31 enero 2012

Guía para bombear lodos del estiércol en sistemas centralizados de digestores de biogás (2ª PARTE)


Cálculo de las pérdidas de presión

Para calcular las pérdidas de fricción, primero calculamos la pérdida de altura por fricción para el agua limpia, usando métodos de ingeniería estándar. El resultado para el agua limpia se multiplica por el ratio de pérdidas por fricción, que considera una mayor viscosidad de los lodos comparado cal agua y al comportamiento de los lodos no newtoniano.

Los ratios de pérdidas de fricción se han determinado experimentalmente para muchos tipos de lodos. Para los lodos de estiércol se usan ratios por pérdidas de fricción para lodos. Los ratios de pérdidas de presión son una función de la velocidad de lodos digeridos con contenidos sólidos que van desde el 4 al 10 % y para diámetros de de tuberías desde 6” a 10”.

Para el cálculo de las pérdidas de fricción usamos la ecuación de Darcy-Weishbach:



Donde L es la longitud efectiva de la tubería (incluyendo tanto las líneas de succión como descarga y la longitud efectiva de válvulas y accesorios), V es la velocidad, D es el diámetro interior de la tubería y f es el factor de fricción. El factor de fricción f se encuentra usando una correlación empírica o el  diagrama de Moody. En cualquier caso debemos conocer la rugosidad de la tubería usada en el sistema. La rugosidad absoluta de tuberías PVC – que se usan típicamente con el estiércol – puede estimarse entre 6 x 10-5” y 2 x 10-4”, u obtenerse de los datos del fabricante.

Ajustar la pérdida de fricción para agua limpia usando el ratio de pérdida de fricción.

La pérdida de altura de fricción para los lodos hf se calcula por:

Hf = Rf hf,w

Donde el ratio de pérdida de fricción Rf está tabulado.

Tuberías

En el tipo de sistema considerado aquí, el lodo es bombeado utilizando bombas estacionarias.

Las tuberías pueden usarse tanto para suministrar estiércol y retornar el efluente. Alternativamente, las tuberías separadas pueden usarse para alimentación y retorno.  Las válvulas de selección se localizan todas en To wyes off.

Tamaño de la tubería

Para evitar la sedimentación de sólidos, que pueden originar obstrucciones, el diámetro de la tubería estará dimensionado para mantener una velocidad mínima de aproximadamente 5 fps. Además, el diámetro de la tubería quedará constante, así que el diámetro quedaría constante, de forma que los lodos no experimentarán cambios abruptos en velocidad.  No se recomiendan diámetros inferiores a 6”.

Material de tuberías

Las tuberías típicas de PVC están calificadas típicamente para unas presiones de 200 psi para este tipo de aplicación. Cualquier componente de metal debe estar revestido con asfalto, plástico o epoxi para retardar la corrosión. Todas las uniones deben estar selladas de forma que la tubería sea estanca al agua. Para tuberías de PVC con diámetro de unas 8” o más, se requieren juntas debido a la dificultad de hacer juntas soldadas.

Bombas

Para suministrar lodos de estiércol a un digestor central y retornar el efluente digerido, se requieren bombas de suministro y retorno.  Para suministrar los residuos puede considerarse el uso de bombas diesel móviles. Las bombas de retorno estacionarias localizadas en el digestor central pueden ser diesel o eléctricas. Las bombas de retorno manejarán efluentes, lo cual hará que el contenido en sólidos sea menor que en los lodos de estiércol. Este diferencia debe tenerse en cuenta cuando dimensionamos bombas de alimentación y de retorno.

Si conectamos los lodos de varias granjas a la misma tubería, las caídas de presión pueden variar dramáticamente, dependiendo de las distancias entre las granjas.  El uso de variadores de frecuencia es una opción interesante cuando surgen estos problemas.

Selección de bombas

Para seleccionar las bombas adecuadas debemos revisar la información del producto que nos proporcione el fabricante. Y debemos asegurar que:

  • Los materiales de las bombas y su construcción deben ser las apropiadas para la posible naturaleza abrasiva y ácida de los lodos de estiércol que se están bombeando.
  • La masa más grande de sólidos que puede pasar a través de impulsor y voluta.
  • La bomba debe trabajar en el punto de operación de la bomba en el sistema de forma que (1) la altura no sea mucho menor que la altura en la eficiencia pico y (2) su capacidad no sea mucho mayor que la capacidad en la eficiencia pico.

