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Desarrollo de una bomba reciprocante doble efecto para desalinización de agua con osmosis inversa

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(1)MIM-2006-I-06. DESARRO LLO DE UNA BO MBA RECIPRO CANTE DO BLE EFECTO PARA DESALINIZAC IÓ N DE AGUA C O N O SMO SIS INVERSA. C ARLO S JULIÁN O SPINA. UNIVERSIDAD DE LO S ANDES FACULTAD DE ING ENIERÍA DEPARTAMENTO DE ING ENIERÍA MEC ÁNICA BO GO TA D.C. 2006.

(2) MIM-2006-I-06. Desarrollo de una bomba reciprocante doble efecto para desalinización de agua con osmosis inversa. C ARLO S JULIÁN O SPINA. TESIS DE MAESTRÍA INGENIERO MECÁNICO. ASESO R ÁLVARO PINILLA, PhD. UNIVERSIDAD DE LO S ANDES FACULTAD DE ING ENIERÍA DEPARTAMENTO DE ING ENIERÍA MEC ÁNICA BO GO TA D.C. 2006.

(3) MIM-2006-I-06. TABLA DE CO NTENIDO INTRO DUC CIÓ N O BJETIVO S 1. BO MBAS DE DESPLAZAMIENTO PO SITIVO 2. DESALINIZACIÓ N DE AGUA CO N O SMO SIS INVERSA 3. REDISEÑO DEL SISTEMA DE BO MBEO 3.1 Cambios en el sistem a im pulsor 3.1.1 Mecanismo am plificador de recorrido 3.1.2 Mecanismo Biela – Manivela 3.2 Cambios en el sistem a de bom beo 3.2.1 Sistema acción sim ple doble efecto 3.3 Sello del sistema 3.4 Materiales 4. PRO C ESO S DE INTRUMENTACIÓ N 4.1 Medición de Presión 4.2 Medición de Desplazamiento 4.3 Medición de Caudal 4.4 Medición de Fuerza 4.5 Medición de Salinidad 5. ANÁLISIS DE RESULTADO S 5.1 Tipificación del Equipo 5.1.1 Coeficientes de Desempeño 5.1.2 Determ inación de los Coeficientes de Desempeño 5.1.3 Eficiencia de la Bomba.

(4) MIM-2006-I-06. 5.1.3.1 Eficiencia Mecánica 5.1.3.2 Eficiencia Volumétrica 5.1.3.3 Eficiencia Hidráulica 5.2 Pruebas con la Membrana C O NCLUSIO NES Y REC O MENDACIO NES BIBLIO GRAFÍA ANEXO 1: Curva de calibración del transductor de presión ANEXO 2: Curva de calibración LVDT 100 – 100 ANEXO 3: Curva de calibración celda de carga ANEXO 3: Curva de calibración conductímetro ANEXO 4: Planos de manufactura.

(5) MIM-2006-I-06. TABLA DE FIGURAS Figura 1. Desempeño de una bom ba múltiple efecto de alta velocidad.. 5. Figura 2. Proceso de osm osis y osmosis inversa. 6. Figura 3. Esquema de membrana de desalinización.. 7. Figura 4. Sistema de bom beo estudiado en [7]. 8. Figura 5. Operación del m otor de 1 HP a distintas frecuencias y voltajes.. 9. Figura 6. Mecanismo am plificador de movim iento.. 10. Figura 7. Distribución de torque respecto a la posición de la biela.. 11. Figura 8. Variación de torque con las longitudes de la biela.. 12. Figura 9. Fuerza y ciclaje requerido en función del diámetro del émbolo.. 12. Figura 10. Esquem a de funcionam iento sistema acción simple doble efecto.. 13. Figura 11. Torque para el sistema acción sim ple doble efecto.. 14. Figura 12. Sistem a de sello desarrollado.. 15. Figura 13. Partes del sistema de bom beo.. 16. Figura 14a. Esquema del equipo diseñado. 16. Figura 14b. Equipo desarrollado.. 17. Figura 15. Medición de presión para un ciclo.. 18. Figura 16. Desplazam iento para un ciclo.. 19. Figura 17. Configuración de strain gages en el conector.. 19. Figura 18. Fuerza en el tiempo para un ciclo de bombeo.. 20. Figura 19. Caudal deslizam iento vs. Presión. 23. Figura 20. Torque vs. Presión. 22. Figura 21. Diagrama Indicador de fuerza en el ém bolo 4.8 MPa.. 24. Figura 22. Fuerza necesaria para bom bear el agua sin fricciones.. 25. Figura 23. Diagrama Indicador de fuerza en el agua 4.8 MPa.. 26. Figura 24. Eficiencia Mecánica. 26. Figura 25. Eficiencia Volumétrica. 27. Figura 26. Diagrama Indicador, ángulos de apertura y cierre de las válvulas. 28. Figura 27. Caudal en el tiempo.. 29. Figura 28. Comportamiento teórico corregido.. 29. Figura 29. Eficiencia hidráulica y eficiencia total del equipo. 30. Figura 30. Caudales perneados. 31.

(6) MIM-2006-I-06 Figura 31. Sales disueltas. 31. Figura 32. porcentaje de Recuperación. 32.

(7) MIM-2006-I-06 AG RADEC IMIENTO S A familiares, compañeros y amigos por su apoyo y paciencia. A todo el personal técnico y administrativo del laboratorio de ingeniería m ecánica por su paciencia, apoyo y colaboración durante el desarrollo y construcción del sistema y su respectivo m ontaje. Al gran profesor Álvaro Pinilla por su asesoria, disposición, constante apoyo y grandes enseñanzas..

(8) MIM-2006-I-06. INTRO DUC CIÓ N De los existentes procesos para desalinización de agua se destaca la osm osis inversa (OI) debido a sus bajos consum os energéticos y buenos resultados obtenidos, esto hace al proceso perfecto para su utilización en zonas geográficamente alejadas donde los recursos hídricos se restringen a fuentes provenientes del m ar o pozos profundos que producen agua salobre. Comúnmente las plantas de OI encargadas de potabilizar el recurso hídrico proveniente de las fuentes antes m encionadas son generalmente grandes, de alto costo y diseñadas para proveer grandes cantidades de flujo como lo requiere por ejemplo la industria hotelera. Para su funcionamiento correcto estas grandes plantas son energizadas con combustibles fósiles (gasolina o diesel) o con energía tom ada directamente de la red eléctrica local.. La Universidad de los Andes actualmente se encuentra desarrollando un proyecto para la región de la alta Guajira con el objetivo de suplir la necesidad de proveer agua potable a pequeñas com unidades alejadas (Rancherías) que carecen de conexión a las redes nacionales de acueducto y electricidad. En el transcurso del proyecto se desarrollo una única y pequeña planta de OI pensada para ser energizada con energía eólica llevando al sistema desalinizador a operar en su región de mínim a potencia. Esta planta fue implementada y estudiada en la referencia [6] m ostrando excelentes resultados de funcionam iento y operación bajo condiciones controladas de laboratorio. La planta estudiada consta de 5 sistemas, sistem a de pretratamiento, sistem a de desalinización, sistem a de suministro de energía, sistema de control y sistem a de post tratamiento. El funcionam iento de esta planta es único pues trabaja en el mínimo rango de operación de la membrana de OI, esto es caudal de 3.78 L/m in (1gpm) y una presión de trabajo de 5.5 MPa para lograr el máxim o nivel de salubridad permitido para el consum o hum ano, 1.500 ppm. Con este caudal de alimentación la planta produce 0.4 m3/d referente a la cantidad suficiente para suplir las dem andas de agua potable de una pequeña comunidad en una región alejada.. Como el proyecto se desarrolla para regiones geográficam ente distantes donde los usuarios no poseen los recursos económ icos ni tecnológicos suficientes para obtener los diferentes dispositivos que hacen parte de la planta de desalinización es necesario. 1.

