4 causas de pérdidas en sistemas de bombeo de agua potable

Las pérdidas que se presentan en un sistema de bombeo deben corregirse con base en lo establecido por la "NOM-006-ENER-1995, Eficiencia energética electromecánica en sistemas de bombeo para pozo profundo en operación. Límites y método de prueba". En este sistema, las pérdidas que pueden presentarse son:

Pérdidas de carga

Ocasionadas por la velocidad del fluido y fricción. Es directamente proporcional a la velocidad del fluido en la tubería, así como de la rugosidad y longitud de la conducción, y la cantidad y tipo de accesorios que ésta contenga.



Pérdidas en la bomba

Provocadas por turbulencias, fricción y fugas de la bomba. Están en función del diseño de ésta, así como de las características de carga y capacidad de operación. Éstas suelen ser las mayores, de ahí la relevancia de una adecuada selección de la bomba para las condiciones de operación particulares de la red de agua potable.



Pérdidas en la distribución

Se derivan de la fricción en las paredes de la tubería y accesorios. Suelen ser pequeñas.



Pérdidas en el motor

Están constituidas por las pérdidas eléctricas, magnéticas y mecánicas inherentes al motor. Éstas pueden ser bajas en el caso de motores de alta eficiencia trabajando a un buen factor de carga; y muy altas en el caso de motores de eficiencia estándar mal reparados, trabajando a un bajo factor de carga.

Ver también: 7 consejos para la instalación de un sistema de bombeo

En un diagrama de Sanky, se puede apreciar claramente que las mayores pérdidas se presentan en el sistema motobomba y en la distribución de agua, a través de la red. En el siguiente ejemplo, el caso se ilustra con los datos de un sistema particular de bombeo de agua potable, desde la fuente de suministro eléctrico hasta la red de distribución de agua a los hogares.

Esta situación, en general, abre un nicho de oportunidad para desarrollar y aplicar tecnologías eficientes en los sistemas de bombeo municipal, para proveer de agua potable a sus poblaciones, así como para reducir el consumo de energía eléctrica y evitar el desperdicio del vital líquido.

1. La energía eléctrica se transforma en energía mecánica en el motor, y ésta entra a la bomba para ser transferida al agua como una combinación de energía potencial y cinética, necesaria para vencer la altura y fricción de la red de distribución de agua potable.
   
   



2. La eficiencia electromecánica de un sistema compuesto por motor–bomba, se determina con la ecuación:
   
   
   
   
   
3. La potencia (Potencia de salida Ps) que se inyecta al agua, en un sistema de bombeo, se puede determinar con la ecuación:
   
   
   PS=qv ρgH
   
   
   Donde:
   
   qv representa el flujo volumétrico en m³/s
   ρ se refiere a la densidad del agua bombeada, en kg/m³
   g es la aceleración de la gravedad, en m/s²
   H es la carga total bombeada, en m
   
   
4. En términos más simples, resulta que a mayor profundidad de donde se extrae el agua, se requiere de mayor cantidad de energía y, de forma simultánea, a mayor cantidad de agua; mayor cantidad de energía.
   
   
5. La energía que entra al sistema (Pe) queda representada por la energía eléctrica con la ecuación:
   
   
   Pe=√3 VIFP
   
   Donde:
   
   V es tensión eléctrica, en voltios
   I es corriente eléctrica, en amperios
   FP es Factor de Potencia, adimensional

El siguiente video nos muestra las ventajas del cumplimiento de la eficiencia energética en los sistemas de bombeo:

Bombeo eficiente del agua potable

En México existen 2,436 municipios que demandan 328 mil 242 litros por segundo, para cubrir una población de 109 millones 666 mil 317 habitantes, con un consumo energético de tres millones 771 mil 508 MWh/año, de acuerdo a cifras de la Comisión Nacional del Agua (Conagua), lo que permite establecer la Línea Base Energética, con el indicador de 0.3634 kWh/m3 y 258.6 litros al día por habitante.

En estudios realizados por la Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía (Conuee), se estima que sólo con el uso de motor-bombas eficientes, se puede alcanzar un ahorro de 18% en el consumo de electricidad. Además, de 5% en el sistema de control de la demanda y 13% con la optimización de la operación hidráulica, que en suma llegaría a un 36%.

Cabe mencionar que si al menos se lograra 18%, a través del reemplazo del motor-bomba, eso equivale a un ahorro de 677 GWh/año, además del positivo impacto ambiental, al reducir la emisión de CO2 a la atmósfera, así como la preservación de los recursos acuíferos y energéticos.

