¿POR QUÉ LA BOMBA NO TRABAJA COMO SE ESPERABA QUE LO HICIERA? El propósito de este artículo es presentar de manera clara y simple, a la comprensión de técnicos e ingenieros en el área de refinación y plantas de procesos, el conjunto de parámetros que controlan el correcto desempeño de la bomba centrífuga, y de aquellas acciones desacertadas en cuyas se incurren al momento del dimensionamiento y la selección. 1.
Introducción
A menudo en el desarrollo de proyectos de ingeniería en industrias de proceso y refinación de petróleo, el dimensionamiento de bombas centrífugas en sistemas para el trasporte de fluidos es menos ciencia y mas de razonamiento y habilidad. La ingeniería consume esfuerzos para el dimensionamiento de bombas el cual se ve afectado, bien sea por la capacidad, el cabezal o la potencia, los cuales son importantes para la correcta operación de una bomba centrífuga en un sistema en particular. Ahora bien, en los procesos de selección, la carencia de uniformidad en el manejo de los datos de entrada o el hecho de asumirlos, es a menudo una de las principales causas de falla en la confiabilidad y desempeño de las bombas. Esto, se observa con frecuencia en la carente interacción entre las disciplinas encargadas del dimensionamiento y selección. Es una práctica general a nivel mundial, y muy acertada, dividir los proyectos en varias disciplinas; y también es un hecho claro, que las bombas centrífugas navegan en un mar de incertidumbres sobre todo entre dos disciplinas: proceso y equipos rotativos; quienes, por cada parte, “ajustan” los requerimientos para que el funcionamiento de los equipos de bombeo sea amplio. En general, la falta de interacción entre estas disciplinas, sin excluir al diseño de tuberías, son los principales promotores de que la “bomba no trabaje como se esperaba que lo hiciera” En general, los ingenieros se sienten cómodos con el uso de términos tales como mínimo, normal, rata, diseño, máximo como indicativos o adjetivos calificativos de la capacidad y el cabezal; frecuentemente tales términos describen un rango o límite en la temperatura, viscosidad, o bien sea en otra variable del proceso. Uno de los orígenes mas probables de interpretación errónea en establecer los parámetros de diseño suele estar localizado en el enfoque que se le da a los requerimientos de diseño del lado de succión y la identificación del valor del cabezal neto positivo de succión (siglas en ingles NPSH). En general, los ingenieros cuando determinan las condiciones de diseño del sistema y de bombeo, se “aseguran” que los requerimientos de la capacidad de la bomba y el cabezal total dinámico (TDH) sean lo suficientemente amplios, y en ocasiones se observan excesivos márgenes con respecto al requerimiento mínimo. Es por esto, que en el esfuerzo de “asegurar” los adecuados requerimientos, los nuevos equipos instalados en los sistemas, se encuentran por el orden del 5 al 45 por ciento, sobre-dimensionados de su actual condición de servicio, claro está, esto dependerá tanto del proceso, de la edad de la planta o el nivel de experticia y conocimiento de los ingenieros envueltos en el diseño o la especificación de proceso, este último es quien conduce a los equipos de ingeniería a desarrollar nuevos proyectos bien sea, para la adecuación o implantación de plantas o procesos. Muy a menudo los ingenieros desean que los fabricantes de bombas les suministren un equipo que este adecuado a “su proceso”; por el contrario, a esta opinión, una bomba centrífuga es un equipo que no es diseñado para desarrollar un cabezal a una capacidad determinada. De hecho, una bomba es diseñada y fabricada para suplir un amplio rango de condiciones de cabezalcapacidad y éstas están identificadas en la curva de desempeño, también llamada curva característica de la bomba. Sin embargo, la condición actual en la curva donde funcionará la bomba, será determinada por el sistema en el cual opera. En otras palabras, para propósitos prácticos, el sistema es quien controla a
la bomba, y éste mismo operará a la bomba en cualesquiera la condiciones que éste ajuste, sin importar el cabezal y la capacidad para la cual esta fue comprada (y diseñada) para manejar. Por lo tanto, lo primero que necesitamos entender es ¿cómo trabaja una bomba?; para esto, es necesario entender la Curva Característica de la Bomba. 2.
