El documento explica por qué las bombas centrífugas a menudo no funcionan como se esperaba. Señala que los ingenieros a veces sobreestiman los requisitos de diseño de las bombas, lo que resulta en bombas sobredimensionadas. También explica que la curva de rendimiento de la bomba muestra las condiciones de caudal y cabeza en las que puede operar, pero que la curva del sistema determina las condiciones reales en las que operará la bomba.

1. ¿POR QUÉ LA BOMBA NO TRABAJA
COMO SE ESPERABA QUE LO
HICIERA?
El propósito de este artículo es presentar de manera clara y
simple, a la comprensión de técnicos e ingenieros en el área de
refinación y plantas de procesos, el conjunto de parámetros que
controlan el correcto desempeño de la bomba centrífuga, y de
aquellas acciones desacertadas en cuyas se incurren al momento
del dimensionamiento y la selección.
1. Introducción
A menudo en el desarrollo de proyectos de ingeniería en industrias
de proceso y refinación de petróleo, el dimensionamiento de
bombas centrífugas en sistemas para el trasporte de fluidos es
menos ciencia y mas de razonamiento y habilidad. La ingeniería
consume esfuerzos para el dimensionamiento de bombas el cual se
ve afectado, bien sea por la capacidad, el cabezal o la potencia, los
cuales son importantes para la correcta operación de una bomba
centrífuga en un sistema en particular. Ahora bien, en los procesos
de selección, la carencia de uniformidad en el manejo de los datos
de entrada o el hecho de asumirlos, es a menudo una de las
principales causas de falla en la confiabilidad y desempeño de las
bombas. Esto, se observa con frecuencia en la carente interacción
entre las disciplinas encargadas del dimensionamiento y selección.
Es una práctica general a nivel mundial, y muy acertada, dividir los
proyectos en varias disciplinas; y también es un hecho claro, que
las bombas centrífugas navegan en un mar de incertidumbres sobre
todo entre dos disciplinas: proceso y equipos rotativos; quienes,
por cada parte, “ajustan” los requerimientos para que el
funcionamiento de los equipos de bombeo sea amplio. En general,
la falta de interacción entre estas disciplinas, sin excluir al diseño
de tuberías, son los principales promotores de que la “bomba no
trabaje como se esperaba que lo hiciera”
En general, los ingenieros se sienten cómodos con el uso de
términos tales como mínimo, normal, rata, diseño, máximo como
indicativos o adjetivos calificativos de la capacidad y el cabezal;
frecuentemente tales términos describen un rango o límite en la
temperatura, viscosidad, o bien sea en otra variable del proceso.
Uno de los orígenes mas probables de interpretación errónea en
establecer los parámetros de diseño suele estar localizado en el
enfoque que se le da a los requerimientos de diseño del lado de
succión y la identificación del valor del cabezal neto positivo de
succión (siglas en ingles NPSH). En general, los ingenieros cuando
determinan las condiciones de diseño del sistema y de bombeo, se
“aseguran” que los requerimientos de la capacidad de la bomba y el
cabezal total dinámico (TDH) sean lo suficientemente amplios, y en
ocasiones se observan excesivos márgenes con respecto al
requerimiento mínimo. Es por esto, que en el esfuerzo de
“asegurar” los adecuados requerimientos, los nuevos equipos
instalados en los sistemas, se encuentran por el orden del 5 al 45
por ciento, sobre-dimensionados de su actual condición de servicio,
claro está, esto dependerá tanto del proceso, de la edad de la planta
o el nivel de experticia y conocimiento de los ingenieros envueltos
en el diseño o la especificación de proceso, este último es quien
conduce a los equipos de ingeniería a desarrollar nuevos proyectos
bien sea, para la adecuación o implantación de plantas o procesos.
