Cómo resolver problemas de NPSHa
En la mayoría de los problemas de NPSH de la vida real, no somos la persona que realiza el cálculo inicial de NPSHa para un sistema y selecciona inicialmente la bomba. El escenario más probable es que estemos atascados con un problema del sistema existente, y la bomba asociada esté cavitando hacia un final de vida corto y muy costoso. Los culpables se han ido o no hablan.
Por qué la cavitación es algo malo
Si no hay suficiente NPSHa, la bomba cavitará. La cavitación provoca daños en la bomba y una reducción del rendimiento. El daño de la bomba se manifiesta como daños en el sello mecánico y los cojinetes. En las etapas posteriores, también puede destruir un impulsor. Todo daño es caro.
La mayoría de los lectores saben que la cavitación (clásica) es la formación de burbujas de vapor en el líquido. Estas burbujas se forman porque la presión sobre el líquido ha caído por debajo de la presión de vapor (el NPSH requerido [NPSHr] excede el NPSHa). Este problema normalmente ocurre cerca del ojo del impulsor ya que esta es el área de menor presión en el sistema de succión. Posteriormente, las burbujas colapsan cuando alcanzan un área de mayor presión a aproximadamente un tercio a la mitad de la distancia a lo largo de la parte inferior de la paleta del impulsor. La formación de las burbujas hace poco daño físico. La cavitación afectará el rendimiento hidráulico de la bomba. El colapso de las burbujas crea potencialmente un daño grave al impulsor.
Tendré un artículo que explique cómo la cavitación causa daño en una edición futura.
Margen NPSH
Para evitar o mitigar la cavitación, debe tener más NPSHa de lo que requiere la bomba.
Ecuación 1
NPSHa ÷ NPSHr = Margen NPSH
Dónde:
NPSHr también es igual a NPSH3
El margen de NPSH que necesita para evitar la cavitación varía con cada aplicación. Cuanto más margen, mejor. Las pautas y las reglas generales son tan abundantes y confiables como los mitos urbanos. Le recomiendo que lea la especificación 9.6.1 del Instituto Nacional Estadounidense de Estándares/Instituto Hidráulico (ANSI/HI) para obtener una mejor comprensión. Las propiedades del líquido y el nivel de energía de succión son los factores diferenciadores.
Cómo arreglar una bomba de cavitación
Con frecuencia me hacen esta pregunta, y normalmente sugiero un vistazo a la fórmula NPSHa y sus cuatro componentes para la solución.
Usando cada uno de los cuatro componentes de la fórmula, puede mapear posibles soluciones para resolver el problema de NPSHa.
ecuación 2
NPSHa = ha – hvpa +hS t – hF
Dónde:
ha = la presión absoluta. Presión absoluta medida en pies de cabeza del líquido que se bombea en la superficie del líquido. Esta será la presión barométrica si la succión es de un tanque abierto, o la presión absoluta existente en un tanque cerrado, como un pozo de condensación o un desaireador.
hvpa = la presión de vapor. La cabeza en pies correspondiente a la presión de vapor del líquido a la temperatura que se bombea.
hS t = la carga estática del líquido sobre la línea central de la bomba o el ojo del impulsor para una succión inundada en pies (valor positivo para succión inundada). No todas las líneas centrales del impulsor corresponden a la línea central de la bomba.
hF = la pérdida total por fricción en pies de altura para el sistema del lado de succión.
El primer factor en la fórmula es la presión absoluta (ha). Este factor es siempre positivo. Si la fuente de succión ya está abierta a la atmósfera, es poco lo que puede hacer, ya que es poco probable y poco realista cambiar algo que esté bajo su control. No puede cambiar la presión atmosférica ni mover la ubicación de la bomba/sistema a una elevación más baja con respecto al nivel del mar. Sin embargo, si hay algún problema, le ayudará a comprender por qué la bomba está cavitando. Si el sistema está cerrado y bajo presión, existe la posibilidad de que pueda aumentar la presión (en consecuencia, la altura absoluta [ha]) de alguna manera. Mi experiencia con los propietarios y operadores de plantas es que el aumento de la presión de succión del sistema casi nunca sucederá debido a restricciones de prioridad superior o superior.
El segundo factor en la fórmula es la presión de vapor (hvpa). Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la presión de vapor y mayor el efecto negativo. En mi experiencia, solo he sido testigo de un caso en el que el cliente deseaba o podía reducir la temperatura del sistema, pero aún es una pregunta que debe hacerse. Incluso unos pocos grados pueden tener un efecto significativo.
El tercer componente de la fórmula es la carga estática (hS t). A veces, puede convencer al propietario del sistema para que mantenga el tanque de suministro (situación inundada) o el sumidero (condición de elevación) a un nivel más alto. Si tiene suerte, los pocos pies que aumenta la carga estática pueden marcar una gran diferencia. Estuve involucrado en algunos casos en los que la bomba se movió a un nivel inferior y, en un caso, se creó un nivel inferior para la bomba. Estas soluciones son caras.
El cuarto componente de la fórmula es el factor de fricción (hF). De todos los factores en la fórmula, he tenido más “suerte” al convencer al propietario del sistema de reemplazar o modificar la tubería de succión en un esfuerzo por reducir el componente de fricción. Puede aumentar el tamaño de la tubería y posiblemente reducir la cantidad de codos, tes y otros componentes en el sistema de succión para minimizar la fricción.
Otras posibilidades fuera de la fórmula
Si no puede aumentar el NPSHa, tal vez pueda reducir el NPSHr.
