Cómo afecta la viscosidad a las bombas centrífugas
El Instituto Hidráulico publicó una norma para tener en cuenta los efectos de la viscosidad en el rendimiento de las bombas centrífugas. Effects of Liquid Viscosity on Rotodynamic Centrifugal and Vertical Pump Performance (Efectos de la viscosidad de los líquidos en el rendimiento de las bombas centrífugas y verticales), disponible en www.estore.pumps.org-was y revisado en 2010. Antes de esta publicación, las correcciones de la viscosidad se realizaban utilizando tablas de corrección de la viscosidad.
El nuevo método es mucho más fácil de utilizar porque calcula las correcciones de la viscosidad automáticamente utilizando las fórmulas proporcionadas. Se ha eliminado la necesidad de «echar un vistazo» a las tablas, por lo que el nuevo método es más preciso. La norma también proporciona una buena descripción de los antecedentes del método, así como sus limitaciones y los tipos de bombas y las características de diseño de las bombas para las que es aplicable el procedimiento. Lo siguiente fue el resultado de una discusión entre varios de nuestros lectores.
¿Qué son los fluidos newtonianos?
¿Podemos asumir que el petróleo crudo o los productos refinados se comportan como fluidos newtonianos? Una afirmación clave es: «La viscosidad es función únicamente del estado del fluido, en particular de su temperatura». El agua, el aceite, la gasolina, el alcohol e incluso la glicerina son ejemplos de fluidos newtonianos.
Ejemplos de fluidos noNewtonianos son los lodos, suspensiones, geles y coloides. Quizás uno se sienta cómodo con esta suposición para el petróleo crudo y los productos refinados. Pero, ¿el crudo pesado deja de comportarse como un fluido newtoniano en algún momento (a baja temperatura)?
La mayoría de los fluidos son newtonianos con la definición básica de que la viscosidad es constante con la velocidad de cizallamiento. ¿Qué es la velocidad de cizallamiento? Es la tensión relativa impuesta al fluido por el fluido en movimiento. Consideremos, por ejemplo, un impulsor cerrado de 10 pulgadas de diámetro exterior (OD), con un juego radial de 0,010 pulgadas entre los anillos de desgaste, que tienen un diámetro de 5 pulgadas. Si gira a 3.600 rpm, la velocidad periférica del metal es de 78 pies por segundo. El fluido en contacto directo con el anillo gira a la misma velocidad, según una condición de no deslizamiento. El anillo estacionario está a 0,010 pulgadas del movimiento, por lo que el gradiente de velocidad es:
Esa es la velocidad de cizallamiento.
Para un impulsor abierto, la distancia es entre el álabe abierto del impulsor que gira y la pared de la carcasa. Ahora la velocidad periférica cambia a lo largo de la posición radial de la paleta (está a un poco menos de 5 pulgadas en comparación con el OD de, digamos, 10 pulgadas). Se puede estimar un valor medio (el cálculo es similar al anterior), y la velocidad de corte será similar.
Sensible al cizallamiento, Fluidos no newtonianos
Los fluidos sensibles al cizallamientoLos fluidos sensibles al cizallamiento no gustan de esta acción. El pegamento, por ejemplo, se vuelve pegajoso. Sin embargo, el pegamento no se bombea con bombas centrífugas, sino más bien con bombas de engranajes. La velocidad de cizallamiento, sin embargo, sigue funcionando allí también: en una holgura entre el engranaje giratorio y la pared, y dicha holgura está también típicamente en el rango de 0,005 pulgadas.
Tal velocidad de cizallamiento, sin embargo, no suele ser un problema, ya que la cantidad de producto en la holgura es pequeña y la «dilución» general por el fluido pegajoso y dañado es insignificante. Sin embargo, en algunos casos sí es importante. Por ejemplo, si el fluido bombeado por una bomba de engranajes es una emulsión depositada en una película fotográfica, entonces incluso las imperfecciones más pequeñas pueden causar motas y manchas, y la película acaba siendo defectuosa.
El bombeo de alimentos -como cerezas, aplicaciones, etc.- en la industria de los alimentos enlatados plantea preocupaciones similares. El requisito de la bomba es un bombeo suave con bajo cizallamiento. Las bombas de cavidad progresiva son las que mejor funcionan en estos casos.
En una bomba centrífuga con un espacio libre entre la pared del impulsor y la carcasa de 0.5 pulgadas, la tasa de cizallamiento es:
Figura 1. Diferentes tipos de fluidos
Newtonianos & Fluidos no newtonianos y viscosidad
En los fluidos newtonianos, la viscosidad no depende de la velocidad de corte. Si el aceite bombeado tiene una viscosidad de 300 cSt, por ejemplo, sigue siéndolo a 3.600 rpm o a 1.800 rpm. La velocidad de cizallamiento cambia, pero la viscosidad sigue siendo de 300 cSt.
Sin embargo, para algunos fluidos (no newtonianos), la viscosidad sí cambia, ya sea hacia arriba o hacia abajo, como se muestra en la figura 1. Estos fluidos son dilatantes o tixotrópicos. Esto tiene un efecto en la potencia requerida y también puede causar la degradación del fluido, además de tener un efecto (y normalmente lo tiene) en la potencia. La potencia es la fuerza por la velocidad. La fuerza es la tensión por el área. El estrés es la viscosidad por la velocidad de cizallamiento.
Para los fluidos dilatantes el estrés de cizallamiento aumenta siempre, ya que tanto la viscosidad como la velocidad de cizallamiento aumentan, pero para los fluidos tixotrópicos puede ir en cualquier dirección. La velocidad de cizallamiento puede no aumentar tan rápido como la disminución de la viscosidad, y el producto (tensión) puede aumentar, disminuir o permanecer casi igual. Todo depende del fluido que se bombee. Sin embargo, normalmente la tensión de cizallamiento disminuye. Eso significa que la potencia de la bomba también disminuye con la velocidad de cizallamiento. En otras palabras, el fluido es primero viscoso, pero una vez que comienza a moverse, se vuelve menos viscoso, lo que significa que se requiere menos potencia para bombearlo.
El descuido de la potencia del conductor (motor seleccionado demasiado pequeño) es común. Se dimensiona para la viscosidad del fluido en movimiento, pero entonces un motor sigue disparándose al arrancar porque se necesita más potencia para poner las cosas en marcha. El ketchup es un ejemplo, y por eso hay que agitar la botella como un loco en un restaurante para que fluya. Sin embargo, una vez que fluye, lo hace rápidamente.
Como siempre, una pregunta de despedida. ¿Por qué es una regla «típica» que las bombas centrífugas no funcionan bien por encima del número mágico de 500 centistokes de viscosidad? Una respuesta correcta le da un boleto de admisión gratis para la próxima sesión de la Escuela de Bombas: