Funcionamiento de La Bomba Centrifuga.

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Curvas y Variables de Funcionamiento de la Bomba Centrífuga

Objetivos de Aprendizaje En esta sección, los participantes revisarán el Funcionamiento de la Bomba Centrífuga. Discutirán las curvas de funcionamiento de la bomba centrífuga, criterios de funcionamiento y procedimientos de arranque para una operación confiable de la bomba, y criterios de adaptación del funcionamiento de la bomba a los requerimientos del sistema. Discutirán los efectos de operar bombas en serie, operar bombas en paralelo, operar con velocidad variable y los efectos de la viscosidad en el funcionamiento de la bomba. Al término de esta sección, los participantes serán capaces de describir curvas típicas de funcionamiento de la bomba centrífuga y criterio para una confiable operación de la bomba. Serán capaces de describir los efectos a la operación de la bomba en serie o paralela y la operación de velocidad variable. Serán capaces de describir los efectos de la viscosidad en el funcionamiento de la bomba. Exhibirán un entendimiento de la relación entre las curvas de funcionamiento de la bomba y las curvas de sistemas.

Factores de Funcionamiento de la Bomba Centrífuga Curvas de Bombas Porcentaje de Eficiencia • Suministrada Suministrada po porr el fabricante, fabricante, determinada determinada por una una prueba prueba de funcionamiento. funcionamiento. • Cab Cabeza, eza, eficienc eficiencia, ia, caballo caballos s de de fuerz fuerza a

BHP 70

TDH En pies

% EFF

Máxima Máxima Eficiencia Eficiencia C aab  b e  e z  C  z  a   ee  zz   a

70

60

60

50

50

40

40

30

30

20

20

10

10

.

70 60

  a    i    i  a   c   c    n   n    i  e    i  e   c    i    i  c    f    f    E    E

50 40 30

 P..  H.. P  B.. H  B

20

  o d o  di d   i   ri d  r i  q  e e  e  u u  R  q  e  H  R  S  S H  P P  N N

0

50

100 150

200

250

300

350

400

10 450

500

550

600

Flujo Flujo (GPM) (GPM)

Cabeza - Cabeza total en pies desarrollada a varios rangos de flujo. Eficiencia - Eficiencia; relación de caballos de fuerza a la salida y caballos de fuerza a la entrada a varios rangos de flujo. B.E.P. - Mejor punto de eficiencia, punto donde la capacidad de operación coincide con la máxima eficiencia. B.H.P. - Caballo de fuerza al freno; caballo de fuerza requerido a varios rangos de flujo. NPSH Requerido - Cabeza de succión neta positiva: turbulencia, fricción y pérdida a la entrada en los álabes del ojo del impulsor. impulsor. El valor puede ser basado aproximadamente en velocidades de fluido en el ojo del impulsor. Se requiere hacer una prueba para tener un valor preciso.

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Leyes de Afinidad Las condiciones del sistema pueden dictar que la bomba debe ser operada a una velocidad diferente que la velocidad de operación que indica la curva de diseño. En este caso, las curvas de funcionamiento deben ser “subidas” o aumentadas con relación a otra velocidad usando relaciones referidas como leyes de afinidad. Estas leyes establecen que: A. La capacidad varía directamente como la relación de velocidad.

Q2 Q1

=

n2

Q = capacidad

n = velocidad

n1

B. La cabeza varía como el cuadrado de la relación de velocidad.

H2 H1

=

n2

2

H = cabeza

n = velocidad

n1

C. Los caballos de fuerza al freno varían como el cubo de la relación de velocidad.

BHP2 BHP1

=

n2

3

BHP = Caballo de fuerza al freno

n1

100%

 P M

 0 R  3 6 0

 1 8 0 0

Estas relaciones pueden ser usadas para ajustar cualquier curva de capacidad de cabeza dada a una nueva RPM requerida o un diámetro de impulsor.

    %     P     H     B

 R P M

100%     d    a    e     H     %

0%

3  6  0  

0  R  

P    M   

25%

1 8  0   0  

R  P   M  

% Capacidad 50

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100

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Curva Ascendente Estable o una capacidad de cabeza ascendente característica es, una curva en la cual la cabeza asciende continuamente mientras la capacidad es disminuida. El ascenso del mejor punto de eficiencia al punto de apagar la bomba (Shut-Off) está cerca del 10 al 20%. Las bombas con curvas de esta tipo son usadas en operación paralela debido a sus características estables.

H-Q Ascendente Estable •

   s    e     i     P      a    z    e     b    a     C

H   

-   

•

Q   

Estable Buena para operación paralela

GPM

Curva Declinante característica, es una curva en la cual la capacidad de cabeza desarrollada en el apagado (Shut-Off) de la máquina es menor que el desarrollado en algunas capacidades. Cuando bombas con características declinantes son corridas en sistemas de estrangulamiento, pueden ocurrir dificultades de operación desde que la curva de fricción del sistema puede intersectar la curva de capacidad de cabeza en dos puntos. Estas bombas solo podrán operar en paralelo cuando el punto de operación está debajo de a cabeza de apagado; por lo tanto, la operación en paralelo debe ser evitada con esta forma de curva.

H - Q Declinante H    -  Q   

   s    e     i     P      a    z    e     b    a     C

• • •

Buen funcionamiento Máxima Q Estable en cabezas abajo de la cabeza de apagado

GPM

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Curva de Pendiente Ascendente es una donde hay un mayor incremento en la cabeza entre el desarrollo en la capacidad de diseño y el desarrollo en el apagado (Shut-Off). Esta mejor adaptado para operación donde el mínimo cambio de capacidad es deseado con cambios de presión, tal como bombeado por lotes o sistemas de filtrado.

H - Q de Pendiente Ascendente    s    e     i     P      a    z    e     b    a     C

•

H  -  Q   Q  

• •

• •

GPM

140-150% de Apagado de Cabeza BEP Estable Buena en operación paralela Servicio de filtrado Combio de Q pequeño de cabeza

Curva Plana se refiere a una característica en la cual la cabeza varía ligeramente con la capacidad de apagado (Shut-Off) para una capacidad de diseño. Cuando ocurren amplias fluctuaciones de capacidad con cercanos requerimientos de presión constante, esta es la mejor bomba que se pueda usar.

H  - Q  Q     s    e     i     P      a    z    e     b    a     C

H - Q Plana •

•

Pequeño rango de ascenso Buena para Q cambiante con cambio pequeño de cabeza

GPM

En general, es deseable escoger una bomba para operar en el punto de máxima eficiencia o ligeramente a la izquierda de este punto, sin embargo, con bombas, así como con todas las comodidades, el aspecto comercial debe ser considerado. Estas bombas son vendidas para operar sobre un amplio rango, aún fuera de la curva de eficiencia. Si el NPSH disponible es suficiente para prevenir cavitación, la bomba dará una operación satisfactoria.

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Ajuste del Impulsor de la Bomba ANSI Las bombas ANSI con impulsores abiertos dependen del espacio entre el impulsor y el frente de la carcaza para mantener la eficiencia de bombeado. Después del reemplazo del rodamiento y/o del impulsor o si una caja de rodamientos está por ser colocada dentro de una nueva o diferente carcaza, el ajuste del impulsor debe ser completado. Los métodos usados por varios fabricantes de bombas incluyen: • Lainas entre el candado candado del rodamiento rodamiento de em empuje puje y la tapa tapa del rodamiento. rodamiento. • Un Una a comb combin inaci ación ón de perno pernos s de de sujeción y candados en la tapa de rodamientos. • Ajuste Ajuste micromé micrométric trico o entre entre la tapa de de rodamien rodamientos tos roscad roscada a y la caja La posición cero del impulsor es determinada primero moviendo el impulsor abierto contra la carcaza y luego ajustando el impulsor afuera por la cantidad especificada por el fabricante y la temperatura de servicio. La distancia movida por el impulsor puede ser determinada con un calibrador de lainas un indicador de carátula o las vueltas de el micrómetro. Las bombas ANSI con impulsor de álabes semiabiertos, y con venas posteriores dependen del espacio entre la cubierta trasera y la parte posterior del impulsor. Los ajustes son hechos en una manera similar como arriba, excepto que el espacio puede ser medido con un calibrador de lainas entre la parte trasera y el impulsor sin la necesidad del cuerpo de la bomba.

