bombeo

BOMBAS PARA RIEGO
EVALUACIÓN DEL RENDIMIENTO EN ESTACIONES
DE BOMBEO PARA EL RIEGO
Introducción:
Años atrás, surgió la interrogante por parte del Ministerio de la Agricultura de la Provincia, de
realizar un análisis del altos consumos de combustible de algunas empresas, especialmente en
aquellas donde la actividad de riego tiene un peso fundamental en el consumo global de
combustible. Es por esta razón que se me encomendó realizar un análisis integral de la eficiencia
del riego de una de estas empresas.
Las estaciones de bombeo fueron objeto de rigurosos análisis, tanto en su relación con los
sistemas de riego, así como en su funcionamiento independiente. El presente trabajo trata sobre
este último aspecto, y en él nos referiremos únicamente a las estaciones de bombeo de descarga
libre que utilizan motores diesel.
Evaluación del rendimiento de las estaciones de bombeo.
El rendimiento o eficiencia de las estaciones de bombeo, es la relación entre la potencia hidráulica
y la potencia al freno o potencia suministrada y se expresa mediante la siguiente ecuación:
Teniendo en cuenta que:
y además que:
Como la eficiencia, es el parámetro que nos define el mayor o menor consumo de energía por igual
trabajo realizado, tenemos entonces que controlando la eficiencia con que funcionan las estaciones
de bombeo podemos prevenir los rendimientos bajos y con ello los altos consumos de combustible.
Con la ecuación (1) podemos determinar la eficiencia en función de Q, H y H.P. Los dos primeros
parámetros se pueden medir con cierta facilidad con instrumentos sencillos a nuestro alcance, no
así la potencia que requiere de instrumentos que no siempre tenemos, sin embargo si en la
ecuación (1) despejamos la potencia (incluyendo el 5% de potencia necesario para el cardan y el
cabezal) resulta que:
Conociendo la formula de consumo total:
Si despejamos H.P en la ecuación (5) tendremos:
y si simultaneamos las ecuaciones (4) y (6) tendremos:
y finalmente despejamos Ef en la igualdad (7), obtenemos:
En la ecuación (8) todos los parámetros se pueden medir perfectamente con instrumentos sencillos
a nuestro alcance, veamos:
Q = Gasto: Lo podemos determinar mediante las obras hidrométricas existente en el sistema o
mediante aforos con molinetes u otros medios.
H = Es la Carga Dinámica Total (C.D.T): La obtenemos mediante la suma de las cargas siguientes:
hd = Nivel dinámico, mediante los datos de hidrogeológicos o con ayuda de un galvanómetro.
hc = Pérdidas en la columna mediante tablas del fabricante para este fin.
hf = Pérdidas en el tubo de descarga, por la formula de Williams-Hazen.
ha = Pérdidas por accesorios, (codos, válvulas, etc). Se puede utilizar la formula Hcc = V2 / 2g o
utilizar las tablas de longitud equivalente.
h = Altura de descarga
En los siguientes gráficos podemos observar cómo se mide h según el tipo de descarga:
CDT=hd + hc + hf + ha + h
Ce = Consumo específico: Se obtiene de los catálogos de los motores editados por el fabricante o
de materiales editados por el Dpto. de Equipos de la Dirección Nacional de Riego y Drenaje. El
consumo específico de los motores más usados varía con la velocidad del motor, pero este
elemento no introduce errores significativos en el cálculo de la eficiencia, por lo que se puede
tomar un valor medio para cada tipo de motor.
T = Tiempo de trabajo: Se mide en horas, contando desde el instante en que se arranca el motor
hasta el momento en que se detiene, donde se mide el combustible al inicio y al final de la labor.
Debe tenerse en cuenta la conversión de los minutos a décimas y centésimas de horas.
Ct = Consumo total: Se mide directamente del tanque mediante una regla. Si el tanque esta
colocado horizontalmente se puede descargar la hoja de cálculos para este fin.
En caso de estaciones de bombeo eléctrica se utiliza el consumo de energía durante un periodo
determinado, si la bomba no trabaja a descarga libre la presión se determina mediante un
manómetro convenientemente ubicado.
