Aplicación de los variadores de frecuencia a las bombas sumergibles (1ª PARTE)

Los sistemas de bombeo son equipos que requieren largos periodos de funcionamiento y suponen en torno al 20 % de la energía usada por los motores actuales. En ciertas instalaciones industriales pueden suponer el 25 – 50 % del consumo eléctrico. Existen oportunidades significativas para ahorrar energía en estos equipos y es por ello un tópico común abordado en el  blog.

En este nuevo artículo vamos a volver a hablar de los variadores de frecuencia aplicados a bombas pero centrándonos en las bombas sumergidas

Una bomba sumergible es una bomba que tiene un impulsor sellado a la carcasa. El conjunto se sumerge en el líquido a bombear. La ventaja de este tipo de bomba es que puede proporcionar una fuerza de elevación significativa pues no depende de la presión de aire externa para hacer ascender el líquido.

Características hidráulicas del sistema de bombeo

Las bombas a las que nos referimos son las de accionamiento eléctrico. Los motores pueden ser tanto monofásicos como trifásicos. Los motores monofásicos son los más representativos puesto que no suelen requerir grandes potencias para el trasiego de agua en el sector doméstico o agrícola.

En un sistema de bombeo el objetivo en la mayoría de los casos es transferir un líquido de una fuente a un destino, como por ejemplo un depósito, o hacer circular una fuente a un destino requerido. Ej. llenar un depósito de alto nivel, o hacer circular un líquido alrededor de un sistema, como medio de transferencia de calor. La presión es necesaria para hacer que el líquido fluya a un caudal requerido y así supere las pérdidas en el sistema. Las pérdidas son de dos tipos: Altura estática y de fricción. La altura de fricción (a veces llamada pérdida de altura dinámica), es la pérdida de fricción en el líquido que se mueve, en tuberías, válvulas, y otro equipo en el sistema. Esta pérdida es proporcional al cuadrado del caudal. Un sistema de circulación en bucle cerrado, sin una superficie abierta a la presión atmosférica, exhibiría solamente pérdidas de fricción.

La mayoría de los sistemas tienen una combinación de altura estática y de fricción. El ratio de altura estática respecto a fricción  sobre el rango de operación tiene influencia en los beneficios alcanzables con variadores de frecuencia. La altura estática es característica de la instalación específica. Reduciendo esta altura cuando sea posible generalmente se reduce tanto el coste de instalación como el coste de bombeo del líquido.

Las pérdidas de altura de fricción deben minimizarse para reducir el coste de bombeo, pero después de  eliminar los accesorios y longitudes de tuberías innecesarias, se requiere una reducción superior en la altura de fricción que requerirá mayores diámetros de tuberías, que añadirán coste a la instalación.

Tipos de bombas

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

Las bombas PD pueden clasificarse en dos grupos principales: rotatorias y recíprocas. Las bombas rotatorias típicamente trabajan a presiones de hasta 25 bares. Estas bombas transfieren líquidos por succión para descargarlos a través de la acción de tornillos rotatorios, lóbulos, engranajes, rodillos, etc., que operan dentro de una carcasa rígida. Las bombas recíprocas típicamente trabajan a presiones de hasta 500 bares. Estas bombas descargan líquido cambiando el volumen interno. Las bombas recíprocas pueden generalmente clasificarse como de pistón, émbolo o diafragma, desplazando un volumen discreto de líquido entre una válvula de entrada y una válvula de descarga. El movimiento rotatorio del operador, tal, como un motor eléctrico, es convertido en movimiento recíproco por una manivela, árbol de levas, o swash-plate.

El rendimiento de una bomba puede expresarse gráficamente como altura contra caudal. Las bombas rotodinámicas tienen una curva donde la altura cae gradualmente con el incremento del caudal. Sin embargo, para las bombas PD, el caudal es casi constante a cualquier altura.

Para una bomba PD, si la resistencia del sistema se incrementa, es decir, la curva del sistema se mueve hacia arriba, la bomba incrementará su presión de descarga y mantendrá un caudal bastante constante, dependiente de la viscosidad y tipo de bomba. Pueden ocurrir niveles de presión inseguros sin válvulas de alivio. Para una bomba rotodinámica, el incremento de la resistencia del sistema reducirá el caudal, eventualmente a cero, pero la altura máxima es limitada. Incluso así, esta condición es sólo aceptable para un periodo corto de tiempo sin causar problemas. Añadiendo márgenes de confort al sistema calculado para asegurar que la bomba sea lo suficientemente acabaremos instalando una bomba sobredimensionada. La bomba operará a un excesivo caudal o necesitará ser estrangulada, por lo que tendrá un consumo excesivo de energía y una vida reducida.

Muchos otros sistemas de bombeo requieren variación de caudal o presión. Cualquier curva del sistema o de la bomba requiere ser cambiada para conseguir un diferente punto de operación. Donde se instala una bomba simple para un amplio rango de obligaciones, se dimensionará para cumplir con la demanda máxima. Por lo tanto estará sobredimensionada, y operará ineficientemente para otros trabajos. Consecuentemente, hay una oportunidad para alcanzar ahorros en costes de energía usando métodos de control, tales como los variadores de frecuencia, que reducen el funcionamiento de la bomba durante los periodos de demanda reducida.

Efectos de la variación de velocidad en bombas rotodinámicas

Una bomba rotodinámica tiene un dispositivo dinámico con la altura generada por un impulsor rotatorio. De esta forma, hay una relación entre la velocidad periférica del impulsor y la altura generada. La velocidad periférica está directamente relacionada con la velocidad rotacional del eje, para un diámetro del impulsor fijo. Variando la velocidad de rotación por lo tanto tenemos un efecto directo en el rendimiento de la bomba. Las ecuaciones que relacionan los parámetros de rendimiento de caudal y velocidad, y altura y potencia absorbida al acelerar, son conocidas como las Leyes de Afinidad.

Cambiando el diámetro del impulsor también cambia efectivamente al punto de trabajo en un sistema dado, y a bajo coste, pero esto puede usarse solamente para un ajuste permanente a la curva de la bomba.

Para sistemas donde predomina la fricción, reduciendo la velocidad de la bomba se mueve al punto de intersección a la curva del sistema a lo largo de una línea de eficiencia constante. El punto de operación de una bomba, relativo a su punto de mejor eficiencia, queda constante y la bomba continua operando en su región ideal. Las Leyes de Afinidad se cumplen, lo cual significa que hay una reducción sustancial en la potencia absorbida acompañando la reducción en caudal y altura, haciendo la velocidad variable el método de control ideal.

Es relevante indicar que el control del caudal por regulación de velocidad siempre es más eficiente que una válvula de control. Adicionalmente al ahorro energético, puede haber otros beneficios para disminuir la velocidad. Las fuerzas hidráulicas en el impulsor, creados por el perfil de presión en el interior de la carcasa de la bomba, se reduce aproximadamente con el cuadrado de la velocidad. Estas fuerzas son transportadas por los rodamientos de la bomba, de forma que reduciendo la velocidad se incrementa la vida de los rodamientos. Puede mostrarse que para una bomba rotodinámica, la vida de los rodamientos es proporcional a la séptima potencia de la velocidad. Adicionalmente, la vibración y el ruido se reducen y la vida del sellado se incrementa, probado que el punto de servicio queda dentro del rango de operación permisible.

Ver 2ª PARTE