Sólo la velocidad es más importante que el diseño del sistema para lograr una instalación satisfactoria. Un di- seño inadecuado producirá vibraciones y ruidos en el sistema. Las pulsaciones pueden ser de suficiente inten- sidad para dañar los componentes de la bomba y los instrumentos.
La experiencia en el campo y la información del Hydraulic Institute’ aparecen condensadas a continua- ción como lineamientos para a) recipiente de succión, b) tubería de succión y c) tubería de descarga.
Para el recipiente de succión se necesita:
Ser lo bastante grande para proveer suficiente tiempo de retención para que los gases libres se eleven a la superficie del líquido.
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BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVOn Que los tubos de succión y retorno penetren más
abajo del nivel mínimo de líquido.
Incluir un rompedor de vórtices en el tubo de suc- ción de la bomba.
n Incluir una placa desviadora para enviar las bur-
bujas de gas a la superficie. La parte superior de la placa debe estar sumergida lo suficiente en el recipiente para evitar alteraciones.
Para el tubo de succión se necesita:
n Que sea lo más corto y directo que sea posible
Sea uno o dos diámetros de tubo más grande que la conexión de succión en la bomba.
Tenga una velocidad promedio de líquido menor que los valores de las curvas de la figura 18.
Tenga el mínimo de recodos; hay que utilizar co- dos largos o laterales.
Impida la acumulación de vapores en la tubería. No debe tener puntos altos sin respiraderos. El reductor en la bomba debe ser del tipo excéntrico instalado con el lado plano hacia arriba.
Calcularlo de modo que la (NPSH), que permita la carga de aceleración sea mayor que la
n Incluir un estabilizador de succión, botella o
amortiguador de pulsaciones en el tubo de succión y ad- yacente al extremo de líquido si la carga de aceleración es excesiva.
Tener una válvula de corte de apertura total para no restringir el flujo a la bomba.
n No utilizar pichancha o filtro salvo que se les pue-
da dar mantenimiento periódico. El agotamiento produ- cido por una pichancha obstruida puede producir más daños en la bomba que los sólidos.
Para el tubo de descarga se necesita:
n Que sea uno o dos diámetros de tubo más grande
que la conexión de descarga en la bomba.
n Que tenga una velocidad promedio menor de tres
veces la velocidad máxima en el tubo de succión. Que tenga el mínimo de recodos; hay que utilizar codos largos o laterales.
n Que incluya un amortiguador de pulsaciones o
métodos para instalarlo, adyacente al extremo de líqui- do de la bomba.
La velocidad en el tubo de esta basada en carga de aceleración de 0.7 ft pie de longitud del tubo. En el tubo de descarga se aconseja tener una velocidad de tres veces la de
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Velocidad del rpm
Fig. 18 Guía para velocidad máxima en tuberías con bombas de potencia de acción sencilla
Que incluya una válvula de desahogo de un tama- ño que deje pasar toda la capacidad de la bomba que no exceda del 110% de su presión de “disparo” o apertu- ra. La descarga de la válvula de desahogo debe retornar al recipiente de succión para que los gases desprendidos en la válvula no vuelvan a la bomba.
n Que incluya un tubo y válvula de derivación para
poder volver a arrancar la bomba en contra de una in- significante presión de descarga.
n Que incluya una válvula de retención para no
aplicar la presión del sistema en la bomba durante el arranque.
Los detalles de un buen sistema diseñado como se describe antes aparecen en la figura 19.
Correcciones para baja
Cuando se diseña el sistema de succión para una bom- ba reciprocante, se puede encontrar que la (NPSH), es
menor que la (NPSH),. Entre las correcciones para la
NPSH baja están:
Aumentar el diámetro de la tubería de succión.
n Reducir el diámetro del tubo de succión al tender-
lo en una trayectoria más directa o bien acercar la bom- ba al recipiente de succión.
n Instalar una botella o estabilizador de succión o
amortiguador de pulsaciones adyacentes al extremo de líquido de la bomba. Una botella ha dado buenos resul- tados con presiones menores a 50 psig, pero se necesita mantener el nivel de líquido. Muchas veces, un tramo de manguera de caucho en el tubo de succión, junto con la bomba, reducirá la carga de aceleración.
n Elevar el recipiente de succión o el nivel del
do en el mismo.
n Reducir la temperatura del líquido que se bombea. n Reducir la velocidad de la bomba de potencia o
instalar una más grande que trabaje a menor velocidad. Con una velocidad más baja, puede ser posible operar la bomba con resortes suaves o sin resortes en la válvula de succión.