Con la ayuda de la ecuación (8), se realizaron en la Empresa, la evaluación de 7 estaciones de
bombeo, obteniéndose los siguientes resultados:
Estación de Bombeo No. 39
Q = 224 l/seg.
H = 12.03 m.
Ce = 0.2049 litros/H/H.P
T = 7.30 horas.
Ct = 76.2 litros.
Ef = 73%
Estación de Bombeo No. 40
Q = 235 l/seg.
H = 11.85 m.
e = 0.2063 litros/H/H.P
T = 6.82 horas.
Ct = 148.2 litros.
Ef = 36.7%
Estación de Bombeo No. 10
Q = 222 l/seg.
H = 11.48 m.
Ce = 0.2040 litros/H/H.P
T = 7.40 horas.
Ct = 116.9 litros.
Ef = 45.6%
Estación de Bombeo No. 33
Q = 196 l/seg.
H = 14.28 m.
Ce = 0.2317 litros/H/H.P
T = 6.82 horas.
Ct = 136.4 litros.
Ef = 44.8%
Estación de Bombeo No. 50
Q = 177 l/seg.
H = 12.73 m.
Ce = 0.2305 litros/H/H.P
T = 7.18 horas.
Ct = 67.3 litros.
Ef = 76.5%
Estación de Bombeo No. 41
Q = 242 l/seg.
H = 13.16 m.
Ce = 0.2073 litros/H/H.P
T = 6.42 horas.
Ct = 85 litros.
Ef = 66.9%
Estación de Bombeo No. 8
Q = 224 l/seg.
H = 11.57 m.
Ce = 0.2073 litros/H/H.P
T = 6.50 horas.
Ct = 92.3 litros.
Ef = 49.5%
La Eficiencia promedio (Ef prom.) de las estaciones de bombeo evaluadas fue de 59.1%. La de
menor eficiencia fue de 36.7% y la de mayor eficiencia fue de 76.5%.
Johston ha hecho pruebas de los rendimientos de 91 instalaciones de bombeo en California y los
resultados de estos arrojan rendimientos medios del 49.8% para bombas centrifugas horizontales y
del 40.5% para bombas verticales. La instalación de máximo rendimiento fue de 70% y la de
mínimo 15.2%. De acuerdo a la cita anterior es muy probable que existan rendimientos inferiores a
los obtenidos en alguna de las restantes estaciones de bombeo no evaluadas.
Causas de los bajos rendimientos.
Hidráulicos:
a) Aumento del coeficiente de rugosidad de las columnas.
b) Cantidad de columnas excesivas con relación al nivel dinámico.
c) Incrustaciones de carbonato de calcio en las columnas con la consiguiente reducción del
diámetro y el aumento de las pérdidas.
d) Aumento del coeficiente de rugosidad en el tubo de la descarga.
e) Depresiones excesivas del nivel dinámico por extracciones superiores a las recomendadas.
f) Trabajo de la bomba en un punto de la curva característica con baja eficiencia (generalmente por
altas cargas).
Mecánicas:
a) Desgastes en las guías del eje de las bombas.
b) Desajuste de los impelentes
c) Alineación deficiente del conjunto motor cabezal.
d) Desgastes en el motor
e) Inyectores y bombas mal calibrados
f) Excesivos números de impelentes donde no es necesario.
g) Desajustes en el cabezal.
h) Cabezales mal seleccionados.
Determinación sistemática de la eficiencia del conjunto.
Un modo de comprobar el rendimiento de una estación de bombeo consiste en medir el
combustible o energía eléctrica consumida, para ello es necesario fijar el consumo total máximo
permisible de energía, considerando un 20% extra de potencia que tiene en cuenta el consumo del
cardan, el cabezal y cierta cobertura que garantiza un periodo de vida útil del conjunto o dicho de
otro modo un rango de eficiencia permitido
Donde:
Hpm = Potencia máxima o potencia tope permitida.
Q = Gasto por aforo o mediante la curva característica.
H = Carga dinámica total (C.D.T)
Ef = Eficiencia según el punto de trabajo.
1.2 = Coeficiente que tiene en cuenta el consumo de energía del cardan, cabezal y cierta pérdida
de eficiencia del conjunto, que garantiza el periodo de vida útil o sobreconsumo razonable.
De modo que el consumo total máximo horario se determina por:
Ctm = HPm x Cem (10)
Donde:
Ctm = Consumo total máximo horario.
Cem = Consumo especifico del motor.
Ejemplo:
Calcular el consumo total máximo de la Estación de Bombeo No. 8
Q = 235 1/seg.
H = 11.85 m.
Ce = 0.2073 litros/H/H.P
Ef = 77.5%
Ctm = 56.7 x 0.2073 (10)
Ctm = 11.75 litros por hora
Es decir, que cuando con el transcurso del tiempo la Estación de Bombeo No 8 registre un
consumo horario igual a 11.75 litros/hora, se hace necesaria la revisión técnica del conjunto para
determinar las causas del bajo rendimiento, para proceder a su eliminación.
Pasos a seguir para determinar las causas del bajo rendimiento.
Después de comprobado que el consumo de energía, en varias ocasiones es igual o superior al
consumo tope, se procede a chequear el conjunto en el orden siguiente:
1. Medir los parámetros de trabajo de la Estación de Bombeo (Q-H) y hallar la eficiencia
mediante la curva característica de la bomba para determinar si se corresponde con los
utilizados en la formula (8) o si la bomba se encuentra trabajando en un punto de baja
eficiencia.
2. Si el caudal de trabajo de la bomba se corresponde con el caudal recomendado del pozo,
con el fin de determinar si el nivel dinámico real provoca el exceso de consumo.
3. Comprobar el estado técnico del motor mediante el laboratorio I.F.A. (laboratorio móvil.
4. Comprobar la alineación y el estado del cabezal y si corresponde a las características
deseadas.
5. De encontrarse en perfecto estado los puntos anteriores, se procede a la extracción de la
bomba para determinar el estado técnico de la misma comprobando:
a) Si la cantidad de columnas se corresponde con el nivel dinámico existente.
b) Si existen incrustaciones de carbonato de calcio en el interior de las columnas
c) Si hay desgastes en las guías del eje de la bomba.
d) Si hay desajuste de los impelentes
e) Si hay excesivos números de impelentes donde no es necesario.
Con la comprobación frecuente del consumo de energía en las estaciones de bombeo se
puede realizar un plan de mantenimiento de aquellas instalaciones de bajo rendimiento y
una vez finalizada la campaña proceder a efectuarlo en estas Estaciones de Bombeo que
presenten estas dificultades, teniendo en cuenta el orden señalado en el párrafo anterior.
De poderse realizar este trabajo en toda su magnitud de la Empresa solamente en las 59
Estaciones de Bombeo con descarga libre el consumo anual podría disminuirse en 100
T.M.
El casamiento bomba - motor y la comprobación de la eficiencia.
La comprobación de la eficiencia es un complemento necesario del trabajo que se realiza con el
casamiento bomba-motor, ya que permite prever con antelación cuando el conjunto bomba-motor
llega al estado crítico que a su vez se corresponde con una eficiencia critica donde se igualan las
potencias al freno del motor y la potencia que demanda la bomba. A partir de este punto el motor
trabaja recargado, llegando así el conjunto a su vida útil, siendo necesario el mantenimiento o
reparación de los componentes de la Estación de Bombeo.
En la Empresa evaluada una practica generalizada desde siempre, fue alargar la vida útil del
conjunto utilizando un motor de gran caballaje, tomo por ejemplo la estación de bombeo No. 30,
donde la potencia necesaria es:
Donde:
Q = 224 1/seg.
H = 12,03 m
Ef = 73,0% H.P. = 51.0
A esta bomba que demanda una potencia de 51 Hp se acoplo un motor VM-1308 de fabricación
Italiana con una potencia de 180 Hp. Es indudable que con este motor se alarga
considerablemente la vida del conjunto sin necesidad de mantenimiento, pero esto se logra a
cuenta de una mayor inversión inicial y con un gran consumo de energía por la pérdida progresiva
de la eficiencia del conjunto.
