Cavitación en bombas La cavitación es la formación y colapso de burbujas de vapor dentro de la bomba. La cavitación se presenta en una bomba cuando: El flujo se acelera en las puntas de entrada de los alabes del rodete. El aumento de la velocidad del flujo reduce la presión estática. Las burbujas se forman si la presión cae por debajo de la presión de vapor. Las burbujas se colapsan cuando se trasladan a un área de mayor presión. Si una burbuja se colapsa sobre la superficie de los alabes del rodete, se generan altas
presiones locales, que producen erosión. impulsor. Las burbujas de vapor puede restringir el flujo en la entrada del impulsor. La restricción del flujo provoca una caída en la cabeza La cavitación tiene el potencial para causar los siguientes problemas: Degradación del rendimiento, es decir, pérdida de carga, capacidad y eficiencia.
El volumen de vapor bloquea parcialmente la bomba y reduce el rendimiento de la bomba.
El funcionamiento de la bomba es ruidoso. (Ruido de frecuencia en un rango de 10
a 15 kHz). El vapor se condensa de nuevo en el líquido a medida que pasa a través de la bomba. En este nuevo cambio de vapor a líquido, la implosión de las burbujas de vapor es la causa del ruido y las vibraciones que pueden dañar las partes internas de la bomba.
La Bomba y las tuberías del sistema puede vibrar. Los Cojinetes de la bomba se deterioran rápidamente. La entrada del Impulsor se erosiona, si la bomba funciona a bajo flujo. La
erosión por cavitación tiene un aspecto similar al de ceniza y es a menudo visible en
los extremos de entrada de los alabes del rodete.
Daños de la composición del líquido que se maneja.
Daño permanente debido a la erosión y fallas mecánicas de los componentes y la
estructura de la bomba.
El que estos efectos adversos se presenten y en qué medida, depende de varios factores: La cabeza de aspiración neta positiva suministrada en la entrada de la bomba:
(NPSHA). La " Energía de aspiración " o "nivel de energía" con la que la bomba funciona:
(NPSHR) La operación fuera del punto de diseño, a tasas de flujo Q a través de la
bomba que son diferentes de su BEC. (Caudal o capacidad de diseño.)
NPSHdisponible: NPSHA. La NPSHA es una medida de la altura total por encima de la presión de vapor que se tiene a la entrada de la bomba. La NPSHA se reduce con el caudal porque las pérdidas por fricción aumentan con el caudal. Disponer de suficiente NPSHA es importante en las bombas y las válvulas para evitar la cavitación, ruido y daños.
NPSH requerida: NPSHR. La NPSHR requerida por una bomba es la mínima cabeza de energía total por encima de la presión de vapor a la entrada de la bomba para evitar niveles inaceptables de cavitación. La NPSHR se aumenta con el caudal porque las pérdidas en la bomba caudal.
Nivel de referencia para determinar el valor de NPSH.
aumentan con el
En las bombas de eje horizontal, el nivel de referencia para el valor de NPSH se define como el plano horizontal que atraviesa el centro del círculo determinado por los puntos extremos del borde principal de los álabes del impulsor. En las bombas de eje horizontal el nivel de referencia NPSH se sitúa generalmente a la altura del eje. En las bombas con eje vertical, el plano horizontal de referencia contiene el círculo determinado por los puntos extremos del borde principal de los álabes del impulsor. En el caso de las bombas de doble aspiración con eje vertical, la entrada del impulsor a más alto nivel determina el plano horizontal de referencia. En las bombas con eje inclinado, la posición de la entrada del impulsor y por lo tanto el nivel de referencia del valor de NPSH no se puede fijar y debe especificarse por el fabricante.
Para bombas pequeñas y medianas, la NPSHR se define por lo general para un nivel de cavitación que provoca una caída de la cabeza de la bomba del 3%. Para bombas de gran Tamaño, por lo general se especifican valores de NPSHR altos (cavitación incipiente) para operación totalmente libre de la cavitación.
Operación sin cavitación.
Operación con cavitación incipiente.
Operación con cavitación parcial o total.
Medidas para prevenir la cavitación de la bomba Aumento de la presión en la entrada de la bomba (NPSHA), mediante: Reducir la altura de aspiración. Reducir la pérdida de carga de la tubería de succión. No controlar el flujo con la válvula de entrada a la bomba. Reducir la temperatura del líquido a la entrada de la bomba y por lo tanto
su presión de vapor. Selección de una bomba con velocidad de giro más baja. Reducir el caudal de la bomba, si la bomba está funcionando por encima de su caudal
óptimo especificado. Distribución del caudal entre varias bombas, o utilización de una bomba con impulsor de doble entrada, posiblemente sólo en la primera etapa de una bomba de varias etapas. Instalación de una bomba reforzadora previa de baja velocidad. Instalar un inductor en el lado de aspiración del impulsor de la bomba principal.
Aumentar el caudal de la bomba, si la bomba está funcionando por debajo del caudal mínimo especificado. La recirculación de entrada puede ser la causa de un aumento en la temperatura de entrada.