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Típicos Claros para el Montaje de un Impulsor (por fabricante)

Impulsor Cerrado/ Impulsor de Venas Posteriores Instalada para cubierta

Temperatura °F 500

Claro a laCubierta .018”, ±.003” .021” .024” .027” .030” .033” .036”

Nota: Este fabricante usa Impulsor cerrado de Venas Posteriores o Impulsor abierto

Impulsor Abierto Instalado del Lado del Impulsor (Frente)

Temperatura °F 400

Claro al Frente .015” .017” .019” .021” .023” .025”

Este fabricante usa Impulsor abierto como estándar

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Métodos de Balanceo de Presión del Impulsor Métodos para Reducir la Presión de Descarga Actuando Actuando en el Lado Posterior de un Impulsor de Succión al Frente Venas Exteriores o Venas Venas Posteriores de Bombeado • Ve Venas nas peque pequeñas ñas en en el lado lado posteri posterior or del impul impulsor sor.. • Expele Expele fluido fluido y reduc reduce e la presión presión detrá detrás s del impuls impulsor or.. • Requ Requiere iere mínimo mínimo claro claro en el el plato plato posterio posteriorr para ser ser efectivo efectivo.. • Re Reduc duce e y con contro trola la la la carga carga axial axial.. • Re Reduc duce e la pres presión ión en en la caja caja esto estope pero. ro.

Orificios de Balance • Pequeños Pequeños barrenos barrenos axiales axiales a lo largo del impulsor impulsor que que regresan regresan la alta presión presión del del líquido en el lado posterior del impulsor al lado de baja presión de succión. • Re Reduc duce e y con contro trola la la la carga carga axial axial.. • Re Reduc duce e la pres presión ión en en la caja caja esto estope pero. ro.

Anillos de Desgaste • Claro mínimo, mínimo, sin contacto, contacto, dispositivos dispositivos reemplazab reemplazables les para para reducir reducir la presión presión entre entre el impulsor y la carcaza. • Un anillo anillo gira con el impulsor (anillo impulsor) impulsor) y el otro otro está estacionario estacionario en la carcaza carcaza (anillo de carcaza).

Anillos de Desgaste Frontal • Minimi Minimiza zan n recirc recircula ulació ción n de succió succión. n. • Increm Increment entan an la efici eficien encia cia.. • Ree Reempla mplazabe zabe para reestabl reestablecer ecer espacios espacios..

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Anillos Posteriores de Desgaste • Co Cont ntro rola lan n la carg carga a axia axial. l. • Re Redu duce cen n la la pre presi sión ón en la cámara del sello. • Re Reem empl plaz azab able les s para para restablecer espacios. Requerimientos API para Anillos de Desgaste • Su Supe perf rfic icie ie de de desg sgas aste te o materiales endurecidos deberán tener como mínimo al menos un diferencial de dureza de 50 Brinell, a menos que ambos estén sobre 400 Brinell. • Lo Los s ani anillllos os de de desg sgas aste te deberán mantenerse en su lugar mediante un ajuste de presión con pernos de sujeción y pernos guías roscados o por un brida y el método de roscado. • Para Para mate materia riales les de fricci fricción ón y para todos los materiales operando a temperaturas arriba de 500°F añada .005” al espacio diametral.

Espacios Mínimos de Carrera Diámetro del Elemento Rotativo en el Claro (pulgadas)

Mínimo Claro Diametral (pulgadas)

2 D1

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Eje de Rotación Francis - Area de D2 = 1.5 1.5 to to 2 D1

