¿Qué es la bomba centrífuga? Definición

Las bombas centrífugas son dispositivos que se utilizan para transportar fluidos mediante la conversión de energía cinética rotacional en energía hidrodinámica. Bombas centrífugas

Bombas centrífugas

Las bombas centrífugas son dispositivos que se utilizan para transportar fluidos por la conversión de la energía cinética de rotación a la energía hidrodinámica del flujo de fluido. La energía de rotación generalmente proviene de un motor eléctrico o una turbina de vapor (en el caso de bombas de agua de alimentación impulsadas por turbina). Las bombas centrífugas se utilizan en más aplicaciones industriales que cualquier otro tipo de bomba. La bomba centrífuga más común es la bomba de voluta.

¿Como funciona?

En la voluta de la bomba, el fluido ingresa a la bomba axialmente a través del ojo del impulsor ( área de baja presión ) que gira a alta velocidad. A medida que el impulsor y las palas giran, transfieren el impulso al fluido entrante. El fluido se acelera radialmente hacia afuera desde la persecución de la bomba y se crea un vacío en el ojo del impulsor que continuamente atrae más fluido hacia la bomba. A medida que aumenta la velocidad del fluido, aumenta su energía cinética . El fluido de alta energía cinética se expulsa del área del impulsor y entra en la voluta . En la voluta, el fluido fluye a través de un área de sección transversal en continuo aumento , donde elLa energía cinética se convierte en presión de fluido (según el principio de Bernoulli ).

Las palas del impulsor son generalmente curvadas hacia atrás, pero también hay diseños de palas radiales y curvadas hacia adelante. La presión de salida cambia ligeramente según el diseño utilizado. Las cuchillas pueden estar abiertas o cerradas . Además, el difusor puede estar equipado con paletas fijas para ayudar a guiar el flujo hacia la salida. La energía transferida al líquido corresponde a la velocidad en el borde del impulsor. Cuanto más rápido gire el impulsor o cuanto más grande sea el impulsor , mayor será la velocidad del cabezal .

Principios de bombas centrífugas-minimpulsor y difusor

Partes principales de una bomba centrífuga

Bomba centrífuga-minCada bomba centrífuga está hecha de cientos de partes. Hay algunos componentes que prácticamente todas las bombas centrífugas tienen en común. Estos componentes se pueden subdividir en el extremo húmedo y el extremo mecánico .

El extremo húmedo de la bomba incluye aquellas partes que determinan el rendimiento hidráulico de la bomba . Los dos extremos húmedos principales son el impulsor y la carcasa . En algunos casos, el primer rodamiento radial puede lubricarse con agua. En este caso, la lata del rodamiento pertenece a los extremos húmedos.

El extremo mecánico incluye aquellas partes que soportan el impulsor dentro de la carcasa . El extremo mecánico de la bomba incluye el eje de la bomba , el sellado, los cojinetes y el manguito del eje .

Estos componentes están diseñados para realizar tareas específicas:

  • impulsor y difusorImpulso. El impulsor es un rotor utilizado para aumentar la energía cinética del flujo.
  • Carcasa (voluta). La carcasa contiene el líquido y actúa como un recipiente de contención de presión que dirige el flujo de líquido dentro y fuera de la bomba centrífuga. La voluta es un embudo curvo que aumenta de área a medida que se acerca al puerto de descarga. La voluta de una bomba centrífuga es la carcasa que recibe el fluido que bombea el impulsor, lo que reduce la velocidad de flujo del fluido. Por lo tanto, de acuerdo con el principio de Bernoulli, la voluta convierte la energía cinética en presión al reducir la velocidad al tiempo que aumenta la presión. Algunas bombas centrífugas contienen difusores. Un difusor es un conjunto de paletas estacionarias que rodean el impulsor. El difusor dirige el flujo, permite una expansión más gradual y, por lo tanto, aumenta la eficiencia de la bomba centrífuga.
  • Eje (Rotor). El impulsor está montado en un eje. El eje es un componente mecánico para transmitir el par del motor al impulsor.
  • Eje de sellado. Las bombas centrífugas están provistas de anillos de empaquetadura o sello mecánico que ayuda a prevenir la fuga del líquido bombeado.
  • Aspectos. Los rodamientos limitan el movimiento relativo del eje (rotor) y reducen la fricción entre el eje giratorio y el estator. Existen al menos 5 tipos comunes de rodamientos, cada uno de los cuales opera según diferentes principios:
    • Cojinete liso
    • Rodamiento de elementos rodantes
    • Joya teniendo
    • Rodamiento fluido
    • Rodamiento magnético

