figura 6.1. El diseño de este montaje fue realizado utilizando la
Norma de Técnica Colombiana NTC 4990 [2]. El fabricante reporta 23 metros de cabeza y 28
metros cúbicos por hora, a 1800 rpm, como mejor punto de operación de la bomba. El
objetivo de esta caracterización es encontrar el mejor punto de operación de la bomba en las
condiciones de laboratorio.
Figura 6.1 Bomba SIHI ZLND 040200
6.1. Diagrama Hidráulico de Operación:
La bomba SIHI ZLND fue operada en un montaje que consta de tubería de PVC de 3 pulgadas
de diámetro interno en la succión de la bomba y tubería de 2 pulgadas de diámetro interno en
la descarga. La presión en la succión fue medida con un manómetro de columna de agua y la
presión en la descarga medida con un manómetro de 60 psi. El estrangulamiento del flujo
realizado con la bomba permite la variación en parámetros y así tener varios puntos de
operación para generar las curvas de caracterización.
Figura 6.2. Diagrama Hidráulico de la Caracterización de la Bomba SIHI ZLND 040200
En la Figura 6.2 se observa como fue el montaje realizado para la caracterización de la Bomba
SIHI ZLND 040200.
25
Figura 6.3. Montaje para la Caracterización de la Bomba SIHI ZLND 040200
6.2. Resultados de la Caracterización:
Las curvas resultantes de la caracterización de la Bomba SIHI ZLND 040200 son presentadas a
continuación:
Figura 6.4. Grafica de Caracterización de la Bomba SIHI ZLND 040200. Comparación de Resultados entre Fabricante
y Prueba
En la prueba realizada se obtuvo que el mejor punto de operación de la bomba es:
Cabeza (m) Caudal (m3/h)
22 24 Tabla 6.1. Mejor Punto de Operación de la Bomba SIHI ZLND 040200
26
Capítulo 7.
Bomba Centrifuga en Operación como Turbina:
Con los datos de cabeza y caudal en el sistema, se procedió a probar la bomba Pedrollo HF5B
en su operación como turbina hidráulica. Estas pruebas se realizaron en el montaje final
mostrado en la sección de banco de pruebas.
Figura 7.1. Bomba Centrifuga Pedrollo HF-5B instalada para operar como Turbina Hidráulica
Esta bomba centrifuga en operación como turbina hidráulica fue probada en el proyecto de
grado anterior a este y se encontró como mejor punto de mejor eficiencia el siguiente:
Cabeza (m) Caudal (m3/h) Velocidad Angular (rpm)
6.4 14.6 1800 Tabla 7.1 Resultados Caracterización Bomba Pedrollo HF5B operando como turbina Hidráulica. OCHOA 2012.
Para hacer una comparación efectiva de los resultados de la bomba Pedrollo HF5B en
operación como bomba centrifuga y turbina hidráulica, OCHOA [1] realizó una normalización
de los resultados de la Tabla 7.1 para una velocidad angular de 3450 rpm.
Valores Normalizados @3450 rpm
Cabeza (m) Caudal (m3/h)
23.33 27.9 Tabla 7.2 Normalización de Datos a 3450 rpm para la Bomba Pedrollo HF5B en operación como turbina
27
7.1 Diagrama Hidráulico de Operación:
La bomba-turbina tiene manómetros para medir la presión en la entrada y en la salida.
Estos manómetros se encuentran a más de cuatro diámetros del equipo hidráulico
para tener una correcta medición. Se realizó la medición de caudal entrante a la
bomba-turbina por medio del flujómetro ultrasónico instalado en el banco de pruebas.
La velocidad de giro en el eje de la bomba-turbina fue medida mediante el uso de un
tacómetro laser. En la salida de la bomba-turbina se instaló un torquímetro para medir
el momento par en el eje. La figura 7.1 ilustra el diagrama hidráulico de operación.
