CAVITACIÓ N Mg. Amancio R. Rojas Flores Mg. ARRF 1
1.- CAVITACIÓN EN BOMBAS CENTRÍFUGAS Las bombas centrífugas funcionan con normalidad si la presión absoluta a la entrada del rodete no está por debajo de un determinado valor. Cuando el líquido a bombear se mueve en una región donde la presión es menor que su presión de vapor, vaporiza en forma de burbujas en su seno, las cuales son arrastradas junto con el líquido hasta una región donde se alcanza una presión más elevada y allí desaparecen; a este fenómeno se le conoce como cavitación, cuyas consecuencias se describen a continuación. Mg. ARRF
Si a la entrada del rodete la presión es inferior a la presión parcial del vapor p v se forman las burbujas de vapor que: Disminuyen el espacio utilizable para el paso del líquido Perturban la continuidad del flujo debido al desprendimiento de gases y vapores disueltos disminuyendo el caudal, la altura manométrica, el rendimiento de la bomba, etc. Mg. ARRF 3
Estas burbujas en su recorrido dañan los conductos de paso del líquido en el tubo de aspiración y llegan a una zona en el rodete, de presión superior a la presión de vapor, en la que, instantáneamente, toda la fase de vapor pasa a líquido, de forma que el volumen de las burbujas pasa a ser ocupado por el líquido, en forma violenta, que se acompaña de ruidos y vibraciones, lo cual se traduce en un golpeteo sobre los álabes, que se transmite al eje, cojinetes, cierres mecánicos, etc. Si la bomba funciona en estas condiciones durante cierto tiempo se puede dañar; la intensidad del golpeteo a medida que disminuye la presión absoluta a la entrada del rodete, se aprecia claramente en las curvas características de la bomba, Mg. ARRF 4
Fig. 1.- Disminución brusca de las curvas características por el efecto de la cavitación en una bomba centrífuga Mg. ARRF 5
La presión mínima tiene lugar en el punto M, cerca de la entrada del rodete, por lo que la altura del tubo de aspiración Ha de la bomba centrífuga viene limitada por la cavitación. Lo más frecuente es que al final del tubo de aspiración, en la brida de aspiración E, exista una depresión y que la presión siga disminuyendo desde E hasta el rodete, punto M (presión mínima), zona que se encuentra a la entrada al mismo, siendo ΔPEM la pérdida de carga correspondiente entre E y M. A partir del punto M el fluido comienza a notar la influencia del rodete que le comunica una energía cinética relativa, w / g aumentando bruscamente su presión, y originándose el fenómeno de golpeteo y vibraciones. 1 Mg. ARRF 6
Fig..- Campo de presiones en la aspiración Mg. ARRF 7
La energía o altura específica del líquido entre el final del tubo de aspiración (brida de aspiración E) y entrada en el rodete impulsor, también llamada energía o altura bruta disponible, en condiciones de rendimiento máximo, es: Altura bruta disponible: pe + ve g = pm + c1 g + Δp EM p E p M = c 1 v g E + Δp EM Mg. ARRF 8
Para que a la entrada del rodete se presente la cavitación es necesario que la presión (p M = p1) sea igual o menor que la presión parcial de vapor del líquido p V a la temperatura correspondiente. Para cada caudal, en el tubo de aspiración existe una presión mínima por encima de la presión de vapor pv; por debajo de este valor de pv la bomba cavitará; ésta presión se puede expresar en metros de columna de líquido (altura neta de entrada en la bomba) y se denomina altura neta de succión positiva NPSH, Net Positive Suction Head que, teóricamente, para una bomba dada y un caudal dado, es constante. Mg. ARRF 9
