BOMBAS DE VACO DE ANILLO LQUIDO

1.- INTRODUCCIN

La tcnica del vaco es usada en muchas operaciones bsicas de procesos, las que van desde vaporizacin, secado, condensacin, desgasificacin, y filtrado; hasta su uso en tcnicas de fisin nuclear, o en la fabricacin de superconductores.En el campo del vaco, y de acuerdo a lo indicado en la Norma DIN 28400, el tipo de flujo de gas depende del vaco existente. Flujo acorde con la ley de Hagen-Poisseuille existe en el rango de Coarse Vacuum. En el rango de High Vacuum, la friccin interna no es tan decisivo y las colisiones de las molculas con las paredes del tubo ocurren ms a menudo que las colisiones entre molculas. Este tipo de flujo se denomina Flujo Molecular Knudsen. El rango entre Coarse y High Vacuum se denomina Fine Vacuum.

Tipo de flujo en vaco

K!

l d

Rangos de vaco segn DIN 28400.-

Nuestro inters se centra en el rango denominado Coarse Vacuum.-

2.- CAMPO DE APLICACIN DE LA TECNOLOGA DEL VACO

3.- PROCESOS LLEVADOS A CABO CON VACO.-

4.- CLASIFICACIN DE LAS BOMBAS DE VACOLas mquinas usadas en operaciones bsicas, en el cual los niveles de vaco estn en el rango de Coarse Vacuum (1mbar a 1.000 mbar), corresponden a las bombas de vaco y los compresores.

Clasificacin Bombas de Vaco

Dentro de este grupo de bombas, las bombas de anillo lquido (liquid ring vacuum pump) presentan ventajas comparativas cuando las condiciones de los procesos son inadecuadas para otras bombas, como por ejemplo, el bombeo de gases hmedos, agresivos, explosivos o sucios.Las bombas de vaco de anillo lquido se clasifican dentro de las mquinas de desplazamiento positivo rotativas. Ellas tiene como principal caracterstica que la transferencia de energa se efecta del rodete al anillo lquido y del anillo lquido hacia el fluido o gas de trabajo.-

Las principales ventajas de la bomba de anillo lquido son: Permite la impulsin de gases libres de contaminacin por aceites o lubricantes, dado que no requiere lubricacin. Es posible impulsar gases hmedos e incluso se puede co-impulsar pequeas cantidades de lquido. La compresin corresponde aproximadamente a una compresin isotrmica. Dadas las caractersticas de la bomba, es adecuada para realizar algunos tipos de reacciones. Requiere de mnima mantencin comparadas con otras bombas.-

5.- PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTOEn una carcasa cilndrica est dispuesto en forma excntrica un rodete con paletas curvadas. Cuando comienza a girar dicho rodete, el lquido que se encuentra en la carcasa es obligado a formar un anillo que gira concntricamente a la carcasa.-

De este modo se obtiene un sello en direccin radial en torno al rodete. Por la disposicin excntrica del rodete se logra que en un giro de 180 el lquido escape, semejante a un pistn, de las celdas formadas por las paletas, y en el giro restante ingrese nuevamente a ellas, vale decir, se obtiene el efecto de un desplazamiento positivo.-

En la pared lateral se encuentra en el lado de succin (celdas crescientes) un orificio por el cual es aspirado el fluido bombeado (gas o mezcla de gas-vapor). En el lado de compresin (celdas decrecientes) o ms bien al final de ste, se encuentra un orificio de descarga por el cual es impulsado el fluido.-

El anillo lquido debe ser realimentado en forma permanente, debido a que una pequea parte del lquido es impulsado con el fluido hacia el exterior de la bomba. El anillo lquido sirve adems para evacuar el calor generado en la compresin de los gases (o mezcla gasvapor), por lo que deben ser renovado.-

El anillo lquido cumple las siguientes funciones: Servir de seudo pistn. Dada la disposicin excntrica del impulsor respecto del anillo lquido, el anillo que se introduce y sale de las celdas del impulsor desarrolla las funciones de un pistn en cada ciclo de revolucin, permitiendo la ENTRADACOMPRESIN-DESCARGA del fluido impulsado. Servir de sello. Dado que el impulsor se mueve dentro de la carcasa y los discos de distribucin sin efectuar ningn tipo de contacto, el lquido asegura el sello y evita las fugas. Asimilar el calor de compresin del fluido. Producto del contacto directo entre fluido y lquido, la mayora del calor generado por el proceso de compresin es transferido al lquido.

