“CRITERIOS GENERALES PARA
SELECCIONAR BOMBAS
VERTICALES DE POZO PROFUNDO
APLICADAS EN LA EXTRACCIÓN DE
AGUA.”
TESINA
PRESENTAN:
JUAN DANIEL ÁLVAREZ CHABELA
LUIS MANUEL ÁLVAREZ CHABELA
DIRECTOR DE TRABAJO RECEPCIONAL
ING. CÉSAR IGNACIO VALENCIA GUTIÉRREZ
POZA RICA, VER.
SEPTIEMBRE DE 2009.
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA
CAPITULO I: INTRODUCCIÓN
En cualquier industria, edificio, instalación o maquinaria late un pequeño “corazón”, que bombea líquidos, y de cuyo buen funcionamiento dependen importantes actividades.
La bomba centrífuga, teóricamente sencilla en su concepción y diseño, ofrece dificultades en su marcha y mantenimiento, que exige conocerla muy bien por parte de los operarios. Es decir, que deben adquirir una sólida formación en los problemas de marcha y de corrección preventiva de los fallos y averías.
El diseño en planta de la estación de bombeo, es particularmente importante en los casos en que hay otras bombas trabajando simultáneamente en la citada estación.
El paradigma del diseño de estaciones de bombeo para bombas verticales, es la creación de un reparto de caudal, que sea estacionario, uniforme y continuo.
Hay que evitar las interferencias de la máquinas, así como los funcionamientos viciados de la estación de bombeo en función del número de bombas que estén o no funcionando a la vez.
Una estación mal diseñada no sólo comporta problemas en el rendimiento hidráulico de la misma sino que además se producen vibraciones que disminuyen la vida de la máquina.
En una estación mal diseñada sólo se puede hacer una corrección para un mejor funcionamiento, mediante la variación de la obra civil que permita disminuir las velocidades de aproximación a la bomba, tanto como sea posible, y aumentar la separación entre ejes de las bombas a valores superiores a los determinados en el apartado anterior.
JUSTIFICACIÓN
El diseño de los pozos/estaciones de bombeo es una de las aportaciones más importantes de la empresa de ingeniería que diseña un sistema de riego, y por ende el trabajo más valorado como aportación para esta aplicación por un fabricante de bombas centrífugas.
Dentro de las estaciones de bombeo, y teniendo en cuenta que las más complicadas de definir son las que utilizan las bombas verticales de superficie, debemos indicar que son sustancialmente diferentes las diseñadas para bombas horizontales.
Así, centrándonos en aquellas que son el motivo de esta tesina, debemos decir que la dificultad del diseño de estas estaciones de bombeo, se basa en:
• La morfología de de las propias bombas:
(velocidades relativas altas y pasos de impulsor pequeños). • La poca acción de guiado del propio pozo
( la succión se produce en condiciones casi de remanso).
Ambas circunstancias afectan de forma muy importante a las características de las máquinas, a través de su rendimiento y, por tanto, su consumo energético. Por tanto, y teniendo en cuenta que el fabricante de bombas debe de participar en el diseño de la estación de bombeo, ya que puede aportar la información de “su” bomba en particular, es conveniente identificar los parámetros a tener en cuenta para definir la estación de bombeo de forma correcta:
submergencia de la máquina.
distancias fondo y a paredes circundantes. distancias de interferencia entre bombas.
diseño en planta de la estación: distribución de flujo de entrada y
circulación en el pozo.
caracterización del fluido: filtros y tamices. modelización de la estación de bombeo.
NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO
Las bombas centrífugas, frecuentemente, se consideran como componentes simples que se pueden insertar en circuitos más complejos. En realidad, es necesario prestar mucha atención a su configuración, que debe estar siempre relacionada con las características del sistema, con las necesidades de bombeo y con las exigencias específicas del usuario.
La individualización de una bomba a rodete exige un conocimiento profundo de las condiciones específicas de funcionamiento: quien construye bombas centrífugas debe saber calcular todas las informaciones útiles para el mejor proyecto hidrodinámico posible.
Para garantizar el uso correcto de las bombas verticales, es necesario que el usuario suministre al constructor detalles precisos sobre las aplicaciones específicas y en particular sobre los líquidos que tendrá que trasladar la bomba. Además, si es necesario garantizar que estas bombas trabajen bien y puedan ejecutar sus capacidades con eficiencia hay que prestar atención a las instalaciones de la bomba misma, para calcular los efectos de las condiciones de trabajo con líquido agresivo.
ENUNCIACIÓN DEL TEMA
Las bombas centrífugas son dispositivos tecnológicos cuyos antecedentes se pueden remontar a más de 1800 años. De hecho, uno de los más famosos inventos del matemático Griego Arquímedes (287-212 AC), fue su famoso “Tornillo de Arquímedes”, que es considerado como una bomba hidráulica primitiva.
Por muchos siglos el desarrollo de los dispositivos para impulsar agua, previos a las bombas centrífugas, fue realizado por medio de la empírica técnica. La ciencia de la hidráulica que dio el soporte para el desarrollo tecnológico de las bombas centrífugas se desarrolló intensivamente hasta después del Siglo XVIII. Hoy en día este conocimiento ha sido compendiado y reportado por varios autores.
La tecnología de las bombas verticales de pozo profundo actualmente se encuentra dentro de la Etapa No. 3 de Madurez y Difusión General de la Tecnología, según la propuesta del comportamiento del ciclo de vida de la tecnología. En esta etapa de su ciclo de vida, generalmente se dan innovaciones graduales masivas, lo que dificulta la evaluación del desempeño tecnológico de este tipo de dispositivos.
Las partes principales de las bombas verticales para pozo profundo son las siguientes:
cono de entrada,
tazón de acoplamiento, impulsor,
tazón de salida, flecha del impulsor y
accesorios diversos tales como:
acoplamientos, empaques, retenes, bujes y anillos.
El tamaño nominal de una bomba centrifuga se determina generalmente por: el diámetro interior de la brida de descarga,
el diámetro del impulsor y la velocidad del motor.
Los siguientes aspectos constructivos y de diseño son fundamentales en este tipo de bombas:
• Se usa el método de los triángulos de velocidad para el diseño y desarrollo de aspas de alta eficiencia el cual está basado en la ecuación de Euler, una de las ecuaciones fundamentales de la hidráulica.
• La innovación tecnológica en el diseño de impulsores ha sido intensa en este dispositivo, los cuales han sido cada vez más eficientes en términos de las velocidades de entrada y de salida hidráulicas.
• El impulsor cerrado tipo cónico de aspas radiales, es del tipo más utilizado actualmente.
• El análisis de similitud es parte fundamental del diseño de impulsores. Los fundamentos del tema de Análisis de similitud hidrodinámica de la Mecánica de Fluidos se atribuyen a Isaac Newton.
EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO
Este trabajo recepcional tiene como finalidad presentar los principales criterios para seleccionar bombas verticales y que a su vez pueda servir de guía y consulta para la comunidad universitaria de la Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica, así como al personal involucrado en los sistemas de bombeo de pozo profundo especialmente a aquellos que manejan las distintas técnicas y procedimientos para la selección de bombas verticales aplicadas a la extracción de agua.
La presente tesina se ha estructurado con un marco contextual que proporciona la información suficiente para ubicarse en el conocimiento de las bombas verticales de pozo profundo aplicadas a la extracción de agua.
Posteriormente se tiene el desarrollo del marco teórico, la información básica de los diferentes criterios de selección de bombas verticales, el cual se desglosa de la siguiente manera:
En primer lugar se describen los Conceptos Generales, en donde se explican ampliamente lo que son las fuentes de abastecimiento, las estaciones de bombeo de agua, así como lo referente al almacenamiento y calidad del agua.
En segundo lugar se expone el tema de la Hidrodinámica Básica, entendiendo diferentes definiciones, leyes de conservación y de afinidad, todas ellas aplicables a la selección de bombas verticales.