Mixta - Area de flujo Axial - Area de D2 D2 < 1.5 =1 D1 D1

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Velocidad Específica de Succión La velocidad específica de succión es un número índice de diseño el cual indica la habilidad relativa de las bombas centrífugas para operar bajo condiciones de baja cabeza neta de succión positiva disponible. nQ1/2 La ecuación para velocidad específica de succión (N ss) es: Nss = NPSHR3/4 Donde: Nss = velocidad específica de succión R = velocidad rotativa, en revoluciones por minuto Q = capacidad con máximo diámetro del impulsor en la mejor eficiencia, en galones por minuto NPSHR = cabeza neta positiva de succión, requerida por el diámetro máximo del impulsor en la mejor eficiencia, en pies Dependiendo del diseño del impulsor, la velocidad específica de succión variará en valor desde abajo de 4,000 hasta 20,000, los valores altos indican menores requerimientos de cabeza de succión neta positiva. Entre mayor sea el valor, valor, el diseño del impulsor es menos estricto y más limitado es el rango de operación. Dependiendo de la aplicación, los impulsores con N ss de 8500 a 11000 son de uso común. Mayores valores de N ss son algunas veces aprobados después de una revisión apropiada. Nuevamente, el valor está basado en flujo (gpm) por entrada o por el ojo de el impulsor. Un impulsor de doble succión tiene dos entradas la capacidad total sería dividido entre dos.

En general, para agua fría y líquidos similares, las velocidades de succión específica son seleccionadas en un rango de 8,500 o menos.

4,000 Nss

        R         H         S         P         N

7,000 Nss 11,000 Nss Capacidad

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Efectos Aproximados por Incremento de la Viscosidad del Líquido en el Funcionamiento de la Bomba

Viscosidad en SSUs

100

250

500

750

1000

Reducción de Flujo (%)

3

8

14

19

23

Reducción Total de Cabeza (%)

2

5

11

14

18

Incremento de BHP-Fuerza

10

20

30

50

65

Equivalencias y conversiones: • 100 SSU SSU = 20.6 20.6 centi centistok stokes es (visco (viscosida sidad d kinemát kinemática) ica) • SSU = Centi Centistok stokes es x 4.635 4.635 (para (para valor valores> es> 70 centisto centistokes) kes) • Centistokes Centistokes x gravedad gravedad específica específica (densidad (densidad)) = Centipoises Centipoises (viscosidad (viscosidad absoluta) • Agua a 68°F es 1.0 centistokes

Las fórmulas de corrección de viscosidad para bombas centrífugas están usualmente basadas en agua para selección básica y corregidas para el efecto viscoso en capacidad, cabeza total, eficiencia y caballos de fuerza al freno.

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Operación En Serie o Paralelo • En Serie: Serie: Pa Para ra ap aplic licac acion iones es de cabez cabeza a alta-flujo bajo, más de una bomba en serie puede proveer la cabeza total requerida.

Q 2H B

• Para Paralel lelo: o: Pa Para ra flujo flujo alto-c alto-cabe abeza za ba baja, ja, múltiples bombas pequeñas pueden proveer el funcionamiento deseado comparado a una bomba grande.

2H

A

H

Siempre construya una curva de sistema de cabeza cuando considere el uso de múltiples bombas en un sistema. Luego las curvas de bombas individuales pueden ser usadas para sobreponer la curva de cabeza del sistema para determinar la cabeza total de las bombas combinadas y los puntos de capacidad de la curva.

H

Q Q

Para operaciones en serie, agregue las cabezas verticalmente en la curva compuesta en los mismos puntos de capacidad en la curva compuesta. Para operación paralela, agregue las capacidades horizontalmente en la curva compuesta en los mismos puntos de cabeza. En operaciones que usan bombas en serie siempre considere la presión de succión, los límites de presión de la bomba, y las limitaciones del sello mecánico de la segunda bomba o las otras en serie.

2Q

Q

Q

2Q

H

B

A

Q

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Sistema

2Q

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Rangos de Presión de la Bomba Centrífuga Los fabricantes diseñan bombas para los mercados y servicios para los cuales están consideradas, CPI, API, fuerza, utilitarias y HVAC. Generalmente, el rango máximo de presión debe ser igual a la máxima presión de succión posible en la operación de la bomba, más la máxima presión diferencial que la bomba puede desarrollar (usualmente igual a la presión de cero flujo). Muchas especificaciones de aplicación requieren que la bomba sea capaz de incrementar al menos 5% en la cabeza a las condiciones evaluadas para la instalación de un nuevo impulsor de mayor diámetro. El American Petroleum Institute requiere que esta capacidad y el rango máximo de presión sean considerados para el nuevo rango de la bomba. Los máximos rangos de presión variarán como función de la temperatura. La temperatura ambiente provee el rango máximo. Austenítico, alto aleación, aceros inoxidables, p/ej.- acero inoxidable 316, verán una inmediata reducción en la presión de trabajo permitida. Acero Inox. Martensitico (12% de cromo) y aceros de carbón mantendrán mejores propiedades de tensión para temperaturas más altas antes de una disminución en las propiedades de tensión.

