Cómo seleccionar la bomba centrífuga correcta para cada aplicación

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Cómo seleccionar la bomba centrífuga correcta para cada aplicación

La selección de la bomba correcta para cada aplicación debe comenzar decidiendo las condiciones de operación que la bomba debe cumplir, y luego buscar entre los suministradores de bombas cuales están cerca de satisfacer la demanda. Pese a que las bombas son equipos comunes no se ha desarrollado una teoría que permita completar el diseño hidrodinámico de una bomba centrífuga, así que la información más útil que podemos usar.

Para definir claramente la capacidad y presión necesitamos que nuestros sistemas estén construidos con un tipo de gráfico llamado curva del sistema. Esta curva del sistema la proporciona el suministrador de la bomba e intentará acomplarla con una curva de bomba que satisfaga estas necesidades tanto como sea posible.

Para comenzar la construcción de la curva asumiremos que deseamos bombear un fluido de un punto "A" a un punto "A" a un punto "B". Para trabajar con eficiencia debemos tomar varias deciciones:

• Decidir la capacidad que necesitamos. Esto significa galones por minuto o metros cúbicos por hora.  Debemos también considerar si esta capacidad cambiará con la operación del proceso. Una bomba es un ejemplo de una aplicación que necesita una presión constante con capacidades variables parfa cumplir una demanda de vapor cambiante. La demanda de agua de la caldera es regulada abriendo o cerrando una válvula de control en el lado de descarga de la bomba con una línea de re-circulación retornando a una parte innecesaria, o al lado de succión de la bomba. Recordemos que si cambiamos la capacidad de una bomba centrífuga cambiará también la presión. Una bomba de desplazamiento positivo es diferente. Se obtiene una capacidad constante independientemente de la presión.

Bomba de desplazamiento positivo

• Para otras aplicaciones de bombeo, deberemos calcular cuánta presión necesitamos para transmitir diferentes capacidades a la localización donde se necesite. Necesitaremos bastante presión para:

• Alcanzar la máxima altura estática que el fluido tendrá que alcanzar.
• Además de la altura estática puede ser necesario superar la presión del recipiente donde se está descargando, es la llamada altura de presión.
• Superar la resistencia a la fricción en las tuberías, accesorios y válvulas o hardware que puede estar en el sistema. Como ejemplo: las boquillas de alta presión pueden ser difíciles, especialmente si se obstruye. Esta resistencia se llama altura de fricción.

• ¿Se necesita algún material para los componentes de las bombas?

• El fabricante de la bomba intentará elegir los componentes metálicos de las bombas que son químicamente compatibles con lo que se está bombeando a través de las tuberías. Si la temperatura del bombeo cambia también pueden cambiar las tasas de corrosión. Los materiales elegidos afectarán seriamente el inventario de repuestos.
• Si el producto que se está bombeando es explosivo, o con peligro de incendio, se seleccionarán materiales que no produzcan chispas para los componentes de las bombas. Estas decisiones no dependen de los fabricantes de la bomba, sino que tienen que ser determinadas por los ingenieros de planta.
• Los productos radiactivos o peligrosos dictarán materiales especiales.
• Los materiales alimenticios requieren materiales en la bomba y sellado de alta densidad que sean de fácil limpieza y esterilización.
• Si hay sólidos abrasivos en el bombeo, se necesitarán materiales con buenas capacidades de desgaste. Las superficies duras y los materiales químicos son a menudo incompatibles. Puede haber algún tipo de revestimiento en las partes húmedas de la bomba o seleccionar materiales dobles más caro.

• Ocasionalmente encontraremos aplicaciones donde el metal no sea comparable o práctico. Hay muchos materiales monómeros y polímeros, pero sus costes son generalmente más altos que los de las piezas metálicas comparables. Debemos estar seguros que si usamos un sello mecánico en una bomba no metálica, el sello no puede tener partes metálicas en contacto con el fluido.

Cálculos de presión

Para calcular una bomba centrífuga debemos fijarnos en la presión tanto en el lado de succión como de descarga. Para conseguir la altura total sustraeremos la altura de succión de la altura de descarga para aprender la altura que la bomba debe producir para satisfacer la aplicación. Es obvio en los cálculos, pero también debemos mencionar que, si la altura de succión es un número negativo, las alturas de succión y descarga se consideran en conjunto para calcular la altura total.

La altura total de una bomba raramente permanece estática. Hay numerosos factores que cambian la altura de la bomba mientras está operando.

Curva del sistema

Toda esta información se calcula de tuberías, válvulas, accesorios y gráficos de fricción. Estos datos se dibujan sobre una serie de coordenadas en la llamada curva del sistema. Ya que la bomba no está operando en un punto único tendremos que calcular el rango de diferentes capacidades y alturas a las que puede esperar se encuentre la bomba.