Tipos de impulsores en bombas centrífugas

impulsor abierto, semiabierto, cerradoEl diseño del impulsor es el factor más importante para determinar el rendimiento de una bomba centrífuga. Un impulsor diseñado adecuadamente optimiza el flujo mientras minimiza la turbulencia y maximiza la eficiencia .

El impulsor de una bomba centrífuga puede ser de tres tipos básicos :

  • Impulsor abierto.  Los impulsores abiertos tienen las paletas libres en ambos lados. Los impulsores abiertos son estructuralmente débiles. Por lo general, se usan en bombas de pequeño diámetro y de bajo costo y bombas que manejan sólidos suspendidos.
  • Impulsor semiabierto . Las paletas son libres en un lado y encerradas en el otro. La cubierta agrega resistencia mecánica. También ofrecen mayores eficiencias que los impulsores abiertos. Se pueden usar en bombas de diámetro medio y con líquidos que contienen pequeñas cantidades de sólidos en suspensión. Debido a la minimización de la recirculación y otras pérdidas, es muy importante que exista un pequeño espacio libre entre los álabes del impulsor y la carcasa.
  • Impulsor cerrado . Las paletas se encuentran entre los dos discos, todo en un solo bastidor. Se utilizan en bombas grandes con altas eficiencias y bajo cabezal de succión positivo neto requerido . Las bombas centrífugas con impulsor cerrado son las bombas más utilizadas para el manejo de líquidos transparentes. Se basan en anillos de desgaste de espacio libre cercano en el impulsor y en la carcasa de la bomba. El impulsor cerrado es un diseño más complicado y costoso, no solo por el impulsor, sino que también se necesitan anillos de desgaste adicionales.

Las palas del impulsor pueden ser:

  • Diseño de hoja curvada hacia atrás (diseño preferido debido a la pendiente negativa de la curva de rendimiento)
  • Diseño de cuchilla radial
  • Diseño de cuchilla curvada hacia adelante (debido a las condiciones de pendiente positiva, este diseño puede provocar un aumento de la bomba)

Los impulsores pueden ser:

  • Succión simple . Un impulsor de succión simple permite que el líquido ingrese al centro de las cuchillas desde una sola dirección.
  • Doble succión . Un impulsor de doble succión permite que el líquido ingrese al centro de las palas del impulsor desde ambos lados simultáneamente. Esto reduce las fuerzas ejercidas sobre el eje.

Impulsor-min de aspiración simple vs. doble

impulsor y difusorLa presión de salida cambia ligeramente según el diseño utilizado. Las cuchillas pueden estar abiertas o cerradas. Además, el difusor puede estar equipado con paletas fijas para ayudar a guiar el flujo hacia la salida. La energía transferida al líquido corresponde a la velocidad en el borde del impulsor. Cuanto más rápido gire el impulsor o cuanto más grande sea el impulsor, mayor será la velocidad del cabezal.

En general, las bombas centrífugas se pueden clasificar según la manera en que fluye el fluido a través de la bomba. No es una clasificación basada solo en el impulsor, sino que se basa en el diseño de la carcasa de la bomba y el impulsor . Los tres tipos de flujo a través de una bomba centrífuga son:

  • flujo radial
  • flujo mixto (parte radial, parte axial)
  • flujo axial (tipo de hélice)

 

Características de rendimiento de las bombas centrífugas

Aunque la teoría de las bombas centrífugas ofrece muchos resultados cualitativos, el indicador más importante del rendimiento de una bomba reside en pruebas hidráulicas exhaustivas .

En la industria, las características de todas las bombas generalmente se leen de su curva QH  o curva de rendimiento  (caudal – altura). Como se puede ver, los gráficos de rendimiento utilizan una descarga – Q (generalmente en m 3 / h) y la altura de la bomba – H (generalmente en m) como variables de rendimiento básicas.

