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Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias

versión On-line ISSN 2071-0054

Rev Cie Téc Agr vol.30 no.4 San José de las Lajas oct.-dic. 2021  Epub 01-Dic-2021

 

ARTÍCULO ORIGINAL

Aplicación de la dinámica de fluidos al diseño de la bomba centrífuga modelo BSC 80/200 (130-65)

Ing. Isidro Antonio Martínez-BlancoI 
http://orcid.org/0000-0001-8486-1892

Dr.C. Alain Ariel de la Rosa-AndinoI 
http://orcid.org/0000-0001-6593-8583

MSc. Yusimit Karina Zamora-HernandezII 
http://orcid.org/0000-0002-0112-0161

Dr.C. Idalberto Macías-SocarrásIII 
http://orcid.org/0000-0003-3512-7098

MSc. René Misael Arias-HidalgoI 
http://orcid.org/0000-0002-9661-1214

Lic. Laida Figueroa-RodríguezIV 
http://orcid.org/0000-0002-2638-7536

IUniversidad de Granma. Facultad de Ciencias Técnicas. Dpto. de Ingeniería Mecánica, Bayamo, Granma, Cuba.

IIUniversidad Técnica Estatal de Quevedo. Facultad de Ciencias de la Ingeniería, Quevedo, Ecuador.

IIIUniversidad Estatal Península de Santa Elena, La Libertad, Santa Elena, Ecuador.

IVUniversidad de Granma. Facultad de Humanidades. Manzanillo, Granma. Cuba.

RESUMEN

El presente trabajo se efectúo con el objetivo de simular mediante el método CFD el desempeño bomba centrífuga BSC 80/200 (130-65) obteniendo así las curvas características altura-caudal, potencia-caudal y eficiencia-caudal. Para la realización de este proyecto se tuvo en cuenta bibliografía especializada en el diseño paramétrico de bombas centrífugas y en análisis por elementos finitos aplicado a fluidos, posteriormente se realizó el diseño, proyección en 3D y simulación computacional por medio de ANSYS (CFX). Dentro de los resultados destacan obtención de los modelos tridimensionales del cuerpo de la bomba y los tres impelentes (5 álabes, 6 álabes y 7 álabes) y que la correlación en todas las curvas es la esperada, correspondiéndose con lo referido en la bibliografía especializada. Concluyendo que la comparación de los resultados obtenidos mediante las simulaciones CFD atendiendo a las variaciones del número de álabes arrojó que el impelente que genera mejores resultados es el de 7 álabes, alcanzando la mejor eficiencia (90%) y potencia (36,25 kW) para un 70% del caudal de diseño.

Palabras clave: caudal; eficiencia; potencia; impulsor

INTRODUCCIÓN

Las bombas centrifugas son máquinas de fluidos que convierten la energía mecánica en energía de presión (Shankar et al., 2016) y su consumo energético es considerable, en relación al consumo total, el cual puede llegar a ser 20% (Weidong et al., 2017; Lai et al., 2019). En los últimos años, los fabricantes de bombas han intensificado su búsqueda para desarrollar rápidamente bombas rentables y de alto rendimiento con estructuras compactas y robustas para satisfacer las demandas ilimitadas de los consumidores de bombas centrífugas de alta gama, ya que ofrecen una operación estable de amplio alcance tanto en la industria como en la agricultura (Wang et al., 2019).

Según Lai et al. (2019) el flujo interno de la bomba centrífuga es complejo por su carácter tridimensional e inestabilidad. La rotación del impulsor conduce a una interferencia de flujo periódica entre el impulsor y el difusor álabes directrices. Esta interferencia periódica del flujo induce pulsaciones de presión y vórtices, que provocan la principal pérdida de energía en las bombas centrífugas.

Tradicionalmente la información relacionada con el comportamiento de las bombas rotodinámicas ha sido brindada de forma gráfica, mediante las conocidas curvas características de Carga-Capacidad, Eficiencia-Capacidad, Potencia-Capacidad y NPSHr-Capacidad (Aranibar, 2016; Iannetti et al., 2016; Martínez & Riaño, 2018).

Actualmente, la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) representa una práctica común para diseñar y optimizar bombas hidráulicas, ya que puede mejorar el diseño de la bomba, al tiempo que reduce el costo de desarrollo y acelera el tiempo de comercialización (Lorusso et al., 2017).

