Bombeo remoto neumtico con aerobombas

E l problema de bombeo deagua en lugares montaosos yzonas de ladera, en muchos casos,limita la posibilidad de utilizar laenerga elica para tal propsito. Eluso de sistemas de bombeo directocon molinos de vientoconvencionales en estasregiones, implica que estosdeben localizarse en los puntosmas bajos de la topografa, endonde se encuentra la fuentede agua (v.gr. - ro, canal deriego, etc) y la intensidad delviento no es adecuada. Encontraste, los sitios con mayorintensidad de viento seencuentran en las colinas,distanciados de la fuente deagua y de rboles. Las ventajas deemplazar el molino de viento enuna colina son varias, a decir: lacolina actua como una torrenatural, exponiendo el rotor a unacorriente de viento mas rpida; lacolina generalmente acelera elflujo de aire incrementndose lavelocidad local del viento y porltimo, el viento es menosturbulento, reduciendose as ;ascargas dinmicas en lascomponentes del equipo. Por estasrazones, el grupo de Energa Elica(FIVA) de UNIANDES exploradiversas posibilidades de realizarbombeo remoto por transmisin. Seestn estudiando tres diferentesalternativas para ser comparadastcnicamente, las cuales son:transmisin neumtica, transmisinhidrulica y transmisin elctrica. Elpresente artculo describe laslabores de investigacin paraimplementar un sistema detransmisin neumtica adaptablea las condiciones tcnicas demolinos de viento comercialescolombianos para el bombeo deagua. Vale la pena mencionar queeste proyecto es financiado por elInstituto Colombiano para elDesarrollo de la Ciencia y laTecnologa - COLCIENCIAS.

AntecedentesEn diversas regiones del pas, escomn el uso de sistemas debombeo con compresoresenergizados por equipos diesel oelctricos. La bomba que se utiliza

en estos casos, es del tipo Ascensode Aire (Air lift) donde se requierede un pozo profundo y un nivel desumergencia deaproximandamente el doble de lacabeza de bombeo para operaradecuadamente. Esta condicinimposibilita su uso en bombeodesde ros o fuentes de aguasuperficial.

Otras alternativas al sistemaneumtico de aerobombeo, son elbombeo hidrulico y elctrico.Dentro del contexto global delproyecto de investigacin, estasdos alternativas se estnestudiando. El sistema hidrulico deaerobombeo consiste de(Carraquilla, 1993): un cilindromaestro del tipo reciprocante, latubera de conduccinconteniendo el fluido de trabajo,un elemento almacenador deenerga (resorte), el cilindro esclavoy la bomba reciprocante deaccin simple. Esta configuracinha sido probada con relativo xitopor Simon Batchelor de laUniversidad de Reading (Inglaterra)con dos instalaciones en Kenya. Elsistema elctrico que se estestudiando, consiste de un

aerogenerador pequeo de 2.5 m.de dimetro de rotor, con trespaletas y conectado a ungenerador de imanes permanentesa travs de una caja develocidades de 1:4. (Boada, 1993).El sistema est diseado de forma

tal, que tenga doblepropsito de uso,carga de bateras parauso elctrico y/oconectado a unapequea bombaelctrica comercial,comunmente utilizadapara trasiego de botes.(Vasquez, 1993). En laactualidad todas lastres alternativas se

estn evaluando, para identificarlas bondades, dificultades y lmitesde utilizacin de cada opcin deaerobombeo remoto.

Seleccin decomponentes del

sistema neumticoEl compresor: Para esta aplicacinespecfica, es deseable contar conun compresor de baja velocidad ymediana carga de presin paraque pueda ser acoplado, en loposible, directamente a un molinode viento. En estas circunstancias,el compresor ms adecuado es uncompresor de desplazamientopositivo del tipo reciprocante.

Parmetros de Diseo:Los principales parmetros que setuvieron en cuenta son:

Se dispone de una velocidadde giro en el eje del molino deviento, entre 120 y 180 RPMaproximadamente. Si serequiere de una mayorvelocidad de giro se tendr queutilizar una caja de aumento develocidades, lo cual no es

Alvaro Pinilla, Ph.D., M.Sc.

