¿Qué son las bombas centrífugas?
Las bombas centrífugas se emplean frecuentemente para el bombeo de líquidos de baja viscosidad, como el agua. Estas bombas son especialmente adecuadas para manejar grandes volúmenes de líquidos de baja viscosidad.
Gracias a sus altas tasas de flujo, facilidad de mantenimiento y robustez general, las bombas centrífugas se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones industriales a nivel mundial.
Bomba Centrífuga Radial con Carcasa de Voluta
Componentes de la Bomba Centrífuga
Las bombas centrífugas son relativamente simples en diseño y cuentan con pocos componentes. A continuación, se enumeran algunos de los componentes más comunes.
Carcasa de Voluta y Difusor
Una carcasa de voluta o difusor se utiliza para convertir la energía cinética en presión.
Carcasa de Voluta con Impulsor (a)
Un impulsor gira e imparte energía cinética al líquido circundante debido a la fricción. A medida que el impulsor gira, el líquido se desplaza hacia la periferia exterior del impulsor y su energía cinética se transforma en presión.
Empaquetadura de Compresión y Sellos Mecánicos
El sellado de la bomba se logra mediante empaquetadura de compresión (también conocida como empaquetadura) o un sello mecánico. La empaquetadura es un diseño muy antiguo, mientras que los sellos mecánicos son un desarrollo más reciente.
La empaquetadura es la opción más económica, aunque presenta varias desventajas en comparación con un sello mecánico. Estas incluyen:
- La empaquetadura de prensa ejerce presión física sobre el eje, creando gradualmente una ranura que puede requerir reparación.
- El contacto entre la prensa y el eje genera fricción, manifestándose como calor. Este calor debe ser disipado para evitar daños al eje y a la prensa.
- La fricción entre la prensa y el eje implica que el motor de la bomba requiere más amperaje para realizar el mismo trabajo, reduciendo así la eficiencia general.
- La empaquetadura debe ser ajustada periódicamente para mantener la tasa de fuga adecuada.
- La vida útil de la empaquetadura es generalmente más corta en comparación con un sello mecánico.
Arreglo de Caja de Empaquetadura
Además, puede ser necesario instalar un anillo de linterna para permitir el enfriamiento de la empaquetadura.
Los sellos mecánicos no presentan los mismos problemas que la empaquetadura, aunque son más costosos y pueden tener fugas si las caras de sellado primarias no están completamente limpias.
Anillos de Desgaste
Los anillos de desgaste se utilizan para sellar el espacio entre el impulsor y la carcasa. Los anillos de desgaste instalados en el impulsor se denominan 'anillos de desgaste del impulsor', mientras que los instalados en la carcasa se llaman 'anillos de desgaste de la carcasa'.
Anillo de Desgaste del Impulsor
Sin anillos de desgaste, el líquido del proceso podría fluir desde el lado de descarga al lado de succión de la bomba en cantidades significativas, reduciendo la eficiencia de la bomba (hasta un 4%). Aunque es posible operar una bomba sin anillos de desgaste, esto causaría daños al impulsor y a la carcasa, y el costo de reemplazar un impulsor o una carcasa es mucho mayor que el de los anillos de desgaste.
El roce del impulsor contra la carcasa también puede causar un fenómeno conocido como 'galling', donde los dos metales se micro-soldan. En casos severos, el galling puede provocar que la bomba se bloquee completamente.
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¿Cómo Funcionan las Bombas Centrífugas?
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El líquido se aspira a través del puerto de succión (orificio central en la carcasa) y se descarga a través del puerto de descarga (orificio en la parte superior de la carcasa).
Una vez que el líquido ha pasado a través del puerto de succión, pasa a través de un impulsor y se descarga radialmente lejos del ojo del impulsor (centro del impulsor). El líquido se aleja del ojo del impulsor debido a la fuerza centrípeta, aunque este movimiento de flujo se atribuye comúnmente a la fuerza centrífuga, lo cual es incorrecto ya que la fuerza centrífuga es en realidad una fuerza ficticia (no real).
