EQUIPO PARA BOMBEO DE GASES

EQUIPO PARA BOMBEO DE GASES

I.- INTRODUCCION

Los ventiladores, sopladores y compresores se utilizan para incrementar la presión y generar el flujo de aire y otros gases en un sistema de flujo de gas. Su función es similar a la de las bombas en un sistema de flujo de líquido.

Algunos de los principios para el flujo de líquidos y la aplicación de las bombas pueden aplicarse también en el flujo de gases. Sin embargo, la compresibilidad de los gases provoca algunas diferencias importantes.

II.- CONCEPTOS

Presiones y velocidades de flujo de gas

—  La velocidad de flujo de aire u otros gases se expresa con frecuencia en pies³ /min, abreviado cfm. Las velocidades se reportan típicamente en pies/min. Aunque estas no son las unidades estándar en el Sistema Británico de Unidades, son adecuadas en el rango de los flujos que típicamente se encuentran en aplicaciones industriales, comerciales y residenciales.

—  Las presiones pueden medirse en lb/pulg² en el Sistema Británico de Unidades cuando se encuentran valores de presión relativamente grandes. Sin embargo, en la mayoría de las sistemas que manejan aire, las presiones son pequeñas y se miden en pulgadas de agua, abreviada como en H₂ O. Esta unidad se deriva de la práctica de utilizar un tubo pitot y manómetro de agua para medir la presión en ductos.

 

III.-  CLASIFICACIÓN DE VENTILADORES, SOPLADORES Y COMPRESORES

Los ventiladores, sopladores y compresores se utilizan para aumentar la presión del aire y mover éste u otros gases. Las diferencias básicas entre ellos se hallan en sus formas y las presiones que pueden desarrollar gracias a ese diseño. 

VENTILADOR:  

Un ventilador se diseña para operar contra presiones estáticas pequeñas, hasta 2,0 lb/pulg² (13,8 kPa). Pero las presiones típicas de operación para ventiladores son desde 0 hasta 6 pulg de H₂O (0,00 hasta 0,217 lb/pulg ² o 0,00 hasta 1500 Pa).

SOPLADOR:

A presiones desde 2,0 lb/pulg² hasta aproximadamente 10,0 lb/pulg² (69,0 kPa), el dispositivo que genera el movimiento de gas se le llama soplador.

COMPRESOR: 

Para desarrollar altas presiones, tan altas como algunos miles de lb/pulg², se utilizan compresores.

Fig. Ventilador

Fig. Soplador    

 Fig.Compresor

 

IV. Flujo de Aire Comprimido y otros gases

Muchas industrias utilizan aire comprimido en sistemas de alimentación de fluidos para proveer de potencia al equipo de producción, a dispositivos para el manejo de material, y a máquinas de automatización. 

La presión de operación común para tales sistemas está en el rango de 60 hasta 125 lb/pulg² relativas (414 hasta 862 kPa de tamaño). 

Cuando se presentan grandes cambios de presión o temperatura del aire comprimido a lo largo de la longitud de un sistema de flujo:

• —  Deberán tomarse en cuenta los cambios correspondientes en el peso específico del aire.

• —  Si el cambio en presión es menor de aproximadamente el 10 % de la presión de entrada, las variaciones en el peso específico tendrán efectos despreciables.

• Cuando la caída de presión se encuentra entre el 10 y el 40 % de la presión de entrada, podemos utilizar el promedio del peso específico para las conducciones de entrada y salida para producir resultados con exactitud razonable.

• Cuando el cambio de presión predecible es mayor al 40 %, deberá volver a diseñar el sistema o consultar otras referencias.

Propiedades y parámetros para el flujo de aire comprimido

—  Densidad del aire: La densidad para cualquiera de las condiciones de presión y temperatura pueden calcularse de la ley de los gases ideales de la termodinámica 

—  Velocidades de flujo para líneas de aire comprimido : Los valores dados a equipo que se utiliza para comprimir aire y para compresores que entregan aire se proporcionan en términos de aire libre, llamados en algunas ocasiones entrega de aire libre (FAD -  Free Air Delivery). 

Propiedades y parámetros para el flujo de aire comprimido

            Esto proporciona la cantidad de aire entregada por unidad de tiempo suponiendo que el aire se encuentra a presión atmosférica estándar (14,7 lb/pulg² absolutas o 101,3 kPa absolutos) y a la temperatura estándar de 60 ^oF o 15 ^oC (temperaturas absolutas de 520 ^oR o 285 K). Para determinar la velocidad de flujo en otras condiciones, se puede utilizar la siguiente ecuación:

donde:               V_a = velocidad de flujo de volumen (caudal) en condiciones reales

                               V_s = velocidad de flujo de volumen (caudal) en condiciones estándar

                                Patm-s = presión atmosférica absoluta estándar

                               Patm= presión atmosférica absoluta real

                               Pa= presión real de medición

                               Ta= temperatura absoluta real

                               Ts= temperatura absoluta estándar = 520 ^oR o 285 K.