Si las correcciones anteriores son insuficientes, ticas o imposibles, se debe instalar una bomba reforzado- ra que, para una bomba de potencia suele ser centrífuga, aunque a veces se emplean bombas reciprocantes de acción directa y rotatorias. La (NPSH), para la bomba reforzada debe ser menor que la del sistema. La carga de la reforzadora debe exceder de la (NPSH), de la bomba de succión más las pérdidas en la tubería más la carga de aceleración en, cuando menos, La reforzadora se debe instalar junto al recipiente de succión e instalar una botella o amortiguador de pulsaciones junto a la bomba de potencia para proteger la reforzadora contra el flujo a pulsaciones.
Para descargar la bomba
Si se instala un tubo de derivación para permitir el arranque de la bomba cuando ésta descarga, se logran ciertos beneficios. El más importante es que se pueden cebar todas las cámaras de bombeo; cada una de ellas en una bomba reciprocante es independiente y funciona
BOMBAS RECIPROCANTES
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en paralelo con las demás. En una bomba múltiplex hay la posibilidad de cebar una sola cámara mientras las de- más están llenas de vapores.
La bomba reciprocante suele ser autocebante. Pero, el gran volumen de despejo o volumen libre en casi todas ellas, imposibilita que el émbolo produzca presión apre- ciable de descarga cuando una cámara está llena con gas. Por lo general, la bomba estará llena de aire des- pués del mantenimiento y en algunas cámaras penetra aire que se infiltra por la empaquetadura durante los riodos de paro. En el arranque, a menudo se succiona el aire del tubo de succión a la bomba. Por ello, es nece- sario mantener baja la presión de descarga durante más o menos los primeros 30 segundos de funcionamiento. Esto permite que se expulse el gas de cada cámara de bombeo y que esté cebada cuando queda expuesta a la presión de descarga. En muchos sistemas sólo es posible mantener baja la presión de descarga con un tubo de de- rivación; no se debe conectar en la succión de la bomba porque ésta volvería a succionar el gas.
Otros beneficios se logran con el arranque de una bomba de potencia en contra de una presión insignifi- cante de descarga. El par al arranque será el 25% del de plena carga, con lo cual se puede emplear un motor con par o torsión normal al arranque, que reduce el tiempo en que hay máxima corriente. Además, los aco- plamientos, bandas V, engranes o cadenas tendrán poca carga. El extremo de potencia de la bomba podrá for- mar películas completas de lubricante en las superficies de deslizamiento y los émbolos se mojarán con el lubri- cante o con el líquido bombeado.
Si una bomba empieza a funcionar con brusquedad o se reduce su capacidad durante el funcionamiento normal, es probable que haya succión de gas a una o más cámaras de bombeo. Si el sistema tiene tubo de de- rivación (Fig. 19) sólo hay que abrir la válvula de deri- vación hasta que salga el gas. Si persiste la succión de gas, hay que buscar y eliminar su fuente.
P l a c a Nivel mínimo desviadora de liquido
Válvula de desahogo con 10%
d e a c u m u l a c i ó n
Codo largo apertura total
excéntrico, Número de codos.
do plano hacia arriba Buen tubos.
Fig. 19 Buen de sistema para bombas
reciprocantes
Si por los requisitos del proceso o en una emergencia es indispensable arrancar la bomba de potencia en con- tra de la presión del sistema, se recomienda que: 1) el par de arranque del motor debe superar, cuando menos, en 50% al par de funcionamiento; 2) los componentes del sistema propulsor deben ser adecuados para el par de arranque del motor; 3) la bomba no debe estar para- da más de 10 h sin tener algún sistema para prelubricar los cojinetes del extremo de potencia y 4) se deben man- tener cebadas las cámaras de bombeo.
