caracterizaciÓn y anÁlisis del rendimiento de tres bombas …
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CARACTERIZACIÓN Y ANÁLISIS DEL RENDIMIENTO DE TRES BOMBAS
SUMERGIBLES PARA SU ÓPTIMO ACOPLAMIENTO A UN SISTEMA SOLAR
FOTOVOLTAICO
JUAN SEBASTIAN MARIÑO ESPINOSA
201619496
Asesor
Álvaro Enrique Pinilla Sepúlveda, PhD, M. Sc Ing.
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPATAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C. 2019
2
AGRADECIMIENTOS
Agradezco principalmente a mi padre, quien luchó y batalló por hacer de mi carrera un
logro de ambos, quien soñó con darme todos los conocimientos para tener un camino
más fácil, el que me permitió enamorarme de la carrera y aunque su presencia no esté a
mi lado en este momento, sé que siempre estará conmigo acompañándome, apoyándome
y festejando los logros que quedan por cumplir.
A mi familia, quienes me han ayudado, me han apoyado, me han dado todas las
herramientas para crecer como persona y así poder ser mejor día a día.
A los profesores, por darme los conocimientos para ser un buen profesional y en especial
agradecer al profesor Álvaro Pinilla, por darme el asesoramiento durante el desarrollo
del proyecto.
A las personas que trabajan en la universidad y siempre están dispuestas a ayudar a
solucionar los problemas que surgen día a día.
3
CONTENIDO
I. INTRODUCCIÓN 7
II. ANTECEDENTES 10
III. OBJETIVOS 13
IV. METODOLOGÍA 14
V. CÁLCULOS 24
VI. RESULTADOS 27
VII. DIMENSIONAMIENTO FOTOVOLTAICO 32
VIII. CONCLUSIONES 34
IX. RECOMENDACIONES 35
X. REFERENCIAS 36
ANEXOS 38
4
Índice de gráficas
Gráfica 1. Curva de cabeza vs. Caudal entregada por el fabricante para una velocidad de operación
de 3450rpm ........................................................................................................................................ 10
Gráfica 2. Curva de Eficiencia vs. Caudal entregada por el fabricante para una velocidad de
operación de 3450rpm ....................................................................................................................... 10
Gráfica 3. Curva de potencia mecánica vs. Caudal entregada por el fabricante para una velocidad de
operación de 3450rpm ....................................................................................................................... 11
Gráfica 4. Coeficiente de pérdidas para válvula de compuerta, de disco y de globo dependiendo del
porcentaje de apertura (White, Fluid Mechanics, 2011). .................................................................. 25
Gráfica 5. Curvas de cabeza contra caudal obtenida experimentalmente para la bomba IHM. ........ 27
Gráfica 6. Curvas de eficiencia obtenidas para la bomba IHM para las diferentes etapas. ............... 28
Gráfica 7. Curvas de potencia hidráulica entregada por la bomba IHM para las 5 etapas. ............... 28
Gráfica 8. Curvas de cabeza contra caudal obtenida experimentalmente para la bomba Shurflo
operando a 12 y 24 voltios y curvas entregadas por el fabricante. .................................................... 29
Gráfica 9. Curvas de eficiencia obtenidas para la bomba Shurflo para las diferentes etapas. .......... 29
Gráfica 10. Curvas de cabeza contra caudal obtenida experimentalmente para la bomba IACOL
comparadas con las curvas del sistema entregadas por el fabricante. ............................................... 30
Gráfica 11. Curvas de eficiencia obtenidas para la bomba IACOL para las diferentes etapas y curva
de eficiencia entregada por el fabricante. .......................................................................................... 30
Gráfica 12. Curvas de potencia hidráulica entregada por la bomba IACOL para las 3 etapas. ........ 31
5
Índice de tablas
Tabla 1. Elementos que generan pérdidas en el montaje implementado en el laboratorio. ............... 21
Tabla 2. Elementos que generan pérdidas en el montaje implementado en el pozo. ........................ 22
Tabla 3. Condiciones de operación para el punto de mejor operación de cada etapa para la bomba
IHM. .................................................................................................................................................. 32
Tabla 4. Condiciones de operación para el punto de mejor operación de cada etapa para la bomba
IACOL............................................................................................................................................... 32
Tabla 5. Condiciones de operación para el punto de mejor operación de cada condición para la
bomba Shurflo. .................................................................................................................................. 32
Tabla 6. Tabla de costos estimados para el sistema de bombeo solar fotovoltaico evaluados en dos
condiciones extremas de demanda de agua. ...................................................................................... 33
6
Índice de ilustraciones
Ilustración 1. Configuración básica de un Sistema solar fotovoltaico ................................................ 8
Ilustración 2.Relación geométrica entre el comportamiento del fluido y el perfil de los alabes ......... 9
Ilustración 3. Características generales de la bomba IHM S4S-16-05 .............................................. 11
Ilustración 4.Montaje usado para realizar las pruebas a la bomba en el trabajo de Aponte tomada de
(Aponte, 2018). ................................................................................................................................. 12
Ilustración 5.Montaje experimental usado por Aponte. A: Banco de pruebas hidráulico Armfield F1-
10, B: Válvula de cortina de ¼”, C: Manómetro, D: Tubería y accesorios en PVC de ¼”, E: Tanque
de agua con capacidad de 1000 litros. (Aponte, 2018). .................................................................... 12
Ilustración 6. Vista inferior y superior de la carcasa. ........................................................................ 14
Ilustración 7. Vista lateral de la carcasa, en esta se evidencia en la parte inferior el difusor de la
etapa. ................................................................................................................................................. 14
Ilustración 8. Vista superior del impulsor. ........................................................................................ 14
Ilustración 9. Placa de la bomba con sus especificaciones generales. ............................................... 15
Ilustración 10. Tapa/rejilla inferior de la bomba. .............................................................................. 15
Ilustración 11. Base inferior de la bomba. En esta se evidencia los 4 tornillos Allen y el tornillo
central encargado de sostener las etapas. .......................................................................................... 16
Ilustración 12. a) vista inferior de la base inferior de la bomba, en la mitad se puede evidenciar la
una parte del sello mecánico. b) Vista superior de la base inferior de la bomba. c) vista lateral de la
base inferior de la bomba, en esta se puede evidenciar el sello O-ring. ............................................ 16
Ilustración 13. Complemento del sello mecánico que se encuentra en la parte inferior de la bomba.
