BOMBAS CENTRIFUGAS MONOBLOCK UTILIZADAS COMO TURBINAS

HIDRÁULICAS

Kurtz Victor Hugo (1), Audisio Orlando Anibal (2), Marchegiani Ariel Ricardo (2).

kurtzvh@gmail.com orlando.audisio@fain.uncoma.edu.ar ariel.marchegiani@fain.uncoma.edu.ar

(1) Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Misiones, Oberá-Misiones (2) Laboratorio De Maquinas Hidráulicas (La.M.Hi.), Universidad Nacional Del Comahue, Neuquén

Capital-Patagonia Argentina

RESUMEN

El propósito principal de este trabajo es el de evaluar las ventajas y desventajas que presente la utilización de las Bombas centrifugas tipo Monoblock para ser utilizadas como turbinas hidráulicas. Con ensayos experimentales de laboratorio, se busca la validación de las expresiones teóricas, obtenidas a partir de desarrollos propios y de investigación de publicaciones de terceros.

La principal conclusión de este análisis experimental está relacionada a la baja potencia que se obtiene de este monoblock si se quiere generar en corriente alterna, garantizando calidad de energías en cuanto a frecuencia y tensión; esto motivado, principalmente, a la imposibilidad de modificar la velocidad de rotación del motor eléctrico en el modo turbina.

Palabras Clave: Bombas; Bomba reversa; Energía; Turbinas; Mecánica de fluidos.

INTRODUCCIÓN El uso de las Bombas Centrifugas como turbinas (BUTUs) ha sido abordado como tema de investigación a principio de la década del 70’. Esto tuvo sus comienzos cuando D. Thoma y su equipo de profesionales, de manera accidental descubrió que, cuando se trata de evaluar las características completas de las bombas, las mismas pueden ser operadas de manera muy eficiente en el modo de turbina. La Bomba en su modo de operación como turbina se convirtió en un tema importante de investigación para muchos fabricantes de bombas que eran propensos a condiciones anormales de operación. R.T. Knapp (1931) publicó las características completa de la bomba para un número limitado de diseños de bombas sobre la base de investigación de tipo experimental. Entre los años 1950 y 1960, el concepto de las estaciones de acumulación de energía tuvo un importante desarrollo, principalmente en los países desarrollados, para poder manejar los picos de potencia. Las 'Bombas como Turbinas (BUTUs' encuentran aquí una de sus importantes aplicaciones y es la que está sustentado, en cierta medida, la investigación. Pero, la capacidad de estas plantas de acumulación estaban en el orden de 50 MW a 100 MW, y el número de ellos eran pocos. En los últimos años la industria química y las plantas de tratamientos de aguas se han convertido en áreas de aplicación de las BUTUs, principalmente en aquellos procesos donde se hace necesaria una disipación de energía de alta presión.- En lugar de realizar un simple estrangulamiento, se han instalad BUTUs para la recuperación de parte de la

energía. Incluso en las redes de suministro de agua se ha encontrado similares aplicaciones de esta tecnología. Algunos fabricantes de pequeñas y medianas bombas están interesados en poder encontrar las características de sus equipos en el modo turbina; tal es el caso de la Fabrica IRUMA S.A. (Argentina) que ha comenzado con la caracterización de sus bombas en el modo turbina y el cual es el motivo principal de este trabajo. Como resulta oneroso testear todas las bombas, los fabricantes conjuntamente con los investigadores trabajaron en tratar de predecir el rendimiento del modo turbina de todos los tipos de bombas basadas en las características hidráulicas y geométricas de la bomba en su modo de operación como tal. Hay mucha incertidumbre asociada con los diferentes métodos de predicción, sin embargo, han servido como punto de partida para la difusión de esta tecnología. En los últimos años, los micros y pequeñas centrales hidráulica (PCH) se ha convertido en una nueva área de aplicación de las bombas como turbinas, principalmente cuando la turbina resulta muy cara y el proyecto está destinado a sustituirla. Por lo general estos sistemas, energéticamente, son descentralizados y de una capacidad inferior a 100 KW. Debido a su amplio mercado, estas bombas y en todos los tamaños estas muy disponibles y, además, resultan baratas y fiables. También, con respecto al mantenimiento, tienen muchas ventajas en comparación con los que se les realiza a las turbinas. RESULTADOS Dada a las condiciones geométricas fijas de la bomba y si esta está operando en sentido reverso, el flujo en la carcasa y el impulsor resulta de muy bajo rendimiento; aspecto que se torna muy marcado a cargas parciales. Este es uno de los problemas más difíciles de manejar para un sistema en una PCH sobre la base de una BUTUs. Además de esto, a menudo se llegan a notar que los datos previstos en el rendimiento de la turbina no coinciden con los valores obtenidos experimentalmente. Por lo tanto la selección de una buena bomba se convierte en un gran desafío. Una bomba operando como una turbina es muy sensible a los cambios de parámetros tales como altura y caudal. En consecuencia, una errónea selección de la bomba dará lugar a un punto de trabajo no óptimo, a una entrega de la potencia no suficiente e incompatible con los cálculos, e incluso se puede llegar al fracaso del proyecto.

