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OptimizaciOptimizacióón del Rendimiento de las n del Rendimiento de las Bombas de Alta PresiBombas de Alta Presióón en Plantas SWROn en Plantas SWRO

III Seminario Internacional de DesalaciIII Seminario Internacional de Desalacióón n ALADYR 2012ALADYR 2012

1 y 2 de Octubre, 2012Antofagasta,

JosJoséé L. Morgade L. Morgade –– FlowserveFlowserve

PropPropóósitosito

● Entender los factores que afectan el rendimiento de las bombas multifásicas de alta energía.

● Compartir los avances y mejoras en el desarrollo de las bombas multifásicas de cámara partida axialmente en las que se exige un elevado rendimiento.

● Explicar los beneficios del diseño de crossover contínuo,desarrollado para minimizar las pérdidas hidráulicas manteniendo un diseño mecánico competitivo.

Nuevos DiseNuevos Diseñños, Nuevas Tendenciasos, Nuevas Tendencias

● El tamaño de las desaladoras SWRO ha aumentado de forma dramática en la última década.

● Los nuevos diseños con Centro de Presión permiten no relacionar directamente el tamaño de las bombas de AP con el de los bastidores de membranas.

● Esto ha permitido usar un menor número de bombas de AP, de mucho mayor tamaño, con dos (2) y tres (3) etapas, contribuyendo a reducir considerablemente el coste de inversión de las plantas (Capex).

● La bomba preferida es de carcasa partida axialmente con impulsores en oposición, tipo BB3, según la denominación de ISO 13709/API 610.

● El rendimiento de estas bombas ha aumentado de modo sustancial en los últimos años contribuyendo así a reducir el coste operativo de las plantas (Opex).

Bomba Tipo BB3 Bomba Tipo BB3 (ISO 13709/API 610)(ISO 13709/API 610)

Partida axialmenteSoporte en plano central

Impulsores en oposiciónAutoequilibrada

Aspiración

Descarga

Componentes de una Bomba CentrComponentes de una Bomba Centríífugafuga● En una bomba centrífuga el impulsor es el componente responsable de

generar toda la energía (altura) mediante fuerza centrífuga. ● El componente estático de ese sistema hidráulico está alojado en la

carcasa y a menudo se le ha considerado un simple medio para conducir el flujo hasta una apertura donde descargarlo.

● Sin embargo, el componente rotativo y el estático no actúan de manera independiente. De hecho, si el componente estático no se diseña adecuadamente, ello hará que el impulsor funcione de modo muy poco eficiente.

Componentes del flujo en un ImpulsorComponentes del flujo en un Impulsor

● El flujo de salida de un impulsor puede verse como un flujo espiral cuya velocidad tiene un componente tangencial relacionado con la altura mientras que el componente radial está relacionado con el caudal.

● Para producir la energía, el impulsor acelera el fluido tangencialmente a alta velocidad. Este aumento de velocidad se convierte en la altura generada por el impulsor (i.e., la altura generada es la energía de velocidad del fluido: V2/2g).

● El componente tangencial de la velocidad de salida del fluido es mucho mayor que el radial. En consecuencia la velocidad absoluta de salida del impulsor es muy alta y debe ser controlada por el componente estático de este sistema hidráulico.

Velocidades de salida del ImpulsorVelocidades de salida del Impulsor● El área de entrada a la voluta se dimensiona para ajustarse a la velocidad

absoluta de salida del impulsor. Para ello se usa la regla del momento angular constante. El momento angular del fluido en el diámetro de salida del impulsor (D2) debe ser igual al momento angular del fluido en el centro de la garganta de entrada a la voluta D3.

● Así mismo, el ángulo de la lengüeta de la voluta debe ser igual al ángulo del flujo de salida del impulsor. Esto sólo se da en un punto de la curva de funcionamiento que es el de eficiencia óptima (BEP). A caudales mayores o menores, el ángulo de entrada a la garganta de la voluta será mayor o menor que el ángulo de la lengüeta. Esto se llama ángulo de incidencia positivo o negativo.