........................................................................................................................................................... 16
Ilustración 14. Etapas de la bomba montadas en orden. ................................................................... 17
Ilustración 15. a) Parte inferior de la etapa N° 2. b) Parte superior de la carcasa N° 2. c) Vista lateral
de la carcasa de la etapa N° 2. ........................................................................................................... 17
Ilustración 16. Interior de la etapa, en esta se evidencian el impulsor en el interior y los difusores en
la parte exterior. ................................................................................................................................ 17
Ilustración 17. Elementos que componen cada una de las etapas de la bomba. ................................ 18
Ilustración 18. Vista superior, inferior y lateral del impulsor de la bomba Iacol Nkm. .................... 18
Ilustración 19. Salida de 1 ¼” de la bomba. ...................................................................................... 18
Ilustración 20. Carcasa del motor de la bomba Iacol Nkm 3/3. ........................................................ 18
Ilustración 21. Flotador encargado de activar el Sistema de control de la bomba. ........................... 19
Ilustración 22. Bomba sumergible Shurflo 9325-043-101. ............................................................... 19
Ilustración 23. Montaje para probar las bombas con ayuda del tanque de 1000 litros. ..................... 20
Ilustración 24. Montaje propuesto para realizar las pruebas en el pozo profundo de la universidad. 20
Ilustración 25. Montaje implementado para hacer las pruebas a la bomba IHM e IACOL Nkm. .... 21
Ilustración 26. Montaje implementado para hacer las pruebas de la bomba Shurflo. ....................... 22
Ilustración 27. Montaje implementado para pruebas con la bomba NKm en el pozo de la
Universidad. ...................................................................................................................................... 23
7
I. INTRODUCCIÓN
Los combustibles fósiles son una fuente de generación de energía que ha tenido fuerza a lo largo
de la historia, sin embargo, la generación asociada a estos combustibles son la principal causa del
cambio climático que se presenta en la actualidad. De esta manera, las fuentes renovables se
posicionan en la actualidad como una solución a esta problemática (Yahyaoui, 2017). Gracias al
desarrollo de estas energías limpias, los costos asociados a su generación se han disminuido de
manera notoria, llegando a ser económicamente competitivos frente a las fuentes fósiles, dando
así un incentivo para mejorar y desarrollar estos nuevos sistemas.
A pesar de los avances en la generación de energía y la gran oferta que hay en el mundo, aún es
común encontrar casos en los que hay un acceso nulo o limitado a este servicio. Este es un
problema que se evidencia con mayor frecuencia en países en vía de desarrollo, donde los sectores
que se encuentran aislados de las principales ciudades tienen que buscar alternativas para obtener
electricidad, ya que la red eléctrica no llega a la zona (Ula, Stokes, & Chowdhury, 1993).
Actualmente alternativas de generación, como la energía eólica o la energía solar son soluciones
viables para este problema.
La energía solar se posiciona cada vez más como una fuente alternativa viable, esto se debe a que
cada año la superficie de la tierra recibe 1.79 × 108 𝑘𝑊ℎ o un equivalente a 1.729 × 1017𝑊 de
potencia de manera continua, siendo así una de las principales fuentes disponibles de energía
(Yahyaoui, 2017). Existen dos principales métodos que permiten aprovechar de manera directa
esta energía y convertirla en electricidad: la energía solar fotovoltaica y la energía solar térmica
(Chand & kalamkar, 2016). En el siguiente documento se abordará principalmente el primer
método de conversión de energía. Este método tiene como base la idea de que un material
semiconductor tiene la habilidad de generar cargas por medio de la luz; usando estos materiales
junto con una solución electrolítica y un electrodo metálico se puede generar un voltaje, siendo
este el principio de las celdas fotovoltaicas. Aunque las celdas tienen una baja capacidad de
generación pueden conectarse unas con otras, con el fin de crear módulos fotovoltaicos y así
proveer un mayor voltaje y corriente (Eker, 2005).
Para las zonas aisladas de Colombia el problema no radica únicamente en la falta de acceso a la
energía, la dificultad del acceso al agua potable es otra de las principales preocupaciones en el
país (Mercado Correa & Henao Quintero, 2014). De esta manera, se puede ver una relación entre
ambas necesidades, ya que un acceso limitado a la energía tiene como consecuencia que no se
pueden implementar con facilidad sistemas de bombeo que permitan satisfacer las necesidades
de las poblaciones relacionadas con el recurso vital. La solución más común que se le da a este
problema es usar sistemas de bombeo diésel, que, a pesar de ser eficientes, presentan
inconvenientes debido a la dificultad relacionada con el transporte de combustible a estas zonas,
además del daño al medio ambiente que implica (Yahyaoui, 2017). De esta forma, alimentar un
sistema de bombeo por medio de energías renovables (en este caso solar) se posiciona como una
alternativa razonable y viable económicamente que permite dar solución a esta problemática.
El sistema de bombeo solar fotovoltaico ha sido un área de investigación desde hace más de 50
años, que ha permitido un desarrollo en los diferentes campos que abarcan esta solución. Estos
sistemas requieren de un conocimiento en ingeniería mecánica, eléctrica, electrónica y de
sistemas, lo que lo hace un campo de investigación completo. Existen diferentes clasificaciones
8
y configuraciones para sistemas de bombeo fotovoltaicos, estas clasificaciones dependen de si la
energía generada es utilizada de manera directa o si es almacenada en tanques o arreglos de
baterías. Los principales componentes de estos sistemas son: un arreglo solar, un controlador de
carga, una bomba y motor con su respetivo sistema de control, un inversor (en caso que la bomba
se alimente con corriente alterna), un sistema de almacenamiento de energía (tanque o baterías)
y la estructura necesaria (donde se incluyen tuberías) como se evidencia en la . De igual forma,
las bombas también se pueden clasificar en dos grandes grupos: bombas sumergibles y bombas
de superficie, siendo estas el principal componente de funcionamiento del sistema completo, lo
que conlleva a que su adecuada selección y posterior caracterización sean la parte clave de un
montaje viable como solución.
Ilustración 1. Configuración básica de un Sistema solar fotovoltaico
Existen pruebas estandarizadas que permiten verificar el desempeño de bombas ante diferentes
cabezas, flujos y potencia de entrada. De acuerdo al instituto de hidráulica, se pueden realizar
pruebas de laboratorio para determinar el funcionamiento de las bombas probándolas entre 80 y
120% de su velocidad nominal y mediante las leyes de afinidad finalizar el análisis de operación
del sistema (Hydraulic Institute, 2012). Las bombas de varias etapas usan varios impulsores y
difusores en serie acoplados a un eje, permitiendo el paso del fluido a través de estos y aumentado
su presión a medida que pasa por cada etapa, lo que hace que estas tengan gran aplicación en
casos en los que se requiera generar grandes cabezas (Johnson, Brandt, & Ratnayaka, 2009).