ALTURA NETA DE ENTRADA DISPONIBLE, NPSHd.- Afecta al tubo de aspiración y para su cálculo se parte de la energía bruta disponible que tiene el flujo a la entrada de la bomba, que se obtiene aplicando la ecuación de Bernoulli entre la entrada del tubo de aspiración, punto O (nivel inferior del líquido), y el final del mismo, punto E, en la forma: po + vo g = pe + ve g + H a + Δp La altura bruta disponible en la brida de aspiración (entrada de la bomba), en función de los parámetros del tubo de aspiración es: pe ve + g = po H a Δp asp pe ve + g = p atm asp H a Δp en la que se ha supuesto que la variación del nivel del líquido es nulo, por lo que V o = 0, siendo en general, p o = p atm. Mg. ARRF 10 asp
Como el líquido a bombear tiene una determinada presión de vapor p v la energía bruta anterior sólo es utilizable hasta dicha presión p v, a partir de la cual aparece la cavitación, por lo que se define la altura neta disponible a la entrada de la bomba NPSHd de la forma: NPSH d = altura bruta pv = p atm H a Δp asp pv NPSH al ser d Δp == p asp = atm k p aspq 1 v H a k aspq 1 que representa una familia de parábolas, Fig.3, que no es más que la curva característica del tubo de aspiración, siendo independiente del tipo de bomba instalada En depósitos a presión se sustituye p atm por p o, valor que hay que interpretar según el tipo de gas o vapor en contacto con el líquido. Mg. ARRF 11
Fig.3.- Altura neta de entrada disponible Mg. ARRF 1
ALTURA NETA DE ENTRADA REQUERIDA, NPSHr La bomba necesita que el líquido disponga en la posición E, (brida de aspiración), de un mínimo de energía que le permita hacer el recorrido de E a M sin que aparezca cavitación; esta presión mínima, cuyo límite es pv, es la que se tiene a la entrada del rodete, en el momento en que éste comienza a comunicar al líquido la presión p1. Si se supone que los puntos E y M están al mismo nivel y teniendo en cuenta que pv es la presión mínima que se puede tener en el punto 1, la altura bruta en la brida de aspiración (entrada de la bomba), en función de los parámetros a la entrada del rodete es: Altura bruta disponible: pe + ve g = p1 + c1 g + Δp EM Abd = pv + c1 g + Δp EM Mg. ARRF 13
La altura neta requerida a la entrada del rodete; es la diferencia entre la altura manométrica de aspiración en la brida de aspiración y la presión de vapor del líquido en ese mismo punto, a la temperatura de succión, en la forma: Fig.4.- Altura neta de entrada requerida Mg. ARRF 14
NPSH r = altura bruta pv = p E p v + ve g = pv + c1 g + ΔP EM pv NPSH c = g + Δ 1 r P EM La altura bruta disponible se puede poner en la forma: p v g p Abd = E + E = v + NPSH r Es conveniente que el NPSH r sea lo menor posible, es decir, que (C 1 0), para que la longitud del tubo de aspiración sea mayor, mientras que el NPSH d tiene que ser lo mayor posible. Mg. ARRF 15