(9) MIM-2006-I-06 simplificar la planta de manera que sus costos sean menores tanto como su dem anda tecnológica haciendo que el proyecto sea accesible a las pequeñas com unidades (Rancherías).. El sistem a de bombeo, parte del sistem a desalinizador, representa aproximadam ente el 40% de los costos para la planta de OI. Es un sistema de bom beo de desplazamiento positivo de múltiple acción (5 pistones), de altas velocidad (800 rpm ) y cortos desplazam ientos (10 mm ) [11]. El cam bio de este sistem a de bombeo por un sistem a de tecnología m as simple reducirá costos y posibilitara su m anufactura por parte entidades locales y aptas para tal propósito.. Resultado de una investigación preliminar consignada en la referencia [10] es el diseño de un sistem a de bombeo de desplazamiento positivo de émbolo buzo capaz de alcanzar presiones de 5.5 MPa (800 psi) con caudales de 0.26 gpm . Este mismo sistema fue instrumentado y caracterizado en la referencia [7] teniendo excelentes resultados desde el punto de vista de eficiencias mecánica y volum étrica para el sistem a de bombeo. Son estos resultados motivación para seguir adelante en el proceso de diseño del equipo y pasar de una etapa de prueba de concepto a una etapa de materialización de la idea para poder llevar el sistema de bom beo a operar en los limites requeridos por la m embrana de OI. (5.5MPa y 1gpm).. Para cum plir este objetivo el sistema rediseñado debe ser mas grande y robusto de m anera que se pueda cum plir con los requerimientos de caudal y presión de manera simultánea. De igual manera su respectiva caracterización tal cual la realizada en [7] es necesaria para poder comparar los dos sistemas y concluir sobre un avance en el proceso de diseño.. 2.

(10) MIM-2006-I-06 O BJETIVO S El objetivo de la presente investigación es implem entar un sistema de bom beo de desplazam iento positivo para desalinización de agua por OI que cumpla con los requisitos de la pequeña planta diseñada para la alta Guajira. El sistema debe ser de funcionam iento sim ple. Esto evita la necesidad de tecnología sofisticada ausente entre los usuarios, reduce costos y hace posible su manufactura por parte de entidades existentes en la zona y aptas tecnológicam ente para tal propósito dado que comercialmente se encuentran disponibles sistemas de funcionamiento sim ilar pero no son aplicables a las condiciones de bom beo únicas propuestas por la planta de OI desarrollada. Las características del problem a no permiten la aplicación de los sistemas comercialmente disponibles a la solución de la necesidad de bom beo. Los bajos caudales entregados (0.378 Lt/min) a altas presiones (5.5 MPa) no representan una solución para el problema planteado. De la m ism a m anera, caudales m ás altos (4 Lt/min) se entregan a bajas presiones (2 MPa) según catálogos com erciales encontrados [3].. El sistem a de bombeo debe probar el concepto referente a la capacidad de bombeo a altas presiones y bajas velocidades con bajos caudales mediante desplazamiento positivo para desalinización de agua por OI en las condiciones únicas y especificadas anteriorm ente a manera de introducción.. Lograr instrumentar de m anera correcta el equipo y poder llevar su desem peño a términos adimensionales de eficiencia es parte fundam ental de la presente investigación pues de esa manera se puede ver el sistem a diseñado desde un punto de vista de ingeniería y hace posible su futura comparación con equipos sim ilares existentes.. Poder evaluar el comportamiento del equipo frente a la mem brana de OI es parte im portante del trabajo pues permite m ostrar la real funcionalidad del sistema de bom beo desarrollado.. 3.

(11) MIM-2006-I-06 1. BO MBAS DE DESPLAZAMIENTO PO SITIVO Dentro de las bom bas de desplazam iento positivo de tipo rotativas se encuentran sistem as de engranes, sistemas de tornillo y bom bas peristálticas. Las bombas de desplazam iento positivo reciprocante cubren los sistemas de bom beo ém bolo buzo y de pistón, categoría a la cual pertenece el sistem a rediseñado en la presente investigación.. El funcionam iento básico de bombas reciprocantes de desplazam iento positivo consiste en un pistón que tiene un m ovimiento reciprocante m ediante el cual se puede realizar las acciones de succión y descarga de flujo. Estos sistem as pueden ser de acción simple o acción m últiple dependiendo del número de pistones presentes. De la misma manera puede ser de efecto simple o m últiple según la cantidad de paquetes de flujo sean capaces de desplazar en un ciclo de bombeo.. Las variables que representan un sistema de desplazamiento positivo son la presión de trabajo, la velocidad, el desplazam iento y el caudal entregado por ciclo, su correcta m edición permite analizar el comportamiento del sistema basado en la teoría sim ple que existe tras el funcionamiento tales sistemas. Tal como se vera m ás adelante la interacción no solo del pistón con el fluido sino de las distintas partes móviles dentro del sistem a, el continuo roce de partes m etálicas; y la presencia de sistem as sellantes rígidos, hacen que la dinámica interna del equipo sea compleja pero se puede llevar a un análisis adimensional que se explica posteriormente.. Las bom bas usadas en pequeñas plantas desalinizadoras son sistemas de alta velocidad (1 750 rpm) con cortos desplazam ientos (5 mm ) y 5 o m ás pistones. Una curva de selección del equipo se muestra en la figura 1. El funcionam iento del equipo a tan altas velocidades genera altas aceleraciones en las diferentes partes m óviles de la bomba, en detrim ento de su larga duración.. El desarrollo de una bomba que m aneje las m ism as presiones a m ás bajas velocidades (20 rpm ) con un solo pistón se colocan en extrema diferencia bajo condiciones de operación aunque funcionen bajo los m ism os principios de operación y manejo de agua sañada. no. existenten. en. el. m ercado. (http://industrial-water-. pumps.globalspec.com/SpecSearch/Suppliers?QID=7713313&Comp=3936) [3]. 4.

(12) MIM-2006-I-06. Figura 1. Desempeño de una bomba múltiple efecto de alta velocidad.. También se consiguen bombas para manejo de agua salada con el mismo diseño de la mencionada anteriormente con el mismo rango de velocidades y desplazamientos (http://www.generalpump.com/marketing_view.asp?series=WM).. 5.

(13) MIM-2006-I-06 2. DESALINIZACIÓ N DE AGUA CO N O SMO SIS INVERSA Naturalm ente el fenóm eno de osmosis ocurre cuando dos soluciones con distinta concentración de sales se encuentran separadas por una m em brana semiperm eable como lo m uestra la figura 2a en la cual al lado derecho se encuentra la solución con m ayor concentración de sales, y la solución con m enor concentración fluye a través de la m em brana con el objetivo de buscar el equilibrio y llegar a una única solución con igual concentración.. Este proceso natural es completam ente reversible y se denomina osm osis inversa. Se logra al imponer una presión m ayor a la presión osmótica del sistema y poder hacer fluir la solución con mayor concentración hacia la solución con m enor concentración, como lo muestra la figura 2b.. b. Osmosis Inversa. a. Osmosis Natural. Figura 2. Proceso de osmosis y osmosis inversa. De esta manera se crean dos flujos resultantes un permeado que corresponde al agua que es capaz de atravesar la membrana y posee entre 90% y 99% m enos de concentración que la solución original; y un flujo denominado concentrado el cual no es capaz de atravesar la membrana y adem ás tiene la concentración de sales que despidió el flujo ahora llamado. permeado. Este flujo concentrado se recircula para su futura. desalinización. La figura 3 muestra un esquem a más acertado de la división de flujos. Es im portante aclarar el uso de un sistema de bom beo especial capaz de poner el flujo en condiciones 6.

(14) MIM-2006-I-06 hidráulicas especiales como lo son presiones superiores a 5.5MPa (800 psi) y bajos caudales 4.4 L/min (1 gpm).. Figura 3. Esquema de membrana de desalinización. Adaptado [9]. Sistem as de desalinización con osmosis inversa son altamente usados en la industria hotelera para la potabilización del recurso marino. Estos sistem as son capaces de proveer altas cantidades de agua potable al día y son energizados con com bustibles fósiles (Diesel o gasolina) o con recursos eléctricos suministrados por las redes nacionales.. La ausencia de tales recursos energéticos en poblaciones con condiciones. de vida restringidas han m otivado el desarrollo de pequeñas plantas desalinizadoras usando recursos energéticos no convencionales.. Las plantas desalinizadoras que usan energías no convencionales ya sea el recurso eólico, la energía fotovoltaica o sistem as híbridos tienen lim itaciones de potencia buscando siem pre la mejor manera de convertir la energía de manera eficiente a lo largo del proceso. Existen proposiciones de uso de líneas de bom beo en varias etapas para m inim izar la potencia necesaria pero a la vez estas im plementaciones aumentan el costo y la tecnología requerida para tal propósito, siendo aplicables para sistem as de m ás de 4 kW de potencia disponible [4].. 7.

(15) MIM-2006-I-06 3. REDISEÑO DEL SISTEMA DE BO MBEO El rediseño del sistema de bom beo se realiza en base al sistema desarrollado en [10] y estudiado en [7] m ostrado en la figura 4. Com o resultado de su instrum entación y correcta tipificación se ve que es necesario primero un cam bio en el sistem a impulsor del equipo así com o cam bios en las dimensiones del mismo para poder lograr las condiciones hidráulicas requeridas por la mem brana de OI.. Figura 4. Sistema de bombeo estudiado en [7]. 3.1 C am bios en el sistema im pulsor El sistem a estudiado en [7] se potencia con el uso de un motor de paso usado para m over ventanas de vidrios blindados el cual maneja grande cargas a m uy baja velocidad, pero su eficiencia de conversión de energía es m enor a 5% dadas sus características de diseño. Tratando de mejorar esta etapa del proceso de conversión de energía se buscaron diferentes fuentes de movim iento comerciales de baja velocidad y gran fuerza, encontrando sistem as diseñados con el mismo propósito del motor usado anteriorm ente, baja eficiencia de conversión dado su bajo e inconstante uso diario. Se decidió optar por el uso de un motor comercial de 1 HP de potencia, dado que la potencia hidráulica requerida es de 0.46 HP y teniendo en cuenta resultados de [6] se asegura que la potencia del m otor es suficiente.. 8.

(16) MIM-2006-I-06 Se vio com o en [10] nunca se analizo un m ecanism o sencillo com o medio para m ovimentar el sistema así que se propuso el sistem a biela – m anivela como opción para el equipo, dada su baja complejidad y gran utilidad.. Teniendo esto, se estudio la. posibilidad de conectar el motor de manera directa al m ecanismo convertidor de m ovimiento rotacional a lineal teniendo en cuenta [5] donde se muestra que variando la frecuencia eléctrica y el voltaje de alim entación del m otor se pueden obtener diferentes condiciones de operación en cuanto a torque y velocidad. Estos resultados se extrapolaron y se ve en la figura 5 com o de m anera directa el motor no suple las necesidades de torque que el sistem a requeriría si se desea baja velocidad y gran fuerza como parámetros del sistema.. Comportamiento de un motor 1 HP. Torque (Nm). 20 Hz. 30 Hz. 35 Hz. 40 Hz. 45 Hz. 55 Hz. 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0. 0,2. 0,4. 0,6. 0,8. % Voltaje Nominal Figura 5. Características del motor de 1 HP a distintas frecuencias y voltajes de operación.. Se inicia la búsqueda de mecanism os que utilicen el motor com ercial com o entrada y que conviertan el movim iento en el requerido m anteniendo la conservación de energía.. 3.1.1 Mecanism o amplificador de recorrido Se recurre a [3] donde se presentan varios mecanism os de m anera ideal y se estudia el m ecanism o amplificador de movim iento m ostrado en la figura 6, el cual es sim ulado en W orking Model para obtener una mejor apreciación de su funcionam iento.. 9.

(17) MIM-2006-I-06. Figura 6. Mecanismo amplificador de movimiento.. Según el resultado de las simulaciones el mecanismo sufre grande aceleraciones lineales dadas las grandes oscilaciones de las barras paralelas (m ayores a 30º), así según cálculos geom étricos se obtuvo que el radio efectivo de los engranes no debe ser m enor que el 7 % de las longitud de las barras, generando un diseño dimensionalm ente exagerado.. 3.1.2 Mecanism o Biela – Manivela Teniendo esto en cuenta se buscan sistem a reductores de velocidad y se encuentra la disponibilidad comercial. de un sistem a de reducción de velocidad compacto que sea. capaz de bajar la velocidad de giro del m otor de 1750 rpm a 20 rpm manteniendo la potencia, aumentando el torque y así poder acoplar un sistema de biela – manivela y obteniendo el m ovim iento requerido con las características de fuerza y velocidad que se requieren. Para realizar esta reducción en un sistema com pacto se recurrió a reductores cicloidales de una sola etapa capaces de realizar reducciones de 87:1. Para poder seleccionar correctamente el reductor necesario es preciso estudiar el sistema biela – m anivela y la bomba como tal para obtener parámetros que afectan el sistema completo como lo son el diám etro de la bom ba y las longitudes de la biela. También se estudio la dinám ica de la biela en base a su posición y así se obtuvo la fuerza y torque para un ciclo de bombeo generando el diagrama mostrado en la figura 7.. 10.

(18) MIM-2006-I-06. 1400 1200. Torque (N m). 1000 800 600 400 200 0 0. 60. 120. 180. 240. 300. 360. -200 Rotación Biela (º). Figura 7. Distribución de torque respecto a la posición de la biela para un Diámetro de émbolo de 24.5 mm (2 in).. Resultado del estudio de las dim ensiones y dinámica de la biela se obtuvo un m apeo de las condiciones de carga según la relación de los brazos de la biela y se ve com o un diseño óptim o perm ite ser construido y m anejar bajas cargas en el sistema. El resultado se muestra en la figura 8 donde la relación de brazos es L2/L1.. Variación Torque con Longuitudes de Biela. Torque Max imo (Nm). L 2:20. L2:3 0. L 2:40. L2:1 5. 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0. 20. 40. 60. 80. 100. 120. Relacion Brazos %. Figura 8. Variación de torque con las longitudes de la biela para un émbolo de 24.5 mm de diámetro.. 11.

