Bombas y Eyectores

3. BOMBAS Y EYECTORES.Bombas y Eyectores 3-2 Ingenieros de nuevo ingreso PEMEX REFINACIÓN Proyecto: Ingenieros de nuevo ingreso Líder de proyecto: Ing. René Soltero Sáenz Especialista: Ing. Manuel Méndez Zúñiga Ing. Marco Antonio Rendón Sosa Ing. Hugo Martínez de Santiago Ing. Gloria Isela Lugo Trejo Ing. Alberto Carrasco Rueda Ing. Carlos A. Medina Maldonado Ing. David J acobo Balbuena Ing. Tirso M. Policarpo Morales Copyright ©2009 INSTITUTO MEXICANO DEL PETRÓLEO Bombas y Eyectores Ingenieros de nuevo ingreso 3-3 Contenido 3 BOMBAS Y EYECTORES...................................................................................... 3-5 OBJ ETIVO INSTRUCCIONAL............................................................................................... 3-5 INTRODUCCIÓN.................................................................................................................... 3-7 3.1 DESCRIPCIÓN DE LAS BOMBAS............................................................................... 3-9 3.1.1 Clasificación general de las bombas. ........................................................................... 3-9 3.1.2 Descripción general de las bombas centrífugas......................................................... 3-10 3.1.3 Descripción general de las bombas reciprocantes..................................................... 3-25 3.1.4 Descripción general de las bombas rotatorias............................................................ 3-30 3.2 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA OPERACIÓN DE BOMBAS CENTRÍFUGAS........................................................................................................... 3-33 3.2.1 Propiedades físicas del líquido. .................................................................................. 3-33 3.2.2 Carga neta de succión positiva (NPSH). .................................................................... 3-34 3.2.3 Columna o carga estática total ) (h t . ........................................................................ 3-35 3.2.4 Columna o carga por presión ) (h p . .......................................................................... 3-36 3.2.5 Columna o carga debido a cambios de velocidad en el líquido ) (h v ....................... 3-36 3.2.6 Pérdidas de carga por fricción ) (h f .......................................................................... 3-37 3.2.7 Carga dinámica total (H).......................................................................................... 3-38 3.2.8 Capacidad de bombeo (Q).......................................................................................... 3-38 3.2.9 Potencia hidráulica de la bomba (HP B )....................................................................... 3-39 3.2.10 Eficiencia de la bomba (q B ) y potencia al freno (BHP). .............................................. 3-39 3.2.11 Potencia del motor. ..................................................................................................... 3-39 3.2.12 Energía consumida por el motor................................................................................. 3-40 3.3 SISTEMAS DE BOMBEO Y SUS APLICACIONES. .................................................. 3-41 3.3.1 Bombeo en serie......................................................................................................... 3-41 3.3.2 Bombeo en paralelo.................................................................................................... 3-41 3.4 CURVAS CARACTERÍSTICAS. ................................................................................. 3-42 3.5 PROCEDIMIENTOS DE OPERACIÓN Y FALLAS DE LAS BOMBAS...................... 3-44 3.5.1 Procedimiento de arranque......................................................................................... 3-44 3.5.2 Procedimiento de paro................................................................................................ 3-48 3.5.3 Mantenimiento preventivo........................................................................................... 3-48 3.5.4 Análisis de problemas, causas probables y soluciones.............................................. 3-49 3.6 SEGURIDAD EN LA OPERACIÓN DE LAS BOMBAS.............................................. 3-52 3.7 EYECTORES............................................................................................................... 3-53 3.7.1 Principio del eyector.................................................................................................... 3-53 3.7.2 Sistemas de vacío....................................................................................................... 3-53 3.7.3 Etapa simple. .............................................................................................................. 3-54 3.7.4 Multietapas.................................................................................................................. 3-55 3.7.5 Especificaciones ......................................................................................................... 3-57 BIBLIOGRAFÍA. ........................................................................................................ 3-62 Bombas y Eyectores Ingenieros de nuevo ingreso 3-5 3 BOMBAS Y EYECTORES. OBJETIVO INSTRUCCIONAL. Identificar y comprender la operación de las bombas, la función específica de cada una de sus partes y los factores que influyen en la operación de estas. Adquirir la habilidad para analizar el efecto de los cambios de las variables de operación del proceso sobre los factores principales de operación de las bombas, y tener los elementos necesarios para tomar decisiones en la estabilización de la operación de estos equipos y del proceso. Bombas y Eyectores Ingenieros de nuevo ingreso 3-7 INTRODUCCIÓN Dentro de Petróleos Mexicanos y sus subsidiarias, los operadores tienen una labor importante en el funcionamiento y desarrollo de la industria petrolera, por lo que se requiere que éste personal adquiera conocimientos firmes sobre las técnicas de operación de los equipos que integra las plantas de proceso, para que al efectuar sus labores lo hagan con la mayor seguridad y nivel de competencias. En esta sección se pretende proporcionar los aspectos más importantes sobre la operación de las bombas, de tal forma, que se operen estos equipos de la mejor manera posible. Se empieza la sección con la clasificación general de las bombas y sus aplicaciones, así como la descripción de sus principales partes y la función de cada una de ellas. Se hace un análisis de los factores que influyen en el diseño y operación de éstos equipos, tales como las propiedades físicas del líquido, carga dinámica, pérdidas por fricción, flujo y otros. Los sistemas de bombeo y sus aplicaciones se describen mencionando el efecto sobre las variables de operación del proceso. Se describen los procedimientos generales de operación, arranque y paro, remarcando los aspectos de seguridad que deben tenerse al trabajar con éstos equipos. También se presenta una tabla con los principales problemas, sus causas y las posibles soluciones a ellos. Finalmente, se proporciona una serie de ejercicios a través de los cuales se analiza el efecto de algunos cambios en las variables de proceso sobre la operación de las bombas. Bombas y Eyectores Ingenieros de nuevo ingreso 3-9 3.1 DESCRIPCIÓN DE LAS BOMBAS. Las bombas, son parte esencial de los procesos industriales, por lo que la selección y diseño de éstas debe hacerse cuidadosamente para evitar las fallas en la operación de estos equipos y de los procesos. Este equipo tiene la función de impulsar, para su transportación, un líquido de un nivel bajo a otro más alto, o de un medio de baja presión a otro de mayor presión, por lo que podemos definir a una bomba como un equipo que transforma la energía mecánica en energía cinética o de movimiento, de tipo hidráulico para mover un líquido entre dos niveles o de un sistema de baja presión a otro de alta presión. Por esto, es indispensable que el equipo tenga las mínimas fallas posibles para no interrumpir la continuidad de los procesos. También es necesario cumplir con las políticas de ahorro de energía, por lo que debe operarse las bombas lo más cerca posible del punto de máxima eficiencia. Por estas razones, es necesario conocer bien las bombas para poder hacer la mejor elección y optimizar la operación y el desarrollo de los procedimientos de arranque, paro, emergencias y de mantenimiento. Para esto, el sistema está integrado por: un recipiente que acumule el líquido, tubería de succión, bomba, tubería de descarga y recipiente al que se transporta el líquido que se bombea. 3.1.1 Clasificación general de las bombas. Para su descripción las bombas pueden ser clasificadas de varias formas, sin embargo existe una clasificación que utilizan los estándares del Instituto de Hidráulica (Hydraulic Institute Standards), la cual está basada en la configuración mecánica de la bomba. Las bombas se dividen en dos grupos: DINÁMICAS Y DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO, mismos que se ilustran en las figuras Fig. 3-1 y Fig. 3-2 respectivamente. FIG. 3-1. CLASIFICACIÓN DE BOMBAS DINÁMICAS. Bombas y Eyectores 3-10 Ingenieros de nuevo ingreso FIG. 3-2. CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO. Las bombas también pueden clasificarse de acuerdo a la aplicación o uso que se les da, en este caso, generalmente adoptan el nombre de la función que desempeñan dentro del proceso. Así, podemos tener por ejemplo: bombas de reflujo, bombas de carga o alimentación a otros equipos, bombas dosificadoras, bombas de recirculación, etc. 3.1.2 Descripción general de las bombas centrífugas. Este tipo de bombas es el más utilizado por su versatilidad en el manejo de diferentes tipos de líquidos, pueden mover desde cantidades moderadas, hasta grandes flujos y mediante arreglos de varios impulsores también pueden alcanzar altas presiones. SELECCION DE BOMBAS 10 100 1000 10000 1 10 100 1000 10000 CAPACIDAD (gpm) A L T U R A O C A R G A ( p i e s ) Periférica Centrífuga, altas rpm Alternativa Rotativa Flujo mixto Flujo axial Margen Op. Cen. Centrífuga FIG. 3-3. GUÍA PARA LA SELECCIÓN DE BOMBAS. Bombas y Eyectores Ingenieros de nuevo ingreso 3-11 La Fig. 3-3 muestra una gráfica que se utiliza como primera instancia para la selección de una bomba en función del flujo y carga dinámica que se necesita en el sistema de bombeo. También se consideran otros factores como propiedades físicas y químicas del líquido, para la selección de los materiales. 3.1.2.1 Partes de las bombas centrífugas. Las bombas centrífugas están constituidas por un impulsor y una caja que lo envuelve, llamada carcasa. Al girar el impulsor dentro de la carcasa produce una reducción de presión en el centro de la bomba la cual origina el flujo de líquido hacia el interior. Los álabes del impulsor arrojan el líquido hacia la periferia (fuerza centrífuga), aumentándole su velocidad. Esta energía de velocidad es transformada en energía de presión al paso del líquido por la carcasa, la Fig. 3-4 ilustra los principios de operación de las bombas centrífugas. FIG. 3-4. ACCIÓN DE LA FUERZA CENTRÍFUGA SOBRE EL LÍQUIDO BOMBEADO Y CIRCULACIÓN DE ESTE A TRAVÉS DE LA BOMBA. En la Fig. 3-5 se ilustran las partes principales de una bomba centrífuga cuya descripción se da a continuación. 1. CHAQUETA DE ENFRIAMIENTO: Espacio hueco que rodea la caja de rodamientos o chumaceras por donde se hace circular agua de enfriamiento con el propósito de retirar el calor generado por la fricción que se da entre las partes mecánicas. La norma de referencia NRF-050-PEMEX-2001 especifica en su punto 8.1.1 lo siguiente para la instalación de sistemas de enfriamiento: 8.1.1.13 Cuando se requiera enfriamiento, PEMEX debe especificar el tipo, presión y temperatura del fluido de enfriamiento disponible. El proveedor debe indicar el flujo requerido en la hoja de datos. 