Continúa el trabajo recepcional explicando ahora la importancia de la Determinación de Cargas en un Sistema de Bombeo, que como ya se menciona, se engloban en cargas dinámicas y cargas estáticas, presentando con claridad este tema.
Después, el cuarto punto se dedica ya a describir e informar de la Selección de Bombas Verticales de Pozo Profundo, analizando lo correspondiente a las condiciones y requerimiento necesarios para aplicar algún método de selección. En quinto lugar se hace una presentación muy ilustrativa de la Descripción del Equipo de Bombeo, la cual trata de las diferentes secciones que componen en forma constructiva y operativa a las bombas verticales de pozo profundo,
Finalmente, dentro de éste marco teórico se desarrolla el tema de la Aplicación de Bombas Verticales de Pozo Profundo, presentando dos casos típicos, con diferentes condiciones para la extracción de agua.
Concluye la presente investigación documental con un Análisis Crítico de los Diferentes Enfoques, para así llegar a las Conclusiones y cerrar el tema.
CAPITULO II: DESARROLLO DEL TEMA
PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE LA INVESTIGACIÓN
Una bomba vertical de turbina con eje lineal está compuesta por cinco componentes básicos. Son estos componentes el conjunto de tazones, los tubos de la columna, los ejes lineales, el cabezal de descarga y la unidad motriz.
Conjunto de Tazones El conjunto de tazón, de una sola etapa, de la serie 7000 se compone de una campana de succión (o carcaza de succión) (suction case), un tazón intermedio e impulsor, y una carcasa de descarga. Las unidades de dos o más etapas incluyen una campana de succión, (o carcaza de succión), y múltiples tazones intermedios e impulsores correspondientes. No requieren carcazas de descarga las bombas multi-etapas construidas con eje lineal abierto. Se suministrarán carcazas de descarga para las bombas multi-etapas construidas con ejes lineales encerrados. Consúltese la sección de este manual acerca de conjuntos de tazones para obtener mayor información y descripciones más detalladas.
Tubería de Columna Puede obtenerse tubería de columna, bien sea, roscada o bridada para las bombas. Los tubos de columna roscados incorporan roscas cilíndricas (rectas) en ambos extremos de la columna y se juntan sólidamente dentro del acople (de unión). Las longitudes nominales estándar para los tramos de columna son de 5 pies, 10 pies y 20 pies (únicamente para ejes lineales encerrados). Los tubos de columna bridados incorporan encajes de pestaña para asegurar la alineación precisa de la columna y son aseguradas sus juntas por medio de tornillos. Existe disponibilidad de tubos de columna bridados en longitudes estándar de 10 pies o de 5 pies; o pueden suministrarse en cualquier longitud especial de hasta 10 pies.
Ejes Lineales El eje lineal de la turbina transmite la torsión desde la unidad motriz de la bomba hasta el conjunto de tazones de la bomba y gira dentro de la tubería de columna. Ambos extremos de cada tramo del eje lineal han sido maquinados a precisión y se aseguran un tramo con otro mediante acoples. Soportan este eje lineal una serie de cojinetes colocados a intervalos específicos; a continuación se hace la descripción de los tipos de cojinetes utilizados así como los métodos empleados para su lubricación:
A. Eje Lineal Abierto, Lubricado por el Producto Bombeado. Este diseño está dispuesto de tal manera que tanto el eje lineal como los cojinetes quedan expuestos a, y son lubricados por el líquido que está siendo bombeado. El eje lineal cuenta con soportes situados a intervalos no mayores de 10 pies entre sí, equipados con cojinetes que trabajan sobre camisas colocadas en el eje. Se emplean retenedores porta - cojinete (tipo araña) para el soporte de estos cojinetes. Queda acomodada y asegurada la circunferencia externa de cada retenedor (tipo araña) entre dos extremos de la columna.
B. Eje Lineal Encerrado. El eje lineal está rodeado por tubería en el diseño con eje lineal encerrado. Esta tubería protege, tanto al eje, como a los cojinetes del líquido bombeado y provee un canal para la lubricación de los cojinetes del eje. Los cojinetes están dotados con ranuras maquinadas en su diámetros interiores para permitir que fluya el lubricante desde un cojinete hacia el siguiente. Asimismo, se utilizan estos cojinetes, que son
roscados en su diámetro exterior, para conectar cada uno de los tramos de tubo de encerramiento de 5 pies en longitud, con el siguiente.
Normalmente se efectúa la lubricación con aceite o con agua proveniente de una fuente separada. Para fijar la tubería de encerramiento pueden utilizarse arañas de soporte dispuestas a intervalos desiguales, con la finalidad de reducir el riesgo de vibraciones.
Cabezales de Descarga Las múltiples funciones cumplidas por los cabezales de descarga incluyen: dirigir el flujo de la bomba desde la columna de la bomba hacia el sistema de la tubería de descarga, proveer un método para el sellamiento del eje lineal o para la tubería de encerramiento, proveer una base desde la cual queda suspendida la bomba, y provee una superficie de montaje para la unidad motriz. Los cabezales de descarga de superficie incorporan, tanto el codo de descarga, como también, el pedestal para la unidad motriz en una sola pieza. Puede suministrarse, también, un codo de descarga subterráneo, en cuyo caso se suministra un pedestal por separado para la unidad motriz. Puede suministrarse una conexión de descarga, bien sea, común y corriente, o bridada para cualquiera de los dos diseños. Es maquinada la superficie inferior del cabezal de descarga cuando es suministrado en conjunto con un plato base.
Unidades Motrices Con base en los requerimientos específicos de trabajo puede suministrarse una variedad de tamaños y tipos de unidades motrices. Las unidades motrices pueden tratarse de motores con ejes huecos verticales o con ejes sólidos verticales, o pueden tratarse de unidades motrices de eje horizontal acoplados a cajas de engranajes angulares a noventa grados (right angle gears). Normalmente se emplea una unidad motriz vertical equipada con eje hueco. Con esta configuración el eje lineal pasa a través de la unidad motriz, cuyo posicionamiento se hace con una tuerca de ajuste para acomodar el ajuste de los impulsores y donde dicho eje lineal es conectado a la parte superior de la unidad motriz por medio de una manzana o acople de mando enchavetado. Las unidades motrices equipadas con ejes sólidos requieren de la utilización de acoples ajustables especiales a fin de conectar el eje de la bomba y, a la vez poder acomodar el ajuste de los impulsores.
MARCO CONTEXTUAL
Las turbomáquinas son maquinas que transforman energía mecánica (P = M·w) en energía de fluido (P = φ·Q·H) o viceversa. Las turbomáquinas constan fundamentalmente de una rueda de álabes, llamada rodete, que gira libremente alrededor de un eje cuando pasa un fluido por su interior. La forma de los álabes es tal, que cada dos consecutivos forman un conducto que obliga al flujo a variar su cantidad de movimiento, lo que provoca una fuerza sobre dichos álabes.
En el rodete tiene pues una transformación de energía del flujo en energía mecánica o viceversa. En el primer caso sería turbomáquinas productoras de energía mecánica, o simplemente turbinas. En el segundo caso tenemos turbomáquinas consumidoras de energía mecánica.
A las productoras de energía mecánica, turbinas, pertenecen las turbinas hidráulicas, turbinas de vapor y turbinas de gas. A las consumidoras de energía mecánica pertenecen las bombas hidráulicas, los ventiladores y los turbocompresores.
En cuanto a la base de funcionamiento tenemos las bombas de desplazamiento y las bombas de intercambio de cantidad de movimiento. Las bombas de desplazamiento posen un contorno móvil que obliga al fluido a avanzar a través de la máquina. Tanto a la entrada como a la salida de estas máquinas existen unas válvulas que se abren y cierran alternativamente.
