Es tiempo de cebado otra vez, parte 1

Apr 27, 2023

En mi columna de junio de 2022 sobre aplicaciones de bombas de alta temperatura, afirmé/implicaba varias veces que el calor es una propiedad del material. Un lector observador y conocedor le recordó a este viejo ingeniero que técnicamente el calor 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 haberme recordado, así que disculpas al Sr. Richard Mollier. Para aquellas almas curiosas que buscan comprender mejor, busquen 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 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 el cabezal de succión positivo neto (NPSH), la inmersión crítica y otros problemas comunes de campo, incluidas las bombas autocebantes. Estimulado por problemas recientes, decidí dedicar más tiempo a examinar más a fondo los problemas de preparación automática.

preparado

¿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 por 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 lo están.

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

Todas las bombas no son iguales

Me referiré solo a las bombas centrífugas en la categoría de autocebado, pero primero haré algunos comentarios genéricos sobre las bombas de desplazamiento positivo (PD). Esencialmente, 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 dos fases, mientras que la mayoría de las bombas centrífugas no la tienen. Mi declaración asume que el sistema está diseñado correctamente, la línea de succión no tiene fugas de entrada y la bomba está en buenas condiciones.

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

Como he dicho 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 durante más tiempo para mover aire en lugar de líquido. (A nivel del mar, el agua de 68 F es 784 veces más densa que el aire).

Las bombas centrífugas no succionan 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 expresiones coloquiales, las bombas centrífugas no son capaces de "aspirar" líquido desde una cota inferior hasta el nivel de la bomba. Admitiré que una bomba en funcionamiento crea una pequeña presión diferencial (¿un ligero vacío, tal vez?) en la vecindad del ojo del impulsor. En menor grado, 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 jalar el líquido. Alguna fuente externa de energía debe trabajar en conjunto con la bomba para empujar (no levantar ni succionar) el líquido hacia la bomba. En un sistema abierto, la energía externa requerida generalmente la proporciona la presión atmosférica circundante. Debido a que dependemos de la presión atmosférica, es importante comprender que la cantidad de energía disponible no es demasiado 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 bombeo, teóricamente podríamos elevar el agua a la altura de la presión atmosférica circundante equivalente. Por ejemplo, al nivel del mar, la presión atmosférica se aproximaría 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 sustentación 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 supera los 26 pies o más.

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

Tiempo de cebado

Con frecuencia me preguntan cuánto tiempo debe tardar en cebar una bomba autocebante. Mi respuesta sardónica pero precisa es que depende. Normalmente le digo a la gente que cebar de cuatro a cinco minutos es el período de tiempo en el que necesitas comenzar a preguntar: "¿Qué está mal?" 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 el estado mecánico general de la bomba. También es importante comprender que una bomba tarda más en cebar el sistema si inicialmente estaba lleno de aire que si estaba lleno de líquido. Nota: Se cebó la carcasa de la bomba, pero no la tubería de succión. 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 una guía aproximada. Los fabricantes de bombas, los ingenieros experimentados y las mejores prácticas de la industria siempre le aconsejarán 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 de al menos un tamaño más grande que la succión de la bomba. Este criterio no siempre es cierto para las bombas en una situación de elevación porque, de nuevo, el objetivo es reducir el tiempo de cebado. Por supuesto, los factores de fricción, el NPSHa y los diseños/axiomas de mejores prácticas para la velocidad máxima de la línea de succión pueden dictar el tamaño de tubería más grande. Estos factores adicionales deberán evaluarse caso por caso y compararse con el tiempo de cebado estimado para la aplicación de elevación. Estoy 100% seguro de que el tamaño de la tubería de succión nunca debe ser más pequeño que la boquilla de succión de la bomba en 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 requerirá para eliminarlo durante el proceso de cebado.

La tubería de succión contiene un volumen de aire "x" que debe eliminarse para que la bomba se cebe y luego funcione satisfactoriamente. Volviendo a la clase de geometría de la escuela secundaria, recordará que el volumen de un cilindro es fácil de calcular. El volumen de un cilindro es igual a pi (π o 3.14159) por el radio al cuadrado, 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 usar el diámetro interno de la tubería para una mayor precisión. Use la longitud completa, no solo la distancia vertical (cabeza estática), y tenga cuidado de observar sus unidades. Es un error fácil y común indicar el radio en pulgadas y la longitud en pies.

No espere demasiado

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

¿Cuál es el problema con el tiempo de cebado?

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 de Nueva York (rápido). Si la bomba tiene un prensaestopas empaquetado, entonces el empaque está funcionando en seco y también fallará rápidamente. Ya sea que su bomba tenga empaquetadura o un sello mecánico, si falla en el exterior, se filtrará aire al sistema y la bomba no se cebará.

La mayoría de los OEM de bombas autocebantes diseñan la posición de la cámara del sello para que se inunde automáticamente (predeterminado por posición) con producto y/o se llene con un fluido compatible (p. ej., aceite) para evitar el funcionamiento en seco durante el proceso de cebado. Sin embargo, tenga en cuenta que el fabricante espera que la evolución del cebado sea breve. Para los autocebadores con prensaestopas empacados, es importante contar con un método de lubricación alternativo o de enjuague externo durante el período de cebado. Consulte con el fabricante para obtener su consejo. Por ejemplo, algunas bombas tienen un puerto de inyección de grasa en la caja de empaquetadura que se utiliza solo 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 cizallamiento 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 sabemos que la suma de caballos de fuerza y ​​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/prensaestopas se caliente a una velocidad de 40 a 50 grados por minuto. Parte de ese calor se disipará al ambiente, pero el punto sobresaliente es que el líquido se calienta con bastante rapidez, lo que también cambia la presión de vapor. A medida que el líquido que rodea el sello mecánico se calienta, puede evaporarse fácilmente. Nota: No todos los sellos mecánicos están sujetos a esta situación de cámara de sello como se describe, y depende del fabricante, modelo y diseño.

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

Cálculo del tiempo de cebado

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

Antes de ponerse en contacto con el OEM, primero deberá conocer la siguiente información:

En cualquier sistema abierto, usando 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 la minimización del tiempo de evolución del cebado. Diseñe el sistema para que tenga tiempos de cebado cortos colocando la bomba cerca de la fuente y dimensionando la tubería de succión correctamente.

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

Lea la parte 2 aquí.

Jim Elsey es 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 de Submarinos. Elsey también es directora de MaDDog Pump Consulting LLC. Puede comunicarse con él en [email protected].