15 marzo 2012

Guía de cálculo para procesos con bombas centrífugas (3ª PARTE)



1)      Cálculo de los costes de bombeo de agua

Los costes del bombeo de agua podemos estimarlos usando la siguiente expresión:

Donde:
  • C = Coste por hora
  • Q = Caudal (gpm)
  • h = Altura (ft)
  • c = Coste por kWh


2)      Cálculos de los costes por fricción

La energía consumida para superar la altura estática en un sistema de bombeo varía linealmente con el caudal y poco puede hacerse para reducir el componente estático del sistema. Sin embargo, varias oportunidades de ahorro existen si trabajamos sobre el componente de fricción del sistema de bombeo.

La energía por fricción es dependiente del caudal, tamaño de tubería (diámetro), longitud de la tubería, características de la tubería (rugosidad de la superficie, material, etc.) y propiedades de los líquidos bombeados.


Donde el Factor de Fricción, se basa en la rugosidad de la tubería, diámetro de la tubería, y el número de Reynolds. Para la mayoría de las aplicaciones, el valor de este factor de fricción estará entre 0,015 y 0,0225.

3)      Adaptación de las capacidades de la bomba a la demanda del proceso

A menudo es necesario adaptar la capacidad de la bomba a un cambio permanente en la demanda del proceso. La capacidad de una bomba centrífuga puede recularse a:
  • Velocidad constante, o
  • Velocidad variable

Regulación de la capacidad por velocidad variable

La regulación de velocidad es eficiente energéticamente ya que la energía en el bombeo se reduce cuando decrece la velocidad.

La velocidad de la bomba puede variar con:

  • Transmisión hidráulica/hidrostática – El acoplamiento hidráulico entre el eje de entrada y salida – ratio de velocidad 5 a 1 es controlado ajustando el volumen de aceite en el acoplamiento.
  • Transmisión mecánica – Transmisión de correa y polea.
  • Embrague/transmisión de corrientes de Eddy – El acoplamiento magnético transfiere el par de carga entre el eje de entrada y salida.
  • Variadores de velocidad variable – inversores – variadores AC – variadores de frecuencia ajustable – operan variando la frecuencia y el voltaje del motor eléctrico.

Los cambios en los consumos pueden estimarse usando las leyes de afinidad.

Regulación de la capacidad por velocidad variable

La capacidad puede regularse a velocidad constante por:
  • Estrangulación.
  • Bypass del caudal.
  • Cambiando el diámetro del impulsor.
  • Modificando el impulsor.

Estrangulación

La estrangulación puede llevarse a cabo abriendo y cerrando una válvula de descarga.

La estrangulación es ineficiente en energía ya que la energía no se reduce al bombear. La energía es derrochada incrementando la pérdida dinámica.

Bypass en el caudal

La capacidad de descarga puede regularse llevando una parte del caudal de descarga a la bomba del lado de succión.

Cambiando el diámetro del impulsor

Reduciendo el diámetro de los impulsores es un cambio permanente y el método puede usarse donde el cambio en la demanda del proceso no es temporal. El método puede ser eficiente en energía si el motor cambia y el consumo de energía se reduce.

El cambio en el consumo de energía, altura y caudal pueden estimarse mediante las leyes de afinidad.

Modificando el impulsor

El caudal y la altura pueden modularse cambiando el paso de los álabes. Complicado y raramente usado.

4)      Uso de bombas centrífugas con fluidos viscosos

La viscosidad de un fluido es una propiedad importante en el comportamiento de un líquido. La viscosidad es la resistencia a fluir y es causada por la fricción intermolecular ejercida cuando las capas de los fluidos intentan deslizarse entre sí.

Cuando un fluido viscoso es manejado por una bomba centrífuga:
  • Se incrementan los requerimientos de potencia de frenado.
  • La altura generada se reduce.
  • La capacidad se reduce.
  • La eficiencia de la bomba se reduce y el punto de mejor eficiencia BEP se mueve.

La altura, caudal a otras viscosidades que las usadas en la documentación original pueden ser modificadas por coeficientes.

Caudal

qv = cq q

Donde:
  • qv = caudal compensado por viscosidad (m3/h, gpm)
  • cq = Coeficiente de caudal de viscosidad
  • q = Caudal original de acuerdo con la curva de la bomba (m3/h, gpm).

Altura

hv = ch h

Donde:
  • hv = Altura compensada por viscosidad (m, ft)
  • ch = Coeficiente de altura por viscosidad
  • h = Altura  original de acuerdo con la curva de la bomba (m, ft).

Eficiencia






Potencia corregida por viscosidad



Donde:
  • Pv = Potencia compensada por viscosidad (kW)
  •  ρv = Densidad de fluido viscoso (kg/m3)
  • g = Aceleración de la gravedad (9,8 m/s2)

Bibliografía:

  • ANSI/API 610-1995 - Centrifugal Pumps for General Refinery Service - Covers the minimum requirements for centrifugal pumps, including pumps running in reverse as hydraulic power recovery turbines, for use in petroleum, heavy duty chemicals, and gas industry services. The pump types covered by this standard can be broadly classified as overhung, between bearings, and vertically suspended.
  • ASME B73.1-2001 - Specification for Horizontal End Suction Centrifugal Pumps for Chemical Process - This standard covers centrifugal pumps of horizontal, end suction single stage, centerline discharge design. This Standard includes dimensional interchangeability requirements and certain design features to facilitate installation and maintenance. It is the intent of this Standard that pumps of the same standard dimension designation from all sources of supply shall be interchangeable with respect to mounting dimensions, size and location of suction and discharge nozzles, input shafts, baseplates, and foundation bolt holes
  • ASME B73.2-2003 - Specifications for Vertical In-Line Centrifugal Pumps for Chemical Process
  • BS 5257:1975 - Specification for horizontal end-suction centrifugal pumps (16 bar) - Principal dimensions and nominal duty point. Dimensions for seal cavities and base plate installations.
  • DIN EN ISO 5199 - Technical specifications for centrifugal pumps
  • Reduce Pumping Costs through Optimum Pipe Sizing. Energy Tips. Office of Industrial Technologies Energy Efficiency and Renewable Energy. U.S. Department of Energy
  • The engineering ToolBox.
Palabras clave:  Estimating Frictional Pumping Costs, efficiency  as a function of specific speed (Ns) and capacity (GPM)
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