El mayor beneficio de la velocidad de bombeo variable es el ahorro de energía eléctrica, lo que es muy significativo en muchos casos; sin embargo, existen muchos beneficios adicionales que afectan de manera positiva la confiabilidad del sistema y justifican el uso de los VFD
Por Steven Boren
La operación por servicios de agua y aguas residuales absorbe –en números redondos–, entre 30 y 50 % por uso promedio de la energía eléctrica de un municipio, del cual 90 % es debido al funcionamiento de las bombas. Entonces, lograr que la operación de bombeo sea eficiente al mismo tiempo que se mantiene una tasa de flujo satisfactoria en condiciones variables, se correlaciona inherentemente con las metas más importantes en la administración de los servicios de agua.
Algunos de los métodos más comunes y rudimentarios para lograr este equilibrio incluye el sobredimensionamiento de la bomba para asegurar el flujo máximo en todo momento, o bien, se controla el flujo por medio de una válvula de estrangulamiento o de by-pass; otra opción es recortar el diámetro del impulsor. Como una solución más viable, en muchos casos Últimamente se controla el flujo emparejando el motor de la bomba con un variador de frecuencia (VFD).
Para poder examinar de manera adecuada y con más detalle estos métodos, es importante considerar el valor de las curvas del sistema y las de la bomba, entendiendo las ventajas al comparar cada una de las opciones.
Curvas del sistema
La curva de un sistema define gráficamente la cantidad de presión en la columna de fluido (cabeza de presión) a través de un sistema hidráulico de tuberías como función de caudal. La cabeza de presión, que se mide en metros o pies, es la altura máxima (presión) que puede lograr una bomba. Para las aplicaciones de aguas residuales, es la elevación vertical desde la entrada de la bomba hasta la descarga de la tubería. El flujo se mide en galones por minuto.
La curva del sistema se deriva de los dos aspectos más importantes relacionados con el sistema y que una bomba debe superar:
- Presión estática: las diferencias en la elevación del fluido (ascendente) entre el suministro de la bomba y la bomba, y las diferencias en la presión entre el suministro de la bomba y el sistema de la bomba
- Pérdida de presión de cabeza por fricción: la fricción que impide que el flujo del fluido corra a través del sistema de tuberías, la cual se produce por el tipo de tubería (concreto, PVC), el diámetro de la tubería, las válvulas reguladoras de flujo y los accesorios, que puede ser cualquier conexión tipo codo o en T que está en la ruta de paso del fluido por la tubería
Cada aplicación tiene su propia curva del sistema que representa la presión generada por el sistema de tuberías en un rango de tasas de flujo que se basa en los componentes únicos de un sistema individual. La curva es siempre una parábola con pendiente ascendente.
Un sistema que está controlado por la fricción y que tiene poca pérdida de presión de cabeza debido a los cambios en la elevación del nivel del fluido, da como resultado una curva más pronunciada. Un sistema que esté controlado por presión estática, que tiene mucha pérdida de presión de cabeza debido a las elevaciones en el nivel de fluido, da como resultado una curva más plana.
Curvas de la bomba
Generalmente esta curva la proporciona el fabricante de la bomba. La curva describe la relación que existe entre la tasa de flujo y la presión real de la bomba (básicamente, es la información sobre la capacidad de una bomba específica para producir flujo contra una determinada cabeza de presión). S.lo es válida para una bomba en especial, con un diámetro de impulsor específico, operando a una velocidad determinada y tiene un Punto de Mejor Eficiencia (BEP, por sus siglas en inglés).
Una bomba opera en donde se intersectan la curva de la bomba y la curva del sistema. Conforme cambian las condiciones y el punto de operación se mueve a través de la curva de la bomba, ésta cambia su eficiencia.
Métodos populares para el control de bombas y sus ineficiencias
Al examinar los métodos comunes que usan algunas compañías de aguas para que el rendimiento de la bomba coincida con los requerimientos del sistema, es importante entender cómo se relacionan las curvas de la bomba con el funcionamiento de ésta a sus velocidades nominales. Conforme la cabeza de presión aumenta a partir del BEP su eficiencia se reduce, ya que el punto de funcionamiento se mueve por arriba de la curva de la bomba hacia la válvula de la cabeza de presión. Conforme el flujo aumenta (lo que significa que la cabeza de presión disminuyó) desde el BEP, se reduce la eficiencia, debido a que el punto de funcionamiento se mueve por debajo de la curva de la bomba.