De esta manera los impulsores juegan un papel importante en el desempeño de la bomba, por lo
que su adecuado diseño permite tener buenas eficiencias teóricas a la hora de operar el sistema.
Los triángulos de velocidad en la entrada y salida del rotor permiten hacer un análisis sencillo y
adecuado del comportamiento que tiene la máquina rotodinámica, ya que con estos se incluyen
factores como el movimiento relativo del fluido respecto al rotor (Rodriguez Mier, 2017). Este
es un análisis que por medio de geometría permite determinar las condiciones de operación para
el punto de mayor eficiencia, mediante diagramas sencillos que relacionan el comportamiento del
fluido con los ángulos de los álabes del impulsor, como se muestra a continuación (Burton &
Loboguerrero, 1991).
9
Ilustración 2.Relación geométrica entre el comportamiento del fluido y el perfil de los alabes
Mediante este método se hace un análisis preliminar, sin embargo, si se desea un análisis en el
que se tengan en cuenta factores de estructura, transferencia de calor o diferentes condiciones del
fluido, se puede hacer un análisis computacional. En este se pueden simular diferentes diseños de
bombas, en especial el comportamiento del impulsor y así poder hacer un análisis del sistema a
implementar (Elida & Iskandar, 2018).
Dada la necesidad de tener sistemas de bombeo eficientes en términos económicos y energéticos
se buscará modificar los impulsores de una bomba con el fin de mejorar la eficiencia de la misma.
Conociendo las condiciones de radiación se podrá tener un sistema de bombeo solar fotovoltaico
auto sostenible. Así, este se podría aplicar dentro del contexto social de Colombia, que como ya
se mencionó previamente, tiene una problemática por solucionar en este aspecto.
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II. ANTECEDENTES
Para realizar el siguiente trabajo se tomó como referencia inicial el trabajo realizado en la
Universidad de los Andes por Myriam Aponte (Aponte, 2018). Este trabajo consistió en
caracterizar una bomba comercial en Colombia con el fin de determinar su desempeño frente a
diferentes condiciones de operación. Así era posible dimensionar de manera adecuada un sistema
solar fotovoltaico que solucionara un determinado caso de estudio. Para poder determinar si la
bomba presentaba un desempeño adecuado se compararon los datos característicos de la bomba
teóricos, entregados por el fabricante, con los datos experimentales. Los datos entregados por el
fabricante se encuentran a continuación.
Gráfica 1. Curva de cabeza vs. Caudal entregada por el fabricante para una velocidad de operación de 3450rpm
Gráfica 2. Curva de Eficiencia vs. Caudal entregada por el fabricante para una velocidad de operación de 3450rpm
11
Gráfica 3. Curva de potencia mecánica vs. Caudal entregada por el fabricante para una velocidad de operación de
3450rpm
Por otra parte, los datos experimentales se obtuvieron mediante pruebas realizadas en el
laboratorio ML 032 de la Universidad de los Andes, las cuales consistieron en sumergir la bomba
dentro de un tanque de pruebas Armfield F1-10 y poner el sistema en operación hasta que se
hayan bombeado 40 litros de agua. Mientras se operaba el sistema se tomaban datos de tiempo,
corriente, voltaje, potencia y factor de potencia, con los cuales se realizó la posterior
caracterización de la bomba. Finalmente, se dimensionó un sistema fotovoltaico que entregara la
potencia necesaria a la bomba, para que esta pudiera bombear agua en dos puntos de operación,
permitiendo entregar agua a una comunidad de 50 habitantes. El documento muestra como
conclusión que, para un correcto dimensionamiento solar, es necesario hacer una previa
caracterización de la bomba, ya que los resultados obtenidos del desempeño de la bomba no
corresponden con los datos entregados por el fabricante. A continuación, se muestra los
componentes de la bomba utilizada en el documento de Aponte), así como el montaje usado en
el laboratorio.
Ilustración 3. Características generales de la bomba IHM S4S-16-05
12
Ilustración 4.Montaje usado para realizar las pruebas a la bomba en el trabajo de Aponte tomada de (Aponte, 2018).
Ilustración 5.Montaje experimental usado por Aponte. A: Banco de pruebas hidráulico Armfield F1-10, B: Válvula de
cortina de ¼”, C: Manómetro, D: Tubería y accesorios en PVC de ¼”, E: Tanque de agua con capacidad de 1000 litros.
(Aponte, 2018).
En trabajos como el de Morales o el de Boutelhig y Bakelli, se puede evidenciar la
implementación de sistemas de bombeo alimentados por corriente DC. En el primer trabajo se
busca caracterizar y comparar dos bombas y encontrar el punto de mejor operación experimental
para cada una de las bombas. Finalmente, con los datos encontrados se dimensiona un arreglo
solar que alimente al sistema y se determina si esta es una solución viable para un caso aplicado
a una vivienda ubicada en el municipio de Yumbo (Morales, 2017). Por otra parte, en el trabajo
de Boutelhig y Bakelli se tiene un único sistema de bombeo DC solar fotovoltaico, el cual se
implementará en una zona árida de Argelia. Con los datos conocidos de la zona en la que se
implementará el sistema y algunos requerimientos del sistema de bombeo, se hace un análisis
comparativo entre diferentes cabezas y así poder determinar un punto óptimo de operación
(Boutelhig & Bakelli, 2012).
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III. OBJETIVOS
General
Analizar el funcionamiento de tres bombas sumergibles, para comparar su desempeño bajo
diferentes condiciones de operación y así dimensionar un arreglo solar fotovoltaico como fuente
de energía para la bomba de mejor desempeño.
Específicos
- Realizar una revisión bibliográfica para conocer el desempeño teórico y práctico de las tres
bombas.
- Implementar un montaje adecuado para realizar la caracterización de las bombas bajo
diferentes condiciones.
- Comparar el comportamiento de cada una de las bombas con el comportamiento esperado
entregado por el fabricante.
- Determinar qué bomba presenta una mejor respuesta bajo diferentes condiciones de
operación.
