Selección de bombas criogénicas: centrífuga frente a alternativa

La selección de bombas criogénicas empieza con una sola pregunta: necesita caudal o necesita presión. Las bombas centrífugas mueven un caudal elevado a presión de descarga moderada y se adaptan a la transferencia a granel y a la descarga de cisternas. Las bombas alternativas entregan alta presión a menor caudal y se adaptan al llenado de cilindros. El NPSH, el enfriamiento y el ciclo de servicio deciden después el detalle.

Muchas instalaciones criogénicas no necesitan bomba alguna. La presión del tanque por sí sola puede mover el líquido cuando la presión de entrega requerida es moderada y la distancia es corta, y esa suele ser la disposición más sencilla y económica.

Esta guía explica cuándo se hace necesaria una bomba, en qué se diferencian las dos familias de bombas, por qué la cavitación se comporta de forma distinta en servicio criogénico, y qué especificar para que un proveedor pueda proponer la máquina adecuada.

¿Realmente necesita una bomba criogénica?

Un tanque criogénico puede impulsar líquido hacia afuera utilizando su propia presión de vapor. El circuito de presurización toma líquido del fondo del tanque, lo vaporiza y devuelve el gas al espacio de vapor, elevando la presión del tanque para que el líquido salga por su propia carga. El límite es que la presión del tanque no puede superar el MAWP del recipiente, así que la presión de entrega disponible queda limitada por la clase de presión, y elevar la presión del tanque calienta el líquido y consume producto.

La transferencia por presión suele bastar cuando la presión de entrega requerida está bien por debajo del MAWP del tanque, la demanda de caudal es moderada e intermitente, las pérdidas de línea son pequeñas, y el recipiente receptor se encuentra a menor presión que el tanque de suministro.

Una bomba se hace necesaria cuando

• La presión de descarga necesaria supera lo que puede aportar la clase de presión del tanque
• Está llenando cilindros o bloques de alta presión
• Necesita un caudal elevado en una ventana de tiempo corta, como la descarga de un remolque según horario
• Está alimentando un vaporizador de alta presión para suministro de gas a presión elevada
• La presurización repetida consumiría demasiado producto
• El recipiente receptor está a una presión similar o superior a la del tanque de suministro

Si la limitación es la clase de presión del tanque y no el caudal, compruébelo antes de especificar una bomba. Nuestra guía sobre MAWP y clase de presión de tanques criogénicos explica cómo se fija la presión de entrega en el tanque.

¿Cuál es la diferencia entre bombas criogénicas centrífugas y alternativas?

Una bomba centrífuga utiliza un rodete giratorio para añadir energía cinética al líquido, que se convierte en presión en la descarga. Una bomba alternativa utiliza un pistón o émbolo para desplazar un volumen fijo por carrera contra la presión que presente la descarga. Esa diferencia condiciona todo lo demás.

Bombas criogénicas centrífugas

• Adecuadas para caudal elevado a presión de descarga moderada, con flujo continuo y suave y baja pulsación
• Usos típicos: transferencia a granel, descarga de remolques y contenedores ISO, transferencia de tanque a tanque, alimentación de vaporizadores de baja y media presión
• El caudal varía con la resistencia del sistema, y los diseños multietapa elevan la altura cuando una sola etapa no basta
• Generalmente más sencillas mecánicamente, con menos piezas de desgaste en el paso del líquido

Bombas criogénicas alternativas

• Adecuadas para alta presión de descarga a menor caudal, con flujo pulsante que el diseño de tubería debe acomodar
• De desplazamiento positivo, por lo que el caudal lo fija la carrera y la velocidad, y no la presión de descarga
• Usos típicos: llenado de cilindros y bloques, suministro de gas a alta presión a través de un vaporizador, llenado de remolques tubo
• Requiere un dispositivo de alivio en la descarga, ya que una bomba de desplazamiento positivo contra una válvula cerrada sigue aumentando la presión
• Más piezas de desgaste, por lo que el mantenimiento de juntas y empaquetaduras forma parte del plan de operación

Algunas estaciones utilizan ambas, porque una sola máquina obligada a cubrir las dos funciones suele no rendir bien en ninguna.

¿Qué determina la selección de una bomba criogénica para un servicio dado?

La selección es una conversación sobre el punto de servicio, no sobre la bomba. Defina lo que el sistema tiene que hacer y la máquina se deduce de ahí. Los parámetros siguientes son los que pedirá un proveedor.

