Diseño de Sistemas de Bombeo Eficientes y Eficaces

Diseño de Sistemas de Bombeo Eficientes y Eficaces

Analizar todas las opciones puede ayudarlo a ahorrar energía y dinero para sus clientes.

Por Ed Butts, PE

El diseño de un sistema de bombeo eficiente va mucho más allá de adaptar la bomba más eficiente a las condiciones de servicio o de cabezal del sistema o de utilizar una válvula de control o accionamiento de frecuencia variable para demandas variables.

Estos son solo los puntos de partida. En el mundo actual, la gran cantidad de equipos mecánicos y eléctricos disponibles para el diseñador e instalador, combinados con reglas y directrices de diseño bien establecidas y nuevas, hacen que el diseño de un sistema de bombeo eficiente y efectivo sea dos de los elementos más importantes de una planta de bombeo.

Este mes, revisamos las ideas pasadas de un buen diseño de bomba o estación de bombeo junto con los criterios de cambio de reglas actuales que los diseñadores deben considerar para prácticamente todas las aplicaciones de bombeo.

Definir un Sistema Eficiente y eficaz

Eficiencia: esa sola palabra tiene diferentes significados para diferentes personas, pero nunca la palabra ha tenido más validez y valor que en el mundo actual con costos de energía cada vez mayores.

Para el vendedor típico, la eficiencia significa convencerlo de que su producto entregará más de algo por menos de su dinero. Para los ingenieros, la eficiencia significa producir algún tipo de resultado final, ya sea que resulte en trabajo o en un producto con la menor cantidad de esfuerzo y, por lo tanto, costo.

La eficiencia es básicamente la diferencia entre un resultado teórico y el resultado real de una tarea, esfuerzo o proceso. En el negocio de los pozos de agua, la eficiencia generalmente se aplica a la eficiencia eléctrica, mecánica o química, y hay formas de mejorar cada tipo.

Junto con la eficiencia, los diseñadores de sistemas de agua deben asegurarse de que su diseño sea efectivo. Esto simplemente significa que el sistema de bombeo no solo debe suministrar agua de manera eficiente, sino con el flujo y la presión adecuados, en otras palabras, de manera efectiva.

Para un sistema de bombeo, su eficacia siempre comienza con la determinación de la velocidad o el volumen de agua necesarios para entregar durante un período de tiempo predeterminado. Esto puede ser durante un período de 24 horas para la demanda diaria promedio de un sistema de agua o tan solo 20 minutos para la demanda máxima.

Obviamente, proporciona poco beneficio, e incluso menos comodidad, si debe informar a su cliente que su nuevo sistema de bombeo ofrece 750 GPM con la mayor eficiencia posible cuando necesitan 1000 GPM. O su sistema de riego es capaz de aplicar 2 pulgadas de agua sobre 50 acres en 12 horas cuando el cliente solicitó un sistema que pudiera entregar 1.75 pulgadas de agua sobre 90 acres en ocho horas.

¿Qué Significa Realmente La Eficiencia?

El diccionario define eficiente como » actuar para producir un efecto con un mínimo de desperdicio o esfuerzo, o exhibir una alta proporción de salida a entrada.»Ambas partes de esta definición obviamente se aplican a la industria de pozos de agua, aunque cada parte tiene una aplicación diferente.

Aunque nuestro objetivo en diseño y aplicación es desarrollar un sistema con el más alto nivel de eficiencia operativa, y en muchos casos hemos logrado estas mejoras en muchos niveles, es importante recordar que siempre habrá alguna pérdida de eficiencia en cualquier proceso o esfuerzo, independientemente de cualquier mejora, racionalización o diseño mejorado que introduzcamos en el sistema.

Muchos de los aumentos en la eficiencia de una máquina o proceso determinado se pueden correlacionar directamente con la demanda del cliente o la intervención y regulación del gobierno.

