Electrobombas

Introducción

CLASIFICACION DE TURBOMAQUINAS

Las turbomáquinas son maquinas que transforman energía mecánica (P=M·w) en energía de fluido (P=φ·Q·H) o viceversa. Las turbomáquinas constan fundamentalmente de una rueda de álabes, llamada rodete, que gira libremente alrededor de un eje cuando pasa un fluido por su interior. La forma de los álabes es tal, que cada dos consecutivos forman un conducto que obliga al flujo a variar su cantidad de movimiento, lo que provoca una fuerza sobre dichos álabes.

En el rodete tiene pues una transformación de energía del flujo en energía mecánica o viceversa. En el primer caso sería turbomáquinas productoras de energía mecánica, o simplemente turbinas. En el segundo caso tenemos turbomáquinas consumidoras de energía mecánica.

A las productoras de energía mecánica, turbinas, pertenecen las turbinas hidráulicas, turbinas de vapor y turbinas de gas. A las consumidoras de energía mecánica pertenecen las bombas hidráulicas, los ventiladores y los turbocompresores.

En cuanto a la base de funcionamiento tenemos las bombas de desplazamiento y las bombas de intercambio de cantidad de movimiento. Las bombas de desplazamiento posen un contorno móvil que obliga al fluido a avanzar a través de la máquina. Tanto a la entrada como a la salida de estas máquinas existen unas válvulas que se abren y cierran alternativamente.

Por otro lado, las bombas de intercambio de cantidad de movimiento, como se ha comentado, forman parte de las turbomáquinas. Según la dirección del flujo a la salida del rodete, pueden subdividirse en los siguientes grupos:

·         Bombas centrífugas (salida perpendicular al eje)

·         Bombas hélice (flujo paralelo al eje)

·         Bombas helicocentrífugas (flujo mixto)

Las bombas centrífugas elevan poco caudal de agua a una gran altura, se utilizan principalmente en el abastecimiento de agua. Su velocidad especifica varia entre 10 y 100, consiguiéndose el mejor rendimiento con velocidad especifica 50.

Las bombas hélice (axiales) eleva mucho caudal a poca altura, son utilizadas en saneamiento, elevación de grandes trasvases y procesos industriales. Su velocidad especifica varía entre 200 y 320, encontrando el mejor rendimiento con una velocidad especifica de 250.

Las bombas helicocentrífugas trabajan entre ambos campos de aplicación, por lo que pueden utilizarse en cualquiera de estos campos con sus limitaciones. Su velocidad especifica esta comprendida entre 75 y 200, encontrándose el mejor rendimiento en las de velocidad especifica 130. 

Recordemos que la velocidad especifica tiene carácter adimensional, fijándose con ella toda la familia geométricamente semejante en condiciones análogas de funcionamiento. Relacionan la velocidad angular de giro, el caudal trasvasado y la altura salvada.

Nos centraremos en las centrífugas, ya que son de clara aplicación a las necesidades de abastecimiento de agua desde sondeos. Las bombas centrífugas pueden clasificarse a su vez:

·         Bombas centrífugas horizontales.

·         Bombas centrífugas verticales.

·         Bombas centrífugas sumergidas.

Las bombas centrífugas horizontales hacen mención su nombre a la orientación de su eje. Ocupan más espacio que las bombas verticales. Son económicas y de fácil mantenimiento. Presentan problemas por descebado. Las bombas centrífugas horizontales se clasifican en:

·         Monobloc: Eje único para el motor y la bomba. Facilita la instalación y de menor coste del conjunto. En caso de avería dependemos del fabricante.

·         Eje libre: Los ejes son distintos. Es necesario su acoplamiento. Hay que prestar gran atención a la bancada y a la alineación de los ejes. Nos da libertad en la averías al poder independizar motor y bomba.

Las bombas centrífugas verticales se instalan con el eje en posición vertical. Usualmente la bomba va sumergida y el motor suspendido sobre una plataforma, estando ambos conectados a través de un eje de transmisión. Presenta graves problemas de alineamiento, precisamente conseguir una perfecta verticalidad es lo que determina la vida de estos equipos, y no deben de instalarse a más de 9 ó 10 metros. Las reparaciones son costosas.

Las bombas centrífugas sumergidas son equipos en los que el motor (estanco) y la bomba está unidos y sumergidos. Siempre esta en carga y se pueden instalar en pozos profundos. Precisamente la instalación de este tipo de bombas es el objeto de estudio de esta ponencia.

Podemos encontrarnos bombas de cuerpo único o de cámara partida, la diferencia se encuentra si el acceso al rodete se realiza por la brida de aspiración, o por el contrario se encuentra seccionado por un plano horizontal a la altura del eje.

Para la aclaración de estas clasificaciones tenemos el cuadro:

MOTOR ELÉCTRICO

Los motores eléctricos son maquinas eléctricas que convierten la energía eléctrica de alimentación del motor en energía mecánica que es entregada en su eje. Los motores de las bombas son generalmente de tipo asíncrono, y más concretamente de jaula de ardilla.

