Deterioro del rendimiento en bombas

DETERIORO DEL RENDIMIENTO EN BOMBAS Y SU PREVENCIÓN (03/2009 vs 1.0)
DETERIORO DEL RENDIMIENTO EN BOMBAS Y SU PREVENCIÓN
1.- Introducción
A lo largo de su ciclo de vida útil el rendimiento de cualquier equipo de bombeo se
deteriora debido principalmente a desgastes mecánicos y fenómenos de oxidación o
incrustaciones. Según el “SAVE report” elaborado por la Comisión Europea los rendimientos
suelen disminuir entre un 10 y un 15 por ciento en comparación con sus valores originales. Se
han dado casos en donde el rendimiento ha perdido hasta un 20 por ciento en los dos primeros
años de operación. En la siguiente gráfica se ilustra la evolución típica del rendimiento en un
equipo de bombeo:
Deterioro del rendimiento en bombas
Rendimiento original
10 – 15 %
η (rendimiento)
10 años
T (años)
Cómo puede observarse la disminución principal de rendimiento ocurre en los primeros
cinco años de operación.
En este documento se describirá brevemente las causas principales que originan estás
pérdidas de rendimiento y se describe el método termodinámico de medición de rendimientos
como una herramientas muy eficaz para el mantenimiento preventivo de los equipos de
bombeo.
2.- Causas que afectan el deterioro de una bomba y las pérdidas en
rendimiento
En esta sección se describen las causas que provocan el deterioro de una bomba y las
pérdidas de rendimiento, a saber:
ƒ
Selección errónea de la bomba: la bomba no fue elegida para su punto óptimo
de rendimiento (POR), ni con los materiales adecuados al fluido que maneja. Para
el ajuste del punto de funcionamiento en un gran número de casos es necesario
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Tel. +34 928 45 70 81, fsuarez@inexa-tda.com, www.inexa-tda.com
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una válvula de regulación en la impulsión de la bomba con la consecuente pérdida
energética.
ƒ
Deficiencias en el montaje de la bomba: que afectan principalmente al
alineamiento del eje.
ƒ
Colector de aspiración mal dimensionado: No se deben crear vórtices en el
flujo en la tubería de aspiración de la bomba. Diámetros de tubería inadecuadas
pueden provocar el fenómeno de cavitación.
ƒ
Purga de aire deficiente: Tan solo un 2% de aire en el fluido que se bombea
puede afectar dramáticamente la operación de una bomba.
ƒ
Funcionamiento en seco: Puede producir sobrecalentamientos y roturas.
ƒ
Funcionamiento alejado del Punto Óptimo de Rendimiento (POR): En el
POR el fluido se presuriza lo más eficientemente posible. Cuando el punto de
trabajo se aleja del POR, se producen fenómenos de recirculación interna en la
bomba que causan desequilibrios en los empujes que soporta. Este fenómeno
incrementa la velocidad con que se deterioran los sellos mecánicos, aros de
desgaste y rodamientos provocados a su vez por desalineamientos del eje.
ƒ
Grasa de rodamientos contaminada: Ocasiona un desgaste más rápido de los
rodamientos.
ƒ
Aceite de lubricación de rodamientos contaminada: Para este tipo de
rodamientos es imprescindible respetar los plazos de substitución establecidos.
Algunos ensayos han demostrado que apenas 20 ppm de agua en el aceite pueden
reducir la vida media de los rodamientos de 24.000 a 2.200 horas.
De una manera gráfica y según la guía para selección de bombas de la Asociación
Europea de Fabricantes de Bombas se ilustra en la siguiente figura una curva característica en
donde se representan los puntos de trabajo alejados del Punto Óptimo de Rendimiento (POR) y
los efectos perjudiciales que ocasionan:
Efectos perjudiciales por desviaciones del Punto Óptimo de Rendimiento (P.O.R.)
1
H (altura)
2
3
4
5
6
1.- Calentamiento excesivo
2.- Cavitación por bajo caudal
3.- Vida reducida de sellos
mecánicos y rodamientos
4.- Vida reducida de impulsor
5.- Recirculación en la aspiración
6.- Recirculación en la impulsión
7.- Cavitación por falta de NPSHA
P.O.R.