● Afortunadamente, el caudal de trabajo de estas bombas no varía mucho a lo largo de su largo de su vida operativa (típicamente entre 90-110% del caudal de diseño). Por tanto, el impulsor funcionará en el BEP o cerca de el la mayor parte del tiempo, y por consiguiente con un ángulo de incidencia óptimo.

Voluta Simple y DobleVoluta Simple y Doble

● La grandes bombas usadas en el servicio de AP en las desaladoras SWRO se diseñan con doble voluta, lo que supone volutas simétricas en cada mitad de carcasa. Las dos gargantas están separadas 180º y situadas a igual distancia del eje central, y cada una de ellas tiene ½ del área de la garganta de una voluta simple. Para un mismo caudal, la velocidad en la garganta serála misma para una voluta simple o doble.

● Se precisan dos volutas (de ahí“doble”) para equilibrar el empuje radial producido por el impulsor.

● El área expuesta al fluido en el conducto hidráulico será mucho en una bomba de doble voluta que en una de voluta simple.

● Mayor superficie de contacto equivale a mayores pérdidas de fricción en la voluta. Por ello el acabado superficial en las zonas de alta velocidad de la garganta debe ser controlado para limitar el efecto negativo que la doble voluta puede tener en el rendimiento de la bomba.

Conductos HidrConductos Hidrááulicosulicos● Dirigen el flujo hacia la siguiente etapa o a la cámara de descarga. En las

bombas multifásicas pueden distinguirse tres (3) tipos de conductos hidráulicos: Conducto de una etapa a la siguiente (conducto corto/voluta) Conducto del lado de baja presión al de alta (conducto largo/crossover) Conducto de descarga de la última etapa

● La dirección del flujo es el uso práctico de los conductos hidráulicos pero su correcto diseño hidráulico es esencial.

● Mientras el impulsor es el componente hidráulico que genera altura en la bomba, las volutas y conductos hidráulicos deben optimizarse para limitar las pérdidas de altura durante la conducción interna del flujo en la bomba.

DISCHARGE

LONG CROSSOVER SHORT CROSSOVERS

Funciones del Conducto HidrFunciones del Conducto Hidrááulicoulico● El conducto hidráulico es un difusor, a fin de reducir la velocidad del fluido

desde la desgarga del impulsor hasta la entrada al siguiente impulsor o a la tobera de descarga. La energía de velocidad a la salida del impulsor se convierte en energía de presión siguiendo la ecuación de Bernoulli. Este proceso se denomina recuperación de presión y debe maximizarse.

● La difusión se necesita porque la velocidad de entrada al siguiente impulsor, o en la descarga de la bomba, no puede ser tan alta como en la garganta. Por ejemplo, la velocidad en la garganta puede ser de 25 m/sec (80 ft/sec), pero en la tobera de descarga no debe exceder 8 m/sec (25 ft/sec).

● Las funciones de los conductos hidráulicos son: Reducir la elelevada velocidad del fluido en la garganta a velocidades

aceptables para la aspiración del impulsor de la siguiente etapa. Cambiar la dirección del fluido, tangencial a la salida del impulsor, a

axial en la aspiración del impulsor de la etapa siguiente. Girar 180 grados el flujo de salida hacia fuera de un impulsor al flujo

de entrada hacia dentro del impulsor de la etapa siguiente. Suministrar un flujo uniforme al oido del siguiente impulsor.

PredicciPrediccióón del rendimienton del rendimientoExisten métodos para predecir el rendimiento de las bombas centrífugas. El más conocido viene del estudio de H.H. Anderson. Su predicción se basó en el tamaño de las bombas y su velocidad específica Ns. Afortunadamnete los tamaños de las bombas en el mercado actual han aumentado y su Ns se aproxima a los valores en que el rendimiento es óptimo.

