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Aplicaciones y limitaciones- de la velocidad variableToms A. Medina

1Leyes de afinidad:

Vlvula, sistema dominado por carga dinmica:

8Reduccin del caudal al 50%, con un VFD:

9VFD, sistema dominado por carga esttica:

10Resumen de resultados:Con vlvulaVFD (friccin)VFD (esttica)RPM18009001650Caudal, gpm200020002000Carga, pies370 75300Eficiencia, %618262BHP30646244Costo energa, $/Kw-hr0.100.100.10Consumo por ao, $200,19330,187159,701Caudal a BEP, gpm400020003667Operacin, % BEP501005511Y sin embargo, se no es el problema ms grave:En instalaciones dominadas por carga esttica, se corre el riesgo de que el caudal disminuya rpidamente al bajar la velocidad, e inclusive de dejar de cortar la curva del sistema cuando la frecuencia no ha bajado ms que unos cuantos Hertz.

Esta situacin trae como consecuencia la destruccin de la bomba.

Es decir, no solamente los ahorros de energa no justifican la inversin en el variador de velocidad, sino que con frecuencia acabamos por causarle serios daos a los equipos de bombeo.12Ejemplo interesante:Un cliente tiene un sistema en el cual se recircula lquido al tanque de almacenamiento para impedir polimerizacin y que se depositen los slidos.Se requieren 800 gpm, y la carga esttica es de 10 pies. Una aplicacin ideal para una bomba de flujo axial, de 6. Son dos bombas idnticas.Eficiencia estimada: 73%. BHP esperado: 2.8Se escoge un motor de 3 HP.En tubera de 6, la carga dinmica es muy baja. Ver figura 3.Ejemplo interesante (cont.):Sin embargo, el cliente nos habla para decir que una de las bombas no da el caudal, y en el motor de la otra se disparan las protecciones.Qu sucedi? En la unidad (B) instalaron la tubera de 6, pero se les acab, y en la unidad (A) usaron tubera de 4.Resultado: La unidad (A) produce nada ms 400 gpm, pues tiene carga esttica = 10 pies, y prdidas por friccin de cierta consideracin.La unidad (B) no tiene carga esttica, y la carga dinmica es muy pequea. Por eso la bomba entrega 1600 gpm, y demanda 7 HP.Velocidad variable:

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23VFD versus regulacin con vlvula:

En casos como ste, s conviene el VFD24Regulacin con velocidad:

25Regulacin con vlvula

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29 Operacin en paralelo y en serie:Objetivo: movernos a lo largo de la curva del sistema, para responder a variaciones en la demanda.

No es prctico tener una sola bomba grande.

El caudal no necesariamente se reduce a cero si la bomba sale de operacin.

Bombas en paralelo

Bombas en serie

Bombas en paralelo:

Bombas en serie:

Bombas en serie y en paralelo:

Bombas en paralelo: se incrementa la presin?

La presin se incrementa, ya que el sistema as lo exige para un caudal mayorBombeo en serie: se incrementa el caudal?

El caudal se incrementa, a veces ms que colocndolas en paralelo39Bombas en paralelo:

40Operacin en serie:

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Curva H -Q para una bomba centrfuga, curvas combinadas para dos o tres bombas idnticas operando en serie, y curva del sistema.Bombeo en serie:42Bombeo en paralelo:

43Bombas en paralelo:

44Bombas diferentes en serie:

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Bombas en paralelo:46

Dimetro inadecuado de la tubera:47

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Qu se obtiene con 2 bombas en paralelo?

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Muy buena curva del sistema

Misma combinacin de bombas, resultados totalmente diferentes

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Bombeo en serie:Bombas diferentes en serie:

Velocidad variable:

Bombas en paralelo:Las bombas tienen la misma presin diferencial.El caudal total es la suma de los caudales individuales.Si una bomba sale de operacin, se conserva un caudal de ms del 50% del total.Variando la velocidad de un motor, se tiene una gama muy amplia de caudales posibles.Bombas en paralelo:Se pueden usar bombas diferentes, pero Como siempre, hay que conocer muy bien la curva del sistema.De otra forma, se corre el riesgo de operar en una regin de la curva totalmente indeseable.

Bombas en serie:

Bombas en paralelo:Tener presente que:A. En serie, en paralelo o solas, las bombas operan siempre en algn punto de su curva.

B. No podemos operar fuera de la curva del sistema; solamente nos es posible desplazarnos a lo largo de la misma.

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Qu se obtiene con 2 bombas en paralelo?75

Cul es el problema? Y cul es la solucin?

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Psima curva del sistema82

Muy buena curva del sistema83

Misma combinacin de bombas, resultados totalmente diferentes84Bombas en paralelo o en serie:qu conviene ms?Con cul arreglo obtenemos ms caudal?85Qu conviene ms?

