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| Selección de bombas individuales |
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.
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.
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| 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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