Ingeniero MecnicoDirector y Profesor Departamentode Ingeniera Mecnica.

REVISTA DE INGENIERIA UNIANDES 7

Cilindroactuador

Vlvuladireccional

siempre deseable.

- Se disea el sistema de formatal que la relacin decompresin sea de 5 aprox (setoma la presin baromtrica ala altura de Santaf de Bogot,2640 m.s.n.m).

Se dimensiona el sistema parauna potencia disponible dealrededor de 200 watios, lo cuales alcanzable en la Estacin dePruebas de UNIANDES, con unequipo elico de aprox. 3metros de dimetro.

Dimensiones del Compresor:Para las condiciones expuestaspreviamente se encontr en elmercado, un compresor para losfrenos de aire de un bus marcaMidland. Este equipo tiene lassiguientes caractersticas, a saber:

Nmero de Cilindros: 2Dimetro de los cilindros:50.8 mm (2")Carrera: 42 mmConfiguracin de accin simple

Para la condicin de diseo seencuentra que el compresor estaren capacidad de entregaralrededor de 30 Its/min de caudalde aire libre.

Vlvula:La figura No. 1 ilustraesquemticamente la disposicin

de la vlvula y cilindro actuador,este ltimo se describe en parrafossiguientes. La vlvula msadecuada para emplear, es deltipo 4-2, cuatro vas dos posicioneso en su defecto, del tipo 5-2, cincovas dos posiciones. Estas vlvulasconmutan las vas de presin paraobtener un movimiento de vaivn.Estas vlvulas vienen provistas deun sistema de trinquete, el cualmantiene en su posicin la vlvulapara un determinado camino depresiones. El acoplamiento de estavlvula se realiza mediante unsistema d palanca, la cual esaccionada por un brazo que va fijoal vstago del cilindro actuador.

El correcto funcionamiento delcircuito depende de un suministrode aire comprimido, para evitar elbloqueo de la vlvula.

Cilindro Actuador:El cilindro que se seleccion es deltipo de dobe accin, es decir queejerce trabajo en las dosdirecciones de movimiento. Estacondicin permite utilizar unabomba del tipo diferencial deaccin simple o una bombareciprocante de doble accin.Clculos iniciales para determinarel tamao del cilindro msadecuado, con base en los datosde capacidad del compresor,revelan que este debe tener undimetro entre 50 y 60 mm y un

dimetro de vstago mnimo de 8mm. Esto implica un consumo porciclo de 1.07 Its/ciclo, repartidos en0.584 Its para la carrera de salidadel pistn y 0.488 Its para la carrerade entrada. Al mismo tiempo, elcilindro actua a una tasa dealrededor de 40 a 46 ciclos porminuto, ejercindose una fuerzaentre 350 y 450 N.

Con estas dimensiones,se encontrun cilindro actuador comercial dedos pulgadas de dimetroestandar. Al cilindro se le ralizaronalgunas pruebas preliminares,encontrndose que la mnimapresin para inicio de movimientodebe ser de 34 KPa (5 psig). Estevalor puede ser disminuido si seagrega al aire un aceite lubricanteSAE 10W. El cilindro, en sudisposicin de fbrica, vieneprovisto de un acople roscado elcual se puede emplear parasoportar el brazo deaccionamiento de la vlvula. Elcilindro tiene las siguientescaractersticas dimensionales:

Dimetro del cilindro: 50 mmDimetro del Vstago: 20 mmCarrera del pistn: 80 mm

Con estos datos se obtiene:

Area efectiva del Pistn(Carrera de Salida): 1963.5 mm2Area efectiva del Pistn(Carrera de Entrada): 1650 mm2

Figura No. 1

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para la relacin decompresin prescritaoriginalmente, seencuentra entoncesque la fuerza que escapaz de ejercer elpistn es:

Carrera de Salida:451 NCarrera de Entrada:370 N

En esta clculo de fuerzadisponible, se asume unaprdida de presin del 15%por transmisin.