• Fluido de servicio: LIN, LOX, LAR, LNG o LCO2, ya que las propiedades y los requisitos de materiales difieren
• Caudal requerido, medio y punta, y si el flujo es continuo o por lotes
• Presión de descarga requerida en el punto de uso, no en la bomba
• Condiciones de aspiración: presión del tanque, rango de nivel de líquido y geometría de la línea de aspiración
• Ciclo de servicio: funcionamiento continuo, arranques frecuentes u ocasionales, y el margen de enfriamiento que puede aceptar
• Disposición del accionamiento, suministro eléctrico y clasificación de zona peligrosa del emplazamiento

Dos de estos puntos merecen énfasis. El caudal punta, y no el caudal medio, dimensiona la máquina, y la presión necesaria en el punto de uso, una vez contabilizadas las pérdidas de línea y de vaporizador, determina la altura requerida. El servicio con oxígeno añade sus propias reglas: las piezas en contacto con el fluido deben ser compatibles con oxígeno y estar limpias para oxígeno, con solo lubricantes y juntas aprobados, como explica nuestra guía sobre seguridad y selección de tanques de oxígeno líquido.

¿Qué es el NPSH y por qué importa la cavitación en servicio criogénico?

NPSH significa altura neta positiva de aspiración, el margen entre la presión del líquido que llega a la aspiración de la bomba y la presión de vapor de ese líquido a su temperatura. Si el margen desaparece, el líquido hierve dentro de la bomba, y las burbujas de vapor que se forman y colapsan alteran el flujo. Eso es la cavitación, y destruye el rendimiento y daña la máquina.

El servicio criogénico dificulta esto más que el servicio con agua por una razón: el líquido en el tanque se encuentra en su punto de ebullición, o cerca de él, para la presión del tanque. Ya está saturado, así que cualquier pequeño aporte de calor o caída de presión en el trayecto hacia la bomba puede iniciar vaporización en la línea de aspiración. Las señales de advertencia en operación son ruido y vibración en la bomba, presión de descarga inestable o decreciente, y caudal que cae sin ningún cambio en la demanda.

• El NPSH disponible lo fija el sistema: presión del tanque, altura de líquido sobre la bomba y pérdidas de la línea de aspiración
• El NPSH requerido lo fija la bomba y lo proporciona el fabricante para la máquina y la velocidad seleccionadas
• El NPSH disponible debe superar al NPSH requerido con margen en todo el rango de operación
• Monte la bomba por debajo del nivel de líquido del tanque siempre que sea posible, para que la carga estática juegue a su favor
• Mantenga la línea de aspiración corta, recta, generosamente dimensionada y con camisa de vacío
• Prevea una línea de venteo o retorno para que el vapor de la línea de aspiración pueda escapar de vuelta al tanque
• Compruebe el caso más desfavorable, normalmente el nivel de tanque más bajo con el caudal más alto

Merece la pena señalar una tensión de diseño: elevar la presión del tanque aumenta el NPSH disponible, pero también eleva la temperatura de saturación, y el líquido más caliente vaporiza con más facilidad. La respuesta es un sistema de aspiración bien diseñado, no simplemente más presión de tanque.

¿Por qué necesita enfriamiento previo una bomba criogénica antes de arrancar?

Una bomba criogénica a temperatura ambiente hervirá al instante el primer líquido que le llegue, así que la máquina mueve vapor en lugar de líquido, no produce caudal útil y puede dañarse. El enfriamiento previo enfría la bomba y su línea de aspiración hasta la temperatura del líquido antes de arrancar, y también protege la máquina mecánicamente, ya que los componentes criogénicos se contraen al enfriarse y las holguras están diseñadas para la condición fría.

• Abra la válvula de aspiración y permita que el líquido fluya a través de la bomba con la línea de venteo o retorno abierta
• Deje que el vapor generado durante el enfriamiento se ventee de vuelta al tanque, no a la línea de descarga
• Espere hasta que por el retorno pase líquido y no vapor, indicando que el cuerpo de la bomba está frío
• Solo entonces arranque el accionamiento, respetando el tiempo de enfriamiento que especifica el fabricante

El tiempo de enfriamiento es un coste operativo real. En una estación con transferencias frecuentes y cortas, volver a enfriar antes de cada arranque reduce el rendimiento, lo que a menudo orienta el diseño hacia mantener la bomba fría o dividir el servicio. El mismo principio se aplica al tanque durante el primer llenado, tratado en nuestra guía de puesta en marcha de tanques criogénicos.