Hacer estos cálculos no es una ciencia exacta ya que la tubería raramente es nueva, los diámetros del interior de la tubería no son exactos, y los gráficos no pueden compensar corrosión y sólidos acumulados en tuberías, válvulas y paredes.

Pero las cosas no son nunca tan simples y aquí precisamente empezamos a encontrar los típicos problemas de eficiencia de los sistemas variables. Es precisamente en el BEST donde la mayoría de la gente comienza a añadir factores de seguridad para compensar el comportamiento no conocido de las variables de proceso. Estos factores de seguridad acaban originando en las bombas un consumo superior al que necesita la aplicación por lo que el cálculo detallado de bombas es mucho más importante de lo que normalmente se considera.

Los cálculos finales son dibujados en la curva del sistema que describe cómo la bomba tiene que satisfacer los requerimientos de la aplicación. Podemos aprender a hacer esto referenciando a la altura total calculada y haciendo la cuerva del sistema.

 

 

Cavitación

El fabricante de la bomba requiere una cierta cantidad de altura de succión neta positiva requerida para prevenir que la bomba entre en cavitación. Esa altura se muestra en la curva de la bomba. Cuando se mira la curva debe observarse también que la altura de succión positiva neta requerida se incrementa cuando aumenta la capacidad de la bomba.

Debe calcularse la altura de succión positiva neta disponible para estar seguros que no se producirá cavitación en la bomba. La cavitación es causada por cavidades o burbujas en el fluido haciendo colapsar en el impulsor y voluta. En las bombas reconocemos varios tipos diferentes de cavitación:

• Cavitación de vaporización.
• Cavitación de ingestión de aire.
• Cavitación de recirculación interna.
• Cavitación Vane Passing Syndrome.

La cavitación de la bomba se reconoce de varias formas diferentes:

• Podemos escuchar la cavitación porque la bomba suena como si estuviese bombeando rocas o rodamientos de bolas.
• Podemos ver daños por cavitación en el impulsor y voluta de la bomba.
• El operador puede a veces averiguar si la bomba está cavitando por la reducción que se produce en la capacidad de la bomba.
• El principal problema con la cavitación son las sacudidas y curvas en el eje que causan problemas tanto de sellado como de rodamiento.

Cuando calculamos la altura de succión positiva neta (NPSHA) mostrado en la curva de la bomba debemos también estar seguros que la estamos ajustando a la gravedad específica del fluido.

• En algunos casos se puede reducir la NPSH requerida. Esto es especialmente así cuando se bombea agua caliente o hidrocarburos.
• Puede instalarse un inductor en la bomba, añadir una bomba, añadir una bomba de refuerzo, o ir a un diseño de bomba de succión doble si no hay suficiente altura de succión neta positiva disponible (NPSHA).

Evaluación de bombas

Cuando el suministrador de una bomba tiene toda la información exacta puede seleccionar la bomba de tamaño correcta. Para evaluar las bombas recomendadas puede seguirse la siguiente secuencia:

• Si la capacidad es muy baja se recomendará una bomba de desplazamiento positivo o rotatorio.
• Entre 5 m3/hr y 115 m3/hr se seleccionará probablemente una bomba centrífuga de succión final. Todo depende del suministrador. En capacidades más altas puede ir a un diseño de succión doble con un impulsor ancho, dos bombas en paralelo o quizás una bomba de alta velocidad.
• Puede necesitarse una bomba de baja capacidad y elevada altura. El suministrador de la bomba tiene varias opciones.
• ¿Se recomienda una bomba auto-cebante? Estas bombas eliminan el aire del espacio libre de la mpulsor. Algunas condiciones de operación dictan la necesidad de un diseño auto-cebante. Si no tenemos una bomba auto-cebante y tenemos un servicio intermitente, el cebado será un problema la próxima vez que se arranque.
• ¿Cómo operará la bomba?

• Si la bomba realiza un trabajo de veinticuatro horas al día, siete días a la semana estaremos yendo a abrir y cerrar válvulas; y no tendremos necesidad de una bomba para trabajos pesados. Es fácil seleccionar una bomba que funcione al pundo de su mejor eficiencia y tenga un desplazamiento y vibración del eje muy pequeño.
• Un servicio intermitente es la aplicación más difícil debido a las temperaturas cambiantes, niveles de vibración, dirección de impulsión, etc. Las bombas intermitentes requieren un diseño para deberes pesados más robustos con un bajo eje L3/D4.

• ¿Cuál es la eficiencia de la aplicación? Es deseable una alta eficiencia, pero puede pagarse un precio por la eficiencia en costes de mantenimiento más altos y una ventana de operación limitada. Estaríamos buscando rendimiento, fiabilidad, y eficiencia en ese orden. Demasiado a menudo el ingeniero especifica la eficiencia y pierde los otros dos. Los siguientes diseños solventan algunos problemas de operación y mantenimiento, pero su eficiencia es más baja que las bombas centrífugas convencionales.

