Fundamentos de las Bombas Centrífugas: Diseño, Funcionamiento y Usos

En la industria actual, las bombas centrífugas son de los tipos más utilizados. Sirven para transportar fluidos convirtiendo energía cinética rotacional en energía hidrodinámica del flujo. Esta energía suele provenir de un motor eléctrico o de combustión.

Hoy conocerás la definición, funciones, aplicaciones, componentes, clasificaciones, tipos, historia, diagrama y funcionamiento de la bomba centrífuga, así como sus ventajas, inconvenientes y factores de selección.

¿Qué es una bomba centrífuga?

Como se mencionó, una bomba centrífuga es un dispositivo mecánico diseñado para mover o transportar fluido mediante la transferencia de energía rotacional desde uno o más rotores impulsados, denominados impulsores.

Las bombas centrífugas son una subclase de turbomaquinaria de trabajo absorbente y axisimétrica dinámica. El fluido entra en el impulsor por su eje y es expulsado por fuerza centrífuga a través de la circunferencia por las palas del impulsor. La acción del impulsor aumenta la velocidad y presión del fluido, dirigiéndolo hacia la salida de la bomba.

En el diseño, la carcasa es capaz de encauzar el fluido desde la entrada de la bomba hacia el centro del impulsor (ojo). Luego frena y controla el fluido antes de descargarlo.

La primera máquina considerada bomba centrífuga se diseñó para elevar lodo. Apareció en 1475 en un tratado del ingeniero renacentista italiano. La verdadera bomba centrífuga se desarrolló a finales del siglo XVII cuando Denis Papin construyó una con palas rectas. En 1851, el inventor británico John Appold introdujo la versión de palas curvas. Breve historia de la bomba centrífuga.

La función de la bomba centrífuga está especificada para caudales altos y bombeo de líquidos de baja viscosidad, hasta 0,1 cP. En la mayoría de plantas químicas...

Aplicaciones de la bomba centrífuga

En la mayoría de plantas químicas, el 90 % de las bombas usadas son centrífugas. Aunque existen aplicaciones donde se prefieren bombas de desplazamiento positivo. Algunas aplicaciones:

1. Industria del petróleo y energía: bombeo de crudo, lodos, barro, etc.; refinerías y centrales de generación.
2. Protección contra incendios: calefacción, ventilación, alimentación de calderas, aumento de presión, sistemas de rociadores.
3. Gestión de residuos, agricultura, manufactura: depuradoras, industria municipal, drenaje, procesamiento de gas, riego, protección contra inundaciones.
4. Industria farmacéutica, química, alimentaria: pinturas, hidrocarburos, petroquímica, refinación de azúcar, producción de alimentos y bebidas, celulosa.
5. Diversas industrias (manufactura, químicas, farmacéutica, alimentaria, aeroespacial, etc.) para criogenia y refrigerantes.

Componentes principales de la bomba centrífuga

Componentes principales:

Impulsor (impeller)

El diagrama siguiente muestra distintos impulsores: abierto, semiabierto y cerrado. Es una rueda o rotor con palas curvas hacia atrás. Montado en eje accionado por fuente externa, que transmite energía al fluido haciéndolo girar.

Carcasa (casing)

Otra parte principal. Es una tubería conectada en su extremo superior a la entrada de la bomba hacia el centro del impulsor (ojo). En bombas de doble aspiración, dos tuberías de aspiración conectan al ojo desde ambos lados. El líquido sube por el extremo inferior sumergido, equipado con válvula de pie y filtro. Tres tipos de carcasa comunes: voluta, vórtice y con álabes guía.

Tubería de impulsión (delivery pipe)

Montada en el extremo inferior de la salida de la bomba. Lleva el líquido a la altura requerida. Cerca de la salida hay una válvula en la tubería de impulsión que controla el flujo desde la bomba.

Tubería de aspiración con válvula de pie y filtro

Conectada a la entrada del impulsor; el otro extremo sumergido en la fuente de líquido. En su extremo lleva válvula de pie y filtro. La válvula es de retención (apertura hacia arriba). El filtro retiene partículas no deseadas para evitar obstrucciones.

