USO DE BOMBAS CENTRIFUGAS STANDARS COMO TURBINAS HIDRAULICAS (BUTUs)

Orlando Aníbal AUDISIO1. Laboratorio de Máquinas Hidráulicas (LA.M.HI.) – Departamento de Mecánica Aplicada

Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional del Comahue (UNCo)Calle Buenos Aires 1400 – (Q8300BSX) Neuquén Capital – Patagonia Argentina

Tel. 0299-4490300 Int. 404 ; Fax 0299-44490329 - E-Mail: orlando.audisio@fain.uncoma.edu.ar

RESUMEN

Una alternativa económica para pequeños aprovechamientos hidroeléctricos es utilizar bombas como turbinas. Las bombas se producen en serie y están disponible para un amplio rango de alturas y caudales (las turbinas son diseñadas para cada sitio). Ensayos experimentales han mostrado que las bombas operando en reverso pueden sustituir a las turbinas, con alta eficiencia en pequeñas potencia. En general, los fabricantes brindan curvas de performance para el modo bomba y no así para el modo turbina. El trabajo presenta la caracterización funcional, inferidas en forma experimental, de una bomba centrífuga utilizada como turbina.- Se midieron parámetros hidráulicos y mecánicos de manera analógica y digital para determinar rendimientos energéticos para el funcionamiento en el modo turbina. Se muestra, además, características de la máquina para varias velocidades de rotación, y se comparan caudales y alturas a fin de observar la influencia de la rotación en la eficiencia y las características en carga constante.

Palabras clave: energía hidráulica, tecnología, Bombas como Turbinas, Energías Renovables; Pequeñas fuentes de energías.

1 Integrante PI 04/I 076 - UNCo

Tema 6 - Energía eólica, geotermia, biomasa y otras energías no convencionales.

INTRODUCCIÓN

Debido al agotamiento de los recursos naturales y los problemas ambientales globales, hay una necesidad de desarrollar fuentes de energía renovables con el mínimo impacto ambiental. Una de las técnicas más madura para la generación de energía renovable es hidroeléctrica.

Un gran número de pequeños proyectos hidroeléctricos han aplicado esta tecnología lo que hace que hoy en día la misma tenga un grado de madurez bastante interesante; pero esto aún no ha podido ser llevado a casos de centrales hidroeléctrica de gran escala, principalmente, porque los beneficios que tienen las economías de escala, no siempre resultan viables en cuanto se ponderan aspectos tecnológicos, económicos, políticos y/o ambientales. Por consiguiente, el interés en la generación de energía eléctrica hidráulica a pequeña escala es cada vez mayor.

Sin embargo, los costos de construcción de pequeñas centrales hidroeléctricas equipadas con turbinas hidráulicas son relativamente altos en comparación con la cantidad de energías generada. La alta inversión inicial y los altos costos constructivos limitan la posibilidad de su aplicación; aspectos estos que de poder reducirse implicaría para la pequeña escala, ser generalizada, especialmente en regiones rurales aisladas de nuestro país, y el mundo.

En este contexto, para la generación de energía en baja y muy baja potencia (menos de 100 kW), la posibilidad de utilizar bombas operando como turbinas (BUTUs), resultaría relevante porque, a pesar de que hay una reducción en la eficiencia, hay una reducción significativa en el costo de capital de la planta del orden del 10% y en ciertas circunstancias puede llegar hasta un 50%.

La operación en forma reversa de una bomba centrifuga ha sido investigada anteriormente por Kittredge [2], Knapp [3], y Stepanoff [4] pero la tecnología para su uso en la generación de energía eléctrica no estaba disponible en ese momento. Sin embargo, los avances en las tecnologías de control de máquinas eléctricas, que permiten la regulación de tensión y frecuencia (par y sentido de giro) con velocidad variable, han llevado a la posibilidad de utilizar las bombas en modo reverso para la generación de energía. A diferencia de una turbina convencional, una turbina desarrollada a partir de la operación reverso de una bomba implica el no tener álabes de guía; por lo tanto, las características de descarga variables son ligeramente diferentes a, por ejemplo, la turbina de Francis. Sin embargo, una BUTUs tiene ventajas tales como calidad uniforme, construcción simple y robustez y durabilidad. Una bomba operando en reverso como turbina presenta casi la misma eficiencia que la bomba, lo que hace que estos equipos puedan competir con otro tipo turbinas. Otro aspecto relevante es el escaso número de piezas, lo que permite un fácil mantenimiento.

La mayoría de los estudios realizados se basan en la hipótesis de la similitud entre las eficiencias máximas de trabajo en ambos modos, que no es fácil de mantener, y otros estudios se basaron en las relaciones algebraicas en función de la eficiencia, que por cierto también representa un parámetro de similitud o que está involucrado en ellas. Todos ellos se han alcanzado teniendo en cuenta las velocidades de rotación iguales en ambos modos de trabajo.

El presente trabajo tiene por objeto el mostrar las características de una bomba centrífuga trabajando en modo reverso; es decir trabajando en modo turbina. Además, mostrar la viabilidad de utilizar las bombas en modo turbina en pequeñas centrales hidroeléctricas, y regular su potencia por medio de las variaciones en la velocidad de giro del conjunto turbina-generador-. Para llevar a cabo esto se ha adecuado y caracterizado instalaciones hidráulicas de un laboratorio. La bomba a ensayada (nSB=36,87) es operada a través de una freno dinamométrico a corrientes parasitas (efecto Foucault).

2. INSTALACIÓN EXPERIMENTAL

El rendimiento de la bomba, que operan ya sea en el modo normal o reverso, fue probado en un banco de ensayo el cual responde a las normas ISO 3555: 1977 [1]; sus instalaciones se muestra en la Foto Nº 01:

Foto Nº 01: Vista Banco de Ensayo para Pequeñas Turbinas Hidráulicas (LA.M.HI.)

El circuito de tipo “Abierto” y se compone de una cisterna con 5,5 m3 de capacidad, a la que dos las bombas centrifugas Marca IRUMA. En su conjunto las bombas principal, válvulas, tuberías y otro auxiliares apropiados permite que el agua sea bombeada desde y devuelto a un depósito. El caudal es regulado por medio de un conjunto de válvulas tipo globo situadas aguas arriba de las dos bombas principales que cuenta el banco de ensayos.- El caudal se midió con un medidor de flujo electromagnético EUROMAG MC-608.

Las bombas principales son las que suministra el caudal y la presión requerida por la turbomáquina que se está ensayando (bomba como una turbina). El sistema en su conjunto es capaz de suministrar 120 m3/h (sistema paralelo) y una altura neta máxima (sistema serie) de 60 m.-

La bomba utilizada para esta investigación tuvo aspiración axial individual y carcasa de voluta espiral (Figura Nº 01).

Figura Nº 01 Detalle de la Bomba utilizada como Turbina

Estaba equipado con un impulsor de 136 mm de diámetro exterior con 6 palas curvadas hacia atrás con perfil logarítmico. Otras dimensiones del impulsor son; diámetro neto de entrada = 60 mm, ancho neto de descarga, b2 = 13 mm [Ver Tabla Nº 01].

Bomba IRUMA Monoblock Modelo 60/5

Impulsor:Diametro exterior 136 mmDiametro Interior 70 mm

Diametro Neto Interior 60 mm

Ancho Salida 20 mm

Ancho Neto Salida 13 mm

Numero de Alabes 6Velocidad de Rotacion 2890 RPM

Tabla 1: Resumen dimensiones geométricas rotor de BUTUs

La velocidad de rotación de la BUTUs se la midió haciendo uso de un tacómetro digital y el torque mediante un freno dinamométrico a corrientes parasitas y con una celda de carga como transductor de esfuerzos. Las curvas de performance se obtuvieron para una energía específica hidráulica de entrada constante y equivalente a 25 m.d.c.a..- Con este parámetro fijado, se procedió a relevar todas las variables, hidráulicas y mecánicas, en juego para distintos caudales turbinados.-

RESULTADOS EXPERIMENTALESCurvas de funcionamiento a Energía Hidráulica Especifica constante.-

 El trabajo consistió en la caracterización experimental de la bomba operando en modo turbina. Siguiendo procedimientos normalizados se obtuvieron curvas de performance en el modo turbina, correspondientes a un rango de velocidad de rotación que va desde 800 a 2900 RPM. La Figura 2 muestra el coeficiente de altura y el coeficiente de potencia en función del coeficiente de flujo, para el rango de velocidades mencionado y el modo turbina. Los Coeficientes y los rendimientos se definen como sigue:

  Coeficiente de potencia:

K N=N

(ω3 .D25 . ρ ) (1)

Coeficiente de Altura:

K H= g . H(ω. D2 )2

(2)

