Una expresión frecuente en la industria de las bombas es que la viscosidad es la criptonita de las bombas centrífugas. Perdón por la alusión a Superman, pero es una referencia con la que la mayoría de nosotros no solo nos relacionamos, sino que también entendemos. Además, los fluidos viscosos tienen un efecto negativo y debilitante en el rendimiento de la bomba centrífuga.

La viscosidad es una medida de la resistencia de un fluido a fluir a una temperatura dada. También puedes pensar en ello como fricción fluida. Una definición más técnica explicaría la viscosidad como una fuerza requerida para mover un plano líquido (piense en una placa) de alguna unidad de área, a cierta distancia por encima de otro plano de igual área en un período de tiempo definido. En las clases de entrenamiento, simplemente defino la viscosidad como la resistencia de un fluido a verterse pero, lo que es más importante, una resistencia a ser bombeado.

Isaac Newton fue probablemente la primera persona que conocemos en definir cuantitativamente un coeficiente de viscosidad. Su concepto y el trabajo relacionado no se completaron, pero luego fueron refinados por Jean Leonard Marie Poiseuille (ver Ley de Poiseuille).

¿Por qué nos preocupa la viscosidad de las bombas centrífugas?

Principalmente porque la viscosidad tiene un efecto tan extraordinario ya menudo negativo en el rendimiento de la bomba centrífuga. Un aumento en la viscosidad reducirá drásticamente la eficiencia de una bomba junto con reducciones marcadas en la cabeza y el flujo. El resultado neto es un aumento en la potencia de frenado necesaria para el conductor.

Correcciones de viscosidad

Todas las curvas de rendimiento de las bombas centrífugas se basan en el bombeo de agua, a menos que se indique lo contrario. Cuando comencé en el negocio de las bombas, no había programas de computadora para cifrar las correcciones de viscosidad necesarias y los métodos manuales podían tardar horas en completarse. Con el advenimiento de los programas computarizados para la selección de bombas, ahora es sencillo corregir el rendimiento de la bomba por viscosidad con solo presionar una tecla, pero a menudo pasamos por alto los detalles y los efectos de los cambios de viscosidad en el rendimiento de la bomba y especialmente en la potencia de frenado requerida.

Antes de los programas de computadora, había básicamente tres métodos para corregir el rendimiento de una bomba centrífuga de agua a viscoso.

1. El modelo de AJ Stepanoff era viable en el punto de mejor eficiencia (BEP) para cabeza y flujo, pero la confiabilidad y la validez disminuyeron con una mayor desviación del BEP.

2. El método Paciga fue ligeramente mejor que el modelo de Stepanoff porque podía ser más preciso en una gama más amplia de flujos. Paciga había incorporado una velocidad específica y una relación de flujo (flujo real en comparación con BEP). La desventaja era que a medida que aumentaba la viscosidad, disminuía la confiabilidad. Esto se debió principalmente al efecto del número de Reynolds en los cálculos de la fórmula.

3. Método original del Instituto Hidráulico usando tablas de corrección viscosa para obtener factores de corrección viscosa (para cabeza, flujo y eficiencia). El método fue una mejora con respecto a los anteriores debido a la facilidad, precisión y amplia gama de aplicabilidad. Para las personas que han estado en el negocio durante algún tiempo, sería prudente revisar los métodos más nuevos presentados por el Instituto Hidráulico (consulte la guía ANSI/HI 9.6.7-2010). El nuevo método utiliza una fórmula llamada parámetro B para generar factores de corrección viscosos. El método más nuevo también elimina parte de la confusión y la inexactitud en el rango de 100 galones por minuto (gpm).

