Taller ACR-P
Aprende el Análisis Causa Raíz

4.2.- Diseño Hidráulico de las Bombas Centrífugas

Para el diseño y la aplicación de bombas centrífugas son de gran utilidad los parámetros definidos como la Velocidad Específica (NS) y la Velocidad Específica de Succión (NSS). Estos dos parámetros son herramientas importantes para identificar cual diseño de bomba es más eficiente y económico en una determinada aplicación.

4.2.1.- Velocidad Específica

La Velocidad Específica es un factor que define, fundamentalmente el tipo de bomba. Conociendo la Velocidad Específica se puede tener una idea del tipo de impulsor, el tipo de bomba requerido para una aplicación determinada, las pérdidas, la Eficiencia y aproximadamente las tendencias principales de las curvas de comportamiento de las bombas centrífugas, de cómo es el formato de curva de potencia.

La Velocidad Específica es una relación entre la velocidad de la bomba, el caudal y el Cabezal que es capaz de desarrollar. La Velocidad Específica de una bomba tiene como nomenclatura NS, y es un parámetro adimensional que describe una similitud geométrica entre las bombas centrífugas.

Esta similitud se define con la aplicación con la ecuación N° 4-1.

[4-1]
[4-1]

Dónde:

Ns :      Velocidad Específica, adimensional.

N   :     Velocidad de la bomba, en RPM.

Q  :     Caudal de la bomba en el Punto de Mejor Eficiencia (BEP), en gpm.

:     Cabezal de la bomba, en pies en el BEP. Cuando la bomba es multietapas se toma el Cabezal desarrollado por el primer impulsor.

Los valores de Q y H deben ser tomados en el Punto de Mejor Eficiencia. Para bombas multietapas el Cabezal de la bomba (H) debe ser dividido entre el número de etapas que posee la bomba. En unidades internacionales (SI) el caudal es tomado en m3/s y el Cabezal en m.

Dependiendo del valor del (NS) el diseño de los perfiles de los alabes se modifica de alabes para flujo radial a alabes para flujo axial. Si el valor de NS está en entre 500 (10 SI) y 1.500 (29 SI) el impulsor será de flujo radial, donde predomina el desarrollo de presión sobre el flujo. Para NS entre 1.500 (29 SI) y 3.500 (68 SI) el impulsor es tipo Francis, dando un balance entre el flujo manejado y el Cabezal que desarrolla.

En la figura La figura 4-5 se observa un perfil de los diferentes impulsores vs el (NS) que poseen.

Cuando la Velocidad Específica (NS) está entre 3.500 (68 SI) y 6.000 (116 SI) tenemos impulsores de flujo mixto, ya en este diseño de impulsor el flujo se hace cada vez más predominante sobre el Cabezal. Finalmente, para NS entre 6.000 (116 SI) y 10.000 (194 SI) el flujo es completamente axial donde el flujo predomina sobre el Cabezal desarrollado.

Figura N° 4-5.- Perfil de los impulsores vs la Velocidad Específica (NS).
Figura N° 4-5.- Perfil de los impulsores vs la Velocidad Específica (NS).
Fuente: www.lawrencepumps.com/images04/Ns%20Chart.gif

La figura 4-6 muestra las curvas características de las bombas que poseen diferentes Velocidades Específicas (NS).

Figura N° 4-6.- Curvas de comportamiento en función de la Velocidad Específica (NS).
Figura N° 4-6.- Curvas de comportamiento en función de la Velocidad Específica (NS).
Fuente: www.mcnallyinstitute.com/images/7-3-5.gif

En la figuraN° 4-6para (NS) bajos caso (a) (por el orden de 500, (10 SI)) las bombas están diseñadas para desarrollar mayor presión a bajos flujos relativos; la curva de comportamiento (Hd) tiende a ser estable y la potencia (P) del motor se incrementa con el flujo.

Para altos NS (sobre 10.000, (116 SI)) caso (e) donde el flujo predomina sobre el Cabezal desarrollado las curvas de rendimiento (Hd) tienden a ser menos estables y las curvas de potencia (P) disminuyen cuando se aumenta el flujo manejado por la bomba.

La utilidad fundamental de la Velocidad Específica (NS), radica en que se puede optimizar la selección del tipo de bomba a usar en una aplicación determinada, donde se tiene un Cabezal (Hd, en la figura N° 4-6) y una capacidad (Q) ya definidos.

La Velocidad Específica (NS) es similar para bombas de succión simple y de doble succión, ya que el caudal usado es el caudal total de la bomba centrífuga.

