El sistema es el jefe (Parte 1 de 2... La parte fácil)

Jul 27, 2023

El sistema de tuberías le dice a la bomba dónde operar en su curva de rendimiento. El sistema físico puede representarse geográficamente mediante una curva parabólica y se denomina curva de fricción del sistema o, más comúnmente, curva de resistencia del sistema (SRC).

Comienzo mis cursos de capacitación en bombas con la declaración de que las bombas son tontas. Es el sistema, no la bomba, el que dicta dónde operará la bomba en su curva de rendimiento, si es que la bomba es capaz de operar en ese punto.

La bomba funcionará donde su curva de rendimiento se cruza con la curva del sistema. No siempre sabemos dónde está el punto de intersección y, para complicar las cosas, puede cambiar rápidamente debido a una gran cantidad de variables. Para obtener más información, consulte mi columna de agosto de 2019, "¿Por qué su bomba funciona fuera de la curva?"

El conocimiento de la forma y posición de la curva del sistema es crucial para resolver numerosos problemas de campo. Si usted es responsable de la confiabilidad de la bomba y nunca ha tratado de calcular la curva del sistema para uno de sus procesos, esta columna puede servir como impulso para preparar su viaje educativo.

Determinar el punto de operación real de la bomba (altura y flujo) es un paso crítico en la resolución de problemas. Si la bomba no está desgastada y el sistema se diseñó y operó correctamente en primer lugar, simplemente midiendo la presión diferencial (cabezal) a través de la bomba (cabezal de descarga menos cabezal de succión = cabezal total) lo acercará a la curva de la bomba , pero esa información solo arroja un punto en la curva del sistema.

Para esta columna de dos partes, examinaremos los tres factores principales que conforman una curva de sistema para una sola bomba centrífuga en un sistema abierto con succión inundada. Cubriré los dos primeros factores (los fáciles) este mes y la fricción (el difícil) el próximo mes.

En el campo, a menudo encuentro sistemas que se diseñaron correctamente, pero con el tiempo, se hicieron revisiones al diseño inicial sin tener en cuenta la confiabilidad o los costos de operación/mantenimiento a largo plazo. Desafortunadamente, también he experimentado diseños de sistemas que estaban condenados al fracaso desde el principio. Al resolver un problema del sistema de bombeo, a menudo solicito una copia de la curva del sistema al propietario. Sin embargo, es raro que el operador del sistema sepa cuál es la curva del sistema y/o dónde está. En consecuencia, pasamos las siguientes horas "recorriendo el sistema" y desarrollando la curva del sistema. Más discusión sobre "caminar el sistema" el próximo mes.

Algunos diseñadores diseñarán primero el sistema de tuberías y luego elegirán la bomba, mientras que otros harán lo contrario. Una elección inteligente sería hacer ambas cosas al mismo tiempo. El proceso de diseño del proyecto dictará los parámetros básicos del sistema y la economía (piense en el tamaño óptimo de la tubería). Las decisiones relacionadas con la vida útil del sistema deben guiarse por el nivel de confiabilidad requerido/deseado equilibrado con el costo total estimado de propiedad.

La curva del sistema se compone de tres factores básicos: la cabeza estática (cabeza de elevación), la cabeza de presión y la cabeza de fricción (caída de presión).

En pocas palabras, una curva del sistema define la relación entre la pérdida de carga total y el caudal.

La curva de carga del sistema es una representación cartesiana (cuadrante gráfico 1) de la carga requerida por el sistema en toda la gama de caudales de diseño.

La curva del sistema que se muestra como un gráfico representa la relación funcional entre el caudal y la combinación agregada de cabezas de estática, presión y fricción.

En la práctica convencional, el caudal (Q) se asigna al eje X horizontal y la cabeza (H) está en el eje Y vertical. Para sistemas abiertos sin retorno con succión inundada, la cabeza total de la bomba es la suma total de todas las pérdidas por fricción más la cabeza estática y la cabeza de presión, pero para un sistema de circuito cerrado, son simplemente las pérdidas por fricción.

