¿Cómo se calcula la capacidad de una bomba de pistón en un barco?

Hola, si alguna vez has estado en un barco, sabrás lo importante que es cada pieza del equipo, especialmente cuando se trata de mover fluidos de manera eficiente. Como proveedor de bombas alternativas para barcos, recibo toneladas de preguntas de ingenieros de cubierta, primeros oficiales y equipos de mantenimiento sobre cómo determinar cuánto pueden mover realmente estas bombas, es decir, su capacidad. No es sólo un número aleatorio sacado de un manual; Hay una ciencia sólida detrás de esto y saltarse los pasos puede provocar dolores de cabeza como sobrecarga, operaciones ineficientes o incluso fallas en la bomba. Analicemos esto en términos sencillos, sin jerga sofisticada que te haga bizcar.

En primer lugar, asegurémonos de que estamos en la misma página: ¿qué es una bomba alternativa en un barco? A diferencia de las bombas centrífugas que hacen girar el fluido, estas funcionan moviendo un pistón (o émbolo) hacia adelante y hacia atrás en un cilindro. Cuando el pistón retrocede, crea un vacío que aspira líquido; cuando empuja hacia adelante, expulsa ese fluido. Es un diseño simple, pero perfecto para trabajos específicos de barcos, como transferir combustible, bombear agua de lastre o manipular material a alta presión para limpieza o enfriamiento. Algunas incluso manejan fluidos criogénicos, por lo que si esa es su necesidad, debe consultar la página de bombas alternativas criogénicas en nuestro sitio para obtener detalles especializados.

Ahora, la capacidad es básicamente el volumen de fluido que la bomba puede mover por unidad de tiempo, generalmente galones por minuto (GPM) o metros cúbicos por hora (m³/h), dependiendo del sistema que utilice a bordo. La clave aquí es que no se trata sólo del tamaño del cilindro; Hay algunos otros factores que influyen las condiciones del barco. Comencemos con la fórmula principal y luego ajustemos las vibraciones del barco en el mundo real.

La capacidad teórica básica (llamémosla Qt) se calcula utilizando el área del pistón, la longitud de la carrera (hasta dónde se mueve el pistón hacia adentro y hacia afuera) y el número de carreras por minuto. La fórmula se ve así: Qt = A × L × N, donde:

• A = área del pistón (π × r², siendo r el radio, bastante fácil)
• L = longitud de carrera (en pies o metros, ¡solo sea consistente con las unidades!)
• N = golpes por minuto (SPM)

Espere, espere: ¿la mayoría de las bombas reciprocantes en los barcos son de simple efecto o de doble efecto? El efecto simple solo mueve fluido en un lado del pistón, por lo que la fórmula anterior funciona tal como está. Las bombas de doble acción mueven fluido en ambos lados, por lo que hay que restar el área del vástago del pistón (ya que ese vástago ocupa espacio en un lado, lo que reduce el volumen) y multiplicar por 2 para los dos lados. Esa es una gran diferencia: si usa la fórmula de acción simple para una bomba de doble acción, subestimará la capacidad en una buena parte, y eso es un problema cuando cuenta con mover 500 GPM de lastre.

Pero aquí está la cuestión: esto es capacidad teórica. En el mundo real de los barcos, nunca se alcanza ese número exactamente. Hay algo llamado eficiencia volumétrica (ηv) que es muy importante. La eficiencia volumétrica es la relación entre la capacidad real (Qa, lo que realmente mueve la bomba) y la capacidad teórica (Qt). ¿Por qué es menos del 100%? Algunas razones:

1. Fuga: El líquido se desliza por los anillos, válvulas o sellos del pistón. En un barco que se balancea, esa fuga puede ser un poco mayor porque la bomba no está perfectamente nivelada.
2. Compresibilidad: si está bombeando un fluido que contiene algo de gas (como combustible con aire incorporado) o incluso un fluido a alta presión (consulte las especificaciones de la bomba alternativa de alta presión para conocer estos), el pistón tiene que comprimir ese gas antes de que pueda expulsar el fluido, por lo que no obtiene el volumen completo en cada carrera.
3. Retraso de válvula: las válvulas de entrada y salida no se abren ni cierran instantáneamente; hay un pequeño retraso, por lo que se pierde un poco de líquido en cada carrera.

