Bomba centrífuga criogénica: Guía de selección y diseño

1. Introducción

La selección de una bomba centrífuga criogénica no es una tarea de ingeniería convencional, sino una disciplina que gira íntegramente en torno a los retos específicos que plantean las temperaturas ultrabajas. Al bombear gas natural licuado a -162 °C, nitrógeno líquido a -196 °C o hidrógeno líquido a -253 °C, incluso el más mínimo defecto de diseño puede provocar un fallo catastrófico. Los materiales convencionales se vuelven frágiles, las juntas estándar no pueden contener criógenos volátiles y cualquier fuga de calor provoca la vaporización inmediata del fluido. Esto significa que la selección de materiales, la tecnología de sellado, el diseño de los cojinetes y el rendimiento hidráulico deben diseñarse desde cero para estos entornos operativos extremos.

Esta guía ofrece una referencia estructurada que abarca las normas internacionales, la ciencia de los materiales, las tecnologías de sellado, las estrategias de control de la cavitación y la metodología de selección que los ingenieros necesitan para realizar sus especificaciones bombas centrífugas criogénicas con confianza. Con más de dos décadas de experiencia en el diseño de bombas para aplicaciones industriales exigentes, Changyu Pump aporta una experiencia contrastada en tecnologías de bombas de precisión y resistentes a la corrosión.

2. ¿Qué es una bomba centrífuga criogénica?

A bomba centrífuga criogénica es una máquina rotodinámica diseñada específicamente para transportar gases licuados a temperaturas inferiores a -150 °C —fluidos como el GNL (-162 °C), el nitrógeno líquido (-196 °C), oxígeno líquido (-183 °C), argón líquido (-186 °C), hidrógeno líquido (-253 °C) y helio líquido (-269 °C). El principio de funcionamiento es idéntico al de cualquier bomba centrífuga: un impulsor giratorio convierte la energía mecánica del motor en energía cinética en el fluido, que luego se convierte en presión en la carcasa de voluta bajo la influencia de fuerza centrífuga.

Lo que distingue a una bomba criogénica es la respuesta de ingeniería a las consecuencias de la temperatura. La norma principal que rige el diseño, la fabricación y los ensayos de estas bombas es ISO 24490:2025, que especifica los requisitos mínimos para las bombas centrífugas en servicio criogénico y ofrece orientación sobre el diseño de la instalación, al tiempo que excluye explícitamente de su ámbito de aplicación a las bombas alternativas. La tercera edición (2025) ha sido revisada técnicamente a partir de la segunda edición (2016), con modificaciones en el título y el alcance para incluir únicamente bombas centrífugas, junto con descripciones actualizadas en las secciones de requisitos generales y sellos de eje. En cuanto a los materiales utilizados en el servicio con fluidos criogénicos, la norma ISO 24490:2025 hace referencia a las normas ISO 21029-1, ISO 20421-1 e ISO 21009-1 para obtener orientación adicional.

2.1 En qué se diferencia una bomba criogénica de una bomba centrífuga estándar

Hay cuatro retos de ingeniería que distinguen el diseño de las bombas centrífugas criogénicas del de las bombas a temperatura ambiente:

• Tenacidad del material a bajas temperaturas: Los metales que son dúctiles a temperatura ambiente —incluidos los aceros al carbono estándar— se vuelven frágiles y propensos a la fractura a temperaturas criogénicas. Todos los componentes estructurales deben fabricarse con materiales cuyas propiedades mecánicas a baja temperatura hayan sido verificadas, tal como lo exige la norma ISO 24490:2025, sección 4.2.
• Integridad del sistema de sellado: Los líquidos criogénicos tienen una viscosidad extremadamente baja y escasas propiedades lubricantes. Incluso la más mínima fisura en el sistema de contención de la bomba provocará que el líquido se convierta en gas y se escape. Los sellos mecánicos convencionales pueden volverse frágiles y fallar a temperaturas criogénicas. El sistema de sellado debe evitar la fuga de fluidos que son peligrosos, costosos y propensos a la vaporización instantánea al entrar en contacto con el aire ambiente. Para conocer la tecnología de bombas de accionamiento magnético para altas temperaturas, consulte nuestro Bomba de accionamiento magnético para altas temperaturas de la serie CYQ.
• Gestión de la contracción térmica: Los componentes se contraen a temperaturas criogénicas. La bomba debe adaptarse a la contracción térmica diferencial entre materiales distintos sin perder las holguras de funcionamiento críticas. Las holguras entre los componentes giratorios y los fijos deben diseñarse con precisión para evitar el roce a temperatura de funcionamiento, tal y como exige la norma ISO 24490:2025, sección 4.3.
• Vulnerabilidad a la cavitación: Los líquidos criogénicos suelen almacenarse a su punto de ebullición o cerca de él en condiciones de saturación, lo que significa que el único NPSH disponible es la altura estática generada por el nivel del líquido en el tanque de almacenamiento. Este NPSH puede ser muy bajo, lo que hace que las bombas criogénicas sean especialmente propensas a la cavitación.

2.2 Fluidos criogénicos típicos y configuraciones de bombas

Fluido	Temperatura	Configuración típica de la bomba	Aplicación típica
GNL (gas natural licuado)	-162 °C	Sumergido, pozo profundo	Terminales de GNL, combustible marítimo, reducción de picos de demanda
Nitrógeno líquido (LIN)	-196 °C	Sumergible, con accionamiento magnético, multietapa	Separación de aire, congelación de alimentos, molienda criogénica
Oxígeno líquido (LOX)	-183 °C	Sello de laberinto, Mag-drive	Separación de aire, fabricación de acero, sector aeroespacial
Aragón líquido (LAR)	-186 °C	Sumergido, Mag-drive	Separación de aire, soldadura, electrónica
Hidrógeno líquido (LH2)	-253 °C	Con camisa de vacío, accionamiento magnético	Combustible para cohetes, repostaje de hidrógeno, energía limpia
Dióxido de carbono líquido (LCO2)	de -56 °C a -78 °C	Sello mecánico, Sello de gas seco	Captura de carbono, procesamiento de alimentos
Óxido nitroso líquido (LN2O)	-88 °C	Sello mecánico, Sello de gas seco	Propelente para uso médico y aeroespacial

3. ¿Cómo funciona una bomba centrífuga criogénica?