Veamos lo antes expuesto en el gráfico que se muestra a continuación:
Del gráfico anterior se deduce la importancia que tiene la determinación sistemática de la eficiencia
del conjunto, tanto en los equipos correctamente seleccionados con el fin de prevenir la llegada del
conjunto al punto crítico, así como de los motores sobrediseñados para evitar el alto consumo de
energía.
Consideraciones adicionales sobre la instalación de las Estaciones de
Bombeo.
En muchas de las Estaciones de bombeo, un error generalizado es el uso de tuberías de poco
diámetro con un número excesivo de codos, sin el radio y desarrollo adecuado, pero el error que se
comete más frecuente es elevar el agua a un nivel mayor de lo necesario.
Veamos en dos ejemplos las consecuencias de dicha práctica:
Ejemplo No. 1
La Estación de Bombeo No. 86, tiene las características siguientes en la descarga:
L = 19.24 m.
Ø = 300 mm.
Codos 45º sin desarrollo 5
Codos 90º sin desarrollo 1
Elevación = 1.20 m.
Q = 246 l/seg.
Pérdidas por fricción
Por la tabla de Mendoza las perdidas por 1000m son de 51.34 m.
h = 0.01924×51.34
h = 0.99 m.
Pérdidas en codos:
Codo 90º R = ½ D, K = 1.1 h=(k90º + 5k45º) v2/2g
Codo 45º R = ½ D, K = 0.7 = (1.1 + 3.5) ×0.579 = 2.66
Carga dinámica total:
C.D.T. = 0.99 + 2.66+ 1.2= 4.85 m.
Potencia consumida por la descarga:
Durante toda la campaña de riego esta descarga consumirá:
Ct = 0.207 × 8 ×156 x 21,5 = 5554 litros/año.
Cambiando el sistema de descarga por uno más eficiente tendremos
L =1.50 m
Ø = 300 m
Elevación = 0.60 m
Pérdidas en la salida K =1
hs = 1 × 0.585 = 0.585
Lt = 1.5
h = 0.0015 × 51.34 = 0.07
C.D.T. = 0.007 + 0.60 + 0.58 = 1.25
Consumo de la nueva descarga
Ct = 0.2073 × 5.5 × 8 × 156 = 1422 litros.
Producto de la deficiente descarga existente se gastan innecesariamente en la Estación de
Bombeo
5546 – 1422 = 4142 litros de diesel al año.
Ejemplo No 2
En el área de hortalizas especiales, la descarga tiene las características siguientes:
L = 3.30 m
Codo 45º R = ½ D K=.7
H = 1.70 m
Q = 281 1/seg
Ø = 320 mm
Kb = 0.7
Pérdidas por 1000m 48.12 m
hf = 48.12 × 0.0033 = 0.16 m.
hb = 0.7 × 3 × 0.585 = 1.23 m.
C.D.T.= 1.70 + 1.23 + 0.16 = 3.09
Ct = 0.2075 × 15.9 × 8 × 156 = 4117 litros
Cambiando el sistema de descarga por uno más eficiente como el descripto anteriormente
tendremos
L = 1.50 m
Ø = 320 mm
Elevación = 0.60 m
Pérdidas en la salida = K = 1
hs = 1 × 0.585 = 0.585
Lt = 1.5
h = 0.0015 × 48.12 = 0.07
C.D.T. = 0.07 + 0.60 + 0.58 = 1.25
Consumo de la nueva descarga
Ct = 0.2073 × 6.3 × 8 × 156 = 1 630 litros.
Producto de la deficiente descarga existente se gastan innecesariamente en la Estación de
Bombeo
4 117 – 1 630 = 2487 litros de diesel al año.
Otra tipo de descarga eficiente se muestra a continuación:
En estos tiempos de tan altos precios del petróleo, vale la pena desempolvar este análisis para
ponerlo a disposición de aquellas personas que manejan este tipo de instalaciones.