martes, 17 de enero de 2012

BOMBA CENTRÍFUGA


Parte III Curva del sistema

Ayer recibí una llamada:

-          Aló, profesor Raúl Miranda.

-          Si, buenas tardes, habla Raúl Miranda pero a partir de este semestre dejé de dar clases.

-          Que lástima, usted es un buen profesor, yo vi clase con usted hace un par de años.

-      Gracias, me gusta mucho la educación, pero ya no podía seguir compartiendo mis actividades con la docencia. Dígame, ¿en qué puedo ayudarla?

-          Profesor, acabo de revisar su blog, de verdad que esta muy bueno.

-          Caramba, muchas gracias.

-   Lo estaba llamando para hacerle una pregunta sobre su último artículo ¿Cabezal de presión o simplemente presión? Según entendí, ¿para determinar el cabezal necesario para que un fluido llegue a mayor altura simplemente debo restarle la altura inicial del líquido a la altura final?  En el ejemplo del artículo sería 100 ft – 25 ft, por lo que la bomba debe generar 75 ft de cabezal.

-      No exactamente, pero no se preocupe, probablemente no me expliqué bien en el artículo. Permítame explicarle mejor, pero antes quiero hacerle una pregunta. ¿Está usted en estos momentos bajo los efectos del alcohol?

-     ¿Qué? Sr. Miranda, ¿esta insinuando que mi pregunta es muy tonta? ¿que solo se puede ocurrir a alguien que este ebrio? ¡Que bueno que ya no esté dando clase! 

-          No, no quise decir eso, discúlpeme pero es que… Aló, aló.

En una ocasión, estaba trabajando en un proyecto de una planta de ósmosis inversa para la desalinización de agua de mar. Como parte de las actividades planificadas, se realizó una visita a una refinería que tenía una planta similar a la que debíamos diseñar. Luego de concluida la visita convidé a mis compañeros a tomar cerveza en el bar del hotel. Al cabo de 3 horas y unas cuantas cervezas comenté que recientemente había visto un programa en televisión donde demostraban que conducir el vehículo con las ventanas abiertas y el aire acondicionado apagado, contrario a lo que se cree, consumía mas combustible. A lo que el gerente del proyecto responde: <<Raúl, eso es imposible, tu como ingeniero químico deberías saberlo, es un simple balance de masa y energía>>. Me lo decía mi jefe y yo estaba bajo los efectos del alcohol, así que mi única opción fue cambiar el tema de conversación. 

Meses después de esto, volvieron a transmitir el programa de televisión. De los resultados del experimento realizado en el programa se llegaba a la conclusión de que a partir de cierta velocidad, conducir con las ventanas abiertas aumentaba la fricción aerodinámica del auto y por lo tanto se incrementaba el consumo de combustible con respecto al consumo obtenido cuando se conducía con las ventanas cerradas y el aire acondicionado encendido.  

Cuando escribí el artículo anterior, asumí, y así esta escrito, que las pérdidas por fricción eran despreciables con la finalidad de simplificar la explicación. Ahora bien, siendo mas preciso, el cabezal necesario de una bomba está compuesto por dos elementos:
  
  • Cabezal estático, el cual es independiente del flujo. Por ejemplo, si el líquido debe ser enviado desde una altura a otra, entonces este cabezal será la diferencia entre estas alturas.
  • Pérdidas de cabezal por fricción, las cuales son proporcionales al cuadrado del flujo. Estas pérdidas de cabezal resultan de la suma de las pérdidas en tuberías, accesorios y equipos.
La curva del sistema es una representación gráfica donde se muestra el cabezal estático y las pérdidas de cabezal por fricción para diferentes caudales. Para cualquier flujo deseado, el cabezal que debe generar la bomba puede ser leído fácilmente en la curva del sistema.


Recuerden que el sistema gobierna a la bomba por lo que está siempre operará en la intersección de la curva del sistema y la curva de la bomba.

Espero que la persona que me llamó vuelva a entrar al blog y lea esta historia. Cuando le pregunté si estaba bajo los efectos del alcohol, lo único que quería era verificar que no solo a mí a se me olvidaba el factor de fricción después de haber tomado.

jueves, 12 de enero de 2012

BOMBA CENTRÍFUGA

Parte II ¿Cabezal de presión o simplemente presión?

En la parte I de este especial sobre bombas centrífugas he mencionado que el principio de funcionamiento de este equipo es convertir la velocidad del fluido en cabezal de presión. Pero, ¿Cuál es la diferencia entre el término presión y el término cabezal de presión? Siempre hemos escuchado que las bombas centrífugas aumentan la presión del fluido, no el cabezal de presión (Ambos términos están relacionados, pueden consultar el artículo Presión Parte II). El ingeniero u operador normalmente trabaja utilizando el término presión, sin embargo los fabricantes de las bombas siempre utilizan el término cabezal cuando presentan las características de la bomba. Para comprender la diferencia entre estos términos veamos el siguiente ejemplo.

Supongamos que tenemos dos bombas centrífugas idénticas instaladas en un mismo nivel. Una bomba se alimenta de un tanque atmosférico que contiene agua (gravedad específica 1) y la otra bomba de un tanque también atmosférico pero que contiene nafta (gravedad específica 0,76). La altura de líquido en ambos tanques es de 25 ft. Para esta explicación asumiremos despreciables las pérdidas por fricción. Las bombas están diseñadas para generar un cabezal de presión de 75 ft cuando por ellas se bombean 300 gpm (galones por minuto), por lo tanto, para este flujo, tanto la nafta como el agua pueden alcanzar una altura a la descarga de 100 ft (25 ft que tienen a la succión sumados a 75 ft que genera la bomba), sin embargo la presión de descarga de la bomba de agua es de 43,29 psig mientras que la presión de descarga de la bomba de nafta es de 32,91 psig (ver figura).


 Una bomba centrífuga, para un flujo determinado generará el mismo cabezal sin importar el fluido con el que esté operando, sin embargo la presión dependerá de la densidad del fluido.

lunes, 9 de enero de 2012

BOMBA CENTRÍFUGA


 Parte I. ¿Cómo funciona una bomba centrífuga?

Siempre he sido de los que piensa que no se debe llamar error a algo de lo cual se puede obtener un aprendizaje o sacar algún provecho. La mejor manera de enmendar un error es aprendiendo del mismo. Durante mi carrera de estudiante, reprobé una sola materia, estadística. Cuando volví a cursarla mi nota final fue de 9/10 y al final del semestre decidí concursar para ser preparador docente de esa materia. Sin entrar en detalles, quería demostrarle al profesor con el que había reprobado que ya yo sabía más sobre la materia que el (cosa que no era difícil si les soy sincero). En fin, cuando estaba en el Departamento de Ingeniería Química con mi planilla para ser preparador de estadística, el Jefe de Departamento de ese entonces me convenció para que fuera su preparador docente de Fisicoquímica II, así que modifiqué la planilla y la entregué. Creo que si no hubiese reprobado estadística nunca me hubiese convertido en preparador docente en la Universidad De Oriente. Luego de tres semestres decidí dejar Fisicoquímica II y ser preparador docente de Laboratorio de Fenómenos de Transporte. En una ocasión, estaba explicándole a un grupo de estudiantes del laboratorio cómo debían realizar la práctica correspondiente a bomba centrífuga. Uno de los estudiantes, el más inteligente, me dice:

-Raúl, la tubería de entrada a la bomba y la tubería de salida tienen el mismo diámetro. 

-Así es Carlos, estas en lo correcto.

-Pero Raúl, la velocidad de un fluido dentro de una tubería es igual al caudal dividido por el área de flujo. Si estos parámetros son iguales tanto a la entrada como a la salida de la bomba, la velocidad será igual a la entrada y a la salida.

-Así es Carlos, de nuevo estas en lo correcto.

-No entiendo Raúl, ¿No se supone que la bomba centrífuga tiene un impulsor que gira a una velocidad determinada y que le imparte velocidad al fluido?

-Si Carlos, ya veo que has estudiado para esta práctica. ¿Cuál parte es la que no entiendes?

-Raúl,  ¿No se pierde el trabajo de la bomba si colocamos a la salida una tubería con el mismo diámetro de la tubería de entrada? ¿No debería ser la tubería de salida de menor diámetro para que la velocidad a la salida sea mayor?  

-Bien Carlos, ya veo cuál es tu duda. En efecto, el impulsor de la bomba centrífuga produce un aumento en la velocidad del fluido, pero la intención de la bomba no es aumentar velocidad, es generar cabezal de presión (utilizamos el término cabezal de presión debido a que los términos en la ecuación de Bernoulli están expresados en unidades de longitud). Una vez que el fluido sale del impulsor con una velocidad mayor a la de entrada, este pasa por la voluta de la bomba. En esta parte de la bomba, de acuerdo a la ecuación de Bernoulli, la cual es una expresión de la ley de conservación de la energía, la velocidad ganada en el impulsor es transformada en cabezal de presión. Así es cómo trabaja una bomba centrífuga.