8.1.1.14 Cuando se suministren chaquetas de enfriamiento para cajas de estoperos, chumaceras, etc., deben diseñarse para una presión mínima de trabajo de 537 kPa (78 lb/pulg 2 ) manométrica y una presión de prueba hidrostática de 827 kPa (120 lb/pulg 2 ) manométrica, además de tener conexiones para limpieza de tal forma que toda la cavidad pueda limpiarse y drenarse. 8.1.1.15 Los sistemas de chaquetas de enfriamiento deben diseñarse para evitar la posibilidad de fugas del líquido bombeado hacia el líquido de enfriamiento. Los pasajes de enfriamiento no deben estar abiertos en las juntas de la carcasa. Bombas y Eyectores 3-12 Ingenieros de nuevo ingreso 8 4 2 1 3 9 4 6 18 12 14 10 11 5 7 17 13 15 16 19 20 21 1. Chaqueta de enfriamiento 2. Rodamientos de empuje 3. Salpicadores 4. Sellos de laberinto 5. Bastidor de rodamientos 6. Adaptador 7. Caja de enfriamiento 8. Flecha 9. Respiradero 10. Ducto de descarga 11. Bridas cara realzada 12. Anillos de desgaste 13. Cuña 14. Tuerca de impulsor 15. Arandela de seguridad 16. Impulsor 17. Camisa o manga 18. J unta 19. Tabique divisor 20. Carcaza 21. Sellos FIG. 3-5 BOMBA CENTRÍFUGA CON SELLO MECÁNICO. Las Fig. 3-6 y Fig. 3-7, del anexo A de la norma de referencia PEMEX 050, muestran la instalación típica de los sistemas de enfriamiento en las bombas centrífugas. FIG. 3-6. INSTALACIÓN DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO A LA CAJ A DE RODAMIENTOS Y COLLARÍN. Bombas y Eyectores Ingenieros de nuevo ingreso 3-13 FIG. 3-7. SISTEMA DE ENFRIAMIENTO EN BOMBAS MULTIPASOS. 2. RODAMIENTOS O COJINETES: Las bombas tienen dos tipos de rodamientos o cojinetes, uno de carga colocado en el extremo del lado del impulsor que soporta la mayor parte del peso de la flecha y otro de empuje del lado del cople que tiene la función de evitar el desplazamiento axial de la flecha hacia ese extremo provocado por la presión del líquido en la succión, en la Fig. 3-8 se muestra la geometría de los principales tipos de cojinetes. En la sección 8.1.9.1 de la norma de referencia PEMEX, citada anteriormente, se indican las especificaciones que deben cumplir los rodamientos, tal es el caso de la selección del tipo y arreglo de los cojinetes que se hace de acuerdo a la siguiente tabla (tabla No. 9 de la norma). Condición Tipo y arreglo de cojinete  Velocidad y vida útil de cojinetes radiales y de empuje dentro de los límites para cojinetes antifricción y  Energía de la bomba inferior al límite. Elemento rodante para radial y empuje.  Velocidad o vida útil de cojinete radial fuera de los límites para cojinetes antifricción y  Velocidad y vida útil de cojinete de empuje dentro de los límites para cojinetes antifricción y  Energía de la bomba inferior al límite. Hidrodinámico para radial y elemento rodante para empuje o Hidrodinámico para radial y empuje.  Velocidad o vida útil de cojinetes radiales y de empuje fuera de los límites para cojinetes antifricción o  Energía de la bomba superior al límite. Hidrodinámico para radial y empuje. Nota: Limitándose a lo siguiente: a) Velocidad de cojinete antifricción: Factor, Ndm no debe exceder 500,000 Donde: dm =diámetro promedio del cojinete. N =velocidad rpm +(d +D) /2, mm. b) Vida útil del cojinete antifricción: Clasificación básica L10h o ISO 281 (ANSI/ABMA estándar 9) de al menos 25,000 horas de operación continua a condiciones nominales, y al menos 16,000 hrs. a carga máxima radial y axial y velocidad nominal. c) Energía: Se requieren cojinetes hidrodinámicos radial y empuje cuando el producto de la potencia nominal de la bomba en kW (HP) y la velocidad nominal en RPM, sea 4 x 10 6 (5.4 x 10 6 ) o mayor. Bombas y Eyectores 3-14 Ingenieros de nuevo ingreso Generalmente las cargas radiales son soportadas por una sola fila de cojinetes de bolas (estándar) de pista profunda o por cojinetes (opcionales) de chumacera tipo manguito. La carga de empuje axial es soportada por un par de cojinetes de bolas de contacto angular de una sola fila montados espalda con espalda o por un cojinete de empuje hidrodinámico (utilizado conjuntamente cojinetes de chumacera tipo manguito). Cuando se utilizan cojinetes de bola (estándar), el cojinete exterior (cojinete de empuje) tiene un reborde y está trabado en su lugar, haciendo posible así soportar las cargas de empuje axial y radial. Todos los encajes son maquinados de precisión tanto al eje como a la caja de cojinetes, de acuerdo con las normas de la industria. FIG. 3-8. COJ INETES DE BOLAS, CILÍNDRICO Y CÓNICO, CON UNA Y DOS HILERAS. 3. SALPICADORES: Son anillos ubicados sobre la flecha de la bomba con la función de salpicar el aceite hacia los rodamientos para mantenerlos lubricados, los hay fijos y del tipo viajeros, la Fig. 3-9 muestra el funcionamiento del anillo salpicador. Las bombas centrífugas de alta capacidad requieren un sistema de lubricación forzado como el que se muestra en la Fig. 3-10. FIG. 3-9. FUNCIONAMIENTO DEL ANILLO SALPICADOR DE ACEITE. Bombas y Eyectores Ingenieros de nuevo ingreso 3-15 FIG. 3-10. SISTEMA DE LUBRICACIÓN FORZADO PARA BOMBAS DE ALTA CAPACIDAD. 4. SELLOS DE LABERINTO: Bordes y canales como los de la rosca de un tornillo y tuerca que tienen la función de evitar las fugas de aceite de la caja de rodamientos, de esta manera se evita que el aceite de los rodamientos emigra hacia el bastidor o caja de sellos y hacia el exterior de la bomba por el lado del cople. 5. BASTIDOR O CAJA DE RODAMIENTOS: Es la parte del extremo del lado del cople de la bomba con el espacio para alojar los rodamientos y depositar el aceite lubricante, Fig. 3-11. BASTIDOR FIG. 3-11. BASTIDOR O CAJ A DE RODAMIENTOS Y REVISIÓN DEL SISTEMA DE LUBRICACIÓN. 6. ADAPTADOR: Sección de la bomba entre la carcasa y la caja de rodamientos donde se ubican los sellos mecánicos. La Fig. 3-12 ilustra la sección de la bomba donde se encuentra el adaptador. FIG. 3-12. EL ADAPTADOR O PARTE DE LA BOMBA DONDE SE ALOJ AN LOS SELLOS. Bombas y Eyectores 3-16 Ingenieros de nuevo ingreso 7. CAJA DE ENFRIAMIENTO: Espacio hueco que rodea al adaptador para hacer circular por éste, un fluido de enfriamiento que elimine el calor generado por la fricción de los sellos con la camisa. La Fig. 3-13 muestra la caja de enfriamiento por donde circula agua para eliminar el calor generado por la fricción de los sellos. FIG. 3-13. CAJ A DE ENFRIAMIENTO DE LOS SELLOS. 8. FLECHA: Transmite la fuerza del motor hacia el impulsor de la bomba. La Fig. 3-14 y Fig. 3-15 muestran los principales ajustes que deben hacer a la flecha de las bombas. FIG. 3-14. ALINEAMIENTO DE LA FLECHA DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA. FIG. 3-15. DETERMINACIÓN DEL MOVIMIENTO RADIAL, AXIAL Y DEFLEXIÓN DE LA FLECHA. Bombas y Eyectores Ingenieros de nuevo ingreso 3-17 9. RESPIRADERO: Orificio de la caja de rodamientos por donde se eliminan los vapores que se acumulen en ésta, generalmente por evaporación parcial de los componentes más ligeros del aceite, evitando el presionamiento del bastidor y con ello las fugas de aceite. 10. DESCARGA: Conducto por donde sale el líquido que maneja la bomba, Fig. 3-16. 11. BRIDAS DE SUCCIÓN Y DESCARGA: Son del tipo de cara realzada con el objetivo de acoplar la bomba a las tuberías de succión y descarga por donde circula el líquido, a través de las bridas. En la Fig. 3-16 se ilustran como brida de aspiración e impulsión respectivamente. FIG. 3-16. ILUSTRACIÓN DE LAS BRIDAS Y ANILLOS DE DESGASTE ENTRE OTRAS PARTES DE UNA BOMBA. 12. ANILLOS DE DESGASTE: Colocados alrededor del impulsor en el extremo de la succión y parte posterior, Fig. 3-16, así como en la carcasa, para evitar el desgaste de éstas partes por el rozamiento que pudiera darse al girar el impulsor. 13. CUÑA: Ayuda a sujetar el impulsor a la flecha para evitar que éste se patine. 14. TUERCA DEL IMPULSOR: Para sujetar al impulsor. 15. ARANDELA DE SEGURIDAD: J unto con la tuerca sujetan el impulsor. 16. IMPULSORES: Dan velocidad al líquido como resultado de la fuerza centrífuga cuando éste gira; los hay abiertos, semiabiertos y cerrados; de álabes derechos o curvados tipo Francis, además de ser de alta y baja velocidad específica, como se ilustra en la Fig. 3-17. Algunos impulsores tienen instalado un inductor, Fig. 3-18, con la finalidad de mejorar las condiciones de succión de la bomba. Con este dispositivo se reduce la carga neta de succión positiva requerida, por lo que es recomendable utilizarlo cuando se tiene baja carga neta de succión positiva disponible. 17. CAMISA O MANGA: Cubierta cilíndrica que protege la flecha del desgaste que pudiera tener por el rozamiento con los sellos. 18. JUNTA: Establece un sello en la unión del adaptador con la carcasa para evitar posibles fugas del líquido por ésta unión. Bombas y Eyectores 3-18 Ingenieros de nuevo ingreso 19. TABIQUE DIVISOR: Reduce la turbulencia y formación de remolinos del líquido en la succión evitando la posible cavitación de la bomba. FIG. 3-17. DIFERENTES TIPOS DE IMPULSORES PARA BOMBAS CENTRÍFUGAS. FIG. 3-18. INDUCTOR. Bombas y Eyectores Ingenieros de nuevo ingreso 3-19 20. CARCASA: La carcasa es el componente de la bomba centrífuga que encierra el líquido lanzado por el impulsor y lo envía a la tubería de descarga, proporciona dirección al líquido y convierte su velocidad en energía de presión. La Fig. 3-19 muestra diferentes tipos de carcasas para bombas centrífugas. FIG. 3-19. CARCASA SIMPLE, CON DIFUSOR, CON ÁLABES DIRECCIONALES Y CON DOBLE VOLUTA. 21. SELLOS: Dispositivos cuya finalidad es proporcionar un cierre que reduzca la cantidad de líquido que se pierde por fugas entre las partes en movimiento y las fijas de la bomba. Cuando las características del líquido que se bombea lo permitan, se usa empaquetadura, la cual no está diseñada para crear una total hermeticidad, ya que las fugas permitidas sirven para lubricar las partes móviles y fijas en contacto. Las formas más simples de empaquetaduras están formadas por varios anillos de un material flexible insertados dentro de una cámara circular que se llama caja de empaquetaduras, Fig. 3-20. Un anillo circular que se mantiene mediante pernos ajustables, ejerce presión contra los anillos, apretándolos fuertemente contra la flecha. Si el líquido que se maneja no es apto para la lubricación, ésta se consigue mediante un aceite que se suele introducir hacia la mitad de la caja de empaquetaduras y es el que lubrica la flecha. FIG. 3-20. SISTEMA DE SELLADO CON EMPAQUES SIN ENFRIAMIENTO Y CON SISTEMA DE ENFRIAMIENTO. Los sellos mecánicos sustituyen a los sistemas de empaquetaduras; su principal ventaja sobre éstas radica en la reducción de las fugas. Cuando una bomba con sello mecánico está en reserva o de relevo, conviene mantenerla a su presión de succión. La norma de referencia PEMEX en el punto 8.1.7.1.2 establece que el diseño del sello mecánico debe ser tipo cartucho; que incluya la camisa, collarín, sellos primarios y secundarios como unidad. Estos sellos deben ser removibles sin desmontar el accionador. No se permiten mangas o camisas tipo gancho (“hook”), Fig. 3-21. Algunas desventajas de los sellos mecánicos son su mayor costo inicial y el hecho de que una vez que empieza a fugar el líquido hay que parar la bomba y la reparación lleva un tiempo mayor que el que se necesitaría para reparar un sello con empaquetaduras, por lo que el uso está justificado sólo cuando se pretenda una reducción de pérdidas de líquido. Bombas y Eyectores 3-20 Ingenieros de nuevo ingreso FIG. 3-21. SELLO MECÁNICO SENCILLO. La norma de referencia también establece en su punto 8.1.7.1.5 que el sello mecánico dual no presurizado debe ser balanceado (dos elementos flexibles y dos caras giratorias en serie), estar diseñado para resistir la presión del fluido barrera. Estos sellos deben tener un balance interno para resistir diferenciales de presión que pueda abrirlos, Fig. 3-22. FIG. 3-22. GEOMETRÍA DEL SELLO MECÁNICO DUAL NO PRESURIZADO. En bombas con diseños específicos para una cierta aplicación se sellos mecánico como el de tipo cartucho. Este sistema es independiente de las otras partes de la bomba y no requiere ajuste. Según la naturaleza del fluido, el sello de cartucho puede suministrarse en las configuraciones siguientes:  Enjuague antes de parar la bomba para los fluidos que cristalizan.  