Llega la era del impulsor S-tube®

Llega la era del impulsor S-tube®El impulsor S-tube® de Grundfos está diseñado para transportar un mayor volumen de aguas residuales de distintos tipos a lo largo de mayores distancias y con un consumo menor de energía y líquido de transporte.
Análisis técnico

Los principios en los que se basa el revolucionario impulsor S-tube®, lanzado al mercado por Grundfos en 2012, en realidad llevan décadas sobre las mesas de trabajo de los diseñadores. Simplemente, durante muchos años ningún fabricante de bombas de aguas residuales fue capaz de conseguir que un impulsor con este tipo de diseño funcionara correctamente. El volumen y la variedad de residuos que debían transportarse eran relativamente pequeños y, por tanto, las empresas de servicios apenas prestaban atención a detalles como el consumo de agua y energía.

Solo en las dos últimas décadas es cuando se han unido diversos factores que han hecho cobrar importancia al diseño del impulsor S-tube®. Entre esos factores se incluyen la mayor conciencia medioambiental, las nuevas directivas y leyes gubernamentales y el aumento del coste del agua, la energía y el transporte de residuos.

Desafíos de las empresas de servicios actuales
En síntesis, los desafíos principales (e interrelacionados) a los que se enfrentan las empresas en la actualidad en relación con el transporte de residuos son los siguientes:

• El aumento constante del coste del agua y la energía y los controles gubernamentales cada vez más estrictos (como las tasas ecológicas impuestas a los consumidores de agua y energía)
• La reducción del consumo de agua (y de energía)
• El menor contenido de líquido de las aguas residuales

Una de las principales razones del cambio de estrategia de las empresas de servicios en relación con la gestión de las aguas residuales, como ya se ha indicado, es el aumento del coste del agua (consulte la figura 1). Esto ha hecho que los usuarios reduzcan su consumo, lo que ha producido un cambio en la composición de las aguas residuales, que ahora contienen una mayor concentración de sólidos que nunca.

FIGURA 1: El aumento de los costes totales asociados a las aguas residuales ha tenido un gran peso a la hora de obligar a las empresas de servicios de todo el mundo a rehacer su estrategia en materia de gestión de aguas residuales. *Conversión a euros según el tipo de cambio vigente el 14 de abril de 2014. Fuente: Estudio sobre tarifas del agua de GWI (actualización de 2013)

Los reglamentos gubernamentales, las normas y las directivas han añadido nuevos niveles de complejidad a la situación. Por ejemplo, la cláusula quinta de la norma europea EN 752-6: 2008 sobre instalaciones de bombeo especifica que estas instalaciones deben planificarse y diseñarse teniendo en cuenta factores como el consumo de energía, los requisitos operativos y de mantenimiento y el impacto medioambiental.

Aparte de los controles cada vez más estrictos sobre el consumo, el aumento del coste de la energía ha incentivado la búsqueda de métodos más eficientes para transportar las aguas residuales. Asimismo, las innovaciones orientadas al ahorro de agua han generado nuevos problemas. Por ejemplo, los inodoros más eficientes utilizan menos cantidad de líquido de transporte, lo que incrementa el riesgo de obstrucción de las tuberías.

Asimismo, las bombas de aguas residuales convencionales aumentan el riesgo de obstrucción en lugar de reducirlo debido a los siguientes problemas de diseño:

• Rebordes en los que los residuos pueden quedar atrapados fácilmente
• Codos en las tuberías
• Mecanismos de corte
• Paso libre más pequeño

“Existen dos desafíos globales principales en lo que respecta al transporte de aguas residuales”, señala Maurice Martaud, ingeniero de soporte técnico de Lyonnaise des Eaux, una importante empresa de aguas francesa que forma parte de la multinacional Suez Environnement Group. “El primero de esos desafíos está asociado al cambio de comportamiento de los consumidores. Por una parte, esto impulsa la instalación de sistemas de ahorro para minimizar el consumo de agua y, por otra parte, produce un aumento de los materiales fibrosos desechados hacia los sistemas de recogida. Estos cambios suponen un desafío tanto para los sistemas hidráulicos de las bombas de aguas residuales como para las tuberías, ya que la corriente de aguas residuales con materiales sólidos resulta más densa y difícil de transportar”.