Por ejemplo, debido al impulso de la acción del Congreso que conduce a nuevos estándares, los códigos revisados de los Estados Unidos relacionados con la energía establecen requisitos mínimos para el diseño y la construcción de eficiencia energética para edificios nuevos y renovados, lo que afecta el uso de energía y las emisiones durante la vida útil del edificio. Esto es especialmente importante ya que los edificios representan casi el 40% del uso actual de energía en los Estados Unidos, el 65% del consumo de electricidad y un poco más del 10% del uso de agua.

Dado que los edificios son la principal fuente de consumo de energía en los Estados Unidos, es imperativo que los edificios cumplan con estos nuevos códigos para garantizar que cumplen con el estándar de mayor eficiencia. El uso temprano de métodos y materiales más eficientes al construir un edificio costará una fracción de lo que costará más adelante si se necesita una adaptación para ayudar a reducir el uso total de energía a lo largo de la vida útil del edificio.

Hay nuevos códigos de energía para edificios comerciales y residenciales, así como otros tipos de uso de energía.

Reconociendo que los motores eléctricos representan el mayor grupo de consumo único de energía eléctrica, se han adoptado nuevas regulaciones, incluidos atractivos programas de reembolso, para la retroadaptación y la sustitución de motores más antiguos menos eficientes por motores más nuevos y eficientes. Estos nuevos motores pueden tener una aplicación directa en aplicaciones de bombas de pozo y bombas de refuerzo.

Más allá de las mejoras que podemos hacer con motores eléctricos más nuevos, hay otras mejoras aparentemente menores del sistema o de los componentes que también podemos hacer. Estas mejoras, en muchos casos, pueden parecer tan insignificantes como insignificantes o sin sentido. Pero cuando se toman en cuenta a lo largo de la vida útil de la unidad o las horas de operación anuales, pueden sumar fácilmente un ahorro de costos de energía muy por encima del costo inicial de la inversión en sí.

Aunque la mejora de la eficiencia de un sistema o planta de bombeo generalmente está vinculada directamente al ahorro de energía eléctrica, hay varios métodos periféricos que también pueden ahorrar energía y, por lo tanto, aumentar la eficiencia. Estos métodos son los siguientes.

Métodos operativos o de sistema

• Seleccione plantas de bombeo para operar durante períodos de poca actividad o de desprendimiento de carga cuando sea posible. Estos períodos, generalmente durante las primeras horas de la mañana o a última hora de la noche, pueden proporcionar costos de consumo de energía más bajos que en cualquier otro momento del día. En aplicaciones de llenado de depósitos, esto puede permitir rellenar el depósito durante un período con un consumo relativamente bajo y, por lo tanto, con un cabezal de descarga.
• El uso de una válvula de estrangulamiento en línea, en la mayoría de los casos, es ventajoso para el vertimiento de agua. Aunque el uso de este proceso debe verificarse para la unidad y el sistema de bombeo específicos involucrados, una válvula de estrangulamiento en línea en la descarga de una bomba a un caudal reducido generalmente proporcionará un mayor ahorro de energía que la recirculación del agua a la fuente o el desperdicio de agua, además de conservar este valioso recurso. Nunca use una válvula reguladora en el lado de succión de una bomba.
• Utilice siempre manómetros y caudalímetros de alta calidad y precisión para el seguimiento de los datos. A pesar de que esto puede parecer obvio, desarrollar y mantener un proceso de recopilación de datos preciso y eficaz requiere no solo datos precisos, sino también datos consistentemente precisos. Las variaciones o inexactitudes en el método de recopilación de datos pueden conducir fácilmente a suposiciones y decisiones erróneas.
• Tenga en cuenta las pérdidas de energía no relacionadas con el bombeo. Una vez más, muchas veces las pérdidas de energía asociadas con funciones no vitales y no relacionadas, como los transformadores de iluminación, calefacción, refrigeración o utilización dentro de una estación de bombeo, pueden parecer menores o insignificantes. Pero a medida que aumentan estas pérdidas, como en el caso de la iluminación o la calefacción continuas, las pérdidas de energía pueden llegar a ser extremas y distorsionar otros costos de energía para fines de bombeo.