Inyección de agua en funcionamiento para los fluidos con materias abrasivas, cuando lo permita el proceso. En este caso, el sello es lubricado por agua limpia.  Cuando el método no permite la inyección de agua, el engrase de la cámara del sello permite limitar los efectos de la cristalización. Bombas y Eyectores Ingenieros de nuevo ingreso 3-21  Para las aplicaciones en fluidos peligrosos, cuando las condiciones del proceso lo requieran, el cartucho se realiza con un sello doble con lubricación externa. Las Fig. 3-23 y Fig. 3-24 ilustran algunas de las características de estos tipos de sellos. FIG. 3-23. SELLOS CON SISTEMA DE INYECCIÓN DE AGUA, ENGRASE O CON CARTUCHO DOBLE. FIG. 3-24. SISTEMA DE AUTOSELLO SIN Y CON ENFRIAMIENTO. En el apéndice C de la NRF-050-PEMEX-2001 se especifica el Código de clasificación para sellos mecánicos, este código se describe a continuación. Los materiales del sello mecánico y sus características constructivas pueden ser codificados de acuerdo al siguiente sistema de clasificación de cinco letras: Primera letra: B (Balanceado) o U (No balanceado). Segunda letra: S (Sencillo), D (Dual presurizado) o T (Dual no presurizado). Tercera letra: Tipo de brida (P= Plana, T= Con buje de restricción, A= Con dispositivo auxiliar de sellado). Cuarta letra: Materiales de los empaques. (ver tabla C-4). Quinta letra: Materiales de las caras. (ver tabla C-5). Bombas y Eyectores 3-22 Ingenieros de nuevo ingreso Ejemplo, un sello con código BSTEL debe ser un sello sencillo balanceado con un buje restrictor en la brida y tiene un empaque estacionario de Vitón, un anillo de sellado de teflón o Kel-F como empaque de la manga y las caras carbón contra carburo de tungsteno -1. Los materiales no listados, deben codificarse con X y definirse en la hoja de datos (anexo “A” de la norma). Tabla C-4. Cuarta letra del código de clasificación del sello mecánico. Parte Cuarta letra Empaque de la cara estacionaria Empaque de la cara giratoria a la manga E Fluoroelastómero (FKM) Teflón (PTFE) F Fluoroelastómero (FKM) Fluoroelastómero (FKM) G Teflón (PTFE) Teflón (PTFE) H Nitrilo Nitrilo I FFKM Elastómero FFKM R Grafito laminado Grafito laminado X Como se especifique Como se especifique Z Devanado en espiral Grafito laminado Tabla C-5. Quinta letra del código de clasificación del sello mecánico. Parte Quinta letra Cara estacionaria Cara giratoria L Carbono Carburo de tungsteno 1 M Carbono Carburo de tungsteno 2 N Carbono Carburo de silicio O Carburo de tungsteno 2 Carburo de silicio P Carburo de silicio Carburo de silicio X Como se especifique Como se especifique Notas: 1. Los resortes para sellos múltiples deben ser de Hastelloy C. Los resortes para sellos sencillos deben ser de acero inoxidable 316. Otras partes metálicas deben ser de acero inoxidable 316 u otro material resistente a la corrosión adecuado para el servicio, excepto cuando se use fuelle metálico, donde el material debe ser el recomendado por el proveedor del sello para el servicio. El fuelle metálico debe tener un rango de corrosión menor que 51 micras (0.002 pulg) por año. 2. A menos que otra cosa se especifique, el empaque de la brida debe ser “O-ring” de fluoroelastómero para temperaturas inferiores a 149 °C (300°F). Para temperaturas superiores o cuando se especifique, se debe usar grafito con espirales de acero inoxidable austenítico. El empaque debe resistir (sin enfriamiento) la temperatura del líquido bombeado. 3. La cara del sello de metal debe ser sólida y no sobrepuesta por aspersión. 4. Cuando la temperatura de bombeo excede 177 °C (350°F), se puede usar, de acuerdo con el proveedor del sello, un líquido frío para las caras del sello o la cámara del sello de extremo muerto con chaqueta de enfriamiento. Bombas y Eyectores Ingenieros de nuevo ingreso 3-23 5. Los límites de temperatura para empaques de sellos mecánicos son los especificados en la tabla C-6 de la norma de referencia PEMEX. La Fig. 3-25 muestra las partes que integran un sello mecánico A. Soporte del resorte B. Resorte C. Fuelle D. Disco F. Cara rotativa G. Caras lapeadas de sellado H. Sello secundario I. Asiento J. Muesca de arrastre K. Carcasa L. Oreja de la banda de arrastre M. Banda de arrastre FIG. 3-25. PARTES DE UN SELLO MECÁNICO DOBLE. 3.1.2.2 Tipos de bombas centrífugas. Como se mencionó en la clasificación de las bombas, existe una gran variedad de de estas y en los siguientes párrafos se mencionan algunas de ellas. La Fig. 3-26 muestra las bombas centrífuga autocebantes. FIG. 3-26. BOMBAS CENTRÍFUGAS AUTOCEBANTES. La Fig. 3-27 muestra una bomba centrífuga con empaques, misma que se utilizan cuando él líquido que se bombea no es peligroso. Bombas y Eyectores 3-24 Ingenieros de nuevo ingreso FIG. 3-27. BOMBA CENTRÍFUGA DE DOBLE SUCCIÓN CON EMPAQUES. Un tipo de bomba muy común es la centrífuga vertical, Fig. 3-28. Estas se utilizan para bombear líquidos de alta presión de vapor o gases licuados, por lo que es necesario incrementar la carga o altura de succión mediante un pozo profundo para evitar su evaporación y provocar problemas de engasamiento y cavitación. Cuando es necesario bombear el líquido a altas presiones, como en bombas de alimentación a calderas, o bombear a grandes distancias, se usan las bombas de multipasos, caracterizadas por tener varios impulsores en serie, Fig. 3-29. Y si es necesario mover un líquido como el mercurio, se tiene la bomba especial electromagnética, Fig. 3-30. FIG. 3-28. BOMBAS CENTRIFUGAS VERTICALES DE UN PASO Y MULTIPASOS (DE POZO PROFUNDO). Bombas y Eyectores Ingenieros de nuevo ingreso 3-25 FIG. 3-29. BOMBA CENTRÍFUGA DE MULTIPASOS ILUSTRANDO LA CONEXIÓN EN SERIE ENTRE IMPULSORES. FIG. 3-30. ESQUEMA DE UNA BOMBA ELECTROMAGNÉTICA, USADA PARA MANEJ AR MERCURIO. 3.1.3 Descripción general de las bombas reciprocantes. En las bombas de desplazamiento positivo, también llamadas volumétrica, el desplazamiento del líquido se realiza en un proceso en el que se verifica el desalojo periódico del líquido contenido en unas cámaras de trabajo, mediante un mecanismo (pistón, engranaje, etc), con unos espacios que comunican, la cavidad de entrada del líquido o cámara de succión, con la cavidad de salida o cámara de descarga, pudiendo tener una o varias cámaras de trabajo. El funcionamiento consiste en el paso periódico de determinadas porciones de líquido, desde la cavidad de succión, a la de descarga de la bomba, con un aumento de presión; el paso del líquido por la bomba volumétrica, a diferencia del paso por los álabes de una bomba centrífuga, es siempre más o menos irregular, por lo que en general, el flujo se considerará como el promedio del flujo bombeado. La cavidad de succión esta herméticamente aislada de la de descarga; a veces se puede admitir pequeñas filtraciones de líquido a través de las holguras. En general, las bombas volumétricas son autoaspirantes o autocebantes, por lo que si comienzan a funcionar con aire, sin líquido, pueden llegar a crear un vacío capaz de succionar al líquido por la tubería de succión, con la condición de que la altura geométrica de succión no sobrepase un cierto valor, propiedad que se puede perder cuando la hermeticidad o el número de revoluciones son insuficientes. Bombas y Eyectores 3-26 Ingenieros de nuevo ingreso 3.1.3.1 Bombas de pistón o émbolo (reciprocantes o alternativas). En las bombas de émbolo el líquido es desalojado del cilindro por el movimiento alternativo o reciprocante de un pistón, accionado por un mecanismo biela manivela, aunque también se pueden utilizar otros mecanismos, como levas excéntricas. En estas bombas, el volumen de líquido bombeado es igual al área del extremo del pistón que realiza la compresión multiplicada por la carrera del mismo. Con las bombas reciprocantes o de émbolo se consiguen altas presiones, sin embargo los flujos que se manejan son reducidos, por esta razón generalmente se utilizan para dosificar reactivos. Las bombas de émbolo cuentan con válvulas de succión y de descarga que regulan el movimiento del líquido a través del cilindro, mientras se está llenando, la válvula de succión permanece abierta y la de descarga cerrada, invirtiéndose la posición de las válvulas durante la descarga del líquido; estas válvulas sólo se abren por la diferencia de presiones, y se cierran por su propio peso o por la acción de algún mecanismo con muelle. Según el número de cámaras de trabajo por cilindro se dividen en bombas de simple acción o efecto con una cámara de trabajo por cilindro y de acción doble con dos cámaras de trabajo. En la bomba de simple acción, Fig. 3-31, el líquido se descarga únicamente durante media vuelta de la manivela, y en la segunda media vuelta, el líquido se succiona, esto es, comprime sólo por un extremo del pistón. FIG. 3-31. PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE LAS BOMBAS RECIPROCANTES DE SIMPLE ACCIÓN O EFECTO. Para la bomba de doble acción, Fig. 3-32, el flujo durante una vuelta se reduce por dos veces a cero, y también, por dos veces alcanza el valor máximo, siendo su irregularidad menor que en la de simple acción. Estas bombas también se pueden identificar porque comprimen por ambos extremos del pistón. FIG. 3-32. PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE LAS BOMBAS RECIPROCANTES DE ACCIÓN DOBLE. Bombas y Eyectores Ingenieros de nuevo ingreso 3-27 En la Fig. 3-33 se muestra una bomba de acción directa de simple efecto y una de doble efecto, las que se caracterizan por tener unidos por una flecha tanto el pistón accionado por el vapor como el émbolo que impulsa el líquido que se bombea. FIG. 3-33. BOMBA RECIPROCANTE DE ACCIÓN DIRECTA. En la Fig. 3-35 y Fig. 3-35 se muestran las bombas de potencia. Este tipo de bombas generalmente son movidas por motor y están equipadas con sistemas de reducción de velocidad y un cigüeñal con biela para convertir el movimiento rotatorio del motor en movimiento alternativo o reciprocante. Bombas y Eyectores 3-28 Ingenieros de nuevo ingreso FIG. 3-34. BOMBA RECIPROCANTE DE POTENCIA DE DOBLE ACCIÓN CON CÁMARA DE AIRE. FIG. 3-35. BOMBAS RECIPROCANTES DE POTENCIA DE ACCIÓN SIMPLE. Las bombas reciprocantes de potencia son simplex cuando cuentan con un solo pistón; dúplex, triplex y múltiplex cuando tienen dos, tres o más pistones respectivamente. La Fig. 3-36 nos muestra bombas de reciprocantes dúplex. FIG. 3-36. BOMBAS RECIPROCANTES DUPLEX. Bombas y Eyectores Ingenieros de nuevo ingreso 3-29 3.1.3.2 Bombas de diafragma. Ocasionalmente, las bombas reciprocantes están provistas de un diafragma flexible en lugar de un émbolo o pistón, con lo cual se elimina la fricción y las fugas en la caja de empaque. Un ejemplo de esta bomba es ilustrado en la Fig. 3-37 en la cual el movimiento del diafragma es obtenido mediante una leva excéntrica y una palanca. Tales bombas son muy comunes en la actualidad para dosificar reactivos en cantidades considerables, ya que por el diámetro del diafragma manejan mayor flujo que las de