Mejores prácticas no. 25

Marzo 2024

Número 25

MEJORES PRÁCTICAS

Entendiendo el NPSH en las Bombas

Uno de los términos más utilizados y menos comprendidos asociados con las bombas es la altura de succión neta positiva (NPSH). Comprender el significado físico de NPSH es esencial para que la instalación de una bomba sea exitosa. Además, una consideración exhaustiva de los factores que afectan el NPSH es fundamental para minimizar los problemas de bombeo. Es probable que se produzcan más problemas en la bomba por una determinación incorrecta del NPSH que por cualquier otra causa. El análisis NPSH requiere un conocimiento básico de las presiones de vapor de los líquidos. Las relaciones entre la presión, la temperatura y la presión de vapor resultante (presión a la que un líquido y su vapor existen en equilibrio a cualquier temperatura determinada) afectan las características de bombeo de todo líquido. La capacidad de una bomba para manejar un líquido caliente disminuye a medida que aumenta la temperatura del líquido, siempre que otros factores permanezcan constantes. La presión de vapor de un líquido aumenta con el aumento de la temperatura y, de hecho, "se opone" a la presión atmosférica que tiende a forzar el líquido hacia la succión de la bomba. Todo líquido tiene una temperatura y presión definidas a las que hervirá. El punto de ebullición del líquido es la temperatura a la que la presión de vapor es igual a la presión externa, que, en un sistema abierto, siempre es igual a la presión atmosférica (el peso de la atmósfera) y, por tanto, varía inversamente con la altitud, Tabla 1. El agua hierve a 212°F al nivel del mar (la presión atmosférica es de 14.7 psia). Por lo tanto, en un sistema abierto, la presión de vapor para agua a 212°F es 14.7 psia. Si la presión atmosférica se reduce a 6.87 psia, el agua hervirá a 176 °F. Cuando se reduce la presión sobre cualquier líquido, la temperatura requerida para alcanzar el punto de ebullición también será menor. Por el contrario, un aumento de la presión sobre el líquido eleva la temperatura del punto de ebullición, Tabla 2. El término "elevación de succión" es engañoso. Ninguna bomba, ya sea alternativa, de engranajes, de turbina, de paletas o centrífuga, puede "levantar" ningún líquido. Se debe forzar el líquido hacia la bomba antes de que ésta funcione. La fuerza (energía) que causa el flujo en un sistema de depósito abierto proviene de la presión de la atmósfera y/o de la carga estática. Cualquier bomba que funcione en condiciones de "alza de succión" (sin altura de succión estática positiva) opera con una presión inferior a la atmosférica para inducir el flujo .

La presión de vapor es la presión a la que un líquido y su vapor coexisten en equilibrio a una temperatura determinada. La presión de vapor de un líquido aumenta con el aumento de la temperatura y, de hecho, "se opone" a la presión atmosférica, la fuerza positiva que tiende a provocar que el líquido fluya hacia la succión de la bomba.

NPSH es la presión, generalmente expresada en pies de líquido, necesaria para inducir el flujo de fluido a través de la línea de succión hacia el impulsor de la bomba. La presión o altura neta de succión positiva (NPSHA) disponible es la altura de succión estática h , menos la pérdida por fricción h f en el sistema de succión más la presión atmosférica h at (porque el vacío es presión negativa) existente en la línea de suministro de succión menos la presión de vapor h vap del líquido a la temperatura de bombeo, o : NPSHA = h s – h f + h a - h vap h s = altura de succión estática resultante de la elevación del líquido con respecto a la línea central de la bomba, pies de altura. (Si el nivel de líquido está por encima de la línea central de la bomba, h s es positivo. Si el nivel de líquido está por debajo de la línea central de la bomba, h s es negativo. El h s negativo se denomina comúnmente condición de "elevación de succión"). h a = presión absoluta sobre la superficie del suministro de líquido del depósito a la succión de la bomba, pies de altura. (Si el sistema está abierto, h a es igual a la presión atmosférica). h vpa = presión absoluta de vapor del líquido a la temperatura de bombeo, pies de altura. (Este valor se puede obtener de las tablas de presión de vapor para el líquido bombeado). h f = pérdida por fricción en la tubería de succión, pies de carga.