Otras funciones son: Remover el calor de friccin, Enfriar componentes internos como prensa estopas y sellos mecnicos, Lubricar prensas estopas y caras de sellos mecnicos, Permitir el desarrollo de ciertas reacciones qumicas, Absorcin de gases, Remocin de calor de reaccin, Remocin de calor de absorcin, y Remocin de calor latente (vapores).-

6.- COMPONENTES BOMBA DE VACO

0001, 0002: Carcasa 0010, 0011: Discos de Distribucin.0030 : Impulsor 0035, 0036: Cuerpo central. 0200: Eje.-

0001, 0002: Carcasa 0010, 0011: Discos de Distribucin.0030, 0031: Impulsor 0035, 0036: Cuerpo central. 0200: Eje.-

Disco de distribucin

7.- IMPORTANTES LEYES FSICAS

7.1.- Ecuacin de estado de los gases ideales.Los clculos son simplificados considerados los gases y vapores como ideales.-

Vges

m1 m2 RM M M .... T 2 1 ! p gesEcuacin de estado de Clapeyron

Vges: Volumen total de mezcla de gas y/o vapor (en m3).Rm: Constante Universal de los gases = 83,14 (mbar * m3)/(kmol*K).m1, m2: masa de los gases o vapores (en kg).M1, M2: masa molar (en kg/kmol).T: temperatura (en K).Pges: presin total de la mezcla (en mbar) = p1+p2+

7.2.- Mezcla de gases.Ley de Dalton para mezcla de gases ideales: Cada compone de una mezcla de gas ocupa el volumen total disponible por la mezcla como si los otros componentes no la mezcla no existiera.Cada gas individual est bajo una presin parcial. La suma de las presiones parciales de cada componente nos da la presin total de la mezcla.Antes mezcla

Despus mezcla

m1 p ges Vges ! RM T M1 m1 p1 Vges ! RM T M1

Con

Vges ! Vii

La presin parcial de un gas:

Para una mezcla de dos gases:

pi Vi ! p ges Vges

p ges p2 Vi p1 ! ! Vges p ges p ges p ges ! p1 p2

7.3.- Presin parcial en una mezcla de gas.En caso de vapores, vlido solamente para lquidos no solubles uno con otros.-

m1 M1 p1 ! p ges m1 m2 ... M1 M 27.4.- Masa de un gas individual de una mezcla gases

M 1 p1 m1 ! m2 M 2 p2

7.5.- Ley de Dalton

V1 p1 p ges p2 ! ! V2 p2 p27.6.- Mezcla de gas/vapor

p ges ! p1 p2

Las relaciones expresadas anteriormente para mezclas de gases, tambin puede ser aplicada a mezclas de gas/vapor. Sin embargo deber tenerse en consideracin que la presin parcial del vapor no podr exceder la presin de vapor para la temperatura de la mezcla, dado que la mezcla gas/vapor est saturada.Para una mezcla saturada de gas/vapor, de la Ley de Dalton tenemos:

Vgas Vvapor

!

p gas pvapor

!

p ges pvapor pvapor

p ges ! p gas pvapor

El volumen de una mezcla de gas/vapor, se determina de la siguiente forma:

Vges

mgas mvapor T RM M M vapor gas ! p ges RM mgas M gas p ges T Vvapor ! RM mvapor M vapor p ges T

La ecuacin para cada volumen individual es:

Vgas !

Por ltimo, la masa de vapor de la mezcla gas/vapor, se obtiene de la siguiente forma:

mvapor

M vapor pvapor ! mgas M gas p gas

8.- CARACTERSTICAS DE FUNCIONAMIENTO

8.1.- Caudal de aire En la siguiente grfica se muestra el caudal de aire (seco) terico y el caudal de aire (seco) real de una bomba de vaco de anillo lquido, referido a las condiciones de succin.La diferencia entre el caudal real y el terico es el siguiente:

S real ! L v N StericoSe obtiene de la geometra del impulsor, la bomba y de la velocidad de giro. Notar que corresponde a una lnea recta.Es el rendimiento volumtrico de la bomba, debido principalmente a las fugas que existe en las paredes laterales, adems que el anillo lquido no toca el cubo (parte interior del impulsor) por lo que reingresa una parte del aire al lado de aspiracin. Entre 260 a 760 mbar es de aproximadamente 0,8 a 0,9, a presiones menores el rendimiento cae abruptamente.-

StericoLv

N Correspondiente a la disminucin del aire de ingreso a la bomba debido a la saturacin que experimenta ste con vapor proveniente del anillo lquido (por ejemplo vapor de agua).-

De acuerdo a la Ley de Dalton y segn la Ley de Amagat, podemos determinar

N

a partir de la siguiente ecuacin

N!pa es la presin de entrada a la bomba.La Presin de vapor depende del lquido que se usa como anillo lquido y de la temperatura a la cual se encuentra este lquido. La grfica de la derecha es el coeficiente obtenido de considerar como anillo lquido agua a 15C.-

pa pvapor p11

0,8

0,6

N

Coeficiente0,4 0,2 0 10 100 1000

P1 presin de succin en mbar (absoluto)

