Cabezal de succión positivo neto

En un circuito hidráulico , la altura neta de succión positiva ( NPSH ) puede referirse a una de dos cantidades en el análisis de cavitación :

1. El NPSH disponible (NPSH _A ): una medida de cuán cerca está el fluido en un punto dado de la vaporización instantánea y, por lo tanto, de la cavitación. Técnicamente, es la altura de presión absoluta menos la presión de vapor del líquido.
2. El NPSH requerido (NPSH _R ): el valor de la altura de carga en el lado de succión (por ejemplo, la entrada de una bomba) necesario para evitar la cavitación del fluido (proporcionado por el fabricante).

El NPSH es especialmente relevante en bombas centrífugas y turbinas , componentes del sistema hidráulico que son particularmente vulnerables a la cavitación. Si se produce cavitación, el coeficiente de arrastre de los álabes del impulsor aumentará drásticamente, pudiendo incluso detener el flujo por completo, y una exposición prolongada dañará el impulsor.

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:

${\displaystyle {\text{NPSH}}_{A}=\left({\frac {p_{i}}{\rho g}}+{\frac {V_{i}^{2}}{2g}}\right)-{\frac {p_{v}}{\rho g}}}$

dónde${\displaystyle p_{i}}$es la presión absoluta en la entrada,${\displaystyle V_{i}}$es la velocidad media en la entrada,${\displaystyle \rho }$es la densidad del fluido,${\displaystyle g}$es la aceleración de la gravedad y${\displaystyle p_{v}}$es la presión de vapor del fluido. Nótese que NPSH es equivalente a la suma de las cargas estática y dinámica (es decir, la carga de estancamiento) menos la carga de presión de vapor de equilibrio, de ahí el término "carga neta de succión positiva".

Aplicando la ecuación de Bernoulli para el volumen de control que encierra 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:

${\displaystyle {\frac {p_{0}}{\rho g}}+z_{0}={\frac {p_{i}}{\rho g}}+{\frac {V_{i}^{2}}{2g}}+z_{i}+h_{f}}$

Utilizando la aplicación anterior de Bernoulli para eliminar el término de velocidad y los términos de presión local en la definición de NPSH _A :

${\displaystyle {\text{Altura neta de succión positiva}}_{A}={\frac {p_{0}}{\rho g}}-{\frac {p_{v}}{\rho g}}-(z_{i}-z_{0})-h_{f}}$

Esta 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, el NPSH _R se puede derivar teóricamente, ^{[ 2 ]} pero muy a menudo se determina empíricamente. ^{[ 1 ]} Nótese que el NPSH _A y el NPSH _R están en unidades absolutas y generalmente se expresan en "m" o "ft", no en "psia".

Experimentalmente, el NPSH _R se define a menudo como el NPSH ₃ , el punto en el que la altura de salida de la bomba disminuye un 3 % a un caudal determinado debido a la reducción del rendimiento hidráulico. En bombas multietapa, esto se limita a una caída del 3 % en la altura de la primera etapa. ^{[ 3 ]}

El cálculo del NPSH en una turbina de reacción es diferente al cálculo del NPSH en una bomba, porque el punto en el que se producirá la cavitación por primera vez se encuentra en un lugar distinto. 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 aspiración por e , el NPSH _A se define de la misma manera que para las bombas:

${\displaystyle {\text{NPSH}}_{A}=\left({\frac {p_{e}}{\rho g}}+{\frac {V_{e}^{2}}{2g}}\right)-{\frac {p_{v}}{\rho g}}}$^{[ 1 ]}

Aplicando el principio de Bernoulli desde la entrada del tubo de aspiración 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:

${\displaystyle {\frac {p_{e}}{\rho g}}+{\frac {V_{e}^{2}}{2g}}+z_{e}={\frac {p_{0}}{\rho g}}+z_{0}+h_{f}}$

Utilizando la aplicación anterior de Bernoulli para eliminar el término de velocidad y los términos de presión local en la definición de NPSH _A :

${\displaystyle {\text{NPSH}}_{A}={\frac {p_{0}}{\rho g}}-{\frac {p_{v}}{\rho g}}-(z_{e}-z_{0})+h_{f}}$

Tenga en cuenta que, en las turbinas, las pérdidas por fricción menores (${\displaystyle h_{f}}$) aliviar el efecto de la cavitación, lo contrario de lo que ocurre en las bombas.

La presión de vapor depende en gran medida de la temperatura, y por lo tanto, también lo harán tanto el NPSH R _como el NPSH _A. Las bombas centrífugas son particularmente vulnerables, especialmente al bombear soluciones calientes 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 flujo bifásico (la mezcla de gas y líquido). Sin embargo, el caudal resultante de la bomba disminuirá debido a que el gas desplaza volumétricamente una cantidad desproporcionada 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 desprender material de los componentes internos de la bomba (generalmente del borde de ataque del impulsor) y genera un ruido que a menudo se describe como "bombear grava". Además, el inevitable aumento de la vibración puede provocar otras fallas mecánicas en la bomba y los equipos asociados.