 
-Interesante Raúl, disculpa mi error, quizás omití en mis lecturas la parte de la voluta de la bomba.

-Tranquilo Carlos, siempre he sido de los que piensa que no se debe llamar error a algo de lo cual se puede obtener un aprendizaje o sacar algún provecho. La mejor manera de enmendar un error es aprendiendo del mismo. Durante mi carrera de estudiante, reprobé una sola materia, estadística…



martes, 3 de enero de 2012

APLICACIÓN DE PRINCIPIOS BÁSICOS DE INGENIERÍA QUÍMICA


PARTE IV UNA TAZA DE CAFÉ

Hoy es el primer día en la guardería para mi hija de 20 meses y creo que ha sido más fuerte para mí que para ella, hasta el punto que he decidido preparar yo mismo el café de la oficina, para lo cual he tenido que pedir la ayuda de mis compañeros porque normalmente ni preparo café ni lo tomo. Después de unas cuantas tazas creo que comencé a sentir el efecto del café y me detuve a pensar cómo funciona la cafetera (una cafetera eléctrica como la mostrada en la figura 1). Por lo pronto lo único que conozco es que he llenado el compartimiento de la cafetera con agua y luego de encenderla, al cabo de pocos momentos, el agua comenzó a fluir desde el depósito a través de un tubo vertical hasta llegar a la parte superior donde se encuentra el café molido. ¿Cómo hizo el agua para fluir desde abajo hacia arriba? No, no es una bomba lo que impulsa el agua en contra de la fuerza de la gravedad. El agua almacenada en el depósito de la cafetera pasa a través de un pequeño orificio ubicado en el fondo del mismo y llena un tubo que está en contacto con el sistema de calentamiento del equipo y que tiene el otro extremo conectado al tubo vertical de la cafetera. El agua dentro de los tubos comienza a calentarse y es parcialmente vaporizada. La mezcla líquido-vapor tiene una densidad mucho menor a la del agua fría que aún se encuentra en el depósito. Si leyeron el artículo sobre presión publicado en este blog, sabrán  que una columna de fluido ejerce una presión en la base de la misma que es proporcional a su densidad. Por ejemplo, una columna de 321 pie de agua a 60°F genera una presión en la base de 100 psig, mientras que una columna con la misma altura pero de querosén a 60 °F (gravedad específica 0,75) generaría una presión de 75 psig. Volviendo a la cafetera, la diferencia de densidad genera también una diferencia de presión la cual hace que el fluido se mueva a través del tubo vertical. Volviendo al punto inicial, ¿cómo la estará pasando mi hija?



Figura 1

Para serles sincero, nunca pensé que existiera una similitud entre esta máquina de hacer café y el proceso de destilación. No se preocupen, no es el exceso de café de hoy lo que me hace pensar eso. Lo que acabo de explicar que ocurre dentro de la cafetera es el efecto termosifón. La mayoría de los rehervidores utilizados en las columnas de destilación son del tipo termosifón (la figura 2 muestra uno de los arreglos disponibles para un rehervidor termosifón), el cual funciona de la misma manera que la cafetera. En el fondo de la torre debe haber una columna de líquido que permite que este fluya a través del intercambiador de calor, donde es calentado y parcialmente vaporizado, produciéndose una diferencia de densidad que genera el movimiento del fluido de retorno a la torre. La figura 2 junto con la siguiente explicación fueron tomadas del libro A Working Guide To Process Equipment (3ª Edición) de Norman Lieberman y publicado por McGraw Hill. 


 Figura 2

De acuerdo a los datos mostrados en la figura:

  • La gravedad específica del líquido a la entrada del rehervidor es 0,6
  • La altura de líquido sobre la entrada del rehervidor es 20 ft
  • La gravedad específica de la mezcla líquido-vapor a la salida es de 0,061
  • La altura de la línea de retorno es 15 ft

Por lo tanto, la diferencia de presión es




Esta diferencia de presión representa la fuerza impulsora disponible para que la mezcla líquido-vapor pueda retornar a la columna, tomando en cuenta la pérdidas en las líneas de entrada y salida, en las boquillas y en el rehervidor.