Cómo reducir o eliminar la entrada de aire

No planeaba volver a escribir sobre el arrastre de aire, pero problemas de campo recientes me impulsaron a volver a abordar el tema. En los últimos meses, me he visto involucrado en cuatro casos de malinterpretación del rendimiento de la bomba en los que se determinó que la entrada de aire era el principal culpable.

El arrastre de aire puede parecer y confundirse con cavitación en una bomba en funcionamiento. La diferencia es que la cavitación es la formación y posterior colapso de burbujas de vapor, mientras que el arrastre de aire son simplemente burbujas de aire que estaban en la corriente del proceso antes de la bomba y permanecerán allí después de la bomba. Las burbujas pueden cambiar de tamaño, pero por lo general no colapsan cuando pasan por la bomba.

La incorporación de aire en cantidades muy pequeñas en realidad puede ser algo bueno. Muchos usuarios inyectarán hasta un 0,9 por ciento de aire para amortiguar los efectos de la cavitación. Sin embargo, el arrastre de aire, incluso en cantidades del 1 al 2 por ciento, hará que el rendimiento de la bomba disminuya drásticamente. El rendimiento deficiente de la bomba a menudo se confunde y se atribuye erróneamente a una multitud de síntomas distintos al arrastre de aire. Un análisis exhaustivo de la causa principal, además de la educación sobre el tema, mostrará que la entrada de aire es una dolencia de la bomba mucho más común de lo que se creía inicialmente. Este problema es una tendencia creciente y se ha vuelto más común por varias razones. Las empresas de pulpa y papel inyectan aire en las mezclas de pasta y lodos, especialmente cuando se está produciendo un aumento en el reciclaje. Las industrias de petróleo y gas están trabajando para bombear más fluidos de fase dual en la boca del pozo y aguas abajo, y las plantas de tratamiento de aguas residuales están utilizando más sistemas de flotación por aire disuelto (DAF).

Además, la industria está experimentando un mayor uso de sistemas de circuito cerrado y un impulso por cuencas de torres de enfriamiento menos costosas pero, en consecuencia, menos profundas. Además, la industria de procesos químicos (CPI) y las plantas industriales en general han renovado y están aumentando la presión financiera para diseñar sistemas con "huellas" más pequeñas. Archivado bajo el título de "consecuencias no deseadas" es el resultado de tanques de almacenamiento y recipientes de proceso más cortos y más pequeños. Los tanques más cortos equivalen a valores de inmersión más bajos, que luego tienen una mayor probabilidad de crear vórtices y los recipientes más pequeños producen un volumen reducido y las consiguientes reducciones en los tiempos transitorios para la mitigación de burbujas de aire.

Los aumentos en la incorporación de aire de más del 1,5 al 2 por ciento tendrán efectos inmediatos y nocivos en la bomba tanto desde un aspecto de rendimiento inmediato como desde un aspecto mecánico de manera prolongada.

A medida que las burbujas de aire quedan atrapadas en la succión de la bomba, bloquean el flujo de fluido y el rendimiento de la bomba disminuye. La tasa de flujo disminuirá, la cabeza desarrollada caerá y la eficiencia disminuirá. La incorporación de aire, incluso a valores tan bajos como del 2 al 4 por ciento, provocará un aumento de la vibración de la bomba, lo que conduce directamente a la falla prematura de los cojinetes. La vibración es causada con frecuencia por las cargas hidráulicas desequilibradas en el impulsor debido al bloqueo parcial del aire.

El aire sin ventilar también se acumula en la cámara del sello (configuraciones de caja de empaque estándar) para crear bolsas de aire que provocan el funcionamiento en seco de los sellos mecánicos. La operación de la cara del sello en seco/sin lubricación contribuye a acortar la vida útil y al fallo final. Si escucha un chirrido cuando la bomba arranca, generalmente las caras del sello se están secando.

El arrastre de aire es uno de los principales contribuyentes a la rotura de los ejes de las bombas debido a la oscilación hidráulica y al desplazamiento axial que se produce cuando una bomba se detiene un segundo (sin carga) y bombea el siguiente (carga completa) en un interminable e involuntario "ir a " Bucle de ciclos de fatiga por estrés.

El arrastre de aire también introduce oxígeno libre no deseado en el sistema, que es el componente principal tanto en las fórmulas de corrosión bajo tensión general como por cloruro, solo por nombrar dos tipos.

La incorporación de aire al 2 por ciento reducirá el rendimiento de la bomba hasta en un 12 por ciento. Al 4 por ciento, reducirá el rendimiento de la bomba en un 40 por ciento y al 10 por ciento, es probable que detenga la bomba por completo.

La sumersión es un parámetro que a menudo se pasa por alto. El nivel adecuado de sumersión es crítico, y el vórtice es la fuente más común de aire no deseado que se introduce en los sistemas de bombeo. La inmersión inadecuada crea las condiciones para los fenómenos de vórtice, que introducen grandes cantidades de aire que provocan daños en la bomba en un corto período de tiempo. Si la sumersión es insuficiente, puede agregar barreras de vórtice, elevar la altura del nivel del líquido o aumentar el tamaño de la abertura de la línea de succión para reducir efectivamente la velocidad del fluido. El hecho de que no pueda ver el vórtice no significa que no esté ocurriendo.

Llene y ventile correctamente el sistema inicialmente. He sido testigo de muchos casos en los que el operador no ventiló correctamente el sistema o los puntos altos, las carcasas o las cajas de relleno. A veces es prudente "acelerar" la bomba varias veces durante un período breve (de 10 a 15 segundos +/-) para "barrer" las burbujas de aire y alejarlas corriente abajo de la bomba.

No se instalan respiraderos de punto alto, o si hay respiraderos manuales, no se utilizan. Las válvulas automáticas de liberación de aire no se mantienen.

No puede ventilar una bomba en funcionamiento. El impulsor giratorio actúa como una centrífuga donde el fluido más pesado se expulsa hacia el exterior mientras que el aire más liviano permanece en el centro donde también bloquea el ojo de succión del impulsor. Cuando ventila la carcasa de una bomba en funcionamiento, es posible que salga algo de aire y luego líquido. Pero si hay aire en el ojo, probablemente permanecerá allí. Los diseños de descarga de la línea central superior, como las bombas del Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI), están diseñados para autoventilarse. No se debe permitir que los fluidos que se dirigen a la fuente de suministro caigan libremente al tanque. Si este es el caso, entonces el área debe estar lo más alejada posible de la succión de la bomba. Se deben instalar vertederos y/o barreras divisorias.

¿No está seguro si tiene oclusión de aire? Puede realizar algunas pruebas simples que están cubiertas por el Instituto Hidráulico (HI). En general, capturas muestras y las analizas. También puede calcular si tiene la inmersión adecuada. Los gráficos de inmersión son otra herramienta útil, pero debe tener un pie de inmersión por cada pie de velocidad del fluido del lado de succión. Puede consultar el caudal y el tamaño de la tubería para determinar la velocidad del fluido en el "Libro de datos hidráulicos de Cameron" o en la "Publicación técnica de grúas 410".

En los últimos años, existe una tendencia económica a reducir el tamaño de los tanques de suministro de succión. En sistemas cerrados y sistemas con retornos o suministros de aire incorporado, los tanques pueden diseñarse y construirse para presentar un "camino tortuoso" para el fluido. Se puede diseñar un sistema de vertederos, barreras y deflectores para presentar la cantidad máxima de tiempo de espera/tiempo transitorio para la eliminación/mitigación de burbujas de aire.

Para la mayoría de los sistemas simples que usan fluidos Newtonion (sin lodos), sugiero un tiempo transitorio de cuatro a cinco minutos como un compromiso respetable de diseño versus costo.

En general, para cada tipo de bomba centrífuga y diseño de impulsor, existen diferentes resultados al bombear fluidos con aire incorporado. Es una tarea difícil dar una respuesta simple de lo que funcionará o no para determinar resultados inconvenientes pero precisos. No hay una aplicación de fórmula mágica fácil en este momento. La velocidad específica (NS) y la velocidad específica de succión (NSS) son factores relevantes. Por lo general, los impulsores de NS superiores a 3000 funcionarán mejor que los impulsores inferiores a 3000. Además, el tamaño real del impulsor, el diámetro del ojo de succión, la velocidad de la bomba y el número de paletas serán factores.

