Comúnmente se cree que una bomba centrífuga acoplada a un motor eléctrico, requiere una mayor potencia de este a medida que se estrangula la descarga hidráulica de la bomba. Esto no cierto para la gran mayoría de las bombas centrífugas. Lo que sí es cierto, es que un incremento de la potencia requerida deriva en un incremento de la corriente en el motor eléctrico al cual se está acoplado. Seguidamente se explicará este comportamiento que tiende a ser poco intuitivo, pues se percibe con regularidad que al estrangular una bomba, está requerirá más potencia y consecuentemente mas corriente.
La definición de potencia hidráulica que una bomba centrífuga aplica a un fluido, expresa el trabajo (W) realizado para mover una porción de masa del fluido por unidad de tiempo (t). Considerando que el trabajo (W) puede expresarse como el producto de la porción de masa del fluido (m) y aceleración de la gravedad (g) trasegado a una altura (H) determinada, la potencia hidráulica puede reescribirse como:
Lo anterior expresa que la potencia hidráulica que una bomba centrífuga proporciona, es el producto del peso específico del fluido y proporcional al producto del caudal y a la carga de elevación.
Una condición de «estrangulamiento» en la descarga hidraúlica de una bomba, resulta de una o varias de las siguientes razones combinadas: cierre parcial o total de válvulas, uso de diámetros de tubería limitados para el caudal trasegado, exceso de accesorios (codos, tee, etc), excesiva carga o presión en el punto final de descarga por una fuente externa. En resumen, son todas aquellas condiciones que restrinjan el paso del caudal de la bomba y que deriven en un incremento de la carga de elevación.
La ecuación (1), discrepa con lo planteado en el párrafo inicial pues al estrangular una bomba en su descarga, se incrementa la carga de elevación o presión (H) y se tendería a pensar que por proporcionalidad la potencian hidráulica se eleva. La explicación a esto se facilita dando un vistazo a la curva H vrs Q, en la cual las dos variables que parecieran tener una dependencia circular una de la otra, pues el caudal (Q) se incrementa a medida que la carga de la bomba (H) disminuye. Sustituyendo este comportamiento en la ecuación 1, salta a la luz que la potencia hidráulica es proporcional a dos variables en la cual Q tiene un mayor aporte que la carga de elevación o presión (H) en el incremento de potencia.
Resumiendo, es importante entender que una bomba centrífuga consumirá más potencia y más corriente eléctrica a medida que una mayor masa de fluido por unidad de tiempo sea impulsada.
Antes de realizar un ejemplo numérico que permita ampliar más lo que se ha venido comentando en este boletín técnico, conviene hacer un acercamiento a algunos conceptos básicos sobre la transformación de energía, que en el conjunto motor – bomba se desarrolla. Estos conceptos se abordarán con más rigor en otro boletín técnico:
P1 – Potencia eléctrica (Pelec.): Es la potencia que el motor eléctrico toma de la red a la cual está conectado, con el objetivo de transformar en energía eléctrica en energía mecánica. Se calcula como se muestra en la ecuación 2:
P2- Potencia mecánica (Pmec.): Es la potencia que puede ser obtenida en el eje del motor. Esta es menor que la potencia eléctrica de entrada pues hay pérdida de energía en el motor por efectos de calentamiento, perturbaciones magnéticas, rozamiento y ventilación de los elementos móviles del motor. Esta se calcula como:
P3- Potencia hidráulica (Phid.): Es la potencia definida al inicio de este boletín técnico. Esta potencia es menor que la potencia mecánica pues hay pérdida de energía en el acople entre el eje del motor y a la bomba, así como variables asociadas al mecanizado del cuerpo de la bomba, impulsor, etc. Estas condiciones geométricas favorecen en mayor grado a la “recirculación” del fluido dentro de la bomba.
En la imagen 1, se representa de forma esquemática la transformación de energía que se desarrolla en el conjunto motor – bomba y de cómo la energía de entrada se va disminuyendo debido a las pérdidas del sistema hasta poder realizar trabajo útil para el movimiento del fluido. El factor que permite referir cuánta potencia de salida se obtiene respeto a la potencia de entrada del conjunto se llama eficiencia.