Busque diferentes opciones de bomba o impulsor que requieran menos NPSH. No es raro que un fabricante tenga diferentes impulsores para la misma bomba con diferentes requisitos de NPSH. Algunos fabricantes ofrecerán un inductor que funciona junto con el impulsor para reducir el NPSHr. No agregue un inductor sin consultar con el fabricante, porque los inductores deben coincidir con el impulsor. A veces se requiere una bomba completamente diferente.
Pasar a un impulsor de doble succión (dos ojos) tendrá un efecto significativo en el problema, ya que el NPSHr se reducirá en un 50 por ciento.
Reduzca la velocidad de la bomba incorporando velocidad variable o simplemente usando una bomba que completará el servicio (flujo [Q] y altura [TH]) a una velocidad más baja. La advertencia es que la bomba probablemente será dos veces más grande (físicamente) que la bomba inicial con un costo más alto asociado.
En muchos casos, la solución es agregar una bomba de refuerzo en la succión de la bomba inicial. En plantas de energía y otros sistemas de vapor, no es raro tener una bomba de condensado que bombea a una bomba de refuerzo de alimentación antes de que el líquido llegue a la bomba de alimentación real.
Materiales
A veces, no hay nada que pueda hacer para evitar que la bomba cavite, por lo que su opción es tratar el síntoma en lugar del problema. Diferentes materiales ofrecen diferentes rangos de resistencia al daño por cavitación. Además, algunos materiales ofrecen una mejor protección que otros durante el curso de un fenómeno conocido como erosión-corrosión inducida por cavitación.
La resistencia al daño por cavitación se define como el recíproco de la tasa de pérdida de volumen para un metal dado. Las propiedades mecánicas del material que forman parte de esta ecuación son la resistencia máxima a la tracción, el límite elástico, el alargamiento máximo, la dureza Brinell, el módulo de elasticidad y la energía de deformación.
La propiedad más importante de esta lista es la energía de deformación por fractura de los metales. Es por ello que las variaciones del bronce al aluminio y los aceros inoxidables dúplex ofrecen una mejor resistencia que otros materiales como el acero al carbono normal y el hierro. Tenga en cuenta que, como solución posterior al fabricante de equipos originales (OEM), también se pueden aplicar varios revestimientos. Al usar revestimientos, recomiendo que la frase decisiva y el consejo del día sean "caveat emptor", del latín "cuidado con el comprador".
Con los revestimientos, los hay buenos y malos y los buenos mal aplicados.
Proximidad al Punto de Mejor Eficiencia (BEP)
Mire dónde está operando en la curva de la bomba (altura y flujo). Si está demasiado a la derecha, hay una falta de coincidencia con el sistema y la bomba. El NPSHr aumenta exponencialmente a medida que se desplaza hacia la derecha. Operar demasiado a la izquierda en la curva puede tener problemas similares. NPSHr en realidad aumenta a medida que se acerca a áreas de caudales bajos y mínimos. Esto no se publica en la mayoría de las curvas de la bomba.
Velocidad específica de succión (NSS)
En la década de 1970, se diseñaron nuevas plantas o sistemas con un mandato cada vez más estricto de ahorrar dinero (a veces por exceso de confiabilidad), especialmente en la construcción inicial y los costos de materiales. Como medida de reducción de costos, se redujo el NPSHa de los sistemas (piense en tanques y bombas más pequeños y más bajos en niveles más altos). Posteriormente, los propietarios/compradores del sistema presionaron cada vez más a los fabricantes de bombas para que diseñaran bombas con requisitos de NPSH más bajos. La solución más simple y rápida para los fabricantes de bombas fue aumentar el tamaño del ojo del impulsor. La buena noticia fue que se redujo el NPSHr, pero la mala noticia fue que la estabilidad hidráulica de la bomba también se redujo notablemente si el punto de funcionamiento se apartaba del BEP y, a medida que lo hacía. Tendré más sobre esto en un artículo posterior.
Nota: Tampoco se discute el “Factor de Corrección de Hidrocarburos”, el tema de un artículo futuro.
Conclusión
Pase lo que pase, estará involucrado en aplicaciones de bombas, ya sean nuevas o existentes, desde algún aspecto en el que NPSH será un factor. Al menos ahora sabrá por qué los impulsores tienen ojos grandes, los tanques tienen patas largas y las bombas cuelgan en lugares bajos.
Consejos para calcular NPSHa
1. Siempre calcule el NPSHa al elegir, aplicar o solucionar problemas de una bomba.
2. Trabaje siempre en valores absolutos.
3. Mantenga las unidades consistentes. Recomiendo trabajar en pies de cabeza si está trabajando en unidades habituales de EE. UU. (USC) o metros de cabeza si usa unidades métricas SI.
4. Utilice la fórmula NPSHa. es tu amigo
5. Siempre calcule para la peor condición (la más restrictiva) en el sistema.
6. La presión de succión no es NPSHa.
7. No confunda la inmersión con NPSHa. Necesitas calcular para ambos.
8. Casi todos los problemas de la bomba están en el lado de la succión.
9. La presión de vapor no es tu amiga. Conozca siempre las propiedades del líquido.
10 En el vacío, todavía hay algo de presión. Está justo a un nivel por debajo de la presión atmosférica.
11 Para una bomba determinada, el mismo caudal (Q) con un impulsor más pequeño requerirá más NPSH. Considere usar un impulsor más grande si es factible. Tenga en cuenta que la cabeza dinámica total (TDH o TH) será diferente.
12 En caso de duda, vuelva a esta serie de artículos o llame a su "teléfono de la bomba un amigo".