NPSH

ALTURA DE ASPIRACION MANOMÉTRICA

Es la altura negativa o depresión en la tubuladura de aspiración de una bomba, respecto a la atmosfera libre, expresada en metros de columna de lí­quido impulsado. El valor de Hs nos lo dará un vacuometro instalado en la tubería de aspiración, a la altura del eje de la bomba si es de construcción horizontal y a la altura de la parte más alta del borde de entrada de los alabes del impulsor de la primera fase, si es de construcción vertical. La altura de aspiración manométrica viene expresada por la siguiente relación:

en ella Hg = altura de aspiración geométrica ente el nivel inferior del liquido y el eje de la bomba Hf = pérdidas de carga por fricción en la tubuladura de aspiración. Ha = perdida en los accesorios (válvula de pie, codos etc.) V = velocidad del liquido g = aceleración de la gravedad Si designamos por Hatm el valor de la presión atmosférica, la presión, absoluta en la tubería de aspiración inmediatamente delante del co­do del impulsor será:

Cavitación.

Se conoce con el nombre de cavitación a fenómeno que se produce cuando en un punto de una corriente líquida, la presión se hace inferior a la tensión de vapor correspondiente a la temperatura que se encuentra el lí­quido, el descenso de la presión, origina que el liquido hierva a una temperatura muy inferior a los 100ºC o sea que comience a vaporizar. En algunos casos dependiendo de las condiciones de circulación se formará un émbolo de vapor, que llegará en ocasiones a obstruir por completo la circulación: en otros, las cavidades serán pequeñas, ocupadas por burbujas de vapor, que arrastrarán la corriente y que al llegar a lugares que exista una presión mayor, colapsarán, acompañando este colapso con esfuerzos de compresión súbitos de gran intensidad. El hecho de formación de burbujas o émbolos de vapor no tiene en sí mayores consecuencias, el colapso súbito con los esfuerzos que le acomparan es el que origina los inconvenientes de la cavitación. El ruido que se produce por el colapso de las burbujas, es caracterí­stico del fenómeno, así como las vibraciones. Si el punto de colapso, es decir el punto donde aumenta la presión esta cerca de una superficie salida, resulta que esta superficie recibe una cantidad innumerable de impactos intermitentes y al final fallarán por fatiga del material. De aquí­ la importancia en las bombas y los cuidados que deben tenerse para evitarlo. En las bombas centrifugas, el lugar de menos presión se encuentra a la entrada del impelente, pero la presión aumenta inmediatamente después, en cuanto el liquido entra a los conductos que forman los alabes del impelente, y si se ha producido la evaporación del liquido porque la presión a la entrada lo permite, se producirá el colapso de las burbujas sobre las paredes, con el efecto consiguiente. El aspecto de la superficie afectada por la cavitación es el de una superficie sobre la que ha actuado una inmensa corrosión Estos efectos reducen la eficiencia de la bomba, llegando a su inutilización y su operación costosa, de ahí­ la importancia de evitar que se produzca este fenómeno. Para evitar la cavitación en toda instalación de bombeo se procurará que el valor de la presión absoluta obtenida no sea inferior a la necesaria para producir la aceleración del líquido y sea superior a la tensión del vapor del líquido impulsado a la temperatura existente.

NPSH (Net Positive Sucetion Head)

Por definición el NPSH es la altura total de carga a la entrada de la bomba, 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. Hay Que tener presente dos conceptos:

NPSH (Requerido)

Presión absoluta mí­nima en el la­do del impulsor que garantiza un flujo sano en el interior de la bomba. Es un dato básico caracterí­stico de cada tipo de bomba, variable según el modelo y tamaño y condiciones de servicio, por tanto es un dato que facilitan los fabricantes.

NPSH (Disponible)

Presión absoluta total en el lado del impulsor como resultado final de la aspiración especifica de las condiciones de la instalación. Es función de la instalación e independiente del tipo de bomba El conocimiento del NPSHd por el instalador es fundamental para la elección adecuada de la bomba y evitar así posibles fracasos. En el caso de un proyecto, el cáculo del NPSHd se efectuará mediante la aplicación de la siguiente fórmula:

En donde: Patm = presión atmosférica (m.) Hg = altura geométrica de aspiración (m.) Hf = perdidas de carga por fricción(m) Ha = perdidas de carga por accesorios (m) Tv = tensión de vapor (m) Todos estos datos pueden obtenerse fácilmente por cálculo o por conocimiento de la instalación. NPSHr se determina por la formula:

Siendo: Hz = Presión absoluta mí­nima necesaria en la zona inmediata anterior a los alabes. V2/2g = Carga cinéica correspondiente a la velocidad de entrada del liquido en la boca del impulsor. Para un funcionamiento correcto de una instalación se verificará siempre que:

La altura de aspiración geométrica (Hg) se calcula entonces por la expresión:

A pesar de cumplirse la condición anterior en la que NPSHd >> NPSHr puede presentarse algún fenómeno de cavitación, al reducir el caudal bombeado a limites en los que se produce una recirculación en el la­do del impulsor que puede provocar localmente una disminución de presión, inferior a la tensión del vapor del líquido. Una bomba en condiciones hipotéticamente ideales a nivel del mar podría aspirar a una altura de 10,33 m, pero con la altura la presión atmosférica disminuye, así­ a 900 m sobre el nivel del mar se reduce a 9,23 m.

En condiciones reales en el caso de bombeo de agua,  mientras la tensión de vapor a 20ºC tiene un valor de 0,12 m, la altura disminuye entonces a 9,11 los otros factores que reducen la altura de la succión son las perdidas por fricción y las locales que dependen como ya se ha dicho de las condiciones de la instalación en este ejemplo se supone 0,53 m las primeras y 0,40 por accesorios, reduciéndose la altura a 8,18 m, finalmente el NPSHdr valor que depende del modelo de la bomba y de las rpm, mientras mayor es la velocidad de trabajo para una misma bomba mayor será NPSHr y menor la capacidad de succión, en el ejemplo se considera NPSHr = 3,25 m por lo que finalmente el eje de la bomba se tendrá que instalar a una altura igual o menor a 4,93 m.

Nota: Plano de referencia es el plano horizontal que pasa por el centro del circulo descrito en su giro, por el punto más elevado del borde de entrada del alabe del rodete. Las soluciones como ya hemos indicado solamente pueden conseguirse aumentando el NPSHd y por tanto, podemos adoptar cualquiera de las siguientes: Aumento del diámetro de la tuberí­a de aspiración. En bombas verticales aumentar la inmersión. Disminuir la altura geométrica de aspiración. Cambio a una bomba mayor a menor velocidad, etc.

Tuberías de succión.

Para obtener en una instalación la máxima altura de aspiración geométrica, será necesario reducir al mí­nimo los parámetros que puedan provocar una disminución del valor de NPSHd. Para conseguirlo deberemos cumplir los siguientes requisitos: Mantener la temperatura del agua lo más baja posible. Tuberí­a lo más corta posible. Con la menor cantidad de uniones y codos posibles. Codos con radio de curvatura = 2 diámetros. Tuberí­a ascendente hacia la bomba con pendiente entre 0,5 y 2 %. Utilizar contracciones asimétricas, con la parte superior recta hacia arriba. El diámetro de la tuberí­a no debe ser menor que el diámetro de entrada de la bomba. Utilizar válvulas de pie en diámetros menores a 400 mm. Tuberías de aspiración herméticas a la presión atmosférica. El tramo próximo a la bomba será recto con una longitud mayor a 2 diámetros. El diámetro de la tubería de aspiración se determinara de acuerdo con la velocidad permisible: Para diámetro hasta 250 mm velocidad = 0,7 a 1 m/s Para diámetro desde 300 a 800 mm velocidad = 1 a 1,5 m/s Para diámetro mayor de 800 mm velocidad = 1,5 a 2 m/s Bombas en paralelo. El número de tubos de succión debe ser igual al número de bombas. Distancia entre ejes de succiones horizontales > 3 D entrada.

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Aplicación para calcular el desarrollo de piezas de conexión para tuberías a partir de láminas o tubos, codos, reducción concéntrica, reducción excéntrica, yee centrada, yee lateral y tee. Incluye manual y ayuda

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El valor de NPSHr se debería tomar de los datos facilitados por el fabricante de la bomba.

El fenómeno de la cavitación en función del caudal elevado. 1. Cuando el caudal suministrado por la bomba se reduce al 25% del caudal optimo (Qop = 100% ), se produce una elevación del NPSH r (máxima turbulencia ). Este valor va disminuyendo hasta alcanzar un valor mí­nimo en el punto 1 (40% Qop ). 2. Entre los puntos 1 y 2 (40 y 60% Qop ) el valor de NPSHr se mantiene en su valor mínimo ( turbulencia mí­nima ). 3. A partir del punto 2 ( 60% Qop ),el valor de NPSHr va aumentando progresivamente pasando por los puntos 3 y 4 ( Qop ) y alcanzando el punto de máximo valor, cuando el caudal elevado es del 130% de Qop (turbulencia máxima).

