Introducción a las bombas centrífugas, parte 1

Aug 03, 2023

El tema de la edición de febrero de Pumps & Systems es "volver a lo básico". Siguiendo el ejemplo, la columna de este mes revisará algunos de los fundamentos de las bombas centrífugas. Tenga en cuenta que las bombas centrífugas pertenecen a la clase cinética de las bombas rotodinámicas.

Inicialmente asumo que el lector tiene un concepto visual básico de un impulsor unido a un eje, todo instalado dentro de una carcasa/voluta. Ver imagen 1.

El eje de la bomba puede ser el propio eje impulsor o estar acoplado a un impulsor. El impulsor suele ser un motor de inducción eléctrico, pero también podría ser un motor, una turbina de vapor o uno de los muchos otros tipos de motores primarios.

Como resumen general inicial, el impulsor aumenta el nivel de energía del fluido al aumentar la velocidad. Una vez que el fluido sale del impulsor, la carcasa convierte la velocidad en presión.

Una bomba realmente funciona con principios científicos básicos. A discreción de un operador, el impulsor gira (energía mecánica), lo que hace que el eje de la bomba y el impulsor adjunto también giren.

El impulsor giratorio imparte una energía cinética al fluido circundante que inicia el movimiento (velocidad) en el fluido. La velocidad del fluido aumentará sustancialmente durante su recorrido a través del impulsor desde el ojo en el centro hasta los bordes de las paletas en el diámetro exterior.

Hay una fórmula fácil para calcular la velocidad del fluido impartida por el impulsor. Es una función simple de la velocidad y el diámetro (ver Ecuación 1). Tenga en cuenta la relación directa, donde si aumenta la velocidad del impulsor y/o aumenta el diámetro del impulsor, aumenta la velocidad del fluido y viceversa.

Como vista de siguiente nivel del proceso que ocurre dentro de la bomba: el impulsor giratorio (energía cinética) imparte un movimiento (velocidad) al fluido.

Cuando el fluido sale de la punta de la paleta del impulsor y se atrapa (recoge) en la carcasa, la carcasa convierte la energía de velocidad en energía de presión (carga). En pocas palabras, la energía de velocidad del fluido se convierte en energía de presión en la carcasa. La energía de presión también se define como cabeza (H).

Para mirar este fenómeno desde otra perspectiva técnica, también se podría usar la primera ley para la conservación de la energía. "La energía no puede crearse ni destruirse, solo puede alterarse en la forma".

Adicionalmente y como complemento de la disciplina mecánica de la dinámica de fluidos, también conocemos el principio de Bernoulli, que establece en su forma más simple que si la velocidad disminuye, la presión aumentará y viceversa. De nuevo, esto se debe a la conservación de la energía.

Tenga en cuenta que una bomba centrífuga en realidad no crea presión en el sistema per se, sino que crea flujo. La presión que medimos en el manómetro de descarga es en realidad el resultado de la resistencia del sistema al flujo generado.

Si no hubiera un sistema conectado a la brida de descarga, no habría una presión real desarrollada (El "sistema" es el conjunto de diferentes elevaciones, presiones, tuberías, componentes y válvulas).

La explicación más simple para usar la cabeza en lugar de la presión para medir la energía de una bomba centrífuga es que la presión de una bomba cambiará si el peso/gravedad específica (SG) del líquido cambia, pero la cabeza no cambiará.

En consecuencia, siempre se puede describir el rendimiento de una bomba (suponiendo que se trate de un fluido newtoniano), ya sea un hidrocarburo pesado (ácido sulfúrico con una SG de 1,2 a 1,5) o un hidrocarburo ligero (gasolina con una SG de 0,7) utilizando el término cabeza.

El operador de la bomba mide la salud y el rendimiento de la bomba al monitorear la diferencia en las presiones manométricas en ambos lados de la bomba.

Si todos los fluidos fueran iguales con una SG constante, las unidades para expresar la presión de descarga de la bomba podrían expresarse como presión con pocos o ningún efecto adverso o inexacto. Pero como los fluidos tienen diferentes SG, estamos obligados a usar el término cabeza.

Tenga en cuenta que incluso si todo lo que bombeáramos fuera agua, el SG cambia con cada grado de cambio de temperatura. Note y distinga que la cabeza es un nivel de energía y la presión es simplemente una fuerza.

Una bomba dada moverá de manera predecible un fluido de una cierta unidad de peso/densidad por una unidad de tiempo determinada. Lo consideramos galones por minuto o metros cúbicos por hora. Por ejemplo: agua, el fluido universal tiene un peso de 8.345 libras por galón y un SG de 1.0 a temperatura estándar. Otras formas de expresar esta densidad/masa/peso son 1,0 gramos por centímetro cúbico o 62,425 libras por pie cúbico.

Nota para ser técnicamente correcto: estas gravedades, masas y pesos se basan en una temperatura del fluido de 39.2 F, y redondeamos una pequeña cantidad para cubrir temperaturas de hasta 68 o 70 F y alrededor.

Consulte el "Libro de datos hidráulicos de Cameron" u otras referencias técnicas para conocer los valores reales de las propiedades del agua a diferentes temperaturas. Dice: "La definición de densidad implica estrictamente la masa. El peso y la masa son numéricamente iguales al nivel del mar en la Tierra".

Al solucionar problemas de un sistema de bomba, es mejor dividir y pensar en el sistema como tres sistemas diferentes: el lado de succión, la bomba en sí y el lado de descarga. Según mi experiencia, creo que el 90 por ciento de los problemas de la bomba están en el lado de la succión. La suposición es que el sistema fue diseñado y construido correctamente. Una vez que haya suministrado el fluido adecuadamente a la bomba, se encargará del proceso desde allí. Los problemas de rendimiento generalmente son causados ​​por energía de succión insuficiente, cabeza de succión positiva neta disponible (NPSHa) inadecuada, entrada de aire o aumentos en las holguras de funcionamiento por encima del diseño.

La bomba operará en o cerca de su curva de rendimiento en el punto donde la curva del sistema se cruza con la curva de la bomba, si es posible operar en ese punto.

Como pauta general, nunca haga funcionar una bomba en seco y nunca opere una bomba con la válvula de succión cerrada. No opere con la válvula de descarga cerrada por más tiempo del que se tarda en abrir la válvula, desde unos pocos segundos hasta quizás un minuto. Opere la bomba tan cerca del punto de mejor eficiencia (BEP) como lo permitan el sistema y el diseño del proceso. A medida que las operaciones salen de la región BEP, la bomba desarrollará un alto empuje radial que se manifestará como una reducción en la vida útil del sello mecánico y del cojinete.

Lea y comprenda el manual de instrucciones y funcionamiento. Como cualquier otra pieza de maquinaria (o activo de planta), si cuida la bomba adecuadamente, funcionará para usted.

Jim Elsey es un ingeniero mecánico que se ha centrado en el diseño y las aplicaciones de equipos rotativos para el ejército y varios grandes fabricantes de equipos originales durante 43 años en la mayoría de los mercados industriales de todo el mundo. Elsey es miembro activo de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos, la Asociación Nacional de Ingenieros de Corrosión y la Sociedad Estadounidense de Metales. Es el gerente general de Summit Pump Inc. y el director de MaDDog Pump Consultants LLC. Se puede contactar a Elsey en [email protected].