El concepto de NPSH de las bombas

En este tutorial vamos a ver el concepto de NPSH de las bombas, incluyendo la cavitación así como las definiciones de NPSH requerido y disponible.

El autor de este post es Jorge Jiménez Mur.

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La cavitación

Recordemos que, en el Curso Nociones Prácticas de Flujo de Fluidos ya vimos cuales eran las propiedades de los fluidos que más se usaban cuando tratábamos con bombas de flujo. Entre ellas estaba la presión de vapor (P_vp), que es la presión a la cual un fluido comienza a evaporarse para una temperatura determinada.

Por tanto, cuando en alguna región del interior de la bomba, la presión estática cae por debajo de dicha presión de vapor, se formarán burbujas de vapor como resultado de la evaporación parcial del líquido. Cuando estás burbujas o cavidades llenas de vapor viajen a zonas de la bomba con presiones más altas que la presión de vapor, se producirá la condensación instantánea del vapor contenido en la burbuja.

Como resultado de este proceso, y dependiendo de la intensidad de la cavitación, las burbujas implosionan violentamente y se producen una serie de ondas de presión con efectos adversos sobre la bomba. Entre las consecuencias negativas de este fenómeno llamado cavitación están: la aparición de ruido y vibraciones, el bloqueo del flujo, la erosión y rotura de los elementos de bombeo, etc.

Figura 1. Visualización de la cavitación en el oído del impulsor

Hay que intentar por todos los medios que no ocurra la cavitación en las bombas a un nivel que la pueda dañar. Todo ello está muy relacionado con el concepto de NPSH que se define a continuación.

El concepto de NPSH

La palabra NPSH proviene de las iniciales en Inglés de Net Positive Suction Head. En idioma Español sería algo así como la Altura Neta Positiva de Aspiración, una combinación de palabras que se usa en algún caso, pero que siendo honestos nos suena bastante mal. De ahi que en nuestro idioma, lo más habitual sea usar el término NPSH tal cual.

Hay que abordar el NPSH de las bombas desde dos puntos de vista: el de la bomba y el del sistema de tuberías. A continuación, se definen los dos conceptos, es decir el del NPSH disponible en el sistema y el del NPSH requerido por la bomba.

Antes de adentrarnos más en este tema, recordemos el significado de los términos altura y presión desde el punto de vista del analisis dimensional. Vamos a hacer mención también al llamado plano de referencia del NPSH.

Significado de las alturas y presiones expresadas en términos de energía

En los flujos reales de líquidos, los términos de la ecuación de la energía se suele expresar habitualmente en unidades de longitud (altura H) o en un unidades de presión.

Hasta aquí muy bien, pero… ¿Y esto qué significa?

Pues significa que, cuando hablamos en términos de alturas H (expresadas en unidades de longitud), en realidad estamos hablando de energía del fluido por unidad de peso. Dimensionalmente queda:

\dpi{100} \fn_cm \large [H]=\frac { [F].[l] }{ [F] } =[l]

Siendo:

[F] ⇒ dimensión fuerza; en SI en (N)

[l] ⇒ dimensión longitud; en SI en (m)

Y que cuando hablamos en términos de presiones p (expresadas en unidades de presión), nos estamos refiriendo en realidad a energía del fluido por unidad de volumen. En términos dimensionales sería:

\dpi{100} \fn_cm \large [p]=\frac { [F].[l] }{ [{ l }^{ 3 }] } =\frac { [F] }{ { [l }^{ 2 }] }

Tenemos que conseguir visualizar esta ecuación de forma práctica, cada vez que nos enfrentemos a un caso real. Tal y como les digo a mis colegas de Empresarios Agrupados, te aseguro que es algo imprescindible…

El plano de referencia del NPSH ó datum

Las condiciones de operación en la succión de la bomba a considerar para el NPSH, están referidas al plano de referencia llamado en Inglés el NPSH datum plane. Este plano de referencia del NPSH coincide con el plano radial que une los puntos externos de la entrada de álabes del impulsor.

NPSH disponible ó NPSHA

Se define el NPSH disponible (NPSHA) como la altura total de succión absoluta (H_ats), por encima de la altura de presión de vapor (H_vp) del líquido en las condiciones de operación en el plano de referencia de NPSH.

