METODOS DE REGULACION DE CAUDAL EN BOMB AS CENTRIFUGAS CENTRIFUGAS
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Los procesos productivos de las empresas requieren condiciones de bombeo diferentes a las del caudal nominal, por lo tanto, es necesario aplicar algún tipo de control o regulación de caudal. Los métodos de regulación de caudal utilizados con mayor frecuencia se basan en: 1. Regulación del caudal por estrangulación de presión. 2. Regulación del caudal por recirculación de flujo o by-pass. 3. Regulación del caudal por variación de velocidad de la bomba. 4. Arranque y parada de la bomba. En este capítulo se hará descripción breve de los métodos enumerados anteriormente y de las curvas características de carga ( H [m] ) v/s caudal ( Q [m [m 3 /s] ), a través de las cuales es fácil interpretar el comportamiento de la bomba en cada caso.
2.1 CURVAS CARACTERIS CARA CTERISTICAS TICAS DE UNA BOMBA CENTRIFUGA CENTRIFUGA En el análisis de cualquiera de los métodos de regulación de caudal, es necesario conocer un conjunto de curvas que caracterizan completamente el funcionamiento de una bomba, conocidas como curvas características de la bomba (Figura 2.1), las cuales se pueden obtener en forma experimental o partir de la información información del de l fabricante. Eficiencia Eficiencia de operación
Curva de eficiencia Diámetro de operación
Curva del sistema
] m [
Punto normal de operación
H
a g r a C
Carga de operación
Figu ra 2.1
Curvas características de una bomba Carga estática total centrífuga.
NPSH requerido Curva de NPSH
Caudal de operación
Caudal
Q [m
3
/s]
Fuente: CARS-2013
Las curvas características de una bomba contienen la siguiente información general:
] % [
a i c n e i c i f E
2-2 2.1 – CURVAS CARACTERISTICAS DE UNA BOMBA CENTRIFUGA
1. Curva de operación de la bomba, que representa la carga ( H ) v/s caudal (Q ) , para una cierta velocidad constante. 2. Curva de Carga Neta Positiva de Succión o NPSH v/s caudal (Q ) . El significado de NPSH viene del inglés: Net Positive Suction Head. 3. Curva de eficiencia v/s caudal (Q ) . La figura 2.1, muestra además la Curva de Operación del Sistema que se determina a partir de la carga estática total y las pérdidas de presión en el sistema de bombeo (carga dinámica total). Esta última aumenta en función del caudal.
2.2 REGULACION DE CAUDAL POR ESTRANGULACION DE PRESION Es el método más utilizado en la regulación de caudal y se trata fundamentalmente de regular el flujo mediante una o más válvulas de control que estrangulan la presión en la línea de descarga de la bomba, tal como se muestra en la figura 2.2.
Figu ra 2.2
Método de regulación de caudal por estrangulamiento de presión.
Caudal de entrada
Válvula de estrangulamiento
Caudal de descarga (al usuario)
Bomba centrífuga
Tal como se muestra en la figura 2.3, la regulación de caudal por estrangulamiento, modifica la curva del sistema, al producirse una pérdida de fricción, debido a la válvula de
estrangulación. Este método se utiliza generalmente, cuando existen sistemas de bombeo sobredimensionados o durante la operación de equipos de bombeo que operan con caudal variable. Nueva eficiencia del sistema (disminuye)
Curva de eficiencia
Diámetro de operación ] m [
Nuevo punto de operación
] % [ a i c n e i c i f E
H E
a g r a C
Modificación de la curva del sistema usando estrangulamiento de presión.
Curva original del sistema
H
Figu ra 2.3
Curva modificada del sistema
NPSH requerido Caudal de operación
Caudal
Q [m
3
Curva de NPSH
/s]
Fuente: CARS-2013
Capítulo 2 - MÉTODOS DE REGULACIÓN DE CAUDAL EN BOMBAS CENTRIFUGAS
2 -3
La potencia hidráulica resultante viene dada por P 2
0.981 Q0 H 1
0.981 Q0 ( H 1 H 2 )
bomba
bomba
(2.1)
donde Q 0 representa el caudal nominal de operación, el cual no se modifica y por lo tanto se habla de compensar el excedente de presión ( H E ) . El primer término en (2.1) representa la potencia útil suministrada al fluido y el segundo término las pérdidas por estrangulamiento. Se observa que la potencia suministrada por el motor eléctrico se reduce, pero se incrementa la potencia por efecto de pérdidas.
