En cierto modo, las bombas son dispositivos muy simples, lo que explica su uso regular y repetido a lo largo de la historia. Sin embargo, en otros sentidos, las bombas pueden ser extraordinariamente complejas. Leyes de afinidad. Gradientes hidráulicos. Velocidad específica de succión. Incorporación de aire. Cavitación. Esos son solo algunos elementos seleccionados al azar que debe tener en cuenta al seleccionar una bomba y diseñar un sistema. Y otro elemento en el que deberá pensar es la viscosidad dinámica y la gravedad específica, especialmente al instalar una bomba centrífuga.
En esta publicación, discutiremos los detalles de la gravedad específica frente a la viscosidad, cómo afectan el rendimiento de la bomba, los límites prácticos que debe tener en cuenta y varias aplicaciones a la curva de la bomba.
¿Qué es la gravedad específica?
Antes de comenzar nuestra discusión, debemos tomarnos el tiempo para definir la gravedad específica. Definido de manera simple, la gravedad específica es la comparación de una determinada sustancia (por ejemplo, un gas, un líquido) con una sustancia relacionada en particular. Al medir gases, la sustancia utilizada es aire a temperatura ambiente. ThoughtCo.com explica que “para los fluidos, la sustancia de referencia suele ser el agua [sic], con una densidad de 1.00 x 103 kg/m3 a 4 grados centígrados (la temperatura más densa del agua), se utiliza para determinar si el fluido se hundirá o flotará en el agua… [Esta suele asumirse como la sustancia de referencia cuando se trabaja con líquidos”].
Cuando se trata del lado matemático de las cosas, la gravedad específica es fácil de calcular. Es la relación entre el peso del líquido de interés (Wi) y el peso del agua, que es el líquido de referencia (Wr). Escrito, se ve así:
SG = Wy / Wr
Las curvas de la bomba se basan en la gravedad específica del agua, que es 1 por definición. Una gravedad específica aumentada (es decir, por encima de 1) provocará un aumento correspondiente de la presión en todo el sistema, mientras que una disminución de la gravedad específica (es decir, por debajo de 1) provocará lo contrario.
Diferencias de gravedad específica y viscosidad
Lo primero que haremos será definir la gravedad específica y la viscosidad. Aunque ambos conceptos comparten algunas similitudes, sus diferencias pueden hacer tropezar a los usuarios finales y generar resultados catastróficos.
La forma más sencilla de pensar en la gravedad específica es comenzar con la idea de densidad. Cada tipo de materia tiene una masa que ocupa una determinada cantidad de volumen, incluidos los líquidos. Pero en lugar de enumerar explícitamente las unidades específicas asociadas con una densidad particular (por ejemplo, gramos por centímetro cúbico, libras por pulgada cúbica), la gravedad específica nos permite simplificar dividiendo por la gravedad específica del agua, que es la densidad del agua en 4 grados centígrados. Por definición, la gravedad específica del agua es 1.0. La fórmula de gravedad específica para otros fluidos es su densidad (masa dividida por volumen) dividida por la gravedad específica del agua. Para simplificar aún más, la gravedad específica es qué tan pesado es el líquido en comparación con el agua. La viscosidad es qué tan pegajoso es el líquido. 1 galón de agua pesa 8.34 libras, mientras que 1 galón de un líquido con una gravedad específica de 2.0 tendrá 16.68 libras.
Como señala Bombas y Sistemas, “la gravedad específica es importante al dimensionar una bomba centrífuga porque es indicativa del peso del fluido, y su peso tendrá un efecto directo en la cantidad de trabajo realizado por la bomba. Uno de los beneficios de las bombas centrífugas de acoplamiento directo es que la cabeza (en pies) y el flujo que producen no tienen nada que ver con el peso del líquido. Se trata de la velocidad que agrega el impulsor”. En otras palabras, los líquidos con diferentes pesos específicos requerirán diferentes motores, pero el flujo y la altura (es decir, el volumen y la altura máximos a los que la bomba puede mover un líquido) deben permanecer esencialmente iguales.