Correcciones a las curvas de la bomba

En un mundo perfecto, la "curva" de rendimiento de una bomba centrífuga en realidad sería una línea recta, pero en el mundo real, es curva debido a las pérdidas en la bomba. Los principales factores son una combinación de pérdidas mecánicas, por fugas, por impacto y por fricción del disco. La fricción del disco es el principal contribuyente y el factor más importante al cuantificar las pérdidas. Las curvas mencionadas se basan en el rendimiento del agua, pero con aplicaciones en fluidos viscosos, esas curvas de agua deben corregirse para que la viscosidad sea precisa. Las curvas de cabeza, flujo, eficiencia y potencia al freno (BHP) requerirán modificaciones (correcciones viscosas).

¿A qué valor mínimo de viscosidad para iniciar las correcciones?

El fabricante de la bomba es la mejor fuente para este valor, ya que dependerá de la aplicación, la personalidad del fluido y la geometría de la bomba. Tenga en cuenta que a 100 centipoises, los efectos viscosos serán significativos. Diré que a 30 a 40 centipoises o más, debe usar las correcciones o correr el riesgo de efectos adversos. También recomiendo que en algún lugar en el área de 5 a 10 centipoises, al menos debe ser consciente de los efectos, aunque sean menores.

Dado que verificar las curvas de corrección es tan fácil en estos días, sería imprudente no verificarlas.

Efectos de forma y tamaño del impulsor

Cuanto menor sea la velocidad específica (Ns) de un impulsor, mayor será la fricción del disco. Esto se debe simplemente a la geometría del impulsor y al ángulo de flujo de 90 grados en el que el fluido entra y luego sale del impulsor. A medida que aumenta la velocidad específica de un impulsor, el ángulo de entrada a salida se vuelve más bajo y la interacción con el fluido es menor.

Cuanto más pequeño es un impulsor, más probable es que los efectos de la fricción del disco sean mayores simplemente porque el área de la superficie del impulsor y las carcasas interactúan más con el fluido que en una bomba más grande.

Viscosidad máxima para una bomba centrífuga

Me preguntan con frecuencia; ¿Cuál es la viscosidad máxima que puede manejar una bomba centrífuga? Mi respuesta corta es que "depende". Una respuesta mejor y menos frívola es considerar la reducción en la eficiencia de la bomba (también altura y flujo) y calcular la potencia máxima requerida y corregida (hp) para el fluido viscoso. Varias referencias limitan las bombas centrífugas a un máximo de 3.000 centistokes. (Tenga en cuenta que este límite también se publica como 3300 centistokes).

Hay un documento técnico más antiguo sobre el tema de CE Petersen (presentado en la conferencia de la Asociación de Energía del Pacífico en septiembre de 1982). El Sr. Petersen presenta un argumento de que la viscosidad máxima se puede calcular por el tamaño de la boquilla de descarga de la bomba.

El Sr. Petersen postuló una fórmula como sigue:

EN_máximo = 300 (D-1)
Ecuación 1

Dónde:
EN_máximo = la viscosidad cinemática máxima en SSU (Segunda Universal de Saybolt) permitida para esa bomba
D = el diámetro de la boquilla de descarga en pulgadas.

Solo usaría esta fórmula como regla general.

Para ser exactos, debe recibir información del fabricante de la bomba sobre este tema con respecto al par del eje y los límites de hp. También puede haber límites de marco y, ocasionalmente (poco frecuentes), límites de par de carga del álabe del impulsor.

Según el tamaño de la bomba y la geometría del impulsor, los límites de viscosidad para la bomba centrífuga promedio variarán de 250 a 700 centipoises, y he sido testigo de que muchas bombas bombean con éxito fluidos que superan los 1000 centipoises. Si su aplicación supera los 250 centipoises, le recomiendo que trabaje con el fabricante/proveedor de su bomba para llegar a la respuesta. Los dos puntos importantes a tener en cuenta son estos:

1. Hay un límite de par y hp para el eje de la bomba que se verá afectado negativamente por un aumento de la viscosidad. Asegúrese de comprobar este factor de corrección de la viscosidad para garantizar una instalación satisfactoria y fiable.

2. Es posible que aún pueda bombear el fluido altamente viscoso con la bomba centrífuga, pero habrá un punto de rendimiento decreciente debido a la reducción de la eficiencia. Quizás esté usando 25 hp para bombear el fluido viscoso con una bomba centrífuga que solo requeriría 5 hp con una bomba de desplazamiento positivo.

Caballos de fuerza/par

Todos los ejes de la bomba tienen un límite de velocidad, potencia y par. En el caso de bombas de una etapa, muchos fabricantes expresarán esto como un límite de hp por 100 revoluciones por minuto (rpm). Tenga en cuenta que el par es inversamente proporcional a la potencia, por lo que cuanto menor sea la velocidad, más par se aplica al eje.

Si bien la mayoría de los límites del eje se basan en los límites de velocidad, hp y par continuo, tenga en cuenta que si la bomba es impulsada por un motor, los límites se reducirán aún más (combustión interna significa intermitente en lugar de par continuo). Además, si el eje de la bomba está cargado lateralmente, como en el caso de transmisiones por correa o cadena, habrá una notable reducción en los límites del eje debido al factor de fatiga por flexión cíclica.

Viscosidad y temperatura/presión

Para un líquido dado, la viscosidad disminuirá al aumentar la temperatura y viceversa. Tenga en cuenta que para los gases, es la relación opuesta. Para las viscosidades indicadas también se debe dar una temperatura, típicamente 40 y 100 C son estándares.

La temperatura puede ser un problema en el campo porque las bombas se dimensionan y venden con frecuencia para bombear un líquido viscoso a una temperatura determinada, pero luego las bombas en realidad funcionan a una temperatura más baja, lo que produce una viscosidad más alta y, por supuesto, un mayor requerido. hp con menos flujo y cabeza de lo deseado o prometido.

Los efectos de la presión sobre la viscosidad de un líquido suelen ser muy pequeños y, en la mayoría de los casos, se pueden ignorar.

Viscosidad y gravedad específica

La viscosidad se confunde con frecuencia con la gravedad específica (SG). Son dos cosas diferentes. Las expresiones vernáculas comunes nos confunden, ya que la mayoría de las veces se hace referencia erróneamente a la viscosidad como espesor o peso. El mercurio tiene una SG alta (13), pero una viscosidad baja y muchos aceites lubricantes tienen una SG baja (menor que el agua o menos de 1,0) pero tienen una viscosidad alta.

SG es la relación entre la densidad de una sustancia (líquido en este caso) y la densidad de un estándar de referencia, generalmente agua. Tenga en cuenta que, dado que SG es una razón, no hay unidades.

La gravedad específica se usa en la ecuación cuando estamos convirtiendo hacia o desde viscosidades dinámicas y cinemáticas. Centipoise = (Centistokes) (Gravedad específica)

Viscosidad dinámica y cinemática

El centipoise es una viscosidad dinámica (absoluta) y el centistoke (también SSU) es una viscosidad cinemática. Una forma sencilla de explicar la diferencia es que las viscosidades cinemáticas son velocidades de flujo cronometradas a través de orificios donde la fuerza impulsora suele ser la gravedad, mientras que la viscosidad dinámica es una medida de la fuerza requerida para superar la resistencia del fluido a fluir a través de un tubo (capilar). En pocas palabras, la cinemática es una medida de tiempo y la dinámica es una medida de fuerza.

Reglas de viscosidad y afinidad

Tenga siempre cuidado con las reglas de afinidad, ya que no tienen en cuenta la interacción del sistema. Antes de aplicar las reglas, convierta al rendimiento corregido para todos los parámetros aplicables.

Fricción de tuberías y pérdidas del sistema

Al bombear fluido, cuanto más viscoso sea el líquido, más fricción se producirá. La resistencia (fricción) se debe a las propiedades de esfuerzo cortante del fluido y la superficie de la pared de la tubería/bomba. Tenga en cuenta que cuanto más sofocantes estén las superficies/paredes de la bomba y la tubería, menor será el efecto que tendrá la fricción del fluido viscoso.

