En este tutorial vemos los sistemas de bypass de recirculación continua con placas de orificio para evitar que la bomba opere por debajo del caudal mínimo.
El autor de este post es Jorge Jiménez Mur.
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Sistemas para proteger las bombas operando a caudales reducidos
Este tutorial es una actualización de un artículo que publiqué en Linkedin hace unos años.
Todos sabemos que las bombas centrífugas deberían funcionar la mayor parte del tiempo en el punto de rendimiento máximo (BEP) o lo más cerca posible de este punto.
Sin embargo, muchas veces, las bombas operan una parte significativa de sus vidas en condiciones distintas a las del BEP.
El funcionamiento de una bomba cerca de su flujo mínimo de trabajo, normalmente produce un impacto negativo en el rendimiento de la bomba y en su vida útil de diseño. Y por supuesto, para una operación prolongada bajo estas condiciones, pueden ocurrir fallos catastróficos, especialmente si la bomba funciona por debajo de su flujo mínimo de trabajo.
¿Cómo enfrentar esta situación de la mejor manera? ¿Cómo proteger la bomba?
Una solución muy simple y común es instalar una línea de recirculación en la descarga de la bomba. Es decir, un bypass con un elemento de regulación de caudal por estrangulación.
Este método es perfectamente válido para resolver nuestro problema, pero … y aquí viene la parte mala de esta historia … debemos ser conscientes de que esta solución implica la aparición de pérdidas de presión adicionales causadas por el dispositivo estrangulador instalado en el bypass.
Esto significa que, con este método tendremos que pagar el precio de tener un consumo extra de energía. En caso contrario, deberíamos analizar la selección de otro método de control de flujo, como los variadores de velocidad o similares, que en muchas ocasiones resuelven este problema, aunque no siempre. En cualquier caso, hoy nos centraremos solo en los sistemas de recirculación de bypass que incorporan elementos de regulación.
Clasificación de los sistemas de bypass con recirculación
Podemos clasificar los sistemas de recirculación de bypass de la siguiente manera:
– Sistemas de bypass de recirculación continua (el dispositivo estrangulador es una placa orificio o varias placas en serie).
– Sistemas de bypass de recirculación automática (el elemento de estrangulación es una válvula de recirculación automática).
– Sistemas de bypass de recirculación con control de flujo (el elemento de regulación es una válvula de control de flujo).
Sistemas de bypass con recirculación continua
Este artículo trata solo del primero de los métodos mencionados: los sistemas de bypass de recirculación continua. En estos sistemas, la línea de bypass incluye una placa de orificio y se instala justo aguas arriba de la válvula de retención de la descarga de la bomba.
Como se muestra en la figura a continuación, el bypass de recirculación conecta la descarga de la bomba con el depósito de succión o cántara.
Pero … ¿de dónde viene el nombre de bypass con recirculación continua?
Pensemos que no hay otra forma de cortar el flujo a través de la placa de orificio que no sea aislarla cerrando las válvulas de corte. De lo contrario, habrá un flujo continuo a través del bypass con el objetivo de proteger la bomba del funcionamiento por debajo del flujo mínimo de trabajo.
Evidentemente, este método en el que las pérdidas de presión ocurren de forma permanentemente, es el menos eficiente de los tres mencionados anteriormente. Pero… es el que tiene el costo inicial más bajo.
Y aquí caemos en lo de siempre. Por un lado el comprador, que quiere la solución más barata al comprar el dispositivo. Por otro lado, el propietario que reclama el máximo ahorro de energía durante toda la vida del diseño. Por supuesto, la segunda es la solución correcta desde el punto de vista del costo del ciclo de vida. Pero, ¿quién es tu cliente? ¿El comprador o el propietario? … Complicado…
Análisis de las curvas de los sistemas de bypass de recirculación
La placa de orificio se deberá dimensionar para proporcionar el flujo de trabajo mínimo permisible requerido por la bomba. Así se garantiza que la bomba funcionará siempre por encima del caudal mínimo.
Para definir el punto nominal de la bomba (P3), debemos sumar el flujo adicional a través de la línea de bypass más el flujo requerido en el sistema de tuberías principal.
En la figura de arriba se muestran las siguientes curvas:
– Curva de la bomba: esta es la curva H-Q característica de la bomba.
– Curva del bypass ó derivación: es la curva H-Q característica del sistema del bypass.
– Curva del sistema principal: esta es la curva H-Q característica del sistema de tubería principal.
– Curva combinada: es la curva H-Q característica del sistema combinado en paralelo (bypass + sistema tubería principal).
Los puntos de operación típicos mostrados en esta figura son:
– Punto P1 – La curva característica H-Q del sistema de bypass coincide con la curva de funcionamiento de la bomba. No hay flujo a través del sistema de tubería principal. En este punto, el caudal Q1 a través del orificio debe ser igual o ligeramente mayor que el flujo mínimo requerido por la bomba. De esta manera, la bomba estará siempre en el lado seguro al bombear el flujo de trabajo mínimo permitido a través de la línea de bypass, incluso cuando el sistema de tuberías principal esté totalmente cerrado.
– Punto P2 – La curva característica H-Q del sistema de tubería principal corta con la curva de funcionamiento de la bomba. No hay flujo a través de la línea de bypass, es decir, la línea de bypass está totalmente cerrada.
– Punto P3 – La curva característica del sistema combinado (bypass + tubería principal) coincide con la curva de funcionamiento de la bomba. Este punto se usa para definir el punto nominal requerido para seleccionar la bomba.
– Punto P4 – Estas son las condiciones H-Q en la tubería principal cuando la bomba está funcionando en el punto P3. El caudal en este punto debe satisfacer el consumo requerido en la tubería principal.
– Punto P5 –Estas son las condiciones H-Q en la línea de bypass cuando la bomba está funcionando en el punto P3. Este punto es el que normalmente usamos para dimensionar la placa de orificio y debe coincidir con el flujo de mínimo de trabajo por la bomba. Aunque por razones de seguridad, recomendamos utilizar caudal del punto P1 como la referencia para dimensionar el orificio.
Deberemos prestar especial atención a lo siguiente:
– Dimensionemos la placa del orificio para minimizar lo máximo posible las pérdidas de energía adicionales permanentes causadas por el estrangulamiento en el orificio.
– Una obstrucción de la placa de orificio podría producir graves daños a la bomba, así que ten cuidado con el contenido de sólidos en el líquido bombeado.
– Para un funcionamiento a largo plazo sin consumo en el sistema principal, evitemos el calentamiento excesivo del líquido debido a la recirculación.
– Hay que tener cuidado con la cavitación y la evaporación flash para fluidos calientes o para diferencias de presión elevadas a través del orificio.
Resumen y conclusiones
En este tutorial, analizamos los diferentes tipos de sistemas de recirculación de bypass utilizados para proteger las bombas cuando operan con caudales bajos cercanos al flujo mínimo de trabajo de la bomba.
El bypass de recirculación continua con placas de orificio es un método muy popular para evitar la operación de la bomba por debajo del caudal mínimo, aunque es el menos recomendable desde el punto de vista del costo del ciclo de vida. Hemos visto todas las curvas características representativas de este método junto con los puntos de operación más relevantes.
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