Figura 7.2. Diagrama Hidráulico de la Caracterización de la Bomba Pedrollo HF5B en su operación como turbina
Hidráulica
7.2 Resultados de la Caracterización:
Esta caracterización se realizó variando la cabeza y caudal de la bomba de
alimentación hacia la turbina. Para tener un registro del momento par en el eje de la
turbina se puso una carga que fuera variable para tener datos de momento par contra
velocidad angular. Esta variación en la restricción de movimiento angular se obtuvo al
conectar el alternador eléctrico con el cual se genera energía eléctrica. Al tener una
mayor carga a la salida del alternador, lo que se está haciendo es pedido de mayor
amperaje y esto hace que el eje se mueva más lento y con mayor momento par debido
a la restricción. En las siguientes figuras se muestran graficas relacionadas con la
operación de esta bomba centrifuga Pedrollo HF-5B como turbina hidráulica. Todas las
gráficas mostradas tienen cuatro series de datos que corresponden a las cuatro
diferentes resistencias de salida del alternador. Se tomaron datos con 24.6 Ohm, 12.1
Ohm, 9.3 Ohm y 4.9 Ohm. No se pudo continuar reduciendo la resistencia debido a
que a mayor carga el reóstato presento recalentamiento y se debió cancelar la prueba.
28
Figura 7.3. Cabeza Tomada por La Bomba-Turbina en Relación con el Caudal
En la Figura 7.3 se observa la tendencia que se tienen para las 4 resistencias en cuestión de
cabeza extraída por la turbina en función del caudal de ingreso. El rango de cabeza extraída
fue entre 2.5 m y 16 m y el caudal entre 11 m3/h y 26 m3/h. La Figura 7.4 muestra la potencia
hidráulica en la turbina que resulta de la combinación de cabeza y caudal tenido en esta
entrada.
Figura 7.4. Potencia Hidráulica en la Turbina en Función del Caudal
Otro aspecto importante en la caracterización de la operación de la bomba centrifuga es el
momento paren el eje con base a la velocidad angular. Esta grafica es importante debido a que
al momento de hacer una selección estricta de un generador eléctrico esta grafica debe ser
consultada para acoplar ambos sistemas de manera eficiente.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
Cab
eza
En
trad
a Tu
rbin
a (m
)
Caudal (m3/h)
Cabeza Entrada Turbina (m) Vs. Caudal (m3/h)
4.9 Ohms 9.3 Ohms 12.1 Ohms 24.6 Ohms
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
Po
ten
cia
Hid
rau
lica
(W)
Caudal (m3/h)
Potencia Hidraulica (W) Vs. Caudal (m3/h)
4.9 Ohms 9.3 Ohms 12.1 Ohms 24.6 Ohms
29
Figura 7.5. Momento Par en el Eje en Función de la Velocidad Angular de Rotación.
El momento par en el eje tiene una variación importante dependiendo de la carga que tenga el
alternador. Se observa que a medida que hay mayor carga eléctrica del alternador y por ende
mayor resistencia al movimiento, el momento par se incrementa para la misma velocidad
angular.
Las Figuras 7.6, 7.7 y 7.8 muestran la potencia mecánica en el eje de la turbina en función del
caudal, cabeza y velocidad angular. Es importante decir que la variable de control fue el caudal
en el sistema pero el presentar graficas en relación a cabeza y velocidad de rotación es parte
de una caracterización completa del sistema de conversión de energía.
Figura 7.6. Potencia Mecánica en el Eje en Función del Caudal
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600
Mo
me
nto
Par
(N
.m)
Velocidad Angular Eje (RPM)
Momento Par (N.m) Vs. Velocidad Angular (rpm)
4.9 Ohms 9.3 Ohms 12.1 Ohms 24.6 Ohms
050
100150200250300350400450500550600
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
Po
ten
cia
Me
can
ica
Eje
(W
)
Caudal (m3/h)
Potencia Mecanica Eje (W) Vs. Caudal (m3/h)
4.9 Ohms 9.3 Ohms 12.1 Ohms 24.6 Ohms
30
Figura 7.7. Potencia Mecánica en el Eje en Función de la Cabeza Tomada por la Turbina
En la Figura 7.6 y 7.9 se observa que la mayor potencia mecánica en el eje resultante de la
conversión de energía hidráulica a mecánica, se logra a una menor resistencia eléctrica o
mayor pedido de carga por el sistema. Se obtiene un máximo de 530 Watts con un caudal de
26 m3/h y una cabeza de 13,8 metros. En la Figura 7.8 se muestra la potencia mecánica en el
eje en función de la velocidad angular. Se observa que a medida que se le pide mayor carga al
sistema, la máxima potencia mecánica para esta resistencia se va reduciendo al igual que la
velocidad angular con la que se entrega esta potencia. Con la resistencia de 4.9 Ohm se logran
530 W a una velocidad angular de 3050 rpm. Para una resistencia eléctrica de 24.6 Ohm,
donde la carga pedida al alternador es menor, se tiene una potencia eléctrica de 357 Watts a
3298 rpm.
