Las ventosas como sistema de protección en el arranque de bombas de pozo
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- Julio Flores Soto
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1 Las ventosas como sistema de rotección en el arranque de bombas de ozo V.B. Esert Alemany Catedrático de Ingeniería Hidráulica. ITA. Universidad Politécnica de Valencia J. García-Serra García Catedrático de Ingeniería Hidráulica. ITA. Universidad Politécnica de Valencia. E. Cabrera Marcet Catedrático de Mecánica de Fluidos. ITA. Universidad Politécnica de Valencia. V.J. Esert Canet Becario. ITA. Universidad Politécnica de Valencia. Introducción En los bombeos de agua desde ozo es habitual que la altura geométrica de imulsión alcance valores entre decenas y centenas de metros. Esta altura geométrica es la suma de la rofundidad del agua en el ozo más la diferencia de cotas entre la boca del ozo y el deósito de imulsión. En estos casos se utilizan bombas multicelulares con un determinado número de rodetes iguales en serie, figura, todos unidos al mismo eje y disoniéndose el motor de accionamiento en la arte inferior de la bomba (motor sumergido). El rotor del motor se acola directamente al eje de accionamiento de la bomba, y todo el conjunto tiene un diámetro exterior reducido ara que se ueda introducir en el interior de la erforación, dejando suficiente esacio ara que circule el agua entre el entubado y el motor o la bomba. imulsión Válvula de retención Bomba multicelular Motor Figura Acolamiento motor-bomba en imulsiones desde ozo
2 En estos casos el gruo motor-bomba se encuentra sumergido a suficiente rofundidad ara que los descensos del agua en el ozo aseguren siemre una sumergencia mínima en la boca de asiración de la bomba. El gruo cuelga del tramo de tubería de imulsión del interior del ozo, el cual se fija a la laca que cierra la boca del ozo. En estas circunstancias ni la bomba ni el motor se encuentran directamente accesibles ara su rearación y mantenimiento, necesitándose extraer comletamente el tramo de tubería instalado dentro del ozo, o columna vertical, ara llevar a cabo estas oeraciones sobre el gruo motor-bomba. Este roceso de extracción condiciona la osición en la cual se va a instalar la válvula de retención asociada a la bomba. Dicha válvula se uede instalar directamente a la salida de la bomba formando arte del cuero de la misma. Desde el unto de vista funcional ésta es la mejor disosición, aunque cuando or trabajos de rearación o mantenimiento del gruo sea necesario extraer el tramo de tubería de dentro del ozo, junto con el gruo motor-bomba, si la válvula de retención cierra adecuadamente la columna vertical a elevar estará llena de agua, con un eso de todo el conjunto que será en general considerable. Otra osibilidad es instalar la válvula de retención en la tubería de imulsión ero a la salida del ozo, como se indica en la figura. En estos casos los trabajos de rearación o mantenimiento de esta válvula son mucho más fáciles, al estar directamente accesible. Además, en caso de tener que elevar la columna vertical ara acceder al gruo motor-bomba, dicha columna estará vacía de agua, con la consiguiente reducción de eso del conjunto. Pero tras la arada del gruo, y desués de cerrarse la válvula de retención, la columna de agua entre esta válvula y la bomba se romerá si la rofundidad del agua es mayor de unos m. En este caso el tramo de tubería dentro del ozo está actuando como un barómetro de agua, ues tiene el extremo suerior cerrado or acción de la válvula de retención, y el extremo inferior abierto en el interior del agua sobre cuya suerficie libre actúa la resión atmosférica. Así, el agua dentro de este tramo de tubería descenderá hasta una altura que equilibre la resión atmosférica (del orden de m sobre el nivel del agua en el ozo), habiendo or encima y hasta la válvula de retención vaor de agua con una resión igual a la tensión de vaor a la temeratura que corresonda. Cuando estando la instalación en estas condiciones se vuelva a oner en marcha la bomba, ésta emezará a imulsar agua a una tubería que se encuentra con una columna de agua relativamente corta, y a una resión absoluta en su arte suerior muy baja, or lo cual el caudal imulsado y la velocidad en la tubería serán inicialmente altos. Así la columna de agua sobre la bomba irá creciendo ráidamente de tamaño, condensando a la vez el vaor de agua que hay or encima, hasta que dicha columna se encuentre con la válvula de retención cerrada. En este momento el agua chocará contra la válvula de retención, roduciendo una oscilación de resión or gole de ariete que uede alcanzar valores imortantes. 2 Las ventosas en las estaciones de bombeo Una solución a este roblema es la instalación de una ventosa aguas arriba de la válvula de retención, como odemos ver en la figura. Tras la arada de la bomba y el cierre de la válvula de retención, la ventosa se abrirá cuando la resión en el unto donde está instalada descienda or debajo de la resión atmosférica (figura 2-a). Al abrirse la ventosa y entrar aire, la columna de agua caerá y vaciará el tramo de tubería hasta el nivel de agua en el ozo, quedando dentro de esta tubería aire a resión atmosférica. Obturador Disositivo de aoyo v < atm v > atm v > atm Q Q agua w Q agua Q w Q agua = Q w = a.- Admisión de aire b.- Exulsión de aire c.- Orificio cerrado Figura 2 Funcionamiento de una ventosa.
