Cómo afecta la viscosidad al bombeo
Para entender cómo la viscosidad de un líquido afecta un sistema de bombeo, es importante entender qué representa la viscosidad. Por definición, la viscosidad es la propiedad de un líquido que hace que ofrezca resistencia al esfuerzo cortante como el causado por el flujo de líquido, principalmente en el área de la pared de la tubería.
La imagen 1 ilustra esto al mostrar el perfil de velocidad de un líquido en relación con una superficie límite estática. En la superficie límite estática o pared de la tubería, la velocidad del líquido es cero. A medida que aumenta la distancia desde la superficie estática, aumenta la velocidad del líquido. La fuerza por unidad de área es función del gradiente de velocidad v/d, que es la velocidad máxima del fluido, v, dividida por la distancia, d, desde la superficie estática.
La viscosidad absoluta, μ (Mu), es el cociente del esfuerzo cortante (o fuerza por unidad de área) dividido por la velocidad de corte. Es común expresar la viscosidad relativa a su densidad, lo que se conoce como viscosidad cinemática. La viscosidad cinemática se designa con la letra griega ν (Nu). Una forma común de medir la viscosidad cinemática es el Saybolt Seconds Universal (SSU) (ver imagen 2). Esto se refiere al tiempo que tarda una cantidad medida de líquido a una temperatura específica en drenarse de un recipiente con un orificio medido en el fondo. Por ejemplo, el agua tiene una viscosidad de aproximadamente 31 SSU a 60 grados Fahrenheit (F). En comparación, los aceites lubricantes livianos pueden tener una viscosidad de 100 o 200 SSU. Los aceites lubricantes más viscosos tienen viscosidades de miles de SSU y los fluidos extremadamente viscosos: alquitrán pesado,
Tipos de bomba
Dependiendo del tipo de bomba, el impacto de la viscosidad del líquido es diferente. Veremos específicamente tres tipos de bombas: centrífugas (Imagen 3), alternativas (Imagen 4) y rotativas (Imagen 5).
Las bombas reciprocantes y rotativas se encuentran dentro de la familia de desplazamiento positivo (PD). Las bombas PD desplazan un cierto volumen con cada revolución del eje, menos cualquier fuga volumétrica (deslizamiento).
Una bomba centrífuga está dentro de la familia de bombas rotodinámicas. Las bombas rotodinámicas son máquinas cinéticas en las que se imparte energía continuamente al fluido bombeado por medio de un impulsor, hélice o rotor giratorio. El tipo más común de bomba rotodinámica es el tipo centrífugo (radial). En las bombas centrífugas, el líquido ingresa al impulsor axialmente en el ojo del impulsor y progresa radialmente entre las paletas hasta que sale por el diámetro exterior y se recolecta en un difusor o una voluta como se muestra en la Imagen 3. Es importante considerar cómo estos Los tipos de bombas son diferentes y la física involucrada porque estas disparidades dan como resultado una operación significativamente diferente con respecto a los líquidos viscosos.
Consideraciones sobre el bombeo viscoso de la bomba centrífuga
Es estándar de la industria probar el rendimiento de las bombas centrífugas con agua clara según ANSI/HI 14.6 Bombas rotodinámicas para pruebas de rendimiento hidráulico. El rendimiento de una bomba centrífuga se ve afectado cuando se manejan líquidos viscosos debido a la mayor fricción cuando gira el impulsor y la resistencia al flujo en comparación con la prueba de agua. Se produce un marcado aumento en la potencia de entrada debido a la reducción de la eficiencia y una reducción en la cabeza y la tasa de flujo con líquidos viscosos en comparación con el agua.
La curva de rendimiento de la Imagen 6 muestra el rendimiento del agua y el rendimiento viscoso corregido para el líquido de aplicación, que tiene una viscosidad de 1000 SSU y una gravedad específica de 0,9. Los datos viscosos deben corregirse a partir de la prueba de rendimiento del agua según la norma del Instituto Hidráulico ANSI/HI 9.6.7 Efectos de la viscosidad del líquido en el rendimiento de la bomba rotodinámica. Se usó ANSI/HI 9.6.7 para corregir el rendimiento como se muestra en la Imagen 6. Este estándar prescribe un método empírico basado en datos de prueba disponibles de fuentes en todo el mundo.
