¿Es la velocidad variable una solución mágica para las bombas? parte 2 de 2

Jul 13, 2023

Nota del autor: En la Parte 1 de esta serie en la edición de mayo de 2021 de Pumps & Systems, dije erróneamente que al usar las leyes de afinidad también podría pensar en los cambios como un factor de 4 para cabeza y un factor de 8 para potencia . Estas afirmaciones solo son ciertas si la velocidad se duplica (o se reduce a la mitad). La versión en línea se ha corregido y se puede encontrar en pumpsandsystems.com/author/jim-elsey.

La forma (geometría) de la curva de una bomba depende casi por completo de la forma física del impulsor, el cambio del ángulo de la trayectoria del flujo, la relación del diámetro (total al ojo), la superposición de las paletas, los ángulos de las paletas y el número de paletas. Todas estas cosas son, en esencia, la velocidad específica (Ns) del impulsor.

Una bomba operará donde su curva de rendimiento se cruza con la curva del sistema o, por el contrario, la curva del sistema dicta dónde opera la bomba en su curva. Las curvas de la bomba normalmente se describen (por su pendiente/forma) como "planas" o "ascendentes" y, a veces, como "ascendentes".

La curva plana de la bomba resultará característicamente en un gran cambio en el caudal para un pequeño cambio en la altura del sistema, y ​​una forma de curva de bomba que es pronunciada (ascendente) tendrá un pequeño cambio en la velocidad de flujo para un gran cambio en la altura del sistema. Estas características antes mencionadas, cuando se trazan con la curva del sistema, funcionarán como un gran beneficio o como una dilución de sus esfuerzos por ahorrar energía.

Una curva del sistema representa todas las restricciones, la suma de los cambios de elevación y la fricción total en el sistema para el rango completo de caudales de diseño. La curva de resistencia del sistema se compone de cuatro factores de carga: carga estática, carga de presión, carga de fricción y carga de velocidad. Podemos descartar la cabeza de velocidad debido al minúsculo efecto.

La cabeza estática es la distancia vertical que la bomba debe mover el líquido. Si bien normalmente nos preocupa la cabeza estática positiva, también puede ser negativa (sí, bombear cuesta abajo) y estos casos pueden ser problemáticos porque moverán la intersección de la curva de fricción del sistema con la curva de la bomba más hacia la derecha.

La cabeza de presión es la presión que la bomba tiene que superar para mover el líquido a un recipiente como una caldera o un reactor. La presión en libras por pulgada cuadrada (psi) requerida para vencer la resistencia al flujo simplemente se convierte en cabeza. Por último, pero no menos importante, está el cabezal de fricción. La carga de fricción cambia con el caudal y varía según el cuadrado de la velocidad del líquido (consulte la fórmula de Darcy-Weisbach). O, simplemente: la fricción aumenta exponencialmente con el aumento de las tasas de flujo.

Las curvas del sistema realmente no son entidades estáticas, a pesar de lo que varios procedimientos de cálculo y diseño puedan hacerle creer. Los niveles cambiarán con el proceso, así como la presión (si corresponde) y el componente de fricción cambiará a medida que las válvulas de control cambien de posición. Además, los componentes del sistema y las tuberías se contraerán más con el tiempo, el ensuciamiento y la corrosión.

La forma final de la curva del sistema tendrá un gran efecto en la viabilidad y su decisión de incorporar un variador de frecuencia (VFD). Las curvas del sistema normalmente se clasifican como "dominadas por la fricción" o "dominadas por la cabeza estática", pero también puede tener combinaciones de ambas.

Los VFD funcionarán bien donde la curva de la bomba tenga una forma ascendente y la curva del sistema esté dominada por la fricción. Cuanto más plana sea la curva del sistema (dominado por la cabeza estática) y más plana sea la curva de la bomba, menos efectivo será el sistema VFD. Por lo general, cuanto más inclinada sea la curva de la bomba, mayor será el potencial de ahorro de energía, pero se necesita un análisis para lograr precisión. El hecho de que la curva sea plana no significa que el retorno de la inversión no funcione.

Tres categorías principales de sistemas que pueden ser adecuados/aplicables a VFD son:

Cuando la curva del sistema está dominada por la fricción, la reducción de la velocidad hará que los puntos de operación de la bomba (siguiendo la curva del sistema) sigan la pendiente del punto de mejor eficiencia (BEP) para la bomba a medida que la potencia, el flujo y la altura también disminuyan. Cuando la curva es plana (domina la cabeza estática), la bomba se mueve rápidamente fuera del BEP y del rango operativo permitido (AOR) a medida que se reduce la velocidad. También puede acercarse al flujo estable continuo mínimo (MCSF) en el lado izquierdo de la curva. Los límites en el lado derecho de la curva se aproximan rápidamente en el pequeño rango operativo permitido.

Para todas las personas pro-VFD que lean esto, sepan que estoy de su lado; Creo que los VFD son soluciones maravillosas, la mayoría de las veces. Pero también es importante que los operadores/propietarios entiendan que, como todo en el mundo, nada es perfecto. Sugiero que todos los operadores, propietarios y usuarios trabajen con el proveedor para evitar estos problemas enumerados:

Esta columna cubre solo una pequeña parte sobre variadores, motores, bombas, sistemas y controles de procesos de sistemas para aplicaciones de velocidad variable y evaluaciones económicas. Los fabricantes de equipos serán una valiosa fuente de información adicional y pertinente. También le recomiendo que revise las pautas y el material educativo del Instituto Hidráulico.

Jim Elsey es un ingeniero mecánico con más de 50 años de experiencia en diseño y operación, enfocado principalmente en la confiabilidad de equipos rotativos en la mayoría de las aplicaciones y mercados industriales en todo el mundo. Elsey es gerente general de Summit Pumps y miembro activo de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos, la Sociedad Estadounidense de Metales, la Asociación Nacional de Ingenieros de Corrosión y la Liga Naval de Submarinos. Elsey también es directora de MaDDog Pump Consultants LLC. Puede comunicarse con él en [email protected].