(19) MIM-2006-I-06 Se realizan cálculos preliminares en el diseño de la bomba donde se tienen importantes parám etros que afectan el m odelo com o son el diámetro interno de la bomba y el ciclaje del equipo para lograr las condiciones hidráulicas de la m em brana de OI. Una relación entre estos parámetros con la fuerza requerida para bom bear a presiones de hasta 5.5 MPa (800 psi) la cual tiene relación lineal con el torque requerido se m uestra en la figura 9. Fuerza. Ciclos 70. Fuerza (kN). 25. 60 20. 50 40. 15. 30. 10. 20 5. ciclos por minuto. 80. 30. 10. 0 0. 0,5. 1. 1,5. 2. 2,5. 3. 0 3,5. Diametro (in) Figura 9. Comportamiento de fuerza requerida y ciclaje requerida en función del diámetro del émbolo.. Con estos resultados y según la distribución de torque mostrada anteriorm ente en la figura 6 se requiere el diseño de un volante para mantener el torque constante o m inim izar la alta variabilidad de este durante el ciclo de bom beo. Según los valores de torque necesario, el diseño del volante es simplemente inconstructible por lo cual se rediseña también la acción de bombeo.. 3.2 C am bios en la acción de bom beo Los cam bios en el sistema de bom beo se dieron tanto en las dimensiones com o en la acción de bombeo. Con una velocidad de bom beo de 20 ciclos por m inuto y el recorrido de 80 mm proporcionado por el cigüeñal com ercial obtenido, se requiere un diám etro de cilindro mas grande para suplir la entrega. Esto presenta grandes torques requeridos para el sistem a biela manivela mostrados anteriorm ente. Se se recurre al concepto de de doble efecto que permite m anejar la m ism a entrega y la misma presión de trabajo pero m enores dim ensiones, esto directamente es menor torque requerido para el sistema. 12.

(20) MIM-2006-I-06 im pulsor y a la vez una m ejor distribución de torque para un ciclo de bom beo eliminando el uso de un volante. Los sistemas de doble acción ya se han probados comercialm ente y han tenido buenos resultados según estudios especializados en el tem a [1].. 3.2.1 Sistem a acción simple doble efecto El sistem a diseñado con el propósito de disminuir el requerimiento de torque para entregar el m ism o caudal consiste en el funcionamiento de un sistema única cámara y único ém bolo de doble efecto como se m uestra en la Figura 10.. Figura 10. Esquema de funcionamiento sistema acción simple doble efecto.. Todas las entradas y salidas de la cám ara del sistem a esta controladas por válvulas de cheque las cuales solo perm iten el flujo en la dirección correcta. De esta manera cuando se realiza el movim iento 1 el agua bom beada solo puede salir por la descarga 2 y simultáneamente se realiza succión por la válvula 3. En este momento la válvula 1 presenta resistencia a la descarga de alta presión y la válvula 4 no descarga ni succiona flujo.. Cuando se realiza el movim iento 2 la descarga se realiza por la válvula 4 y la succión simultánea se realiza por la válvula 1. La válvula 3 resiste descarga de alta presión y la válvula 2 no presenta flujo en ninguna dirección.. 13.

(21) MIM-2006-I-06 Se puede ver com o se aprovecha m ejor el recorrido del pistón en la cámara y así se tiene m ayor volum en desplazado por cada ciclo de bombeo, esto permite m anejar menores dimensiones en la cabeza del pistón y tener m enores requerimientos de torque com o lo m uestra la figura 11. 400 350. Torque (N*m). 300 250 200 150 100 50 0 0. 60. 120. 180. 240. 300. 360. teta (º). Figura 11. Distribución de torque para el sistema acción simple doble efecto.. 3.3 Sello del Sistem a Para evitar el intercambio de flujo entre las cámaras se necesita un sello en la cabeza del pistón. El sistem a de sello desarrollado se muestra en la figura 12 y corresponde a dos empaques Polipack de nitrilo los cuales forman un sello de tipo Back to Back Seal igual a los usados en el diseño anterior. Este sistem a retiene el agua cuando esta siendo bombeada y perm ite el adecuado funcionamiento del sistema doble efecto.. Figura 12. Sistema de sello desarrollado.. 14.

(22) MIM-2006-I-06 3.4 Materiales Dadas las condiciones de corrosión del equipo los materiales usados deberán proveer resistencia ante el m anejo de agua salada (35.000 ppm de sales disueltas), por ello se elige el uso de acero inoxidable INOX 304 asequible en lugares com erciales. Para guiar el ém bolo sin generar m ayor fricción en su movim iento el buje se hizo en bronce silicio. Los sellos Polipack necesarios para evitar la salida de flujo y m antener el sistema compacto son obtenidos comercialmente. La figura 13 ilustra las diferentes partes del sistem a de bombeo.. De la m isma m anera se tiene un buje de bronce fosforado colocado en la cabeza de la rótula para que deslice sobre una placa de acero previamente rectificada a m odo de sufridera, esto evita la deflexión que sufre el émbolo dado el sentido de giro del m otor.. Figura 13. Partes del sistema de bombeo.. Un esquema del equipo diseñado antes de su construcción se muestra en la figura 14 a y el montaje realizado del equipo luego de su m anufactura se m uestra en la figura 14 b.. 15.

(23) MIM-2006-I-06. Figura 14a. Esquema del equipo diseñado. Figura 14b. Equipo desarrollado.. 16.

(24) MIM-2006-I-06 4. PRO C ESO S DE INTRUMENTACIÓ N La instrumentación del sistema se realizo con equipos disponibles en el laboratorio de ingeniería m ecánica de la Universidad de los Andes.. Con el uso de la tarjeta de. adquisición de datos LABJACK U12 se pueden tener datos en tiempo real de todas las variables representativas del sistema.. 4.1 Medición de Presión La m edición de presión se realizo con el uso del transductor de presión de capacidad m áxima 6.8 MPa (1000 psi) m arca OMEGA. La señal debe ser am plificada para poder ser leida por la tarjeta de adquisición de datos, para lo cual se usa un amplificador de instrumentación. Un ejemplo de la señal se m uestra en la figura 15 y corresponde a la m edición de presión para 4.8 MPa (700 psi). Distribución de Presión 4,8 MPa (700 psi ) Presión Instantánea. Presión rms. 6. Presión (MPa). 5 4 3 2 1. PMI. 0 -1. 0. 0,5. PMS 1. 1,5. PMI 2. 2,5. 3. 3,5. T iemp o (seg). Figura 15. Medición de presión para un ciclo.. Se puede ver como para un ciclo de bombeo se presentan dos distribuciones de presión referentes justam ente al doble efecto, al mismo tiem po se especifica el punto muerto inferior (PMI) y el punto muerto superior (PMS); Estos puntos corresponden a m om entos del ciclo donde se suspende el bombeo y se cambia de sentido la fuerza ejercida a tensión a una fuerza de compresión debido al doble efecto. Al mismo tiempo se presenta el dato de la presión rms, valor importante en próximos cálculos dado que no todas las variables del sistema son medidas en tiempo real.. 17.

