Prevención de golpe de ariete en estaciones de bombeo.

Hola y bienvenidos a Controlling Water, un espacio para hablar sobre válvulas, agua, caudalímetros y perspectivas interesantes sobre la industria del agua. En cada episodio conversamos con profesionales del sector que se especializan en todo lo relacionado con válvulas, caudalímetros y las mejores prácticas en la industria del agua. Hoy estamos con Colin Kirkland, de BERMAD Australia, quien es uno de los ingenieros en Australia.

Con más de 30 años de experiencia en la industria, Colin nos acompaña hoy para hablar más sobre el golpe de ariete. En esta ocasión, vamos a tratar la prevención del golpe de ariete en estaciones de bombeo. Bienvenido de nuevo, Colin. Siempre es un placer tenerte aquí.

Es un gusto estar aquí. Gracias.

Estoy seguro de que esta es una pregunta un poco larga, pero ¿puede explicar primero por qué ocurre el golpe de ariete, especialmente en una estación de bombeo?

Sí. Bueno, en episodios anteriores hemos hablado de lo que es el golpe de ariete y, por supuesto, se trata de un aumento rápido de presión generado por un cambio muy repentino en el caudal. Esto es lo que hace una estación de bombeo todos los días. Así que, si vemos, tenemos muchas estaciones de bombeo donde las bombas pueden arrancar y funcionar durante días y semanas seguidas, o podemos tener bombas que arrancan 20, 30, 40 veces al día.

El efecto neto es que, en una estación de bombeo, cuando se arranca una bomba se está generando un cambio en el caudal. Cuando se apaga esa bomba, se genera un cambio rápido en el caudal. Así que esas condiciones de arranque y paro controlados ocurren, lo quieras o no. Depende de cómo controles eso para obtener los resultados finales.

Así que las estaciones de bombeo son probablemente uno de los principales responsables de generar golpe de ariete en todas las industrias, ya sea minería, agua, riego o cualquier otra. Lo fundamental aquí es realmente entender qué es el diseño de una estación de bombeo y hacer que funcione eficazmente bajo condiciones normales de operación, pero también en condiciones no controladas.

En otras palabras, en caso de un corte de energía o en condiciones no controladas. Así que, sin duda, las estaciones de bombeo son los mayores responsables del golpe de ariete que me he encontrado en muchos años.

Entonces, ¿cómo suelen minimizar esta condición los diseñadores?

Bien. Entonces, si estuviéramos diseñando una estación de bombeo en sí, si pensamos en bombas típicas, podríamos tener un motor eléctrico, un acoplamiento y una bomba. Y cuando diseñan estas bombas, generalmente diseñan una bomba que pueda producir suficiente caudal y energía para transferir el agua a donde sea necesario. Y la mayoría de las personas, cuando arman este conjunto de bombas y consideran un motor eléctrico, también consideran diferentes formas de poder arrancar y detener ese motor.

Existen muchos procesos que han estado presentes durante mucho, mucho tiempo. Está lo que llamamos DOL, que es arranque directo en línea, y básicamente significa que cuando alguien se acerca y presiona el botón de arranque, ¡pum!, la bomba arranca de inmediato y comienza a funcionar, y cuando se detiene, se detiene instantáneamente. Sin control, terrible para el golpe de ariete.

Luego tienes cosas como los arrancadores estrella-triángulo. El arrancador estrella-triángulo es como una configuración escalonada y lo hace durante un período controlado para aumentar la velocidad. Y, por lo general, la desaceleración también es muy deficiente. Pero hoy en día se ha trabajado mucho en cómo controlar los arranques de las bombas. Y hay muchas cosas llamadas arranques suaves o variadores de velocidad, o se les conoce como drives. Y lo que son, son productos eléctricos que básicamente permiten que el motor acelere a una velocidad lenta y controlada.

Y, a la inversa, cuando se apagan, les permiten desacelerar. Ahora, lo que la mayoría de las personas observa es que, cuando diseñan una estación de bombeo, generalmente no consideran el golpe de ariete. Eso es algo secundario. Lo que buscan es que la bomba sea lo más eficiente posible. Y saben que, si arrancan la bomba muy rápido, consume mucha energía. Así que necesitan un 30% más de potencia para arrancar la bomba. Pero si lo hacen con un drive y la aceleran suave y gradualmente, no requieren tanta potencia. Así que el motor es más pequeño, la infraestructura es más pequeña y es más eficiente, por lo que hay muchas situaciones realmente buenas que pueden arrancar y detener estos motores de manera efectiva.