Es evidente por tanto, que el NPSH disponible está determinado por el sistema de tuberías.

Por cierto, el acrónimo NPSHA viene del término en Inglés NPSH available. De ahí sale la A que se le añade al final.

Como hablamos de alturas o presiones absolutas, en la ecuación se añade el término de altura correspondiente a la presión atmosférica (H_atm).

\dpi{100} \fn_cm \large NPSHA=({ H }_{ atm }+{ H }_{ ts })-{ H }_{ vp }=\frac { { (p }_{ atm }+{ p }_{ ts })-{ p }_{ vp } }{ \rho .g }

siendo:

Patm – ⇒ presión atmosférica absoluta; (Pa)

Pts – ⇒ presión total relativa en la succión de la bomba; (Pa)

Cálculo del NPSHA para un sistema dado

Calculemos el NPSHA del sistema representado:

La presión total relativa en la succión es igual a:

\fn_jvn { p }_{ ts }={ p }_{ il }+{ \rho .g.\Delta z }_{ s }+\frac { { \rho v }_{ s }^{ 2 } }{ 2 } -{ { \Delta p }_{ s } }

siendo:

p_il⇒ presión manométrica en la superficie del fluido (=0 si es la atmosférica) ; (Pa)

Vs ⇒ velocidad del fluido en la succión de la bomba; (m/s)

(DPs) ⇒ pérdidas de presión en la tubería de succión; (Pa)

Ten en cuenta que la altura de succión puede ser positiva como se representa en la figura o negativa si está situado por debajo del plano de NPSH. Añadiremos el signo (±) en la ecuación general del NPSHA.

Combinando las 2 ecuaciones anteriores:

\dpi{100} \fn_jvn NPSHA=\frac { { p }_{ atm } }{ \rho .g } +\frac { { p }_{ il } }{ \rho .g } \pm { \Delta z }_{ s }+\frac { { v }_{ s }^{ 2 } }{ 2.g } -{ h }_{ s }-\frac { { p }_{ vp } }{ \rho .g }

Medición del NPSHA

De acuerdo con HI 9.6.1 Guideline for NPSH Margin, la altura total de succión en el plano de NPSH es igual a la suma de las alturas correspondientes a la presión que mide el manómetro, la elevación del centro del manómetro por encima del plano de NPSH y la energía cinética. Por tanto:

\dpi{100} \fn_cm \large NPSHA=\frac { { p }_{ atm } }{ \rho .g } +(\frac { { p }_{ gs } }{ \rho .g } +{ z }_{ s })+\frac { { v }_{ s }^{ 2 } }{ 2.g } -\frac { { p }_{ vp } }{ \rho .g }

Definición de NPSH requerido ó NPSHR

Se define al NPSH requerido (NPSHR) cómo un valordado por el fabricante, para alcanzar determinado comportamiento de la bomba dados el caudal, la velocidad de giro y el líquido bombeado.

Para evitar que aparezcan daños por la cavitación, el NPSHA deberá ser siempre mayor que el NPSHR.

¿Cuánto mayor? Para ello existen los conceptos de margen y ratio de NPSH, que veremos en un curso especialmente dedicado al NPSH.

En dicho curso se verá que estos márgenes varían en función del tipo de bomba y de la aplicación en la que se utilice la misma. También se definirán los conceptos de NPSHR al 0%, el NPSHR al 1% y el universalmente usado NPSHR al 3% o NPSH3.

Resumen y conclusiones

Hemos analizado el concepto de NPSH y la relación tan importante que tiene con el fenómeno de la cavitación en las bombas. Y que hay que intentar por todos los medios posibles que no ocurra la cavitación en las bombas a un nivel que pueda provocar daños.

También hemos visto la definición del NPSHA y NPSHR. Que debe cumplirse que el NPSHA sea mayor que el NPSHR para evitar daños por la cavitación. No hemos hablado de cuánto mayor, ya que los conceptos de margen y ratio de NPSH se tratarán en un curso especialmente dedicado a este tema que preparemos próximamente. ¡Te avisaremos por las redes sociales!

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