Cómo hacer correcciones de viscosidad para bombas centrífugas
Piénselo de nuevo si está bombeando fluidos espesos utilizando las curvas de rendimiento de la bomba de agua.
La viscosidad es una propiedad fundamental de un líquido. Es la resistencia de un fluido a fluir y es mayor para fluidos más espesos. Por ejemplo, un fluido con alta viscosidad, como el jarabe de arce, es más espeso y resiste más el flujo en comparación con un fluido con una viscosidad más baja, como el agua.
Por lo general, los fabricantes de bombas utilizan agua para obtener los valores de las curvas de rendimiento de sus bombas, incluso si el servicio previsto de la bomba es para un fluido con propiedades diferentes a las del agua. Pero, ¿qué sucede cuando la viscosidad del fluido se desvía significativamente de la del agua? Aquí es donde los ingenieros deben ajustar las curvas de rendimiento de la bomba para tener en cuenta la diferencia de viscosidad entre el agua y el fluido real en la bomba.
Las curvas de rendimiento de la bomba describen la altura añadida a un fluido, la potencia de la bomba y la altura de succión neta positiva requerida (NPSHr) a una variedad de caudales volumétricos diferentes. Debido a la importancia del rendimiento de la bomba centrífuga en cada industria de fluidos, es imperativo que se utilicen correcciones precisas cuando una bomba centrífuga utiliza un fluido más espeso que el que utilizó el fabricante de la bomba para evaluar el rendimiento. Un fluido más viscoso generalmente experimentará una disminución en el caudal volumétrico, la cabeza y la eficiencia en comparación con el agua a la misma velocidad de la bomba. Asimismo, la potencia de la bomba y el NPSHr aumentan a medida que aumenta la viscosidad.
Los fabricantes de bombas que solo brindan curvas de rendimiento de agua para bombas deben considerar proporcionar curvas de rendimiento para fluidos más espesos. Los ingenieros que han estado corrigiendo las curvas de rendimiento del agua al bombear fluidos más espesos deben considerar el uso de las pautas del Instituto Nacional Estadounidense de Estándares/Instituto Hidráulico (ANSI/HI) 9.6.7-2015.
Si bien se prefiere utilizar los datos de la curva de rendimiento real de los fabricantes de bombas para fluidos más espesos, ANSI/HI 9.6.7-2015 proporciona una guía de uso común para corregir el rendimiento de la bomba en función de la viscosidad. Esta guía tiene una cantidad aceptable de incertidumbre, pero es imperativo entender las incertidumbres de este método para asegurar su correcta aplicación en los sistemas de bombeo. Este artículo resume los hallazgos técnicos y la discusión sobre por qué la guía es aceptable a pesar de las incertidumbres.
Las correcciones de viscosidad se basan en métodos empíricos que utilizan datos de prueba para dar cuenta adecuadamente del rendimiento de una bomba cuando el fluido de servicio tiene una viscosidad diferente a la del fluido de referencia, generalmente agua. Al igual que con muchos métodos empíricos, la incertidumbre existe inevitablemente y cae en una de las siguientes categorías:
El uso de un número adimensional para caracterizar fenómenos complejos.
El conjunto de datos limitado utilizado para crear el modelo empírico
La fiabilidad de los equipos de medición de datos.
Antes de entrar en más detalles, vale la pena discutir por qué el rendimiento disminuye cuando se bombea un fluido viscoso.
Intuitivamente, un fluido más espeso experimentará mayores pérdidas hidráulicas. Una viscosidad aumentada produce un número de Reynolds disminuido, lo que aumenta el factor de fricción y las pérdidas. Si bien la geometría del impulsor de una bomba es diferente y más compleja que la de una tubería, se aplica el mismo principio. El aumento de la fricción dentro de la bomba disminuirá la cantidad de cabeza que puede proporcionar la bomba. Si bien esto es solo una estimación de las pérdidas complejas, el número de Reynolds proporciona una estimación proporcional.
Una bomba centrífuga convierte la energía cinética rotacional del impulsor de la bomba en energía hidrodinámica del fluido. Las fuerzas de cizallamiento en el fluido entre el impulsor giratorio y la carcasa de la bomba estacionaria generan una resistencia friccional llamada fricción de disco. Esta resistencia friccional suele ser la causa principal de la reducción de la eficiencia de la bomba durante el funcionamiento normal. Usando nuevamente el número de Reynolds, un aumento en la viscosidad produce un número de Reynolds mayor y, por lo tanto, una mayor resistencia, lo que resulta en un mayor consumo de energía. Los ingenieros pueden usar el número de Reynolds junto con la velocidad específica de la bomba para estimar la fricción del disco. La fricción del disco es una interacción compleja; de nuevo, estimar estos efectos con dos parámetros adimensionales tiene inherentemente una precisión limitada para todas las aplicaciones.
Teniendo en cuenta las dos pérdidas por fricción anteriores, hidráulica y de disco, las pérdidas de energía debido a la fricción generalmente se convierten en calor, lo que resulta en un aumento de la temperatura del fluido. El aumento de la temperatura del fluido afecta la viscosidad del fluido, lo que también afecta el rendimiento de la bomba. Esto explica por qué las bombas en sistemas con fluidos viscosos tienen diferentes comportamientos en un arranque en frío en comparación con una operación estable.
Para tener en cuenta los efectos que tiene un fluido viscoso en el rendimiento de la bomba, un ingeniero puede usar factores de corrección generales para altura, caudal volumétrico y eficiencia, que se muestran en la Ecuación 1. Un número adimensional llamado B ayuda a predecir el componente viscoso de cada factor de corrección. El parámetro B incorpora los efectos del número de Reynolds y la velocidad específica de la bomba, por las razones de pérdida por fricción discutidas anteriormente. El parámetro B también informa el rango de aplicabilidad de las correcciones. Por ejemplo, cuando B es superior a 40, será necesario realizar un análisis de pérdidas adicional para determinar si los factores de corrección siguen siendo fiables.
Ecuación 1
Un ingeniero puede usar los factores de corrección para ajustar la curva de rendimiento de la bomba desde los valores obtenidos usando agua hasta una curva pronosticada de cómo funcionará la bomba con el fluido viscoso. El método ANSI/HI 9.6.7-2015 calcula los factores de corrección para el caudal volumétrico (CQ) y la eficiencia (CE) y supone que estos valores son constantes en todos los caudales analizados para la bomba y el fluido de interés. Para el factor de corrección de cabeza (CH), el método asume que la cabeza de cierre de la bomba no depende de la viscosidad del fluido y tendrá el mismo valor tanto para el agua como para el fluido viscoso.
Además, el método asume que los factores de corrección de caudal y cabeza, CQ y CH, son iguales en el punto de mejor eficiencia del agua (BEP). Con esas restricciones en mente, el factor de corrección de altura es una función del factor de corrección de la tasa de flujo volumétrico, CQ, y la relación entre la tasa de flujo de agua y la tasa de flujo BEP, QW / QBEP-W.
Varios investigadores evaluaron estos factores de corrección en una variedad de configuraciones diferentes para comparar la cabeza y la potencia previstas para una bomba con fluido viscoso con los datos de prueba reales del fluido viscoso en la bomba. Si bien hay desviaciones, los valores reales y pronosticados difieren en función del caudal y la viscosidad del fluido; en la mayoría de los casos, los valores probados coincidieron con los valores pronosticados.
Los investigadores atribuyen parte de la desviación a la incertidumbre que proviene de los instrumentos de medición, que es difícil de cuantificar.
La pauta ANSI/HI 9.6.7-2015 se basa en datos de prueba para las siguientes bombas y fluidos. Por lo tanto, la directriz generalmente solo se aplica a los sistemas que se encuentran dentro de estas restricciones.
bombas monoetapa y multietapa
impulsores cerrados y abiertos
velocidades específicas de 310 a 2330 unidades estadounidenses (6 a 45 métricas)
Viscosidad cinemática de 1 a 3000 centistokes (cSt)
diámetros de impulsor de 5,5 a 16 pulgadas (140 a 406 milímetros [mm])
flujo de agua BEP de 32 a 1,230 galones por minuto (gpm) (7.2 a 280 metros cúbicos por hora [m3/hr])
cabeza de agua BEP de 30 a 427 pies (9 a 130 metros)
Eficiencia BEP del agua del 28% al 86%
IMAGEN 1: Datos de prueba (puntos) con intervalos de predicción del 80 % (líneas discontinuas) (Imágenes cortesía de Applied Flow Technology)
Al graficar los datos de prueba a partir de los cuales se basaron los factores de corrección frente al parámetro B, la investigación muestra que la mayoría de los puntos de datos de prueba se encuentran dentro de un intervalo de predicción del 80 %, como se muestra en la Imagen 1. Sin embargo, las bombas con el mismo parámetro B pueden tener un rango de diferentes puntos de rendimiento viscoso. Graficar datos experimentales independientes respalda la misma tendencia general que se muestra en la Imagen 1.
En la mayoría de los sistemas de bombeo, las correcciones ANSI/HI proporcionarán predicciones aceptablemente precisas para el rendimiento de la bomba viscosa, especialmente porque los ingenieros incluyen varios factores de seguridad y márgenes de error, como suelen hacer. Para situaciones que requieren una estimación más conservadora, un ingeniero puede tener en cuenta las desviaciones estándar de los factores de corrección. Incluya la desviación estándar reduciendo el factor de corrección de cabeza en 0,1 y el factor de eficiencia en 0,15, lo que dará como resultado una bomba y un motor más grandes.
Las pautas de viscosidad ANSI/HI se utilizan ampliamente. De hecho, los comentarios indican que el uso de las correcciones no da como resultado bombas de tamaño incorrecto para la mayoría de las aplicaciones. Independientemente, los ingenieros que diseñan sistemas con fluidos más espesos deben comprender las incertidumbres y limitaciones de las correcciones.