Variando la velocidad de operación y el número de etapas se puede lograr una relación costo-eficiencia, adecuada al requerimiento del usuario final del equipo. Conociendo la Velocidad Específica (NS) se puede conocer el diseño del impulsor, conocer cómo combinar el número de etapas para una aplicación determinada, estimar las pérdidas, estimar la Eficiencia y cuan plana o inclinada puede ser una curva de comportamiento.

En el ámbito de la Industria Petrolera y para bombas horizontales de procesos los valores típicos de la Velocidad Específica (NS) están entre 1.000 (19 SI) y 2.500 (48 SI). Los rangos de la Velocidad Específica (NS) más usados para servicios generales en la Industria Petrolera entre 1.000 (19 SI) y 3.000 (58 SI), en este rango se logran las mejores Eficiencias y la curva de comportamiento es bastante plana y estable.

La figura N° 4-7 muestra cómo influye en la Eficiencia de la bomba el valor de la Velocidad Específica (NS). En la faja de Velocidades Específicas (NS) entre 1.500 (29 SI) y 3.500 (68 SI), rango es donde se logran las mejores Eficiencias. Esta franja de NS es la más usada en la Industria del Petróleo.

Figura N° 4-7.- Curvas de Eficiencia vs NS para diferentes caudales.
Figura N° 4-7.- Curvas de Eficiencia vs NS para diferentes caudales.
Fuente: Pump_Zone Pump Hand Book_Centrifugal Pumps

En bombas verticales tipo turbina la tendencia de los fabricantes es a usar (NS) relativamente altos, con lo cual se lograrían altos caudales con tamaños de impulsor relativamente pequeños y con bajos Cabezales de Descarga, por etapa. Por lo que la presión deseada se logra incrementando el número de etapas.

Para Velocidades Específicas (NS) relativamente bajos (entre 500 (10 SI) y 1.000) (19 SI)) se tiene que el impulsor es desarrollado para que suministre presión a caudales moderados y cuando el NS es alto (entre 6.000 (116 SI) y 10.000 (194 SI)) el impulsor es diseñado para suministrar mayor caudal a presiones moderadas.

4.2.2.- Velocidad Específica de Succión

De la misma forma que el rendimiento a la descarga de la bomba está caracterizado por la Velocidad Específica (Ns), el rendimiento a la succión está caracterizado por una relación adimensional conocida como Velocidad Específica de Succión, (NSS). Esta relación está representada por la ecuación N° 4-2:

[4-2]
[4-2]

Dónde:

NSS :          Velocidad Específica de Suc-ción, adimensional.

  :           Velocidad de la bomba, en RPM

  :          Caudal de la bomba en el Punto de Mejor Eficiencia (BEP), en gpm. Si el impulsor es doble succión el caudal total debe ser dividido entre dos.

NPSHR:    Cabezal Neto de Succión Reque-rido por la bomba en el BEP, en pies.

En unidades internacionales (SI) el caudal es tomado en m3/s y el NPSHR en m.

La Velocidad Específica de Succión (NSS) es un índice adimensional usado para describir la geometría de la succión de los impulsores de una bomba centrífuga. Como recomendación general para servicios de agua a temperatura ambiente y para servicios generales se acostumbra a usar un NSS por debajo de 8.500 (164 SI)). Para aplicaciones de alimentación de calderas, en servicios generales en refinería son recomendables valores de NSS, entre 8.500 (164 SI) y 12.000 (232 SI).

En aplicaciones especiales sobre todo en bombas que manejan hidrocarburos con alta presión de vapor (HVP) se usan NSS mayores a 13.000 (251 SI)).

El Instituto de Hidráulica de los Estados Unidos, AHI, (American Hydraulic Institute) recomienda que el NSS debe estar por debajo de 12.000 (232 SI), sin embargo, cada caso en particular debe ser evaluado para garantizar que se está seleccionando el NSS adecuado al servicio propuesto.En la Industria Petrolera se usa el criterio del AHI sobre todo en aplicaciones estándar, básicamente porque un NSS mayor a 12.000 (232 SI) limita el rango de operación de las bombas, cuando se está trabajando fuera del caudal y de la presión de diseño (BEP). Un estudio realizado en un periodo de cinco años en una serie de refinerías Norte Americanas determinó que las bombas con Velocidad Específica de Succión (NSS) mayor a 11.000 (213 SI) fallaron con una frecuencia que doblo a las bombas con baja Velocidad Específica de Succión, lo cual confirma como una buena práctica el criterio que recomienda el uso de bombas con bajo NSS.

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