Una bomba centrífuga criogénica utiliza un impulsor giratorio para convertir la energía mecánica del motor en energía cinética del fluido. El fluido entra por el ojo del impulsor, se acelera radialmente hacia afuera por la fuerza centrífuga y pasa a la carcasa en espiral, donde la superficie de flujo en expansión convierte la velocidad en presión.

Lo que distingue el funcionamiento de las bombas centrífugas criogénicas es la configuración estructural adoptada para soportar el frío extremo sin perder rendimiento hidráulico. Existen cuatro tipos de estructura que cubren la mayoría de las aplicaciones criogénicas.

3.1 Bombas con motor sumergido

Las bombas con motor sumergido colocan tanto el motor eléctrico como el conjunto de la bomba dentro del recipiente criogénico, completamente sumergidos en el gas licuado. El fluido bombeado enfría continuamente los devanados y los cojinetes del motor, lo que elimina la necesidad de sistemas de enfriamiento del motor independientes. Dado que el motor y la bomba comparten una barrera de presión común sin un sello dinámico del eje que penetre a la atmósfera, esta configuración elimina la vía de fuga más vulnerable en el servicio criogénico.

• Ventaja principal: No hay sello dinámico del eje hacia la atmósfera; el fluido bombeado proporciona una refrigeración continua del motor
• Innovación moderna: Cada vez se utilizan más motores de imanes permanentes (PM) para lograr una mayor densidad de potencia y eficiencia
• Mejor aplicación: Terminales de GNL a gran escala, sistemas de combustible gaseoso para buques, de alto caudal y presión moderada a alta

Los diseños modernos de bombas sumergibles utilizan cada vez más motores de imanes permanentes en lugar de los motores de inducción convencionales. Los motores de imanes permanentes ofrecen una mayor densidad de potencia y eficiencia, lo que permite un diseño de bomba más compacto. En el caso de los sistemas de combustible de GNL de los buques, las bombas sumergibles con motores de imanes permanentes han demostrado un mayor tiempo de funcionamiento y una mayor eficiencia en comparación con los diseños anteriores.

Las bombas sumergibles están diseñadas para terminales de GNL a gran escala, sistemas de combustible marítimo y aplicaciones que requieren caudales elevados a presiones de descarga moderadas o altas. La serie de bombas TC-34 ha sido diseñada específicamente para el funcionamiento con GNL, con diseños hidráulicos altamente eficientes y un NPSHR bajo en la industria, utilizando variadores de frecuencia (VFD) de diseño especial para el control del punto de funcionamiento en todo el rango de la bomba.

3.2 Bombas de pozo profundo de eje largo

Las bombas de pozo profundo ubican el motor eléctrico y todos los componentes eléctricos por encima del tanque de almacenamiento, fuera del entorno criogénico, con un eje largo que se extiende hacia abajo a través de la tapa del tanque para accionar el impulsor situado en el fondo del tanque. Esta configuración aísla el motor del fluido criogénico, lo que supone una ventaja significativa para el acceso de mantenimiento y la seguridad eléctrica. El eje está apoyado en cojinetes lubricados por el producto dentro de la columna, y el sello se encuentra en la parte superior del eje, donde las temperaturas se mantienen manejables.

• Ventaja principal: Motor aislado del entorno criogénico; acceso simplificado para el mantenimiento
• Característica operativa: Diseñado para un funcionamiento continuo con variador de frecuencia
• Mejor aplicación: Sistemas de suministro de GNL como combustible marítimo con demanda de caudal variable

Las bombas de pozo profundo están diseñadas para funcionar de manera continua con variadores de frecuencia (VFD), lo que las convierte en la opción estándar para los sistemas de suministro de combustible marítimo de GNL, en los que la demanda de caudal varía en función de la carga del motor.

3.3 Bombas criogénicas de accionamiento magnético

Las bombas criogénicas de accionamiento magnético eliminan por completo el sello dinámico del eje. El par se transmite desde el motor al impulsor a través de una carcasa de contención fija mediante un acoplamiento magnético. El conjunto de imanes externo conectado al eje del motor gira alrededor de la carcasa de contención, induciendo la rotación del conjunto de imanes interno fijado al impulsor. La carcasa de contención actúa como una barrera hermética, evitando fugas de fluido al tiempo que mantiene el vacío o el aislamiento con gas inerte para minimizar la transferencia de calor.

• Ventaja principal: Funcionamiento hermético y sin fugas; diseño que garantiza la ausencia total de fugas
• Ventajas principales: Mayor seguridad para fluidos peligrosos, menor mantenimiento, diseño simplificado
• Mejor aplicación: Hidrógeno líquido, oxígeno líquido, fluidos criogénicos peligrosos o de gran valor
• Nota operativa: La carcasa de contención aporta masa térmica que debe enfriarse durante la puesta en marcha, lo que alarga el tiempo de enfriamiento en varios minutos en el caso de los acoplamientos magnéticos de mayor tamaño

Las bombas criogénicas de acoplamiento magnético están selladas herméticamente, lo que garantiza una estanqueidad total por diseño, lo que las convierte en la opción estándar para fluidos criogénicos peligrosos, valiosos o sensibles desde el punto de vista medioambiental. En aplicaciones con hidrógeno líquido, los acoplamientos magnéticos eliminan el contacto mecánico directo, lo que reduce tanto la conducción de calor como los riesgos de fugas a temperaturas cercanas a los -253 °C. Sin embargo, las bombas de accionamiento magnético requieren fluidos limpios: la contaminación por partículas puede dañar los cojinetes internos lubricados con el producto. Para opciones de bombas revestidas de fluoroplástico, consulte nuestro Bomba centrífuga de fluoroplástico de la serie CYF.