La dinámica de fluidos computacional (CFD) es una de las técnicas para dar solucióna las ecuaciones de Navier-Sotokes, la cual ha tomado auge producto al desarrollo de ordenadores de alta gama. El método CFD utiliza enfoques numéricos para resolver las ecuaciones diferenciales no lineales que describen el comportamiento de un fluido para ciertas geometrías y condiciones de contorno. La principal ventaja de CFD es que es una técnica de modelado que permite a los ingenieros evaluar el rendimiento de una amplia gama de configuraciones de sistema en computadoras con menos consumo de tiempo (Abo Elyamin et al., 2019).

Se pueden encontrar varios modelos numéricos para calcular la Carga Neta Positiva de Succión NPSHr y evaluar las curvas de caída de las bombas. Generalmente, estos modelos consideran al corredor completo como el dominio computacional que muestra una gran predictibilidad del NPSHr (Lorusso et al., 2017).

Lo anteriormente expuesto demuestra que el enfoque CFD se ha utilizado ampliamente en bombas centrífugas como herramienta de simulación numérica para la predicción del rendimiento en condiciones de diseño y fuera de diseño, estudio paramétrico, análisis de cavitación, análisis de efectos de interacción en diferentes componentes, predicción del empuje axial, estudio del rendimiento de la bomba en modo turbina, análisis de la bomba difusora, etc. (Shah et al., 2013).

En nuestro país existe un grupo de empresas de producciones mecánicas que fabrican y reparan piezas para satisfacer demandas de renglones económicos importantes como es el caso de la industria azucarera. La comercialización de estos componentes debe competir con un mercado dinámico, lo que obliga a la elaboración de nuevos proyectos de diseño con calidad, rapidez y bajos costos. Otro factor es la necesidad de ajustarse a las normas y estándares vigentes; que como parámetro fundamental regulan las dimensiones externas y las frecuencias de rotación. La potencia para el accionamiento de una bomba se suele suministrar comúnmente por un motor eléctrico o de combustión interna, siempre que este cumpla con las especificaciones expuestas por el fabricante (Márquez, 2002).

La Empresa de Servicios Técnicos Industriales ZETI: “Comandante Manuel Fajardo Rivero”, ubicada en la ciudad de Manzanillo y perteneciente al Grupo Empresarial AZCUBA, la cual tradicionalmente se ha desempeñado en la fabricación de piezas de repuesto para la industria azucarera cubana y para la exportación, cuenta, entre sus tecnologías, la de fundición y en la actualidad se encuentra en un proceso inversionista. El plan inversionista incluye las dos tecnologías principales de dicha empresa como son: fundición y maquinado. Para lograr sus objetivos han adquirido máquinas herramienta CNC (Control Numérico Computacional) con el software apropiado, así como un equipamiento de laboratorio de última generación para garantizar los parámetros de calidad de ambas tecnologías. En fin, la empresa cada vez más se ha acercado a mudar sus tecnologías tradicionales hacia lo que se conoce como tecnologías CAD/CAM. Teniendo en cuenta lo anteriormente expuesto se realizó el presente trabajo que tuvo como objetivo simular mediante el método CFD el desempeño bomba centrífuga BSC 80/200 (130-65) obteniendo así las curvas características altura-caudal, potencia-caudal y eficiencia-caudal.

MATERIALES Y MÉTODOS

Especificaciones de funcionamiento

Para analizar las presiones a la salida de la bomba se estudió el conjunto impelente-voluta. Las dimensiones geométricas de cada uno de los componentes corresponden con las especificaciones de funcionamiento que se muestran en la Tabla 1.

TABLA 1 Especificaciones de funcionamiento la bomba centrífuga de simple succión modelo BSC 80/200 (130-65) 

Caudal Altura Frecuencia de Rotación
130 m3 h-1 65 m 3 480 min-1

El diseño de las piezas inicialmente fue obtenido mediante la aplicación nombrada Diprobomba (Figura 1) creada para la automatización del diseño (cálculo y dibujo) de las piezas principales de un modelo de bomba centrífuga radial de una etapa y simple succión, la cual se ejecuta sobre AutoCAD.

FIGURA 1 Diálogo principal de la aplicación Diprobomba para la entrada de los datos. 

Ofrece como resultado final la documentación técnica en dos dimensiones (2D) del cuerpo de la bomba así como del rodete (Figura 2).

FIGURA 2 Vista de la salida gráfica (2D) de la voluta y el rodete de la bomba centrífuga. 

