En este primer post del 2018 deseo antes de nada avanzarte algunos de los temas sobre los que escribiré durante el año. Pretendo seguir con la misma línea técnica y práctica que caracterizaron las entradas editadas el año pasado, pues mi pretensión en definitiva es comunicar lo más eficientemente posible unos conocimientos técnicos. El sector principal sobre el que vas a leer en mi blog será el riego agrícola y concretamente dedicaré una buena parte de los contenidos a los mecanismos para controlar los parámetros que intervienen en la conducción del agua a presión. También tengo pensado escribir sobre evacuación de aguas en edificación así como sobre saneamiento civil, temas que me resultan muy interesantes. En cualquier caso verás que habrá entradas que, aunque se refieran a riego, se podrá extender su aplicación a otras áreas pues en definitiva el factor común es el agua. Por otra parte, tengo algún proyecto del que espero informarte en breve por este medio, en cuanto se ponga en marcha. Por último te invito a que participes en los foros que se generen con los contenidos publicados. Tus comentarios serán siempre bienvenidos y servirán para complementar los textos.
Y ya, sin más preámbulos y agradeciendo tu interés y participación, veamos esta primera entrega.
Decía en uno de los últimos post que para trasladar agua de un punto a otro necesitamos de una energía, y que esta energía se podría suministrar al líquido de dos maneras: bien mediante una diferencia de cota, bien mediante el empleo de un mecanismo externo como una bomba.
Existen muchos tipos de bombas, pero para impulsar agua las que nos interesan son las centrífugas.
Explicaba en otra entrada que una bomba centrifuga es una máquina hidráulica compuesta por un impulsor o rodete que, accionado desde el exterior mediante un motor, transmite al agua la energía necesaria para obtener una presión determinada. El cuerpo de la bomba o voluta recibe el líquido que proviene del impulsor y, por su construcción especial, transforma su energía cinética en energía de presión. La bomba centrífuga está basada en un principio muy simple: el agua se dirige al centro del impulsor y por medio de la fuerza centrífuga la arroja hacia la periferia de los álabes canalizándose en el difusor de salida.
En una bomba centrífuga se conjugan dos tipos de conducciones: una aspiración para dirigir el agua hacia el rodete y una impulsión para llevar el agua a su destino. Ambas tienen sus singularidades como veremos enseguida.
En la imagen anterior se representan las alturas que debe de superar una bomba centrífuga para trasladar una masa de agua desde un plano determinado a otro más elevado, en este caso un depósito, aunque podría tratarse de una finca, de una máquina de riego o una red de servicio por poner algunos ejemplos.
Si a la salida de la bomba no existiese una tubería, la energía del agua se disiparía a la atmósfera y ahí acabaría todo el proceso. Sin embargo es la tubería y la presión que el agua ejerce sobre sus paredes la que obliga al líquido a tomar el único camino posible haciéndolo circular por la red con una presión y velocidad determinada.
Velocidad del agua
Aparte de los razonamientos hidráulicos, en todo bombeo deben de regir unos criterios económicos con la finalidad de no gastar más de lo necesario en energía.
El tamaño de la boca de aspiración y boca de impulsión de las bombas sólo nos indica el tamaño mínimo de las tuberías. Esto es importante.
El dimensionado debe de hacerse de manera que las velocidades sean como máximo las siguientes:
Tubería de aspiración: 1,5 m/s
Tubería de impulsión: 2,5 m/s
- Velocidades inferiores a 0,6 m/s originan normalmente sedimentaciones.
- Velocidades superiores a 3,5 m/s pueden originar abrasiones, aparte de un consumo alto en energía como consecuencia de las pérdidas de presión generadas.
En el agua de riego viajan partículas minerales como arenas y limos, sobre todo cuando el agua procede de sondeos. Antes de que lleguen a la estación de filtrado entran en contacto con los mecanismos de la bomba y otros elementos de la instalación. Velocidades elevadas del agua, así como regímenes elevados de funcionamiento del impulsor de la bomba acelera el proceso de desgaste de estos mecanismos debido al rozamiento de las partículas.
El diámetro de la conducción (aspiración e impulsión) se obtiene como:
Siendo,
D el diámetro interior del tubo en mm
v la velocidad del agua en m/s
Q el caudal en m3/h
Cavitación
Si la bomba trabaja con una aspiración excesiva, la presión a la entrada de la boca de aspiración de la bomba puede disminuir hasta llegar a alcanzar la tensión de vapor del agua. Se desprenderían entonces burbujas de vapor que, una vez recuperada la presión en el rodete, producirían violentas implosiones y ocasionarían graves daños en los mecanismos.
El asunto de la cavitación, por su importancia, lo traté en dos entradas anteriores, una de ellas con el título: “¿Qué es la cavitación? ¿Cómo evitarla?” y la otra titulada: “Qué es y cómo se calcula el NPSHdisp. de una bomba centrífuga”. Puedes hacer clic sobre los títulos para consultarlas.
Aspiración
Ya hemos comentado que la velocidad máxima en la tubería de aspiración se debe limitar a 1,5 m/s. En los colectores de aspiración para dos o más bombas esta velocidad se limitará generalmente a 1 m/s.
Las conexiones laterales en los colectores de aspiración es preferible realizarlas en un ángulo de 30 a 45 grados con respecto a la línea principal tal y como se representa en la figura.
Para obtener el diámetro adecuado de colector debemos recurrir a la expresión Q = v·S y despejar el valor de la sección del colector pues tanto el caudal como la velocidad del agua son conocidos.
Sumergencia en el depósito de aspiración
La sumergencia (S) es la altura de líquido necesaria sobre la sección de entrada del tubo de aspiración de una bomba o de la válvula de pie para evitar la formación de remolinos (vórtices) que pueden afectar al buen funcionamiento de la bomba.
La formación de estos remolinos se deben principalmente a la depresión causada por:
- La succión de la bomba.
- Mala disposición de la misma en la cámara de aspiración.
- Una irregular distribución del flujo.
El valor de sumergencia mínima se obtiene de la siguiente fórmula:
Donde,
S es la sumergencia en metros.
v es la velocidad del agua en m/s
g, la aceleración de la gravedad (9,81 m/s2)
En la imagen anterior puede observarse el concepto de sumergencia. Cuando la altura S resulta menor que el mínimo calculado se produce una falta de sumergencia con riesgo de formación de remolinos e introducción de aire con la corriente líquida. La falta de sumergencia no genera cavitación, pero introduce cantidades de aire en la conducción que pueden resultar perjudiciales, además de ocasionar molestos ruidos y vibraciones.
Para reducir los efectos cuando no pueda conseguirse una sumergencia mínima se recomienda lo siguiente:
- Aumentar la sección de entrada (colocación de sombrillas, mayor diámetro de la tubería de aspiración, etc.)
- Instalar tabiques flotantes o sumergidos que eliminen las turbulencias.
- Utilizar maderas flotantes alrededor de la tubería de aspiración así como boyas de plástico y todo aquello que sea capaz de impedir la formación de vórtices o remolinos en la superficie del agua.
Regulación del caudal de las bombas centrífugas
En cualquier instalación, ya sea de riego, de abastecimiento o de trasiego de agua, los cálculos deben de realizarse para los caudales nominales con el fin de dimensionar adecuadamente todos los elementos de la conducción. Sin embargo, y debido a las fluctuaciones de uso, en ocasiones es preciso trabajar durante mucho tiempo en condiciones de caudal inferior al nominal.
Debido por tanto a la variabilidad en el gasto del agua, se necesitará modificar a veces el caudal de la bomba para adaptarlo a las exigencias del servicio. Esta modificación o regulación del caudal se puede realizar de varias maneras. Vamos a ver tres métodos: mediante el uso de una válvula de estrangulamiento, mediante la instalación de bombas en paralelo y, por último, mediante la actuación de un variador de velocidad.
a) Válvula de estrangulamiento
Mediante el accionamiento de una válvula reguladora a la salida de la bomba podemos estrangular el paso del agua y modificar el caudal de impulsión creando una pérdida de presión adicional. Con este procedimiento disminuye notablemente el rendimiento, no se produce ahorro energético, disminuye la eficiencia de la bomba y la bomba siempre trabaja a su velocidad máxima, sin embargo es un método muy simple y por ello fácil de adoptar. Una modificación del caudal lleva implícito un aumento de la altura de elevación, superior por tanto a la necesaria, como se observa en la siguiente gráfica:
b) Bombas conectadas en paralelo
Las bombas conectadas en paralelo se utilizan frecuentemente cuando:
- El caudal requerido es superior al que puede suministrar una bomba simple.