Diagrama de bomba centrífuga:

Clasificaciones y tipos de bomba centrífuga

Clasificaciones y sus tipos:

Según número de impulsores:

1. Bomba de una etapa (single-stage)
2. Bomba de dos etapas (two-stage)
3. Bomba multietapa (multi-stage)

Según orientación de la partición de la carcasa (case-split):

1. Bomba de partición axial (axial split)
2. Bomba de partición radial (radial split)

Según diseño del impulsor:

1. Bomba de aspiración simple (single suction)
2. Bomba de doble aspiración (double suction)

Según tipo de voluta:

1. Bomba de voluta simple (single volute)
2. Bomba de voluta doble (double volute)

Según soporte de cojinetes:

1. Voladizo (overhung)
2. Entre cojinetes (between-bearing)

Según orientación del eje:

1. Bomba horizontal
2. Bomba vertical

Según cumplimiento de normas industriales:

1. Bomba ANSI – (Instituto Nacional Estadounidense de Estándares)
2. Bomba API – (Instituto Americano del Petróleo)
3. Bomba DIN – especificaciones DIN 24256
4. Bomba ISO – especificaciones ISO 2858, 5199
5. Bomba nuclear – especificaciones ASME (Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos)

Principio de funcionamiento

Como se dijo, las bombas centrífugas inducen flujo o elevan líquido de nivel bajo a alto. Su funcionamiento es simple por su mecanismo sencillo. Convierten energía rotacional, a menudo de un motor, para mover el fluido.

Dos partes clave convierten la energía: impulsor y carcasa. El impulsor es la parte rotatoria; la carcasa, el paso estanco que lo rodea.

En el funcionamiento, el fluido entra en la carcasa y cae sobre las palas del impulsor. Llega al ojo del impulsor. Este gira, impulsando el fluido tangencial y radialmente hacia afuera hasta que sale al difusor de la carcasa. Al atravesar el impulsor, el fluido gana presión y velocidad.

Mira el vídeo para aprender más sobre el funcionamiento de la bomba centrífuga:

Factores que afectan el rendimiento de una bomba centrífuga

Factores a considerar al seleccionar una bomba centrífuga:

Viscosidad del fluido de trabajo:

Resistencia al corte al aplicar energía. Generalmente, las bombas centrífugas son aptas para fluidos de baja viscosidad porque la acción de bombeo genera alto corte en el líquido.

Altura neta de aspiración positiva (NPSH) y cavitación:

NPSH es la presión del fluido en el lado de aspiración. Determina si la presión es suficiente para evitar cavitación. La cavitación es formación de burbujas o cavidades en líquido, en zonas de baja presión alrededor del impulsor. Puede dañar gravemente el impulsor y reducir caudal/presión. El NPSH disponible (NPSHa) debe ser mayor que el NPSH requerido (NPSHr) de la bomba.

Presión de vapor del fluido de trabajo:

Presión a una temperatura dada en que el fluido cambia a vapor. Debe determinarse para evitar cavitación. También el daño en cojinetes por funcionamiento en seco cuando el fluido se evapora.

Temperatura y presión de operación:

Factor a considerar. Bombeo a alta temperatura puede requerir juntas, sellos y diseños de montaje especiales. Para alta presión, puede necesitarse carcasa diseñada para retener presión.

Densidad específica y gravedad del fluido de trabajo:

La densidad es masa por unidad de volumen. La gravedad específica es la relación entre la densidad del fluido y la del agua. Afecta directamente la potencia de entrada necesaria. Al usar fluidos distintos de agua, hay que considerar densidad y gravedad específica, pues el peso afecta directamente el trabajo de la bomba.

Ventajas e inconvenientes de la bomba centrífuga

Ventajas:

Beneficios en sus aplicaciones:

• Funcionan bien con grandes volúmenes de transferencia de fluido – por eso se usan para agua, productos químicos y combustibles ligeros, donde se transfieren grandes cantidades.
• Simplicidad en diseño, funcionamiento y mecanismo. No requieren válvulas ni pistones; partes móviles mínimas.
• Comparativamente compactas; ocupan poco espacio, una razón de su amplio uso.

Inconvenientes:

Limitaciones a pesar de sus ventajas:

• NPSH del sistema demasiado bajo (cavitación).
• Desgaste del impulsor, agravado por sólidos en suspensión.
• Propiedades del fluido pueden causar corrosión interna.
• Caudal bajo provoca sobrecalentamiento.
• Fugas a lo largo del eje rotatorio.
• Deben cebarse (llenarse de fluido) para operar; de lo contrario, falta de cebado.
• No aptas para fluidos viscosos.
• Golpe de ariete (surge).
• No adecuadas para aplicaciones de carga (head) muy alta.

Conclusión

La bomba centrífuga es una gran bomba ampliamente usada, ofrece múltiples ventajas aunque persisten limitaciones. Sigue siendo la mejor opción para bombeo en diversos campos. Funciona mediante carcasa e impulsor. En este artículo hemos examinado definición, aplicaciones, función, componentes, clasificaciones y tipos de bombas centrífugas, factores de selección, ventajas e inconvenientes.

Espero que hayas aprendido mucho; si es así, comparte con otros estudiantes técnicos. ¡Gracias por leer! Hasta la próxima.