Qué tener en cuenta al movilizar con bombas centrífugas fluidos de mayor viscosidad que el agua. Método de cálculo para dimensionar bomba y motor.
VISCOSIDAD
En términos muy simples, la viscosidad es la resistencia que ejerce un fluido a ser deformado. Esa resistencia se manifiesta como una fuerza de fricción entre el fluido y aquello que está tratando de deformarlo.
Todos los fluidos tienen algo de viscosidad, los líquidos mucho más que los gases.
Cuando el líquido que tenemos que bombear es viscoso se requiere de mayor energía para hacerlo circular por la bomba y el sistema de cañerías, porque la fricción es mucho mayor.
Como consecuencia de esto tendremos:
- Reducción en la altura total.
- Reducción en el caudal.
- Reducción de la eficiencia.
- Aumento de la potencia consumida.
- Aumento de esfuerzos mecánicos.
Los fabricantes de bombas centrífugas hacen sus ensayos con agua limpia a 30°C, por lo tanto las curvas que nos proporcionan son válidas para esa condición, o para un fluido cuya viscosidad y peso específico sean muy similares a las del agua a 30°C.
Para saber cuál será el comportamiento de una bomba con un líquido viscoso el Hydraulic Institute* (HI en adelante) desarrolló un método gráfico basado en experiencias de laboratorio.
Muchos fabricantes de bombas han digitalizado este método para incorporarlo a sus programas de selección.
El método es muy bueno y las correcciones calculadas son una buena aproximación a la realidad.
En este artículo, además de explicar el método de corrección del HI con las precauciones necesarias y limitaciones que tiene, vamos a dar una serie de recomendaciones adicionales para evitar los problemas operativos que suelen producirse con el bombeo de líquidos viscosos.
*Hydraulic Institute: la mayor asociación de fabricantes de la industria de la bomba en América del Norte – ha servido a sus miembros y usuarios de la bomba, con normas de productos y un foro para el intercambio de información de la industria. Desde 1917 HI se ha consolidado como el principal portavoz de la industria de la bomba norteamericana.
MÉTODO
El método del HI propone tomar los datos conocidos para agua (curva de rendimiento) y aplicarles unos factores de corrección por viscosidad que se obtienen de un gráfico. Definamos la nomenclatura:
DESCRIPCIÓN
Ha = Altura con agua
Qa = Caudal con agua HPa = Potencia con agua fH = Factor de corrección de altura por viscosidad fQ = Factor de corrección de caudal por viscosidad fη = Factor de corrección de eficiencia por viscosidad Hv = Altura corregida por viscosidad la nomenclatura:
Se obtiene mediante
Ha, Qa y HPa
Curva o data sheet original de la bomba para agua
fH, fQ y fη
Gráfico de corrección por viscosidad de Hydraulic Institute
Hv Aplicación fórmula de Hv
Qv Aplicación fórmula de Qv
HPv Aplicación fórmula de HPv
Fórmulas de corrección:
TENER EN CUENTA
Antes de pasar a explicar la forma de obtener los factores de corrección hay que tener en cuenta algunas precauciones para no caer en errores.
Caudal con agua: Si la bomba tiene un impulsor de doble succión se debe considerar la mitad del caudal de la bomba, es decir, el caudal por ojo.
Altura con agua: Si la bomba tiene más de una etapa, se debe considerar la altura por etapa.
Viscosidad del fluido: Las correcciones están hechas para líquidos newtonianos*, cuya viscosidad no se modifica por la agitación del fluido.
Por ejemplo los lodos suelen no ser newtonianos pero podemos hacer la corrección igual a efectos de determinar la potencia de accionamiento; y aunque no sea exacta la podemos tomar como una aproximación para luego cubrirnos con un coeficiente de seguridad.
También es importante contar con el valor de viscosidad a la temperatura de operación, ya que la viscosidad varía bastante con la temperatura en la mayoría de los fluidos.
Cada líquido tiene una curva particular de viscosidad en función de la temperatura, con una forma muy similar a esta.
*Fluido newtoniano es un fluido cuya viscosidad puede considerarse constante en el tiempo. (ej Agua, Aceite, Gasolina, Alcohol etílico, etc.). Fluido no newtoniano es aquel cuya viscosidad varía con la temperatura y la tensión cortante que se le aplica. No tiene un valor de viscosidad definido y constante (ej. Soluciones de agua y almidón de maíz o arcillas, miel, sangre, etc.)
Rango de las curvas: No extrapolar fuera del rango de las curvas porque se podría caer en errores importantes.
Límite de viscosidad: Hay diversos criterios en cuanto a la máxima viscosidad admisible en una bomba centrífuga.
Hay quienes hablan de una viscosidad cinemática máxima de 1000 cts, lo que no es del todo cierto porque hay bombas trabajando hasta con 3000 cts, pero son bombas bastante grandes trabajando a baja velocidad, lo que hace que el efecto de la viscosidad sea mucho menor que en una bomba pequeña funcionando a 3000 rpm.
También hay fabricantes que indican en sus manuales una viscosidad máxima, siguiendo un poco el criterio anterior pero también considerando los esfuerzos mecánicos debidos a la viscosidad; vamos a ver que la corrección por potencia puede resultar el doble de la potencia requerida para agua.