Utilizando estos valores y los de la atmósfera estándar, podemos escribir la Ecuación en Sistema Británico de Unidades:

—  En unidades SI:  

Selección del tamaño de tubería:

             - Caída de presión.

            - Requerimiento de potencia en el compresor.

            - Costo de tubería.

            - Costo de un compresor.

            - Costos de instalación.

            - Espacio requerido.

            - Expansión futura.

            - Ruido.

PARAMETROS TECNICOS

Tamaño sugeridos para sistemas de aire comprimido:

 

Es evidente que no existe un tamaño de tubería óptimo para cada instalación y el diseñador deberá evaluar el funcionamiento total de algunos de los tamaños antes de realizar la especificación final. Como ayuda para iniciar el proceso, la tabla  1 enlista algunos tamaños sugeridos

 Resistencia en válculas y junturas como longitud equivalente:

—  Factor de Fricción en zonas turbulentas        

                                                                                   

—  Como en otros sistemas de línea de tubería, los sistemas de tubería con aire comprimido típicamente contienen válvulas y accesorios para controlar la cantidad y dirección de flujo. Tomamos en cuenta sus efectos utilizando la técnica de la longitud equivalente y los valores para el cociente L_e/D se enlistan en la Tabla 2

V. Flujo de aire en ductos

• Los sistemas de ventilación y aire acondicionado distribuyen el aire a través de ductos a relativamente baja presión. 

•  —  Los ventiladores o sopladores que son responsables del movimiento del aire pueden describirse como dispositivos de alto volumen y baja presión.

• —  Se requiere un conocimiento de las presiones en el sistema de ductos para adoptar en forma apropiada un ventilador a un sistema dado para asegurar la entrega de energía de una cantidad adecuada de aire, para equilibrar el flujo en varias partes del sistema.

• —  Dos tipos de pérdida de energía en sistemas de ductos provocan que la presión disminuya a lo largo de la trayectoria del flujo. 

•  —  Las pérdidas por fricción se presentan a medida que el aire fluya a través de accesorios tales como T y Y y por medio de los dispositivos de control de flujo.

• —  Las pérdidas por fricción pueden estimarse utilizando la ecuación de Darcy . sin embargo, se han preparado tablas por parte de la American Society of Heating, Refrigering, and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) para las condiciones típicas encontradas en el diseño de ductos.

• —  Aunque con frecuencia se usan los ductos circulares para distribuir aire a través de sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado, es, en general, más conveniente utilizar ductos debido a las limitaciones de espacio, en particular sobre techos.

• —  El radio hidráulico del ducto rectangular puede utilizarse para caracterizar su medida. Cuando se llevan a cabo las sustituciones necesarias del radio hidráulico para el diámetro en relaciones para velocidad, número de Reynolds, rugosidad relativa y el correspondiente factor de fricción, vemos que el diámetro equivalente para un ducto rectangular es:

 donde a y b son los lados del rectángulo.

Esto permite utilizar las gráficas de pérdidas de fricción en las Figs.1 y 2 para ductos rectangulares así como también para los circulares.

Figura N°1

Pérdidas por fricción en ductos – Sistema Británico

Figura N°2

Pérdida por fricción en ductos - SI

VI.-  ANEXOS

Proceso de producción de aire comprimido

BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

DEFINCIÓN

Son aquellas en las que crean la succión y la descarga, desplazando agua con un elemento móvil. El espacio que ocupa el agua se llena y vacía alternativamente forzando y extrayendo el líquido mediante movimiento mecánico.

¿Por qué el término”postivo”?

El término “positivo”, significa que la presión desarrollada está limitada solamente por la resistencia estructural de las distintas partes de la bomba y la descarga no es afectada por la carga a presión sino que está determinada por la velocidad de la bomba.

TIPOS DE BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO

I) BOMBAS COMUNES DE DESPLAZAMIENTO

1.1.- Bombas de Embolo

En estas bombas el líquido es forzado por el movimiento de uno o mas pistones ajustados a sus respectivos cilindros tal y como lo hace un compresor Como durante el trabajo se produce rozamiento  entre el pistón y el cilindro, necesitan de sistemas de lubricación especiales para poder ser utilizadas en la impulsión de líquidos poco lubricantes tales como el agua. Tampoco pueden ser usadas con líquidos contaminados con partículas que resultarían abrasivas para el conjunto.