- El sistema tiene exigencias de caudal variable que se consiguen activando y desactivando las bombas conectadas en paralelo.
Normalmente las bombas conectadas en paralelo son del mismo tamaño y tipo. Para evitar la circulación derivada por las bombas que no están funcionando, se conecta en serie con cada una de las bombas una válvula de retención.
La curva de rendimiento para un sistema que consta de varias bombas en paralelo se determina sumando el caudal que suministran las bombas para una altura específica.
La figura siguiente muestra un sistema con dos bombas idénticas conectadas en paralelo. La curva de rendimiento total del sistema se determina sumando Q1 y Q2 para cada valor de altura, que es el mismo para ambas bombas, H1=H2. Debido a que las bombas son idénticas, la curva de la bomba resultante tiene la misma altura máxima (Hmax) pero el caudal máximo (Qmax) es el doble. Para cada valor de altura, el caudal es el doble que para una bomba simple en funcionamiento: Q = Q1 + Q2
c) Variador de velocidad
Un variador de frecuencia o de velocidad es un dispositivo electrónico que, a través de la modificación de la frecuencia de alimentación eléctrica, varía la velocidad de giro de los motores eléctricos. El variador de velocidad modifica la curva característica de la bomba adaptándola a los requerimientos del sistema y proporcionando un ahorro de energía. Es una de las formas de regulación de equipos de bombeo más adoptada en la práctica, pues el rendimiento apenas sufre modificación al variar la velocidad de funcionamiento, consiguiéndose un significativo ahorro de energía.
Veamos la gráfica siguiente. Supongamos que la demanda de agua en una instalación varía de un caudal Q1 a un caudal Q2 [conviene aclarar que el caudal Q1 será siempre el caudal de cálculo, es decir, el máximo demandado, por tanto todo movimiento en la gráfica será hacia la izquierda -hacia un menor caudal-]. Vemos en la gráfica que, en una situación donde se estrangule el caudal mediante una válvula, el punto de funcionamiento de la bomba ante la nueva demanda de caudal se situaría en (2), con el consiguiente aumento de la altura manométrica H.
Si existiese un control de la regulación mediante la actuación de un variador de velocidad, el punto de funcionamiento de la bomba se situaría ahora en (2’), manteniendo la altura manométrica constante (H=cte) y dando lugar a una reducción de la potencia consumida al disminuir la velocidad de rotación del equipo motor. Se trata de un sistema muy eficiente desde el punto de vista energético, puesto que no se introducen pérdidas adicionales.
Siguiendo con la gráfica, obsérvese que variando la velocidad de la bomba de H1 a H2’, podemos pasar de un gasto de caudal Q1 a un gasto Q2, sin incrementar la carga (H=cte). Por el contrario, la nueva carga H2’ es mucho menor a la que se obtendría con el uso de una válvula de estrangulación (H2).
En el caso de estrangulamiento por válvula, la potencia hidráulica simplificada sería:
P= Q2·H2
Para el caso de uso de variador, la potencia hidráulica simplificada sería:
P’=Q2·H2’ que es mucho menor que P.
El variador de velocidad se conecta al motor de la bomba y se comanda desde el cuadro de control del equipo de bombeo.
En la imagen siguiente vemos la caja de un variador de velocidad instalada en el interior del cuadro de control en una caseta de bombeo (catálogo POWER ELECTRONICS)
En el caso de las instalaciones de riego, en el variador se fija o el caudal o la presión de bombeo. Normalmente se fijará la presión y para ello se instala en la red un transductor de presión, que es un dispositivo electrónico encargado de convertir el valor de la presión en una señal eléctrica analógica que pueda ser interpretada por el variador. El variador mantendrá constante la altura manométrica (H) y modificará la velocidad de giro del motor de la bomba según varíe el caudal demandado, como se ha explicado.