Bomba de Agua:La bomba que seseleccion para ser

VALVULADE SALIDA VALVULA DE PIE

CAMISA

AGUJEROS EN EL VASTAGO

Figura No. 2

PISTON

VALVULADE SALIDA VALVULA DE PIE

SALIDA CAMISA

Figura No. 3

acoplada a este sistemaneumtico con las caractersticasdescritas, es una bomba del tipodiferencial de accin simple. Estabomba desplaza fluido en las doscarreras, tanto de aspiracin comode impulsin. Como parmetros

para su apropiadodimensionamiento se tomaron lossiguientes:

Debe bombear dos paquetesde agua de aproximadamenteel mismo volumen, por ende elrea del vstago de labomba debe ser similar alrea efectiva del pistn.

Las reas efectivas de labomba, tanto de pistncomo de vstago, sedefinen de manera quecon la fuerza disponible delcilindro actuador puedarealizar bombeo a unacabeza esttica de 20 m.

Los elementos de la bombase dimensionan utilizando laapropiada combinacinde tuberas de PVC, que seconsiguen en el mercado.

El funcionamiento de laDombo diferencial es elsiguiente (Ver figuras No 2 y 3):Cuando el pistn se desplazo

en la carrera de impulsin (Fig. 2) sebombea el agua que se encuentrabajo el rea A, de la bomba,mientras el lquido que seencuentra contenido bajo el reaA :,, se encuentra bajo la presin dela cabeza de bombeo. La vlvula

de pie se encuentra abierta y lavlvula de salida del pistn estcerrada. Cuando el pistn retornahacia el punto muerto inferior (Fig.3), se desplaza el volumen de aguacorrespondiente al rea A.,, al

mismo tiempo que permite paso defluido a travs de la vlvula desalida del pistn, desde la cmarainferior ala cmara superior de labomba: para su siguiente ciclo deoperacin. En la carrera dedescenso, la vlvula de pie

permanece cerrada. Paradimensionar correctamente labomba, se encuentra lacapacidad esttica debombeo para las fuerzasdisponibles en el vstago delcilindro actuador.

Las condiciones que se utilizanpara el clculo de lageometra de la bomba son,entonces, una relacin decompresin de 5.2 y undesplazamiento lineal delcilindro actuador de 80 mm.

Los dimetros encontradospara la bombacorrespondiente fueron:Cilindro de la bombadiferencial - Tubo de PVC de 3"dimetro nominal y Vstagohueco de PVC de 2" dimetro

nominal. con estos valoresgeomtricos se encuentra que larelacin de reas efectivas paracada etapa de bombeo, es de1.05.

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COMPRESOR

LINEA DE PRESION

MOLINO DE VIENTOCWD2740

FILTRO - REGULADOR - LUBRICADOR

BOMBA DIFERENCIALACCIONADA NEUMATI-CAMENTE, FLOTANDOEN UN RIO

TANQUE PARAAIRE COMPRIMIDO I{ /ti', I

,I

uI

n =l

Figura No. 4

MotorCompresor

Disposicin de los La disposicin de los diversoselementos que componen el

componentes sistema neumtico, se ilustran en la

Figura No 4. El compresor seacoplara directamente al molinode viento a travs de una cajade cambios. De all, se baja unalnea de aire comprimido hasta untanque de almacenamiento, elcual regulariza las variaciones depresin en cada ciclo. Esta lnea deaire comprimido se extiende hastala zona de bombeo (v.gr. - fuentede agua), donde primero seprepara el aire comprimido atravs de un filtro-regulador-lubricador, liberndolo deimpurezas y agua condensada,regulando la presin y mezclandoel aceite lubricante con el aire enforma de aspersin.Posteriormente, el aire comprimidoentra a la vlvula direccionaldonde es apropiadamente dirigidaal cilindro actuador de dobleaccin, que esta conectado a labomba diferencial, como se ilustra.

Pruebas de laboratoriosde los componentes del

sistema neumtico.