   

1.2.- Bombas lobulares

Éstas se asemejan a las bombas del tipo de engranajes en su forma de acción, tienen dos o más motores cortados con tres, cuatro, o más lóbulos en cada motor (Fig. 4, 5 y 6). Los motores se sincronizan para obtener una rotación positiva por medio de engranajes externos. Debido al que el líquido se descarga en un número más reducido de cantidades mayores que en el caso de la bomba de engranajes, el flujo del tipo lobular no es tan constante como en la bomba del tipo de engranajes.

 

 

1.3.- Bombas de tornillo

Estas bombas tienen un eje en forma de espiral, que gira dentro de un cilindro que a su vez posee cavidades en espiral. El eje gira desplazando el fluido a través de las cavidades, avanzando en forma continua, produciéndose un flujo axial.

II) BOMBAS ROTATORIAS

Las bombas rotatorias, que generalmente son unidades de desplazamiento positivo, consisten de una caja fija que contiene engranajes, aspas, pistones, levas, segmentos, tornillos, etc., que operan con un claro mínimo. En lugar de "arrojar" el líquido, como en una bomba centrífuga, una bomba rotatoria lo atrapa, lo empuja contra la caja fija. La bomba rotatoria descarga un flujo continuo. Aunque generalmente se les considera como bombas para líquidos viscosos, las bombas rotatorias no se limitan a este servicio solo, pueden manejar casi cualquier líquido que esté libre de sólidos abrasivos.

CARACTERISTICAS DE BOMBAS ROTATORIAS

El desplazamiento de una bomba rotatoria varia en forma directamente proporcional con la velocidad, sólo que la capacidad puede verse afectada por viscosidades y otros factores.

Sí se desprecian los escapes, las bombas rotatorias descargan un gasto constante independiente de las presiones variables de descarga.

Aunque generalmente se les considera como bombas para líquidos viscosos, las bombas rotatorias no se limitan a este servicio sólo. Pueden manejar casi cualquier líquido que esté libre de sólidos abrasivos.

TIPOS DE BOMBAS ROTATORIAS

2.1.- Bombas de Leva y Pistón

También llamadas "Bombas de émbolo rotatorio", consisten de un excéntrico con un brazo ranurado en la parte superior (Fig. 1). La rotación de la flecha hace que el excéntrico atrape el líquido contra la caja. Conforme continúa la rotación, el líquido se fuerza de la caja a través de la ranura a la salida de la bomba.

2.2.- Bombas de engranajes externos

Estas constituyen el tipo rotatorio mas simple. Conforme los dientes de los engranajes se separan en el lado de succión de la bomba (Fig. 2), el liquido llena el espacio entre ellos. Este se conduce en trayectoria circular hacia fuera y es exprimido al engranar nuevamente los dientes.

2.3.- Bombas de engranajes internos

Este tipo (Fig. 3) tiene un motor con dientes cortados internamente y que encajan en un engrane loco, cortado externamente. Puede usarse una partición en forma de luna creciente para evitar que el líquido pase de nuevo al lado de succión de la bomba.

  

III) BOMBAS ALTERNATIVAS O RECIPROCAS

Las bombas alternativas o reciprocas son también unidades de desplazamiento positivo descargan una cantidad definida de líquido durante el movimiento del pistón o émbolo a través de la distancia de carrera. En este tipo de bombas el fluido se desplaza mediante movimiento alternativo; al moverse en un sentido succiona y en el sentido inverso expulsa.

Tipos de bombas alternativas

El flujo de descarga de las bombas centrífugas y de la mayor parte de las bombas rotatorias es continuo. Pero en las bombas alternativas el flujo pulsa, esto puede reducirse con una cámara colchón o pulmón regulador.

Igual que otras bombas, las bombas alternativas no succionan los líquidos. Reducen solamente la presión en la cámara de succión y la presión externa, generalmente la atmosférica, empuja el líquido en la bomba potencia.

3.1.- Bombas de diafragma

Este tipo de bombas desplazan el líquido por medio de diafragmas de un material flexible y resistente, colocado dentro de un cuerpo cerrado que se acciona desde el exterior por un mecanismo reciprocante.

3.2.- Bombas de aspas o Paletas

Las bombas de aspas oscilantes tienen una serie de aspas articuladas que se balancean conforme gira el motor, atrapando al liquido y forzándolo en el tubo de descarga de la bomba.

