2.7 nhsp cavitación de una bomba

SISTEMAS Y MAQUINAS HIDRAULICAS UNIDAD 2: BOMBAS CENTRIFUGAS

JUAN CARLOS CASTAEDA G.

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2.7 N.P.S.H. (Carga Neta Positiva de Succin) disponible y requerido.

Altura manomtrica total Hman.

La altura manomtrica total (Hman) impulsada por una bomba, es el aumento de la energa

por unidad de peso que experimenta el fluido desde la entrada hasta la salida de la bomba

y se expresa en metros de columna de lquido impulsado.

Se puede calcular la altura manomtrica total (Hman) impulsada por una bomba, para una

instalacin tpica, segn se indica a continuacin:



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En las bombas centrifugas la altura manomtrica total (Hman) viene representada, en funcin

del caudal, por medio de las curvas caractersticas de funcionamiento, cuyo empleo es

imprescindible para adaptar una bomba a un sistema de bombeo determinado.

La altura manomtrica tambin se puede definir como la altura que deber vencer la

bomba, para elevar un caudal de lquido determinado a travs de una tubera desde un nivel

inferior a otro superior. Esta altura tambin puede ser representada mediante la siguiente

igualdad:

Que para el caso muy habitual de presiones iguales en aljibe y depsito, normalmente

atmosfricas,

Mediante el empleo de estas frmulas pueden resolverse todos los problemas de bombeo

que puedan presentarse.

Altura de aspiracin manomtrica Hs.

Es la altura de presin en la brida de aspiracin de una bomba, respecto a la atmsfera libre,

expresada en metros de columna de lquido impulsado.

El valor de Hs nos lo dar un vacumetro (o manmetro cuando la aspiracin sea en carga)

instalado en la tubera de aspiracin, a la altura del eje de la bomba si es de construccin

horizontal y a la altura de la parte ms alta del borde de entrada de los alabes del impulsor

de la primera fase, si es de construccin vertical.

Para el caso que:

La altura de aspiracin manomtrica (en trminos de presin absoluta) viene expresada por

la siguiente relacin (ver fig 1):



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En ella

Hgs = Desnivel geomtrico entre el nivel del lquido y el eje de la bomba.

Zs = perdidas de carga en la tubera de aspiracin, incluyendo sus accesorios.

Vs = velocidad del lquido en la tubera de aspiracin.

Patm / = Presin manomtrica en el aljibe de aspiracin, habitualmente presin

atmosfrica.

Efectivamente tal y como se deduce de la ecuacin 4, la depresin generada por la

aspiracin de la bomba ser tanto mayor cuanto mayores sean la altura de aspiracin

(negativa), las prdidas de carga y la velocidad del fluido en tramo de aspiracin.

Cavitacin de una bomba

Cuando no se ha tenido en cuenta durante la fase de diseo de la estacin de bombeo nos

podemos encontrar con serios problemas, que en el mejor de los casos requieren de

costosas reformas en la instalacin para solucionarlos. Sin

embargo, como veremos ms tarde, prevenirla en el momento

adecuado es relativamente sencillo.

La cavitacin es un fenmeno termodinmico segn el cual el

agua cambia de estado al reducirse la presin por debajo de un

lmite: la tensin de vapor del lquido. Este fenmeno es

inherente al lquido y puede aparecer en bombas, vlvulas,

codos, etc, y en general en cualquier punto o situacin en la que

se supere la condicin lmite anteriormente expresada.

El problema de la cavitacin no est en las burbujas de vapor

generadas por la disminucin de presin, sino en la implosin de

las mismas cuando la presin se recupera y se supera la tensin de vapor. El colapso

instantneo de las burbujas de vapor genera elevadsimas presiones que erosionan el

material llegando a perforarlo e incluso a su desintegracin en los casos ms severos.

Para el caso de las bombas, segn el punto de trabajo y las condiciones de la instalacin, se

pueden producir presiones suficientemente bajas en la aspiracin como para que aparezca

la cavitacin. Esta depresin en la aspiracin de la bomba se puede calcular con la ecuacin

4 anteriormente desarrollada. La zona de la bomba con menor presin es el odo del rodete,

es decir, la seccin de entrada justo antes de los labes.