8686Dos bombas en serie pueden dar ms caudal que tres en paralelo

Cmo se obtiene ms caudal?8787Depende de la curva del sistema

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Bombeo en serie, y en paralelo:8989En qu punto operan las bombas? Riesgo de cavitacin. NPSH Y CAVITACINToms A. Medina

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Prueba de NPSH

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Etapas de la cavitacin:104Desarrollo de la cavitacin:

No basta con satisfacer el NPSHr

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Cavitacin:

Onda de choque producida al implosionarse las burbujas de vapor formadas en la lnea de succin de la bomba, al encontrar zonas de ms alta presin (impulsor).Ocasiona serios danos a la voluta, al impulsor y al sello mecnico.El mejor remedio para la cavitacin es evitar que las burbujas se formen.

A. NPSH (r) exceeds NPSH (a)Due to low pressure the water vaporizes (boils) and higher pressure implodes into the vapor bubbles as they pass through the pump causing reduced performance and potentially major damage.B. Suction or discharge recirculationThe pump is designed for a certain flow range, if there is not enough or too much flow going through the pump, the resulting turbulence and vortexes can reduceperformance and damage the pump.Cavitacin: Dos causas principales

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119Cavitacin:

Daos por cavitacin:Cavitation heart attack of the pump122

Daos por cavitacin:Cavitation heart attack of the pump123

Impulsor daado por cavitacin:

Impulsor daado por cavitacinCavitation heart attack of the pump125Daos por cavitacin

Daos por cavitacin:127

Kavitationsschaden an einem Pumpenlaufrad:

Cavitacin en una turbina Francis:

Un engrane loco daado por cavitacinDao por cavitacin:

Impulsor erosionado por cavitacin:

Impulsor daado por cavitacin:

Net Positive Suction Head (NPSH) El NPSH disponible es la presin diferencial entre la existente a la succin de la bomba y la presin de vapor del lquido.

Esto es crtico. Si no es suficiente: cavitacin

Inductor:Bomba horizontal con inductor:

El inductor es un impulsor auxiliar que incrementa el NPSHd del impulsor principal. Tpicamente reduce un 40% el NPSHr en el BEP, pero requiere ms NPSH que el impulsor principal a flujos menores o mayores (reduce el rango operativo de la bomba). As stated earlier, the NPSHR for a centrifugal pump is defined as the amount of NPSHA when the head drops 3 percent. The head drops because a certain volume of gas has formed in the impeller eye. Liquids that are closer to their critical pressure will flash to a smaller volume of gas, because the density of the gas is closer to the density of the liquid. A liquid right at its critical pressure could all flash to a gas without affecting pump head (or anything else). (There would actually be no flashing.)Las bombas requieren menos NPSH con hidrocarburos:At ambient temperatures, hydrocarbons are closer to their critical pressures than cool water. For the same drop in suction pressure below vapor pressure, less volume of hydrocarbon gas is liberated. Therefore, to get the same 3 percent head drop with the hydrocarbon, the suction pressure must be reduced farther below vapor pressure, so less NPSH would be available, i.e., NPSHR would be less.Exercise care in applying any correction, though, because hydrocarbons that have their vapor pressures below atmospheric pressure, and are therefore generally stored in atmospheric vessels, will absorb air. The dissolved air will increase the vapor pressure of the solution and will flash out of solution at a pressure above the vapor pressure of the air-free liquid. Although this flashing does not result in cavitation damage to pump components, it can cause a drop in head and erratic pump performance.

API 610 does not allow use of any "hydrocarbon correction" for NPSH, letting any lower degree of cavitation result in less than the 3 percent head drop.Stepping NPSHR to Different Speeds:

Although much has been written stating that it does, the NPSH requirement of a centrifugal pump, based on a 3 percent head drop, does not vary as the square of the speed as the head does. At the BEP (best efficiency point), the NPSHR varies as the speed-ratio to approximately the 1.5 power for the conventional 3 percent headdrop criterion.

NPSH2 = NPSH1 (N2/N1)1.5This relationship normally exists only at the BEP. At half the BEP, the exponent is usually about one. At 1.3 x Qbep, the exponent is usually about two.Problem No. 1: Stepping NPSHR to a Different Speed

The performance curve in Figure 2 from Part Four (P&S, May 2009-reprinted below) is for 3,550 rpm. Calculate the approximate NPSHR, for 1,750 rpm, at the BEP.