Si no puede evitarse el funcionamiento de la bomba en cavitación, entonces, para las piezas delicadas, especialmente el impulsor, (en el caso de bombas de varias etapas el impulsor de la primera etapa), deben elegirse materiales dúctiles que resistan más tiempo la erosión provocada por la cavitación. Estos materiales y sus índices de desgaste están en la siguiente tabla. (El índice de desgaste indica en valores relativos la pérdida aproximada de material comparada con la fundición de hierro, índice de desgaste 1, para el mismo NPSHA y fluido bombeado.)
Índices de desgaste por erosión debido a cavitación Material Fundición de hierro Aleaciones de bronce y cobre Fundición acero‐cromo Aluminio ‐ bronce Fundición acero inoxidable Acero fundido Duplex
Ejemplo EN‐JL1040 EN‐GJL‐250 (GG25) CC480KCuSn10‐Cu 1.4317 GX4CrNi13‐4 CC333GCuAl10Fe5Ni5‐C 1.4408 GX5CrNiMo19‐11‐2 1.4517 GX2CrNiMoCuN25‐6‐3‐3
Indice de desgaste 1,0 0,5 0,2 0,1 0,05 0,02
Por razones de seguridad y para cubrir variaciones en las condiciones de trabajo, a no ser que existan otras normas a reglamentos que apliquen, se recomienda que exista un margen de seguridad de aproximadamente 0,5 m, es decir:
Casos de cálculo del valor de NPSHA de la instalación.
Hbar:
Es la presión barométrica en metros o en pies de columna de agua corregida
por elevación sobre el nivel medio del mar Tenga en cuenta que las tormentas pueden reducir la presión barométrica en un 1,7%.
hs: Es la carga estática de la superficie de agua de entrada por encima del ojo del impulsor. Si la superficie del agua está por debajo del ojo, hs se convierte en un número negativo.
Hvap:
Es la presión de vapor del líquido a la temperatura máxima esperada. Véase la
Tabla A‐8 o A‐9 para la altura equivalente de la columna de agua.
hfs:
Es la altura de pérdida por fricción en la tubería de succión, en metros o en pies.
∑hm: Es la suma de pérdidas menores por fricción en los accesorios de la tubería de
succión, tales como entrada, codos, reductores, y válvulas. Estas pérdidas "menores" son significativas.
hvol : Es la presión parcial de gases disueltos, tales como aire en el agua (habitualmente ignorado) o compuestos orgánicos volátiles presentes en las aguas residuales. (Habitualmente estimada en alrededor de 0,6 metros o en 2pies).
FS: Es un factor de seguridad utilizado para dar cuenta de la incertidumbre en los cálculos hidráulicos y la posibilidad de formación de remolinos y de una distribución irregular de la velocidad en la toma.
Cálculo de la NPSHR mediante correlación del parámetro de cavitación de Thoma, σ, /
Los puntos de datos de la Figura presentan una desviación de hasta un 25% de la
recta de mejor ajuste. Los valores del coeficiente K en la tabla varían con mayor amplitud que los valores
de la eficiencia. (Un cambio de 30% en la eficiencia reduce K a la mitad). La eficiencia de las bombas puede variar en un 2%.
Aun cuando los cálculos no pueden ser confiables para obtener resultados con errores de menos de 30 o 40%, proporcionan resultados aproximados y reveladores.
La velocidad específica de succión (Nss) / /
La ecuación que define la velocidad específica de succión es similar a la ecuación de la velocidad específica (NS):
/ / Ambas velocidades especificas están relacionadas por el parámetro de cavitación de Thoma, σ,
/
La velocidad específica Ns caracteriza el "contorno" del rotor principalmente en la región de descarga.
El NSS caracteriza la forma de su aspiración (La forma del ojo del impulsor
Por lo general, el rango de Nss varía de 7.000 a 15.000, (en unidades US) y con diseños especiales, (inductores) se alcanzan aún valores más altos. Sin embargo la experiencia ha demostrado que valores de Nss mayores de 9500, aproximadamente, la tasa de fallas de la bomba atribuidos a la succión aumenta de manera significativa. El USA HI ha sugerido incluso un valor de diseño más conservador, de Nss = 8500, lo que limita el tamaño de el ojo de los impulsores. Si una bomba dada va a operar con un rango muy estrecho de caudales alrededor del BEP, se podría utilizar un valor mayor de Nss (y es incluso deseable), lo que resulta en una menor NPSHR, y por lo tanto, lo que permite menor NPSHA, reduciéndose los costos de construcción. En la mayoría de los casos, las bombas centrífugas operan en una amplia gama de caudales, por debajo de y más allá del BEP. Cuando se funciona a bajo flujo, la recirculación se convierte en una realidad, y los diseños con Nss menor pueden convertirse en "protectores de la vida", ya que son más tolerantes en ese sentido. Esta es la razón por la cual se acostumbra a limitar los diseños de NSS = 9000 hasta 10000.
2
1 0.8 0.5
0.3 150 200 0.1 250
0.08
0.05
0.03 0.02 500
10
1000
2000
5000
50
100
10000
200
300
