Bombas: desde la perspectiva delmotor

¿Por qué se pasan por alto las medidas delas bombas?

• Por cada 12 mil recomendaciones hechas en auditorías en sitios delReino Unido, más de 600 correspondieron a VSD. Ningunacorrespondió a la instalación de bombas nuevas o a otras accionesespecíficas de las bombas.

• Una evaluación de optimización del sistema de bombeo (PSO) es untrabajo largo, pero con algunos conocimientos de los distintos tiposde sistemas, usted PUEDE detectar muchas opciones buenas conseguridad.

• ¡Se trata de tomar las decisiones correctas con menos información dela que establecen los libros! Y de conocer sus límites.

Bombas: desde la perspectiva del motor

Índice• Conceptos básicos sobre bombas• Control de bombeo• Perfiles del flujo con respecto al tiempo• Otros tipos de bombas• Configuraciones de bombas múltipes• Problemas de las bombas• Las diez mejores oportunidades de ahorros energéticos

en bombas

Conceptos básicos sobre bombas

Acción de las bombas centrífugas

Anatomía de las bombas de aspiración axialde acoplamiento directo

Rodete

Voluta

Leyes de afinidad

∝∝∝=

==donde,

N =velocidad de rotación del ejeQ = FlujoH = AlturaP = Potencia

Velocidad específicaNs = Velocidad específicaN = VelocidadQ = FlujoH = Altura

Diámetro del rodete 80 mm

Diámetro del rodete 200 mm

¿Qué tan eficiente debe ser una bomba?Depende del flujo y de lavelocidad específica de labomba.

Para cada flujo enparticular, hay una alturaóptima.

Cantidades extraídas delos reglamentos de laUnión Europea sobreniveles de eficienciamínimos para bombas

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Cut off: 10% ( ESOB-n=1450)

ns [rpm]

Q [m

³/h]

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Cut off: 10% ( ESOB-n=1450)

ns [rpm]

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³/h]

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103

Dos tipos de sistemas de bombeo

Mayormente dealtura estática

Completamentepor presión

friccional

Imagen cortesía del Laboratorio Nacional de Oak Ridge

Bombas centrífugasResistencia total del sistema a causa de las pérdidas por

fricción (varían en función de la velocidad al cubo) más laspérdidas de altura estática para proveer más elevación.

La altura cae con la velocidadal cuadrado, de modo quecae muy rápidamente.

Leyes de afinidadPara poder aplicar las leyes de afinidad es necesario que todas laspérdidas del sistema sean pérdidas por fricción.Por lo tanto, los sistemas con altura estática baja suelen ser mejorescandidatos para los VSD.

Dimensionamiento del rodeteEl rodete de la bomba alcanza su eficienciamáxima cuando se acerca al diámetro máximo.

Un rodete más pequeño será menos eficiente,pero los ahorros del sistema será mayores.

Una opción es reemplazar o limar el rodete.

Estudio de caso: limado del rodete

• En una salinera, la bomba de salmuera teníaproblemas de condensación, el sistema dedistribución estaba sobredimensionado y causabaproblemas de mantenimiento.

• Se limó el rodete, el tamaño del motor pasó de110 kW a 75 kW.

• Amortización en 11 días.

Ahorros energéticos del Energy Efficiency BestPractice Programme (EEBPP) del Reino Unido enGPCS300 , mediante la reducción del tamaño delrodete de una bomba.

Motores nuevos

• Los motores más eficientes tienen undeslizamiento menor y, por tanto,mayor velocidad.

• Para muchas bombas, más eficiencia,pero sobre todo más energía.

• Pero si la presión friccional es baja (yla altura estática es alta), el efectoserá mínimo.

• No es importante si a la bomba se lacontrola correctamente.

Control de bombeo

Bombas centrífugas

En los sistemas de bombas centrífugas, la regulación cambia la curva delsistema mediante el uso de una válvula de control o reguladora. Pero un variadorde frecuencia cambia la curva de la bomba modificando la velocidad de bombeo.La mejor eficiencia seguirá siendo similar a medida que se reduce la velocidad.

Ejemplo

La energía que se ahorra al reemplazar una válvula reguladora por un VFD está dadapor el área limitada por las dos curvas de potencia.

Métodos de control de las bombas

Consumo de energíarelativo con un caudalnominal promedio del 70%,con diferentes métodos decontrol.

Los VSD en sistemas de bombas múltiplesAl usar un variador de velocidad para reducir la presión, los requerimientos energéticosdisminuyen, ya que la cantidad de energía hidráulica que se produce en realidaddisminuye.

Sistema de bombeo con un VSDSistema de bombeo con tres VSD

Los variadores comparten información, como porejemplo, el estado del variador, prioridad, tiempo defuncionamiento, información acerca del proceso, etc.

Eficacia de las bombas a diferentesvelocidades

Pequeña reducción de laeficiencia, debido alaumento de la recirculacióninterna

Métodos de control de nivel

Métodos de control de la presión

Perfiles de flujo en el tiempo

Ejemplo de fluctuación diaria

Tiempo

Cau

dal

12 am 6 am 12 pm 6 pm 12 am

Ejemplo de fluctuación diariaC

auda

l pro

med

io

Mes1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Imagen cortesía del Laboratorio Nacional de Oak Ridge

Podemos clasificar los meses por caudal:

8 7 6 9 5 10 4 3 11 12 2 1

Cau

dal p

rom

edio

Mes

Mediante el seguimiento del caudal en el tiempo, sedesarrolla un curva de "duración del flujo"

Horas anuales por encima de un cierto caudal

Cau

dal Cuando se optimizan sistemas de

fluidos, es esencial entendercómo varían los requerimientos

de flujo a lo largo del tiempo.

Flujomáximo

8760h/a

Uso de bombas más pequeñas para manejar los flujos pequeños• El gráfico n.º 1 corresponde a una bomba que funciona 2500 horas anuales con

un caudal de 130 l/s - la superficie total por debajo de la curva representa el flujototal.

• El gráfico n.º 2 representa el mismo caudal, bombeado por dos bombas. Labomba de 130 l/s funciona tan solo 200 horas anuales y la bomba más pequeña,funciona 5000 horas, con un caudal de 70 l/s

Aflu

enci

a y

caud

al d

ela

bom

ba (l

/s)

Tiempo (horas)5.000 10.0000

150

100

50

0

Tiempo (horas)5.000 10.0000

150

100

50

0

Gráfico n.º 1 Gráfico n.º 2

Otros tipos de bombas

Bombas de aguas residuales

Las estaciones de bombeo se diseñan para que tengan un velocidadde fluido mínima para transportar los residuos. El agua es el medio detransporte, no el objetivo del sistema.

Los VSD sirven para liberar bombas bloqueadas, alternando dosdirecciones rápidamente.

PERO, hay que tener cuidado de no reducir el flujo demasiado, paraque las tuberías no se obstruyan.

Los VSD son útiles en las plantas de tratamiento para suavizar elflujo.

Por lo tanto, hay algunas posibilidades de ahorros, pero hay que estarseguro de lo que se hace.

Bombas de tornillo de Arquímedes

• Se autoregulan así que losVSD no sirven.

• Pueden encenderse yapagarse

• Eficiencia de flujo bajodeficiente

Bombas sumergibles Las bombas sumergibles poseen una sola unidad sellada con

un motor eléctrico y una bomba. La bomba se instalacompletamente dentro del medio que se debe bombear.Normalmente, están en las redes de distribución de aguasresiduales, ya que la superficie de la estación de bombeo espequeña y tienen un impacto visual pequeño. Las bombassumergibles para aguas residuales vienen en tamaños que vandesde menos de 1 kW a 400 kW y abarcan caudales de cercade 4 l/s a más de 1000 l/s

El motor estándar que se usa es un motor de inducción que seha reducido para ajustarse a la carcasa, garantizando en formapermanente el acoplamiento térmico. Los mejores motores sonlos devanados de clase H (funcionamiento a 180º), lo que da unmargen térmico por encima del punto de funcionamiento, y porlo tanto mucha mayor fiabilidad, y permite paradas/arranquesfrecuentes.

La mayoría de las bombas tienen un diseño extraíble, por lo quese puede quitar el motor, el rodete y la tapa voluta sin tener quetocar las canalizaciones ni las conexiones del montaje de labase. Esto es importante para poder hacer cambios omantenimiento más rápido.

Algunos fabricantes ofrecen sistemas de alarma a medida quevigilan parámetros como temperatura, fugas, vibración, corrientey potencia.

Bombas de pozo seco• Las bombas de los pozos secos tienen la misma construcción del cuerpo de la bomba y

los mismos tipos de configuración de rodetes que las bombas sumergibles. Sinembargo, los motores no están conectados a la carcasa. Las bombas se encuentranfuera del pozo húmedo de aguas residuales, lo que aumenta la capacidad de accesopara mantenimiento. No es necesario que los motores se acoplen directamente con elcuerpo de la bomba, por lo que se puede poner el motor en la superficie en lasaplicaciones de bombeo en profundidad. Vienen en tamaños que van desde menos de1 kW a 400 kW y abarcan caudales de cerca de 4 l/s a más de 1000 l/s.

• Son preferibles cuando hay poco espacio, porque son más fáciles de mantener.• Algunos fabricantes ofrecen sistemas de alarma a medida que vigilan parámetros como

temperatura, fugas, vibración, corriente y potencia.• Algunos sets de bombas poseen correas de transmisión muy resistentes que permiten

un ajuste fino de la velocidad del rodete, y por lo tanto, se pueden usar sin VSD. Lasexpectativas del pulido de los rodetes para este tipo de bombas está mucho másrestringido que para las bombas de agua fría y limpia.

• Bombas de tamaño pequeño. Los rodetes tipo vórtice son comunes, pero debido a subaja eficiencia, solo son recomendables en aplicaciones ligeras.

• Bombas de tamaño mediano. Los rodetes abiertos de dos canales son comunes, condisco de desgaste ajustable para compensar el desgaste y, de esa manera, mantener laeficiencia a lo largo de la vida útil.

• Algunas bombas más grandes tiene canales cerrados (a ambos lados del rodete).• Algunas bombas tienen una altura de aspiración positiva neta (NPSH) que hace que se

puedan montar sobre el sumidero

Bombas de lodos• Las bombas de lodos, a veces denominadas bombas de desagüe,

se usan normalmente para sacar líquidos con sólidos abrasivos detanques, sumideros y zanjas. En general, son portátiles por lo quese pueden poner manualmente en el líquido que hay que bombear,en caso que sea necesario. Por lo general, los caudales van deentre 4 a 30 l/s, con alturas típicas de hasta 50 m, aunque lasbombas más grandes pueden elevar flujos hasta arriba de hasta200 l/s. Vienen en todos los niveles de potencia hasta los 60 kW.

• Debido a la naturaleza abrasiva y al contenido de sólidos de loslíquidos que las bombas de lodos tienen que bombear, se usanpara su construcción componentes seleccionados por suresistencia al desgaste. Muchos bombas de lodos tienen doblecarcasa exterior y una buena convección de calor, por lo quepueden funcionar continuamente a niveles bajos o inclusofuncionar en seco sin que el motor se dañe. Son útiles cuando seintenta vaciar por completo un tanque o un sumidero. No sonprácticas si se quieren usar con aguas residuales sin filtrar o conlodos con un contenido de sólidos secos mayor al 8%.

• Los rodetes se diseñan para que los sólidos puedan pasarlibremente, en general, hasta 40 mm, pero también hay para másgrandes, aunque la eficiencia se resiente.

Bombas de achique domésticas• En situaciones domésticas, se usan bombas de

achique para sacar aguas residuales y drenarlas en lared de alcantarillado local. Estas bombas se diseñanpara caudales y fuentes de alimentación domésticos,por lo que, en general, se dimensionan para flujos dehasta 4 l/s y altura de 10 m, con potencias nominalesde menos de 0,5 kW.

• Por lo general, la sección de la bombas y del motorforman una unidad encapsulada a prueba de presión,totalmente estanca. Se construyen con una carcasa demotor de materiales resistentes a la corrosión, mientrasque la cubierta externa y el rodete son de plásticosduraderos. Las bombas tienen controles de nivelintegrales que controlan su funcionamiento.

• Muchas bombas tienen una válvula de retenciónintegrada en la salida para evitar que las aguasresiduales regresen al sumidero.

Bombas para papel y pasta• Las bombas para papel y pasta se consideran dentro de nuestro

alcance porque, aunque no estén conectadas con el tratamiento deaguas residuales, tienen que bombear pasta cocida con un contenidode sólidos de hasta el 70%. Además, es posible que lo tengan quehacer a altas temperaturas, por lo que requieren bombas resistentes ala abrasión y, a veces, resistente a la corrosión. Las bombas para lafabricación de papel tienen que ser versátiles, durables y fiables, yaque en las grandes papeleras los tiempos de inactividad inesperadospueden ser extremadamente costosos.

• El aspecto externo se parece mucho al de las bombas centrífugasnormales para agua fría y limpia, pero la gran diferencia está en eldiseño del rodete. A fin de poder responder a estas demandas, lasbombas se diseñan con un rodete semiabierto de álabes enteros, conálabes de bombeo trasero que evita las obstrucciones. También tienenentradas de succión grandes que facilitan el ingreso de pasta,minimizan las obstrucciones y evitan que la pasta se separe o pierdaagua.

• Se consiguen bombas con flujos que alcanzan, por lo general, hasta 10mil m3/h con alturas de hasta 100 metros. Por lo general, las bombasse diseñan para funcionar a presiones de hasta 14 bar y temperaturasde hasta 150ºC

Bombas de cavidad progresivaLas bombas de cavidad progresiva pueden bombear materiales muy sólidos, mucho mejor quelo que se puede con bombas rotodinámicas. Por lo general, se las usa en las etapas detratamiento de barros de una tarea de tratamiento de aguas residuales, como cuando se quitanlos lodos o el agua.En las bombas de cavidad progresiva hay un rotor con una única hélice que giraexcéntricamente dentro de la doble hélice del estátor. Cuando el rotor va girando, se forma unacavidad continua que avanza hacia el extremo de descarga de la bomba. El principio de labomba de cavidad progresiva es ideal para la manipulación de fangos, lodos y fluidos viscosos ysensibles al corte, o de mezclas de dos o tres fases, o cuando las aplicaciones requierencapacidades de altura de succión significativas.Gracias a las cavidades continuas grandes de las bombas de cavidad progresiva, se puedenmanipular sólidos suspendidos con facilidad. Además, su suave acción de bombeo garantizaque no se dañen los sólidos delicados que hay que mantener intactos. La acción giratoria delrotor metálico dentro del estátor resistente hace que los sólidos que quedan atrapados seliberen rápidamente, reduciendo el desgaste abrasivo.Las bombas de cavidad progresiva son bombas autocebantes con una altura de succión dehasta 8,5 m y se pueden instalar en forma vertical u horizontal.La eficiencia de la bomba depende de la calidad de la junta entre el rotor y el estátor."Escurrimiento" es el término dado al proceso por el cual el líquido atraviesa el espacio entre elrotor y estátor. El método más común de medir la eficiencia de las bombas de cavidad esmediante la eficiencia volumétrica. Esta se define como el caudal de referencia a una altura decero m menos el escurrimiento a la altura nominal. Se expresa como un porcentaje. La cantidadde escurrimiento que experimenta una bomba depende tanto de la presión como de laviscosidad del líquido.Las bombas de cavidad progresiva vienen, en general, en tamaños de hasta 500 m³ /h ypresiones de hasta 48 bar.

Bombas para fuentes y jardines

• ¿Cuánta altura necesita?• ¿Qué cantidad de flujo? ¿Puede

poner una boquilla mejor?• Apagarlas cuando no hay gente

Configuraciones de bombas múltiples

Las "leyes" de bombeo en paralelo y en serie,como las leyes de afinidad de bombeo, solo

rigen para las curvas de las bombas

• Bombas en paralelo - suma de los caudales adeterminada altura

• Bombas en serie - suma de las alturas dedeterminado caudal

Las bombas en paralelo contribuyen a adaptarse a las cambiantes exigenciasdel sistema y proporcionan redundancia

Diapositiva cortesía del Laboratorio Nacional de OakRidge

50

40

30

20

10

0

Altu

ra, m

3000200010000

Caudal, m3/hr

Nota: esto vale parabombas idénticas

El efecto de encender una bomba en paralelo tambiéndepende de la naturaleza del sistema

Diapositiva cortesía del Laboratorio Nacional de Oak Ridge

50

40

30

20

10

0

Altu

ra, m

2000150010005000Caudal, m 3/hr

925 m3/hr 1112 m3/hr1600 m3/hr

Bombas en paralelo - ¡cuidado con la potencia!

Los sistemas en paralelose optimizan para unacantidad específica debombas. Si se hacenfuncionar fuera de esto,las consecuencias sobrela potencia pueden sergraves.

A menudo, las bombasadicionales se dejanencendidas porseguridad.

Problemas de las bombas

Válvulas de retención trabadas

• Las válvulas que no se abren correctamente actuaráncomo válvulas reguladoras

• Las válvula de retención trabadas abiertas significan queel agua de una bomba puede retornar puede a través deuna "bomba apagada"

Golpes de ariete

• Síntomas: golpes cuando la bomba se apaga.• Causados por: detención abrupta del flujo.• Causa daños en las abrazaderas y uniones.• Solución: reducción controlada del flujo mediante velocidad variable o

tal vez un arrancador suave.