Las bombas de aspas deslizantes usan aspas que se presionan contra la carcaza por la fuerza centrífuga cuando gira el motor. El liquido atrapado entre las dos aspas se conduce y fuerza hacia la descarga de bomba.

3.3.- Bombas Peristálticas

El líquido es desplazado por el interior de una manguera colocada en forma perimetral dentro de la carcasa de la bomba. Este desplazamiento es provocado por una rueda que posee dos levas, las cuales al girar van comprimiendo la manguera. Para disminuir el desgaste provocado por el roce entre la manguera y las levas, este sistema está sumergido en un lubricante.

IV) BOMBAS RECIPROCANTES

Las bombas reciprocantes se utilizan en numerosas aplicaciones que exceden la capacidad de las bombas centrífugas o rotatorias. Algunos servicios se podrían efectuar con una centrífuga o rotatoria, pero a expensas de un aumento en los requisitos de potencia y de mantenimiento. Debido a los altos costos de la energía, la bomba de potencia, con su elevada eficiencia mecánica, se utiliza cada vez más en muchas aplicaciones.

Una bomba reciprocante es de desplazamiento positivo, es decir, recibe un volumen fijo de líquido en condiciones casi de succión, lo comprime a la presión de descarga y lo expulsa por la boquilla de descarga. En estas bombas se logra por el movimiento alternativo de un pistón, émbolo o diafragma.

La bomba reciprocante no es cinética como la centrífuga y no requiere velocidad para producir presión, pues se pueden obtener presiones altas a bajas velocidades.

Esta es una de las ventajas de la bomba reciprocante en particular para manejar pastas aguadas abrasivas y líquidos muy viscosos.

4.1.- TIPOS DE BOMBAS RECIPROCANTES

•          Existen básicamente dos tipos de bombas reciprocantes las de acción directa, movidas por vapor y las bombas de potencia.

4.2.- Clasificación de las bombas

Las bombas reciprocantes, por lo general, se clasifican por sus características:

1.- Extremo de impulsión, es decir, potencia o acción directa.

2.-  Orientación de la línea de centros del elemento de bombeo, es decir, horizontal o vertical.

3.- Número de carreras de descarga por ciclo de cada biela, es decir, acción sencilla o doble acción.

4.- Configuración del elemento de bombeo: pistón, émbolo o diafragma.

5.- Número de varillas o bielas de mando, es decir, símplex, dúplex o múltiplex.

En las bombas de acción directa se utiliza un fluido motor para impulsar el pistón desde una biela común

4.3.- APLICACIONES

Las aplicaciones típicas de las bombas reciprocantes son:

Carga deglicoles. El etilenglicol o el trietilenglicol se bombea a un absorbedor a unas 1 000 psig para eliminar la humedad del gas natural. El glicol absorbe el agua, se lo estrangula a presión atmosférica y se lo calienta para eliminar el agua. Después, se enfría y se devuelve con la bomba al absorbedor. Para este servicio se utilizan bombas de potencia con motor y reciprocantes de acción directa.

Carga de aminas. La monoetanolamina, otras aminas y los absorbentes patentados eliminan el sulfuro de hidrógeno y el dióxido de carbono del gas natural. Se bombea el absorbente hacia un absorbedor a unas 1 000 psig y produce una acción similar a la de los glicoles. En las plantas grandes para tratamiento de gas se suelen utilizar bombas centrífugas; en las pequeñas, son más adecuadas las bombas de potencia propulsadas por motor eléctrico.

Petróleo pobre. El aceite para absorción se utiliza igual que los glicoles y aminas pero absorbe los hidrocarburos como butano, propano y etano del gas natural.

Inyección de agua salada. Un método que se utiliza mucho para la recuperación secundaria de petróleo y gas en los campos casi agotados, es inundar los yacimientos con agua, por lo general, agua salada en pozos periféricos para obligar a los hidrocarburos a moverse hacia el pozo central. En los campos pequeños se utilizan bombas de potencia.

Eliminación de agua salada. Se suelen utilizar bombas de potencia para bombear el agua salada a un pozo para eliminarla.

Evitadores de reventones. Los evitadores de reventones, hidráulicos, siempre están listos durante la perforación de pozos de petróleo y gas para cerrar el pozo si se inicia el llamado reventón. La potencia hidráulica se aplica con bombas reciprocantes, con motor eléctrico o neumático.

La presión normal de funcionamiento es entre 1 000 y 3 000 psig.

Sistemas de oleoductosy gasoductos. Se utilizan bombas de potencia para inyectar amoniaco o hidrocarburos ligeros en estas tuberías. Se envían diversas pastas aguadas y petróleo crudo en las tuberías con bombas de potencia de pistón y émbolo.