Lo que siempre observamos, desde la perspectiva del golpe de ariete, es ver cómo se está arrancando y deteniendo la bomba. Y podemos ver cuáles son los efectos netos sobre el golpe de ariete, pero generalmente no lo ven desde esa perspectiva. Ellos simplemente buscan que funcione y que funcione eficientemente.

Así que hoy en día, la mayoría de los diseñadores, cuando diseñan esa estación de bombeo, incorporarán uno de los procedimientos de arranque para esas bombas, ya sea un drive, un arranque suave o DOL. Lo clave es lo que buscamos desde la perspectiva del golpe de ariete, así que queremos algo que acelere gradualmente y desacelere gradualmente, que sea suave para el sistema. Ahora, algunos de estos sistemas pueden ayudar en la prevención del golpe de ariete, pero definitivamente no todos.

Bueno saberlo. Bueno saberlo. Colin, quiero retomar algo que mencionaste antes. Dijiste que en muchos casos, el diseño puede ser capaz de minimizar el golpe de ariete.

Sí.

Supongo que, sin embargo, hay condiciones en las que este cambio de diseño puede no funcionar realmente. ¿Cuáles son algunas de estas condiciones?

Bien. Si hablamos de esos dispositivos básicos de arranque de los que mencionamos – arranque directo en línea, velocidad de arranque muy rápida, parada rápida, realmente no tiene ningún efecto sobre el golpe de ariete.

Correcto.

Los arrancadores directos estrella-triángulo tienen un efecto leve porque el aumento de las RPM de las bombas es ligeramente gradual, lo cual no es tan malo, pero los arranques suaves pueden tener un efecto realmente positivo.

Así que un arranque suave o un variador puede aumentar la velocidad lentamente e introducir el caudal y la presión en la tubería de manera gradual, lo cual es algo bueno. Pero el diseño general que el operador tiene en mente es: si yo aumentara la velocidad de esa bomba durante 60 segundos, la suposición es que el caudal va a aumentar gradualmente durante esos 60 segundos, y eso no siempre es así.

A medida que una bomba empieza a aumentar su velocidad, comienza a desarrollar presión. Ahora bien, el caudal solo empieza a moverse una vez que se ha superado la carga estática. Para simplificarlo mucho, imagina que estoy bombeando cuesta arriba y la colina está a un kilómetro de distancia, y tiene una elevación de 50 metros. Hasta que la bomba no genere 51 metros de energía, no habrá superado toda esa energía estática contra la que está trabajando la bomba y el agua no empezará a fluir.

Ahora, si la bomba aumenta su velocidad durante 60 segundos, pero 50 segundos de ese tiempo se utilizan para llegar a los 51 metros, no se ha transferido ningún caudal, solo ha ido aumentando la velocidad sin hacer nada. Y de repente, ¡pum!, se abre. Así que en realidad solo he tenido cinco segundos de transferencia, lo cual es prácticamente inútil.

Sí.

Entonces, para responder a tu pregunta, si la carga estática de la que estamos hablando, es decir, esos 15 metros de carga, está muy cerca de la carga en funcionamiento, digamos 60 metros, es poco probable que tenga un buen efecto contra el golpe de ariete, porque no va a aumentar el caudal de manera gradual. Y, más importante aún, no va a disminuir el caudal de forma gradual.

En cuanto empieces a reducir el caudal después de 10 segundos, va a detener el flujo de manera instantánea. Así que, en resumen, si la carga estática está muy cerca de la carga en funcionamiento, realmente es ineficaz contra el golpe de ariete, y el variador no va a hacer mucho, si es que hace algo.

Bueno saberlo. Entonces, bajo esta condición, donde las presiones son muy similares, ¿qué se puede hacer para lograr el mismo resultado? Estoy seguro de que, a lo largo de los años y con tu experiencia, posiblemente hayas encontrado algunas soluciones.

Sí, Sarah, sí lo tenemos. Contamos con una solución muy buena llamada la válvula de control de bomba Bermad modelo 740. Ha estado disponible desde que estoy en la organización y realmente ha sido un referente de producto que ha funcionado de manera confiable durante muchos, muchos años.

