Autores: Edgar Pérez, José Antonio Pais, José Padilla, Misael Coste Centro de Ingeniería Mecánica y Diseño Industrial (CIMECDI). FIIIDT.
Uno de los fenómenos que ha requerido la atención del funcionamiento de bombas centrífugas es la cavitación, por tal motivo se dedica este tema como complemento de un tema tratado con anterioridad titulado: Fenómeno De Cavitación Y El NPSH En Bombas Centrífugas.
Este fenómeno genera la pérdida de la función principal de una bomba: mantener un caudal fijo. Además, produce daños físicos a la bomba. Por tal motivo el NPSH que es un acrónimo de Net Positive Suction Head, también conocido como ANPA (Altura Neta Positiva en la Aspiración). Como su nombre lo indica es una distancia a la cual debe de estar la entrada de la bomba a la entrada del agua o el líquido a bombera, es un parámetro importante en el diseño de un sistema de bombeo, ya que si la presión en el circuito es menor que la presión de vapor del líquido, se produce el fenómeno de cavitación, que puede dificultar o impedir la circulación de líquido y causar daños en los elementos del circuito. Ahora las preguntas que pueden surgir son: ¿Que es la cavitación? ¿Cómo se produce la cavitación? ¿Cómo calcular el NPSH?
En pocas palabras la cavitación es un fenómeno físico, mediante el cual un líquido, en determinadas condiciones, pasa a estado gaseoso y unos instantes después pasa nuevamente a estado líquido. Esto ocurre cuando la presión en una tubería desciende hasta llegar a la presión de vapor del líquido contenido en la tubería, en la imagen1 se muestra el diagrama de fases del agua en ella se muestra las diferentes temperaturas y presiones que puede tener el agua.
Ahora bien como desciende la presión en una tubería bueno esto se puede explicar con el Teorema de Bernoulli:
“En todo fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento), incomprensible, en régimen laminar de circulación por un conducto cerrado, la energía que posee el fluido permanece constante a lo largo de todo su recorrido” (Teorema de Bernoulli)
La energía que posee un fluido en una tubería se divide en tres:
Teniendo en cuenta que la energía no se crea ni se destruye solo se transforma y refiriéndonos a la imagen 2, sabiendo que es para fluidos ideales (es decir sin pérdidas) nos genera la siguiente ecuación:
Esta ecuación nos muestra que la energía en el punto 1 tiene que ser igual al punto 2, y si analizamos la imagen 2 vemos el cambio que ocurre en cada una de los tipos de energía, en la imagen 3 se le agrega el Hp que se refiere a las pérdidas que ocurren en las tuberías ya sea por fricción (longitud de tubería) o por accesorio (como codos, válvulas, conexiones, entre otros)
Al analizar la imagen 3 nos queda la siguiente forma al agregarle las perdidas.
Estas ecuaciones antes mencionadas son importantes para explicar el fenómeno de la cavitación y refiriéndonos a la imagen 2 o la imagen 3, si la energía potencial (Z), en ambos extremos se mantiene igual nos queda
Nos queda la ecuación anterior, si la velocidad 2 (V2) aumenta, por consiguiente la presión 2 (P2) tiene que disminuir para mantener la igualdad de la ecuación y esta presión a descender puede llegar a la presión de vapor del líquido que esté pasando por esa tubería y así ocurre el fenómeno de cavitación. Este fenómeno ocurre generalmente en la entrada de succión de bombas centrifugas y en tramos donde la velocidad del fluido aumenta drásticamente.
¿Cuáles pueden ser las consecuencias de la cavitación en bombas centrifugas?
Las consecuencias son variadas desde una vibración hasta desgate, en la página web: https://areamecanica.wordpress.com/2011/07/28/ingenieria-mecanica-la-cavitacion-en-bombas-centrifugas/, hablan un poco acerca de estas consecuencias:
“Los efectos más evidentes de la cavitación son ruido y vibración. Son ocasionados por la desaparición de las burbujas de vapor cuando llegan al lado de alta presión de la bomba. Cuanto mayor es la bomba mayores son el ruido y la vibración. Si la bomba funciona en condiciones de cavitación durante periodos largos de tiempo, especialmente en servicios con agua, se produce el picado de los álabes del impulsor. La desaparición violenta de las burbujas de vapor introduce el líquido a alta velocidad en los poros del metal llenos de vapor, produciendo ondas de presión de alta intensidad en áreas reducidas. Estas presiones pueden sobrepasar la resistencia a la tracción del metal, y realmente arrancar partículas, dando al metal una apariencia esponjosa. El ruido y la vibración pueden también causar averías en los rodamientos, rotura del eje y otros fallos en la bomba por fatiga de los materiales.”