8.2.- Curvas caractersticas Las curvas caractersticas de las bombas de vaco estn confeccionadas considerando: Fluido bombeado: Aire seco (en algunos casos aire saturado con vapor de agua) a 20C. Liquido de servicio (anillo lquido): Agua a 15C. Presin de descarga: atmosfrica 1013 mbar. Caudal volumtrico medido en las condiciones de entrada.-

8.3.- Bombeo de gases secos Sin embargo la situacin anterior, es un caso ideal, y que tan solo tiene aplicaciones para Testing de las bombas. Podemos determinar el equipo necesario a partir de las curvas caractersticas de catlogos aplicando factores de correccin al caudal volumtrico :

Sk

Caudal volumtrico obtenido de catlogo para agua de servicio a 15C.Coeficiente que representa el efecto de la temperatura del lquido de servio.Coeficiente que representa el efecto de la temperatura de los gases bombeados.-

S ! S k PI PIII

PI

PIII

Efecto de la temperatura del lquido de servicio

PI

La Ley de Dalton tambin se aplica a la composicin de la mezcla en el interior de la bomba. Parte del volumen de las celdas del impulsor es llenado hasta el estado de saturacin por la evaporacin del lquido de servicio (anillo lquido). Por lo tanto a altas temperaturas del lquido de servicio el caudal volumtrico de entrada se reduce como resultado de una elevada presin de vapor.

Vgas Vvapor agua de servicio

!

p ges pvapor agua de servicio pvapor agua de servicio

Bombas de 1 etapa

Bombas de 2 etapas

Las curvas anteriores se pueden representar por las siguientes ecuaciones empricas.-

P1 !

pa (0,27 ln pa 0,0783) 1,05 pWD pa (0,27 ln pa 0,0783) 1,05 17,04 pa (0,35 ln pa 0,1) pWD pa (0,35 ln pa 0,1) 17,04

Bombas de 1 etapa

pWD ! pvapor agua de servicioP1 !Bombas de 2 etapa

Efecto de la temperatura de los gases bombeados

PIII

Cuando la temperatura de los gases es distinta a 20C, se debe tener en consideracin tal efecto. En la siguiente grfica se muestra el efecto sobre el caudal volumtrico de bombear aire seco a diferentes temperaturas, como tambin a diferentes temperaturas del agua de servicio.

Esta relacin est gobernada por la siguiente ecuacin:

PIII ! 1

0,66 t a 20 t B 273

Efecto de bombeo de otro tipos de gases Los datos de los catlogos son bastante precisos cuando se aplican a otros gases secos. Excepciones lo constituyen gases que se disuelven muy bien en el lquido de servicio (por ejemplo, helio, hidrgeno, gases livianos).

8.4.- Bombeo de mezclas gas/vapor Cuando se bombea una mezcla de gas/vapor, se evaporar en las celdas del impulsor el lquido de servicio solamente en lo necesario para alcanzar el estado de saturacin. Si el gas al ser bombeado ya est saturado con el vapor del lquido de servicio, no se producir evaporacin (del lquido de servicio) cuando el gas entre a la bomba. Por lo tanto el caudal volumtrico de una mezcla gas/vapor es mayor que el caudal volumtrico cuando se bombean gases secos. Si la mezcla gas/vapor cuando entra a la bomba se encuentra a una temperatura mayor que el lquido de servicio, esta se enfra al entrar en contacto ambos medio, y alcanzada la presin de saturacin de vapor, ste condensa, incrementando el caudal volumtrico de succin. Este aumento del caudal volumtrico se denomina efecto de condensacin.Dado que la presin de vapor aumenta con la temperatura, y en aquellas mezclas que poseen un elevado contenido de vapor a elevada temperatura, se debe evaluar la posibilidad de instalar un condensador previo a la entrada de la bomba.Cuando

Vvapor Vgas seco

u1

se deber evaluar la condensacin del vapor aguas arriba de la bomba.-

La siguiente ecuacin puede ser usada para calcular el flujo volumtrico de entrada de una mezcla gas/vapor:

S ! S k PI PII

SkPI

Caudal volumtrico obtenido de catlogo para agua de servicio a 15C.Coeficiente que representa el efecto de la temperatura del lquido de servio.Coeficiente que representa el nivel de condensacin de vapor en la bomba.-

PIICondensacin en la bomba

PII

El nivel de condensacin de vapor en la bomba puede ser determinado a travs de la siguiente ecuacin emprica.-

