Conceptos BásicosCriterios de Selección

Por: Marcos García

1. ¿Que es una Bomba?2. Partes Principales3. Clasificación y tipos de Bombas4. Conceptos fundamentales

1. Altura Dinámica Total2. Caudal y Presión3. Eficiencia y Potencia4. Correcciones por Viscosidad5. Velocidad Específica y Velocidad Específica en la Succión6. Cavitación, NPSHd y NPSHr7. Curvas Características8. Sistemas en Serie y en Paralelo9. Regiones de Operación

5. Criterios de selección de Bombas Centrífugas6. Hoja de Evaluación7. Hoja de Datos API 610

� Máquina que transforma la energía mecánica en energía hidráulica a travésde un impulsor.

� En bombas centrífugas el flujo entra axial y sale en dirección perpendicular aleje de rotación.

� Impulsor o impulsores.� Carcasa.� Eje.� Sellos o Estoperas.� Cojinetes.� Sistemas de lavado de sellos.� Sistema de lubricación.

Brida de Descarga

Brida de

Succión

ImpulsorSello

Eje Cojinetes

Voluta

Sistema de

lavado de

sellos

Sistema de

lubricación

Brida de descargaBrida de descargaBrida de descargaBrida de descarga

ImpulsorImpulsorImpulsorImpulsor Sello del ejeSello del ejeSello del ejeSello del eje

Cojinetes de bolaCojinetes de bolaCojinetes de bolaCojinetes de bola EjeEjeEjeEje

Brida de Brida de Brida de Brida de succiónsucciónsucciónsucción

� Las Bombas centrífugas siempre están acompañadas de un Motor ydependiendo del tipo de Bomba, de una Placa Base.

Bomba CentrífugaBomba CentrífugaBomba CentrífugaBomba CentrífugaMotorMotorMotorMotor

Placa BasePlaca BasePlaca BasePlaca Base

AcopleAcopleAcopleAcople

Bomba ANSI

Bomba API Bomba HI

Conceptos FundamentalesConceptos FundamentalesConceptos FundamentalesConceptos Fundamentales

Es la energía total que requiere un equipo para impulsar el fluido de un sitio a otro. Se define como la diferencia entre la energía en la salida menos la energía en la entrada. Esta definición esta orientada hacia sistemas de bombeos en general.

ADT = Hd ± Hs

Donde:

Hd: Altura dinámica total de descarga Hs: Altura dinámica total de succión◦ a) + Succión Lift : ◦ b) - Succión Head :

a) a) a) a) SuctionSuctionSuctionSuction LiftLiftLiftLift b) b) b) b) SuctionSuctionSuctionSuction HeadHeadHeadHead

Altura Dinámica

Total

Altura Dinámica

Total

Una bomba con un determinado diámetro de impulsor y una mismavelocidad de giro, levantará un líquido a una altura determinada sin importarel peso del fluido.

Por esta razón se habla en términos de altura de bombeo en lugar de presióncuando se trabaja con bombas centrífugas

100 100 100 100 Ft.Ft.Ft.Ft. 100 100 100 100 Ft.Ft.Ft.Ft. 100 100 100 100 Ft.Ft.Ft.Ft.

Para seleccionar una bomba centrífuga es necesario conocer el caudal mínimo, elcaudal de operación, caudal de diseño y caudal máximo, todo dependerá de lascondiciones del proceso.

Donde :Q = Caudal, m3/sV = Velocidad del líquido, m/sA = Área interna de la tubería, m

También es necesario indicar las presión máxima, de diseño y mínima tanto en la succión como en la descarga. En las unidades que se exija.

Todos los cálculos hidráulicos: Altura, Caudales y Presiones pertenecen al alcance de la Disciplina de Procesos y deben estar indicados en la Hoja de Datos.

AVQ ∗=

La eficiencia de un equipo es la relación entre la energía que produce y lo quecuesta producirla. Es un indicador de que tan eficiente es el equipo convirtiendoenergía. En el caso de una bomba se produce energía hidráulica suministrandoenergía mecánica para su accionamiento, el proceso de transferencia de energíano es ideal ya que existen las llamadas perdidas de energía ya sean hidráulicas,mecánicas o eléctricas .

Para una bomba

Ph = Potencia hidráulica

Pm = Potencia mecánica o potencia al freno.

= Peso específico

Q = caudal

ADT = altura dinámica total

Pm

Ph=η ADTQPh **γ=

γ

Se puede calcular a condiciones de Diseño o Potencia máxima a caudal máximo.

