El rendimiento de una bomba centrífuga es modificable para evitar inconvenientes, influyendo además en su vida útil, gasto energético y durabilidad de los componentes del equipo.
CERRANDO EL CÍRCULO
Llegamos a esta quinta entrega de la serie de notas centradas en las curvas, donde desarrollamos los siguientes temas: 1º parte M3h 49 – Curvas de rendimiento; 2º parte M3h 50 – Curva del sistema; 3º parte M3h 52 – Lectura de las curvas de rendimiento en casos particulares; 4ª parte M3h 54 – Curvas de rendimiento de bombas en paralelo y serie. Aconsejamos la lectura de estas ediciones para que esta nota les sea del mayor provecho y entendimiento. El conjunto de notas es básico para comprender el funcionamiento de los equipos, su rendimiento, la interacción con el sistema y en esta entrega cómo operar el equipo de manera de que su trabajo y el rendimiento sean los adecuados.
PUNTO DE OPERACIÓN (PdO)
El punto de operación (lo llamaremos PdO) es el valor efectivo de caudal y presión de una bomba acorde a una determinada instalación. Podemos preverlo en la etapa de diseño o analizarlo mientras el equipo está en operación.
La curva de una bomba es una línea formada por una sucesión de puntos, cada uno de esos puntos implica un valor de caudal y de presión; este gráfico está dentro de la información que brinda el fabricante del equipo.
Por otro lado tenemos el sistema es decir el conjunto de cañerías y accesorios que encauza el fluido permitiendo su traslado; de este sistema se grafica una curva, también una línea compuesta por una sucesión de puntos, en este caso cada punto implica qué altura manométrica (o presión) debemos vencer para que un caudal sea efectivo, es particular a cada instalación por lo tanto hay que calcularla y dimensionarla en cada caso.
Estas curvas por separado dicen mucho, pero no cuál será el valor efectivo de caudal y presión; sólo nos indican cuáles serán los rangos de trabajo posibles.
Cuando ambos gráficos se visualizan en conjunto, y hay un punto de coincidencia entre ambas, sabremos con exactitud cuál será el resultado, realmente cuál de todos los puntos que componen la curva de la bomba será el efectivo; dicho de otra manera, lo que obtendremos de ese equipo en esa aplicación, esto se denomina punto de operación o punto de trabajo (PdO), un caudal determinado a una presión específica (Q@h).
El PdO no sólo determina valores de caudal y presión, también define valores de eficiencia, ANPA (NPSH) y potencia absorbida que surgen de sus respectivas curvas relacionadas con la curva principal de caudalpresión.
Fig.1 – Punto de operación: La curva B (arriba) corresponde a la de la bomba. La S (centro) a las pérdidas del sistema. La intersección de ambas curvas nos marca el punto de operación, caudal y presión efectiva que obtendremos de esa bomba en esa aplicación.
NADA ES INMOVIL
Este PdO que como decíamos surge del cruce de ambas curvas, no siempre es estático, es decir, el mismo valor de caudal y presión a veces se va desplazando sobre la curva de la bomba; esta movilidad se debe a que las curvas pueden variar de posición. La curva de la bomba puede verse afectada por diferentes situaciones que hacen que el rendimiento decaiga, se desplace leve o drásticamente a una posición inferior.
Algunas causas serían:
- Desgaste del impulsor por efecto de la abrasión producida por arena u otros áridos.
- Por corrosión debida a la incompatibilidad química entre fluido y materiales.
- Acumulación de sólidos debido a cristalización excesivo sarro.
- Por un reemplazo de piezas erróneo o directamente por errores en el armado.
Por otro lado tenemos la curva del sistema, ésta es la más propensa a sufrir variaciones. Este gráfico nos indica la altura manométrica que debemos vencer para hacer efectivo un caudal, la altura manométrica es el resultado de la suma de la altura geométrica y las pérdidas de carga. Es muy raro (aunque posible) que la altura geométrica se vea drásticamente afectada, pero si es muy factible que las pérdidas de carga sufran variaciones importantes, esto puede originarse por diferentes razones que iremos detallando.
Fig. 2 – Variaciones: Ambas curvas pueden sufrir variaciones por diversas situaciones.
