Bomba adecuada: evite sobredimensionar sus bombas
La selección adecuada de la bomba es más importante que nunca, con consecuencias drásticas para el mantenimiento, la confiabilidad y la eficiencia. El proceso de selección sigue siendo difícil para los usuarios promedio, e incluso contratar el trabajo a una empresa de ingeniería de renombre no garantiza el éxito. En esta columna, cubriremos el diseño de bombas centrífugas, los errores comunes en el proceso de selección y las consecuencias de una selección incorrecta.
La tecnología de bombas centrífugas ha existido durante siglos sin cambios revolucionarios. Hay nuevas aleaciones y recubrimientos para construir las carcasas y los impulsores, y las eficiencias han aumentado. Pero el diseño básico permanece prácticamente sin cambios. A diferencia de otras tecnologías del siglo XXI, una bomba centrífuga de hace 100 años es casi idéntica a los diseños modernos. En todo caso, los diseños más antiguos son más robustos, ya que el mercado competitivo actual obliga a los fabricantes a reducir costos eliminando el exceso de material.
Una bomba de un fabricante de renombre puede funcionar mal en un sistema independientemente de la bomba's calidad específica. Una bomba hecha de titanio y diseñada para un ciclo de vida de 30 años, aunque costosa, podría funcionar de manera inadecuada para otra aplicación industrial. Por lo tanto, es crucial adaptar la bomba correcta a la aplicación correcta. Para entender por qué puede ocurrir una falla, dejemos's profundizar en los puntos básicos de funcionamiento de las bombas centrífugas.
Diseño de bomba
A medida que gira el eje de la bomba, hace girar el impulsor dentro de la carcasa, lo que agrega energía al fluido del proceso. Esto permite que el impulsor actúe como un voladizo con un anillo de desgaste, sellos y cojinetes que mantienen todo en su lugar y evitan que se derrame líquido. El impulsor giratorio cambia el fluido entrante's, lo que puede causar intensas cargas radiales en la bomba. Los cojinetes no solo reducen la fricción de rodadura, sino que también soportan el eje de la bomba y absorben estas cargas radiales. Esto se puede ver en una vista detallada de una bomba centrífuga en la Imagen 1.
Imagen 1. Vista detallada de una bomba centrífuga (Imágenes cortesía del autor)
Todas las bombas tienen un punto de diseño donde se maximiza la eficiencia, llamado punto de mejor eficiencia (BEP). Aquí es donde la bomba funciona con mayor suavidad y se minimizan las fuerzas radiales. Cuanto más lejos del BEP, mayores serán las cargas radiales en la bomba. La bomba generalmente tendrá una velocidad crítica de alrededor del 25 por ciento sobre el BEP donde se alcanza su frecuencia natural y puede ocurrir una vibración excesiva. Básicamente, la bomba se sacudirá sola, pasando primero por el anillo de desgaste, luego por los sellos y finalmente por los cojinetes. Por lo general, esto es fácil de detectar ya que la bomba vibrará y puede comenzar a perder líquido mucho antes de cualquier mantenimiento programado.
Confiabilidad de la bomba
Las curvas de la bomba demuestran la fuerte relación entre la vida útil de la bomba, la confiabilidad de la bomba y dónde opera la bomba en su curva.
El rendimiento de las bombas individuales es una combinación del diseño de la bomba y las condiciones de funcionamiento. La bomba'Los datos de rendimiento se proporcionan al usuario en forma de curvas de bomba, con la función principal de comunicar o definir la relación entre el caudal y la cabeza total para una bomba específica. Los proporciona el fabricante y muestran las características de funcionamiento de un tipo, tamaño y velocidad de bomba específicos en función de los resultados de pruebas estandarizadas y condiciones de prueba. Una bomba en buen estado mantiene la relación definida entre altura y caudal en todo momento.
La curva de la bomba es necesaria para:
· Selección adecuada de la bomba. El uso de una curva de bomba garantizará que la bomba seleccionada coincida con los requisitos del sistema.
