Selección de bomba centrífuga frente a bomba de desplazamiento positivo es una de las primeras decisiones que se toman al especificar equipos para el manejo de fluidos, y equivocarse cuesta mucho más que el precio de compra. Una bomba centrífuga convierte la energía cinética rotacional de un impulsor en velocidad del fluido y luego en presión, mientras que una bomba de desplazamiento positivo (PD) mueve el fluido atrapando un volumen fijo en una cavidad y forzándolo a través de la descarga. Las dos familias se comportan de forma tan diferente ante cambios en las condiciones que elegir el tipo equivocado conduce a cavitación crónica, fallos de los sellos o un proceso con bajo rendimiento durante la vida útil del activo.
Las bombas centrífugas utilizan un impulsor giratorio para acelerar el fluido radial o axialmente, convirtiendo la altura por velocidad en altura por presión a medida que el fluido se ralentiza en la voluta o el difusor. El caudal depende de la diferencia de presión que imponga el sistema: al aumentar la presión de descarga, el caudal disminuye, porque el impulsor no dispone de una trampa geométrica fija para el fluido.
Las bombas de desplazamiento positivo (engranaje, lóbulos, tornillo, diafragma, pistón, cavidad progresiva) aíslan un volumen fijo de fluido por revolución o carrera y lo empujan mecánicamente hacia la línea de descarga independientemente de la presión aguas abajo. El caudal es esencialmente proporcional a la velocidad del eje y en gran medida independiente de la presión, dentro de los límites mecánicos y del accionamiento de la bomba.
Esta es la distinción más importante para el diseño del sistema. Una bomba centrífuga tiene una curva continua altura/caudal (H/Q) que cae desde la altura de cierre con flujo cero hasta altura cero en algún caudal máximo de régimen. La bomba siempre opera en la intersección de su curva con la curva de resistencia del sistema, por lo que cualquier cambio en la posición de una válvula, en la carga de un filtro o en la elevación desplaza el punto de operación a lo largo de la curva.
Una bomba PD presenta una curva prácticamente vertical y plana: el caudal se mantiene constante a lo largo de un amplio rango de presiones de descarga, cambiando solo con la velocidad y el deslizamiento interno. Debido a que una bomba PD seguirá impulsando volumen incluso contra una línea bloqueada, requiere una válvula de alivio en el lado de descarga; una bomba centrífuga no la necesita, ya que al cerrarse simplemente mueve el punto de operación hacia arriba en su propia curva hasta la altura de cierre.
La viscosidad afecta a ambas familias en sentidos opuestos. Es necesario corregir el rendimiento de las bombas centrífugas cuando la viscosidad supera aproximadamente 20 cSt, según el método de corrección por viscosidad ANSI/HI 9.6.7 del Hydraulic Institute (que se aplica formalmente a partir de alrededor de 4,3 cSt): la altura, el caudal y la eficiencia disminuyen respecto a la curva de ensayo con agua a medida que aumenta la viscosidad. Alrededor de 300 cSt, las bombas centrífugas se vuelven imprácticas para la mayoría de los servicios y las pérdidas de eficiencia son severas.
Las bombas PD generalmente mejoran con la viscosidad, hasta cierto punto. Una mayor viscosidad reduce el deslizamiento interno por las holguras en bombas de engranajes, lóbulos y tornillo, por lo que la eficiencia volumétrica aumenta desde aceites ligeros hasta varios miles de cSt. Por eso las bombas PD dominan en el bombeo de betún, fuelóleo pesado, polímeros, resinas y pastas alimentarias, mientras que las bombas centrífugas se mantienen confinadas a fluidos de tipo acuoso.
Las bombas centrífugas generan una altura limitada por etapa, típicamente en el rango de 20 a 150 m para una sola etapa (los diseños de una sola etapa de mayor energía pueden superar esto), utilizándose diseños de múltiples etapas para alcanzar presiones más altas (las grandes bombas de alimentación de calderas comúnmente usan de 4 a 10 etapas, con presiones de descarga totales que exceden los 200 bar en servicios de alta presión). La altura viene determinada por la velocidad periférica y el diámetro del impulsor según las leyes de afinidad, por lo que la capacidad de presión es una decisión de diseño, no de operación.
Las bombas PD pueden generar presiones de descarga muy altas, limitadas principalmente por el par del accionamiento, la resistencia de la carcasa y el NPSH disponible, ya que el sellado mecánico entre las cavidades de succión y descarga realiza el trabajo independientemente de la resistencia. Las bombas de émbolo reciprocantes suelen exceder de 400 a 1.000 bar en aplicaciones de limpieza a alta presión, ensayos hidrostáticos e inyección química, con unidades especializadas clasificadas mucho más allá de eso.
Las bombas centrífugas entregan un caudal suave y continuo con solo una ligera ondulación de presión al paso de las palas a la frecuencia de paso del impulsor (número de palas del impulsor por la velocidad del eje). Las bombas PD rotativas (engranaje, tornillo, lóbulos) también son bastante suaves, aunque las bombas de lóbulos muestran más pulsación cuanto menos lóbulos tienen.