Bomba Marca IRUMA

Modelo EMH 60/5 (FB2)

63

63

136

13

60

Q [m3/s] 0,01333 0,01278 0,01194 0,01111 0,01042 0,0090 0,00750

Q [m3/hs] 48 46 43 40 37,5 32,5 27

H [m] 6 10 12 14 16 17 20

Pmec [KW] 2,61 2,61 2,61 2,61 2,61 2,61 2,61

PHid. [kW] 0,785 1,254 1,406 1,526 1,635 1,506 1,472

Rend [--] 0,301 0,48 0,539 0,585 0,626 0,577 0,564

n [RPM] 2890 2890 2890 2890 2890 2890 2890

ηEsp.Pot 87,05 58,09 48,99 42,09 36,87 32,80 26,46

Diametro de Entrada Bomba [mm]

Diametro de Salida Bomba [mm]

Diametro Exterior Rotor [mm]

Ancho Util del Rotor [mm]

Diametro de Descarga del Rotor [mm]

Tabla Nº 01: Características Hidráulicas y Geométricas de la Bomba Centrifuga

En nuestro caso hemos trabajado con una Bomba de la Marca IRUMA S.A. (Buenos Aires – Argentina) que tiene las características que se muestra en la Tabla Nº 01. En este caso la Pmec representa la potencia mecánica y para ello se ha tomado la que indica la placa del motor eléctrico que viene provista la unidad monoblock.- En el caso del rendimiento, este es el cociente entre la Phid y la Pmec.- Un aspecto hidráulico importante de considerar es en lo inherente a que en el modo bomba el ángulo de entrada, α1, y el del alabe, β2, en el impulsor son independientes del caudal, y las razones son las siguientes:

(1) α1 en el rotor está determinado por la geometría de entrada aguas arriba del impulsor, (2) β2 esta fundamentalmente dado por el ángulo β2B de salida del impulsor. Esto se ve confirmado por la observación de que el factor de deslizamiento, γ, es poco dependiente de la relación de flujo a partir de q*> 0,7:

Figura Nº 01: Factor de Deslizamiento γ Vs. Relación de caudal.

Como resultado, la velocidad absoluta c2 a la salida del impulsor, y por lo tanto, el trabajo específico de la bomba (de acuerdo a la ecuación de Euler), disminuye con el incremento del caudal. En la operación en modo turbina, la cámara espiral determina el ángulo de entrada α2; ángulo que es en gran medida independiente del caudal q* (cuando se utilizan aspas de guía fijas). El fluido sale del impulsor con el ángulo β3b que también es poco dependiente de la velocidad de flujo. En consecuencia, la velocidad del flujo c2 para el impulsor se incrementa con el caudal.

El trabajo específico aumenta proporcionalmente con el flujo a través de la turbina de acuerdo a como se muestra en la siguiente expresión:

umumLa

thsch c.uc.uQ.

