capitulo2 metodos regulacion caudal bombas centrifugas
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7/13/2019 Capitulo2 Metodos Regulacion Caudal Bombas Centrifugas
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METODOS DE REGULACION DE CAUDAL EN
BOMBAS CENTRIFUGAS
Los procesos productivos de las empresas requieren condiciones de bombeo diferentes a las
del caudal nominal, por lo tanto, es necesario aplicar algn tipo de control o regulacin de caudal.
Los mtodos de regulacin de caudal utilizados con mayor frecuencia se basan en:
1. Regulacin del caudal por estrangulacin de presin.
2. Regulacin del caudal por recirculacin de flujo o by-pass.
3. Regulacin del caudal por variacin de velocidad de la bomba.
4. Arranque y parada de la bomba.En este captulo se har descripcin breve de los mtodos enumerados anteriormente y de
las curvas caractersticas de carga ( [m]H ) v/s caudal ( 3[m /s]Q ), a travs de las cuales es fcil
interpretar el comportamiento de la bomba en cada caso.
2.1 CURVAS CARACTERISTICAS DE UNA BOMBA CENTRIFUGA
En el anlisis de cualquiera de los mtodos de regulacin de caudal, es necesario conocer
un conjunto de curvas que caracterizan completamente el funcionamiento de una bomba,
conocidas como curvas caractersticas de la bomba (Figura 2.1), las cuales se pueden
obtener en forma experimental o partir de la informacin del fabricante.
Fuente: CARS-2013
Las curvas caractersticas de una bomba contienen la siguiente informacin general:
Figura 2.1Curvas caractersticasde una bombacentrfuga.
2
Carga esttica total
Caudal 3[m /s]Q
Caudal de operacin
NPSH requerido
Curva de NPSH
E
ficiencia[
%]
Carga deoperacin
Dimetro deoperacin
Curva de eficiencia Eficiencia de operacin
Punto normalde operacin
Curva delsistema
CargaH[
m]
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2 - 22.1 CURVAS CARACTERISTICAS DE UNA BOMBA CENTRIFUGA
1. Curva de operacinde la bomba, que representa la carga ( )H v/s caudal ( )Q , para
una cierta velocidad constante.
2. Curva de Carga Neta Positiva de Succino NPSH v/s caudal ( )Q . El significado de
NPSH viene del ingls: Net Positive Suction Head.
3. Curva de eficienciav/s caudal ( )Q .
La figura 2.1, muestra adems la Curva de Operacin del Sistemaque se determina a partir
de la carga esttica total y las prdidas de presin en el sistema de bombeo (carga dinmica
total). Esta ltima aumenta en funcin del caudal.
2.2 REGULACION DE CAUDAL POR ESTRANGULACION DE PRESION
Es el mtodo ms utilizado en la regulacin de caudal y se trata fundamentalmente de
regular el flujo mediante una o ms vlvulas de control que estrangulan la presin en la
lnea de descarga de la bomba, tal como se muestra en la figura 2.2.
Tal como se muestra en la figura 2.3, la regulacin de caudal por estrangulamiento,
modifica la curva del sistema, al producirse una prdida de friccin, debido a la vlvula de
estrangulacin. Este mtodo se utiliza generalmente, cuando existen sistemas de bombeo
sobredimensionados o durante la operacin de equipos de bombeo que operan con caudal
variable.
Fuente: CARS-2013
Figura 2.2
Mtodo de regulacinde caudal porestrangulamiento depresin.
Figura 2.3
Modificacin de la curvadel sistema usandoestrangulamiento depresin.
Caudal 3[m /s]Q
Caudal deoperacin
NPSHrequerido
Curva de NPSH
Eficienc
ia[
%]
Dimetro deoperacin
Curva de eficiencia
Nuevo puntode operacin
Curvamodificadadel sistema
Carg
aH[
m] Curva original
del sistema
Nueva eficiencia delsistema (disminuye)
EH
Bombacentrfuga
Vlvula deestrangulamiento
Caudal deentrada
Caudal de descarga(al usuario)
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Captulo 2 - MTODOS DE REGULACIN DE CAUDAL EN BOMBAS CENTRIFUGAS 2 - 3
La potencia hidrulica resultante viene dada por
0 1 0 1 2
2
0.981 0.981 ( )
bomba bomba
Q H Q H H P
(2.1)
donde 0Q representa el caudal nominal de operacin, el cual no se modifica y por lo tanto
se habla de compensar el excedente de presin ( )E
H . El primer trmino en (2.1) representa
la potencia til suministrada al fluido y el segundo trmino las prdidas por
estrangulamiento. Se observa que la potencia suministrada por el motor elctrico se reduce,
pero se incrementa la potencia por efecto de prdidas.