?0,75 pa ln pa 0,2877AE PII ! ?0,75 pa ln pa 0,2877AE 0,75 pMDh p E ! 0,082 0,793 WD d 17,04 0 , 0369

pMD

Presin de vapor de agua a la temperatura de la mezcla aire/vapor de agua (en mbar).-

h/d

Relacin que depende de la geometra del impulsor.-

Las siguientes son grficas del factor de correccin por condensacin para varias temperaturas de agua de servicio y una razn h/d= 0,43.-

Cavitacin La cavitacin no solamente ocurre en la bomba en el lado de succin (cuando esta opera a una presin muy cercana a la temperatura de ebullicin del lquido de servicio), sino tambin ocurre cavitacin en el lado de descarga cuando existe una elevada porcin de vapor en el lado de succin que condensa durante el proceso de compresin. En tal situacin esta falto de gases inertes o sustancias no condensables. Por lo tanto la siguiente regla debe aplicarse en las mezclas de gas/vapor: La bomba deber transportar a lo menos una cantidad de gas no condensable equivalente al flujo volumtrico de entrada para aire seco a la mnima presin de succin (de catlogo), de manera tal que suficiente medio compresible este disponible tambin al final del proceso de compresin.Si el flujo de gases no condensables es insuficiente, se debe prever su adicin ya sea por: Habilitacin de los conectores de cavitacin en la bomba, entrada de aire en las lneas de venteo de la succin, retorno de gases comprimidos desde el estanque separador.-

Bombeo de mezcla aire/vapor de agua La siguiente grfica, permite tener una estimacin respecto del incremento en la capacidad de succin cuando se bombea una mezcla de aire y vapor de agua.- Vlido para rango de temperaturas entre 10C y 50C.-

pa

Presin de succin

pWD Presin de vapor del agua de servicio (anillolquido)

t Ein tB

Temperatura de la mezcla aire/vapor de agua aspirada.Temperatura del lquido de servicio

8.5.- Ejemplos Ejemplo a.-) Condensacin en la bomba, agua de servicio (anillo lquido) a 15C Sean 8 kg/hr de aire saturado en vapor de agua, a una temperatura de 40C (313 K), y una presin de succin de 100 mbar absolutos. El agua de servicio a tB= 15C. Presin de saturacin agua a 40C = 73,8 mbar.Tenemos que:

kg masa molar aire kmol kg M WD ! 18 masa molar vapor de agua kmol p L ! p ges pWD ! 100 73,8 ! 26,2 mbar M L ! 29

Por otra parte:

VWD pWD 73,8 ! ! ! 2,8 VL p ges pWD 100 73,8

Se debe evaluar la posibilidad de considerar la instalacin de un condensador aguas arriba de la bomba.-

La masa de vapor por unidad de tiempo, previo al ingreso de la bomba es:

mWD ! mL .

M WD pWD 18 73,8 kg ! 8. ! 14 M L pL 29 26,2 h

El caudal volumtrico de la mezcla en la succin de la bomba (p=100 mbar):

Vges

m m RM L WD T 83,14 8 14 313 M m3 L M WD ! 29 18 ! ! 274 p ges 100 hr

Por otra parte tenemos:

pa pWD ! 100 17 ! 83 mbar t Ein t B ! 40 15 ! 25 rCDe la grfica resulta:

S ! 1,5 SK 274 m3 ! 183 SK ! 1,5 hrPor lo tanto necesitamos una bomba que en cuyas curvas caractersticas tenga un punto de operacin de 183 m3/hr a una presin de 100 mbar. Para ello elegimos una bomba LPH 45316 (185 m3/hr, 100 mbar y 4 kW).-

Verifiquemos cual es el estado de condensacin de vapor en la bomba. Consideremos (el clculo preciso lo veremos posteriormente) que la temperatura de la mezcla y del agua de servicio a la salida de la bomba sea de 20C (PWD=23 mbar):

18 23 M p kg ! 0,12 mD ! mL . D D ! 8. 29 1013 23 M L pL hProcedemos a verificar si existe cavitacin en la bomba.

Es decir casi la totalidad del vapor de agua condens en el interior de la bomba. Es decir entraron 14 kg/hr y salen 0,12 kg/hr.-

No tenemos problemas de cavitacin en la succin dada la temperatura del agua de servicio y la presin de succin. Respecto de problemas de cavitacin en la descarga, determinaremos el caudal volumtrico de aire en la descarga de la bomba y lo compararemos con el requerimiento de caudal volumtricos de gases incondensables. Para la bomba LPH 45316 la Presin mnima es de 33 mbar y el flujo volumtrico de 100 m3/hr. Por lo tanto para una presin de 1013 mbar, el flujo volumtrico equivale a:

pa Va ! pamb Vamb ! cte Vamb pa 33 m3 ! Va ! 100 ! 3,3 1013 pamb hr

Por otra parte, los 8 kg/hr de aire en las condiciones de descarga, equivalen a:

m RM L T 83,14 8 273 20 M m3 L ! 29 ! 6,6 VL ! p ges 1013 hr

Como 6,6 m3/hr de aire existe en la descarga (superior a los 3,3 m3/hr), la bomba LPH 45316 puede operar sin riesgo de cavitacin.-

Ejemplo b.-) Qu pasa si el agua de servicio est a una temperatura diferente de 15C, por ejemplo a 25C.El procedimiento a desarrollar es anlogo al indicado en el ejemplo a.-) solamente que el caudal volumtrico deber adicionarse el factor de correccin por temperatura del agua de servicio. Por lo tanto:

S ! S k PI PII

Para una bomba de 2 etapas

PI

= 0,89.

