Sistemas de Flujo: Bombas y Sistemas de Bombeo.
Ing. Alexander Colina
Bomba: Definición más General Dispositivo mecánico que suministra energía a un fluido. Un motor eléctrico o algún otro dispositivo principal de potencia hacen girar el eje de una bomba, este entonces toma su energía cinética y la entrega al fluido, lo cual trae como resultado un aumento en la presión del mismo y este empieza a fluir.
Bomba: Definición más General Dispositivo mecánico que suministra energía a un fluido. Un motor eléctrico o algún otro dispositivo principal de potencia hacen girar el eje de una bomba, este entonces toma su energía cinética y la entrega al fluido, lo cual trae como resultado un aumento en la presión del mismo y este empieza a fluir.
Bombeo Es la suma de energía cinética y potencial a un líquido con el propósito de moverlo de un punto a otro en un sistema. Esta energía será causa de que el líquido haga trabajo como fluir por una tubería o elevarse a un nivel más alto.
Clasificación Dinámicas: turbomáquinas (de flujo axial o centrífugas), de efectos especiales (de chorro, levantamiento de gas, electromagnéticas) Desplazamiento: Reciprocantes (pistón y émbolo, diafragmas), rotatorias (rotor simple, rotor múltiple)
Principio de Funcionamiento de las Bombas Centrífugas Operan al aumentar la velocidad del fluido a medida que pasa a través de un impulsor que rota (que genera una fuerza centrífuga), la generación de presión se logra con la conversión de cabezal de velocidad en cabezal estático. El fluido entra por el centro del impulsor, es acelerado hacia la carcasa, y luego sale de la bomba a una mayor presión.
Consideraciones Generales •
• •
Manejan alta capacidad y alto cabezal. En ellas la capacidad, el requerimiento de potencia y la eficiencia varían con el caudal de flujo Son muy útiles en servicios continuos Son de alta eficiencia y fácil mantenimiento
Corte de una Bomba Centrífuga de una Sola Etapa mostrando sus Partes Principales
Corte Transversal de una Bomba Centrífuga de una Etapa Brida de Descarga
Brida de Succión
Impulsor Sello del Eje
Cojinete de Bola
Eje
Clasificación de las Bombas Centrífugas Según la dirección del flujo: Bombas de flujo radial Bombas de flujo mixto Bombas de flujo axial Según la posición del eje: Bombas de eje horizontal Bombas de eje vertical
Clasificación de las Bombas Según el número de etapas: Bombas de etapa simple o una etapa Bombas de etapas múltiples o multietapas Según el tipo de difusor (estator): Bombas con difusor de voluta Bombas con difusor de álabes fijos
Corte de una Bomba Centrífuga Vertical en una sola Etapa
Corte de una Bomba Centrífuga Horizontal en una sola Etapa
Sistema de Bombeo Comprende la tubería y los accesorios a través de los cuales el líquido fluye hacia y desde la bomba, en otras palabras se considera solo parte del sistema de bombeo la longitud de tubería y accesorios que contienen líquido controlado por la acción de bombeo.
Altura manométrica de Bombeo, Cabezales, y Potencia Hidráulica
Cabezal estático total
Cabezal estático de descarga Cabezal estático de succión
Cabezal Neto de Succión Positivo Requerido (NPSHR) Se refiere al cabezal neto de succión positivo requerido en la brida de entrada de la bomba, o en la línea central del impulsor, según haya sido señalado por el constructor, para una operación satisfactoria a las condiciones nominales especificadas. Este término, representa el cabezal necesario para que el líquido fluya sin vaporizarse, desde la entrada de la bomba hasta el punto en el ojo del impulsor, donde los álabes comienzan a impartir energía al líquido.