Jefe del sistema

Cabezal del sistema: sin cabezal estáticoEn el capítulo de pérdida de carga , se determinó que ambos grandes pérdidas pérdidas menores en los sistemas de tuberías son proporcionales al cuadrado de la velocidad de flujo . Es obvio que la pérdida de carga del sistema debe ser directamente proporcional al cuadrado del caudal volumétrico, porque el caudal volumétrico es directamente proporcional a la velocidad del flujo.

Debe agregarse que los sistemas hidráulicos abiertos contienen no solo el cabezal de fricción, sino también el cabezal de elevación , que debe considerarse. La altura de elevación (altura estática) representa la energía potencial de un fluido debido a su elevación por encima de un nivel de referencia.
Cabeza de elevación

Cabeza del sistema - con cabeza estáticaEn muchos casos, la altura total de un sistema es una combinación de altura de elevación y altura de fricción como se muestra en la figura.

En ingeniería nuclear, la mayoría de los sistemas hidráulicos son circuitos hidráulicos cerrados y estos sistemas solo tienen cabeza de fricción (sin cabeza estática).

Cabezal de bomba: curva de rendimiento

En dinámica de fluidos, el término cabezal de bomba se usa para medir la energía cinética que crea una bomba. La altura es una medida de la altura de la columna de fluido incompresible que la bomba podría crear a partir de la energía cinética que la bomba le da al líquido. La altura y el caudal determinan el rendimiento de una bomba, que se muestra gráficamente en la figura como la curva de rendimiento o la curva característica de la bomba . La razón principalpara usar la cabeza en lugar de la presión para determinar el rendimiento de una bomba centrífuga es que elLa altura de la columna de fluido no depende de la gravedad específica (peso) del líquido , mientras que la presión de una bomba cambiará. En términos de presión, el cabezal de la bomba ( bomba ΔP ) es la diferencia entre la contrapresión del sistema y la presión de entrada de la bomba.

cabezal de bomba - curva de rendimiento - gráficoLa altura máxima de la bomba de una bomba centrífuga está determinada principalmente por el diámetro exterior del impulsor de la bomba y la velocidad angular del eje  – velocidad del eje giratorio. El cabezal también cambiará a medida que aumenta el caudal volumétrico a través de la bomba.

Cuando una bomba centrífuga funciona a una velocidad angular constante , un aumento en la carga del sistema (contrapresión) en la corriente de flujo provoca una reducción en el caudal volumétrico que la bomba centrífuga puede mantener.

La relación entre el cabezal de la bomba y el caudal volumétrico (Q) , que puede mantener una bomba centrífuga, depende de varias características físicas de la bomba como:

  • la potencia suministrada a la bomba
  • la velocidad angular del eje
  • El tipo y diámetro del impulsor

y el fluido usado:

  • densidad de fluido
  • viscosidad fluida

Esta relación es muy complicada y su análisis radica en extensas pruebas hidráulicas de ciertas bombas centrífugas. Como se puede ver en la imagen a continuación.

Características de funcionamiento de un circuito hidráulico

Cuando reunimos las características de fricción  (cabeza del sistema) de un circuito hidráulico y la curva de rendimiento, el resultado describirá las características de todo el sistema (por ejemplo, un circuito de circuito primario ). La siguiente figura muestra la curva de rendimiento típica para una bomba centrífuga relacionada con el cabezal de fricción del sistema.

Diagrama característico de QH de la bomba centrífuga y de la tubería
Diagrama característico de QH de la bomba centrífuga y de la tubería

El cabezal de la bomba , en el eje vertical, es la  diferencia entre la contrapresión del sistema y la presión de entrada de la bomba ( bomba ΔP ). La velocidad de flujo volumétrico (Q) , en el eje horizontal, es la velocidad a la que fluye el fluido a través de la bomba. Como se puede ver, la altura es aproximadamente constante a baja descarga y luego cae a cero a máx . A baja descarga, las características pueden ser inestables (con pendiente positiva del cabezal de la bomba). Estas son características indeseables, porque una bomba inestable puede comenzar a oscilar entre las dos combinaciones posibles de caudal y la tubería puede vibrar.