- Dimensionar un sistema fotovoltaico que satisfaga determinadas condiciones de operación
basado en el desempeño de la bomba.
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IV. METODOLOGÍA
A lo largo del proyecto se caracterizaron tres bombas sumergibles: dos bombas tipo lapicero
multietapa y una bomba sumergible de diafragma que se podía alimentar a 12 o 24 V.
Inicialmente, se hizo el desmontaje de las dos bombas tipo lapicero con el fin de conocer su
funcionamiento mecánico y poder facilitar el posterior desmontaje a la hora de variar el número
de etapas.
La bomba IHM está compuesta por un motor Franklin Electric 244505 de medio caballo de
potencia y 5 impulsores ubicados en serie, para formar las 5 etapas de la bomba. Cada etapa se
compone por un impulsor de 6 aspas que se encuentra dentro de una carcasa que es ensamblada
a presión, esto con el fin de garantizar un montaje hermético. En la parte superior, se sujeta la
quinta etapa con una tuerca y se acopla la parte superior que tiene la salida de la bomba. A lo
largo de todas las etapas pasa un eje hexagonal encargado de transmitir la potencia del motor
eléctrico a los rotores. Los elementos que componen las etapas de la bomba se muestran a
continuación.
Ilustración 6. Vista inferior y superior de la carcasa.
Ilustración 7. Vista lateral de la carcasa, en esta se evidencia en la parte inferior el difusor de la etapa.
Ilustración 8. Vista superior del impulsor.
15
Para su desmontaje primero se deben remover las platinas de sujeción, con el fin de separar las
etapas del motor. Posteriormente se sujeta con precaución el eje de transmisión de la parte inferior
(con el fin de no dañarlo) y se remueve la pieza que tiene la salida de la bomba. Seguido de esto,
se debe quitar la tuerca que sujeta las etapas y se procede a remover cada rotor de arriba hacia
abajo. Para quitar los impulsores se debe sacar la carcasa que separa una etapa de otra; estas
carcasas están acopladas a presión, por lo que se debe remover con cuidado para no afectar el
ajuste que tienen.
Ilustración 9. Placa de la bomba con sus especificaciones generales.
Para desmontar la bomba Nkm primero se deben remover los tornillos que sostienen la rejilla de
la entrada de agua, que funciona como filtro para garantizar que no entren elementos como
piedras o residuos grandes que puedan dañar o afectar el rendimiento de la bomba.
Ilustración 10. Tapa/rejilla inferior de la bomba.
Seguido de esto, se remueven los tornillos Allen que sostienen la base de la bomba y se quita la
rosca de cada uno. Posteriormente, se remueve deslizando hacia abajo la base de la bomba que
cuenta con dos tipos de sello, un sello O-ring ubicado en el borde de la base y uno mecánico
ubicado en el centro de la base. Este último es la mitad de un sello mecánico que se completa con
una pieza cerámica ubicada en el parte inferior del eje transmisor. Luego de remover la base, se
quita la carcasa de la bomba deslizando todo el cuerpo hacia abajo.
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Ilustración 11. Base inferior de la bomba. En esta se evidencia los 4 tornillos Allen y el tornillo central encargado de
sostener las etapas.
a) b) c)
Ilustración 12. a) vista inferior de la base inferior de la bomba, en la mitad se puede evidenciar la una parte del sello
mecánico. b) Vista superior de la base inferior de la bomba. c) vista lateral de la base inferior de la bomba, en esta se
puede evidenciar el sello O-ring.
Ilustración 13. Complemento del sello mecánico que se encuentra en la parte inferior de la bomba.
Finalmente, se quita el tornillo que sostiene las etapas, las arandelas, el complemento del sello
mecánico y se procede a remover cada una de las etapas. Estas se encuentran dentro de carcasas
individuales, cada una cuenta con un difusor y un impulsor. Las etapas se deben remover de arriba
hacia abajo, esto con el fin de no afectar el correcto funcionamiento de la bomba.
17
Ilustración 14. Etapas de la bomba montadas en orden.
a) b) c)
Ilustración 15. a) Parte inferior de la etapa N° 2. b) Parte superior de la carcasa N° 2. c) Vista lateral de la carcasa de la
etapa N° 2.
Ilustración 16. Interior de la etapa, en esta se evidencian el impulsor en el interior y los difusores en la parte exterior.
18
Ilustración 17. Elementos que componen cada una de las etapas de la bomba.
Ilustración 18. Vista superior, inferior y lateral del impulsor de la bomba Iacol Nkm.
Ilustración 19. Salida de 1 ¼” de la bomba.
Ilustración 20. Carcasa del motor de la bomba Iacol Nkm 3/3.
19
Ilustración 21. Flotador encargado de activar el Sistema de control de la bomba.
La bomba shurflo no se desmontó, ya que esta es una bomba de diafragma compacta y su
desmontaje es más complejo que el de las bombas IHM y NKM. Esta es una bomba diseñada
para el bombeo de agua con una alta cabeza y operando a un bajo caudal, la cual es alimentada a
12 o 24 voltios a corriente directa. La principal razón por la que esta bomba se alimenta con
corriente directa es porque está diseñada para operar conectada a un sistema solar fotovoltaico o
baterías, permitiendo reducir el gasto del inversor de corriente.
Ilustración 22. Bomba sumergible Shurflo 9325-043-101.
Para realizar las diferentes pruebas a las bombas, inicialmente se diseñó el montaje que debía
implementarse tomando como referencia la norma ISO 9906 Rotodynamic pump-hydraulic
performance acceptance test o su equivalente en la norma colombiana, la NTC 4990:2001
Ensayos de Aceptación de Desempeño Hidráulico. En esta norma se mencionan las condiciones
a las que se deben probar las bombas dependiendo el tipo bomba y las variables que deben ser
tenidas en cuenta con el fin de hacer un proceso adecuado. De esta manera los dos montajes que
se consideraron fueron los siguientes, teniendo en cuenta que las pruebas se podían realizar
usando el tanque de agua de 1000 litros o el pozo profundo de la Universidad.
20
Ilustración 23. Montaje para probar las bombas con ayuda del tanque de 1000 litros.
Ilustración 24. Montaje propuesto para realizar las pruebas en el pozo profundo de la universidad.
En ambos montajes se busca tener la menor cantidad de elementos que generen pérdidas en el
sistema, esto con el fin de disminuir la incertidumbre asociada a estos. Adicionalmente, en ambos
diagramas se tienen en consideración dos alturas, la altura que la bomba debe elevar el agua y la
atura que está sumergida la bomba o en el caso del pozo, el nivel freático del sistema.