Desempeño de la bomba
Debemos comenzar con la relación que existe entre la capacidad (o rata de flujo) y el cabezal. El cabezal es un término usado para expresar a la presión tanto en el diseño de la bomba como en el diseño del sistema. Por consiguiente, el cabezal es simplemente un concepto de “presión”; por lo tanto, se puede decir que el cabezal y la presión son términos intercambiables y la relación que existe entre ellos es la siguiente:
Cabezal (m)
Pr esión( Bar ) *10.2 Gravedad _ Específica
Cabezal( Ft )
Pr esión( psi) * 2.31 Gravedad _ Específica
Pr esión( Bar )
Pr esión( Ft)
Cabezal (m) * Gravedad _ Especifica 10.2
Cabezal( Ft) * Gravedad _ Especifica 2.31
La presión en sistemas estáticos es definida como cabezal estático, y en los sistemas dinámicos como cabezal dinámico. Para explicar el cabezal estático (figura 1), consideremos tres columnas de de diámetros cualesquiera; en uno ellos su volumen esta ocupado por agua, en otro, por gasolina y en el restante por agua salada (figura 1). Si las Columnas están a 30m (98.42 ft) de altura y el manómetro está dispuesto en el fondo de la misma, la presión sería 2.94bar (42.64psi), 2.20bar (31.98psi), 3.52bar (51.05psi) respectivamente. Esto es debido a la diferencia entre sus gravedades específicas, o peso de los tres líquidos en cuestión. Téngase en cuenta que lo que se ha medido es la presión en el fondo de la columna, mas no el peso total de líquido en la misma. Los siguientes cuatro términos se usan en la definición de los sistemas de bombeo y están ilustrados en la figura 2. El cabezal estático total, se define como la distancia que existe entre la superficie del líquido en el recipiente del cual se succiona y el nivel de la superficie del líquido en el recipiente en el cual se descarga. El cabezal estático de descarga, es la distancia vertical desde la línea de centro de la boquilla de succión hasta el nivel de superficie del líquido en el recipiente en el cual se descarga. El cabezal estático de succión, aplica solo cuando el suministro está por encima del nivel de la bomba. Esta es la distancia vertical desde la línea de centro de la boquilla de succión hasta el nivel de superficie del líquido en el recipiente del cual se succiona. La elevación estática de succión, aplica solo cuando el suministro se encuentra localizado por debajo de la bomba. Esta es la distancia vertical desde la línea de centro de la boquilla de succión hasta el nivel de la superficie del líquido en el recipiente de succión. Ya expuesto lo anterior, debemos entender que una bomba centrífuga imparte velocidad a un líquido. Esta energía cinética de acuerdo a la ley de la conservación de energía se transforma en gran parte en energía de presión mientras que el líquido sale de la bomba.Por lo tanto, El cabezal cinético desarrollado es
aproximadamente igual a la energía cinética en la periferia del impulsor. Esta relación es expresada por la fórmula siguiente:
Cabezal _ Total _ Desarrollado.( H ) V
V (m / s )2 0.0510 *V 2 m 2 * 9.81
RPM * D(mm) m / s 19098.54
Cabezal _ Total _ Desarrollado.( H )
V
V ( ft / s) 2 0.0155 * V 2 ft 2 * 32.2
RPM * D(in) ft / s 229
Figura 3 Bajo esta circunstancia, el líquido está siendo agitado internamente alrededor de la carcaza o voluta de la bomba; y éste cabezal no permite la entrada de mas flujo a través de la bomba, es decir que el nivel del tanque se mantendrá constante. Por lo tanto, es un hecho que la capacidad al máximo cabezal es cero. Si adicionamos algunos ramales en la tubería de descarga a niveles progresivos, el cabezal es efectivamente reducido, por consiguiente, la bomba desarrollará un incremento de la capacidad. Figura 1
Tal como se muestra en la figura 4, se puede observar que se describe la curva característica de la bomba. También se puede constatar que la curva no es completada hasta cero, ya que las bombas centrifugas no operan confiablemente más allá de cierta capacidad, por lo tanto, usualmente la curva característica es discontinuada en un punto determinado. La curva característica o de desempeño, identifica plenamente la capacidad que la bomba puede desarrollar y el cabezal que puede ser adherido al sistema, cuando ésta trabaja a una velocidad previamente determinada y a un diámetro de impulsor específico.
Figura 4 Figura 2
En otras palabras, el único modo práctico de modificar lo que la bomba es capaz de hacer, es ajustando la velocidad, es decir, que tan rápido la bomba está rotando; o cambiar el diámetro del impulsor (figura 5).
Figura 6 Figura 5 3.
Consideraciones del Sistema
Si la bomba centrífuga es controlada por el sistema, con anterioridad nosotros debemos entender algunos aspectos de un sistema de bombeo; para ello tenemos que observar con detenimiento la curva del sistema. Y entonces, ¿qué es la curva del sistema?... La curva del sistema es aquella que es determinada por la combinación de varios factores que se resisten al paso de un fluido a través de una trayectoria determinada. Los factores comunes en todos los sistemas son la gravedad y la fricción. Para vencer la gravedad en un sistema típico tal como se muestra en la figura 6, el líquido debe ser elevado a través de una distancia vertical representada por el cambio en elevación entre la fuente de donde se succiona y el reservorio en donde se descarga. En al arreglo representado en la figura 6, el cabezal total estático es la distancia entre la superficie del líquido en el reservorio del cual se succiona hasta la superficie del líquido en el reservorio en cual se descarga. Por lo tanto, el cabezal total estático no es función de la capacidad, en consecuencia, en la gráfica cabezal-capacidad (H-Q) se representa a través de una línea recta paralela al eje de la capacidad. (figura 7) La fricción, no es mas que la resistencia al flujo proporcionado por el sistema; y esto debe considerarse en tres áreas de estudios individuales definidas como: La tubería Las válvulas y accesorios Y otros equipos, tales como filtros, intercambiadores de calor, etc. Las pérdidas por fricción en las tuberías, pueden ser obtenida bien sea por medio de cálculos o a través de tablas disponibles en variedades de fuentes, tales como las Normas del Instituto Hidráulico (HIS) o en el Manual de Flujo de Fluidos de CRANE. Estas tablas están disponibles para identificar las pérdidas a través de tubos, accesorios y válvulas más comunes.