Muy a menudo los ingenieros desean que los fabricantes de
bombas les suministren un equipo que este adecuado a “su
proceso”; por el contrario, a esta opinión, una bomba centrífuga es
un equipo que no es diseñado para desarrollar un cabezal a una
capacidad determinada. De hecho, una bomba es diseñada y
fabricada para suplir un amplio rango de condiciones de cabezal-
capacidad y éstas están identificadas en la curva de desempeño,
también llamada curva característica de la bomba.
Sin embargo, la condición actual en la curva donde funcionará la
bomba, será determinada por el sistema en el cual opera. En otras
palabras, para propósitos prácticos, el sistema es quien controla a
la bomba, y éste mismo operará a la bomba en cualesquiera la
condiciones que éste ajuste, sin importar el cabezal y la capacidad
para la cual esta fue comprada (y diseñada) para manejar.
Por lo tanto, lo primero que necesitamos entender es ¿cómo trabaja
una bomba?; para esto, es necesario entender la Curva
Característica de la Bomba.
2. Desempeño de la bomba
Debemos comenzar con la relación que existe entre la capacidad (o
rata de flujo) y el cabezal. El cabezal es un término usado para
expresar a la presión tanto en el diseño de la bomba como en el
diseño del sistema. Por consiguiente, el cabezal es simplemente un
concepto de “presión”; por lo tanto, se puede decir que el cabezal y
la presión son términos intercambiables y la relación que existe
entre ellos es la siguiente:
EspecíficaGravedad
Baresión
mCabezal
_
2.10*)(Pr
)( 
EspecíficaGravedad
psiesión
FtCabezal
_
31.2*)(Pr
)( 
2.10
_*)(
)(Pr
EspecificaGravedadmCabezal
Baresión 
31.2
_*)(
)(Pr
EspecificaGravedadFtCabezal
Ftesión 
La presión en sistemas estáticos es definida como cabezal estático,
y en los sistemas dinámicos como cabezal dinámico. Para explicar
el cabezal estático (figura 1), consideremos tres columnas de de
diámetros cualesquiera; en uno ellos su volumen esta ocupado por
agua, en otro, por gasolina y en el restante por agua salada (figura
1). Si las Columnas están a 30m (98.42 ft) de altura y el manómetro
está dispuesto en el fondo de la misma, la presión sería 2.94bar
(42.64psi), 2.20bar (31.98psi), 3.52bar (51.05psi) respectivamente.
Esto es debido a la diferencia entre sus gravedades específicas, o
peso de los tres líquidos en cuestión. Téngase en cuenta que lo que
se ha medido es la presión en el fondo de la columna, mas no el
peso total de líquido en la misma.
Los siguientes cuatro términos se usan en la definición de los
sistemas de bombeo y están ilustrados en la figura 2.
El cabezal estático total, se define como la distancia que existe
entre la superficie del líquido en el recipiente del cual se succiona y
el nivel de la superficie del líquido en el recipiente en el cual se
descarga.
El cabezal estático de descarga, es la distancia vertical desde la
línea de centro de la boquilla de succión hasta el nivel de superficie
del líquido en el recipiente en el cual se descarga.
El cabezal estático de succión, aplica solo cuando el suministro
está por encima del nivel de la bomba. Esta es la distancia vertical
desde la línea de centro de la boquilla de succión hasta el nivel de
superficie del líquido en el recipiente del cual se succiona.
La elevación estática de succión, aplica solo cuando el
suministro se encuentra localizado por debajo de la bomba. Esta es
la distancia vertical desde la línea de centro de la boquilla de
succión hasta el nivel de la superficie del líquido en el recipiente de
succión.
Ya expuesto lo anterior, debemos entender que una bomba
centrífuga imparte velocidad a un líquido. Esta energía cinética de
acuerdo a la ley de la conservación de energía se transforma en
gran parte en energía de presión mientras que el líquido sale de la
bomba.Por lo tanto, El cabezal cinético desarrollado es