El efecto de condensacin = 1,3 (obtenido de la grfica).-

En este ejemplo se selecciona una bomba LPH 55312.-

Ejemplo c.-) Evaluemos la implementacin de un condensador aguas arriba de la bomba para el ejemplo a.-).Supongamos que se dispone de agua de enfriamiento a 15C, suficiente para enfriar/condensar la mezcla de gas/vapor a una temperatura de 20C.En el ejemplo a.-) determinamos que:

m3 V1 ! 275 hr kg mWD1 ! 14 hrEl caudal msico de vapor de agua posterior al condensador es:

mWD 2 ! mL .

18 23,4 M WD pWD 2 kg ! 8. ! 1,5 29 23,4 100 M L pL 2 h

Por lo tanto condensa 14 1,5 = 12,5 kg/hr de vapor.-

En la entrada de la bomba de vaco tenemos:

m m RM WD 2 L T2 M WD M L ! V2 pges 1,5 8 83,14 ( 273 20) m3 18 29 ! 87,4 ! 100 hrEl efecto de condensacin

p2 pWD 3 ! 100 17 ! 83 mbar t 2 t B ! 20 15 ! 5 rCDe la grfica resulta: Con la instalacin de un condensador aguas arriba de la bomba de vaco, se logra disminuir considerablemente el requerimiento de caudal volumtrico de la bomba. Para nuestro caso se selecciona una bomba LPH 45008 (100 m3/hr, 100 mbar, 2,5 kW). Como se podr ver una potencia bastante menor al equipo requerido en el ejemplo a.-)

S ! 1,12 SK 87 m3 SK ! ! 77,7 1,12 hr

9.- LQUIDO DE SERVICIO

9.1.- Agua Las bombas requieren que en forma permanente le sea suministrada agua de servicio con el fin de mantener el anillo lquido, pues parte de este lquido sale consigo por el flange de descarga de la bomba. Aproximadamente un 90% de la potencia que se consume (en el eje de la bomba) se transforma en calor de compresin isotrmica en el lquido de servicio y en calor asociado a las prdidas de energa.Por lo tanto:

Qverd ! 0,90 P 3600

QverdP

Flujo de calor (en kJ/hr) Potencia en el eje (en kW)

Cuando se bombean vapores, el lquido de servicio absorbe el calor de condensacin.Por lo tanto:

QKond ! m r

QKond

Flujo de calor (en kJ/hr) Flujo de masa del vapor condensado (en kg/hr) Calor de vaporizacin (en kJ/kg).-

m r

Cuando se bombean gases caliente y vapores, el enfriamiento efectuado por el lquido de servicio debe ser considerado.Por lo tanto:

QKuhl ! m C p t Ein t A

QKuhl

Flujo de calor (en kJ/hr) Flujo de masa del gas aspirado (en kg/hr) Calor especfico (en kJ/kg/K).Temperatura de entrada (en K) Temperatura de descarga lquido de servicio (en K).-

m

Cp t Ein tA

De lo expuesto anteriormente, el flujo de calor del lquido de servicio es por lo tanto:

Qzu ! QVerd QKond QKuhl

Este calor es absorbido por el lquido de servicio.-

9.2.- Cantidad de lquido de servicio La cantidad de lquido de servicio requerido por la bomba para un servicio ptimo se incrementa a medida que la presin de succin disminuye. La bomba posee una resistencia hidrulica casi constante, por lo que el aumento del caudal de lquido de servicio est asociado a un aumento de la presin diferencial.Los catlogos especifican los flujos volumtricos de agua como lquido de servicio, el cual es una funcin de la presin de succin. Estos aparecen indicados como FB (fresh liquid service).

