FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE MECANICA ELECTRICA PROFESOR: ING. ELI GUAYAN HUACCHA HUACCHA CURSO: MAQUINAS HIDRAULICAS TEMA: CAVITACION Y SELECCIÓN DE BOMBAS AUTORES: FERNANDEZ QUISPE JHORDIN
TRUJILLO-PERÚ 2016
INDICE -
INTRODUCCION
-
CAVITACION DE UNA BOMBA CENTRIFUGA
-
DESCRIBCION DEL FENOMENO
-
CAUSAS DE LA CAVITACION
-
DAÑOS PRODUCIDOS
-
COMO DETENER LA CAVITACION
-
COMO CORREGIR UNA CAVIACION
-
NPSH (REQUERIDO Y DISPONIBLE)
-
-
NPSH DE LA BOMBA
-
NPSH DE LA INSTALACION
SELECCIÓN DE BOMBAS CENTRIFUGAS -
COMPARAR CURVAS DE BOMBAS DE MODELOS DISPONIBLES
-
CASOS A TENER EN CUENTA C UENTA
-
ACTIVACIÓN, INSPECCIONES Y PRUEBAS
-
CONCLUCION
-
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
INDICE -
INTRODUCCION
-
CAVITACION DE UNA BOMBA CENTRIFUGA
-
DESCRIBCION DEL FENOMENO
-
CAUSAS DE LA CAVITACION
-
DAÑOS PRODUCIDOS
-
COMO DETENER LA CAVITACION
-
COMO CORREGIR UNA CAVIACION
-
NPSH (REQUERIDO Y DISPONIBLE)
-
-
NPSH DE LA BOMBA
-
NPSH DE LA INSTALACION
SELECCIÓN DE BOMBAS CENTRIFUGAS -
COMPARAR CURVAS DE BOMBAS DE MODELOS DISPONIBLES
-
CASOS A TENER EN CUENTA C UENTA
-
ACTIVACIÓN, INSPECCIONES Y PRUEBAS
-
CONCLUCION
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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
INTRODUCCION La cavitación o aspiraciones en vacío es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido en estado líquido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido debido a la conservación de la constante de Bernoulli. Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de tal forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor, formándose burbujas o, más correctamente, cavidades. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión e implosionan (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, «aplastándose» bruscamente las burbujas) produciendo una estela de gas y un arranque de metal de la superficie en la l a que origina este fenómeno. La implosión causa ondas de presión que viajan en el líquido a velocidades próximas a las del sonido, es decir independientemente del fluido la velocidad adquirida va a ser próxima a la del sonido. Estas pueden disiparse en la corriente del líquido o pueden chocar con una superficie. Si la zona donde chocan las ondas de presión es la misma, el material tiende a debilitarse metalúrgicamente y se inicia una erosión que, además de dañar la superficie, provoca que ésta se convierta en una zona de mayor pérdida de presión y por ende de mayor foco de formación de burbujas de vapor. Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en contacto con una pared sólida cuando i mplosionan, las fuerzas ejercidas por el líquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas muy altas, ocasionando picaduras sobre la superficie sólida. Nótese que dependiendo de la composición del material usado se podría producir una oxidación de éste con el consiguiente deterioro del material. El fenómeno generalmente va acompañado de ruido y vibraciones, dando la impresión de que se tratara de grava que golpea en las diferentes partes de la máquina. Se puede presentar también cavitación en otros procesos como, por ejemplo, en hélices de barcos y aviones, bombas y tejidos vascularizados de al gunas plantas. Se suele llamar corrosión por cavitación al fenómeno por el que la cavitación arranca la capa de óxido (resultado de la pasivación) que cubre c ubre el metal y lo protege, de tal forma que entre esta zona (ánodo) y la que permanece pasivada (cubierta por óxido) se forma un par galvánico en el que el ánodo (el que se corroe) es la zona que ha perdido su capa de óxi do y cátodo la que la mantiene.
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1. CAVITACIÓN DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA La cavitación puede ser el principal problema en lo que se refiere al bombeo de fluidos. En muchas ocasiones, se cree que la cavitación es un problema de la bomba en sí misma. Y más bien es un problema de la instalación que aparece sólo en la bomba porque las condiciones han cambiado o porque, en primer lugar, la bomba no se instaló correctamente. No importa cuál sea el tipo de bomba: centrífugas, de desplazamiento positivo, autocebantes o sumergibles, todas ellas pueden sufrir los efectos de la cavitación.
DEFINICIONES Presión atmosférica: en condiciones normales y al nivel del mar, su valor es de 10,33 metros de columna de agua (maca.); 760 mm de columna de mercurio (mm de Hg); 1.013,25 hPa; 1 atm o bien, 1,01 bar. Temperatura ambiente: la temperatura del emplazamiento de bombeo en un momento dado. Presión de vapor: presión a la que un líquido empieza a evaporarse. Depende de la temperatura del líquido. Implosión: colapso de una burbuja cuya presión interior es menor que la externa.
¿QUÉ ES LA CAVITACIÓN? El diccionario define este término como “formación de burbujas de vapor o de gas en el seno de un líquido, causada por las variaciones que éste experimenta en su presión.” Cuando las burbujas se colapsan aparecen unas oquedades o picaduras, en la superficie del metal en contacto con el líquido. Existen dos formas para que un líquido hierva: -
Una de ellas es calentarlo hasta alcanzar su punto de ebullición (100 ºC para el agua).
-
La 2ª manera es reducir la presión a la que está sometido el líquido hasta que éste entre en ebullición a temperatura ambiente.
En ambos casos, el líquido hierve a una presión de vapor relativa a una temperatura. En el interior de una bomba, se crean vacíos o zonas de presión negativa. Si este vacío excede la presión de vapor del líquido a bombear, entonces se forman burbujas de vapor que se desplazan por el sistema hasta implosionar, cuando existe una presión local suficientemente alta. Cuando las burbujas se col apsan,
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la implosión puede superar los 6.900 bar. Si la implosión se produce cerca de una zona metálica, se atacará su superficie con una picadura minúscula.
2. DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO Si se eleva la temperatura de un recipiente que contiene agua a presión constante (proceso 1-23-4 en la figura 2.1) hasta la temperatura de saturación correspondiente (punto 2) se comienza a observar un cambio de estado, produciéndose burbujas de vapor. Si a un sistema de agua líquida se le disminuye la presión a temperatura constante (proceso 1-5 en la figura 2.1) hasta la presión de saturación correspondiente (punto 5), se logran similares resultados.
Figura 2.1 Ebullición y cavitación en el diagrama T-S
El primer fenómeno descrito se denomina ebullición, y el segundo, cuando se debe a un descenso dinámico de la presión, se denomina cavitación. Obsérvese que, a medida que aumenta la temperatura, menor es el salto de presión necesario para llegar a la presión de vapor (figura 2.1). En la figura 2.2 y en la tabla 2.1 se presenta la
relación (Pv , T ) para agua.
Por lo tanto: La cavitación consiste en la formación de cavidades de vapor dentro del líquido como consecuencia del descenso local o total de la presión absoluta del líquido en una zona hasta la presión de vapor correspondiente a la temperatura del líquido en esa zona.
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Visualizaciones fotográficas de tales burbujas (ver Figura 2.3) muestran que éstas crecen al introducirse en regiones de presiones menores a Pv, llegan a un tamaño máximo, y al encontrar gradientes adversos de presión colapsan. Luego se regenera la burbuja y vuelve a colapsar. Este ciclo se llega a repetir 5 o 6 veces para cada burbuja, en no más de 0,006 segundos, por lo que las frecuencias asociadas a este fenómeno serán del orden de 1 kHz.
Figura 2.2
Tabla 2.1
Presión de vapor del agua
Alturas d vapor del agua
Se resumen a continuación algunas observaciones, de acuerdo a lo anteriormente expuesto, respecto al fenómeno de la cavitación: 1.
La cavitación ocurre en líquidos (no en gases).
2. Es el resultado de un descenso de la presión absoluta por lo que puede ser controlado controlando la presión absoluta mínima. 3. Se refiere a la aparición y desaparición de cavidades en el líquido. 4. Es un fenómeno dinámico pues involucra surgimiento, crecimiento y colapso de tales burbujas o cavidades. 5. Puede ocurrir en líquidos en reposo o en movimiento. 6. Puede ocurrir tanto en el seno del fluido como sobre la frontera.
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Figura 2.3 Fotografía de burbujas de vapor originadas por cavitación
CAUSAS DE LA CAVITACIÓN En una bomba hay dos zonas donde puede producirse el fenómeno de la cavitación.
Cavitación en el ojo del rodete o de aspiración. Se produce cuando existe demasiado vacío que excede la presión del vapor del líquido bombeado. El líquido hierve y se separa del resto. Las bolsas de vacío aparecen en el centro del impulsor, que es la zona de más baja presión, y se desplazan hasta su implosión o colapso.
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Este tipo de cavitación la causa una altura de aspiración excesiva o bien, que el NPSHD de la instalación se vuelva insuficiente por aumento de la pérdida de carga en la succión de la bomba (obstrucciones parciales). La bomba no provoca ambas situaciones sino depende de su entorno (instalación / aplicación).
Cavitación en el tajamar de la voluta o de impulsión. Esta situación se da cuando la altura de descarga es demasiado alta, desplazando el punto de trabajo hacia la izquierda y fuera de la curva de funcionamiento. La cavitación se localiza entre el extremo del álabe del rodete y donde acaba la envolvente del cuerpo o tajamar. El líquido se “estira” debido al bajo caudal y a la alta presión diferencial en ambos lados del tajamar.
Al paso de los álabes, se forman y se colapsan burbujas continuamente. Entre un álabe y el siguiente, aparecen burbujas que permanecen en el tajamar hasta que el siguiente álabe la alcanza. Es entonces cuando se crea una presión suficiente que permite la implosión de la burbuja en el extremo del álabe. En la parte posterior del álabe ya se ha formado una nueva burbuja que permanece ahí hasta que implosión en el siguiente álabe.
DAÑOS PRODUCIDOS Debe tenerse en cuenta que válvulas y otros accesorios pueden cavitar sufriendo los mismos efectos perjudiciales que una bomba. Si una válvula tiene su admisión parcialmente cerrada, probablemente cavitará y se deteriorará de la misma forma que lo haría un impulsor y la placa de desgaste de una bomba cuya aspiración estuviera obstruida.