El principio de funcionamiento de los motores asíncronos esta basado en la producción de un campo magnético giratorio. Estos motores eléctricos están formados por un rotor (parte móvil) y un estator (parte fija). El deslizamiento es la diferencia de velocidad que se produce entre el rotor y el campo del estator.

La velocidad de sincronismo no se ve modificada con la variación de tensión. En un motor en carga un aumento de la tensión conlleva una disminución del deslizamiento y por lo tanto aumenta la velocidad del rotor. Por el contrario si la tensión de alimentación decrece, aumenta el deslizamiento y la velocidad de rotor disminuye.

En estos motores el par de arranque es proporcional al cuadrado de la tensión, aumenta cuando la tensión es más elevada. La intensidad en el arranque es proporcional a la tensión de alimentación.

La velocidad en los motes asíncronos trifásicos no esta influenciada por las variaciones de tensión, siempre que el motor este en vacío, pero si es proporcional a la frecuencia e inversamente proporcional al número de polos que constituye el estator.

Donde:

N: velocidad de sincronismo en r.p.m.

F: frecuencia en Hz

P: número de pares de polos

Para las frecuencias industriales de 50 Hz y 60 Hz, las velocidades de rotación del campo giratorio o de sincronismo, en función del número de pares de polos del estator:

Como se ha comentado el deslizamiento es la diferencia entre la velocidad del campo giratorio del estator, definida por el número de polos y la frecuencia de la red, y la velocidad real del rotor. Puede expresarse en revoluciones por minuto, o más generalmente, en valor relativo con la velocidad de sincronismo. Por ejemplo, un motor con un deslizamiento del 3% siendo de 4 polos y a una frecuencia de red de 50 Hz, tendrá una velocidad en el rotor de 1.455 r.p.m.

En los tipos de arranques del motor se hablará de las corrientes de arranque y las condiciones del mismo. De igual modo se tratará en aprovechamiento y ahorro energético como se consigue la máxima eficiencia energética de los mismos, a lo que se puede ya adelantar para tener en cuenta en la selección, que el máximo rendimiento se obtiene con el motor trabajando a plena carga. De igual modo tienen mayor rendimiento los motores que giran a velocidades más altas. Por el contrario a mayor velocidad su vida útil es menor.

CRITERIOS DE SELECCIÓN. FIABILIDAD Y RENDIMIENTO

En esta ponencia, como ya se ha comentado, nos vamos a centrar en las bombas hidráulicas centrífugas sumergidas, ya que son las únicas aptas para su instalación y funcionamiento en sondeos profundos (más de 10 metros) de agua. Como se ha indicado en la introducción tenemos que seleccionar equipos que cumplan con la máxima fiabilidad técnica y la mayor eficiencia económica.

La fiabilidad técnica viene a relacionar las posibilidades de avería del equipo. Por ser el agua un bien de muy primera necesidad, una avería en una instalación de electrobomba de  un sondeo puede dejar desabastecida de agua una población, por lo que es responsabilidad del gestor del sistema de bobeo o servicio de suministro, el procurar la máxima fiabilidad de los equipos instalados. 

Por otro lado debemos de procurar la máxima eficiencia económica, y ello se consigue con el mayor ahorro energético, directamente relacionado con el concepto de rendimiento. Recordemos que eficiencia es la capacidad de realizar una acción (en nuestro caso trasegar agua) con el menor gasto de recursos (energía). También habrá que tener en cuenta los gastos de mantenimiento y de adquisición de los equipos. Si tenemos en cuenta el costo que arroja una instalación de bombeo desde la adquisición de los equipos hasta el fin de su vida útil tenemos aproximadamente:

·         Gastos de adquisición de equipos: 2%.

·         Gastos de mantenimiento: 5%.

·         Gastos de energía: 93%.

Lo que nos indica donde debemos de hacer una mayor incidencia a la hora de seleccionar los equipos, en la eficiencia energética de los mismos. Vuelvo a recalcar que no debemos de olvidarnos de la fiabilidad técnica, ya que de ella dependerá la calidad y regularidad del suministro.

Se define rendimiento de una máquina como la relación (cociente) entre la potencia de salida de la máquina y la potencia de entrada. Dado que las máquinas tienen unas perdidas, la potencia de salida es menor que la potencia de entrada, por lo que el cociente es siempre menor a la unidad (o menor al 100%). 

La curva altura-caudal nos indica la altura manométrica que proporciona la bomba en función del caudal impulsado. Esta curva nos muestra la capacidad de aplicar (es más propio decir transformar energía mecánica en energía de fluido) energía al fluido. Partiendo del balance de energía que constituye la ecuación de Bernouilli, entre los puntos de entrada y salida de la bomba, y las perdidas hidráulicas existentes en el interior de la bomba, obtenemos:

H = A + BQ + CQ2

Es decir que las curva altura-caudal de cualquier bomba se asemeja a una parábola, sometida a una ecuación de segundo grado. Hay que tener en cuenta que las curvas de las bombas se determinan para una velocidad angular (rpm) determinada, al variar esta velocidad las curvas han de ser modificadas. 