Al caudal Q1, la bomba gana más altura que la que consume las pérdidas por fricción, por lo tanto, el caudal a través del sistema aumentará . El caudal se estabilizará en el punto, donde las pérdidas por fricción se cruzan con las características de la bomba .

Para caracterizar el rendimiento de las bombas centrífugas, se definen los siguientes términos:

  • Cabeza de cierre
  • Eficiencia de la bomba
  • Mejor punto de eficiencia
  • Potencia al freno
  • Cabeza de succión positiva neta

Operación en serie de bombas centrífugas (Booster)

Para aumentar el caudal volumétrico en un sistema o para compensar grandes pérdidas mayores o menores , las bombas centrífugas a menudo se utilizan en paralelo o en serie .

El funcionamiento en serie de las bombas centrífugas se utiliza para superar la pérdida de carga del sistema grande o para aumentar la presión cuando se inyecta líquido en un sistema de alta presión (por ejemplo, sistemas de inyección de seguridad de alta presión en PWR , donde se usan bombas de etapas múltiples).

Cuando una bomba centrífuga se opera en un circuito cerrado, la presión de descarga resultante será simplemente la suma de la presión de succión y la presión normalmente desarrollada por la bomba cuando funciona a presión de succión cero. Por lo tanto, es muy adecuado para su uso como bomba de refuerzo cuando se opera en serie. El cabezal producido por dos o más bombas es igual a la suma de los cabezales individuales . El caudal volumétrico desde la entrada de la primera bomba hasta la salida de la segunda permanece igual. En la aplicación práctica, las bombas de etapas múltiples ( bomba de impulsor múltiple ) se construyen para alcanzar una altura de bomba más alta.

Operación en serie de bombas centrífugas

Operación paralela de bombas centrífugas

Para aumentar el caudal volumétrico en un sistema o para compensar grandes pérdidas mayores o menores, las bombas centrífugas a menudo se utilizan en paralelo o en serie .

El funcionamiento en paralelo de las bombas centrífugas se utiliza para aumentar el caudal a través del sistema. Las bombas que funcionan en paralelo toman su succión de un cabezal común y descargan en una descarga común . Si bien la cabeza cambia solo ligeramente, el flujo casi se duplica en cualquier punto dado. Debe tenerse en cuenta que el caudal volumétrico es en realidad menos del doble del caudal alcanzado mediante el uso de una sola bomba. Esto es causado por una mayor pérdida de carga del sistema como resultado de un mayor caudal.

funcionamiento paralelo de bombas centrífugas

Principales modos de falla de las bombas centrífugas

Dado que las bombas centrífugas son uno de los tipos de bomba más utilizados en el mundo, sus parámetros operativos y sus vulnerabilidades son bien conocidos. Este artículo revisa los principales modos de falla que se encuentran en las bombas centrífugas . En general, las fallas de la bomba resultan en cambios operativos que reducen la eficiencia o pueden ocasionar una falla de la bomba. La fiabilidad de los sistemas hidráulicos y también de las bombas centrífugas es de suma importancia en la ingeniería nuclear .

Los modos de falla de las bombas centrífugas se pueden agrupar en tres categorías:

Modos de falla hidráulica

  • Cavitación La cavitación es, en muchos casos, una ocurrencia indeseable. En las bombas centrífugas, la cavitación provoca daños en los componentes (erosión del material), vibraciones, ruido y pérdida de eficiencia.
  • Pulsación de presión.  Las pulsaciones de presión son fluctuaciones en la presión básica. Para las bombas de altura alta, las pulsaciones de presión de succión y descarga pueden causar inestabilidad en los controles de la bomba, vibración de las tuberías de succión y descarga y altos niveles de ruido de la bomba.
  • Recirculación de la bomba. Una bomba que funciona a una capacidad inferior a los límites de diseño puede sufrir recirculación que ocurre internamente en las bombas. La recirculación de la bomba puede causar sobretensiones y cavitación incluso cuando el NPSHa disponible excede el NPSHr del proveedor por un margen considerable.
  • Empuje radial y axial. El alto empuje radial que resulta en desviaciones excesivas del eje puede conducir a problemas persistentes de empaque o sello mecánico, y posiblemente a fallas en el eje. El empuje axial se impone a lo largo del eje del eje. Un alto empuje axial puede imponer una carga excesiva sobre el rodamiento.