El impulsor tiene aletas separadas por canales, a través de los cuales fluye el líquido. Cada canal tiene un área de flujo creciente. A medida que el área del camino de flujo se expande, la velocidad del líquido disminuye y la presión aumenta. La relación entre área, velocidad y presión se describe por el Principio de Bernoulli.
Debido a la forma única de la carcasa de voluta, el líquido experimenta una disminución adicional de velocidad y un aumento de presión. El líquido luego se descarga a través del puerto de descarga.
Clasificación por Flujo
Las bombas centrífugas se clasifican como de flujo radial, axial o mixto.
Las bombas de flujo radial descargan el líquido perpendicular al eje principal de la bomba (90 grados respecto a la orientación del eje principal de la bomba); este tipo de bomba es ideal para muchas aplicaciones de presión y flujo.
Bomba Centrífuga de Flujo Radial
Las bombas de flujo mixto descargan el líquido en un ángulo superior a 90 grados en relación con el eje de la bomba.
Bomba Centrífuga de Flujo Mixto
Las bombas de flujo axial se utilizan para aplicaciones de baja presión y alto flujo. Casi no se imparte fuerza radial al líquido, pero la bomba todavía se clasifica como centrífuga porque alguna pequeña parte del movimiento del líquido es radial.
Bomba Centrífuga de Flujo Axial
Clasificación por Impulsor
Los impulsores están disponibles en tres diseños comunes: cerrados, semi-abiertos y abiertos.
Impulsores Abiertos, Semi-Abiertos y Cerrados
Cerrado – los impulsores de tipo cerrado tienen dos cubiertas. Las aletas del impulsor están completamente intercaladas entre las dos cubiertas. Este tipo de impulsor es muy eficiente para bombear líquidos de baja viscosidad con pocos sólidos suspendidos (agua, agua de mar, etc.). El impulsor de tipo cerrado tiene la mayor resistencia mecánica de todos los diseños de impulsores debido al soporte que brindan las cubiertas a las aletas.
Semi-Abierto/Semi-Cerrado – este tipo de impulsor también se conoce como 'parcialmente abierto' o 'parcialmente cerrado'. Los impulsores semi-abiertos tienen solo una cubierta. Este tipo de impulsor se utiliza para bombear líquidos con una cantidad moderada de sólidos suspendidos. Los impulsores semi-abiertos no son tan eficientes como los impulsores completamente cerrados porque el líquido bombeado no se guía directamente a lo largo de las aletas.
Abierto – los impulsores de tipo abierto no tienen cubiertas. Este tipo de impulsor es ideal para bombear líquidos de alta viscosidad (siempre que no hagan espuma cuando se agitan) y líquidos con muchos sólidos suspendidos. Las aplicaciones típicas para este tipo de impulsor incluirían aguas residuales y pulpa de papel. A veces, el centro del impulsor también se equipará con un cuchillo dentado para cortar sólidos suspendidos a medida que son atraídos al ojo del impulsor.
Clasificación por Etapa
Las bombas centrífugas pueden ser de una sola etapa o multietapa.
Un impulsor de una sola etapa es una bomba con solo un impulsor. Las bombas de una sola etapa generalmente usan una carcasa de voluta, aunque se puede usar un difusor si el espacio es limitado.
Una bomba multietapa es una bomba con más de un impulsor. Las bombas multietapa generalmente usan difusores porque instalar una carcasa de voluta para cada impulsor es poco práctico debido a consideraciones de tamaño.
Las bombas multietapa se refieren al número de impulsores instalados en un eje común, por ejemplo, una bomba de cinco etapas es una bomba multietapa con cinco impulsores (mostrada a continuación).
Las bombas multietapa permiten que el líquido bombeado pase a través de múltiples impulsores y difusores antes de ser descargado; esto permite que la presión se incremente gradualmente en cada etapa de la bomba.
Clasificación por Tipo de Succión
Los impulsores pueden ser de succión simple o de succión doble.
Los impulsores de succión simple tienen solo una entrada de succión.