2. aproximadamente igual a la energía cinética en la periferia del
impulsor. Esta relación es expresada por la fórmula siguiente:
 mV
smV
HdoDesarrollaTotalCabezal  2
2
*0510.0
81.9*2
)/(
).(__
 sm
mmDRPM
V /
54.19098
)(*

 ftV
sftV
HdoDesarrollaTotalCabezal 2
2
*0155.0
2.32*2
)/(
).(__ 
 sft
inDRPM
V /
229
)(*

Figura 1
Figura 2
Figura 3
Bajo esta circunstancia, el líquido está siendo agitado internamente
alrededor de la carcaza o voluta de la bomba; y éste cabezal no
permite la entrada de mas flujo a través de la bomba, es decir que el
nivel del tanque se mantendrá constante. Por lo tanto, es un hecho
que la capacidad al máximo cabezal es cero.
Si adicionamos algunos ramales en la tubería de descarga a niveles
progresivos, el cabezal es efectivamente reducido, por consiguiente,
la bomba desarrollará un incremento de la capacidad.
Tal como se muestra en la figura 4, se puede observar que se
describe la curva característica de la bomba. También se puede
constatar que la curva no es completada hasta cero, ya que las
bombas centrifugas no operan confiablemente más allá de cierta
capacidad, por lo tanto, usualmente la curva característica es
discontinuada en un punto determinado.
La curva característica o de desempeño, identifica plenamente la
capacidad que la bomba puede desarrollar y el cabezal que puede
ser adherido al sistema, cuando ésta trabaja a una velocidad
previamente determinada y a un diámetro de impulsor específico.
Figura 4

3. En otras palabras, el único modo práctico de modificar lo que la
bomba es capaz de hacer, es ajustando la velocidad, es decir, que
tan rápido la bomba está rotando; o cambiar el diámetro del
impulsor (figura 5).
Figura 5
3. Consideraciones del Sistema
Si la bomba centrífuga es controlada por el sistema, con
anterioridad nosotros debemos entender algunos aspectos de un
sistema de bombeo; para ello tenemos que observar con
detenimiento la curva del sistema.
Y entonces, ¿qué es la curva del sistema?...
La curva del sistema es aquella que es determinada por la
combinación de varios factores que se resisten al paso de un fluido
a través de una trayectoria determinada. Los factores comunes en
todos los sistemas son la gravedad y la fricción.
Para vencer la gravedad en un sistema típico tal como se muestra
en la figura 6, el líquido debe ser elevado a través de una distancia
vertical representada por el cambio en elevación entre la fuente de
donde se succiona y el reservorio en donde se descarga.
En al arreglo representado en la figura 6, el cabezal total estático es
la distancia entre la superficie del líquido en el reservorio del cual
se succiona hasta la superficie del líquido en el reservorio en cual se
descarga. Por lo tanto, el cabezal total estático no es función de la
capacidad, en consecuencia, en la gráfica cabezal-capacidad (H-Q)
se representa a través de una línea recta paralela al eje de la
capacidad. (figura 7)
La fricción, no es mas que la resistencia al flujo proporcionado por
el sistema; y esto debe considerarse en tres áreas de estudios
individuales definidas como:
 La tubería
 Las válvulas y accesorios
 Y otros equipos, tales como filtros, intercambiadores de
calor, etc.
Las pérdidas por fricción en las tuberías, pueden ser obtenida bien
sea por medio de cálculos o a través de tablas disponibles en
variedades de fuentes, tales como las Normas del Instituto
Hidráulico (HIS) o en el Manual de Flujo de Fluidos de CRANE.
Estas tablas están disponibles para identificar las pérdidas a través
de tubos, accesorios y válvulas más comunes.
Figura 6
Figura 7
Las pérdidas por fricción en filtros, mezcladores estáticos,
intercambiadores de calor u otros equipos, pueden ser obtenido a
través de información suministrada por el fabricante, o por medio
de la medición en sitio entre la entrada y la salida de cada equipo
en particular.
Es un hecho que, así como aumenta la capacidad, también lo hace
las pérdidas por fricción, tal como se muestra en la figura 8.
Según la ley de la conservación de la energía, expresada en la
ecuación de Bernoulli; en cada sistema de bombeo, es necesario
acelerar al líquido a través de la bomba. El cabezal de velocidad o
cinético (Hv) es identificado por la diferencia en valores de la
energía cinética (V2/2g) entre la boquilla de succión y de descarga
de la bomba. Generalmente la velocidad lineal del líquido en la
mayoría de los sistemas es mantenida en un valor menor a 3m/s
(10ft/s), este valor es usualmente insignificante, excepto en
aplicaciones de bajo cabezal.

