Ingeniería Mecánica: Curvas características de una bomba centrífuga (I)

Es de todos conocido la importancia que tiene el saber interpretar de modo preciso las curvas características de una bomba centrífuga. Son muchos los problemas que pueden venir asociados a una bomba centrífuga y el tratar de resolverlos de la manera mas eficientemente posible pasa, primeramente, por conocer de manera exacta y precisa si la bomba está funcionando dentro de los parámetros para los cuales fue diseñada, es decir, el punto en el cual se encuentra trabajando. En el manual de la bomba deberíamos encontrar las diversas curvas asociadas a la bomba y, por supuesto, el punto de trabajo en el cual debemos mantener a nuestra bomba para que funcione como está previsto. El conocimiento y buena interpretación que tengamos de estos gráficos nos aportará la información necesaria para una correcta toma de decisión a la hora de resolver nuestro problema. En última instancia es el fabricante el que se encarga de trazar las curvas características de sus bombas, veamos cuál es el procedimiento para graficar los parámetros de funcionamiento de una bomba centrífuga.

Para la obtención de las curvas de una bomba se construyen bancos de prueba y ensayo equipados con todo lo necesario para ello. De una manera muy simplificada podemos ver como son éstos en el siguiente esquema:

Esquema simplificado de un banco de ensayos

Se deben monitorizar las presiones de aspiración e impulsión de la bomba, debe existir un medio de regulación del caudal de salida de la bomba y, por supuesto, los medios necesarios para la medición del caudal que suministra la bomba. Por otro lado se conocerán los datos físicos de la instalación como velocidad del impulsor, diámetro de este, altura neta disponible en la aspiración, etc. El fluido bombeado será agua a temperatura ambiente.

Consideremos Ps la presión en la brida de aspiración de la bomba y Pd la presión en la brida de impulsión. Primeramente se arranca la bomba con la válvula de descarga totalmente cerrada, es decir Q = 0, obteniéndose la presión entregada por la misma, que será la presión de descarga Pd menos la presión de aspiración Ps. Con esta presión diferencial y siendo  el peso específico del líquido bombeado (agua a temperatura ambiente), se obtiene la altura manométrica entregada por la bomba a través de la fórmula:

Esta altura, conocida normalmente como altura «shut-off», es la altura desarrollada por la bomba con caudal nulo Q0,  la llamaremos H0. Seguidamente abrimos parcialmente la válvula reguladora de caudal obteniendo un nuevo valor en el transmisor de caudal que llamaremos Q1, igualmente obtendremos las nuevas presiones a la entrada y salida de la bomba . Podemos así, calcular  el nuevo valor para la altura desarrollada por la bomba que llamaremos H1. Se abre un poco más la válvula, obteniéndose un nuevo caudal Q2 y una altura H2 de la misma forma anteriormente descrita.

Si realizamos el proceso varias veces, obtendremos una serie de puntos que nos ayudarán a graficar la primera curva característica de la bomba. Colocando en el eje de abscisas los valores correspondientes de caudal y en el eje de ordenadas los correspondientes a las alturas manométricas tendremos algo parecido a la siguiente figura.

Puntos obtenidos sobre una gráfica Q-H

Uniendo todos los puntos trazamos una curva Q-H característica de la bomba ensayada, para una velocidad de giro constante y diámetro de impulsor determinado. Moviéndonos a través de ella obtendremos la altura manométrica total H, suministrada por la misma, cuando estamos bombeando un caudal Q determinado.

Curva Q-H

Tenemos que tener en cuenta que esta curva así obtenida es sólo para un determinado diámetro de impulsor, si usamos un diámetro distinto, la curva obtenida será distinta. Normalmente, en una misma bomba podemos usar distintos diámetros de rodete, así, el fabricante debería suministrar junto con la bomba, no una curva, si no una familia de curvas en función de los diámetros D diferentes de impulsor a utilizar.

Familia de curvas Q-H

Igualmente, se puede conocer en todo momento el consumo del motor que acciona nuestra bomba centrífuga monitorizándolo sobre el armario eléctrico con los instrumentos de medida adecuados, Así, tendremos la potencia consumida por la bomba P. De esta forma, se puede obtener la curva de potencia consumida P en función del caudal suministrado Q. Trasladando todos estos puntos sobre los ejes de coordenadas obtenemos una nueva gráfica, en el eje de abscisas tenemos los valores del caudal Q y en el eje de ordenadas los valores de la potencia consumida P.