(25) MIM-2006-I-06 4.2 Medición de Desplazamiento El desplazam iento del pistón dentro de la cám ara de la bom ba se m ide en tiem po real con el uso de un transductor de desplazamiento LVDT 100-100 (Linear Voltaje Displacem ent. Transducer) m arca OMEGA.. La figura 16 muestra la señal. correspondiente para un ciclo de bom beo trabajando el sistem a a 1.3 MPa (200 psi). 4.8 MPa (700 psi). Desplazamiento (mm). 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 ,00. ,50. 1,00. 1,50. 2,00. 2,50. 3,00. 3,50. Tiempo (seg) Figura 16. Desplazamiento para un ciclo.. Se puede ver com o el desplazam iento posee una forma sinusoidal predecible por provenir de un sistem a biela manivela.. 4.3 Medición de Caudal La m edición de caudal no se realiza de m anera instantánea, simplemente se opera el sistem a por una cantidad de ciclos y se toma el volumen desplazado, se m ide con una pipeta graduada y así se conoce el caudal por ciclo que es capas de proveer el equipo.. 4.4 Medición de Fuerza Para medir la fuerza ejercida por el vástago que conduce el pistón se colocaron sensores de deform ación (strain gages) en el conector del sistem a a manera de celda de carga. La configuración usada para la celda es un puente de W heatstone com o se m uestra en la figura 17 y recom endada por [8].. 18.

(26) MIM-2006-I-06. Figura 17. Configuración de strain gages en el conector.. De esta manera con el sistem a de m edición de deformación previamente calibrado en las instalaciones del CITEC se tiene la m edición de fuerza para un ciclo de bom beo como lo m uestra la figura 18.. Los datos se toman m ediante el uso de la caja. amplificadora y esta señal se lleva a la tarjeta LABJACK.. 4,8 MPa (700 psi) 14 12 10. Fuerza (kN ). 8 6 4 2 0 -2. 0. 0,5. 1. 1,5. 2. 2,5. 3. 3,5. -4 -6 Tiempo (seg). Figura 18. Fuerza en el tiempo para un ciclo de bombeo.. 4.5 Medición de Salinidad La m edición de sales en el agua correspondiente a las pruebas realizadas con la m em brana de OI se realiza con el uso del conductímetro.. El instrum ento se calibro. usando soluciones conocidas y reportando la respectiva conductividad expresada en m icro Siemens (mS). Los datos no son tom ados en tiempo real, solo se muestrea el agua antes y después del tratam iento de desalinización.. 19.

(27) MIM-2006-I-06 5. ANÁLISIS DE RESULTADO S El equipo de bombeo diseñado, construido e instrum entado se tipifica mediante el uso de coeficientes adim ensionales y la determ inación de las eficiencias en cada una de las etapas del proceso de bom beo. 5.1 Tipificación del Equipo Los resultados obtenidos de las mediciones realizadas de las distintas variables son analizados de m anera que permitan identificar al equipo en térm ino de coeficientes adimensionales los cuales muestran la interacción de la bomba con el fluido y las distintas partes del equipo entre si [12].. El desem peño del equipo de m anera teórica se expresa en dos ecuaciones que describen el torque y la entrega del sistem a de bombeo. Se debe anotar que el mecanism o de análisis fue desarrollado solo para bom bas de desplazamiento positivo con actuador de potencia rotacional. Cada una de las dos ecuaciones consta de un primer término ideal seguido por térm inos que cuantifican las perdidas ya sea de caudal o de energía y donde aparecen los coeficientes adim ensionales antes m encionados. De esta manera las dos ecuaciones son:. Q = Dn − T =. ∆PD 2π. cs D∆P − Qr 2π + cd Dµn + c f. D 2π. ∆P + Tc. Se debe entender las unidades de cada uno de los térm inos para comprender y dar validez al análisis. T eniendo en cuenta que n es la velocidad de bombeo en ciclos por segundo, µ es la viscosidad dinám ica del fluido en Paseg, D e el desplazamiento del equipo en unidades de volumen por ciclo, ∆P es la presión de trabajo en Pa y la cantidad Qr corresponde a perdidas de entrega debidas a alta velocidad, se puede asumir cero para este análisis. En la ecuación del torque aparece un término Tc independiente de la presión que representa el torque de arranque necesario para operar el sistema sin im portar la presión de trabajo. De esta manera cada uno de los térm inos de las dos ecuaciones anteriorm ente m ostradas se explica mediante su coeficiente adim ensional respectivo.. 20.

(28) MIM-2006-I-06. 5.1.1 Coeficientes de Desempeño Las consideraciones y dem ostraciones necesarias para la definición de los coeficientes se encuentran de manera explicita en [12]. Los tres coeficientes que hacen parte de las ecuaciones de desem peño m ostradas anteriorm ente corresponden a la geometría interna del equipo y su influencia en el proceso de bombeo. El coeficiente cs se llam a coeficiente de deslizamiento y representa el caudal que no es bombeado cuando el pistón se m ueve dentro de la cám ara de la bom ba, por eso es llamado “deslizamiento” e influye en la disminución del caudal real com parando con el caudal teórico. De la m ism a m anera el coeficiente de arrastre viscoso cd representa la oposición del flujo a ser deformado por el desplazamiento del pistón dentro de la cámara de la bomba. Debido a esto el coeficiente influye en el aumento del torque ideal para realizar la acción de bom beo. El tercer y último coeficiente adimensional que también influye en el aum ento del torque para bom bear el fluido es el coeficiente de fricción seca cf y com o su nombre lo indica representa la fricción seca entre partes m etálica y/o sellos internos del sistem a [12].. 5.1.2 Determ inación de los C oeficientes de Desem peño T eniendo en cuenta las ecuaciones de desempeño mostradas anteriormente se puede ver que con la presentación de los datos de manera acertada se puede determ inar numéricamente los coeficientes. Es im portante aclarar que dada la baja velocidad de la bomba la cantidad Qr se tom a nula y que la viscosidad del fluido siempre se asume constante al igual que su velocidad de operación. Mediante la medición del desplazamiento y el caudal experimental para cada presión, sabiendo que de ante mano se conoce el caudal teórico dado por la geom etría y velocidad del equipo se puede hallar el caudal de deslizamiento para cada presión, lo cual genera una recta con pendiente. cs D como lo muestra la figura 19. Tanto en la 2πµ. figura 18 como en la ecuación que la describe se puede observar un caudal de deslizamiento constante (QH=0) en el equipo no previsto por la ecuación 1. Este térm ino corrobora el funcionamiento real de las válvulas presentes en el equipo y un retraso en su apertura.. 21.

(29) MIM-2006-I-06. Caudal Deslizamiento vs. Presión 0,006 y = 0,0008x + 0,0008 2. R = 0,9316 0,004. -3. Qs (m X 10 /seg). 0,005. 3. 0,003 0,002 0,001. QH=0. 0 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. Presión (MPa). Figura 19. Caudal deslizamiento vs. Presión. Al graficar el torque requerido para realizar la acción de bom beo contra cada presión de trabajo se tiene la gráfica m ostrada en la figura 20 cuya pendiente está dada por (1 + c f ). D y el punto de corte con el eje ordenado es cd Dµ n + Tc = Tp ; cantidad que 2π. para el sistema de bom beo es constante dada la condición de velocidad constante e invariable del equipo (Véase ecuación del torque).. Torque vs. Presión 350. Torque(Nm) = 52,638*Presión(MPa) + 12,795. Torque rms (Nm). 300. 2. R = 0,988. 250 200 150 100 50 0 0. 1. 2. 3 Presión (MPa). Figura 20. Torque vs. Presión. 22. 4. 5. 6.

