13 agosto 2012

Hidráulica de los sistemas de tuberías (5ª PARTE)



Selección de bombas individuales
Ver 4ª PARTE

a.      Selección de bombas

La optimización de un sistema de agua requiera una apropiada selección, operación, y mantenimiento de bombas. Durante el proceso de selección, el diseñador debe evaluar el acoplamiento entre el rendimiento de la bomba y debe anticipar problemas que se encuentran cuando la bomba arranca o para y cuando la tubería se llena o drena. El diseño debe también considerar el efecto de las variaciones en los requerimientos de caudal, y también anticipar problemas que se encuentran debidos a demandas futuras incrementadas.
La selección de una bomba para un servicio particular requiere acoplar los requerimientos del sistema con las capacidades de la bomba. El proceso consiste en desarrollar una ecuación de sistema aplicando la ecuación de la energía para evaluar la altura de bombeo requerida para superar la diferencia de elevación, fricción, y pérdidas menores. Para una bomba suministrando agua entre dos depósitos, la altura de la bomba requerida para producir una descarga dada puede expresarse como:

C es la constante que estudiamos al ver las pérdidas locales.
En la siguiente figura vemos la curva del sistema para una tubería con 82 m de altura de elevación y pérdidas de fricción moderadas. Si la elevación a un depósito es variable, entonces no hay una curva simple sino una familia de curvas correspondiendo a la elevación del depósito diferencial.
Las tres curvas de la bomba representan diferentes diámetros de impulsor. Las intersecciones de la curva del sistema con la curva de la bomba identifican el caudal en cada bomba que será suministrado si se instala en ese sistema. Para este ejemplo tanto la bomba A como la B son buena elección porque operan cerca de su rango de mejor eficiencia. La siguiente figura muestra la altura y caudal que una bomba B producirá cuando opere en un sistema de 97 a 450 L/m. La altura de succión positiva neta (NPSH) y potencia de freno (bhp) se obtienen como se muestra en la figura con la que abrimos el post.

El proceso de selección es más complejo cuando la demanda varía, ya sea por las variaciones en la elevación de la superficie del agua o por los requerimientos cambiantes de caudal. Si el sistema debe operar sobre un rango de elevaciones del depósito, la bomba se seleccionará de forma que la curva del sistema, basada en el nivel de agua medio, intercepta la  curva cerca del punto medio del rango de mejor eficiencia. Si la variación del nivel de agua no es demasiado grande, la bomba no será capaz de operar eficientemente sobre el rango de caudal completo.

b.      Operación simultánea de varias bombas

El problema de la selección de la bomba también es más difícil cuando se planifica para demandas futuras o si las bombas son requeridas para suministrar caudal variable. Si el rango del caudal es grande, pueden necesitarse múltiples bombas o variadores de frecuencia variable. La selección de múltiples bombas y la decisión de instalarlas en paralelo o serie depende de la cantidad de fricción en el sistema. Las instalaciones en paralelo son más efectivas para los sistemas de baja fricción. Las bombas serie trabajan mejor en sistemas de alta fricción.
Para operación de bombas en paralelo la curva de dos bombas combinada se construye añadiendo el caudal de cada bomba. Tal curva la vemos en la siguiente figura. La intersección de la curva de dos bombas con la curva del sistema identifica el caudal combinado para las dos bombas. La eficiencia de la bomba para cada bomba viene determinada proyectando horizontalmente a la izquierda para interceptar la curva de bomba simple. Por ejemplo, una bomba C, cuando opere por sí misma, tendrá una eficiencia del 83 %. Con dos bombas operando la eficiencia será del 72 %. Para las dos bombas operando de la forma más eficiente, la selección se hará de forma que la curva del sistema intercepta la curva de la bomba simple a la derecha de su punto de mejor eficiencia.
Selección de bombas en paralelo

Cuando una bomba comienza a llenar una tubería vacía se rellenará muy rápidamente porque inicialmente hay poca fricción para formar contrapresión. Como resultado, la bomba operará con un caudal bien por encima del caudal de diseño. Esto puede causar cavitación en la bomba,  pero el problema más serio es la posibilidad de aparecer las altas presiones generadas por un rápido relleno de la tubería. Se harán provisiones para controla la tasa de relleno a un nivel seguro. Los transitorios de arranque a menudo se controlan arrancando la bomba contra una válvula de descarga parcialmente abierta localizada cerca de la bomba y usando una línea de bypass alrededor de la bomba. Esto permite que el sistema se llene lentamente y con seguridad. Si la tubería queda llena y no se atrapa aire, después del llenado inicial, el arranque subsecuente de las bombas generalmente no crea ningún problema serio. Válvulas de liberación de aire adecuadas deben instalarse para liberar el aire en baja presión.
 Para algunos sistemas, parar la bomba, ya sea intencionalmente o accidentalmente, puede generar altas presión que pueden dañar la tubería y los controles. Si el proceso de diseño no considera estos problemas potenciales, el sistema puede no funcionar libre de problemas. No todos los sistemas experimentarán problemas de arranque y parada. El problema es más severo para tuberías que tienen un gran cambio de elevación y puntos altos múltiples. La magnitud de los transitorios está relacionada con la longitud y perfil de la tubería, las características de la bomba, la magnitud de los transitorios está relacionada con la longitud y perfil de la línea de tubería, las características de la bomba, la magnitud del cambio de elevación, y el tipo de válvula de control usado. Las subtensiones transitorias causadas por parar la bomba puede causar separación de columna y altas presiones debidas a la inversión del caudal y cierre de las válvulas de control.
Otro problema operacional ocurre cuando trabajan varias bombas en paralelo. Cada bomba debe tener una válvula de control para prevenir el caudal inverso. Cuando una bomba se apaga, el caudal se invierte casi inmediatamente en la línea debido a la presión del colector de alta presión suministrada por las bombas en operación. Esto causa que la válvula de control se cierre. Si se instala una válvula de control de cierre lento, el caudal puede alcanzar una velocidad inversa antes de que la válvula se cierre, generando transitorios de presión altos.
Numerosos dispositivos mecánicos y técnicas se han desarrollado para suprimir los transitorios en el cierre de las bombas. Estos incluyen incrementar la inercia rotacional de la bomba, usar depósitos de amortiguación o cámaras de aire cerca de la bomba, válvulas de alivio de presión, válvulas de rotura de vacío, y válvulas de anticipación de sobrevoltaje. La selección del dispositivo apropiado para controlar los transitorios mejorará fiabilidad, extenderá la vida del sistema y se reducirá el mantenimiento.

Bibliografía

Ed. Frank Kreith. The CRC Handbook of Thermal Engineering. Boca Raton: CRC Press LLC, 2000
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