7

4. CAVITACIN Y NPSHSe le llama cavitacin al proceso de formacin y colapso de burbujas de vapor del lquido de trabajo. La formacin de burbujas puede deberse a una accin dinmica sobre el flujo al acelerarse localmente y, como consecuencia, provocar un descenso en la presin. Para que la formacin de estas cavidades la presin local deber disminuir hasta ser igual o ms baja que la presin de vapor del lquido, desarrollndose un proceso de ebullicin. Posteriormente, dichas cavidades colapsan por condensacin, lo cual se produce al abandonar la zona de baja presin y encontrar regiones de presin mayor a la de vaporizacin. Este proceso produce un estado inestable en el cual la burbuja tiende a desaparecer en forma violenta, provocando ondas de choque de gran intensidad durante su colapso.La formacin de burbujas y el colapso de las mismas puede ocurrir muchas veces cada segundo, hacindose evidentes por la produccin de ruido y vibracin.Las cavidades o burbujas que colapsan, junto a una frontera slida, pueden ocasionar severos daos mecnicos, arrancando por efectos de fatiga parte del material expuesto. En ciertas ocasiones el proceso de dao por cavitacin, en materiales que son oxidables (tal es el caso del acero al carbn), puede acelerarse al desprender la capa de oxido que mantiene al material normalmente pasivo, abriendo paso a un componente corrosivo paralelo al dao mecnico.Todos los materiales pueden ser daados al ser expuestos a la cavitacin durante un lapso de tiempo suficientemente largo. La resistencia o susceptibilidad de los materiales a este dao vara de acuerdo con la dureza y con su capacidad de disipar la energa absorbida, en forma repetitiva, como resultado de la energa proveniente de las ondas de choque.

La actividad de cavitacin en una bomba se determina con base en el parmetro denominado carga neta positiva de succin (NPSH net positive suction head en ingls), el cual se define como:

NPSH = energa especifica absoluta (incluyendo la Patm/() - Pvp

(1)siendo Patm y Pvp las presiones absolutas atmosfrica y de vaporizacin del fluido, respectivamente.El NPSH es una medida del margen de exceso de energa especfica que recibe una bomba en su brida de succin por arriba de la presin de vaporizacin del lquido. En dicho margen se requiere incluir la presin atmosfrica para poder plantear una comparacin con la presin de vapor del lquido bombeado. El NPSH constituye una medida indirecta del estado de cavitacin interno de la bomba. Las mnimas presiones comnmente se alcanzan para bombas centrfugas en la vecindad del borde de ataque de los labes, en la cara de baja presin (ver figura 4.1), en la regin de admisin o ingreso del flujo, en otro tipo de bomba. Estas son zonas que resultan de difcil acceso y pueden diferir de un diseo a otro, por tal motivo, se opt por generalizar la susceptibilidad a la cavitacin de una bomba refiriendo su comportamiento a un nivel de NPSH evaluado en la brida de succin.

Fig. 4.1 Zona de dao por cavitacin en una bomba centrfuga

El NPSH requerido, es El NPSH disponible (por definicin) que establece las condiciones mnimas de energa que provocan una cada de carga de bombeo del 3%, respecto a su valor normal en ausencia de cavitacin (a NPSH disponibles altos).

La cada de carga se debe a que la bomba trabaja con un grado de cavitacin tal que las burbujas de vapor, generadas en su interior, conforman una nube que promueve la separacin del flujo, generando flujos secundarios que compiten con el volumen ocupado por el paso normal del flujo a la entrada, provocando la distorsin del mismo. Es conveniente mencionar que el decaimiento en la carga tambin esta asociado a una cada en la eficiencia del bombeo.

El NPSH mnimo requerido es determinado experimentalmente por el fabricante y se cuantifica mediante pruebas a gasto constante, variando El NPSH disponible en el banco de pruebas. Generalmente el valor se determina por interpolacin ya que es muy difcil encontrar el valor exacto. Las pruebas se realizan para el gasto de diseo y para gastos mayores y menores al de diseo, dentro de la regin de operacin permisible del equipo de bombeo.

El tener un NPSH disponible en la instalacin definitiva de la bomba, igual a El NPSH requerido, solo garantiza que la bomba no disminuya su carga de bombeo en ms de un 3%, sin embargo no garantiza que la bomba se encuentre libre de dao por cavitacin.

Por lo tanto es recomendable aumentar el NPSH disponible para tener un margen de seguridad en la operacin de la bomba. Cada fabricante debe orientar al comprador en el margen adecuado que debe guardar su instalacin.

En bombas verticales (con Ns altos), un margen de 1 m puede ser suficiente para proteger los equipos de bombeo, en cambio en bombas horizontales (con Ns medios y bajos), El NPSH disponible deber ser como mnimo 2 o 2.5 veces El NPSH requerido para poder garantizar una operacin libre de dao.

La cuantificacin del NPSH disponible puede realizarse cuando se dispone de un tanque de bombeo como (ver figura 4.2):

donde:Z

es la carga bruta existente (desnivel) entre el nivel del tanque de succin de la bomba y el nivel de la brida de succin de la bomba (en bombas centrfugas puede referirse al nivel del ojo del impulsor)

Hatm

es la carga correspondiente a la presin atmosfrica local dividida entre el peso especfico del lquido bombeadoHvap

es la carga correspondiente a la presin de vaporizacin del lquido bombeado dividida entre el peso especfico del mismo lquido

Hprdidases la energa especfica disipada en la conduccin del lquido bombeado desde el tanque de succin hasta la brida de la bomba

Fig 4.2 Diagrama para determinacin de El NPSH disponible

Cuando la bomba se instala en una etapa intermedia de un proceso, es conveniente cuantificar el NPSH disponible con base en parmetros medidos en la brida de succin, por lo tanto la expresin equivalente a este caso resulta:

Donde:

peso especfico del lquido bombeado

Ps es la presin en la brida de succin

Vs es la velocidad del lquido bombeado en la brida de succin

La Patm local es funcin de la altura respecto al nivel del mar (z) y puede aproximarse utilizando el siguiente ajuste:

Patm/agua = Hatm = 10.348 X e(-0.000122518202 x Z)

Donde el valor de Patm/agua est en metros de columna de agua (mca)

El valor de NPSH requerido resulta un parmetro cuyo comportamiento se puede asociar al diseo de la succin de una bomba.

Empleando una metodologa similar a la que se utiliz en la obtencin de la Ns (velocidad especfica), se ha llegado a plantear la definicin del parmetro Nss denominado velocidad especfica de succin y que se deriva de extender las expresiones de similitud al comportamiento del NPSH requerido.

Nss se define como:

Donde los valores de Q y NPSH corresponden a las condiciones de diseo de la bomba.Evaluando el Nss para varias bombas, se puede constatar que equipos de bombeo, con el mismo tipo de diseo, arrojan valores de NPSH req 3% similares. Tambin es posible calcular cmo se afectar el valor de NPSH req al variar la velocidad de rotacin (rpm) de la bomba. Debe advertirse que esta expresin se ha obtenido para diseos de impulsores de succin simple. Los impulsores de doble succin debern ser analizados como dos impulsores de succin simple, operando en paralelo y por tanto manejaran cada uno la mitad del gasto total.

En el Hydraulic Institute (HI Centrifugal Pump Design and Application) se menciona que un valor tpico de Nss es de 8,500 para rpm, GPM, ft (utilizando unidades inglesas) de 160 para rpm, m3/s, m (utilizando unidades del Sistema Internacional). Este valor resulta tpico para geometras donde la flecha atraviesa al ojo del impulsor, que es el caso comn a aquellos equipos de bombeo donde los impulsores se ubican entre chumaceras de carga. Segn el Pump Handbook editado por Sulzer Pumps, cuando el ojo del impulsor se encuentra libre, es decir el impulsor se coloca en cantiliver, el Nss aumenta a 10,400 para el sistema ingls 200 para el sistema internacional.

El valor del Nss nos ayuda a estimar el NPSH req 3% de una bomba antes de contar con su curva caracterstica. Esto resulta de gran utilidad cuando se elabora un anteproyecto de bombeo y se requiere dar un dimensionamiento preliminar de las estructuras hidrulicas. Tambin es posible seleccionar el lmite de la velocidad de rotacin a la cual deber operar un equipo para una NPSH disponible dada. Posteriormente, es necesario revisar el diseo con la informacin del fabricante que suministre el equipo de bombeo y que normalmente es menos exigente que las estimaciones expuestas.

PAGE 31

_1210844760.unknown

_1210844987.unknown

_1085990493.unknown