Mdp 02 p-07 características de comportamiento de las bombas

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REV. FECHA DESCRIPCION PAG. REV. APROB. APROB.

APROB. FECHAAPROB.FECHA

BOMBAS

�1994

NOV.97 NOV.97

NOV.970 11

MANUAL DE DISEÑO DEL PROCESO

MDP–02–P–07 CARACTERISTICAS DE COMPORTAMIENTO DELAS BOMBAS CENTRIFUGAS

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MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO

CARACTERISTICAS DE COMPORTAMIENTO DELAS BOMBAS CENTRIFUGAS NOV.970

PDVSA MDP–02–P–07

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Indice1 ALCANCE 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 REFERENCIAS 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 FORMAS DE CURVA DE FUNCIONAMIENTO PROMEDIO 2. . . . . .

4 CAMBIO DE DIAMETRO DE IMPULSOR O VELOCIDAD 2. . . . . . . .

5 REDUCCION DE POTENCIA–VELOCIDAD VARIABLE VERSUSVELOCIDAD CONSTANTE 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 EFECTO DE VISCOSIDA 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7 NPSH Y CAVITACION 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8 VELOCIDAD ESPECIFICA 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9 CURVAS DESCENDENTES CABEZAL–CAPACIDAD 6. . . . . . . . . . .

10 NOMENCLATURA 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

http://www.intevep.pdv.com/santp

http://www.intevep.pdv.com/santp/mdp/indice_mdp.htm

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1 ALCANCEEste Documento presenta información sobre las características defuncionamiento hidráulico de las bombas centrífugas. Esta información ayuda enel diseño de los sistemas de control de la bomba, en la modificación de bombasexistentes y en la aplicación de bombas existentes para servicios de bombeonuevos.

2 REFERENCIASPDVSA GA–201, MID. Vol. 14 Centrifugal Pumps

3 FORMAS DE CURVA DE FUNCIONAMIENTO PROMEDIOLa capacidad de cabezal, los requerimientos de potencia, la eficiencia y elrequerimiento de NPSH de las bombas centrífugas varía con el caudal de flujo.La variación específica en la “forma de la curva” es diferente para cada bomba,pero las desviaciones del promedio tienden a ser pequeñas dentro de los tipos debombas usadas más comúnmente en servicios de proceso. La Figura 1. muestraformas promedio de las curvas de los cuatro parámetros característicos. EstaFigura es útil para predecir la forma de curva típica y para estimar el efecto de uncambio de flujo sobre cada uno de los cuatro parámetros. Por supuesto que lascurvas reales, en vez de las generalizadas de este tipo, deben ser usadas en elestudio de problemas con bombas existentes o de características conocidas.

GA–201 especifica los valores mínimos y máximos permisibles para cabezal aflujo cero (shut off), como un porcentaje del cabezal en el punto nominal.

El hecho de que los valores de las desviaciones de las características defuncionamiento de bombas específicas no coincida con los valores promedio dela Fig, 1, no se debe considerar como una deficiencia.

4 CAMBIO DE DIAMETRO DE IMPULSOR O VELOCIDADLa curva de características de cabezal–capacidad de una bomba centrífuga dadase puede alterar para que sirva para nuevos requerimientos de funcionamiento.El parámetro básico que se debe cambiar es la velocidad periférica del impulsor.

La velocidad periférica se puede cambiar en la siguiente manera:

1. Cambio de velocidad

a. Con accionador de turbina, cambiando el ajuste del regulador de velocidad,dentro de los límites admisibles de velocidad de la bomba y las turbinas.

b. Mediante el uso de un accionador de velocidad variable entre la bomba y sumotor.

c. Con accionador de motor, agregue o cambie la unidad de engranaje entre elaccionador y la bomba.




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2. Cambio del diámetro del impulsor, en el rango permitido por el diseño de labomba.

Las curvas de funcionamiento suministradas con las bombas nuevas a vecesincluyen la predicción del funcionamiento a velocidades o diámetro de impulsoresdiferentes que el caso de diseño inicial. Cuando estos datos están disponibles, sepueden usar fácilmente para predecir el funcionamiento de la bomba una vezmodificada. Cuando sólo esta disponible la curva “normal”, las leyes de afinidadpueden ser usadas para estimar el funcionamiento de la bomba modificada conuna precisión razonable.

Las leyes de afinidad para bombas dicen:

1. El caudal de flujo (a cabezal constante) es directamente proporcional a lavelocidad periférica.

2. El cabezal total desarrollado (a caudal de flujo constante) es directamenteproporcional al cuadrado de la velocidad periférica.

