Es tiempo de preparación otra vez, parte 1

En mi columna de junio de 2022 sobre aplicaciones de bombas de alta temperatura, dije/insinué varias veces que el calor es una propiedad del material. Un lector observador y conocedor le recordó a este viejo ingeniero que el calor técnicamente no es una propiedad y es simplemente energía en transición. El calor es una función de proceso/ruta. Mis años de experiencia con turbinas de vapor y mesas de vapor deberían habérmelo recordado, así que pido disculpas al Sr. Richard Mollier. Para aquellas almas curiosas que buscan comprender mejor, consulten la definición de calor, entalpía y entropía.

Los usuarios de bombas me solicitan con frecuencia que resuelva problemas de campo. En un alto porcentaje de los casos, la causa raíz se encuentra en el lado de succión de la bomba. He escrito numerosas columnas relacionadas con el sistema de bomba (lado de succión) sobre la altura neta de succión positiva (NPSH), la inmersión crítica y otros problemas comunes en el campo, incluidas las bombas autocebantes. Impulsado por problemas recientes, decidí dedicar más tiempo a examinar más a fondo los problemas de autocebado.

Imprimado

¿Qué significa cuando alguien dice que la bomba está cebada? La definición simple es que tanto la bomba como su línea de succión asociada están completamente llenas de líquido. Además, no hay cantidades significativas de aire, vapor u otros gases en el sistema de succión ya que estos vapores y gases no condensables han sido eliminados mediante el proceso de cebado. Técnicamente, una bomba autocebante puede considerarse "cebada" pero no completamente cebada si la cámara de cebado está llena pero la carcasa y la línea de succión no.

Una bomba centrífuga se puede cebar por muchos medios diferentes, y existen métodos tanto internos como externos para lograr la evolución. Esta columna se centrará en las bombas autocebantes, que es un método interno.

No todas las bombas son iguales

Me ocuparé únicamente de las bombas centrífugas en la categoría autocebante, pero primero haré algunos comentarios genéricos sobre las bombas de desplazamiento positivo (PD). Básicamente, todas las bombas de desplazamiento positivo son, en principio, autocebantes por diseño. En consecuencia, los problemas de cebado no son tan frecuentes en ese mundo, excepto cuando la bomba funciona en seco. Aunque puede haber problemas de cebado con las bombas PD, la magnitud es insignificante en comparación con los problemas de las bombas centrífugas.

Como ejemplo simplificado, para un sistema de bomba PD, el diferencial de presión entre la fuente de succión y la bomba es lo suficientemente fuerte como para mover combinaciones de fluidos multifásicos de aire, vapor, gases y líquido en la línea de succión y a través de la bomba. La bomba PD tiene la capacidad de manejar fluidos de fase dual, mientras que la mayoría de las bombas centrífugas no lo hacen. Mi afirmación supone que el sistema está diseñado correctamente, la línea de succión no tiene fugas de ingreso y la bomba está en buenas condiciones.

En el caso de las unidades centrífugas, la bomba por sí sola no puede superar la cantidad de energía necesaria para mover todo el aire, vapor y gases a lo largo de la tubería de succión y a través de la bomba.

Como dije en columnas anteriores, las bombas centrífugas no son compresores. Una forma simplista de ver este problema es que el agua es aproximadamente 800 veces más densa que el aire. En consecuencia, la bomba tendría que trabajar 800 veces más y/o más para mover aire que líquido. (A nivel del mar, el agua a 68 F es 784 veces más densa que el aire).

Las bombas centrífugas no aspiran el líquido hacia la bomba

Una altura de succión simplemente significa que el nivel máximo del líquido a bombear está físicamente por debajo de la línea central del impulsor de la bomba. La mayoría de las bombas centrífugas pueden funcionar con una altura de succión si se ceban primero.

Contrariamente a los mitos urbanos y las expresiones coloquiales, las bombas centrífugas no son capaces de “succionar” líquido desde una elevación más baja hasta el nivel de la bomba. Admito que una bomba en funcionamiento crea una pequeña presión diferencial (¿quizás un ligero vacío?) en las proximidades del ojo del impulsor. En menor medida, también debemos entender que los líquidos no poseen una resistencia a la tracción significativa (en comparación con los sólidos); por lo tanto, el impulsor no puede agarrar ni tirar del líquido. Alguna fuente externa de energía debe funcionar en conjunto con la bomba para empujar (no levantar ni succionar) el líquido hacia la bomba. En un sistema abierto, la energía externa requerida normalmente la proporciona la presión atmosférica circundante. Como dependemos de la presión atmosférica, es importante comprender que la cantidad de energía disponible no es excesivamente abundante ni constante. La presión atmosférica cambiará con la presión barométrica (clima) y, lo que es más importante, cambiará con la elevación sobre el nivel del mar. Hay casos raros en los que la presión atmosférica será superior a 14,7 libras por pulgada cuadrada absoluta (psia) porque el sitio está por debajo del nivel del mar (dos ejemplos famosos son el Valle de la Muerte en California y el Mar Muerto en la frontera entre Israel y Jordania).