Por otro lado, las bombas de intercambio de cantidad de movimiento, como se ha comentado, forman parte de las turbomáquinas. Según la dirección del flujo a la salida del rodete, pueden subdividirse en los siguientes grupos:
Bombas centrífugas (salida perpendicular al eje) Bombas hélice (flujo paralelo al eje)
Bombas helicocentrífugas (flujo mixto)
Las bombas centrífugas elevan poco caudal de agua a una gran altura, se utilizan principalmente en el abastecimiento de agua. Su velocidad específica varía entre 10 y 100, consiguiéndose el mejor rendimiento con velocidad especifica 50.
Las bombas hélice (axiales) eleva mucho caudal a poca altura, son utilizadas en saneamiento, elevación de grandes trasvases y procesos industriales. Su velocidad específica varía entre 200 y 320, encontrando el mejor rendimiento con una velocidad específica de 250.
Las bombas helicocentrífugas trabajan entre ambos campos de aplicación, por lo que pueden utilizarse en cualquiera de estos campos con sus limitaciones. Su velocidad específica está comprendida entre 75 y 200, encontrándose el mejor rendimiento en las de velocidad específica 130.
Recordemos que la velocidad específica tiene carácter adimensional, fijándose con ella toda la familia geométricamente semejante en condiciones análogas de funcionamiento. Relacionan la velocidad angular de giro, el caudal trasvasado y la altura salvada.
Nos centraremos en las centrífugas, ya que son de clara aplicación a las necesidades de abastecimiento de agua desde sondeos. Las bombas centrífugas pueden clasificarse a su vez:
Bombas centrífugas horizontales. Bombas centrífugas verticales. Bombas centrífugas sumergidas.
Las bombas centrífugas horizontales hacen mención su nombre a la orientación de su eje. Ocupan más espacio que las bombas verticales. Son económicas y de fácil mantenimiento. Presentan problemas por descebado. Las bombas centrífugas horizontales se clasifican en:
Monobloc: Eje único para el motor y la bomba. Facilita la instalación y de menor coste del conjunto. En caso de avería dependemos del fabricante. Eje libre: Los ejes son distintos. Es necesario su acoplamiento. Hay que
prestar gran atención a la bancada y a la alineación de los ejes. Nos da libertad en la averías al poder independizar motor y bomba.
Las bombas centrífugas verticales se instalan con el eje en posición vertical. Usualmente la bomba va sumergida y el motor suspendido sobre una plataforma, estando ambos conectados a través de un eje de transmisión. Presenta graves problemas de alineamiento, precisamente conseguir una perfecta verticalidad es lo que determina la vida de estos equipos, y no deben de instalarse a más de 9 ó 10 metros. Las reparaciones son costosas.
Las bombas centrífugas sumergidas son equipos en los que el motor (estanco) y la bomba está unidos y sumergidos. Siempre está en carga y se pueden instalar en pozos profundos. Precisamente la instalación de este tipo de bombas es el objeto de estudio de esta ponencia.
Podemos encontrarnos bombas de cuerpo único o de cámara partida, la diferencia se encuentra si el acceso al rodete se realiza por la brida de aspiración, o por el contrario se encuentra seccionado por un plano horizontal a la altura del eje.
Como se ha indicado en la introducción tenemos que seleccionar equipos que cumplan con la máxima fiabilidad técnica y la mayor eficiencia económica.
La fiabilidad técnica viene a relacionar las posibilidades de avería del equipo. Por ser el agua un bien de muy primera necesidad, una avería en una instalación de electrobomba de un sondeo puede dejar desabastecida de agua una población, por lo que es responsabilidad del gestor del sistema de bobeo o servicio de suministro, el procurar la máxima fiabilidad de los equipos instalados.
Por otro lado debemos de procurar la máxima eficiencia económica, y ello se consigue con el mayor ahorro energético, directamente relacionado con el concepto de rendimiento.
FIGURA A: ESTRUCTURA DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA VERTICAL.
Recordemos que eficiencia es la capacidad de realizar una acción (en nuestro caso trasegar agua) con el menor gasto de recursos (energía). También habrá que tener en cuenta los gastos de mantenimiento y de adquisición de los equipos. Si tenemos en cuenta el costo que arroja una instalación de bombeo desde la adquisición de los equipos hasta el fin de su vida útil tenemos aproximadamente:
Gastos de adquisición de equipos: 2%. Gastos de mantenimiento: 5%. Gastos de energía: 93%.
Lo que nos indica donde debemos de hacer una mayor incidencia a la hora de seleccionar los equipos, en la eficiencia energética de los mismos. Vuelvo a recalcar que no debemos de olvidarnos de la fiabilidad técnica, ya que de ella dependerá la calidad y regularidad del suministro.
Se define rendimiento de una máquina como la relación (cociente) entre la potencia de salida de la máquina y la potencia de entrada. Dado que las máquinas tienen unas pérdidas, la potencia de salida es menor que la potencia de entrada, por lo que el cociente es siempre menor a la unidad (o menor al 100%). La curva altura-caudal nos indica la altura manométrica que proporciona la bomba en función del caudal impulsado. Esta curva nos muestra la capacidad de aplicar (es más propio decir transformar energía mecánica en energía de fluido) energía al fluido. Partiendo del balance de energía que constituye la ecuación de
Bernoulli, entre los puntos de entrada y salida de la bomba, y las perdidas hidráulicas existentes en el interior de la bomba, obtenemos:
H = A + BQ + CQ2
Es decir que las curva altura-caudal de cualquier bomba se asemeja a una parábola, sometida a una ecuación de segundo grado. Hay que tener en cuenta que las curvas de las bombas se determinan para una velocidad angular (rpm) determinada, al variar esta velocidad las curvas han de ser modificadas.
Para el proyectista o diseñador de la instalación, así como para su gestor, necesita conocer la curva rendimiento-caudal. Para ello hay que efectuar una análisis cualitativo de las pérdidas existentes en bombas. Tenemos las perdidas hidráulicas (fricción o choque) antes mencionadas además de las pérdidas por fugas y las mecánicas. Obtenemos:
η = EQ + FQ2
Vemos que el rendimiento se semeja también a una curva definida por ecuación de segundo grado sin término constante.
Tenemos dos curvas más, que de igual modo deben ser aportadas por el fabricante, la curva potencia-caudal, en la que se relaciona la potencia absorbida en función del caudal, y la de Altura Neta Positiva de Aspiración Requerida-caudal. La altura neta positiva de aspiración requerida, NPSHr (del inglés Net Positive Suction Head), es la energía en altura que necesita la bomba a la entrada para hacer el recorrido desde esa entrada hasta el punto de mínima presión, en que comienza a recibir energía, sin que aparezca la cavitación. Ese punto de energía mínima se encuentra inmediatamente después de la entrada al impulsor, en la parte cóncava de los álabes.
Para la selección de una bomba debemos de conocer en primer lugar una serie de datos, a saber:
Caudal de diseño: Es el caudal que queremos extraer del sondeo, siendo este compatible con el aforo del mismo.
Nivel estático del sondeo: Es la distancia medida desde la boca del sondeo a la lamina de agua, una vez ha estado en reposo un tiempo prudencial. Nivel dinámico del sondeo: Es la distancia medida desde la boca del
sondeo a la lamina de agua, impulsado el caudal de diseño. Este dato se obtiene del aforo del sondeo.
Diámetro del sondeo: Es el diámetro del sondeo.
Profundidad del sondeo: Es la profundidad total del sondeo medida desde la boca del sondeo.
Tensión de alimentación: Es la tensión a la que disponemos la energía eléctrica.
Altura elevación: Es la altura a la que proyectamos elevar el agua desde la boca del sondeo.
Diámetro de la impulsión: Es el diámetro del tubo de impulsión del sondeo.
Perdidas carga impulsión: Son las pérdidas de carga que el caudal de
diseño produce en el tubo de impulsión.
Perdidas menores: Son las pérdidas que introducen elementos como
Altura manométrica de la impulsión: Es la energía necesaria para elevar el
agua al punto proyectado desde la bomba, está formada por la suma del nivel dinámico del sondeo, las pérdidas de carga de la impulsión y las perdidas menores.
