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Confiabilidad de Bombas Centrífugas

Abr 3, 2024 | Articulo

Las bombas centrífugas están diseñadas para operar dentro de un rango específico de parámetros de diseño. En los manuales del fabricante, se garantiza la mejor condición de operación a lo largo de su vida útil, minimizando así el número de fallas de componentes importantes como los cojinetes y el impulsor.

Todos estos aspectos aseguran que los esfuerzos mecánicos e hidráulicos estén dentro de las características específicas para los cuales fue diseñada la bomba. Cualquier operación fuera de estos límites permisibles conllevará a una situación de operación incorrecta o de baja confiabilidad.

Operar fuera de los parámetros de diseño resulta en una reducción considerable de la vida útil del equipo, lo que se traduce en una mayor cantidad de fallas y costos de mantenimiento elevados.

Para evaluar la confiabilidad y la selección adecuada de una bomba, es fundamental examinar las curvas de caudal y cabeza de la bomba. Estas curvas nos brindan información sobre la capacidad de la bomba para generar presión en función del caudal.

Es importante comprender que las condiciones ideales de operación se encuentran dentro de un rango específico de flujo, generalmente entre el 80% y el 105% del punto de eficiencia máxima. Este rango refleja las condiciones para las cuales la bomba fue diseñada, y operar dentro de este rango maximiza su eficiencia y confiabilidad.

Además, es crucial monitorear los niveles de vibración, ya que superar los límites establecidos puede causar daños en los rodamientos y otros componentes dinámicos, acortando así la vida útil de la bomba.

En resumen, operar una bomba dentro de los parámetros de diseño adecuados garantiza su confiabilidad y eficiencia a lo largo de su vida útil, minimizando así el riesgo de fallas y los costos asociados al mantenimiento.

Regiones de operación de una bomba centrifuga, API 610
  • La diferencia de presión, se representa en el eje X de las coordenadas, esto indica el rendimiento de la bomba en términos de la diferencia de presión.
  • La diferencia en altura, es la presión de descarga menos la presión de succión, esto es lo que impulsa la bomba.
  • El comportamiento en vibraciones, aunque tiende a ser más pronunciado en ciertos rangos de flujo, si el diseño y la operación son adecuados, se minimiza esta tendencia.
  • La región de operación permitida, abarca el área donde la bomba puede operar eficientemente en relación con su punto de diseño.
  • Los límites de operación preferidos normalmente se encuentran entre el 80% y el 105% del punto de eficiencia máxima, donde la ingeniería ha enfocado sus esfuerzos para el diseño de la bomba.
  • Los límites de vibración indican niveles que, si se superan, pueden acortar rápidamente la vida útil de los componentes, como los rodamientos.
  • El límite básico representa las condiciones más estrictas que experimentará la bomba desde su instalación o reparación mayor, lo que puede implicar un acortamiento en la vida útil de los componentes.

Es fundamental comprender el flujo de mejor eficiencia, que corresponde al punto de operación óptimo en términos de caudal y presión diferencial de salida, asi como operar las bombas dentro de los parámetros de diseño recomendados para garantizar una vida útil prolongada y un funcionamiento confiable.

Ahora vamos a aplicar una curva de rendimiento estándar de una bomba centrífuga usando un caso particular real, ¿cómo sería? ¿cómo visualizaríamos la operación de una bomba centrífuga?

Aquí tendríamos diferentes componentes que están formando parte de la curva, vamos a explicar cada uno de ellos de manera que podamos entender mejor qué es y dónde deberíamos estar trabajando con las bombas.

En primer lugar, tenemos la curva de rendimiento, esta curva de color verde en nuestro caso, se refiere a todo lo que es el rendimiento operacional mecánico del desempeño de la bomba en todo su recorrido, desde el flujo cero, que es equivalente a la cerrada, hasta su flujo máximo de velocidad sónica, o límite ya fuera de lo subsónico, que podría impedir alcanzar las condiciones de operación.

Vemos que la curva de rendimiento, normalmente tiene este tipo de característica: a medida que el flujo aumenta, la energía cinética sobre el líquido va aumentando la energía potencial, que sería la diferencial de presión, va disminuyendo. Hay un rango en el cual es aceptable y de diseño que permite mayor confiabilidad, que es lo que llamamos el rango de operación preferido, que tiende a ser en promedio entre el 50% y el 60% hasta el 105% o 110% del punto de mejor eficiencia. Este rango como tal es donde la bomba se desempeña mejor desde el punto de vista de confiabilidad.

Luego tenemos un rango de operación permitido, el cual es un poco más amplio; puede operar desde el 10-20% del flujo hasta el 110-115% de todo el rango de flujo de operación, siendo el 100% el punto de mejor eficiencia. En este rango, el grado de confiabilidad de la bomba sigue siendo bueno, no es el ideal, se supone que está diseñada para trabajar aquí, pero en este rango todavía podría dar condiciones de operación aceptables, aunque con mucha dificultad y un margen de confiabilidad cada vez más bajo. Valores por debajo de esto, pues inmediatamente causarían daños serios con vibración, cavitación y otros elementos a altas temperaturas, gasificación del líquido.

Luego tenemos la sección de la curva de cabezal de NPSH, esta sería la tendencia de la curva en la medida que el flujo aumenta, el NPSH que requiere la bomba para mantener esas condiciones de flujo y presión, pues va en aumento. Sin embargo, el NPSH requerido está limitado por lo que llamamos el NPSH disponible, que está en función de la caída de presión, la vaporización del líquido en la entrada. En la medida que el flujo aumenta, la caída de presión está en función de la velocidad al cuadrado. Si la tubería tiene mantenimiento del mismo diámetro y el mismo tipo de líquido, en la medida que el flujo aumenta, la velocidad, ya que el área es constante, aumenta. Si la velocidad aumenta, como dijimos, la caída de presión está en función de la velocidad al cuadrado, significa que hay una mayor caída de presión. Si esa caída de presión cada vez se acerca más al punto de vaporización, la presión de vaporización de ese líquido va a hacer que la bomba cavite.

Finalmente, tenemos la curva de potencia, que viene siendo en la medida que el flujo aumenta, hay una mayor cantidad de energía moviéndose en el equipo, de consumo de amperaje y de energía del equipo motriz. Los rangos que vemos aquí menor o mayor están en función del diámetro menor o mínimo y el diámetro máximo del impulsor. En el diámetro mínimo tenemos menor consumo de potencia, pero también tenemos menor energía potencial cabezal de la bomba. Y en el máximo impulsor, tendremos la curva superior, que es la que le da el límite de máxima presión, posible energía potencial a la bomba.

Veamos un ejemplo: el punto de partida es el punto para el cual se seleccionó la bomba, que es de 950 galones y 233 pies, expresados en el sistema inglés.

Observamos que este punto se encuentra dentro del rango adecuado, ya que está ubicado en el área representada en amarillo, cercana al punto de máxima eficiencia. Este punto es representativo de una eficiencia del 84%, mientras que el punto de máxima eficiencia es cercano al 85%. Esto indica que estamos operando en una zona óptima y preferida para el funcionamiento de la bomba. Con un flujo de 950 y una cabeza de 250, la eficiencia es apenas un 1% inferior a la máxima eficiencia, lo que indica una condición de operación muy confiable y óptima. El consumo de potencia se sitúa en el rango del 66%, lo cual sugiere que se seleccionó un impulsor cercano al 80-90% del límite máximo del diámetro posible del impulsor. Esta selección indica que estamos trabajando dentro de los parámetros adecuados para el tipo de bomba y tamaño de impulsor elegidos. El NPSH requerido es de 18, y aunque no podemos determinar si el valor disponible está por debajo de este umbral, mientras esté por encima, no habrá problemas de cavitación. En resumen, este ejemplo ilustra una selección adecuada de la bomba y condiciones de operación óptimas.

Sin embargo, consideremos qué sucede si operamos con un flujo muy bajo. En esta situación, nos encontramos en un rango de operación aceptable pero con una disminución en la confiabilidad de la bomba. La zona en azul muestra que el rango de presión de eficiencia disminuye significativamente, pudiendo incluso caer por debajo del 50%. Esto indica que el motor consumirá más energía para cumplir con los requerimientos, ya que estamos operando una bomba sobredimensionada para el flujo al que está siendo sometida.

A flujos por debajo del punto de máxima eficiencia, puede ocurrir recirculación interna, lo que afecta negativamente la eficiencia de la bomba y puede causar problemas como oleaje hidráulico, daños en el impulsor, cavitación y aumento de la temperatura del líquido bombeado debido a la falta de flujo para disipar la energía generada por la bomba. Además, si la bomba tiene una velocidad específica alta, la curva de potencia y caudal aumentará a medida que la capacidad disminuya, sobrecargando el motor. La cavitación también puede ocurrir si el líquido bombeado contiene gases o se vaporiza.

Por otro lado, la operación con un alto flujo puede llevar a pérdidas significativas de eficiencia, especialmente si la bomba es demasiado pequeña para manejar el flujo necesario. Esto puede resultar en sobrecarga del motor, recirculación interna y cavitación.

Es fundamental comprender estos aspectos para operar las bombas de manera eficiente y segura dentro de los rangos adecuados de funcionamiento.

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