Nota del editor: Este artículo técnico "repetido" fue publicado por primera vez en la edición de Currents de enero del 2012.
Eugene Vogel
Especialista de Bombas y Vibraciones de EASA
Cuando trabaje con bombas, seguramente encontrará instancias en las que se hace referencia a la curva de la bomba, junto con una serie de parámetros asociados con ella. Un parámetro clave de la curva de la bomba es el Punto de Mejor Eficiencia (BEP). Este concepto simple de un punto de operación que produce la operación más eficiente no es difícil de visualizar. Para motores eléctricos, la eficiencia varía con la carga; la mejor eficiencia está en alrededor del 75% de carga. Sin embargo, con las bombas rotodinámicas, que incluyen bombas centrífugas y de flujo axial, hay que considerar cuatro parámetros clave, uno de los cuales es la eficiencia. Estos cuatro parámetros son cabeza, caudal (también conocido como capacidad o volumen), potencia y eficiencia.
Están relacionados entre sí por la fórmula simple:
Por supuesto, la potencia es inversamente proporcional a la eficiencia: una mayor eficiencia significa que se necesita menos energía. Note también que la potencia es directamente proporcional al Caudal x Altura (QxH). Ahora, para una bomba rotodinámica, el caudal y la cabeza varían según la demanda del sistema. Si el sistema restringe la descarga de la bomba, como cuando se cierra una válvula reguladora de descarga, la cabeza aumenta y el caudal disminuye.
Por el contrario, menos restricción del sistema significa menos cabeza y mayor caudal. Esta relación se ilustra mediante una curva, que es específica para cada bomba. Vea la Figura 1. Para comprender el BEP, es esencial saber que el caudal a través de una bomba rotodinámica varía desde cero en "cabeza muerta" (válvula de descarga cerrada), hasta el caudal máximo en condición de "agotamiento/run out" (sin restricción de descarga). Resulta que la eficiencia es una función del caudal a través de la bomba. Vea la Figura 2.
Compárelo con el flujo de tráfico
Una buena analogía es el flujo de tráfico en una carretera, con eficiencia medida en automóviles por minuto. Temprano en la mañana, el tráfico se mueve rápido, pero no hay muchos autos, por lo que la eficiencia en autos por minuto es baja. Justo antes de la hora pico, el tráfico sigue moviéndose rápido y hay muchos autos, por lo que la eficiencia es alta. Pero en la hora pico, el volumen de automóviles aumenta considerablemente y el tráfico se ralentiza, por lo que ahora hay muchos automóviles que se mueven muy lento y la eficiencia de la carretera disminuye. Hay un período, justo antes de la hora pico, cuando la eficiencia de la carretera en automóviles por minuto es mayor, lo que podría describir como el punto de mejor eficiencia para la carretera.
Y así es para la el BEP de la bomba. Ver Figura 3. Con caudal cero (válvula de descarga cerrada), hay eficiencia cero. A medida que se abre la válvula de descarga, aumenta el caudal y, por lo tanto, también la eficiencia. A medida que se reduce aún más la restricción de descarga y aumenta el caudal, la eficiencia aumenta hasta cierto punto. Más allá de ese punto, el caudal a través de la bomba se vuelve más turbulento y la eficiencia disminuye a medida que la bomba se acerca a la condición de agotamiento ("run out") donde la eficiencia es muy baja (pero no cero). Entonces, en algún lugar entre la condición de cabeza muerta y agotamiento, hay un caudal en la que la eficiencia es máxima: ese es el BEP. Tenga en cuenta que el BEP se indica en la Figura 3 a un caudal de alrededor de 1600 unidades que coincidió con el valor máximo de la curva de eficiencia. Ese caudal también intersecta la curva de la bomba en un punto igual a la cabeza de aproximadamente 220 unidades.
Efectos del caudal
Es útil observar más de cerca por qué la eficiencia de la bomba cambia con el caudal. Como se mencionó anteriormente, el caudal turbulento a través de la bomba juega un papel central en la determinación de su eficiencia: cuanto mayor es la turbulencia, menor es la eficiencia. Entonces tiene sentido que el BEP sea el punto donde se minimiza la turbulencia. El impulsor es lo que imparte la potencia al líquido que se bombea ("bombeo"). El diseño del impulsor es el factor más importante para determinar el BEP de una bomba.
Para comprender cómo el diseño del impulsor afecta la eficiencia, concéntrese en cómo sale el bombeo del impulsor, en relación con el ángulo de la paleta del impulsor en ese punto. El bombeo se arremolina en la carcasa del impulsor fuera del impulsor, pero a una velocidad más lenta que la punta de la paleta del impulsor. El bombeo está siendo dirigido a través del impulsor y fuera del impulsor por la paleta del impulsor.
Entonces, si el ángulo de la paleta del impulsor dirige el bombeo hacia la carcasa del impulsor en el ángulo correcto para fusionarse suavemente con el bombeo que gira allí, se minimiza la turbulencia y se maximiza la eficiencia, lo que produce el BEP para ese impulsor.
Los ingenieros de diseño utilizan una serie de vectores para calcular el ángulo del álabe del impulsor para un determinado caudal. Como se ve en la Figura 4, un vector (Vt) representa la velocidad de la punta de la paleta, tangente al impulsor. Un segundo vector (Vr) representa la velocidad del caudal del bombeo que sale del impulsor. El ángulo de descarga del flujo es la suma de esos dos vectores y debe coincidir con el ángulo de la paleta del impulsor en la descarga (Vm). La longitud del vector (Vr) cambia con el caudal: un mayor caudal a través de la bomba significa que el bombeo debe moverse más rápido a medida que sale del impulsor.
Entonces, el caudal cambia el ángulo de descarga y, por supuesto, el ángulo de la paleta del impulsor permanece constante. El BEP es el caudal donde el ángulo de descarga coincide con el ángulo de la paleta. Se aplica un análisis similar a la admisión del impulsor.
Las características de la carcasa del impulsor también juegan su papel, pero el diseño del impulsor es el factor principal que determina a qué caudal ocurre el BEP. Entonces, cualquier cambio en el impulsor también cambiará el BEP. Recortar el diámetro exterior (OD) de un impulsor, reemplazar un impulsor con uno de diferente diámetro o número de paletas, o cambiar la velocidad de rotación alterará el BEP de la bomba.
Para cualquier modificación del impulsor, se debe realizar un análisis del impacto en la curva de la bomba, la curva de eficiencia y el BEP.
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