3 En la siguiente uesta en marcha de la bomba, el agua imulsada hará salir el aire a través de la ventosa, figura 2-b, hasta cerrar el orificio de salida or flotación del obturador al final de la exulsión de aire. En estas condiciones la caacidad de exulsión de aire de la ventosa debería ser reducida, evitando que este aire se exulse con facilidad. De esta manera la columna de agua que sube or la tubería llevará una velocidad baja, y cuando se cierre la ventosa al final de la exulsión de aire el gole de ariete que se roduzca or efecto de dicho cierre no originará una sobreresión elevada. A su vez, en este momento la columna de agua en movimiento abrirá la válvula de retención y se establecerá el unto de funcionamiento corresondiente. Un disositivo caaz de admitir un caudal de aire imortante al interior de una tubería cuya resión tiende a ser menor que la atmosférica, y exulsar un caudal de aire equeño del interior de la tubería cuando la resión en la misma llegue a ser mayor que la atmosférica, uede estar constituido or un aductor de gran diámetro y un ventosa bifuncional de diámetro reducido, figura 3 (Cambell, 983). De esta manera la admisión se realizará conjuntamente or la asociación del aductor y de la ventosa (figura 3-a), mientras que la exulsión se realizará solamente or la ventosa de diámetro reducido (figura 3-b). Admisión de aire Admisión de aire Exulsión de aire Aductor bifuncional Aductor bifuncional Purgador Purgador imulsión entronque Q aire Válvula de retención imulsión entronque Q aire Válvula de retención Q agua Q agua a.- Admisión de aire b.- Exulsión de aire Figura 3 Asociación de un aductor y una ventosa de diámetro reducido Otro disositivo que uede conseguir estos efectos sería una ventosa de cierre controlado. En ella, la admisión de aire se realiza con toda la sección de aso abierta. Sin embargo, durante la exulsión, si la velocidad del aire exulsado es menor que un determinado valor, esta exulsión se realiza or toda la sección de aso. Pero si la velocidad alcanza un determinado valor, el flujo de aire arrastra un obturador que cierra la sección de aso y deja abierto un orificio de diámetro reducido, racticado en el obturador, el cual reducirá el caudal de exulsión y, a su vez, la velocidad a la que se moverá la columna de agua que sube or la tubería de imulsión. En la figura 5 se resenta la forma de las curvas características de ventosas convencionales y de cierre controlado. Flotador secundario (limita la velocidad de exulsión del aire) Flotador utilizado como urgador Flotador rincial Soorte del flotador Flujo de aire Figura 4 de cierre controlado
4 a) convencional b) de cierre controlado Figura 5 Curvas características de ventosas convencionales y de cierre controlado 3 Otras utilizaciones de las ventosas En las instalaciones hidráulicas a resión, sean imulsiones, aducciones o redes de distribución de agua, las ventosas se utilizan, en general, ara la extracción del aire de las conducciones en la rimera uesta en marcha de la instalación o con osterioridad a los trabajos de rearación de tuberías, ara la entrada de aire a las conducciones en las oeraciones de vaciado, o como sistemas de rotección frente a transitorios hidráulicos ara evitar deresiones. En los casos de llenado y vaciado de tuberías las ventosas son imrescindibles. Sin embargo, como sistemas de rotección frente a transitorios hidráulicos las ventosas ueden rovocar icos de resión imortantes en el momento del cierre del obturador, los cuales ueden sobreasar la resistencia mecánica de las tuberías. Además, el aire que ha entrado al