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Aplicación de Manejo de Velocidad Variable Ha sido práctica común usar válvulas de estrangulamiento en la descarga de las bombas para compensar la demanda de fluctuaciones para el sistema tales como transferencia de “baches” para sistemas sin carga. Los sistemas de manejo variable pueden proveer velocidades de bomba que se encuentren con las demandas cambiantes del sistema de operación y en consecuencia eliminen la energía disipada en una válvula de control, cualquier construcción de calor o problemas mecánicos. El ahorro en el costo de energía, sellos mecánicos y mantenimientos son generalmente significativos. Los manejos de velocidades variables pueden ir de mecánicos hasta sistemas totalmente electrónicos. Los factores involucrados son: • Cab Caballo allos s de fuerza fuerza y capacida capacidades des de veloc velocidad idad • Eficiencia • Co Costo stos s inici iniciale ales s y a largolargo-pla plazo zo • Ma Mant nten enim imie ient nto o requ requer erid ido o • Dise Diseño ño y arr arreg eglo lo físi físico co • Co Cont ntro role les s disp dispon onib ible les s

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Los requerimientos de Fuerza así como de velocidad varían para mantener el flujo constante mientras cambia la cabeza.

TDH/RPM 1    a    m    e    t    s     i     S    a     b    m    o     B    e     d    s    a    z    e     b    a     C

    P     H     B

Punto 1 indica el valor máximo de la bomba con el sistema de cabeza a valor máximo.

   e    t    n    a    t    s    n    o     C    o     j    u     l     F 1

TDH/RPM 2

2 3  e m a  s t e  S i s . D e  x  a  M  e z a  e m a  s t e  C a b  S i s  e  D  n.  i n  z a M  a b e  C   C .  N   N  M I BHP RPM 1 BHP RPM 2

1 3

2

Punto 2 indica el punto de valor de 50% de flujo cuando la cabeza del sistema cae al valor más bajo, si no hay control de flujo o velocidad. Estrangulando la válvula de descarga para mantener el flujo podríamos causar que éste punto regrese al punto 1. Punto 3 indica el punto valor de la bomba, cuando es disminuida la velocidad para mantener el flujo, cuando cae la cabeza del sistema.

Capacidad

Fuerza requerida cuando la velocidad varía para mantener la cabeza constante mientras las tasas de flujo cambian

T D H  /   / R P M 

Punto 1 indica el punto de valor a 100% de flujo. 1

2 T D T D H / R  /  R P M P M 2 

3

1 Constante TDH

    P     H     B    a    z    e     b    a     C

GPM

54

1

2 3

BHP RPM 1 BHP RPM 2 50

50

100

100

Punto 2 indica el punto de valor la bomba cuando se estrangula con la válvula de descarga Punto 3 indica el punto de valor a 50% de flujo cuando se disminuye la velocidad de la bomba. OBSERVE que en este caso TDH es mantenido constante y el BHP requerido es disminuido significativamente por debajo del Punto 2.

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Sistemas de Tubería Minimiza problemas de NPSH • El tamaño tamaño de la tubería tubería debe ser suficientemen suficientemente te grande grande para cargar el volumen volumen deseado deseado por la bomba. • Velocidades elocidades excesivas excesivas incrementan incrementan pérdidas por fricción fricción (rango (rango deseado deseado de de 5-8 pies/s). • La tu tuberí bería a deb debe e conduci conducirr apropia apropiadame damente nte el el líquido líquido a la bomba bomba.. • La tubería tubería de elevación de succión succión debe debe ser exactamente exactamente horizontal horizontal o con una una inclinación inclinación ascendente del depósito. • Las aberturas aberturas de la succión deben ser propiamente propiamente diseñadas diseñadas y colocadas colocadas para eliminar eliminar turbulencias

