Cómo reducir o eliminar la entrada de aire

No pensaba volver a escribir sobre el arrastre de aire, pero recientes problemas de campo me empujaron a retomar el tema. En los últimos meses, he estado involucrado en cuatro casos de mal entendido rendimiento de la bomba en los que se determinó que el aire incorporado era el principal culpable.

El arrastre de aire puede parecer cavitación y confundirse con ella 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 normalmente no colapsan cuando pasan por la bomba.

La incorporación de aire en cantidades muy pequeñas 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 mal rendimiento de la bomba a menudo se confunde y se atribuye erróneamente a una multitud de síntomas distintos del arrastre de aire. Un análisis exhaustivo de la causa raíz, además de la educación sobre el tema, mostrará que el aire incorporado 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 pulpa, especialmente porque 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 viendo un mayor uso de sistemas de circuito cerrado y un impulso por cuencas de torres de enfriamiento menos costosas, pero en consecuencia más poco 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” está el resultado de tanques de almacenamiento y recipientes de proceso cada vez 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 las burbujas de aire.

Los aumentos en el arrastre de aire de más del 1,5 al 2 por ciento tendrán efectos inmediatos y perjudiciales en la bomba tanto desde un aspecto de rendimiento inmediato como desde un aspecto mecánico de forma 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 disminuirá. El caudal disminuirá, la altura desarrollada disminuirá y la eficiencia disminuirá. El arrastre de aire, incluso en valores tan bajos como del 2 al 4 por ciento, provocará una mayor vibración de la bomba, lo que conduce directamente a una falla prematura de los rodamientos. La vibración es causada frecuentemente por cargas hidráulicas desequilibradas en el impulsor debido a un bloqueo parcial de aire.

El aire no ventilado también se acumula en la cámara del sello (configuraciones de prensaestopas estándar) para crear bolsas de aire que provocan el funcionamiento en seco de los sellos mecánicos. La operación de la cara del sello seca/no lubricada contribuye a acortar la vida útil y a la falla final. Si escucha un chirrido cuando la bomba arranca, generalmente se debe a que 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 al aumento hidráulico y al movimiento axial que se produce cuando una bomba se detiene un segundo (sin carga) y bombea al siguiente (carga completa) en un interminable e involuntario “ir a ”bucle de ciclo de fatiga por estrés.

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

El arrastre 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, probablemente la detendrá por completo.

La inmersión es un parámetro que a menudo se pasa por alto. El nivel adecuado de inmersión es fundamental y los vórtices son la fuente más común de aire no deseado introducido en los sistemas de bombas. Una inmersión inadecuada crea las condiciones para el fenómeno de vórtice, que introduce grandes cantidades de aire y daña la bomba en un corto período de tiempo. Si la inmersión 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, reduciendo efectivamente la velocidad del fluido. El hecho de que no puedas ver el vórtice no significa que no esté ocurriendo.

Llene y ventile adecuadamente el sistema inicialmente. He sido testigo de muchos casos en los que el operador no ventiló adecuadamente el sistema ni ventiló los puntos altos, las carcasas o los prensaestopas. A veces es prudente "hacer funcionar" la bomba varias veces durante un período corto (10 a 15 segundos +/-) para "barrer" las burbujas de aire hacia afuera y hacia abajo, lejos 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 reciben mantenimiento.

No se puede ventilar una bomba en funcionamiento. El impulsor giratorio actúa como una centrífuga donde el fluido más pesado se expulsa hacia afuera mientras que el aire más ligero 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, es probable que permanezca allí. Los diseños de descarga de línea central superior, como las bombas del Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI), están diseñados para tener ventilación automática. No se debe permitir que los fluidos que se dirigen a la fuente de suministro caigan libremente dentro del tanque. Si este es el caso, entonces el área debe estar lo más lejos posible de la succión de la bomba. Se deben instalar vertederos y/o barreras divisorias.

