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Cómo seleccionar el mejor equipo de bombeo para una aplicación agrícola

Los equipos de bombeo son seleccionados en general en base a la combinación de un determinado caudal y una cierta presión. Sin embargo, cada aplicación y las condiciones propias de la instalación determinarán las características del equipo más adecuado para cada caso.

Viernes, 05 de febrero de 2016 a las 8:30
Braulio Herrera
Braulio Herrera

Las aplicaciones más típicas en las cuales la agricultura requiere equipos de bombeo son la extracción desde pozos profundos y norias, y la presurización de equipos de riego e impulsiones. Los equipos de bombeo son seleccionados en general en base a la combinación de un determinado caudal y una cierta presión. Sin embargo, cada aplicación y las condiciones propias de la instalación determinarán las características del equipo más adecuado para cada caso. La combinación de caudal y presión se grafica, junto a otros parámetros, en lo que se llama curva característica de la bomba (Figura 2).

Las bombas son maquinarias en las que la energía mecánica es transferida a un fluido no compresible, el cual se pone en movimiento. Existen varios tipos de bombas, sin embargo las más utilizadas son las centrífugas, debido a su simpleza, relativo bajo precio y adaptación a diferentes aplicaciones (Figura 1). Las bombas centrífugas impulsan agua y otros fluidos, gracias a la rotación de un impulsor o rodete. El movimiento se produce con una aspiración axial o frontal, en donde el líquido es impulsado por los álabes de la bomba hacia la periferia de la carcasa o cuerpo de la bomba. La forma de la carcasa, determina la expulsión o descarga del líquido hacia la salida del equipo. Existen casos, en los cuales la descarga se realiza hacia uno o más impulsores ubicados en serie. Este tipo de bomba se denomina Multietapas, y se utiliza típicamente en bombas de pozo profundo y otros equipos de bombeo que entregan relativa alta presión.

En la agricultura, el fluido impulsado se supone que será agua. De esta manera se pueden definir preguntas básicas conducentes a la correcta selección de una bomba.

1-¿Qué tipo de agua se impulsará?

En general casi todas las bombas están diseñadas para impulsar agua limpia, sin embargo, existen algunas que permiten el paso de sólidos de un cierto tamaño máximo. También existen bombas para impulsión de lodos. En los casos en que la bomba sea diseñada para impulsión de agua limpia, se debe tener cuidado con la presencia de sólidos suspendidos en ésta; principalmente arena y limo. En estos casos los sólidos pueden tener un efecto abrasivo en todos los elementos internos de las bombas. La forma de solucionar estos inconvenientes es a través de la construcción de elementos de sedimentación y/o acumulación, tales como desarenadores y tranques.

2-¿Qué distancia vertical habrá entre el espejo de agua y el eje de la bomba?

La bomba deberá ser del tipo sumergible cuando existan distancias mayores a 6,5 m entre el nivel de superficie del agua y el nivel en que ésta se situará. En los casos en que el bombeo sea sumergido siempre se deberá tener en cuenta el requerimiento mínimo de velocidad de flujo, para asegurar la correcta refrigeración del motor. En los casos en que el diámetro de la perforación sea mayor y se calcule una velocidad de flujo más lenta que el mínimo recomendado por el fabricante, la bomba se debe instalar con una camisa, que provoque un flujo acelerado en la periferia del motor.

En los casos en que la bomba seleccionada sea de superficie, existen algunas consideraciones que se deben tener presentes: existen bombas con mayor o menor grado de aptitud para realizar aspiración bajo ciertas circunstancias. Las bombas centrífugas en general tendrán menor capacidad de aspiración en una situación de mayor caudal. Esto se puede resumir en un factor denominado NPSH (Altura Neta Positiva de Succión), el cual es característico de cada modelo de bomba (Figura 2).

En la selección es clave que el NPSH disponible sea mayor al NPSH requerido por la bomba.