La cavitacin es

uno de los

problemas ms

graves que afectan

a las bombas



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Una vez que el fluido llega a los labes empieza a aumentar su presin a medida que recorre

el rodete hasta su salida.

Es por ello que la zona caracterstica para observar la erosin de la cavitacin es justo el

inicio de los labes, cuando se empieza a recuperar la presin.

Durante la entrada del fluido en el rodete de una bomba, se produce una aceleracin que,

cuando la presin es suficientemente baja, genera la formacin de burbujas de vapor. Esto

tiene dos efectos sobre el funcionamiento, en primer lugar, la cavitacin erosiona el rodete,

y con el tiempo lleva a su destruccin. En segundo lugar, cuando la cavitacin es fuerte

disminuye la altura de elevacin.

Figura 2.7. Efecto de la cavitacin sobre la curva caracterstica de la bomba

NPSH

El NPSH (Net Positive Suction Head, o altura neta positiva en la aspiracin) es la presin

mnima que debe haber en la entrada de la bomba para evitar fenmenos de cavitacin.

Para evitar la cavitacin, hace falta mantener una presin suficiente (3), por encima de la

presin de vapor, en la entrada de la bomba. El valor necesario es calculado por el fabricante

como NPSHr (Net Positive Suction Head required). Desde el punto de vista de la utilizacin,

hay que asegurar que el NPSHd (disponible) en el sistema sea superior al NPSHr.

La cavitacin es

un fenmeno

indeseable y

evitable que se

produce a la

entrada de la

bomba y que

provocar el fallo

prematuro de la

misma



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En la grfica adjunta vemos cmo cambian la curva Q-H de funcionamiento de una bomba

cuando aparece la cavitacin.

Partiendo de la condicin de no cavitacin:

Donde Tv representa la tensin de vapor y sustituyendo el valor de altura de aspiracin

obtenido en la ecuacin (4):

Los problemas mecnicos

que conlleva la cavitacin

en las bombas son

enormes ya que adems

de la erosin aparecen

fuertes vibraciones,

averas mecnicas, ruido,

falta de datos de servicio,

etc.



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Donde reagrupando trminos y separando los factores que dependen de la instalacin y los

que dependen de la propia bomba se llega a:

La forma de calcular el NPSHd es:

Mediante esta simplificacin se agrupan los trminos que dependen de la instalacin en un

solo parmetro llamado NPSH disponible, quedando como NPSH requerido los que

dependen de la bomba.

La presin atmosfrica y la tensin de vapor quedan fijadas por la altitud sobre el nivel del

mar y la temperatura del agua respectivamente. El NPSHr ser dado por el fabricante de la

bomba debiendo entonces el proyectista seleccionar una altura de aspiracin y unas

prdidas de carga en la lnea de aspiracin que verifiquen las ecuaciones (7) y (8) arriba

escritas.



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La forma de calcula el NPSHd es:

Presin esttica (ps): La presin esttica en una corriente de fluido es la fuerza normal por

unidad de rea actuando sobre un plano o contorno slido en un punto dado. Describe la

diferencia de presin entre el interior y el exterior de un sistema, despreciando cualquier

movimiento en el lquido.

Presin dinmica: Un fluido en movimiento ejerce una presin ms alta que la presin

esttica debido a la energa cintica (mv2/2) del fluido. Esta presin adicional se define como

presin dinmica. Se puede medir convirtiendo la energa cintica del fluido en energa

potencial.

En la mayora de los sistemas de climatizacin el circuito se encuentra cerrado al exterior,

por lo que:



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Curva NPSH caudal

El NPSH (Net Positive Suction Head, o altura neta positiva en la aspiracin) es la presin

mnima que debe haber en la entrada de la bomba para evitar fenmenos de cavitacin.

Se puede apreciar que, si la velocidad de rotacin n se mantiene constante, la curva de

potencia absorbida P aumenta con el caudal . El rendimiento , en cambio, tiene un mximo

en presencia de un determinado caudal y disminuye cuando el caudal se hace superior o

inferior a dicho valor.