El número de volutas en la carcasa también jugará un papel importante. Por lo general, una bomba de doble voluta funcionará mejor que una bomba de una sola voluta. Tenga en cuenta que algunos fabricantes producen bombas con más de dos volutas. Una bomba difusora (piense en volutas de un múltiplo alto) funcionará mejor que una bomba estilo voluta simple.

Un método para lidiar con el arrastre es abrir las holguras de la bomba más allá de las recomendaciones normales. Muchos operadores tienen éxito al duplicar el espacio libre. La bomba será menos eficiente, pero funcionará.

En situaciones de succión inundada, si la bomba queda atrapada en el aire, puede detener la bomba y permitir que la burbuja pase y escape de la bomba y luego reinicie la bomba.

Algunos operadores tienen éxito incremental utilizando un impulsor más grande que lo que exigen las condiciones hidráulicas (basado en cero arrastre de aire).

Un enfoque menos frecuente y quizás más desesperado es agregar un inductor (unido al impulsor); esta ruta a menudo requiere asistencia técnica o de ingeniería externa.

Las bombas de fricción de disco tienen un gran éxito en el manejo de la incorporación de aire (según se informa) de hasta el 70 por ciento, con la desventaja de un alto costo. Las bombas de impulsor empotrado y de estilo Vortex también tienen un buen éxito, por lo general hasta un 20 a 22 por ciento de incorporación de aire. He sido testigo de cómo algunas bombas de impulsor empotradas manejan hasta un 24 por ciento de aire. También es común usar una bomba de cebado automático en aplicaciones por encima del 18 por ciento de incorporación de aire.

Los caudales mínimos también desempeñarán un papel importante en la gestión de problemas de incorporación de aire. Cuanto mayor sea el porcentaje de incorporación de aire, más flujo se requerirá para empujar o barrer las burbujas de aire a través del ojo del impulsor (consulte la Figura 1). Por lo tanto, operar la bomba hacia el lado izquierdo de la curva puede provocar obstrucciones por acumulación de aire.

Muchas veces, los operadores creen que un problema de la bomba es la cavitación cuando el verdadero culpable es la entrada de aire. Al igual que el diagnóstico de algunas enfermedades en el campo de la medicina, el proceso de eliminación de otras razones que podrían estar causando los síntomas es la forma en que se forma la conclusión. Si observa los componentes que componen la fórmula de NPSH disponible, puede determinar los pasos de acción para reducir potencialmente los efectos. Si eleva el cabezal de succión estático o enfría el líquido, debería reducir los efectos. O si reduce la velocidad de la bomba o reduce la velocidad de la descarga, los síntomas deberían reducirse.

Los problemas de incorporación de aire a menudo se ignoran o se confunden con cavitación y crearán problemas mecánicos y de rendimiento con una bomba centrífuga. Reduzca o elimine el aire para evitar problemas con fallas del eje y fallas prematuras de cojinetes y sellos mecánicos.

ReferenciasBombas centrífugas 2da edición, Igor J. Karassik y Terry McGuireSuction Side Problems-Gas Entrainment (Centrifugal Pumps Handbook) James H. IngramNuclear Regulatory Commission report # NRC-DR-09-0270 November, 2009, by Allan R. BudrisPumps & Systems, January 2016, Cavitación frente a arrastre de aire, Dr. Lev Nelik (léalo aquí)

Además, no olvide leer las "Razones más comunes para la entrada de aire en los sistemas de bombeo" de Jim Elsey aquí.

Jim Elsey es un ingeniero mecánico que se ha centrado en el diseño y las aplicaciones de equipos rotativos para el ejército y varios grandes fabricantes de equipos originales durante 43 años en la mayoría de los mercados industriales de todo el mundo. Elsey es miembro activo de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos, la Asociación Nacional de Ingenieros de Corrosión y la Sociedad Estadounidense de Metales. Es el gerente general de Summit Pump Inc. y el director de MaDDog Pump Consultants LLC. Se puede contactar a Elsey en [email protected].