Caractersticas energticas del mtodo de estrangulacin de presin
Este mtodo de estrangulacin presenta las siguientes limitaciones energticas:
1. Solo permite reducir el flujo en el sistema. Si se requiere un flujo mayor es necesario
utilizar otro mtodo.
2. Aunque la potencia consumida es realmente menor y por lo tanto se paga menos, la
cantidad de energa usada de forma til es menor y por lo tanto existe un derroche
energa. De hecho, la figura 2.3, muestra una reduccin en la eficiencia del sistema.
2.3 REGULACION DE CAUDAL POR RECIRCULACION FLUJO
Este mtodo utiliza una tubera con una vlvula auxiliar conectada en forma de by-pass,
entre la tubera de descarga y la tubera de succin, tal como se observa en la figura 2.4. De
este modo, parte del fluido que pasa a travs de la bomba, regresa al tanque de succin.
La figura 2.5 muestra como se modifica la curva caracterstica del sistema por efecto de la
recirculacin de flujo, as como el excedente de caudal ( )E
Q que es desviado a travs de La
tubera de by-pass.
Caractersticas energticas del mtodo de recirculacin de flujo
En este mtodo se presentan las siguientes restricciones energticas:
1. La bomba maneja un mayor flujo y reduce su carga de trabajo, demandando una
mayor potencia y un valor mayor de carga neta positiva requerida (NPSHR) en la
succin.
Figura 2.4
Mtodo de regulacinde caudal porrecirculacin de flujoo bypass.
Vlvula debypass
Caudal deentrada
Caudal de descarga(al usuario)
Al tanque desuccin
Bombacentrfuga
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2 - 42.3 REGULACION DE CAUDAL POR RECIRUCLACION DE FLUJO
Fuente: CARS-2013
2. Se reduce el flujo destinado al proceso, pero se paga una mayor cantidad de energa
en esta operacin, por cuanto el motor consume la misma potencia, para los
diferentes valores de caudal. Por lo tanto, se paga ms por cada unidad de fluido
bombeado al proceso.
3. Aunque no se modifica substancialmente el rendimiento de la bomba, no es
aconsejable utilizar el nuevo punto de trabajo, dado que opera de forma menos
rentable.4. Como el mtodo requiere de una mayor carga neta positiva en la succin (NPSHR)
en el nuevo punto de trabajo, se puede limitar la condicin de funcionamiento, dado
que depende del NPSH disponible del sistema.
2.4 REGULACION DE CAUDAL POR VARIACION DE VELOCIDAD
Ante la necesidad de regular el caudal requerido por un proceso o en presencia de un
sobredimensionamiento de la mquina, una opcin es la regulacin por variacin de la
velocidad de rotacin de la mquina. Hasta hace pocos aos la regulacin por variacin de
la velocidad del motor, estaba limitada al caso de mquinas de gran capacidad donde
econmicamente se justificaba uso de:
1. Variadores mecnicos de velocidad.
2. Embragues hidrulicos.
3. Motores elctricos de velocidad escalonada.
Figura 2.5
Modificacin de lacurva del sistemausando mtodo deregulacin de caudalpor recirculacin.
Curva de eficiencia
Caudal 3[m /s]Q
Eficiencia[
%]
CargaH[
m]
Caudal deoperacin
NPSHrequerido
Curva de NPSH
Nuevo puntode operacin
Curvamodificadadel sistema
Curva originaldel sistema
Nueva eficiencia delsistema (disminuye)
Dimetro deoperacin
EQ
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Captulo 2 - MTODOS DE REGULACIN DE CAUDAL EN BOMBAS CENTRIFUGAS 2 - 5
En todos estos casos el costo del sistema de variacin de la velocidad resultaba muy
elevado y solo se justificaba en los situaciones de elevada regulacin de la capacidad o
flujo del proceso en mquinas de gran potencia [JCA2005].
En la actualidad el uso de los variadores de frecuencia presenta una alternativa, que
permite en una forma relativamente fcil, el uso del mtodo de regulacin del caudal de
una bomba centrfuga, por variacin de la velocidad del motor trifsico de accionamiento.
El uso de controladores de frecuencia variable (AFD siglas en ingls) en motores de
bombas centrifugas, brinda un importante ahorro en el consumo de energa elctrica, debido
a que hacen trabajar a la bomba en su punto ptimo de operacin [JCA2005].
Este mtodo busca lograr un punto de interseccin entre la curva caracterstica de la bomba
y la curva caracterstica del sistema, donde no exista el exceso de presin ( )E
H o el exceso
de caudal ( )E
Q mostrados en las figuras 2.3 y 2.4, respectivamente. El fundamento del
mtodo es la aplicacin de las leyes de semejanza o afinidad[ALC2001].
