El presente trabajo de investigación está enfocado en realizar el estudio de las cargas fluctuantes generadas por el movimiento rotacional del conjunto eje-impulsor en un agitador vertical, a partir de los datos obtenidos del estudio fluido-dinámico en régimen transitorio del sistema utilizando simulación numérica. Este estudio se basa en la problemática del movimiento oscilatorio presente en el eje durante la operación del equipo. Para lograr este objetivo, se utilizó la metodología MRF (movil reference frame) utilizada en investigaciones precedentes de sistemas agitados. En primer lugar, los resultados obtenidos a partir del análisis numérico, utilizando el software ANSYS, fueron validados con las pruebas realizadas en el laboratorio. Estas pruebas fueron realizadas con un modelo a escala que cumple con todas las especificaciones técnicas de un análisis dimensional. Las variaciones presentes en el análisis son inferiores al 12% lo que comprueba el correcto trabajo realizado en el sistema numérico. Una vez realizada la validación y el estudio de las cargas dinámicas, se pueden obtener conclusiones que permiten cuantificar efectos pocas veces tomados en cuenta como el comportamiento de las cargas generadas en cada uno de los álabes, este efecto es bastante estable a lo largo del tiempo debido a que cada uno de los álabes aplica esfuerzos cortantes al fluido generando campos turbulentos a lo largo de su recorrido. Por lo tanto, la frecuencia de aplicación de las cargas coincide con la frecuencia del movimiento rotacional del eje. Una vez cuantificado este efecto, se determina que el álabe tiene un factor de seguridad cercano a la unidad cuando se lo verifica utilizando la teoría debido a la fatiga, lo cual exige un mayor análisis y cuidado durante su diseño. Además, se comprueba que el impulsor tiene una frecuencia cuyo valor es exactamente el triple de la frecuencia a la que gira el eje y el comportamiento de sus cargas está relacionado con su número de álabes. A su vez, mediante la verificación del cálculo de la falla debido a la fatiga se demuestra que el sistema está sobredimensionado excesivamente cuando se analiza el eje. / Tesis

En el presente trabajo, se estudian los efectos de diferentes fenómenos físicos sobre las frecuencias naturales de un agitador 4PBT45 (modificado en estudios preliminares para obtener un bajo consumo de potencia y alto grado de mezcla) utilizando la herramienta de simulación computacional ANSYS Mechanical, a partir de escenarios simplificados en diferentes condiciones de operación. El proyecto comienza con el análisis de los álabes aislados, para luego estudiar el comportamiento del impulsor por separado y verificar qué sucede con los modos de vibración. Se realiza la simplificación del impulsor a un rotor axisimétrico, con la misma masa y momento de inercia polar, para comparar los efectos en contraste con el agitador original, a través de escenarios estáticos y dinámicos en vacío de cada uno de los modelos. Además, se realiza el modelamiento numérico del agitador estático sumergido y se prueban diferentes propiedades de fluidos. Prácticamente, las variables que se monitorean son: cómo gobiernan las frecuencias locales de los álabes sobre el impulsor, en base al factor de participación de masa; cuáles modos de vibración se ven afectados por la rotación en vacío y cuánto varían las frecuencias debido a dicho fenómeno y por qué; cuán factible es reemplazar el impulsor por un disco y en qué casos da buenos resultados; y cuánto repercute el efecto del fluido envolvente sobre las frecuencias naturales en el sistema estático y cómo se comportan para diferentes tipos de fluidos. En general, se determina que las frecuencias naturales varían en diferentes cantidades dependiendo del fenómeno estudiado. Algunas frecuencias tienden a disminuir o a aumentar en diferentes grados conforme se incrementan las revoluciones, mientras que otras se mantienen constantes. También, se determina que casi todas las frecuencias disminuyen entre 0.5% y 20% por el efecto del fluido dependiendo principalmente de la densidad del mismo y del modo de vibrar. Por otro lado, se encuentra una expresión analítica que permite calcular la frecuencia natural bajo el efecto de un fluido B, conociendo la frecuencia dentro de un fluido A, a partir de la relación de sus densidades, bajo ciertas hipótesis y condiciones. Además, se consigue una variación entre 1% y 6% entre las frecuencias obtenidas mediante simulación numérica y las calculadas analíticamente, reduciendo el sistema a un grado de libertad, para los modos más importantes. Por último, se conocen los alcances de la herramienta computacional en este tipo de simulaciones y sus limitaciones para desarrollar escenarios más complejos. / Tesis

El transporte de hidrocarburos por ductos requiere considerables consumos de energía para compensar las pérdidas de las mismas debido a la fricción y variaciones de altura a lo largo de la tubería. Es así que el consumo energético se convierte en el principal gasto operativo de un sistema de transporte y una optimización energética repercutirá significativamente en ahorros económicos para la empresa transportista. La presente tesis plantea la optimización energética en un sistema de transporte de líquidos de gas natural con características particulares en altimetría, consumo de energía de bombeo y uso de reductores de fricción. El análisis de basa principalmente en una evaluación y ajuste de los siguientes parámetros: - Consumo de energía de bombeo. - Concentración de reductores de fricción. - Presiones de operación de las estaciones de bombeo. - Configuraciones de estaciones de bombeo de acuerdo al régimen de transporte. Para realizar dicho análisis es necesario modelar el efecto de los reductores de fricción en la tubería y cómo afecta éste en la potencia de bombeo requerida del sistema. El estudio permitirá estimar una optimización energética para un sistema de transporte de líquidos de gas natural y consecuentemente poder reducir los costos asociados a la operación del ducto. / Tesis