Si el flujo de lquido de servicio a travs de la bomba es conocido, la temperatura de salida del lquido de servicio y por ende de los gases de escape pueden ser calculados. Las bombas de vaco de anillo lquido ofrecen varias opciones para el manejo del lquido de servicio. Make up Este sistema es el ms simple de todos pero el ms caro, donde el lquido de servicio pasa solamente una vez por la bomba.El incremento de temperatura es:

Qzu TA TB ! FB V C pFlujo lquio de servicio (en m3/hr) Densidad lquido de servicio (en kg/m3) Calor especfico lquido servicio (en kJ/kg/K).-

FB

V

Cp TA TB

Temperatura descarga bomba (en K) Temperatura lquido de servicio = Tf = temperatura agua make up (en K).-

Las siguientes son las alternativas de implementacin de este tipo de sistema (Make up).-

Recirculacin parcial lquido de servicio En este sistema parte del lquido de servicio extrado de los gases en el separador es retornado y mezclado con agua make up antes de entrar a la bomba. La temperatura del lquido de servicio tB es una mezcla del lquido recuperado en la descarga de la bomba tA y el agua make up tF. El exceso de lquido de servicio es retirado desde el separador y corresponde exactamente al flujo de agua make up KB.-

KB ! FB

t A tB t A tF

KB

Requerimiento de agua make up (en m3/hr) Flujo de lquido de servicio (en m3/hr) Temperatura del lquido de servicio que se recircula (en K). igual a la temperatura de descarga de la bomba Temperatura del lquido de servicio (en K) Temperatura lquido make up (en K).-

FB

tA tB tF

Las siguientes son las alternativas de implementacin de recirculacin parcial (combined liquid service).-

Recirculacin total lquido de servicio En este sistema el lquido de servicio es recirculado continuamente en un circuito cerrado. Despus de pasar por la bomba de vaco, el lquido de servicio pasa por un intercambiador de calor para proceder a enfriarlo. Dependiendo de la aplicacin, algunos condensados debern ser removidos del circuito o bien lquido que se ha evaporado a travs de la saturacin con los gases bombeados, deber ser repuesto. En este tipo de instalacin, el lquido de servicio no entra en contacto con el fluido refrigerante, por lo que es un modo de operacin muy amigable con el medio ambiente. Si las prdidas del intercambiador de calor superan los 0,2 bar, se deber prever la instalacin de una bomba de recirculacin del lquido de servicio.-

Las siguientes son las alternativas de implementacin de recirculacin total (circulating liquid service).-

9.3.- Ejemplos a.-) Sistema con agua make up. 8 kg/hr de aire saturado con vapor de agua a una temperatura de 40C son succionados por una bomba a una presin de 100 mbar absoluto. La temperatura del agua de servicio es de 25C. La masa de vapor de agua en las condiciones de succin de la bomba es de 14 kg/hr.La bomba seleccionada para esta aplicacin es una LPH 55312 con un punto de operacin de Sk=265 m3/hr, 100 mbar, P=6,9 kW.De los datos tcnicos de esta bomba, FB= 2,5 m3/hr (obtenida de interpolacin) Tenemos que:

Qverd ! 0,90 P 3600 ! 0,9 6,9 3600 ! 22.356 kJ hrPara valor de r ver, tablas adjuntas al final.-

kJ QKond ! m r ! 14 2431 ! 34.034 hr

Por otra parte:

QKuhl ! m C p t Ein t A

C p aire ! 1

kJ kg K kJ kg K

! L C pL mWD C pWD t Ein t A m

C p vapor de agua ! 1,84 C p agua ! 4,2

kJ ! (8 1 14 1,84) 5 ! 169 hrPor lo tanto el incremento de temperatura de la bomba es:

kJ kg K t Ein t A ! 5 K (supuesto)

Qzu 22.356 34.034 169 TA TB ! ! ! 5,4 K FB V C p 2,5 1000 4,2Por compresin y condensacin de vapor de agua, el lquido de servicio aumentar su temperatura en 5,4 K, es decir, de 25C a 30,4C. El gas comprimido que sale de la bomba posee la misma temperatura. Note que si la bomba impulsase solamente aire seco, el aumento de temperatura sera de 2,1 K.-

b.-) Sistema con recirculacin parcial. Para el ejemplo anterior, considrese que se dispone de agua make up a 20C.Tenemos:

t B ! 25rC t F ! 20rC t A ! 25 5,4 ! 30,4rC m3 FB ! 2,5 hrPor lo tanto el requerimiento de agua make up es de:

t A tB m3 30,4 25 KB ! FB ! 2,5 ! 1,3 t A tF hr 30,4 20Por el solo hecho de disponer de agua make up a 20C, se logra una importante recirculacin parcial de lquido de servicio = 2,5 1,3 = 1,2 m3/hr, lo que significa un importante ahorro de agua.-