NPSHd: Es la altura, o energía, bruta disponible que tiene el flujo a la
entrada de la bomba. En la práctica podemos obtenerla como la distancia entre el primer rodete y la lamina de agua en dinámica, más 1,5 metros de seguridad.
Como se ha indicado el caudal será el compatible con el aforo. Es aconsejable extraer el caudal máximo, siempre que tengamos capacidad de regulación y almacenaje de agua, ya que de esta manera para un volumen determinado de necesidad de agua, podemos extraerla en horas donde el coste energético sea mínimo.
En cuanto a la altura de elevación esta será la suma de la altura geométrica (diferencia entre la cota del nivel de la lamina de agua del sondeo y el punto a abastecer), la altura necesaria al final de la conducción como presión, y por último las pérdidas de carga.
Las pérdidas de carga se deben tanto a la conducción como elementos insertados en la red (codos, válvulas, etc.). Las pérdidas de carga en la tubería es directamente proporcional a la longitud de la tubería, al cuadrado del caudal, al factor de fricción e inversamente proporcional al diámetro. En este punto debemos observar el diámetro económico de la conducción descrito en el capítulo de instalación hidráulica.
Una vez conocidos estos datos, la selección de la bomba se centra en buscar la bomba, de sección acorde al sondeo, que en su curva altura-caudal contiene nuestro punto de funcionamiento (caudal de diseño y altura manométrica de impulsión), y a su vez en la curva de rendimiento-caudal, el caudal de diseño arroja el rendimiento máximo. Debemos de comprobar que el NPSHd es mayor que el NPSHr.
Además es importante tener en cuenta la relación entre la sección útil del sondeo en el punto de instalación de la bomba y la de la propia bomba, ya que el agua que circula entre la pared del sondeo y la superficie exterior del motor de la bomba ha de cumplir un caudal mínimo para que se produzca la adecuada refrigeración del motor, en caso contrario se deberá instalar al motor unas camisas de refrigeración. Si tomamos como diámetros tipos pares de pulgadas (4”, 6”, 8”, 10”, 12”, 14”, 16”), la bomba seleccionada será de al menos un diámetro menor que el diámetro del sondeo. Como la capacidad de refrigeración del agua depende de la velocidad, a medida que haya mayor diferencia entre el diámetro del sondeo y el de la bomba el caudal deberá de ser mayor, siendo este caudal el extraído por la bomba. Las velocidades mínimas son del orden de entre 8 cm/s y 16 cm/s.
Ante la existencia de varias bombas semejantes que cumplen estas premisas, debemos reflexionar acerca de la posible evolución del sondeo, en lo que el caudal que en el futuro será posible extraer y la evolución del nivel dinámico.
MARCO TEORICO
1.1 FUENTES DE ABASTECIMIENTO.
Desde el punto de vista del origen del agua que se consume, así como la población abastecida, los sistemas de abastecimiento de agua para el consumo humano pueden ser clasificados en:
1.1. A. Sistemas individuales:
* de aguas subterráneas (pozos y manantiales) * de aguas superficiales (ríos, arroyos, lagos) * de aguas de lluvia (cisternas o aljibes)
Clasificación de los pozos. Según sea el origen del agua que captan y el procedimiento seguido para su construcción, los pozos pueden clasificarse como: - Los que captan el agua del manto freático (pozos rasos, freáticos o someros):
* excavados (más de 0,80 m de diámetro) * perforados o tubulares (entre 0,05 y 0,40 m)
- Los que captan el agua del manto profundo (pozos profundos). 1.1. B. Sistemas públicos: acueductos
Las partes fundamentales que constituyen un sistema público de abastecimiento de agua son las que se exponen a continuación:
- Fuente de abasto - Captación
- Conductora: por bombeo o por gravedad - Almacenamiento (tanques)
- Planta de tratamiento - Red de distribución - Acometida domiciliaria
Fuente de abastecimiento. Cuerpo de agua de que se sirve un acueducto o sistema individual para el suministro a una comunidad u otros usos, mediante órganos de captación.
Conductora. Tubería cuya función es hacer posible la circulación del agua de un acueducto desde su captación hasta los demás órganos del sistema. En algunos países se le denomina tubería maestra.
Planta de tratamiento. Órgano de un sistema de acueducto que se instala con el propósito de mejorar la calidad del agua desde el punto de vista sanitario, estético y económico, de manera que sea apta para el uso previsto
poblaciones, hasta los puntos donde se instalan las tomas o acometidas que la llevan al interior de las viviendas y otros locales.
Sistema de distribución celular. Es un sistema de abastecimiento que fue delimitado para suministrar a un número determinado de casas y que tiene una sola entrada de agua para su medición.
Está formado por:
- Un tanque de almacenamiento cuya altura oscila entre los 14 y 20 metros - Un macro medidor o punto de control en el tanque de almacenamiento. - Una red secundaria que abastece a cada una de las tomas domiciliarias. - Toma domiciliaria.
El agua que llega al tanque de abastecimiento por uno o más pozos a través de las redes primarias de agua potable. Se instalan macro medidores electromagnéticos de alta tecnología que puede medir caudales mínimos nocturnos. La red secundaria de cada célula es capaz de abastecer cada una de la toma domiciliaria, y pueden abastecer de 1000 a 3000 casas.
Las tomas domiciliarias son el último componente del sistema célula. Estas están en cada casa y su función es proveer agua y medir el consumo en forma individual. Estas tomas se componen de una llave de paso y un medidor para caudales pequeños.
Alcantarillado. Está conformado por una red de tuberías y registros o pozos de visita que, de acuerdo a su función, se dividen en subcolectores, captan el agua residual de una zona determinada (fraccionamiento, parque industrial, etc.) para enviarla a los colectores, los cuales son redes de mayor capacidad y a su vez la conducen a los emisores, para finalmente depositarla en las plantas de tratamiento.
Recolección Pluvial. La red de recolección pluvial es la infraestructura que permite captar y conducir las aguas provenientes de las lluvias, para ser desalojadas y descargadas en sitios destinados para ello. Esta red está compuesta de colectores pluviales, drenes a cielo abierto y bordos.
Los colectores pluviales captan el agua de una zona determinada y la conducen a los drenes para ser desalojada. Los bordos son obras en los cuales se contiene y almacena el agua de escurrimientos y una vez que están llenos, mediante un sistema controlado, la conduce por los drenes para su desalojo
1.2 ESTACIONES DE BOMBEO. 1.2.1 Gastos de Bombeo.
La estación de bombeo trabajará con un gasto máximo igual al del día de máximo consumo y se deberán considerar capacidades de bombas para los gastos mínimo y menores que el máximo, mientras que se llega al periodo de diseño. Los equipos de bombeo pueden ir aumentándose a medida que lo requieran las necesidades.
1.2.2 Cargas de Bombeo.
Deberá obtenerse y analizarse la información relacionada con la Carga Dinámica Total (CDT): alturas de succión y descarga y alturas totales, estáticas y dinámicas, que se tendrán bajo las diferentes condiciones de bombeo.
1.2.3 Requisitos de Potencia (teórica).
Los requisitos de potencia son el producto de los gastos y altura de bombeo, considerando la eficiencia de los equipos. La fórmula principal para estimar la potencia teórica necesaria para los motores, es la siguiente:
Pot (HP) = QH / Kη
Donde:
HP = Potencia necesaria (en caballos).
Q = Gasto, en litros por segundo, o galones por minuto.
H = Carga dinámica total, en metros columna de agua (mca) o en pies. K = Coeficiente de conversión: 76 para Sistema Métrico, 3960 para Sistema
Inglés.
η = Eficiencia del equipo de bombeo:
Bombas chicas ¾” a 2” de succión 30 – 50% Bombas medianas 2” a 6” de succión 50 – 75% Bombas grandes 6” o mayores 75 – 80% 1.2.4 Tipo y Número de Bombas.
Los diferentes tipos de bombas que existen en la industria, son de características tan variadas que rebasan, con mucho, los alcances del presente documento, por lo que a continuación se presenta su clasificación, considerando únicamente las de mayor utilización, en los sectores de agua potable, aguas negras y pluviales que son de tipo centrífuga.
1.2.4. A. Clasificación de las bombas por el tipo de succión.
Las Bombas, de acuerdo con su tipo de succión, se pueden clasificar en : Simple Succión.
Doble Succión.
TABLA DE CLASIFICACIÓN DE BOMBAS
Clasificación de las bombas por su dirección de flujo. Bombas de Flujo Radial.
Bombas de Flujo Axial. Bombas de Flujo Mixto.
Clasificación de las bombas por la posición de su flecha. Bombas horizontales.
Bombas verticales.
Bombas con motor sumergido.
Para la selección de cada tipo de bomba, deberán tomarse en cuenta los siguientes factores: a) Succión b) Numero de pasos. c) Tipo de impulsores. d) Curvas características. e) Velocidad.
f) Sumergencia, carga neta positiva de succión (NPSH), g) Estudio de cavitacion si fuera necesario.
El número de bombas a instalar dependerá del gasto, sus variaciones y seguridad del sistema, con un mínimo de dos bombas para el 100% del gasto de proyecto cada una. Inclusive en sistemas de abastecimiento para grandes poblaciones se aconseja tener un equipo de bombeo para manejar el 200% del gasto de diseño de la estación. Este valor puede reducirse pero en general es conveniente un valor mínimo de 150%, con tres bombas, cada una para el 50% del gasto de diseño. Flujo Radial Flujo Mixto Flujo Axial Simple Succión Doble Succión
Simple Succión Unipaso
Multipaso Unipaso Multipaso
Cebadas p/medios externos Imp. Abierto Imp. Cerrado. Imp. Semiabierto
1.2.5. Características del Cárcamo de Bombeo.
Pueden ser de una sola cámara o de dos; alturas de succión; accesos. SUCCIÓN MÁXIMA A DIFERENTES ALTITUDES
Altura sobre el nivel del mar
Presión barométrica, Kg/cm2 Altura equivalente m de agua Succión máxima disponible de las bombas m. 0 1.033 10.33 7.60 400 0.966 9.86 7.30 800 0.938 9.38 7.00 1200 0.890 8.90 6.40 1600 0.845 8.45 6.10 2000 0.804 8.04 5.80 2400 0.765 7.65 5.50 3200 0.695 6.95 5.20
1.2.6. CLASIFICACION Y TIPOS DE ESTACIONES DE BOMBEO.
Se acostumbra clasificar las estaciones de bombeo en primarias y secundarias. Las estaciones primarias toman el agua de alguna fuente de abastecimiento o de algún cárcamo, y la elevan a otro almacenamiento, al tratamiento, a la red directamente o a una combinación de ellas.
Las estaciones secundarias mejoran las condiciones de una primaria incrementando presión o gasto, pero con la alimentación de una estación primaria. 1.2.6. A. Tipos Básicos.
Las estaciones primarias pueden construirse básicamente de dos tipos: a) Estaciones de dos cámaras.
b) Estaciones de una cámara.
1.2.6. A. a. Estaciones de dos cámaras. Se consideran dos cámaras o cárcamos. En uno se tendrá la entrada del agua y un deposito que sirva para conectar la succión; en el otro, que se denomina cámara seca, se colocan los equipos de bombeo. La primera cámara puede no existir como tal, sino que puede ser simplemente una fuente natural.
1.2.6. A. b. Estaciones de una cámara. Generalmente se usan para bombas de eje vertical o sumergible y consisten de una sola cámara donde se tiene la entrada del agua, el almacenamiento necesario y los equipos de bombeo, antes mencionados.
1.2.6. B. Dimensionamiento de las Cámaras Secas.
Las cámaras secas se dimensionaran de acuerdo con el número y dimensión de las unidades de bombeo a instalarse. Sin embargo, deberá considerarse el espacio para lo siguiente:
1. Válvulas y accesorios. 2. Controles eléctricos.
3. Amortiguadores de golpe de ariete. 4. Apoyos y atraques.
FIG 1.2: ESTACIÓN DE BOMBEO CON BOMBAS VERTICALES EN DOS CÁMARAS.
FIG 1.3: ESTACIÓN DE BOMBEO CON BOMBAS HORIZONTALES EN DOS CÁMARAS (GENERALMENTE CON CARGAS DE SUCCIÓN).
Las unidades se colocarán de modo que ocupen el mínimo espacio y debe considerarse la circulación entre unidades y el tamaño de las bases.
Cámara Húmeda Cámara Seca Cámara Seca Cámara Húmeda Succión Múltiple de Descarga
Las cámaras de succión (pozo húmedo) en estaciones de dos cámaras se dimensionaran según se tenga una instalación con carga de succión o altura de succión.
1.2.6. C. Cámaras con Carga de Succión:
a) Se debe considerar una altura mínima del agua de 1m sobre el eje de las bombas para asegurar que siempre estarán cebadas. En caso de bombas muy grandes, debe considerarse un mínimo de 0.50m por sobre la parte más alta de la carcasa de la bomba.
b) La longitud será la misma que la de la cámara seca.
c) Podrán quedar ambas cámaras adosadas con un muro común o
separado, dependiendo esto primordialmente del comportamiento del suelo.
d) El ancho será el mismo para asegurar un volumen que permita absorber fluctuaciones entre entradas y salidas de tal manera que las bombas no paren y arranquen con frecuencia. Un mínimo de 15 minutos puede considerarse aceptable aun cuando deberá tenderse a valores mayores.
1.2.6. D. Cámaras con Altura de Succión:
a) El nivel mínimo del agua en la cámara de succión se considerara en atención a :
• La carga neta positiva de succión para evitar cavitación, vibraciones y reducción en la capacidad y eficiencia.
• La altura mínima sobre la boca se succión para evitar la entrada del aire (valor común: más de 0.50m dependiendo del diámetro de la boca).
b) La longitud y el ancho se consideraran igualmente que en el caso anterior.
c) Las cámaras para bombas de eje vertical se dimensionarán de acuerdo
con: las dimensiones de los equipos; el volumen de compensación, y la altura mínima del agua para tener la sumergencia adecuada (dato del
fabricante).
FIG 1.5: CÁMARA CON ALTURA DE SUCIÓN.
La distancia entre el fondo del cárcamo y la campana de succión deberá ser como se indica en la figura 1.6.
FIG 1.6: DISTANCIA DEL FONDO DEL CÁRCAMO A LA CAMPANA DE SUCCIÓN. 1.2.6. E. Dimensionamiento de la Cámara Húmeda.
El dimensionamiento de un cárcamo depende del tipo de que se trate. En un cárcamo de flujo constante no es importante el volumen del mismo, aunque se deben guardar ciertas dimensiones geométricas (que son las que definen su volumen), ya que las cámaras no retienen ni regulan el gasto, puesto que el agua que entra es evacuada por las bombas inmediatamente.
En un cárcamo de tipo intermitente es muy importante el volumen que se retiene en la o cámaras de bombeo. Sin embargo, el dimensionamiento geométrico para un gasto normal de operación es el mismo para ambos tipos. Por otro lado, es conveniente diseñar un cárcamo cuyo volumen sea el mínimo posible, pero compatible con las condiciones adecuadas de operación.
Esto plantea la necesidad de establecer una relación conveniente entre dicho volumen, los caudales, el requisito de tiempo de retención, las características del equipo de bombeo y el programa de operación (tiempos de arranque y parada) de dicho equipo.
La duración mínima de un ciclo de bombeo se presenta cuando el caudal de entrada es exactamente igual a la mitad de la capacidad de la bomba; en estas condiciones la duración del tiempo en que está encendida la bomba es igual al tiempo en que permanece apagada. Si el caudal es mayor la bomba permanecerá encendida por más tiempo y viceversa; en ambos casos, la duración del ciclo es mayor que el mínimo.