Coeficiente de Caudal o Flujo

KQ= Q(ω. D2

3 ) (3)

Eficiencia de la Bomba y la Turbina:

ηB=ρ . g . H .Q

T .ω (4)

ηT=T . ω

ρ . g . H .Q (5)

Figura Nº 02 Curvas Adimensionales de Performance de Bomba utilizada como Turbina

KNT = 10,513.KQ2 + 0,013. KQ - 0,0019 R² = 0,9967 (6)

KHT =756,16.KQ2 – 15,599. KQ + 0,2107 R² = 0,9982 (7)

La caracterización en el modo bomba [Ver Figura Nº 03]se desarrolló a partir de los datos del fabricante lo cual nos permitió inferir las curvas del coeficiente de altura y el coeficiente de potencia en función del coeficiente de flujo, y para la velocidad nominal de trabajo que es de 2850 RPM.-

0,00000,00050,00100,00150,00200,00250,00300,0035

0,00,10,20,30,40,50,60,7

0,005 0,010 0,015 0,020

Coef

. Al

tura

[K

H]

Coef. Caudal [KQ]

Bomba CentrifugaCo

ef. P

oten

cia

[KN]

KH B

KN B

Figura Nº 03 Curva Adimensional de la Bomba Centrifuga

KNB = 0,5715.KQ2 + 0,0533. KQ + 0,0018 R² = 0,9873 (8)

KHB = -2460,7. KQ + 32,228. KQ + 0,5129 R² = 0,9981 (9)

El mejor punto de eficiencia de la bomba como turbina corresponde a un coeficiente de flujo de 0.011. Por otro lado, en el modo de turbina, la altura neta de funcionamiento resulto ser mayor que para el modo bombas.

En cuanto a la variación de potencia en el eje y rendimiento global, con respecto a la velocidad de rotación de la bomba operando como turbina, en la Figura Nº 04 se puede ver el comportamiento experimental que tiene el equipo en cuestión.-

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

500 1000 1500 2000 2500 3000

h [

--]

P [k

W]

n [RPM]

Bomba utilizada como Turbina (BUTUs)

AlturaEnsayo:

25 m

Figura Nº 04 Curvas de Rendimiento y Potencias de la BUTUs

NkW = -6x10-07.n2 + 0,0025.n - 0,6396 ; con n:[RPM] R² = 0,9565 (10)

ηGlobal = -1x10-07n2 + 0,0006.n - 0,0799 ; con n:[RPM] R² = 0,8983 (11)

Considerar que las curvas de la Figura Nº 02 para la bomba trabajando en modo turbina, no pasan por el origen; esto nos está indicando que la máquina, para bajos caudales, presenta un área de trabajo invertida que nos indica que la máquina para bajos caudales presenta un consumo de energía, o potencias, y disipación de altura especifica.

El punto de intersección de las curvas de la Figura Nº 02 con el eje de abscisas nos muestra la condición de embalamiento, y este punto estaría para un coeficiente de flujo próximo a 0,010

De acuerdo a lo expuesto y a lo desarrollado en [5], podemos inferir que existe una correlación entre parámetros de un mismo tipo en ambos modo de operación; lo que también podemos afirmar que esta correlación no está explicada ni por el rendimiento ni por la velocidad específica en ningún modo de operación. Este último aspecto es razonable que así sea dado que el rendimiento es un parámetro muy relevante en la identificación de la velocidad específica de la máquina, sea cual sea su modo de operación.

Esto hace que no resulte factible utilizar estos parámetros como variable de correlación para inferir un comportamiento en un modo, en base al comportamiento en otro modo; se trata, del punto de vista operativo, de máquinas totalmente distintas, con escurrimientos fluidodinámico distintos; este último aspecto es confirmado cuando determinamos el trabajo específico intercambiado en el rodete para el modo turbina [6].-

Por lo desarrollado y resultados obtenidos se puede inferir que la hipótesis básica propuesta de la no existencia de una correlación explicada con parámetros de semejanza o similitud hidráulica es razonable que así sea. Además, y dentro de este contexto, consideramos que sería más apropiado pensar en tratar de explicar el comportamiento en el modo turbina, abordando metodologías de similar característica a las aplicadas en turbinas hidráulicas.

Dentro de esta propuesta, consideramos que sería importante comenzar analizando la ecuación fundamental de las turbomáquinas y, mas concretamente, el trabajo específico de la turbinas, el cual esta explicado, entre otras variables, por parámetros geométricos, constructivos y operacionales del rotor, tal como se lo muestra en los puntos siguientes.

4. CONCLUSIONES

En este trabajo se ha descrito el comportamiento de una bomba centrífuga en el modo de turbina a partir de un ensayo experimental realizado a energía neta específica constante y equivalente a 25 m.c.a. y con velocidad de rotación variable. Lo que se trata de buscar es una metodología que permita inferir el comportamiento de la bomba en el modo turbina de manera confiable y de aplicación universal. Sin embargo, y con el fin de predecir las características de turbina con más precisión, esto requiere de un importante número de datos de tipo experimental y posteriormente efectuar un procesamiento de los mismos con herramientas de la estadística. Otra herramienta muy relevante para desarrollar estas predicciones son las técnicas de Mecánica de Fluidos Computacional (CFD), pero este es un tema a ser abordado en un tiempo no muy lejano a fin de comparar y convalidad códigos computacionales.

A los resultados obtenidos, se hace necesario acoplarlos a similares metodologías desarrolladas para otro tipo y/o modelos de bombas a fin de poder mejorar las técnicas de predicción.-

Una de las barreras a que nos encontramos en estas tares está inserta en el tipo de unidades que se encuentran en nuestro mercado local las cuales muchas de ellas provienen de fabricante que no entregan un producto normalizados lo cual esto juega en contra con cualquier tarea de estandarización que se pretenda a fin de universalizar los desarrollos experimentales de inferimiento realizados.

NOMENCLATURA

D2 Diámetro Exterior Impulsorb2 Ancho Impulsor en D2

Ht Altura Ideal o TeóricaHP, HB Altura en Modo Turbina y Modo BombaKQ Coeficiente de Caudal o FlujoKH B Coeficiente Altura en modo BombaKH T Coeficiente Altura en modo TurbinaKNB Coeficiente de Potencias-Modo BombaKNT Coeficiente de Potencias-Modo TurbinaQ Caudal Volumétrico [m3/s]T Par o Torque [N m]u2, u1 Velocidad Periférica del Impulsoru2u, u2m Componente de la Velocidad Absoluta en la dirección tangencial y Meridianaz Numero de alabes del rotorβ1 Angulo del alabeηhB, ηhT Rendimiento hidráulico para el modo Bomba y modo TurbinaηB, ηT Rendimiento global de la Bomba y/o Turbinaρ Densidad del Fluido [kgm/m3]ω Velocidad de Rotación [rad/s]n Velocidad de Rotación [RPM]nsB Numero Especifico bomba

BIBLIOGRAFIA

[1] ISO 3555:1977 Centrifugal, mixed flow and axial pumps -- Code for acceptance tests -- Class B (Replaced by Standard: ISO 9906-2012 Rotodynamic pumps - Hydraulic performance acceptance tests - Grades 1 , 2, and 3)

[2] Kittredge, C.P. "Centrifugal Pumps Used as Hydraulic Turbines". Trans. ASME, Vol. 63, 1941.

[3] Knapp, R. T. "Centrifugal Pump Performance as Affected by Design Features". Trans. ASME, Vol.63, 1941.

[4] Stepanoff, A. J. "Centrifugal and Axial Flow Pumps", Ed. J. Wiley. New York, 1957.

[5] Audisio, Orlando A. “Correlación en el uso de la bomba centrifuga operando como turbina en pequeños aprovechamientos hidráulicos “. IV CAIM 2014 – Resistencias (Chaco-Argentina).-

[6] Gülich, Johann F. – Centrifugal Pumps – ISBN 978-3-540-73694-3 – Springer Berlin Heidelberg New York. - 2008

USING STANDARD PUMPS AS TURBINES

ABSTRACT:

An economic alternative for small hydroelectric plants is to use pumps as turbines. The pumps are mass produced and are for a wide range of heights and flows (turbines are designed for each site). Tests have shown that pumps operating in reverse can replace turbines with high efficiency small power. In general, manufacturers give performance curves for the pump mode and not for the turbine mode.The paper presents the functional characterization inferred experimentally, a centrifugal pump used as hydraulic turbine and hydraulic and mechanical parameters were measured analog and digital way to determine energy performance for operation in the turbine mode. It also shows characteristics of the machine for several rotation speeds, and heights and flow rates are compared to observe the influence of rotation on the efficiency and constant load characteristics.

.Keywords: hydropower technology, pumps as turbines, renewable energy; Small energy sources.