(30) MIM-2006-I-06 Según las gráficas obtenidas se pueden obtener los valores numéricos de los coeficientes que desarrollan la teoría detrás de este análisis y que al m ism o tiem po perm iten ver un comportamiento teórico del equipo según los resultados de la experim entación realizada.. Cs. 0.00627. Cf. 0.1067. Tp (Nm). 12.795. Se ve un bajo valor del coeficiente de deslizam iento y es previsible altas eficiencias volum étricas y un buen funcionam iento del sistema de sellos en la cabeza del émbolo. El coeficiente de fricción seca es alto debido a la cantidad de partes que rozan entre si antes de la cámara de bombeo (Véase anexo 4). De la m ism a m anera la fricción entre los sellos en la cabeza del émbolo aum enta el valor del coeficiente de fricción pero a la vez se ve representado en los altos valores de eficiencia volum étrica pues am inora el intercambio de flujo en el pistón. Un alto torque propio del sistema e independiente de la presión es equivalente a una fuerza horizontal de 320 N en el émbolo para vencer las fricciones internas del equipo a cualquier presión y a cualquier velocidad de operación.. 5.1.3 Eficiencia de la Bom ba El equipo rediseñado se puede analizar desde el punto de vista de la conversión de energía tal como se hizo en [6] teniendo en cuenta las diferentes eficiencias presentes en el equipo. La energía que lleva el émbolo al momento de realizar la acción de bom beo se transm ite al agua pero no en su totalidad, pues partes de ella se pierde en vencer fricciones internas del equipo como se explico anteriorm ente. La energía que realm ente bombea el fluido a altas presiones se convierte a la salida del sistema como energía hidráulica pues parte de ella se va en abrir las válvulas y en vencer fricciones en las m angueras de descarga y succión dado que mientras se descarga fluido a alta presión se succiona de manera sim ultanea (doble efecto). La manera para evaluar la capacidad del equipo en términos de la entrega es la relación entre cuanto caudal esta en capacidad entregar el equipo y cuanto entrega realmente.. Para este análisis se recurre a los. diagramas indicadores de fuerza pues brindan información de la energía en cada etapa del proceso de bombeo.. 23.

(31) MIM-2006-I-06. 5.1.3.1 Eficiencia Mecánica La pérdida de energía al momento de bom bear el agua debido a fricción seca, oposición del fluido y dem ás efectos como la geometría del equipo, se puede cuantificar si se conoce la energía que lleva el ém bolo y la energía que se trasmite al agua para ser bombeada en un ciclo de bombeo. La potencia que lleva el émbolo se puede tener si se conoce la fuerza que lleva el mismo a través de un ciclo de bom beo, pues se grafica contra el desplazamiento y se tiene un diagrama indicador de fuerza en el ém bolo como lo muestra la figura 21.. Diagrama Indicador de fuerza en el émbolo 4,8 MPa Comprtamiento experimental. Comportamiento Teór ico. 10. Fuerza en el émbolo (kN). 8 6 4 2 0 -10. -2 0. PMS. PMI 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. -4 -6 -8 -10 Desplazamiento (mm). Figura 21. Diagrama Indicador de fuerza en el émbolo 4.8 MPa.. Así la potencia será el área encerrada bajo la curva (trabajo realizado) dividida el tiempo de duración de un ciclo. La potencia que de verdad se usa para bom bear el agua sin tener en cuenta los efectos antes mencionados se puede cuantificar con el uso de la distribución de presión en el tiempo. La presión correspondiente al primer paquete de agua se m ultiplica el valor de la presión en el tiem po por el área grande del pistón, de la m ism a form a para la presión correspondiente al segundo paquete de agua presurizado se m ultiplica el valor de la presión en el tiem po por el área que realiza dicho bom beo área pequeña del pistón, pero con signo negativo dado que la fuerza se ejerce en sentido contrario a la convención escogida.. 24.

(32) MIM-2006-I-06 La figura 22 muestra esta fuerza a lo largo de un ciclo de bom beo comparada con la fuerza teórica sin tener en cuenta fricciones y ni dem ás oposiciones al movimiento del pistón. Fuerza en el Agu a 4,8 MPa F uerza teórica. F uerza presión. 10 8. Fuerza (kN ). 6 4 2 0 -2 0. 0,5. 1. 1,5. 2. 2,5. 3. 3,5. -4 -6 -8 T iem po (seg ). Figura 22. Fuerza necesaria para bombear el agua sin fricciones.. De la m ism a m anera que se hizo para obtener el diagram a indicador de fuerza en el pistón, la fuerza que se trasmitido al agua se grafica contra el desplazam iento y se tiene el diagram a indicador de fuerza en el agua. Este últim o diagrama nos permite calcular la potencia trasmitida al agua para poder vencer las diferentes presiones a las que se opero el equipo dividiendo el área bajo la curva entre el tiem po del ciclo. Un ejem plo del diagrama indicador de fuerza en el agua se muestra en la figura 23. De esta m anera la eficiencia mecánica experim ental resulta de la comparación de estas dos potencias para cada condición de operación del equipo.. 25.

(33) MIM-2006-I-06. Diagrama Indicador de Fuerza en el agua 4,8 MPa Comportami ento Experi mental. Comportami ento Teórico. 10. Fuer za en el agua (kN). 8 6 4 2. PMI. PMS. 0 -5. -2. 5. 15. 25. 35. 45. 55. 65. 75. 85. -4 -6 -8 Desplaz amiento (mm). Figura 23. Diagrama Indicador de fuerza en el agua 4.8 MPa.. La eficiencia mecánica teórica se deduce al tomar la ecuación correspondiente al torque y se divide el primer término entre toda la ecuación (torque ideal entre torque actual), se encuentra una ecuación en función de los coeficientes adimensionales y Tp com o sigue:. η mecánica =. 1 1 = 2πµn 2π Tc 2π T p 1 + c f + cd + 1 + cf + ∆P D ∆P D ∆P. Se observa la presencia del numero adimensional de Somm erfeld. µn ∆P. el cual relaciona. las condiciones de operación del equipo y el fluido al mismo tiem po y en base al cual se diagrama la eficiencia mecánica teórica y experimental en la figura 24.. Eficiencia Mecànica Co mp orta mi ento E xpe rimental. Compo rtami ento Te òrico. 1 0,9. Eficiencia Mecà nica. 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0. 5. 10. 15 10 Som merf eld x 10. 20. Figura 24. Eficiencia Mecánica. 26. 25. 30.

(34) MIM-2006-I-06. 5.1.3.2 Eficiencia Volumétrica La eficiencia volum étrica es la razón de cuanto entrega el equipo realmente y cuanto debería entregar. Manipulando la ecuación teórica m ostrada anteriorm ente según esta definición se tiene que la eficiencia volum étrica se expresa en térm inos adimensionales de manera teórica como:. ηvolumétrica = 1 − cs. Q ∆P − r 2πµn Dn. Se puede ver de nuevo la presencia del número de Sommerfeld y la presencia de coeficientes adimensionales. De esta manera la eficiencia volumétrica experimental será la razón entre el caudal medido y el caudal teórico según las dimensiones y la velocidad de operación del equipo. Para el equipo de manera teórica se tiene un número de Sommerfeld igual a 0.627 x 10. -10. para eficiencia volumétrica nula, lo que corresponde a. una presión de trabajo de 34 MPa (4900 psi). Se tiene la figura 25 donde se muestra la eficiencia volumétrica teórica y experimental en función del número adimensional de Sommerfeld.. Eficiencia Volumétr ica. Eficiencia Volumétrica. Comportamiento Experimental. Comportamiento Teórico. 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. Sommerfeld x 1010. Figura 25. Eficiencia Volumétrica. Es importante ver como el comportamiento del equipo analizado sigue perfectamente el comportamiento típico de una bomba de desplazamiento positivo analizada mediante los coeficientes adimensionales y el número de Sommerfeld [11]. El bajo valor de la eficiencia volumétrica se debe a retraso en el ángulo de apertura de las válvulas de cheque ya sea para succión o descarga. Este fenómeno se evidencia a través del diagrama indicador de presión para cada condición de trabajo. El diagrama para una presión de trabajo de 4.8 MPa (700 psi) es mostrado en la figura 26 donde los ángulos 27.