Característi cas energéticas del m étodo de estrangulación de presión Este método de estrangulación presenta las siguientes limitaciones energéticas: 1. Solo permite reducir el flujo en el sistema. Si se requiere un flujo mayor es necesario utilizar otro método. 2. Aunque la potencia consumida es realmente menor y por lo tanto se paga menos, la cantidad de energía usada de forma útil es menor y por lo tanto existe un derroche energía. De hecho, la figura 2.3, muestra una reducción en la eficiencia del sistema.
2.3 REGULACION DE CAUDAL POR RECIRCULACION FLUJO Este método utiliza una tubería con una válvula auxiliar conectada en forma de by-pass, entre la tubería de descarga y la tubería de succión, tal como se observa en la figura 2.4. De este modo, parte del fluido que pasa a través de la bomba, regresa al tanque de succión. Válvula de bypass Al tanque de succión
Figu ra 2.4
Método de regulación de caudal por recirculación de flujo o bypass.
Caudal de entrada
Caudal de descarga (al usuario) Bomba centrífuga
La figura 2.5 muestra como se modifica la curva característica del sistema por efecto de la recirculación de flujo, así como el excedente de caudal (Q E ) que es desviado a través de La tubería de by-pass.
Característi cas energéticas del método de recirculación de fluj o En este método se presentan las siguientes restricciones energéticas: 1. La bomba maneja un mayor flujo y reduce su carga de trabajo, demandando una mayor potencia y un valor mayor de carga neta positiva requerida (NPSHR) en la succión.
2-4 2.3 – REGULACION DE CAUDAL POR RECIRUCLACION DE FLUJO
Nueva eficiencia del sistema (disminuye)
Curva de eficiencia
Diámetro de operación
Figu ra 2.5
Modificación de la curva del sistema usando método de regulación de caudal por recirculación.
] m [
Curva original del sistema
] % [
Q E
H
Curva modificada del sistema
a g r a C
Nuevo punto de operación
a i c n e i c i f E
Curva de NPSH NPSH requerido
Caudal de operación
Caudal
Q [m
3
/s]
Fuente: CARS-2013
2. Se reduce el flujo destinado al proceso, pero se paga una mayor cantidad de energía en esta operación, por cuanto el motor consume la
misma potencia, para los
diferentes valores de caudal. Por lo tanto, se paga más por cada unidad de fluido bombeado al proceso. 3. Aunque no se modifica substancialmente el rendimiento de la bomba, no es aconsejable utilizar el nuevo punto de trabajo, dado que opera de forma menos rentable. 4. Como el método requiere de una mayor carga neta positiva en la succión (NPSHR) en el nuevo punto de trabajo, se puede limitar la condición de funcionamiento, dado que depende del NPSH disponible del sistema.
2.4 REGULACION DE CAUDAL POR VARIACION DE VELOCIDAD Ante la necesidad de regular el caudal requerido por un proceso o en presencia de un sobredimensionamiento de la máquina, una opción es la regulación por variación de la velocidad de rotación de la máquina. Hasta hace pocos años la regulación por variación de la velocidad del motor, estaba limitada al caso de máquinas de gran capacidad donde económicamente se justificaba uso de: 1. Variadores mecánicos de velocidad. 2. Embragues hidráulicos. 3. Motores eléctricos de velocidad escalonada.
Capítulo 2 - MÉTODOS DE REGULACIÓN DE CAUDAL EN BOMBAS CENTRIFUGAS
2 -5
En todos estos casos el costo del sistema de variación de la velocidad resultaba muy elevado y solo se justificaba en los situaciones de elevada regulación de la capacidad o flujo del proceso en máquinas de gran potencia [JCA2005]. En la actualidad el uso de los variadores de frecuencia presenta una alternativa, que permite en una forma relativamente fácil, el uso del método de regulación del caudal de una bomba centrífuga, por variación de la velocidad del motor trifásico de accionamiento. El uso de controladores de frecuencia variable (AFD siglas en inglés) en motores de bombas centrifugas, brinda un importante ahorro en el consumo de energía eléctrica, debido a que hacen trabajar a la bomba en su punto óptimo de operación [JCA2005]. Este método busca lograr un punto de intersección entre la curva característica de la bomba y la curva característica del sistema, donde no exista el exceso de presión ( H E ) o el exceso de caudal (Q E ) mostrados en las figuras 2.3 y 2.4, respectivamente. El fundamento del método es la aplicación de las leyes de semejanza o afinidad [ALC2001]. El convertidor de frecuencia variable (CFV) es un control que se adapta muy bien a los motores de jaula de ardilla [USAID2006], que es el más utilizado para el accionamiento de bombas centrífugas. El CFV es el único que permite variar la velocidad del motor sin ningún accesorio hidráulico extra; además garantiza la protección del sistema y por esto ha llegado a ser uno de los métodos de regulación de velocidad más utilizados en los últimos años. La principal ventaja inmediata del CFV es la reducción en el consumo de energía eléctrica en las bombas centrífugas, logrando como resultado una disminución considerable en el costo de operación. Básicamente se trata de modificar la curva característica de la bomba, tal como se observa en la figura 2.6, para diferentes velocidades de operación.