Mejora de la Eficiencia de la Bomba

• El uso de componentes de bomba con baja fricción hidráulica, como bronce, porcelana y acero inoxidable, provocará un menor arrastre dentro de la propia bomba y, por lo tanto, menores costos de bombeo. Especifique un acabado pulido C-10/C-20/C-30 en los pasos del impulsor.
• Trucos poco conocidos para impulsores o volutas, como el relleno o relleno de paletas, el recorte de la lengüeta de voluta, el equilibrio dinámico, el inglete del borde exterior del impulsor y el pulido del impulsor pueden aumentar la eficiencia en uno o dos puntos, ahorrando caballos de fuerza.
• Seleccione la bomba para operar lo más cerca posible del mejor punto de eficiencia (BEP) o dentro de la ventana de mejor eficiencia (BEW) en todo momento.
• Mejore la tubería utilizando tuberías de succión y descarga más grandes de las requeridas. Eliminar tes, ell y tuberías restringidas cuando sea posible, y cambiar o usar materiales de tuberías con los factores de fricción más bajos, como PVC o hierro dúctil revestido de cemento sobre acero, también puede beneficiar a un sistema.
• Incluso modificar una válvula de control, aislamiento o retención en la línea de descarga de la bomba puede pagar dividendos a largo plazo. Dependiendo del tamaño de la válvula, el caudal y el servicio, cambiar un estilo de globo estándar de válvula de control en línea con un tipo de válvula de control de ángulo o patrón wye puede ahorrar hasta 2-4 psi o hasta 10 pies de pérdida de cabezal durante el funcionamiento. Para una válvula utilizada estrictamente para el aislamiento de la estación, el uso de un tipo de válvula de puerto completamente abierto (como una válvula de compuerta de asiento elástico) en lugar de una válvula con una obstrucción en línea (como un tapón sin forro o una válvula de mariposa) también puede reducir la pérdida de carga a través de la válvula.
• El uso de un recubrimiento de alto rendimiento en un impulsor o voluta o en todo un conjunto de tazón puede proporcionar una menor fricción del disco a los impulsores, lo que resulta en un ahorro de energía. Un recubrimiento como el epoxi fundido Scotchkote 134 (SK134) puede costar entre 5 500 y 8 800 por etapa de aplicación, pero puede aumentar la eficiencia en hasta dos o cuatro puntos. En una unidad de bombeo diseñada para 1000 GPM a 300 pies TDH, esto puede resultar en un ahorro de potencia de hasta cuatro caballos de fuerza de freno. A 4000 horas por año de operación, esto puede resultar en un ahorro de energía de más de $1200 solo en el primer año.
• Durante el diseño de unidades de bombeo de pozos profundos nuevas o de reemplazo, tenga en cuenta la diferencia relativa en la eficiencia del recipiente y el motor y la vida útil entre las unidades de turbina sumergibles y verticales. Aunque la inversión de capital de un sistema de bombeo sumergible casi siempre será inferior a la de una unidad de turbina vertical de tamaño comparable, la eficiencia combinada del recipiente y el motor a menudo será de hasta 10-15 puntos más alta para la unidad de turbina vertical. Por ejemplo, con una planta de bombeo diseñada para 1000 GPM a 300 pies TDH, la diferencia en los costos de bombeo por hora puede ascender a $1.30 por hora o 5 5200 por un período operativo de 4000 horas (50%). Además, la vida útil de una unidad de turbina vertical a menudo es mayor que la de un sumergible debido a la menor velocidad, el calor del motor y la accesibilidad. Obviamente, estas proporciones no siempre se aplican, por lo que el diseñador debe evaluar estos factores caso por caso.
• Para bombas de turbina verticales, compruebe la configuración de la cubeta al menos una vez al año para optimizar el rendimiento. Para los impulsores semiabiertos, utilice un amplificador o medidor de potencia para optimizar el ajuste del recipiente.

Motores y controladores eléctricos

• Para motores: El aumento del tamaño de los cables, la optimización de los voltajes, la mejora del factor de potencia con condensadores, el uso de motores de alta eficiencia, el suministro de un entorno operativo limpio y fresco y la reducción de la potencia de un motor para una carga determinada pueden aumentar la eficiencia de una planta de bombeo hasta en un 5% solo a través de cambios eléctricos.
• Para todos los controladores (incluidos los engranajes): Reemplace el aceite y agregue / reemplace la grasa a las frecuencias e intervalos recomendados por el fabricante. Utilice el peso y la viscosidad del aceite y la grasa según las directrices del fabricante. No llene en exceso los depósitos de aceite y mantenga los niveles de aceite entre niveles bajos y altos durante la operación. Para accionamientos de engranajes refrigerados por agua y motores refrigerados por camisa de agua: Verifique el funcionamiento y el caudal mínimo para el bucle de refrigeración por agua. Compruebe la temperatura de funcionamiento del motor/transmisión de engranajes para verificar que el aceite se esté enfriando a los niveles prescritos.
• Para motores de reserva: realizar ejercicios de rutina y pruebas operativas anuales como mínimo. Independientemente de las horas de funcionamiento, reemplace el aceite una vez al año como mínimo. Rotar o utilizar el combustible almacenado para mantener la calidad. Si es necesario, use combustible diesel con calidad anti-encerado o aditivo para evitar el encerado durante largos intervalos de almacenamiento. Verifique la preparación del motor con el funcionamiento adecuado del cargador de goteo de la batería, el calentador de la chaqueta, el precalentamiento y las bujías incandescentes (si corresponde). Para motores principales: Reemplace el aceite y las bujías (gas) en las horas de operación recomendadas por el fabricante; use el servicio de servicio pesado como guía. Realice compresión y sincronización cada dos años para verificar el funcionamiento uniforme del cilindro.
• Para líneas de transmisión: Compruebe la alineación y engrase las juntas en U a intervalos recomendados por el fabricante. Para accionamientos por correa: Verifique la tensión de la correa y la aplicación uniforme de la correa al menos una vez al año. Considere reemplazar múltiples correas trapezoidales con una sola correa serpentina o dentada.

Variadores de frecuencia y Válvulas de control

Variadores de velocidad o frecuencia (VFD), así como válvulas de modulación de presión, se han convertido rápidamente en un método favorito para el ahorro de energía y la mejora de la eficiencia del sistema. Sin embargo, no están exentas de inconvenientes y limitaciones, por lo que el diseñador debe emplear y considerar características específicas para proporcionar la mayor eficiencia posible y prolongar la vida útil del sistema de bombeo. Estos incluyen los siguientes:

• Al igual que con la mayoría de los dispositivos electrónicos, los VFD no se preocupan por el calor. No solo sufrirá la vida útil de la unidad, sino también la eficiencia operativa. Por estas razones, debe observarse una ventilación y refrigeración adecuadas.
• Cuando se usa con motores sumergibles u otros motores con un largo recorrido de cable entre el motor y el accionamiento (más de 50 pies), puede ocurrir una condición conocida como voltaje de onda reflejada. Esto simplemente significa que el accionamiento puede estar expuesto a un nivel de voltaje devuelto devuelto por el motor en valores cientos de veces más altos que los valores para los que está clasificado el aislamiento del motor. Varios dispositivos de protección, como rectificadores, se utilizan para anular estas condiciones y deben implementarse en todas las instalaciones con desplazamientos de cable largos.
• Al dimensionar un VFD, considere el amperaje real con el que la unidad necesitará operar, no solo los caballos de fuerza. Dado que un motor sumergible atraerá una corriente más alta que un motor estándar de potencia comparable, el tamaño para caballos de fuerza puede no proporcionar una capacidad de reserva adecuada para la corriente más alta. En muchos casos, aumentar el tamaño de la unidad en uno puede proteger contra este potencial. Este es un problema común en las instalaciones de retrofit.
• Tipos específicos de instalaciones, como las de ejes huecos verticales o motores horizontales estándar, pueden dar lugar a bucles de tierra o arcos de tensiones impuestas dentro de los rodamientos. Existen varios métodos para proteger contra esta ocurrencia, pero el método más confiable implica una conexión a tierra y una unión efectivas y completas del accionamiento y el motor.
• Para aplicaciones VFD nuevas o modernizadas, verifique que la reducción de velocidad coincida con la curva de bomba seleccionada y que el ahorro de energía se aplique a velocidades reducidas. Las curvas de bombeo pronunciadas son generalmente más justificadas y favorables cuando se usan con VFD que el uso de válvulas de control de presión en línea. Un mayor grado de ahorro de energía a velocidades de flujo reducidas generalmente ocurrirá cuando se aplica una válvula de control de presión en línea a una bomba con una curva plana, ya que los caballos de fuerza tienden a caer sobre una caída proporcional en la velocidad de flujo.

Uso del Software de diseño de bombas

A medida que las técnicas de modelado por computadora continúan mejorando y funcionando en nuestra vida diaria, también aumenta la necesidad de considerar el uso de programas de selección de bombas. Según mi cuenta, actualmente hay cinco opciones de software de selección de bombas genéricas e innumerables programas de selección de fabricantes.

Aunque siempre he sido un veterano a la hora de seleccionar una bomba de catálogos y usar curvas de fabricantes, mi uso de programas de selección ha aumentado mucho en la última década, especialmente ahora que estoy diseñando más sistemas de bombeo con flujo variable y condiciones de cabezal.

Aunque no tengo la intención de hacer publicidad, estoy bastante satisfecho y trabajo con el software PumpFlo desarrollado por Engineered Software Inc. Comencé con la versión I hace años y ahora trabajo con la Versión X y estoy satisfecho con la forma en que este software permite la selección de varias bombas ingresando las condiciones de diseño de capacidad y cabezal o haciendo referencia directamente a un modelo de bomba específico.

Aunque sé que hay muchos otros excelentes programas de software de selección de bombas disponibles, soy uno de los dinosaurios que prefiere seguir con algo cuando funciona para mí (¡esta es la misma razón por la que he estado casado durante 40 años!).

Además de los programas que permiten comparar bombas de diferentes fabricantes, prácticamente todos los fabricantes de bombas ahora tienen su propio programa de selección o forman parte de un software de selección de bombas como PumpFlo, PumpCALC o PumpBase. La mayoría de los programas de selección permiten la evaluación de varias velocidades, la comparación de la eficiencia y los caballos de fuerza, las limitaciones de la curva de la bomba y las selecciones con diferentes ajustes y etapas, junto con los cambios apropiados en la eficiencia y el consumo de caballos de fuerza, cada uno un parámetro crítico para diseñar adecuadamente un sistema de bombeo de agua.

Este tipo de funcionalidad no solo acelera la selección de una bomba de pozo, sino que también ayuda con la precisión y la comparación de diferentes modelos y marcas, además de que las impresiones y curvas generadas por computadora se ven mejor que el tipo I que una vez se produjo a mano. Aunque el uso de un software de selección de bombas probablemente no sea tan eficiente y necesario con las bombas de pozo domésticas, recomiendo encarecidamente el uso de esta tecnología para bombas de pozo de turbina sumergibles y verticales más grandes y bombas de refuerzo.

Unidad o Componente vs Eficiencia del sistema

A medida que la palabra de moda de eficiencia continúa introduciéndose en nuestra vida laboral diaria con cada vez más frecuencia, debemos reconocer como diseñadores de sistemas de agua la importancia de exprimir más trabajo por menos energía como una forma no solo de ahorrar a nuestros clientes importantes costos operativos, sino también para conservar los limitados recursos naturales de nuestro mundo.

