Explicación de la pulsación de presión: una guía completa

Las pulsaciones de presión generan importantes desafíos en diversas aplicaciones industriales. Si no se controlan, estas oscilaciones pueden provocar vibraciones excesivas, ruido, reducción de la eficiencia e incluso fallas catastróficas en los equipos.

En esta guía completa, analizaremos en profundidad las causas y las consecuencias de la pulsación de presión en la industria de la maquinaria. Luego, exploraremos soluciones comprobadas y las mejores prácticas para mitigar estos problemas, lo que lo ayudará a optimizar sus sistemas para lograr el máximo rendimiento y confiabilidad.

¿Qué es la pulsación de presión?

La pulsación de presión es una fluctuación periódica de la presión que se produce en los sistemas de fluidos, en particular en aquellos con bombas, compresores o turbinas. Estas variaciones de presión se superponen a la presión de funcionamiento constante del sistema y pueden tener una amplitud que va desde unos pocos milibares hasta varios bares.

Las pulsaciones de presión son distintas de los cambios de presión en estado estable o de los picos de presión. Los cambios en estado estable son variaciones relativamente lentas y graduales en la presión general del sistema. Los picos de presión, por otro lado, son picos repentinos de gran amplitud causados por eventos como el cierre de válvulas o el arranque de bombas. Mientras que los picos son eventos transitorios, las pulsaciones son oscilaciones continuas que persisten mientras el mecanismo que los causa (por ejemplo, una bomba) esté en funcionamiento.

Causas de la pulsación de presión

Bombas y compresores alternativos

Una de las causas más comunes de pulsación de presión es el uso de bombas reciprocantes y compresores. Estos dispositivos funcionan desplazando el fluido mediante el movimiento cíclico de pistones o émbolos. A medida que el pistón se mueve hacia adelante y hacia atrás, crea fases alternas de succión y descarga, lo que genera fluctuaciones inherentes en el flujo y la presión.

Bombas de desplazamiento positivo

Las bombas de desplazamiento positivo, incluidas las bombas de engranajes, las bombas de tornillo y las bombas de paletas, también pueden contribuir a la pulsación de presión. Estas bombas atrapan y mueven volúmenes discretos de fluido, lo que puede generar ondulaciones de flujo y variaciones de presión, especialmente en la descarga de la bomba.

Disposición de la tubería

Los cambios abruptos en el diámetro de las tuberías, como las expansiones o contracciones, pueden provocar perturbaciones en el flujo y fluctuaciones de presión. Los tramos de tuberías largos y rectos pueden permitir que las pulsaciones se propaguen y se amplifiquen, mientras que las curvas y los codos pueden reflejar ondas de presión, lo que genera patrones de interferencia. La ubicación y el espaciamiento de los soportes y anclajes de las tuberías también pueden afectar la respuesta del sistema a las pulsaciones.

Recipientes y tanques a presión

Los recipientes y tanques a presión del sistema pueden interactuar con el flujo pulsante, ya sea amplificando o atenuando las pulsaciones. Cuando la frecuencia de pulsación coincide con la frecuencia natural del recipiente o tanque, resonancia Pueden ocurrir daños, lo que puede provocar vibraciones excesivas y posibles daños.

Turbulencia y desprendimiento de vórtices

A medida que el fluido fluye pasando por obstrucciones o a través de geometrías complejas, puede crear remolinos y vórtices localizados que se desprenden periódicamente. Estas inestabilidades del flujo generan fuerzas fluctuantes en las paredes de la tubería, lo que provoca pulsaciones de presión.

Golpe de ariete (cierre rápido de válvulas)

El cierre repentino de una válvula o el arranque o apagado de una bomba pueden desencadenar un fenómeno conocido como golpe de ariete. Cuando un fluido en movimiento se ve obligado a detenerse o cambiar de dirección de repente, crea una onda de presión que viaja por el sistema a la velocidad del sonido. Este aumento repentino de presión puede ser varias veces superior a la presión de funcionamiento normal, lo que puede provocar daños graves en tuberías, válvulas y otros componentes.