Algunos métodos comunes para el control de bombas y sus ineficiencias son:
- Bomba más grande de lo necesario: esto hace que la bomba funcione a la velocidad nominal correcta pero se usa una bomba más grande para maximizar el flujo y la cabeza de presión. Esto provoca que se desperdicie energía eléctrica, ya que la bomba esté suministrando mayor flujo y cabeza de presión que lo requerido
- Adición de una válvula de estrangulación: se agrega una válvula de descarga a la bomba para controlar el flujo dentro del sistema de bombeo. La válvula agrega mayor resistencia al sistema (fricción), lo que ocasiona que el punto de funcionamiento se mueva por arriba la curva de la bomba. Esto también da como resultado desperdicio de energía eléctrica
- Adición de una válvula de by-pass: esto permite que el agua fluya de regreso a la succión de la bomba, reduciendo la resistencia del sistema e incrementando el flujo desde la bomba, lo que ocasiona que el punto de funcionamiento se mueva por debajo la curva de la bomba. Otra vez, desperdicio de energía eléctrica
- Reducción del diámetro del impulsor de la bomba: esto reduce el flujo y disminuye la cabeza de presión que produce la bomba, generando una nueva curva. Una vez que el di.metro del impulsor se reduce, se pierde la capacidad para, en un futuro, aumentar el flujo suministrado desde la bomba y la eficiencia de la bomba se reduce. A mayor reducción del diámetro del impulsor, mayor ineficiencia de la bomba
Control de flujo por medio de un variador de frecuencia (VFD)
Existe una percepción errónea de que al emparejar el motor de la bomba con un VFD, el punto de funcionamiento simplemente se moverá por arriba y por debajo de la curva de la bomba. En realidad, por cada 0.1 Hz de regulación en la velocidad, se desarrolla una nueva curva de la bomba, lo que da como resultado un número infinito de curvas de la bomba generadas por la variación en la velocidad de ésta. Pero la curva del sistema se mantiene igual, de tal forma que conforme la velocidad varía, el flujo en el sistema de la bomba también varía, lo que provoca una caída por fricción en la cabeza de presión y el flujo disminuye. El sistema de bombeo no cambia físicamente, así que la curva del sistema es aún válida mientras varía la velocidad en la bomba, y el punto de funcionamiento simplemente se desliza por arriba y por debajo de la curva del sistema.
En la mayoría de las aplicaciones, emparejar el motor de la bomba con un VFD proporciona en todo momento una curva de la bomba que coincide exactamente con el punto de operación que el sistema requiere de ésta, controlando el flujo sin desperdiciar energía eléctrica ni sacrificar eficiencia. En los sistemas de control por fricción, en donde la bomba está a su velocidad máxima y opera cerca del BEP, continuar. operando cerca de ese mismo punto de eficiencia mientras disminuye su velocidad.
La energía requerida por una bomba se puede calcular por medio de la siguiente fórmula:
(E = energía)
Donde E = (Flujo x cabeza de presión) / 3960 (asumiendo una gravedad específica de agua de 1)
Entonces, si el flujo o la cabeza de presión disminuye, habrá un ahorro de energía eléctrica. Debido a que el VFD coincide exactamente con los puntos deseados en el diseño del sistema, la energía eléctrica que consuma la bomba se minimizará, mejorando así su eficiencia general de bombeo. En el caso de una bomba sobredimensionada, al usar un VFD permite el uso de una bomba más grande para cumplir con los requerimientos de flujo regular o futuro sin desperdiciar energía eléctrica durante la mayor parte de la operación.
A diferencia de las limitaciones generadas por la reducción en el diámetro del impulsor, al usar un variador de frecuencia, se conserva la capacidad para incrementar la velocidad de la bomba en un futuro cuando se requiera un mayor flujo y presión.