10.- OTRAS CONSIDERACIONES OPERACIONALES

10.1.- Lquidos de servicio distintos al agua En la mayora de las aplicaciones, el lquido de servicio es agua. Sin embargo en los procesos es a menudo necesario el uso de lquidos cuya propiedades qumicas y fsicas son muy diferentes a las del agua. Es importante tener en consideracin que los vapores contenidos en el fluido bombeado condensa en su mayora dentro de la bomba y son descargados junto con la mezcla gas/lquido de la bomba como condensado. La eleccin obvia del lquido de servicio en este caso sera el lquido el cual est disponible como condensado.Cuando las propiedades fsicas del lquido de servicio varan respecto de las del agua, stas tendrn un efecto en el caudal volumtrico de la bomba, la potencia de consumo, el flujo de lquido de servicio y la temperatura de las mezcla gas/lquido en la descarga de la bomba.Considerando que la presin de vapor depende del tipo de lquido y que ste se incrementa a medida que aumenta la temperatura, el flujo volumtrico es dependiente del tipo de fluido, especficamente en el caso de bajas presiones de succin. El caudal volumtrico de entrada, tericamente tiende a cero a medida que la presin de entrada se iguala a la presin de vapor del lquido de servicio. Por lo tanto se la presin de vapor representa el lmite fsico mnimo de presin posible en la succin.-

10.2.- Potencia requerida Durante la compresin, la temperatura del aire slo experimenta pequeas variaciones dada la transferencia del calor al anillo lquido. Por ello se puede asumir que la potencia es igual a la potencia requerida en una compresin isotrmica:

p p1 V1 ln 2 p1 P! 3,6 10 4

p1: Presin de succin en mbar. p2 : Presin de descarga en mbar. P : Potencia en kW.V1: Caudal volumtrico (referido a la entrada) en m3/hr.-

Nota: En termodinmica existen 2 casos extremos de cambio de estado de los gases, isotrmico y adiabtico, procesos que en la prctica se dan en forma aproximada. La mayora de los procesos son politrpicos.Los trabajos de compresin presentan la siguiente relacin:

Wisotrmico W politrpico Wadiabtico

La potencia requerida para la compresin es obtenida de la energa generada por el movimiento del anillo lquido. Por lo tanto la cantidad de energa que contiene el anillo lquido debe ser a lo menos equivalente a la requerida para una compresin isotrmica.Con el objeto de evaluar la cantidad de energa contenida en el anillo lquido, se puede considerar que esta vara proporcionalmente al volumen del anillo lquido, la densidad y al cuadrado de la velocidad rotacional del anillo lquido. Por lo tanto si la densidad del lquido de servicio aumenta, tambin aumentar la potencia requerida.10.3.- Viscosidad En general, la viscosidad del lquido de servicio tiene un efecto menor en el caudal volumtrico del flujo. El efecto de mejora en el sello entre impulsor y discos de distribucin, se pierde dado que el flujo del lquido de servicio es mucho menor.10.4.- Calor Especfico El calor especfico del agua a 20C es de 4,183 kJ/kg/K. Los lquidos usados en procesos a menudo tienen un menor calor especfico. Por lo tanto la temperatura del anillo lquido y la mezcla gas/lquido en la salida de la bomba, son mayores.-

10.5.- Calor de evaporacin Es la variables ms significativa para el flujo de calor generado por la condensacin de los vapores, siendo la mayor parte de este calor absorbido por el lquido de servicio. En el otro caso tenemos el calor requerido para saturacin, el cual es tomado principalmente del lquido de servicio cuando gases secos son bombeados.10.6.- Efectos del fluido bombeado Las siguientes propiedades, condiciones y efectos del fluido bombeado tienen directo efecto en el caudal volumtrico: Temperatura Estado de saturacin. Condensacin. Densidad Solubilidad con el lquido de servicio. Entrada de lquidos con el flujo de gas. Reaccin con el lquido de servicio. Por otra parte los siguientes tienen un efecto indirecto: Condensacin durante la compresin. Calor especfico Calor de evaporacin

10.7.- Presin de descarga En la siguiente grfica puede observarse cualitativamente el efecto en el caudal volumtrico, la potencia, y el lmite de cavitacin, cuando aumenta la presin de descarga de la bomba de vaco.10.8.- Leyes de Semejanza Las leyes de semejanza establece que en bombas de vaco geomtricamente similares, si la razn de presiones p2/p1 y el valor k son iguales, entonces el proceso de compresin es similar, la utilizacin del impulsor, y el rendimiento isotrmico tambin lo son. El trmino utilizacin del impulsor PR es definido como la eficiencia volumtrica de un impulsor.-

1 V1 PR ! 60 d 2 T b n 4

d

Dimetro del impulsor (en m) Ancho del impulsor (en m) Velocidad impulsor (en rpm)

b

n

El rendimiento isotrmico bomba (en el eje).