Figura 7.8. Potencia Mecánica en el Eje en Función de la Velocidad Angular
050
100150200250300350400450500550600
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Po
ten
cia
Me
can
ica
Eje
(W
)
Cabeza Turbina (m)
Potencia Mecanica Eje (W) Vs. Cabeza Turbina (m)
4.9 Ohms 9.3 Ohms 12.1 Ohms 24.6 Ohms
050
100150200250300350400450500550600
0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600
Po
ten
cia
Me
can
ica
Eje
(W
)
Velocidad Angular Eje (RPM)
Potencia Mecanica Eje (W)Vs. Velocidad Angular (rpm)
4.9 Ohms 9.3 Ohms 12.1 Ohms 24.6 Ohms
31
Las Figuras 7.9, 7.10 y 7.11 muestran la eficiencia de conversión de energía desde hidráulica
hasta mecánica en el eje de la bomba-turbina.
Figura 7.9. Eficiencia de Conversión (Hid/Mec) en Función del Caudal. Bomba-Turbina.
Figura 7.10. Eficiencia de Conversión (Hid/Mec) en Función de la Cabeza. Bomba-Turbina.
La mayor eficiencia lograda fue del 72% y corresponde a un caudal de 20.5 m3/h y una cabeza
de 7.4 metros. Esta eficiencia fue lograda al tener una resistencia eléctrica de 4.9 Ohm.
La Figura 7.10 muestra la eficiencia de conversión de hidráulica a mecánica en el eje en función
de la velocidad angular. El máximo de eficiencia se logró a una velocidad angular de 2180 rpm.
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
Efic
ien
cia
Turb
ina
(hyd
/Me
c)
Caudal (m3/h)
Eficiencia Turbina (Hid/Mec) Vs. Caudal (m3/h)
4.9 Ohms 9.3 Ohms 12.1 Ohms 24.6 Ohms
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Efic
ien
cia
Turb
ina
(hyd
/Me
c)
Cabeza Turbina (m)
Eficiencia Turbina (Hid/Mec) Vs. Cabeza Turbina (m)
4.9 Ohms 9.3 Ohms 12.1 Ohms 24.6 Ohms
32
Figura7.11. Eficiencia de Conversión (Hid/Mec) en Función de la Velocidad Angular en el eje.
En las Figuras 7.9, 7.10 y 7.11 se observa que la eficiencia de conversión de energía desde
hidráulica a mecánica llego a un máximo de 72% con una resistencia eléctrica de 4.9 Ohm. Es
importante observar que la mayoría de los puntos están por encima del 50% de eficiencia, lo
cual es bastante bueno para una bomba operando como turbina hidráulica. Al conectar la
resistencia de 12.1 Ohm se tiene un rango de valores donde la eficiencia del sistema estuvo
cerca al valor de 70%.Este rango de operación fue de 14 m3/h a 17 m3/h, 3.5 metros a 5.5
metros de cabeza y velocidad de operación entre 1300 rpm y 1900 rpm.
En el Capítulo 10 de este proyecto se muestran las comparaciones entre la operación de la
bomba como bomba y como turbina. En esta sección también se muestran coeficientes de
caudal y cabeza para el mejor punto de operación.
Finalmente presentamos en la Tabla 7.3 el punto de mejor operación de la bomba operando
como turbina.