Para una bomba:

Ph = Potencia hidráulica

= gravedad especifica

Q = caudal

H = altura dinámica total

ηb = Eficiencia tomada de la curva de la bomba

SG

Potencia al Freno (BHP):Potencia al Freno (BHP):Potencia al Freno (BHP):Potencia al Freno (BHP):

(Kw)

(HP)b

ftHgpmQSGBHP

η∗∗∗

=3960

)()(

b

mHh

mQSGBP

η∗

∗∗∗=

3600

8.9)()(3

Qmax

BHP

(API(API(API(API 610610610610))))

Caudal volumétrico

Efi

cie

ncia

Po

ten

cia

al

fre

no

Alt

ura

de

Bo

mb

eo

Gráfica de corrección para fluidos viscososANSI/HI 1.3-2000

Factores de correcciónFactores de correcciónFactores de correcciónFactores de corrección

Altura CHAltura CHAltura CHAltura CHCaudal CQCaudal CQCaudal CQCaudal CQ

Eficiencia CEficiencia CEficiencia CEficiencia Cηηηη

QvisQvisQvisQvis = Qwater*CQCQCQCQHvisHvisHvisHvis = Hwater*CHCHCHCHηηηηv v v v isisisis= ηwater*CCCCηηηη

PvisPvisPvisPvis = QvisQvisQvisQvis****HvisHvisHvisHvis****γγγγvis (Kw)vis (Kw)vis (Kw)vis (Kw)367*367*367*367*ηηηηvisvisvisvis

centistokes

QratedQratedQratedQrated @BEP @BEP @BEP @BEP (m3/h)(m3/h)(m3/h)(m3/h)

H (m)H (m)H (m)H (m)

ViscosityViscosityViscosityViscosity((((cStcStcStcSt))))

Bombas que manejen líquidos másviscosos que el agua deben darcorrecciones

Es un número que define la geometría del impulsor y la operación de una bombade acuerdo a la siguiente clasificación: Centrifugas o Radiales, Flujo Mixto y FlujoAxial.

Specific speed (Ns) is calculated using the following equations:

Donde: N = Velocidad de la bomba en R.P.M

Q = Caudal en galones por minuto(GPM) en el B.E.P.

H = Altura de la bomba (por estapa) en Pies (ft) en el B.E.P.

43

H

Q N N =s

La Velocidad específica de succión (Nss) Se utiliza para ayudar en la descripciónde las condiciones hidrodinámicas existentes en el ojo del impulsor de unabomba centrífuga. Es determinada en el punto de mejor eficiencia con el diámetromáximo del impulsor. La formula para calcularla es:

Donde: Nss = Velocidad específica de succiónN = R.P.MQ = Caudal en galones por minuto (GPM) en el B.E.P y máximo impulsorNPSHr = Altura neta positiva de succión requerida (ft liq) en el B.E.P

máximo impulsor

Es un indicador del NPSHr para valores dados de la capacidad y la velocidadrotativa y proporciona una evaluación de la susceptibilidad de una bomba para larecirculación interna.

43

NPSHr

Q N N =ss

Consecuencias de la Cavitación

La cavitación es un fenómeno que trae daños en la bomba como perdida deeficiencia, ruido, vibraciones, y daños en los materiales de la bombas.

EL NPSHd depende del sistema de bombeo y se calcula de la siguiente relación:

Donde: PS = presión absoluta en el recipiente.

Pvapor = presión de vapor a temperatura de bombeo.

Hs = Altura de aspiración o colocación de la bomba.

hf1-2 = Perdidas por fricción en tramo se succión.

= Peso específico

El valor del NPSHd siempre

debe ser positivo.

21−−±−

= hfHsPvaporPs

NPSHdγ

γ

El NPSHd depende de la presión atmosférica, caudal, diámetro y longitud detubería.

↑ Presión atmosférica : NPSHd ↑

↓ Viscosidad : NPSHd ↑

↓ Presión de vapor : NPSHd ↑

↓ Caudal : NPSHd ↑

↑ Diámetro de tubería : NPSHd ↑

El NPSHr depende: área ojo del impulsor, diámetro de entrada, ángulo deentrada / salida del flujo, RPM y diámetro del impulsor.

Este es determinado por el fabricante de la bomba, quien lo presenta en suscatálogos en forma de curva en función del caudal de operación, en el caso debombas centrifugas.

Para un funcionamiento adecuado de la bomba (sin cavitación) el NPSH disponibledebe ser superior al requerido. Por razones de seguridad se acostumbra estableceruna diferencia mínima de 1 m entre ambos valores.

En vista de que un NPSHd bajo, es la condición mas crítica, éste debe ser calculado ala condiciones que conllevan a su mínimo valor, como:Nivel de líquido en el tanque de succión mínimoCaudal máximoPresión absoluta mínima en el recipiente de succiónPresión de vapor máxima, lo cual se cumple para una máxima temperatura de

operación.

Se establecen los siguientes criterios para el diseño de una bomba en régimencavitacional:

NPSHd debe ser mayor al NPSHr

NPSHd - NPSHr >1mts

� El funcionamiento de una bomba centrífuga se puede representargráficamente a través de la curva característica. Generalmente las curvascaracterísticas muestran la Altura Dinámica Total, la Potencia al freno, laEficiencia y el NPSHr, en función del Caudal.

� El requerimiento de un sistema puede implicar el uso de varias bombas.