La primera bomba que se probó fue la bomba IHM usando el banco de pruebas Armfield, el
analizador de potencia Fluke, un tanque de 1000 litros de capacidad y un montaje que permitiera
variar el caudal por medio de una válvula de compuerta de ¼ de pulgada y un medidor de presión.
Con estos elementos se procedió a iniciar la toma de datos. Para esto se variaba la apertura de la
válvula a un porcentaje determinado (la mitad de los datos se tomaron a la apertura y la otra mitad
al cierre de la válvula). De esta manera, se tomaron datos de presión, volumen, tiempo, corriente,
voltaje y factor de potencia.
21
Ilustración 25. Montaje implementado para hacer las pruebas a la bomba IHM e IACOL Nkm.
De esta manera, los elementos del montaje que deben ser tenidos en cuenta a la hora de realizar
los cálculos de caudal y cabeza correspondientes ya que pueden generar pérdidas en el sistema
son:
Tabla 1. Elementos que generan pérdidas en el montaje implementado en el laboratorio.
Elemento Cantidad Longitud
Tubería PVC 1 ¼ in 1 2,04 m
T´s galvanizadas 1 ¼ in 2 -
Codos PVC 1 ¼ in 2 -
Unión universal PVC 1 ¼ in 1 -
Unión PVC simple 1 ¼ in 3 -
Válvula de compuerta 1 ¼ in 1 -
Posteriormente se realizaron pruebas con la bomba sumergible Shurflo en el pozo profundo de la
universidad, alimentada con una fuente de voltaje a 12 y 24 voltios. Para realizar las pruebas con
esta bomba el montaje se realizó teniendo en cuenta la norma NTC 4990 (ISO 9906) para sistemas
de bombeo de agua. De esta manera se conectó la salida de la bomba a una manguera de ½
pulgada y 5 metros de longitud. Luego se empalmaron 2 racores de ½ a ¾ de pulgada con el fin
de conectar una T que permitía conectar un manómetro de 100 psi, seguido se conectaron otros 2
racores que empalmaban una válvula de compuerta al sistema. El montaje que se usó para realizar
las pruebas se muestra a continuación:
22
Ilustración 26. Montaje implementado para hacer las pruebas de la bomba Shurflo.
De esta manera, los elementos que deben ser tenidos en cuenta en el montaje debido a las pérdidas
que generan en el sistema son:
Tabla 2. Elementos que generan pérdidas en el montaje implementado en el pozo.
Elemento Cantidad Longitud
Manguera ½ in 1 8,1 m
T´s galvanizadas ¾ in 2 -
Racores ½ - ¾ in 4 -
Válvula de compuerta ¾ in 1 -
Con el montaje ensamblado se procedió a sumergir la bomba en el pozo 3.76 metros y se conectó
a la fuente de voltaje con 24 voltios. Se registraron datos de tiempo (usando un cronómetro con
definición de 0.01 segundos), volumen (usando un balde de 12 litros con definición de 1 litro),
corriente, voltaje, presión y el porcentaje de apertura de la válvula.
Debido a que la bomba requería una corriente alta cuando la válvula se encontraba completamente
cerrada y la fuente de voltaje no podía suministrar más de 10 amperios al sistema, la toma de
datos solo se pudo realizar a partir de una presión inferior a 70 psi (punto en el cual la fuente
entraba en corto circuito).
Posteriormente, se repitieron las pruebas bajo las mismas condiciones variando únicamente el
voltaje de alimentación, el cual pasó de ser 24 V a 12 V. Al igual que en las pruebas realizadas
con 24 V, para las pruebas correspondientes a 12 V no se lograron registrar datos a presiones
altas, ya que la fuente de voltaje entraba en corto circuito.
Finalmente, se hicieron pruebas con la bomba sumergible Nkm 3/3, para esta bomba se hicieron
dos tipos de pruebas. La primera toma de datos se llevó a cabo usando la metodología
implementada en la primera bomba, donde se variaba el porcentaje de apertura de la válvula y se
registraban datos de volumen, tiempo, corriente, voltaje y presión y se usó el mismo montaje.
Para la segunda toma de datos, se sumergió la bomba en el pozo de la universidad 12 metros y se
registraron las mismas variables de los experimentos previos. Esta bomba se sumergió con el fin
de analizar el desempeño ante niveles freáticos altos.
23
Ilustración 27. Montaje implementado para pruebas con la bomba NKm en el pozo de la Universidad.
Previo a realizar las pruebas fue necesario modificar la conexión eléctrica de la bomba, ya que
esta venía para conectarse a 380 V, 60 Hz a una fase; sin embargo, en el laboratorio de fluidos no
se contaba con esta conexión. Por lo tanto, se dividió la fase, con el fin de poder conectar el
sistema a una toma de 220 V y cumplir con los requisitos eléctricos del motor. Para esta bomba
no se lograron registrar datos de factor de potencia, ya que esta contaba con un sistema de control
activado por un flotador, el cual apaga el sistema a la hora de tener una baja inmersión de la
bomba y los datos registrados por el analizador de potencia correspondían al sistema de control
y no al motor de la bomba.
24
V. CÁLCULOS
La ecuación de Bernoulli permite calcular la cabeza del sistema, teniendo en cuenta la presión y
la velocidad del fluido en los puntos de la entrada y la salida del mismo.
𝑃1
𝜌𝑔+
𝑉12
2𝑔+ 𝑧1 =
𝑃2
𝜌𝑔+
𝑉22
2𝑔+ 𝑧2 ( 1 )
Sin embargo, esta ecuación no es completamente acertada, ya que en esta no se tienen en cuenta
las pérdidas del sistema asociadas a la fricción que hay entre el fluido y la tubería, los codos, las
uniones entre otros, ni la energía que da la bomba al fluido. Por esta razón, se usa la ecuación de
Bernoulli modificada para flujo en tuberías, la cual considera todo tipo de pérdidas y permite
determinar de manera más precisa la cabeza del sistema.