BEP Bomba-Turbina Pedrollo HF-5B
Velocidad de Rotación (rpm)
Cabeza (m) Caudal (m3/h) Eficiencia
2180 7.4 20.5 72% Tabla 7.3. Mejor Punto de Operación de la Bomba Centrifuga Pedrollo HF-5B en Operación como Turbina Hidráulica
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600
Efic
ien
cia
Turb
ina
(hyd
/Me
c)
Velocidad Angular (rpm)
Eficiencia Turbina (Hid/Mec) Vs. Velocidad Angular (rpm)
4.9 Ohms 9.3 Ohms 12.1 Ohms 24.6 Ohms
33
Capítulo 8.
Selección del Generador:
Como se describió anteriormente, el objetivo principal de este proyecto es la
generación de energía eléctrica utilizando una bomba centrifuga como turbina
hidráulica.. Para este proyecto la eficiencia de conversión de energía mecánica a
energía eléctrica no es un factor importante debido a que dentro de los planes del
proyecto a mediano plazo se tienen proyectos de grado y tesis de maestría formulados
para construir o seleccionar de manera acertada el generador eléctrico que convierta
la mayor cantidad de energía cinética rotacional en el eje en energía eléctrica en la
salida del generador.
El generador usado en este proyecto debía ser propiedad del Departamento de
Ingeniería Mecánica y estar disponible dentro del inventario del Laboratorio de
Dinámica de Fluidos. En primera instancia se pretendía utilizar los generadores de
imanes permanentes diseñados en proyectos de grado y tesis de maestría. Estos
alternadores estaban perfectamente caracterizados y dentro de la literatura y
memorias de proyectos se tienen las curvas de operación. La utilización de estos
generadores fue descartada debido a que estos generados están diseñados para bjas
revoluciones, en el orden de cientos de rpm.
El generador seleccionado fue un alternador de un vehículo Honda Accord modelo
1995. Se le hizo mantenimiento y se encontró el regulador de carga en estado
defectuoso y fue retirado. El puente de diodos que convierte la corriente alterna en
directa fue remplazado también.
Figura 8.1. Alternador Vehículo Honda Accord 1995.
El alternador fue probado en un banco de pruebas con un rango de 0 a 1200 rpm. Los
alternadores deben tener una carga de suministro de energía eléctrica para inducir el
campo magnético y así poder producir energía eléctrica de salida. La batería del
automóvil cumple esta función en la instalación.
34
Figura 8.2. Diagrama Instalación Prueba Alternador
La instalación del montaje se realizó conectando la terminal positiva de la batería a la
terminal positiva de entrada del alternador. La terminal negativa de la batería a la
carcasa del alternador. En la salida del puente de diodos se instaló en serie en la
terminal positiva un amperímetro y en paralelo en el reóstato un multímetro para la
medición de voltaje en la resistencia.
En la prueba realizada con una resistencia de 100 ohm en el reóstato y una velocidad
de operación el conjunto motor – alternador de 1200 rpm, el voltaje fue de 17 Voltios
y la corriente medida fue de 0.16 Amperios. La potencia fue entonces de 2.56 Watts.
En otra prueba realizada para verificar el funcionamiento del alternador de puso una
resistencia de 5 ohm en el reóstato, el voltaje cayó hasta los 16.8 Voltios y se midió
una corriente de 3.2 Amperios. La potencia resultante fue de 53,76 Watts.
Figura 8.3. Curva Típica Alternador. [9]
La operación de los alternadores de vehículos está diseñada para velocidades en el eje
superiores a las 3000 rpm. El ralentí en el motor de un vehículo promedio es de 1000
rpm, se tiene generalmente una reducción de 3:1 en la polea de transmisión y por
ende el alternador trabaja a pleno régimen desde aproximadamente las 3000 rpm.
35
Igualmente como se observa en la Figura 8.3 [9], el alternador produce energía desde
las 1000 rpm, pero con corrientes muy pequeñas, del orden de 1 A -5 A.
El alternador en la prueba se comportó como lo esperado y en su operación en el
banco de pruebas conectado a la bomba centrifuga en operación como turbina a 3600
rpm, se espera una potencia del orden de 300 a 500 Watts.