En los barcos, la eficiencia volumétrica suele estar entre el 85% y el 95%, según el tipo de bomba y su buen mantenimiento. Las bombas viejas con anillos desgastados pueden bajar al 75% o menos, por lo que si su bomba tiene algunos años, no confíe en el número teórico original; calcúlelo con la eficiencia actual.

Ahora, agreguemos variables específicas del barco que no verá en un cálculo de bomba terrestre. Primero, rueda y cabecea. Cuando un barco se balancea, la orientación de la bomba cambia ligeramente. Si la bomba está montada de manera que la carrera del pistón sea a lo largo del eje de balanceo del barco, eso puede afectar la cantidad de fluido que se aspira durante la carrera de succión. Por ejemplo, si la línea de succión está un poco alta o baja cuando el barco cabecea, es posible que se produzca una caída momentánea en la presión de succión, lo que puede causar vaporización (llamada cavitación) y reducir la capacidad aún más. Entonces, al calcular, debe tener en cuenta la altura de succión positiva neta disponible (NPSHA) en el barco; asegúrese de que sea mayor que la altura de succión positiva neta requerida (NPSHR) por su bomba. Si NPSHA es demasiado bajo, la cavitación consumirá su capacidad y dañará la bomba con el tiempo.

Otro factor específico del barco: las propiedades de los fluidos. Si está bombeando fueloil pesado (HFO), es mucho más viscoso que el agua. Los fluidos viscosos fluyen más lentamente, por lo que se necesita más tiempo para llenar el cilindro durante la carrera de succión. Eso significa que a mayor SPM, es posible que no obtenga el volumen total: su capacidad real cae porque la bomba no puede aspirar suficiente líquido antes del siguiente golpe. Para el agua, podría alcanzar el 95 % de eficiencia a 100 SPM, pero para HFO, podría caer al 80 % con el mismo SPM. Por lo tanto, no se puede utilizar el mismo número de eficiencia para todos los fluidos a bordo.

Veamos un ejemplo rápido para que esto sea concreto, como algo que realmente haría un ingeniero jefe en un buque de carga. Digamos que tenemos una bomba alternativa de doble acción para agua de lastre:

• Diámetro del pistón: 8 pulgadas (por lo que el radio es 4 pulgadas, área A = π × 4² = ~50,27 pulgadas cuadradas)
• Diámetro del vástago del pistón: 1,5 pulgadas (área del vástago = π × (0,75)² = ~1,77 pulgadas cuadradas)
• Longitud de carrera: 12 pulgadas
• GPM: 60
• Eficiencia volumétrica: 90 % (para agua de lastre limpia, bomba en buen estado)

Primero, calcule la capacidad teórica para doble efecto: Qt = 2 × (A - A_rod) × L × SPM. Introduciendo los números: 2 × (50,27 - 1,77) × 12 × 60 = 2 × 48,5 × 12 × 60 = 70.080 pulgadas cúbicas por minuto. Ahora conviértalo a GPM (ya que eso es lo que usan los sistemas de lastre): 1 galón = 231 pulgadas cúbicas, por lo que 70 080/231 = ~303,4 GPM (teórico). Ahora la capacidad real Qa = Qt × ηv = 303,4 × 0,9 = ~273 GPM. Esto tiene sentido para una bomba de lastre. Si se tratara de una bomba de simple efecto, Qt sería 50,27 × 12 × 60 = 36.194 pulgadas cúbicas por minuto, que es ~156,7 GPM teóricos, por lo que el real sería ~141 GPM, la mitad del número de doble acción, por lo que definitivamente querrás saber con qué tipo estás trabajando.

Espera, ¿qué pasa si estás usando unidades métricas? Misma lógica, solo usa centímetros y metros en lugar de pulgadas. El área del pistón está en cm cuadrados, la carrera en cm, el SPM sigue siendo carreras por minuto y la eficiencia volumétrica es la misma proporción. Fácil.

Ahora bien, ¿por qué les importa todo esto a ustedes, la tripulación del barco? Si calcula mal la capacidad, podría terminar con una bomba demasiado pequeña, por lo que transferir lastre lleva el doble de tiempo, lo que retrasa las operaciones portuarias, o no puede obtener suficiente combustible durante el abastecimiento de combustible, lo cual es un peligro para la seguridad. O si es demasiado grande, está desperdiciando combustible haciendo funcionar una bomba que puede mover mucho más de lo necesario, lo que aumenta los costos operativos. Además, en barcos más antiguos, si reemplaza una bomba alternativa, debe igualar exactamente la capacidad para mantener el sistema de tuberías en funcionamiento; si es demasiado grande, se producirán picos de presión que dañarán las mangueras o válvulas.

