Cavitación Capitulo V

Cálculo de la Cabeza Total de Succión a la entrada de la bomba.

La bomba se alimenta desde un estanque que debe tener un cierto nivel de líquido y que puede estar sobre o bajo el centro del flanche de succión de la bomba (+ Zm o – Zm). El estanque puede estar abierto a la atmósfera (Hat), o presurizado (+ Hpr), o bajo vacío (- Hpr). El flujo tiene que vencer la resistencia de las tuberías y accesorios entre la salida del estanque y la entrada a la bomba (Hfs, Hi, etc.).

El sistema externo de succión tiene que suministrar una cierta cantidad de cabeza (energía) en el flanche de admisión de la bomba. Esto se conoce como NPSHa, (Net Positive Suction Head available) Cabeza Neta Positiva de succión disponible. El término ‘cabeza’ medido en metros, se usa como una expresión de la energía del líquido en cualquier punto en el sistema de flujo. Los líquidos incompresibles pueden contener energía en la forma de velocidad, presión, o elevación. El sistema externo de succión tiene que diseñarse de modo que la presión estática en el flanche de succión sea siempre positiva, mayor que la presión de vapor y suficientemente alta para vencer las pérdidas internas en la zona de succión de la bomba, cuyo valor lo especifica el fabricante y es conocido como NPSHr (requerido).

En términos prácticos, el NPSHa (en metros) en el flanche de succión de un sistema simple, está dado por la ecuación algebraica:

NPSHa = + Hat + (Zm) + Hvs + (Hpr) – Hvap – Hfs – Hi. (Ecuación 1)

En donde:

Hat = Cabeza de Presión atmosférica en el lugar de aplicación

Zm = Cabeza estática de succión. Altura estática del líquido. Positivo sobre el eje de la bomba y negativo bajo el eje de la bomba.

Hvs = Cabeza de velocidad en flanche de admisión V = 1273 x Caudal (l/s)/d² donde d = diámetro (mm)

Hpr = Cabeza de presión del estanque de succión. Positivo sobre y negativo bajo la presión atmosférica.

Hvap = Cabeza de presión de vapor (a la temperatura del líquido) en el flanche de admisión.

Hfs = Cabeza de fricción. Cabeza (energía) requerida para vencer la resistencia que oponen al flujo las tuberías, válvulas, fittings, expansiones, restricciones, etc., existentes entre el punto A y el flanche de succión de la bomba, (punto B en Fig. 3). Es función de la velocidad y características del fluido y de la características de la tubería según factores empíricos encontrados en tablas y gráficos especializados.

Hi = Cabeza de ingreso a la línea de succión (Punto A). Representa la energía gastada en el ingreso del fluido desde el estanque a la línea de succión. Es función de la velocidad del fluido y de la forma de unión del estanque al tubo de succión. Hi = k · V²/2g donde k = factor tabulado en textos especializados.

Nota. Todos los términos de presión se convierten en metros de ‘cabeza’, dividiendo la presión en kPa por 9.81 y por la densidad específica del fluido.

En instalaciones existentes, el NPSHa también se puede calcular con la lectura (presión manométrica absoluta) de un manómetro conectado cerca del flanche de succión.

Nota: El manómetro sólo indica la presión estática en el punto de conexión por lo que debe incorporarse la cabeza dinámica Hvs.

NPSHa = + Hat – Hvap + Hvs + (Hms)

Hms = Cabeza de succión manométrica. Positiva si la presión manométrica es superior a la presión atmosférica y negativa si es inferior.

Cavitación Capitulo IV

· Caída de Presión en el sistema externo de succión de la bomba

En la Figura 3 se muestra un esquema simple de un “sistema externo de succión” y los factores principales que determinan la presión a la entrada de la bomba (NPSHa). La reducción de cualquiera de los componentes positivos o el incremento de cualquiera de los componentes negativos producirá una disminución de la presión en la entrada de la bomba.



Nomenclatura usada en la Figura 3.