Sin embargo, con las bombas centrífugas de accionamiento magnético, la gravedad específica es una parte fundamental para seleccionar la bomba y las características adecuadas. Los fluidos con diferentes pesos específicos ofrecen diferentes resistencias tanto al motor que impulsa la bomba como al impulsor que gira dentro del fluido. Cuanto mayor sea la gravedad específica, más resistencia presenta el fluido contra el motor y el impulsor giratorio. Esto se debe a que una bomba centrífuga de accionamiento magnético, a diferencia de una bomba centrífuga de acoplamiento directo, utiliza un campo magnético entre un imán de accionamiento fuera de la bomba que hace girar un impulsor magnético dentro de la bomba. A diferencia de una bomba centrífuga de acoplamiento directo, cuyo impulsor está sujeto físicamente al extremo del eje del motor impulsor, no existe una conexión mecánica directa entre los dos componentes. Para las centrífugas de accionamiento magnético, eso significa que el impulsor debe tener el tamaño correcto para garantizar que la fuerza del acoplamiento magnético no sea superada por la resistencia que ofrece el fluido.
Tome la bomba TE-7P-MD de March como ejemplo. Cuando se bombean fluidos con una gravedad específica de 1.0 (como el agua), la bomba puede alcanzar alturas de hasta 60′ o fluir hasta 51 galones por minuto mientras usa su impulsor de tamaño completo de 3.750” de diámetro. Sin embargo, frente a un fluido con una gravedad específica de 1.9, esa misma bomba con su impulsor de tamaño completo se “desacoplará magnéticamente”, es decir, los campos magnéticos entrelazados del imán impulsor y el imán del impulsor se desincronizarán, lo que dará como resultado que el impulsor no gire en absoluto mientras el motor gira a toda velocidad. Sin embargo, cuando hacemos una reducción de 0.625” al diámetro del impulsor (3.125”) para acomodar la gravedad específica de 1.9 del fluido, la bomba ahora es capaz de bombear el líquido nuevamente. Sin embargo, naturalmente, existe una compensación entre el diámetro del impulsor y el rendimiento de la bomba. Como resultado de esta reducción del diámetro del impulsor, la bomba TE-7P-MD con un impulsor de 3.125” de diámetro solo es capaz de alturas de hasta 31 pies o flujos de 37 galones por minuto. Por lo tanto, la gravedad específica es fundamental para dimensionar las bombas centrífugas de accionamiento magnético. Una bomba de accionamiento magnético March solo puede manejar hasta 300 SSU o 60 CPS si se utiliza el diámetro de impulsor más pequeño.
Aunque tendemos a asociar la viscosidad con la gravedad específica, es una característica completamente separada. Una forma de pensar en la viscosidad es compararla con la fricción. Sin embargo, la viscosidad se centra en la fricción interna de un líquido en lugar de la fricción que se produce cuando se encuentra con otro tipo de material. Escribiendo para Bombas y Sistemas, Jim Elsey define la viscosidad como “una medida de la resistencia de un fluido a fluir a una temperatura determinada. También puedes pensar en ello como fricción fluida. Una definición más técnica explicaría la viscosidad como una fuerza requerida para mover un plano líquido (piense en una placa) de alguna unidad de área, a cierta distancia por encima de otro plano de igual área en un período de tiempo definido. En las clases de capacitación, simplemente defino la viscosidad como la resistencia de un fluido a verterse, pero lo que es más importante, una resistencia a ser bombeado”.
Como puede ver, la viscosidad de un fluido tendrá un impacto dramático en el funcionamiento de una bomba centrífuga. En la siguiente sección, proporcionaremos algunos ejemplos de viscosidad y describiremos cómo pueden reaccionar con una bomba.
Cómo afecta la viscosidad a las bombas centrífugas
Cuando hable sobre la viscosidad y las bombas centrífugas, comprenda que un líquido con una gravedad específica cercana o igual a la del agua no cambiará significativamente la cabeza o el flujo. Sin embargo, si el líquido tiene una viscosidad que varía significativamente de la viscosidad del agua, verá que la cabeza y el flujo reciben un golpe importante. (Recuerde que la viscosidad no tiene ninguna conexión necesaria con la gravedad específica de un líquido, y algunos líquidos con gravedades específicas bajas aún pueden ser muy viscosos). ¿Por qué? Porque las altas viscosidades impactan las bombas centrífugas en cada área de operación. Por ejemplo, la viscosidad cinemática se refiere a la resistencia inherente de un líquido a fluir, y el bombeo exitoso de materiales altamente viscosos también requiere un aumento drástico de la potencia de frenado (es decir, una medida de la potencia de un motor sin pérdidas por fricción).