Cabezal Neto de Succión Positivo Requerido (NPSHR) Es el margen entre la presión real al nivel de referencia de la bomba y la presión de vapor a la temperatura de bombeo del líquido, convertido a cabezal de líquido bombeado
Cavitación Fenómeno pertinente a los líquidos que ocurre cuando la presión estática local que actúa sobre el líquido disminuye hasta hacerse igual o menor que la presión de saturación del líquido a la temperatura de bombeo originando la formación de burbujas de vapor.
Cavitación Estas burbujas son arrastradas hasta la zona de mayor presión estática donde se condensan bruscamente (implotan), causando grandes incrementos puntuales de presión. En bombas centrífugas las áreas más propensas a la ocurrencia de cavitación son los lados de baja presión de los álabes.
Consecuencias de la Cavitación •
•
•
Ruidos de crepitación o golpeteo, como si la bomba estuviese arrastrando arena Vibración de alta frecuencia y baja amplitud con sus consecuencias Picaduras y erosión en los impulsores y paredes de la carcasa
Consecuencias de la Cavitación •
•
•
Reducción de altura manométrica proporcionada por la bomba Reducción del caudal manejado debido a la turbulencia y bloqueo de los pasajes de flujo por las burbujas Disminución del rendimiento de la bomba.
EL NPSH:
Es una característica individual de cada bomba y está determinada por la prueba del suplidor. Es una función del diseño del impeler, del cuerpo de la bomba y de la velocidad de rotación empleada. Los líquidos puros tienden a causar un requerimiento alto de NPSHR, porque éstos se vaporizan a la misma condición de presión y temperatura. Los flujos de mezclas líquidas tales como: corrientes típicas de refinería, causan una reducción en el NPSHR real con respecto al de las corrientes puras, porque solo una parte de la corriente ebulle inicialmente.
El requerimiento real de NPSHR para hidrocarburos tiende a ser menos que para agua fría y menor que para agua a la misma temperatura. La experiencia ha demostrado que las bombas se deben especificar en base a los valores del NPSHR probados con agua, es decir, decir, basado en datos del agua con gravedad específica de 1.00. Los valores del NPSHR no deben exceder a los del NPSHD, sobre todo el rango (desde flujo mínimo hasta flujo normal de operación) NPSHD ≥ NPSHR
El NPSHD se calcula para cada sistema en particular y depende de las características del sistema del lado de la succión. Pocas veces excede los 25 pies en un diseño práctico y económico. Si es bajo, de 1 a 7 pies, es necesario que se especifique con exactitud
Si la velocidad de la bomba cambia, el NPSHR varía y para un flujo dado, el nuevo NPSHR se puede calcular por:
1/2
NPSHR =
N x (GPM)
4 / 3
S
Sí solo se cambia el diámetro de impeler se puede utilizar la curva original de NPSHR - vs - Q para calcular el nuevo del NPSHR.
La velocidad específica de succión es un índice, que se utiliza para clasificar, en líneas generales el tipo de impeler, las características típicas de las bombas centrífugas y el rango de eficiencia que se consigue con ese tipo de bombas(2). Este índice es independiente del tamaño de la bomba y esta dado por:
S = N
(GPM)
1/2
(NPSH)
3/ 4
Donde: S = velocidad específica de succión N = velocidad de rotación en RPM GPM = galones por minuto de fluido bombeado en el punto de máxima eficiencia NPSH = cabezal neto de succión positivo para la capacidad a máxima eficiencia.
Cabezal total (H) Anteriormente se le conocía como cabezal total dinámico y para un sistema en particular, es igual al cabezal total de descarga (hd) menos el cabezal total de succión (hs); o más el cabezal total de levantamiento
Cabezal estático total
Cabezal estático de descarga Cabezal estático de succión
Cabezal estático total
Cabezal Cabezal estático estático de descarga de descarga
Cabezal estático de levantamiento
Cabezal total de succión (hs) Existe cuando el reservorio de líquido está situado por encima de la línea central de la bomba. En una instalación existente, hs será igual a la lectura del manómetro de la brida de succión convertida a pie de líquido y corregida a la línea de elevación central de la bomba, más el cabezal de velocidad en pie de líquido existente en el punto donde está colocado el manómetro.
hs =
P1
Z1 - h L
hs = presión leída en el manómetro + cabezal de velocidad
Cabezal total de levantamiento Existe cuando el nivel de líquido está situado debajo de la línea central de la bomba y es igual al levantamiento estático de succión, más todas las pérdidas por fricción en la línea de succión, incluyendo las de entrada. En una instalación existente, el cabezal total de levantamiento es igual a la lectura de la columna de mercurio o del manómetro de vacío en la brida de succión, convertida a pie de líquido bombeado y corregida por elevación con respecto a la línea central de la bomba, menos el cabezal de velocidad en pie de líquido en el punto de conexión del manómetro.
h LS
Z1 + h L -
P1
Cabezal total de levantamiento = presión manométrica - cabezal de velocidad
Cabezal total de descarga (hd)
Es la suma de: 1. Cabezal estático de descarga 2. Todas las pérdidas por fricción en la línea de descarga 3. La presión en la cámara de descarga (ejemplo: tanque cerrado) 4. Pérdidas por expansión súbita (como en la caja de agua de un condensador), entre otros.
Para una instalación existente, el cabezal total de descarga será la lectura correspondiente al manómetro de la brida de descarga convertida a pie de líquido, en el punto de localización del manómetro más el cabezal de velocidad en pie de líquido.
Para estos sistemas las presiones son manométricas, (he) representa las pérdidas de salida en el punto B y (hfd) representa las pérdidas por fricción desde A hasta B. I
II
Pd
B
B D
D
A
A
hd = D+ hfd + he + Pd
hd = D+ hfd + he
III
B
D
A hd = D+ h fd + he
Para estos sistemas las presiones son manométricas, (he) representa las pérdidas de salida en el punto B y (hfd) representa las pérdidas por fricción desde A hasta B.
IV-b
IV-a
B D1
D
D1
D2
A
B D
A hd = D+ h fd + h e
h = D+ h + h d fd e
Para estos sistemas las presiones son manométricas, (he) representa las pérdidas de salida en el punto B y (hfd) representa las pérdidas por fricción desde A hasta B.
V
A
D
B hd = (-D)+ h fd + h e
NPSHD = cabezal total de succión – Presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo
Para el nivel del líquido por debajo de la línea central de la bomba. NPSHD = presión absoluta sobre la superficie del líquido (en pie de líquido) - altura de líquido - las pérdidas totales por fricción (en pie de líquido) - la presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo.
Para nivel de líquido por encima de la línea central de la bomba. NPSHD = presión absoluta sobre la superficie del líquido (en pie de líquido) + altura de líquido hasta el nivel de referencia - pérdidas totales por fricción presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo.
En una instalación existente, el NPSHD se obtiene transformando la lectura del manómetro en la brida de succión a pie de líquido, corrigiéndola por elevación con respecto a la línea central de la bomba, sumándole el cabezal de velocidad existente en el punto donde está situado el manómetro y restándole la presión de vapor de líquido a la temperatura de bombeo.
NOTA: A la capacidad de diseño, el margen entre el NPSHR y el NPSHD debe ser no menos de 3 pie.
Trabajo Realizado El trabajo útil realizado por la bomba es igual al flujo másico del líquido bombeado, multiplicado por el cabezal desarrollado por la bomba. Este trabajo generalmente se expresa en HP y se denomina comúnmente “Water Horse Power”.
WPH = Q x H x
s 3960
Donde: WPH = Water horse power Q = capacidad en GPM H = cabezal total en pie s = gravedad específica
Potencia A la potencia requerida para mover la bomba se denomina comúnmente BHP de entrada. La eficiencia de la bomba será la relación entre el WHP y la potencia alimentada a la bomba.
WHP = (generalmente, entre 0.5 y 0.85) BHP
BHP =
Qx H
x
s 3960
Curvas Características Para una velocidad de rotación dada, la bomba centrífuga es capaz de manejar una capacidad de flujo desde cero, hasta un máximo que depende del diseño, tamaño y condiciones de succión presentes. El cabezal total desarrollado por la bomba, la potencia requerida para moverla y la eficiencia resultante varían con la capacidad del flujo. La interrelación entre estas variables, se presenta en la figura siguiente y se conoce comúnmente como curvas características de la bomba.
Curvas Características 180
90
160
80 H - Q
140 ei p n e l at ot
Punto de máxima eficiencia
120
ia c n ei ci f e e d %
60
- Q
100
50
Q P -
l
a z e b a c
-
70
80
40
60
30 .
40
20
20
10
0
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
Capacidad x 100 GPM
18
20
22
.
-
P P. H. B
Curvas Características NPSH - PIE 20 NPSH A IMPELER
10 EFF % 0
CABEZAL
e i p n e l a t o t l a z e b a C
90
CABEZAL A MAXIMO D 800
80
700
70 EFF %
600
60
CABEZAL A MIN. D 500
50
400
B.H.P. 40 150 30
300
100 B.H.P. 0.51 SP. GR CERTIFIED TEST PERFONMANCE 50 BINGHAH-WILAMENTE CO. SHREVEPORT. LA
0
0
100 FLUOR / LAGOVEN
200
300
400 G.P. M
PUMP ENG. DEPT.
500
600
800
3X4X14 CVA
MAX. D. 14” MIN. D. 11”
700
D IMP 13.33”
PAT. DEL IMP. 313 CAP-1
3560 RPM
20 10 0
Curvas Características Aumento continuo en la pendiente de la curva cabezal-capacidad. Significa que la curva muestra un aumento progresivo en el cabezal a medida que la capacidad disminuye
Curvas Características
Curva de aumento continuo
Ca acidad
Curvas Características Caída en la pendiente de la curva cabezal-capacidad. Significa que el cabezal desarrollado al cierre (Shut-Off) es menor que el desarrollado en algún punto con capacidad diferente de cero. Otra terminología utilizada para éste caso es conocida como Looping Curve.
Curvas Características
l
a z e b a C
Curva de caída en la pendiente
Capacidad
Curvas Características Curva cabezal-capacidad plana. Significa que el cabezal varía muy poco con la capacidad desde flujo cero hasta la capacidad de diseño. Toda curva que presente una caída en la pendiente, tiene una porción en la cual, el cabezal desarrollado es aproximadamente constante para un cierto rango de capacidades, en tales casos, a ese rango se le llama porción plana de la curva.
l
a z e b a C
Curva plana
Capacidad
Curvas Características La curva cabezal-capacidad comienza a flujo cero (Shut-Off). En este punto, la bomba puede presentar un aumento excesivo en la temperatura, un consumo excesivo de potencia, o una presión de descarga excesiva.
Cuando la bomba opera contra la válvula de descarga completamente cerrada, la potencia perdida es en magnitud igual a la potencia al freno a flujo cero. La cual, va directamente a calentar al líquido que se encuentra en el cuerpo de la bomba.
Curvas Características Tr
42.4 x BHPSO mL x C P L
Tr = elevación de la temperatura en °F/min BHPSO = potencia al freno a flujo cero (Shut-Off) 42.4 = factor de conversión de BHP a Btu mL = masa de líquido en el cuerpo de la bomba en lbm Cp L = capacidad calorífica del líquido Btu/lb °F
Variables que influyen en la curva cabezal capacidad del sistema Una bomba operando en un sistema debe desarrollar un cabezal total que es función de: 1. El cabezal estático entre la toma del líquido y el punto de descarga. 2. El diferencial de presión (si existe) entre el líquido en la toma y en el punto de descarga. 3. Las pérdidas totales por fricción en el sistema, incluyendo entradas y salidas. 4. El diferencial en el cabezal de velocidad entre la descarga de la bomba y la succión de la misma.
Punto de Operación de la Bomba Si la suma, del cabezal estático total más las pérdidas totales por fricción, para una serie de capacidades de flujo asumidas se grafica contra el flujo, la curva resultante, es la curva del sistema. Para determinar la capacidad de una o un grupo de bombas en un sistema, se sobreponen las curvas características de la bomba, sobre la del sistema y la intercepción indicará el flujo a través del sistema. En la figura se representa lo anteriormente expuesto.
Punto de Operación de la Bomba Curva H vs Q
Curva del sistema l a z e b a C
Capacidad
Punto de Operación de la Bomba N = 100% N = 90%
H1
N = 80%
H3
l a z e b a C
H2
Pérdidas por fricción
Presión estática
Capacidad
Q3
Q2 Q1
Punto de Operación de la Bomba H3
H2 H1
l a z e b a C
Capacidad
Q3
Q2
Q1
Bombas en Serie y Paralelo H Cabezal HT
Hvs Q 2 Bombas 2H
H1
H v s Q 1 B o m b a H
Q1
Capacidad
Bombas en Serie y Paralelo
H Cabezal H
Q
2Q
H-vs- Q 1 Bomba Q
Q Capacidad
Operación a Alto Flujo Ocurre cuando se sobre-especifican márgenes excesivos tanto en cabezal como en capacidad. La figura muestra claramente esta situación. De esta figura se observa que el flujo es mucho mayor que el requerido. Una solución sería estrangular la descarga hasta el flujo deseado y disminuir la potencia consumida. Pero si como ocurre frecuentemente, la bomba opera sin control, ésta siempre operará con el exceso de flujo indicado en la figura y a menos que, se disponga de suficiente NPSH la bomba cavitará y se dañará.
Operación a Alto Flujo H-Q
l a t o t l a z e b a c a i c n e i c i f e , P H B
. c i f E
H y Q esp.
H B P
Cap. de ope.
i s t. s l d e . v r C u
Cab. a cap. Des.
a e s e D . p a C
Capacidad
Operación a Alto Flujo La segunda situación ocurre cuando se utilizan dos o más bombas en paralelo y una de ellas se saca fuera de servicio porque la demanda ha disminuido. La figura muestra esta situación y se observa, que al operar solo una bomba, la capacidad de flujo es mayor que la de diseño. El NPSHD y el tamaño del accionador se deben seleccionar de tal manera que la bomba pueda manejar este exceso de capacidad.
Operación a Alto Flujo H - Q 2 b o m b a s e n p a r al e l o
H - Q 1 b o m b a
l a z e b a C
Cur. del sist. a b m o b 1 a b e u r p e d Q
Capacidad
a b m o b 1 Q . x á M
s a b m o b 2 Q . x á M
Operación a Bajo Flujo 1. La temperatura del líquido bombeado se incrementa y se pueden exceder los límites permisibles. 2. A un cierto flujo, por debajo al de máxima eficiencia, todas las bombas centrífugas están sujetas a recirculación interna tanto en la succión como en la descarga del impeler. Esta recirculación puede causar oleaje hidráulico y daño del impeler similar, al ocasionado por la cavitación clásica. 3. Si la bomba posee una velocidad específica grande, la curva de potencia vs capacidad aumentará a medida que la capacidad decrece. Si el accionador no ha sido escogido tomando en cuenta este hecho, se puede sobrecargar cuando se opere a bajo flujo. 4. Si el líquido bombeado contiene una cantidad apreciable de gas o aire y si la capacidad de bombeo se reduce mucho, la bomba puede cavitar.
Temperatura de Diseño La temperatura de diseño del cuerpo de la bomba se especifica normalmente con un margen de 28°C (82°F) por encima de la temperatura nominal de bombeo. Para bombas que operan por debajo de 60°F (15°C), como las criogénicas, es necesario especificar una temperatura mínima de diseño, basada en las características del servicio en particular.