𝑃1
𝜌𝑔+
𝑉12
2𝑔+ 𝑧1 + ℎ𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 =
𝑃2
𝜌𝑔+
𝑉22
2𝑔+ ℎ𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 ( 2 )
De esta manera la ecuación que permite calcular la cabeza de la bomba resulta:
ℎ𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 = Δ𝑧 +Δ𝑃
𝜌𝑔+
𝑉2
2𝑔+ ℎ𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 ( 3 )
Las pérdidas del sistema se calculan por medio de la siguiente ecuación:
ℎ𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 =𝑉2
2𝑔(
𝑓𝐿
𝑑+ ∑𝐾) ( 4 )
De tal manera que la ecuación teniendo en cuenta pérdidas queda:
ℎ𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 = Δ𝑧 +Pmanómetro − 𝜌𝑔ℎ𝑎𝑔𝑢𝑎
𝜌𝑔+
𝑉2
2𝑔+
𝑉2
2𝑔(
𝑓𝐿
𝑑+ ∑𝐾) ( 5 )
Se determinaron qué componentes del sistema generaban pérdidas para hallar la pérdida total del
mismo y se calculó el coeficiente de resistencia asociado a cada uno de estos. De esta manera,
para los codos de 90° se puede establecer una relación entre el número de Reynolds y el
coeficiente de pérdidas mediante la fórmula ( 6 ), este valor presenta una variación del ±10%.
𝐾 = 1.49 𝑅𝑒−0.145 ( 6 )
25
De igual forma para la válvula parcialmente abierta se puede usar la Gráfica 4 que establece la
relación entre el “porcentaje de apertura” y el coeficiente de pérdidas.
Gráfica 4. Coeficiente de pérdidas para válvula de compuerta, de disco y de globo dependiendo del porcentaje de
apertura (White, Fluid Mechanics, 2011).
La incertidumbre del valor de las pérdidas asociadas a las válvulas tiene una gran variación debido
a la complejidad de su geometría, que depende del detalle que da el fabricante (White, Fluid
Mechanics, 2011).
Adicionalmente, para determinar el coeficiente de fricción asociado a la tubería es necesario usar
el diagrama de Moody, el cual establece la relación entre la rugosidad relativa de la tubería, que
depende del material y el diámetro de esta. Seguido de esto, se calcula el número de Reynolds
asociado y se determina el factor de fricción. De esta manera, se evidencia que el valor de la
fricción de la tubería varía dependiendo de la velocidad del fluido, la cual se puede estimar el con
una variación menor al 2% mediante la siguiente ecuación:
1
𝑓12
≈ −1.8 log [6.9
𝑅𝑒𝑑+ (
𝜖/𝑑
3.7)
1.11
] ( 7 )
Teniendo en cuenta que el valor de Reynolds es:
𝑅𝑒 =𝑉𝑑
𝜈 ( 8 )
Posterior a determinar la cabeza del sistema, se calcula el valor de la potencia hidráulica por
medio de la siguiente ecuación:
𝑃𝑤 = 𝜌𝑔𝑄ℎ ( 9 )
Seguido de esto se calcula la potencia eléctrica que consume el motor, teniendo en cuenta el factor
de potencia, con el fin de considerar el deslizamiento que tiene el motor y así calcular la eficiencia
global del sistema:
𝑃𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 = 𝑉 ∙ 𝐼 ∙ cos 𝜑 ( 10 )
26
Finalmente, se determina la eficiencia de conversión global de la bomba.
𝜂 =𝑃𝑤
𝑃𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 ( 11 )
27
VI. RESULTADOS
Posterior a realizar los cálculos necesarios para obtener las gráficas de cabeza contra caudal,
potencia hidráulica entregada por la bomba contra caudal y eficiencia global de conversión de
energía contra caudal se procedió a calcular las respectivas incertidumbres con el fin de obtener
las gráficas de rendimiento de los diferentes equipos. De esta manera, se expondrán
individualmente los resultados para los diferentes equipos y posteriormente se incluirán en un
análisis unificado, con el fin de evidenciar cuál de las alternativas es la óptima como solución a
una problemática actual.
Para la bomba IHM se realizó un análisis comparativo con los datos entregados por el fabricante
y los datos obtenidos en un proyecto previo realizado en la Universidad de Los Andes por Myriam
Aponte. De esta manera, se puede analizar cómo se ajusta el rendimiento de la bomba bajo
diferentes condiciones y se puede expandir el análisis para los resultados obtenidos de las bombas
Shurflo y Nkm. De esta manera, las curvas de rendimiento de cabeza contra caudal para la bomba
IHM se muestran a continuación.
Gráfica 5. Curvas de cabeza contra caudal obtenida experimentalmente para la bomba IHM.
En la Gráfica 5 se puede evidenciar que el comportamiento de la bomba para las 5 etapas es el
esperado, ya que, para los puntos iniciales, donde se presenta una cabeza alta a un bajo caudal, la
curva obtenida experimentalmente se comporta de manera similar a la curva entregada por el
fabricante. Por otra parte, la curva de cabeza contra caudal, para un caudal mayor a 3 m3/h, se
comporta de acuerdo a los resultados obtenidos en el proyecto previo.
De igual forma, se evidencia un comportamiento esperado a medida que reduce la cantidad de
etapas, donde la curva para la bomba con 5 etapas presenta la mayor cabeza estática y a medida
que se usan menos etapas la cabeza y el caudal máximo se van reduciendo hasta llegar a una
cabeza estática máxima de 10 metros y un caudal máximo de 4 m3/h para la bomba con solo 1
etapa. Adicionalmente, se puede evidenciar un comportamiento lineal de la cabeza estática,
donde, a medida que se aumenta la cantidad de etapas, la cabeza aumenta en 9 metros.
Al igual que la curva de cabeza contra caudal, las curvas de potencia eléctrica consumida contra
caudal, potencia mecánica entregada contra caudal y la curva de eficiencia son de gran
28
importancia para poder hacer cualquier tipo de dimensionamiento de bombeo de agua, ya sea
porque se requiere hacer un análisis de costos para las diferentes alternativas presentes o
simplemente porque se requiere hacer un sistema aislado de la red. De esta manera las curvas
obtenidas experimentalmente de potencia contra caudal y eficiencia se muestran a continuación.
Gráfica 6. Curvas de eficiencia obtenidas para la bomba IHM para las diferentes etapas.
Gráfica 7. Curvas de potencia hidráulica entregada por la bomba IHM para las 5 etapas.
De esta manera, se puede evidenciar que para caudales altos las curvas entregadas por el
fabricante no se comportan de acuerdo a los resultados obtenidos experimentalmente. Esta
variación se debe principalmente a que las curvas entregadas por el fabricante son obtenidas bajo
condiciones específicas a nivel del mar, donde la densidad del agua es 1 g/cm3 y la presión
atmosférica es 1 bar.