Figura 7 Las pérdidas por fricción en filtros, mezcladores estáticos, intercambiadores de calor u otros equipos, pueden ser obtenido a través de información suministrada por el fabricante, o por medio de la medición en sitio entre la entrada y la salida de cada equipo en particular. Es un hecho que, así como aumenta la capacidad, también lo hace las pérdidas por fricción, tal como se muestra en la figura 8. Según la ley de la conservación de la energía, expresada en la ecuación de Bernoulli; en cada sistema de bombeo, es necesario acelerar al líquido a través de la bomba. El cabezal de velocidad o cinético (Hv) es identificado por la diferencia en valores de la energía cinética (V2/2g) entre la boquilla de succión y de descarga de la bomba. Generalmente la velocidad lineal del líquido en la mayoría de los sistemas es mantenida en un valor menor a 3m/s (10ft/s), este valor es usualmente insignificante, excepto en aplicaciones de bajo cabezal.
Figura 8 Figura 10
Figura 9 La única otra condición que necesitamos tomar en cuenta son las presiones a los cuales están sometidos el reservorio de succión y el de descarga. Si ambos reservorios se encuentran abiertos a la presión atmosférica, entonces podemos obviarlas. En el caso contrario, es decir que los reservorios se encuentran cerrados y están sometidos a una presión diferente a la atmosférica, entonces la diferencia resultante entre ellas debe ser adherida al cabezal total requerido por la bomba. Una combinación de todas las presiones diferenciales, el cabezal total estático, las pérdidas por fricción, el cabezal cinético, están referidas a un cabezal total. Cuando graficamos contra la capacidad, La curva resultante obtenida, la cual se muestra en la figura 9; es denominada curva del sistema.
Figura 11 Un incremento en las pérdidas por fricción puede ser originada por una variedad de condiciones tales como aperturas de controles automatizados o cierres de diferentes válvulas del en el sistema. Esto dará como resultado que la curva del sistema adopte una abrupta pendiente lo cual disminuye la capacidad requerida (figura 12) Por lo tanto, aunque no exista ningún cambio físico en la velocidad de bombeo o el diámetro del impulsor, si se observa algún cambio en el cabezal o la capacidad, esto generalmente indica que el sistema ha sido modificado intencional o accidentalmente.
Por lo tanto, cuando una caudal se selecciona para un sistema, la curva del sistema identifica el cabezal total que debe ser superado. Por consiguiente, el caudal a través de un sistema puede ser solamente ser suministrado por una bomba, con esa capacidad. Cuando una bomba es apropiadamente seleccionada, la curva característica o de desempeño intersectará a la curva del sistema en el punto en cual la bomba operará confiablemente (figura 10). Un incremento en el cabezal estático, puede ser originado bien sea, por la reducción del nivel de líquido en el reservorio de succión, un incremento en el nivel de líquido en el reservorio de descarga, o una combinación de estas condiciones; en consecuencia, desplazará más “arriba” a la curva del sistema sobre la gráfica, lo que reducirá la capacidad requerida (figura 11). Figura 12
Entonces, ¿Qué debemos recordar?... Es imperativo que recordemos que es “el sistema es quien controla a la bomba”, y no viceversa. Es por eso, que no se asombre si la bomba no trabaja como usted lo desea o esperaba que lo hiciera. Primero observe el sistema, échele un vistazo...y descubra que ha sido modificado. 4.
Referencias
1.- Roy Carter and Igor Karassik “Basic Factors in Centrifugal Pump Application” Worthington Corporation. Harrison, New Jersey. 2.- Igor J. Karassik. “Centrifugal Pump Clinic”. Second edition, Revised and expanded. New York 1989. 3.- Igor J. Karassik. “Applied Centrifugal Pump Technology Course”. Puerto La Cruz. Venezuela. October 1991. 4.- Heald, C.C. Edition.1988.
“Cameron
Hydraulic
Data”,
Seventeenth
5.- Kenneth McNaughton, “Bombas Selección, Uso Mantenimiento” Primera Edición. McGraw Hill. México. 1998.
y
6.- Ross Mackay. “What the Pump was Designed to do and Why it Doesn’t do it” New York.