DONDE DEBE UBICARSE
La movilidad de estas curvas deviene en que el PdO varíe su posición, la primera regla básica es que el punto de operación debe estar dentro de la curva de la bomba.
Esta ubicación es modificable para ello contamos con diferentes recursos que detallo más adelante, pero primero lo importante es saber dónde debe quedar ubicado dentro de la curva de la bomba.
Si dividimos la curva en tres tramos iguales, tendremos el tramo izquierdo cercano al punto de presión máxima-caudal mínimo, el tercio central donde habitualmente se ubica el punto de mayor eficiencia y el tercio derecho cercano al extremo que nos define el punto de mayor caudal y menor presión.
Lo ideal es que el punto de operación quede ubicado en el tercio central, allí la bomba trabajará más equilibrada y consumiendo proporcionalmente menos potencia. Si se ubicara en alguno de los extremos ante alguna variación en la presión es probable quede fuera de curva, es decir se le exija mayor presión que la máxima o debajo de su mínima.
Fig. 3 – Zonas propicias: Lo ideal es que el punto de operación quede ubicado en el tercio central. Las líneas puntadas concéntricas nos marcan el punto de mayor eficiencia en el centro, al alejarnos de ese punto la eficiencia disminuye.
El equipo de bombeo es un elemento más dentro de todo el conjunto de elementos que permiten el traslado del fluido (caños, controles, válvulas, tableros, etc.), pero es el más sensible y el que hace de “fusible” en muchas situaciones. Por ello lo primero que tenemos que tener en cuenta es que la bomba es la que sufrirá las mayores consecuencias, la ubicación del PdO ubicado en los extremos de la curva puede generar algunos inconvenientes. Veamos a que me refiero.
BOMBA SOBREDIMENSIONADA
Es muy habitual el error de sobredimensionar la altura manométrica, por desconocimiento, por estimar excesivas pérdidas de carga o con la finalidad de que la bomba trabaje más “holgada”, más “aliviada”. Justamente los efectos son adversos. Únicamente debemos sobredimensionar cuando de antemano sabemos que el requerimiento va a ser mayor en un futuro. La consecuencia de esto es que la bomba seleccionada no es acorde a la necesidad real.
Decimos que la bomba queda sobredimensionada cuando el PdO queda en un valor levemente superior a la altura mínima (extremo derecho de la curva de rendimiento), situación que es riesgosa. O cuando queda debajo de la altura mínima de la bomba (fuera de curva), situación crítica.
Esto se origina por diferentes situaciones:
- Equipo grande para esa necesidad.
- Excesivos márgenes de seguridad en cálculo de h.
- Divergencias entre proyecto y obra.
- Elementos en línea con pérdida de carga muy inferior a lo estimado.
- Variación de la instalación (cambio cañerías a mayor Ø, etc.)
- Cambio impulsor a mayor diámetro.
- Circuito de by-pass mal dimensionado.
- Incremento inesperado en la presión de entrada de la bomba
Los efectos de esta situación son:
- Excesivo consumo de potencia.
- Mayor amperaje consumido con riesgo de quemar el motor eléctrico.
- Vibraciones y ruidos.
Esto se debe a que más allá del extremo derecho de la curva la bomba sigue movilizando al fluido, pero su eficiencia y trabajo general no es el adecuado. Por sobre todo lo que sucede es que consume mayor potencia, cuando la potencia que necesita la bomba para trabajar en esas condiciones supera a la nominal del motor es cuando éste eleva su temperatura perdiendo aislación en sus devanados, comúnmente decimos que el motor “se quema”.
Fig. 4 – Bomba sobredimensionada: El extremo derecho de la curva no sólo marca el punto de mínima presión y mayor caudal, es un límite concreto, debajo de esa altura manométrica la bomba sigue movilizando líquido pero requiere mayor potencia. La línea punteada amarilla marca la potencia máxima, al operar a menor presión que la mínima aconsejada la potencia requerida es mayor (línea punteada roja)
BOMBA ESTRANGULADA
Otras veces sucede lo contrario que el PdO se ubica muy a la izquierda, cerca del punto de máxima presión. Esto puede originarse por varias razones, las más comunes es que la bomba entregue un caudal excesivo para el sistema, es decir la cañería es muy chica para un alto caudal, por consecuencia las pérdidas de carga son muy elevadas; o que se restrinja la salida de la bomba por alguna necesidad (buscando obtener mínimo caudal o máxima presión) en la aplicación.