Por otra parte, para hacer el análisis correspondiente para la bomba Shurflo se obtuvo la siguiente
curva de cabeza contra caudal para dos entradas de voltaje diferentes y al igual que la bomba
29
previa, se compara la curva experimental con la curva entregada por el fabricante. Como se
mencionó previamente en este documento, para esta bomba las curvas obtenidas no presentan los
valores de cabeza estática ni valores correspondientes a caudales bajos relativos a la bomba,
debido a que esta requería una corriente alta, que no podía ser suministrada por la fuente
disponible.
Gráfica 8. Curvas de cabeza contra caudal obtenida experimentalmente para la bomba Shurflo operando a 12 y 24
voltios y curvas entregadas por el fabricante.
A diferencia de la bomba IHM para la cual se construyeron todas las curvas con valores
calculados u obtenidos experimentalmente, para la bomba Shurflo las curvas de potencia eléctrica
consumida y eficiencia se obtuvieron asumiendo un factor de potencia de 0.85, ya que no era
posible conocer de manera experimental el deslizamiento que presenta la bomba. De esta manera,
el valor real de consumo eléctrico y eficiencia presentan una incertidumbre asociada. Al igual
que en los casos anteriores, las curvas de eficiencia y potencia se comparan con los valores
entregados por el fabricante.
Gráfica 9. Curvas de eficiencia obtenidas para la bomba Shurflo para las diferentes etapas.
30
Finalmente, para la bomba NKm se hizo el mismo procedimiento de procesamiento de datos que
con las bombas anteriores. Primero se determinó la cabeza correspondiente a cada caudal y se
construyó la curva de cabeza contra caudal para las 3 etapas de la bomba y se agregó la curva
obtenida mediante las pruebas en el pozo con 3 etapas.
Gráfica 10. Curvas de cabeza contra caudal obtenida experimentalmente para la bomba IACOL comparadas con las
curvas del sistema entregadas por el fabricante.
Gráfica 11. Curvas de eficiencia obtenidas para la bomba IACOL para las diferentes etapas y curva de eficiencia
entregada por el fabricante.
31
Gráfica 12. Curvas de potencia hidráulica entregada por la bomba IACOL para las 3 etapas.
Para esta bomba hay una variación grande entre el caudal máximo obtenido experimentalmente
y el caudal máximo que indica el fabricante. De esta manera, se puede hacer un análisis para
caudales bajos, donde las curvas presentan el comportamiento esperado. Al igual que con la
bomba IHM, las curvas de la bomba Nkm varían de acuerdo a lo indicado por el fabricante a
partir de un caudal superior a 3 m3/h.
La principal razón de esta variación en el caudal se puede deber a la conexión eléctrica que se
modificó en la bomba. Esta es una bomba de origen español, la cual indica originalmente que
debe ser conectada a 380 v y 50 Hz. Posteriormente, el fabricante colombiano modifica la
configuración de la bomba para que pueda ser conectada a 220 V y 60 Hz. De esta forma, el
comportamiento del motor varía, cambiando significativamente las curvas de rendimiento de la
bomba.
32
VII. DIMENSIONAMIENTO FOTOVOLTAICO
Para determinar el arreglo solar fotovoltaico que se puede implementar para satisfacer una
necesidad, primero es necesario conocer qué bomba consume menos energía operando en su
punto de mejor operación para suplir una cantidad determinada de agua al día. De esta manera,
se obtiene el punto de mejor operación de cada una de las bombas para cada etapa y se procede a
calcular la energía que consume para satisfacer una demanda determinada de agua.
Tabla 3. Condiciones de operación para el punto de mejor operación de cada etapa para la bomba IHM.
IHM Punto Óptimo
Etapa Caudal Eficiencia Cabeza Corriente FP
5 3,06 0,37 33,21 5,30 0,81
4 3,14 0,36 26,49 4,76 0,75
3 3,00 0,33 19,91 4,09 0,71
2 2,76 0,26 12,85 3,68 0,58
1 2,43 0,17 6,95 3,45 0,45
Tabla 4. Condiciones de operación para el punto de mejor operación de cada etapa para la bomba IACOL.
NKM Punto Óptimo
Etapa Caudal Eficiencia Cabeza Corriente FP
3 5,72 0,38 30,40 6,95 0,85
2 5,72 0,33 20,30 5,42 0,85
1 5,27 0,28 12,79 3,64 0,85
Tabla 5. Condiciones de operación para el punto de mejor operación de cada condición para la bomba Shurflo.
Shurflo Punto Óptimo
Voltaje Caudal Eficiencia Cabeza Corriente FP
12 0,384 0,45 14,79 3,50 0,85
24 0,669 0,41 30,76 6,69 0,85
Con estos valores se puede determinar qué bomba consume menos energía para entregar el mismo
volumen de agua al día. De esta forma, al hacer un procedimiento adecuado, se determina que la
bomba Shurflo operando a 12 voltios es la que menos energía consume al día. Sin embargo, esta
bomba no puede suministrar suficiente agua a más de 200 personas operando 24 horas, quienes
consumen entre 50 y 100 litros de agua al día cada una. En este orden de ideas, la bomba IACOL
NKm puede entregar agua a más de 1000 personas consumiendo la menor cantidad de energía en
el día como se evidencia en las gráficas mostradas en el Anexo D. Se debe tener en cuenta que,
aunque según la Organización Mundial de la Salud una persona necesita por lo menos 20 litros
de agua al día, la cantidad recomendable está entre 50 y 100 litros.
Con esta información se procede a dimensionar un arreglo solar fotovoltaico que cumpla con los
requisitos exigidos por la bomba IACOL. Para esto se determina cuántas horas debe operar la
bomba para satisfacer la demanda de agua y la energía consumida por esta en sus diferentes
condiciones de operación. Con el valor de energía consumida diaria se inicia el
dimensionamiento solar por medio de las siguientes ecuaciones.