De esta manera, a partir del factor NPSH se puede calcular la diferencia máxima de altura entre el espejo de agua y el eje de la bomba:

Altura sobre el mar msnmPat mca
010,33
5009,50
1.0008,90
1.5008,30
2.0007,80
Temperatura °cPv mca
100,13
210,25
320,49
380,67
Cuando el resultado de z sea negativo, significará que el NPSH requerido será mayor al NPSH disponible. La instalación de una bomba en estas condiciones provocará una cavitación. Este fenómeno consiste en la formación de vapor de agua al interior de la carcasa de la bomba y en los álabes del impulsor. Este vapor en forma de burbujas pasa rápidamente a líquido, debido a que la presión negativa en la aspiración, se vuelve positiva en los álbes del impulsor. Es entonces cuando estas burbujas colapsan e implosionan. La cavitación en bombas provoca:

-Pérdida de rendimiento de la bomba, por lo tanto pérdida de energía.

-Vibraciones y ruido interno en la bomba.

-Daño estructural de impulsor y carcasa, según la magnitud de la cavitación.

Existen diferentes formas de evitar la cavitación de bombas:

Desde el punto de vista de las bombas:

+Separar el caudal total de la instalación en dos o más bombas.

+Cambiar a bombas con menor velocidad de giro y con impulsores de mayor diámetro. En motores eléctricos de corriente alterna de 50 Hz. Existen los motores de 4 polos, los cuales giran a 1.450 R.P.M. Estos motores acoplados con carcasas de mayor tamaño y diámetro de impulsor, representan la mejor alternativa disponible.

+Utilizar rodetes inductores.

+Instalar bombas secundarias que inyecten agua con presión positiva en la aspiración de las bombas principales.

+Desde el punto de vista de la instalación (aspiración desde superficie de agua abierta a la atmósfera).

+Bajar la altura de la bomba, o definitivamente aspirar con carga positiva, es decir, con el eje de la bomba a un nivel por debajo del espejo de agua.

+Reducir pérdidas por fricción en la aspiración. Esto se logra acortando la tubería, reduciendo accesorios de conexión o aumentando el diámetro de la tubería.

3-¿Cuál es el punto hidráulico a satisfacer?

Se trata de una combinación de caudal y presión dado por el tipo de aplicación y características de la instalación.

Si se desea presurizar un equipo de riego, se debe tener en cuenta las variaciones de caudal de un sector a otro, así como la carga dinámica requerida por cada uno de ellos. Se debe hacer un cálculo en donde se totalicen las siguientes variables:

-Presión útil: Presión requerida por emisores.

-Pérdidas de carga de tuberías de red hidráulica. Dentro de ellos se incluye tubería matriz, submatrices y laterales.

-Pérdidas de carga singulares, tales como válvulas y accesorios de conexión.

-Pérdidas de carga en el cabezal de riego: succión y descarga de bomba, filtro y accesorios.

-Diferencias de topografía entre el cabezal y el punto más restrictivo de cada sector.

Se aconseja siempre contar con un equipo de riego, con puntos hidráulicos similares. Dependerá de los criterios utilizados en el diseño de los equipos de riego que esto se cumpla. Esto garantizará una prolongación de vida útil de los equipos de bombeo y el uso racional y económico de la energía. Cuando se trata de impulsiones para conducir agua de un reservorio, o tranque hacia otro depósito, el diseño considera sólo un punto hidráulico, por lo que estos casos son más sencillos de abordar.