Para bombas y motores grandes, T (duración mínima de un ciclo de bombeo en minutos) no debe ser menor que 20 minutos. Para bombas menores, T puede ser reducido a 10 minutos, aunque lo recomendable es 15 minutos.
Si esto conduce a un volumen excesivo de una estación de bombeo pequeña que tiene dos bombas idénticas, una de las cuales es de reserva, se puede reducir a la mitad el volumen del cárcamo operando las bombas en forma alternada, ya que esto ocasiona que el valor de T para el cárcamo sea la mitad del valor efectivo de T para el equipo.
En lo que se refiere a la capacidad de los equipos de bombeo, es conveniente asignar 2 equipos para cada capacidad (las bombas menores, serían destinadas a los caudales cercanos al mínimo) y operarlos alternadamente.
La determinación del volumen del cárcamo se hace en función de los tiempos de duración del ciclo de operación y de las capacidades de los equipos de bombeo. 1.2.6. F. Alternativas para calcular el volumen del cárcamo.
Análisis del diseño de un sistema de bombeo, que trabaja parando, las bombas) a nivel mínimo y arrancando cuando el agua alcanza el nivel máximo. Los valores límites que deben observarse son:
Variable Valor Límite Observaciones
tp (min).
Tiempo de paro en flujo mínimo 30 minutos Sesedimentación excesiva y requiere evitar septicidad.
Tf (min).
Tiempo de funcionamiento en
flujo mínimo. 3 a 5 minutos
K
Número de ciclos por hora en
flujo máximo 12 ciclos/hr
Se requiere evitar un número excesivo de arranques al motor.
1.2.7. Planteamiento de la Instalación.
El fabricante del equipo de bombeo deberá proporcionar todos los datos necesarios para poder plantear correctamente la instalación. Sin embargo, pueden hacerse anteproyectos de la estación utilizando catálogos o usando los datos de una bomba semejante a la que se pretenda instalar.
Una vez conocidas las características del equipo que se adquirirá, pueden hacerse los ajustes necesarios.
Una instalación puede estar incorrecta cuando afecta:
I. El consumo de potencia debido a perdidas por fricción, alta carga de velocidad y otras perdidas, sin afectar directamente la eficiencia de la bomba.
II. La eficiencia de la bomba debido a pérdidas hidráulicas, turbulencia,
vortices y/o entrada de aire en la succión.
1.2.7. A. Recomendaciones para una correcta instalación del equipo.
Es común que se de mayor importancia a la elección de la bomba y equipos de cebado sin consideración debida a la importancia de las tuberías y accesorios, lo que puede afectar la eficiencia de la estación. Por consiguiente, deberá tomarse en cuenta lo mostrado en la siguiente figura.
FIG 1.7: INSTALACIÓN INCORRECTA DE TUBERÍAS.
1.2.7. A.1. Reglas generales a considerar.
1. Nunca deberán usarse tuberías de diámetro menor que los diámetros de succión y descarga de la bomba, de preferencia mayores.
2. El diámetro de la tubería de succión será igual o mayor que el diámetro de la tubería de descarga.
3. Úsense reducciones excéntricas en la succión para evitar la formación de bolsas de aire. Las figuras 1.7 y 1.8 ilustran la instalación incorrecta y correcta, respectivamente.
FIG 1.8: INSTALACIÓN CORRECTA DE TUBERÍAS
4. Los aumentos y reducciones en la descarga y succión deberán graduales para que aseguren un escurrimiento eficiente y ahorro de energía.
5. Deben instalarse las tuberías de succión y descarga lo más directamente posible y con un mínimo de codos y otras piezas especiales.
6. La tubería de succión deberá ser colocada exactamente horizontal o con pendiente uniforme hacia arriba del cárcamo de succión hacia la bomba.
7. Nunca debe ponerse un codo en un plano horizontal directamente en la brida de descarga de la bomba. Entre el codo y la brida de succión úsese un tramo recto de por lo menos 4 a 6 veces el diámetro del tubo. Las figuras 1.9 y 1.10 muestran instalaciones incorrecta y correcta, respectivamente.
Un codo en las circunstancias desfavorables señaladas causa empuje desigual y pérdidas hidráulicas. Esto se debe a un mejor llenado de un lado de la cámara de succión y ojo del impulsor que en el otro.
FIG 1.9: INSTALACIÓN INCORRECTA
DE CODO EN PLANO HORIZONTAL. DE CODO EN PLANO HORIZONTAL.FIG 1.10: INSTALACIÓN CORRECTA
8. Siempre que sea posible, la reducción en la succión y el aumento en la descarga deberán instalarse directamente a las bridas de la bomba. Esto producirá las pérdidas hidráulicas que puedan afectar la eficiencia de la bomba. Esto producirá mejor conversión de la velocidad y reducirá las pérdidas hidráulicas que puedan causar válvulas o codos conectados directamente y que puedan afectar la eficiencia de la bomba.
9. Selecciónense tuberías, válvulas y piezas especiales de un tamaño tal que resulte económica la instalación.
En general, se puede decir que los diámetros pequeños aumentan el costo de bombeo, pero el costo inicial es menor; los diámetros grandes reducen el costo de bombeo, pero el costo inicial es grande.
10.Las instalaciones con codos verticales pueden hacerse como se indica en las figuras siguientes :
FIG 1.11: INSTALACIÓN RECOMENDADA DE CODO
VERTICAL.
FIG 1.12: INSTALACIÓN NO RECOMENDADA PERO PERMISIBLE DE CODO VERTICAL.
1.2.7. A.2. Requisitos en la succión.
1. Asegúrese que la presión absoluta sea mayor que la presión de vapor de agua.
2. Siempre que sea posible evítense las instalaciones con altura de succión. Cuando se tenga que hacer así, se deberá hacer el estudio de la altura de succión permisible.
1.2.7. A.3. Requisitos en la descarga.
1. Deberá instalarse una válvula de seccionamiento y una de retención junto a la bomba.
Colóquense la válvula de retención entre la bomba y la válvula de seccionamiento y después del aumento.
La válvula de retención protegerá la bomba contra sobrepresiones durante un golpe de ariete si se usa válvula de pie, y contra rotación contraria si no se usa válvula de pie.
2. La válvula de seccionamiento puede usarse para controlar el gasto de la bomba.
3. Los aumentos en la descarga son concéntricos.
4. Las conexiones al múltiple de descarga deberán ser similares a las que se recomiendan en el inciso anterior, considerándose obviamente el escurrimiento en sentido contrario.
5. En muchas ocasiones es necesario mantener el nivel en el cárcamo de succión. Si las salidas son mayores que las entradas podrán tenerse arranques y paradas frecuentes. Esto podría eliminarse con el uso de una derivación o paso lateral, conectando el múltiple de descarga con el cárcamo de succión intercalando una válvula de seccionamiento.
1.2.8. Materiales.
1. En general, las válvulas son de fierro fundido y requieren conexión con bridas.
2. Las piezas especiales pueden ser de acero, fierro fundido o fierro negro. 3. En general, se recomienda que los múltiples sean de acero con piezas
soldadas. Los múltiples de fierro fundido usados con conexiones con bridas pueden requerir la función de muchas piezas que no sean de fabricación estándar.
4. Las líneas de succión y descarga pueden ser de acero, fierro fundido y fierro negro.
1.2.9. Accesorios.
1. Juntas flexibles. En general, se usan juntas Gibault para conectar tuberías de fierro fundido y asbesto-cemento y juntas Dresser para tuberías de acero.
2. Atraques. Las tuberías deberán atracarse perfectamente y se deberá hacer el cálculo de la fuerza que actuará en ellas para lograr un diseño adecuado.
3. Provéanse las conexiones para el dispositivo amortiguador del golpe de ariete.
4. En las líneas de descarga habrá que colocar válvulas de entrada y alivio de aire en las crestas para evitar vacíos por rotura de la columna de agua y para eliminar aire acumulado.
FIG 1.13: INSTALACIÓN DE DESCARGA MEDIANTE MÚLTIPLE.