33
𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑟𝑟𝑒𝑔𝑙𝑜 =𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑜 [𝑊ℎ/𝑑í𝑎]
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎 × 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎[𝑊ℎ
𝑑í𝑎] ( 12 )
𝑇𝑎𝑚𝑎ñ𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑟𝑟𝑒𝑔𝑙𝑜 =𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑟𝑟𝑒𝑔𝑙𝑜 [
𝑊ℎ𝑑í𝑎
]
𝐼𝑟𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛[𝑘𝑊ℎ/𝑚2/𝑑í𝑎] × 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑎𝑐𝑜𝑝𝑙𝑒[𝑊𝑝] ( 13 )
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟í𝑎 =𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑑𝑖𝑎𝑟𝑖𝑜
𝑀á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑎 [%] × 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 [𝐴ℎ] ( 14 )
Con estas ecuaciones resulta sencillo calcular el tamaño del arreglo de paneles y de baterías,
teniendo en cuenta lo siguiente: el promedio de radiación diario en la Guajira se encuentra entre
4 y 6 𝑘𝑊ℎ/𝑚2 por día (IDEAM), la eficiencia de las baterías tiene un valor aproximado del 80%;
además, la eficiencia del regulador y el factor de desacople se asumen como 90% y 0.85
respectivamente.
De esta manera, si se toma un rango de 20 a 1000 personas que deben ser abastecidas, se
determina que es necesario un arreglo de paneles que cuente con una capacidad de entre 40 y
3500 Wp. Según la IRENA (International Renewable Energy Agency) a diciembre del 2018 el
costo de paneles fotovoltaicos se encontraba entre 0.215 y 0.419 $US/Wp (IRENA, 2019), por lo
tanto, el costo asociado a los paneles se encuentra entre $20 y $1.500 dólares. Al adicionar el
costo del controlador, del inversor y el banco de baterías el precio del sistema se puede
incrementar aproximadamente entre $2.000 y $10.000 dólares.
Tabla 6. Tabla de costos estimados para el sistema de bombeo solar fotovoltaico evaluados en dos condiciones extremas
de demanda de agua.
Costo mínimo
[US]
Costo máximo
[US]
Bomba $353 $353
Paneles1 $ 17 $ 1.481
Baterías2 $ 60 $ 10.495
Controlador $ 20 $ 1.007
Inversor $ 45 $ 680
TOTAL $ 501 $ 14.629
Finalmente, se estima la eficiencia global que tendría el sistema de bombeo solar fotovoltaico,
para esto se debe tener en cuenta la eficiencia de conversión de los paneles, las pérdidas asociadas
al sistema eléctrico, la eficiencia del motor y de la bomba centrifuga. Para esto se debe tener en
cuenta que el sistema de bomba-motor IACOL, en el punto de mejor operación tiene una
eficiencia de 38%. De igual forma, se considera que los sistemas solares fotovoltaicos tienen una
eficiencia de conversión máxima de un 18% (IRENA, 2019). Así la eficiencia global de
conversión del sistema de bombeo solar fotovoltaico resulta siendo de apenas un 4.19%.
1 Valor estimado de (IRENA, 2019) 2 Valor de las baterias, controlador e inversor tomado de (Energia Solar Ingesolar, s.f.)
34
VIII. CONCLUSIONES
Con este proyecto, se logró implementar de manera adecuada dos montajes que permiten hacer
la caracterización de diferentes bombas sumergibles ante diferentes condiciones de inmersión,
teniendo en cuenta la norma NTC. De esta manera se obtuvo que la bomba IHM S4S-16-05 se
comporta de acuerdo a lo indicado por el fabricante, mientras que las bombas IACOL NKm 3/3
y Shurflo no presentan un comportamiento de acuerdo a lo indicado por el fabricante.
Adicionalmente se evidenció que la profundidad de inmersión no afecta el desempeño de la
bomba IACOL.
De igual forma, tras obtener el punto de mejor operación de cada bomba se determinó el consumo
de energía de cada una y así se pudo determinar que el tamaño que debe tener el arreglo de paneles
fotovoltaicos está entre 40 y 3500 Wp de acuerdo a la cantidad de usuarios, los cuales están entre
20 y 1000 personas. Así mismo, el costo estimado del sistema de bombeo solar fotovoltaico
dependiendo de la condición de operación óptima de bombeo es de $500-$14.000 dólares
aproximadamente, teniendo en cuenta el consumo de agua diario recomendado para la población.
Además, se logró determinar qué bomba presenta una mejor respuesta frente a diferentes
condiciones de operación. Aunque la bomba Shurflo presenta un menor consumo de energía para
diferentes caudales operando en el PMO, esta bomba no es capaz de suministrar agua a más de
200 personas por día. De esta manera, la bomba que mejor se acopla ante diferentes condiciones
de operación es la bomba IACOL NKm.
35
IX. RECOMENDACIONES
Al medir el caudal de la bomba IACOL se recomienda usar un flujómetro, ya que el alto caudal
que se presenta genera incertidumbre en la medición de este.
Para la bomba IACOL NKm se recomienda investigar diferentes métodos para determinar el
factor de potencia, debido a que con el analizador de potencia no se logró medir este valor.
Para que el proyecto tenga un mayor alcance se pueden evaluar alternativas para mejorar la
eficiencia global de cada una de las bombas, después de hacer la caracterización de estas.
Debido a que no se obtuvo el comportamiento esperado para la bomba Shurflo, se recomienda
implementar métodos alternativos para obtener las curvas características del sistema.
Realizar pruebas bajo condiciones extremas de operación para las 3 bombas con el fin de hacer
un balance individual de su rendimiento.
36
X. REFERENCIAS
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Solar Fotovoltaico. Bogotá: Universidad de los Andes.
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Bombas Rotodinamicas - Categorias Principales - Leyes de Similitud. Bogotá: Universidad
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/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2019/May/IRENA_Renewable-Power-
Generations-Costs-in-
2018.pdf?la=en&hash=99683CDDBC40A729A5F51C20DA7B6C297F794C5D
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0BOMBEO%20DE%20AGUA%20CON%20ENERG%C3%8DAS%20ALTERNATIVAS.pdf?sequen
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Solar. Bogotá: Universidad de los Andes.
37
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Universidad de los Andes.
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White, F. M. (2011). Fluid Mechanics. New York: Mc Graw Hill.
Yahyaoui, I. (2017). Specifications of Photovoltaic Pumping Systems in Agriculture. Elsevier.
38
ANEXOS
A. Ficha técnica bomba IACOL NKm
39
40
B. Ficha técnica bomba IHM S4S-16-05
41
42
C. Ficha técnica bomba Shurflo 9300
43
44
D. Energía consumida por cada una de las bombas y horas de operación necesarias para
suplir una demanda de agua al día.
Gráfica que muestra el consumo de energía de cada bomba ante diferentes demandas de agua al día
Gráfica de cantidad de horas de operación necesaria para suministrar una determinada cantidad a agua al día.