En un mundo perfecto

Si no hubiera efectos de fricción o presión de vapor en el sistema de bomba, teóricamente podríamos elevar agua a la altura de la presión atmosférica circundante equivalente. Por ejemplo, al nivel del mar, la presión atmosférica se acercaría a 14,7 psia (14,696 libras-fuerza reales por pulgada cuadrada). Convertido a pies de cabeza, 14,7 psia serían aproximadamente 34 pies (suponga agua con una gravedad específica de 1,0 y, por lo tanto, 14,7 X 2,31 = 33,957 pies ≈ 34).

No vivimos en un mundo perfecto, por lo que la fricción y la presión de vapor se manifestarán como factores negativos que reducirán aún más la elevación máxima alcanzable. Incluso para una bomba de agua fría ubicada al nivel del mar, probablemente tendrá serios problemas de rendimiento si la elevación de su sistema excede los 26 pies o más.

Para obtener más información y detalles sobre la elevación máxima, consulte artículos anteriores sobre este tema.

Tiempo de cebado

Con frecuencia me preguntan cuánto tiempo debería tardar en cebarse una bomba autocebante. Mi respuesta sardónica pero acertada es que depende. Normalmente le digo a la gente que preparar cuatro o cinco minutos es el tiempo necesario para empezar a preguntar: "¿Qué pasa?". pero también tenga en cuenta que algunos sistemas pueden tardar un poco más debido a factores atenuantes que incluyen la temperatura del líquido, la viscosidad, la elevación estática marginalmente alta, el NPSH disponible (NPSHa), la inmersión crítica, la integridad del sistema y la condición mecánica general de la bomba. También es importante comprender que una bomba tarda más en cebar el sistema si inicialmente estaba llena de aire que si estaba llena de líquido. Nota: La carcasa de la bomba fue cebada pero el tubo de succión no. Si no tiene otro lugar para comenzar su estimación, sé que algunas personas con experiencia en el campo usarán una regla general de 25 segundos por pie de tubería de succión como guía aproximada. Los fabricantes de bombas, los ingenieros experimentados y las mejores prácticas de la industria siempre le recomendarán que ubique la bomba autocebante lo más cerca posible de la fuente de succión. La razón principal de la proximidad es reducir el tiempo de cebado.

La siguiente consideración es el diámetro de la tubería de succión. Para la mayoría de las aplicaciones de bombas, debe seleccionar un diámetro de tubería al menos un tamaño mayor que la succión de la bomba. Este criterio no siempre es cierto para las bombas en una situación de elevación porque, nuevamente, el objetivo es reducir el tiempo de cebado. Por supuesto, los factores de fricción, NPSHa y los diseños/axiomas de mejores prácticas para la velocidad máxima de la línea de succión pueden dictar el tamaño más grande de la tubería. Estos factores adicionales deberán evaluarse caso por caso y compararse con el tiempo de cebado estimado para la aplicación del elevador. Estoy 100% seguro de que el tamaño de la tubería de succión nunca debe ser más pequeño que la boquilla de succión de cualquier bomba. Minimizar tanto la longitud como el diámetro de la línea de succión reduce el volumen de aire en la línea. Cuanto menor sea el volumen de aire, menos tiempo se necesitará para eliminarlo durante el proceso de cebado.

El tubo de succión contiene un volumen de aire “x” que debe retirarse para que la bomba pueda cebarse y posteriormente funcionar satisfactoriamente. Volviendo a la clase de geometría de la escuela secundaria, recordarás que el volumen de un cilindro es fácil de calcular. El volumen de un cilindro es igual a pi (π o 3,14159) multiplicado por el radio al cuadrado, multiplicado por la altura. En este caso, nuestro cilindro es en realidad una tubería, por lo que la altura del cilindro simplemente se convierte en la longitud de la tubería. Tenga cuidado de utilizar el diámetro interno de la tubería para una mayor precisión. Utilice toda la longitud, no sólo la distancia vertical (altura estática), y tenga cuidado de vigilar sus unidades. Es un error fácil y común indicar el radio en pulgadas y la longitud en pies.