Se han realizado pruebas decomportamiento y rendimiento, alcompresor, la vlvula direccional yel clindro actuador. El montaje quese utiliz en el laboratorio se ilustraen la Figura No 5 y la fotografa No1. Con esta configuracin en elbanco de pruebas, se puedeconocer el rendimiento global delcompresor, bajo diferentesvelocidades de rotacin. En estemontaje, se acopla la salida del

Torqumetro

Manmetro

Vlvula deglobo

D/ \

Tanque

Flujmetro

Figura No, 5

20 REVISTA DE INGENIERIA UNIANDES

Fotografa No. 1

10 20 30Presin de aire (PSIG)

Figuro No. 6

0 40

50

compresor a un tanque de gasprovisto de manmetro y una llavede globo a la salida del tanque. Lavlvula sirve de elementoregulador de presin. El aire sehace pasar por un flujmetro dedesplazamiento positivo, cuyaprecisin es del 1.5%. En el eje delmotor de velocidad variablese encuentra conectado untorqumetro ptico. Lasvariables medidas para cadacondicin de operacinfueron: velocidad de rotacindel compresor, par transmitido,caudal de aire libre y presinde descarga del compresor.Con estas variables medidasse determinan variaciones eneficiencia mecnica, eneficiencia volumtrica ycaudal para variascondiciones de presin dedescarga. Adicionalmente alcompresor se le instal elsistema de vlvula de control ycilindro actuador paracualitativamente determinar e!comportamiento global decada componente del sistemaneumtico, en cuanto serefiere a la continuidad yvelocidad de actuacin deicilindro y su variacin con

diferentes presiones. Con base enlos resultados obtenidos se realizauna estimacin delcomportamiento global del sistemade bombeo neumtico.

Las figuras Nos. 6 y 7 resumen losresultados de estimacin de la

18 -

12

0

capacidad global del sistemaneumtico de bombeo remoto. Seaprecia que para la bombadiferencial 3" - 2", se puedelevantar agua bajo una cabezaesttica de 20 metros , en un rangode velocidades del compresor de100 a 400 RPM y el caudal de aguavara entre 2.5 a 14 Its/min. Laeficiencia de conversin de airecomprimido a agua bombeada esde aproximadamente un 37%, queal acoplarse al rotor del molino sepuede esperar una eficienciaglobal de conversin de energaelica de aproximadamente10% a 12%.

Con esta simulacin se identificaclaramente la necesidad deinstalar una caja de velocidadespara aumentarla velocidadtransmitida por el eje del molino, almenos, en un factor de 2, ya queen el mejor de los casos para unrotor elico de 3 metros dedimetro y el rgimen de vientoque se alcanza en la estacin depruebas de UNIANDES, suvelocidad de giro no ser mayor a200 RPM.

bomba del tipo

3"-2"

30

24

CURVAS DE EXPECTATIVAS DE OPERACION DE LA BOMBA, PORPRESION DE AIRE DEL COMP.

REVISTA DE INGENIERIA UNIANDES

400 RPM500 RPM

CURVAS DE EXPECTATIVAS DE OPERACIONDE LA BOMBA 3' - 2"

15

300 RPM

100 RPM

12

20 30Presin de aire (PSIG)

Figura No, 7

VNI 50 RPM

40 500

10

Trabajo futuro:En el momento de escritura de esteartculo se concluy laconstruccin de la bombadiferencial 3-2 y la instalacin en ellaboratorio se realizar para valorarsu comportamiento global delsistema de bombeo remotoSeguidamente, el equiponeumtico de bombeo remoto seacoplar con el equipo de diseo

holands CWD2740 (Pinilla &Mateus, 1993) para ser evaluadoen la Estacin de Pruebas deUNIANDES.

Referencias

Boada, E. (1993) Diseo cnnstruccin.ymontaje dei In Aerngenerndor de 2 S mtsde Dimetro Proyecto de Grado.Departamento de Ingeniera Mecnica.Universidad de Los Andes. Bogot,Colombia, Agosto.

Carrasquilla, J. (1993). F,stiidin Fxperimentalde un Sistema_ de Bambeo i?emotoHidritlicn Proyecta de Grado.Departamento de Ingeniera Mecnica.Universidad de los Andes, Bogot,Colombia. Febrero.

Vasquez, C. (1993) Acople de bombac-1 -- a- ronnerngenerndor Proyecto de Grado.Departamento de Ingeniera Mecnica.Universidad de Los Andes. Bogot,Colombia, Octubre.

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