El cuerpo y el rodete de la bomba fue modelado posteriormente en el programa CAD SolidWorks, y las dimensiones fueron tomadas directamente de los resultados de la ejecución de la aplicación antes mencionada (Figura 3).

FIGURA 3 Vistas del cuerpo y el rodete de la bomba centrífuga modelo BSC 80/200 (130-65). 

Campo de flujo

El campo de flujo depende del tipo de análisis a realizar, el cual puede ser externo o interno. En esta investigación el análisis fue interno. En el complemento de cálculo Fluent-CFX se trabajó con la región líquida, tal como se muestra en la Figura 4.

FIGURA 4 Campo de flujo del interior de la bomba centrífuga modelo BSC 80/200 (130-65). 

Características del Fluido

Los cálculos que involucran este diseño tomaron en cuenta como fluido a trasegar el agua, la cual al pasar por el interior de una bomba centrífuga puede experimentar cambios de fase, de líquido a vapor y viceversa por la acción de la temperatura y la presión. Todo fluido tiene para cada temperatura una presión de saturación de vapor, el agua a 25 0C tiene las propiedades que se muestran en la Tabla 2 y una presión de saturación de 0,03166 bar (Mataix, 1986).

TABLA 2 Propiedades del agua a 25 0

Fase Masa Molar Densidad Calor especifico
líquido 18,02 kg kmol-1 997 kg m3 4181,7 J kg-1 K-1
Vapor 18,02 kg kmol-1 0,02308

Consideraciones para el análisis CFD

La Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) se basa en la utilización de métodos numéricos para resolver las ecuaciones que describen la conservación de la masa, el momento y la energía de un fluido. Existen varios programas informáticos de cálculos para la simulación numérica de fluidos. Estos requieren de potentes ordenadores, con los cuales muchas veces no se cuenta, por lo que para este análisis se empleó el complemento de cálculo nombrado ANSYS CFX (Yao et al., 2016; Domagała y Momeni, 2017).

Esquema para la simulación

Para generar la simulación se utilizaron los sistemas de análisis y los componentes del sistema en el Project Schematic, en la Figura 5 se muestra el flujo de trabajo para lograr el análisis en el interior de la bomba.

FIGURA 5 Esquema para la simulación de la bomba centrífuga modelo BSC 80/200 (130-65). 

Definición física del modelo

Este proceso interactivo es una etapa del pre-procesado y es usada para crear la entrada requerida por el solver. Los archivos de malla son cargados en el preprocesador de física, CFX-pre.

Una vez definidos los dominios, se añadieron las condiciones de contorno que simularon las distintas partes del sistema (la parte móvil, la parte fija y las interfaces entre los diferentes dominios) (Figura 6).

FIGURA 6 Zonas en las que se ubicaron las condiciones de contorno del sistema para la simulación de la bomba centrífuga de simple succión modelo BSC 80/200 (130-65). 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Efectuadas las simulaciones para los tres impelentes (5 álabes, 6 álabes y 7 álabes) se pudo corroborar la principal característica de funcionamiento de este tipo de máquina hidráulica, la cual consiste en transformar la energía mecánica (proveniente del motor) a través de la velocidad que el rodete comunica al fluido (Figura 7a), en energía hidráulica en la voluta, traducida en energía de presión a la salida de la bomba (Figura 7b).

Los valores máximos de velocidad del fluido, aproximadamente 35,2 m s-1, se encuentran en la periferia del rodete y en las zonas más angostas de la carcasa, disminuyendo considerablemente en la región de descarga. Las presiones alcanzan los máximos valores en la zona de la brida de descarga, con 14 690 Pa resultado que se acercan a los reportados por Abo Elyamin et al. (2019) para igual número de álabes en el rodete.

FIGURA 7 Bomba centrífuga de simple succión modelo BSC 80/200 (130-65) con 5 álabes. a) Vectores de velocidades y b) Contornos de presión. 

En la Figura 8, se puede observar el comportamiento de las presiones en las tres variantes de rodetes analizados respecto al número de álabes, apreciándose que en la medida que incrementa el número de álabes la zona de baja presiones es mayor, lo que favorece a que aparezca la cavitación. Resultados similares fueron encontrados por Chakraborty & Pandey (2011); Chakraborty et al. (2013); Abo Elyamin et al. (2019), al analizar el efecto del número de álabes en el desempeño de bombas centrífugas.

FIGURA 8 Distribución de presión en el rodete. a) 5 álabes. b) 6 álabes y c) 7 álabes. 

La Figura 9 muestra la dirección del flujo del impelente para los tres casos en estudio, observándose el efecto que provoca la variación del número de álabes en la velocidad. La fricción del fluido con las paredes interiores de la bomba provoca una disminución de la velocidad del flujo, causando pérdidas hidráulicas. Los resultados de la simulación muestran que en la medida que aumenta el número de álabes la velocidad en la región de entrada de rodete y el álabe disminuyen, aumentando las perdidas por fricción. Por lo que los mayores valores de velocidad en esta región (entrada del rodete y álabe) se obtienen para un número de álabes en el rodete igual a 5 (figura 9a), los valores medios para 6 álabes (Figura 9b) y los menores valores para un número de álabes en el rodete igual a 7 (Figura 9c). Sin embargo, para este caso (7 álabes) existe la posibilidad de que aparezcan zonas de turbulencia y recirculación cerca de la lengüeta (Figura 9c).

FIGURA 9 Vectores de velocidad en la bomba centrífuga. a) 5 álabes. b) 6 álabes y c) 7 álabes. 

Los resultados emanados de la simulación coinciden con los reportados por Abo Elyamin et al. (2019), donde los mayores valores de velocidad los obtuvieron para un número de álabes en el rodete igual a 5 y los menores valores de velocidad para 7 álabes. Sin embargo, para 9 álabes, se apreció un aumento en las pérdidas en las zonas cercanas la lengüeta. Resultado que coincide con los obtenidos en la presente investigación para 7 álabes y puede estar condicionado a que la frecuencia de rotación es superior (3 480 min-1) a la empleada por Abo Elyamin et al. (2019) qué fue de 2 800 min-1. Esta última tendencia también fue encontrada por Chakraborty & Pandey (2011) con el aumento del número de álabes.

Posteriormente se presentan los resultados de las curvas características altura-caudal, potencia-caudal y eficiencia-caudal, para los cual se utilizaron los resultados de los valores de presión correspondientes a un intervalo de 0 a 100 % del caudal de diseño.

Como se puede apreciar en la Figura 10, la correlación en todas las curvas es la esperada, según la reportada en la bibliografía especializada (Pfeiderer, 1960; Church, 1987; Karassik et al., 2001) y la curva que ofrece mayores valores de altura de impulsión es la correspondiente al impelente de 7 álabes.

FIGURA 10 Resumen del comportamiento de la gráfica altura-caudal para los tres impelentes. 

Como se puede apreciar en la Figura 11, el rodete que requiere de mayor valor de potencia es el rodete de 7 álabes. El incremento de la masa del impelente de 7 álabes justifica su mayor consumo de potencia con especto a los otros impelentes estudiados.

FIGURA 11 Resumen del comportamiento de la gráfica potencia - caudal. 

En la Figura 12 se muestran las curvas características de eficiencia-caudal para los tres rodetes analizados. Se puede decir que la eficiencia tambien muestra un comportamiento proporcional al número de álabes, ya que en el impulsor de 5 álabes este valor esta sobre 80%, en 6 álabes cerca del 90% y en 7 álabes ya se encuentra eficiencias superiores al 90%.

FIGURA 12 Resumen del comportamiento de la gráfica eficiencia - caudal para los 3 impelente. 

CONCLUSIONES

  • Se logró obtener los modelos tridimensionales del cuerpo de la bomba y los tres impelentes (5 álabes, 6 álabes y 7 álabes) con ayuda del programa CAD SolidWorks, a partir de la información gráfica en 2D ofrecida por la aplicación Diprobomba, lo cual demostró la eficacia de su utilización.

  • Los casos estudiados mostraron el efecto que provoca el incremento del número de álabes en el rodete sobre las diferentes regiones de la bomba, obteniéndose que con el incremento del número de álabes la presión aumenta gradualmente, aumentan las pérdidas por fricción y los valores de velocidad del fluido van decreciendo en las zonas cercanas a la entrada del rodete y álabe.

  • La comparación de los resultados obtenidos mediante las simulaciones CFD atendiendo a las variaciones del número de álabes arrojó que el impelente que genera mejores resultados es el 7 álabes, alcanzando la mejor eficiencia (90%) y potencia (36,25 kW) para un 70% del caudal de diseño.

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Recibido: 12 de Diciembre de 2020; Aprobado: 20 de Septiembre de 2021

*Author for correspondence: Alain Ariel de la Rosa-Andino, e-mail: arosaa@udg.co.cu

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