4.1.- Forma de la Curva de Rendimiento

En términos prácticos el rendimiento real de una bomba es inferior al calculado teóricamente, debido a que los sistemas no son ideales como vimos en el capítulo 3.1.-. Las razones básicas de esta caída en el rendimiento son que el fluido no entra de forma paralela al alabe del impulsor, los alabes poseen espesores finitos, existe fricción entre el fluido y las superficies hidráulicas, etc. En este sentido la curva de rendimiento de una bomba centrífuga es irregular y su forma es afectada por diferentes variables entre ellas el ángulo de salida del alabe del impulsor, denominado b2. La figura N. 4-1 muestra un diagrama del ángulo b2 de un alabe en un impulsor.

El ángulo b2 puede ser mayor, igual o menor a 90 grados. Los ángulos b2 mayores a 90 grados desarrollan un Cabezal mayor que el desarrollado por los alabes con ángulos b2 menores a 90 grados, sin embargo, con esta configuración (ángulo b2 menor a 90 grados) las bombas son ineficientes y las curvas de rendimiento inestables, por esta razón no se aplican en bombas.

Figura N° 4-1.- Esquema de un impulsor mostrando donde es medido el ángulo b2.
Figura N° 4-1.- Esquema de un impulsor mostrando donde es medido el ángulo b2.
Fuente: Dibujado por el autor.

Alabes con ángulo b2 menor a 90 grados se aplican mayormente en ventiladores y sopladores, donde se establece la ventana de funcionamiento en caudales mayores a los caudales de la zona inestable de la curva. La figura N° 4-2 muestra el esquemático de la forma de las curvas de rendimiento a diferentes ángulos de salida b2 de los álabes de las bombas.

Figura N° 4-2.- Esquemático de las curvas de rendimiento en función del ángulo b2.
Figura N° 4-2.- Esquemático de las curvas de rendimiento en función del ángulo b2.
Fuente: Dibujado por el autor.

Bombas con impulsores con ángulos b2 de salida iguales a 90 grados son usados en bombas de baja potencia, donde la Eficiencia no es un elemento importante.

Las bombas comerciales de uso más generalizado poseen ángulos b2 menores a 90 grados, ellos varían entre 17 y 28 grados, sin embargo, las mayores Eficiencias se logran con ángulos entre 23 y 26 grados. 

4.1.1.- Informacion Contenida en las Curvas de Rendimiento

La curva de rendimiento generada por un impulsor con ángulos b2, menores a 90 grados se puede observar en la figura N. 4-3. Esta figura muestra la cueva de rendimiento para una bomba comercial tal cual se observa en los catálogos comerciales.

Figura N° 4-3.- Curva de rendimiento de una bomba comercial.
Figura N° 4-3.- Curva de rendimiento de una bomba comercial.
Fuente: Understand the Basics of Centrifugal pump Operation-Kimberly Fernandez.

En los catálogos comerciales se acostumbra a colocar en una misma gráfica una colección de curvas de rendimiento para distintos diámetros de impulsor. Adicionalmente se indica la potencia consumida, el NPSHR, la Eficiencia para cada Cabezal y caudal seleccionado. Por razones prácticas las empresas fabrican el impulsor en el máximo diámetro aceptado por la carcasa de la bomba y luego se corta a los distintos diámetros de acuerdo con las necesidades del cliente.

Las curvas de rendimiento comerciales son realizadas con agua desaireada como líquido de referencia, se construyen mediante ensayos en bancos de prueba donde se mide el caudal, el Cabezal Diferencial, la potencia y el NPSHR por la bomba. No es una práctica común realizar ensayos con fluidos diferentes al agua, cuando la bomba trabaja con otros fluidos se deben hacer correcciones en la curva de rendimiento y en la potencia que originalmente fueron calculados para agua.

Las curvas son presentadas en grupos de curvas paralelas que representan el rendimiento de los diferentes diámetros de impulsores disponibles para ese modelo de bomba, tal como está indicado en la figura Nº 4-3 como curvas de rendimiento; en este caso en particular los diámetros aceptados por la bomba varían entre 11,50 pulgadas de diámetro y 8,50 pulgadas de diámetro, cortar el impulsor por debajo de este diámetro lo hace ineficiente. Con rectas oblicuas que cruzan las curvas de rendimiento se indica la potencia en BHP, que en este caso va de 50 a 100 HP. En el punto de diseño indicado con una flecha el diámetro seleccionado para el impulsor es de aproximadamente 9,60 pulgadas. En este punto el Cabezal es de 350 pies a un caudal de 360 gpm, con una Eficiencia de 64% y un NPSHR de 10 pies y una potencia de 60 HP.

Las curvas de rendimiento no son rectas, como se observa en la figura, tienen tendencia a caer a medida que es aumentado el caudal manejado por la bomba. Si no fuera por las pérdidas por fricción y fundamentalmente por los choques hidráulicos del fluido en el interior de la bomba, la curva generada por esta relación sería una línea recta.

En las bombas de baja Velocidad Específica (NS) las pérdidas son mayoritariamente por la fricción en las superficies rotativas; en las bombas de alta Velocidad Específica (NS) las pérdidas se deben fundamentalmente a las perdidas hidráulicas.

Existe un punto de diseño para el cual fueron ajustados tanto en las superficies hidráulicas del interior de la bomba, así como los ángulos de ataque de los alabes de los impulsores. Este punto de operación es llamado Punto de Mejor Eficiencia o por sus siglas en inglés BEP “Best Efficiency Point”, allí es donde se logra el mejor rendimiento de la bomba.

La Eficiencia de la bomba para cada uno de los diámetros de impulsor a los diferentes caudales también está representada en la curva de rendimiento de las bombas centrífugas. Indicado con la figura 4-3 la palabra Eficiencia donde resalta la Eficiencia para los diferentes diámetros, generando una figura parecida a las marcas de playa que varían en este caso en particular desde Eficiencias del 50% a bajos caudales hasta 69% en el Punto de Mejor Eficiencia (BEP).

Si se opera una bomba centrífuga fuera del Punto de Mejor Eficiencia (BEP), por ejemplo, a flujos menores que los correspondientes al BEP, el flujo que pasa por la bomba se hace inestable, la variación del volumen causa remolinos locales en los pasajes y canales hidráulicos del impulsor dando origen a vibraciones, pulsaciones, esfuerzos radiales y axiales sobre el eje, causando la reducción de la vida de los cojinetes y sellos mecánicos. Esto ocurre debido a la variación del volumen de fluido para el cual fueron diseñas las superficies hidráulicas las cuales están optimizadas para el caudal en el Punto de Mejor Eficiencia. Cuando se opera a caudales por arriba del Punto de Mejor Eficiencia la velocidad relativa del fluido en la bomba aumenta originado turbulencias, aumento drástico de las perdidas hidráulicas e inestabilidad en el flujo.

La curva de NPSHR está indicada en la parte superior de la curva, donde está el NPSHR para los diferentes caudales que maneja la bomba. Los factores con más influencia en las características de la curva, es decir si la curva es más plana o más inclinada, son principalmente la Velocidad Específica (NS) y la interacción impulsor / carcasa.

Para bajas Velocidades Específicas (NS) la curva será más uniforme y plana, esto es porque el comportamiento hidráulico de la bomba es más estable, es decir el impulsor y la bomba están orientados a desarrollar mayor presión a caudales relativamente bajos, existen más álabes en el impulsor y el flujo que circula a través de él es uniforme a cualquier caudal, es decir que estas bombas son más elaboradas desde el punto de vista hidráulico.

Existen factores que definen con bastante precisión las características del diseño hidráulico y el comportamiento de las curvas de funcionamiento de las bombas centrífugas. En la siguiente sección se tratarán la Velocidad Específica (NS) y la Velocidad Específica de Succión (NSS) que son dos factores de gran importancia en la definición de las características de diseño de las bombas centrífugas.

La curva de rendimiento de una bomba centrífuga también puede ser presentada de forma individual, solo para un diámetro de impulsor determinado, donde los parámetros a evaluar como la Eficiencia, la potencia y el NPSHR corresponden solo a ese diámetro. La figura Nº 4-4 muestra el diagrama de curva de rendimiento individual, preparada para un único diámetro de impulsor.

Esta última presentación es muy utilizada sobre todo en las curvas generadas como resultado de evaluaciones realizadas con paquetes de computación o con programas (softwere) desarrollados para seleccionar equipos de bombeo. Los fabricantes más importantes de bombas centrífugas han desarrollado paquetes computarizados de selección que ofrecen en línea a través de Internet, que contienen una base de datos con la información técnica de sus equipos que incluye modelos, tipos de impulsor, materiales de fabricación, costos referenciales, curvas de rendimiento, características constructivas de cada una de sus bombas, etc.

Figura N° 4-4.- Curva de rendimiento individual de una bomba centrífuga comercial.
Figura N° 4-4.- Curva de rendimiento individual de una bomba centrífuga comercial.
Fuente: ITTBell & Gossett-Online pump selection software.Como se puede observar las curvas de rendimiento de las bombas centrífugas poseen suficiente información para desarrollar la evaluación completa de una bomba, desde el punto de vista hidráulico y permitiendo verificar la compatibilidad de la bomba con el sistema donde el equipo operará.