3.4 Bombas multietapa horizontales y verticales

Para aplicaciones que requieren presiones de descarga más elevadas —como unidades de separación de aire, llenado de cilindros y suministro de gas a alta presión—, las bombas centrífugas criogénicas multietapa proporcionan la multiplicación de presión que un diseño de una sola etapa no puede alcanzar. Estas bombas pueden instalarse en posición horizontal o vertical, y pueden suministrarse en versión «warm box» o «cold box», según los requisitos de instalación.

• Ventaja principal: Multiplicación de presión por etapa; presión de descarga de hasta 130 bar
• Opciones de sellado: Sello de laberinto, de gas seco o mecánico, según la aplicación
• Mejor aplicación: Caja fría ASU, suministro de gas a alta presión, llenado de cilindros

3.5 Comparación de tipos de bombas

Tipo de bomba	Ubicación del motor	Método de sellado	Mejor aplicación	Rango de caudal típico	Rango de presión típico
Sumergido	Interior del recipiente criogénico	Sin sello dinámico del eje	Terminales de GNL a gran escala, combustible marítimo	8–1 510 l/min	10–20 bar
Deepwell	Por encima del tanque (temperatura ambiente)	Junta superior	Combustible marítimo de GNL, funcionamiento continuo con variador de frecuencia (VFD)	11–24 m³/h	10–20 bar
Accionamiento magnético	Externo (ambiente)	Sin sello (cubierta de contención estática)	Fluidos peligrosos, LH2, sin fugas	Hasta 800 m³/h	Hasta 25 bar
Multietapa	Externo (ambiente)	Sello de laberinto, de gas seco o mecánico	ASU, suministro de gas a alta presión	Hasta 90 m³/h	60–130 bar
Traslado (horizontal/vertical)	Externo (ambiente)	Sello de gas seco, sello mecánico	Carga y descarga de camiones, servicio intermitente	Hasta 130 m³/h	Hasta 25 bar

4. ¿Qué materiales se utilizan en las bombas centrífugas criogénicas?

Selección de materiales para un bomba centrífuga criogénica se rige por el requisito de que todos los componentes estructurales deben mantener la ductilidad, la resistencia y la estabilidad dimensional a la temperatura de funcionamiento. La norma ISO 24490:2025, en su sección 4.2, especifica las propiedades mecánicas a baja temperatura, la resistencia a la corrosión y los requisitos específicos de compatibilidad para el servicio con oxígeno y fluidos oxidantes, así como con hidrógeno.

4.1 Materiales metálicos

• Aceros inoxidables austeníticos (304, 304L, 316, 316L): Los materiales estructurales más utilizados para las carcasas, los ejes y los elementos de fijación de las bombas criogénicas. Estos aceros conservan su ductilidad y resistencia al impacto a temperaturas de hasta -269 °C. Sus propiedades mecánicas a temperaturas criogénicas suelen ser superiores a sus valores a temperatura ambiente: tanto la resistencia a la tracción como el límite elástico aumentan a medida que desciende la temperatura.
• Aleaciones de aluminio (5083, 6061-T6, 2219-T87): Los impulsores se fabrican habitualmente con aleaciones de aluminio, como las 6061-T6 y 5083, seleccionadas por su elevada relación resistencia-peso y por su ductilidad a temperaturas criogénicas. En las bombas sumergidas de GNL, las aleaciones de aluminio se aplican al impulsor y al colector superior a altas velocidades de rotación (6000 rpm). Cuando los materiales de los álabes guía en las terminales de GNL se cambiaron de aluminio fundido a aluminio forjado 6061-T6, las propiedades mecánicas mejoraron significativamente.
• Acero al níquel 9% (ASTM A420): Se utiliza para carcasas a presión en bombas grandes de GNL. Ofrece una excelente tenacidad a bajas temperaturas, combinada con una resistencia superior a la del acero inoxidable austenítico.
• Aleaciones a base de cobre (bronce de aluminio): Se utiliza para casquillos de cojinetes y anillos de desgaste en los que se produce contacto deslizante. Las aleaciones de bronce conservan unas propiedades tribológicas adecuadas a temperaturas criogénicas sin provocar adherencias en los ejes de acero inoxidable.

4.2 Materiales no metálicos

• PTFE reforzado con fibra de vidrio: Se utiliza para casquillos de cojinetes y anillos de sellado. Ofrece propiedades autolubricantes a temperaturas criogénicas y resiste el ataque químico de la mayoría de los gases licuados.
• PEEK y DuPont™ Vespel®: Polímeros de alto rendimiento utilizados para componentes de sellado dinámico y asientos de válvulas. Ofrecen un módulo moderado con grados de baja fricción aptos para aplicaciones criogénicas.
• Polímeros VICTREX CT™: Materiales avanzados a base de PAEK desarrollados específicamente para aplicaciones de sellado criogénico. El CT™100 mantiene una excelente ductilidad y tenacidad a -196 °C para sellos estáticos, mientras que el CT™200 ofrece propiedades optimizadas para aplicaciones de sellado dinámico.

4.3 Resumen de la selección de materiales

Categoría de material	Grados específicos	Límite criogénico	Aplicación típica de la bomba
Acero inoxidable austenítico	304, 304L, 316, 316L	-269 °C	Carcasas, ejes, elementos de fijación
Aleaciones de aluminio	5083, 6061-T6, 2219-T87	-269 °C	Impulsores, inductores, colectores
Acero al níquel 9%	ASTM A420	-196 °C	Carcasas a presión (para servicio de GNL)
Bronce de aluminio	C63000, C95500	-196 °C	Rodamientos, casquillos, anillos de desgaste
PTFE reforzado con fibra de vidrio	Fibra de vidrio 15–25%	-269 °C	Casquillos de cojinetes, anillos de sellado
PEEK / Vespel®	Sin relleno, fibra de carbono 30%	-196 °C	Componentes de sellado dinámico, asientos de válvula

5. ¿Qué tecnologías de sellado evitan las fugas criogénicas?

La tecnología de sellado es la decisión de diseño más importante a la hora de especificar una bomba centrífuga criogénica. Los sellos criogénicos deben impedir la fuga de fluidos que se vaporizan al instante al escapar, al tiempo que mantienen su integridad tras ciclos térmicos repetidos y se adaptan a la contracción del material a la temperatura de funcionamiento. La norma ISO 24490:2025, en su sección 4.3, aborda los requisitos de los sellos de eje y los requisitos de purga.

5.1 Sellos del laberinto

Los sellos de laberinto son sellos sin contacto que utilizan una serie de cámaras de expansión y restricciones para crear un recorrido tortuoso del flujo que limita las fugas de gas. En el servicio de bombas centrífugas criogénicas, los sellos de laberinto funcionan con inyección simple o doble de gas —normalmente nitrógeno seco— que proporciona una barrera de presión positiva entre el fluido de proceso y la atmósfera. Para obtener más información sobre cómo funcionan los sellos en los sistemas de bombas centrífugas, consulte nuestro Guía de bombas centrífugas industriales.

5.2 Sellos de gas seco

Los sellos de gas seco son sellos mecánicos sin contacto que utilizan una fina capa de gas —normalmente nitrógeno— para separar las superficies giratorias y fijas del sello. En las bombas verticales criogénicas, los sellos de gas seco se ubican en la parte superior del eje de la bomba, lo que permite que los componentes de sellado permanezcan en una atmósfera gaseosa sin requerir la vaporización del fluido que fluye entre los anillos de sellado.

5.3 Bombas criogénicas de accionamiento magnético (sin sellos)

Las bombas criogénicas de accionamiento magnético eliminan por completo el sello dinámico del eje al transmitir el par a través de una carcasa de contención fija. El fluido de proceso queda totalmente encerrado: ningún eje giratorio atraviesa la barrera de presión. Este diseño sin sellos garantiza la ausencia total de fugas, lo que lo convierte en la especificación estándar para fluidos criogénicos peligrosos, valiosos o sensibles desde el punto de vista medioambiental.

La carcasa de contención actúa como una barrera hermética, evitando las fugas de fluido y manteniendo al mismo tiempo el vacío o el aislamiento con gas inerte para minimizar la transferencia de calor. En el caso de líquidos criogénicos volátiles, peligrosos o costosos, la estructura de acoplamiento magnético garantiza la ausencia total de fugas, lo cual es esencial para un funcionamiento seguro. En aplicaciones con hidrógeno líquido, los acoplamientos magnéticos eliminan el contacto mecánico directo, lo que reduce la conducción de calor y los riesgos de fugas. Sin embargo, las bombas de accionamiento magnético requieren fluidos limpios —la contaminación por partículas puede dañar los cojinetes internos lubricados con el producto— y la carcasa de contención añade masa térmica que debe enfriarse durante el proceso de puesta en marcha, lo que prolonga el tiempo de enfriamiento en varios minutos para los acoplamientos magnéticos más grandes.

Para soluciones de bombas sin sellos, consulte nuestro Bomba magnética autocebante de la serie ZCQ y nuestro Bomba autocebante de fluoroplástico de la serie FZB.

5.4 Comparación de tecnologías de sellado

Tipo de sello	Contacto	Nivel de fuga	Intervalo de mantenimiento	Mejor aplicación
Sello del laberinto	Sin contacto	Controlado (requiere suministro de gas de sellado)	Más de 40 000 horas	Aplicaciones de alta pureza, ASU, funcionamiento continuo
Sello de gas seco	Sin contacto (película de gas)	Mínimo (barrera de gas sellada)	Más de 25 000 horas	Carga y descarga de camiones, espera en frío
Accionamiento magnético	Sin sello dinámico	Diseño sin fugas	La vida útil del rodamiento determina el intervalo	Fluidos peligrosos, LH2, requisitos de cero fugas
Sello mecánico	Contacto (película de fluido)	Bajo (depende del sello)	8 000–16 000 horas	LCO₂/LN₂O, temperatura moderada

6. Cómo controlar la cavitación y garantizar el margen NPSH

La cavitación es la formación y el colapso violento de burbujas de vapor en un líquido cuando la presión local desciende por debajo de la presión de vapor del fluido. En el servicio de bombas centrífugas criogénicas, la cavitación es particularmente peligrosa por dos razones: los líquidos criogénicos se almacenan a su punto de ebullición o cerca de él en condiciones de saturación, lo que significa que el único NPSH disponible es la altura estática causada por el nivel de líquido en el tanque de almacenamiento; y la energía liberada durante el colapso de las burbujas a temperaturas criogénicas provoca una erosión acelerada de las superficies del impulsor y del inductor.

6.1 Fundamentos del NPSH para aplicaciones criogénicas

La altura de succión positiva neta disponible (NPSHa) es la presión en la succión de la bomba en relación con la presión de vapor del fluido, expresada en metros de columna de líquido: NPSHa = (P_atm + P_estática – P_vap – h_f) × (1/ρg).

En el caso de las bombas criogénicas, el término de presión de vapor (P_vap) es especialmente sensible a la temperatura. Un aumento de temperatura de tan solo 1 °C en el GNL a -162 °C puede elevar la presión de vapor lo suficiente como para reducir el NPSHa y provocar cavitación. La gama Cryomec® resuelve este problema con un sobrealimentador rotativo (SC) para bombas de una sola etapa, lo que permite el funcionamiento con un NPSH de casi cero.

