Control del entorno de la cámara de sellado

La reducción de la temperatura en la cámara del sello ofrece muchos beneficios para el rendimiento y la confiabilidad de un sello mecánico que funciona en servicio caliente. Esta es una de las formas más efectivas de aumentar el margen de presión de vapor y evitar que el fluido bombeado se derrame en la cámara del sello o en la interfaz de las caras del sello mecánico. Además, la reducción de la temperatura de la cámara del sello también aumenta la viscosidad del fluido, proporcionando una película de fluido más estable en la interfaz de las caras del sello.

Un método para lograr una reducción de la temperatura es hacer circular el fluido desde la cámara del sello a través de un intercambiador de calor y devolver el fluido enfriado a la cámara del sello. El intercambiador de calor a menudo se denomina "enfriador de sello", ya que no es parte del proceso, sino solo un componente del sistema auxiliar. Esta disposición de tuberías se conoce como API Plan 23. Cuando se instala, opera y mantiene correctamente, un Plan 23 es uno de los métodos más efectivos para reducir la temperatura de la cámara de sellado.

El fluido circula a través del intercambiador de calor mediante un anillo de bombeo incorporado en el diseño del sello mecánico. El anillo de bombeo, típicamente una rueda ranurada o un caracol helicoidal, gira con el eje de la bomba y funciona como una bomba en miniatura dentro de la cámara del sello. En comparación con el impulsor principal en el eje de la bomba, el anillo de bombeo solo genera una fracción extremadamente pequeña de presión y flujo. Por lo tanto, es de vital importancia que el diseño, la selección y la instalación del circuito de flujo se optimicen para proporcionar la menor resistencia al flujo, maximizando así la velocidad de circulación y la capacidad de transferencia de energía térmica desde la cámara del sello al intercambiador de calor. .

Hay tres elementos principales en el circuito de flujo que se pueden optimizar:

El intercambiador de calor debe tener un tamaño adecuado para disipar la carga de calor que se le aplica y ofrecer una resistencia mínima al flujo. Los intercambiadores de calor de carcasa y tubos enfriados por agua cumplen con estos requisitos y, a menudo, son la primera opción para un diseño de intercambiador de calor. Los intercambiadores de calor de placas, aunque compactos y con grandes tasas de transferencia de calor, deben evitarse ya que su resistencia al flujo es alta. Los intercambiadores de calor enfriados por aire se pueden usar en instalaciones con limitaciones de agua. Sin embargo, se requiere un diseño y una selección cuidadosos para cumplir con la capacidad de enfriamiento necesaria sin ser excesivamente grande.

El método preferido para conectar el intercambiador de calor a la cámara del sello es usar tubería estirada (cuando los códigos y estándares lo permitan). El diámetro debe coincidir con el del serpentín del intercambiador de calor. En caso de duda, se debe seleccionar un tamaño más grande. Tenga en cuenta que los tamaños excesivamente grandes no darán resultados positivos y pueden ser perjudiciales para reducir la resistencia al flujo del circuito. Para minimizar la resistencia al flujo en la tubería, se deben evitar las válvulas. Si se requieren, deben ser del tipo de compuerta de puerto completo o válvulas de bola de ¼ de vuelta con bloqueo. También se debe minimizar el número de curvas en la tubería, utilizando únicamente curvas de radio largo y evitando el uso de accesorios cortos de 90 grados. La longitud total del tramo de tubería debe mantenerse al mínimo.

Cuando existe suficiente espacio en la cámara del sello, los diseños de anillos de bombeo más eficientes y los puertos de lavado que entregan fluido hacia y desde el anillo de bombeo están diseñados como parte integral del sello mecánico y su alojamiento (consulte la Figura 1). Esto permite que el fabricante del sello optimice la ubicación de los puertos de descarga para obtener la máxima presión y flujo del anillo de bombeo. También permite la ruta correcta del flujo de enfriamiento a través del sello mecánico, lo que garantiza que se suministre fluido frío a las caras del sello mecánico.

Para las bombas con ejes horizontales, el puerto de descarga debe ubicarse en la parte superior de la carcasa del sello para permitir que la cámara del sello se ventile de cualquier gas atrapado, y el puerto de descarga debe ubicarse en o debajo de la línea central del eje. Los ejes verticales deben tener el puerto de lavado en el punto más alto de la cámara del sello para lograr una ventilación completa. Esto normalmente requiere el uso de un anillo de bombeo de flujo axial con el puerto de lavado ubicado debajo del anillo de bombeo.