Técnicamente, hay un cuarto componente de la curva del sistema de cabeza de velocidad que se puede ignorar para esta versión "101" del cálculo de la curva del sistema porque en un sistema diseñado correctamente, normalmente es un factor insignificante.

Puede crear la curva del sistema en una hoja de papel cuadriculado y luego agregar la curva de la bomba. Alternativamente, me gusta simplemente dibujar la curva del sistema (superponer) en una copia impresa de la curva de la bomba. El último método puede ser un poco complicado, pero los ejes de altura y flujo con valores asignados ya están establecidos.

Reflexión: Muchos de ustedes pueden cuestionar mi elección de papel cuadriculado de la vieja escuela, y aceptaré que tal vez deseen simplemente hacer el trabajo en Excel (o la hoja de trabajo de su elección). Todavía tengo blocs de papel cuadriculado de ingeniería que me quedaron de mis días en la universidad (alrededor de 1969), además de una caja de tarjetas de compilación perforadas clave de IBM para mis proyectos de Fortran. Estoy tratando de consumir estos artículos antes de retirarme por completo.

La cabeza estática a veces se denomina cabeza de elevación y es independiente del caudal. Este primer factor en el cálculo de la curva del sistema es relativamente fácil de cifrar y requiere solo una medición física. Brevemente descrito, la carga estática es la diferencia en la altura vertical (cambio de elevación) desde el nivel de la superficie del líquido de la fuente de succión hasta el nivel de la superficie del líquido del punto de descarga.

Otra perspectiva es que la carga estática total es la diferencia entre la carga estática de succión y la carga estática de descarga en un sistema inundado. Consulte la Imagen 1 y los comentarios y notas de precaución a continuación para obtener más información.

La altura estática es el cambio neto de altura que debe superar la bomba. En el sistema de Unidades Consuetudinarias de los Estados Unidos (USCU), las unidades son pies, y en el Sistema Internacional de Unidades (SI), se expresa en metros.

La cabeza estática solo es aplicable para sistemas abiertos y variaciones de los mismos. Tenga en cuenta que en un sistema de circuito cerrado como un sistema hidrónico, la cabeza estática es cero porque la bomba no necesita superar ninguna elevación cuando se ve como un sistema total. Una parte del sistema empuja el fluido hacia arriba y, en el otro lado del sistema, la gravedad lo empuja hacia abajo para una suma neta cero.

Por definición, una "succión inundada" simplemente significa que el nivel de líquido en el lado de succión está por encima de la línea central del impulsor de la bomba. No implica que haya una cabeza de succión positiva neta adecuada disponible (NPSHa) y/o inmersión como mucha gente cree.

Nota: En el lado de succión de la bomba, la cantidad de distancia vertical (altura) del líquido por encima de la línea central de la bomba se puede restar de la distancia vertical que la bomba debe mover el líquido en el lado de descarga.

Si el nivel de líquido del lado de succión estaba por debajo de la línea central de la bomba (lo que se considera una altura de succión), entonces sería necesario agregar la distancia vertical porque ese es el trabajo que debe realizar la bomba.

Al determinar la cabeza estática, no nos importa la forma de la tubería o el recipiente o si hay una distancia horizontal significativa. Este simple factor es únicamente la diferencia de elevación.

La altura estática (total, de succión o de descarga) se mide en ausencia de flujo, es decir, en condiciones estáticas con la bomba apagada.

La longitud del componente de distancia (eje X) de la tubería horizontal se capturará más adelante en el factor de fricción. Por ahora, lo único que nos interesa es el efecto gravitatorio sobre el líquido.