Selección de la bomba adecuada para la viscosidad
Parte de la selección de la bomba adecuada para un material viscoso radica en comprender que no todos los líquidos se comportan de la misma manera. De hecho, la viscosidad de muchos líquidos puede comportarse de manera diferente dependiendo de si se les aplica o no energía en ciertas cantidades o formas. Considere los siguientes tipos de viscosidad y ejemplos de viscosidad:
- Fluidos newtonianos. Estos fluidos disminuyen en viscosidad a medida que aumenta la temperatura. Los ejemplos incluyen aceite de motor, alcohol y glicerina.
- Fluidos tixotrópicos. Cuando se agrega energía con el tiempo, los fluidos tixotrópicos exhiben una viscosidad reducida. A menudo, esta transferencia de energía implica sacudir o agitar. Las sustancias tixotrópicas incluyen ciertos tipos de pintura, mayonesa y salsa de tomate. (Piense en golpear el fondo de una botella de cátsup para que comience a fluir la sustancia sabrosa y salada).
- Fluidos dialantes. Estos funcionan exactamente de manera opuesta a los fluidos tixotrópicos, volviéndose más espesos cuando se agrega energía (p. ej., compuestos de caramelo, pseudoplásticos).
- Líquidos reopécticos. Los fluidos reopécticos inicialmente se comportan como fluidos dializantes, pero su tasa de viscosidad continúa aumentando a medida que se aplica energía continuamente. La pasta de yeso, lubricantes, líquido sinovial, crema y algunas tintas son reopécticos.
Una vez que conozca las características de viscosidad del líquido que planea bombear, puede aplicar varios pasos para determinar la bomba ideal para usted. Esto implica:
- Cálculo del flujo requerido y la altura dinámica totala la temperatura de funcionamiento
- Aplicar un gráfico de corrección apropiado (ver más abajo)
- Aplicar los factores de corrección
- Utilice estos valores ajustados junto con las curvas de rendimiento del agua suministradas por el fabricante.
Niveles máximos de viscosidad para bombas centrífugas
Aunque las bombas centrífugas son el tipo de bomba más utilizado, la sabiduría común no recomienda su uso cuando la viscosidad de un fluido supera los 300 centistrokes. (Un centistoke es una unidad de ingeniería estándar de viscosidad, que compara la viscosidad absoluta del fluido con su gravedad específica). Este límite de 300 centistokes es particularmente aplicable a las centrífugas de accionamiento magnético. Algunos expertos dicen que el rango efectivo de viscosidades para las bombas centrífugas de acoplamiento directo puede oscilar entre 1400 y 3300 centistrokes.
Al tratar de determinar los atributos de su líquido, es útil tomar diferentes medidas de viscosidad. Algunos dispositivos útiles para tomar tales medidas incluyen:
- Copas de viscosidad
- Consistómetros
- Viscosímetros capilares de vidrio
- Viscosímetros vibratorios tipo diapasón
- Viscosímetros rotacionales
Cómo afecta la gravedad específica a las bombas centrífugas y, por extensión, a la curva de la bomba
Los fabricantes de bombas publican las llamadas curvas de bomba, gráficos detallados que brindan información sobre el flujo, la cabeza y el uso de energía de una bomba. Sin embargo, esa curva solo describe el flujo, la cabeza y el uso de energía cuando se bombea agua. Entonces, ¿cómo se usan las curvas de rendimiento publicadas por el fabricante para entender cómo su bomba manejará fluidos más viscosos?
La respuesta es calcular factores de corrección para capacidad, carga y eficiencia hidráulica. Cuando se apliquen, cambiarán las curvas proporcionadas por el fabricante para mostrar la capacidad efectiva de la bomba con el líquido viscoso. PDH Online tiene un artículo detallado que ofrece cálculos y ejemplos sobre cómo determinar los diversos factores de corrección.
Si necesita una bomba que pueda funcionar bien en una variedad de condiciones, contáctenos aquí en Bombas March. Hemos estado diseñando bombas desde 1955, y tenemos la experiencia y la dedicación para encontrar una que funcione para usted.