1.2.10. Consideraciones adicionales.
• Las bombas en instalaciones interiores se colocarán en lugares limpios, secos e iluminados.
• En instalaciones exteriores, lo importante es la elección apropiada del motor (a prueba de goteo, a prueba de polvo o ambas).
• Se proporcionará suficiente espacio para que, en un caso dado, se pueda desarmar la bomba.
• Para bombas grandes con carcasas y rotores pesados deberá preverse una grúa viajera o facilidades para colocar un polipasto.
• En estaciones interiores conviene tener un buen sistema de drenaje o un sumidero con bomba de achique.
• Las bases para apoyar bombas centrífugas operadas con motores eléctricos no requieren un análisis dinámico como sería el caso de apoyar bombas recíprocas, o bombas centrífugas operadas con motores de combustión.
• Para el caso más común, como bombas con motores eléctricos, las bases son cualquier estructura suficientemente pesada para proporcionar un soporte rígido al área total de la placa de apoyo y absorber cualquier esfuerzo y vibración normales.
• Las bases de concreto semienterradas son las más satisfactorias. Las dimensiones dependerán del tamaño del equipo y de las características del suelo.
• El fabricante proporcionará los dibujos necesarios para la localización de los pernos de anclaje.
La arquitectura y el acceso de una estación de bombeo deben ser atractivos y la operación no debe causar molestias a la vecindad. Deberá tenderse siempre hacia la construcción de estaciones estéticas, interior y exteriormente, con acceso libre al público.
Los materiales de muros, pisos, etc., deberán requerir poco mantenimiento (vitricotas, losetas de granito o vinílicas, etc.). La ventilación e iluminación, tanto natural como artificial, son especialmente importantes. Deberá pensarse en posibles modificaciones y expansiones.
Las estaciones situadas en áreas residenciales deberán, de preferencia, ser subterráneas y muy silenciosas. Si no es posible, la arquitectura deberá armonizar con la zona circundante.
El problema puede también resolverse con el uso de bombas sumergibles. Otros factores que influyen en el diseño son:
a) Existencia de taller, almacén, oficinas, baños, etc. b) La localización interior o exterior de la subestación. c) La localización de los tableros de control.
d) Las facilidades para mover los equipos.
e) La adecuada localización de los drenajes para evitar la contaminación del agua.
1.3. MOTORES ELÉCTRICOS.
La mayor parte de las bombas, ya sean de potables o de residuales, así como ventiladores y cintas de sistemas de depuración están accionadas por motores eléctricos.
Un análisis del ciclo de vida de los motores eléctricos muestra claramente que los costes de energía representan una gran proporción de los costes totales de operación (aproximadamente el 97%). Por esta razón, es necesario incluir criterios de eficiencia energética a la hora de adquirir nuevos motores o reemplazar algunos, ya que a través del ahorro de energía y la reducción de la demanda máxima podremos obtener ahorros considerables en los costes totales de operación de los motores.
La mejora de la eficiencia de estos motores es el producto de la reducción de pérdidas eléctricas y mecánicas debido a la mejor calidad de los materiales y construcción de los motores. Los motores más eficientes consumen un 2% menos de energía eléctrica en los tamaños grandes y hasta 5% menos en los tamaños pequeños. A primera vista puede parecer que este valor es pequeño, sin embargo, la vida útil del motor permite recuperar la mayor inversión inicial en un período corto (de 1 a 2 años) y seguir obteniendo ahorros durante los años posteriores.
1.3.1 ADQUISICIÓN DE UNA BOMBA.
A la hora de adquirir una bomba, es necesario considerar la eficiencia energética del motor, ya que con motores de alta eficiencia energética se consigue un ahorro de energía que compensa la inversión adicional derivada de la compra, además de presentar mayor vida operativa que los motores estándar.
Se ha de tener en cuenta que:
• A partir de 2.000 h de operación por año, los motores EFF1 son siempre más económicos.
• Para tiempos de operación cortos, los motores EFF2 son la mejor solución.
También hay que asegurarse de que el nuevo motor funciona a la misma velocidad que el reemplazado, porque las cargas de las bombas centrífugas son extremadamente sensibles a variaciones de velocidad; un incremento de sólo 5 rpm afecta al funcionamiento de la bomba, reduciendo la eficiencia y aumentando el consumo de energía.
1.3.2 REEMPLAZO DE LOS MOTORES DE LAS BOMBAS.
Es conveniente realizar un examen de los motores para identificar los que pueden ser reemplazados por otros de mayor eficiencia, con un período de retorno de la inversión corto. Este examen debe centrarse en los motores que excedan un tamaño mínimo y unas horas de operación al año. Así, un criterio típico de selección podría ser:
• Motor trifásico, de más de 10 kW de potencia. • Al menos, 2.000 h de operación al año.
• Carga constante. • Fácil acceso.
• Motores de eficiencia estándar viejos o rebobinados. Con estos criterios, los motores se pueden agrupar en tres categorías:
• Reemplazo inmediato: motores que ofrezcan rápidos períodos de retorno y aumento de la fiabilidad. Esto incluye motores que funcionen continuamente (8.000 o más horas al año).
• Reemplazo cuando se produzcan fallos: motores con período de retorno inmediato. Cuando estos motores fallen, se reemplazarán por motores más eficientes.
• Permanencia de la situación actual: motores con períodos de retorno largos. Estos motores son ya eficientes o funcionan menos de 2.000 h al año. Pueden ser rebobinados o reemplazados con un motor similar.
1.3.3 ARRANQUE DE LAS BOMBAS.
El arranque de las bombas debe hacerse de forma secuencial y planificada. Debe evitarse el arranque y operación simultánea de los motores (sobre todo los de mediana y gran capacidad), ya que aumenta el consumo de energía, por sobrecarga de líneas y caídas de tensión, además de obligar al propietario a contratar más potencia de la realmente necesaria.
1.3.4 DIMENSIONADO DE LOS MOTORES DE LAS BOMBAS
Los motores deben funcionar con un factor de carga entre el 65 % y el 100%. Los motores que operen a menos del 40% de la carga deben ser sustituidos. En las situaciones donde se requiera sobredimensionar debido a picos de carga, se considerarán estrategias alternativas, como un motor bien dimensionado, apoyado por un motor de arranque. El sobredimensionamiento de los motores da lugar a una menor eficiencia.
1.3.5 EQUILIBRIO DE LA TENSIÓN DE LAS FASES
El desequilibrio entre las fases no debe ser nunca mayor del 5% y se recomienda que sea inferior al 1 %. El desequilibrio de las fases provoca que las corrientes de las líneas estén desequilibradas, produciendo pulsaciones en el par, incremento de las vibraciones, aumento de las pérdidas, y sobrecalentamiento del motor. Esto hace que disminuya la eficiencia, el factor de potencia y la vida del motor, por lo que debe supervisarse regularmente las tensiones en los terminales de los motores.
1.3.6 PÉRDIDAS EN EL SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN
Es preciso identificar y eliminar las pérdidas en el sistema de distribución, realizando revisiones periódicas, con el fin de descubrir malas conexiones, defectuosas puestas a tierra, cortocircuitos, etc. Estos problemas son fuentes comunes de pérdidas de energía y reducen la fiabilidad del sistema.
1.3.7 RESISTENCIA DEL SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN
La sección de los conductores debe adecuarse a la corriente que circula por ellos, para minimizar la resistencia del sistema de distribución. Con esto se consigue que las pérdidas en la línea disminuyan, así como las caídas de tensión.
1.3.8 ALINEACIÓN DEL MOTOR CON LA CARGA IMPULSADA EN LA BOMBA.
Se debe verificar periódicamente la alineación del motor con la carga impulsada. Una alineación defectuosa puede incrementar las pérdidas por rozamiento y, en caso extremo, ocasionar daños mayores en el motor y en la carga.