Modos de falla mecánica

  • Asimiento o rotura del eje
  • Falla del rodamiento
  • Fracaso del sello
  • Vibraciones
  • Fatiga

Otros modos de falla

  • Erosión
  • Corrosión

Cavitación en bombas centrífugas

cavitación - impulsor-min dañadoLos principales lugares donde la cavitación se produce en las bombas son, en impulsores o hélices . En las bombas centrífugas, la cavitación resulta de una reducción en la presión de succión , un aumento en la temperatura de succión o un aumento en la velocidad de flujo por encima de la temperatura para la cual se diseñó la bomba.

Hay dos tipos básicos de cavitación de la bomba :

Número de cavitación

El número de cavitación (Ca) o el parámetro de cavitación es un número adimensional utilizado en los cálculos de flujo. Es convencional caracterizar qué tan cerca está la presión en el flujo de líquido a la presión de vapor (y, por lo tanto, el potencial de cavitación) por medio del número de cavitación.

El número de cavitación se puede expresar como:

número de cavitación - ecuación

dónde

CA = Número de cavitación

p = presión local (Pa)

v = presión de vapor del fluido (Pa)

ρ = densidad del fluido (kg / m 3 )

v = velocidad del fluido (m / s)

Daño de cavitación

La cavitación es, en muchos casos, una ocurrencia indeseable. En las bombas centrífugas, la cavitación causa daños a los componentes (erosión del material), vibraciones, ruido y pérdida de eficiencia.

Fuente: Wikipedia, CC BY 2.5, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Turbine_Francis_Worn.JPG
Fuente: Wikipedia, CC BY 2.5,
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Turbine_Francis_Worn.JPG

Quizás el problema de ingeniería más importante causado por la cavitación es el daño material que las burbujas de cavitación pueden causar cuando colapsan cerca de una superficie sólida. El colapso de las burbujas de cavitación es un proceso violento que genera ondas de choque y microjets altamente localizados . Forzan el líquido energético en volúmenes muy pequeños, creando así puntos de alta temperatura y estas perturbaciones intensas generan tensiones superficiales altamente localizadas y transitorias en una superficie sólida. Los signos de erosión aparecerán como picaduras debido a la acción de golpe de ariete de las burbujas de vapor que colapsan. Se ha encontrado que las tasas de daño por cavitación aumentan rápidamente con el aumento en el caudal volumétrico.

Los materiales más blandos pueden dañarse incluso a corto plazo debido a la cavitación . Se pueden observar fosas individuales después de un colapso de una sola burbuja. Por lo tanto, se utilizan materiales más duros para las bombas centrífugas . Pero con los materiales más duros utilizados en la mayoría de las aplicaciones, el estrés cíclico debido a los colapsos repetidos puede causar fallas locales por fatiga superficial . Por lo tanto, el daño por cavitación a los metales generalmente tiene la apariencia de falla por fatiga .

cavitación - burbuja colapso-minCuando las burbujas de cavitación colapsan, fuerzan el líquido energético a volúmenes muy pequeños, creando manchas de alta temperatura y emitiendo ondas de choque, las cuales son una fuente de ruido. Aunque el colapso de una pequeña cavidad es un evento de energía relativamente baja, los colapsos altamente localizados pueden erosionar metales, como el acero, con el tiempo. La picadura causada por el colapso de las cavidades produce un gran desgaste en los componentes y puede acortar drásticamente la vida útil de la hélice o la bomba.

La cavitación suele ir acompañada también de:

  • Ruido. El ruido típico es causado por el colapso de las cavidades. El nivel del ruido que resulta de la cavitación es una medida de la gravedad de la cavitación.
  • Vibraciones . Las vibraciones de la bomba debido a la cavitación son vibraciones característicamente de baja frecuencia, que generalmente se encuentran en el rango de 0 a 10 Hz.
  • Reducción de la eficiencia de la bomba . Una disminución en la eficiencia de la bomba es un signo más confiable de que se produce cavitación.

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: [email protected] o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.