Efectos de ambos tipos de cavitación
Efectos de la cavitación de impulsión
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Desgaste producido por la cavitación en un rodete de una bomba centrífuga
En la cavitación de aspiración, el daño observado puede abarcar desde unas pocas picaduras localizadas en el ojo del rodete hasta una rotura total del impulsor y destrucción de la placa de desgaste. En la mayoría de casos, el daño consiste en picaduras en el rodete y en la placa de desgaste. A veces se describe el daño como si fuera un queso suizo o como si se hubiera ametrallado el rodete. En general, el daño provocado por una cavitación de aspiración se limita a estas dos piezas. La cavitación en el tajamar de la carcasa o de impulsión es, con diferencia, mucho más destructiva que la cavitación de aspiración. Cuando se dan las circunstancias de una cavitación de impulsión, aparecen las picaduras características en el extremo de los álabes y por su parte anterior. Si la cavitación es suficientemente severa, el ataque avanza por todo el álabe. Por o tra parte, en carcasas de volutas simples, a causa de no compensarse la alta presión, el eje aumenta su deflexión a medida que la altura de bombeo es más alta. Gorman – Rupp diseña los ejes de sus bombas para que admitan esta deflexión en el rango de trabajo de la curva de funcionamiento. Sin embrago, si la altura de bombeo es suficientemente elevada como para que el punto de trabajo se sitúe a la izquierda de la curva característica, entonces se producirá la cavitación de impulsión que reducirá la vida útil del rodete. La deflexión del eje podría producir fatiga y su rotura; los rodamientos podrían deteriorarse por sobreesfuerzo y podría dañarse el cierre mecánico.
¿CÓMO DETECTAR LA CAVITACIÓN? Cuando una bomba cavita, se oye un ruido característico que recuerda un martillo golpeando una pieza de metal o como si la bomba tuviera piedras en su interior e impactaran constantemente. La forma más precisa para detectar la cavitación es tomar lecturas de presión en la aspiración e impulsión de la bomba y medir con exactitud la velocidad de trabajo de la bomba. Con esta información, se consulta la curva característica de la bomba y se determina dónde está trabajando la bomba. 7
Si se sospecha que la bomba padece una “cavitación de aspiración” la lectura de presión en la brida
de succión indicará un nivel de vacío importante o, posiblemente, debe revisarse el cálculo del NPSH. Evidentemente, si se abre la bomba y en el rodete se observa algún ataque similar a los descritos, entonces la cavitación ya no es una sospecha, sino que es una realidad.
CÓMO CORREGIR UNA CAVITACIÓN Es sencillo si se conoce la causa del problema. La cavitación de impulsión u operación demasiado a la izquierda de la curva característica implica reducir la altura de bombeo o bien, aumentar el caudal de trabajo para que la bomba “entre” en la curva. En algunos casos, puede ayudar aumentar la velocidad, pero debe conocerse la curva de la instalación antes tomar cualquier medida. En el caso de cavitación en la aspiración, puede deberse a algún cuerpo extraño que obstruye la tubería de succión de la bomba o bien, que la altura de aspiración es demasiado alta y en consecuencia el NPSHD es inferior al NPSHR de la bomba. Un vacuómetro instalado en la brida de aspiración solamente indicará que el vacío es elevado, pero no su causa. Si detecta un atasco en la tubería de aspiración, ¡límpielo lo antes posible! No inyecte aire comprimido porque lo devolvería al depósito y podría aspirarse de nuevo. Si la altura de aspiración es demasiado alta, acerque la bomba a la superficie del líquido o cambie la consigna de nivel del pozo de bombeo.
NPSH – CARGA DE SUCCIÓN NETA POSITIVA Por definición el NPSH es la carga de succión neta positiva, medida con relación al plano de referencia, aumentada de la altura correspondiente a la presión atmosférica y disminuida de la altura debida a la tensión de vapor del líquido. Hay que tener presente dos conceptos: -
NPSHreq
-
NPSHdisp
El NPSH de la bomba El valor NPSHreq . solamente depende de las características de la bomba y no de las de la instalación. Es variable para cadabomba en función del caudal y del número de revoluciones y es siempre positivo. El valor NPSHreq. es independiente de la naturaleza del fluido trasegado. Los valores NPSHreq. indicados en las curvas características de cada bomba son resultado de mediciones efectuadas con agua fría como fluido trasegado. Se obtienen en bancos de pruebas 8
especialmente diseñados para mediciones de los valores NPSH y pueden ser verificados en cualquier momento. El valor NPSHreq. da una indicación acerca de la capacidad de aspiración de una bomba en un punto determinado de la curva característica: cuanto menor es el valor NPSHreq., tanto mayor es su capacidad de aspiración. Unos valores reducidos de NPSHreq. pueden ser conseguidos gracias a adecuadas medidas constructivas. Son de una gran importancia, especialmente en el caso del trasiego de líquidos cerca del punto de ebullición (gases licuados).
El NPSH de la instalación El valor NPSHdisp. equivale a la reserva total de presión, por encima de la tensión de vapor del fluido, disponible en la brida de aspiración de la bomba. Este valor resume en un sólo término todas las características de la instalación que influyen en la altura de aspiración de una bomba. Cuando debe seleccionar una bomba, es suficiente para el fabricante conocer el valor NPSHdisp., con el fin poder garantizar el perfecto funcionamiento de una instalación de bombeo. Las características de la instalación contenidas en el valor NPSHdisp. son las siguientes:
H ac = la altura geodésica de aspiración [m] Es la distancia vertical comprendida entre el nivel de aspiración del líquido y el eje de la bomba. *)
Has = la altura geodésica de acometida [m] Es la distancia vertical comprendida entre el nivel del líquido en el recipiente de acometida y el eje de la bomba.
