Melhores Práticas no. 25

Marchar 2024

Número 25

MELHORES PRÁTICAS

Compreendendo o NPSH em bombas

Um dos termos mais utilizados e menos compreendidos associados às bombas é altura manométrica líquida positiva de sucção (NPSH). Compreender o significado físico do NPSH é essencial para uma instalação de bomba bem-sucedida. Além disso, a consideração completa dos fatores que afetam o NPSH é fundamental para minimizar os problemas de bombeamento. É provável que ocorram mais problemas na bomba devido à determinação incorreta do NPSH do que por qualquer outra causa. A análise NPSH requer um conhecimento básico das pressões de vapor dos líquidos. As relações entre pressão, temperatura e a pressão de vapor resultante (pressão na qual um líquido e seu vapor existem em equilíbrio a qualquer temperatura) afetam as características de bombeamento de qualquer líquido. A capacidade de uma bomba de lidar com um líquido quente diminui à medida que a temperatura do líquido aumenta, desde que outros fatores permaneçam constantes. A pressão de vapor de um líquido aumenta com o aumento da temperatura e, na verdade, “se opõe” à pressão atmosférica que tende a forçar o líquido em direção à sucção da bomba. Todo líquido tem temperatura e pressão definidas nas quais irá ferver. O ponto de ebulição do líquido é a temperatura na qual a pressão de vapor é igual à pressão externa, que, num sistema aberto, é sempre igual à pressão atmosférica (o peso da atmosfera) e, portanto, varia inversamente com a altitude, Tabela 1. A água ferve a 212°F ao nível do mar (a pressão atmosférica é 14.7 psia). Portanto, em um sistema aberto, a pressão de vapor da água a 212°F é 14.7 psia. Se a pressão atmosférica for reduzida para 6.87 psia, a água ferverá a 176°F. Quando a pressão sobre qualquer líquido é reduzida, a temperatura necessária para atingir o ponto de ebulição também será menor. Pelo contrário, um aumento na pressão sobre o líquido aumenta a temperatura do ponto de ebulição, Tabela 2. O termo “elevação de sucção” é enganoso . Nenhuma bomba, seja ela alternativa, de engrenagem, de turbina, de palhetas ou centrífuga, pode "levantar" qualquer líquido. O líquido deve ser forçado para dentro da bomba antes que ela possa operar. A força (energia) que causa o fluxo em um sistema de vaso aberto vem da pressão da atmosfera e/ou da carga estática. Qualquer bomba operando sob condições de “elevação de sucção” (sem elevação de sucção estática positiva) opera em uma pressão subatmosférica para induzir o fluxo.

A pressão de vapor é a pressão na qual um líquido e seu vapor coexistem em equilíbrio a uma determinada temperatura. A pressão de vapor de um líquido aumenta com o aumento da temperatura e na verdade “se opõe” à pressão atmosférica, a força positiva que tende a fazer com que o líquido flua em direção à sucção da bomba.

NPSH é a pressão, geralmente expressa em pés de líquido, necessária para induzir o fluxo do fluido através da linha de sucção até o impulsor da bomba. A pressão ou altura manométrica positiva líquida disponível (NPSHA) é a altura manométrica estática de sucção h , menos a perda por atrito h f no sistema de sucção mais a pressão atmosférica h a (porque o vácuo é pressão negativa) existente na linha de alimentação. hvap do líquido na temperatura de bombeamento, ou: NPSHA = h s – h f + h a - h vap h s = cabeça de sucção estática resultante da subida do líquido em relação à linha central da bomba, com pés de altura. (Se o nível do líquido estiver acima da linha central da bomba, h s é positivo. Se o nível do líquido estiver abaixo da linha central da bomba, h s é negativo. h s negativo é comumente chamado de "elevação de sucção"). h a = pressão absoluta na superfície do suprimento de líquido do reservatório para a sucção da bomba, com pés de altura. (Se o sistema estiver aberto, h a é igual à pressão atmosférica). h vpa = pressão absoluta de vapor do líquido na temperatura de bombeamento, pés de altura manométrica. (Este valor pode ser obtido nas tabelas de pressão de vapor do líquido bombeado). h f = perda por atrito no tubo de sucção, pés da cabeça.