“El segundo desafío se centra en la pujante necesidad de realizar un seguimiento de los sistemas de recogida para evitar la obstrucción de los sistemas de alcantarillado que funcionan por gravedad, las bombas y las tuberías presurizadas”, afirma. “La obstrucción, causada por la mezcla de grasas, sedimentos y residuos de gran tamaño, es un problema cada vez mayor que genera grandes exigencias a los recursos asociados a los servicios. Por tanto, los síntomas de obstrucción deben detectarse con la máxima antelación posible”.

FOTOGRAFÍA: El impulsor S-tube® de Grundfos ofrece una alta eficiencia hidráulica y un paso libre amplio, lo que evita la obstrucción de la bomba.

Diferentes impulsores y distintos problemas
La respuesta del sector a estos cambios y presiones ha sido una tendencia generalizada hacia el uso de sistemas centralizados de gestión de residuos siempre que sea posible. El bombeo de velocidad variable también se ha convertido en un método común para ahorrar energía pero la reducción de la velocidad de caudal conlleva unos riesgos mayores de que se obstruya el sistema, lo que afecta tanto a su eficiencia como a su vida útil.

En conjunto, esto genera un problema de difícil solución para los diseñadores de bombas de aguas residuales: cómo transportar una cantidad de residuos mayor que nunca a lo largo de mayores distancias, con un consumo menor de agua y energía y de forma que las necesidades de mantenimiento tras la instalación sean pequeñas o inexistentes.

A lo largo de los años se han desarrollado distintos tipos de impulsores de aguas residuales en busca de una fiabilidad y una eficiencia hidráulica mayores (de vórtice, semiabiertos y cerrados, así como soluciones híbridas).

“También se ha instado a los clientes a que compren caros accesorios”, afirma Mikael Nedergaard, director global de productos de Grundfos. “Están diseñados para guiar, triturar los residuos o tratar las aguas residuales cuando pasan a través de ellos pero no ofrecen mejoras notables en cuanto a fiabilidad a largo plazo”.

El impulsor S-tube®: una solución sin sacrificios
En la norma EN 752-6: 2008 se hace mención a la optimización de la eficiencia y a la capacidad de hacer circular los sólidos admitidos sin que se produzcan obstrucciones como atributos esenciales de una bomba. Sin embargo, según Mikael Nedergaard, “a menudo se ha inducido a los clientes a pensar que deben renunciar a una de esas características para disfrutar de la otra”. El impulsor S-tube®, integrado en las bombas de aguas residuales Grundfos, hace añicos este mito, ya que ofrece una eficiencia hidráulica excelente y un paso libre amplio, lo que evita la obstrucción de las bombas.

“La principal ventaja del diseño del impulsor S-tube® en comparación con los impulsores con rebordes es que no existe ningún punto en el que los residuos puedan quedar atrapados y provocar una obstrucción”, explica Flemming Lykholt-Ustrup, director global de mecánica y mecánica de fluidos para aguas residuales de Grundfos.

FIGURA 2: En esta imagen codificada con colores se muestra el efecto de la presión sobre la superficie de un impulsor hidráulico S-tube® convencional (sin material añadido). El color azul representa las presiones más bajas, que van aumentando (pasando por el verde y el amarillo) hasta llegar al color rojo, que indica las presiones más altas y que coincide con el punto por el que el líquido sale del impulsor. Esta acumulación de presión es un indicador de una gran eficiencia y de la inexistencia de un caudal de retorno que pueda servir como factor iniciador que haga que se acumulen sólidos. Ni siquiera en el punto señalado, que se corresponde con la máxima curvatura del tubo, resulta factible que los sólidos queden atrapados en el interior del impulsor S-tube® ya que no existe ningún reborde en su diseño.