7
Q (caudal)
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3.- Consecuencias de las pérdidas de rendimiento en bombas
En este apartado se enumeran las consecuencias que se originan por la pérdida de
rendimiento y mal funcionamiento de las bombas centrífugas. Se ilustrarán según las curvas
características más representativas de una bomba y se relacionarán las causas más importantes
que la originan, a saber:
(H) Altura manométrica
(P) Curva potencia absorbida
(η) Rendimiento
vs. caudal
vs. caudal
vs. caudal
3.1.- Curva característica correcta pero bajo rendimiento y alta potencia absorbida
•
Pérdidas mecánicas por empaquetaduras o sello mecánico apretados
•
Presión hidráulica excesiva contra un sello mecánico o empaquetadura
•
Rodamientos deficientes
•
Desalineación del eje
•
Funcionamiento cerca de la velocidad crítica
•
Deformación de la carcasa por esfuerzos producidos por las tuberías o la bancada
1
H
H (altura)
P (Potencia)
P
η (rendimiento)
η
Q (caudal)
actual
nominal
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3.2.- Disminución altura manométrica y menor potencia absorbida en toda su gama
de caudales, aunque no varía su rendimiento
•
Deformación del impulsor
•
Velocidad de rotación inferior a la nominal
•
Impulsor rectificado o menor que el original
2
H
H (altura)
P (Potencia)
P
η (rendimiento)
η
Q (caudal)
actual
nominal
3.3.- La altura manométrica disminuye con rapidez con un aumento en el caudal
•
Superficie reducida en la garganta de la voluta o entre los álabes del impulsor
•
Alguna obstrucción entre la salida del impulsor y el punto de toma de muestra de la
presión en la impulsión.
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3
H
H (altura)
Q (caudal)
actual
nominal
3.4.- En cualquier punto de altura manométrica de la curva el caudal es menor en
una cantidad constante para cualquier valor de caudal
ƒ
Fugas en los aros de desgaste
4
a
a
H
H (altura)
a
Q (caudal)
actual
nominal
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3.5.- Altura manométrica, caudal, rendimiento y potencia absorbida son bajos
ƒ
Holguras excesivas en los aros de desgaste o entre los álabes del impulsor y las placas
de desgaste (en los impulsores semiabiertos)
ƒ
También se producen por olvido en instalar alguno de los aros de desgaste en alguna
reparación
5
H
H (altura)
P
P (Potencia)
η (rendimiento)
η
Q (caudal)
actual
nominal
3.6.- Altura manométrica y rendimiento reducidos sin cambio en la potencia
absorbida
•
Superficie rugosa de la carcasa o impulsores por oxidación y/o incrustaciones.
Influye el contenido en partículas sólidas en el fluido (arenas, coloides etc.)
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6
H
H (altura)
P
P (Potencia)
η (rendimiento)
η
Q (caudal)
actual
nominal
3.7.- La curva característica se interrumpe antes de lo especificado
•
NPSH insuficiente.
7
H
H (altura)
Q (caudal)
actual
nominal
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4.- Método termodinámico de medición de rendimiento
El método termodinámico para la medición de rendimiento en bombas y turbinas fue
desarrollado entre la década de los 60 y 70 por los siguientes organismos:
ƒ
ƒ
ƒ
National Engineering Laboratory, UK
Electricité de France
Chamber of Mines, South Africa
Su estándar se ha especificado en las siguientes normativas internacionales, a saber :
ƒ
ƒ
ISO 5198:1999 (bombas)
IEC60041 (turbinas)
El método termodinámico es muy usado en países como el Reino Unido donde se
estima que alrededor de un 95 por ciento de los nuevos equipos de bombeo son ensayados in
situ de esta manera para una correcta evaluación del rendimiento.
4.1.- Ventajas del método termodinámico
A diferencia del método que denominaremos “convencional”, que necesita la medición
de tres parámetros (altura, caudal y potencia absorbida), en el método termodinámico
únicamente es necesario la medición de dos parámetros en la aspiración y descarga de la
bomba para calcular el rendimiento, a saber:
ƒ
ƒ
Presión
Temperatura
No es objeto de este documento describir exhaustivamente este método ni desarrollarlo
matemáticamente. A modo general se añade que el aumento de la temperatura que
experimenta el fluido (entre la aspiración y descarga) está directamente relacionado con el
rendimiento hidráulico de la bomba. De manera que, a mayor diferencia de temperatura,
existen mayores pérdidas en la bomba e indica que la conversión de la energía mecánica en el
eje en energía de presión al fluido es menos eficiente.
Desde el punto de vista práctico y tras la experiencia de más de dos años de INEXA en
estudios y asesoramiento energético a diversas compañías del sector del agua en Canarias se
ha comprobado que las mediciones en campo del caudal realizadas tanto mediante
instrumentación in situ cómo portátil no permitían elaborar un análisis muy preciso sobre
estudios de rentabilidad económica. Esto es debido al gran error que se puede atribuir a estas
mediciones que en caudalímetros electromagnéticos instalados puede llegar hasta el 7%.