interior del conducto a través de la ventosa en el momento de la deresión uede deslazarse a lo largo del conducto y terminar saliendo or una ventosa diferente a la de entrada, o bien quedar atraado en algún unto del conducto con consecuencias imrevisibles. Por ello solamente se admiten las ventosas como sistema de rotección frente a transitorios hidráulicos en los casos en que es imrescindible su concurso, esto es, en los bombeos desde ozo como se ha visto en aartados anteriores, y en caso de rotura de tuberías (Esert et al, 28). En este último caso la deresión originada or la rotura uede causar resiones negativas en alguna arte de la instalación, con el consiguiente eligro de colaso de tuberías si éstas no se rotegen adecuadamente. En el resto de casos, la rotección de las instalaciones frente a las deresiones originadas or los transitorios hidráulicos se deberá conseguir con otros sistemas, como la instalación de calderines, chimeneas de equilibrio, tanques unidireccionales, válvulas de cierre controlado, etc (Koelle, 24). En general, la elección de las ventosas a instalar en un sistema hidráulico a resión se basa en una serie de reglas rácticas que se ueden resumir de la siguiente manera: Se disondrá una ventosa en cada uno de los untos altos de la instalación, a distancias máximas del orden de 5 m, antes y/o desués de una válvula de seccionamiento, y a la salida de las estaciones de bombeo. El diámetro nominal de la ventosa es del orden de la doceava arte del diámetro nominal de la tubería donde se instala. La velocidad del aire exulsado, a la resión de exulsión y ara la sección nominal de la ventosa, no es conveniente que suere el valor de 4 m/s ara evitar el osible cierre de la ventosa, or arrastre cinético del obturador, antes de finalizar la exulsión El hecho de que se aliquen estas reglas ara la elección de las ventosas no exime de la simulación del funcionamiento del sistema en régimen transitorio, cuyo objetivo es comrobar el efecto de las ventosas en la
5 instalación. La razón es que las ventosas son disositivos que ueden introducir en el sistema icos de resión imortantes en el momento del cierre. Y, si se eligen las ventosas mediante las reglas rácticas que hemos indicado, no hay ninguna garantía de que tales icos de resión no se roduzcan. 4 Simulación del comortamiento de las ventosas mediante el rograma ALLIEVI El comortamiento de las ventosas en una instalación durante el funcionamiento en régimen transitorio se uede simular mediante el rograma ALLIEVI. Este rograma es un aquete informático, desarrollado en el ITA de la Universidad Politécnica de Valencia, cuyo objetivo es simular el régimen transitorio en un sistema hidráulico a resión. Este rograma alica el método de las características a lo largo de las conducciones, junto con adecuadas condiciones de contorno en los nudos donde se unen los diferentes elementos del sistema. De esta manera se ueden simular los efectos transitorios tanto en tubería simle como en redes malladas o ramificadas, las cuales ueden incluir entre sus comonentes deósitos, estaciones de bombeo, turbinas, válvulas, descargas a la atmósfera, y sistemas de rotección tales como calderines, chimeneas de equilibrio, tanques unidireccionales, ventosas, etc. El modelo de cálculo utilizado ara simular el transitorio hidráulico no admite que el aire que entra a través de las ventosas circule or el interior de la conducción, sino que lo suone como acumulado junto a la ventosa or la que ha entrado, desde donde saldrá cuando la resión en este unto sea suerior a la atmosférica. De esta manera se suone que la tubería está siemre llena de agua. Esta es una ráctica habitual en este tio de rogramas, ante la dificultad rácticamente insalvable de conocer con exactitud la osición real de las bolsas de aire, y si ocuan toda o sólo la arte suerior de la sección transversal de la conducción. En la figura 6 se indica el esquema de una de las ventosas acoladas a la conducción. Si admitimos que el aire en el interior de la conducción evoluciona de manera isoterma, las exresiones que definen el volumen de aire junto a la ventosa en el instante de cálculo n + serán las siguientes (Wylie y Streeter, 982): Q = f ( Z H ) si H < Z Qatm = f s ( H Z ) si H Z ; () atm e n n ( QN + QN QM QM ) 2 n t = + (2) * n * n * n t ( H Z + atm ) = ( H Z + atm ) + atm ( Qatm + Qatm ) 2 (3) siendo: f e = Curva característica de la ventosa ara el flujo de entrada f s = Curva característica de la ventosa ara el flujo de salida P atm = Presión atmosférica en valor absoluto = Volumen de aire junto a la ventosa, a la resión interior de la conducción Q atm C+ C- Q M V Q N H M = H N = H M Z N Figura 6 ara la simulación del transitorio hidráulico
6 Para el cálculo del transitorio en el instante n +, las exresiones () a (3) se resuelven simultáneamente con las ecuaciones C+ y C- alicadas resectivamente a las secciones M y N, las cuales rovienen de alicar el método de las características. En el caso de bombeo desde ozo, el aire admitido or la ventosa tras la arada de la bomba ocua la arte suerior del tramo vertical de tubería entre la bomba y la válvula de retención, figura 7, y ello uede ser tenido en cuenta or el modelo de cálculo utilizado. De esta manera, el rograma ALLIEVI evalúa en cada aso de tiemo la longitud de tubería del interior del ozo que ocua el volumen de aire, así como la longitud de la columna de agua en el interior de esta tubería. En la arada de la bomba la longitud de la columna de agua irá disminuyendo hasta anularse, a la vez que el volumen de aire aumenta or efecto de la admisión a través de la ventosa. Por otra arte, en el arranque de la bomba la columna de agua va aumentando de longitud or efecto del bombeo, lo que hace disminuir el volumen de aire conforme éste va siendo exulsando or la ventosa. Exulsión en arranque Llenado en arranque V Admisión en arada Válvula de retención cerrada Vaciado en arada Figura 7 Funcionamiento de la ventosa en arranque o arada de bomba de ozo En el caso del arranque de la bomba de ozo la válvula de retención se abrirá en el momento en que la resión de aguas arriba suere la de aguas abajo, y ello se uede roducir bien tras el cierre de la ventosa or la sobreresión originada or el corresondiente gole de ariete, o bien antes de finalizar la exulsión del aire en caso de que la resión de exulsión llegue a suerar la resión de aguas abajo. En esta última situación el aire que aún quede or exulsar escaará hacia el sistema a través de la válvula de retención abierta, udiendo quedar atraado en algún unto singular de la instalación o ser exulsado or el urgador de otra u otras ventosas. Sin embargo en este caso el rograma ALLIEVI asume que desués de abrirse la válvula de retención, si queda aire or exulsar éste ermanecerá junto a la ventosa y terminará siendo exulsado a través de la misma, sin ermitírsele escaara hacia la instalación. Y ello or la dificultad que entraña el seguir mediante cálculos el movimiento de las bolsas de aire or el interior del sistema, lo cual resulta imosible en la mayor arte de los casos. 5 Caso de estudio Como alicación de los concetos vistos hasta ahora vamos a resentar el caso de la uesta en marcha de una estación de bombeo dotada de 4 + gruos verticales multicelulares en aralelo, con la bomba sumergida y el motor elevado a la altura del iso de la estación de bombeo. Este es un caso semejante al de la instalación de bombas de ozo, ues ara cada gruo la válvula de retención se encuentra a la altura del iso de la estación de bombeo, estando el nivel del agua en el deósito de asiración varios metros or debajo de la válvula de retención. Para este caso los datos de artida son: - Punto de funcionamiento nominal or gruo: Q b = 2 m 3 /s, H b = 36 m, η b = 87 6 %, P acc = kw - Sistema de rotección constituido or tres calderines de vejiga conectados al colector de imulsión de la estación de bombeo. El volumen total de cada calderín es de 35 m 3, siendo el volumen de gas en condiciones de régimen de 2 26 m 3 - El resto de datos de la imulsión aarecen en la figura 8
7 Vertido suerior m 654 m Deósito imulsión Tubería imulsión DN =.8 mm L = m or gruo 3 Calderines de 35 m m Deósito Válv. Ret. asiración or gruo 37 m 5 Gruos Columna vertical or gruo aralelo DN = 6 mm, L = m m Figura 8 Datos de la imulsión ara el caso de estudio Para esta imulsión el fabricante de las bombas recomienda la instalación de una ventosa de DN 5 mm aguas arriba de la válvula de retención de cada gruo. Las tuberías son de acero helicosoldado, y uno de los condicionantes de diseño es que las tuberías que constituyen la columna vertical de cada gruo, el colector de imulsión, y al menos la rimera arte de la tubería de imulsión, son de PN 4. Por ello se trata de determinar si la resión máxima que se alcanza en la columna vertical or efecto del cierre de las ventosas suera o no la resión de 4 bar, límite máximo de resión de trabajo en la arte de la instalación aguas abajo de los gruos. Se ha simulado el transitorio originado or el arranque sucesivo de los cuatro gruos rinciales mediante el rograma ALLIEVI. Los gruos arrancan a intervalos de 3 s, con un arranque lineal de cada uno de ellos de duración 2 5 s. El incremento de tiemo utilizado es de s, con un tiemo de cálculo de 2 s. Para el funcionamiento de las ventosas de DN 5 mm se han considerado las curvas características indicadas en la figura 5-a. En la figura 9 se resentan gráficamente los resultados de la simulación ara el arranque del gruo. Se uede ver que la válvula de retención de este gruo abre en el instante 2 24 s, mientras que la ventosa cierra en el instante 2 34 s. Ello indica que al abrirse la válvula de retención aún queda aire junto a la ventosa, arte del cual uede asar a la tubería de imulsión. Además, el caudal máximo de aire exulsado en condiciones atmosféricas es de 2 42 m 3 /s, siendo la resión máxima junto a la ventosa de 45 5 mca. En la figura se resenta la evolución de las resiones en cada una de las ventosas or el arranque sucesivo de los gruos. Vemos que las resiones máximas en las ventosas son similares entre sí, con un valor máximo de 488 mca = 47 9 bar junto a la ventosa del gruo 3. Estas resiones máximas se roducen en el momento del cierre de la corresondiente ventosa, y son mayores que la resión máxima de trabajo del material de las tuberías (PN 4). Por otra arte si tenemos en cuenta que, cuando se exulsa el caudal máximo atmosférico or la rimera ventosa (2 42 m 3 /s), la resión interior es de 44 mca (figuras 9-c y 9-d), la velocidad de exulsión del aire será de 45 m/s si admitimos una evolución isoterma. Este valor es bastante mayor que el límite de 4 m/s recomendado, or lo que se resume el cierre cinético de las ventosas antes de finalizar la exulsión.
8 Longitud (m) Aertura relativa (%) cierra en t = 2 34 s 4 2 Válvula de retención abre en t = 2 24 s a) Longitud columna de aire b) Aertura válvula de retención Caudal exulsado (m3/s) Qmáx = 2 42 m3/s Pmax = 45 5 mca cierra en t = 2 34 s c) Caudal aire exulsado or ventosa d) Presión interior en ventosa Figura 9 Resultados del transitorio or arranque del gruo. Caso de estudio 5 4 Pmax = 45 5 mca 5 4 Pmax = mca a) Presión en ventosa gruo b) Presión en ventosa gruo Pmax = 488 mca 5 4 Pmax = mca c) Presión en ventosa gruo 3 d) Presión en ventosa gruo 4 Figura Presiones en ventosas or arranque sucesivo de los gruos. Caso de estudio
9 Se concluye con ello que la instalación de las ventosas de DN 5 mm no es una solución adecuada ara la exulsión del aire de la columnas verticales en el arranque de las bombas del caso de estudio. Con ventosas de mayor diámetro se odría exulsar mayor caudal de aire con menor resión interior, ero ello rovocaría mayor sobreresión or gole de ariete en el cierre de las ventosas. Y con ventosas de menor diámetro se exulsaría menor caudal de aire y quedaría mayor volumen de aire en la columna cuando se abra la válvula de retención, asando mayor cantidad a la tubería de imulsión. Y todo ello sin contar con un osible cierre cinético a velocidades de exulsión elevadas. Por estos motivos, la solución rouesta fue instalar una bomba de vacío ara extraer el aire de las columnas verticales reviamente a la uesta en marcha de los gruos. Las ventosas ermitirán la entrada de aire a las columnas verticales tras la arada de las bombas. Pero reviamente al arranque las ventosas se desconectan de la instalación y será la bomba de vacío la encargada de extraer el aire. Una vez los gruos en marcha se conectan de nuevo las ventosas ara ermitir la entrada de aire en la siguiente arada de gruos. 6 Conclusiones En los bombeos desde ozo, en los cuales la válvula de retención se instala a la salida de dicho ozo, una ventosa aguas arriba de la válvula de retención ermite la entrada de aire a la columna vertical tras la arada del gruo. De esta manera se evita que dicha columna vertical entre en deresión, e incluso que se roduzca searación de la columna líquida con resiones cercanas al cero absoluto entre el líquido y la válvula de retención cerrada. En estos casos, al oner en marcha el gruo, el aire de la columna vertical se exulsa or la ventosa cerrándose ésta al final de la exulsión y abriéndose osteriormente la válvula de retención ara establecer el flujo or la tubería de imulsión. Esta situación uede dar origen a icos de resión elevados al cerrarse la ventosa, los cuales ueden suerar la resión máxima de trabajo del tramo de tubería aguas arriba de la válvula de retención. A su vez, la válvula de retención odría abrirse antes de finalizar la exulsión del aire, bien or la roia resión de exulsión o bien or el cierre cinético de la ventosa, lo cual ermitiría el aso del aire remanente hacia la tubería de imulsión. Esos roblemas aconsejan simular el comortamiento de la ventosa antes de instalarla, con objeto de comrobar su funcionamiento en el arranque del gruo, y acetarla o sustituirla or otro sistema de rotección según los resultados que se obtengan. En un caso de estudio se resentan los resultados de la simulación del arranque de una estación de bombeo dotada de gruos verticales en disosición similar al caso de bombeo desde ozo. En este caso la instalación de ventosas como sistema de extracción del aire de las columnas verticales fue desaconsejada ya que de los resultados de la simulación se deduce que se ueden resentar los tres tios de roblemas auntados: exceso de resión or cierre de la ventosa, aertura de la válvula de retención antes de terminar la exulsión, y osible cierre cinético or exceso de velocidad de exulsión. En su lugar se aconsejó la instalación de una bomba de vacío ara la extracción del aire de las columnas verticales, reviamente a la uesta en marcha de los gruos. 7 Bibliografía Cambell, A. (983). The effect of air valves on surge in ielines. Proceedings of the 4 th International Conference on Pressure Surges. Bath (UK). Esert, V.B.; García-Serra, J.; Koelle, E. (28). The use of air valves as rotection devices in ressure hydraulic transients. Proceedings of the th International Conference on Pressure Surges. Edinburgh (UK). Koelle, E. (24). An Overview of the Methods for Transient Control and of the Effectiveness of the Protection Equiment and Device Secifications: Cases and Accidents. Published in The Practical Alication of Surge Analysis for Design and Oeration. 9 th International Conference on Pressure Surges. Volume. I (Murray, S.J., Ed.), BHR Grou Limited, Bedfordshire (UK) Wylie, E.B.; Streeter, V.L. (982). Fluid Transients. FEB Press, Ann Arbor (Michigan).
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