“Las características especiales de las placas delantera y trasera del impulsor cerrado S-tube® también optimizan el flujo de fuga hacia las cavidades existentes entre el impulsor giratorio y el alojamiento fijo de la bomba.

Debido a la invariabilidad del diámetro interior del impulsor S-tube® (consulte la figura 2), la posibilidad de que se produzcan obstrucciones es muy baja, incluso con los volúmenes de líquido relativamente bajos de las aguas residuales actuales”.

“De esta manera, el aumento de la eficiencia hidráulica hace disminuir los costes energéticos para el usuario final”, afirma Flemming Lykholt-Ustrup. “Además, la ausencia de rebordes tiene la ventaja de que reduce notablemente el valor de NPSH en el interior de la bomba centrífuga, donde el sistema hidráulico es más propenso al fenómeno de cavitación”.

Una estrategia integral
En el estudio publicado en el libro Pump Life Cycle Costs: A Guide to LCC Analysis for Pumping Systems (Guía sobre el análisis de costes asociados al ciclo de vida aplicado a los sistemas de bombeo) por las asociaciones Europump e Hydraulic Institute se demuestra que solo en casos muy contados el precio de compra inicial supone más del 5 % del coste total de una bomba asociado a su ciclo de vida íntegro. El consumo de energía es de lejos el factor más importante ya que lleva asociado el 85 % de los gastos totales, mientras que los costes de mantenimiento se sitúan en el entorno del 10 %.

Por tanto, resulta comprensible que algunos de los principales actores del mercado hayan admitido que resulta necesaria una estrategia integral para optimizar los sistemas de bombeo. El modus operandi de Grundfos está estrechamente vinculado a la estrategia iSOLUTIONS (soluciones inteligentes), aplicable al ciclo de vida íntegro de las bombas desde su diseño y desarrollo hasta su achatarramiento y reciclaje, pasando por su producción, instalación y mantenimiento.

La información aportada por los clientes resulta esencial para esta estrategia, según indica Mikael Nedergaard.

“La implicación de los clientes finales durante los proyectos de desarrollo de productos garantiza que las soluciones integradas en los productos finales cumplan sus expectativas”, afirma. Pero, tal como añade, no es el único factor impulsor de las mejoras de diseño. Por ejemplo, un aspecto que los clientes tienden a pasar por alto a menudo es la gestión del aire (consulte la imagen inferior). Es importante garantizar que la bomba sea capaz de soportar líquidos con una cierta cantidad de aire. Los ingenieros de Grundfos realizaron amplias investigaciones mediante simulaciones CFD para optimizar las zonas críticas en las que el aire se acumula para minimizar la reducción del caudal en el impulsor S-tube® cuando se trabaja con medios que contienen gases o aire.

FOTOGRAFÍA: En esta simulación CFD multifase, los dos impulsores tienen un tamaño simular pero su forma geométrica varía ligeramente (del orden de unos pocos milímetros). El caudal de líquido es idéntico para ambos impulsores y se añade continuamente un 8 % de aire. Las zonas señaladas con un círculo son aquellas en las que se producen acumulaciones de burbujas de aire y demuestran cómo puede optimizarse la gestión del aire mediante el diseño.

Resumen
Los sistemas de gestión de aguas residuales actuales deben ser capaces de transportar residuos con un volumen y una variedad mayores a lo largo de mayores distancias y con un consumo menor de energía y líquido de transporte. Para ello es necesario disponer de una bomba centrífuga que evite tener que renunciar a la resistencia a las obstrucciones o la eficiencia hidráulica y que ofrezca una vida útil extensa con unas necesidades de mantenimiento mínimas. El clásico diseño tubular, refinado gracias a las habilidades de los ingenieros del siglo XXI y a la información proporcionada por los usuarios finales, está demostrando ser la solución más eficaz y versátil que existe.





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