En un circuito hidráulico , la altura de succión positiva neta ( NPSH ) puede referirse a una de dos cantidades en el análisis de cavitación :
- El NPSH disponible (NPSH A ): una medida de qué tan cerca está el fluido en un punto dado de parpadear y, por lo tanto, de la cavitación. Técnicamente es la altura de presión absoluta menos la presión de vapor del líquido.
- El NPSH requerido (NPSH R ): el valor de altura en el lado de succión (por ejemplo, la entrada de una bomba) requerido para mantener el fluido alejado de la cavitación (proporcionado por el fabricante).
NPSH es particularmente relevante dentro de las bombas centrífugas y turbinas , que son partes de un sistema hidráulico que son más vulnerables a la cavitación. Si se produce cavitación, el coeficiente de arrastre de las paletas del impulsor aumentará drásticamente, posiblemente deteniendo el flujo por completo, y la exposición prolongada dañará el impulsor.
NPSH en una bomba
En una bomba, la cavitación se producirá primero en la entrada del impulsor. [1] Denotando la entrada por i , el NPSH A en este punto se define como:
dónde es la presión absoluta en la entrada, es la velocidad promedio en la entrada, es la densidad del fluido, es la aceleración de la gravedad y es la presión de vapor del fluido. Tenga en cuenta que es equivalente a la suma de las cabezas estática y dinámica, es decir, la altura de estancamiento, de la cual se deduce la altura correspondiente a la presión de vapor de equilibrio, por lo tanto, "altura de succión neta positiva".
Aplicando la primera ley de la termodinámica para los volúmenes de control que encierran la superficie libre de succión 0 y la entrada de la bomba i , bajo el supuesto de que la energía cinética en 0 es despreciable, que el fluido es no viscoso y que la densidad del fluido es constante:
Usando la aplicación anterior de Bernoulli para eliminar el término de velocidad y los términos de presión local en la definición de NPSH A :
Ésta es la expresión estándar para el NPSH disponible en un punto. La cavitación ocurrirá en el punto i cuando el NPSH disponible sea menor que el NPSH requerido para prevenir la cavitación (NPSH R ). Para sistemas de impulsores simples, NPSH R se puede derivar teóricamente, [2] pero muy a menudo se determina empíricamente. [1] Tenga en cuenta que NPSH A y NPSH R están en unidades absolutas y generalmente se expresan en "m" o "pies", no en "psia".
Experimentalmente, NPSH R se define a menudo como NPSH 3 , el punto en el que la salida de carga de la bomba disminuye en un 3% a un flujo dado debido a un rendimiento hidráulico reducido. En bombas de etapas múltiples, esto se limita a una caída del 3% en la carga de la primera etapa. [3]
NPSH en una turbina
El cálculo de NPSH en una turbina de reacción es diferente al cálculo de NPSH en una bomba, porque el punto en el que se producirá la cavitación por primera vez está en un lugar diferente. En una turbina de reacción, la cavitación se producirá primero en la salida del impulsor, en la entrada del tubo de aspiración . [4] Denotando la entrada del tubo de tiro por e , el NPSH A se define de la misma manera que para las bombas:
Aplicando el principio de Bernoulli desde la entrada del tubo de tiro e hasta la superficie libre inferior 0 , bajo el supuesto de que la energía cinética en 0 es despreciable, que el fluido es no viscoso y que la densidad del fluido es constante:
Usando la aplicación anterior de Bernoulli para eliminar el término de velocidad y los términos de presión local en la definición de NPSH A :
Tenga en cuenta que, en las turbinas, las pérdidas por fricción menores () alivian el efecto de la cavitación, al contrario de lo que ocurre en las bombas.
Consideraciones de diseño de NPSH
Presión de vapor es fuertemente dependiente de la temperatura, y por lo tanto también lo hará tanto NPSH R y NPSH A . Las bombas centrífugas son particularmente vulnerables, especialmente cuando se bombea una solución calentada cerca de la presión de vapor, mientras que las bombas de desplazamiento positivo se ven menos afectadas por la cavitación, ya que son más capaces de bombear el flujo de dos fases (la mezcla de gas y líquido), sin embargo, el flujo resultante La velocidad de la bomba disminuirá debido a que el gas desplaza volumétricamente una desproporción de líquido. Se requiere un diseño cuidadoso para bombear líquidos a alta temperatura con una bomba centrífuga cuando el líquido está cerca de su punto de ebullición.
El colapso violento de la burbuja de cavitación crea una onda de choque que puede extraer material de los componentes internos de la bomba (generalmente el borde de ataque del impulsor) y genera un ruido que a menudo se describe como "grava de bombeo". Además, el inevitable aumento de la vibración puede provocar otras fallas mecánicas en la bomba y el equipo asociado.