Curvas de isorrendimiento

Puede ser til representar en un mismo grfico las curvas caractersticas que ilustran la

variacin del rendimiento de la bomba en funcin de la velocidad de rotacin, del caudal y

de la altura manomtrica. Estas curvas, denominadas de isorrendimiento, delimitan zonas

en las cuales el rendimiento tiene el mismo valor.



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Mejora en el diseo de la aspiracin

De los factores que influyen en el NPSHd, nicamente se puede actuar sobre dos:

i. La altura a la que est situada la bomba

ii. Las prdidas de carga

En cuanto a la cota (4), es conveniente situar las bombas lo ms cerca posible del nivel de

agua de aspiracin, o siempre que se pueda, en circuitos cerrados, en el nivel lo ms bajo

posible. Constructivamente no siempre es fcil, y en ocasiones hay que llegar a una solucin

de compromiso.

Las prdidas de carga en la aspiracin se pueden reducir disminuyendo la longitud de la

tubera, y aumentando el dimetro. Lo fabricantes de bombas acostumbran a disearlas

con un dimetro de aspiracin mayor que el de impulsin.

Como buena prctica se aconseja disear aspiraciones en carga, de longitud corta, y

prdidas de carga pequeas (v 1 m/s). Si la aspiracin en negativa (fig 1) es muy importante

dar una pendiente ascendente mnima del 2% a la tubera, utilizar conos excntricos, y

evitar posibles bolsas de aire en la tubera.

A medida que aumenta el caudal bombeado, aumenta la velocidad del fluido por la tubera

y las prdidas de carga son mayores, es decir aumenta el NPSHr y disminuye el NPSHd,

favoreciendo la aparicin de la cavitacin.



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Es por esto que para detectar si una bomba esta cavitando, conviene cerrar la vlvula de

impulsin progresivamente para reducir el caudal hasta asegurarse que cesa la vibracin y

el ruido de la cavitacin, verificndose entonces que el funcionamiento de la bomba se

corresponde con el de su curva caracterstica. Pero para funcionar en su punto de trabajo

original sin tener que sacrificar parte del caudal al estrangular la vlvula, ser necesario

modificar la instalacin a fin de reducir las prdidas de carga en la aspiracin, reducir la

altura de aspiracin,...etc para aumentar el NPSH disponible por encima del requerido.

Tambin es posible disear un inductor que provoque un aumento local de la presin en

la aspiracin del rodete, aunque esta solucin solo es vlida para un rango de caudal

limitado, empeorando la situacin cuando nos alejamos de su caudal de diseo.

Sumergencia

Es la altura (S) de lquido, necesaria sobre la seccin de entrada (vlvula de pie, campana,

tubo, etc.), para evitar la formacin de remolinos (vrtices) que pueden afectar al buen

funcionamiento de la bomba.

La formacin de estos remolinos se deben principalmente a la depresin causada por:

La succin de la bomba.

Mala disposicin de la misma en la cmara de aspiracin.

Una irregular distribucin del flujo.

Como valor indicativo de la sumergencia mnima necesaria, podemos adoptar la que

obtendremos por aplicacin de la frmula:

En ella

v = Velocidad del lquido en m / s.

S = Sumergencia en metros.

g = Aceleracin gravedad = 9,81 m / s2.

Observaciones por falta de sumergencia:

Fluctuaciones de caudal, sin merma apreciable en la altura.

Ruidos y vibraciones, con requerimientos variables de potencia (variacin

ampermetro).

Formacin de remolinos visibles en la superficie o sumergidos.

No produce cavitacin.



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Soluciones, para reducir la sumergencia necesaria:

Aumento de la seccin de entrada (colocacin de sombrillas, mayor dimetro de la

tubera de aspiracin, etc.)

Colocacin de tabiques flotantes o sumergidos que eliminen las turbulencias.

Maderas flotantes, alrededor de la tubera de aspiracin, as como pelotas de

plstico, y todo aquello que sea capaz de impedir la formacin de vrtices o

remolinos en la superficie

Seleccin de una bomba

Para seleccionar una bomba (1) debemos conocer los siguientes datos:

1. Caudal

2. Altura manomtrica a vencer por la bomba o prdida de presin del circuito

3. Valor de NPSHd

A continuacin mostramos un diagrama de flujo para la seleccin de una bomba:



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