Para el proyectista o diseñador de la instalación, así como para su gestor, necesita conocer la curva rendimiento-caudal. Para ello hay que efectuar una análisis cualitativo de las pérdidas existentes en bombas. Tenemos las perdidas hidráulicas (fricción o choque) antes mencionadas además de las pérdidas por fugas y las mecánicas. Obtenemos:

η = EQ + FQ2

Vemos que el rendimiento se semeja también a una curva definida por ecuación de segundo grado sin termino constante.

Tenemos dos curvas más, que de igual modo deben ser aportadas por el fabricante, la curva potencia-caudal, en la que se relaciona la potencia absorbida en función del caudal, y la de Altura Neta Positiva de Aspiración Requerida-caudal. La altura neta positiva de aspiración requerida, NPSHr (del ingles Net Positive Suction Head), es la energía en altura que necesita la bomba a la entrada para hacer el recorrido desde esa entrada hasta el punto de mínima presión, en que comienza a recibir energía, sin que aparezca la cavitación. Ese punto de energía mínima se encuentra inmediatamente después de la entrada al impulsor, en la parte cóncava de los álabes.

Para la selección de una bomba debemos de conocer en primer lugar una serie de datos, a saber:

·         Caudal de diseño: Es el caudal que queremos extraer del sondeo, siendo este compatible con el aforo del mismo.

·         Nivel estático del sondeo: Es la distancia medida desde la boca del sondeo a la lamina de agua, una vez ha estado en reposo un tiempo prudencial.

·         Nivel dinámico del sondeo: Es la distancia medida desde la boca del sondeo a la lamina de agua, impulsado el caudal de diseño. Este dato se obtiene del aforo del sondeo.

·         Diámetro del sondeo: Es el diámetro del sondeo.

·         Profundidad del sondeo: Es la profundidad total del sondeo medida desde la boca del sondeo.

·         Tensión de alimentación: Es la tensión a la que disponemos la energía eléctrica.

·         Altura elevación: Es la altura a la que proyectamos elevar el agua desde la boca del sondeo.

·         Diámetro de la impulsión: Es el diámetro del tubo de impulsión del sondeo.

·         Perdidas carga impulsión: Son las perdidas de carga que el caudal de diseño produce en el tubo de impulsión.

·         Perdidas menores: Son las perdidas que introducen elementos como codos, válvulas, y otros accesorios.

·         Altura manométrica de la impulsión: Es la energía necesaria para elevar el agua al punto proyectado desde la bomba, esta formada por la suma del nivel dinámico del sondeo, las perdidas de carga de la impulsión y las perdidas menores.

·         NPSHd: Es la altura, o energía, bruta disponible que tiene el flujo a la entrada de la bomba. En la practica podemos obtenerla como la distancia entre el primer rodete y la lamina de agua en dinámica, más 1,5 metros de seguridad.

Como se ha indicado el caudal será el compatible con el aforo. Es aconsejable extraer el caudal máximo, siempre que tengamos capacidad de regulación y almacenaje de agua, ya que de esta manera para un volumen determinado de necesidad de agua, podemos extraerla en horas donde el coste energético sea mínimo.

En cuanto a la altura de elevación esta será la suma de la altura geométrica (diferencia entre la cota del nivel de la lamina de agua del sondeo y el punto a abastecer), la altura necesaria al final de ala conducción como presión, y por último las perdidas de carga.

Las perdidas de carga se debe tanto a la conducción como elementos insertados en la red (codos, válvulas, etc). Las perdidas de carga en la tubería es directamente proporcional a la longitud de la tubería, al cuadrado del caudal, al factor de fricción e inversamente proporcional al diámetro.  En este punto debemos observar el diámetro económico de la conducción descrito en el capitulo de instalación hidráulica.

Una vez conocidos estos datos, la selección de la bomba se centra en buscar la bomba, de sección acorde al sondeo, que en su curva altura-caudal contiene nuestro punto de funcionamiento (caudal de diseño y altura manométrica de impulsión), y a su vez en la curva de rendimiento-caudal, el caudal de diseño arroja el rendimiento máximo. Debemos de comprobar que el NPSHd es mayor que el NPSHr.

Además es importante tener en cuenta la relación entre la sección útil del sondeo en el punto de instalación de la bomba y la de la propia bomba, ya que el agua que circula entre la pared del sondeo y la superficie exterior del motor de la bomba ha de cumplir un caudal mínimo para que se produzca la adecuada refrigeración del motor, en caso contrario se deberá instalar al motor unas camisas de refrigeración. Si tomamos como diámetros tipos pares de pulgadas (4”, 6”, 8”, 10”, 12”, 14”, 16”), la bomba seleccionada será de al menos un diámetro menor que el diámetro del sondeo. Como la capacidad de refrigeración del agua depende de la velocidad, a medida que haya mayor diferencia entre el diámetro del sondeo y el de la bomba el caudal deberá de ser mayor, siendo este caudal el extraído por la bomba. Las velocidades mínimas son del orden de entre 8 cm/s y 16 cm/s.

Ante la existencia de varias bombas semejantes que cumplen estas premisas, debemos reflexionar acerca de la posible evolución del sondeo, en lo que el caudal que en el futuro será posible extraer y la evolución del nivel dinámico.