22 datos básicos sobre bombas que debe saber

Aug 04, 2023

He estado escribiendo "Errores comunes de bombeo" para Pumps & Systems durante más de tres años. Por lo general, la parte más difícil del trabajo es la selección del tema para que sea fresco, educativo e interesante. Este mes, estoy escribiendo sobre una colección de temas más breves y los estoy integrando en un solo artículo. En lugar de una comida, tendremos entremeses. Esperemos que satisfaga su apetito. Si ha estado leyendo mi columna, muchas de estas cositas serán una revisión. Estos comentarios se basan en bombas centrífugas en voladizo de una sola etapa que mueven agua clara a temperatura ambiente, excepto cuando se indique lo contrario.

Las bombas están realmente diseñadas para operar en un solo punto. Esa condición hidráulica de un punto de cabeza y flujo es el punto de mejor eficiencia (BEP), también conocido como el mejor punto de operación. Cualquier otra parte del conjunto de curvas publicado es simplemente un compromiso comercial. Sería demasiado costoso para la mayoría de los usuarios finales tener una bomba diseñada y construida para su conjunto único de condiciones hidráulicas.

Preste atención a las curvas de la bomba publicadas. Las curvas de rendimiento de las bombas de los fabricantes se basan en agua clara a aproximadamente 65 F, a menos que se indique lo contrario. No serán corregidos por la viscosidad del fluido. La potencia indicada puede corregirse o no según la gravedad específica o la viscosidad.

Cuando la curva de la bomba publicada por los fabricantes se detiene en algún punto de flujo y cabeza, es por una buena razón. No opere la bomba al final de la curva; si se generara más rendimiento a partir de la curva más allá de ese punto, el fabricante habría extendido la curva. Operar en el final de la curva o cerca de él estará plagado de problemas de rendimiento.

Las bombas son estúpidas. Una bomba centrífuga es simplemente una máquina, donde para un conjunto determinado de propiedades del fluido, geometría del impulsor y velocidad de funcionamiento, reaccionará al sistema en el que está instalada. La bomba operará (flujo y cabeza) donde su curva de rendimiento se cruza con la curva del sistema. La curva del sistema dicta dónde operará la bomba.

Comprender la curva del sistema. La curva del sistema representa toda la carga de fricción, estática y presión que se acumula en el sistema. El cabezal de velocidad también está presente, pero por lo general es un componente demasiado pequeño para preocuparse.

Las bombas no succionan líquidos. Este es un malentendido común, pero tenga en cuenta que alguna fuente de energía distinta de la bomba debe suministrar la energía requerida para que el fluido llegue a la bomba. Normalmente estos son la gravedad y/o la presión atmosférica. Por último, los fluidos no tienen resistencia a la tracción. En consecuencia, la bomba no puede extenderse y extraer fluido hacia la succión.

La elevación de succión realista máxima es de aproximadamente 26 pies. Consulte la sección anterior donde las bombas no succionan. Si está al nivel del mar, la presión atmosférica será de 14,7 libras por pulgada cuadrada absoluta (psia), lo que se traduce (multiplique por 2,31) en unos 33,9 pies de cabeza absoluta. Entonces, en un mundo perfecto, si no hubiera fricción de fluido o presión de vapor trabajando contra el sistema, podría levantar agua fría 33 pies.

En realidad, la fricción del fluido y las consecuencias negativas de la presión de vapor trabajarán en su contra e impedirán elevaciones de fluido de mucho más de 26 pies. Siempre calcule el cabezal de succión positivo neto disponible (NPSHa) y compárelo con el valor del cabezal de succión positivo neto requerido (NPSHr) de la bomba. Cuanto mayor sea el margen, mejor.

Una bomba que funciona al revés no invierte la dirección del flujo. El flujo aún irá por la succión y saldrá por la boquilla de descarga. Dependiendo de la velocidad específica (Ns) de la bomba (piense en la geometría del impulsor), el flujo y la cabeza se reducirán en una cantidad significativa porque la bomba es mucho menos eficiente. Para bombas de velocidad específica más baja, el flujo será aproximadamente el 50 por ciento del valor nominal y la cabeza será el 60 por ciento del valor nominal. Una bomba del Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI) que funciona al revés hará que el impulsor se desenrosque del eje y se aloje en la carcasa.

