Eficiencia Hidrodinámica

Utilizados en diversas operaciones industriales, los sistemas de bombeo abarcan un conjunto de elementos que permiten el transporte a través de tuberías y el almacenamiento temporal de los fluidos, de manera que se cumplan las especificaciones de caudal y presión necesarias en los diferentes tipos de procesos.

El requerimiento básico para un sistema de bombeo es que debe mover el caudal de un determinado fluido, de un lugar a otro. Suele, asimismo, ser necesario que el fluido llegue al punto de destino con una cierta presión y que el sistema permita un rango de variación, tanto del caudal como también de la presión.

Junto con las bombas, una pieza clave dentro de estos mecanismos son las válvulas que, mediante su apertura y cierre, tienen como función principal controlar el paso del fluido. "Una válvula aísla la bomba cuando ésta sale de operación para mantenimiento y, en algunos casos, con el fin de disminuir el caudal durante el procedimiento de encendido o apagado del equipo de bombeo", explica Jaime Bonilla, Product Manager de Vag Valves.

Modificaciones al Disco

Específicamente, la válvula de mariposa es un dispositivo ideado para interrumpir o regular el flujo de un fluido a través de una conducción, aumentando o reduciendo la sección de paso mediante una placa o disco, denominado "mariposa", que gira sobre un eje.

El disco, al interior de la tubería, rota 90 grados, de abierto a cerrado. Su giro puede ser central o excéntrico, para que la presión del fluido favorezca el cierre, y los tipos de juntas de estanqueidad son muy variados. El uso de la válvula de mariposa se ha extendido por el espacio reducido que requiere, la facilidad de su accionamiento, su funcionamiento satisfactorio y su bajo costo.

Desarrollos recientes han mejorado su operación, lo que se traduce en importantes ahorros energéticos para los sistemas de bombeo.

Un ejemplo es la válvula EKN, serie H, desarrollada por Vag Valves. Jaime Bonilla afirma: "El nuevo diseño de la EKN H tiene dos características principales desde el punto de vista energético. La primera, es el diseño hidrodinámico del disco, optimizado con CFD (Computational Fluid Dynamics) y comprobado con mediciones en banco de pruebas, lo que minimiza la resistencia al paso del agua". Y la segunda, es que tiene un área mayor de paso, producto de la optimización de la geometría interna del cuerpo. "Como resultado, el coeficiente de pérdida por fricción de la válvula EKN H es mucho menor que cualquier otra válvula de mariposa de doble excentricidad", subraya el ingeniero.

Gracias a la introducción de estas mejoras -añade Bonilla- el uso de esta válvula permite ahorrar hasta un 40% en el consumo eléctrico del sistema de bombeo.

¿De qué depende que dicho porcentaje sea mayor o menor? El especialista responde: "El consumo energético de un sistema de bombeo de agua es directamente proporcional al caudal y la presión a la que se bombea. En algunos casos se requiere bombear de manera permanente, las 24 horas del día, para llevar el volumen requerido a las plantas de procesamiento para consumo humano o industrial. Dependiendo de las características particulares de cada sistema, el uso de válvulas con pérdidas inferiores puede significar menos tiempo de bombeo o menor potencia para bombear el mismo caudal".

Aplicaciones

Considerando el contexto de la industria a nivel local, el profesional comenta que la válvula EKN H puede aplicarse en instalaciones de distintos rubros. "En general, en cualquier sistema de suministro de fluido que requiera ser bombeado y en largas líneas de transporte, el uso de válvulas eficientes se traduce en un menor consumo de energía", precisa el ejecutivo.

Agrega que "cada vez es más frecuente que las fuentes de agua estén más lejos de los puntos de consumo, generando la necesidad de transportarla por medio de sistemas de bombeo. Las desalinizadoras, por ejemplo, deben impulsar el agua desde la costa hasta la planta misma, en un proceso que se realiza las 24 horas del día".

Asimismo, los sistemas de enfriamiento en centrales hidroeléctricas y termoeléctricas también requieren bombeo permanente de agua por causa de sus circuitos, destaca Jaime Bonilla.

En el caso de las conducciones por gravedad, es decir, aquellas que no requieren bombeo mecanizado, sostiene que "una válvula que presenta menos pérdidas significa una mayor capacidad de transporte o, además, el hecho de alcanzar cotas más altas".

Menores Turbulencias

Alejandro Badilla, Jefe de la carrera de Ingeniería (E) Mecánica de Procesos y Mantenimiento Industrial de la Universidad Técnica Federico Santa María (USM) - sede Viña del Mar, concuerda con que el diseño de una válvula puede influir en el rendimiento energético de un sistema de bombeo. "Considerando que las válvulas de mariposa están diseñadas para regular flujo mediante pérdida de carga, que se puede interpretar como merma de energía en el fluido, estos equipos están completamente relacionados con el desempeño energético", puntualiza el académico. Por eso, agrega, se espera que cuando las válvulas se encuentran totalmente abiertas dicha pérdida sea lo más baja posible.

Respecto a las optimizaciones introducidas a la válvula EKN H, comenta que "por su diseño, la válvula al estar abierta distorsiona en menor medida el flujo del fluido, ocasionando menos turbulencias y con ello, al parecer, pérdidas de cargas inferiores. Por esto, su desempeño energético sería mejor".

Acerca de la optimización mediante CFD, Badilla concluye que "se logró un efecto hidrodinámico favorable y similar a lo ocurrido en el perfil de un ala de avión, disminuyendo al mínimo la pérdida de carga y con ello mejorando el desempeño energético del sistema, traducido en el consumo eléctrico de la bomba de alimentación".

Otros Factores

Adicionalmente, el académico de la USM menciona otros factores que pueden incidir en el funcionamiento de una válvula de mariposa.

Al respecto, señala que un punto relevante en los circuitos de bombeos es la calidad del fluido, en el sentido de que puedan depositarse elementos extraños en los componentes del sistema. "Las válvulas podrían fallar al posicionarse impurezas en los actuadores o en las partes móviles. Además, esto podría deteriorar la superficie de la válvula lo que ocasionaría mayor rugosidad y con eso una pérdida de carga mayor, disminuyendo así el rendimiento energético", explica Badilla.

A raíz de lo mismo, si el régimen de operación lo permite, "se debe lavar el circuito con alguna periodicidad y retirar las válvulas para hacerles mantenimiento, aunque estos elementos suelen tener mantenimiento a la falla, es decir, de tipo correctivo", concluye.

Artículo publicado en InduAmbiente 171 (julio-agosto 2021), páginas 76 a 77.