Cambios en la dirección/velocidad del flujo

Cualquier cambio abrupto en la dirección o velocidad del flujo puede generar pulsaciones de presión. Esto puede ocurrir en curvas, tes o reductores de tuberías donde el fluido se ve obligado a alterar su curso o velocidad. Las perturbaciones del flujo resultantes crean fluctuaciones de presión localizadas que pueden propagarse por el sistema.

Resonancia

La resonancia se produce cuando la frecuencia de las pulsaciones de presión coincide con la frecuencia natural del sistema de tuberías o sus componentes. En condiciones de resonancia, las pulsaciones pueden amplificarse significativamente, lo que genera vibraciones excesivas, ruido y posibles daños estructurales. El riesgo de resonancia es mayor en sistemas con tramos de tuberías largos y sin soporte, amortiguación baja o una coincidencia entre la frecuencia de excitación y las frecuencias naturales acústicas o estructurales.

Propiedades de los fluidos

Las propiedades del fluido transportado también pueden influir en el comportamiento de la pulsación de presión. Las características clave del fluido incluyen:

• Densidad:Los fluidos de mayor densidad tienen mayor inercia, lo que puede generar fluctuaciones de presión más pronunciadas cuando se someten a perturbaciones del flujo.
• ViscosidadLos fluidos de alta viscosidad tienden a amortiguar las pulsaciones de presión debido a su mayor resistencia al flujo y su capacidad para disipar energía.
• Compresibilidad:Los fluidos compresibles, como los gases, son más susceptibles a las pulsaciones de presión en comparación con los líquidos incompresibles. La compresibilidad permite que las ondas de presión se propaguen con mayor facilidad y pueden generar amplitudes de pulsación más altas.

Consecuencias de la pulsación de presión no controlada

Vibración

La vibración excesiva es uno de los resultados más comunes de la pulsación de presión no controlada. Las ondas de presión fluctuantes pueden inducir vibraciones mecánicas en tuberías, válvulas y otros componentes. Estas vibraciones no solo contribuyen a un mayor desgaste del equipo, sino que también plantean riesgos para la integridad estructural del sistema.

Ruido

La pulsación de presión a menudo se manifiesta como un ruido audible, particularmente en sistemas con altas velocidades de flujo o cambios rápidos de presión. La turbulencia y cavitación El ruido generado por el flujo pulsante puede crear una variedad de frecuencias de ruido, desde ruidos bajos hasta silbidos agudos.

Pérdida de eficiencia

La energía asociada con el flujo pulsante se desperdicia, ya que no contribuye a la transferencia de fluido deseada. Esta pérdida de energía se manifiesta como un mayor consumo de energía por parte de bombas y compresores, lo que genera mayores costos operativos. Además, la turbulencia y las interrupciones del flujo causadas por la pulsación pueden reducir la eficacia de los intercambiadores de calor, filtros y otros equipos de proceso, lo que compromete aún más la eficiencia del sistema.

Daños en el equipo

Quizás la consecuencia más grave de la pulsación de presión no controlada es la posibilidad de dañar el equipo. Los ciclos de estrés repetidos impuestos por la presión fluctuante pueden provocar un desgaste acelerado y un fallo prematuro de varios componentes:

• Sellos, juntas y manómetros:La carga cíclica puede provocar que los sellos y las juntas se degraden más rápido, lo que produce fugas y pérdida de la integridad del sistema. Los manómetros y otros instrumentos también pueden sufrir daños debido a la presión pulsante, lo que genera lecturas inexactas o fallas totales.
• Erosión:Los patrones de flujo turbulento asociados con la pulsación de presión pueden acelerar la erosión, en particular en áreas con cambios repentinos en la dirección o velocidad del flujo. Con el tiempo, esta erosión puede adelgazar las paredes de las tuberías, generar fugas e incluso provocar roturas.
• Cavitación:En casos graves de pulsación de presión, las caídas de presión localizadas pueden provocar la formación y el colapso de burbujas de vapor, lo que se conoce como cavitación. La implosión de estas burbujas genera ondas de choque de alta intensidad que pueden erosionar y picar superficies, lo que provoca daños importantes en impulsores, válvulas y otros componentes.
• Ruptura de tubería:En escenarios extremos, los efectos combinados de vibración, erosión y fatiga inducidos por la pulsación de presión pueden provocar rupturas en las tuberías.