En el caso de las aplicaciones con hidrógeno líquido, el comportamiento de la cavitación difiere significativamente de los datos de las pruebas realizadas con agua. Se ha observado que el valor de NPSH requerido para una bomba de hidrógeno líquido es de 32 m, frente a un requisito de NPSH de 63 m basado en datos de pruebas con agua, lo que indica una mejora de aproximadamente 50% en el rendimiento de cavitación con hidrógeno líquido en comparación con el agua. Este comportamiento se atribuye a la supresión termodinámica del crecimiento de burbujas en el hidrógeno líquido.

6.2 Estrategias de control de la cavitación

• Asegúrese de que el NPSHa supere al NPSHr en un margen de seguridad mínimo de 1 metro. Para aplicaciones criogénicas con fluidos saturados, aumente este margen a 1,5–2,0 metros a fin de tener en cuenta la sensibilidad de la presión de vapor ante pequeñas variaciones de temperatura.
• Reduzca al mínimo la longitud y la complejidad de las tuberías de succión. Utilice válvulas de paso total, codos de radio largo y un tubo de succión con el mayor diámetro posible. Cada accesorio, válvula y codo de la línea de succión reduce el NPSHa.
• Mantenga un nivel mínimo de líquido en el depósito de almacenamiento. Dado que el NPSHa criogénico viene determinado principalmente por la altura estática, la bomba debe estar interbloqueada para que se desconecte cuando el nivel del tanque sea bajo, antes de que el NPSHa caiga por debajo del margen de seguridad.
• Utilice un inductor situado antes del impulsor. Un inductor es una etapa de refuerzo de flujo axial que presuriza el fluido antes de que entre en el impulsor principal, lo que reduce de manera efectiva el NPSHr de la bomba. Esta es una práctica habitual en las bombas sumergidas de GNL de gran tamaño y en las bombas de combustible para motores cohete. Las investigaciones han demostrado que la cavitación puede confinarse dentro del inductor sin afectar al impulsor principal cuando el NPSHre se determina con un coeficiente de cavitación de aproximadamente 1,07 y una reducción de la altura de 97%.
• Utilice variadores de frecuencia (VFD). Los variadores de frecuencia permiten reducir la velocidad de la bomba durante el arranque y en condiciones de bajo caudal, lo que reduce el NPSHr. Esto resulta especialmente eficaz en el caso de las bombas de pozo profundo, en las que el variador de frecuencia permite controlar el punto de funcionamiento en todo el rango de funcionamiento de la bomba.

7. Cómo seleccionar la bomba centrífuga criogénica adecuada: un marco de 5 pasos

Paso 1: Definir el fluido criogénico y la temperatura de funcionamiento

Documente el tipo de fluido, su temperatura en la succión de la bomba y cualquier variación de temperatura durante el funcionamiento. La identidad del fluido determina la compatibilidad de los materiales, la selección de los sellos y los requisitos de seguridad. El servicio con oxígeno líquido exige materiales y procedimientos de limpieza que eviten la ignición por calentamiento por fricción o impacto de partículas. El servicio con hidrógeno líquido exige materiales resistentes a la fragilización por hidrógeno y sellos capaces de contener el gas molecular más pequeño a -253 °C.

Paso 2: Determinar el caudal y la altura dinámica total

Calcule el caudal requerido y la altura dinámica total (TDH), teniendo en cuenta la altura estática, las pérdidas por fricción a lo largo de todo el sistema de tuberías y cualquier presión en el punto de destino. En el caso de los fluidos criogénicos, las pérdidas por fricción en las tuberías deben calcularse utilizando la densidad y la viscosidad reales del fluido a la temperatura de funcionamiento, y no en condiciones ambientales.

Paso 3: Seleccionar el tipo de bomba según los requisitos de instalación y funcionamiento

Adapta el tipo de bomba a las limitaciones de instalación y al perfil de funcionamiento:

1. Bomba sumergible: Cuando la bomba se puede instalar dentro del recipiente criogénico y se requieren caudales elevados a presiones moderadas o altas. Es la opción preferida para terminales de GNL a gran escala y sistemas de combustible marítimo.
2. Bomba de pozo profundo: Cuando es necesario ubicar el motor fuera del entorno criogénico por motivos de acceso para el mantenimiento o por requisitos de clasificación eléctrica. Se recomienda para el funcionamiento continuo con variador de frecuencia (VFD) en sistemas de suministro de combustible marítimo de GNL.
3. Bomba de accionamiento magnético: Cuando el fluido es peligroso (oxígeno líquido, hidrógeno líquido), de gran valor o sensible desde el punto de vista medioambiental, y se requiere una contención sin fugas.
4. Bomba de transferencia horizontal: Cuando la bomba se utiliza para la carga y descarga de camiones o para tareas de transferencia intermitentes, y se prefiere un sello de gas seco con capacidad de espera en frío.
5. Bomba multietapa: Cuando los requisitos de presión de descarga superan la capacidad de una bomba de una sola etapa —algo habitual en las unidades de separación de aire, el llenado de cilindros y el suministro de gas a alta presión—.

Paso 4: Adapta los materiales y el sellado al fluido

Seleccione los materiales estructurales basándose en propiedades mecánicas verificadas a bajas temperaturas. Para aplicaciones con oxígeno, verifique la compatibilidad de los materiales según la norma ISO 24490:2025, sección 4.2.4. Para aplicaciones con hidrógeno, verifique la compatibilidad de los materiales según la sección 4.2.5.