Como alguien que ha estado en el juego de bombas alternativas en barcos durante años, he visto a muchachos saltarse el paso de eficiencia volumétrica y luego preguntarse por qué su bomba no puede mantener el ritmo en mares agitados. Una vez trabajé con un primer oficial en un barco portacontenedores que pensaba que su bomba de 500 GPM estaba rota porque solo movía 420 GPM en una tormenta; resulta que usó la capacidad teórica en lugar de la eficiencia real, y el balanceo del barco agregó un poco de fuga adicional. Una vez que ajustamos el cálculo para incluir la eficiencia del 85% (menor debido al mar agitado) y tomamos en cuenta el 5% de fuga adicional, todo se alineó. Por eso no se trata sólo de matemáticas: se trata de comprender cómo el entorno del barco cambia los números.

Otra cosa para recordar: las bombas alternativas tienen una capacidad nominal, generalmente proporcionada por el fabricante, pero eso es en condiciones ideales. Cuando se opera en condiciones reales de un barco (diferentes fluidos, diferentes estados del mar, piezas desgastadas), es necesario modificar ese número nominal. Si está tratando con productos químicos agresivos o fluidos criogénicos, consulte nuestra página de bombas alternativas criogénicas para conocer las especificaciones que tienen en cuenta esas condiciones únicas, porque las bombas normales no soportan temperaturas frías ni fluidos agresivos sin caídas de eficiencia. Las aplicaciones de alta presión, como el bombeo de agua para la alimentación de calderas, también tienen sus propias fórmulas, ya que la presión afecta el funcionamiento de las válvulas y la cantidad de fluido que puede mover la bomba.

Resumamos los pasos clave para calcular la capacidad de un barco, para que no tenga que hojear un manual en mitad de la operación:

1. Confirme su tipo de bomba: simple efecto o doble efecto. Esto cambia enormemente la fórmula de la capacidad teórica.
2. Obtenga las especificaciones principales: diámetro del pistón, longitud de carrera, SPM, diámetro del vástago del pistón (para doble efecto).
3. Calcule la capacidad teórica utilizando la fórmula adecuada para su tipo de bomba.
4. Encuentre su eficiencia volumétrica: 85-95 % para bombas en buen estado con fluidos limpios, menor si su bomba es vieja o maneja fluidos viscosos o gaseosos, además ajuste según el estado del mar (mar agitado = eficiencia un poco menor).
5. Tenga en cuenta NPSHA: asegúrese de que la presión de succión sea suficiente para evitar la cavitación, que agota la capacidad rápidamente.
6. Verifique la viscosidad del fluido: los fluidos espesos significan una succión más lenta, por lo tanto, una menor eficiencia a mayor SPM.

Y oye, si no estás seguro de algo de esto, ya sea que estés especificando una bomba nueva, reemplazando una vieja o solucionando un problema con una bomba lenta, estamos aquí para ayudarte. Nos especializamos en configuraciones de bombas alternativas para barcos, por lo que podemos guiarlo a través de los cálculos exactos para su sistema específico o ayudarlo a elegir una bomba que se adapte perfectamente a sus necesidades de capacidad. No hay conjeturas, solo números sólidos adaptados a las operaciones de los barcos.

Sólo para asegurarnos de que quedemos claros: esto no es una solución única para todos. La sala de bombas de cada barco es un poco diferente, cada fluido tiene propiedades únicas y las condiciones del mar varían. Es por eso que tomarse el tiempo para seguir estos pasos (en lugar de simplemente seguir la calificación del fabricante) le evitará dolores de cabeza en el futuro. He estado haciendo esto el tiempo suficiente para saber que un pequeño cálculo adicional ahora es mejor que un retraso en el puerto o una bomba rota a las 2 am en medio del océano.

Referencias

1. Administración Marítima de EE. UU. (2018).Maquinaria Auxiliar Marina: Bombas y Sistemas de Bombeo. Departamento de Transporte de EE. UU.
2. Karassik, IJ, et al. (2014).Manual de bombas(5ª ed.). Educación McGraw-Hill.
3. Oficina Estadounidense de Transporte Marítimo. (2021).Reglas para la construcción y clasificación de embarcaciones de acero: Capítulo 3 – Instalaciones de maquinaria. Grupo ABS.