04 mayo 2014

Operación de bombas centrífugas en un sistema



En este nuevo artículo dedicado a las bombas centrífugas explicamos como operan las bombas en un sistema y cómo pueden regularse.
Una bomba siempre se conecta a un sistema donde debe circular o elevar un fluido. La energía añadida al fluido por la bomba es en parte perdida como fricción en el sistema de tubería o usado para incrementar la altura.
Implementando una bomba en un sistema da como resultado un punto de operación común.  Si varias bombas se combinan en la misma aplicación, la curva de la bomba para el sistema puede encontrarse añadiendo las curvas de las bombas en serie o paralelo. Las bombas reguladas ajustan el sistema cambiando la velocidad rotacional. La regulación de velocidad se usa especialmente en sistemas térmicos donde la necesidad de calor depende de la temperatura ambiente, y en los sistemas de abastecimiento de agua donde la demanda de agua varía con la apertura y cierre de grifos de consumo.

Bombas simples en un sistema
La característica de un sistema se describe por una parábola debido a que las pérdidas por fricción se incrementan con el cuadrado del caudal. La característica de un sistema se describe por una parábola pronunciada si la resistencia en el sistema es alta. La parábola se aplana cuando la resistencia decrece. Cambiando los ajustes de las válvulas en el sistema cambia la curva característica.
El punto de operación se encuentra donde la curva de la bomba y la característica del sistema se cruzan.
En sistemas cerrados, no hay altura cuando el sistema no está operando. En este caso la curva característica del sistema (Q,H) = (0, 0) se muestra en la figura con la que abrimos este artículo.
En los sistemas donde el agua se mueve de un nivel a otro, hay una diferencia de presión constante entre los dos depósitos, correspondiendo a la diferencia de altura. Esto causa una altura adicional que la bomba debe superar. En este caso las características del sistema es (0, H) en vez de (0,0).
Bombas operando en paralelo
En sistemas con grandes variaciones en caudal en los que se busca una presión constante, dos o más bombas pueden conectarse en paralelo.
En sistemas con grandes variaciones en caudal en la que se busca  presión constante, pueden conectarse en paralelo dos o más bombas. Esto se ve a menudo en los sistemas de suministro más grandes o sistemas de circulación más grandes tales como los sistemas de calefacción centrales.
Las bombas conectadas en paralelo también se usan cuando se requiere regulación o si se necesita una bomba auxiliar. Cuando operan las bombas, es posible regular entre una o más bombas al mismo tiempo. Una válvula anti retorno se monta siempre en la línea de descarga para prevenir contraflujo a través de la bomba cuando no esté operando.
Las bombas conectadas en paralelo pueden ser también bombas dobles, en las que la cubierta de las bombas está fundida en la misma unidad, y en las que se integran las válvulas anti-retorno con una o más válvulas para prevenir el contraflujo a través de las bombas. Las características de un sistema conectado en paralelo se encuentra añadiendo las características simples para cada bomba horizontalmente.
Las bombas conectadas en paralelo se usan en sistemas de impulsión de presión, para suministro de agua y para suministro de agua en grandes edificios. Se consiguen ventajas operacionales en un sistema de aumento de presión colocando dos bombas en paralelo en vez de una de gran tamaño. El rendimiento total de la bomba usualmente sólo es necesario en un periodo limitado. Una bomba grande única en este caso típicamente operará a eficiencias más bajas. Para operar en el punto óptimo, una de las bombas conectadas en paralelo debe tener un control de velocidad variable.
Permitiendo que varias bombas lleven la operación, el sistema puede controlarse para minimizar el número de bombas operando y las bombas operarían en el punto de la mejor eficiencia. Para operar en el punto óptimo, una de las bombas conectadas en paralelo debe tener un control de velocidad variable.
Bombas operadas en serie
Las bombas centrífugas raramente se conectan en serie, pero un bombeo multietapa puede ser considerado como una conexión serie de bombas monoetapas. Sin embargo, las etapas simples en bombas multietapas pueden no estar desacopladas.
Si una de las bombas en una conexión serie no está operando, esto causa una considerable resistencia al sistema. Para evitar esto, un bypass con una válvula antirretorno puede estar integrada.
Regulación de bombas
No siempre es posible encontrar una bomba que se acople exactamente al rendimiento buscado. Sin embargo, las etapas simples en bombas multietapas no pueden desacoplarse.
Si una de las bombas en conexión serie no está operando, esto causa una considerable resistencia en el sistema. Para evitar esto, puede ser integrado un bypass con una válvula anti retorno. Los métodos más comunes son:


  1. Regulación por estrangulamiento, también conocido como regulación por expansión.
  2. Regulación bypass mediante una válvula de bypass.
  3. Regulación arranque/parada.
  4. Regulación de velocidad.
Hay también otros métodos de regulación, ej. ajuste de álabes, ajuste del impulsor y control de la cavitación.
Válvula reguladora
Instalando una válvula reguladora en serie con la bomba pueden cambiarse las características del sistema. Ver siguiente figura:

La resistencia en el sistema entero puede cambiarse ajustando la válvula y por lo tanto el caudal necesario. Un consumo de energía inferior puede a veces alcanzarse con una válvula de regulación. Sin embargo, todo depende de la curva de potencia y así la velocidad específica de la bomba. La regulación por este método es conveniente para bombas con una presión relativa alta comparada al caudal.
Regulación con válvula de bypass
Una válvula de bypass es una válvula de regulación instalada en paralelo a la bomba. Ver figura.

La válvula de bypass guía parte del caudal hacia atrás a la línea de succión y consecuentemente reduce la altura. Con una válvula de bypass,  la bomba transmite un caudal específico incluso aunque el sistema esté completamente cortado. Como con la válvula reguladora, es posible en algunos casos reducir el consumo energético. La regulación de bypass es una ventaja para bombas con poca altura comparada con el caudal.
Control de velocidad
Cuando la velocidad de una bomba se regula, las curvas QH, potencia y NPSH cambian. La conversión en velocidad se hace por medio de las ecuaciones de afinidad.
El índice A en las ecuaciones describe los valores iniciales, y el índice B describe los valores modificados.
Diferentes curvas de regulación pueden crearse basadas en la relación entre la curva de la bomba y la velocidad. Los métodos de regulación más comunes son el control de presión proporcional y el control de presión constante.
Control de presión proporcional
El control de presión proporcional se esfuerza en mantener la altura de la bomba proporcional al caudal. Esto se hace cambiando la velocidad en relación al flujo de corriente. La regulación puede realizarse a una velocidad máxima, desde ese punto la curva seguirá esta velocidad. La curva proporcional es una característica del sistema aproximada donde el caudal necesario y la altura pueden distribuirse según varias necesidades.
La regulación de presión proporcional se usa en sistemas cerrados tales como los sistemas de calefacción. La presión diferencial, ej. válvulas de radiador, se mantiene casi constante a pesar de los cambios en el consumo de calor. El resultado es un consumo de energía bajo por la bomba y un pequeño ruido de las válvulas.
Control de presión constante

Una presión diferencial constante, independencia de caudal, puede mantenerse por medio de control de presión constante. En el diagrama QH la curva de la bomba la curva de la bomba para un control de presión constante es una línea horizontal. El control de presión constante es una ventaja en muchos sistemas de suministro de agua donde los cambios en el consumo en  una llave no afectarán la presión en otras tomas del sistema.
Bibliografía
The Centrifugal Pump. Grundfoss Research and Technology

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