3. Los requerimientos de potencia son directamente proporcionales al cubo develocidad periférica (suponiendo eficiencia constante y variacionesrelativamente pequeñas en los niveles de flujo y cabezal).

Por ejemplo, las Figuras 2. y 3. presentan el siguiente procedimiento. Use laFigura 1. para definir la curva de cabezal, típica de la bomba a velocidad de 100%,usando el punto de diseño original: 80 dm3/s (1250 gpm), 2650 kPa (385 psi). VerFigura 2.

Para 100% de velocidad o de diámetro de impulsor a cero flujo:

�P = 3100 kPa (450 psi)

Para 92% de velocidad o de diámetro de impulsor a cero flujo:

�P = 3100 x (0.92)2 = 2620 kPa (380 psi)

Para definir cualquier otro punto en la curva de velocidad al 92% siga hacia abajodesde la curva de 100% a un punto igual a �Px (0.92)2. A partir del punto 1 a 80dm3/s (1250 gpm) y 2650 kPa (381 psi) de :

�P = 2650 x (0.92)2 = 2240 kPa (325 psi)

Luego proceda a la izquierda desde las curvas de velocidad de 100% a un puntoigual al caudal de flujo x 0.92.

Q = 80 x 0.92 = 7 dm3/s (1157 gpm)

El punto 2 sería en la curva a 92% a 73 dm3/s (1157 gpm) y 2240 kPa (325 psi).




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Para la curva de PF(kW) la curva a 92% de velocidad o de diámetro del impulsorproceda hacia abajo desde el punto 3 sobre la curva de velocidad de 100% a unpunto igual a PF x (0.92)3.

PF(KW) = 300 x (0.92)3 = 234 kW (314 BHP)

Luego proceda a la izquierda a un punto igual al caudal de flujo x 0.92.

Q = 80 x 0.92 = 73 dm3/s (1157 gpm)

El punto 4 estaría sobre la curva de 92% a 234 kW (314 BHP) y 73dm3/s. (1157gpm)

5 REDUCCION DE POTENCIA–VELOCIDAD VARIABLEVERSUS VELOCIDAD CONSTANTE

El siguiente ejemplo muestra la reducción del consumo de potencia que es posiblelograr con operación a velocidad variable en vez de velocidad constante. Estareducción de energía es ocasionalmente suficiente para justificar el uso de unaturbina de velocidad variable en vez de un motor a velocidad constante, o el usode un motor con una unidad para velocidad variable en vez de un motor develocidad constante.

La Figura 3. muestra la posible reducción de potencia basada en una aplicaciónde tubería. Suponga que la bomba opera a 100% de capacidad nominal y 100%de presión nominal, punto 1. La potencia gastada, PF1 en las curvas A y B seríaaproximadamente la misma para la unidad de velocidad constante como para launidad de velocidad variable, ya que la unidad de velocidad variable estaríaoperando a toda velocidad con deslizamiento mínimo.

Sin embargo, si se desea reducir el flujo al 80% de la capacidad nominal, la presiónen el punto 2 es todo lo que se requiere. Se puede emplear un accionador develocidad variable para reducir la velocidad de la bomba a fin de formar una nuevacurva de cabezal–velocidad que intersepte la curva característica en el punto 2 yasí la bomba requeriría sólo el 73% de la potencia nominal, PF2. Si la unidad debombeo fuera de velocidad constante, produciría un 110% de la presión nominala 80% de la capacidad nominal, punto 3. La capacidad deseada se podría lograrsólo regulando la presión entre los puntos 3 y 2 ( H como se muestra). La potenciausada por la unidad de velocidad constante sería el 92% de la potencia nominaltal como se muestra en la curva A a PF3. Por lo tanto, se ahorra considerableenergía mediante la regulación a todas las capacidades por debajo de la máxima.

La explicación de la diferencia de requerimientos de potencia que se indican enlas curvas A y B de la Figura 2. reside principalmente en el hecho de que laregulación en la válvula de control consume una cantidad significativa de lapotencia del accionador. Los requerimientos de energía se determinan por tres




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factores: la capacidad, el cabezal y la eficiencia de la bomba. Cuando la velocidadse reduce, la eficiencia de la bomba permanece prácticamente constante, y lareducción tanto en la capacidad como en el cabezal produce una disminuciónrápida de la potencia al freno. A velocidad constante y flujo parcial, el efecto delflujo reducido en la ecuación de potencia es parcialmente neutralizado por elincremento en el cabezal y la disminución de la eficiencia de la bomba, por lo tanto,se produce una reducción en la potencia que es relativamente pequeña encomparación con la del arreglo de velocidad variable.