Sistemas hidráulicos. Se utiliza un líquido hidráulico, corno aceite soluble y agua en laminadoras de acero y petróleo diáfano (Keroseno) y aceite en las laminadoras de aluminio, para colocar los rodillos de las laminadoras y se emplean cilindros hidráulicos para mover el metal que se lamina. Estos sistemas de cargas con bombas de potencia con motor a una presión entre 1 000 y 5 000 psig.

Producción defertilizantes. Se utilizan bombas de potencia con prensaestopas especiales para bombear amoniaco a presiones hasta de 5 500 psig. Se utilizan bombas de potencia con extremos para líquido hechos de acero inoxidable y prensaestopas especiales para bombear carbamato de amonio a presiones hasta de 3 500 psig para la producción de urea.

Limpieza. El agua a presiones entre 7 000 y 10 000 psig enviada con bombas de potencia se utiliza para lavar equipos y estructuras.

Tambores deshidratadores. La bomba de acción directa, de mínima holgura es muy adecuada para bombear los hidrocarburos desde los tambores deshidratadores en las refinerías, debido a su velocidad variable y su baja carga neta positiva de succión NPSH.

Pruebas hidrostáticas. Se utilizan bombas de potencia y de acción directa para las pruebas hidrostáticas de equipos y sistemas. La bomba con émbolo de acción directa es muy adecuada para este servicio porque se “ahoga” a determinada presión y sólo bombea si falla la presión.

Pastas aguadas. Se emplean bombas de potencia y de acción directa para manejar pastas aguadas como mantequilla de cacahuate, detergentes, plásticos, carbón y minerales pulverizados en procesos y tuberías. Las presiones pueden llegar hasta unas 10 000 psig y las temperaturas a unos 700°F.

Dosificación. Se utilizan diversas configuraciones de bombas de potencia y de acción directa para dosificar líquidos desde bombas grandes para tuberías con propulsión de velocidad variable y también las hay pequeñas, de volumen controlado para inyectar cantidades precisas de productos químicos en la corriente de proceso.

Homogeneización. La leche y otros productos alimenticios y no alimenticios se homogeneizan para hacerlos uniformes y evitar la separación. Gran parte de la homogeneización se logra al bombear el material con una bomba de potencia de émbolo hasta una alta presión y, luego, con la estrangulación con una 0 más válvulas especiales.

4.4.- DESVENTAJAS DE LAS BOMBAS RECIPROCANTES

Las bombas reciprocantes tienen ciertas desventajas y la más común es el flujo a pulsaciones; por ello, se debe tener cuidado en el diseño del sistema. Más adelante en este artículo aparece información al respecto.

En la mayoría de las aplicaciones los costos inicial y de mantenimiento de las bombas reciprocantes serán mayores que para las centrífugas o las rotatorias. La empaquetadura típica en una bomba de potencia dura menos de tres meses, o sea mucho menos que un sello mecánico en un eje rotatorio.

La bomba de acción directa tiene baja eficiencia térmica cuando se le impulsa con un gas como el vapor de agua.

La eficiencia mecánica (fuerza de salida dividida entre la fuerza de entrada) es alta; pero, debido a que no tiene ningún componente, como un volante, para almacenar energía, el gas motor debe permanecer a la plena presión de entrada en el cilindro durante toda la carrera; al final de la carrera se expande el gas hacia el tubo de escape, pero no efectúa ningún trabajo durante la expansión.

Por tanto, la energía térmica del gas se pierde por fricción. El consumo aproximado de vapor de estas bombas es de 100 lb/h por cada caballo hidráulico (hhp), es decir, por cada caballo hidráulico producido en el extremo de líquido, se necesitan unas 100 lb/h de vapor. Cuando el fluido-motor es gas natural o aire, el consumo es alrededor de 3 500 ft” estándar/(h) (hhp).

La mayoría de los problemas con las bombas reciprocantes se pueden evitar con la selección de bombas que trabajen a velocidades conservadoras, con diseño cuidadoso del sistema de bombeo y con métodos de mantenimiento que conserven la aleación entre el émbolo y el prensaestopas.

Páginas de Internet:

http://avdiaz.files.wordpress.com/2008/10/bombas-de-desplazamiento-positivo.pptx

http://biblioagora.ucevalpo.cl/docs/1045/Apuntes%20III%20BOMBAS.pdf

http://web.ist.utl.pt/ist11061/leq-II/Documentos/OpUnitarias/Bombas.pdf