Las bombas PD reciprocantes (pistón, émbolo, diafragma) producen pulsaciones de caudal pronunciadas vinculadas al número de pistones o diafragmas y a la frecuencia de carrera, lo que puede excitar resonancia en las tuberías y requiere amortiguadores de pulsaciones tanto en la succión como en la descarga. Esta pulsación también se manifiesta como cargas cíclicas sobre las válvulas de retención y las empaquetaduras, acortando la vida útil de los componentes si el amortiguador está subdimensionado.
| Característica | Centrífuga | Desplazamiento positivo |
|---|---|---|
| Caudal frente a presión | El caudal disminuye al aumentar la presión | Caudal casi constante independientemente de la presión |
| Rango de viscosidad óptimo | Menos de aproximadamente 20 cSt sin corrección | Mejora hasta miles de cSt |
| Altura típica por etapa | 20 a 150 m (mayor en diseños especializados) | Limitada principalmente por el accionamiento y la resistencia de la carcasa |
| Válvula de alivio en descarga | No requerida | Obligatoria |
| Pulsación de caudal | Baja, continua | Baja (rotativas) a alta (reciprocantes) |
| Manejo de sólidos/lejías | Pobre a moderado | Bueno (con el tipo de holgura correcto) |
| Rango de regulación por velocidad | Reducción de potencia cúbica (leyes de afinidad) | Caudal lineal, par casi constante |
Las bombas centrífugas tienen un punto de mejor eficiencia (BEP), típicamente entre el 50 y el 85% según la velocidad específica, y la eficiencia cae al alejarse del BEP en ambas direcciones; operar por debajo de aproximadamente el 70% del caudal en BEP aumenta los empujes radiales y acelera el desgaste de rodamientos y sellos, un tema tratado en detalle en velocidad específica de la bomba y recirculación de caudal mínimo de la bomba. Las bombas PD mantienen típicamente la eficiencia volumétrica en el rango del 80 al 95% a lo largo de un amplio rango de velocidades porque la salida está fijada geométricamente, lo que las hace idóneas para labores de dosificación y metering donde la precisión al variar la velocidad es importante.
Dado que las leyes de afinidad implican que la potencia de una centrífuga escala con el cubo de la velocidad, los accionamientos de velocidad variable en bombas centrífugas ofrecen grandes ahorros energéticos en caudales parciales, mientras que la potencia de una bomba PD escala aproximadamente de forma lineal con la velocidad a presión constante. El monitoreo continuo de condiciones y el seguimiento del OEE a través de una plataforma GMAO como Fabrico ayudan a detectar la deriva de eficiencia y las tendencias de vibración de los rodamientos que señalan que una bomba centrífuga se ha alejado de su BEP, generando una orden de trabajo antes de que se produzcan daños en sellos o rodamientos. Si su equipo quiere esa visibilidad integrada en los flujos de trabajo diarios de mantenimiento, puede Solicitar una demo de Fabrico.
Las bombas centrífugas dependen en gran medida de mantener el margen de NPSH, las holguras correctas del impulsor y la alineación del eje; la desalineación o el desgaste del acoplamiento se reflejan directamente en las firmas de vibración evaluadas frente a las zonas de severidad de vibración ISO 20816. Las bombas PD dependen más del desgaste de las holguras internas, del estado de las válvulas o los rotores y de la integridad de la válvula de alivio, ya que una válvula de alivio fallada o bloqueada en una bomba PD representa un peligro real de sobrepresión y no una mera cuestión de eficiencia. La vida de los rodamientos en ambas familias se beneficia de unas prácticas disciplinadas de lubricación, tal como se describe en los intervalos de relubricación de rodamientos.
En breve, sí, ya que opera a la altura de cierre con flujo nulo, pero el funcionamiento prolongado en vacío hace que el fluido atrapado se caliente y puede dañar sellos y rodamientos, por lo que sigue siendo necesaria la protección de caudal mínimo.
Una bomba PD sigue desplazando un volumen fijo independientemente de la resistencia, por lo que una descarga bloqueada hace que la presión aumente hasta que algo falle; el caudal de una bomba centrífuga simplemente cae a cero en la altura de cierre, que la carcasa está diseñada para soportar.
Las bombas PD generalmente mantienen mejor la eficiencia a lo largo de un rango de velocidades porque la salida está fijada por la geometría, mientras que las centrífugas pierden eficiencia al alejarse de su punto de mejor eficiencia debido a recirculaciones internas y pérdidas por impacto.
En la mayoría de los casos sí, ya que una mayor viscosidad reduce el deslizamiento interno y mejora la eficiencia volumétrica de las PD, mientras que el rendimiento de una centrífuga comienza a necesitar corrección cuando la viscosidad supera aproximadamente los 20 cSt.
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