Mi recomendación personal está alineada con el criterio del Costo del Ciclo de Vida, donde el consumo de energía puede ser el factor más importante. Cada vez que la corrección de potencia por viscosidad se supere el 50%, aunque estemos por debajo de los 1000 cts y del límite fijado por el fabricante, es conveniente considerar una bomba de desplazamiento positivo y hacer las comparaciones del caso.
Veamos un ejemplo: Supongamos que tenemos una bomba que con agua tiene las siguientes condiciones operativas:
Qa = 150 m3/h
Ha = 30 m
HPa = 25 HP
Pero la vamos a utilizar con un fluido que tiene una viscosidad cinemática de 200 centistokes.
Utilizando el gráfico (se muestra a continuación) obtenemos los tres factores de corrección:
fη = 0,63 Factor de corrección de eficiencia
fQ = 0,95 Factor de corrección de caudal
fH = 0,95 Factor de corrección por altura
Uso del gráfico para obtener los factores:
Se arranca con el caudal desde el eje horizontal, se sube hasta interceptar una familia de rectas oblicuas que corresponde a la altura por etapa (1).
Desde este punto hay que desplazarse horizontalmente hasta otra familia de rectas oblicuas que indican la viscosidad cinemática (2).
Desde este último punto nos desplazamos verticalmente hasta encontrar las el factor de corrección por eficiencia (3), el factor de corrección por caudal (4), y una familia de curvas que da el factor de corrección por altura (5).
Estas últimas curvas de corrección por altura deben seleccionarse de acuerdo con el caudal al que esté operando la bomba respecto de su caudal nominal, es decir el caudal que corresponde a la mayor eficiencia, para ser más claro si el caudal nominal es de 100 m3/h y necesitamos conocer el rendimiento de esa bomba pero con un caudal de 120 m3/h tomaremos el valor correspondiente a la curva de 1.2xQ, si opera a 80 m3/h el valor que corresponde a x 0.8.
Método gráfico desarrollado por el Hydraulic Institute (Instituto Hidráulico de EE.UU.) el mismo facilita el cálculo de cuál será la performance de una bomba centrifuga al movilizar un fluido viscoso.
RECOMENDACIONES
Finalmente, hay una serie de situaciones problemáticas que suelen darse con fluidos viscosos sobre las que conviene estar alertas:
- El arranque en frío con equipos que bombean derivados del petróleo a alta temperatura, puede haber una viscosidad muy superior a la que suponemos si arrancamos en frío. Se han roto impulsores, “descogotado” ejes y destruido sellos mecánicos de este modo.
- La potencia de accionamiento se selecciona de acuerdo con la viscosidad a temperatura de operación, pero si esta disminuye la viscosidad puede aumentar mucho, así como la potencia requerida. Si las protecciones del motor no funcionan, podemos tener motores quemados por sobrecarga.
- El sistema de sellado puede ser una complicación. Si la viscosidad es muy elevada hay que buscar diseños con dispositivos de arrastre muy robustos y caras duras. O pasar a un sello doble presurizado con un fluido barrera de baja viscosidad.
- Las bombas relativamente pequeñas que tengan mucha altura por etapa, van a tener correcciones por viscosidad considerables. Las bombas más bien grandes funcionando a bajas velocidades se comportarán mejor.
- El pulido de las superficies internas de las bombas centrífugas puede contribuir a bajar las pérdidas por ficción.
Como hemos visto, trabajar con líquidos viscosos requiere de ciertas precauciones que bien vale la pena tener en cuenta para evitar problemas y ahorrar dinero en energía y mantenimiento.
Autor: Ing. Ricardo Cifuente – Consultor
Titular de BEP Consultora, con más de 25 años de experiencia en equipos de bombeo y movimiento de fluidos. Sus actividades se han desarrollado en empresas de primera línea como Hidrosur, Flowserve, John Crane y Ruhrpumpen. Actualmente realiza trabajos de consultoría, asesoramiento, cálculos, análisis de fallas. Entre otros servicios destinados a industrias químicas, petroquímicas y petroleras.
Más información en BepConsultora
Publicado en Versión papel Edición Nº 62 Año 11 – Abril / Mayo 2014.
Registro de propiedad intelectual realizado y vigente.
La reproducción parcial o total está penada por ley Nº11.723.
MÁS INFORMACIÓN
Recuerden que está disponible nuestro CONSULTORIO TÉCNICO gratuito de la revista, directamente enviando un correo electrónico a consultorio@guiadebombas.com o ya sea ingresando en nuestra web www.guiadebombas.com en la sección contacto y desde el formulario hacernos llegar su consulta.
CAPACITACIONES M3h
Este como tantos otros temas técnicos son desarrollados en las capacitaciones que brinda M3h, manteniendo un lenguaje claro y sencillo, de manera de que todos puedan incorporar los conceptos y los vean aplicados a su propio trabajo y responsabilidades.
Consulte por grupos cerrados (In Company) capacitacion@guiadebombas.com o al (+54 11 – 47760940).
Puede descargar esta nota desde aquí
AR