ALTURA DE ASPIRACIÓN H a Si el NPSH r tiene que ser pequeño, y el NPSH d grande, su punto de intersección proporciona la altura de aspiración máxima H a Para su determinación se toma el caudal máximo previsto q máx (que es con el que más riesgo de cavitación existe) sobre el eje de caudales del gráfico suministrado por el fabricante de la bomba (fig. 5) De las infinitas curvas NPSH d que se pueden disponer en una instalación, función de la altura de aspiración H a, sólo una pasa por el punto A en donde NPSH d = NPSH r, Fig.6, Mg. ARRF 16
Mg. ARRF 17 Fig.5.- Datos de curvas de colina de rendimientos, potencia y NPSH r de una bomba centrífuga
Fig.6.- Altura de aspiración máxima Mg. ARRF 18
verificándose: NPSH H a = r p = atm NPSH p v d = ΔP p atm asp máx p v H NPSH a r ΔP asp máx que es la máxima altura de aspiración teniendo en cuenta la cavitación, siendo aconsejable disminuir dicha altura en 0,5 m para asegurarse de que ésta no se produzca: H a patm pv = ΔPasp máx NPSHr 0.5 valor que no superará los 6,5 m pudiendo resultar mucho más pequeña e incluso negativa, por encima del eje de la bomba. Mg. ARRF 19
Para evitar la cavitación es necesario que: pe ce + g pv NPSH r NPSHd NPSH r ésta comenzará a manifestarse cuando sean iguales. Cuanto más pequeño sea el NPSH r, tanto más estable será la bomba en lo que respecta a la cavitación. Mg. ARRF 0
COEFICIENTE DE THOMA Se define el coeficiente σ de cavitación de Thoma como la relación entre el NPSH r y la altura manométrica máxima H man (máx) correspondiente al rendimiento manométrico máximo. La altura del tubo de espiración es: H a == p atm σ = p NPSH H v m ΔP r asp σh man máx Según Stepanoff, el coeficiente de Thoma se puede calcular, aproximadamente, por la expresión: σ = 4 4 / 3,14x10 ns La semejanza dinámica queda garantizada si el coeficiente de Thoma es el mismo en el modelo y en el prototipo, es decir, en toda la serie de bombas geométricamente semejantes entre sí. Mg. ARRF 1
Fig.7.- Coeficiente de cavitación de las bombas centrífugas en función del nº específico de revoluciones Mg. ARRF
SUCCION DE LA BOMBA Pv y Pa: TEMPERATURA Pv (m) º C 0 0.06 10 0.15 0 0.38 30 0.43 40 0.75 50 1.58.031 70 3.177 80 4.89 90 7.149 100 10.33 ALTITUD Pa (m) msnm 0 10.33 500 9.73 1000 9.13 1500 8.53 000 8.00 500 7.57 3000 7.05 3500 6.6 4000 6.0 4500 5.78 5000 5.37 Mg. ARRF 3
CURVAS DE BOMBAS CENTRIFUGAS CURVAS DE BOMBAS CENTRIFUGAS: La Altura ( H ), la Eficiencia (η), el NPSH requerido (NPSHr) y la Potencia Absorbida (P) están en función del Caudal (Q). Estas curvas se obtienen ensayando la bomba en el Pozo de Pruebas. Mg. ARRF 4
CURVAS DE BOMBAS CENTRIFUGAS CURVA DE UNA H (m) 30 1HQRL-11 1750-RPM D=03.4 MR BOMBA: 300 (%) 80 40 0 00 180 1 140 10 H-Q 80 70 50 40 30 0 100 80 40 0 0 0 10 0 30 40 50 70 80 90 100 110 10 130 140 Q ( L / S ) P P (HP) 300 50 00 150 100 50 0 Mg. ARRF 5
CURVAS DE BOMBAS CENTRIFUGAS CURVA DE UNA BOMBA: H (m) 30 300 80 40 0 H-Q 1HQRL-11 1750-RPM D=03.4 MR (%) 80 70 50 40 30 0 00 180 1 MODELO DE LA BOMBA 140 10 100 80 40 0 0 0 10 0 30 40 50 70 80 90 100 110 10 130 140 Q ( L / S ) P P (HP) 300 50 00 150 100 50 0 Mg. ARRF 6
CURVAS DE BOMBAS CENTRIFUGAS CURVA DE UNA BOMBA: H (m) 30 300 80 40 0 H-Q 1HQRL-11 1750-RPM D=03.4 MR (%) 80 70 50 40 30 0 00 180 1 VELOCIDAD 140 10 100 80 40 0 0 0 10 0 30 40 50 70 80 90 100 110 10 130 140 Q ( L / S ) P P (HP) 300 50 00 150 100 50 0 Mg. ARRF 7
