Operación de Bombas Centrífugas a Velocidad Variable

René Tolentino Eslava1, Guilibaldo Tolentino Eslava2
1Instituto Politécnico Nacional, ESIME Zacatenco, Departamento de Ingeniería en Control y Automatización, México, rtolentino@ipn.mx
2Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Aplicada, SEPI, ESIME Zacatenco, Instituto Politécnico Nacional, México, gtolentino@ipn.mx


RESUMEN: A través de una evaluación experimental, se detectó que el comportamiento de la potencia de una bomba centrífuga operando a velocidad variable, muestra la oportunidad de ahorro de energía que se puede tener empleando un variador de frecuencia como elemento de control en los procesos industriales. Por otro lado, la caracterización experimental de ventiladores, bombas, compresores y sopladores a velocidad variable fomentará el uso de los variadores de frecuencia en los lazos de control cerrado, impactando en un control sustentable mediante el ahorro de energía que se obtiene al realizar el control con estos dispositivos.

PALABRAS CLAVE: Bomba Centrífuga, Flujo, Leyes de Afinidad, Energía, Variador de Frecuencia.


INTRODUCCIÓN

En los procesos de generación de energía, petroquímica, ventilación, aire acondicionado, entre otros; se utilizan bombas, ventiladores, sopladores y compresores para el transporte y conducción de fluidos. Estas turbomáquinas operan a plena carga y el flujo o presión que demanda el proceso se regula con una válvula que mediante una caída de presión controla alguna de estas variables. En consecuencia, los motores deben operar a su potencia nominal y la caída de presión en la válvula se disipa como una pérdida de energía. Otra forma de regular el flujo y/o presión, es actuando sobre el motor que impulsa a esta máquina, lo que lleva a suministrar solo la energía que se requiere para cubrir las necesidades del proceso.

En el sector industrial, los motores eléctricos se aprovechan para accionar turbomáquinas, escaleras eléctricas y bandas transportadoras. El 70% del consumo de energía en este sector se utiliza para el movimiento de fluidos, del cual el 19% lo usan las bombas, los ventiladores demandan también el 19% y los compresores consumen el 32%; los motores empleados para movimiento mecánico consumen el 30% restante [1]. Actualmente se están implementando los variadores de frecuencia para la regulación de flujo de bombas, ventiladores y compresores, haciendo que estas máquinas operen a velocidad variable en función de la frecuencia suministrada.

En base a lo anterior, se realizó una evaluación experimental de una bomba centrífuga operando a velocidad variable haciendo uso de un variador de frecuencia. Los resultados se compararon contra las leyes de afinidad encontrándose que éstas predicen de forma precisa el comportamiento de esta turbomáquina cuando se opera a velocidad variable.

REGULACIÓN DE FLUJO EN BOMBAS CENTRÍFUGAS

Las bombas son máquinas que convierten la energía mecánica en energía de presión y la transfieren a un líquido para cubrir las necesidades de presión o flujo que demanda el proceso. Las bombas según la posición del eje se clasifican en horizontales y verticales; en función del flujo en el impulsor en flujo axial, flujo mixto y radial. Las bombas de flujo radial (centrífuga) son las más usadas en la industria debido a que manejan cargas medias y elevadas. Las bombas de flujo axial tienen dos o cuatro álabes que les permiten trabajar con fluidos que contengan elementos sólidos. Las bombas de flujo mixto son una combinación de las características de los impulsores radial y axial, y son empleadas en fluidos con características especiales, como pulpas.

Figura 1. Métodos de regulación de flujo: a) Válvula de control, b) variador de frecuencia

El método más aplicado para la regulación de flujo en bombas centrífugas a velocidad constante es la válvula (figura 1a), la cual se emplea estrangulando en la descarga, en la succión o en una línea de recirculación. El estrangulamiento en la succión puede resultar ineficiente debido a que se puede presentar cavitación; por lo que es más frecuente encontrar las válvulas de regulación en la descarga. El variador de frecuencia (figura 1b) es el método más eficiente de control a velocidad variable debido a que suministra solo la potencia eléctrica requerida por la bomba. El variador presenta un ahorro de energía considerable, tiene un costo elevado, aunque posteriormente la inversión se recupera, reduce los costos de mantenimiento al no tener elementos mecánicos como las válvulas. Por otro lado, este método energiza, protege y varía la velocidad sin ningún accesorio entre el motor y bomba.