Curva de potencia consumida P en función de Q

En el caso de las bombas centrífugas de flujo radial, la potencia aumenta continuamente con el caudal. El motor deberá estar dimensionado para que su potencia cubra todo el rango de caudales Q a utilizar con la bomba. En sistemas con alturas variables en los que el caudal es regulado mediante una válvula, hay que verificar que, para grandes caudales para los cuales tenemos una altura manométrica mínima (recordar la forma de la curva Q-H) la potencia suministrada por el motor sea mayor que la potencia consumida P por la bomba para evitar sobrecargas.

Otra curva muy habitual es la que muestra la variación del rendimiento  de la bomba en función del caudal Q. Primeramente, expresar que la potencia hidráulica  es el trabajo útil realizado por la bomba centrífuga por unidad de tiempo, es decir viene dada por la expresión:

En donde  es el peso específico del líquido bombeado. Esta potencia hidráulica no es igual a la potencia consumida por la bomba ya que existen perdidas debidas a rozamientos. Por tanto, podemos expresar que el rendimiento es el cociente entre la potencia hidráulica y la potencia consumida:

Cabe señalar, aunque es evidente que, si conocemos el rendimiento obteniéndolo directamente de la curva de la bomba podremos conocer la potencia consumida mediante la expresión:

El rendimiento es el cociente entre dos potencias que conocemos y que son función del caudal Q, por tanto, estamos en disposición de trazar una curva más, la del rendimiento en función del caudal Q. Tiene la forma mostrada en la siguiente figura.

Curva de rendimiento en función de Q

Donde Qóptimo es el punto de mejor eficiencia de la bomba para el diámetro de rodete y velocidad considerados en el ensayo.

La cuarta curva característica a considerar de nuestra bomba es la curva NPSHr (Net Positive Suction Head) o altura neta positiva de aspiración requerida, en función del caudal Q. Esta curva representa la energía mínima necesaria que el líquido bombeado debe tener, medida en la brida de aspiración de la bomba como altura absoluta de líquido, para garantizar su funcionamiento. Es una característica propia de la bomba que puede ser obtenida solamente en forma experimental en los bancos de prueba de los fabricantes. Su fin práctico es el mantener en la entrada del rodete la presión de aspiración por encima de la presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo. Ampliaré mas este tema cuando os hable del fenómeno de la cavitación. La forma de esta curva es la representada en la siguiente figura.

Curva NPSHr(Q)

Ya he mostrado cuáles son las 4 curvas que caracterizan el funcionamiento de una bomba hidráulica. Ahora bien, hemos hablado de la limitación en los rodetes que presenta toda bomba, tanto por arriba (diámetro máx.) como por abajo (diámetro min.). Las curvas de rendimiento asociadas a las bombas las podemos encontrar graficadas individualmente, para cada diámetro utilizado en la bomba o, como es más habitual, trazadas sobre las curvas H-Q de los diámetros de los rodetes. Se trata de trazar sobre las curvas H-Q de la familia de diámetros usados en la bomba el valor del rendimiento, que será común a todas ellas. Estas curvas también reciben el nombre de curvas de iso-rendimiento. Os muestro una imagen que explica como obtenerla.

Ejemplo de curva de Iso-rendimiento

Y aquí podeis ver como son realmente las curvas características de una bomba SULZER. Sobre ella, y siempre que conozcamos datos relativos a presiones de entrada, salida, caudales, Ø del impulsor, etc. podremos saber en que punto de la gráfica está trabajando nuestra bomba. Se podrá dar el caso de tener ruido, fuertes vibraciones, excesivo consumo, etc. por el simple hecho de estar trabajando en un punto muy lejano del que supuestamente debería trabajar.

En el siguiente video se explica de manera clara lo que acabo de contaros, echarle un vistazo por que está interesante.

Esto es todo de momento. En una entrada posterior quiero seguir hablando sobre las curvas características de las bombas centrífugas  y las acciones que podemos tomar para modificarlas y movernos sobre ellas, variando así el punto de trabajo. Por favor, dejadme vuestros comentarios e inquietudes. Gracias.

Un saludo

mecantech@gmail.com