Acerca del autor de este libro:

José Miguel Acosta Pérez

José Miguel Acosta Pérez, es Ingeniero Mecánico egresado de la Universidad Simón Bolívar (USB) (Venezuela-1982); Especialista en Equipos Rotativos, Universidad Simón Bolívar (USB) (Venezuela-1990), Especialista en Gerencia de Proyectos, Universidad Católica Andrés Bello (UCAB) (Venezuela-2001), Especialista en Equipos para Producción de Petróleo On and Offshore, Universidade de Iguazu (UNIG) (Brasil-2010). 

E-mail de contacto: jose.acosta_pumpbook.com.br

CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN

1.1.- ¿Qué es una Bomba?
1.2.- ¿Qué son las Bombas Centrífugas?

CAPÍTULO 2
PARTES DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA

2.1.- Impulsores
2.2.- Eje
2.3.- Carcasa
2.4.- Anillos de Desgaste
2.5.- Cojinetes
2.6.- Sellos Mecánicos

CAPÍTULO 3
¿CÓMO LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS TRANSMITEN LA ENERGÍA A LOS FLUIDOS?

3.1.- Cabezal Total de una Bomba Centrífuga
3.2.- Sistemas Asociados a las Bombas y sus Características
3.3.- Potencia y Eficiencia en las Bombas Centrífugas

CAPÍTULO 4
CURVAS DE RENDIMIENTO DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS

4.1.- Forma de la Curva de Rendimiento
4.2.- Diseño Hidráulico de las Bombas Centrífugas

CAPÍTULO 5
CEBADO DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS

5.1.- Cebado Manual con Válvula de Pie
5.2.- Cebado con Tanque de Cámara Simple
5.3.- Cebado por Succión Positiva
5.4.- Cebado con Eyectores
5.5.- Cebado con Bombas de Vacío

CAPÍTULO 6
CARACTERÍSTICAS DE SUCCIÓN DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA

6.1.- Como se Determina el NPSHA
6.2.- Como se Determina el NPSHR
6.3.- Como Mejorar el NPSHA de un Sistema de Bombeo
6.4.- Fenómeno de Cavitación

CAPÍTULO 7
OPERACIÓN CON LÍQUIDOS VISCOSOS

CAPÍTULO 8
FLUJO MÍNIMO

8.1.- Flujo Mínimo Térmico
8.2.- Flujo Mínimo Continuo

CAPÍTULO 9
LEYES DE AFINIDAD

9.1.- Aplicación de las Leyes de Afinidad
9.2.- Ajustes en los Impulsores Luego del Corte

CAPÍTULO 10
OPERACIÓN CON MÁS DE UNA BOMBA

10.1.- Bombas Operando en Paralelo
10.2.- Bombas Operando en Serie

CAPÍTULO 11
PARTES Y SISTEMAS ACCESORIOS PARA LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS

CAPÍTULO 12
COJINETES

12.1.- Cojinetes Radiales
12.2.- Cojinetes de Empuje

CAPÍTULO 13
LUBRICACIÓN

13.1.- Tipos de Lubricación
13.2.- Lubricación con Grasa
13.3.- Lubricación con Aceite

CAPÍTULO 14
ACOPLAMIENTO

14.1.- Acoplamientos de Engranajes
14.2.- Acoplamientos de Rejilla de Agarre Continuo
14.3.- Acoplamientos Elastoméricos
14.4.- Acoplamiento Flexible de Láminas Metálicas

CAPÍTULO 15
SELLADO DEL EJE

15.1.- Caja de Sellos
15.2.- Empaquetaduras
15.3.- Sellos Mecánicos

CAPÍTULO 16
MATERIALES DE FABRICACIÓN

16.1.- Materiales de Acuerdo con el ASME B73.1
16.2.- Materiales de Acuerdo con el API 610
16.3.- Otras Consideraciones

CAPÍTULO 17
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL

17.1.- Control por Regulación de Flujo
17.2.- Control por Recirculación
17.3.- Control por Variación de Velocidad
17.4.- Otras Consideraciones para el Control de Flujo

CAPÍTULO 18
MOTORES ELÉCTRICOS

CAPÍTULO 19
VIBRACIÓN MECÁNICA EN BOMBAS CENTRÍFUGAS

19.1.- Como se Miden las Vibraciones y Como son Interpretadas
19.2.- Que Dicen el Asme B73.1 Y el API 610 Sobre Vibración
19.3.- Causas de las Vibraciones en las Bombas Centrífugas

CAPÍTULO 20
PRINCIPALES TIPOS DE BOMBAS CENTRÍFUGAS

20.1.- Bomba de Succión Frontal
20.2.- Bomba Vertical en Línea
20.3.- Bombas Horizontales Multietapas
20.4.- Bomba Doble Succión Axialmente Partida, Entre Cojinetes
20.5.- Bomba Vertical Tipo Turbina

CAPÍTULO 21
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS

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