Curva Presión de Vapor

Punto Critico

Gas

Liquido

Líquido y Vapor

Gas

Presión de Vapor

Vapor

Temperatura

En un sistema cerrado que no está presurizado, h a es igual a h vpa ya que la fuente de líquido de la que la bomba toma la succión existe a la presión de saturación correspondiente a la temperatura de funcionamiento. La presión de vapor del líquido es exactamente igual a la presión sobre la superficie del líquido. No hay presión adicional disponible para forzar el ingreso de líquido a la bomba. La línea central de la bomba debe estar por debajo del nivel de la superficie del líquido para crear suficiente NPSHA que induzca un flujo de líquido hacia la bomba para que funcione en estas condiciones. NPSHA debe superar la pérdida por fricción en la línea y la caída de presión entre la brida de succión de la bomba y la entrada a las paletas del impulsor. Los sistemas cerrados pueden presurizarse para crear una presión absoluta mayor que la presión de vapor del líquido que se bombea. Los depósitos presurizados generalmente se requieren cuando el receptor no se puede elevar para crear una altura de succión positiva suficiente. Dos valores de NPSH son importantes en la selección de la bomba. La presión requerida (NPSHR) es una característica de la propia bomba y varía según las condiciones de funcionamiento. Se define como la presión requerida para llenar la bomba en el lado de succión y superar las pérdidas internas de la bomba. NPSR representa el margen mínimo requerido entre la altura de succión y la presión de vapor a una capacidad determinada. Diámetro del ojo del impulsor, forma y número de las paletas del impulsor, y el tamaño y la nitidez del conducto de succión determinan el NPSHR de una bomba. El valor NPSHR para cualquier bomba se puede obtener del fabricante de la bomba y debe mostrarse en todas las curvas de la bomba. La presión disponible ( NPSHA ) es una característica del sistema en el que opera la bomba y de la presión disponible en el líquido en el lado de succión de la bomba. NPSHA es la diferencia entre la altura de succión absoluta existente y la presión de vapor a la temperatura predominante del líquido que se bombea . En cualquier instalación de bombas. El NPSHA siempre debe exceder NPSHR si se quiere evitar la cavitación y no se altera el flujo. Cuando se ubica un manómetro en el lado de succión de la bomba, se puede calcular NPSHA para una instalación existente usando la ecuación:

Donde:

P g = lectura manométrica, psi

P a = presión atmosférica, psi

P vpa = presión absoluta de vapor del líquido a la temperatura de bombeo, psi.

V = velocidad en la línea de succión, pies/seg

g = aceleración resultante de la gravedad (constante a 32,17 pies/seg/seg)

Y = diferencia de elevación entre la línea central de la bomba y el manómetro, pies (si el manómetro está por encima de la línea central. Y es un valor positivo; si está por debajo de Y es negativo).

En los ejemplos adjuntos se proporcionan cálculos típicos para diversas disposiciones de sistemas de bombeo.

Ejemplo 1 .- Sistema abierto con depósito de líquido arriba de la bomba Problema: para el sistema que se muestra en el dibujo, determine la altura neta de succión positiva disponible (NPSHA) cuando A. El líquido es agua a 68°F y el depósito está al nivel del mar. B. El líquido es agua a 68°F y el depósito está a 6000 pies sobre el nivel del mar. C. El líquido es gasolina a 60°F y el depósito está al nivel del mar. La carga por fricción para la tubería de succión es h f = 2 pies . Además, según el dibujo, la carga de succión estática es h s = 10 pies . Solución A : la ecuación general para estos cálculos es:

PRESIÓN (ENERGÍA) A LA SUPERFICIE DEL LIQUIDO

h vpa = 0.78 pies

h f = 2.0 pies

h a = 33.9 pies

PRESIÓN ATMOSFÉRICA

NPSHA = h s – h f + h a - h vap

LÍQUIDO

Los datos dados son: h f = 2 pies y h s = 10 pies de la tabla 1 al nivel del mar, h a = 33,96 pies , y de la tabla 2 , a una temperatura de 68°F, h vpa = 0.78 pies , entonces,

PRESIÓN ATMOSFÉRICA AL NIVEL DEL MAR

h s = 10.0 pies

CL BOMBA

NPSHA = 10 – 2 + 33.96 – 0.78 = 41.18 pies

Solución B : proporcione los datos h f = 2 pies y h s = 10 pies , de la tabla 1 a 6000 pies sobre el nivel del mar, h a = 27,3 pies y de la tabla 2 a una temperatura de 68°F, h vpa = 0.78 pies , entonces:

NPSHA = 10 – 2 + 27.3 – 0.78 = 34.52 pies

Solución C : proporcione los datos h f = 2 pies y h s = 10 pies , de la tabla 1 al nivel del mar, h a = 33.96 pies. La presión de vapor absoluta de la gasolina a 60°F se puede obtenerse de las tablas de presión de vapor estándar y es h vpa =7.7 pies respectivamente :

NPSHA = 10 – 2 + 33.96 – 7.7 = 34.26 pies

Ejemplo 2 .- Sistema abierto con depósito de líquido abajo de la bomba Problema: para el sistema que se muestra en el dibujo, determine la altura neta de succión positiva disponible (NPSHA) cuando A. El líquido es agua a 68°F y el depósito está al nivel del mar. B. El líquido es agua a 176°F y el depósito está al nivel del mar. La carga por fricción para la tubería de succión es h f = 2 pies . Además, según el dibujo, la carga de succión estática es h s = - 10 pies . Solución A : la ecuación general para estos cálculos es:

PRESIÓN (ENERGÍA) A LA SUPERFICIE DEL LIQUIDO

h a = 33.9 pies

h vpa = 0.78 pies

h f = 2.0 pies

BOMBA CL

h s = - 10.0 pies

PRESIÓN ATMOSFÉRICA

NPSHA = h s – h f + h a - h vap

PRESIÓN ATMOSFÉRICA AL NIVEL DEL MAR LÍQUIDO

Los datos dados son: h f = 2 pies y h s = - 10 pies de la tabla 1 al nivel del mar, h a = 33.96 pies , y de la tabla 2 , a una temperatura de 68°F, h vpa = 0.78 pies , entonces,

NPSHA = - 10 – 2 + 33.96 – 0.78 = 21.18 pies

Solución B : los datos dados son: h f = 2 pies y h s = - 10 pies , de la tabla 1 al nivel del mar , h a = 33.96 pies , y de la tabla 2 , a una temperatura de 176°F , h vpa = 15.87 pies , entonces:

NPSHA = - 10 – 2 + 33.96 – 15.87 = 6.09 pies

Ejemplo 3 .- Sistema Cerrado sin Presión Problema: Para el sistema que se muestra en el dibujo, determine la carga neta positiva disponible (NPSHA) cuando el líquido es agua a 248 °F al nivel del mar. La cabeza de fricción para la tubería de succión es h f = 2 pies . Además, según el dibujo, la carga de succión estática es: h s = 10 pies . Solución : la ecuación general para este cálculo es:

h f = 2.0 pies

PRESIÓN DE VAPOR

LÍQUIDO

NPSHA = h s – h f + h a - h vap

h s = 10.0 pies

NPSHA = 8.0 pies

Los datos dados son: h f = 2 pies y h s = - 10 pies porque se trata de un sistema cerrado (sin gas inerte) , h a = h vpa , de la tabla 2 , a una temperatura de 248°F, h vpa = 66.53 pies = h a ,