Protección de una infraestructura de bombeo desgastada por el tiempo
Como ya se indicó, el mayor beneficio de la velocidad de bombeo variable es ahorro de la energía eléctrica, lo que es muy significativo en muchos casos; sin embargo, existen muchos beneficios adicionales que afectan de manera positiva la confiabilidad del sistema que justifica el uso de los variadores de frecuencia, aún en casos en donde el factor de ahorro de energía eléctrica no sea suficiente.
Otro beneficio importante que aportan los variadores de frecuencia es la mitigación del esfuerzo en el sistema de bombeo con una infraestructura desgastada por el tiempo.
En muchos municipios en donde el sistema de tuberías es viejo y está deteriorado, un arranque a tensión plena de las bombas a través de la línea podría dañar las tuberías, las bombas y los motores, además de aumentar los gastos requeridos para el mantenimiento del sistema. Las funciones de arranque suave y de paro suave que proporciona el variador de frecuencia, evita el arranque violento y la rápida aceleración de la inercia que ocurre con un arranque a tensión plena mientras se elimina la irrupción eléctrica al motor de la bomba, lo que puede disminuir la demanda total del municipio, lo cual minimizaría también los gastos mensuales por consumo de energía eléctrica. Esto disminuye al mínimo el esfuerzo mecánico en el devanado del motor, en los engranes de la bomba, en el eje y en el cu.ero del impulsor. También se elimina el golpe de ariete en el sistema de la bomba que perjudica aún más la infraestructura de tuberías ya desgastada.
Beneficios adicionales de los VFD
- Disminución en la vibración de la bomba y en el sistema de bombeo cuando se reducen las velocidades de ésta para controlar el flujo en comparación con las válvulas de control
- Reducción de ruido cuando disminuye la velocidad de la bomba
- Aumento en la vida útil del sello dentro de la bomba, siempre y cuando la bomba opere en el Rango de Operación Preferido (POR)
- Reducción de la NPSHr (Altura Requerida de Succión Neta Positiva) conforme reduce la velocidad de la bomba con un variador de frecuencia para permitir el bombeo de fosas o sumideros a un nivel más bajo, sin ocasionar cavitación dentro de la bomba
- Menor potencial de cavitación:
- Caída de la presión del fluido conforme el fluido se divide en corrientes separadas al entrar a diferentes aspas del impulsor
- Si la presión del fluido que entra a la bomba no está a un nivel suficiente sobre la presión del vapor en el impulsor, se formarán burbujas
- Conforme las burbujas viajan hacia arriba del impulsor, provocan un aumento de presión y esto ocasiona que las burbujas exploten. La onda de presión que provocará la explosión de las burbujas es la cavitación
- Las burbujas de cavitación son pequeñas explosiones que también liberan la suficiente energía para hacer pequeños orificios en la superficie del impulsor. Con el tiempo, estos orificios se hacen más grandes y ocasionan que el impulsor tenga un desgaste excesivo y que termine por fallar
Lograr una mayor eficiencia
En algunos casos, con un VFD se puede mejorar la eficiencia de las bombas si el punto de funcionamiento del sistema está del lado derecho del BEP. Cuando baja la velocidad de la bomba en sistemas que tienen una cantidad suficiente de presión estática, la bomba se puede operar a la velocidad con la que operaría en su BEP.
Es imperativo entender que agregar un variador de frecuencia a un sistema de bombeo no garantizará ahorro de energía eléctrica en cada aplicación. Al evaluar el uso de los VFD, considerando únicamente el ahorro de energía, se debe tomar en cuenta la “energía eléctrica específica”.
Resumiendo, la energía específica se puede definir como el costo por el bombeo de una determinada cantidad de fluido al año. Para llevar a cabo esta evaluación, se debe tomar en cuenta la eficiencia total del sistema, los galones anuales que bombea el sistema, los costos de energía eléctrica, las características del sistema de bombeo, las preocupaciones específicas en relación con la bomba y otros criterios. Siempre se deberá trabajar con un profesional en sistemas de bombeo que pueda ofrecer este servicio y considerar todos los datos necesarios para hacer un estimado preciso del ahorro en energía eléctrica.