36
Capítulo 9.
Bomba Centrifuga en Operación como Turbina
Acoplada al Generador:
Aunque la caracterización de la bomba centrifuga operando como turbina hidráulica fue
realizada al mismo tiempo que se la tenía acoplada al alternador eléctrico para la generación
de energía, es importante hacer la división en este documento entre la caracterización de la
turbina y el acople al alternador para generación de energía. Esta división se hace debido a
que el acople de este alternador fue realizado con solo el criterio de disponibilidad de un
generador y no con una selección estricta.
El generador acoplado a esta bomba-turbina fue descrito en el Capítulo 8. La integración al
sistema de un maquina en la que se tenga conversión de energía desde hidráulica hasta
eléctrica es muy importante debido a que se empieza a concluir un proyecto que se ha venido
trabajando desde hace varios años y el cual ha demostrado tener un gran potencial en cuanto
a formas de conversión de energía no convencionales con altos niveles de eficiencia y costos
menores a los de equipos diseñados especialmente para conversión de energía hidráulica a
mecánica como turbinas de reacción o de impulso.
El alternador fue conectado a cuatro diferentes resistencias eléctricas que variaban la carga
pedida al sistema. Un reóstato o resistencia variable fue utilizado. Se tomaron datos con
24.6 Ohm, 12.1 Ohm, 9.3 Ohm y 4.9 Ohm. Menores resistencias eléctricas no pudieron
ser acopladas debido a que el reóstato presento recalentamiento al tener un flujo
mayor a los 10 amperios.
9.1 Diagrama del Sistema:
El sistema utilizado es el mismo de la Figura 7.1 con un acople de alternador cuyo diagrama de
operación se encuentra en la Figura 8.2. Las Figuras 5.9 y 5.10 son imágenes del acople del
sistema que resultó en el banco de pruebas. En la siguiente Figura 9.1 se tiene el diagrama del
sistema utilizado.
37
Figura 9.1 .Diagrama del Sistema Acoplado al Alternador.
9.2 Curvas Características de Generación de
Energía Eléctrica:
En las siguientes Figuras se hace presentación de las curvas características de generación de
energía eléctrica. Se presentan curvas de potencia eléctrica contra caudal, cabeza y velocidad
angular en el eje y eficiencia global del sistema desde hidráulica hasta eléctrica.
La Figura 9.2 muestra la potencia eléctrica a la salida del alternador en función del caudal de
entrada a la turbina.
Figura 9.2 Potencia Eléctrica de Salida en Función del Caudal
0
40
80
120
160
200
240
280
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
Po
ten
cia
Ele
ctri
ca(W
)
Caudal (m3/h)
Potencia Electrica (W) Vs. Caudal (m3/h)
4.9 Ohms 9.3 Ohms 12.1 Ohms 24.6 Ohms
38
Figura 9.3. Potencia Eléctrica de Salida en Función de la Cabeza
Figura 9.4. Potencia Eléctrica de Salida en Función de la Velocidad Angular
Se observa en las Figuras 9.2 a 9.4 la potencia eléctrica en función del caudal, cabeza y
velocidad angular en el eje. Es evidente que a menor resistencia eléctrica se logra mayor
potencia eléctrica para el mismo punto de cabeza y caudal. Esto se debe a que a menor
resistencia eléctrica el amperaje de salida es mayor y por ende mayor potencia eléctrica de
salida. El voltaje en la salida del alternador variaba entre los 20 voltios y 40 voltios. Es
importante recordar como se dijo anteriormente que este alternador no tenía instalado el
regulador de voltaje que mantenía la salida en 14.4 Voltios.
La eficiencia global del sistema es mostrada en función del caudal que era la variable de
referencia y cabeza y velocidad angular resultantes de la modificación de este caudal.
