08 noviembre 2009

Eficiencia energética en bombas (I). Bombas centrífugas







Abordamos a partir de este artículo la eficiencia energética en los sistemas de bombeo, tratando en esta ocasión las bombas centrífucas.

La eficiencia de una bomba centrífuga es el ratio de la potencia de salida útil respecto a la entrada de potencia total en el eje. La diferencia entre ambos constituye la suma de las pérdidas en el interior de la bomba. Estas pérdidas se agrupan en tres tipos que denominamos mecánicos, hidráulicos y volumétricos. En este nuevo artículo hablamos de estas pérdidas y de los factores que las causan.

Eficiencia hidráulica

Las pérdidas hidráulicas se deben a la fricción hidráulica y generación de turbulencias en todo el paso de caudal de la máquina. Es importante tener en cuenta en la eficiencia de la máquina cuáles son los valores de eficiencia hidráulica entre los equipos seleccionados. La eficiencia hidráulica está severamente afectada por la configuración del paso de caudal de la máquina. Para mejorar la eficiencia hidráulica el fabricante realiza continuas mejoras en la uniformidad de las superficies por el caudal.

Una consideración que debemos tener en cuenta en este tipo de bombas es que las áreas de caudal en la admisión y a través el del impulsor, carcasa y difusor tiene que estar apropiadamente proporcionados para conseguir el mejor rendimiento. Las superficies por donde atraviesa el caudal tienen que ser tan uniformes como sea posible. Para impulsores con diámetros de alrededor de 125 mm, la rugosidad de la superficie tiene que ser menor que 40 µm Ra (altura de pico a valle <0.16 µm). Por ejemplo, la pérdida de presión barométrica friccional en el interior del pasaje del impulsor se dobla sí el valor Ra se incrementa de 40 a 200 µm (altura de pico a valle 0,16 a 0,8 mm. Por comparación, una superficie de chorreado de arena tiene un Valor Ra de 80µm. El mismo Valor es también bueno para el interior de la carcasa. La uniformidad del interior del impulsor es más importante en bombas que tengan características H-Q descolgadas mientras que la universidad del interior de la carcasa es más importante en bombas que tengan características H-Q planas.

Eficiencia volumétrica

Las pérdidas se causan por la recirculación de líquidos desde el lado de descarga al lado de succión a través del espacio existente entre la carcasa y el impulsor. La porción δQ de descarga pasando a través de los espacios entre la sección de admisión del impulsor es tomada del caudal a través del impulsor, donde la energía adicional se imparte al líquido.

Si un impulsor transmite la cantidad Q (Ips) en la tubería de descarga y la descarga a través de la holgura es δQ (Ips), la descarga a través del impulsor será Q + δQ.

La eficiencia volumétrica es materialmente afectada por la cantidad de holgura radial δr y en menor medida por otras holguras. Para incrementar la eficiencia volumétrica, deben reducirse las pérdidas en el disco principal del impulsor. Esto puede conseguirse con un sellado adecuado del disco principal del impulsor. Si el disco no está bien sellado las pérdidas pueden ser cuantiosas.

Las superficies uniformes de la carcasa incrementan la eficiencia total de la bomba en un 6-10 %.

Se recomienda una holgura radial de 0,3 mm; aunque puede mantenerse no inferior a 0,5 mm. En este caso la eficiencia total de la bomba puede incrementarse un 5-10 %.

En industrias pequeñas donde el volumen de producción no es un criterio, la eficiencia volumétrica puede mejorarse, mejorando la holgura radial o axial durante el ensamblaje.

Sí estas holguras y rugosidades superficiales en el paso del caudal no están estandarizadas en una industria, las pérdidas de caudal y de altura manométrica de la bomba serán diferentes. Ello puede llevar a que los valores de H&Q sean muy diferentes de los valores garantizados por el fabricante.

Eficiencia mecánica

La potencia mecánica generada en el interior de la bomba por los álabes del impulsor es:

Ni = (Q + dQ) g (H+h)

El ratio de salida de la bomba respecto a la potencia indicada en la ecuación anterior se denomina eficiencia de las paletas.

La eficiencia de las paletas tiene en cuenta pérdidas de agua e hidráulicas en la máquina, no considerando las pérdidas de fricción en los discos. La entrada de potencia aplicada por la transmisión del eje de la máquina excede la energía indicada debida a la fricción de la máquina y ejes, así como la fricción entre las superficies exteriores del impulsor y el líquido circundante.

El efecto de la fricción mecánica y del disco puede ser permitido por la eficiencia mecánica bruta.

Una pequeña bomba hidráulica producirá una energía total hm = 0,85 – 0,95.

El valor de hm depende de las características mecánicas, diseño y la condición en servicio de los rodamientos de las bombas. El empleo de rodamientos de rodillos cilíndricos dará un mayor hm. Este incremento es mayor cuando los rodamientos se mantienen limpios y lubricados a intervalos regulares.

Respecto al mantenimiento de las bombas centrífugas es también importante indicar que el diseño durante el servicio de la bomba quedará siempre afectado por las condiciones el sello del eje de la bomba (prensaestopas).

Sin el eje de la bomba está excesivamente ajustado se producirá un desequilibrio en su operación debido a la posible aparición de calor local y tensiones en el eje. El sellado mecánico mejorar la eficiencia entre un 3-5 %.

Hm depende también del acabado de las superficies no activas del impulsor; se incrementa con la rugosidad reducida, por ejemplo, con las superficies exteriores más uniformes del impulsor. La parte exterior del impulsor debe estar finamente mecanizada. Esta pérdida de fricción del disco puede reducirse seleccionando una velocidad más alta y menor diámetro del impulsor.

Conclusión

Como hemos visto en los apartados anteriores, incrementando las eficiencias hidráulicas, volumétricas y mecánicas puede aumentarse la eficiencia total de una bomba centrífuga. La eficiencia hidráulica depende del buen diseño y pasajes interiores uniformes esto es un desafío para el diseñador y fabricante.

Consiguiendo pequeñas holguras puede incrementarse la eficiencia volumétrica. En las industrias pueden conseguirse mejoras inmediatas, puesto que la holgura existente puede llegar a ser de 1,5 mm en ciertos casos.

La eficiencia mecánica depende de dos factores que son la resistencia a la rotación del eje por los rodamientos, sellos, etc., y la fricción del disco causada por las superficies exteriores del impulsor. La eficiencia mecánica puede incrementarse mejorando el diseño de rodamientos y sellado, evitando excentricidad de los ejes en rodamientos y superficies de asiento del sello, manteniendo uniformes las superficies del impulsor y seleccionando la velocidad posible más alta de manera que se mantenga un diámetro mínimo del impulsor.

Las bombas con velocidad específica más baja tienen un diámetro del impulsor más grande produciendo presión manométrica alta a descargas más bajas y como hemos mencionado arriba las pérdidas son altas y la eficiencia es más baja. En tales bombas, a menudo los impulsores pueden usarse para reducir la fricción del disco. Una bomba centrífuga de una sola etapa como una velocidad específica inferior a diez no es recomendable. Este es un área para las bombas multietapas.

Las bombas con velocidad específica alrededor de 50 tienen la velocidad total más alta; sin embargo, pueden usarse impulsores de tipo francis con velocidades específicas entre 30 y 60. De aquí, 30 es la máxima velocidad específica a la que deben usarse álabes simples.

Bibliografía: Small Industries' Testing and Research Centre How to improve efficiency of centrifugal pumps


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- Ejemplo de amortización de inversiones en bombas eficientes.
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