Volumen de despejo
El volumen de despejo o libre de la cámara de bom- beo en la bomba reciprocante es el volumen en ella cuando el émbolo o pistón está al final de su carrera de descarga (Fig. 20). El volumen libre, se suele expresar como fracción o porcentaje del desplazamiento, d y se
denomina “relación o porcentaje de espacio libre. La mayor parte de las bombas reciprocantes tienen una relación de 2 a 4 (200 % a 400 y estos valores son mayores en bombas de émbolos que en las de pis- tones. Se han diseñado bombas de émbolo con relacio- nes de apenas 0.5. Las bombas de pistón con mínimo volumen libre, destinadas a líquidos volátiles, tienen re- laciones de alrededor de 15
Todos los líquidos se comprimen, algunos más que otros, cuando aumenta la presión. Entre 15 y 10 000 el agua se comprime 3 % . El propano se comprime alrededor de 5% entre 150 y 3 000 El líquido atra- pado en el volumen libre a presión de descarga se debe expandir hasta la presión de succión antes de que se abra la válvula de succión.
Si en una bomba con relación de 3 se bombea un líquido que se comprime el émbolo se debe mover
un 15 % de su carrera de succión antes de que la presión en la cámara baje hasta la presión de succión. Esto oca- siona una reducción de 15 % en la capacidad, medida en el tubo de succión. Cuando se hace la selección de la bomba, su tamaño debe ser 15 % mayor del normal y al determinar el propulsor es preferible que tenga la poten- cia requerida para agua, porque el líquido podría ser
una mezcla menos compresible que lo previsto. La relación también se refleja en la capacidad de autocebado o de eliminación de gases de la bomba procante, si se llena de gas. Con un volumen libre de
15 % , una bomba puede producir una relación de pre- sión de ‘15 con aire, pero con un volumen libre de 300 % sólo se logra una relación de presión de 1.5. Cuando hay aire atmosférico inicialmente en la cámara, la primera bomba citada descargaría a alrededor de 200 psig y la segunda sólo a unas 7 psig. Por tanto, si llegan a succio- nar cualquier cantidad de gas, habrá un descenso nota- ble en el rendimiento.
Alta presión de succión
La alta presión de succión requiere cuidados especia- les en las bombas reciprocantes, en particular las de ac- ción sencilla. En las bombas de acción sencilla y doble,
172 BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO
Fig. 20 El volumen libre altera la capacidad de la bomba
puede ser necesario aumentar las presiones de diseño de la brida y múltiple de succión.
Una bomba de pistón de doble acción a veces necesita un vástago de guía igualar las fuerzas aplicadas al pistón durante ambas carreras. En otra forma, la fuerza de la presión de succión aplicada en la carga externa grande del pistón puede exceder de la fuerza de la pre- sión de descarga que actúa en la superficie más
porque en ella está la biela, de la cara interna. En este caso, la biela estará en compresión todo el tiempo, cosa indeseable en las bombas de acción directa y las de potencia.
Esta técnica no está disponible para las bombas de po- tencia de acción sencilla. Conforme sube la presión de succión, aumenta la carga aplicada en los cojinetes, ci- güeñal y otros componentes del extremo de potencia. Un diagrama del momento de flexión del cigüeñal en una bomba tríplex indica que 3 psig de presión de suc- ción imponen el mismo momento de flexión en el cigüeña1 que 1 psig de presión de descarga. Entonces, para deter- minar la presión efectiva de descarga, sobre la base del momento de flexión del cigüeñal, se agrega de la presión de succión a la presión de descarga.
Otro factor en una bomba de acción sencilla es el to de la alta presión de succión sobre los cojinetes. Si la presión de succión excede en alrededor de 3 de la pre- sión máxima de descarga, la biela permanece en com- presión durante la carrera de succión; debido a esta carga continua de compresión, los cojinetes en ambos extremos de la biela soportan el esfuerzo continuo en la misma zona. Si aceite en cualquier cojinete por un agujero en el centro de esa zona, no podrá pasar el aceite. Hay un problema adicional en el pasador o perno de la cruceta porque el cojinete de la biela oscila en el pasador en un arco total de unos
LOSsistemas de lubricación a presión no ayudan en la
solución del problema porque las presiones en los cojine- tes son de alrededor de 1 000 psig y los sistemas de lu- bricación rara vez funcionan más de 60 psig.