pistón. FIG. 3-37. PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE UNA BOMBA DE DIAFRAGMA. Las bombas de diafragma desplazan el líquido por medio de diafragmas de un material flexible y resistente. Comúnmente los diafragmas se fabrican de caucho reforzado con materiales sintéticos. En la actualidad, estos materiales son muy resistentes y pueden durar de dos a tres años de funcionamiento continuo antes de requerir reemplazo, dependiendo de las propiedades físicas y químicas del líquido bombeado. Cuando se instala una bomba de este tipo se debe considerar el costo que representa el reemplazo de los diafragmas una vez cada dos o tres años. La vida útil de este tipo de bomba es aproximadamente 5 años del uso. Las bombas de diafragma operadas con aire comprimido, Fig. 3-38, se caracterizan por operar a velocidad y presión variables, tienen la capacidad de funcionar en seco sin dañarse, autocebantes, permiten el paso de sólidos en suspensión, y productos viscosos, entre otros. La bomba no requiere de sellos mecánicos o especiales, ni complejos controladores de velocidad variable ni arreglos de by pass en la instalación hidráulica. Fig. 3-38. BOMBAS DE DIAFRAGMA OPERADAS CON AIRE COMPRIMIDO. Bombas y Eyectores 3-30 Ingenieros de nuevo ingreso 3.1.4 Descripción general de las bombas rotatorias. Las bombas rotatorias pertenecen a una clase de bombas volumétricas o de desplazamiento positivo que tienen una amplia gama de aplicaciones; las diversas bombas que componen este grupo se diferencian sustancialmente en su diseño y construcción, pero tienen muchas características comunes, como la traslación de las cámaras de trabajo desde el conducto de succión de la bomba hasta el de descarga, o el movimiento absoluto giratorio. En las bombas rotatorias, el líquido se traslada en las cámaras de trabajo, debido al movimiento giratorio del rotor y el eje respecto a la parte fija o estator. En el estator están los conductos de succión y descarga; además, la bomba tiene uno o varios elementos móviles, que se desplazan mediante movimientos cíclicos respecto al rotor; en la Fig. 3-39 se exponen bombas de lóbulos. FIG. 3-39. BOMBA DE 2, 3 Y 4 LÓBULOS. El proceso de trabajo de las bombas rotatorias consta fundamentalmente de tres etapas: a). Llenado de las cámaras de trabajo por el líquido. b). Cierre de las cámaras de trabajo, aislándose los conductos de succión y descarga, y trasladando el líquido de uno a otro. c). Desalojo del líquido de las cámaras de trabajo. 3.1.4.1 Bombas de engranes. La bomba de engranajes consiste en dos ruedas dentadas iguales, ajustadas al cuerpo de la bomba o carcasa, Fig. 3-40. Como el espacio entre elementos y la carcasa es extremadamente pequeño y el material que es bombeado actúa como agente lubricante, la bomba nunca girará en seco. Estas bombas no están diseñadas para transportar sólidos, y por regla general llevan filtros en la línea de succión. FIG. 3-40. BOMBAS ROTATORIAS DE ENGRANES INTERNOS Y EXTERNOS. Bombas y Eyectores Ingenieros de nuevo ingreso 3-31 En el conducto de succión, el líquido llena los espacios entre los dientes de ambas ruedas dentadas, y después, estos volúmenes se aíslan y desplazan por unos arcos de circunferencia a la descarga de la bomba. Al engranar los dientes entre sí, cada uno de ellos entra en el que le corresponde, desalojando al mismo tiempo el líquido contenido en el mismo; como el volumen del hueco es mayor que el del diente que engrana, una porción de líquido retornará a la succión. Estas bombas generalmente son movidas por motor eléctrico o turbina de vapor, pero también pueden ser movidas por la presión de otro fluido, como en el caso de las utilizadas en los campos petroleros en donde se utiliza la presión del gas de campo. Las bombas rotatorias se usan principalmente para sistemas hidráulicos en los que generalmente el líquido tiene una alta viscosidad y pueden manejar mayores flujos que las reciprocantes, alcanzando presiones hasta de 200 kg/cm 2 . Las bombas rotatorias de engranajes doble helicoidal, Fig. 3-41, tienen dos engranes helicoidales, uno conductor y el otro conducido, que proporcionan un flujo constante sin pulsaciones y le dan características autocebantes a la bomba. FIG. 3-41. BOMBA DE ENGRANES HELICOIDALES. 3.1.4.2 Bombas de tornillos helicoidales. Las bombas helicoidales pueden ser de uno o varios tornillos, Fig. 3-42 y Fig. 3-43. Si se considera una bomba helicoidal de tres tornillos, Fig. 3-44, de los cuales el central es el conductor y los dos laterales los conducidos, para asegurar un cierre hermético de las cámaras de trabajo y, por lo tanto, la separación de los conductos de succión y descarga de la bomba, se necesita que los tornillos tengan un perfil cicloidal determinado. En el tornillo conductor este perfil es convexo, mientras que en los conducidos es cóncavo. Generalmente la rosca es de dos entradas, y la relación de engrane desde el tornillo conductor hasta los conducidos es igual a la unidad. Las cámaras de trabajo vienen limitadas entre los filetes de los tres tornillos y las superficies internas del estator; durante el giro de los tornillos, las cámaras de trabajo se desplazan, junto con el líquido, a lo largo de los ejes de rotación. El perfil de los tornillos es tal que los conducidos se descargan completamente, accionados por el conductor que es el que realiza el trabajo de desplazamiento, actuando éste, al mismo tiempo, como rotor y como desplazador. Los tornillos conducidos desempeñan la misión de separar las cavidades de admisión e impulsión, pero sin desalojar al líquido. Bombas y Eyectores 3-32 Ingenieros de nuevo ingreso FIG. 3-42. BOMBA HELICOIDAL DE UN TORNILLO. FIG. 3-43. IMPULSORES Y BOMBAS HELICOIDALES DE DOS TORNILLOS. FIG. 3-44. BOMBA HELICOIDAL DE TRES TORNILLOS. Bombas y Eyectores Ingenieros de nuevo ingreso 3-33 3.1.4.3 Bombas de paletas o aletas deslizables. Las bombas de paletas o aletas consisten en un conjunto de cuatro o más aletas con cinemática plana (radial), Fig. 3-45. El rotor es un cilindro hueco con ranuras radiales en las que oscilan o deslizan las paletas, que son los desplazadores del líquido. FIG. 3-45. BOMBA DE PALETAS DESLIZABLES. 3.2 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA OPERACIÓN DE BOMBAS CENTRÍFUGAS. Existen factores que intervienen en la operación de las bombas, que son tomados en cuenta desde el diseño de las mismas, por lo que debe tenerse cuidado para que al operarlas no se excedan sus valores máximos, para evitar que se le ocasionen daños a sus partes mecánicas. Los factores son el resultado del análisis de las propiedades físicas del líquido y de las instalaciones que integran el sistema de bombeo. 3.2.1 Propiedades físicas del líquido. Las propiedades físicas del líquido que intervienen en la operación de las bombas son el peso específico, viscosidad, presión de vapor y sobre estas propiedades la temperatura es muy importante ya que las primeras dependen de ésta variable. PESO ESPECÍFICO: El peso específico del líquido que maneja la bomba es importante ya que si se le hace manejar un líquido con mayor peso específico la bomba va a requerir mayor energía para poder bombearlo o sé verá reducido su flujo o su carga dinámica. VISCOSIDAD: La viscosidad de los líquidos influye sobre la operación de una bomba ya que si ésta variable se incrementa se tendrá mayor dificultad para desplazarlo debido a que se incrementan considerablemente su carga dinámica por las pérdidas debido a la fricción. PRESIÓN DE VAPOR: Esta variable influye sobre la carga neta de succión positiva disponible de una bomba debido a que si se incrementa se corre el riesgo de provocar que el líquido sufra engasamiento y opere la bomba con cavitación. TEMPERATURA DEL LÍQUIDO: La temperatura con la que la bomba maneja el líquido es muy importante ya que cuando se diseña es uno de los factores que se toman en cuenta debido a que de ésta variable dependen las anteriormente mencionadas. La densidad y viscosidad reducen con el incremento de temperatura y esto aliviaría el trabajo desarrollado por la bomba, sin embargo, se corre el riesgo de provocar el engasamiento del líquido y por lo tanto la cavitación de la bomba debido a que sé incrementa la presión de vapor del líquido. Bombas y Eyectores 3-34 Ingenieros de nuevo ingreso 3.2.2 Carga neta de succión positiva (NPSH). En la operación de las bombas es necesario tomar en cuenta dos cargas netas de succión, la disponible y la requerida. La carga neta de succión positiva disponible (NPSH) D de una bomba, es la carga total con la cual la bomba succiona el líquido. Esta carga depende de las instalaciones, así que los factores que influyen en la carga son columna estática de succión, perdidas de carga por fricción en la succión, presión absoluta en el tanque de succión y de la presión de vapor del líquido a la temperatura de succión. fs s v S D h h 10 * Pe P P (NPSH) ÷ + ÷ = = D (NPSH) Carga neta de succión positiva disponible (m). = S P Presión absoluta de succión (kg/cm 2 ). = v P Presión de vapor a la temperatura de bombeo (kg/cm 2 ). = Pe Peso específico (sin dimensiones). = s h Columna estática de succión (m). = fs h Perdidas de carga por fricción en la succión (m). La figura Fig. 3-46 muestra gráficamente algunos de los factores que influyen sobre la carga neta de succión positiva disponible (NPSH) D La otra carga que hay que tomar en cuenta en la operación de las bombas es la carga neta de succión positiva requerida por la bomba (NPSH) R , éste valor lo proporciona el fabricante de la bomba con sus curvas de operación y depende de la fabricación, la velocidad específica y el tipo del impulsor. FIG. 3-46. FACTORES DE LA CARGA NETA DE SUCCIÓN POSITIVA DISPONIBLE (NPSH) D . Para evitar la cavitación de una bomba es necesario cuidar que la diferencia entre la carga neta de succión positiva disponible y la requerida no sea cero o negativa. En la práctica de los diseños se considera como valor normal de ésta diferencia un mínimo de 2.0 pies (0.6096 m). m) (0.6096 pies 2.0 (NPSH) (NPSH) R D = ÷ Bombas y Eyectores Ingenieros de nuevo ingreso 3-35 3.2.3 Columna o carga estática total ) (h t . En los sistemas de bombeo se consideran factores en los que se toma en cuenta la ubicación de la bomba con respecto al recipiente de succión y la trayectoria que sigue la tubería de descarga hasta el recipiente donde la bomba descarga al líquido manejado. LA COLUMNA O CARGA ESTÁTICA TOTAL (h t ) se establece con la diferencia de alturas entre el nivel del líquido en el recipiente de succión y el punto más alto sobre la tubería de descarga, esto nos indica que esta carga es la columna que la bomba realmente tiene que mover al líquido para lo cual tendrá que proporcionar una energía equivalente a la fuerza de la presión hidrostática generada por el líquido que se bombea. En sistemas de bombeo como el de la Fig. 3-47 la columna estática total queda establecida por la diferencia entre la columna estática de descarga (h d ) y la columna estática de succión (h s ). s d h h ÷ = t h Para sistemas donde el nivel del líquido succionado se encuentra por debajo de la ubicación de la bomba, la columna estática total se determina con la siguiente expresión: s d h h + = t h FIG. 3-47. SISTEMA DE BOMBEO TÍPICO EN LAS PLANTAS DE PROCESO. COLUMNA ESTÁTICA DE DESCARGA (h d ): Esta columna está considerada por la diferencia de alturas entre la bomba y el punto más alto sobre la tubería de descarga. COLUMNA ESTÁTICA DE SUCCIÓN (h s ): Se considera como la diferencia de alturas entre el nivel del líquido en el recipiente de succión y la ubicación de la bomba, considerando como punto de referencia al ojo del impulsor. Bombas y Eyectores 3-36 Ingenieros de nuevo ingreso 3.2.4 Columna o carga por presión ) (h p . Cuando se tienen diferentes presiones en los recipientes de succión y descarga de la bomba, se genera una carga que la bomba tiene que vencer. Esta carga se determina con la diferencia de presiones entre los recipientes del sistema de bombeo y el peso específico del líquido bombeado mediante la siguiente fórmula: 10 * h p Pe P P ts td ÷ = = p h Columna o carga por presión (m). = td P Presión en el tanque de descarga (kg/cm 2 ). = ts P Presión en el tanque de succión (kg/cm 2 ). = Pe Peso específico del líquido (sin dimensiones). 