Ruidos como de grava que golpea

¡Es cavitación!Solución: aumentar la presión de entrada- Disminuir la entrada- Reducir la velocidad de bombeo- Enfriar el fluido

Pero, ¿qué es cavitación y cómo se puedeaumentar la presión de entrada?

Desgaste de las bombasLas bombas van perdiendo eficiencia a lolargo del tiempo, pero normalmente pasadesapercibido.La vigilancia de la eficiencia de lasbombas es útil en las bombas grandespara determinar cuándo hay querestaurarlas.

Bombas bloqueadas• No es una cuestión directamente

energética, pero los costos dereparación y limpieza son elevados.

• Especificaciones correctas de labomba:

• Abrasividad• Adherencia• Fibrosidad

Lamentablemente, NO hay normas, asíque la selección que se hace espersonalizada y práctica.

No hay una solución única para todoslos casos.

Funcionamiento de las bombas

Figura cortesía de P. Barringer

Las diez mejores oportunidades deahorros energéticos en bombas

Sistema de calefacción de edificiosLos sistema de calefacción de

edificios exhiben una demandaestándar: el perfil de tiempo.La cantidad de horas defuncionamiento depende de suubicación.

Es un sistema de circulacióncerrada, de modo que lavelocidad variable es unasolución ideal.

Algo similar ocurre con los buclesde los sistemas deenfriamiento.

H

Q

Hmax

Q25% Q50% Q75% Q100%

H

Q

Hmax

Q25% Q50% Q75% Q100%

Flow(%)

Time(%)

100 675 1550 3525 44

Bombas de piscinas

Los distintos países tienen distintosreglamentos para garantizar unacalidad adecuada del agua. ¡No loscontravenga!

Se recomienda, en todas lascircunstancias, variar la velocidadpara garantizar que las tasas defiltrado se mantengan al mínimo.Pueden ser dos velocidades ovelocidad variable.

Cuando tenga que cambiar labomba busque una buena bomba.

Evite el sobredimensionamiento.

Enfriadores laminares de acerías

Controle el flujo deagua para que se

ajuste a losrequerimientos de

enfriamientoinstantáneo.

Bombas de desincrustación para tren delaminación de acero

• Procesos por lotes condemandas cíclicas.

• Las bombas grandes no sonprácticas cuando hay queprenderlas y apagarlas confrecuencia

• Los variadores de velocidadpermiten aumentar y disminuirla velocidad suavemente.

Corus, Llanwern, Wales

Sopladores de aireación

Hay que dimensionarlos con "margen deseguridad" para garantizar la adecuadacalidad del agua.

Pero, si se vigila la calidad del aguamidiendo el contenido de oxígeno, lacantidad de aire que se agrega puedeajustarse a un mínimo absoluto (peroseguro).

Una buena opción para los VSD. Una opción más barata es cambiar la

relación de las poleas.

Sistema de distribución de agua

VSD en lugar de unsistema derecirculación en eltanque cisterna

VSD en lugar deválvula reguladoraen la bomba desondeo

Bombas hidráulicas

Varían la presión paraajustarla a lademandainstantánea

P. ej. prensashidráulicas y otrosequipos deaccionamientohidráulico Bomba hidráulica de velocidad

variable Rexroth

VSD en sistemas de refrigeración• En una cervecería el enfriador

tenía un bomba de 75 kW quefuncionaba con un reguladorde presión para derivar elexceso de refrigerante.

• Se lo reemplazó por un VSDcontrolado por un transductorde presión.

UK EEBPP GPCS 124: Bombas derefrigeración secundaria en unacervecería

Bombas de lubricación

¿Se puede apagar labomba cuando no se lausa?

Use un VSD para variaraun más el flujo cuandocorte.

Control de enfriadores

• Las unidades de tratamiento de aireusan válvulas de tres vías paradesviar el exceso de agua fría deregreso a los enfriadores principales.

• Las válvulas termostáticas localescontrolan la temperatura de la zona,permitiendo que el transductor depresión controle la velocidad delnuevo VSD instalado en la bomba

• UK EEBPP GPCS 89: variadores develocidad en las bombas de aguapara enfriar.

Bombas: desde la perspectiva del motorÍndice• Conceptos básicos sobre bombas• Control de bombeo• Perfiles del flujo con respecto al tiempo• Otros tipos de bombas• Configuraciones de bombas múltiples• Problemas de las bombas• Las diez mejores oportunidades de ahorros

energéticos en bombas

Gracias por su atención