4. Figura 8
Figura 9
La única otra condición que necesitamos tomar en cuenta son las
presiones a los cuales están sometidos el reservorio de succión y el
de descarga. Si ambos reservorios se encuentran abiertos a la
presión atmosférica, entonces podemos obviarlas. En el caso
contrario, es decir que los reservorios se encuentran cerrados y
están sometidos a una presión diferente a la atmosférica, entonces
la diferencia resultante entre ellas debe ser adherida al cabezal total
requerido por la bomba.
Una combinación de todas las presiones diferenciales, el cabezal
total estático, las pérdidas por fricción, el cabezal cinético, están
referidas a un cabezal total. Cuando graficamos contra la
capacidad, La curva resultante obtenida, la cual se muestra en la
figura 9; es denominada curva del sistema.
Por lo tanto, cuando una caudal se selecciona para un sistema, la
curva del sistema identifica el cabezal total que debe ser superado.
Por consiguiente, el caudal a través de un sistema puede ser
solamente ser suministrado por una bomba, con esa capacidad.
Cuando una bomba es apropiadamente seleccionada, la curva
característica o de desempeño intersectará a la curva del sistema en
el punto en cual la bomba operará confiablemente (figura 10).
Un incremento en el cabezal estático, puede ser originado bien sea,
por la reducción del nivel de líquido en el reservorio de succión, un
incremento en el nivel de líquido en el reservorio de descarga, o
una combinación de estas condiciones; en consecuencia, desplazará
más “arriba” a la curva del sistema sobre la gráfica, lo que reducirá
la capacidad requerida (figura 11).
Figura 10
Figura 11
Un incremento en las pérdidas por fricción puede ser originada por
una variedad de condiciones tales como aperturas de controles
automatizados o cierres de diferentes válvulas del en el sistema.
Esto dará como resultado que la curva del sistema adopte una
abrupta pendiente lo cual disminuye la capacidad requerida (figura
12)
Por lo tanto, aunque no exista ningún cambio físico en la velocidad
de bombeo o el diámetro del impulsor, si se observa algún cambio
en el cabezal o la capacidad, esto generalmente indica que el
sistema ha sido modificado intencional o accidentalmente.
Figura 12

5. Entonces, ¿Qué debemos recordar?...
Es imperativo que recordemos que es “el sistema es quien controla
a la bomba”, y no viceversa. Es por eso, que no se asombre si la
bomba no trabaja como usted lo desea o esperaba que lo hiciera.
Primero observe el sistema, échele un vistazo...y descubra que ha
sido modificado.
4. Referencias
1.- Roy Carter and Igor Karassik “Basic Factors in Centrifugal
Pump Application” Worthington Corporation. Harrison, New
Jersey.
2.- Igor J. Karassik. “Centrifugal Pump Clinic”. Second edition,
Revised and expanded. New York 1989.
3.- Igor J. Karassik. “Applied Centrifugal Pump Technology
Course”. Puerto La Cruz. Venezuela. October 1991.
4.- Heald, C.C. “Cameron Hydraulic Data”, Seventeenth
Edition.1988.
5.- Kenneth McNaughton, “Bombas Selección, Uso y
Mantenimiento” Primera Edición. McGraw Hill. México. 1998.
6.- Ross Mackay. “What the Pump was Designed to do and Why it
Doesn’t do it” New York.