En el panorama actual, las aplicaciones relacionadas al bombeo de agua tienen una alta demanda de energía en el rubro industrial y doméstico ya que representan el 22% del consumo total en el mundo. Los sistemas de presión constante, son los más utilizados en las estaciones de bombeo, ya que permiten un control automático y regulado de la presión en tiempo real. Sin embargo, es normal encontrar bombas sobredimensionadas funcionando mediante métodos externos de control de flujo. Los más convencionales son: estrangulamiento, By-pass y control On-Off. Adicionalmente, estas bombas son arrancadas en directo ocasionando inconvenientes en el sistema y tuberías: deterioro de las tuberías por el golpe de presión en el arranque, factor de potencia bajo (necesidad de incluir banco de condensadores), deterioro del motor, baja eficiencia de consumo de energía. Para evitar estos inconvenientes, se plantea utilizar la tecnología de control por variadores de velocidad y demostrar su desempeño en aplicaciones de presión constante con bombas múltiples, como lo son: el ingreso de bombas de manera secuencial y alternancia de bomba principal para equiparar el tiempo de funcionamiento entre todas. Se implementará un módulo demostrativo con dos modos de control del sistema multibombas: control de motor por bomba principal controlada y auxiliares en directo; y control del motor principal y auxiliares por variadores de velocidad enlazados por comunicación serial. Para cumplir el objetivo se requirió el diseño de un circuito de fuerza y de control, partiendo de los diagramas recomendados el fabricante, para luego pasar a la selección de los equipos a utilizar, luego al seguimiento de la fabricación y cableado; por último se configuró el variador, creando una nueva macro de aplicación que combina los 2 modos de control multibombas. En la fase de pruebas se obtuvo un funcionamiento óptimo del controlador PID, permitiendo una regulación en tiempo real manteniéndonos en el nivel de referencia de presión todo el tiempo; respondió de forma esperada antes los fallos simulados y obedeció los comandos de comunicación serial del variador maestro. Adicionalmente el módulo está disponible para entrenamientos técnicos y en la configuración de variadores de velocidad ABB. / Tesis

El presente trabajo de investigación está enfocado en realizar el estudio de las cargas fluctuantes generadas por el movimiento rotacional del conjunto eje-impulsor en un agitador vertical, a partir de los datos obtenidos del estudio fluido-dinámico en régimen transitorio del sistema utilizando simulación numérica. Este estudio se basa en la problemática del movimiento oscilatorio presente en el eje durante la operación del equipo. Para lograr este objetivo, se utilizó la metodología MRF (movil reference frame) utilizada en investigaciones precedentes de sistemas agitados. En primer lugar, los resultados obtenidos a partir del análisis numérico, utilizando el software ANSYS, fueron validados con las pruebas realizadas en el laboratorio. Estas pruebas fueron realizadas con un modelo a escala que cumple con todas las especificaciones técnicas de un análisis dimensional. Las variaciones presentes en el análisis son inferiores al 12% lo que comprueba el correcto trabajo realizado en el sistema numérico. Una vez realizada la validación y el estudio de las cargas dinámicas, se pueden obtener conclusiones que permiten cuantificar efectos pocas veces tomados en cuenta como el comportamiento de las cargas generadas en cada uno de los álabes, este efecto es bastante estable a lo largo del tiempo debido a que cada uno de los álabes aplica esfuerzos cortantes al fluido generando campos turbulentos a lo largo de su recorrido. Por lo tanto, la frecuencia de aplicación de las cargas coincide con la frecuencia del movimiento rotacional del eje. Una vez cuantificado este efecto, se determina que el álabe tiene un factor de seguridad cercano a la unidad cuando se lo verifica utilizando la teoría debido a la fatiga, lo cual exige un mayor análisis y cuidado durante su diseño. Además, se comprueba que el impulsor tiene una frecuencia cuyo valor es exactamente el triple de la frecuencia a la que gira el eje y el comportamiento de sus cargas está relacionado con su número de álabes. A su vez, mediante la verificación del cálculo de la falla debido a la fatiga se demuestra que el sistema está sobredimensionado excesivamente cuando se analiza el eje.