0
40
80
120
160
200
240
280
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Po
ten
cia
Ele
ctri
ca(W
)
Cabeza Turbina (m)
Potencia Electrica (W) Vs. Cabeza Turbina (m)
4.9 Ohms 9.3 Ohms 12.1 Ohms 24.6 Ohms
0
40
80
120
160
200
240
280
0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600
Po
ten
cia
Ele
ctri
ca (
W))
Velocidad Angular Eje (RPM)
Potencia Electrica (W) Vs. Velocidad Angular (rpm)
4.9 Ohms 9.3 Ohms 12.1 Ohms 24.6 Ohms
39
Figura 9.5. Eficiencia Global del Sistema en Función del Caudal.
Figura 9.6. Eficiencia Global del Sistema en Función de la Cabeza.
La eficiencia máxima global del sistema desde hidráulica hasta eléctrica fue de un 32%. Esta
eficiencia coincide con el punto en el cual la turbina logra su mayor punto de eficiencia de
hidráulica a mecánica de un 72%, 20.5 m3/h y 7.4 metros de cabeza.
La eficiencia global lograda del 32% comparada con la eficiencia de la turbina de un 72%, es
tan pequeña debido a la eficiencia tan baja del alternador utilizado. Como se dijo en el Capítulo
8, esta selección no fue estricta y solo se dio con base en disponibilidad del equipo en el
Laboratorio.
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
Efic
ien
cia
Glo
bal
(h
yd/M
ec)
Caudal (m3/h)
Eficiencia Global (Hyd/Elec) Vs. Caudal (m3/h)
4.9 Ohms 9.3 Ohms 12.1 Ohms 24.6 Ohms
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Efic
ien
cia
Glo
bal
(h
yd/M
ec)
Cabeza Turbina (m)
Eficiencia Global (Hid/Elec) Vs. Cabeza Turbina (m)
4.9 Ohms 9.3 Ohms 12.1 Ohms 24.6 Ohms
40
Capítulo 10.
Calculo de Coeficientes y Análisis de Resultados:
10.1 Curvas Adimensionales
En el Capítulo 4 se enunciaron los números adimensionales comunes para turbinas y se mostró
su combinación entre parámetros. Igualmente en esta sección se recuerdan. Estos números
adimensionales se basan en que la fuente de energía es una cabeza, debido a esto todos
tienen relación con la cabeza de la turbina H.
La Figura 10.1 muestra la relación entre caudal unitario y velocidad unitaria.
Figura 10.1. Caudal Unitario Vs. Velocidad Unitaria
0
0.0004
0.0008
0.0012
0.0016
0.002
0.0024
0.0028
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Cau
dal
Un
itar
io (
Q/H
1/2
))
Velocidad Unitaria (n/H1/2))
Caudal Unitario Vs. Velocidad Unitaria
41
Figura 10.2. Potencia Unitaria Vs. Velocidad Unitaria
Figura 10.3. Torque Unitario Vs. Velocidad Unitaria.
En las Figuras anteriores se encuentran que la mayoría de los puntos están concentrados en
una sola región de la gráfica. Esto se debe a que al variar el caudal que ingresa a la turbina
también se está variando la cabeza de entrada. La variación de los dos parámetros al mismo
tiempo es resultado de la apertura de la válvula de cortina a la salida de la bomba de
alimentación. Los números adimensionales presentes en las graficas son relaciones entre estos
parámetros, si ambos parámetros varían en un intervalo pequeño, entonces tenemos como
resultado las gráficas con puntos concentrados en una sola zona. Variar el caudal en el sistema
dejando constante la cabeza es imposible en este banco de pruebas debido a que el
comportamiento de la bomba de alimentación es reducir la cabeza a medida que el caudal se
incrementa. La única manera de variar caudal y mantener cabeza constante es si la
alimentación de la turbina se da por un tanque en carga lo suficientemente grande que
permita mediante una válvula variar el caudal y manteniendo la altura de fluido permanente.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Po
ten
cia
Un
itar
ia (
W/H
3/2 )
)
Velocidad Unitaria (n/H1/2)
Potencia Unitaria Vs. Velocidad Unitaria
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
0.22
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Torq
ue
Un
itar
io (
T/H
)
Velocidad Unitaria (n/H1/2)
Torque Unitario Vs. Velocidad Unitaria.