El convertidor de frecuencia variable (CFV) es un control que se adapta muy bien a los
motores de jaula de ardilla [USAID2006], que es el ms utilizado para el accionamiento de
bombas centrfugas. El CFV es el nico que permite variar la velocidad del motor sin
ningn accesorio hidrulico extra; adems garantiza la proteccin del sistema y por esto ha
llegado a ser uno de los mtodos de regulacin de velocidad ms utilizados en los ltimos
aos.
La principal ventaja inmediata del CFV es la reduccin en el consumo de energa elctrica
en las bombas centrfugas, logrando como resultado una disminucin considerable en elcosto de operacin. Bsicamente se trata de modificar la curva caracterstica de la bomba,
tal como se observa en la figura 2.6, para diferentes velocidades de operacin.
Fuente: CARS-2013
Figura 2.6Modificacin de lacurva de la bombausando mtodo deregulacin de caudalpor variacin develocidad.
Caudal 3[m /s]Q
Eficiencia[
%]
CargaH[
m]
Caudalesde Operacin
Curva delsistema
Velocidad n1
Velocidad n2
Velocidad n3
Puntos de Operacin
1H
2H
3H
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2 - 62.4 REGULACION DE CAUDAL POR VARIACION DE VELOCIDAD
Existe un importante ahorro energtico cuando las bombas de agua trabajan en su punto
ptimo de operacin. Los excesos de consumo de energa elctrica en un sistema de
bombeo se deben a las cadas directas de presin (estrangulacin) y a los aumentos del flujo
en la bomba (recirculacin o bypass), que se presentan cuando sta trabaja fuera del punto
ptimo de operacin.
Caractersticas energticas del mtodo de variacin de velocidad
El mtodo de variacin de velocidad ofrece las siguientes caractersticas energticas:
1. El cambio del punto de operacin por la variacin de velocidad de rotacin de la
bomba, se presenta a lo largo de la caracterstica hidrulica del sistema, lo cual
garantiza que no ocurrir un incremento de las prdidas, como producto de la
regulacin.
2. La demanda de potencia decrece con el cubo de las revoluciones [JCA2005], por lo
que una reduccin de flujo con este mtodo resulta energticamente muy
conveniente.
3. Este mtodo de regulacin, a diferencia del mtodo por estrangulacin, permite
tanto la reduccin como el aumento del caudal durante la regulacin, lo cual
constituye una gran ventaja para operacin de procesos con cargas variables.
4. El desarrollo actual de los variadores de frecuencia y la reduccin de los costos que
los mismos han sufrido en los ltimos aos, permite aplicar este mtodo con ms
facilidad.
5. El control de velocidad es el medio ms eficaz para modificar las caractersticas de
una bomba sujeta a condiciones de funcionamiento variables.
Sin embargo, se puede demostrar [CARS2013], [MAC2013], [SAMR2013], que aunque el
uso de variadores de frecuencia, ofrecen la mayor eficiencia desde el punto de vista
mecnico, pueden generar problemas en la calidad de la potencia elctricaconsumida por
el motor desde la red, debido a la distorsin de la onda de tensin, la generacin de
armnicos de corriente y la reduccin del factor de potencia.
Para mitigar estos problemas, el usuario se ve sometido a adquirir equipos adicionales y
debido al bajo factor de potencia se incrementan las prdidas en otros puntos de la red.
Adems se corre el riesgo de un incremento en el costo de la energa elctrica, en razn de
la penalizacin que imponen las compaas de energa elctrica por concepto de bajo factor
de potencia.
En este orden de ideas, cuando se considera la adquisicin de un equipo variador de
frecuencia, es indiscutible evaluar tambin la inversin necesaria para asegurar la calidad
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Captulo 2 - MTODOS DE REGULACIN DE CAUDAL EN BOMBAS CENTRIFUGAS 2 - 7
de la potencia antes de su instalacin. Solucionar problemas de contaminacin armnica
despus de la instalacin de un equipo es difcil, consume tiempo y puede significar
grandes sumas de dinero.
Leyes de afinidadUno de los aspectos ms importantes en el estudio de la bombas centrifugas son las
relaciones existentes que permiten predecir su comportamiento ante cambios de velocidad
( )n o del dimetro del impulsor ( )D . Estas relaciones se establecen a travs de las
conocidasLeyes de semejanza o afinidad[Mott2006], las cuales demuestran que el caudal
( )Q de descarga de la bomba es proporcional a la velocidad:
11
2 2
nQ
Q n (2.2)
Por lo tanto, en el mtodo de regulacin de caudal por variacin de velocidad, es necesarioconsiderar el efecto del cambio de nen el caudal ( )Q , en la carga total del sistema ( )
aH y
en la potencia consumida por la bomba ( )B
Q de descarga, aspectos que sern incluidos en
la seccin 3.3, para la construccin de la curva modificadade la bomba.