Proyectos de reacondicionamiento de bombas para ahorro energético (1ª PARTE)

Los sistemas de bombeo suponen casi el 20 % de toda la energía usada por los motores eléctricos y entre el 25 % y el 50 % del uso eléctrico total en ciertas instalaciones industriales. Existen oportunidades interesantes para reducir el consumo energético del sistema de bombeo mediante prácticas de diseño inteligente, reacondicioanamiento, y prácticas de operación. En particular, las aplicaciones de bombeo con requerimientos de obligaciones variables ofrecen el mayor potencial de ahorro. Los ahorros conseguidos a menudo van más allá de los costes energéticos, y pueden incluir rendimiento mejorado, fiabilidad mejorada, y costes del ciclo de vida reducidos.

La mayoría de los sistemas existentes requieren control del caudal mediante líneas en bypass, válvulas de estrangulación, o ajstes de velocidad variable. La forma más eficiente de éstas es el control de velocidad de la bomba. Cuando se reduce la velocidad de una bomba, menos energía se imparte al fluido y menos necesidades de energía deben ser estranguladas o pasar por el bypass. La velocidad puede controlarse de numerosas formas, y entre los variadores de velocidad ajustables (variable speed drive ó VSD) destacamos los variadores de frecuencia variables (variable frequency drive ó VFD).

El ajuste de velocidad de la bomba no es apropiado para todos los sistemas de bombeo, pero si es una estrategia muy útil en muchas aplicaciones. En este artículo nos centramos en explicar este sistema de control como medio para ahorrar energía.

Sistemas de bombeo

Para estudiar bien el ahorro energético de estos sistemas no solamente debemos considerar la bomba, sino todo el sistema de bombeo y la forma como los componentes de sistema interactúan. El análisis y evaluación debe incluir tanto los lados del suministro como de la demanda del sistema.

En un sistema de bombeo, el objetivo, en la mayoría de los casos, es transferir un líquido de una fuente a un destino requerido; ej., rellenando un depósito de alto nivel, o circulando un líquido alrededor de un sistema, como por ejemplo un medio de transferencia de calor. Se necesita presión para hacer que el flujo ascienda con un caudal requerido y supere las pérdidas del sistema. Las pérdidas son de dos tipos: Altura estática y de fricción.

Tipos de bombas

La selección apropiada de bombas, motores y controles para cumplir los requerimientos de proceso son esenciales para asegurar que un sistema de bombeo opera de forma efectiva, fiablemente y eficientemente. Todas las bombas se dividen dos categorías principales, las de desplazamiento positivo (PD) y las rotodinámicas.

Las bombas PD pueden clasificarse en dos grupos principales: rotatorios y recíprocos. Las bombas rotatorias típicamente trabajan a presiones de hasta 25 bares. Estas bombas transfieren líquido desde la succión a la descarga a través de tornillos, lóbulos, engranajes, rodillos, etc., que operan dentro de una envolvente rígida. Las bombas recíprocas típicamente trabajan a presiones de hasta 500 bares. Estas bombas descargan el líquido cambiando el volumen interno. Las bombas recíprocas pueden generalmente clasificarse por tener un pistón, émbolo o diafragma, que desplaza un volumen de líquido entre una válvula de entrada y una válvula de descarga. El movimiento rotatorio del accionamiento, tal como un motor eléctrico, es convertido al movimiento recíproco por un cigüeñal, árbol de levas, o un plato oscilante.

El rendimiento de una bomba puede expresarse gráficamente como la altura conseguida respecto al caudal. La bomba rotodinámica tiene una curva donde la altura cae gradualmente con el incremento del caudal. Sin embargo, para una bomba PD, el caudal es casi constante cualquiera que sea la altura.

Interacción de bombas y sistemas

Cuando una bomba se instala en un sistema, el efecto puede ilustrarse gráficamente superponiendo bombas y curvas del sistema. El punto de operación estará siempre donde las curvan interseccionan.
Para una bomba PD, si se incrementa la resistencia del sistema, la curva del sistema se mueva hacia arriba,  la bomba incrementará su presión de descarga y mantendrá un caudal bastante constante, dependiendo de la viscosidad y del tipo de bomba. Niveles de presión inseguros pueden ocurrir sin válvulas de alivio. Para una bomba rotodinámica, una resistencia creciente del sistema reducirá el caudal, eventualmente a cero, pero la altura máxima está limitada. Incluso así, esta condición sólo es aceptable durante un periodo corto sin causar problemas.  Añadiendo márgenes de confort a la curva del sistema calculado se acabará seleccionando una bomba grande que estará sobredimensionada. La bomba operará a un caudal excesivo o necesitará ser estrangulada, lo que llevará a un uso incrementado de la bomba y una vida reducida.
Muchos sistemas de bombeo requieren una variación del caudal o presión. La curva del sistema o la curva de la bomba deben cambiarse para conseguir un punto diferente de operación. Donde se ha instalado una única bomba para un rango de obligaciones, se dimensionará para cumplir con la mayor demanda de la bomba. Por lo tanto usualmente estarán sobredimensionadas, y operarán ineficientemente para otras obligaciones. Consecuentemente, habrá una oportunidad para conseguir ahorro de costes usando métodos de control, tales como velocidad variable, que reducirá  la energía para accionar las bombas durante los periodos de demanda reducida.
Efectos de la variación de velocidad en bombas rotodinámicas
Una bomba rotodinámica es un dispositivo dinámico con altura generada por un impulsor rotativo. De esta forma, hay una relación entre velocidad periférica del impulsor y altura generada. La velocidad periférica está directamente relacionada con la velocidad rotacional del eje, para un determinado diámetro del impulsor fijo. La variación de la velocidad periférica está directamente relacionada con la velocidad rotacional del eje, para un diámetro del impulsor fijo. Variando la velocidad rotacional tendremos un efecto directo en el rendimiento de la bomba. Las ecuaciones relativas a los parámetros rotodinámicos del caudal a velocidad, y la altura y energía absorbida para acelerar, se conocen como la Ley de Afinidad.
Cambiando el diámetro del impulsor de la bomba se cambia de forma efectiva el punto de trabajo de un sistema dado, y a bajo coste, pero esto puede usarse solamente para el ajuste permanente a la curva de la bomba.
Para sistemas donde predomina la pérdida de presión, reduciendo la velocidad de la bomba nos moveremos al punto de intersección en la curva del sistema a lo largo de una línea de eficiencia constante. El punto de operación de la bomba, relativo a su punto de mejor eficiencia, queda constante y la bomba continua para operar en su región ideal. La ley de Afinidad es obedecida, lo que significa que hay una reducción sustancial en la potencia absorbida acompañando la reducción en caudal y altura, lo cual hace la velocidad variable el método de control ideal.
Efecto de la velocidad en el rendimiento de succión de la bomba
El líquido entrando en el ojo del impulsor gira y se divide en chorros separados por el borde principal de los vanos del impulsor, una acción que localmente hace caer la presión por debajo de la tubería de entrada a la bomba. Si el líquido entrante está a una presión con margen insuficiente por encima de la presión del vapor, entonces las cavidades de vapor, o burbujas, aparecen a lo largo de las aletas del impulsor justo al lado de los bordes de entrada. Estas colapsan más allá a lo largo de las aletas del impulsor donde la presión se ha incrementado. Este fenómeno es conocido como cavitación, y tiene efectos indeseables en la vida de la bomba.
Incrementar la velocidad de la bomba tendrá un efecto negativo en el rendimiento de la bomba y por lo tanto debe ser investigado. A la inversa, reduciendo la velocidad tendremos un efecto positivo.
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