El NPSH aparece en varios otros parámetros relevantes para la cavitación. El coeficiente de altura de succión es una medida adimensional del NPSH:

${\displaystyle C_{\text{NPSH}}={\frac {g\cdot {\text{NPSH}}}{n^{2}D^{2}}}}$

Dónde${\displaystyle n}$es la velocidad angular (en rad/s) del eje de la turbomáquina, y${\displaystyle D}$es el diámetro del impulsor de la turbomáquina. El número de cavitación de Thoma se define como:

${\displaystyle \sigma ={\frac {\text{NPSH}}{H}}}$

Dónde${\displaystyle H}$es la cabeza al otro lado de la turbomáquina.

(basado en el nivel del mar).

Ejemplo número 1: Un tanque con un nivel de líquido de 2 metros por encima de la entrada de la bomba, más la presión atmosférica de 10 metros, menos una pérdida por fricción de 2 metros hacia la bomba (por ejemplo, por pérdidas en tuberías y válvulas), menos la curva NPSH _R (por ejemplo, 2,5 metros) de la bomba prediseñada (ver la curva del fabricante) = un NPSH _A (disponible) de 7,5 metros. (sin olvidar el caudal). Esto equivale a 3 veces el NPSH requerido. Esta bomba funcionará correctamente siempre que todos los demás parámetros sean correctos.

Recuerde que el caudal, ya sea positivo o negativo, modificará la lectura de la curva NPSH _R del fabricante de la bomba . A menor caudal, menor será el NPSH _R , y viceversa.

La extracción de un pozo también genera un NPSH negativo; sin embargo, ¡recuerde que la presión atmosférica a nivel del mar es de 10 metros! Esto nos beneficia, ya que nos proporciona un impulso adicional hacia la entrada de la bomba. (¡Recuerde que solo dispone de 10 metros de presión atmosférica como impulso adicional y nada más!).

Ejemplo número 2: Un pozo o perforación con un nivel operativo de 5 metros por debajo de la toma, menos una pérdida por fricción de 2 metros hacia la bomba (pérdida en la tubería), menos la curva NPSH _R (digamos 2,4 metros) de la bomba prediseñada = un NPSH _{A (disponible) de (negativo) -9,4 metros. Si se añade la presión atmosférica de 10 metros, se obtiene un NPSH A} positivo de 0,6 metros. El requisito mínimo es de 0,6 metros por encima del NPSH _R ), por lo que la bomba debería elevar el agua del pozo.

Utilizando la situación del ejemplo 2 anterior, pero bombeando agua a 70 grados Celsius (158 °F) de un manantial termal, creando un NPSH negativo, se obtiene lo siguiente:

Ejemplo número 3: Un pozo o perforación que funciona a 70 grados Celsius (158 °F) con un nivel operativo de 5 metros por debajo de la toma, menos una pérdida por fricción de 2 metros hacia la bomba (pérdida en la 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. Si se agrega la presión atmosférica de 10 metros, se obtiene un NPSH A} negativo de -2,4 metros restantes.

Teniendo en cuenta que el requisito mínimo es de 600  mm por encima del NPSH _R , esta bomba no podrá bombear el líquido a 70 grados Celsius, lo que provocará cavitación, pérdida de rendimiento y daños. Para un funcionamiento eficiente, la bomba debe enterrarse a una profundidad de 2,4 metros, más los 600  mm mínimos requeridos, lo que da una profundidad total de 3 metros en el pozo (3,5 metros para mayor seguridad).

Se requiere una presión de cabeza mínima de 600  mm (0,06 bar) y una recomendada de 1,5 metros (0,15 bar ) "superior" al valor de presión NPSH _R exigido por el fabricante para que la bomba funcione correctamente.

Pueden producirse daños graves si una bomba grande se ha instalado incorrectamente con un valor NPSH _R erróneo , lo que puede resultar en una reparación muy costosa de la bomba o de la instalación.

Los problemas de NPSH pueden resolverse cambiando el valor de NPSH _R o reubicando la bomba.

Si el NPSH _A es, por ejemplo, de 10 bar, entonces la bomba que está utilizando suministrará exactamente 10 bar más en toda la curva operativa de la bomba que lo que indica su curva operativa nominal.

Ejemplo: Una bomba con una altura de presión máxima de 8 bar (80 metros) funcionará en realidad a 18 bar si el NPSH _A es de 10 bar.

es decir: 8 bar (curva de la bomba) más 10 bar NPSH _A = 18 bar.

Este fenómeno es el que utilizan los fabricantes al diseñar bombas multietapa (bombas con más de un impulsor). Cada impulsor apilado impulsa al siguiente para aumentar la presión. Algunas bombas pueden tener hasta 150 etapas o más, para alcanzar alturas de elevación de cientos de metros.