No puede ventilar el aire desde el ojo del impulsor de una bomba en funcionamiento. Una bomba es en muchos aspectos como una centrífuga, por lo que el agua más pesada se expulsa hacia el diámetro exterior y el aire más ligero permanece en el medio o centro. La bomba debe estar en reposo para que se ventile correctamente. Las bombas con descargas en la línea central son esencialmente autoventilantes.

Las bombas industriales no vienen de fábrica listas para "conectar y usar". Hay excepciones a este comentario, pero nunca asuma. La bomba requerirá que se agregue aceite a las carcasas de los cojinetes. Se debe determinar y ajustar la holgura del impulsor para el fluido (temperatura) a bombear. El impulsor deberá estar alineado con la bomba. Sí, es posible que la alineación se haya realizado en la fábrica, pero en el momento en que se movió la unidad para transportarla, se perdió la alineación.

Tendrá que volver a comprobar la alineación después de instalar la tubería, y de nuevo cuando se haya colocado la base con lechada. La dirección de rotación debe determinarse y coincidir con la rotación de fase en el controlador del motor.

El sello mecánico deberá ajustarse después de completar estos otros pasos. La mayoría de los fabricantes no instalan el acoplamiento en la fábrica porque solo será necesario quitarlo por todas las razones antes mencionadas.

Casi todos los problemas de la bomba ocurren en el lado de succión. Hay un malentendido común y generalizado sobre cómo funcionan las bombas. Consulte lo anterior como referencia. Piense en cualquier sistema de bomba como tres sistemas separados cuando solucione problemas en el campo. El sistema de aspiración, la propia bomba y el sistema aguas abajo de la bomba. En mis años de trabajo en bombas y resolución de problemas, el 85 por ciento de los problemas de las bombas ocurren en el lado de la succión. En caso de duda, es un gran lugar para comenzar a buscar la solución.

Siempre, siempre, siempre calcula el NPSHa. Este es probablemente el error más común y más costoso que presencio en el campo. Las personas pensarán erróneamente que debido a que tienen mucha presión de succión o una succión inundada, no hay razón para hacer estos cálculos. Unos pocos pies de fricción o pérdidas adicionales debido a la presión del vapor pueden eliminar ese margen de NPSH que pensaba que tenía. Un NPSHa insuficiente provocará cavitación en el impulsor de la bomba.

NPSHr no tiene nada que ver con el sistema y lo determina el fabricante de la bomba. NPSHa no tiene nada que ver con la bomba y debe ser determinado o calculado por el propietario del sistema o el usuario final. Recientemente escuché una frase que dice que "la bomba se vuelve gruñona y malhumorada" cuando hay un margen de NPSH insuficiente.

Comprender la cavitación. La cavitación es la formación de burbujas de vapor en la corriente de fluido debido a una caída por debajo de la presión de vapor del fluido. La formación de burbujas generalmente ocurre justo en frente del ojo del impulsor, ya que esta suele ser la presión más baja del sistema. Posteriormente, las burbujas colapsan aguas abajo cuando entran en una región de mayor presión. El colapso de la burbuja es lo que causa el daño al impulsor de la bomba.

La cavitación causa daños. Si las burbujas colapsan en medio de la corriente de fluido, casi no hay daño. Pero cuando las burbujas colapsan cerca o en la superficie del metal, colapsan asimétricamente y provocan un pequeño microchorro. Este colapso ocurre en una nanoescala (1.0 x 10-9 o billonésima). Las fuerzas de presión locales involucradas pueden ser superiores a 10 000 libras por pulgada cuadrada manométrica (psig) (689 bar) o más, además se genera calor. Este fenómeno puede ocurrir a frecuencias de hasta 300 veces por segundo ya velocidades cercanas a la velocidad del sonido. Tenga en cuenta que la velocidad del sonido en el aire es de aproximadamente 768 millas por hora (mph) (1236 kilómetros por hora [k/h]) y varía un poco con los niveles de humedad. La velocidad del sonido en el agua es 4,4 veces más rápida a unas 3350 mph (5391 k/h o 1490 metros por segundo [m/s]). Como comencé mi carrera en el mundo submarino, debo señalar que la velocidad del sonido es aún mayor en agua salada.

El daño por cavitación puede ocurrir en diferentes lugares del impulsor. El daño por cavitación "clásico" ocurrirá aproximadamente a un tercio de la distancia aguas abajo del ojo en la parte inferior (lado de baja presión o lado cóncavo) de la paleta del impulsor. "Clásico" porque se debe a un NPSHr insuficiente. El daño por cavitación puede manifestarse en otros lugares del impulsor, pero esos casos generalmente se deben a problemas de recirculación causados ​​por operar la bomba fuera de su diseño o BEP.