Tv = la tensión de vapor [bar abs.] del líquido a trasegar La tensión de vapor de un líquido a una temperatura determinada (t) equivale a la presión bajo la cual el líquido empieza a hervir, si esta presión es ejercida sobre l a superficie del líquido. (Ejemplo: agua hierve a 20 °C en un vacío de 0,023 bar abs.) p’=la presión del gas [bar abs.] ejercida sobre el nivel del líquido en la aspiración
El conocimiento de esta presión es particularmente importante. Si el recipiente de aspiración o de acometida es atmosférico, la presión del gas equivale a la presión atmosférica (p’ = 1 bar abs.). En las instalaciones de la industria química, en la mayoría de los casos, se utilizan recipientes cerrados, en los que la presión existente difiere de la presión atmosférica (instalaciones
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bajo vacío o bajo presión). Si el líquido a trasegar se encuentra en el interior del recipiente en estado de ebullición, la presión del gas encima del nivel del líquido equivale a la tensión de vapor (pt) de este líquido a la temperatura (t) del mismo. ρ densidad [kg/m3] del líquido a trasegar
g = aceleración de la gravedad g = 9,81 m/s2 Z = pérdida de carga [m] en la línea de aspiración T (ºC)
T (mmHg) Tv (bar) v
-10
2,149
0,00287
-5
3,163
0,00422
0
4,579
0,00610
5
6,543
0,00872
10
9,209
0,01228
15
12,788
0,01705
10
17,535
0,02338
25
23,756
0,03167
30
31,824
0,04243
35
42,175
0,05623
40 55,324 0,07376 Es la pérdida de carga resultante de la fricción en tuberías y válvulas. A menudo se utilizan valores estimados. En casos críticos puede realizarse un c álculo de pérdida de carga basado en pérdidas de carga individuales de tuberías, codos, válvulas etc. El cálculo debería ser realizado con el caudal máximo previsible Para el cálculo del NPSH disponible de una instalación, debemos distinguir entre:
Funcionamiento en carga:
= 105 ∗
( − ) (∗)
+
Hac
10
Funcionamiento en aspiración:
5
= 10 ∗
(′ ) ( ∗ )
El valor del NPSH requerido se determina mediante ensayos por el fabricante se expresa analíticamente como la presión en la zona del punto de mínima presión más la altura cinética en este punto.
A continuación, se demuestra que, efectivamente, si el NPSH disponible es mayor que el NPSH requerido la bomba no cavitará. Si aplicamos las Ecuaciones de Bernoulli entre los puntos OE y EX obtenemos 2 ecuaciones
Ecuación (1)
Ecuación (2)
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Si Px< Pv habrá cavitación:
Aplicando la Ecuación (2)
Aplicando la Ecuación (1)
Por lo tanto
Suponiendo que hEX pérdida de carga en el interior de la bomba es cero:
El primer término es el NPSH disponible y el segundo término es el NPSH requerido proporcionado por los fabricantes. Consecuentemente si se producirá cavitación. En las aplicaciones prácticas de ingeniería se aplica el criterio de buena práctica que indica que el diseño de las instalaciones que bombeen fluidos se realizará de tal forma que el NPSH disponible sea un 25% mayor que el NPSH requerido. A Partir de las expresiones de NPSH requerido y NPSH disponible se deduce que si aumenta el caudal de la bomba el NPSH disponible disminuye y el NPSH requerido aumenta, consecuentemente a partir de un determinado caudal se producirá cavitación En la siguiente gráfica se muestran la forma de las curvas del NPSH disponible y requerido en función del caudal:
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Ejemplos · Funcionamiento en carga: NPSH disponible = 105 * ((P’ – Tv ) / ( ρ * g )) + H ac - Z Se debe bombear agua a una temperatura de 5ºC desde un depósito abierto (a presión atmosférica), donde Hac = 2 m y Z = 0,5 m. Por lo tanto, en la tabla 1 podremos ver que TV a 5 ºC es 0,00422 bar. Así: NPSHdisponible = 105 * ((1 – 0,00422) / (1.000 * 9,81)) + 2 - 0,5 = 11,65 m Por lo tanto, cualquier bomba con un valor NPSHrequerido < 11,15 (con un margen de seguridad de 0,5 m), puede ser utilizada en esta instalación.
· Funcionamiento en aspiración: NPSHdisponible = 105 * (( P’ – Tv ) / ( ρ * g )) - Has - Z
Se debe bombear agua a una temperatura de 25 ºC desde un pozo cuyo nivel se encuentra a Has = 1 m (a presión atmosférica), donde Z se estima en 1 m. Por l o tanto, en la tabla 1 podremos ver que la Tv a 25 ºC es 0,03167 bar.
Así: NPSHdisponible = 105 * ((1 – 0,03167 ) / (1.000 * 9,81 )) - 1 - 1 = 7,87 m Por lo tanto, cualquier bomba auto aspirante o no auto aspirante, con un valor NPSHrequerido < 7,37 (con un margen de seguridad de 0,5 m), puede ser utilizada en esta instalación.
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SELECCIÓN DE BOMBAS CENTRÍFUGAS DEFINICIÓN Un equipo de bombeo es un transformador de energía. Recibe energía mecánica y la convierte en energía que un fluido adquiere en forma de presión, de posición o de velocidad . Así, existen bombas que se utilizan para cambiar la posición de un cierto fluido. Un ejemplo lo constituye una bomba de pozo profundo, que adiciona energía para que el agua del subsuelo salga a la superficie. Un ejemplo de bombas que adicionan energía de presión sería un acueducto, en donde las alturas, así como los diámetros de tubería y velocidades fuesen iguales, en tanto que la presión es aumentada para vencer las pérdidas de fricción que se tuviesen en la conducción. En la mayoría de las aplicaciones de energía conferida por una bomba es una mezcla de las tres, (posición , presión y velocidad), las cuales se comportan con los principios de la mecánica de fluidos.
CLASIFICACIÓN GENERAL DE LAS BOMBAS Existen varios tipos de bombas que se pueden clasificar de la siguiente manera: * Reciprocantes Desplazamiento Positivo
* Rotatorias
BOMBAS
* Centrifugas Dinámicas
* Especiales
ESPECIFICACIÓN Y SELECCIÓN DE BOMBAS Analizando las etapas por las que pasa la adquisición de una bomba desde su gestación hasta que se encuentra en servicio en la planta, se puede observar que unas corresponden al fabricante exclusivamente y otras al usuario; a partir de un punto existirá un paralelismo o correspondencia entre ellos. En el gráfico se ha reseñado a grandes rasgos, las etapas e indicando la correspondencia.
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FABRICANTE Diseño de la máquina Calculo de los elementos Modelo Ensayos Prototipos Ensayos ( Para obtener características) Comercialización Oferta Fabricación Pruebas Envío
USUARIO Proceso Normas Diseño del sistema Cálculo del sistema Hoja de datos Especificaciones Petición de oferta Selección Activación Inspecciones Pruebas Autorización de Envío Recepción Instalación Puesta en servicio
Servicio Técnico Mantenimiento
Diseño del Sistema Cuando un proceso precisa la instalación de una bomba, lo primero es el diseño de la instalación; punto este que debe estudiarse con cuidado, para evitar detalles errados, presentando especial atención a la línea de aspiración; evitando bolsas de aire, exceso de codos y malas disposiciones de estos; así como un correcto dimensionamiento de la tubería. Seguidamente para el cálculo del sistema se debe tener presente que los datos sean lo más exacto en cuanto a caudales, presiones necesarias en la descarga, fluctuaciones de nivel o presión en la aspiración, recorrido geométrico de la tubería, peso específico del fluido, viscosidad, temperatura, presión de vapor y cualquier otro parámetro que pueda influir en la determinación de la curva de carga del sistema. Si es preciso se calculará el NPSH (Altura Neta Po sitiva de Succión Disponible). Con estos datos se construirá la curva de carga de la instalación y se revisará la lista de los resultados, si es necesario, hacer alguna modificación en el diseño. A continuación se tomarán los datos que faciliten al fabricante realizar la oferta de la bomba apropiada. Esta información se presentará en una “Hoja de Datos” con el fin de encontrar fácil y ordenadamente cualquier
información que se precise. En resumen de lo anterior son establecidos los pasos a seleccionar correctamente una bomba centrífuga basadas en las curvas características. 18
Tomando como base manejo de agua clara de gravedad específica 1.0 es determinada la capacidad necesaria de descarga a la bomba en gpm. Determinar cuidadosamente la cabeza total dinámica del sistema en el cual es necesaria la bomba. Recordar que la cabeza total dinámica TDH consiste en la suma de tres factores: Cuando la bomba está por encima de la fuente de suministro de líquido a bombear y predomina una cabeza de succión a levantar (por debajo de la horizontal) TDH = hs + hd + hf Sin embargo, si la fuente de suministro está por encima de la bomba y el líquido fluye hacia la bomba por gravedad predomina la condición de una cabeza estática de succión: TDH = hd – hs + hf donde:
hs = Cabeza estática a levantar en la succión. La distancia vertical en pies desde el nivel libre de la fuente, hasta el eje central horizontal de la bomba.
hd = Cabeza estática de descarga: distancia vertical en pies desde el eje central horizontal hasta la descarga libre. En caso de descargar a un equipo presionado determinar la cabeza equivalente.
hf = La cabeza en pies de líquido necesaria para vencer la resistencia de la fricción de tuberías y conexiones en ambos lados, succión y descarga. Para determinar la cabeza total dinámica de un sistema de bombeo, tanto la cabeza de fricción como la estática debe ser calculada para condiciones de operación máximas o extremas. Es decir, la cabeza estática será la máxima a esperar a que ocurra y la cabeza por fricción determinada para la capacidad máxima de flujo. Comparar curvas de bombas de modelos disponibles
El punto de corte de la curva de cabeza del sistema con la curva de cabeza-capacidad de la bomba es llamado el punto de operación de la bomba. Esta será la tasa de flujo que la bomba entregará al menos que unas características del sistema sean cambiadas, por ejemplo restringiendo la válvula de salida. Hoja de Datos
Se pueden encontrar ejemplos de éstas en los libros especializados, especificaciones y en los catálogos de los fabricantes. Sin embargo, de manera general, las empresas usuarias confeccionan las suyas de acuerdo con sus experiencias y organización. La hoja de datos debe contar con cuatro partes básicas: 19
1.
Identificación de la bomba: En esta figurará en detalle, planta donde se instalará, pedido a que corresponde y cualquier otro dato que le identifique dentro de la instalación.
2.
Datos facilitados por el cliente: Aquí se indicará lo correspondiente al servicio, características del líquido bombeado, caudales y presiones, forma de accionamiento, requerimientos constructivos de la bomba en función del servicio que va a realizar, requisitos de los materiales, los cuales estarán de acuerdo con todas las características fisicoquímicas del fluido, pudiendo utilizarse para su elección la tabla que figura en la Norma API 610 emitida por la “American Petroleum Institute”. Se enunciará además la indicación de las pruebas e inspecciones que son requeridas, con la alternativa de que sean efectuadas solamente por el fabricante, el cual entregará posteriormente un certificado, o si han de ser presenciadas por el cliente.
3.
Datos del Fabricante: Esta parte irá en blanco y será llenada por el fabricante facilitando la información necesaria para poder hacer un estudio de la bomba ofertada. Por esta razón, es de gran importancia la elección de las cuestiones que se van a plantear, ya que de estas, depende la información que el fabricante facilite. En esta parte se consignará el modelo y tipo de la máquina, todas sus características constructivas y operacionales, datos de su lubricación, conexiones auxiliares y principales, como todos los demás datos complementarios.
En un espacio reservado en la margen figurarán todas las notas aclaratorias del caso. Deberán tenerse en cuenta las unidades físicas a emplear en la hoja de datos. Estas deben ser apropiadas y homogéneas, utilizándose cada vez más el Sistema Internacional (SI). Se confeccionará una hoja para cada bomba o grupo de bombas gemelas. 4.
Especificaciones: La hoja de datos describe y puntualiza las características que debe de tener la bomba. Sin embargo, hay detalles que no se incluyen por lo que se impone la redacción de unas especificaciones donde se indiquen los requisitos mínimos que deban cumplir las maquinas.
Como ejemplo y base de estas especificaciones se tienen ya citadas las Normas API; l a numero 610 se ocupa de las bombas centrífugas para procesos. Muchas empresas se amparan exclusivamente en esta norma pero es importante que el usuario desarrolle sus propias normas, llenando en esta forma algunas de las lagunas que las referidas Normas API 610 dejan, a la vez que se adaptan a las propias necesidades y exigencias. Las especificaciones de este tipo deben incluir el diseño tanto de la propia bomba como el de las bancadas, acoplamientos, ejes, equipo de accionamiento, impulsores, aros de roce, cojinetes, camisas, refrigeraciones, placas de características, etc., describiéndose todo en cuanto formas, dimensiones, tipos, marcas deseadas en los materiales en serie a emplear, tolerancias de fabricación y materiales a utilizar en función de las temperaturas, presiones y naturaleza del fluido. Se describirán las inspecciones y pruebas que se pretendan efectuar en la bomba, tolerancias aceptables en los datos obtenidos, delimitación de responsabilidades etc. Se indicará también la información técnica que debe acompañar a cada bomba.
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El fabricante deberá indicar que puntos de la especificación no puede cumplir o propone modificar. Este punto será importante al efectuar el estudio comparativo de los distintos ofertantes. Sobresale que la mejor selección de bombas necesita cooperación entre el usuario y el fabricante. Las hojas de datos estándar ayudan a la presentación de los datos del proceso. En estas hojas la información está muy resumida, por eso el profesional o técnico responsable de la adquisición de la bomba es solicitado en ocasiones para proporcionar esquemas de la instalación y detalles complementarios. Cuando son tenidos en cuenta los factores de tolerancia es preferible anotar los valores calculados de por ejemplo cabeza y capacidad y los valores deseados de diseño. Un factor arbitrario puede representar la selección de una bomba muy costosa. Las bombas que deben ser especificadas como auxiliares para dos servicios diferentes necesitan cuidado, comparando el trabajo o potencia para cada servicio, la presión diferencial y la capacidad. La cabeza dada por una bomba centrífuga permanece casi invariable para una capacidad dada independiente de la gravedad específica, ( cabeza en pies x libra / libra del fluido = pies ).
Petición de la Oferta Una vez recopilada la información a suministrar el fabricante, en la forma descrita, se procederá a enviarla a los posibles suministradores, que previamente se han preseleccionado por su experiencia y gama de fabricación esperando de éstos su oferta técnica y económica. Selección
Una vez se tiene la información de los ofertantes se realiza la selección de la bomba más apropiada. Para esto se procede a tabular los datos correspondientes a los distintos ofertantes, haciendo una comparación homogénea. Posteriormente se hará un cuadro-resumen donde se puede decidir la aceptabilidad de las bombas; esto naturalmente dependerá del número de las ofertas recibidas y de las distintas bombas que se tengan que analizar. Los puntos que se analizarán en la comparación serán, en primer lugar que se cumplan las características exigidas en la hoja de datos y dentro de esto, que las características estén dentro de un rango admisible de las características de la bomba. Con este criterio se estudiarán detenidamente los siguientes factores: -
Caudal mínimo continuo.
-
Diámetro de los impulsores, en relación al máximo y mínimo admisible para el tipo ofertado. 21
-
Altura a caudal nulo, la cual debe estar entre un (-+ 10) y (+20) de la correspondiente al punto de trabajo, para evitar excesivas presiones al cierre de la válvula, y por otra parte, permitir una cierta regulación.
-
NPSH requerida por la bomba. Esta nunca deberá ser mayor que la disponible y lo deseable es que se garantice, por lo
menos, un metro por debajo de aquella. Cuando la diferencia
entre la disponible y la requerida no sea mayor de 2 metros, se debe pues solicitar su ensayo en fábrica. Se hace una comparación de la curva del sistema, con la teórica de la bomba ofrecida por el fabricante, situando sobre ésta el punto o los puntos de trabajo. En la Figura se ven sobre las curvas correspondientes a una bomba, la situación del punto de trabajo, considerando cinco casos diferentes que se comentan a continuación:
1. CASO A: Se encuentra en el punto de máximo rendimiento, pero correspondiendo a la línea del impulsor de máximo diámetro, por lo que las características de la bomba no podrán aumentarse de exigirlo así una modificaci6n del sistema. 2. CASO B: EL punto de trabajo se encuentra sobre la curva de diámetro mínimo de impulsor, indica un claro sobredimensionamiento de la bomba, y por lo tanto, representa así un encarecimiento. 3. CASO C: Aquí está situado en un diámetro intermedio, pero el rendimiento es muy bajo y, por lo tanto, el consumo elevado; la bomba está sobredimensionada. 4. CASOS D Y E: Ambos serían teóricamente correctos, pero mientras el D al aumentar el diámetro del impulsor mejoraría el rendimiento, en el E disminuiría. Por lo tanto, el D seria el óptimo entre los diferentes casos considerados.
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Resumiendo, el punto de trabajo debe corresponder a un diámetro de impulsor no superior al 90% del máximo y situado en la parte izquierda del rendimiento máximo. La forma de la característica debe ser, asimismo, motivo de estudio. Una curva excesivamente plana no admite regulación de caudal al estrangular la válvula de impulsión; por el contrario, si su pendiente es grande, el punto de trabajo puede modificarse con excesiva facilidad. Los máximos en la curva deben evitarse, principalmente si han de trabajar en paralelo con otra. Esta instalación es muy utilizada cuando se desea obtener mayor caudal con la misma altura.
Cosas a tener en cuenta Cuando los fluidos a bombear tengan una viscosidad alta, se deberá conseguir las curvas corregidas por viscosidad pues normalmente, están preparadas para agua. Los puntos que los fabricantes presentes en desacuerdo con las especificaciones enviadas deberán estudiarse cuidadosamente. Estas excepciones no indican necesariamente que la bomba ofertada no sea la adecuada, pues las especificaciones, pues las especificaciones, por ser generales, admiten flexibilidad según lo s casos. En este punto del proceso se puede dar un dictamen de tipo técnico, el cual deberá completarse con otros factores, tales como plazo de entrega, garantía, servicio técnico disponible, experiencia del fabricante etc. Seguidamente deberá realizarse el estudio económico para lo cual se considerará no sólo el precio de la máquina, sino también todos los costos adicionales que pueden afectar, tales como pruebas, embalaje, transporte y accesorios solicitados. Se tomará también en cuenta el costo de impuestos y servicio técnico, no olvidando el consumo energético de la bomba. Es aconsejable solicitar la lista de precios, lo más desglosada posible, para mayor facilidad en caso de un cambio o anulación de algunas de las partidas. Así, en el caso de bombas centrífugas, se pueden solicitar los siguientes:
Embalaje
Acoplamiento
Transporte
Cierre Neumático
Pruebas solicitadas
Acoplamiento del motor en fábrica
Bancada
Tubería auxiliar
Repuestos para dos años de funcionamiento continuo
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Cualquier otro accesorio o servicio necesario
De esta manera se podrá hacer una comparación ponderada según las necesidades y seleccionar la máquina más conveniente.
Activación, Inspecciones y Pruebas Una vez adjudicado el pedido de la bomba, el usuario hará, amparado en sus especificaciones, el seguimiento que considere oportuno del proceso de fabricación, tanto en lo referente a calidad y procedimientos como al cumplimiento de plazos de ejecución de las distintas fases; a esto se le llama activación. Este seguimiento culmina con la realización en fábrica de las pruebas previstas. Las pruebas e inspecciones son generalmente las siguientes: -
Inspección previa que consiste de la verificación de sus dimensiones, tolerancias y acabados de l as piezas que componen la máquina, todo esto antes de proceder al montaje.
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Prueba hidrostática. Se someterán a esta prueba todos los elementos que trabajan a presión, tales como carcasa, cámara de cierre, soporte de cojinetes y disipadores de calor si hay. Todos estos elementos estarán sin pintar en el momento de la prueba y se someterán a una presión mínima de 1,5 veces la de trabajo, durante media hora. Conjuntamente a esta prueba, se realizará un control dimensional de espesores de las paredes, que deberán ser iguales ó mayores a los indicados en la "hoja de datos", teniendo en cuenta el sobre espesor de corrosión. También se comprobará la calidad de fundición y el taladrado de bridas.
-
Prueba de Funcionamiento. Una vez montada la máquina, se pondrá y mantendrá en funcionamiento hasta que se estabilicen las temperaturas de los cojinetes. Durante este tiempo, además de controlar la temperatura que, como norma general, no debe bajar en más de 40 C, a la del ambiente, ni ser superior a los 80 C, se realizarán las mediciones de caudal, presión y potencia absorbida en distintos puntos de funcionamiento, para poder determinar las curvas de caudal-altura, caudal-potencia y caudal-rendimiento. Los puntos que deber ensayarse para la
confección de la
curva deben ser por lo menos cinco, estando entre ellos el de caudal cero (válvula de impulsión cerrada), punto contratado y el de máxima apertura de la válvula. Si así se solicita se efectuará la determinación de la NPSH requerida por la bomba. Se observará el funcionamiento de la bomba en cuanto a suavidad de marcha, ruidos y perdidas por cierres y retenedores.