¿Cómo hacerlo? Para mejorar la eficiencia de un sistema de extracción y distribución de agua potable, se debe considerar que la cantidad del vital líquido y la energía están estrechamente relacionadas: la energía está presente para extraer el agua del manto acuífero, en su distribución y potabilización.

Ver también: Uso eficiente de la energía en la vivienda por Bioclima

Cada litro de agua que atraviesa la red representa un costo por concepto de energía. Las pérdidas de agua, a través de fugas y desperdicio, afectan directamente la cantidad de energía consumida para su distribución. En general, a mayor desperdicio de agua mayor desperdicio de energía y, por ende, mayor costo de operación. De aquí la importancia de eliminar el desperdicio y reducir el consumo de agua, para lograr un uso eficiente y racional de los recursos acuíferos y energéticos del país.

Las acciones para ahorrar agua y energía se pueden potencializar cuando se ejecutan en forma integral. Por ejemplo, un programa de reducción de fugas puede ahorrar agua y, a la vez, reducir las pérdidas de presión, lo que tiene como resultado ahorros de energía, debido a una menor demanda en el bombeo.

Por otra parte, cambiar una bomba por otra más eficiente, también ahorra energía. Y si se trabajan las dos actividades de manera conjunta, a través de un programa integral de ahorro (agua y energía) -como puede ser la reducción de pérdidas de presión por fugas- esto hace posible que se adquiera una bomba más pequeña, sin afectar el suministro de agua, pero sí con un menor costo operativo.

Al entender la estrecha relación existente entre el agua y la energía, dentro de un sistema de agua potable, los organismos operadores de servicios de agua potable tienen la posibilidad de adaptar sus políticas y prácticas para optimizar sus recursos.

Vale decir que al realizar el trabajo de bombeo no sólo se consume la energía que se le transfiere al fluido, sino que en el proceso se generan pérdidas, que incrementan los requerimientos de energía primaria. En un sistema de bombeo eficiente, las pérdidas electromecánicas oscilan entre 25% y 35%.

Actualmente existen sistemas de bombeo con pérdidas superiores a 60% y hasta 85%, que revela lo incosteable y urgente que resulta reemplazar los equipos.

7 consejos para la instalación de un sistema de bombeo

Un sistema de bombeo nos permite garantizar el suministro ininterrumpido de agua potable a una presión constante en una vivienda, ya que el servicio que nos ofrece la red puede tener variaciones de presión e incluso interrupciones.

Amigos electricistas, en esta ocasión hablaremos de la instalación de un sistema de bombeo de agua potable, ya que en el desempeño de este noble oficio es muy probable que requieran nuestros servicios para este tipo de proyectos, por lo que es conveniente tener por lo menos las nociones teórico-prácticas más elementales que, a través del presente artículo, esperamos transmitirles.

Por cuestiones de espacio hablaremos del sistema más convencional, que consta de una cisterna o depósito de agua ubicado regularmente bajo el nivel del piso; una o más bombas de agua (regularmente del tipo centrífuga); un sistema de control; y uno o varios tanques elevados a los que es necesario bombear el agua desde la cisterna.

La cisterna se abastece de agua del suministro de la red municipal, y para evitar que se sobrepase su nivel superior, y se derrame, siempre se instala una válvula de flotador. Las cisternas generalmente son depósitos de concreto, pero en la actualidad existen tanques de plástico para este uso.

El siguiente video nos muestra la forma de instalar una bomba de agua:

A continuación te presentamos 7 consejos para la instalación de un sistema de bombeo:

1. La cisterna debe ser de por lo menos el doble de capacidad del o los tanques elevados. Por ejemplo, si se cuenta con un tanque elevado de 750 litros, la cisterna debe ser de por lo menos 1500 litros o mayor. Un criterio muy ampliamente aceptado es el de calcular la capacidad del tanque elevado considerando por lo menos un gasto de 60 litros por usuario y por día, de tal manera que si se trata de una casa con 10 habitantes, se requieren por lo menos 600 litros, debiéndose instalar un tanque elevado de 750 litros, que es la capacidad inmediata superior existente en el mercado. En caso de que se trate de un lugar donde escasea el agua, se debe considerar una cisterna de mayor capacidad para resistir el tiempo en que se interrumpe el suministro de la red municipal.
   
   
2. Si se colocan 2 o más tanques elevados y están intercomunicados a través de la tubería, deberá considerarse que dichos tanques se coloquen al mismo nivel, ya que si uno de ellos se coloca a menor altura que el o los otros, se llenará antes de agua y se derramará y los demás tanques situados a mayor altura nunca se llenarán, con el consecuente desperdicio del vital líquido y mal funcionamiento del sistema.
   