Otras causas:
- Disminución en la apertura de válvulas.
- Filtros obturados por excesiva suciedad.
- Equipo mal dimensionado.
- Divergencias entre proyecto y obra.
- Elementos en línea con pérdida muy superior a lo esperado.
- En riego o lavados picos muy chicos.
- Obstrucción por basuras o sólidos (sarro, cristalización).
Los efectos más comunes son:
- Elevación de la temperatura del fluido, lo que consecuentemente puede producir daños en el sello mecánico, deformación de impulsores plásticos, etc.
- Posibilidad de cavitación.
- Vibraciones y ruidos.
Fig. 5A – Bomba estrangulada: El PdO ubicado muy cerca del extremo izquierdo es riesgoso y en algunos casos crítico.
Fig. 5B – Qué sucede en la bomba cuando trabaja estrangulada: En este corte de una bomba centrifuga vemos como todo el flujo al no poder circular adecuadamente (A) recircula dentro de la cámara de la bomba (C), la magnitud de este retorno depende mucho de la luz que haya entre los aros de desgaste (marcados en rojo) volviendo al ser succionado por el impulsor (B).
COMO VARIAR EL PUNTO DE OPERACIÓN
Para poder realizar esta variación es elemental contar con la curva de rendimiento de la bomba y un manómetro a la salida del equipo, estos dos elementos mínimos serán mapa y brújula para ubicar el PdO.
Un manómetro es un elemento barato y fácil de instalar, vital para entender cómo trabaja el equipo, siendo extremista se podría decir que no colocarlo es casi negligente.
En la práctica no hablamos de punto de operación sino de valores de presión, adecuados a la que la bomba debe operar. Cuando el elemento de medición es un caudalímetro en vez de un manómetro será el caudal el parámetro que nos guíe. Con uno u otro valor lo que hacemos es referirnos al PdO.
No es posible hacer una lectura de la curva a partir del amperaje del equipo, el amperaje es referente de la potencia que el motor absorbe de la red (P1) no de la potencia mecánica, por lo que dependerá de la eficiencia de cada equipo. Además el amperaje puede sufrir variaciones por alto o bajo voltaje, o alguna deficiencia mecánica que le exija al motor mayor potencia.
A fin de evitar o solucionar situaciones como las recién detalladas contamos con distintos recursos para poder hacer que el equipo opere en un punto donde no corra riesgos.
Válvula a la salida del equipo
Esta llave además de ser útil para cerrar el paso y poder desmontar el equipo sin pérdidas, es esencial para la regular la presión a qué está trabajando la bomba y por ende la ubicación del PdO.
Cuando la bomba queda sobredimensionada para la instalación el PdO se ubica cerca del extremo derecho de la curva o fuera de curva, visible en baja presión y/o amperaje excesivo, lo primero que debemos hacer es cerrar en parte la válvula a la salida del equipo (jamás la de entrada!!) esto tendrá por consecuencia que la bomba deba vencer una mayor presión (mayor altura manométrica). Iremos cotejando con el manómetro y la llave amperométrica cuánto debamos cerrar la válvula, hasta que los valores sean los correctos.
Si esta situación fuera permanente se puede utilizar una placa orificio, una placa orificio no es más que una placa metálica que se coloca entre bridas, este disco reduce el pasaje de fluido a una sección menor generando una pérdida de carga localizada y especialmente calculada, en nuestra web en la sección Software Específico encontraran un pequeño programita que ayuda a dimensionar estas placas con exactitud.
Otras veces lo que sucede es que la bomba está trabajando estrangulada, PdO muy a la izquierda, lo que significa que está venciendo una alta altura manométrica (o presión), lo primero entonces será abrir esta válvula u otras aguas arriba de la bomba, constatando en el manómetro al presión a la que queda trabajando la bomba y por ende el PdO.