Relación con otros parámetros de cavitación
El NPSH aparece en varios otros parámetros relevantes para la cavitación. El coeficiente de la altura de succión es una medida adimensional de NPSH:
Dónde es la velocidad angular (en rad / s) del eje de la turbo-máquina, y es el diámetro del impulsor de la turbo-máquina. El número de cavitación de Thoma se define como:
Dónde es la cabeza a través de la turbo-máquina.
Algunos ejemplos generales de NPSH
(basado en el nivel del mar).
Ejemplo número 1: Un tanque con un nivel de líquido 2 metros por encima de la entrada de la bomba, más la presión atmosférica de 10 metros, menos una pérdida de fricción de 2 metros en la bomba (por ejemplo, para la pérdida de tubería y válvula), menos la curva NPSH R (por ejemplo, 2,5 metros) de la bomba prediseñada (ver curva de fabricantes) = un NPSH A (disponible) de 7,5 metros. (sin olvidar el deber de flujo). Esto equivale a 3 veces el NPSH requerido. Esta bomba funcionará bien siempre que todos los demás parámetros sean correctos.
Recuerde que el trabajo de flujo positivo o negativo cambiará la lectura en la curva NPSH R de fabricación de la bomba . Cuanto menor sea el flujo, menor será el NPSH R y viceversa.
Sacar de un pozo también creará NPSH negativo; sin embargo, recuerde que la presión atmosférica al nivel del mar es de 10 metros. Esto nos ayuda, ya que nos da un impulso adicional o "empuje" hacia la entrada de la bomba. (¡Recuerda que solo tienes 10 metros de presión atmosférica como bonificación y nada más!).
Ejemplo número 2: Un pozo o perforación con un nivel de operación de 5 metros por debajo de la entrada, menos una pérdida por fricción de 2 metros en la bomba (pérdida de tubería), menos la curva NPSH R (digamos 2,4 metros) de la bomba prediseñada = una NPSH A (disponible) de (negativo) -9,4 metros. Sumando la presión atmosférica de 10 metros se obtiene un NPSH A positivo de 0,6 metros. El requisito mínimo es 0,6 metros por encima de NPSH R ), por lo que la bomba debe elevarse del pozo.
Usando la situación del ejemplo 2 anterior, pero bombeando agua a 70 grados Celsius (158F) de una fuente termal, creando NPSH negativo, se obtiene lo siguiente:
Ejemplo número 3: Un pozo o perforación que funciona a 70 grados Celsius (158F) con un nivel de operación de 5 metros por debajo de la entrada, menos una pérdida por fricción de 2 metros en la bomba (pérdida de tubería), menos la curva NPSH R (digamos 2,4 metros) de la bomba prediseñada, menos una pérdida de temperatura de 3 metros / 10 pies = un NPSH A (disponible) de (negativo) -12,4 metros. Sumando la presión atmosférica de 10 metros se obtiene un NPSH A negativo de -2,4 metros restantes.
Recordando que el requisito mínimo es 600 mm por encima del NPSH R, por lo tanto, esta bomba no podrá bombear el líquido a 70 grados Celsius y cavitará y perderá rendimiento y causará daños. Para que funcione de manera eficiente, la bomba debe estar enterrada en el suelo a una profundidad de 2,4 metros más el mínimo requerido de 600 mm, totalizando una profundidad total de 3 metros en el pozo. (3,5 metros para estar completamente seguro).
Se requiere un mínimo de 600 mm (0.06 bar) y una presión de cabeza recomendada de 1.5 metros (0.15 bar ) “más alta” que el valor de presión NPSH R requerido por el fabricante para permitir que la bomba funcione correctamente.
Pueden ocurrir daños graves si una bomba grande se ha colocado incorrectamente con un valor de NPSH R incorrecto y esto puede resultar en una reparación de la bomba o de la instalación muy costosa.
Los problemas de NPSH pueden resolverse cambiando el NPSH R o reubicando la bomba.
Si un NPSH A es digamos 10 bar, entonces la bomba que está usando entregará exactamente 10 bar más en toda la curva operativa de una bomba que su curva operativa listada.
Ejemplo: una bomba con un máx. La altura de presión de 8 bar (80 metros) funcionará realmente a 18 bar si el NPSH A es de 10 bar.
es decir: 8 bar (curva de bomba) más 10 bar NPSH A = 18 bar.
Este fenómeno es el que utilizan los fabricantes cuando diseñan bombas multietapa (bombas con más de un impulsor). Cada impulsor de apilamiento múltiple impulsa el impulsor siguiente para elevar la cabeza de presión. Algunas bombas pueden tener hasta 150 etapas o más, con el fin de elevar las cabezas hasta cientos de metros.
Referencias
- ^ a b c Mecánica de fluidos de Frank M. White , 7ª ed., p. 771
- ^ Paresh Girdhar, Octo Moniz, Prácticas bombas centrífugas , p. 68
- ^ "Bienvenidos al Instituto Hidráulico" . Archivado desde el original el 23 de marzo de 2010.
- ^ "Cavitación en turbinas de reacción" . Archivado desde el original el 10 de marzo de 2016.