Diseño de la succión.

Pérdidas de carga. Las pérdidas por fricción en la tuberí­a de aspiración se determinan por una de las formulas siguientes: Hazen-William Ecuación válida para diámetros D > 50 mm.

Donde: S = Perdidas de carga (m / m) Q = Caudal (m3 / s) D = Diámetro (m) Coeficiente C. Tuberías de plástico nuevas 150 Tuberías de acero nuevas 120 Tuberías de acero usadas 110

Manning   Valida para régimen turbulento rugoso.

Donde: S = Perdidas de carga (m / m) Q = Caudal (m3 / s) D = Diámetro (m) Coeficiente n Plástico (PE) 0.006 a 0.007 Plástico (PVC) 0.007 a 0.009 Acero comercial 0.015 Blasius Para plásticos D<110 mm y temperatura del agua de 20ºC.

Donde: S = Perdidas de carga (m / m) Q = Caudal (l / h) D = Diámetro (mm) Perdidas locales. Las perdidas locales ocasionada por los distintos accesorios de la tuberíaa de aspiración se determinan por la formula siguiente:

Ha = pérdidas locales en m.c.a. K = coeficiente que depende del tipo de accesorio. V = velocidad de paso. g = aceleración de la gravedad = 9.81 m/seg2

Los valores de K para los distintos accesorios se dan en la tabla siguiente:

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Hoja Excel para el cálculo de perdidas en tuberías de PVC métricas y en pulgadas, tuberías PE (PN40, PN80, PN10) y perdidas locales de accesorios.

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Tensión de vapor y viscosidad del agua a distintas temperaturas

Presión atmosférica en función de la altura sobre el nivel del mar.

Inmersión

Es la altura (S) de liquido, necesaria sobre la sección de entrada (válvula de pie campana, tubo, etc.), para evitar la formación de remolinos (vortex o vértices) que puedan afectar al buen funcionamiento de la bomba.

La formación de estos remolinos se deben principalmente a la de presión causada por: La bomba. Mala disposición de la misma en la cámara de aspiración Una irregular distribución del flujo. Como valor indicativo de la sumergencia mí­nima necesaria, podemos adoptar los siguientes criterios:

Tuberí­a de succión con bordes agudos en la sección de entrada.

Dent. = (1,25 a 1,5) DTubo. Lcono = (3,5 a 7) Dent a Dtubo S=0,6 Dent. h1 = Se determina teniendo en cuenta que la velocidad del acceso del agua hacia el tubo no sea mayor que la velocidad del movimiento del agua en la sección de entrada.

Tubería de succión con bordes redondeados en la sección de entrada.

Dent = (1,25 a 1,5) Dtubo. Lcono = (3,5 a 7) Dent a Dtubo S = 0,4 Dent. > 0,4 m. h1 = Se determina teniendo en cuenta que la velocidad del acceso del agua hacia el tubo no sea mayor que la velocidad del movimiento del agua en a sección de entrada.

Tuberí­a de succión vertical.

Dent = (1,25 a 1,5) D tubo Lcono = (3,5 a 7) Dent. a Dtubo S = 0,8 Dent > 0,5m b = (0,1 a 0,15) Dent. B = (1,5 a 3 Dent. (B es el acho de la toma) h1 = Se determina teniendo en cuenta que la velocidad del acceso del agua hacia el tubo no sea mayor que la velocidad del movimiento del agua en a sección de entrada.

Observaciones por falta de inmersión

Fluctuaciones de caudal, sin merma apreciable en la altura. Formación de remolinos visibles en la superficie o sumergidos. No produce cavitación.

Soluciones, para reducir la inmersión necesaria:

Aumento de la sección de entrada (colocación de sombrillas, mayor diá¡metro de la tuberí­a de aspiración, etc.). Colocación de tabiques flotantes o sumergidos que eliminen las turbulencias. Maderas flotantes, alrededor de la tuberí­a de aspiración, así como pelotas de plástico, y todo aquello que sea paz de impedir la formación de vértices o remolinos en la superficie. Existen otros REMOLINOS SUMERGIDOS que habitualmente no se aprecian en la superficie y suelen producirse si el líquido a la entrada de la bomba tiende a girar en sentido contrario al eje de la misma. Este movimiento se denomina normalmente contra-rotación. El movimiento de contra-rotación en bombas de alta velocidad específica como las de hélice pueden causar daños de consideración, no así en bombas de menor velocidad. El indicio de remolinos sumergidos son normalmente, vibraciones y consumo de energía fluctuante en cada puesta en marcha. El remedio es impedir la formación de estas corrientes mediante la modificación de las condiciones del pozo o depósito de aspiración, como pueden ser tabiques u otras rectificaciones.

Ejemplo de cálculo de tuberí­a de aspiración de una bomba horizontal.

Caracteristicas de la toma   Material de la tuberí­a acero negro Caudal de la bomba = 32 l/seg. Carga de la bomba = 48 m.c.a. Altura sobre el nivel del mar = 920 m Temperatura del agua = 20ºC Hg(real) = 4,23 m Por tablas determinamos: Patm = 9,20 Tv = 0,0124 γ = 0,9982 Diámetro de la tuberí­a.

Evaluando para velocidad de 0,7 y 1 m/s D1 = 202 mm D0,7 = 241 mm El diámetro interior comercial entre estos dos valores es 211 mm (219,1 x 4,78) Selección de la bomba. Al seleccionar la bomba se recomienda comparar los datos de NPSHr de varias bombas similares de distintos fabricantes.

Caracterí­sticas de la bomba. Q = 32 l/s H = 48 m η = 79,1 % N = 19,06 kw NPSHr = 5,82 Daspiració³n = 80 mm Dimpulsion = 65 mm La inmersión de la bomba según los gráficos es: S = 0,5 m L tubo = 5,63 + 4,26 + 0,5 L tubo = 10,39

Perdidas en la tubería: Formula de Manning Donde: S = Perdidas de carga (m / m) Q = 0,032 (m3 / s) Di =0,211 (m) Coeficiente n = 0,015 Hf = 10,39 x 0,0095 = 0,1 Hf = 0,10

Perdidas por accesorios. V = 1 m/s g = 9,8 m/s2 Válvula  K = 5,9 Codo de 90º K = 0,17 Contracción K = 0,22

Ha = 0,30 + 0,01 + 0,01 Ha = 0,32

Hg = 2,92 m < 4,23 m

Como la altura Hg de cálculo es menor que el desnivel topográfico entre el eje de la bomba y el nivel mínimo del agua (4,23 m), se tomara una de estas medidas. Selección de otra bomba con un NPSHr 4,54 m a menor Instalar la bomba a una altura tal que el desnivel sea igual o menor a 2,92 m Instalar otro tipo de bomba (vertical, sumergible)

Obras de toma.

Es el comienzo del sistema de bombeo, a través de la cual el agua llega a la bomba. La obra de toma debe garantizar el caudal calculado para los niveles dados y proteger el sistema de alzolves, basura y peces. La obra de toma debe tener la posibilidad de cerrar total o parcialmente el agua al sistema de bombeo durante las reparaciones, limpiezas o averí­as. Debe tener en cuenta los niveles máximos y mí­nimos de la presa, rí­o, pozo etc.

Selección para el lugar de la obra de toma.

No se recomienda ubicar la obra de toma en lugares en forma de ensenada, tramos de posible erosión de la margen, y zonas de depósito de azolves como son los remansos de los rí­os. No se recomienda ubicar las obras de toma aguas debajo de hidroconjuntos ni de la desembocadura de afluentes. En los embalses la toma se puede ubicar: En los lugares donde la profundidad son iguales o mayores a tres veces la altura de la ola, calculada para las condiciones de niveles mínimos. En lugares protegidos de las olas, fuera de los lí­mites de la franja de corrientes que provocan erosión de la margen.

Rejas de entrada.

La determinación de las dimensiones y el á¡rea de los orificios de entrada (Ab en m2), se deben calcular para el caudal máximo de la estación de bombeo mediante:

Ab = Área bruta de la sección de toma. V= Velocidad de entrada (0, 4 m/s si hay peces y 0,8 a 1,2 si no hay peces) qm = Caudal máximo de la estación de bombeo. K = Coeficiente que tiene en cuenta el estrechamiento de la malla o reja. Para rejas y mallas de orificios.

Para mallas.

Para rejas A= es el espaciamiento entre barras (cm) C= espesor de la barra (cm). En el caso de malla. A= espacio libre entre hilos de malla. (cm) C= espesor del hilo de malla.(cm) Malla con orificios circulares. A= area de todos los orificios. (cm2) C= area entre orificios. (cm2)

En esta formula:
D=diámetro de orificio.
n= cantidad de orificio.
E=alto de la malla.
F=ancho o perímetro de la malla.

El valor de 1,25 en la formula prevé cierto grado de tupición de los orificios.