· Monitoreo de la salud de la bomba. Si la bomba no está funcionando en la curva publicada, algo anda mal.
· Resolución de problemas de funcionamiento de todo el sistema de tuberías. La bomba proporciona energía al sistema, y conocer la energía que ingresa es una pista fundamental para identificar problemas. Sin una curva de bomba, es extremadamente difícil determinar qué está causando un problema en el sistema y qué se debe hacer para corregirlo.
Para mayor precisión, es fundamental tener una curva de bomba para cada bomba.
La imagen 2 muestra una curva de bomba estilizada en negro con eficiencia en verde. Para operar en el BEP, el sistema debe controlar la presión en la salida de la bomba o el flujo a través del sistema para mantener el punto de funcionamiento de la bomba (indicado por la flecha roja).
Imagen 2. Curvas y confiabilidad de la bomba
Por ejemplo, si el sistema hace que la presión en la descarga supere la presión en el BEP, el punto de operación se moverá hacia la izquierda hacia arriba en la curva y el flujo se reducirá. Si el sistema hace que la presión en la bomba'Al caer la descarga, el punto de operación se moverá hacia abajo y hacia la derecha. Moverse hacia la izquierda o hacia la derecha del BEP hace que aumenten las fuerzas sobre el impulsor, y estas fuerzas provocan tensiones que tienen un efecto negativo significativo en la vida útil y la confiabilidad de la bomba.
Si superponemos la vida útil esperada de la bomba en función de dónde está operando la bomba, obtenemos un"curva de barrera,"que muestra el tiempo medio entre fallos (MTBF) en función del caudal de BEP. Esta curva fue creada por Barringer & Associates en un estudio de fallas de sellos en bombas centrífugas.
Utilizando la Imagen 2, cuanto más cerca esté la bomba de su BEP, mayor será el MTBF. A medida que el caudal de operación de la bomba se mueve más hacia la izquierda o hacia la derecha del BEP, las fallas ocurren con mayor frecuencia.
El MTBF se reduce a la mitad cuando la bomba funciona un 20 % por debajo del BEP o un 10 % por encima, como se muestra. Cuando se opera a la izquierda del BEP, problemas como aumento de temperatura, cavitación de flujo bajo, problemas de cojinetes, vida útil reducida del impulsor, recirculación de succión y descarga provocan fallas en el sello y tiempo de inactividad de la bomba. A la derecha del BEP, se afectan la vida útil de los cojinetes y los sellos, y ocurren problemas de cavitación.
Los puntos clave son comprender cómo el sistema impacta la bomba en su curva y la confiabilidad y la vida útil de la bomba aumentan cuando la bomba opera cerca del BEP.
Bomba de cavitación
La cavitación es una preocupación importante; puede demoler bombas muy rápidamente. Si hay una presión de entrada baja o la bomba está funcionando en el extremo más alejado de su curva, empuja el fluido tan rápidamente que la presión del fluido cae por debajo de su presión de vapor y puede hacer que hierva.
Por ejemplo, al nivel del mar el agua hierve a 212 grados Fahrenheit (F). En la cima del Monte Everest, donde la presión es mucho más baja, el agua hierve a 160 F. En una bomba, la presión puede bajar lo suficiente como para que el agua"hierve"a 60 F, o cualquiera que sea la temperatura ambiente.
Puede parecer difícil que el aire desprenda el acero de una bomba. De hecho, son los millones de creaciones e implosiones de burbujas de vapor las que pueden causar el daño. Este efecto es claro una vez que la bomba está en funcionamiento y puede sonar como si se estuviera bombeando grava sin importar el fluido base. Por esta razón, gastar dinero extra en una bomba de gran tamaño puede costar más dinero en mantenimiento y reparaciones.
Proceso de diseño
Debido a que generalmente se desconoce el proceso de tubería individual, los ingenieros tienden a sobredimensionar las bombas. No saben exactamente cómo un contratista enrutará las tuberías y, por lo tanto, incluirá un factor de seguridad en los cálculos. Este factor de seguridad generalmente va por encima del escenario de diseño del peor de los casos.
