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Jun 15, 2023

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

Nota del autor: en la parte 1 de esta serie de la edición de mayo de 2021 de Pumps & Systems, mencioné erróneamente que al usar las leyes de afinidad también se podría pensar en los cambios como un factor de 4 para cabeza y

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

La forma (geometría) de la curva de una bomba es casi exclusivamente una función de la forma física del impulsor, el cambio del ángulo de la trayectoria del flujo, la relación de diámetro (general con respecto 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 funcionará donde su curva de rendimiento se cruza con la curva del sistema o, a la inversa, la curva del sistema dicta dónde opera la bomba en su curva. Las curvas de bombeo normalmente se describen (por su pendiente/forma) como “planas” o “ascendentes” y, a veces, como “ascendentes pronunciadas”.

La curva de bomba plana característicamente dará como resultado 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 el caudal para un cambio grande 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 toda la gama 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 carga de velocidad debido al efecto minúsculo.

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

La altura de presión es la presión que la bomba debe superar para mover el líquido a un recipiente como una caldera o un reactor. La presión en libras por pulgada cuadrada (psi) necesaria para superar la resistencia al flujo simplemente se convierte en altura. 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, dicho simplemente: la fricción aumenta exponencialmente al aumentar los caudales.

Las curvas del sistema en realidad 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 con la presión (si corresponde) y el componente de fricción cambiará a medida que las válvulas de control cambien sus posiciones. Además, los componentes del sistema y las tuberías se estrecharán más con el tiempo, la suciedad y la corrosión.

La forma final de la curva del sistema tendrá un gran efecto en la viabilidad y en 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 se pueden tener combinaciones de ambas.

Los VFD funcionarán bien cuando la curva de la bomba tiene una forma ascendente y la curva del sistema está dominada por la fricción. Cuanto más plana sea la curva del sistema (dominada la altura estática) y cuanto más plana sea la curva de la bomba, menos efectivo será el sistema VFD. Normalmente, cuanto más pronunciada sea la curva de la bomba, mayor será el potencial de ahorro de energía, pero se necesita un análisis para mayor 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 los VFD son:

Cuando la curva del sistema está dominada por la fricción, la reducción de la velocidad hará que los puntos de funcionamiento 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 disminuyen. Cuando la curva es plana (domina la altura estática), la bomba sale rápidamente del BEP y del rango operativo permitido (AOR) a medida que disminuye 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 alcanzan 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 mayor parte del tiempo. Pero también es importante que los operadores/propietarios comprendan 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 fuente valiosa de información adicional y pertinente. También te recomiendo que revises los lineamientos y 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 Submarina. Elsey también es la directora de MaDDog Pump Consultants LLC. Puede comunicarse con él en [email protected].