En el caso de pozos o norias se utilizan los mismos criterios. Por razones de costo y diámetros de perforación, es usual que las tuberías de descarga de equipos de bombeo sumergibles se diseñen considerando las velocidades de flujo relativamente altas; esto significa que las pérdidas por fricción dentro de la tubería subterránea son relativamente mayores. La selección de un equipo de bombeo sumergible debe considerar las mismas variables que se toman en cuenta para elegir un equipo de riego, aunque existen algunas variaciones: la presión útil ahora es una presión de salida a la atmósfera o la carga dinámica total (CDT) requerida por una impulsión o un sistema de riego que se alimenta directamente desde el pozo o noria. En estos casos se producen algunas situaciones indeseables, como por ejemplo, la transmisión de transientes (ondas) de golpe de ariete entre la red hidráulica del equipo de riego o impulsión y la tubería del pozo. En otros casos, la variación del nivel dinámico del acuífero termina afectado la presión de la red hidráulica completa o produciendo severos problemas con el aire al interior de las tuberías. En el caso de los pozos profundos, siempre es preferible realizar un bombeo de agua hasta la superficie, descargando a un acumulador o estanque de paso, y luego alimentar la red hidráulica de los equipos de riego con bombas centrífugas de superficie, que aspiren desde el acumulador o estanque de paso.

Una vez seleccionado el modelo de bomba, desde la curva característica, se debe seleccionar un diámetro de impulsor que asegure que el punto más restrictivo se encuentre satisfecho y todo el resto de los puntos hidráulicos involucrados (si corresponde) se sitúen bajo la curva del impulsor seleccionado.

Para conseguir un punto entre dos curvas (diámetros de impulsor), se debe apelar al torneo del impulsor.

Para calcular el diámetro del impulsor se puede utilizar el siguiente algoritmo:

Para alcanzar puntos hidráulicos diferentes a los que ofrece una bomba particular, se debe diseñar un cabezal con más de una bomba. Las bombas se pueden combinar en paralelo, en cuyo caso los caudales se sumarán y las presiones se mantendrán. Se debe tener presente que la presión de descarga de las bombas en paralelo deben ser idealmente iguales. La construcción del cabezal y las válvulas a instalar deben ser simétricas. Si esto no se cumple, se puede producir la supresión de las bombas de menor carga dinámica total.

En los casos en que las bombas se combinen en serie, las presiones se sumarán. Siempre que se instalen bombas en serie se debe tener en cuenta la tolerancia máxima de presión de los sellos de bombas re impulsoras. También se recomienda revisar la tolerancia de válvulas y accesorios de conexión y elementos de medición y automatización, como manómetros y presóstatos.

4-¿Qué energía se encuentra disponible para alimentar los equipos de bombeo?

El tipo de energía disponible siempre produce diferencias en cuanto a eficiencia, costo, autonomía de funcionamiento y posibilidades de automatización de cada instalación.

4.1-Energía eléctrica:

es la que ofrece las mejores ventajas comparativas:

Ventajas:

-Energía limpia.

-Funcionamiento de motores relativamente silencioso y de mayor eficiencia.

-Motores de menor tamaño y peso.

-Electrobombas: posee un costo inicial y de mantenimiento relativamente menor.

-Permite plena autonomía.

-Permite automatizar. Con esto se logra un mejor aprovechamiento de las horas de riego y el sistema se rentabiliza de mejor manera.

Desventajas:

-Es necesario instalar un proyecto de electrificación, con subestación adecuada a la potencia consumida por el predio y a la tensión de servicio de la localidad.

-Requiere de la contratación de una empresa de suministro de energía. Dependiendo del contrato, se paga potencia instalada.

-Existen sobrecargos por baja eficiencia en el factor de potencia y según el sistema tarifario contratado existen sobrecargos por consumo en horarios punta.

-Costos en alza. El país carece de una agenda energética clara y existe un sometimiento social y judicial de los proyectos de generación energética.

-Se deben instalar protecciones para evitar sobrecalentamiento de motores por sobrecarga o variaciones en la tensión de servicio.

-Se deben tener presentes las posibilidades y limitaciones que existen cuando la corriente disponible sea monofásica (220 V) o trifásica (380 V).

De la energía se desprende el tema del cálculo de la potencia del motor.

En el caso de las electrobombas la potencia absorbida al eje se puede obtener desde la curva característica (Figura 2). Se debe cumplir que la densidad del agua sea aproximadamente 1 kg/dm3.