El desafío del fabricante de bombas es igualar esos rendimientos predecibles con un alto grado de repetibilidad y confianza.

PPéérdidas en bombas centrrdidas en bombas centríífugasfugas● El rendimiento total de las bombas depende de tres factores hidráulicos:

1. Pérdidas mecánicas - cojinetes, sellos y pérdidas de fricción de disco2. Pérdidas volumétricas – fugas entre etapas y a través del sello3. Pérdidas hidráulicas – giros, cambios de velocidad y de carga

● Los dos primeros factores se controlan con el diseño de los componentes rotativos (impulsor y superficies de desgaste). Estas pérdidas están ampliamente documentadas y se calculan facilmente.

● La pérdidas hidráulicas pueden controlarse mediante el diseño del impulsor y de los conductos hidráulicos. El diseño de estos últimos ha sido frecuentemente pasado por alto en el diseño de una bomba multifásica de volutas.

● El diseño de los conductos hidráulicos debe ajustarse a las limitaciones impuestas por los métodos de fabricación y el diseño mecánico: Recinto de presión – La carcasa debe ser capaz de contener y resistir la presión

generada Métodos de fundición – Estas carcasas con múltiples conductos hidráulicos son

difíciles de fundir. Acabado y acceso a conductos – Las superficies internas de los conductos

hidráulicos deben ser accesibles para mejorar su acabado superficial. Coste – El peso y tamaño de la carcasa deben se tenidos en cuenta a fin de que la

bomba sea competitiva.

Requisitos hidrRequisitos hidrááulicos de un Crossoverulicos de un Crossover

Requisitos Hidráulicos:

•Difusión•Baja velocidad•Giros amplios•Aceleración

Las necesidades de cualquier conducto hidráulico son:Difusión utilizando cambios lineales de

áreaBaja velocidad para minimizar las

pérdidas por fricciónGiros suaves y amplios para minimizar

las pérdidas por cambio de direcciónAceleración hacia el siguiente impulsor

ajustandose a su geometría de entrada

DiseDiseñño del Crossover Convencionalo del Crossover Convencional

● Los diseños covencionales de crossovers no consiguen un flujo linear y uniforme, ni en el conducto ni en la entrada al impulsor de la siguiente etapa. El flujo se adhiere a la pared interna y tiende a formar canales secundarios de flujo no uniforme en la entrada al siguiente impulsor. Esto aumenta las pérdidas y reduce el rendimiento de la bomba.

● El diseño convencional de crossover tiene los siguientes atributos: Longitud de difusión reducida – El proceso de difusión

termina antes de que comience el giro del conducto. Giro de radio corto – El flujo gira 180 grados utilizando

solo un cuadrante de la sección radial de la bomba El desarrollo de sección hidráulica en un espacio tan

reducido limita el control sobre la sección geométrica del mismo

La falta de linearidad en la progresión de área y cambio de proporción de la sección geométrica induce cambios bruscos en estos parámetros y genera pérdidas.

La falta de control rotacional del flujo a la salida del conducto hidráulico impide que se ajuste a los ángulos de entrada de los álabes del siguiente impulsor.

RediseRediseññando el Crossoverando el Crossover

La tecnología actual emplea modelaje sólido y utiliza el diseño de dinámica de fluidos por ordenador (CFD). Este enfoque tridimensional del diseño hidráulico permite identificar aspectos geométricos que pueden potencialmente afectar al funcionamiento con las siguientes ventajas: Visualizar la curvatura de la línea

central de corriente – Curvaturas más suaves ayudan a conseguir un perfil de flujo uniforme en el diseño del crossover contínuo. Los cambios de velocidad son graduales, lo que equivale a menores pérdidas..

Control de la sección geométrica en los tres planos - El ajuste lineal de los cambios de proporción de sección y progreso de área puede hacerse de forma sencilla en la longitud total del conducto dando lugar a bombas de alto rendimiento..

Optimización de los radios de giro – Evitando cambios de velocidad en giros de radio corto con grandes pérdidas.

