Qué es un gemelo digital y qué tiene este
Un gemelo digital es un modelo de un activo que se actualiza con datos de operación para estimar su estado actual y proyectar su comportamiento. La palabra se usa para cosas muy distintas, desde un tablero con datos en tiempo real hasta una simulación multifísica. Lo que distingue a un gemelo útil para mantenimiento es que contiene física o estadística capaz de convertir mediciones en una variable de degradación que no se puede medir directamente.
Este módulo tiene las cuatro piezas mínimas:
- Modelo físico: curva de la bomba, curva del sistema, eficiencia y NPSH requerido.
- Mecanismo de degradación: aumento de la recirculación interna por desgaste de anillos y bujes.
- Datos de sensores: caudal y presión diferencial con error de medición, promediados por mes.
- Estimación y pronóstico: inversión del modelo para estimar la recirculación, tendencia y vida remanente con su intervalo.
Modelo físico
La recirculación interna es caudal que el impulsor bombea pero que vuelve a la succión por las holguras. El impulsor maneja y la descarga entrega . Con velocidad relativa :
El sistema impone , con . El punto de operación es la solución positiva de la igualdad entre ambas curvas.
La eficiencia combina una eficiencia hidráulica parabólica alrededor del punto de máxima eficiencia, escalada con la velocidad, y la pérdida volumétrica:
La potencia es y la energía específica, en kWh/m³. Con el modelo cumple las leyes de afinidad: el caudal es proporcional a la velocidad y la altura, a su cuadrado.
Estimación y pronóstico
Cada mes se promedian 30 lecturas diarias de caudal y altura , cada una con un error aleatorio. Invirtiendo la curva de la bomba se estima la recirculación:
La tendencia de esas estimaciones se ajusta por mínimos cuadrados y se proyecta hasta la recirculación crítica , la que deja al proceso con el caudal mínimo :
La vida remanente es el tiempo hasta ese cruce, y su intervalo del 90 % se obtiene por el método delta con la covarianza de los coeficientes de la tendencia.
Qué muestra el ejemplo
Bomba de inyección de agua con punto de máxima eficiencia en 250 m³/h y 80 m, 96 m a caudal nulo, 78 % de eficiencia y 4,5 m de NPSH requerido. Sistema con 45 m de altura estática y 35 m de fricción. El proceso necesita al menos 230 m³/h. El desgaste agrega 2 m³/h de recirculación por mes y los sensores tienen un error del 1,5 % por lectura. A los 18 meses:
| Resultado | Bomba nueva | Mes 18 |
|---|---|---|
| Caudal | 250,0 m³/h | 237,9 m³/h |
| Recirculación estimada | — | 36,7 m³/h (verdadera: 36,0) |
| Eficiencia | 78,0 % | 66,9 % |
| Energía específica | 0,279 kWh/m³ | 0,312 kWh/m³ |
| Vida remanente hasta 230 m³/h | — | 10,8 meses (IC 90 %: 9,9 – 11,6) |
La vida remanente verdadera del caso es 11,5 meses, dentro del intervalo. El costo energético adicional ya es de unos 5000 USD por año con 8000 h de operación a 0,08 USD/kWh. Con un variador, subir la velocidad al 102,6 % recupera el caudal original como medida transitoria.
La decisión que habilita el gemelo es concreta: planificar el cambio de anillos y bujes antes de los 9,9 meses (límite inferior del intervalo) y evaluar si el ahorro de energía justifica adelantarlo.
Los otros dos ejemplos muestran lo que cambia con los datos y con la operación:
- Sensores de baja calidad. Con un error del 8 % por lectura, la estimación pasa a 8,1 meses con un intervalo de 4,5 a 11,6 meses, cuatro veces más ancho. Calibrar los transmisores vale tanto como el modelo.
- Operación con variador al 95 %. La bomba nueva entrega 225,9 m³/h con 0,258 kWh/m³, un 7,5 % menos de energía por metro cúbico. Pero con un mínimo de proceso de 210 m³/h queda menos margen frente al desgaste: la vida remanente baja a 5,1 meses.
Supuestos y límites
- Un único mecanismo de degradación con velocidad constante. En una bomba real conviven desgaste de anillos, erosión del impulsor, daño de rodamientos y sellos, y el desgaste suele acelerarse con la holgura.
- La curva de la bomba nueva se supone conocida. En la práctica conviene relevarla en la puesta en marcha, porque la curva de catálogo puede diferir de la instalada.
- Fluido de densidad y viscosidad constantes. La estimación de la recirculación usa solo el caudal y la presión diferencial medidos; la curva del sistema interviene únicamente en la proyección hasta el caudal mínimo, de modo que si operación estrangula la descarga hay que actualizarla.
- Un gemelo industrial agrega validación de datos, recalibración periódica, lógica de alarmas e integración con el CMMS para que la estimación termine en una orden de trabajo.
Verificación
| Caso de prueba | Resultado | Referencia | Fuente | Estado |
|---|---|---|---|---|
| Bomba: punto de operación en el BEP (caudal) | 250 | 250 | construcción del caso | OK |
| Bomba: potencia en el BEP = ρgQH/η | 69,8479 | 69,8479 | definición | OK |
| Bomba: ley de afinidad Q ∝ n (sistema sin altura estática) | 0,8 | 0,8 | leyes de afinidad | OK |
| Gemelo: tasa de recirculación recuperada sin ruido de medición | 2 | 2 | construcción del caso | OK |
| Gemelo: caudal en la recirculación crítica = mínimo de proceso | 230 | 230 | definición | OK |
| Gemelo: cobertura del intervalo de vida remanente del 90 % en 200 repeticiones (91,5 %) | cumple | cumple | calibración del intervalo | OK |
Pruebas ejecutadas en cada compilación del sitio (2026-10-15). Código en tests/models.test.mjs.
Referencias
- Gülich, J. F. (2020). Centrifugal Pumps, 4.ª ed. Springer.
- Hydraulic Institute. ANSI/HI 9.6.3, Rotodynamic Pumps — Guideline for Operating Regions. Edición vigente.
- ISO 13381-1:2015. Condition monitoring and diagnostics of machines — Prognostics — Part 1: General guidelines.
- ISO 23247-1:2021. Automation systems and integration — Digital twin framework for manufacturing — Part 1: Overview and general principles.
- Hydraulic Institute y Europump (2001). Pump Life Cycle Costs: A Guide to LCC Analysis for Pumping Systems.