A

Eliminador de Pobre

Bomba

B

turbulencias

Bomba

Pobre

Pobre

Pobre

Bomba

Bueno

Bueno

Bomba

E

Bueno

Eliminador de turbulencias

Pobre

Bomba

Bomba

C

D

Bueno

Eliminador de turbulencias

Eliminador de turbulencias

Bueno

Bomba

Bomba

F

Bueno

Pobre

Bomba

Bomba

Bomba

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Las aberturas de succión deben ser separadas para evitar turbulencia

3D Mínimo

D

Las líneas de succión deben ser suficientemente profundas para evitar turbulencia

Velocidad de la Tubería de Succión, pies por segundo igual gpm x .321 área (pu lg.)

16 12 4

o 0 gpm x .4085 D2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Sumergido, mínimo en Pies

Usar reductores excéntricos para evitar bolsas de aire.

Succión

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Bolsa de Aire

Succión

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La tubería debe contener una adecuada carrera de tubo recto entre el codo y la succión de la bomba

Usar un conector “Y” en lugar de uno “T” si se requiere un ramal

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Lista de Control de Arranque Antes del arranque de cualquier bomba, debe hacerse un cuidadoso control para asegurarse que todo está en orden. 1.

Releer Releer todas todas las Instrucc Instruccione iones s y cheque cheque que que est esté é conforme conforme cada cada punto punto..

2.

La tubería tubería debe debe estar estar limpia limpia y libre libre de escomb escombros ros y obstru obstruccio cciones nes,, las juntas juntas en su lugar lugar y todas seguras.

3.

¿Están ¿Están ttodos odos los bloque bloque de de carga carga y los soportes soportes ade adecuad cuados? os?

4.

¿Est ¿Están án en su luga lugarr los los filt filtro ros? s?

5.

Cheque Che que las las válvulas válvulas y las las válvulas válvulas de de segurida seguridad d que estén estén en una una posición posición corre correcta. cta.

6.

Asegúre Asegúrese se que los los sistemas sistemas de sopor soporte te están están en su lugar lugar y funcion funcionand ando, o, tales tales como, como, lubricación especial, aceite de la caja, etc.

7.

Cheque Che que el sumini suministro stro de de voltaje voltaje con relaci relación ón al indicad indicado o en la placa placa del motor motor..

8.

Cheque la direcc Cheque dirección ión de de la rotación rotación de la bomba. bomba. La rotac rotación ión del del motor motor debe debe ser checada antes de acoplar el motor a la bomba.

9.

¿Están ¿Están los cintur cinturones ones y acoplam acoplamient ientos os (eje) (eje) ajustado ajustados s y alineados alineados adecua adecuadame damente nte y las guardas en su lugar?

10. ¿Rota ¿Rota librem libremente ente la bomba? bomba? 11. Prepare Prepare la bomba bomba (Remove (Removerr Gas y Aire) Aire) 12. Cumpla con con todas las instruccion instrucciones es de operación operación y arranque arranque del sello o la empaquetadura. 13. Revise Revise la tempera temperatura tura del del motor. motor.

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14. Anote la temperatura de operación de la caja de rodamientos (si hay). 15. De común acuerdo con el fabricante de la bomba, la bomba puede ser operada brevemente a cero flujo (shutoff) para comparar con la curva de operación. Las limitaciones de flujo mínimo pueden ser demasiado restrictivas para permitir la operación de cero flujo (shutoff) aún por breves periodos. 16. Llene el sistema, lentamente. 17. No opere ninguna bomba sin haber sido cebada (remover gas y aire) apropiadamente, a menos que haya sido específicamente diseñada para tal operación. 18. Las bombas nuevas no deben ser puestas en marcha y paradas frecuentemente. Si es posible, permita a la unidad correr hasta que la temperatura de operación sea alcanzada. Nota: Para motores grandes, cheque con el fabricante las limitaciones en la frecuencia de puestas en marcha.

Una bomba no debe ser puesta en marcha a menos que cumpla de conformidad con todos los puntos aplicados arriba y todos aquellos especificados en el “Manual de Operación y Mantenimiento” suministrado suministrado con la bomba. Si falla en hacer eso puede causar daño severo al equipo y/o un daño personal. También puede invalidar la garantía.

Cámara del Sello

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