¿Qué funciones cubren las bombas en estaciones de llenado y descarga?

Descarga de remolques y contenedores ISO

La descarga es un servicio de caudal elevado y presión moderada con una limitación de tiempo, ya que el vehículo está esperando. Algunos camiones cisterna llevan su propia bomba, en cuyo caso el emplazamiento receptor puede no necesitar ninguna, así que confirme desde el principio si el vehículo de reparto bombea o se apoya en transferencia por presión. Cuando el emplazamiento aporta la bomba, una máquina centrífuga es la opción habitual, como explica nuestro resumen sobre contenedores tanque ISO para transporte criogénico.

Llenado de cilindros y bloques

El llenado de cilindros de alta presión es el servicio clásico de la bomba alternativa. La bomba eleva la presión del líquido, un vaporizador de alta presión lo convierte en gas, y el gas llena los cilindros. El caudal es moderado, la presión es alta y el servicio es repetitivo, por lo que la protección de alivio en la descarga es esencial.

Estaciones de GNL y suministro de proceso

Las estaciones de GNL varían mucho. Algunas se apoyan en la presión del tanque y un vaporizador sin ninguna bomba, mientras que otras utilizan una bomba para el despacho o para alimentar un skid de regasificación de alta presión, con la clasificación de zona peligrosa aplicándose al equipo. Nuestra lista de verificación de equipos de estación satélite de GNL expone el alcance completo.

¿Qué más debe especificarse en torno a la bomba?

Una bomba es un componente dentro de un sistema. La mayoría de los problemas reportados en bombas de instalaciones criogénicas se remontan a la línea de aspiración, los controles o el procedimiento de operación, y no a la máquina en sí.

• Tubería de aspiración con camisa de vacío o bien aislada, generosamente dimensionada y corta
• Línea de venteo o retorno hacia el tanque para el enfriamiento y la liberación de vapor
• Dispositivo de alivio en la descarga, obligatorio en bombas de desplazamiento positivo
• Protección de alivio en cualquier tramo de línea aislable en ambos extremos, ya que el líquido criogénico atrapado se calienta y se expande
• Válvulas de aislamiento que permitan el mantenimiento sin vaciar el tanque
• Instrumentación de presión de aspiración y descarga, y control de velocidad donde se necesite caudal variable

Incluya la bomba en el plan de mantenimiento del emplazamiento en lugar de tratarla por separado. Nuestro programa de mantenimiento de tanques criogénicos cubre los intervalos del equipo circundante, incluida la recomendación de tomar una lectura de vacío cada 6 a 12 meses.

¿Cómo apoya KAF Cryogenics la selección de bombas criogénicas?

KAF Cryogenics suministra el equipo que rodea a la bomba: tanques de almacenamiento para LIN, LOX, LAR, LNG, LCO2 y LPG, vaporizadores ambientales y equipos de proceso, tanques MicroBulk y equipos de transporte. Eso importa para la selección de bombas criogénicas porque la clase de presión del tanque, la disposición de aspiración y el servicio del vaporizador fijan de entrada el requisito de la bomba. Acertar en esos aspectos suele reducir el servicio de la bomba, y a veces elimina por completo la necesidad de una.

• Clase de presión del tanque seleccionada según la presión de entrega que su proceso realmente necesita
• Capacidad del vaporizador dimensionada según la demanda de gas y las condiciones ambientales de su emplazamiento
• Disposición y posición de conexiones del tanque que permitan una línea de aspiración corta y de baja pérdida
• Equipo nuevo según especificación, o unidades de segunda mano certificadas que están inspeccionadas, sometidas a ensayos no destructivos y probadas en vacío y presión, con expediente documental y garantía por escrito
• Certificación ajustada al mercado de destino: PED 2014/68/EU con EN 13458, o ASME donde se aplique el código estadounidense
• Entrega desde stock en semanas en unidades usadas certificadas, frente a meses en fabricación nueva

Envíenos el servicio: fluido, caudal, presión en el punto de uso, y lo que la estación tiene que hacer. Le diremos cómo debería ser el lado del tanque y del vaporizador y dónde una bomba se justifica realmente.

Preguntas frecuentes

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