Curva de Pressão de Vapor

Ponto Crítico

Gas

Liquido

Líquido e Vapor

Gas

Pressão de vapor

Vapor

Temperatura

Num sistema fechado não pressurizado, ha é igual a h vpa , uma vez que a fonte de líquido da qual a bomba aspira existe à pressão de saturação correspondente à temperatura de funcionamento. A pressão de vapor do líquido é exatamente igual à pressão na superfície do líquido. Não há pressão adicional disponível para forçar o líquido para dentro da bomba. A linha central da bomba deve estar abaixo do nível da superfície do líquido para criar NPSHA suficiente para induzir um fluxo de líquido na bomba para operar sob estas condições. O NPSHA deve superar a perda por atrito na linha e a queda de pressão entre o flange de sucção da bomba e a entrada das palhetas do impulsor. Os sistemas fechados podem ser pressurizados para criar uma pressão absoluta maior que a pressão de vapor do líquido bombeado. Reservatórios pressurizados são geralmente necessários quando o receptor não pode ser elevado para criar sustentação de sucção positiva suficiente. Dois valores de NPSH são importantes na seleção da bomba. A pressão necessária (NPSHR) é uma característica da própria bomba e varia dependendo das condições de funcionamento. É definida como a pressão necessária para encher a bomba no lado de sucção e superar as perdas internas da bomba. NPSR representa a margem mínima necessária entre a elevação de sucção e a pressão de vapor em uma determinada capacidade. O diâmetro do olho do impulsor, o formato e o número de palhetas do impulsor e o tamanho e a nitidez da passagem de sucção determinam o NPSHR de uma bomba. O valor NPSHR para qualquer bomba pode ser obtido junto ao fabricante da bomba e deve ser exibido em todas as curvas da bomba. A pressão disponível (NPSHA) é uma característica do sistema em que a bomba opera e a pressão disponível no líquido no lado de sucção da bomba. NPSHA é a diferença entre a altura de sucção absoluta existente e a pressão de vapor na temperatura predominante do líquido que está sendo bombeado . Em qualquer instalação de bomba. O NPSHA deve sempre exceder o NPSHR para evitar a cavitação e o fluxo não ser alterado. Quando um manômetro está localizado no lado de sucção da bomba, o NPSHA pode ser calculado para uma instalação existente usando a equação:

Onde:

P g = leitura manométrica, psi

P a = Pressão atmosférica, psi

P vpa = pressão absoluta de vapor do líquido na temperatura de bombeamento, psi.

V = velocidade da linha de sucção, pés/s

g = aceleração resultante da gravidade (constante em 32,17 pés/seg/s)

Y = diferença de elevação entre a linha central da bomba e o medidor, pés (se o medidor estiver acima da linha central. Y é um valor positivo; se estiver abaixo Y é negativo).

Cálculos típicos para vários arranjos de sistemas de bombeamento são fornecidos nos exemplos anexos .

Exemplo 1.- Sistema aberto com tanque de líquido acima da bomba Problema : Para o sistema mostrado no desenho, determine a altura manométrica líquida de sucção positiva disponível (NPSHA) quando A. O líquido é água a 68°F e o tanque está ao nível do mar. B. O líquido é água a 68°F e o reservatório está a 6000 pés acima do nível do mar. C. O líquido é gasolina a 60°F e o tanque está ao nível do mar. A carga de atrito para o tubo de sucção é h f = 2 pés . Além disso, de acordo com o desenho, a cabeça de sucção estática é h s = 10 pés . Solução A : A equação geral para esses cálculos é :

PRESSÃO (ENERGIA) NA SUPERFÍCIE DO LÍQUIDO

h vpa = 0.78 pés

h f = 2.0 pés

h a = 33.9 pés

PRESSÃO ATMOSFÉRICA

NPSHA = h s – h f + h a - h vap

LÍQUIDO

PRESSÃO ATMOSFÉRICA AO NÍVEL DO MAR

Os dados fornecidos são : h f = 2 pés y h s = 10 pés da tabela 1 ao nível do mar , h a = 33,96 pés , e da tabela 2 , a uma temperatura de 68°F, h vpa = 0.78 pés , então ,

h s = 10.0 pés

CL BOMBA

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

Solução B : forneça os dados h f = 2 pies y h s = 10 pés , da tabela 1 a 6000 pés ao nível do mar, h a = 27,3 pés e da tabela 2 , a uma temperatura de 68°F, h vpa = 0.78 pés , então:

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

Solução C : forneça os dados h f = 2 pés y h s = 10 pés , da tabela 1 ao nível do mar , h a = 33.96 pés. A pressão absoluta de vapor da gasolina a 60°F pode ser obtida a partir de tabelas de pressão de vapor padrão e é h vpa =7.7 pés respectivamente :

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

Exemplo 2.- Sistema aberto com tanque de líquido abaixo da bomba Problema: Para o sistema mostrado no desenho, determine a altura manométrica líquida de sucção positiva disponível (NPSHA) quando A. O líquido é água a 68°F e o tanque está ao nível do mar. B. O líquido é água a 176°F e o tanque está ao nível do mar. A carga de atrito para o tubo de sucção é h f = 2 pés . Além disso, de acordo com o desenho, a cabeça de sucção estática é h s = - 10 pés . Solução A : A equação geral para esses cálculos é :

PRESSÃO (ENERGIA) NA SUPERFÍCIE DO LÍQUIDO

h a = 33.9 pés

h vpa = 0.78 pés

h f = 2.0 pés

BOMBA CL

h s = - 10.0 pés

PRESSÃO ATMOSFÉRICA

PRESSÃO ATMOSFÉRICA AO NÍVEL DO MAR LÍQUIDO

NPSHA = h s – h f + h a - h vap

Os dados fornecidos são : h f = 2 pés y h s = -10 pés da tabela 1 ao nível do mar , h a = 33,96 pés , e da tabela 2 , a uma temperatura de 68°F, h vpa = 0.78 pés , então ,