Consulte el Capítulo 3 (Fricción) en el Libro de datos hidráulicos de Cameron para obtener más información sobre esto y la conexión con la ecuación de Darcy Weisbach y el número de Reynolds. Si está calculando la curva de resistencia de la cabeza del sistema y el fluido es viscoso, debe tenerlo en cuenta.

Viscosidad y cabezal de succión positivo neto requerido/disponible (NPSHR/NPSHA)

Intuitivamente, pensaría que los cambios en la viscosidad afectarán a NPSHR (también conocido como NPSH3), pero la mayoría de los datos empíricos publicados cuestionan esa línea de pensamiento. En las aplicaciones de la línea de succión de la bomba, donde los fluidos altamente viscosos tienen problemas para fluir en la tubería hacia la succión de la bomba, vienen a la mente, pero estos problemas normalmente se cubrirían en el componente de fricción del cálculo de NPSHA. Es decir, el factor de fricción sería mayor para el fluido viscoso y, en consecuencia, reduciría el NPSHA. Mi consejo sobre fluidos viscosos es aumentar el margen entre el NPSH disponible y el requerido.

Varios libros de referencia muy respetados (pero más antiguos) afirman que hay poca o ninguna evidencia de que la viscosidad afecte el valor de NPSHR (NPSH3). La nueva edición de la directriz 9.6.7 del ANSI/Instituto Hidráulico establece que se puede considerar un enfoque analítico (consulte la sección 9.6.7.5.3 de la directriz). La guía ofrece una ecuación para calcular un NPSHR corregido (NPSH3).

Para citar un párrafo de esta sección: “Hay una doble influencia de la viscosidad del líquido bombeado en NPSH3. Con una mayor viscosidad, la fricción aumenta, lo que resulta en un aumento de NPSH3. Al mismo tiempo, una mayor viscosidad da como resultado una disminución de la difusión de partículas de aire y vapor en el líquido. Esto ralentiza la velocidad de crecimiento de las burbujas y también hay un efecto termodinámico, que conduce a una cierta disminución de NPSH3".

Cabezal de cierre de la bomba al bombear un fluido viscoso

¿Una bomba en servicio de fluido viscoso todavía se acerca a la misma cabeza de cierre que cuando bombea agua? Esta pregunta surge con frecuencia en mi trabajo, y he investigado extensamente para encontrar una respuesta (pero no realicé pruebas). La respuesta parece ser que, con un caudal cero, la cabeza desarrollada por la bomba es la misma para el agua que para un fluido viscoso en el que asumimos que la viscosidad es inferior a 600 centipoises.

Varios de mis respetados mentores parecen pensar lo mismo. Estoy abierto a la entrada si tiene datos de cualquier manera. Todavía me gustaría creer que una bomba de velocidad específica media a baja que está bombeando un fluido de viscosidad de rango medio (aproximadamente 250 centipoises) no alcanzará la misma carga que tendría con agua. Pero supongo que la velocidad y la gravedad discutirán conmigo sobre ese tema.

Conclusión

Es extremadamente importante conocer la viscosidad real del fluido bombeado. Frecuentemente soy testigo de problemas con las bombas en el campo debido a las diferencias en los valores de viscosidad percibidos versus los reales.

Referencias

Norma ANSI/HI 9.6.7 -2010 Bombas centrífugas y de flujo axial, AJ Stepanoff

Diseño y aplicación de bombas centrífugas, VS Lobanoff y RR Ross

La influencia de la viscosidad en el rendimiento de la bomba centrífuga, documento técnico de Ingersoll Rand publicado en 1957 junto con la Universidad de Lehigh, Arthur Ippen

Consideraciones de ingeniería y diseño de sistemas para sistemas de bombeo y servicio viscoso, CE Petersen