Bomba centrífuga de alta eficiencia

  bombas centrífugas Las bombas centrífugas se utilizan ampliamente en la producción industrial y en sistemas de ingeniería para el transporte de diversos fluidos. Sin embargo, durante su funcionamiento, suele producirse un fenómeno que afecta gravemente al rendimiento y la vida útil de la bomba: la cavitación. La cavitación no solo reduce la eficiencia de las bombas centrífugas, sino que también provoca daños serios en componentes clave como los impulsores, e incluso puede llevar a la inutilización total del equipo. Por lo tanto, estudiar y comprender las causas de la cavitación en las bombas centrífugas es de gran importancia para el diseño racional, la correcta instalación y el funcionamiento seguro de las bombas. Abajo, Anhui Shengshi Datang te proporcionaremos una introducción detallada. 1. Concepto básico de cavitación La cavitación se refiere al fenómeno por el cual, al fluir el líquido a través del impulsor de la bomba, la presión local cae por debajo de la presión de vapor saturado del líquido a su temperatura de operación, causando la vaporización parcial del líquido y la formación de numerosas burbujas de vapor diminutas. Cuando estas burbujas son transportadas por el flujo de líquido a una región de mayor presión, la presión circundante aumenta rápidamente, provocando que las burbujas colapsen instantáneamente y se condensen nuevamente en líquido. El colapso de estas burbujas genera intensas ondas de choque y altas temperaturas localizadas, que impactan la superficie del impulsor, causando corrosión por fatiga o desprendimiento del metal. Este es el fenómeno de cavitación en las bombas centrífugas. La cavitación se produce por la acción combinada de la dinámica de fluidos y la termodinámica. Su causa fundamental es la distribución desigual de la presión dentro del líquido. Cuando la velocidad del flujo local es demasiado alta o el diseño geométrico es inadecuado, la presión local disminuye, lo que desencadena un proceso cíclico de vaporización y colapso de burbujas. 2. Causa principal de la cavitación La causa principal de la cavitación en las bombas centrífugas es que la presión local del líquido dentro de la bomba cae por debajo de la presión de vapor saturado del líquido a esa temperatura. En una bomba centrífuga, el líquido fluye desde la tubería de succión hacia la entrada del impulsor. A medida que el conducto de flujo se contrae gradualmente, la velocidad del líquido aumenta y, en consecuencia, la presión estática disminuye. Cuando la presión local cae hasta la presión de vapor saturado del líquido, este comienza a vaporizarse, generando burbujas de vapor. Estas burbujas son transportadas hacia la región de alta presión, cerca del centro y la salida del impulsor, donde colapsan rápidamente debido a la alta presión. Las ondas de choque de alta energía liberadas durante el colapso de las burbujas provocan erosión del metal en la superficie del impulsor, aumento de la vibración de la bomba, mayor ruido y problemas como la reducción del caudal y la altura de elevación. 3. Principales factores que provocan la cavitación a. Elevación por succión excesiva: Si la bomba se instala a una altura excesiva o el nivel de líquido en la succión es demasiado bajo, la presión en el lado de succión disminuye. A medida que el líquido fluye hacia la entrada del impulsor, la presión cae aún más. Cuando desciende por debajo de la presión de vapor saturado, se produce la vaporización. Si la altura de succión supera la NPSH (Altura Neta Positiva de Succión) admisible, la cavitación es inevitable. b. Resistencia excesiva de la línea de succión: Una tubería de succión demasiado larga, estrecha, con demasiados codos o con una válvula parcialmente cerrada provoca importantes pérdidas de presión por fricción y locales. La menor presión en el extremo de succión genera una caída de presión adicional en la entrada del impulsor, lo que aumenta la probabilidad de cavitación. Además, las fugas de aire o un sellado deficiente en la tubería de succión pueden introducir gas en el líquido, lo que agrava la cavitación. c. Temperatura del líquido excesivamente alta: Un aumento en la temperatura de un líquido eleva significativamente su presión de vapor saturado, lo que facilita su vaporización. Por ejemplo, la presión de vapor saturado del agua es relativamente baja a temperatura ambiente, pero aumenta considerablemente a altas temperaturas. Incluso si la presión de succión permanece constante, la temperatura puede dar lugar a la vaporización, lo que desencadena la cavitación. d. Baja presión de entrada o presión ambiental reducida: Cuando la presión en la fuente de succión de la bomba disminuye —por ejemplo, debido a una bajada del nivel de líquido, un vacío en el recipiente de suministro o una baja presión atmosférica ambiental (por ejemplo, a grandes altitudes)— la presión en el puerto de succión se vuelve insuficiente, lo que facilita que el líquido se vaporice en la entrada del impulsor. e. Diseño o instalación incorrectos de la bomba: El diseño estructural de la bomba influye directamente en su comportamiento ante la cavitación. Por ejemplo, un diámetro de entrada del impulsor demasiado pequeño, un ángulo de ataque de las palas inadecuado o una superficie rugosa del impulsor pueden provocar un flujo de líquido inestable, lo que conlleva una brusca caída de presión local. Asimismo, no respetar los requisitos de NPSH (NPSHr) especificados por el fabricante durante la instalación, o instalar la bomba a una altura excesiva, también puede provocar cavitación. f. Condiciones de funcionamiento inadecuadas: Cuando la bomba funciona con caudales que se desvían del punto de diseño, funciona durante períodos prolongados con un caudal bajo o durante ajustes repentinos de las válvulas, la distribución de presión del fluido cambia, lo que también puede causar vaporización y cavitación localizadas. 4. Efectos y peligros de la cavitación Los peligros de la cavitación para bombas centrífugas se manifiestan principalmente en los siguientes aspectos: a. Daños en la superficie metálica: Las ondas de choque de alta presión generadas por el colapso de las burbujas provocan erosión por picaduras en la superficie del impulsor. A largo plazo, esto puede ocasionar fatiga del material, desprendimiento de material e incluso perforación del impulsor. b. Degradación del rendimiento: La cavitación produce una reducción significativa del caudal, la altura manométrica y la eficiencia, alterando las curvas características de la bomba. c. Vibración y ruido: Las fuerzas de impacto generadas por la cavitación provocan vibraciones mecánicas y ruido de alta frecuencia, lo que afecta al funcionamiento estable del equipo. d. Vida útil reducida: El funcionamiento prolongado en condiciones de cavitación acelera el desgaste mecánico, reduciendo la vida útil de los cojinetes, los sellos y el impulsor. 5. Medidas para prevenir la cavitación Para prevenir o mitigar la cavitación, se deben tomar medidas desde las perspectivas del diseño, la instalación y el funcionamiento: a. Seleccione una altura de instalación razonable para asegurar una presión suficiente en el lado de succión, haciendo que el NPSH disponible (NPSHa) sea mayor que el NPSH requerido de la bomba (NPSHr). b. Optimizar la tubería de succión acortando su longitud, reduciendo el número de codos, aumentando el diámetro de la tubería, manteniendo las válvulas de succión completamente abiertas y evitando la entrada de aire. c. Controlar la temperatura del líquido mediante enfriamiento o disminución de la temperatura del tanque de almacenamiento para reducir la presión de vapor saturado del líquido. d. Aumentar la presión de entrada, por ejemplo, instalando una bomba de refuerzo, presurizando la superficie del líquido o colocando el recipiente del líquido a una mayor altura. e. Mejorar la estructura del impulsor mediante el uso de materiales y geometrías con buenas propiedades anticavitación, como la adición de un inductor o la optimización del ángulo de entrada de la pala. f. Mantenga la bomba funcionando cerca de su punto de diseño., evitando el funcionamiento prolongado a caudales bajos u otras condiciones de funcionamiento anormales. En resumen, la cavitación en las bombas centrífugas se debe principalmente a una presión del líquido demasiado baja en la entrada del impulsor, inferior a su presión de vapor saturado, lo que provoca la vaporización y el posterior colapso de las burbujas. Entre los factores específicos que contribuyen a este fenómeno se incluyen una altura de succión excesiva, una resistencia a la succión excesiva, una temperatura elevada del líquido, una baja presión de entrada y un diseño u operación inadecuados. La cavitación no solo afecta al rendimiento de la bomba, sino que también causa graves daños al equipo. Por lo tanto, tanto en el diseño como en la operación, debe hacerse hincapié en la prevención y el control de la cavitación. Mediante una configuración racional del sistema, la optimización de los parámetros estructurales y la mejora de las condiciones de operación, se logra un funcionamiento seguro y eficiente de la bomba. Se puede garantizar el funcionamiento de las 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.