ρ = Densidad específica del líquido
psn = ‘p’ presión estática local (absoluta). ‘s’ – indica succión y ‘n’ posición de la medición. La presión en cualquier punto puede convertirse en ‘cabeza’ dividiendo su valor en kPa por el factor ‘ρg’. (g = 9.81)
ps1 = Presión estática (absoluta) del estanque de succión en kPa.
hp s1 = Cabeza estática de succión. Es la presión estática absoluta sobre la superficie del líquido en el estanque de succión, convertida en metros de cabeza (ps1 / ρg). En un estanque de agua abierto a nivel del mar, la cabeza estática de succión es igual a la presión atmosférica (101.3 kPa) dividida por ρ=1 (agua) y por 9.81; esto es 10.3 m. de cabeza.
vs1 = Velocidad del líquido en la superficie del estanque m/s.
hvs1 = Cabeza de velocidad. Se define como la energía de un líquido resultante de su movimiento a una velocidad determinada. Equivale a la distancia vertical (en un vacío perfecto) que tendría que caer la masa liquida para adquirir la velocidad vs1. En estanques relativamente grandes su valor es insignificante y no se considera en los cálculos.
hs = Cabeza estática de succión. Corresponde a la elevación relativa del líquido con respecto a la línea centro de la bomba. Si el nivel esta sobre la línea, hs es positivo: Si el nivel esta bajo la línea, hs es negativo, esta condición se suele nombrar como ‘succión aspirante’ o de levante.
Hfs = Cabeza de fricción. Cabeza (energía) requerida para vencer la resistencia que oponen al flujo las tuberías, válvulas, fittings, etc., existentes entre el punto A y el flanche de succión de la bomba, (punto B). Debe incluir la pérdida por entrada del líquido desde el estanque a la línea de succión (hi). La cabeza de fricción es dependiente del tamaño, condición y tipo o material del tubo; del número y tipo de fittings y válvulas; del caudal y naturaleza del fluido. Para su cálculo se requieren conocimientos e información especializada.
ps2 = Presión estática absoluta en el flanche de succión, en kPa
hps2 = Cabeza estática en el flanche de succión.= ps2 / g ·ρ.
vs2 = Velocidad del líquido pasando por el flanche de succión, m/s. La tubería de succión se dimensiona de modo que la velocidad en la succión permanezca baja.
hvs2 = Cabeza de velocidad en el flanche de succión. Esto es, energía del líquido moviéndose a una velocidad promedio vs2. En este caso: hvs2 = v2s2 /2g
pv = Presión de vapor absoluta del líquido a la temperatura de bombeo, en kPa. Los valores se encuentran tabulados en los textos especializados.
hpv = Cabeza de vapor. Presión de vapor absoluta convertida en metros de cabeza. hpv = pv /g ·ρ
Hs = Cabeza Total de succión en el flanche de entrada de la bomba, en metros.



Cálculo de la Cabeza Total de Succión a la entrada de la bomba.
La bomba se alimenta desde un estanque que debe tener un cierto nivel de líquido y que puede estar sobre o bajo el centro del flanche de succión de la bomba (+ Zm o – Zm). El estanque puede estar abierto a la atmósfera (Hat), o presurizado (+ Hpr), o bajo vacío (- Hpr). El flujo tiene que vencer la resistencia de las tuberías y accesorios entre la salida del estanque y la entrada a la bomba (Hfs, Hi, etc.).

El sistema externo de succión tiene que suministrar una cierta cantidad de cabeza (energía) en el flanche de admisión de la bomba. Esto se conoce como NPSHa, (Net Positive Suction Head available) Cabeza Neta Positiva de succión disponible. El término ‘cabeza’ medido en metros, se usa como una expresión de la energía del líquido en cualquier punto en el sistema de flujo. Los líquidos incompresibles pueden contener energía en la forma de velocidad, presión, o elevación. El sistema externo de succión tiene que diseñarse de modo que la presión estática en el flanche de succión sea siempre positiva, mayor que la presión de vapor y suficientemente alta para vencer las pérdidas internas en la zona de succión de la bomba, cuyo valor lo especifica el fabricante y es conocido como NPSHr (requerido).