Curva del sistema
Velocidad n1 ] m H 1 [ H
Figu ra 2.6
Modificación de la curva de la bomba usando método de regulación de caudal por variación de velocidad.
a H 2 g r a CH 3
] % [
Velocidad n2
Velocidad n3 Puntos de Operación
Caudales de Operación Caudal
Q [m
3
/s]
Fuente: CARS-2013
a i c n e i c i f E
2-6 2.4 – REGULACION DE CAUDAL POR VARIACION DE VELOCIDAD
Existe un importante ahorro energético cuando las bombas de agua trabajan en su punto óptimo de operación. Los excesos de consumo de energía eléctrica en un sistema de bombeo se deben a las caídas d irectas de presión (estrangulación) y a los aumentos del flujo en la bomba (recirculación o bypass), que se presentan cuando ésta trabaja fuera del punto óptimo de operación.
Características energéticas d el método d e variación de velocid ad El método de variación de velocidad ofrece las siguientes características energéticas: 1. El cambio del punto de operación por la variación de velocidad de rotación de la bomba, se presenta a lo largo de la característica hidráulica del sistema, lo cual garantiza que no ocurrirá un incremento de las pérdidas, como producto de la regulación. 2. La demanda de potencia decrece con el cubo de las revoluciones [JCA2005], por lo que una reducción de flujo con este método resulta energéticamente muy conveniente. 3. Este método de regulación, a diferencia del método por estrangulación, permite tanto la reducción como el aumento del caudal durante la regulación, lo cual constituye una gran ventaja para operación de procesos con cargas variables. 4. El desarrollo actual de los variadores de frecuencia y la reducción de los costos que los mismos han sufrido en los últimos años, permite aplicar este método con más facilidad. 5. El control de velocidad es el medio más eficaz para modificar las características de una bomba sujeta a condiciones de funcionamiento variables. Sin embargo, se puede demostrar [CARS2013], [MAC2013], [SAMR2013], que aunque el uso de variadores de frecuencia, ofrecen la mayor eficiencia desde el punto de vista mecánico, pueden generar problemas en la calidad de la potencia eléctrica consumida por el motor desde la red, debido a la distorsión de la onda de tensión, la generación de armónicos de corriente y la reducción del factor de potencia. Para mitigar estos problemas, el usuario se ve sometido a adquirir equipos adicionales y debido al bajo factor de potencia se incrementan las pérdidas en otros puntos de la red. Además se corre el riesgo de un incremento en el costo de la energía eléctrica, en razón de la penalización que imponen las compañías de energía eléctrica por concepto de bajo factor de potencia. En este orden de ideas, cuando se considera la adquisición de un equipo variador de frecuencia, es indiscutible evaluar también la inversión necesaria para asegurar la calidad
Capítulo 2 - MÉTODOS DE REGULACIÓN DE CAUDAL EN BOMBAS CENTRIFUGAS
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de la potencia antes de su instalación. Solucionar problemas de contaminación armónica después de la instalación de un equipo es difícil, consume tiempo y puede significar grandes sumas de dinero.
Leyes de afinidad Uno de los aspectos más importantes en el estudio de la bombas centrifugas son las relaciones existentes que permiten predecir su comportamiento ante cambios de velocidad ( n ) o del diámetro del impulsor ( D ) . Estas relaciones se establecen a través de las conocidas Leyes de semejanza o afinidad [Mott2006], las cuales demuestran que el caudal (Q ) de descarga de la bomba es proporcional a la velocidad: Q 1 Q2
n 1 n 2
(2.2)
Por lo tanto, en el método de regulación de caudal por variación de velocidad, es necesario considerar el efecto del cambio de n en el caudal (Q ) , en la carga total del sistema ( H a ) y en la potencia consumida por la bomba (Q B ) de descarga, aspectos que serán incluidos en la sección 3.3, para la construcción de la curva modificada de la bomba.