3.2.5 Columna o carga debido a cambios de velocidad en el líquido ) (h v . Cuando un fluido se somete a cambios de velocidad a través de la tubería se genera una carga que depende de la diferencia de estos cambios y de la aceleración de la gravedad. En el caso de sistemas de bombeo esta carga generalmente es despreciable (prácticamente cero), ya que la diferencia que se presenta entre la velocidad en la tubería de succión y en la de descarga y el efecto de la temperatura no es considerable, debido a que el flujo a través de los sistemas de bombeo se realiza generalmente a la misma temperatura y los cambios de volumen por temperatura en un líquido son muy pequeños por considerarse a los líquidos como incompresibles. Las pérdidas de carga debida a los cambios de velocidad por reducciones y ensanchamientos se pueden conocer por la siguiente expresión algebraica: g V A A 2 * h 2 2 1 2 v | | . | \ | = = v h Columna o carga por cambio de velocidad (m). = 1 A Área de la sección transversal de la tubería de mayor diámetro. = 2 A Área de la sección transversal de la tubería de menor diámetro. = 2 V Velocidad en la sección de la tubería de menor diámetro (m/s). = g Aceleración de la gravedad. Se debe determinar las pérdidas para cada reducción y ensanchamiento del sistema y sumar los resultados para tener la columna o carga total por cambios de velocidad. El área de la tubería se puede determinar con el diámetro interno mediante la expresión: 2 * 785 . 0 D A = Bombas y Eyectores Ingenieros de nuevo ingreso 3-37 3.2.6 Pérdidas de carga por fricción ) (h f . Es la carga que se pierde por el rozamiento del líquido con las paredes de la tubería y accesorios, esta carga depende de los siguientes factores: 1. Peso específico, viscosidad y temperatura del líquido. 2. Flujo de bombeo o caudal (gasto). 3. Longitud, diámetro y tipo de tubería. 4. Cantidad de accesorios. Existen una variedad de nomogramas para determinar las pérdidas de carga por fricción como el de la Fig. 3-48. El valor obtenido del nomograma se multiplica por la longitud total (lineal y equivalente) de la tubería para tener las pérdidas totales por fricción del sistema de bombeo. FIG. 3-48. NOMOGRAMA PARA DETERMINAR LAS PÉRDIDAS POR FRICCIÓN DEL AGUA EN TUBERÍAS DE PLÁSTICO. Bombas y Eyectores 3-38 Ingenieros de nuevo ingreso 3.2.7 Carga dinámica total (H). La carga dinámica de una bomba es la carga total que la bomba requiere para poder mantener el líquido en movimiento y está determinada por la suma de todas las cargas del sistema de bombeo. En los datos de placa de las bombas a ésta carga también le dan el nombre de columna, altura, cabeza o “head” con las unidades m (metros) o ft (pies). f v p t h h h h H + + + = = H Carga dinámica total (m). = t h Columna estática total (m). = p h Columna o carga de presión (m). = v h Columna o carga de velocidad (m). = f h Perdidas de carga por fricción (m). En la práctica se puede determinar la carga dinámica que la bomba proporciona en el momento de la operación. En este caso la carga se determina por la diferencia de presiones de descarga y succión dividida entre el peso específico del líquido que bombea y multiplicándolo por 10. 10 * H Pe P P S D ÷ = = H Carga dinámica total (m). = D P Presión de descarga de la bomba (kg/cm 2 ). = S P Presión de succión de la bomba (kg/cm 2 ). = Pe Peso específico del líquido (sin dimensiones). 3.2.8 Capacidad de bombeo (Q). La capacidad de una bomba está determinada por la cantidad de líquido o flujo (Q) que maneje, Fig. 3-49. Este factor influye directamente en el consumo de energía de la bomba, siendo mayor al incrementar la capacidad de bombeo. FIG. 3-49. ARREGLO TÍPICO DE MOTOR-BOMBA Bombas y Eyectores Ingenieros de nuevo ingreso 3-39 3.2.9 Potencia hidráulica de la bomba (HP B ). Todos los factores analizados anteriormente nos proporcionan la potencia o trabajo por unidad de tiempo que una bomba transmite al líquido para poder moverlo. Esta energía se puede determinar mediante la siguiente expresión: 0000242 . 0 * * * Pe Q H HP B = = B HP Potencia hidráulica de la bomba. = H Carga dinámica total (m). = Q Flujo de la bomba (B/D). = Pe Peso específico del líquido. 3.2.10 Eficiencia de la bomba (q B ) y potencia al freno (BHP). El dato de eficiencia de una bomba ( B q ), generalmente es proporcionado por el fabricante mediante las curvas de operación, nos indica cual es la relación que hay entre la energía utilizada por la bomba para mover el líquido o potencia hidráulica (HP B ) y la energía total consumida por esta, a través de la flecha, misma que le proporciona un motor eléctrico o cualquier otro equipo motriz y que se conoce como POTENCIA AL FRENO ( BHP). BHP HP B = B q = B q Eficiencia de la bomba, en fracción de la unidad, en % multiplicar por 100. = B HP Potencia hidráulica de la bomba (HP). = BHP Potencia al freno de la bomba (HP). 3.2.11 Potencia del motor. La potencia que un motor trifásico proporciona ( M HP ) a una bomba a través de su flecha,Fig. 3-50, esta determinada por los factores de la siguiente expresión: 746 73 . 1 * * * * M q p M F I E HP = = M HP Potencia proporcionada por el motor (HP) = E Diferencia de potencial eléctrico o voltaje al que se conecta el motor (Volts). = I Intensidad de corriente eléctrica o amperaje consumida por el motor (Amperes). = p F Factor de potencia del motor. = M q Eficiencia del motor. = 73 . 1 Factor trifásico (para motores trifásicos). = 746 Factor de conversión de watts a HP. Bombas y Eyectores 3-40 Ingenieros de nuevo ingreso P D P S FIG. 3-50. ILUSTRACIÓN DE LA POTENCIA ENTREGADA POR EL MOTOR A LA BOMBA A TRAVÉS DE LA FLECHA (HP B ) Y LA POTENCIA AL FRENO DE LA BOMBA (BHP). 3.2.12 Energía consumida por el motor. La intensidad de corriente eléctrica consumida por un motor, se mide con el amperaje. En sistemas de bombeo con motor eléctrico, la potencia del motor (HP M ) es la energía que la bomba necesita para poder moverse, es decir, la potencia al freno de la bomba (BHP) o potencia que la bomba requiere a través de la flecha, Fig. 3-51. Por lo tanto, la intensidad de corriente consumida, expresada en amperaje, se puede determinar de la siguiente manera: 73 . 1 * * * 746 * M p F E BHP I q = FIG. 3-51. ALIMENTACIÓN DE LA ENERGÍA A UN MOTOR ELÉCTRICO. Bombas y Eyectores Ingenieros de nuevo ingreso 3-41 3.3 SISTEMAS DE BOMBEO Y SUS APLICACIONES. 3.3.1 Bombeo en serie. En el sistema de bombeo en serie la descarga de una bomba se conecta a la succión de la siguiente y la descarga de la segunda bomba a la succión de otra bomba y así sucesivamente, Fig. 3-52. El bombeo en serie se utiliza para incrementar gradualmente la presión del líquido y poder mantener el flujo. Es muy común encontrar este tipo de conexión de bombas en los sistemas de bombeo a grandes distancias, como en los oleoductos del sistema de bombeo de crudo de PEMEX, en donde es necesario recuperar la presión que pierde el líquido, principalmente por fricción o cambios de altura y una sola bomba necesitaría descargar a muy alta presión para poder enviar el líquido a esas distancias. FIG. 3-52. SISTEMA DE BOMBEO EN SERIE. 3.3.2 Bombeo en paralelo. El sistema de bombeo en paralelo se caracteriza por tener conectada la succión de dos o más bombas a un solo cabezal y las descargas de todas las bombas del sistema a otro cabezal, la Fig. 3-53 nos muestra el sistema. La conexión de bombas en paralelo se utiliza cuando se requiere incrementar la capacidad de bombeo, es requisito indispensable que las bombas descarguen a la misma presión, de lo contrario, si se conecta una bomba que proporcione menor presión no podrá descargar el líquido. FIG. 3-53. SISTEMA DE BOMBEO EN PARALELO. También es muy común encontrar este sistema en la conexión de una bomba que trabaje como relevo de la otra, ya que al sustituirla tiene que bombear el líquido sobre el mismo circuito. Bombas y Eyectores 3-42 Ingenieros de nuevo ingreso 3.4 CURVAS CARACTERÍSTICAS. Las curvas características de una bomba centrífuga son guías que ayudan a predecir el comportamiento de la operación del equipo, estas se construyen en función del flujo (abscisas) vs altura o carga dinámica, potencia y eficiencia o rendimiento, Fig. 3-54. FIG. 3-54. CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UNA BOMBA A DIFERENTES VELOCIDADES. La curva de la Fig. 3-55 ilustra el comportamiento de la bomba cuando trabaja con líquidos de diferentes densidades y velocidad fija (1750 rpm) y la Fig. 3-56 ilustra el comportamiento de una bomba cuando presenta problemas de cavitación. Bombas y Eyectores Ingenieros de nuevo ingreso 3-43 FIG. 3-55. CURVA CARACTERÍSTICA ILUSTRANDO EL COMPORTAMIENTO DE LA BOMBA CON LÍQUIDOS DE DIFERENTES DENSIDADES. Hm: Carga dinámica de la bomba. q: Flujo o gasto. N: Velocidad de giro. q: Eficiencia de la bomba. FIG. 3-56. COMPORTAMIENTO DE UNA BOMBA CUANDO PRESENTA PROBLEMAS DE CAVITACIÓN. Bombas y Eyectores 3-44 Ingenieros de nuevo ingreso 3.5 PROCEDIMIENTOS DE OPERACIÓN Y FALLAS DE LAS BOMBAS. Esta sección del manual proporciona las instrucciones generales de operación y mantenimiento de una bomba centrífuga de proceso estándar de alta presión. Para la operación de las bombas específicas, se debe consultar el manual de instrucciones de cada bomba. Se debe leer y entender esta sección del manual antes de la operación y mantenimiento del equipo. Las bombas son diseñadas para una operación segura y confiable cuando se usen y mantengan apropiadamente de acuerdo con las instrucciones del fabricante. Una bomba es un equipo a presión con piezas rotativas que pueden ser peligrosas. Los operadores y el personal de mantenimiento deben darse cuenta de esto y seguir las medidas de seguridad. 3.5.1 Procedimiento de arranque. El procedimiento será ejecutado por el operador de las bombas (bombero). En la descripción del procedimiento, se usan textos de Advertencia, Precaución y Nota, para indicar las situaciones que requieran atención especial por el operador. ADVERTENCIA: Se usa la ADVERTENCIA (con texto en mayúscula, negritas y doble borde) para indicar la presencia de un peligro que puede causar lesiones personales severas, la muerte o daños substanciales al equipo si se ignora la advertencia. PRECAUCIÓN: Se usa la Precaución (con texto en minúsculas, negritas y borde sencillo) para indicar la presencia de un peligro que causará o puede causar lesiones personales menores o daños al equipo si se ignora la precaución. NOTA: Se usan las Notas (con texto en negritas y cursivas, sin bordes) cuando se hace referencia a otro procedimiento de operación, condición, etc. que es esencial observar o aclarar. 3.5.1.1 Precauciones generales. ADVERTENCIA RESULTARÁN LESIONES PERSONALES SI NO SE SIGUEN LOS PROCEDIMIENTOS INDICADOS EN EL MANUAL DE INSTRUCCIONES DEL FABRICANTE.  NUNCA opere la bomba sin la guarda del acoplamiento correctamente instalada.  NUNCA opere la bomba por encima de las condiciones de régimen para las que fue diseñada.  NUNCA arranque la bomba sin cebarla.  NUNCA haga funcionar la bomba por debajo del mínimo flujo recomendado.  SIEMPRE corte el suministro de energía eléctrica al motor antes de realizar trabajos de mantenimiento a la bomba.  NUNCA opere la bomba sin los dispositivos de seguridad instalados.  