Bombas centrífugas: partes, curvas de desempeño y simulador

¡Bienvenidos nuevamente al blog de Welectronic! La bomba centrífuga es el equipo más común de cualquier planta: mueve agua de proceso, agua de mar, lastre, contraincendios, combustibles y pulpas. Entender sus partes, leer sus curvas y operarla bien es lo que separa una bomba que dura años de otra que se cambia cada seis meses. En esta publicación recorremos la ficha técnica completa, corregimos lo que hay que corregir, ampliamos lo que falta y, al final, tienes un simulador para mover la válvula, el variador y el impulsor y ver cómo cambia el punto de operación.

1. Partes principales de una bomba centrífuga

El principio es simple: el impulsor gira y le da velocidad al líquido; la voluta frena esa velocidad y la convierte en presión. Cada parte cumple una función concreta:

• Succión: entrada del fluido al centro (ojo) del impulsor. Es la zona de menor presión de la bomba, y por eso es donde nace la cavitación.
• Impulsor: transfiere energía al fluido aumentando su velocidad.
• Voluta: recoge el fluido que sale del impulsor y lo dirige a la descarga, transformando velocidad en presión.
• Descarga: salida del fluido a presión.
• Eje: transmite el movimiento del motor al impulsor.
• Sello mecánico: evita fugas del fluido entre la bomba y la atmósfera. Dos caras muy lisas, una fija y otra giratoria, separadas por una película de líquido de pocos micrómetros. Nunca debe trabajar en seco.
• Rodamientos: soportan el eje y permiten su giro suave y preciso.
• Acople: une el eje de la bomba con el del motor y absorbe pequeñas desalineaciones.
• Carcasa: contiene los componentes y soporta las presiones internas.

Además de lo que muestra la ficha, en campo vas a encontrar los anillos de desgaste (cierran el huelgo entre el impulsor y la carcasa; si se desgastan, la bomba pierde caudal y altura), la bancada (base común de bomba y motor) y el soporte de rodamientos con su sistema de lubricación.

Tipos de impulsor y materiales

• Cerrado: la mayor eficiencia; para líquidos limpios.
• Semiabierto: líquidos con sólidos en suspensión; menor tendencia al taponamiento.
• Abierto: líquidos con alto contenido de sólidos o fibras largas; fácil de limpiar.
• Canal (vórtice): permite el paso de sólidos grandes con menor eficiencia, porque el impulsor queda retirado de la corriente principal.

Materiales comunes: hierro fundido (agua y servicios generales), acero al carbono (hidrocarburos y servicios industriales), acero inoxidable 304/316 (químicos, alimentos y ambientes corrosivos), bronce (agua de mar y aplicaciones marinas) y plásticos de ingeniería como PP y PVDF (químicos corrosivos y tratamiento de agua).

Nota de ampliación (ambiente portuario): en agua de mar el material importa más que la bomba. Se usan bronces especiales, aceros dúplex o súper dúplex, y hay que vigilar la corrosión galvánica entre materiales distintos (por ejemplo, un impulsor de bronce en una carcasa de hierro fundido sin ánodos o recubrimiento). Confirma el material con el fabricante para tu servicio.

Ajuste a la ficha: la ficha dice que el impulsor cerrado tiene "menor riesgo de cavitación". Eso es una simplificación: la cavitación depende del NPSHr, es decir, del diseño de la entrada del impulsor y de las condiciones de succión, no de que el impulsor sea cerrado o abierto. Lo que sí se cumple es que el cerrado es el más eficiente y el menos tolerante a sólidos.

2. Curvas de desempeño

Para saber qué hará una bomba en tu sistema necesitas tres curvas que el fabricante entrega con el equipo (a una velocidad y un diámetro de impulsor dados):

• Curva H–Q (altura contra caudal): cuánta altura (presión) entrega la bomba según cuánto caudal pase. Con la descarga cerrada (Q = 0) da su máxima altura, llamada altura de cierre; al aumentar el caudal la altura baja.
• Curva de eficiencia: sube hasta un máximo y vuelve a bajar. Ese máximo es el BEP (punto de mejor eficiencia): ahí la bomba opera con el menor desgaste y el menor consumo de energía por metro cúbico bombeado.
• Curva de potencia: la potencia al freno que pide la bomba al motor.

Con agua (ρ = 1.000 kg/m³) y el caudal en m³/h, la potencia al freno en kW es aproximadamente P = Q · H / (367 · η). El motor se dimensiona con margen sobre este valor y se debe verificar en todo el rango de caudales, no solo en el punto de diseño.

Curva del sistema y punto de operación

La bomba no decide sola dónde trabaja. Lo decide la intersección con la curva del sistema, que representa la resistencia total que impone la instalación: la diferencia de nivel o de presión (altura estática, que no depende del caudal) más las pérdidas en tuberías, accesorios y válvulas (que crecen con el cuadrado del caudal):

El cruce de ambas curvas es el punto de operación. Se desplaza cuando cambias:

• la velocidad de la bomba (variador de frecuencia),
• el diámetro del impulsor (recorte),
• la viscosidad, la densidad o la temperatura del fluido,
• la apertura o el cierre de las válvulas del sistema (cambia K) o el nivel de los tanques (cambia H_est).

Región de operación recomendada

La ficha pide operar "lo más cerca posible del BEP". En la práctica se habla de una región de operación preferida (POR), que para la mayoría de las bombas centrífugas se toma entre el 70 % y el 120 % del caudal del BEP. La confiabilidad es mayor cerca del 90 % del BEP y cae rápido a ambos lados:

• Caudal bajo (por debajo del 70 %): aparece recirculación interna en la succión y la descarga del impulsor, con ruido, vibración, calentamiento del líquido, desgaste de rodamientos y erosión por cavitación de recirculación. En una bomba de alta energía de succión el daño puede empezar entre el 40 % y el 100 % del BEP.
• Caudal alto (por encima del 120 %): mayores cargas radiales sobre el impulsor, menor vida de rodamientos y sello, riesgo de fatiga del eje, mayor NPSHr y sobrecarga del motor.

Dato práctico: las cifras 70–120 % son una referencia general; el rango permitido real lo fija el fabricante para cada bomba (las de velocidad específica alta tienen un rango más estrecho).

3. Leyes de afinidad

Cuando cambias la velocidad de la misma bomba con el mismo fluido, las curvas se desplazan según las leyes de afinidad (N = velocidad en rpm):

Con la frecuencia del variador, N₂/N₁ = f₂/f₁. Para un recorte del impulsor (diámetro D) se usa la misma forma, de manera aproximada: Q ∝ D, H ∝ D² y P ∝ D³. Si cambias velocidad y diámetro a la vez, multiplica ambos factores. La eficiencia se mantiene en los puntos homólogos, es decir, los que se corresponden entre sí.

Qué corregimos y precisamos: las tres fórmulas de la ficha están bien, pero tienen límites que conviene conocer. (1) Valen para puntos homólogos de la curva de la bomba, no para el punto de operación cuando el sistema tiene altura estática: en un sistema con altura estática, el caudal real cae más de lo que sugiere "Q ∝ N" aplicado al caudal original: en el ejemplo del diagrama de abajo, al pasar de 60 a 50 Hz el caudal baja de 100 a 71,0 m³/h (−29 %) y no a 83,3 m³/h (−17 %). (2) Con un recorte grande del impulsor (más de un 10 a 15 %) la eficiencia baja y la regla es solo aproximada. (3) Con velocidades muy bajas el sistema puede quedar sin caudal si la altura de cierre no supera la altura estática. (4) Bajar rpm no resuelve por sí solo una bomba mal seleccionada, pero sí ahorra mucha energía: la potencia cae con el cubo de la velocidad.

Estrangular con válvula o variar la velocidad

Cerrar la válvula de descarga reduce el caudal, pero lo hace "poniendo un obstáculo": la bomba sigue entregando altura de sobra y esa energía se pierde en la válvula. Con variador, la bomba entrega solo la altura que el sistema necesita. En el simulador de abajo puedes ver la diferencia en kW para el mismo caudal.

4. Cebado y operación

El cebado consiste en llenar la bomba y la línea de succión con líquido para expulsar el aire y permitir la operación. Una bomba centrífuga convencional no puede bombear aire con eficacia: si el cuerpo está lleno de aire, no genera la depresión necesaria para subir el líquido. Es la causa número uno de "la bomba gira pero no entrega".

Tipos de cebado: manual (llenado por un tapón o conexión de cebado) y automático (con bomba de vacío o eyector que remueve el aire). Una válvula de pie con filtro en la succión retiene la columna de líquido para que la bomba no se descebe al parar.

Pasos para el cebado:

1. Verifica que las válvulas de succión y descarga estén según el procedimiento.
2. Abre la válvula de cebado o retira el tapón de llenado.
3. Llena completamente la bomba y la succión con líquido limpio.
4. Cierra la válvula o el tapón de cebado de forma hermética.
5. Verifica el nivel de lubricante en los rodamientos.
6. Arranca la bomba y abre lentamente la válvula de descarga.
7. Confirma operación estable y sin ruidos anormales.

Operación correcta: caudal dentro del rango de diseño, vibración baja y estable, temperatura de rodamientos normal, sin fugas en el sello y presión y altura dentro de especificación.

Nunca operes la bomba: sin cebar, con la válvula de succión cerrada, en seco, fuera del rango de operación o con cavitación o ruidos anormales.

Precisiones a la ficha: (1) El límite de temperatura de rodamientos "< 80 °C" es referencial: depende del fabricante, del lubricante y de la norma de tu empresa, y se vigila mejor por la tendencia (un aumento brusco es peor que un valor alto estable). (2) Arrancar con la descarga cerrada o casi cerrada reduce la corriente de arranque en bombas radiales, pero esa condición solo puede mantenerse unos segundos: con Q = 0 toda la potencia se convierte en calor dentro de la bomba. (3) Antes de cebar, comprueba el sentido de giro del motor; girar al revés daña el impulsor roscado y el sello.

5. Fallas comunes, causas y acciones

• No entrega caudal: bomba sin cebar, válvula de succión cerrada u obstrucción en la succión. Síntomas: sin flujo y vacío anormal en la succión. Acción: cebar, abrir válvulas y revisar obstrucciones.
• Caudal bajo: desgaste del impulsor, aire en la succión o velocidad incorrecta. Síntomas: flujo menor al esperado y ruido de aire. Acción: revisar el impulsor, buscar fugas de aire y verificar las rpm del motor.
• Altura insuficiente: impulsor recortado en exceso, anillos o carcasa desgastados o pérdidas excesivas en el sistema. Acción: restaurar el diámetro, reemplazar componentes y revisar tuberías.
• Vibración excesiva: impulsor desbalanceado, acople desalineado o sujeción floja. Acción: balancear, alinear ejes y apretar pernos de anclaje.
• Sobrecalentamiento de rodamientos: lubricación insuficiente, rodamientos dañados o desalineación.
• Fugas en sello: sello dañado, caras sucias o rayadas o instalación incorrecta. Acción: limpiar o reemplazar el sello y asegurar la presión correcta del sello.
• Cavitación: NPSHa insuficiente, obstrucción en la succión o temperatura alta del líquido. Síntoma: ruido tipo "grava" y erosión en el impulsor. Es el tema de la publicación siguiente, con su propio simulador.

6. Selección rápida y alertas generales

Alertas generales: no excedas los límites de presión, temperatura y velocidad del fabricante; compara el NPSH disponible con el NPSHr; mantén limpios los filtros, las válvulas de pie y los coladores; realiza mantenimiento preventivo según plan y documenta lecturas de presión, caudal, vibración, temperatura y horas de operación.

Recomendación técnica de la ficha: una bomba bien seleccionada, instalada y mantenida garantiza eficiencia, confiabilidad y bajo costo de operación. Opera cerca del BEP, mantén el sistema limpio, controla la lubricación y actúa ante los primeros signos de falla.

7. Simulador de curvas de bomba y punto de operación

Aquí tienes la bomba y el sistema de los diagramas, listos para jugar. Al inicio la bomba trabaja justo en el BEP (100 m³/h, 40 m, 75 % de eficiencia). Prueba lo siguiente:

• Cierra la válvula con el control de apertura, o arrastra el punto naranja hacia la izquierda sobre la curva azul: la curva del sistema se vuelve más empinada, el caudal baja, la altura sube y la eficiencia se aleja del máximo.
• Pulsa Variador a 50 Hz: la curva de la bomba baja, la potencia se reduce con el cubo de la velocidad y el punto se mantiene cerca de la zona verde. Compara con Estrangular al 50 %.
• Con la válvula cerrada, mira el mensaje inferior: te dice cuánta potencia necesitarías para el mismo caudal abriendo la válvula y bajando la frecuencia.
• Baja el diámetro del impulsor (recorte) y observa que las curvas se desplazan con las leyes de afinidad.
• Sigue el semáforo de la zona de operación: verde entre el 70 y el 120 % del BEP, ámbar en los bordes y rojo fuera de rango.
• En Ajustar la bomba y el sistema puedes cambiar la altura de cierre, el BEP, la eficiencia máxima, la altura estática y las pérdidas.

Qué hace el modelo: la curva de la bomba es H = H0 − c·Q² (con c calculado para pasar por el BEP), la eficiencia es una parábola con máximo en el BEP, la potencia es P = ρ·g·Q·H/η, y la válvula añade una pérdida proporcional a (100/apertura)². Es un modelo didáctico para entender tendencias; para dimensionar usa siempre la curva real del fabricante.

✅ 5 Problemas Resueltos

🏋️ 5 Ejercicios Propuestos