Los impulsores de succión doble tienen dos entradas de succión.
Succión Simple y Doble
Entre Cojinetes o Voladizo
Los impulsores de bombas centrífugas pueden ser soportados en un extremo en una disposición en voladizo, o en ambos extremos.
Los impulsores soportados en un solo extremo se denominan bombas de voladizo, porque el impulsor está 'colgando' dentro de la carcasa.
Los impulsores soportados en ambos lados se denominan bombas entre cojinetes, porque el(los) impulsor(es) está(n) instalado(s) entre los cojinetes del eje. Las bombas centrífugas grandes y las bombas centrífugas multietapa son casi siempre bombas entre cojinetes.
Curvas de Bomba
Las curvas de bomba se utilizan para determinar las condiciones óptimas de operación de la bomba basadas en ciertas características, como el líquido que se bombea, la presión deseada y la tasa de flujo requerida. Las características deseadas dependen de los requisitos; algunas bombas tienen muchas condiciones que deben satisfacerse antes de ser puestas en servicio.
Dos de las características más importantes de una curva de bomba son la altura de cierre y el desbordamiento de la bomba.
La altura de cierre representa la cantidad máxima de carga estática que puede ser generada por la bomba.
El valor de desbordamiento es el flujo máximo permisible a través de la bomba sin que la bomba sufra daños.
Curva de Bomba
Altura de Cierre – es la cantidad máxima de carga estática (a veces llamada 'carga total') que puede ser generada por la bomba cuando opera a cierta velocidad. Una vez que se alcanza la altura de cierre, no hay flujo.
Ejemplo
Imagina bombear un líquido a través de una tubería vertical de 10 m de largo. No conoces la altura de cierre, así que comienzas a perforar agujeros en la tubería vertical hasta que el agua fluya. Perforas a 10 m de altura, luego a 9 m de altura y el agua fluye cuando perforas a 8 m de altura. Luego cortas el metro superior de la tubería vertical y puedes ver que el nivel del agua está aproximadamente a 8.5 m. Ves que no hay flujo. El nivel del agua que ves representa la altura de cierre.
En nuestro ejemplo, la 'altura' puede clasificarse como la 'carga de descarga', esta es la carga de presión que levanta el líquido desde la tubería de descarga de la bomba hasta la salida final.
La 'carga estática' (también conocida como 'carga total') es la diferencia en altura vertical desde la parte superior del líquido que se bombea hasta el punto más alto donde se descarga el líquido.
La altura de cierre es el valor de carga total cuando no ocurre flujo.
Carga de Presión Total (carga estática)
Desbordamiento – es el flujo máximo permisible a través de la bomba sin dañar la bomba. Las altas tasas de flujo a menudo llevan a la cavitación, lo cual no es deseado.
Cavitación
La cavitación ocurre debido a las variaciones de presión que encuentra el líquido a medida que viaja a través del impulsor de la bomba. Las burbujas de vapor atrapadas se forman y colapsan debido a este cambio repentino de presión. Aunque la cavitación es inconsecuente a pequeña escala, es muy dañina para la bomba cuando se repite miles de veces por segundo.
Efecto del Cambio de Presión en una Burbuja de Vapor (cavitación)
La cavitación a menudo hace que la bomba suene como si se estuvieran sacudiendo canicas dentro de la carcasa de la bomba. Si se sospecha de cavitación, se deben tomar medidas correctivas para reducir o detener la cavitación lo antes posible.
Encapsulamiento de Gas
El líquido que se bombea puede considerarse como una parte esencial de la bomba. Sin líquido, la bomba no funcionará correctamente. El encapsulamiento de gas se refiere a una situación donde hay muy poco líquido presente dentro de la bomba y no se puede obtener una presión de succión negativa. Si no se puede obtener una presión de succión negativa, no se puede aspirar líquido en la bomba y no ocurrirá flujo.
Nota: Las bombas de desplazamiento positivo no sufren de encapsulamiento de gas porque estos tipos de bombas son autocebantes (pueden bombear aire).
