-
SISTEMAS Y MAQUINAS HIDRAULICAS UNIDAD 2: BOMBAS CENTRIFUGAS
JUAN CARLOS CASTAEDA G.
1
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:
-
SISTEMAS Y MAQUINAS HIDRAULICAS UNIDAD 2: BOMBAS CENTRIFUGAS
JUAN CARLOS CASTAEDA G.
2
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):
-
SISTEMAS Y MAQUINAS HIDRAULICAS UNIDAD 2: BOMBAS CENTRIFUGAS
JUAN CARLOS CASTAEDA G.
3
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
-
SISTEMAS Y MAQUINAS HIDRAULICAS UNIDAD 2: BOMBAS CENTRIFUGAS
JUAN CARLOS CASTAEDA G.
4
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
-
SISTEMAS Y MAQUINAS HIDRAULICAS UNIDAD 2: BOMBAS CENTRIFUGAS
JUAN CARLOS CASTAEDA G.
5
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.
-
SISTEMAS Y MAQUINAS HIDRAULICAS UNIDAD 2: BOMBAS CENTRIFUGAS
JUAN CARLOS CASTAEDA G.
6
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.
-
SISTEMAS Y MAQUINAS HIDRAULICAS UNIDAD 2: BOMBAS CENTRIFUGAS
JUAN CARLOS CASTAEDA G.
7
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:
-
SISTEMAS Y MAQUINAS HIDRAULICAS UNIDAD 2: BOMBAS CENTRIFUGAS
JUAN CARLOS CASTAEDA G.
8
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.
-
SISTEMAS Y MAQUINAS HIDRAULICAS UNIDAD 2: BOMBAS CENTRIFUGAS
JUAN CARLOS CASTAEDA G.
9
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.
-
SISTEMAS Y MAQUINAS HIDRAULICAS UNIDAD 2: BOMBAS CENTRIFUGAS
JUAN CARLOS CASTAEDA G.
10
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.
-
SISTEMAS Y MAQUINAS HIDRAULICAS UNIDAD 2: BOMBAS CENTRIFUGAS
JUAN CARLOS CASTAEDA G.
11
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:
-
SISTEMAS Y MAQUINAS HIDRAULICAS UNIDAD 2: BOMBAS CENTRIFUGAS
JUAN CARLOS CASTAEDA G.
12