¿No estás seguro de si tienes aire incorporado? Puede realizar algunas pruebas sencillas que están cubiertas por el Instituto Hidráulico (HI). En general, se capturan muestras y se analizan. También puedes calcular si tienes la inmersión adecuada. Los gráficos de inmersión son otra herramienta útil, pero es necesario tener un pie de inmersión por cada pie de velocidad del fluido en el lado de succión. Puede buscar 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 financiera a reducir el tamaño de los tanques de suministro de succión. En sistemas cerrados y sistemas con retornos o suministros con 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 máxima cantidad de tiempo de retención/tiempo transitorio para la eliminación/mitigación de burbujas de aire.

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

En general, para cada tipo de bomba centrífuga y diseño de impulsor, existen diferentes resultados al bombear fluidos con aire arrastrado. Es una tarea difícil dar una respuesta simple de lo que funcionará o no para determinar resultados inconvenientes pero precisos. No existe una aplicación de fórmula mágica fácil en este momento. La velocidad específica (NS) y la velocidad específica de succión (NSS) son factores relevantes. Normalmente, 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 de la carcasa también desempeñará un papel importante. Normalmente, 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 simple bomba estilo voluta.

Un método para lidiar con el arrastre es abrir los espacios libres de la bomba más allá de las recomendaciones normales. Muchos operadores logran 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 detenerla y permitir que la burbuja pase y escape de la bomba y luego reinicie la bomba.

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

Una solución menos frecuente y quizá más desesperada es añadir un inductor (conectado al impulsor); Esta ruta a menudo requiere asistencia técnica o de ingeniería externa.

Las bombas de fricción de disco tienen gran éxito manejando un arrastre de aire (según se informa) de hasta el 70 por ciento, con la desventaja de su alto costo. Las bombas de estilo vórtice y de impulsor empotrado también tienen buen éxito, normalmente con un arrastre de aire de entre el 20 y el 22 por ciento. He sido testigo de algunas bombas de impulsor empotrado que manejan hasta un 24 por ciento de aire. También es común utilizar una bomba autocebante en aplicaciones con un nivel de entrada de aire superior al 18 por ciento.

Los caudales mínimos también desempeñarán un papel importante a la hora de gestionar los problemas de entrada de aire. Cuanto mayor sea el porcentaje de arrastre de aire, más flujo se necesitará para empujar o barrer las burbujas de aire que pasan por el ojo del impulsor (consulte la Figura 1). Por lo tanto, operar la bomba hacia el lado izquierdo de la curva puede provocar bloqueos de aire.

Muchas veces, los operadores creen que un problema de la bomba es la cavitación cuando el verdadero culpable es el aire incorporado. Al igual que el diagnóstico de algunas enfermedades en el campo médico, el proceso de eliminar otras razones que podrían estar causando los síntomas es la forma en que se llega a la conclusión. Si observa los componentes que componen la fórmula de NPSH disponible, puede determinar los pasos a seguir para reducir potencialmente los efectos. Si levanta el cabezal de succión estática o enfría el líquido, los efectos deberían reducirse. O si reduce la velocidad de la bomba o acelera la descarga, los síntomas deberían reducirse.

Los problemas de entrada 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 los rodamientos y sellos mecánicos.

ReferenciasCentrifugal Pumps 2nd edition, Igor J. Karassik y Terry McGuireSuction Side Problems-Gas Entrainment (Centrifugal Pumps Handbook) James H. IngramNuclear Regulatory Commission report # NRC-DR-09-0270 Noviembre de 2009, por Allan R. BudrisPumps & Systems, enero 2016, Cavitación versus arrastre de aire, Dr. Lev Nelik (léalo aquí)

Además, no olvide leer "Las razones más comunes para el arrastre de aire en los sistemas de bombas" de Jim Elsey aquí.

Jim Elsey es un ingeniero mecánico que se ha centrado en el diseño y 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. Puede comunicarse con Elsey en [email protected].