NPSH2 = NPSH1 (N2/N1)1.5 = 14 (1750/3550) 1.5 = 14 (0.346) = 4.8 = ABOUT 5 FEET

(This 5 ft NPSH requirement would be at the 1,750 rpm BEP of about 225 gpm.)A reduction in pump capacity. A reduction in the head of the pump. The formation of bubbles in a low pressure area of the pump volute. A noise that can be heard when the pump is running. Damage that can be seen on the pump impeller and volute.Efectos de la cavitacin:

Los efectos de la cavitacin: La formacin de burbujas en la succin tiene los efectos siguientes en el funcionamiento de la bomba:i) La carga desarrollada disminuye.ii) La eficiencia disminuye.iii) Se producen ruidos como de bombeo de grava, as como vibracin, lo cual redunda en fallas mecnicas.iv) El impulsor puede estar sujeto a erosin excesiva.Efectos de la cavitacin:Para aumentar el NPSHdElevar el tanque de succin (o el nivel en el tanque).Bajar la bomba.Incrementar la presin en el tanque de succin.Enfriar el lquido para disminuir la presin de vapor.Modificar la tubera de succin - incrementar el dimetro de la tubera -reducir la longitud - eliminar conexiones y vueltas - modificar tipos de vlvulas, y reducir su nmero.Regular con una vlvula en la descarga de la bomba.Punto de ebullicin de un lquido El punto de ebullicin de un lquido es la temperatura a la cual la presin de vapor del lquido iguala a la presin absoluta a la cual est sujeto.

Punto de ebullicin del agua en Tampico: 100 C, presin de vapor del agua = 760 mm Hg

En Cd. de Mxico: 93 C, presin de vapor del agua = 586 mm HgPresin de vapor de un lquido

Un lquido puede hervir a bajas temperaturas:

Hirviendo el agua a baja temperatura:

El punto de ebullicin depende de la presin:

NPSH disponible:El NPSH disponible es caracterstica del sistema, el fabricante de la bomba no tiene influencia alguna en el mismo.El NPSHd es la carga neta positiva de succin (Net Positive Suction Head), o sea, la carga neta por encima de la presin de vapor del lquido.El NPSHd se calcula como sigue:NPSHd = P op abs H - f - P lquidoTodas las variables se expresan en pies de lquido

Cavitacin:

NPSHd = Ps Pvapor

Cavitacin:

Presin de vapor:184F = 84.44 C

La cavitacin tambin puede presentarse y ocasionar daos en otras partes del sistema, como vlvulas o en codos de tuberas.

Cmo resolver los problemas de cavitacin?Y si cerramos un poco la vlvula a la descarga?

Razn de existir de las bombas sumergibles y verticales de turbina.

Problemas que la cavitacin ocasiona:

Formas de cavitacin:

Sumergencia mnima:NPSHd > NPSHrCondicin para una operacin sin problemas de cavitacin:

Efectos de la cavitacin:

Caractersticas hidrulicas de una bomba y dos bombas en serie:

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CLCULOS DE NPSH DISPONIBLE:2

Calcular el NPSH disponible179

Calcular el NPSHd:Clculo del NPSH disponible:

Clculo del NPSH disponible:

Calcular el NPSHd:Calcular el NPSHd:

Calcular el NPSHd:

Qu podemos hacer si el NPSHd es insuficiente?

Hay otras opciones?

Calcular el NPSHd:

Sistema parecido, pero con diferencias importantes:

La misma bomba, diferente sistema:2

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El NPSHr de una bomba no es el punto donde empieza la cavitacin. De acuerdo con el Hydraulic Institute, el NPSHr es el NPSHd que ocasionar una cada en la carga de la bomba de un 3%. Esto quiere decir que ya con anterioridad haba suficiente cavitacin como para ocasionar prdidas de carga del 2 y del 1%. Por eso es bueno considerar un margen de seguridad.NPSHr de una bomba:

La familia de curvas caractersticas de una bomba centrfuga:

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Es importante destacar que estas pruebas muestran una bomba que YA est cavitando.

Velocidad especfica a la succin:

NPSH MARGIN RATIO GUIDELINES (NPSHA/NPSHR)MarketLowHighVeryHighPetroleum1.1a1.3cChemical1.1a1.3cElectric Power1.1a1.5c2.0cNuclear Power1.5b2.0c2.5cWaterwaste water1.1a1.3c2.0cGeneral Industry1.1a1.2cPulp and Paper1.1a1.3cBuilding Trades1.1a1.3cCooling Towers1.3b1.5c2.0cSlurry1.1aPipeline1.3b1.7c2.0cWater Flood1.2b1.5c2.0c- or 2 feet whichever is greater. - or 3 feet whichever is greater. - or 5 feet whichever is greater. Consecuencias de la cavitacin:Prdida de capacidad de la bomba.Si el sistema de tuberas, o los dispositivos de control, obligan a la bomba a operar en un punto indeseable, se producir una vibracin excesiva, que terminar por daar a la bomba misma y afectar al sello.La cavitacin se producir en el lado derecho de la curva H-Q, pero trabajar en el extremo izquierdo no es deseable tampoco.Cuando no se puede mejorar el NPSHd:

O bien:

Thanks for listening

215Net Positive Suction Head (disponible)

EMBED AutoCADLT.Drawing.4

VAPOR

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