Seleccione el sistema de sellado en función de la clasificación de peligro del fluido y del nivel de contención requerido:

• Sellos de laberinto para aplicaciones de alta pureza y funcionamiento continuo en las que se dispone de suministro de gas de sellado
• Sellos de gas seco para bombas de transferencia que requieren capacidad de espera en frío
• Accionamiento magnético (sin sellos) para aplicaciones peligrosas, de alto valor o que requieren una estanqueidad total

Paso 5: Evaluar el costo total de propiedad

El precio de compra de una bomba centrífuga criogénica representa solo entre el 15 % y el 25 % de su costo total a lo largo de su vida útil. El consumo de energía, el consumo de gas de sellado (para sellos de laberinto y de gas seco), las pérdidas por enfriamiento, la mano de obra de mantenimiento, los intervalos de reemplazo de cojinetes y el costo de producción de las paradas no planificadas contribuyen al costo total de propiedad (TCO). Evalúe el TCO en un horizonte de tres a cinco años para realizar una comparación precisa entre las tecnologías de bombas.

8. Instalación, puesta en marcha en frío y mantenimiento de bombas centrífugas criogénicas

8.1 Prácticas recomendadas para la instalación

Control de tensiones en cimientos y tuberías. La placa de base de la bomba debe ser rígida y estar correctamente fijada con lechada. Las tuberías de succión y descarga deben estar apoyadas de forma independiente para que no se transmitan cargas de las tuberías a las bridas de la bomba. Utilice juntas de expansión o conectores flexibles para adaptarse a la contracción térmica que se produce cuando la bomba se enfría de la temperatura ambiente a la temperatura criogénica, una contracción que puede superar varios milímetros en los conjuntos de bombas más grandes.

Garantía de NPSH. La tubería de succión debe ser lo más corta y recta posible, con un diámetro al menos igual al de la brida de succión de la bomba. Utilice codos de radio largo y evite cualquier punto elevado donde pueda acumularse vapor. La norma ISO 24490:2025 ofrece orientación sobre el diseño de la instalación en el anexo A.

Aislamiento y control de la entrada de calor. Todas las superficies frías deben aislarse para minimizar la entrada de calor. El aislamiento con camisa de vacío es estándar en las bombas de hidrógeno líquido, donde incluso una entrada mínima de calor puede provocar la vaporización y la reducción del NPSHa.

8.2 Puesta en marcha en frío

La puesta en marcha en frío es el proceso de enfriar la bomba desde la temperatura ambiente hasta su temperatura de funcionamiento criogénica. Esto debe realizarse siguiendo una secuencia controlada para evitar el choque térmico y los daños causados por la contracción diferencial.

1. Purgar con gas inerte seco: Antes de introducir líquido criogénico, purgue la carcasa de la bomba y la línea de succión con nitrógeno seco para eliminar la humedad y el aire. La norma ISO 24490:2025, en su sección 4.3, especifica los requisitos de purga.
2. Enfriamiento lento: Introduzca líquido criogénico a un ritmo controlado para enfriar la bomba gradualmente. La velocidad de enfriamiento no debe superar los 2 °C por minuto aproximadamente, a fin de evitar un choque térmico. Las fugas leves pueden provocar un tiempo de enfriamiento prolongado o un fallo en el enfriamiento, especialmente si provienen de las válvulas de alivio de presión. En el caso de las bombas de accionamiento magnético, la carcasa de contención añade masa térmica que prolonga el tiempo de enfriamiento en varios minutos para los acoplamientos magnéticos de mayor tamaño.
3. Modo de espera en frío: Una vez que la bomba ha alcanzado la temperatura de funcionamiento, puede mantenerse en modo de espera en frío —fría pero sin girar— lista para un reinicio inmediato. Esto evita el gasto energético que supone la rotación continua, al tiempo que se mantiene la disponibilidad térmica. La gama de bombas Cryomec® admite el modo de espera en frío sin estar en funcionamiento, lo que reduce los costos operativos.

8.3 Estrategias de mantenimiento

Mantenimiento preventivo: Mensualmente: compruebe la presión y el caudal del suministro de gas de sellado, supervise la temperatura de los cojinetes e inspeccione la integridad del aislamiento. Trimestralmente: verifique los niveles de vibración y el consumo de corriente del motor comparándolos con los valores de referencia. Anualmente: realice un desmontaje completo, inspeccione el espacio libre del impulsor y el estado del anillo de desgaste, reemplace todas las juntas y sellos elastoméricos independientemente de su estado aparente, y verifique la integridad de la carcasa de contención en el caso de las bombas de accionamiento magnético.

Monitoreo del estado: El análisis de vibraciones, el seguimiento de las tendencias de temperatura de los cojinetes y la supervisión de la degradación del rendimiento (disminución gradual del caudal y la presión) permiten intervenir antes de que se produzca una falla catastrófica.

Gestión de repuestos: Los componentes críticos sujetos a desgaste —cojinetes, anillos de desgaste, superficies de sellado y carcasas de contención— deben mantenerse en stock. En el caso de las bombas sumergibles y de pozo profundo, el plazo de entrega de los componentes de repuesto puede superar varios meses si se trata de piezas que no están en stock. Para soluciones de bombeo adecuadas para aplicaciones industriales de manejo de fluidos, consulte nuestro Guía de bombas de transferencia industriales.

9. Aplicaciones de las bombas centrífugas criogénicas en sectores clave

Terminales de GNL y plantas de nivelación de picos: Bombas centrífugas sumergidas de gran tamaño para la descarga de buques, el trasvase entre tanques de almacenamiento y el envío a vaporizadores. Estas bombas funcionan de manera continua a -162 °C con caudales de hasta varios miles de metros cúbicos por hora.

Unidades de separación de aire (ASU): Bombas centrífugas criogénicas multietapa para el transporte de oxígeno líquido, nitrógeno y argón a temperaturas comprendidas entre -183 °C y -196 °C. Estas bombas suelen instalarse en la caja fría de la unidad de separación de aire (ASU) y requieren un mantenimiento mínimo, además de ofrecer una alta fiabilidad en funcionamiento continuo.