   
   Ver también: Bombeo eficiente del agua potable
   
   
3. Se recomienda colocar el tanque elevado entre el mueble sanitario más alto, que generalmente es la regadera, y el nivel más bajo del tanque elevado (debe haber un desnivel de por lo menos 1.60 metros). Sin embargo, si el diámetro de la tubería es de menos de ¾” y si se cuenta con calentadores de paso, se requiere mayor presión, por lo que se recomienda que la altura antes mencionada sea de 3 metros o mayor. Además la tubería debe contar con un jarro de aire (tubo que se coloca en la columna o bajada de agua y que debe tener una altura igual o mayor a la del tanque), para que en caso de existir aire en la tubería, tenga salida y no cause problemas.
   
   

   

   El sistema de bombeo más convencional consta de una cisterna o depósito de agua ubicado generalmente bajo el nivel del piso, una bomba de agua, un sistema de control y un tanque elevado al que es necesario bombear el agua desde la cisterna.

   
   
4. La bomba debe instalarse lo más cerca posible de la cisterna, ya que si está muy alejada, se forzará y disminuirá la cantidad de litros por minuto de bombeo. Además tiene que protegerse de la intemperie, de lo contrario se reducirá su vida útil y tendrá más probabilidades de falla.
   
   
5. Hay que poner especial cuidado con la hermeticidad de las tuberías (que no haya fugas), principalmente en el tramo de tubo de la cisterna a la bomba, porque si se presenta alguna fuga en este tramo, al existir presión negativa (de succión), no se notará que sale agua, pero entrará aire al tubo y en algún momento se interrumpirá el flujo del vital líquido aunque la bomba esté trabajando.
   
   
6. La tubería de succión y de descarga de la bomba debe tener la menor cantidad de codos de 90°, de ser posible utilice codos de 45° para reducir la caída de presión (dos codos de 45° afectan menos que uno de 90°).
   
   
7. El sistema de control de bombeo puede ser con interruptores eléctricos de flotador, que van colocados uno en la cisterna y otro en el tanque elevado; pero en la actualidad el sistema más utilizado y que garantiza mejor desempeño es el de electroniveles, además de requerir menor mantenimiento.
   
   

Selecciona la bomba adecuada

En cuanto a la bomba, al seleccionarla hay que considerar que sea de alta eficiencia y cuente con el sello del FIDE. Además, debe tener la potencia adecuada, ya que si elegimos una bomba demasiado pequeña, trabajará en periodos muy prolongados de tiempo, sobrecargándose y reduciendo su vida útil, mientras que si seleccionamos una bomba demasiado grande, sus tiempos de funcionamiento serán cortos, pero su costo y operación será alto por su mayor consumo.

Para este caso particular y considerando las condiciones de la ciudad de México, la altura y la cantidad de agua, se propone una bomba monofásica de ¾ HP y como máximo podría ser de 1 HP de potencia. Se recomienda utilizar tuberías de ¾” o en su defecto de ½”; no es recomendable utilizar tubería de menor diámetro.

Una vez abastecidos los tanques elevados, el suministro de agua a los diferentes muebles sanitarios de la casa habitación o viviendas se logra por la acción de la gravedad.

4 formas de controlar una bomba de agua

1. Control por interruptor manual
El control más elemental para un sistema de bombeo consiste en simplemente arrancar o parar el funcionamiento de una bomba de agua mediante un interruptor (ya sea de seguridad o bien electromagnético), que es la opción más económica, pero tiene las siguientes desventajas: el usuario debe estar al pendiente de los niveles, tanto del tanque elevado como de la cisterna, ya que puede quedarse sin agua en el momento menos pensado o, por el contrario, puede derramarse el agua del tinaco por no parar la bomba a tiempo, en el peor de los casos, puede vaciarse la cisterna y quemarse el motor por trabajar en vacío.

2. Control por flotador de varilla
El siguiente sistema de control, ampliamente utilizado, consiste en la utilización de dos interruptores de flotador, colocados uno en el tanque elevado y el otro en la cisterna. Van conectados en serie con la alimentación de la motobomba, lo que garantiza una operación automática a un precio accesible, pero presenta algunos inconvenientes como: los flotadores están colocados en unas varillas de acero o aluminio sobre las que se desplazan para operar un juego de platinos, sin embargo, con el paso del tiempo se van acumulando incrustaciones de sales minerales en dichas varillas, y obstruyen el funcionamiento adecuado de dichos interruptores, además, los platinos del interruptor del flotador tienden a flamearse y/o ensuciarse al estar expuestos a la intemperie y a la humedad, y llegan al extremo de fallar. Otro es que los conductores alimentadores de la bomba deben hacer un largo recorrido pasando por ambos interruptores (el de la cisterna y el del tinaco), lo cual tiene dos problemas, por un lado requiere conductores de gran longitud y gran sección transversal (con alto costo), lo que a su vez ocasiona la caída de tensión por la resistencia eléctrica del conductor (que se agrava en grandes longitudes). Por estos inconvenientes, este sistema, que llegó a ser muy popular, casi no se utiliza en los nuevos proyectos de vivienda.

