Resumen de Optimización energética de bombas centrífugas a través de un análisis paramétrico en CFD y modelos de pérdida de energía

Cesar Andrés Fontalvo Conrado, Rafael Pineda Arrieta, Jorge Eliécer Duarte Forero

• español

  Introducción− La optimización energética de bombas centrífugas comprende diversas formas de estudio, entre ellas, la aplicación de análisis paramétricos sobre una bomba centrífuga comercial, generando cambios dimensionales que puedan ser estudiados a través de CFD y que permitan obtener una configuración paramétrica con mejores niveles de eficiencia. Adicionalmente, la incorporación de modelos de pérdida de energía sobre los análisis paramétricos, permite comprender de forma más detallada las causas de reducción de eficiencia bajo distintas condiciones de operación.

  Objetivo− En este estudio se busca optimizar una bomba centrifuga usando análisis paramétrico en CFD y modelos de perdida de energía, con el fin de mejorar la eficiencia energética.

  Metodología− Se realizó un análisis energético que combina estudios paramétricos y modelos de pérdida de energía, aplicando la dinámica de fluidos computacional (CFD) por medio del software OpenFOAM. Los modelos constaron de 4 configuraciones geométricas: número de álabes, diámetro de salida, ángulo de salida y espesor de salida del impeler. Los modelos energéticos para el estudio de pérdidas de energía se basaron en turbulent kinetic energy (TKE) y el comportamiento de la eficiencia hidráulica.

  Resultados− Finalmente, se obtuvo que el parámetro que tuvo mayor influencia en la eficiencia y la turbulencia fue el aumento del espesor, disminuyendo las pérdidas de energía más influyentes sobre el desempeño de la bomba, logrando aumentos en la eficiencia de 4.71% y reducción de la TKE en 4.24 m2/s2 respecto a la bomba original.

  Conclusiones− La interface entre el impulsor y la voluta genera turbulencia por el gradiente de velocidad presente en las partículas, debido a que pasan de altas velocidades a un medio de baja velocidad. Las configuraciones que aumentaban el área de flujo entre los álabes presentaban mayores niveles de eficiencia, al permitir desplazar una mayor cantidad de fluido, permitiendo un comportamiento de las velocidades más adecuado, reduciendo las pérdidas debida a la fricción del fluido con las paredes de la voluta.

• English

  Introduction− The energy optimization of centrifugal pumps includes several ways of study, among them, the application of parametric analysis on a commercial centrifugal pump, generating dimensional changes that can be studied through CFD and that allow obtaining a geometric configuration with better levels of efficiency. Additionally, the incorporation of energy loss models in the parametric analyses allows a more detailed understanding of the causes of efficiency reduction on different operating conditions.

  Objective− This study seeks to optimize a centrifugal pump using parametric analysis in CFD and energy loss models, to improve energy efficiency.

  Methodology− An energy analysis was performed combining parametric studies and energy loss models, applying computational fluid dynamics (CFD) through OpenFOAM software. The models consisted of 4 geometric configurations: number of blades, output diameter, output angle, and impeller output thickness. The energy models for the study of energy losses were based on turbulent kinetic energy (TKE) and the behavior of hydraulic efficiency.

  Results− Finally, it was obtained that the parameter that had the greatest influence on efficiency and turbulence was the increase on thickness, decreasing the most influential energy losses on pump performance, achieving increases in efficiency of 4.71% and reduction of the TKE by 4.24 m2/s2 concerning the original pump.

  Conclusions− The interface between the impeller and the volute generates turbulence due to the velocity gradient present in the particles since they go from high velocities to a low-velocity medium. The configurations that increased the flow area between the blades had higher levels of efficiency, allowing to displace a greater amount of fluid, allowing a more adequate velocity behavior, reducing losses due to the friction of the fluid with the walls of the volute.