Lo que realmente hace este producto es que, independientemente de la velocidad de arranque de la bomba, lo que queremos lograr es un aumento gradual del caudal a medida que bombeamos cuesta arriba. Lo que es la válvula de control de bomba o el modelo Bermad 740 es una válvula solenoide. Así que lo que sucede es que, cuando arranco la bomba, energizo el solenoide, y una vez que desarrolla suficiente presión, la válvula se abre a una velocidad muy lenta y controlada, permitiendo que menos agua suba por la tubería. Es exactamente como si un operador dijera: tengo una válvula de compuerta y voy a comenzar con esa válvula cerrada, y cuando arranque la bomba y la bomba comience a funcionar, haré que el operador abra la válvula de compuerta muy lentamente e iré introduciendo el agua en la tubería de forma lenta y gradual. Eso es ideal para el arranque de una bomba y la válvula Bermad lo hace muy bien, de manera simple y confiable.

Algo realmente importante es que la mayor parte del golpe de ariete ocurre cuando apagan la bomba. Así que si yo fuera un operador y me dicen: asegúrate de apagar la bomba y hazlo de forma segura. Yo mantendría la bomba funcionando y cerraría la válvula de compuerta lentamente durante uno o dos minutos. Iría reduciendo el caudal, reduciendo el caudal, reduciendo el caudal. Una vez que el caudal esté al 10% de lo que está diseñado, apagaría la bomba, y el cambio de caudal sería mínimo, sin golpe de ariete. Eso es lo que también hace la válvula Bermad.

Así que cuando llega la señal para que la bomba se detenga, la bomba sigue funcionando, pero la válvula se desenergiza y la válvula indica que va a cerrarse lentamente a una velocidad lineal controlada, y una vez que llega al 90% de cierre, tiene un microinterruptor que indica: apaga la bomba. Lo hace automáticamente.

Me encanta eso.

Así que es una válvula de aspecto realmente sencillo, pero que resulta sumamente eficaz para proporcionar un aumento gradual del caudal, una disminución gradual del caudal, independientemente del diseño. Por eso, en aplicaciones como bombeo y edificios de gran altura, o en minas que transfieren grandes distancias, o en el suministro de agua, o en riego, el control de bombas es una herramienta realmente eficaz.

Y, el efecto neto, al ser una válvula hidráulica de doble cámara, también es una válvula antirretorno. Esto es porque normalmente cada bomba tendrá una válvula antirretorno para asegurar que, cuando apagamos la bomba, no haya flujo inverso. Esta función también está incorporada en la función de doble cámara de nuestra válvula. Así que es una válvula de apertura lenta, cierre lento y válvula antirretorno, todo en una sola función.

Vaya. Tomemos un breve descanso.

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Ahora, volvamos al programa.

Colin, según lo que entiendo de la mayoría de las estaciones de bombeo, siempre tienen una válvula antirretorno en la descarga de la bomba. ¿Esto significa que se puede quitar la válvula antirretorno existente?

Sí. Es una pregunta importante, Sarah, porque no es recomendable tener válvulas de retención en serie. Como nuestra válvula de control de bomba ya es antirretorno, básicamente estarías colocando un producto secundario sin ningún beneficio real.

El problema puede ser que, si tienes válvulas de retención que cierran a diferentes velocidades, realmente puedes generar una acumulación de presión entre ambas al cerrarse, lo que puede provocar rebotes y problemas de golpe de ariete, que no son deseables.

Entonces, para responder a tu pregunta, no nos gusta usar una válvula de retención secundaria cuando utilizamos la válvula de control de bomba, ya que esta ya cumple esa función. Así que es mejor eliminarla. Es una cosa menos de la que preocuparse en cuanto a pérdida de carga, mantenimiento, etcétera.

Suena bien. ¿Y la válvula puede realizar alguna otra función además de simplemente abrir/cerrar y antirretorno?

Sí, entonces la válvula es una válvula de control accionada por diafragma. Su funcionamiento consiste en aplicar agua a la cámara superior de la válvula, lo que hace que se cierre, y retirarla para que se abra; podemos incorporar muchas funciones adicionales en una sola.

Y como un par de ejemplos, supongamos que la bomba está en funcionamiento y suministra agua a una red de distribución; digamos que ocurre un incendio. En esa condición de incendio, hay muchos camiones de bomberos extrayendo agua adicional de la red principal. Ahora bien, si se extrae demasiada agua de la red principal y la bomba llega al final de su curva o de su capacidad, cuanto más agua se bombea, más energía consume el motor. Si se llega a un nivel crítico y se sigue queriendo extraer más y más caudal, se consume cada vez más energía. Y si se sobrepasa ese límite, el motor se disparará y se apagará. Eso sería catastrófico en caso de incendio porque, de repente, no habría presión de agua.