Para predecir el comportamiento de una bomba operando a velocidad constante y velocidad variable se aplican las leyes de afinidad [2]. En el método de velocidad constante se recorta el diámetro del impulsor y a velocidad variable se usa el variador de frecuencia. Estas leyes establecen la relación entre el flujo, carga y potencia con la velocidad angular o diámetro del impulsor de la bomba. En el control de flujo a velocidad variable se aplican las leyes de afinidad en función de la velocidad angular representadas con la ecuación 1.

En donde qv es el flujo volumétrico (m3/s), N es la velocidad angular (rpm); H es la carga de la bomba (m H2O) y P es la potencia suministrada por el motor eléctrico (kW). Los subíndices 1 y 2 corresponden a las condiciones iniciales y finales.

La carga de la bomba se determina con la ecuación 2, considerando la carga dinámica obtenida con las velocidades en la succión y descarga de la misma; la carga de presión se calcula con las presiones en la entrada y salida; y la energía potencial se debe a las variaciones de altura entre succión y descarga. Además se debe tomar en cuenta las pérdidas de presión (Hf) que se tienen a lo largo de la tubería [3].

La variación de la frecuencia modifica la velocidad angular del motor de acuerdo con la relación mostrada en la ecuación 3, en donde N es la velocidad angular del motor, f es la frecuencia (Hz), y NP es el número de polos del motor eléctrico [4].

INSTALACIÓN EXPERIMENTAL

La evaluación del comportamiento de la bomba centrífuga a velocidad variable se realizó en el banco de pruebas de tuberías y accesorios (figura 2) del Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Aplicada (LABINTHAP). Esta instalación se integra de un tanque de almacenamiento de agua de 450 litros a presión atmosférica. El flujo se genera con una bomba centrífuga con diámetro de succión y descarga de 38.1 mm (1.5 in) y 31.75 mm (1.25 in) respectivamente. Se tiene un manovacuómetro en la succión y un manómetro en la descarga para determinar la carga dinámica de la bomba (ecuación 2). La bomba se acciona con un motor trifásico de 3.725 kW (5 hp) a 3475 rpm con acoplamiento directo. Detalles específicos de la instalación experimental se presentan en [5].

En la descarga de la bomba se tiene una tubería principal dividida en tres circuitos con diámetros de 19.05 mm (0.75 in), 25.4 mm (1 in) y 38.1 mm (1.5 in). En este estudio experimental se evaluó solo con el ramal exterior (38.1 mm). El flujo se regula a velocidad variable con un variador de frecuencia y a velocidad constante con una válvula de globo instalada en la descarga de la bomba. Las tres líneas se incorporan a un retorno de 50.8 mm (2 in) de diámetro. El flujo en la línea de retorno se mide con una placa de orificio concéntrica con tomas de presión en la vena contracta, después de esta se tiene un termómetro bimetálico. La presión diferencial de la placa de orificio se determina con un transmisor de presión diferencial.

Figura 2. Banco de pruebas de tuberías y accesorios.

Los parámetros eléctricos de tensión, corriente y potencia del motor se obtuvieron con un analizador de calidad de energía. Se empleó un tacómetro para medir la velocidad angular de la bomba a las frecuencias de operación. El flujo másico (qm) con la placa de orificio, en kg/s, se obtiene aplicando la ecuación 4, donde C representa el coeficiente de descarga (adimensional); b es la relación de diámetros (adimensional); d es el diámetro del orificio (m); Dp es la diferencia de presiones (Pa) y r1 es la densidad del agua (kg/m3) a condiciones de operación [6].

El coeficiente de expansión térmica (e) es adimensional y para el caso de fluidos incompresibles, tales como los líquidos toma el valor de 1. En líquidos es más frecuente la medición del flujo volumétrico (qv) con la ecuación 5.

En las ecuaciones 4 y 5, C tiene un valor de 0.65, el cual se obtuvo mediante una calibración por el método gravimétrico.

RESULTADOS

Figura 3. Relación frecuencia–velocidad angular (f–N).

La bomba se evaluó a diferentes frecuencias de operación en el intervalo desde 0 Hz hasta 60 Hz con incrementos de 10%, se midieron las variables de velocidad angular, flujo volumétrico, presión en la succión, presión en la descarga y potencia consumida por el motor. Las siguientes figuras muestran la relación frecuencia – velocidad angular (figura 3) y la relación velocidad angular – flujo volumétrico (figura 4), éstas representan el promedio de las cinco pruebas realizadas para garantizar la repetibilidad de los resultados.