En la página web: https://www.debem.com , nos menciona las consecuencias de la cavitación en bombas centrifuga
- Erosión de las partes mecánicas en contacto directo con el fluido.
- Disminución del rendimiento debido a los vórtices que se crean como consecuencia de las irregularidades de la superficie.
- Vibraciones excesivas causadas por el desequilibrio del peso y la alta velocidad de rotación del impulsor.
- Disminución de la vida útil de la bomba/circuito debido al desgaste prematuro de las partes mecánicas (por ejemplo, cojinetes, juntas, etc.).
- Rotura.
Para poder evitar la cavitación en bombas centrifugas y sus negativas consecuencias, se calcula el NPSH que es la carga neta de succión positiva.
- NPSH = Carga de Succión Neta Positiva
Por definición el NPSH es la carga de succión neta positiva, medida con relación al plano de referencia, aumentada de la altura correspondiente a la presión atmosférica y disminuida de la altura debida a la tensión de vapor del líquido. En pocas palabras el NPSH es la distancia vertical a la cual se puede colocar la bomba de agua de la toma de succión y para poder realizar este cálculo se necesita dos factores uno de ellos es la bomba en sí, y el otro es el diseño de la tubería, por tal motivo se tienen 2 tipos de NPSH:
- NPSHR (Requerido) (Características de la bomba)
Es la NPSH mínima que se necesita para evitar la cavitación. Depende de las características de la bomba, por lo que es un dato regularmente proporcionado por el fabricante. Se entrega por medio de una gráfica Q-NPSHR (donde Q es el caudal que se refiere a él volumen del líquido por unidad de tiempo)
En la gráfica 1 se puede ver el NPSHR, cada bomba tiene que tener una tabla como esto o parecida a esta todo depende del fabricante
- NPSHA (Disponible)(Diseño de la instalación)
Depende de las características de la instalación y del líquido a bombear. Esta es independiente del tipo de bomba y se calcula de acuerdo a las condiciones atmosféricas y de instalación.
Dónde:
H_D:se refiere a la energia que se encuentra en la entrada de succion de la bomba (se calcula por medio del teorema de Bernoulli)
P_vapor:es la presion de vapor del liquido que se va a bombear (dato que se consigue en tabla)
γ: peso especifico de liquido a bombear (dato que se consigue en tabla)
Para que no existe cavitación se tiene que cumplir lo siguiente:
En la práctica se utiliza como margen mínimo entre el NPSHR y el NPSHA, un rango de entre el 10 a 15%, siempre que este no sea menor a 0,5 m, valor mínimo recomendado. Por tal motivo se utiliza:
En el informe de Cálculo para evitar la cavitación en un sistema de bombeo mediante el uso de NPSHA y NPSHR de José Francisco Castillo González muestra un ejemplo claro de cómo realizar los cálculos anteriores para evitar la cavitación (si desean ver y analizar sus cálculos aquí está el link: http://www2.udec.cl/~josefcastillo/informe.pdf)
REFERENCIAS:
- https://franklinelinkmx.wordpress.com/2010/04/26/npsh-carga-de-succion-neta-positiva/
- http://www2.udec.cl/~josefcastillo/informe-final.pdf
- https://www.hermetic-pumpen.com/_Resources/Persistent/f9cf9ac6ccdad2c8b7cd8469d58d9f3712504b1b/NPSH_Pumpen_Anlagen_ES_08_2010.pdf
- https://www.agronoms.cat/media/upload/editora_24/Cavitacion%20espa%C3%B1ol%202_editora_241_90.pdf
- https://temariosformativosprofesionales.files.wordpress.com/2012/11/cavitacion-v-1-21.pdf
- https://riunet.upv.es/bitstream/handle/10251/68352/Atar%C3%A9s%20-%20Diagrama%20de%20fases%20de%20una%20sustancia%20pura.%20El%20agua.pdf?sequence=1
- http://users.exa.unicen.edu.ar/~ofornaro/TDF/Apuntes-TDF.pdf
- http://gomez2010.weebly.com/uploads/5/8/0/2/5802271/cambio_de_fases_-_maria.pdf
Contacto: orlandoaco2@gmail.com