CL

BOMBA

NPSHA = 10 – 2 + 66.53 – 66.53 = 8 pies

PRESIÓN (ENERGÍA) A LA SUPERFICIE DEL LIQUIDO

Ejemplo 4 .- Sistema abierto con manómetro en la succión de la bomba. Problema: Para el sistema que se muestra en el dibujo, determine la carga neta positiva disponible (NPSHA) cuando el líquido es agua a 68 °F y el depósito está al nivel del mar. Se conecta un manómetro al lado de succión de la bomba en Y = 1 pie por encima de la línea central de la bomba y dice: P g = 2.4 psi . La velocidad del líquido en la línea de succión es: V = 10 pies por segundo. Solución : la ecuación general para este cálculo es:

h vpa = 0.78 pies

h f = 12.0 pies

h a = 33.9 pies

NPSHA

PRESIÓN ATMOSFÉRICA AL NIVEL DEL MAR

Los datos dados son: P g = 2.4 psi and V = 10 pies por segundo, e Y = 1 pie de la tabla 1 , al nivel del mar P a = 14.7 psi , y de la tabla 2 a la

temperatura de 68° F, P vpa = 0.339 psi , entonces, NPSHA = 2.31 (2.4 + 14.7 – 0.339) – 100/64.34 +1 = 38.72 + 1.55 + 1 = 41.27 pies

LÍQUIDO

h s = 20.0 pies

BOMBA

CL

Ejemplo 5 .- A nálisis del sistema con elevación de succión. Problema: Una aplicación de bomba requiere 300 gpm a una altura de descarga total de 80 pies. La bomba funcionará a 1750 rpm. Se selecciona una bomba de 10 hp con capacidad de flujo (ver gráfico). Determine la elevación de succión máxima permitida que esta bomba puede manejar de manera segura cuando: A. El líquido está a 85°F y la bomba funciona a una altura de 1000 pies sobre el nivel del mar. B. El líquido está a 85°F y la bomba funciona a una altura de 1000 pies sobre el nivel del mar. El margen de seguridad es del 10 por ciento. Solución A : la ecuación general para este cálculo es: Los datos dados son: NPSHR = 16 pies (tomado de la curva NPSH en el gráfico) h f = 5 pies y , h vpa = 1.38 pies, ( de las tablas de referencia estándar como presión de vapor de agua a 85°F), De la Tabla 1 , a 1000 pies, h a = 32.8 pies. Luego, debido a que el NPSH disponible (NPSHA) debe igualar o exceder el NPSH requerido (NPSHR), sustituya el valor de NPSHR de la curva de rendimiento de la bomba (arriba) en la ecuación y resuelva para h s o la altura de succión máxima. NPSHA = h s – h f + h a - h vap

NPSH REQUERIDO (DESDE LA CURVA DE LA BOMBA)

18 pies

PRESIÓN DE VAPOR DE 85°F H 2 O (DADA) PÉRDIDAS DE FRICCIÓN EN LA TUBERIA DE SUCCIÓN (DADA) h s O MÁX. ELEVACIÓN DE SUCCIÓN PERMITIDA PARA LA BOMBA EN LAS

1.38 pies

5 pies

10.42 pies CARGA NETA DE SUCCIÓN POSITIVA DISPONIBLE 32.8 PIES DE LÍQUIDO (PRESIÓN ATMOSFÉRICA)

CONDICIONES ESTABLECIDAS

NPSHA = h s – h f + h a - h vap

Por eso

NPSHR = h s – h f + h a - h vap

16 = h s – 5 + 32.8 – 1.38

h s = - 10.42 pies

Solución B. La elevación de succión teórica máxima permitida h s para esta bomba en estas condiciones sería -10.42 pies. Se recomienda un margen de seguridad del 10 por ciento para permitir variaciones en la condición del flujo de la altura de succión. Entonces: Recomendado NPSHR = NPSHR + 0.10 NPSHR = 16 + (0.10 x 16) = 17.6 Sustituyendo este valor en la ecuación general por la altura de succión recomendada:

NPSHR = h s – h f + h a - h vap

17.6 = h s – 5 + 32.8 – 1.38 h s = - 8.82 pies