• Una boma hermética o de impulsión magnética puede ser la mejor elección si no asumimos varias limitaciones que imponen.
• Un diseño de bomba mezcladora o vórtice puede ser necesaria si hay muchos sólidos o material fibroso en el bombeo.
• Una bomba centrífuga de doble voluta puede eliminar muchos de los problemas de sellado que experimentamos cuando operamos lejos del punto de mejor eficiencia de la bomba.

• El suministrador recomendaría un diseño de línea central para evitar los problemas causados por la expansión térmica del extremo húmedo si estamos operando a temperaturas por encima de 100 ºC.
• ¿Necesitaremos una carcasa circular o voluta? Las carcasas de voluta obtienen una altura más alta; las carcasas circulares se usan para alturas bajas y capacidades altas.
• ¿Necesitamos una bomba que cumpla una norma? ANSI, API, DIN, VDMA o ISO son algunas de las normas actuales. Debemos ser conscientes de los problemas de fallos de rodamientos y sellos prematuros. Una bomba de diseño back pullout (cojinetes, rodetes y cierre sin tener que desmontar el cuerpo de la bomba de la tubería) tiene muchas ventajas pero presenta problemas con sellos mecánicos cuando se ajusta el espaciamiento del impulsor.
• La decisión de usar bombas simples o multietapas será determinada por la altura que debe producir la bomba para cumplir las capacidades que se necesitan. Algunos suministradores recomendarán una pequeña bomba de alta velocidad que sea competitiva, otros suministradores pueden recomendar una bomba más grande de baja velocidad, más costosa pero que disminuye los problemas de desgaste y NPSH.
   
   

  

  
  

  
  

  
  

  Hay decisiones adicionales que tienen que ser tomadas sobre el tipo de bomba que el suministrador recomendará:

  
  

  • ¿Se suministrará una bomba con un sello o embalaje mecánico? Si la caja de relleno está a una presión negativa (vacío) puede ser necesario un sello para prevenir la entrada de aire.
  • ¿Se especificará una caja de relleno con envolvente de forma que la temperatura del fluido sellado pueda regularse? ¿Cómo está previsto controlar la temperatura de la caja de relleno? ¿Se está usando agua, vapor o quizás una combinación de ambos? El calentamietno eléctrico es a veces una opción.
  • ¿Cómo el impulsor abierto o semiabierto se ajustará a la placa posterior o envolvente de la voluta? ¿Puede la carga que se enfrenta al sello mecánico ajustarse al mismo tiempo? Si no es así, la vida del sello se acortará.
  • Si la bomba se suministra con un impulsor cerrado tendría algunos medios de conocer cuando las anillas de desgaste tienen que ser reemplazadas. Si el espaciamietno de la anilla de desgaste es demasiado grande la eficiencia de las bombas bajará causando problemas de calor y vibraciones.
  • ¿Qué tipo de acoplamiento se seleccionará para conectar la bomba a su accionamiento? Los acoplamientos pueden compensarse por crecimiento axial del eje y tranmisión del par al impulsor. Las uniones universales son especialmente malas porque tienen que desalinearse y lubricarse.
  • Puede decidirse funcionar dos bombas en operaciones en paralelo si necesita una capacidad real, o dos bombas en operación serie si necesita una elevada altura. Las bombas que funcionan en paralelo o serie requieren que están funcionando a la misma velocidad. Esto puede ser un problema para algunos motores de inducción.
  • Un diseño de bomba en línea puede solventar muchos problemas de crecimiento térmico y tensioens de tuberías.
  • El suministrador de la bomba debe asegurar que la bomba no esté operando a una velocidad crítica o pasando a través de una velocidad crítica al arranque.
  • Todos deseamos bombas con baja altura de succión positiva neta requerida para prevenir problemas de cavitación pero a veces no es práctico. El fabricante tiene la opción de instalar un inductor o alterar el diseño de la bomba a una altura de succión positiva neta más baja que la requerida.
  • La diferencia entre velocidad específica y velocidad específcica de succión puede ser confusa pero debe conocerse la diferencia.
  • La velocidad del eje es una decisión importante. La velocidad afecta al desgaste de los componentes de la bomba, y al tamaño de la bomba. Las bombas de alta velocidad cuestan inicialmente menos, pero los costes de mantenimiento pueden ser muy altos, especialmente en aplicaciones críticas como el bombeo de lodos.
  • El ratio del diámetro del eje y su longitud se llama número L³/D⁴ del eje. Este ratio tendrá un efecto maor en la ventana de operación de la bomba y su coste inicial. Cuando más bajo es el número mejor, pero cualquiera por debajo de 60 (2 en el sistema métrico) es aceptable cuando estamos usando sellos mecánicos. Un L³/D⁴ bajo puede ser costoso en un diseño de bomba esándar debido a que dicata un eje de diámetro grande que usualmente sólo se encuentra en las bombas para trabajos pesados. Un eje corto con un diámetro exterior más pequeño cumpliría el mismo propósito, pero entonces la bomba no se adaptaría al estándar ANSI o ISO. Cuando a menudo nos enfrentamos a problemas L³/D⁴ cuando especificamos bombas, o el suministrador de la bomba vende a bajo coste, suelen usarse manguitos resistentes a la corrosión, montados en el eje en vez de un eje sólido más caro resistente a la corrosión.