1.3.9 LUBRICACIÓN DE LOS MOTORES
Debe aplicarse grasas o aceites de alta calidad de acuerdo a las especificaciones de fábrica para prevenir la contaminación por suciedad o por agua, así como instalarse equipos de control de la temperatura del aceite de lubricación. Una mala lubricación aumenta las pérdidas por fricción y disminuye la eficiencia.
1.3.10 REGULADORES DE VELOCIDAD EN LOS MOTORES DE INDUCCIÓN. Debido a las variaciones en las necesidades de producción o uso en todo tipo de instalaciones, que funcionan a base de motores eléctricos, no siempre es necesario o justificado que éstos trabajen al máximo de su velocidad y régimen de potencia nominal. Normalmente, se debería aplicar la regulación de velocidad a los siguientes tipos de mecanismos:
Mecanismos con carga de Par Cuadrático Bombas centrífugas Ventiladores Compresores etc El par de cargas es proporcional al cuadrado de la velocidad y la potencia eléctrica demandada al cubo de la misma. Ahorro máximo. Mecanismos con carga de Par Lineal Máquinas de procesos mecánicos (pulidoras). Máquinas de tratamiento de la piel. El par de cargas es proporcional a la velocidad, y la potencia eléctrica demandada lo es al cuadrado de la misma. Mecanismos con carga de Par Constante Ascensore s Puentes-grúa Laminador as El par de carga es independiente de la velocidad y la potencia eléctrica demandada es Mecanismos con carga de Potencia Cuadrática Máquinas herramientas (tornos, máquinas bobinadoras, fresadoras etc) El par de carga es inversamente proporcional a la velocidad y la potencia eléctrica demandada es independiente de la velocidad. TABLA 2: APLICACIONES DE REGULACIÓN DE VELOCIDAD SEGÚN TIPO DE MECANISMO Un caso muy adecuado para la utilización de reguladores electrónicos de velocidad es el accionamiento de bombas, ventiladores y grupos electrógenos. Este tipo de equipos y máquinas están bastante extendidos en los sistemas gestionados por las corporaciones locales.
En estos mecanismos (con cargas de par cuadrático), la carga es proporcional al cuadrado de la velocidad y la potencia eléctrica demandada lo es al cubo de la velocidad. En estos mecanismos el ahorro es máximo.
Para disminuir la potencia consumida por un motor, ha de adaptase la velocidad del mismo en cada momento según necesidades.
Los reguladores electrónicos de velocidad están formados por circuitos electrónicos de potencia que transforman la energía eléctrica de frecuencia industrial en energía eléctrica de frecuencia y tensión variables. Pueden ser de dos tipos:
• Circuitos con transistores de potencia (PWM). Es la tecnología más usada y se utiliza preferentemente para potencias menores de 100 kW.
• Circuito con tiristores (CSI). Se utilizan preferentemente para potencias mayores de 200 kW.
1.3.10. a. Ventajas que aporta el regulador de velocidad:
Energéticas
• Un consumo de los motores ajustado a la demanda real de la producción.
• Amortiguación de las puntas de demanda de potencia en los arranques. • La reducción de la carga de las líneas de distribución eléctrica en la
planta (6%).
Técnicas:
• Disponibilidad de una amplia gama de velocidades para responder a todas las demandas del proceso sin recurrir a medios mecánicos (válvulas de estrangulamiento, by-pass, etc.).
• Reducción de los problemas de reparación y mantenimiento de los equipos al poder utilizar motores de corriente alterna (más sencillos y robustos que los de corriente continua utilizados hasta ahora).
• Procesos de arranque y parada de las máquinas más suaves y controlados, provocando menores picos de intensidad en los arranques y eliminando los golpes de ariete en las instalaciones hidráulicas de bombeo.
Económicas:
• Ahorro de energía producido al elevar el rendimiento del motor.
• Menor inversión inicial de coste entre el motor de alterna, al de continua. • Reducción costes de mantenimiento e instalación, tanto en costes
directos como indirectos por parada en proceso de producción.
• Mejora del factor de potencia debido a la presencia de rectificadores que se comportan como baterías de condensadores.
1.3.11. PRINCIPALES FORMAS DE VARIACIÓN DE VELOCIDAD QUE TIENE SU ORIGEN EN LOS MOTORES ELÉCTRICOS.
• Motor trifásico de C.A. con rotor en cortocircuito aplicado a diferentes procedimientos de regulación de velocidad y accionamiento. • Motor trifásico de C.A. con rotor bobinado.
• Motor trifásico de C.A. con rotor en c/c, con variación de velocidad por variador de frecuencia.
• Motores de varias velocidades de C.A.
• Motor de C.C.: de excitación independiente, de excitación en serie, de excitación derivación, de excitación compuesta.
• Motores especiales: motores paso a paso, Motores tipo brushless, motor universal, otros.
1.3.12. CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA EN MOTORES.
El factor de potenciase corrige mediante condensadores. El hecho de disponer de una batería centralizada de condensadores, no evita que los efectos de un bajo factor de potencia se manifiesten en el tramo de línea que va desde la batería al motor. Si se sitúan los condensadores junto al motor, se descarga el conductor desde ese punto hacia atrás y, por lo tanto, se reducen las pérdidas en la línea interior.
En los casos de corrección localizada de motores, puede hacerse que el elemento de maniobra del motor, conecte al mismo tiempo los condensadores. Tan solo habrá que observar algunas precauciones en su conexión, para evitar auto excitaciones del motor causadas por los condensadores, cuando se desconecta la tensión del motor.
1.4 ALMACENAMIENTO.
Los sistemas de almacenamiento tienen como función suministrar agua para consumo humano a las redes de distribución, con las presiones de servicio adecuadas y en cantidad necesaria que permita compensar las variaciones de la demanda. Asimismo deberán contar con un volumen adicional para suministro en casos de emergencia como incendio, suspensión temporal de la fuente de abastecimiento y/o paralización parcial de la planta de tratamiento.
1.4.1. ASPECTOS GENERALES
Determinación del volumen de almacenamiento. El volumen deberá determinarse con las curvas de variación de la demanda horaria de las zonas de abastecimiento ó de una población de características similares.
Ubicación. Los reservorios se deben ubicar en áreas libres. El proyecto deberá incluir un cerco que impida el libre acceso a las instalaciones.
Estudios Complementarios. Para el diseño de los reservorios de almacenamiento se deberá contar con información de la zona elegida, como fotografías aéreas, estudios de: topografía, mecánica de suelos, variaciones de niveles freáticos, características químicas del suelo y otros que se considere necesario. Vulnerabilidad. Los reservorios no deberán estar ubicados en terrenos sujetos a inundación, deslizamientos ú otros riesgos que afecten su seguridad. Caseta de Válvulas. Las válvulas, accesorios y los dispositivos de medición y control, deberán ir alojadas en casetas que permitan realizar las labores de operación y mantenimiento con facilidad.
Mantenimiento. Se debe prever que las labores de mantenimiento sean efectuadas sin causar interrupciones prolongadas del servicio. La instalación debe contar con un sistema de “by pass” entre la tubería de entrada y salida ó doble cámara de almacenamiento.
Seguridad Aérea. Los reservorios elevados en zonas cercanas a pistas de aterrizaje deberán cumplir las indicaciones sobre luces de señalización impartidas por la autoridad competente.
1.4.2. VOLUMEN DE ALMACENAMIENTO
El volumen total de almacenamiento estará conformado por el volumen de regulación, volumen contra incendio y volumen de reserva.
Volumen de Regulación. El volumen de regulación será calculado con el diagrama masa correspondiente a las variaciones horarias de la demanda. Cuando se comprueba la no disponibilidad de esta información, se deberá adoptar como mínimo el 25% del promedio anual de la demanda como capacidad de regulación, siempre que el suministro de la fuente de abastecimiento sea calculado para 24 horas de funcionamiento. En caso contrario deberá ser determinado en función al horario del suministro.
Volumen Contra Incendio. En los casos que se considere demanda contra incendio, deberá asignarse un volumen mínimo adicional de acuerdo al siguiente criterio:
