Ventajas del impulsor S-TUBE para superar los desafíos asociados a las aguas residuales

Ventajas del impulsor S-tube® para superar los desafíos asociados a las aguas residuales

Autor: Justyn Barnes

Sinopsis

En la actualidad, a la hora de planificar un sistema de aguas residuales deben tenerse en cuenta tanto el precio del agua, cada vez mayor, como los nuevos factores medioambientales y políticos. En este artículo, descubrirá cómo puede ayudarle el impulsor S-tube® de Grundfos a superar diversos desafíos gracias a su innovador diseño.
El impulsor S-tube® de Grundfos está diseñado para bombear un volumen mayor de una amplia variedad de aguas residuales a larga distancia, consumiendo menos energía y con menos líquido de transporte (mayor concentración de materia seca).
En realidad, los fundamentos en los que se basa el revolucionario impulsor S-tube®, lanzado al mercado por Grundfos en 2012, llevan décadas sobre las mesas de los diseñadores de bombas. Lo que sucede es que, durante muchos años, ningún fabricante de bombas de aguas residuales consiguió que el diseño del impulsor funcionara correctamente. El volumen y la variedad de las aguas residuales que había que transportar eran relativamente escasos; por tanto, las empresas de servicios públicos apenas prestaban atención a detalles como el consumo de agua y energía.
Sin embargo, a lo largo de las dos últimas décadas se han combinado una serie de factores que han hecho que el diseño del impulsor S-tube® adquiera relevancia. Entre ellos se incluyen la mayor concienciación medioambiental, las nuevas leyes y directivas de los gobiernos y el aumento del precio del agua, la energía y el transporte de residuos.

1. Desafíos actuales para las empresas de servicios públicos

Los principales desafíos a los que se enfrentan en la actualidad las empresas de servicios públicos están interrelacionados y pueden resumirse de la manera siguiente:

Aumento del precio del agua y la energía, y mecanismos públicos de control cada vez más estrictos (por ejemplo, impuestos ecológicos sobre el agua y la energía que deben asumir los consumidores).
Reducción del consumo de agua y energía.
Reducción de la mezcla de líquidos distintos en las aguas residuales actuales.

Un motivo fundamental para que las empresas de servicios públicos cambien su estrategia de gestión de aguas residuales es el precio del agua, cada vez mayor (véase la figura 1). Esto ha provocado que los consumidores reduzcan su consumo, lo que ha alterado la composición de las aguas residuales, que ahora contienen una mayor cantidad de materia sólida seca.
Los reglamentos, las normas y las directivas de los distintos gobiernos han añadido nuevos niveles de complejidad. Por ejemplo, la cláusula cinco de la norma europea EN 752-6:2008 sobre instalaciones de bombeo establece que estas deben planificarse y diseñarse teniendo en cuenta factores como el consumo de energía, los requisitos de funcionamiento y mantenimiento, y el impacto medioambiental.
Además de los controles más estrictos sobre el consumo, el coste de la energía ha hecho que crezca el interés por encontrar métodos más eficientes para transportar las aguas residuales. Además, las innovaciones dirigidas al ahorro de agua han creado nuevos problemas. Por ejemplo, los inodoros son más eficientes y utilizan menos volumen de agua, lo que incrementa el riesgo de que se produzcan obstrucciones en las tuberías. Las bombas convencionales de aguas residuales incrementan ese riesgo (en lugar de eliminarlo) debido a los siguientes problemas de diseño:

Salientes en los que los residuos pueden quedan atrapados con facilidad.
Codos en las tuberías.
Mecanismos de corte.
Menor paso libre.

El transporte de aguas residuales presenta dos desafíos importantes a escala internacional, explica Maurice Martaud, ingeniero del servicio de asistencia técnica de Lyonnaise des Eaux, una importante empresa de aguas francesa que forma parte del grupo Suez Environnement. El primer desafío está relacionado con el cambio del comportamiento social de los consumidores. Por una parte, esto ha favorecido la instalación de sistemas que minimizan el consumo de agua; pero, por otra parte, ha hecho que aumente la concentración de materiales fibrosos que llega a los sistemas de recogida. Estos cambios suponen un reto para los sistemas hidráulicos de las bombas de aguas residuales y para las tuberías, ya que las corrientes de aguas residuales tienen una mayor concentración de sólidos y resultan más espesas y difíciles de transportar. Y el segundo desafío está relacionado con la creciente necesidad de monitorizar los sistemas de recogida para evitar la obstrucción de los sistemas de alcantarillado que funcionan por gravedad, las bombas y las tuberías de presión, afirma. Las obstrucciones provocadas por la mezcla de grasas, sedimentos y residuos de gran tamaño es un problema cada vez mayor que consume una buena parte de los recursos de nuestro servicio. Por tanto, debemos ser capaces de detectar las tendencias que indiquen posibles obstrucciones y anticiparnos a ellas siempre que podamos.

2. Diferentes impulsores, diferentes problemas

La respuesta del sector a estos cambios y presiones ha sido una tendencia general hacia el uso de sistemas centralizados de gestión de residuos, siempre que sea posible. El uso de sistemas de bombeo de velocidad variable también se ha convertido en una solución habitual para ahorrar energía; sin embargo, la reducción del caudal conlleva un mayor riesgo de obstrucción de los sistemas, lo que afecta tanto a su eficiencia como a su vida útil.
En conjunto, esto genera un problema complejo para los diseñadores de bombas de aguas residuales: es necesario transportar más residuos que nunca, a mayores distancias, con un consumo menor de agua y energía, y con sistemas con unas necesidades de mantenimiento escasas o nulas tras su instalación.
A lo largo de los años se han desarrollado diversos tipos de impulsores de aguas residuales con el objetivo de mejorar la fiabilidad y la eficiencia hidráulica (impulsores vórtex, semiabiertos o cerrados, así como soluciones híbridas).
También se ha pedido a los clientes que compren costosos módulos complementarios, señala Mikael Nedergaard, jefe global de producto de Grundfos. Estos módulos permiten conducir o tratar las aguas residuales, o bien triturar los sólidos que contienen, pero no ofrecen mejoras sensibles de la fiabilidad a largo plazo.

3. Impulsor S-tube®: todo son ventajas

La norma EN 752-6:2008 identifica la optimización de la eficiencia y la capacidad de permitir el paso de sólidos sin que eso provoque obstrucciones como atributos esenciales de una bomba. Sin embargo, según Mikael Nedergaard, a menudo se ha hecho creer a los clientes que ambas cosas eran incompatibles. El impulsor S-tube®, que va integrado en las bombas de aguas residuales de Grundfos, echa por tierra ese mito y ofrece una eficiencia hidráulica excepcional y un paso libre que evita obstrucciones en la bomba.
La principal ventaja del excelente diseño del impulsor S-tube®, en comparación con los impulsores con salientes, es que no hay ningún punto en el que los residuos puedan quedar enganchados y provocar obstrucciones, explica Flemming Lykholt-Ustrup, jefe global de mecánica de fluidos aplicada a las bombas residuales de Grundfos. Las características especiales de las placas delantera y trasera del impulsor cerrado S-tube® también optimizan el caudal de fuga en las cavidades entre el impulsor giratorio y la carcasa fija de la bomba.
El diámetro interior del impulsor S-tube® no sufre alteraciones y es uniforme (véase la figura 2), lo que reduce las posibilidades de obstrucción, incluso con volúmenes relativamente bajos de líquido de transporte como los que tienen las aguas residuales hoy en día.
La consiguiente mejora de la eficiencia hidráulica reduce los costes energéticos para el usuario final, señala Flemming Lykholt-Ustrup. Además, la ausencia de salientes tiene la ventaja de que reduce notablemente el NPSH de la bomba centrífuga, que es el punto del sistema hidráulico más sensible a la cavitación.

