Dinámica de fluidos de bombas centrífugas

Principio de funcionamiento de las bombas centrífugas El principio de funcionamiento de bombas centrífugas Se basa en la acción de la fuerza centrífuga. Cuando el impulsor gira a alta velocidad, el líquido se proyecta desde el centro del impulsor hacia el borde exterior bajo la influencia de la fuerza centrífuga, obteniendo así energía cinética y energía de presión. El proceso de trabajo específico es el siguiente: 1.El líquido ingresa al área central del impulsor a través de la entrada de succión de la bomba. 2. La rotación del impulsor genera fuerza centrífuga, lo que hace que el líquido se mueva desde el centro del impulsor hasta el borde exterior a lo largo de los pasos de las paletas. 3. El líquido gana energía cinética y energía de presión dentro del impulsor y luego se descarga en la carcasa de la bomba. 4. Dentro de la carcasa de la bomba, parte de la energía cinética del líquido se convierte en energía de presión y el líquido finalmente se descarga a través de la salida. Durante el funcionamiento de una bomba centrífuga, el impulsor funciona convirtiendo la energía mecánica en energía del líquido. A medida que el líquido fluye a través del impulsor, tanto su presión como su velocidad aumentan. Según la ecuación de Bernoulli, el aumento de la energía total del líquido se manifiesta principalmente como un aumento de la energía de presión, lo que permite a la bomba centrífuga transportar el líquido a mayor altitud o superar una mayor resistencia del sistema. Es importante tener en cuenta que el requisito previo para el funcionamiento normal de una bomba centrífuga es que la cavidad de la bomba esté llena de líquido. Esto se debe a que la fuerza centrífuga solo actúa sobre líquidos, no sobre gases. Si hay aire en la cavidad de la bomba, esta no podrá generar presión con normalidad, lo que provocará un bloqueo de vapor que, en última instancia, provocará cavitación. Análisis de las causas de la cavitación en bombas centrífugas 1. Medio de entrada inadecuado o presión de entrada insuficiente Un fluido de entrada inadecuado es una de las causas más comunes de cavitación en bombas centrífugas. Las siguientes situaciones pueden provocar un fluido de entrada insuficiente: a. Nivel bajo de líquido: Cuando el nivel del líquido en una piscina, tanque o recipiente de almacenamiento cae por debajo de la tubería de succión de la bomba o del nivel mínimo efectivo, la bomba puede aspirar aire en lugar de líquido, lo que produce cavitación. b. Elevación de succión excesiva: En el caso de las bombas centrífugas no autocebantes, si la altura de instalación supera la altura de succión admisible, incluso con la tubería de succión sumergida en el líquido, la bomba no podrá extraerlo, lo que provocará una falta de líquido en su interior. Según principios físicos, la altura de succión máxima teórica para bombas centrífugas no autocebantes es de aproximadamente 10 metros de columna de agua (presión atmosférica). Sin embargo, considerando diversas pérdidas, la altura de succión real suele ser inferior a 6-7 metros. c. Presión de entrada insuficiente: En aplicaciones que requieren presión de entrada positiva, si la presión de entrada proporcionada es inferior al valor requerido, la bomba puede experimentar un suministro de líquido inadecuado, lo que provoca cavitación. d. Mal diseño del sistema: En algunos diseños de sistemas, si la tubería de succión es demasiado larga, el diámetro de la tubería es demasiado pequeño o hay demasiadas curvas, la resistencia de la tubería aumenta, lo que reduce la presión de entrada y evita que la bomba centrífuga extraiga el líquido correctamente. Estudios de caso muestran que aproximadamente el 35% de las fallas de bombas centrífugas en la industria petroquímica se deben a un fluido de entrada inadecuado o a una presión de entrada insuficiente. Este problema es particularmente común en los sistemas de transporte de petróleo debido a la alta viscosidad y presión de vapor de los productos petrolíferos. 2. Obstrucción en la tubería de entrada La obstrucción en la tubería de entrada es otra causa común de cavitación en bombas centrífugas. Sus manifestaciones específicas incluyen: a. Pantallas o filtros obstruidos: Durante el funcionamiento a largo plazo, las mallas o filtros en la tubería de entrada pueden bloquearse gradualmente por impurezas o sedimentos, lo que restringe el flujo de líquido. b. Formación de incrustaciones en el interior de la tubería: En particular, cuando se manipula agua dura, agua con alto contenido de iones de calcio y magnesio o líquidos químicos específicos, pueden formarse incrustaciones o depósitos cristalinos en las paredes internas de la tubería, lo que reduce el diámetro efectivo con el tiempo. c. Entrada de objetos extraños: La entrada accidental de objetos como hojas, bolsas de plástico o plantas acuáticas en la tubería de succión puede bloquear codos o válvulas, obstruyendo el flujo de líquido. d. Válvulas parcialmente cerradas: Los errores operativos, como no abrir completamente las válvulas en la tubería de succión o fallas en las válvulas internas, también pueden provocar un flujo insuficiente. e. Falla de la válvula de pie: En sistemas equipados con válvulas de pie, si la válvula de pie funciona mal (por ejemplo, deformación del resorte o daño en la superficie de sellado), puede afectar la capacidad de la bomba para extraer líquido correctamente. Los datos estadísticos indican que aproximadamente el 25% de los casos de cavitación en bombas centrífugas en sistemas municipales de abastecimiento de agua y drenaje se deben a obstrucciones en las tuberías de entrada. Este problema es especialmente común en sistemas de tratamiento de aguas residuales con altos niveles de sólidos en suspensión.     3. Eliminación incompleta del aire de la cavidad de la bomba La eliminación incompleta del aire de la cavidad de la bomba es una causa importante de cavitación en bombas centrífugas. Sus principales manifestaciones incluyen: a. Cebado inadecuado antes del arranque inicial: Tras la instalación inicial o una parada prolongada, las bombas centrífugas deben cebarse para eliminar el aire del cuerpo de la bomba. Si el cebado es insuficiente, el aire residual puede impedir que la bomba alcance la presión de trabajo normal. b. Capacidad de autocebado insuficiente: Las bombas centrífugas no autocebantes no pueden expulsar aire por sí solas y dependen del cebado externo. Si bien algunas bombas autocebantes tienen cierta capacidad de autocebado, métodos de arranque inadecuados o una altura de autocebado excesiva pueden provocar una expulsión de aire deficiente. c. Fugas de aire en el sistema de tuberías: Pequeñas grietas en las conexiones de la tubería de succión, los puntos de sellado o las tuberías viejas pueden permitir la entrada de aire al sistema bajo presión negativa. Esto es especialmente peligroso porque, incluso con el cebado inicial correcto de la bomba, el aire puede acumularse con el tiempo y causar cavitación. d. Falla del sello: Los sellos de eje desgastados o instalados incorrectamente (por ejemplo, sellos mecánicos o sellos de empaque) pueden permitir que entre aire externo a la bomba, especialmente cuando la presión del lado de succión está por debajo de la presión atmosférica. En aplicaciones industriales, aproximadamente el 20 % de los casos de cavitación en bombas centrífugas se deben a una extracción incompleta del aire de la cavidad de la bomba. Este problema es especialmente común durante la puesta en marcha inicial tras la instalación o el mantenimiento. 4.Otras causas Además de las causas principales mencionadas anteriormente, otros factores también pueden provocar la cavitación de la bomba centrífuga: a. Vaporización de líquidos: Al manipular líquidos a alta temperatura o altamente volátiles, si la presión de la tubería de succión cae por debajo de la presión de vapor de saturación del líquido a esa temperatura, este puede vaporizarse y formar burbujas. Esto puede impedir que la bomba succione líquido o causar cavitación. b. Errores operativos: Los factores humanos, como el funcionamiento incorrecto de la válvula o no seguir los procedimientos de arranque, pueden provocar la cavitación de la bomba. c. Mal funcionamiento del sistema de control: En los sistemas de control automatizados, fallas en los sensores de nivel, sensores de presión o errores en la lógica de programación del PLC pueden provocar que la bomba arranque o funcione en condiciones inapropiadas, lo que produce cavitación. d. Problemas de potencia o motor: Una secuencia de fases de potencia incorrecta que provoque la inversión del motor puede impedir que la bomba succione líquido correctamente. La inestabilidad del voltaje, que provoca fluctuaciones en la velocidad del motor, también puede interrumpir el funcionamiento normal de la bomba. e. Efectos de la temperatura: En condiciones ambientales extremas, como en regiones frías, un aislamiento inadecuado puede provocar la congelación del líquido en la tubería, lo que obstruye el flujo. En entornos de alta temperatura, los líquidos pueden vaporizarse, formando bloqueos de vapor. Las investigaciones indican que estas otras causas representan aproximadamente el 20 % de los casos de cavitación en bombas centrífugas. Si bien la proporción es relativamente pequeña, pueden ser factores significativos en situaciones o condiciones específicas y no deben pasarse por alto.