La cavitación es audible en los rangos más bajos. Si escucha el ruido de cavitación (suena como si estuviera bombeando grava), es probable que esté cavitando. El hecho de que no escuche el ruido no significa nada, ya que la mayor parte del rango de ruido está fuera del rango del oído humano. ¿Quizás deberíamos entrenar perros para que nos ayuden a detectar la cavitación? El agua fría suele ser el peor fluido para el daño resultante de la cavitación.

Los hidrocarburos tienen un efecto mínimo desde el punto de vista del daño. Los factores de corrección de hidrocarburos existen y se basan en datos empíricos. Las reglas para los factores de corrección están cubiertas en el libro Cameron Hydraulic Data.

NPSHr es NPSH3. Cuando un fabricante afirma que la bomba requiere una cierta cantidad de NPSHr en un punto determinado, tenga en cuenta que la bomba ya está cavitando en ese punto con una caída de carga del 3 por ciento porque así es como se mide el NPSHr. Razón de más para asegurarle un margen adecuado.

La inmersión crítica es necesaria para evitar la formación de vórtices. La distancia vertical desde la superficie del fluido hasta la entrada de la bomba es el nivel de inmersión. La distancia requerida para evitar la ingestión de aire debido al vórtice es el nivel crítico de inmersión.

Para evitar la entrada de aire, no opere la bomba cuando el nivel de líquido esté por debajo del nivel crítico de inmersión. El fenómeno de vórtice es una función directa de la velocidad del fluido. Puede evitar la formación de vórtices mediante el uso de deflectores y/o diámetros de tubería más grandes, como entradas con bridas de campana. Existen numerosas tablas de referencia sobre la inmersión para usar al mirar el diseño del lado de succión. El mejor sería del Instituto Hidráulico. Una regla general conservadora es tener un pie de inmersión por pie de velocidad del fluido.

Las bombas no pueden mover fluidos mezclados con aire de manera eficiente si el porcentaje es superior al 4 o 5 por ciento. La mayoría de las bombas comienzan a perder rendimiento alrededor del 2 al 3 por ciento de incorporación de aire. Casi todos los diseños de bombas dejarán de funcionar alrededor del 14 por ciento de arrastre. Las excepciones pueden ser las bombas de disco, las autocebadoras y algunas bombas tipo vórtice o de impulsor empotrado.

El cojinete de mi bomba se siente caliente. Este es un comentario común, pero es subjetivo, no objetivo. Es difícil para la persona típica sostener su mano en una carcasa de cojinete que tiene más de 120 F.

Es perfectamente normal que un rodamiento esté funcionando entre 160 y 180 F. Use un termómetro o dispositivo infrarrojo para medir la temperatura y tratar los hechos.

La viscosidad es la criptonita de las bombas centrífugas. La mayoría de las bombas centrífugas se vuelven demasiado ineficientes o exceden sus límites de potencia (hp) en un rango de viscosidad entre 400 y 700 centipoise que depende del tamaño de la bomba. Siempre consulte con el fabricante cuando bombee fluidos viscosos para corregir las curvas y los límites de potencia para el bastidor, los cojinetes y el eje.

Los requisitos de potencia que avanzan a lo largo de la curva de la bomba cambian para diferentes geometrías de impulsor. Las bombas de velocidad específica baja y media requieren más hp cuanto más lejos de la curva se opera, lo cual es un razonamiento bastante intuitivo. Para bombas de alta velocidad específica (flujo axial), la potencia más alta requerida será en los flujos más bajos. Por eso también es común poner en marcha este tipo de bombas con la válvula de descarga abierta para no sobrecargar el motor.

Hay una manera simple de pensar en una velocidad específica. La velocidad específica (Ns) es una herramienta utilizada por los diseñadores para observar el rendimiento y la geometría de un impulsor hipotético. ¿No quiere quedar atrapado en las matemáticas involucradas? Un impulsor de velocidad específica baja hará que el flujo ingrese paralelo a la línea central del eje y deje el impulsor a 90 grados de la línea central. Un impulsor de velocidad específica media entrará paralelo al eje y saldrá del impulsor a 45 grados de la línea central.

Un impulsor de alta velocidad específica operará con el flujo entrando paralelo a la línea central del eje y saliendo paralelo a la línea central.

¡Buen provecho!

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 47 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].