Liso es la razn de la potencia de compresin isotrmica y la potencia consumida por la

L iso

p p1 V1 ln 2 p1 ! 3,6 10 4 P

p1

presin de succin (en mbar) presin de descarga (en mbar) flujo volumtrico de entrada (en m3/hr) Potencia consumo (en el eje) (en kW)

p2

V1P

El valor k es la razn entre la potencia de compresin isotrmica y la potencia de rotacin del anillo lquido, y por ende nos da una indicacin de cunto de la energa disponible en el anillo lquido es utilizada en el proceso de compresin.-

k ! 10 2

V3 2 u 2

p1

p1

presin de succin (en mbar) densidad del lquido de servicio (en kg/m3) velocidad circunferencial del impulsor en (m/s)

V3

u

10.9.- Sistemas de accionamiento En bombas pequeas a tamaos medios, y dada la velocidad de giro de los equipos pueden ser accionadas con motores mediante acoplamiento directos del tipo flexible. En el caso de bombas de tamao mayor, y dado que operan a velocidades bajas, el accionamiento tpico considera acoplamiento mediante sistema de correas y poleas. En tales casos los catlogos tcnicos especifican los tamaos mnimos de poleas a ser considerados en las bombas.Las bombas de vaco de anillo lquido se caracterizan por bajos momentos inercia y torques de carga. El torque durante el arranque depende adems del tamao de la bomba, del nivel de lquido dentro de la bomba, el tipo de lquido de servicio y la presin existente en la succin y descarga en la fase de arranque.Estos equipos pueden ser accionados sin ningn problemas con cualquier accionamiento de voltaje reducido (partidor estrella-tringulo, partidor suave, variador de frecuencia). El nmero mximo de partidas por hora para este tipo de equipos es de 15. La frecuencia mxima est restringida por el sistema de transmisin y el motor elctrico, que por la bomba de vaco.-

11.- CONTROL DEL FLUJO VOLUMTRICO

Primero que nada, es importante tener en consideracin que para efectos de seleccin de bombas de vaco, no debe considerarse factores de seguridad para la presin de succin. Los factores de seguridad tan solo se consideran durante la estimacin de los caudales volumtricos. En la siguiente grfica se puede observar una bomba de vaco de anillo lquido responde ante cambios en el caudal volumtrico del sistema. En ellas se puede constatar que a medida que el caudal volumtrico del sistema se reduce, la bomba disminuir la presin absoluta de succin.

11.1).- Control de Velocidad Controlando la velocidad, es posible ajustar el caudal volumtrico a los requerimientos de la instalacin, como tambin lograr ahorros energticos.En la siguiente grfica se puede observar como la variacin de velocidad afecta el caudal volumtrico de una bomba de vaco de anillo lquido como tambin los consumos de potencia en el eje. La mnima velocidad de giro de una bomba de vaco de anillo lquido es determinada por la velocidad circunferencial del impulsor necesaria para producir la potencia de compresin. Notar que la mxima potencia de compresin se obtiene para una presin de succin de aproximadamente 400 mbar, cuando la presin de descarga es de 1013 mbar (ver grfica).La mxima velocidad de giro est determinada por la capacidad de carga mecnica de algunos componentes de la bomba como por ejemplo ejes e impulsores.-

Un cambio en la velocidad de rotacin no solo determina una reduccin de la potencia de compresin, sino que tambin resulta en un cambio de las prdidas de potencia. En promedio las bombas de vaco de anillo lquido se caracterizan por presentar una dependencia exponencial entre la potencia de consumo y la velocidad circunferencial del impulsor, y por lo tanto, en la velocidad de rotacin. Por lo tanto es muy importante seleccionar la velocidad ms baja como sea posible.El flujo volumtrico puede ser controlado, mediante cambio de la velocidad de giro, entre un 50% y un 100% del mximo caudal volumtrico de entrada.

11.2).- Control temperatura lquido de servicio Los costos de agua make up y los costos del sistema de enfriamiento representan una fraccin bastante importante de los costos operacionales de las bombas de vaco de anillo lquido. Efectuando una adecuada seleccin del mtodo de operacin de la bomba, asegurando que exista una gran diferencia de temperatura entre el lquido de servicio y el agua make up o el fluido refrigerante, y efectuando un control de los flujos de agua make up, es posible reducir los costos al mnimo.El flujo volumtrico de una bomba de vaco de anillo lquido depende de la presin de vapor y por lo tanto de la temperatura del lquido de servicio. Haciendo que el flujo de agua make up sea constante, la eficiencia de la unidad no puede ser maximizada. Este flujo debe ser ajustado en forma automtica, para lo cual se propone la instalacin de un termostato y una vlvula solenoide. Es importante tener en consideracin que regular el flujo de lquido de servicio atendiendo a un ahorro (por ejemplo agua make up en un sistema de un solo paso), puede resultar en una incontrolada reduccin del caudal volumtrico, acompaada de una elevada vibracin en la bomba.-