Soluciones

Amortiguadores de pulsaciones

Amortiguadores de pulsaciones Son dispositivos diseñados para reducir las fluctuaciones de presión en sistemas de fluidos. Por lo general, consisten en una vejiga o diafragma cargado de gas dentro de un recipiente a presión. A medida que aumenta la presión del fluido, el gas se comprime, absorbiendo el pico de presión. Cuando la presión disminuye, el gas se expande, manteniendo una presión aguas abajo más constante.

Los amortiguadores de pulsaciones se instalan cerca de la fuente de pulsaciones, como la descarga de una bomba o cerca de una válvula, para minimizar la transmisión de pulsaciones a través del sistema.

Supresores de sobretensiones

Los supresores de sobretensiones, también conocidos como pararrayos o golpe de ariete Los supresores están diseñados para absorber picos de presión repentinos asociados con eventos de golpe de ariete. Durante un cierre rápido de la válvula, el supresor permite un flujo de fluido limitado hacia una cámara de expansión, lo que amortigua el aumento repentino de presión.

Los supresores de sobretensiones generalmente se instalan en los extremos de las tuberías y cerca de las válvulas de cierre rápido.

Impulsores de paletas escalonadas

Para bombas centrífugasEl uso de impulsores con álabes escalonados puede ayudar a reducir las pulsaciones de presión. En un impulsor convencional, los álabes están espaciados de manera uniforme, lo que genera pulsos de presión a medida que cada álabes pasa por la lengüeta de la voluta. Al escalonar los álabes a intervalos desiguales, los pulsos de presión se distribuyen de manera más uniforme, lo que reduce la amplitud general de las pulsaciones.

Los impulsores de paletas escalonadas son más eficaces para reducir las pulsaciones en la frecuencia de paso de las paletas de la bomba. No eliminan las pulsaciones por completo, pero pueden reducirlas significativamente. vibración y problemas de ruido.

Diseño de bomba

Las bombas de gran tamaño que funcionan lejos de su punto de máxima eficiencia (BEP) son más propensas a sufrir inestabilidades de flujo y pulsaciones. Seleccionar una bomba que funcione cerca de su BEP al caudal deseado puede ayudar a reducir las pulsaciones.

Para bombas de desplazamiento positivoEl uso de varias bombas más pequeñas en paralelo en lugar de una sola bomba grande puede ayudar a reducir la amplitud de pulsación. Las bombas triples tienden a tener una pulsación menor que los diseños simples o dúplex debido a un suministro de flujo más uniforme.

Enfoques alternativos

En algunos casos, la pulsación se puede mitigar mediante cambios simples en el sistema de tuberías:

• Placas de orificio:La instalación de una placa de orificio aguas abajo de la fuente de pulsación introduce una caída de presión que puede ayudar a disipar la energía de pulsación.
• Mangueras flexibles y juntas de expansión:El uso de conexiones flexibles cerca de la fuente de pulsaciones puede ayudar a aislar las vibraciones del resto del sistema de tuberías. Las juntas de expansión se adaptan al movimiento de las tuberías y al crecimiento térmico que, de lo contrario, podrían provocar tensiones elevadas y fallas.

Ajustes operativos

Además de las soluciones de hardware, ajustar el funcionamiento del sistema puede ayudar a gestionar las pulsaciones de presión:

• Control de velocidad de la bomba:El funcionamiento de las bombas a velocidades más bajas reduce la frecuencia y la amplitud de las pulsaciones. Los variadores de frecuencia permiten que las bombas funcionen a velocidades reducidas durante períodos de baja demanda.
• Fase de múltiples bombas:En el caso de instalaciones con múltiples bombas, ajustar el ángulo de fase entre las bombas para que sus pulsaciones no estén sincronizadas puede ayudar a minimizar la pulsación aguas abajo.