  También hay múltiples decisiones que deben ser consideradas en la selección del impulsor y no todos los suministradores de bombas están cualificados para propocionarlas:

  
  

  • La forma del impulsor o el número de velocidad específica dictará la forma de la curva de la bomba, el NPSH requerido y la influencia de la eficiencia en la bomba.
  • ¿Se há revisado la configuración del impulsor en los últimos años? El diseño del impulsor está mejorando con algunos de los programas de computación más nuevos que están disponibles para el ingeniero de diseño.
  • La velocidad específica de succión del impulsor a menudo se predice cuando se tiene experiencia en problemas de cavitación.
  • El material del impulsor debe elegirse tanto por compatibilidad química como por resistencia al desgaste. Puede considerarse un metal doble porque la mayoría de los materiales resistentes a la corrosión son demasiado blandos para la demanda del impulsor de una bomba.
  • Los impulsores de una bomba de vórtice son grandes para los materiales sólidos y fibrosos pero son un 50 % menos eficientes que los diseños convencionales.
  • Los impulsores fabricados con tecnología investment cast (moldeo de precisión basado en matrices de cera. Se llama también fundición a la cera perdida) son usualmente superiores a las versiones de fundición de arena porque pueden hacerse curvas de compuestos más complejos con la tecnología investment cast. La curva del compuesto permite al impulsor bombear fluidos abrasivos con menos desgaste en aspas.
  • Si estamos bombeando fluidos con gravedad específica baja con un impulsor abierto, puede ser necesario un metal anti-chispas para prevenir un incendio u explosión. Será mejor elegir un diseño de impulsor cerrado con anillas de desgaste suave en estas aplicaciones.
  • Las leyes de afinidad preciden el efecto de cambiar la velocidad o diámetro del impulsor. Debemos ser familiares con estas leyes para bombas de desplazamiento positivo y centrífugas.

  Otra consideración de diseño es seleccionar el tamaño del motor eléctrico correcto, o algún tipo de accionamiento para la bomba. La decisión se dictará por la gravedad específica del líquido que se está bombeando, además de la gravedad de cualquier limpiador o disolvente que puede fluir a través de las tuberías. La selección estará influida según hasta que punto nos alejemos del punto de mejor eficiencia en el lado de la capacidad de la bomba. Si este número está estimado hacia abajo hay riesgo de quemar los motores eléctricos.

  • ¿Cómo varía la capacidad de la bomba? Podemos estar usando una válvula abierta o cerrada o quizás usemos un variador de velocidad variable, o quizás usemos un motor diesel o gasolina.
  • ¿La válvula de regulación se abre y cierra automáticamente como la válvula de alimentación de una caldera, o se opera manualmente? El motor de velocidad variablee puedes ser una alternativa si la mayor parte de la altura del sistema es fricción en vez de altura estática o de presión.
  • La viscosidad de los fluidos son otra consideración que deberá afectarse a los requerimientos de altura, capacidad, eficiencia y potencai de la bomba. Debemos conocer cómo la viscosidadz del sistema de bombeo afecta al rendimiento de la bomba. Si trabajamos con fluidos viscosos pueden hacerse algunas correcciones  de viscosidad sobre la curva de la bomba.
  • Una vez que hemos realizado todo el análisis eligiremmos la mejor tecnología de la bomba.
  • En esa etapa seremos capaces de leer la curva de la bomba. Para hacer eso debemos comprender:
  • Eficiencia.
  • Punto de mejor eficiencia.
  • Altura de cierre.
  • Cómo convertir la presión a altura de forma que podamos referenciar las lecturas de medición de la bomba a la curva de la bomba.
  • Potencia de frenado.
  • Potencia de agua.
  • Capacidad.
  • Altura de succión positiva neta requerida (NPSHR).
  • Cómo calcular la altura de succión positiva neta.

  Si todas las decisiones indicadas en los apartados anteriores se hacen correctamente la operación caerá dentro de la ventana de operación de la bomba a cualquiera de los datos del punto de mejor eficiencia. Adicionalmente, el motor no se sobrecalentará y la bomba no cavitará.