En la figura 3 se aprecia que la relación entre estas variables es lineal de acuerdo a la ecuación 3. Los resultados mostrados en la figura 4 indican que el comportamiento de la velocidad angular y flujo volumétrico a velocidad variable se ajusta al comportamiento lineal de las leyes de afinidad (ecuación 1) como lo indica el coeficiente de correlación lineal (R2).

Figura 4. Relación velocidad angular–flujo volumétrico (f–qv).

Con base en las figuras 3 y 4, cuando se requiere un incremento de velocidad angular o flujo éste se logra con un incremento proporcional de frecuencia o velocidad angular respectivamente.

La figura 5 representa la relación de la velocidad angular respecto a la carga de la bomba y la figura 6 muestra la relación entre la velocidad angular y la potencia consumida por la bomba. De estas figuras, el comportamiento de las variables sigue las leyes de afinidad (ecuación 1). Teniéndose que la variación de carga y potencia son funciones cuadráticas y cúbicas de la velocidad angular respectivamente.

Figura 5. Relación velocidad angular–carga dinámica (N–H).

De la figura 6 se infiere que al variar la velocidad angular de la bomba se tendrá un consumo de energía menor. Por lo qué, el variador de velocidad puede representar un ahorro de energía significativo en sistemas de bombeo para la regulación de flujo o presión que demande la aplicación.

Respecto a las figuras 5 y 6, se obtuvo que el coeficiente de correlación lineal (R2) para las relaciones N–H y N–P, operando con el variador de frecuencia tiene un valor próximo 1, lo que indica que las leyes de afinidad (ecuación 1) son adecuadas al predecir el comportamiento de bombas centrífugas a velocidad variable.

CONCLUSIONES

Figura 6. Relación velocidad angular–potencia consumida por el motor (N–P).

Este estudio experimental demostró que en la operación de bombas centrífugas a velocidad variable, se cumple con la relación lineal entre la frecuencia y velocidad angular, así como entre la velocidad angular y el flujo volumétrico de acuerdo a las ecuaciones 3 y 1. Por otro lado, las variables de carga y potencia siguen el comportamiento que establecen las leyes de afinidad (ecuación 1). Los resultados del comportamiento de potencia demostraron que se puede lograr una reducción considerable de la energía consumida por la bomba cuando se opera a velocidad variable en comparación con la regulación a velocidad constante con una válvula.

REFERENCIAS

  1. Waide P. and Brunner C. U. Energy-Efficiency Policy Opportunities for Electric Motor-Driven Systems 2011. Energy Efficiency Series. IEA. France. 2011.
  2. Spitzer David W., Variable Speed Drives Principles and Applications for Energy Cost Services. ISA. Second Edition. 1990.
  3. Tullis J. Paul. Hydraulics of Pipelines: Pumps, Valves, Cavitation, Transients. John Wiley & Sons. 1989
  4. Acedo Sánchez J. Instrumentación y Control Básico de Procesos. Ediciones Diaz de Santos. 2006.
  5. Loza Villarejo Oscar F. Ahorro de Energía en Bombas Centrífugas Mediante Variadores de Frecuencia y Válvulas. Tesis de Licenciatura. IPN-ESIME Zacatenco. 2017.
  6. Reader-Harris, M. Orifice Plates and Venturi Tubes. United Kingdom: Springer, 2015.

ACERCA DE LOS AUTORES

René Tolentino Eslava. Ing. Mecánico. IPN-ESIME Azcapotzalco, 1995-2000. M. en C. en Ing. Mecánica. IPN-ESIME Zac, 2002-2004. Áreas de interés: Instrumentación de Parámetros de Procesos, Conducción y Transporte de Fluidos, Medición de Flujo, Calidad de Gases y Metrología de Velocidad de Aire.

 

Guilibaldo Tolentino Eslava. Ing. Mecánico Electricista. Universidad Veracruzana, 1985-1989. M. en C. en Ing. Mecánica. IPN-ESIME, 1990-1991. Áreas de interés: Conducción y Transporte de Fluidos; Bombas, Ventiladores y Compresores; Ahorro de Energía en Procesos Industriales.

 


 

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