Cuando se han utilizado los extremos de potencia en condiciones de alta succión y cargas elevadas sin las me-
didas necesarias en su construcción, se han producido altas temperaturas y corta duración de los cojinetes en ellos. El cojinete que sufre más desgaste suele ser el del pasador de la cruceta, pero como tiene la carga en el mismo sentido en todo momento, no hay golpeteo y la bomba funciona sin ruido. Para resolver el problema de la alta presión de succión se resuelve con el cambio de lugar de los puntos para entrada de aceite o con el em- pleo de cojinetes especiales.
También es necesario reducir la presión máxima per- misible de descarga. Si sólo hubiera la preocupación por la flexión del cigüeñal, la presión de descarga se reduci- ría en de la sección. Las pruebas indican que las temperaturas en el extremo de potencia, aunque tengan los cojinetes adecuados, aumentan mucho con una alta presión de succión. Se encontró en una bomba que un au- mento de 1 psi en la presión de succión equivalió en el extremo de potencia a un aumento de temperatura por un incremento de alrededor de 1.5 en la presión de des- carga.
Una alta presión de succión perjudica mucho a la ciencia mecánica. La mayoría de las bombas de potencia con pistón son de acción sencilla. Por tanto, las cargas aplicadas en el extremo de potencia no son pro- porcionales a la presión diferencial (descarga menos suc- ción) como ocurriría en una bomba de doble acción, sino que son más semejantes a la suma de la presión de descarga y la presión de succión. El extremo de potencia experimenta los efectos de la plena presión de descarga de cada émbolo en la carrera de descarga y de cada ém- bolo en carrera de succión. También experimenta una carga casi igual a la que habría si ese émbolo estuviera descargando a la presión de succión. Este aumento en las cargas de cojinetes y en la fricción en la empaqueta- dura hace que aumente la pérdida por fricción. Al mis- mo tiempo, el aumento en la presión de succión hace que se reduzca la potencia de salida (hidráulica). Esta combinación hace que disminuya la eficiencia mecáni- ca, a veces en forma importante.
El consumo de potencia se puede predecir con una exactitud razonable si se calcula la potencia que requeri- ría la bomba a la presión nominal de descarga y con succión a presión atmosférica y, luego, se resta la canti- dad de potencia lograda por la bomba con la presión de succión. Se trata de determinar la eficiencia de la suc- ción y se ha encontrado que es de 3 a menor que la descarga; para tener valor conservador, se resta 5 En el siguiente ejemplo se describe el cálculo de 10s requisitos de potencia para una alta presión de succión.
carga de 1 000 psig a 30 gpm. La bomba seleccionada es tríplex de 2 x 3 con carga nomina1 máxima en el ém- bolo de 4 460 a 330 rpm. es la eficiencia mecá- nica total de la bomba?
Primero, se calcula que la carga del émbolo de descar- ga es:
000) = 3 140
Después, se calcula cuál fracción representa esto de la carga máxima de la bomba a partir de: 3 000 = 0.705. Con las curvas de la figura 14 se determina que
BOMBAS RECIPROCANTES 173
la eficiencia mecánica de esta bomba con esta carga es: = 0.89, en el supuesto de que la empaquetadura está lubricada.
Ahora se rearregla la ecuación (2) para encontrar la potencia de entrada y se tienen en cuenta las presiones de succión y descarga. El resultado se convierte en:
0.05) 1 715
0.05) 1 1 715
24.9 9.3 15.6 hp
La salida de potencia de la bomba se calcula con: 11.1 hp
La eficiencia mecánica general con esta carga es de 11.1
= 0.71 15.6
Entonces, una bomba que tiene una eficiencia mecá- nica de 89 % con una presión de succión de 0 psig y una presión de descarga de 1 000 psig, sufre una reducción de la eficiencia al 71% si se aumenta la presión de suc- ción a 500 psig.
Aunque la eficiencia de descarga, utilizada en la ecua- ción (6) sea del 89 % y la eficiencia de succión del 84 % , la eficiencia total es 71% . Para evitar confusiones cuan- do se informe de las eficiencias de bombas que funcionan con alta presión de succión, hay que entender el fenóme- no descrito y tener cuidado de señalar con claridad de cuál eficiencia se trata.
La ecuación (6) dará resultados precisos para todas las presiones de succión aunque, por lo general, no se utiliza hasta que la presión de succión exceda del 5 % de la de descarga.