Una de las muchas formas en que podemos ayudar en este esfuerzo es evaluando y mejorando la eficiencia tanto del sistema como de los componentes.

La eficiencia del sistema es el contribuyente más obvio y aparente a la eficiencia general y los costos operativos, y el que generalmente nos preocupa más. En la lengua vernácula de los sistemas de agua, se le conoce comúnmente como la eficiencia de la planta de bombeo o de cableado a agua. Es la eficiencia neta, compuesta por las pérdidas individuales dentro de todo el sistema, la que, en conjunto, crea la eficiencia final de la planta.

Por otro lado, la eficiencia de la unidad, también conocida como eficiencia de los componentes, es la eficiencia relativa de un elemento específico o individual dentro del sistema agrupado más grande. Podría ser la eficiencia de la bomba, el conductor o la transmisión, o incluso la eficiencia de un solo componente dentro de la unidad general, como las pérdidas hidráulicas internas dentro de un impulsor o la fricción del rodamiento para una etapa en una bomba de turbina vertical de varias etapas, que son cada una una parte separada de la eficiencia general del recipiente.

Muchas personas piensan que la eficiencia del sistema es el único factor importante, pero no estoy de acuerdo. En muchos casos, el uso de mejoras incrementales en la eficiencia de la unidad o componente puede ser mucho más rentable que los cambios al por mayor de todo el sistema. Esta es la razón por la que promociono el uso de métodos de bajo costo pero efectivos, como el relleno del impulsor, el pulido o los forros de los recipientes, como formas de aumentar la eficiencia de la bomba.

Aquí hay otro ejemplo: La conversión a una eficiencia premium de 100 HP y 1800 RPM de un motor eléctrico de eficiencia estándar aumentará la eficiencia a plena carga de aproximadamente el 93% al 94,5%. En una condición de carga completa, esta mejora incremental ahorrará hasta 1,27 kW, que cuando se multiplica por 3000 horas de funcionamiento por año se traducirá en un ahorro de energía de 3820 kW/h. A 0,15 dólares por kW/h., esto es un ahorro potencial en los costos de operación de 573 dólares por año.

Este tipo de ahorro también es posible con retroadaptaciones de tazón, donde una mejora de una eficiencia de tazón de 75% a 83% con una carga de 50 CV (potencia de freno) puede ahorrar hasta 6,42 CV.

Incluso al demostrar estos ahorros de energía comprobados—en muchos casos, especialmente en entornos de riego, los clientes a menudo se resisten a invertir el costo de un reemplazo o actualización de un sistema completo en comparación con el de un reemplazo de componente. Probar y evaluar la eficiencia individual de las unidades o componentes y luego recomendar el reemplazo o reparación de estos elementos específicos a menudo es más propicio para el presupuesto de un cliente que el reemplazo de un sistema completo.

Seguirá generando negocios y ventas, así como tendrá la satisfacción de probablemente ahorrar al cliente algo de dinero real al final.

Conclusión

A medida que los costos de energía continúan aumentando cada año, la necesidad de considerar completamente la eficiencia de cada elemento en nuestros sistemas de bombeo también seguirá aumentando. El propósito de esta columna es recordarle cuán importante se ha vuelto la eficiencia en nuestro mundo. Hay formas de mejorarlo con solo pensarlo un poco, mientras que al mismo tiempo preserva la efectividad del sistema de bombeo.

Considere todas las posibilidades sin importar lo insignificantes que parezcan, y puede encontrar que solo pueden ofrecer algunos dividendos reales para usted y su cliente.

Hasta el próximo mes, trabaje seguro e inteligente.

Ed Butts, PE, es el ingeniero jefe de 4B Engineering & Consulting, Salem, Oregon. Tiene más de 40 años de experiencia en el negocio de pozos de agua, especializándose en ingeniería y administración de negocios. Se puede contactar con él en [email protected]