� Bombas en serie: Q = Q1 = Q2 Bombas en paralelo: H = H1 = H2 H = H1 + H2 Q = Q1 + Q2

QQQQBEPBEPBEPBEP

Región de Operación Región de Operación Región de Operación Región de Operación AdmisibleAdmisibleAdmisibleAdmisible

MFCMFCMFCMFC LímiteLímiteLímiteLímite de de de de VibraciónVibraciónVibraciónVibración

Región de OperaciónRegión de OperaciónRegión de OperaciónRegión de OperaciónPreferidaPreferidaPreferidaPreferida

120%120%120%120%70%70%70%70% 80%80%80%80% 110%110%110%110%

Región de Región de Región de Región de Caudal de Caudal de Caudal de Caudal de

DiseñoDiseñoDiseñoDiseño

MFC: Mínimo MFC: Mínimo MFC: Mínimo MFC: Mínimo Flujo ContinuoFlujo ContinuoFlujo ContinuoFlujo Continuo

1) API 610 (6.1.12) El punto de diseño debe estar ubicado lo más cerca posibledel punto de máxima eficiencia, para el diámetro del impulsor y la velocidadseleccionada.

%100110%80 ×=<<BEP

rated

Q

QBEP

QBEP = 2250 gpm

2) El punto nominal (rated point) debe estar lo mas cercanamente posible delpunto de máxima eficiencia, comúnmente designado por B.E.P. (Bestefficiency point). Algunas especificaciones establecen que: Qrated ≤ 0.85 Qen el punto final de la curva.

%10085%@

×=≤EOC

ratedEOC

Q

QCAUDAL

QEOC = 3600 gpm

3) API 610 (6.1.11) Para sistemas de bombas en paralelo, la caída de alturadesde el punto de diseño al Shutoff debe ser de al menos 10%.

%100120%110 ×=<<TDH

HShutoff

Shutoff

%Shutoff

4) API 610 (6.1.13) Se recomienda que el B.E.P. debe estar ubicado entre elpunto de operación y el punto de diseño.

normalrated QPEBQ << ...

5) API 610 (8.3.4.3.3) El NPSH disponible debe ser, al menos 1m (3ft) superior aNPSH requerido. Para bombas de alta energía el margen debe ser de 1.5m(5ft) según el Instituto Hidráulico (9.6.4).

ftNPSHrNPSHd 3>−

NPSH3 = 9.84 ft

6) Para una bomba nueva, debe evitarse seleccionar un diámetro del impulsormáximo. Por norma API 610 (6.1.4) se debe poder lograr un incrementomínimo de un 5% de la altura nominal, con la instalación de un nuevoimpulsor.

%100%105% @ ×=≥∆rated

rMAXimpulso

QratedTDH

TDHTDH

TDH a imp max = 220 ft

7) No es recomendable seleccionar una bomba con un diámetro nominal delimpulsor muy cercano al mínimo correspondiente debido a su baja eficienciay alta recirculación.

Diam 3

Diam 2

Diam 1

8) Instituto Hidráulico (1.3.4.1.15) y Estándar de Chevron. La velocidad específica de succión debe estar comprendido entre 6000 y 11000 (US) para que no exista cavitación. Para bombas multietapas de alta-energía girando a 3600 rpm el valor de Nss debe ser menor a 9000.

43

NPSHr

Q N N =ss 110006000 << Nss

NPSH3@BEP imp max = 20.1 ft

QBEP a imp max = 2800 gpm

9) Los materiales de construcción de la bomba dependen del fluido manejado ysegún el tipo de bomba los materiales serán de acuerdo a las normascorrespondientes

Materiales API 610

Materiales ANSI

Materiales Instituto Hidráulico

10) No se debe operar una bomba por debajo del mínimo flujo continuo. Este escaracterístico de cada bomba centrífuga y representa el mínimo caudal al cual la bombapuede operar en forma continua y prolongada, sin que se produzcan altas vibraciones,calentamiento y fuerza en los cojinetes.

Para bombas ANSI se puede establecer el Mínimo flujo continuo como un porcentajedel BEP dependiendo de las dimensionesde la bomba y las RPM.

Mínimo flujo continuo

� La experiencia en la industria sugiere que las bombas producidas con esta norma tienen mejorrelación costo-eficiencia cuando el líquido de bombeo excede cualquiera de las siguientescondiciones:

- Presión de descarga --------------- 1900 kPa (275 psig; 19,0 bar)

- Presión de succión ---------------- 500 kPa (75 psig; 5,0 bar)

- Temperatura de bombeo ----------- 150 °C (300 °F)

- Velocidad de giro ----------------- 3600 r/min

- Cabezal nominal ------------------ 120 m (400 ft)

- Diámetro del impulsor, voladizo ----- 330 mm (13 in)

� El equipo debe estar diseñado y construido para un mínimo de 20 años de vida y al menos 3años de operación ininterrumpida.

� Todos los equipos deben ser diseñados para permitir un rápido y económico mantenimiento.

� Bombas con cabezales mayores a 200m (650ft) por etapa y con más de 225 kW (300hp) poretapa se deben considerar bombas de alta-energía y pueden requerir disposiciones especiales.

� Los sellos mecánicos deben ser conforme con API Std 682, el sello debe ser tipo Cartucho ydebe ser removible sin disturbio con el motor.