4. Estrategia integral

La investigación publicada en el libro Pump Life Cycle Costs: A Guide to LCC Analysis for Pumping Systems por las asociaciones Europump e Hydraulic Institute demuestra que el precio de compra de una bomba en raras ocasiones representa más del 5 % del coste total asociado a su ciclo de vida. El consumo de energía es con diferencia el factor más importante, con un 85 % del coste total, mientras que los costes de mantenimiento es probable que estén en torno al 10 %.
Por tanto, es comprensible que algunos de los líderes del mercado hayan aceptado que es necesario adoptar una estrategia integral para optimizar los sistemas de bombeo. El modus operandi de Grundfos se basa en la filosofía de sus soluciones inteligentes iSolutions, que contempla el ciclo de vida completo de una bomba, desde las etapas de diseño y desarrollo hasta su fabricación, instalación, mantenimiento, eliminación y reciclaje.
La participación del cliente final durante la etapa de desarrollo del producto garantiza que las soluciones finales satisfagan sus demandas, explica. Sin embargo, tal como añade, este no es el único factor impulsor de las mejoras de diseño. Por ejemplo, un problema al que los clientes no suelen conceder mucha importancia es la gestión del aire (véase la figura 3). Es importante garantizar que las bombas sean capaces de admitir la presencia de una determinada cantidad de aire en el líquido. Los ingenieros de Grundfos llevaron a cabo exhaustivas investigaciones mediante dinámica de fluidos computacional (CFD, por sus siglas en inglés) para optimizar las zonas críticas de acumulación de aire, para minimizar la reducción del caudal en el impulsor S-tube® cuando se trabaja con medios que contengan aire u otros gases.

5. Resumen

Los sistemas actuales de gestión de aguas residuales deben ser capaces de bombear un volumen mayor de una amplia variedad de aguas residuales a larga distancia, consumiendo menos energía y con menos líquido de transporte (mayor concentración de materia seca). Esto requiere disponer de una bomba centrífuga que no exija elegir entre evitar posibles obstrucciones u obtener una elevada eficiencia hidráulica, y que ofrezca una vida útil extensa con unas necesidades mínimas de mantenimiento. El clásico diseño tubular, refinado por los hábiles ingenieros del siglo XXI gracias a la información aportada por los usuarios finales, está demostrando ser la solución general más eficaz.
Grundfos es el mayor fabricante de bombas a nivel internacional, y cuenta con unos 17.000 empleados en todo el mundo. La producción anual de la empresa, que supera los 16 millones de bombas, bombas circuladoras, bombas sumergibles y bombas centrífugas, representa alrededor del 50 % del mercado mundial de este tipo de bombas y sistemas de bombeo. Grundfos, con sede en Dinamarca, también fabrica motores eléctricos para bombas, así como un gran número de motores eléctricos que se comercializan por separado. Además, Grundfos desarrolla componentes electrónicos de última generación para controladores, bombas y otros sistemas. Para obtener más información, visite grundfos.com.

Figura 1:
El aumento de los costes totales asociados a las aguas residuales ha sido un factor importante que ha obligado a las empresas de servicios públicos de todo el mundo a replantearse su estrategia de gestión de aguas residuales*. Conversión en euros según los tipos de cambio vigentes el 14 de abril de 2014. Fuente: estudio Water Tariff Survey de GWI (edición de 2013).

Figura 2:
Esta imagen muestra cómo actúa la presión sobre la superficie de un impulsor hidráulico S-tube® estándar (sin material añadido) y lo expresa mediante un código de colores. El color azul se corresponde con la presión mínima y, a medida que la presión va aumentando, el color pasa a ser verde, después amarillo y, por último, rojo (la presión máxima, que se produce cuando el líquido sale del impulsor). La presión acumulada indica una eficiencia prometedora, así como la ausencia de reflujo que pueda dar lugar a la acumulación de sólidos. En el punto marcado (aquel en el que la tubería está más acodada), sigue siendo casi imposible que los sólidos se queden atascados en el impulsor S-tube®, ya que el diseño del impulsor no presenta salientes.

Figura 3:
En esta simulación multifase mediante CFD, los dos impulsores tienen un tamaño similar; sin embargo, presentan ligeras diferencias geométricas (del orden de unos pocos milímetros). El caudal de líquido es idéntico para ambos impulsores, con un aporte continuo de un 8 % de aire. Las zonas con círculos muestran la acumulación de burbujas de aire en cada uno de ellos, así como la forma en la que puede optimizarse la gestión del aire mediante un diseño específico.