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Los datos obtenidos en cuanto a caudales, alturas, potencias, servirán de base para calcular los puntos que determinen las curvas correspondientes; para ello habrá de tenerse en cuenta la velocidad de giro del motor de prueba para hacer la oportuna corrección con respecto a la nominal del motor definitivo; también se hará en los resultados correspondientes a potencias la corrección, según el peso específico del fluido a manejar, ya que la prueba se efectúa normalmente con agua. Estos datos deberán estar dentro de las tolerancias especificadas con respecto a los solicitados. Inspección Interna. Una vez realizadas las pruebas de funcionamiento se procederá a desmontar la máquina completamente, con el fin de efectuar una inspección de las partes que han estado en movimiento y poder controlar las dimensiones y deformaciones donde interese. Las inspecciones a realizar serán: Comprobación del estado y terminación del eje, camisas, aros de desgaste, impulsores, cierres mecánicos o empaquetaduras cojinetes y rodamientos. Se controlarán las siguientes medidas: diámetro final del impulsor, juego de los a ros de roce, control muy importante, pues un juego pequeño aumenta el rendimiento por haber menos recirculación interna, pero el desgaste durante el funcionamiento es mucho mayor, principalmente si el líquido no es limpio por lo que interesa un huelgo grande, pero sin perjudicar el rendimiento. Control dimensional que es de gran importancia por las desagradables sorpresas, que en algunas ocasiones depara el hecho que la bomba no esté de acuerdo con los planos, principalmente la bancada, ya que normalmente se tiene finalizada la obra civil cuando se recibe la máquina. Lo mismo puede ocurrir con la situación de las bridas si se tiene prefabricada la tubería. Se pone especial interés en comprobar los siguientes puntos.
Distancias y dimensiones de los taladros de bancada, que corresponde a los pernos de anclaje a la fundación.
Provisión en la bancada de los necesarios orificios para llenado del mortero de asiento.
Comprobación de la altura disponible para la máquina motriz.
Dimensiones y posición de las bridas de conexión.
Recepción Cuando la bomba llegue a la planta se deberá tener a la mano toda la información necesaria, no solo para poder hacer el montaje, sino para constituir un plan con vista a su puesta en marcha y futura operación y mantenimiento. Esta información deberá constar de los siguientes documentos: 25
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Plano de conjunto actualizado.
-
Plano de tubería auxiliar.
-
Plano del cierre mecánico o empaquetadura.
-
Plano de sección con piezas numeradas y su correspondiente denominación y código.
-
Lista de repuestos recomendada para dos años de funcionamiento.
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Hoja de datos, revisada con las características finales.
Uno de los tipos de bombas comerciales LA SERIE CN: QUÍMICA NORMALIZADA ISO 2858/ISO 5199 PN16 DE IMPULSOR CERRADO.
Construcción:
Construcción según ISO 5199 y dimensiones según ISO 2858.
Diseño PROCESOS: desmonte sin desacoplar las tuberías o el motor.
Prevista para los servicios severos y continuos.
Bridas estándares DIN/NFE PN16.
Bastidor de 3 rodamientos lubrificados por el aceite del engrasador de nivel constante.
Impulsor cerrado, con anillo de usura sobre cuerpo. Anillo de usura sobre impulsor en opción según tamaño
Eje totalmente protegido del líquido bombeado.
Estanquidad por trenzas o sello mecánico normalizado simple, doble o tándem.
Control de la presión en la caja de guarnición por las alabes dorsales del impulsor.
Cámara de refrigeración en estándar.
Intercambiabilidad máxima de las piezas constitutivas de la serie.
Excelente rendimiento.
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NPSH requerido el más bajo.
Modelos corrientes en stock.
Cualidades técnicas:
Caudal: de 2 a 5 000 m3/h o de 10 a 22 000 U.S GPM.
Altura manométrica total: hasta 165 m o 540 pies.
Presión máxima de servicio: hasta 20 bar.
Temperatura de servicio admisible : de –40 hasta 180 °C.
Velocidad máxima: 3 000 rpm a 50 Hz o
3 600 rpm a 60 Hz.
Los materiales estándar :
Fundición.
Acero inoxidable austenítico 18/10/2,5*.
Acero inoxidable austenítico 20/25/4 +Cu*.
Acero inoxidable austeno-ferritico 26/5/2+Cu*. 27
Otros
materiales
realizables
por
pedido
:
titanio,
níquel, Hastelloy. * Los valores indicados son los porcentajes en Cr / Ni / Mo
Las industrias:
Industria química.
Industria petroquímica.
Industria siderúrgica.
Industria alimenticia.
Centrales térmicas.
Electro-metalurgia
Los derivados:
CDN: Con impulsor de descarga.
CNS: Impulsor semi-abierto.
CDNSF : Impulsor semi-abierto, platillo de usura y sello hidrodinámico.
CNSFR: Cuerpo con cámara de calentamiento.
CDNSFR : Cuerpo con cámara de calentamiento y sello hidrodinámico.
CN…SB : Sello hidrodinámico por bastidor con silla soporte con masas centrífugas.
CMNV: Verticalizada mono bloque tipo cámara seca.
CPNS: Con impulsor especial para pasta de papelería.
Para caudales superiores a 5 000 m³/h, la serie CN se completa por una serie de bombas hélico-centrífugas disponibles por pedido.
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