42
La Figura 10.1 donde se tiene el caudal unitario en función de la velocidad unitaria muestra un
comportamiento de caída del caudal unitario a medida que la velocidad unitaria aumenta.
Este comportamiento es característico de las turbinas de reacción como las Francis y Kaplan.
Una bomba centrifuga operando como turbina hidráulica cae dentro del tipo de las turbinas de
reacción debido a que el fluido se encuentra a una presión diferente a la atmosférica y operan
transformando la presión en momentum angular al paso por el rodete. En el inicio de la gráfica
se debe observar que el caudal unitario se mantiene constante a medida que la velocidad
unitaria aumenta. El no tener datos en esta zona no permite observar este comportamiento.
En una primera instancia, la potencia unitaria tiende a aumenta a medida que la velocidad
unitaria aumenta, llega a un máximo y después se reduce. Esta tendencia es observada en la
Figura 10.2.
Finalmente, la Figura 10.3 se muestra el comportamiento de la turbina en relación al torque
unitario y velocidad unitaria. Se observa que a medida que la velocidad unitaria aumenta el
torque unitario se reduce. Este comportamiento es común en todos los tipos de turbinas.
10.2 Calculo de Coeficientes
Al operar bombas centrifugas como turbinas es importante encontrar la relación entre la
operación como bombas y como turbinas. Diferentes autores han realizado modelos empíricos
que permiten una comparación entre ambas aplicaciones a la misma velocidad de rotación. En
su documento de Proyecto de Grado, Ochoa, Juan Sebastián presenta la caracterización de la
bomba Pedrollo HF-5B en operación como bomba centrifuga. Los resultados obtenidos en esa
caracterización a una velocidad de rotación de 3450 rpm son los siguientes [1]:
Bomba Centrifuga Pedrollo HF-5B Operando como Bomba
Velocidad Rotación (rpm)
Cabeza (m)
Caudal (m3/h)
Eficiencia
3450 12.9 18.5 74% Tabla 10.1.Resulatdos de la caracterización de la Bomba Centrifuga Pedrollo HF-5B en operación como Bomba.
Ochoa, Juan Sebastián, 2012. [1]
Para hacer la comparación entre ambos puntos de operación como bomba y como turbina, se
deben normalizar los datos de operación en la Tabla 7.3 como turbina a una velocidad de 3450
rpm.
( )
( )
( )
La Tabla 10.2 [3] muestra la comparación entre la operación como bomba y turbina.
43
Operación Cabeza (m) Caudal (m3/h) Eficiencia (%)
Bomba 12.9 18.5 74%
Turbina 18.5 32.5 72%
Coeficiente HT/HB QT/QB nT/nB
Valor 1.4 1.8 0.97 Tabla 10.3. Coeficientes de Comparación entre bomba y turbina.
Para operar la bomba centrifuga como turbina hidráulica, asumiendo una velocidad de
operación de 3450 rpm para efectos de comparación entre puntos de operación, se debe
poner una cabeza de 1.4 veces la cabeza de operación como bomba y 1.8 veces el caudal de
mejor punto de operación como bomba.
Lo más importante observado en la Tabla 10.3 es que se alcanzó un 97% de la eficiencia de la
bomba como turbina. En operación como bomba centrifuga se obtuvo un 74% y como turbina
un 72%. Este resultado implica que el trabajo realizado en este proyecto con base a la
instalación del banco de pruebas confiable fue fructífero debido a que en el trabajo anterior se
había obtenido una eficiencia de operación como turbina de 64.8% que representaba un 88%
de la eficiencia como bomba.
En cuanto a generación de energía eléctrica se está adquiriendo entre 4 kWh/día y 6 kWh/día
dependiendo del factor de planta de este sistema. El factor de planta no fue calculado debido
a que las pruebas realizadas solo fueron para la caracterización del conjunto. En el momento
se tiene una potencia mecánica en el eje de 530 W que si se le acopla un alternador eléctrico
diseñado específicamente para esta turbina se puede obtener una potencia eléctrica de 370 W
aproximadamente. En términos de generación de energía eléctrica contando con que el factor
de planta de este sistema sea alto debido a que el flujo de agua desde la fuente sea continuo y
la confiabilidad y disponibilidad sean altas, se puede tener entre 6 kWh/día y 8.5 kWh/día. Una
vivienda rural dependiendo de las condiciones de clima y aparatos eléctricos existentes en la
vivienda consume entre 2.5 kWh/día a 6 kWh/día [4]. En este proyecto no hubo preocupación
en cuanto a las características de generación como si en corriente directa o alterna y el voltaje.