CURVAS DE BOMBAS CENTRIFUGAS CURVA DE UNA H (m) 30 1HQRL-11 1750-RPM D=03.4 MR BOMBA: 300 (%) 80 40 0 00 180 1 H-Q 80 70 50 40 30 0 CURVA H-Q 140 10 100 80 40 0 0 0 10 0 30 40 50 70 80 90 100 110 10 130 140 Q ( L / S ) P P (HP) 300 50 00 150 100 50 0 Mg. ARRF 8
CURVAS DE BOMBAS CENTRIFUGAS CURVA DE UNA BOMBA: H (m) 30 300 80 40 0 H-Q 1HQRL-11 1750-RPM D=03.4 MR (%) 80 70 50 40 30 0 00 180 1 CURVA DE EFICIENCIA 140 10 100 80 40 0 0 0 10 0 30 40 50 70 80 90 100 110 10 130 140 Q ( L / S ) P P (HP) 300 50 00 150 100 50 0 Mg. ARRF 9
CURVAS DE BOMBAS CENTRIFUGAS CURVA DE UNA BOMBA: H (m) 30 300 80 40 0 H-Q 1HQRL-11 1750-RPM D=03.4 MR (%) 80 70 50 40 30 0 CURVA DE POTENCIA 00 180 1 140 10 100 80 40 0 0 0 10 0 30 40 50 70 80 90 100 110 10 130 140 Q ( L / S ) P P (HP) 300 50 00 150 100 50 0 Mg. ARRF 30
CURVAS DE BOMBAS CENTRIFUGAS CURVA DE UNA BOMBA: H (m) 30 300 80 40 0 H-Q 1HQRL-11 1750-RPM D=03.4 MR (%) 80 70 50 40 30 0 00 180 DIAMETRO 1 140 10 100 80 40 0 0 0 10 0 30 40 50 70 80 90 100 110 10 130 140 Q ( L / S ) P P (HP) 300 50 00 150 100 50 0 Mg. ARRF 31
SUCCION DE LA BOMBA NPSHrequerido: H (m) 30 300 80 40 0 1HQRL-11 1750-RPM D=03.4 MR (%) 80 70 50 40 30 0 NPSRreq 00 180 1 140 10 100 80 40 0 Q ( L / S ) H-Q (m) (ft) 10 30 8 6 0 4 10 0 0 0 10 0 30 40 50 70 80 90 100 110 10 130 140 NPSH P (HP) 300 50 00 150 100 50 0 Mg. ARRF 3
SUCCION DE LA BOMBA ESQUEMA DE INSTALACION: VALVULA COMPUERTA VALVULA DE RETENCION VALVULA COMPUERTA INSTALACION CON SUCCION POSITIVA Mg. ARRF 33
SUCCION DE LA BOMBA ESQUEMA DE INSTALACION: VALVULA DE COMPUERTA VALVULA DE RETENCION CONEXION PARA EL SUMINISTRO DE CEBADO INSTALACION CON SUCCION NEGATIVA Mg. ARRF 34
SELECCION DE UNA BOMBA CENTRIFUGA Mg. ARRF 35
SELECCION DE UNA BOMBA CENTRIFUGA INFORMACION REQUERIDA: 1. DEFINIR LA APLICACIÓN. CAUDAL A MOVER 3. ALTURA A DESARROLLAR 4. NPSH DISPONIBLE 5. CARACTERISTICAS DEL LIQUIDO 6. VELOCIDAD DE BOMBA 7. FORMA DE LAS CURVAS DE OPERACION 8. CONSTRUCCION Mg. ARRF 36
SELECCION DE UNA BOMBA CENTRIFUGA PAUTAS DE SELECCION CONDICIONES DE OPERACION CONDICIONES DE INSTALACION CAUDAL (Q) ALTURA (ADT) BOMBA HORIZONTAL BOMBA DE POZO PROFUNDO EFICIENCIA ( η%) EJE LIBRE MONOBLOCK TURBINA VERTICAL SUMERGIBLE Mg. ARRF 37
SELECCION DE UNA BOMBA CENTRIFUGA EJE LIBRE CONDICIONES DE OPERACION: LIQUIDO : AGUA LIMPIA A 30 C CAUDAL : 15 l/s ADT : 35 m Mg. ARRF 38
SELECCION DE UNA BOMBA ABACO DE SELECCION A 30 RPM: CAUDAL U.S. GPM 10 0 40 80 100 00 400 0 800 1000 50 00 180 1 140 10 100 90 80 70 50 3-1L (6) 40 ALTURA METROS 30 0 15 30 RPM (X) HP MAXIMO ABSORBIDO 3-15 (1) 3-1 40-50 (50) (8.5) 40-00 (36) 40-1 (15) 65-1 65-1 (44) (6) 50-15 (17) 40-15 (1) 50-50 (80) 50-00 (48) 65-50 (130) 65-00 (95) ALTURA PIES 800 0 500 400 300 00 150 100 80 40 10 0.5 1 3 4 5 6 7 8 910 0 30 CAUDAL LITROS / SEGUNDO 40 50 80 Mg. ARRF 39
SELECCION DE UNA BOMBA CURVA INDIVIDUAL BOMBA 50-15: 0 50 H (m) 40 30 0 10 Ø149 Ø141 Ø15 Ø110 N (HP) 15 10 5 0 5 100 50 55 Q ( U.S.gal / min) 00 10 65 67% 69 70 Q ( l / s ) 15 70.5 70 69 67 65 110 300 15 50-15 n = 3480 RPM 0 141 55 50 149 1 H (ft) 140 10 100 80 40 NPSH (m) (ft) 10 30 8 6 0 4 10 0 5 CAUDAL : 15 l/s ADT : 35 m EFICIENCIA : 69% POTENCIA ABS.: 10.1 HP POT. MAXIMA: 13 HP VELOCIDAD : 3480 RPM DIAM. IMPULSOR: 141 mm NPSHr : 3 m Mg. ARRF 40