Sistemas de combustible para la industria aeroespacial y cohetes: Bombas de oxígeno líquido e hidrógeno líquido para el suministro de combustible a motores de cohetes. Estas aplicaciones exigen una fiabilidad extrema, un peso mínimo y un diseño hidráulico resistente a la cavitación. Los impulsores de estas bombas suelen fabricarse con aleaciones de aluminio, como las 6061-T6 y 5083.

Infraestructura de reabastecimiento de hidrógeno: Bombas centrífugas de hidrógeno líquido que funcionan a -253 °C para estaciones de reabastecimiento de hidrógeno. Estas bombas cuentan con aislamiento con camisa de vacío, acoplamientos magnéticos y protocolos de arranque gradual controlados para gestionar la cavitación durante los arranques rápidos.

Almacenamiento médico y biológico: Bombas criogénicas para la distribución de nitrógeno líquido a instalaciones de almacenamiento de muestras biológicas.

Captura de carbono y gases industriales: Bombas de transferencia de dióxido de carbono líquido (LCO₂) y óxido nitroso líquido (LN₂O) que funcionan a temperaturas criogénicas moderadas (de -56 °C a -88 °C). En estas aplicaciones se suelen utilizar sellos mecánicos de alta presión diseñados específicamente para estos fluidos.

10. Problemas comunes y solución de problemas

Problema	Causa probable	Solución
Cavitación (ruido, vibración, picaduras en el impulsor)	NPSHa insuficiente; nivel bajo en el tanque; filtro de succión obstruido	Aumentar el punto de consigna del nivel mínimo del tanque; limpiar el filtro; instalar un inductor; reducir la velocidad de la bomba mediante un variador de frecuencia
Vibración excesiva	Desalineación; desequilibrio del impulsor debido a una contracción térmica desigual; desgaste de los cojinetes	Verificar la alineación en frío; equilibrar dinámicamente el impulsor; sustituir los cojinetes
Reducción del caudal o de la altura manométrica	Holgura excesiva en el impulsor; obstrucción por vapor en la línea de succión; válvula parcialmente cerrada	Ajuste la holgura del impulsor o sustituya los anillos de desgaste; compruebe que se haya enfriado por completo; compruebe la posición de la válvula
Fallo del sistema de sellado de gas (laberinto/gas seco)	Pérdida del suministro de gas de sellado; filtro de gas de sellado obstruido; fallo del regulador	Comprueba la presión de suministro de nitrógeno; cambia el filtro; comprueba y recalibra el regulador
Acoplamiento y desacoplamiento magnético (mag-drive)	Exceso de par de apriete; acumulación de partículas en la carcasa de contención	Reduzca la velocidad de la bomba durante el arranque; inspeccione y limpie la carcasa de contención; compruebe que el fluido esté limpio
La bomba no se enfría	Humedad o aire en la carcasa de la bomba; purga insuficiente; entrada excesiva de calor	Realizar una purga prolongada con nitrógeno seco; verificar la integridad del aislamiento al vacío; comprobar que no haya huecos en el aislamiento
Sobrecalentamiento de los cojinetes (pozo profundo)	Lubricación insuficiente del producto; superficies de los cojinetes desgastadas	Comprueba el caudal mínimo para la refrigeración de los cojinetes; sustituye los cojinetes; comprueba la rectitud del eje

11. Preguntas frecuentes sobre las bombas centrífugas criogénicas

P1: ¿Cuál es la diferencia entre una bomba centrífuga criogénica y una bomba centrífuga estándar?

R: Una bomba centrífuga criogénica está diseñada para funcionar a temperaturas inferiores a -150 °C. Las diferencias clave son: materiales seleccionados por su tenacidad a bajas temperaturas en lugar de por su resistencia a temperatura ambiente; sistemas de sellado diseñados para evitar fugas de fluidos que se vaporizan instantáneamente al escapar; holguras internas diseñadas para adaptarse a la contracción térmica; y un sistema hidráulico de succión optimizado para líquidos saturados con un NPSHa extremadamente bajo.

P2: ¿Cómo regula la norma ISO 24490:2025 el diseño de las bombas centrífugas criogénicas?

R: La norma ISO 24490:2025 especifica los requisitos mínimos para el diseño, la fabricación y los ensayos de bombas centrífugas para servicio criogénico. Abarca los materiales (propiedades mecánicas a baja temperatura, resistencia a la corrosión, compatibilidad con el oxígeno, compatibilidad con el hidrógeno), el diseño (piezas a presión, holguras, lubricación de cojinetes, sellos de eje, purga, prevención de la contaminación por partículas), los ensayos (hidrostáticos, de funcionamiento mecánico, de rendimiento criogénico) y ofrece orientación sobre el diseño de la instalación. La norma no se aplica a las bombas alternativas.

P3: ¿Por qué se prefieren las bombas de accionamiento magnético para aplicaciones criogénicas?

R: Las bombas de accionamiento magnético eliminan el sello dinámico del eje, el componente más vulnerable a las fugas en aplicaciones criogénicas. Los líquidos criogénicos tienen una viscosidad extremadamente baja y propiedades lubricantes deficientes, lo que hace que los sellos mecánicos convencionales se vuelvan frágiles y fallen. Las bombas de accionamiento magnético están selladas herméticamente, lo que evita derrames peligrosos y costosos. Para el servicio con hidrógeno líquido y oxígeno líquido, el diseño sin fugas es esencial para un funcionamiento seguro.

P4: ¿Cómo puedo evitar la cavitación en una bomba centrífuga criogénica?

R: Asegúrese de que el NPSHa supere al NPSHr en un margen de seguridad mínimo de 1,0 a 2,0 metros; minimice la longitud y la complejidad de las tuberías de succión; mantenga un nivel mínimo de líquido en el depósito de almacenamiento por encima de la línea central de la bomba; instale un inductor aguas arriba del impulsor para aumentar la presión de succión; utilice variadores de frecuencia para reducir la velocidad de la bomba durante el arranque y en condiciones de bajo NPSHa; y utilice un sobrealimentador rotativo para bombas de una sola etapa en las que el NPSHa sea cercano a cero.

P5: ¿Qué materiales se utilizan para los impulsores de las bombas criogénicas?

R: Los impulsores de las bombas criogénicas se fabrican habitualmente con aleaciones de aluminio, como la 6061-T6 y la 5083, seleccionadas por su elevada relación resistencia-peso y por su ductilidad, que se mantiene a temperaturas criogénicas. En el caso de las bombas sumergidas para GNL, se utilizan aleaciones de aluminio en el impulsor y el colector superior a altas velocidades de rotación (6000 rpm). Para aplicaciones que requieren mayor resistencia, se especifican aceros inoxidables endurecidos por precipitación, como el 17-4 PH, o aceros inoxidables austeníticos (304, 316L).

P6: ¿Qué es el «cold stand-by» y por qué es importante para las bombas criogénicas?

R: El «modo de espera en frío» es la capacidad de una bomba criogénica para mantenerse a temperatura de funcionamiento sin girar, lista para un reinicio inmediato.

P7: ¿Cómo funciona un sello de laberinto en una bomba criogénica?

R: Un sello de laberinto utiliza una serie de cámaras de expansión y restricciones para crear un recorrido tortuoso que limita las fugas de gas. En aplicaciones criogénicas, el laberinto se alimenta con una inyección simple o doble de gas seco —normalmente nitrógeno— que proporciona una barrera de presión positiva.

P8: ¿Cuál es el procedimiento de enfriamiento de una bomba centrífuga criogénica?

R: La bomba debe enfriarse desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de funcionamiento criogénica a una velocidad controlada —normalmente ≤2 °C por minuto— para evitar el choque térmico y los daños por contracción diferencial. El proceso comienza con una purga de nitrógeno seco para eliminar la humedad y el aire, seguida de la introducción controlada de líquido criogénico. Una fuga leve durante el enfriamiento puede provocar un tiempo de enfriamiento prolongado o un fallo en el enfriamiento. Una vez alcanzada la temperatura de funcionamiento, la bomba puede colocarse en espera en frío o ponerse en marcha bajo carga.

12. Recomendaciones de los ingenieros de Changyu Pump

1. La selección de cualquier bomba criogénica debe partir de la identificación del fluido y su temperatura. El fluido determina el sistema de materiales, la tecnología de sellado y los requisitos de seguridad, en ese orden. El oxígeno líquido exige materiales y procedimientos de limpieza que eviten la ignición. El hidrógeno líquido exige materiales resistentes a la fragilización y sellos capaces de contener el gas molecular más pequeño a -253 °C.
2. Adapta la configuración de la bomba a la instalación, no solo a las condiciones hidráulicas. Las bombas sumergibles se utilizan en terminales a gran escala donde resulta práctico instalarlas dentro del tanque. Las bombas para pozos profundos se emplean en aplicaciones en las que es necesario acceder al motor. Las bombas de transmisión magnética se utilizan con fluidos peligrosos en los que es imprescindible que no haya fugas.
3. Diseñe el sistema de succión teniendo en cuenta las condiciones NPSH más desfavorables, no las condiciones nominales. En el NPSHa criogénico, la altura estática del tanque de almacenamiento es el factor dominante. Una situación de bajo nivel en el tanque, que sería manejable para una bomba a temperatura ambiente, puede destruir una bomba criogénica por cavitación en cuestión de minutos.
4. Especifique la capacidad de espera en frío para las bombas de funcionamiento intermitente. El costo energético que supone mantener la rotación continua durante los periodos de inactividad supera con creces el costo adicional que supone instalar sellos de espera en frío. En el caso de las bombas de transferencia que funcionan bajo demanda —carga de camiones, llenado de cilindros—, el sistema de espera en frío permite un reinicio inmediato sin el gasto energético que ello conlleva.

13. Conclusión

A bomba centrífuga criogénica se define por la temperatura a la que debe soportar y el fluido que debe contener. La respuesta de ingeniería al servicio criogénico comienza con la norma ISO 24490:2025 —la norma que rige el diseño, los materiales y las pruebas— y continúa con la selección de materiales que ofrezcan tenacidad a bajas temperaturas, tecnología de sellado adaptada a la clasificación de peligro del fluido y un diseño hidráulico que gestione el NPSHa excepcionalmente bajo de los líquidos criogénicos saturados.

Las bombas sumergidas satisfacen las demandas a gran escala de las terminales de GNL. Las bombas para pozos profundos ofrecen un funcionamiento continuo con variador de frecuencia (VFD) para los sistemas de combustible marinos. Las bombas de transmisión magnética proporcionan una contención sin fugas para el hidrógeno líquido y el oxígeno líquido. Las bombas multietapa alcanzan las altas presiones que requieren las unidades de separación de aire. En todas las configuraciones, los principios siguen siendo los mismos: verificar las propiedades de los materiales a la temperatura de funcionamiento, seleccionar la tecnología de sellado adecuada al nivel de peligro del fluido, diseñar el sistema de succión para la peor condición de NPSH y especificar un sistema de espera en frío cuando el servicio intermitente lo requiera.

Póngase en contacto con Changyu Pump teniendo en cuenta los parámetros de su fluido criogénico y los requisitos de su proceso. Nuestro equipo de ingeniería le proporcionará una recomendación detallada sobre la bomba y un presupuesto adaptado a su aplicación criogénica.