(35) MIM-2006-I-06 de apertura son mayores a 50° y los ángulos de cierre mayores a 35°. Teóricamente cada uno de estos ángulos deben ser cero garantizando el uso de todo el recorrido del pistón para el bombeo como se mostró en la figura 22. También tiene influencia el no llenado de la cámara de la bomba al momento de realizar la succión por el mismo retardo en las válvulas de admisión, así parte del recorrido comprime aire y no bombea el fluido.. Figura 26. Diagrama Indicador 4.8 MPa (700 psi).. Entendiendo el comportamiento real de las válvulas de cheque en el equipo, su puede ver el caudal que causa de esto no es bombeado efectivamente como lo muestra la figura 27 donde se presenta el caudal teórico y el caudal real en función del tiempo. Al mismo tiempo el área sombreada corresponde al caudal de perdida debido el comportamiento real de las válvulas y es llamado Qv = 2.5 x 10-5 m 3seg-1. Modificando entonces la ecuación de entrega y así mismo la ecuación de eficiencia volumétrica se puede tiene: Q = Dn − cs. D∆P Q ∆P − Qv → ηvolumétrica = 1 − cs − v 2πµ 2πµn Dn. Con este nuevo modelo para el caudal se tiene un com portam iento teórico corregido m ostrado en la figura 28 donde se com para con el comportamiento experimental y el comportamiento teórico sin corrección mostrado anteriorm ente.. 28.

(36) MIM-2006-I-06. Figura 27. Caudal en el tiempo.. Eficiencia Volumétrica Comportamient o Experimental. Comportamiento Teórico. Conportamient o Teórico Corregido. Efici encia Vol umétrica. 1 0 ,9 0 ,8 0 ,7 0 ,6 0 ,5 0 ,4 0 ,3 0 ,2 0 ,1 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. Sommer feld x 1010. Figura 28. Comportamiento teórico corregido.. Se puede observar como el ajuste de la teórica es m ucho m ejor a los datos experimentales, ganando precisión en el modelo de la bomba y garantizando así el m odelam iento tanto de la bomba como de las válvulas presentes.. 5.1.3.3 Eficiencia H idráulica Comparando la potencia dada por el diagram a indicador de fuerza en el agua con la potencia hidráulica definida com o. Phidráulica = Q∆Prms se puede tener la eficiencia. 29.

(37) MIM-2006-I-06 hidráulica del equipo y poder observar perdida de energía en esta última parte del ciclo de bombeo. Para cada condición de operación la eficiencia hidráulica del equipo la m uestra la figura 29 así como la eficiencia global del sistema teniendo en cuenta la potencia eléctrica consumida por el m otoreductor y la potencia hidráulica entregada por el sistema de bom beo.. Eficiencia del Equipo Eficiencia Hidráulica. Efici encia Total. Eficiencia. 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. Presión (MPa). Figura 29. Eficiencia hidráulica y eficiencia total del equipo. Alta eficiencia global del sistema a pesar de una no muy representativa eficiencia hidráulica. Los cambios en el actuador y el aum ento en el caudal entregado para cada una de las presiones de trabajo evidencian una m ejora significativa del diseño con respecto al prototipo anterior y base de la presente investigación.. 5.2 Pruebas con la Membrana de O I Las pruebas realizadas con la m em brana de OI corresponden a la validación del equipo como sistem a de bombeo para desalinización de agua por osmosis inversa. Se preparo agua de alimentación con una concentración de 28.000 ppm de sales disueltas simulando agua salobre de la alta Guajira previam ente filtrada, es decir, sin partículas de gran tamaño com o hojas o desechos sólidos. Se realiza la prueba a varias presiones y se m ide el caudal perm eado, el caudal concentrado y el porcentaje de recuperación. La figura 30 muestra los resultados obtenidos para el caudal permeado y son contrastados. 30.

(38) MIM-2006-I-06 con los obtenidos en [6] usando un sistem a de bom beo convencional. El caudal obtenido con el menor grado de salubridad es de 0.23 L/m in com parable con el obtenido con la bomba equipo de bombeo com ercial Warnner con el cual se obtuvo un caudal perm eado de 0.35 L/min [9]. Caudal Permeado Obtenido. Caudal Permeado [5]. Caudal Permeado (L/min). 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 3,2. 3,4. 3,6. 3,8. 4. 4,2. 4,4. 4,6. 4,8. Presión (MPa). Figura 30. Caudales perneados. La concentración de sales disueltas obtenida en el caudal perneado se m uestra en la figura 31 donde nuevam ente se comparan los resultados con los reportados por [6]. Se puede ver como se obtiene agua siempre con un nivel de salubridad inferior al máximo perm itido por la Organización Mundial de la Salud de 1.500 ppm [9].. 31.

(39) MIM-2006-I-06. Concentración Permeado Obtenido. Concentración Permeado [5]. Sales disueltas Permead o (p pm). 1800 1500 1200 900 600 300 0 3,2. 3,4. 3,6. 3,8. 4. 4,2. 4,4. 4,6. 4,8. Pre sión (MPa). Figura 31. Sales disueltas en el caudal perneado.. La figura 32 muestra el porcentaje de recuperación definido como la relación entre el caudal permeado y el caudal de alimentación. Se observa como nunca se llega al 13%, m áximo porcentaje recomendado por el fabricante de la membrana lo cual muestra un uso seguro y confiable de la m ism a.. Porcentaje de Recuperación Obtenido. Porcentaje de Recuperación [5]. 15. % Recuperación. 12. 9. 6. 3. 0 3,2. 3,4. 3,6. 3,8. 4. 4,2. Presión (MPa). Figura 32. Porcentaje de Recuperación. 32. 4,4. 4,6. 4,8.

(40) MIM-2006-I-06. C O NCLUSIO NES Y REC O MENDACIO NES Se desarrollo un sistema m ás eficiente de manera integral pues a altas presiones permite eficiencias hasta de un 25% entregando caudales de hasta 0.8 gpm y a las mismas presiones que el sistema anteriorm ente desarrollado y base de esta investigación cuyas eficiencias globales no eran m ayores al 10% y entregas no eran mayores a 0.25 gpm .. El sistem a desarrollado representa un avance en el diseño y correspondiente solución al problema de bom beo de agua a alta presión y bajos caudales para desalinización por OI pues lo hace de m anera eficiente, con tecnología simple y asequible a la población usuaria, a pesar de ser un sistema de bom beo conceptualmente mas sofisticado que el sistem a de ém bolo buzo anteriormente desarrollado. El resultado del trabajo realizado m uestra un sistema innovador como solución de bombeo de agua salobre para desalinización con OI en aplicaciones de baja potencia. Los resultados de la experim entación con la m em brana colocan a la bomba desarrollada en condición de sustituir los sistem as de bom beo usados en [5] y poder tener comportamientos aceptables de la pequeña planta de OI. El sistem a de acción simple - doble efecto evidencia una solución para el problem a de bombeo pues permite trabajar altas presiones con tamaños en la bomba que perm iten entregar el caudal requerido con el uso de un actuador que a la vez representa alta eficiencia en el sistem a global.. El m étodo de análisis permite aproxim arse de m anera coherente a los resultados experimentales obtenidos y com probar de manera teórica los mismos. Al mismo tiempo perm ite predecir el com portam iento del equipo a distintas condiciones de operación ya sea variando la velocidad de bom beo, el fluido o la presión de trabajo.. La reducción en la eficiencia volumétrica a altas presiones (bajos núm eros de Somm erfeld) evidencia el com portam iento típico de los sistemas de desplazamiento positivo y se debe al aum ento del caudal de deslizamiento por efecto de la m isma presión que se requiere vencer, así como m ayor dificultad para abrir las válvulas de succión y descarga. 33.