Tipo de bomba

Se usan dos tipos generales de bombas para transferir el estiércol: centrífugas y de desplazamiento positivo. Las bombas centrífugas son preferibles para distancias mayores debido a que los requerimientos del par son más bajos y son menos susceptibles a quedar atascadas. Las bombas centrífugas están disponibles para bombear lodos de estiércol que tengan una cantidad total de sólidos del 10 – 12 %. Las bombas de desplazamiento positivos (tornillos helicoidales, pistón, transferencia de presión de aire, y diafragma) tienen caudales máximos mucho menores (menos de 300 gpm para los tornillos helicoidales y bombas de diafragma y menos de 150 gpm para bombas de pistón y neumáticas). Las bombas de tornillos helicoidales tienen capacidades de sólidos máximas más bajas ( 4 –  6 %) y no pueden manejar sólidos duros o abrasivos.

Las bombas de eje centrífugo vertical o inclinado tienen una holgura relativamente amplia, que ayuda a evitar los atascos. Un impulsor cerrado es eficiente con residuos líquidos, pero se atasca con sólidos fibrosos y duros, con los que pueden presentarse problemas. Un impulsor abierto o semi-abierto es menos eficiente, pero también menos propenso a atascos y es capaz de manejar semisólidos. Aunque generalmente ineficiente, un diseño de impulsor semi-abierto curvado y con pendiente minimiza la cavitación del caudal y atascos de sólidos. Al seleccionar bombas de retorno y alimentación, debemos pensar que el contenido en sólidos del efluente digerido será mucho más bajo así que el riesgo de atasco será mucho menor para las bombas de retorno.

Bombas de alimentación

Las bombas centrífugas requieren o una succión inundada (ej. bomba localizada bajo el tanque de almacenamiento) o una bomba de alimentación. Ya que el estiércol típicamente es bombeado desde tanques de almacenamiento enterrados o lagunas, típicamente se requiere una bomba de alimentación.

Trituradores

En algunas ocasiones se usan trituradores para acondicionar los lodos y mejorar el bombeo. Como beneficio añadido, la reducción del tamaño de las partículas mejora la digestión anaeróbica. Bombas que no se obstruyen pueden usarse para alimentar trituradoras que lleven a cabo esta función. Las bombas trituradoras, o chopper pumps usan impulsores endurecidos afilados para bombear y cortar al mismo tiempo.

Motores de bombas y par de arranque

El factor de fricción alto en el arranque no necesariamente da como resultado altas cargas de arranque en el motor. Las pérdidas por fricción, que son proporcionales al cuadrado de la velocidad, son muy bajas ya que la velocidad del fluido es baja al arrancar. Adicionalmente, las bombas centrífugas por su naturaleza generalmente tienen bajos requerimientos del par de arranque. Incluso si la salida se bloquea completamente, se arrancan y aceleran con facilidad. La única circunstancia en la que puede necesitarse un par de arranque alto es cuando la bomba encuentra un obstáculo en el impulsor en el momento que se está arrancando. Usando un diseño de impulsor abierto se reduce esta oportunidad.

Si se una bomba de desplazamiento positivo, puede requerirse un par de arranque más alto debido a que el fluido debe comenzar a moverse cuando el eje comienza a girar.

Arranque de bombas

Si la línea de la tubería se vacía cuando arranca la bomba, puede ser necesario restringir el caudal inicialmente mediante la apertura gradual de una válvula en la bomba. Alternativamente, la presión puede incrementarse lentamente usando un variador de velocidad variable con una bomba eléctrica o diesel. Si no se restringe el caudal, arrancará una bomba con un caudal demasiado alto, que a menudo da como resultado cavitación y pérdidas, y posiblemente golpe de ariete.

Bibliografía: A Guide to Pumping Manure Slurries in Centralized Biogas Digester Systems. U.S. Department of Energy. Northwest Clean Energy Application Center
Palabras clave: Chopper pump, positive displacement pump
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