Fig. 6 – Apertura o cierre de Válvula: Modificando la apertura de la válvula que se encuentra a la salida de la bomba, logramos aliviar la pérdida de carga al abrirla (A) o generar más pérdida al cerrarla (C). En el gráfico vemos como la curva naranja que muestra la posición normal del sistema, delimita el PdO en esa situación, de igual manera la roja al cerrar la válvula y la azul al abrirla.
Diámetro de Impulsor
Cuando las incongruencias entre la bomba y el sistema son significativas, será necesaria una solución de igual magnitud. En estas ocasiones un recurso válido es la variación del diámetro del impulsor.
Se utiliza mayormente cuando el punto de operación queda debajo del rango de presión en que opera la bomba y por tanto la intervención en la bomba consiste en la reducción del diámetro de impulsor.
Son pocas las veces que lo que se hace es cambiar a un impulsor de mayor diámetro, esto se debe a que la potencia requerida es proporcional al diámetro del impulsor y por tanto necesitaremos un motor de mayor potencia.
Variando el diámetro de impulsor lo que se logra es correr la curva de la bomba, analizándolo geométricamente lo que observamos es que se obtienen líneas paralelas a la curva original. Mayor diámetro curvas que crecen a mayor presión y viceversa. Para realizarlo es necesario un tiempo de parada suficiente para realizar el desarme y mecanizado de la turbina o recambio por otro de diferente diámetro.
Variación de Velocidad
Con la variación de velocidad de rotación de la bomba sucede lo mismo, al acelerar la rotación obtendremos una curva paralela a la original ubicada en una posición superior, al desacelerar la velocidad una curva inferior. Esto se puede realizar accionando la bomba mediante poleas y correas por un motor eléctrico. Otra opción es aplicando un variador de velocidad electrónico, los cuales tienen infinidad de programación e interrelación con controles.
Ambos recursos variación de diámetro y variación de velocidad se basan en las Leyes de Afinidad, que son relaciones matemáticas entre las diferentes variables envueltas en el funcionamiento de una bomba. Estas aplican a todo tipo de bomba centrífuga y de flujo axial.
En ambos casos debemos tener en cuenta que además de los calores de caudal y presión esto afectará a la eficiencia, potencia absorbida y en el caso de variar la velocidad los alores de ANPA Requerido (NPSH R).
En la edición 19 de M3h tratamos este tema a fondo, detallando particularidades y cálculos.
Fig. 7 – Variación de diámetro de impulsor o de velocidad: En las situaciones anteriores para variar el PdO lo que hacíamos era actuar sobre el sistema, podemos también variar este punto modificando la curva de rendimiento de la bomba al variar el diámetro o la velocidad.
By Pass o Circuito alternativo de recirculación
La utilización de un bypass es aplicable en situaciones donde la bomba por características del uso queda trabajando estrangulada. Lo ideal es que el bypass o circuito alternativo de recirculación, derive el flujo al tanque de donde aspira la bomba, de no ser posible a la cañería de donde succiona.
Al abrir esta derivación en la línea le permite a la bomba movilizar mayor caudal, por lo que estaremos movilizando el PdO hacia la derecha. Es muy importante que se prevea en el circuito una pérdida de carga como para que la bomba opere esos momentos sobre la presión mínima; esto se logra con una placa orificio o con la válvula semi-abierta.
Fig. 8 – Circuito de by pass: Los circuitos de bypass se utilizan para regulación de lo que obtenemos aguas arriba de la bomba y para evitar que éstas sufran daños graves. Puede recircular el flujo volviendo a la cañería de aspiración como en el esquema superior o retornando al tanque de donde succiona la bomba como en el esquema inferior.
MEJORAR EL RENDIMIENTO
Además de solucionar o evitar fallas e inconvenientes, la variación del PdO tiene como finalidad mejorar la eficiencia del equipo, siempre y cuando no se vea afectada la aplicación que le damos a la bomba.
Lo que haremos utilizando algunos de los recursos descritos, es lograr que PdO quede ubicado en el punto de mayor eficiencia de la bomba. Este punto significa que proporcionalmente la bomba estará consumiendo menor potencia y su andar será equilibrado.
Autor: Sr. Hernán Levy
Publicado en Versión papel Edición Nº 55 Año 10 – Febrero / Marzo 2013.
Registro de propiedad intelectual realizado y vigente.
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