La prueba termodinámica de bombas es una forma de prueba de bombas en la que solo es necesario medir el aumento de temperatura, la energía consumida y la presión diferencial para encontrar la eficiencia de una bomba. Estas mediciones generalmente se realizan con sondas de temperatura de inserción y sondas de presión instaladas en puntos de toma en la entrada y salida de la bomba. [1] A partir de estas mediciones se puede derivar el caudal producido por una bomba. [2] El método termodinámico se desarrolló a principios de la década de 1960 y desde entonces se ha utilizado cada vez más. Se describe en estándares de pruebas hidráulicas de alta precisión como ISO 5198.
El método termodinámico se utiliza para pruebas de rendimiento de bombas, calibración de medidores de flujo, pruebas de curvas del sistema y otras aplicaciones. Es capaz de lograr resultados con incertidumbres de menos del 1 % en la eficiencia de la bomba y menos del 1,5 % en el flujo [3] y, al mismo tiempo, puede probar configuraciones de tuberías donde otros métodos de prueba de bombas convencionales no pueden proporcionar resultados precisos. [4]
El método termodinámico se desarrolló simultáneamente en la década de 1960 en la Universidad de Glasgow y la Universidad de Strathclyde en Escocia, y en el Laboratorio Nacional de Ingeniería de Francia (Electricité de France) y en Austin Whillier (Cámara de Minas, Johannesburgo, Sudáfrica). Whillier publicó un artículo titulado "Determinación de la eficiencia de la bomba a partir de mediciones de temperatura" en la edición de octubre de 1967 de The South African Mechanical Engineer que describe el método. [5]
Desde entonces, el método termodinámico ha sido verificado rigurosamente en muchos casos por diferentes empresas, entre ellas: [4] [6]
El método de prueba de bombas termodinámicas ahora se incluye en estándares de prueba de bombas como BS ISO 5198: Bombas centrífugas, de flujo mixto y axiales - Código para pruebas de rendimiento hidráulico - Clase de precisión. [2]
La ineficiencia de las bombas se transmite a través de la temperatura. Así, casi toda la energía perdida debido a la ineficiencia de una bomba provoca un aumento de temperatura del fluido que se bombea. El método termodinámico aprovecha este hecho y mide con precisión la diferencia de temperatura en una bomba para calcular su eficiencia. Las mediciones de presión se utilizan para calcular la altura de la bomba y se utiliza un medidor de potencia para medir la potencia de entrada a la bomba. Utilizando las mediciones de temperatura, potencia y presión, el flujo se puede calcular nuevamente utilizando la ecuación de la bomba. [4]
La medición de la temperatura es crítica y, en consecuencia, los distribuidores comerciales de equipos de prueba de bombas termodinámicas suelen citar una precisión superior a 0,001 °C. [8] [9] [10] Esta precisión es necesaria ya que el aumento de temperatura en una bomba puede ser inferior a 0,05 °C. [11] Por lo general, las sondas de temperatura se insertan directamente en el flujo y las mediciones de presión se toman de los grifos en las secciones de succión y descarga de la tubería. Luego, la altura de la bomba se varía mediante algún tipo de ajuste, como estrangular una válvula de descarga, utilizar diferentes combinaciones de bombas en paralelo o ajustar los niveles del pozo. [4] Esto permite probar el rendimiento de la bomba en todo su rango de operación a medida que varía su altura y, por lo tanto, el flujo.
El método de prueba de bombas convencional es un método que se basa en mediciones de flujo en lugar de mediciones de temperatura para obtener las curvas de rendimiento de las bombas. Por lo tanto, el método termodinámico difiere en gran medida del método de prueba de bombas convencional en lo que se mide y en cómo se calculan esos valores. [6] La siguiente tabla muestra qué parámetros miden el equipo de prueba y cuáles se calculan.
Como se ve en la tabla anterior, la principal diferencia entre los dos métodos es que el método convencional calcula la eficiencia y mide las otras variables directamente, mientras que el método termodinámico calcula el flujo y mide las otras variables directamente. Debido a esto, la precisión de la eficiencia calculada en el método convencional depende de la precisión de las mediciones de altura, flujo y potencia. De manera similar, en el método termodinámico, la precisión del flujo calculado depende de la precisión de las mediciones de altura, eficiencia y potencia.
Otra diferencia clave entre los dos métodos son los requisitos de configuración de la prueba. El método convencional requiere requisitos de tubería más estrictos, y generalmente requiere más de 5 diámetros de tubería recta aguas arriba del medidor de flujo para proporcionar la precisión del flujo indicada. [12] Sin embargo, el método termodinámico normalmente requiere solo 1 o 2 diámetros de tubería recta aguas arriba del equipo [10] para lograr las precisiones citadas. En consecuencia, el método termodinámico a menudo puede realizar pruebas de campo que no pueden realizarse mediante una prueba convencional.
El método termodinámico se usa para probar agua, aguas residuales y otras bombas, pero debido a su capacidad para probar el flujo con precisión, también se usa para aplicaciones como pruebas de curvas del sistema, verificación y calibración de medidores de flujo y monitoreo perpetuo de la eficiencia. [13] Este método es útil particularmente en situaciones que no tienen los requisitos de tubería de los métodos de prueba convencionales. Puede, al igual que las pruebas de bombas convencionales, utilizarse para medir el rendimiento de las bombas para el mantenimiento preventivo y para informar decisiones de reemplazo y renovación. Además, el método se puede extender a pruebas de rendimiento de turbinas y sopladores. [13]
Varios proyectos han utilizado el método termodinámico para pruebas de bombas y revisiones de rendimiento a gran escala. A continuación se enumeran algunos proyectos.
Un proyecto entre Riventa y Severn Trent Water (STW) del Reino Unido en la Red del Área de Melbourne de la compañía de agua, que siempre ha sufrido grandes variaciones en el uso de energía. Numerosas investigaciones históricas no habían descubierto las razones ni las mejores políticas operativas. Los complejos algoritmos desarrollados como parte del trabajo permitieron a STW programar con precisión la operación durante un horizonte determinado, satisfaciendo la demanda con reducciones de costos de energía muy apreciables, un proceso simplemente demasiado difícil para que el personal operativo lo realice solo con experiencia. Se fusionaron dos tecnologías clave para proporcionar una metodología de optimización de la red: medición del rendimiento de la bomba termodinámica para análisis de eficiencia de estaciones y bombas individuales, y modelado hidráulico en vivo para evaluar las rutas de la red y sus perfiles hidráulicos. [14] [15]
Este proyecto fue patrocinado por la Autoridad de Energía de Ontario para probar más de 150 bombas de agua en Ontario, Canadá, en ocho municipios geográficamente diversos. Se utilizó el método de prueba de bomba termodinámica, junto con una serie de pruebas convencionales realizadas junto con el método termodinámico para demostrar la eficacia del método termodinámico. El proyecto probó una variedad de bombas que van desde 30 a 4000 HP y se completó en mayo de 2013. [4] [16] [17]
En un esfuerzo por minimizar los costos de energía y las emisiones de gases de efecto invernadero asociadas, Melbourne Water en Australia aplicó pruebas termodinámicas de bombas para monitorear las bombas en cuatro estaciones de bombeo importantes. En el marco de este proyecto, durante los años 2003 y 2004 se probaron 23 bombas de agua y aguas residuales. [18]