Cebado
Las bombas que pueden bombear aire se denominan 'autocebantes'. A diferencia de las bombas de desplazamiento positivo, una bomba centrífuga no puede bombear aire y por lo tanto no es autocebante. Normalmente es un requisito que haya una carga de presión disponible cuando se inicia la bomba, esto a menudo significa que la bomba se instala por debajo del nivel del líquido que se bombea (el líquido se aspira en la bomba debido a la gravedad). Otro medio de cebar la bomba es usar una bomba adicional para alimentar la bomba centrífuga principal hasta que se obtenga succión.
Bomba Instalada por Debajo del Líquido que se Bombea
Detalles del Modelo 3D
Este modelo 3D muestra todos los componentes principales asociados con una bomba centrífuga típica, estos incluyen:
- Impulsor
- Carcasa de Voluta
- Eje
- Sello Mecánico
- Puertos de Succión y Descarga
- Llave del Eje
- Cojinete
- Tuercas y Pernos
- Anillos de Desgaste
- Empaquetadura de Compresión
- Anillo de Linterna
Este es un modelo 3D de una Bomba Centrífuga.
Anotaciones del Modelo 3D
Descarga/Salida
El fluido se descarga a través de esta conexión.
Succión/Entrada
El fluido se aspira en el impulsor a través de esta conexión.
Anillo de Desgaste
Se instala un anillo de desgaste del impulsor para reducir el espacio entre la carcasa y el impulsor. Reducir el espacio reduce la cantidad de fuga del lado de descarga al lado de succión del impulsor; esto finalmente mejora la eficiencia de la bomba.
Impulsor
El fluido fluye hacia el ojo del impulsor y luego hacia afuera radialmente. A medida que el fluido se mueve hacia afuera a través de las aletas del impulsor, su energía cinética se convierte en energía de presión. Hay tres tipos de impulsor centrífugo, estos son los tipos cerrado, parcialmente cerrado y abierto; el tipo utilizado depende de qué fluido se está bombeando.
Carcasa de Voluta
Las carcasas de bombas centrífugas son del tipo difusor o voluta. Las bombas de una sola etapa (un impulsor) casi siempre utilizan carcasas de voluta, mientras que las bombas multietapa (>1 impulsor) generalmente utilizan carcasas de difusor.
Empaquetadura de Compresión
La empaquetadura de compresión sella el espacio entre el eje y la carcasa. La empaquetadura de compresión generalmente se refiere simplemente como 'empaquetadura'. Una alternativa a la empaquetadura de compresión es el sello mecánico.
Caja de Empaquetadura
El área donde se instalan la empaquetadura y el anillo de linterna se conoce como 'caja de empaquetadura'. La empaquetadura se 'empaqueta' literalmente en este espacio. En este modelo, el marcador de anotación se ha colocado sobre la caja de empaquetadura.
Anillo de Linterna
Los anillos de linterna se utilizan para distribuir líquido de enfriamiento a la empaquetadura. El líquido enfría y lubrica la empaquetadura, lo que ayuda a evitar que se sobrecaliente.
Seguidor de Prensa
Se utiliza un seguidor de prensa para comprimir la empaquetadura, pero es importante mantener una tasa de fuga a través de la empaquetadura. La tasa de fuga debe medirse en gotas por minuto y el seguidor de prensa debe ajustarse si la tasa de fuga se vuelve excesiva.
Cojinetes de Bolas
Los cojinetes soportan las cargas axiales y radiales generadas por la bomba cuando está estacionaria y en servicio. El tipo de cojinete utilizado depende de muchos factores, aunque los cojinetes de bolas se consideran un cojinete adecuado para muchas aplicaciones de servicio. Los cojinetes de bolas son un tipo de cojinete antifricción.
Recursos Adicionales
https://en.wikipedia.org/wiki/Centrifugal_pump
https://www.powerzone.com/resources/glossary/centrifugal-pump
https://www.introtopumps.com/pumps-101/what-is-a-centrifugal-pump