PYY 1122

En el ensayo experimental se midieron los distintos parámetros de funcionamiento del sistema bajo estudio, características hidráulicas, mecánicas y eléctricas. La turbomáquina se probó en el banco de ensayo del laboratorio del LAMHI (Neuquén). El Caudal de entrada se lo relevó con la ayuda de una placa orificio, diseñada y calibrada ad hoc para este ensayo.

La altura, se determinó midiendo la presión de entrada a la bomba funcionando como turbina, con la ayuda de un ecualizador de presiones periféricas y manómetro a columna de mercurio, ambos también construidos especialmente para este experimento (ver fig. 2). La velocidad angular, se midió con la ayuda de un captor de proximidad magnética y un traductor a RPM, instalado en la porción del eje que comunica la bomba y el electromotor, (recuérdese que se trata de una bomba tipo monoblock), donde se fijó con sendas abrazaderas una pieza magnética solidaria al eje. Para la medición de la frecuencia de la tensión generada, se utilizó un frecuencímetro a aguja. Mientras que para la medición de las tres intensidades de corrientes, las seis tensiones eléctricas y los tres factores de potencia a la salida del motor actuando como generador, se utilizó un polímetro electrónico digital. Se emplearon lámparas incandescentes como carga eléctrica, en la configuración estrella con acceso a neutro.

Fig. 02: Equipamiento para medición de Caudal, Presión y Frecuencia

El rendimiento teórico en función de los datos iniciales es de 62% (Relación entre la energía hidráulica de entrada y la potencia eléctrica en la carga). El rendimiento obtenido como promedio para distintas situaciones eléctricas, con un caudal de 12 l/s, altura de 27m y velocidad promedio de 3050 RPM, fue del 60%.

[l/s] [rpm] [m] [W] [W] [%] [----------]

14 3050 27,5 3773 2010 47 Volt y Hz Nominal

12 3139 27,0 3175 1445 54 Vprom. = 232Vac

14 3006 27,0 3704 1302 65 Vprom =153V 50Hz

14 3024 27,0 3704 1482 60 Vprom =189V 50Hz

14 3035 27,0 3704 1420 62 Vprom =196V 50Hz

Observaciones VelocidadCaudal Altura Potencia

Hidráulica

Potencia

Eléctrica Rendimiento

Tabla Nº 02: Resultados experimentales

CONCLUSIONES Los rendimientos observados fueron mejores de lo esperado. La máquina presentó un funcionamiento estable, silencioso y de buena calidad. Por otro lado, el grupo hidrogenerador ensayado, tomando en cuenta de manera preliminar el costo del sistema, representa una interesante solución para la generación hidroeléctrica. Asimismo, este ensayo posibilitó validar las expresiones teóricas, obtenidas a partir de trabajos propios y de investigación de bombas centrifugas operando como turbinas

hidráulicas y de la generación eléctrica utilizando motores a inducción como generador. REFERENCIAS [1] Manual on Induction Motors Used as Generators. J.M. CHAPALLAZ, P. EICHENBERGER, G. FISCHER – Volumen 11 GATE – ISBN: 3-528-02069-5 (1992)

[2] Manual on Pumps Used as Turbines. J.M. CHAPALLAZ, J. Dos GHALI, P. EICHENBERGER, G. FISCHER – Volumen 10 GATE – ISBN: 3.528-02068-7 (1992)

[3] Bombas Utilizadas como Turbinas (BUTUs). Orlando Anibal AUDISIO – Univ. Nacional del Comahue 01/2000 (Argentina; Abril del 2000) .-

[4] Centrifugal Pumps. J.F. GÜLICH – Springer Verlag (2008) – ISBN: 978-3-540-73694-3

[5] Caractéristiques des pompes fonctionnant en turbines - Rapport final, 31 décembre 2006 - Jorge Arpe, Jean Prénat, Michel Dubas, Hans-Peter Biner - Institution mandatée Ecole d'ingénieurs de Genève, Haute école valaisanne Adresse Rue de la Prairie 4, 1202 Genève, Route du Rawyl 47, 1950 Sion.