Seguidamente se dispone de un ejemplo numérico en el cual se tiene una bomba centrífuga multietapa vertical marca Stairs Modelo SN 10-7 (7 etapas) con una “potencia nominal” de 5.5 KW (7.5 HP) vinculada a un motor trifásico alimentado a un voltaje de 208 VAC, eficiencia de motor 88%. Esta bomba impulsa agua potable libre de sedimentos a una temperatura de 25 ºC. En un momento dado, se tiene un punto operativo 1 y mediante el cierre progresivo de una válvula en su descarga (estrangulamiento) se lleva a un punto operativo 2.
En la Imagen 2, se muestran las curvas características Caudal vrs Carga de Elevación y Caudal vrs Potencia mecánica, así como los 2 puntos operativos. En la tabla 1, se detallan los puntos operativos mencionados.
Tabla 1. Detalle de puntos operativos
| Parámetro | Punto operativo 1 | Punto operativo 2 |
| Caudal (Q) | 14 m3/h = 0.0038 m3/s | 4 m3/h = 0,0011 m3/s |
| Carga de elevación (H) | 70 m.c.a | 105 m.c.a |
| Potencia mecánica (Pmec.) * | 0,6 KW x 7 = 4.2 KW = 4200 W | 0,3 KW x 7 = 2.1 KW = 2100 W |
| Eficiencia bomba (η) | 63% | 40% |
* Potencia mecánica por etapa de impulsión, 7 etapas en total para modelo SN 10-7
Aplicando las Ecuaciones 1, el concepto de eficiencia y la Ecuación 2, se puede obtener el valor de corriente de línea del motor trifásico al que está acoplada esta bomba en los dos puntos operativos mencionados para efectos de este ejemplo.
Tabla 2. Cálculo de potencias y consumo de corriente para los puntos operativos 1 y 2
| Potencia | Punto operativo 1 | Punto operativo 2 |
| Potencia hidráulica | Phid = 9780 N/m3 x 0,00038 m3/s x 70 m
Phid = 2601 W |
Phid = 9780 N/m3 x 0,0011 m3/s x 105 m
Phid = 1130 W |
| Potencia mecánica | Pmec = 2601,4 W / 0,63
Pmec = 4130 W |
Pmec = 1130 W / 0,4
Pmec = 2825 W |
| Potencia eléctrica | Pelec = 4130 W / 0,88
Pelec. = 4693 W |
Pelec = 2825 / 0,88
Pelec = 3210 W |
| Corriente eléctrica de motor | IL = 4693 W / (1,73 x 208 x 0,8)
IL = 16,3 A |
IL = 3210 W / (1,73 x 208 x 0,8)
IL = 11,1 A |
*Peso específico del agua a 25 ºC = 9780 m3/Kg
** Factor de potencia asumido de 0,8
Del ejemplo anterior se comprueba que al estrangular la descarga hidraúlica de la bomba, está pasa de consumir 16,3A a 11,1 A a medida que se reduce el caudal y la presión interna se incrementa. El análisis e interpretación de la curva característica Caudal vrs Potencia para una bomba centrífuga, toma relevancia pues estas turbomáquinas se seleccionan para resistir diferentes condiciones operativas, que derivan en fluctuaciones de la potencia requerida. Estas fluctuaciones obedecen a cambios en la hidráulica del sistema del que forman parte, y también a las particularidades intrínsecas del proceso, por ejemplo, arranques y paros, carga de volúmenes, presurización, modulación de velocidad, etc.
Para concluir, entender la curva Caudal vrs Potencia permite formar criterio y ampliar la visión al momento de:
- Especificar el grado de robustez de un acople del conjunto motor – bomba.
- Especificar y evaluar las condiciones de lubricación de los elementos móviles.
- Especificar y evaluar el grado de protección eléctrica con el cual opera el conjunto motor -bomba, además de otros elementos como calibre de alimentadores eléctricos, mecanismos de conmutación, corrientes de baja y alta carga en el caso de la parametrización de variadores de frecuencia.
- Monitoreo a condición para gestionar las estrategias del mantenimiento preventivo y predictivo.
- Monitoreo a condición que permita evaluar y fijar las estrategias de gestión del ahorro energético.
Elaborado por:
Ing. Johnny Garita Gómez.
Gerente de Servicios – VyP Asesores S.A
IMI-28664 (Mantenimiento Industrial y Electromecánica)