Si se usa una turbina de velocidad variable para lograr el cambio de velocidad,virtualmente toda la reducción de consumo de potencia resulta en un ahorro deenergía del accionador. Sin embargo, en el caso de unidades hidráulicas yelectromagnéticas reductoras de velocidad una parte de la energía ganada esconsumida por el reductor de velocidad, gastada en calor. Por lo tanto, toda laenergía ahorrada no está disponible para crédito económico.

Las desventajas de usar velocidad variable como mecanismo de control son:

1. Costo de capital mayor, debido a la necesidad de una unidad de velocidadvariable o de un regulador de velocidad de turbina más costoso.

2. Menor confiabilidad y costos mayores de mantenimiento para el sistema decontrol variable que para para un sistema de válvula de control.

Otro método para obtener un control económico es con operaciónarranque–parada de unidades múltiples.

6 EFECTO DE VISCOSIDADLa alta viscosidad tiene un efecto negativo en el funcionamiento de una bombacentrífuga. Cuando la viscosidad aumenta, la capacidad de cabezal y la eficienciadisminuyen. Los datos para predecir el efecto de viscosidad se presentan en laFigura 4. En el caso de servicios para los cuales se requerirán bombas nuevas,el suplidor de la bomba debe tomar en cuenta el cambio de viscosidad para eldiseño de la bomba; el diseñador de servicio necesita sólo especificar el rango deviscosidad anticipado.

7 NPSH Y CAVITACION(Ver MDP–02–P–04)

8 VELOCIDAD ESPECIFICALa velocidad específica es un parámetro usado para describir el tipo de diseño deimpulsor usado. Es la velocidad en rpm a la que un impulsor geométricamentesimilar estaría girando si fuera de un tamaño tal para desarrollar una capacidadde un gpm contra un cabezal de un pie. La velocidad específica se relaciona con




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la velocidad de la bomba, la capacidad y el cabezal tal como se presenta acontinuación:

Ns �F7 N x Q1�2

H3�4 Ec. (1)

donde:

Enunidadesmétricas

Enunidadesinglesas

Ns = Velocidad específica del impulsor rev/s rpm

N = Velocidad rotativa de la bomba rev/s rpm

Q = Caudal de flujo volumétrico dm3/s US gpm

H = Diferencia neta de cabezal m pie

F7 = Factor que depende de las unidades usadas 1.63 1

Una bomba produciendo un cabezal alto a un flujo relativamente bajo tiene unavelocidad específica baja; esto es característico de una bomba “centrífuga” pura.Una bomba que produce un cabezal bajo a un caudal de flujo relativamente altotiene una velocidad específica alta, la cual es característica de una bomba tipoaxial (o “de propela”). Los valores típicos para velocidades específicas deimpulsores “centrífugos” varían desde 8 hasta 67 rps (500 a 4000 rpm); paraimpulsores de flujo mixto, de 67 a 170 rps (4000–10000 rpm); y para impulsoresde flujo axial o propelas de 170 a 270 rps (10000–16000) (por etapa).

9 CURVAS DESCENDENTES CABEZAL–CAPACIDADLas curvas descendentes cabezal–capacidad son causadas por turbulencia

extrema interna a caudales de flujo cercanos al de parada debido al diseño físicode la bomba. Los álabes del impulsor de la bomba y los ángulos del difusor sondiseñados para obtener su máxima eficiencia cerca o al caudal de flujo requerido.La desviación de ese caudal de flujo incrementa la turbulencia, causando unareducción en la eficiencia de la bomba. En algunos diseños de bombas laturbulencia se vuelve excesiva a flujo muy bajo, disminuyendo el cabezal netoproducido y causando un “descenso” en la curva.

Las bombas que son especialmente propensas a formas de curvas descendentesson aquellas con las siguientes características:

1. Construcción con difusor de álabes

2. Impulsor con álabes radiales o casi radiales

3. Bombas de alta velocidad




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4. Impulsor diseñado para requerimiento de NPSH bajos

5. Bombas con cabezal muy alto por etapa.

10 NOMENCLATURA(Ver MDP–02–P–02)




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Fig 1. CURVAS CARACTERISTICAS PROMEDIO PARA BOMBAS CENTRIFUGAS




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Fig 2. CALCULO DE FUNCIONAMIENTO A VARIAS VELOCIDADES PERIFERICAS




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Fig 3. COMPARACION DE ACCIONADORES DE VELOCIDADCONSTANTE Y VARIABLE

PORCENTAJE DE CABEZAL NOMINALDE BOMBA

PORCENTAJE DE POTENCIA NOMINAL




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Fig 4. FACTORES DE CORRECCION POR VISCOSIDADEN BOMBAS CENTRIFUGAS




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