Así que, en muchos casos, podemos proporcionar lo que llamamos una función de control de caudal. Si sabemos, por ejemplo, que el caudal crítico de esta bomba es de 100 litros por segundo, permitiremos que opere hasta ese valor. Pero si la demanda en el campo empieza a superar la capacidad de la bomba, me aseguraré de que la bomba no se apague, y esa es la función de control de caudal.

A veces, dependiendo de cómo sea la curva de la bomba, si es una curva pronunciada o plana, también podemos usar una función de sostenimiento de presión que tiene un efecto algo similar al control de caudal y mantiene la bomba en la curva, porque lo realmente importante es que lo que se busca con la bomba todo el tiempo es asegurar que funcione eficientemente y que no trabaje en una zona de cavitación. Si una válvula entra en cavitación, puede fallar prematuramente y también provocar mucho desgaste dentro de la bomba y otros componentes.

Entonces, al incorporar estas funciones adicionales, también podemos limitar eso. Incluso podría haber una función en la que se tenga una situación en la que se suministra agua a un tanque de distribución, y tal vez se va a cerrar parte de ese suministro y alimentar otro tanque más pequeño. Y de repente, ahora estoy manejando la mitad del caudal, la presión ha subido demasiado – eso es un problema. Así que podríamos incorporar una función de reducción de presión. Podemos agregar esas funciones adicionales en el momento de la instalación o más adelante. En resumen, es muy versátil. Básicamente, lo principal es que es una válvula antirretorno, previene el golpe de ariete al abrir y cerrar lentamente, y puede realizar control de caudal, sostenimiento o reducción si es necesario. Así que es, digamos, como una navaja suiza con todas las pequeñas herramientas.

Parece que sí. Me encanta.

Entonces, si alguien está considerando el uso de una válvula de control de bomba, ¿esto genera alguna pérdida de carga adicional en la estación de bombeo? Eh, supongo que la eficiencia de bombeo es fundamental en cualquier diseño.

Absolutamente. Sí, completamente, Sarah. Sabemos que cuando diseñas una bomba y analizas una red, lo que buscas es obtener una bomba realmente eficiente, que utilice poca energía, para que todo sea bastante eficiente y ecológico. Si coloco algo en el trayecto del flujo que genere una alta pérdida de carga, de repente esto significa que necesito una bomba y un motor más grandes, lo cual no es eficiente.

Por eso, siempre tendemos a diseñar la válvula para que se adapte a la tubería de descarga de la carcasa de la bomba, pero asegurándonos de que la pérdida de carga sea prácticamente imperceptible. El diseño en Y de Bermad es sumamente eficiente para producir una baja pérdida de carga. Así que está absolutamente hecho para una aplicación de control de bomba, para garantizar que prácticamente no haya, o haya muy poca, pérdida de carga.

Y así, parece que la válvula de control de bomba es un diseño flexible y eficiente que puede reducir el efecto del golpe de ariete en cada arranque de la bomba. ¿Qué sucede si hay un corte de energía en la estación de bombeo?

Bien. Bien. Entonces, lo que hemos explicado es lo que la válvula puede hacer realmente, o lo que el proceso puede hacer, bajo condiciones controladas normales. Si se va la energía, todo queda apagado, la válvula se cierra y no quieres saber lo que pasa después de eso. Así que ahora estamos hablando del golpe de ariete bajo condiciones no controladas. Tal vez ese sea un tema para el próximo pódcast. ¿Qué opinas, Sarah?

Parece que podría ser Colin.

Bien, con esto concluimos el episodio de esta semana sobre la prevención del golpe de ariete en estaciones de bombeo, revisiones de válvulas y los diseños implementados para minimizar el golpe de ariete.

Gracias por acompañarnos y esperamos el próximo episodio. Para más información sobre la industria del agua, incluyendo productos, consejos, instalaciones, operación y técnicas de mantenimiento, visita https://www.bermad.com.au y suscríbete a nuestro boletín del sector. Te unirás a más de 3000 profesionales de la industria y aprenderás del experimentado equipo de especialistas de Bermad.

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