En un trabajo futuro cuando se defina el generador que va estar acoplado a la bomba-turbina,
estos valores deben ser escogidos para la correcta utilización del sistema.
Una bomba centrifuga es una maquina rotodinámica que está diseñada con el propósito de
convertir energía cinética rotacional en energía hidráulica en fluido con una cabeza y un
caudal. Tener una eficiencia del 72% en operación como turbina hidráulica y 97% de la
eficiencia para cual fue diseñada es un logro muy importante debido a que se está utilizando
una maquina hidráulica de manera reversa y se obtiene resultados comparados con una
turbina hidráulica como una Francis con un diámetro de rotor semejante [4] [6] [8]. Con este
resultado se abre un campo de investigación importante debido a que el costo de una bomba
centrifuga es muy bajo comparado con una turbina hidráulica de reacción. La utilización de
bombas centrifugas acopladas a generadores eléctricos para la generación de energía eléctrica
puede ayudar a suplir la demanda energética insatisfecha en zonas no interconectadas del
país.
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Capítulo 11.
Conclusiones y Recomendaciones:
Se diseño, construyó e implementó un banco de pruebas robusto y confiable, en trabajo
conjunto con Juan Sebastián Ochoa Álvarez, para la caracterización de la bomba centrifuga
Pedrollo HF-5B en operación como turbina hidráulica acoplada a un alternador para la
generación de energía eléctrica.
Se realizó la caracterización de la bomba centrifuga SIHI 040-200, la cual sirve como bomba
de alimentación al banco de pruebas. Se recomienda que al momento de recibir una
maquina rotodinámica se haga una caracterización para obtener las curvas características
de operación.
Se logró caracterizar la bomba centrifuga Pedrollo HF-5B en operación como turbina
hidráulica.
Se obtuvo generación de energía eléctrica con bomba centrifuga en la Universidad de los
Andes al seleccionar un alternador de un vehículo como acople eléctrico a la bomba-turbina
para la generación de energía eléctrica. Esta selección tuvo como criterio único la
disponibilidad de este alternador entre el inventario del Laboratorio de Dinámica de Fluidos
de la Universidad de los Andes. Se recomienda para futuros trabajos la selección de un
alternador que se acople al sistema y permita lograr una mayor eficiencia global.
Se realizaron las curvas características de generación de energía eléctrica de la bomba
centrifuga Pedrollo HF-5B acoplada a un alternador eléctrico.
Se obtuvo una alta eficiencia de conversión de energía hidráulica a mecánica en el eje. Una
eficiencia del 72% que representa una eficiencia comparada del 97% con la bomba
centrifuga operando como bomba. Obtener una alta eficiencia de la turbina era uno de los
principios fundamentales de este proyecto. La eficiencia global máxima del sistema en
conversión desde hidráulica a eléctrica fue de un 32% debido a la baja eficiencia del
alternador eléctrico seleccionado.
Se logró obtener curvas de números adimensionales para turbinas hidráulicas que resumen
la operación de esta bomba centrifuga Pedrollo HF-5B como turbina hidráulica.
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Bibliografía.
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operación como turbina hidráulica. Bogotá D.C. Tesis (Pregrado Ingeniería
Mecánica). Universidad de los Andes. Facultad de Ingeniería. Departamento de
Ingeniería Mecánica.
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Rotodinámicas. Ensayos de Aceptación de Desempeño Hidráulico. Grados 1 y 2.
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speeds. Tehran, Iran. University of Tehran. Faculty of Engineering. Department of
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[Documento en línea]. [Consultado el 1 de Mayo de 2013]. Disponible en:
http://www.prestolite.com.ar/images/catalogos/2010/manual%20de%20alternadores.pd
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