NUNCA opere la bomba con la válvula de descarga cerrada.  NUNCA opere la bomba con la válvula de succión cerrada. Bombas y Eyectores Ingenieros de nuevo ingreso 3-45 3.5.1.2 Pasos del procedimiento de arranque. Acti vidad Desarrollo Verif. Verifique la rotación del motor. ADVERTENCIA: DESENERGIZAR EL MOTOR IMPIDE EL ARRANQUE ACCIDENTAL Y LESIONES PERSONALES. 1. Desenergice el motor en el CCM y desmonte el espaciador de acoplamiento si está instalado. ____ 2. Asegúrese de que el cubo de acoplamiento está apretado asegurando al eje del motor. ____ 3. Energice el motor en el CCM. ____ 4. Asegúrese que ningún otro personal interfiera. ____ PRECAUCIÓN: Pueden resultar lesiones serias si la bomba funciona en el sentido de rotación equivocado. 5. Determinar la dirección de rotación presionando suavemente el botón de arranque, solo para verificar la rotación y suéltelo. La rotación debe corresponder a la de la flecha indicadora. ____ ADVERTENCIA: BLOQUEAR LA ENERGÍA ELÉCTRICA AL MOTOR PREVIENE LA ROTACIÓN ACCIDENTAL Y LESIONES PERSONALES. 6. Bloquee la energía eléctrica al motor en el CCM antes de proseguir con la instalación del espaciador del acoplamiento. ____ Instale el cople. 7. Solicite al personal de mantenimiento que instale y lubrique el acoplamiento de acuerdo con las instrucciones del fabricante. ____ ADVERTENCIA: NUNCA OPERE UNA BOMBA SIN LA GUARDA DE ACOPLAMIENTO INSTALADA CORRECTAMENTE YA QUE PUEDEN OCURRIR LESIONES PERSONALES. 8. Verifique que este instalada la guarda del acoplamiento. ____ Lubrique los cojinetes. PRECAUCIÓN: La operación de la unidad sin la lubricación apropiada causará que fallen los cojinetes y se dañe la bomba. 9. Si la bomba esta equipada con anillo de aceite, asegúrese que el depósito de aceite indique el nivel apropiado en el visor de vidrio. Si es necesario adicione aceite. ____ 10. Si la bomba opera con sistema de lubricación por niebla, abra las conexiones de admisión y drenaje de la parte superior e inferior, respectivamente, de la caja de cojinetes. ____ Alinee el sistema de enfriamiento. 11. Abra las válvulas de entrada y salida del sistema de enfriamiento a la caja cojinetes. ____ Bombas y Eyectores 3-46 Ingenieros de nuevo ingreso Acti vidad Desarrollo Verif. Alinee el sistema de sello líquido. 12. Alinee el sistema de líquido al sello de la bomba, si esta cuenta con él. ____ Purgue la bomba. PRECAUCIÓN: Nunca arranque la bomba hasta que haya sido purgada o cebada apropiadamente para evitar dañarla. 13. Lentamente abra la válvula de succión. ____ 14. Abra los venteos de aire en la tubería de succión y descarga, la carcasa, la cámara de sello y la tubería de sello, si hubiese una, hasta que salga todo el aire. ____ 15. Cuando solamente salga líquido por los venteos, ciérrelos. ____ NOTAS: Todo el equipo y dispositivos relacionados con la seguridad y controles se deben instalar y operar apropiadamente. Si el líquido a bombear excede los 200°F (93°C) es necesario calentar la bomba antes de la operación, circulando una pequeña cantidad de líquido, hasta que la temperatura de la carcasa en todos los puntos monitoreados tenga una diferencia máximo de 40°C con la temperatura de bombeo. Caliente la bomba a una velocidad de 30°C por hora. Arranque la bomba. 16. Asegúrese de que la válvula de succión y cualquier línea del circuito de bombeo o de enfriamiento estén abiertas. ____ 17. Cierre totalmente o abra parcialmente la válvula de descarga, de acuerdo a las condiciones del sistema. ____ PRECAUCIÓN Observar el indicador de presión de descarga mientras arranca el motor de la bomba ayuda a prevenir cualquier problema que pueda dañar el equipo. 18. Presione el botón de arranque del motor. ____ 19. Si no se obtiene rápidamente la presión de descarga, pare el motor. ____ 20. Lentamente abra la válvula de descarga hasta que se obtenga la presión de operación de la bomba y el flujo deseado. ____ Verifique la operación normal. PRECAUCIÓN: Vigilar los niveles de vibración, temperatura de los cojinetes y ruidos excesi vos evita problemas de operación. 21. Verifique que el sistema de lubricación opere adecuadamente. ____ 22. Verifique las temperaturas de los cojinetes usando un pirómetro o termómetro para determinar el calentamiento anormal. ____ 23. En unidades equipadas con tubería auxiliar (líquido de enfriamiento o de sellos), asegúrese de que se han establecido los flujos apropiados y que el equipo esté funcionando bien. ____ 24. Verifique que los niveles de vibración no excedan los valores normales de operación. ____ Bombas y Eyectores Ingenieros de nuevo ingreso 3-47 Acti vidad Desarrollo Verif. 25. Verifique que el amperaje del motor se mantenga en el rango normal de operación. ____ 26. Vigile todos los indicadores para asegurarse de que la bomba esté funcionando a las condiciones normales de operación. ____ Fin del procedimiento. Bombas y Eyectores 3-48 Ingenieros de nuevo ingreso 3.5.2 Procedimiento de paro. El procedimiento será ejecutado por el operador de las bombas (bombero). En la descripción de este procedimiento, también se usan textos de Advertencia, Precaución y Nota, para indicar las situaciones que requieran atención especial por el operador. 3.5.2.1 Pasos del procedimiento de paro. Actividad Desarrollo Verif. Pare la bomba. 1. Lentamente cierre parcialmente la válvula de descarga. ____ 2. Pare el motor. ____ ADVERTENCIA: BLOQUEAR EL MOTOR IMPIDE EL ARRANQUE ACCIDENTAL Y LESIONES PERSONALES. 3. Trabe el motor o bloquee la energía eléctrica en el CCM para impedir la rotación accidental. ____ Bloquee la bomba. 4. Cierre completamente la válvula de descarga. ____ 5. Cierre la válvula de succión. ____ Drene la bomba. PRECAUCIÓN: Al manejar fluidos tóxicos y/o peligrosos, se requiere el uso de equipo de protección personal apropiado. Si se está drenando la bomba, se deben tomar precauciones para prevenir lesiones personales. El material bombeado se debe manejar y desechar conforme a las regulaciones ambientales aplicables. 6. Póngase el equipo de protección personal adecuado para el manejo de la sustancia que maneja la bomba. ____ 7. Drene el líquido de la bomba, preferentemente recuperando el líquido en contenedores que permitan recuperarlo en el proceso. ____ 8. Cuando se halla drenado completamente el líquido, cierre los drenes de la bomba. ____ Entregue la bomba a mantenimiento. 9. Si la bomba necesita reparación, entréguela al personal de mantenimiento correspondiente. ____ Fin del procedimiento. 3.5.3 Mantenimiento preventivo. Las bombas como todos los equipos dinámicos tienen un programa de mantenimiento preventivo para garantizar su buena operación; a continuación se enlistan los principales puntos y periodos de inspección. Bombas y Eyectores Ingenieros de nuevo ingreso 3-49 Inspección semestral.  Compruébese el libre movimiento de los casquillos de la caja de empaque, límpiese los pernos y acéitese estos, y las tuercas de los casquillos del prense-estopas, e inspeccione las empaquetaduras.  Cheque el alineamiento entre la bomba y sus accionamientos y corrija si es necesario.  Drene los baleros lubricados por aceite y vuelva a llenar los depósitos correspondientes.  En los baleros lubricados con grasa verifique la cantidad y la consistencia de la grasa. Inspección anual.  Remueva los rodamientos para limpiarlos y ver si no presentan defectos  Quite los empaques e inspeccione el desgaste de las camisas  Desconecte el coplee y compruebe el alineamiento.  Verifique y limpie el drenaje, el sello hidráulico y la tubería de enfriamiento por agua. Recalibre todos los instrumentos y haga pruebas completas del rendimiento de la bomba 3.5.4 Análisis de problemas, causas probables y soluciones. Problema Causa probable Solución La bomba no está purgada o cebada. Vuelva a purgar la bomba, verifique que la bomba y la línea de succión estén llenas de líquido. Línea de succión tapada/no llena con líquido. Quite las obstrucciones/llene la línea. Impulsor atascado con materias extrañas. Lave la bomba con flujo inverso para limpiar el impulsor. Altura de succión insuficiente. Corrija la altura de succión. Dirección de rotación incorrecta. Corrija la rotación del motor. Aire o vapor en la línea de succión. Vente la línea de succión. NPSH disponible no es suficiente. Aumente la NPSH disponible. La bomba no funciona a la velocidad nominal. Aumente la velocidad. La altura del sistema demasiado alta. Disminuya la resistencia del sistema. N o e n t r e g a l í q u i d o . Aire a través de la empaquetadura. Reemplace la empaquetadura. Fuga de aire a través del prensaestopas. Cambie o reajuste el empaque. Impulsor parcialmente atascado. Lave la bomba con flujo inverso para limpiar el impulsor. Desgastes en la placa lateral de succión o los anillos de desgaste. Reemplace la pieza defectuosa según se requiera. L a b o m b a n o p r o p o r c i o n a e l f l u j o o p r e s i ó n d e d e s c a r g a n o r m a l . Insuficiente altura de succión. Asegure que la válvula de succión esté totalmente abierta y que la línea no tenga obstrucción y esté llena de líquido. Vente vapor o aire de la línea. Si se requiere, aumente la altura de succión. Bombas y Eyectores 3-50 Ingenieros de nuevo ingreso Problema Causa probable Solución Impulsor desgastado o roto. Inspeccione y reemplace si es necesario. Dirección de rotación equivocada. Cambie la rotación a la indicada para la flecha en la caja de cojinetes. NPSH disponible no es suficiente. Aumente la NPSH disponible. La bomba no funciona a la velocidad nominal. Aumente la velocidad. Bomba cebada impropiamente. Vuelva a cebar la bomba. Bolsas de aire o vapor en la línea de succión. Rearregle la tubería para eliminar las bolsas de aire. Entra aire por la línea de succión o sello. Repare (tapone) la fuga. Aire o vapor en el líquido. Quite el aire al líquido, mantenga la presión para evitar la vaporización. NPSH disponible no es suficiente. Aumente la NPSH disponible. L a b o m b a a r r a n c a y l u e g o d e j a d e b o m b e a r . Alineamiento inadecuado. Realinee la bomba y el motor. Lubricación inadecuada. Verifique la lubricación en cuanto a la adaptabilidad, cantidad, calidad y presión. Quite la suciedad y humedad del aceite y los cojinetes. El enfriamiento de lubricante. Verifique el sistema de enfriamiento, limpie el enfriador de aceite. Cojinetes demasiado apretados. Cambie los cojinetes. Vibración excesiva. Corrija la causa de la vibración. L o s c o j i n e t e s s e c a l i e n t a n . Mala alineación de la bomba/motor. Alinee los ejes, vuelva a verificar la estabilidad de las tuberías. Bombas y Eyectores Ingenieros de nuevo ingreso 3-51 Problema Causa probable Solución Impulsor parcialmente atascado causa desequilibrio. Lave la bomba por flujo inverso para limpiar el impulsor, quite el elemento rotativo para inspeccionarlo, si es necesario. Impulsor o eje roto o doblado. Reemplace según se requiera. Impulsor desbalanceado. Balancee el impulsor. Cimentación no rígida. Asegure el contacto uniforme de la bomba y/o apoyos con la cimentación, confirme que los pernos estén apretados. Cojinetes desgastados. Reemplace cojinetes desgastados. Tubería de succión o descarga no está anclada o soportada adecuadamente. Ancle de acuerdo con las recomendaciones de las Normas del Instituto Hidráulico. Verifique según el Apéndice del API o las cargas de tubería. La bomba está cavitando. Identifique y arregle el problema del sistema. Los pernos de sujeción del motor o de la bomba están flojos. Apriete los pernos, verifique el nivel y alineación, y corrija según se requiera. Vibración transmitida del motor a la bomba. Desconecte el acoplamiento y opere el motor a velocidad plena. Si el motor vibra, siga las instrucciones del fabricante para la acción