El método HI permite a los usuarios y diseñadores de bombas estimar el rendimiento de una bomba rotodinámica particular en líquidos de viscosidad conocida, dado el rendimiento en agua. El procedimiento es importante para seleccionar la bomba y el impulsor adecuados para un servicio requerido en líquidos viscosos. No se muestra en la Imagen 6, pero también es motivo de preocupación el aumento de la cabeza de succión positiva neta requerida (NPSH), donde se observa una pérdida de cabeza del 3 por ciento (NPSH3), así como un mayor par de arranque requerido con líquidos viscosos. Las consideraciones para estos se describen en ANSI/HI 9.6.7.
Tenga en cuenta la marcada caída de eficiencia de cerca del 80 por ciento en agua a aproximadamente el 50 por ciento en 1000 SSU para la bomba en la Imagen 6. Por esta razón, el uso de bombas centrífugas puede estar limitado cuando las viscosidades están por encima de los niveles que dan como resultado una eficiencia inaceptable y, en cambio, DP las bombas pueden ofrecer una mejor solución.
Consideraciones sobre el bombeo viscoso de la bomba PD
Las bombas PD son inherentemente diferentes a las bombas centrífugas porque mueven un volumen de líquido por desplazamiento por cada revolución del eje. Esto generalmente proporciona resultados favorables cuando se bombean líquidos viscosos. La eficiencia volumétrica de una bomba PD es el volumen real por revolución del eje sobre el volumen teórico por revolución del eje. La diferencia entre los dos volúmenes es el resultado de un flujo de fuga que se conoce como deslizamiento. La mayor viscosidad de un líquido en realidad reduce la cantidad de deslizamiento y aumenta la eficiencia volumétrica de una bomba de desplazamiento positivo.
Las curvas de la Imagen 7 ilustran cómo la capacidad de las bombas de desplazamiento positivo varía con la velocidad (constante de presión), la presión (constante de velocidad) y la viscosidad. Solo pretenden ser una representación del concepto. Las curvas muestran que la capacidad teórica es directamente proporcional a la velocidad. La diferencia entre la capacidad teórica y la capacidad entregada es el "deslizamiento" de la bomba para una viscosidad dada. El deslizamiento interno se ve afectado por la viscosidad y la presión y provoca una desviación de la capacidad entregada con respecto a la teórica.
La viscosidad del fluido de la bomba también afecta la presión de entrada positiva neta requerida (NPIPR) y la potencia de entrada de las bombas de desplazamiento positivo. La potencia teórica es proporcional a la velocidad y la presión. Las pérdidas por fricción debidas a la viscosidad del fluido bombeado hacen que la potencia de entrada aumente por encima de la potencia teórica. La Imagen 8 muestra cómo puede aumentar la potencia, y la Imagen 9 muestra en general cómo aumentará el NPIPR con la viscosidad.
Las bombas PD alternativas se utilizan en aplicaciones para una gama de viscosidades. Por lo general, las bombas eléctricas alternativas pueden manejar viscosidades de fluidos de 5000 SSU y las bombas alternativas de pistón accionadas por aire pueden manejar viscosidades de fluidos de 1 millón de SSU.
En tecnologías y aplicaciones seleccionadas, las bombas PD rotativas también pueden manejar líquidos desde agua hasta líquidos viscosos, pero encuentran una aplicación más típica en fluidos viscosos. Hay muchos tipos de bombas rotativas y las capacidades de bombeo viscoso varían según el diseño. En general, la eficiencia volumétrica y de flujo en una bomba rotatoria normalmente aumenta con la viscosidad, y algunos tipos de bombas rotatorias pueden manejar fluidos con viscosidades de varios millones de SSU.
Las generalidades proporcionadas aquí para el bombeo viscoso alternativo y rotatorio no son absolutas, y los diseños específicos pueden cambiar las capacidades significativamente, por lo que los usuarios deben consultar de cerca con el fabricante de la bomba para obtener recomendaciones específicas. Se puede encontrar información adicional sobre bombeo viscoso para bombas de desplazamiento positivo en las siguientes normas: bombas rotativas ANSI/HI 3.1-3.5 para nomenclatura, definiciones, aplicación y operación; ANSI/HI 6.1-6.5 Bombas eléctricas alternativas para nomenclatura, definiciones, aplicación y operación; ANSI/HI 7.1-7.5 Bombas dosificadoras de volumen de control para nomenclatura, definiciones, aplicación y operación; ANSI/HI 10.1-10.5 Bombas neumáticas para nomenclatura, definiciones, aplicación y funcionamiento.