Dado que el circuito de flujo del Plan 23 no es realmente un circuito cerrado, la pérdida de fluido enfriado en la cámara del sello ocurre cuando el fluido entra y sale de la garganta de la cámara del sello. Esta mezcla de fluido caliente de la bomba y fluido enfriado en la cámara del sello se puede minimizar mediante la adición de un buje de garganta de la cámara del sello con espacio reducido. Un buje fijo es adecuado en la mayoría de los casos. Sin embargo, se pueden lograr espacios más estrechos con el uso de un buje flotante. Es una buena práctica hacer funcionar los casquillos flotantes contra una superficie renovable, como un manguito, en lugar de contra el eje desnudo de la bomba. Este buje puede integrarse en el diseño del sello mecánico o instalarse como un elemento separado en la garganta de la cámara del sello. Cuando se instala como un elemento separado, el buje debe renovarse con cada cambio de sello mecánico para minimizar la mezcla de fluidos fríos y calientes en la cámara del sello. El método de retención del buje debe considerar las diferencias de temperatura de la carcasa de la bomba, que estará cerca de la temperatura del proceso, y las partes del buje que están más cerca de la temperatura del sello mucho más baja.

El intercambiador de calor debe montarse en una posición por encima y al costado del sello mecánico de modo que se puedan hacer tramos cortos de tubería directa para conectar los puertos de lavado de la cámara del sello (o sello mecánico) al intercambiador de calor. Montaje del intercambiador de calor en o cerca de la altura máxima indicada en la Figura 2 puede mejorar el termosifonaje (flujo inducido por la pequeña diferencia en la densidad del fluido caliente que ingresa al intercambiador de calor y el fluido frío que sale). Esto puede ayudar al flujo del anillo de bombeo mientras la bomba está funcionando y continuar creando flujo mientras la bomba está inactiva.

La tubería de interconexión entre los puertos de lavado de la cámara del sello (o sello mecánico) y el intercambiador de calor debe inclinarse hacia arriba hacia un punto alto de ventilación con una pendiente mínima de 0,5 pulgadas por pie (40 milímetros por metro). Como la tubería de interconexión estará caliente durante la operación, existe la posibilidad de que el personal de mantenimiento y operación sufra quemaduras por contacto. Los protectores térmicos de malla expandida son el método preferido para mitigar los riesgos de quemaduras, ya que permiten que ocurra una convección de calor natural desde la tubería expuesta. Para instalaciones donde el espacio es reducido, se puede usar aislamiento mecánico para mitigar los peligros.

La orientación del intercambiador de calor debe seleccionarse de modo que cualquier aire atrapado en los serpentines de enfriamiento pueda fluir naturalmente hacia un punto alto y ser ventilado. La ubicación y la altura del intercambiador de calor deben seleccionarse de manera que facilite el acceso para el servicio del intercambiador de calor y minimice el impacto del acceso a la bomba para el mantenimiento. El intercambiador de calor nunca debe montarse directamente sobre la bomba o el motor.

Antes de poner en marcha la bomba, es necesario ventilar el lado del proceso y del agua del intercambiador de calor para eliminar cualquier aire o vapor atrapado. Las ventilaciones de punto alto instaladas tanto en el agua de refrigeración como en las tuberías de proceso facilitan la ventilación. La ventilación del lado del proceso también ventila el intercambiador de calor, la cámara de sellado y la tubería de interconexión. La ventilación del lado del proceso a menudo requiere consideraciones especiales de dimensionamiento y enrutamiento según las propiedades del fluido, la presión del sistema, la temperatura y los peligros. El diseño debe garantizar una capacidad de ventilación eficaz al mismo tiempo que mantiene un funcionamiento seguro.

La limpieza del intercambiador de calor debe realizarse cuando la pérdida de eficiencia sea evidente. Normalmente, esto resulta del ensuciamiento del lado del agua de refrigeración del intercambiador de calor. La velocidad a la que se produce el ensuciamiento depende de la calidad del agua de refrigeración y de la carga de calor colocada en el intercambiador de calor. Las áreas con agua dura requerirán una limpieza frecuente del intercambiador de calor para eliminar las incrustaciones minerales. El intercambiador de calor debe limpiarse en cada cambio de sello.

Hay algunas aplicaciones en las que esta solución puede no ser la opción ideal:

Para estas situaciones, se deben considerar métodos de enfriamiento alternativos como API Plan 21 o Plan 32. La necesidad de refrigeración de la cámara del sello también se puede eliminar mediante el uso de un sello doble presurizado.

API Plan 23 proporciona un método efectivo para controlar la temperatura de la cámara del sello alrededor del sello mecánico. Esta reducción en la temperatura de la cámara del sello puede suprimir la vaporización y mejorar las propiedades del fluido en la interfaz de las caras del sello mecánico, lo que mejora la confiabilidad del sello.

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Mark Savage es gerente de grupo de productos en John Crane, responsable del diseño, desarrollo y aplicación de sellos de fuelle metálico para compresores, bombas y maquinaria rotativa. Ha trabajado en la industria del sellado durante 23 años y ha estado involucrado en el desarrollo de las mejores prácticas para los sellos de ejes y sus sistemas de soporte. El Sr. Savage tiene una Licenciatura en Ingeniería de la Universidad de Sydney, Australia.