(41) MIM-2006-I-06. El aumento de la eficiencia m ecánica a altas presiones evidencia solo aum ento de trabajo requerido para vencer la presión y no evidencia aumento de trabajo por m ovimiento del émbolo en el agua con el aumento de presión. Se requiere un bajo torque de arranque que es constante en el equipo. Ese torque siempre se debe m inim izar pues evidencia una fuerza requerida adem ás de la fuerza opuesta por la presión de trabajo.. Se comprobó el buen funcionamiento del equipo de bombeo como parte del sistema desalinizador para una pequeña planta de OI. Cumple con las condiciones hidráulicas requeridas y m uestra altas eficiencias, característica óptim a para su operación en situaciones de baja potencia disponible como es el caso de la pequeña planta desarrollada para operar en la alta Guajira.. Es factible la construcción del equipo desarrollado por entidades pertinentes. De esta m anera se hace más factible el desarrollo tecnológicamente más simple y a m ás bajo costo de una pequeña plata de desalinización de agua por OI para pequeñas comunidades de escasos recursos energéticos, hídricos y económ icos.. Este equipo es un desarrollo preindustrial y probado bajo condiciones de laboratorio, lo cual al mom ento de pretender ser industrializado requiere ajustes tecnológicos con partes y elementos com erciales. Al m ism o tiempo y para tal efecto se recom ienda el robustecimiento del sistema de prefiltrado en la planta de desalinización. Las válvulas de succión y descarga presentan alta sensibilidad a la presencia de partículas sólidas dentro del fluido desmejorando el desempeño del equipo de bombeo. Trabajos futuros deben enfocarse en el robustecimiento de las válvulas del equipo así com o a la búsqueda de m ejores alternativas en los materiales de los sellos en el pistón dada la alta salinidad del fluido de trabajo. Es necesario realizar experim entación con la m em brana de OI en estado transiente para observar el comportamiento del equipo de bombeo a fluctuaciones de potencia.. 34.

(42) MIM-2006-I-06. BIBLO G RAFÍA 1. Burton. J. &. Loboguerrero. J. (1991). Bombas Rotodinám icas y de. Desplazamiento Positivo. Departamento de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingeniería, Universidad de los Andes. Bogotá Colombia. 2. Chironis, N.(1996). Mechanisms and Mechanical Devices Sourcebook. 3ra Edición. Nueva York, Estados Unidos.. 3. Global. Spec. (2005).. http://flow-. control.globalspec.com/SpecSearch/Suppliers?QID=6894246&Comp=844.. 4. Mohamed, E & Papadakis, G. (2004). Design, sim ulation and economic análisis of a stand-alone reverse osm osis desalination unit powered by wind turbines and photovoltaics. Journal of Desalination, 164 (2004) 87-97.. 5. Moreno, C. (2005). Estudio de Las condiciones óptimas de carga para un par generador-m otor en turbinas eólicas. Tesis de Maestría. Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia.. 6. Moreno, F. & Pinilla, A. (2004, 4 de junio). Pre-lim inary experimental study of a. sm all reverse osm osis wind-powered. desalination. plant. Journal of. Desalination. ELSEVIER.. 7. Ospina, J (2005). Instrumentación de una bomba de desplazamiento positivo para desalinización de agua por osmosis inversa. Tesis de Pregrado. Universidad de los Andes, Bogotá, Colom bia.. 8. Perry & Lissner (1962). The Strain Gage Prim er. 2da. Edición. Nueva York, Estados Unidos.. 9. Ramírez, A (2005). Desarrollo de un sistema de control para desalinización de agua, en plantas de osmosis inversa, operadas con energía eólica. Tesis de Maestría. Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia. 35.

(43) MIM-2006-I-06. 10. Vásquez, C. (2004). Diseño, construcción y prueba de concepto de una bomba accionada por un medio mecánico para osmosis inversa. Tesis de Maestría. Universidad de los Andes, Bogotá, Colom bia. 11. W anner Engineering Inc. (2002). Hydra-Cell Industrial pum ps, Entire Manual. Minneapolis, USA.. 12. W ilson, W (1949). Performance criteria for positive displacem ent pum ps and fluid motors. Rapid City, S. Dak. Londres, Inglaterra.. 36.

(44) MIM-2006-I-06. ANEXO 1: C URVA DE CALIBRACIÓ N DEL TRANSDUCTO R DE PRESIÓ N. P (psi) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 510 600 700 800. V (mV) 0.2 1.6 3.1 4.7 6.3 7.7 9.4 10.9 12.2 15.7 18.5 21.6 24.2. 900 800. Presión (psi) = 32.909*Vol taj e(mV) - 5.2974 R 2 = 0.9997. 700 P (psi). 600 500 400 300 200 100 0 0. 5. 10. 15 V (mV). 37. 20. 25. 30.

(45) MIM-2006-I-06. ANEXO 2: C URVA DE CALIBRACIÓ N LVDT 100 – 100. Voltaje (V) Distancia (mm ) 3.4 0 4.6 23 9.6 74 13.6 124. 140. Distancia (mm). 120. Distancia (mm) = 11.18*Voltaje(V) - 29.938 2 R = 0.9966. 100 80 60 40 20 0 0. 5. 10 Voltaje (V). 38. 15.

(46) MIM-2006-I-06. ANEXO 3: C URVA DE CALIBRACIÓ N CELDA DE CARG A Fuerza (kN) 15 12 9 6 3 0 -3 -6 -9 -12 -15. Voltaje (V) 1,04 0,99 0,95 0,9 0,86 0,82 0,73 0,65 0,58 0,51 0,44. C arga (kN). 20 15. Fuerza(kN)= 48,755*Voltaje(V) - 37,542. 10. R = 0,984. 2. 5 0 -5 0. 0,2. 0,4. 0,6. -10 -15 -20 Voltaje (V). 39. 0,8. 1. 1,2.

(47) MIM-2006-I-06. ANEXO 4: C URVA DE CALIBRACIÓ N CO NDUC TIMETRO Sales (ppm) C onductividad (mS) 0 0,00831 2000 3,61 4000 6,84 6000 9,84 8000 12,98 12000 18,47 16000 25,8 20000 31 24000 35,8 28000 40,04 32000 45 36000 49,4 40000 53,3. 45000 Sales Disueltas (ppm). 40000. Sales(ppm) = 739,44*Conductividad(mS) - 1350,8 2 R = 0,9938. 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 0. 10. 20. 30. 40. Conductiv idad (mS). 40. 50. 60.

(48) 41. ANEXO 5: PLANO S DE MANUFACTURA. MIM-2006-I-06.

(49) MIM-2006-I-06. 42.

(50) MIM-2006-I-06. 43.

(51) MIM-2006-I-06. 44.

(52)

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