Pre-rotación al oido del impulsor de siguiente etapa – utilizando álabes guía a la salida del conducto

DiseDiseñño de Crossover Conto de Crossover Contíínuo nuo

● El diseño de crossover contínuo tiene los siguiente atributos: Difusión contínua a lo largo de la mayor

parte de la longitud del conducto – El proceso de difusión comienza en la garganta y continua durante un 80% de la longitud del conducto, acelerando el fluido durante el resto del mismo hacia el oido del siguiente impulsor.

El crossover es un suave giro de radio largo que utiliza más de dos cuadrantes de la sección radial de la carcasa de la bomba.

El largo desarrollo del perfil hidráulico permite mayor control de la geometría de cada sección del conducto.

La progresión lineal de la proporcionalidad y área seccional del conducto permite conseguir transiciones suaves entre las diferentes secciones del mismo.

El fluido es controlado y dirigido al oido del siguiente impulsor mediante una corona de álabes guía a la salida del conducto. Esto permite ajustar el flujo de entrada a los ángulos de los álabes del impulsor.

Ventajas del Crossover ContVentajas del Crossover Contíínuonuo● El modelaje sólido del crossover compacto tradicional muestra claramente las

pérdidas potenciales por giros cortos y descargas incontroladas al siguiente impulsor sin pre-rotación.

Traditional Crossover Continuous Crossover

● El diseño del crossover contínuo tiene las siguientes ventajas sobre el diseño compacto convencional: Perfiles hidráulicos optimizados para

minimizar cambios de velocidad y pérdidas. El crossover contínuo descarga un flujo lineal

y uniforme al impulsor de la siguiente etapa. Diseño mecánico optimizado maximizando la

distribución de material para conseguir la integridad de presión, facilidad de fundición y coste competitivo.

● El modelaje sólido se usa junto con las técnicas de Dinámica de Fluidos Computerizada (CFD) y el Análisis de Elementos Finitos (FEA) para verificar la integridad mecánica de la carcasa: Analizando tensiones en toda su longitud. Examinando la deflexión en las áreas críticas de interferencia con el rotor.● Es así mismo una excelente herramienta para simulaciones de colada en la

fundición. Esto permite introducir cambios de diseño en modelos y cajas de machos antes de colar la pieza eliminando el riesgo de defectos de fundición.

Bomba de Alta PresiBomba de Alta Presióón Redisen Rediseññadaada

Obtiene el mayor rendimiento posible y alcanza las eficiencias predecibles con un alto grado de repetibilidad.

Colabilidad mejorada reduciendo el riesgo de defectos de fundición

Diseño mecánico de carcasa optimizado para minimizar distribución de material y coste, manteniendo la integridad de presión y aumentando la fiabilidad en el servicio

Mejora competitiva en el mercado

Referencias del DiseReferencias del Diseñño Avanzado de A.P.o Avanzado de A.P.

Flowserve confidential

Año Proyecto Producción (CMD)

Cliente Cant. Modelo

2006 Rabigh, KSA 200,000 MHI 17 8x15 DMXD-3

2007 Barcelona, Spain 200,000 Degremont 11 8x15 DMX-4

2007 Shuqaiq, KSA 240,000 Aramco 16 10x16 DMXD-3

2007 KAUST, KSA 60,000 Aramco 4 10x16 DMXD-3

2008 Fouka, Algeria 100,000 Acciona 6 8x15 DMX-4

2009 Adelaide, Australia 280,000 Acciona 8 10x16 DMXD-3

2009 Tenes, Algeria 200,000 Befesa 5 12x22 DMXD-2

2009 Binningup #1, Austalia 140,000 SSWA 11 8x15 DMX-4

2010 Limassol, Cyprus 40,000 Nirosoft 3 8x15 DMX-4

2011 Binningup #2, Australia 140,000 SSWA 10 8x15 DMX-4

Gracias por su atenciGracias por su atencióónn

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