En el lado de descarga de la bomba, debe considerar la altura desde la línea central de la bomba hasta el punto más alto del sistema. Si está bombeando en un tanque/recipiente (como en la ilustración), la elevación más alta normalmente sería el nivel de líquido en el tanque. Sin embargo, en muchos procesos, la descarga de la bomba está abierta por encima del tanque, por lo que el nivel de descarga de la tubería es el punto más alto.

Precaución con los niveles mínimos y máximos: cuando tomas las medidas, estás capturando un momento estático en un sistema dinámico. Considere siempre el peor de los casos, es decir, "¿el tanque de succión está en su punto más bajo o más alto?" Luego, pregunte nuevamente por el nivel o punto del tanque de descarga. Sí, podría haber múltiples curvas del sistema, debido a las diferencias en la carga estática, dependiendo de la dinámica del sistema, y ​​ahí radica uno de los problemas a discernir. La mayoría de los sistemas no están completamente definidos por una curva de cabeza del sistema de una sola línea (particularmente aplicable cuando se considera la cabeza de fricción).

Técnicamente, necesitamos medir desde la línea central del impulsor como nuestro punto de referencia y, en muchos casos, esa es también la línea central de la bomba. Sin embargo, este no es siempre el caso. Por ejemplo, una bomba vertical, algunos cebadores automáticos y/o una bomba de carcasa dividida horizontal.

A veces, y por razones válidas, se utilizan bombas para bombear líquido cuesta abajo. En ese caso, la cabeza estática en realidad será un valor negativo (cuadrante cartesiano 4).

Supongamos para nuestro ejemplo que la carga estática total es de 20 pies; luego, dibujaría una línea horizontal con un punto de inicio en el eje Y vertical en un valor de 20 pies en todo el gráfico. Esta línea no es la curva del sistema per se; es simplemente un punto de referencia.

El segundo factor en el cálculo de la curva del sistema es la cabeza de presión. Para un verdadero sistema abierto (descarga libre y sin restricciones), no hay cabeza de presión, por lo que podemos ignorar el factor y no se requiere ninguna acción. Sin embargo, en un sistema abierto híbrido, si hay carga de presión, entonces la presión se convertiría en carga y se agregaría a la carga estática. Para realizar esta tarea, simplemente multiplique la presión por 2,31 y divida por la gravedad específica para llegar al número. Mi práctica personal y conservadora es agregar una pequeña cantidad adicional de cabeza al número porque la bomba tiene que superar la cabeza de presión, no solo alcanzarla.

De manera similar a la cabeza estática, se supone que la cabeza de presión no cambia con el caudal de la bomba; por lo tanto, es una función de línea recta. Además, no es la curva del sistema sino un punto de referencia para el punto de inicio de la curva de fricción (Imagen 2).

Ejemplos comunes de cabeza de presión serían un sistema de alimentación de caldera donde la caldera tiene una presión de vapor interna que debe ser superada por la bomba o una bomba de condensado que supera la presión de un desaireador.

El último componente clave para el SRC combinado es la curva de fricción.

El próximo mes, explicaré "recorrer el sistema" y también cómo calcular la porción de fricción para completar la curva completa del sistema.

En términos simples, la cabeza de velocidad es la energía requerida para acelerar el fluido desde una velocidad cero o baja (en la succión de la bomba) hasta una velocidad más alta aguas abajo en el sistema. La cabeza de velocidad es el factor cinético en la ecuación de Bernoulli (principio de conservación de la energía apropiado para fluidos que fluyen) que es un factor de tres en la cabeza total. La cabeza de velocidad generalmente se calcula porque no se puede medir con una configuración de manómetro estándar. Tenga en cuenta que la cabeza de velocidad es cero en los sistemas de circuito cerrado. Si desea obtener más información, lea mi columna de abril de 2020 "Los tres mosqueteros".

Referencias

Publicación técnica de grúas 410

Libro de datos hidráulicos de Cameron

Libro de datos de ingeniería del Instituto Hidráulico

Diseño de estaciones de bombeo 3ra edición, Garr M. Jones et al

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].