correctiva. L a b o m b a h a c e r u i d o y v i b r a . Desgaste del sello mecánico. Reemplace las piezas desgastadas. Sellos mecánicos se calientan más de lo normal. Verifique la lubricación y las líneas de enfriamiento. Camisa del eje rayada. Rectifique o cambie, según se requiera. F u g a e x c e s i v a d e l p r e n s a e s t o p a s . La altura menor que la de régimen. Bombea demasiado líquido. Consulte a la fábrica. Instale la válvula de estrangulación, ajuste el diámetro del impulsor. Confirme la curva de altura del sistema. Líquido más pesado que lo esperado. Verifique la gravedad específica y la viscosidad. Las partes en rotación se rozan. Verifique el desgaste de las piezas internas. Velocidad demasiado alta. Disminuya la velocidad. Mala alineación. Alinee los ejes. Eje doblado. Corrija o cambie el eje. E l m o t o r r e q u i e r e f u e r z a e x c e s i v a . Mala alineación. Realinee la bomba y el motor. Eje doblado. Corrija o cambie el eje. Vibración. Corrija la causa de la vibración. Empuje excesivo resultante de la falla mecánica o desgaste dentro de la bomba. Verifique la causa del empuje excesivo y disminuya el empuje. Lubricación incorrecta. Verifique la lubricación en cuanto a la adaptabilidad, cantidad, calidad y presión. Quite la suciedad y humedad del aceite y los cojinetes. Cojinetes instalados incorrectamente. Reinstale los cojinetes confirmando la dimensión correcta. L o s c o j i n e t e s s e d e s g a s t a n r á p i d a m e n t e . Excesivo enfriamiento de los cojinetes. Verifique el sistema de enfriamiento, monitoree la temperatura para confirme la velocidad de enfriamiento. Bombas y Eyectores 3-52 Ingenieros de nuevo ingreso 3.6 SEGURIDAD EN LA OPERACIÓN DE LAS BOMBAS. Ropas de seguridad:  Guantes de trabajo aislados en el manejo de cojinetes calientes o uso del calentador de cojinetes.  Guantes de trabajo pesado cuando maneje piezas con bordes afilados, especialmente los impulsores.  Gafas de seguridad (con protectores laterales) para protección de los ojos, especialmente en las áreas del taller de máquinas  Calzados con casquillo para protección de los pies, cuando se manejen piezas, herramientas pesadas, etc.  Equipo de protección personal específico para el manejo de fluidos peligrosos o tóxicos. Protector de acoplamiento:  Nunca haga funcionar una bomba sin el protector de acoplamiento bien instalado. Conexiones bridadas:  No forzar la tubería para hacer una conexión con la bomba.  Use sólo pernos de sujeción del tamaño y material apropiados.  Asegúrese que no falten pernos de sujeción.  Tenga cuidado con los pernos de sujeción corroídos o flojos. Funcionamiento:  No opere la bomba fuera de los parámetros para los que fue diseñada.  No haga funcionar a menos del flujo nominal mínimo, o con las válvulas de succión/descarga cerradas.  No abra las válvulas de venteo o de drenaje, ni quite los tapones mientras el sistema está presionado.  No opere la bomba si han sido desconectados los dispositivos de seguridad instalados. Seguridad de mantenimiento:  Siempre corte la alimentación eléctrica antes de iniciar el mantenimiento.  Nunca utilice calor para desmontar la bomba debido al riesgo de explosión del líquido atrapado.  Asegúrese que la bomba esté aislada del sistema y que esté depresionada antes de desensamblarla, quitar los tapones o desconectar la tubería.  Use el equipo de levantamiento y de apoyo apropiados para impedir lesiones serias.  Observe los procedimientos de descontaminación apropiados.  Conozca y siga las regulaciones de seguridad de la compañía. Observe todas las precauciones y advertencias destacadas en el manual de instrucciones de la bomba. Bombas y Eyectores Ingenieros de nuevo ingreso 3-53 3.7 EYECTORES 3.7.1 Principio del eyector. El termino eyector, describe un equipo que no tiene partes en movimiento y que utiliza fluidos en movimiento bajo ciertas condiciones controladas. Específicamente, la potencia se proporciona por medio de una corriente de fluido a alta presión dirigida a través de una boquilla diseñada para producir la velocidad más alta posible. El chorro resultante de fluido a alta velocidad crea un área de baja presión en la cámara de mezclado, lo que origina que el fluido de succión fluya hacia esta cámara. Idealmente, hay un intercambio de momentum en este punto que produce una corriente uniformemente mezclada, viajando a una velocidad intermedia entre la velocidad de la fuerza motriz y la de succión. El difusor tiene una forma adecuada para reducir la velocidad gradualmente y convertir la energía en presión en la descarga, con la mínima pérdida posible. Las tres partes básicas de cualquier eyector son la boquilla o tobera, el difusor y la cámara de succión o cuerpo (véase Fig. 3-57). FIG. 3-57 PARTES BÁSICAS DE UN EYECTOR. 3.7.1.1 Definición de términos. A continuación se da una definición de la terminología de un eyector estándar. Eyector. Nombre genérico usado para describir todo tipo de bombas a chorro que descargan a una presión intermedia entre la presión de la fuerza motriz y de la succión. Eductor. Una bomba a chorro liquido que utiliza un líquido como fluido motriz. Inyector. Tipo particular de bomba a chorro que utiliza un gas condensable para arrastrar un líquido y descargar contra una presión mayor que cualquiera de las presiones de la fuerza motriz ó de la succión. Principalmente un inyector para caldera. Compresor a chorro. Una bomba a chorro de gas utilizada para reforzar la presión de los gases. Sifón. Una bomba a chorro de líquido que utiliza un vapor condensable, normalmente vapor de agua, como fluido motriz. 3.7.2 Sistemas de vacío. 3.7.2.1 Arreglos. Existen diversas configuraciones en los sistemas de vacío y se clasifican en base al número de etapas de eyectores, del tipo y localización de los condensadores en el sistema. Bombas y Eyectores 3-54 Ingenieros de nuevo ingreso La selección del arreglo en un sistema de vacío, será de acuerdo con la presión de succión deseada, teniendo la posibilidad de utilizar desde una hasta seis etapas de Eyectores. La Tabla 3-1 muestran el número de etapas recomendadas. Como se puede observar en la Fig. 3-58 existen rangos en los que coinciden dos regiones diferentes, por ejemplo, pueden emplearse una de dos etapas para una aplicación particular dependiendo de las condiciones específicas de diseño, o siempre y cuando la relación de compresión no exceda la permitida. Otro factor de selección del sistema, es la naturaleza de la carga. Si la carga es muy pequeña, la mejor decisión será un sistema sin condensadores, pero si la carga contiene una gran cantidad de vapores condensables, entonces se deberá utilizar un sistema de vacío con condensadores. TABLA 3-1 GAMAS DE PRESIÓN DE SUCCIÓN PARA EYECTORES QUE DESCARGAN A LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA. Numero de etapas Presión de succión de operación Presión de succión a prueba cerrada 1 3 in Hg abs. y mas 1.5 in Hg abs. hasta 2 in Hg abs. 2 10 mm Hg abs. hasta 4 in Hg abs. 5 mm Hg abs 3 2 mm Hg abs. hasta 15 mm Hg abs. 1 mm Hg abs. 4 0.25 mm Hg abs. hasta 3 mm Hg abs. 50 micras Hg abs. hasta 100 micras Hg abs. 5 0.3 mm Hg abs. y menos 0.5 micras Hg abs. hasta 10 micras Hg abs. 3.7.3 Etapa simple. Dado que la carga se comprime desde una presión de succión baja a una presión de descarga alta, la relación de compresión (presión de descarga entre presión de succión) en un sistema de vacío, es aproximadamente de 3, 6, 10 a 1, por etapa. Por lo tanto, se especificará una sola etapa cuando la relación de compresión no exceda de 10:1, para obtener una razonable economía de vapor. Los tipos de sistemas de vacío de etapas simples pueden ser: Elemento Simple. Consiste en un solo Eyector (Fig. 3-59 A), el cual está diseñado para operar a una presión de succión por debajo de la atmosférica y descargar a presión atmosférica o mayor. Elementos Múltiples. Están formados de dos o más eyectores, cada uno diseñado para operar a una presión de succión por debajo de la atmosférica y descargar a presión atmosférica o mayor. En esta combinación, a cada Eyector se le llama elemento y la unidad completa se denomina: etapa simple, de elementos gemelos (Fig. 3-59 B); etapa simple de elementos triples, entre otros, dependiendo del número de eyectores en paralelo manejados. Para relaciones de compresión mayores, se precisarán sistemas de múltiples etapas, o sea etapas en serie. Bombas y Eyectores Ingenieros de nuevo ingreso 3-55 5 ETAPAS 6 ETAPAS 1X10 -3 2 3 4 5 1X10 -2 2 3 4 5 6 8 1X10 -1 2 3 4 5 6 8 10 2 3 4 5 6 8 10 2 3 4 5 6 8 100 2 3 4 5 6 10 4 ETAPAS 3 ETAPAS 2 ETAPAS ETAPA SIMPLE EEEEE BAJ A CARGA EEEECE ALTA TEMPERATURA AGUA EEECEE BAJ A CARGA INCOND. EEECECE NORMAL CINCO ETAPAS EEEECEE BAJ A CARGA INCOND. EEEECECE NORMAL SEIS ETAPAS EEE BAJ A CARGA EECE ALTA TEMPERATURA AGUA ECEE BAJ A CARGA INCOND. ECECE NORMAL TRES ETAPAS CE ALTA CARGA CONDENSABLES E ETAPA SIMPLE O EVACUACIÓN CEE ALTA CARGA CONDENSABLES CECE ALTA CARGA CONDENSABLES EE BAJ A CARGA O EVACUACIÓN ECE NORMAL DOS ETAPAS EEEE BAJ A CARGA EEECE ALTA TEMPERATURA AGUA EECEE BAJ A CARGA INCOND. EECECE NORMAL CUATRO ETAPAS EYECTOR CONDENSADOR FIG. 3-58 CARTA DE SELECCIÓN DE ARREGLO DE ACUERDO A LAS COMBINACIONES DE FLUIDOS EN LA CARGA Y DEL EFECTO DE LA TEMPERATURA DEL AGUA. 3.7.4 Multietapas. En los sistemas de múltiples etapas, generalmente se utiliza, por lo menos un intercondensador para condensar el vapor motriz proveniente de la etapa o etapas que lo preceden. Esto minimiza la cantidad de vapor motriz requerida para las etapas subsecuentes, así como las dimensiones de las mismas. La Fig. 3-60 muestra la terminología que se emplea en sistemas de eyectores de múltiples etapas. Cada etapa del eyector y condensador tiene letra o letras distintas, como símbolo, la cual es función de su posición en el sistema, tomadas con base a la última etapa que tiene asignada la letra “Z”. Las etapas que quedan se nombran con letras en orden inverso, por ejemplo, la etapa directamente precedida a la etapa “Z”, deberá tener la letra “Y”. Este método deberá de emplearse para las etapas restantes del sistema. Bombas y Eyectores 3-56 Ingenieros de nuevo ingreso Algunos de los diferentes tipos de unidades de multietapas comúnmente utilizados son: H F G E D A B C FIG. 3-59 DIFERENTES TIPOS DE ARREGLOS Los intercondensadores son asignados con dos letras correspondientes a las etapas entre las que se encuentra localizado, por ejemplo, para un condensador entre las etapas “Y” y “Z”, el condensador se designará como “YZ”. Al postcondensador se le asigna la letra “Z” seguido de la letra “A”, y al condensador la letra “P” y la letra correspondiente a la etapa del eyector que le sigue. Por ejemplo, si se usa un condensador delante de un sistema de dos etapas, el condensador se designará como “PY”. Todas las designaciones deberán ser precedidas por un número de serie de cada diseñador. Bombas y Eyectores Ingenieros de nuevo ingreso 3-57 Elemento Simple. Consiste de dos o más Eyectores arreglados en serie. ( Fig. 3-59 C, D, F, G, y H). El primer y cualquier otro eyector intermedio se diseñará para operar a presiones de succión y descarga por debajo de la presión atmosférica. El eyector final se diseña para descargar a presión atmosférica o mayor. Elementos Múltiples. Este tipo de unidad está dotado por dos o más multietapas arreglados en paralelo, (Fig. 3-59 C). Este arreglo permite la operación de cualquiera de las multietapas independientemente o en combinación con los otros. Pueden usarse con condensadores comunes con válvulas en cada etapa o condensadores subdivididos. FIG. 3-60 NOMENCLATURA DE ETAPAS, DE ACUERDO A POSICIÓN EN EL SISTEMA 3.7.5 Especificaciones Cuando se requiere un sistema de vacío con eyectores, se deberá indicar la mayor cantidad de información posible en relación con la operación que se desea obtener del sistema de vacío. Será necesario elaborar una lista u hoja de datos para la especificación del sistema de vacío. Esta lista, deberá contener los mínimo datos necesarios para que el fabricante pueda diseñar y cotizar el eyector o sistema de vacío con eyectores para el caso específico que se re quiere. A continuación se describen a grandes rasgos algunos de los puntos en los que se debe tener especial cuidado en la especificación. Bombas y Eyectores 3-58 Ingenieros de nuevo ingreso Presión de succión.- La presión de succión se determina cuando se establece la mínima presión de operación deseada en el sistema menos las caídas de presión en la línea del condensador y a través de él, y en las líneas de venteo hacia el eyector. Así mismo, se deberá considerar un pequeño factor de seguridad. Como una guía en la selección económica de líneas de vapor y de presiones de succión, la reducción en un 10% de la presión de vapor motriz aumentará el vapor utilizado en un 5 a 10%. Temperatura de succión.- Será la temperatura de la carga al eyector. Cada incremento de 50 F(27.7 °C) en la temperatura, reduce la capacidad del eyector en un 2%, por lo que esta temperatura puede sólo ser estimada. Sin embargo, requiere de mayor cuidado cuando se especifiquen temperaturas menores a 32°F (09°C ), ya que pueden presentar congelamiento en las líneas del eyector. Presión de descarga.- La presión de descarga será igual a la presión atmosférica mas un factor que incluya un incremento por pérdidas debido al deterioro y ensuciamiento en la última etapa, lo más recomendable para el diseño, es tomar 1.0 psig. (812 mmHg abs.) de presión de descarga, "sin carga", para que todas las etapas sean estables en ese punto. No obstante, en la práctica, muchos fabricantes proponen presiones de descarga menores. Capacidad.- La capacidad usada para seleccionar un eyector será el peso total de mezcla que se espera que remueva el eyector de un sistema a la presión de succión deseada. La composición de esta mezcla debe de conocerse antes de hacer la selección. Agua de enfriamiento.- Se deberá proporcionar la mínima presión y la máxima temperatura esperada en el suministro de agua de enfriamiento. La temperatura máxima permisible del agua de enfriamiento a la salida, no debe exceder los 122 °F (50 °C), para evitar ensuciamiento y corrosión. Así mismo, se deberá indicar la fuente de ésta y la mínima presión de suministro. Vapor motriz.- Para una segura operación del eyector, se deberá especificar una presión de alimentación entre 5 y 10% menor a la mínima presión de vapor disponible, con la cual el eyector debe operar. Se deberá indicar, adicionalmente, si el vapor se suministra seco o saturado, o sí fuera sobrecalentado, el grado de sobrecalentamiento normal y máximo esperado. Propiedades físicas.- Se deberá indicar por separado el flujo de cada componente que se encuentre en la carga al Eyector. Así mismo, todas las propiedades físicas de los componentes diferentes al aire y vapor de agua y sus pesos moleculares. Para eyectores que tengan condensadores, se describirán los vapores condensables, dando su peso molecular, calor latente, presión de vapor y solubilidad en agua a dos diferentes temperaturas cercanas a la temperatura del agua de enfriamiento. Así mismo, las propiedades físicas del condensado, tales como conductividad térmica, calor específico, viscosidad y densidad relativa. Tipo de carga.- En la carga a los eyectores pueden estar presentes hasta cuatro tipos de componentes. Estos son: Aire, vapores condensables, gases incondensables y vapor de agua. Los vapores condensables son aquellos componentes que tienen un punto de ebullición por arriba de la temperatura del agua de enfriamiento. Dado que el agua tiene propiedades físicas fácilmente cuantificables se maneja por separado como un sólo componente y no en forma integral con el vapor condensable. Bombas y Eyectores Ingenieros de nuevo ingreso 3-59 En un proceso típico a vacío, un eyector se utiliza para remover aire u otros componentes incondensables de un condensador, de tal manera que éstos se saturan con vapor de agua a la temperatura del gas, así que el condensador se debe diseñar para un subenfriamiento dado, con el fin de reducir un arrastre excesivo de vapor al eyector. Infiltración de aire.- La infiltración de aire es el término aplicado al aire atmosférico que penetra al sistema de vacío y siempre debe de considerarse en todos los sistemas que operen a presiones subatmosféricas. La cantidad de aire infiltrado es función del sistema y del modo de operación, y aumenta a medida que se tengan imperfecciones en el sistema, tales como: Uniones bridadas, conexiones, bombas y flechas de agitadores. Para servicios de proceso, se recomienda las cargas de incondensables debido a infiltraciones de aíre a partir del volumen del sistema. Número de elementos.- Es factible utilizar elementos simples en sistemas a vacío, pero cuando se requiere alta confiabilidad en la operación se debe especificar elementos gemelos en paralelo. En el diseño, cada etapa del eyector consiste de dos elementos idénticos, cada uno de los cuales manejará el total o un porcentaje de la carga. Generalmente, se especifican paquetes de eyectores de elementos gemelos para servicios de condensadores de vapor de descargas de turbinas (dos etapas, elementos gemelos y la refrigeración con agua es un ejemplo de sistemas de múltiples elementos, siendo únicamente la primera etapa la que trabaja con múltiples elementos). Número de Etapas.- Cuando se adquiere un paquete preestablecido el fabricante es el que determina el número de etapas óptimo necesario, cuando se le proporcionan los costos de los servicios. Sin embargo, es conveniente efectuar cálculos preliminares para determinar qué tipo de sistema sería el mejor para un caso dado. Por ejemplo, un sistema de dos etapas, sin condensadores, puede ser más atractivo por su bajo costo y facilidad de instalación, que un sistema de dos etapas con inter y post condensadores, aunque requiera menor vapor motriz. Por estas razones, es recomendable especificar el tipo de sistema requerido, de acuerdo a las necesidades del proceso. Condensadores.- Se tiene que especificar, como primer paso, si el sistema requiere condensadores, en cuyo caso, se determinará de acuerdo al fluido manejado, el tipo de condensador, barométrico o de tubos y envolvente. De los condensadores de tubos y envolvente utilizados en los sistemas de vacío, los más baratos son los de espejos fijos, por lo que son los que más se ofrecen. Sin embargo, el lado de la envolvente no se puede limpiar por métodos mecánicos, y si el fluido contiene hidrocarburos que pueden ensuciar el condensador, se deberá especificar un condensador de haz de tubos removible, para su limpieza. Es posible, si se tiene alguna limitación o preferencia, especificar el diámetro, calibre y longitud de tubos Tiempo de evacuación.- Es el tiempo que tarda el eyector en desalojar el volumen específico hasta lograr cuando menos -600 mbars. Rango de operación estable.- Si un eyector es estable a bajas cargas, nada o muy poco vapor se succionará hacia el sistema, lo cual no es deseable para ningún sistema, salvo en pequeñas cantidades en refrigeración de agua. Bombas y Eyectores 3-60 Ingenieros de nuevo ingreso Para establecer el rango de operación estable deseado de un eyector, primero se determinará cómo se va a controlar la presión del sistema. El método más simple es purgar con aire la succión del eyector por medio de una válvula de control, pero cuando no es conveniente introducir aire o vapor, a sistemas que contengan sustancias orgánicas, es conveniente controlar la presión purgando el eyector por medio de un gas inerte tal como nitrógeno. Tipo de conexiones. Las conexiones roscadas son las más baratas, pero hay más infiltraciones y son más difíciles de detectar y localizar, por lo que las conexiones bridadas son más usadas para evitar este tipo de problemas. Equipo auxiliar.- Si se desea un paquete completo, se deberá especificar (según el caso), que se requerirán dentro del paquete separadores, coladeras y trampas de vapor sobrecalentador, válvulas, codos y tubería ínter etapa. Se puede indicar el tipo de arreglo que pudiera tener el sistema de vacío. Sobrecalentador.- Para presiones de diseño menores a 5 mmHg ab's., es conveniente que se suministre un sobrecalentador eléctrico para el vapor motriz de las primeras etapas. También se utiliza para evitar la erosión en las toberas y difusores y así obtener mejor operación del eyector. Materiales de construcción.- El estándar HEI (Heat Exchanger Institute), muestra una lista de materiales recomendados para la construcción de todas las partes de eyectores y los detalles de construcción varían de acuerdo a los fabricantes. En todos los eyectores, el difusor, la tobera, la cámara de succión y los empaques están en contacto con los vapores de proceso. La tobera y el difusor son muy sensibles a cambios geométricos causados por la erosión y la corrosión. La tobera deberá de fabricarse de materiales muy resistentes a la erosión tales como: Monel o Acero Inoxidable. Los difusores se fabrican en hierro fundido o bronce para tamaños pequeños, y para los grandes en acero. Para los condensadores, el material de los tubos será tal que se minimice la corrosión y ensuciamiento del agua de enfriamiento. Pruebas.- Generalmente, el fabricante deberá efectuar la prueba hidrostática y la del comportamiento del equipo, certificando los resultados al comprador. La descripción del equipo y del procedimiento para las pruebas están establecidas en el HEI y en el ASME. Deberá de probarse individualmente y ensamblado, y obtener las curvas de cada etapa para que el personal de operación las utilicen cuando tengan problemas o en paros programados para mantenimiento. La prueba hidrostática sirve básicamente para detectar penetración en el equipo a vacío así como, fugas en el equipo a presión. Este tipo de pruebas minimizan la probabilidad de instalar equipos defectuosos, asimismo, costos de mantenimiento o pérdidas de producción. Partes de repuesto.- Es deseable solicitar un juego adicional de toberas para cada Eyector, ya que después de un tiempo de operación, se convertirán en toberas sucias o erosionadas por el vapor. Estas podrán ser instaladas y regresar el equipo a servicio en el menor tiempo posible. Por las razones antes mencionadas, sería recomendable tener un difusor de repuesto para el Eyector de la última etapa, ya que éste es el que tiene el menor diámetro de garganta. Otras partes de repuesto para los eyectores que se recomiendan solicitar, son: Empaques y Tornillería. Bombas y Eyectores Ingenieros de nuevo ingreso 3-61 Características Mecánicas.- De las características más importantes de eyectores es determinar el acceso adecuado a la tobera de cada etapa del sistema, así como el arreglo de la tubería de vapor, para que se facilite la revisión visual de las gargantas de la tobera, simplemente removiendo la tapa de inspección. Otro detalle importante es el determinar el número y dimensiones de las conexiones para la prueba de presión, localizadas en la cámara de succión o en la tubería de succión de cada etapa. Las dimensiones típicas para, este: tipo de conexiones, son de 1/4 a 1/2 pulg. (6.3 a 12.7 mm). Bombas y Eyectores 3-62 Ingenieros de nuevo ingreso BIBLIOGRAFÍA. 1. Foust, Alan S. “Principios de Operaciones Unitarias”, Compañía Editorial Continental S.A. de C.V., México, 1987. 2. CRANE, “Flujo de fluidos en válvulas, accesorios y tuberías” McGRAW-HILL. 3. 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