En términos prácticos, el NPSHa (en metros) en el flanche de succión de un sistema simple, está dado por la ecuación algebraica:

NPSHa = + Hat + (Zm) + Hvs + (Hpr) – Hvap – Hfs – Hi. (Ecuación 1)
En donde:
Hat = Cabeza de Presión atmosférica en el lugar de aplicación
Zm = Cabeza estática de succión. Altura estática del líquido. Positivo sobre el eje de la bomba y negativo bajo el eje de la bomba.
Hvs = Cabeza de velocidad en flanche de admisión V = 1273 x Caudal (l/s)/d2 donde d = diámetro (mm)
Hpr = Cabeza de presión del estanque de succión. Positivo sobre y negativo bajo la presión atmosférica.
Hvap = Cabeza de presión de vapor (a la temperatura del líquido) en el flanche de admisión.
Hfs = Cabeza de fricción. Cabeza (energía) requerida para vencer la resistencia que oponen al flujo las tuberías, válvulas, fittings, expansiones, restricciones, etc., existentes entre el punto A y el flanche de succión de la bomba, (punto B en Fig. 3). Es función de la velocidad y características del fluido y de la características de la tubería según factores empíricos encontrados en tablas y gráficos especializados.
Hi = Cabeza de ingreso a la línea de succión (Punto A). Representa la energía gastada en el ingreso del fluido desde el estanque a la línea de succión. Es función de la velocidad del fluido y de la forma de unión del estanque al tubo de succión. Hi = k · V2/2g donde k = factor tabulado en textos especializados.
Nota. Todos los términos de presión se convierten en metros de ‘cabeza’, dividiendo la presión en kPa por 9.81 y por la densidad específica del fluido.

En instalaciones existentes, el NPSHa también se puede calcular con la lectura (presión manométrica absoluta) de un manómetro conectado cerca del flanche de succión.
Nota: El manómetro sólo indica la presión estática en el punto de conexión por lo que debe incorporarse la cabeza dinámica Hvs.
NPSHa = + Hat – Hvap + Hvs + (Hms)
Hms = Cabeza de succión manométrica. Positiva si la presión manométrica es superior a la presión atmosférica y negativa si es inferior.

Cavitación Capitulo III

Mecanismo de la Cavitación

El fenómeno de la cavitación es un proceso progresivo de varias etapas como se aprecia en la

Etapas de la Cavitación
Formación de burbujas dentro del líquido
Crecimiento de las burbujas
Colapso de las burbujas
cavitación

Etapa 1. Formación de Burbujas
Las burbujas se forman dentro del líquido cuando este se vaporiza. Esto es, cuando cambia desde la fase liquida a la de vapor.

La vaporización de cualquier líquido dentro de un contenedor se produce ya sea porque la presión sobre la superficie del líquido disminuye hasta ser igual o inferior a su presión de vapor (a la temperatura actual), o bien porque la temperatura del líquido sube hasta hacer que la presión de vapor sobrepase a la presión sobre la superficie de líquido. Por ejemplo en un depósito abierto a nivel del mar la superficie del agua está sometida a una presión atmosférica de aprox. 10 bar por lo que la temperatura tendría que subir a 100 ºC para que su presión de vapor sobrepase los 10 bar y se inicie la ebullición (formación de burbujas). A 4000 m. de altitud la presión atmosférica se reduce a 6.2 bar por lo que la temperatura tendría que subir solamente a unos 85 ºC para que se inicie la ebullición. Si en un contenedor cerrado se reduce la presión a 0.3 bar, la ebullición se iniciará con el agua a 25 ºC. También se producirá la ebullición si la presión permanece constante en alrededor de 0.3 bar pero la temperatura sube sobre 25 ºC.
En resumen, la vaporización se produce por adición de calor o por reducción de la presión estática (para la definición de cavitación se excluirá la acción dinámica del líquido)
Lo mismo que en un contenedor cerrado, la vaporización del líquido puede ocurrir en las bombas centrifugas cuando la presión estática en algún punto se reduce a un valor menor que la presión de vapor del líquido (a la temperatura en dicho punto).

Por lo tanto, el concepto clave es: Las burbujas de vapor se forman dentro de la bomba cuando la presión estática en algún punto baja a un valor igual o menor que la presión de vapor del líquido.

La presión estática en algún punto dentro de la bomba puede bajar hasta un nivel inferior a la presión de vapor bajo dos condiciones:
Porque la caída de presión actual en el sistema externo de succión es mayor que la que se consideró durante el diseño del sistema. (Es una situación bastante corriente). Esto resulta en que la presión disponible en la succión de la bomba (NPSHa) no es suficientemente alta para suministrar la energía requerida para superar la caída de presión interna (NPSHr) propia del diseño de la bomba.
Porque la caída de presión actual dentro de la bomba (NPSHr) es mas grande que la informada por el fabricante y que se usó para seleccionar la bomba.