no. 1
Edición
año 1 - 2006
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Reportajes
Flow Solutions,
soluciones especializadas para el manejo y control de fluidos
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Artículo Técnico
Proceso de corte de plasma,
más productivo y confiable gracias a la tecnología Hypertherm
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Artículo Técnico
Scotchkote,
revestimiento epóxico de adhesión por fusión y revestimientos líquidos
Bombas de Pozo
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Artículo Técnico
Reducción de Costos mediante el monitoreo de Pozos Profundos
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Artículo Técnico
Bombas s o z o P e d
La eficiencia económica de la extracción de agua subterránea depende de la eficiencia total de la bomba de pozo profundo utilizada. La mala eficiencia cuesta mucha energía. La inversión en una nueva bombas más eficiente, se puede pagar por si sola en menos de un año mediante la reducción del gasto en energía. Un tercio de todas las bombas de pozo profundo operan ineficientemente.
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s o d i u l f a t s i v e r
Desde fines de 1980, KSB ha examinado la eficiencia de más de 2.500 bombas de pozo. Clasificando los resultados respecto de la eficiencia total se obtiene la distribución que se muestra en la Fig. 1. El gráfico de barras demuestra el hecho que 37% de las bombas examinadas tienen una eficiencia total menor que 40%. Para el usuario, esto se traduce en costos operativos excesivamente altos por un uso ineficiente de la energía.
Fig. 1: Porcentaje relativo de bombas de pozo monitoreadas clasificadas por eficiencia
El gráfico en la Fig. 2 compara el costo de energía para una bomba con eficiencia total de 61% con una bomba con eficiencia total de 40% (basado en 5000 horas de operación por año).
Fig. 2: Costo de energía para _tot = 40 % v/s _tot = 61%
Bomba sumergible de pozo profundo: La bomba sumergible de pozo profundo de 8” tipo UPA 200 es una típica bomba de pozo. El grupo motobomba opera completamente sumergido. El motor está relleno con un fluido acuoso que refrigera las bobinas y lubrica los descansos. El alambre de las bobinas esta diseñado para cubrir las temperaturas especificadas, y las conexiones de cable están aisladas para prevenir todo riesgo de corto circuito. Los motores son diseñados lo mas esbelto posible de tal forma que entren en el pozo profundo (Fig. 10). El calor del motor es disipado directamente a través de la superficie del motor. Debido a que este tipo de bombas usualmente deben operar continuamente por años sin mantenciones, ya que el extraer y volver a instalarla requiere mucho tiempo y recursos,
su diseño es particularmente robusto. Una campana de arena y un sello mecánico para el rotor, mantienen el motor libre de arena. Descansos radiales libres de mantención y un descanso axial para trabajo pesado (con segmentos auto ajustables) aseguran un soporte óptimo y una larga vida de servicio. La bomba pude tener una conexión roscada o mediante brida. Una válvula de retención integrada mantiene la tubería de impulsión llena cuando la bomba se detiene y previene que la bomba gire en sentido contrario. El disco de doble guía no se puede trabar o inclinar (diseño antibloqueante). Gracias al disco precargado con un resorte, la respuesta rápida de la válvula esta asegurada y el riesgo de un golpe de ariete minimizado.
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Artículo Técnico
Bombas El monitoreo de un pozo profundo involucra la determinación de los parámetros que definen las condiciones de operación de la bomba:
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• El flujo, Q (m3/h) • La altura, H (m) • La potencia consumida, P (kw) Instrumentos de medición calibrados aseguran que los datos serán suficientemente exactos. Las siguientes técnicas son empleadas para cuantificar los diferentes parámetros:
Medidor de flujo ultrasónico de tiempo transiente Dos transductores de ultrasonido son montados sobre un riel a una distancia específica uno de otro. El riel es montado sobre la tubería y los transductores son conectados al analizador. Para un buen resultado, seleccione una ubicación de a lo menos 5 diámetros de tubería recta aguas arriba (l/d = 5) y 2,5 diámetros de tubería recta aguas debajo de los transductores. Principios de medición: El primer transductor emite una onda de sonido que viaja a través de la tubería y el fluido y es reflejada por la pared trasera del tubo. Después de un cierto tiempo es recibida por el otro transductor, el cual la envía de regreso en sentido contrario. Debido a la velocidad de flujo del fluido, hay una diferencia en los intervalos de tiempo que el sonido requiere para viajar entre los dos transductores. Junto con el sección libre de la tubería, la diferencia es directamente proporcional a la velocidad del fluido en la tubería y por ende al flujo.
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Medidor de contacto eléctrico para determinar la profundidad Un medido de contacto eléctrico es una cinta graduada montada en un tambor con un sensor en su extremo. Inmerso en agua el sensor emite una señal óptica o acústica. El punto de referencia para la medición del nivel del agua es usualmente la parte superior del pozo.
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Manómetros para medir la presión de descarga Este instrumento calibrado mide la presión de descarga del pozo. La suma de esta presión (expresada en metros de columna de agua) y la altura obtenida con el medidor de contacto eléctrico, más las perdidas de carga hasta el manómetro, es la altura de elevación total de la bomba de pozo. Es decir, corresponde a la presión del sistema (= resistencia) que la bomba debe vencer.
Fig. 3: Esquema de monitoreo de un pozo profundo
Analizador de energía que calcula la potencia activa Este método involucra un analizador de energía usado para medir y determinar la potencia total requerida por el motor de la bomba, incluida la pérdida de potencia en los cables de alimentación. Las mediciones son tomadas en el panel de control.
Fig. 4: Instalación de monitoreo de un pozo profundo en una planta de tratamiento de agua
Transductores Ultrasónicos: Un instrumento que combina la transmisión y recepción de ultrasonido.
Potencia Activa: La diferencia entre la potencia aparente y la potencia reactiva, es la potencia mecánicamente usable. La potencia reactiva sirve solamente para magnetizar el motor.
Analizador de Energía: Un instrumento de medición para determinar la corriente activa y el voltaje aplicado como base para calcular la potencia activa.
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Artículo Técnico
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Asumiendo que la selección original de la bomba era correcta, la baja eficiencia es a menudo la consecuencia de un cambio en el punto de operación de la bomba. Las causas mas frecuente son:
Deterioro de la distancia de afluencia del pozo. En otras palabras, las propiedades filtrantes del pozo han cambiado. Los poros del empaque o capa de gravilla filtrante se tapan y el nivel de agua en el pozo ha bajado desde que se midió por primera vez. La altura requerida aumenta y el punto de operación se mueve a la izquierda en la curva característica de la bomba (Fig. 5).
Cambio en el nivel de las aguas subterráneas. El nivel de las aguas subterráneas pude aumentar o disminuir en el tiempo. Un mayor nivel en las aguas subterráneas puede deberse a una reducción en la extracción de agua subterránea en la vecindad del pozo, mientras que una disminución del nivel puede deberse a una menor permeabilidad del suelo o mas aún por una disminución intencional del nivel de agua subterránea con el propósito de la construcción de un edificio. El punto de operación se mueve a la izquierda en la curva característica de la bomba, cuando la altura requerida aumenta y el caudal disminuye (Fig. 6).
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Reducción de diámetro de la tubería Actividades de construcción pueden alterar la sección de paso libre de la tubería y alturas. El resultado en los efectos de estrangulación causará que el caudal aumente o disminuya. (Fig. 7).
Desgaste de la bomba Si la bomba es responsable de la baja eficiencia, la razón más probable es desgaste. Esto normalmente se puede reconocer en los anillos de desgaste, los cuales pueden ser gradualmente desgastados por la arena contenida en el fluido bombeado. Eventualmente se produce una recirculación entre los lados de descarga y succión. Como en el caso de control de velocidad, la curva característica de la bomba baja (Fig. 8).
Fig. 6: El nivel del agua subterránea ha disminuido
Incrustación Otra causa potencial de pérdida de eficiencia es la llamada incrustación, es decir, la acumulación de oxido de hierro, calcio o manganeso en la superficie interior. La curva Q-H de la bomba aumenta su inclinación, pero la presión a caudal cero es la misma que cuando la bomba estaba nueva. Este fenómeno es claramente distinguible del efecto de desgaste mencionado anteriormente. La incrustación puede ocurrir en la bomba, tubería o ambos (Fig. 9).
Distancia de afluencia del pozo: Esta es la ruta desde el acuífero a través del empaque o capa de gravilla filtrante hasta la cara interna del tubo del pozo.
Fig. 5: La distancia de afluencia del pozo se ha deteriorado
Fig. 7: Actividades de construcción hán alterado las pérdidas de carga en la tubería
Propiedades filtrantes: Un expresión para la pérdida de presión a través del empaque filtrante. Si los poros en el empaque filtrante se tapan con calcio u otro material que estaba disuelto en el agua subterránea, la pérdida de presión aumentará y el nivel de agua en el pozo va a disminuir.
Incrustación: Cuando un componente de calcio, hierro y/o manganeso precipita en el agua subterránea y se adhieren a la tubería, forman una capa dura que gradualmente reducen la sección de paso libre.
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Artículo Técnico
Punto de operación equivocado significa desperdiciar energía
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Todos estos cambios causan que el punto de operación se mueva respecto de la posición original. El siguiente ejemplo de un caso real muestra como resultado cuanta energía pude ser desperdiciada.
Fig. 8: Desgaste en la bomba causa pérdida de eficiencia
Fig. 9: Pérdida eficiencia de la bomba por incrustación
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Una bomba sumergible de pozo profundo fue seleccionada para impulsar 150 metros cúbicos por hora y una presión de descarga de 53 metros. El motor de 30 kw fue suministrado con un par de cables redondos de 6 mm2. Para evitar que el nivel del agua subterránea disminuyera, las autoridades limitaron el volumen
Datos de diseño (Tabla 1)
de extracción de agua a 500.000 metros cúbicos. Consecuentemente el operador tuvo que limitar el tiempo de operación de la bomba a 5.000 horas por año y estrangular el caudal a aproximadamente 100 metros cúbicos por hora.
Tabla 1: Datos de diseño
Las mediciones de la bomba dieron los siguientes datos (Tabla 2): Mientras la bomba sin estrangular lograba más de 50% de eficiencia, el estrangular reduce la eficiencia bajo el 40%.
Q:
150,0 (m3/h)
H:
53,0 m
P:
30,0 kw
Sección del cable:
redondo 2 x 6 mm2
Bomba con válvula de retención: Si Diámetro de descarga: DN 150 Tubería de descarga: Profundidad de instalación:
Análisis del costo de energía Basado en 5.000 horas de operación por año y un caudal de 97 metros cúbicos por hora el volumen anual es:
DN 150 40 m
Requerimiento de energía especifica Es = Pconsumida / Q = 0,311 kwh/m 3
Volumen anual
Multiplicando este valor por el volumen anual se determina el requerimiento anual de energía.
Qy = Q * hop = 485.000 m 3/a
Requerimiento anual de energía
La potencia total consumida del grupo motobomba, incluida la pérdida de potencia en los cables hasta el panel de control, alcanza 30,2 kw. Este dato dividido por el volumen por hora de caudal nos da la potencia consumida necesaria para suministrar un metro cúbico.
Ey = Qy * ES = 151.000 kwh/a Ecuación simplificada para calcular la eficiencia total
η
QxH = tot Pconsumida x 367 tot
(m3/h) x (m) (kw)
Tabla 2: Datos del grupo motobomba Datos Medidos Q
Datos Teóricos
Pd
Z
Pconsumida
Hverl
H per di da s
Modo de operación m3/h
bar
m
kW
m
m
%
Estrangulada
97
3 .1
11
30.2
2 .2
44.8
39 .2
No Estrangulada
97
4 .5
11
30.2
2 .2
59.1
51.68
to t
Comentarios
3.1 bar presión del sistema
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Artículo Técnico
Comparación teórica con una bomba nueva Teóricamente la bomba instalada podría ser reemplazada con una nueva bomba UPA 200B 80/3e con motor motor UMA 150B 21/21. El dato de diseño se corrigió a Q = 98 m3/h y H = 45 m respectivamente. El cable de fuerza tan bien fue aumentado para reducir la resistencia eléctrica. La nueva eficiencia total es producto de las eficiencias de la bomba, el motor y el cable.
ηP
= 78,6 %
ηM
= 83,2 %
ηC
= 97,1 %
η tot = η P * η M * η C
= 0,786 * 0,832 * 0,971 0,971 = 0,635 = 63,5 %
Así la potencia consumida teórica es de 18,9 kw, es decir:
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Pconsumida
=
Q *H
367 * TOT 98 * 45 = 0,635 * 367 =
18,9 kw
y un requerimiento de potencia especifica de:
Pconsumida
= =
Pconsumida Q 18,9 98
= 0,19 0,193 3 kwh/m kwh/m3 Multiplicando esta cantidad por el volumen anual, obtenemos un requerimiento anual de energía de:
Ey
= Qy * ES = 485.000 * 0,193 = 93.605 kwh
Axel Lüdeck Ingeniero Harald Boldt Ingeniero KSB Group
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Restando este valor al requerimiento anual de la bomba antigua, obtenemos un ahorro de:
Eahorrada
= 151.000 - 93.605 = 57 57..39 395 5 kwh kwh//a
Asumiendo que el costo de la energía es de 0,12 EUR/kwh, la nueva motobomba reducirá los gastos de enrgía en EUR 6.887 por año. En un horizonte de cinco años, el ahorro total aumenta a EUR 34.419. La motobomba completa, incluido el cable de fuerza, tiene una valor aproximado de EUR 3.900, así la inversion en la nueva bomba tiene un periodo de retorno menor a un año. Un factor que no se consideró aquí es el costo de extraer la bomba antigua e instalar la nueva.
Buena eficiencia es un criterio clave incluso para bombas pequeñas Básicamente el análisis económico de eficiencia también es relevante para bombas pequeñas. Los gastos de energía por operar cualquier bomba son el producto de:
• la potencia consumida del motor. • el precio de la energía. • el numero de horas de operación por año.
Reemplazar bombas de baja potencia solo tiene sentido económico si el costo de la energía y la cantidad horas de operación de las bombas son altos. Los tres factores son importantes para hacer una evaluación económica de eficiencia, porque todas son proporcionales al costo total de energía. Finalmente tiene sentido realizar este tipo de análisis solo si las condiciones de operación han cambiado.
Resumen Si es que vale la pena o no invertir en una nueva bomba mas eficiente, no depende únicamente del tamaño de la bomba, sino que también en el numero estimado de horas de operación y, por supuesto, el costo de la energía. Dado que es de esperar que la mayoría de las bombas sumergibles de pozo profundo operen varios miles de horas por año, un incremento de eficiencia de solo algunos puntos de rendimiento, se puede traducir en ahorros importantes, incluso justificar la adquisición de una nueva Fig. 10: Una bomba sumergible bomba. de pozo profundo de 8” UPA 200
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