En un circuito hidráulico , la altura de succión neta positiva ( NPSH ) puede referirse a una de dos cantidades en el análisis de cavitación :
La NPSH es particularmente relevante en el interior de 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 los álabes del impulsor aumentará drásticamente (posiblemente deteniendo el flujo por completo) y la exposición prolongada dañará el impulsor.
En una bomba, la cavitación se producirá primero en la entrada del impulsor. [1] Al denotar la entrada por i , la NPSH A en este punto se define como:
donde es la presión absoluta en la entrada, es la velocidad media en la entrada, es la densidad del fluido, es la aceleración de la gravedad y 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 la "carga de succión positiva neta".
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 no es viscoso y que la densidad del fluido es constante:
Utilizando la aplicación anterior de Bernoulli para eliminar el término de velocidad y los términos de presión local en la definición de NPSH A :
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 evitar 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 % con un caudal determinado debido a la reducción del rendimiento hidráulico. En las bombas multietapa, esto se limita a una caída del 3 % en la altura de la primera etapa. [3]
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 aspiración por e , el NPSH A se define de la misma manera que para las bombas:
[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 no es viscoso y que la densidad del fluido es constante:
Utilizando la aplicación anterior de Bernoulli para eliminar el término de velocidad y los términos de presión local en la definición de NPSH A :
Téngase en cuenta que en las turbinas, pequeñas pérdidas por fricción ( ) alivian el efecto de la cavitación, lo opuesto a 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 NPSH R como NPSH A. Las bombas centrífugas son particularmente vulnerables, especialmente cuando bombean una solución caliente 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 un flujo bifásico (la mezcla de gas y líquido); sin embargo, el caudal resultante de la bomba se verá disminuido 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 arrancar material de los componentes internos de la bomba (normalmente el borde delantero del impulsor) y genera un ruido que suele describirse como "grava al bombear". Además, el inevitable aumento de la vibración puede provocar otras fallas mecánicas en la bomba y el equipo asociado.
El NPSH aparece en varios otros parámetros relevantes para la cavitación. El coeficiente de altura de succión es una medida adimensional del NPSH:
Donde es la velocidad angular (en rad/s) del eje de la turbomáquina y es el diámetro del impulsor de la turbomáquina. El número de cavitación de Thoma se define como:
¿Dónde está la cabeza al otro lado de la turbomáquina?
(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, por pérdida en la tubería y la válvula), menos la curva NPSH R (por ejemplo, 2,5 metros) de la bomba prediseñada (consulte 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 bien siempre que todos los demás parámetros sean correctos.
Recuerde que el caudal positivo o negativo cambiará la lectura en la curva NPSH R del fabricante de la bomba . Cuanto menor sea el caudal, menor será el NPSH R y viceversa.
La extracción de un pozo también creará un NPSH negativo; sin embargo, recuerde que la presión atmosférica a nivel del mar es de 10 metros. Esto nos ayuda, ya que nos da un impulso adicional o "empujón" hacia la entrada de la bomba. (¡Recuerde que solo tiene 10 metros de presión atmosférica como bonificación 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 de fricción de 2 metros en 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 suma 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 debería levantar desde el pozo.
Usando la situación del ejemplo 2 anterior, pero bombeando agua a 70 grados Celsius (158F) de una fuente 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 de fricción de 2 metros en 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 = una NPSH A (disponible) de (negativa) -12,4 metros. Si se suma la presión atmosférica de 10 metros, se obtiene una NPSH A negativa de -2,4 metros restantes.
Recordando que el requisito mínimo es de 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 provocará 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, lo que suma una profundidad total de 3 metros en el pozo (3,5 metros para que sea completamente segura).
Se requiere un mínimo de 600 mm (0,06 bar) y una presión de carga recomendada de 1,5 metros (0,15 bar ) “superior” al valor de presión NPSH R requerido por el fabricante para permitir que la bomba funcione correctamente.
Se pueden producir daños graves si una bomba grande se coloca incorrectamente con un valor NPSH R incorrecto y esto puede dar como resultado una reparación muy costosa de la bomba o de la instalación.
Los problemas de NPSH se pueden solucionar cambiando el NPSH R o reubicando la bomba.
Si un NPSH A es, por ejemplo, 10 bar, entonces la bomba que está utilizando entregará exactamente 10 bar más en toda la curva operativa de una bomba que su curva operativa indicada.
Ejemplo: una bomba con una altura de presión máxima de 8 bar (80 metros) en realidad funcionará a 18 bar si la NPSH A es de 10 bar.
es: 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 apilado impulsa al impulsor siguiente para aumentar la altura de presión. Algunas bombas pueden tener hasta 150 etapas o más, para aumentar la altura de presión hasta cientos de metros.