Las empresas de ingeniería están incentivadas por el hecho de que no quieren que se les culpe por una bomba de tamaño insuficiente si no puede cumplir con los requisitos del proceso. Imagínese la indignación y el daño a una empresa's reputación si sus clientes no obtienen la presión de agua adecuada de una ducha, enfriamiento de la calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) o flujo de las alcantarillas.
Una regla general para los factores de seguridad es del 10 por ciento. El ingeniero júnior generalmente asumirá una cierta cantidad de energía requerida en función de los elementos de tubería, proceso y control esperados, y luego agregará un 10 por ciento a este número.
Un ingeniero senior puede revisar el trabajo y agregar un 10 por ciento adicional también. Las cosas continúan complicándose, ya que los usuarios finales pueden tener expectativas poco realistas de capacidad de producción dados los altos números deseados, o pueden querer que la infraestructura esté lista para una posible expansión en el futuro. Cuando finalmente se ordena la bomba, el fabricante'El representante de s ayudará a seleccionar una bomba que sea lo suficientemente grande para manejar estas operaciones y más.
Estos factores de seguridad terminan componiéndose entre sí, dejando el proceso real algo diferente de lo que se requería.
El usuario final puede cargar con una bomba ineficiente y la posibilidad de cientos de miles de dólares en energía y mantenimiento adicionales. Esta es la razón por la cual se recomienda enfáticamente usar software para modelar las condiciones de flujo esperadas en varios puntos de operación.
Resultados del mundo real
Según el Instituto Hidráulico's"Optimización del Sistema de Bombeo,"una evaluación de 1.690 bombas en 20 plantas de proceso descubrió algunos resultados alarmantes. Descubrieron que la eficiencia de bombeo promedio estaba por debajo del 40 por ciento. Además de eso, más del 10 por ciento de las bombas de ese estudio tenían menos del 10 por ciento de eficiencia.
Se encontró que una de las principales causas era la selección incorrecta de la bomba. La regla general es que una combinación de bomba y motor costará alrededor de $ 1 por día, por caballo de fuerza del motor. Si bien los costos de energía varían según la ubicación, este es un buen punto de partida para comenzar a comprender los costos potenciales que enfrenta.
Para bombas de mayor potencia que funcionan de manera ineficiente, el capital desperdiciado es asombroso. Los costos de energía por sí solos rara vez son causa de cambio, y mucho menos de transformación de una industria.
Una vez que las bombas están instaladas y funcionando, los costos de energía están fuera de la vista y de la mente. Hay muchos otros costes en las instalaciones industriales, y descubrir el verdadero coste de la bomba
es difícil cuando está enterrado en una factura de energía industrial junto con los altos costos de calefacción, refrigeración y funcionamiento del equipo.
Hay beneficios adicionales de un sistema optimizado además del ahorro de energía—proceso de calidad y cantidad para empezar. En muchos casos, los sistemas se han dejado solos porque funcionan y los gerentes no quieren poner en peligro el proceso.
Esto funciona si está satisfecho con el status quo. Sin embargo, pequeños cambios en el sistema pueden resultar en aumentos considerables en la producción en todo momento. Cuando se consideran a lo largo de muchos años, estos cambios producen resultados espectaculares.
La confiabilidad del sistema y el mantenimiento reducido generan algunos de los mayores ahorros cuando el sistema de bombeo funciona correctamente.
De la curva de Barringer, podemos ver que debemos operar cerca de la bomba's BEP para maximizar nuestra eficiencia y el tiempo medio entre fallas de la bomba.
Los fabricantes de bombas de renombre diseñan sus bombas para que funcionen durante 20 años o más si se hacen correctamente, pero los usuarios finales suelen estar satisfechos con solo cinco años. Los costos también son más fáciles de rastrear en piezas y mano de obra. La oportunidad de ahorro de un mejor mantenimiento y confiabilidad por sí sola garantiza una segunda mirada a sus bombas y sistemas.
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