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

Solução B : Os dados fornecidos são h f = 2 pés y h s = - 10 pés , da tabela 1 ao nível do mar, h a = 33.96 pés , e da tabela 2, a uma temperatura de 176°F , h vpa = 15.87 pés , então:

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

Exemplo 3.- Sistema Fechado sem Pressão Problema: Para o sistema mostrado no desenho, determine a carga positiva líquida disponível (NPSHA) quando o líquido é água a 248°F ao nível do mar. A cabeça de fricção para o tubo de sucção é h f = 2 pés . Além disso, de acordo com o desenho, a cabeça de sucção estática é: h s = 10 pés . Solução: A equação geral para este cálculo é :

h f = 2.0 pés

PRESSÃO DE VAPOR

LÍQUIDO

h s = 10.0 pés

NPSHA = 8.0 pés

NPSHA = h s – h f + h a - h vap

CL

BOMBA

Os dados fornecidos são : h f = 2 pés y h s = - 10 pés porque é um sistema fechado (sem gás inerte) , h a = h vpa , da tabela 2 , a uma temperatura de 248°F, h vpa = 66.53 pés = h a ,

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

PRESSÃO (ENERGIA) NA SUPERFÍCIE DO LÍQUIDO

Exemplo 4.- Sistema aberto com manômetro na sucção da bomba. Problema: Para o sistema mostrado no desenho, determine a carga positiva líquida disponível (NPSHA) quando o líquido é água a 68°F e o reservatório está ao nível do mar. Um manômetro está conectado ao lado de sucção da bomba em Y = 1 pé acima da linha central da bomba e diz: P g = 2.4 psi . A velocidade do líquido na linha de sucção é: V = 10 pés por segundo. Solução: A equação geral para este cálculo é :

h vpa = 0.78 pés

h f = 12.0 pés

h a = 33.9 pés

NPSHA

PRESSÃO ATMOSFÉRICA AO NÍVEL DO MAR

Os dados fornecidos são : P g = 2.4 psi e V = 10 pés por segundo , e Y = 1 pé da tabela 1 , ao nível do mar P a = 14.7 psi , e da tabela 2

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

LÍQUIDO

h s = 20.0 pés

CL

BOMBA

Exemplo 5.- Análise do sistema com elevação de sucção. Problema: Uma aplicação de bomba requer 300 gpm a uma altura manométrica de descarga total de 80 pés. A bomba funcionará a 1750 rpm. É selecionada uma bomba de 10 HP com capacidade de vazão (ver gráfico). Determine a elevação de sucção máxima permitida que esta bomba pode suportar com segurança quando: A. O líquido está a 85°F e a bomba opera a uma altitude de 1000 pés acima do nível do mar. B. O líquido está a 85°F e a bomba opera a uma altitude de 1000 pés acima do nível do mar. A margem de segurança é de 10%. Solução A : A equação geral para este cálculo é : Os dados fornecidos são: NPSHR = 16 pés (retirado da curva NPSH no gráfico) h f = 5 pés y , h vpa = 1.38 pés, ( de tabelas de referência padrão como pressão de vapor de água a 85°F ) , Da Tabela 1 , a 1000 pés, h a = 32.8 pés. Em seguida, como o NPSH disponível (NPSHA) deve ser igual ou superior ao NPSH necessário (NPSHR), substitua o valor NPSHR da curva de desempenho da bomba (acima) na equação e resolva h s ou elevação máxima de sucção. NPSHA = h s – h f + h a - h vap

NPSH NECESSÁRIO (DA CURVA DA BOMBA)

18 pés

PRESSÃO DE VAPOR DE 85°F H 2 O (DADA)

1.38 pés

PERDAS POR FRICÇÃO NO TUBO DE SUCÇÃO (DADA) h s OU MÁX. ELEVADOR DE SUCÇÃO PERMITIDO PARA A BOMBA NAS CONDIÇÕES ESTABELECIDAS

5 pés

10.42 pés CABEÇA DE SUCÇÃO POSITIVA LÍQUIDA DISPONÍVEL 32,8 PÉS DE LÍQUIDO (PRESSÃO ATMOSFÉRICA)

NPSHA = h s – h f + h a - h vap

Por isso

NPSHR = h s – h f + h a - h vap

16 = h s – 5 + 32.8 – 1.38

h s = - 10.42 pés

Solução B . A elevação de sucção teórica máxima permitida h s para esta bomba nestas condições seria -10,42 pés. Recomenda se uma margem de segurança de 10% para permitir variações nas condições do fluxo de elevação de sucção. Então: Recomendado NPSHR = NPSHR + 0.10 NPSHR = 16 + (0.10 x 16) = 17.6 Substituindo este valor na equação geral pela altura de sucção recomendada:

NPSHR = h s – h f + h a - h vap

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