La potencia absorbida se puede calcular de la siguiente forma:

También se puede representar como:

Se recomienda que la potencia nominal del motor seleccionado satisfaga el consumo de potencia de todos los puntos hidráulicos que un equipo de riego requiera. Las variaciones de potencia estarán dadas por el llenado de matriz, cambio de sector, apertura de hidrantes, rotura de tuberías o el retrolavado del filtro. Algunos motores cuentan con una tolerancia al sobreconsumo, el cual se denomina factor de servicio. El valor de esta tolerancia es del 15 % aproximadamente. Se recomienda seleccionar el motor, dejando potencia libre, para enfrentar el sobreconsumo en la partida y otros como los anteriormente descritos. Mientras más pequeño sea el equipo mayor deberá ser la potencia libre requerida:

-50% para bombas de hasta 2 HP.

-30% para bombas de 2 a 5,5 HP.

-20% para bombas de 5,5 a 10 HP.

-15% para bombas de 10 a 20 HP.

-10% para bombas de más de 20 HP.

4.2-Motobombas acopladas a motores de combustión interna.

En la selección de una motobomba a explosión se debe tener muy presente el tipo y las capacidades que posea el motor. Existen equipos de bombeo cuyo motor y sistema de refrigeración tiene un tiempo máximo de funcionamiento continuo. Después de cumplido este tiempo el motor debe parar para asegurar su enfriamiento. Muchas veces este esquema es incompatible con el diseño de los equipos de riego y en general con las demandas hídricas de los cultivos. En los casos en donde se requiera de un funcionamiento continuo, se deben seleccionar equipos de bombeo con motores de trabajo pesado (Heavy duty). La potencia que desarrollan y las características de sus sistemas de refrigeración permiten un uso prolongado.

En general se pueden listar las ventajas y desventajas del bombeo con motores a explosión.

Las bombas:
"Son maquinarias en las que la energía mecánica es transferida a un fluido no compresible, el cual se pone en movimiento. Existen varios tipos de bombas, sin embargo las más utilizadas son las centrífugas, debido a su simpleza, relativo bajo precio y adaptación a diferentes aplicaciones".

Ventajas:

-No requiere de contratos, ni compañías de suministro.

-No requiere pagar por la potencia instalada que se tenga.

-No existen sobrecargos.

Desventajas:

-No es un sistema con autonomía total. El abastecimiento de combustible puede llegar a ser un problema.

-Son sistemas más ruidosos. Existen motores insonorizados, pero son de mayor costo.

-Motobombas a explosión. Poseen un costo inicial y de mantenimiento relativamente mayor.

-En la mayoría de los casos no permiten la automatización. A pesar de que existen algunos modelos que permiten la partida de un motor a combustión mediante una señal eléctrica de entrada (producida por un programador alimentado con baterías de respaldo), este sistema es poco recomendable, ya que dependiendo de la temperatura y el mantenimiento del motor, la partida puede ser poco fiable.

Los motores a combustión, en la mayoría de los casos, son del tipo diesel. Esto se debe al relativo menor precio del combustible, así como a la mayor vida útil que ofrecen, gracias a que funcionan casi siempre a menores revoluciones que los motores a gasolina.

En la selección del motor diesel que se acoplará a la bomba es necesario observar la curva de torque que ofrece el motor. El punto de trabajo debe ser seleccionado en el rango óptimo de torque. Esto garantiza la eficiencia de funcionamiento y reduce las vibraciones que el motor transmite. En este caso, el requisito de potencia del motor es que al menos satisfaga todos los puntos hidráulicos de la instalación. Se debe otorgar una cierta holgura al motor, sin embargo en este caso no se corre el riego de quemado del motor.

En general todos los equipos de bombeo deben ser adecuadamente supervisados y contar con un mantenimiento preventivo. Estos trabajos deben ser realizados por técnicos calificados.


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