3. Control por flotador "tipo pera"
En algunos casos se prefiere la utilización de flotadores herméticos conocidos como "italianos", o “tipo pera”, sobre todo cuando el líquido a bombear tiene gran cantidad de minerales o sólidos en suspensión, como es el caso de plantas potabilizadoras o de tratamiento de aguas residuales. Tanto en el caso de los interruptores de varilla como en los de "tipo pera" existe el riesgo de que los aislamientos de los conductores se dañen y pueda haber una conducción eléctrica por el agua, con el riesgo de descarga para los usuarios.

4. Control por electroniveles
Para el caso específico de bombeo de agua potable, la opción más recomendable y segura es la utilización de control de bombeo por electroniveles. Consiste en un controlador que interpreta las señales de unos electrodos (generalmente tres) colocados tanto en la cisterna como en el tanque elevado. Éstos tienen una pequeña señal de voltaje (inofensiva por no exceder 1.5 V) que viaja entre los electrodos a través del agua (gracias a los minerales disueltos), y cuya conducción se interpreta como nivel alto, mientras que cuando no hay conducción se interpreta como ausencia de agua
o nivel bajo.

El controlador monitorea continuamente el nivel de agua y para arrancar el motor de la bomba requiere 2 condiciones: que la cisterna tenga agua (continuidad en los electrodos) y que el tinaco esté vacío (circuito sin continuidad en los electrodos). Si alguna de las 2 condiciones cambia (es decir, si la cisterna está vacía o si el tanque elevado está lleno), la bomba de agua se detiene, de ésta manera se garantiza que la bomba nunca va a operar en vacío (sin agua) ni se derramará el agua en el tinaco, a menos que exista una falla (conductores rotos o en corto circuito). El controlador manda arrancar o para el motor mediante un relevador (interruptor) que alimenta al motor.
Cada marca de control por electroniveles tiene su diagrama de conexiones, y aunque existe gran similitud entre ellos, debemos conectarlos de acuerdo con el diagrama que proporcione el fabricante.
Un control por electroniveles consta de 3 partes: un cerebro o microcontrolador (que manda la señal de salida: arranque o paro del motor), un sistema de electrodos o sensores de nivel (generalmente 3 en el tinaco y 3 en la cisterna) y un relevador en serie con el motor de la bomba.
Estos controles tienen la flexibilidad de controlar bombas de agua directamente a 127 V o a 220 V, si se requiere mayor potencia, se puede utilizar un arrancador para motor trifásico (el control por electroniveles controla la bobina del contactor). Estos modelos generalmente cuentan con señalización de leds para indicar los niveles, así como el estado de la bomba (encendido/apagado).

Esta tecnología tiene la ventaja de que los conductores alimentadores no tienen que recorrer la cisterna ni el tinaco, por lo que la caída de tensión es mínima, los conductores de los electroniveles son muy delgados y económicos, no existe riesgo de descarga eléctrica en los tanques de agua, ya que el voltaje de los electrodos es inofensivo y, al no haber componentes mecánicos, no existe desgaste ni atascamiento de piezas; el mantenimiento se limita a limpieza de los electrodos una o dos veces al año, sólo en caso severo de corrosión es necesario reemplazarlos, pueden ser de forma de barril o de cilindro perforado, de aprox. 1/4" de diámetro por 1" de largo.
Un tip es estañar la unión entre los conductores y los electrodos al ser instalados, para evitar falsos contactos por la incrustación de salitre, y sellar la terminación del aislamiento en el extremo de los conductores que estarán en contacto con el agua, pues ésta penetra y paulatinamente oxida y oscurece a los conductores por dentro del aislamiento.
Si no se consiguen los reemplazos de los electrodos, se pueden utilizar tornillos o piezas pequeñas de acero inoxidable, debido a que los requisitos son peso y conductividad.
No olvides que antes de operar un sistema de bombeo por primera vez debe purgarse la tubería (llenar de agua, por lo menos desde la bomba hasta la cisterna).
La instalación de sistemas automáticos de control de bombeo por electroniveles es sencilla, de costo
aceptable y permite el ahorro de energía eléctrica. Los precios, dependiendo del tamaño del motor a controlar, pueden ir de los $450 a los $1000, aunque existen equipos más complejos para sistemas de bombeo con varios motores trifásicos, cuyo costo es muy superior.