Pensemos que esta instrumentación no suele calibrarse en la mayoría de los casos y que en
muchos casos no se puede instalar un caudalímetro portátil por falta de espacio.
Solo es factible el método convencional cuando los rendimientos calculados son muy
bajos por tratarse de equipos de bombeo muy deteriorados y donde el error de medida no
representa un parámetro fundamental para la toma de decisiones económicas.
4.2.- Incertidumbre en los rendimientos garantizados por los fabricantes
Los ensayos que realizan los fabricantes de bombas
9906:1999. En esta norma ISO se permite un error de medida
fabricante) del rendimiento de bombas en un rango entre +/- 3,2
se permite una tolerancia en las curvas de rendimiento de un –
cumplen con la norma ISO
(en el banco de pruebas del
y +/- 6,4 por ciento. A su vez
5 por ciento. Por lo tanto un
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fabricante podría seguir cumpliendo la garantía de rendimiento con una incertidumbre o error
de hasta un – 11,4 por ciento en el peor de los casos.
En la siguiente tabla se incluyen los errores que se obtienen por el método
termodinámico dependiendo de la altura y el rendimiento medido:
Bomba
Altura total (mca)
Rendimiento (%)
1
2
3
4
5
17
32
49
81
89
45
55
63
80
87
Error +/- %
m. termodinamico
1,4
1,1
0,5
0,4
0,5
Insistimos que la mayor precisión de los datos obtenidos con el método termodinámico
permite asegurar al usuario la mayor exactitud en los cálculos económicos a la hora de decidir
por ejemplo el cambio de un equipo por uno nuevo o sus estrategias en el mantenimiento
preventivo.
Se debe añadir en este punto que la Comisión Europea en su informe “SAVE report”
dice explícitamente que las tolerancias permitidas en los rendimientos deben revisarse por parte
de los fabricantes y la normativa ISO y espera que puedan remediarse:
“There is concern over the effect of tolerances on the published efficiency of mass-produced
pumps allowed under ISO test codes. It is to be hoped that this will be remedied”.
5.- La medición de rendimientos y sus beneficios para el mantenimiento preventivo
El método termodinámico de medición del rendimiento es una herramienta valiosísima
para llevar a cabo un mantenimiento preventivo eficaz en nuestros equipos de bombeo. De esta
manera se controla o previene el deterioro redundando en una disminución de los costes de
ciclo de vida útil de las bombas. Esta metodología nos reporta los siguientes beneficios en el
mantenimiento preventivo:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Ensayo del rendimiento en los equipos nuevos (comparación con valores de fábrica).
Cuantificar de una manera precisa los ahorros económicos por futuros incrementos en
el rendimiento.
Planificar las labores mantenimientos preventivo, paradas y optimizar sus costes.
Evaluar la calidad de las reparaciones efectuadas.
Control y supervisión de la/s empresa/s subcontrata/s para la realización de los
mantenimientos y/o reparaciones. Mejor contratación de los servicios de
mantenimiento.
El método termodinámico bajo el estándar ISO 5198:1999 se recomienda asimismo en
el ya mencionado “SAVE report” de la Comisión Europea:
“In situ measurement of pump efficiency is costly, but where it is economic it is often done
using the thermodynamic method of pump efficiency determination. This method is already
used in the UK and elsewhere by pump users with large energy bills, in particular water
companies. For best accuracy, this technique does need to be done by trained personnel, and
so it is usually done by consultants rather than company personnel”.
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Por ultimo presentamos de una manera gráfica la evolución “en diente de sierra” del
rendimiento de una bomba con una adecuada planificación de los trabajos de mantenimiento
preventivo.
Deterioro del rendimiento en bombas
Rendimiento original
10 – 15 %
Mantenimiento preventivo
Sin mantenimiento
η (rendimiento)
10 años
T (años)
Referencias:
1.- SAVE “Study on improving the energy efficiency of pumps” European Commission, February
2001.
2.- “Guide to the selection of rotodynamic pumps” European Association of Pump
Manufacturers.
3.- Bombas, selección, uso y mantenimiento, Kenneth J. McNaughton, McGraw-Hill, 1987 ISBN
968-422-036-7 (“The Chemical Engineering guide to pumps” McGraw-Hill, 1984).
4.- BS EN ISO 5198:1999 “Centrifugal, mixed flow and axial pumps. Code for hydraulic
performance tests. Precision class”.
5.- ISO 9906:1999 “Rotodynamic pumps -- Hydraulic performance acceptance tests -- Grades 1
and 2”.
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