En el presente trabajo, se estudian los efectos de diferentes fenómenos físicos sobre las frecuencias naturales de un agitador 4PBT45 (modificado en estudios preliminares para obtener un bajo consumo de potencia y alto grado de mezcla) utilizando la herramienta de simulación computacional ANSYS Mechanical, a partir de escenarios simplificados en diferentes condiciones de operación. El proyecto comienza con el análisis de los álabes aislados, para luego estudiar el comportamiento del impulsor por separado y verificar qué sucede con los modos de vibración. Se realiza la simplificación del impulsor a un rotor axisimétrico, con la misma masa y momento de inercia polar, para comparar los efectos en contraste con el agitador original, a través de escenarios estáticos y dinámicos en vacío de cada uno de los modelos. Además, se realiza el modelamiento numérico del agitador estático sumergido y se prueban diferentes propiedades de fluidos. Prácticamente, las variables que se monitorean son: cómo gobiernan las frecuencias locales de los álabes sobre el impulsor, en base al factor de participación de masa; cuáles modos de vibración se ven afectados por la rotación en vacío y cuánto varían las frecuencias debido a dicho fenómeno y por qué; cuán factible es reemplazar el impulsor por un disco y en qué casos da buenos resultados; y cuánto repercute el efecto del fluido envolvente sobre las frecuencias naturales en el sistema estático y cómo se comportan para diferentes tipos de fluidos. En general, se determina que las frecuencias naturales varían en diferentes cantidades dependiendo del fenómeno estudiado. Algunas frecuencias tienden a disminuir o a aumentar en diferentes grados conforme se incrementan las revoluciones, mientras que otras se mantienen constantes. También, se determina que casi todas las frecuencias disminuyen entre 0.5% y 20% por el efecto del fluido dependiendo principalmente de la densidad del mismo y del modo de vibrar. Por otro lado, se encuentra una expresión analítica que permite calcular la frecuencia natural bajo el efecto de un fluido B, conociendo la frecuencia dentro de un fluido A, a partir de la relación de sus densidades, bajo ciertas hipótesis y condiciones. Además, se consigue una variación entre 1% y 6% entre las frecuencias obtenidas mediante simulación numérica y las calculadas analíticamente, reduciendo el sistema a un grado de libertad, para los modos más importantes. Por último, se conocen los alcances de la herramienta computacional en este tipo de simulaciones y sus limitaciones para desarrollar escenarios más complejos.

En el panorama actual, las aplicaciones relacionadas al bombeo de agua tienen una alta demanda de energía en el rubro industrial y doméstico ya que representan el 22% del consumo total en el mundo. Los sistemas de presión constante, son los más utilizados en las estaciones de bombeo, ya que permiten un control automático y regulado de la presión en tiempo real. Sin embargo, es normal encontrar bombas sobredimensionadas funcionando mediante métodos externos de control de flujo. Los más convencionales son: estrangulamiento, By-pass y control On-Off. Adicionalmente, estas bombas son arrancadas en directo ocasionando inconvenientes en el sistema y tuberías: deterioro de las tuberías por el golpe de presión en el arranque, factor de potencia bajo (necesidad de incluir banco de condensadores), deterioro del motor, baja eficiencia de consumo de energía. Para evitar estos inconvenientes, se plantea utilizar la tecnología de control por variadores de velocidad y demostrar su desempeño en aplicaciones de presión constante con bombas múltiples, como lo son: el ingreso de bombas de manera secuencial y alternancia de bomba principal para equiparar el tiempo de funcionamiento entre todas. Se implementará un módulo demostrativo con dos modos de control del sistema multibombas: control de motor por bomba principal controlada y auxiliares en directo; y control del motor principal y auxiliares por variadores de velocidad enlazados por comunicación serial. Para cumplir el objetivo se requirió el diseño de un circuito de fuerza y de control, partiendo de los diagramas recomendados el fabricante, para luego pasar a la selección de los equipos a utilizar, luego al seguimiento de la fabricación y cableado; por último se configuró el variador, creando una nueva macro de aplicación que combina los 2 modos de control multibombas. En la fase de pruebas se obtuvo un funcionamiento óptimo del controlador PID, permitiendo una regulación en tiempo real manteniéndonos en el nivel de referencia de presión todo el tiempo; respondió de forma esperada antes los fallos simulados y obedeció los comandos de comunicación serial del variador maestro. Adicionalmente el módulo está disponible para entrenamientos técnicos y en la configuración de variadores de velocidad ABB.

El transporte de hidrocarburos por ductos requiere considerables consumos de energía para compensar las pérdidas de las mismas debido a la fricción y variaciones de altura a lo largo de la tubería. Es así que el consumo energético se convierte en el principal gasto operativo de un sistema de transporte y una optimización energética repercutirá significativamente en ahorros económicos para la empresa transportista. La presente tesis plantea la optimización energética en un sistema de transporte de líquidos de gas natural con características particulares en altimetría, consumo de energía de bombeo y uso de reductores de fricción. El análisis de basa principalmente en una evaluación y ajuste de los siguientes parámetros: - Consumo de energía de bombeo. - Concentración de reductores de fricción. - Presiones de operación de las estaciones de bombeo. - Configuraciones de estaciones de bombeo de acuerdo al régimen de transporte. Para realizar dicho análisis es necesario modelar el efecto de los reductores de fricción en la tubería y cómo afecta éste en la potencia de bombeo requerida del sistema. El estudio permitirá estimar una optimización energética para un sistema de transporte de líquidos de gas natural y consecuentemente poder reducir los costos asociados a la operación del ducto.