No esperes demasiado

(Tenga en cuenta que esta sección es un extracto resumido de mi columna de octubre de 2021)

¿Cuál es el problema con el tiempo de preparación?

Primera preocupación: la lubricación de las caras del sello mecánico es primordial para la salud del sello y el funcionamiento exitoso general de la bomba. Si la bomba funciona sin líquido (lubricación), las caras del sello se destruirán en un minuto New York (rápido). Si la bomba tiene un prensaestopas empacado, entonces el empaque está funcionando en seco y también fallará rápidamente. Ya sea que su bomba tenga empaquetadura o sello mecánico, si falla afuera, se filtrará aire al sistema y la bomba no se cebará.

La mayoría de los fabricantes de equipos originales de bombas autocebantes diseñan la posición de la cámara de sellado para que se inunde automáticamente (predeterminado por posición) con producto y/o se llene con un fluido compatible (por ejemplo, aceite) para evitar el funcionamiento en seco durante el proceso de cebado. No obstante, valorar que el fabricante espera que la evolución del cebado sea un corto periodo de tiempo. Para los autocebadores con prensaestopas empaquetados, es importante contar con un método de lubricación alternativo o de descarga externa durante el período de cebado. Consulte con el fabricante para obtener asesoramiento. Por ejemplo, algunas bombas tienen un puerto de inyección de grasa en el prensaestopas que se utiliza únicamente durante el proceso de cebado.

Segunda preocupación: durante el proceso de cebado, el impulsor recircula y agita el agua en la cavidad de cebado (carcasa o cámara auxiliar). Esta acción de corte agrega calor y aumenta la temperatura del líquido con bastante rapidez.

Es difícil calcular con precisión qué tan rápido aumentará la temperatura del líquido para su instalación específica, ya que hay muchos factores involucrados, pero sí sabemos que la suma de los caballos de fuerza y ​​la velocidad son factores importantes. Es importante tener en cuenta que las bombas que funcionan a 3550 revoluciones por minuto (rpm) calentarán el líquido de ocho a 10 veces más rápido que a 1750 rpm.

En las bombas de mayor velocidad, no es raro que el líquido en la cámara del sello mecánico o prensaestopas se caliente a un ritmo de 40 a 50 grados por minuto. Parte de ese calor se disipará al ambiente, pero lo más destacado es que el líquido se calienta bastante rápido, lo que también cambia la presión de vapor. A medida que el líquido que rodea el sello mecánico se calienta, puede convertirse fácilmente en vapor. Nota: No todos los sellos mecánicos están sujetos a esta situación de cámara de sellado como se describe, y depende del fabricante, modelo y diseño.

Mientras tanto, de vuelta en la carcasa/cámara de cebado, la temperatura y la presión de vapor también aumentarán rápidamente. En consecuencia, también aumenta el riesgo/probabilidad de que el líquido se evapore en la cámara de cebado. El objetivo final es cebar la bomba antes de vaporizar el líquido.

Calcular el tiempo de cebado

Para calcular el tiempo de cebado estimado para su sistema exclusivo, puede solicitar asistencia al fabricante de la bomba.

Antes de contactar al OEM, primero necesitará conocer la siguiente información:

En cualquier sistema abierto, al utilizar una bomba autocebante en una aplicación de elevación, la presión de vapor, la fricción, la elevación estática y el tiempo no son sus amigos. No tienes una cantidad infinita de energía positiva disponible en tu arsenal para combatirlos.

Sus únicos aliados en la búsqueda de una bomba correctamente cebada son la presión absoluta y minimizar el tiempo de evolución del cebado. Diseñe el sistema para que tenga tiempos de cebado cortos colocando la bomba cerca de la fuente y dimensionando adecuadamente la tubería de succión.

En mi próxima columna, analizaré un ejemplo de cálculo del horario de máxima audiencia y ofreceré algunos consejos para un sistema sin problemas.

Lea la parte 2 aquí.

Jim Elsey es un ingeniero mecánico con más de 50 años de experiencia en equipos rotativos para aplicaciones industriales y marinas en todo el mundo. Es asesor de ingeniería de Summit Pump, Inc., miembro activo de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos, la Asociación Nacional de Ingenieros de Corrosión y la Liga Naval Submarina. Elsey también es la directora de MaDDog Pump Consulting LLC. Puede comunicarse con él en [email protected].