CAVITACIÓ - Biblioteca Central de la Universidad...

CAVITACIÓ N

Mg. Amancio R. Rojas Flores

Mg. ARRF 1

Las bombas centrífugas funcionan con normalidad si la presión absoluta a la entrada del rodete no está

por debajo

de un determinado valor.

1.-

CAVITACIÓN EN BOMBAS CENTRÍFUGAS

Cuando el líquido a bombear se mueve en una región donde la presión es menor que su presión de vapor, vaporiza en forma de burbujas en su seno, las cuales son arrastradas junto con el líquido hasta una región donde se alcanza una presión más elevada y allí

desaparecen;

a este fenómeno se le conoce como cavitación, cuyas consecuencias se describen a continuación.

Mg. ARRF 2

Si a la entrada del rodete la presión es inferior a la presión parcial del vapor pv

se forman las burbujas de vapor que:

Disminuyen el espacio utilizable para el paso del líquido

Perturban la continuidad del flujo debido al desprendimiento de gases y vapores disueltos

disminuyendo el caudal, la altura manométrica, el rendimiento de la bomba, etc.

Mg. ARRF 3

Estas burbujas en su recorrido dañan los conductos de paso del líquido en el tubo de aspiración y llegan a una zona en el rodete, de presión superior a la presión de vapor, en la que, instantáneamente, toda la fase de vapor pasa a líquido, de forma que el volumen de las burbujas pasa a ser ocupado por el líquido, en forma violenta, que se acompaña de ruidos y vibraciones, lo cual se traduce en un golpeteo sobre los álabes, que se transmite al eje, cojinetes, cierres mecánicos, etc.

Si la bomba funciona en estas condiciones durante cierto tiempo se puede dañar; la intensidad del golpeteo a medida que disminuye la presión absoluta a la entrada del rodete, se aprecia claramente en las curvas características de la bomba,

Mg. ARRF 4

Fig. 1.-

Disminución brusca de las curvas características por el efecto de la cavitación en una bomba centrífuga

Mg. ARRF 5

La presión mínima tiene lugar en el punto M, cerca de la entrada del rodete, por lo que la altura del tubo de aspiración Ha

de la bomba centrífuga viene limitada por la cavitación.

Lo más frecuente es que al final del tubo de aspiración, en la brida de aspiración E, exista una depresión y que la presión siga disminuyendo desde E

hasta el rodete, punto M

(presión

mínima), zona que se encuentra a la entrada al mismo, siendo ΔPEM

la pérdida de carga correspondiente entre E y M.

A partir del punto M

el fluido comienza a notar la influencia del rodete que le comunica una energía cinética relativa ,

aumentando bruscamente su presión, y originándose el fenómeno de golpeteo y vibraciones.

gw 2/21

Mg. ARRF 6

Fig. 2.-

Campo de presiones en la aspiraciónMg. ARRF 7

La energía o altura específica del líquido entre el final del tubo de aspiración (brida de aspiración E) y entrada en el rodete impulsor, también llamada energía o altura bruta disponible,

en condiciones de rendimiento máximo, es:

Altura bruta disponible:EM

MEE pg

cpg

vp Δ++=+22

21

2

γγ

EMEME p

gvcpp Δ+−=−

2

221

γ

Mg. ARRF 8

Para que a la entrada del rodete se presente la cavitación es necesario que la presión (pM = p1) sea igual o menor que la presión parcial de vapor del líquido pV

a la temperatura correspondiente.

Para cada caudal, en el tubo de aspiración existe una presión mínima por encima de la presión de vapor pv; por debajo de este valor de pv la bomba cavitará; ésta presión se puede expresar en metros de columna de líquido (altura neta de entrada en la bomba) y se denomina altura neta de succión positiva NPSH, Net Positive Suction Head que, teóricamente, para una bomba dada y un caudal dado, es constante.

Mg. ARRF 9

ALTURA NETA DE ENTRADA DISPONIBLE, NPSHd.-

Afecta al tubo de aspiración y para su cálculo se parte de la energía bruta disponible que tiene el flujo a la entrada de la bomba, que se obtiene aplicando la ecuación de Bernoulli entre la entrada del tubo de aspiración, punto O (nivel inferior del líquido), y el final del mismo, punto E, en la forma:

aspaEEoo pHg

vpg

vp Δ+++=+22

22

γγLa altura bruta disponible en la brida de aspiración (entrada de la bomba), en función de los parámetros del tubo de aspiración es:

aspaoEE pHp

gvp Δ−−=+

γγ 2

2

aspaatmEE pHp

gvp Δ−−=+

γγ 2

2

en la que se ha supuesto que la variación del nivel del líquido es nulo, por lo que Vo

= 0, siendo en general, po

= patm

.Mg. ARRF 10

Como el líquido a bombear tiene una determinada presión de vapor pv

la energía bruta anterior sólo es utilizable hasta dicha presión pv , a partir de la cual aparece la cavitación, por lo que se define la altura neta disponible a la entrada de la bomba NPSHd de la forma:

γγγv

aspaatmv

dppHppbrutaalturaNPSH −Δ−−=−=

21qkHppNPSH aspa

vatmd −−−==

γque representa una familia de parábolas, Fig.3,

En depósitos a presión se sustituye patm

por po

, valor que hay que interpretar según el tipo de gas o vapor en contacto con el líquido.

al ser 21qkp aspasp =Δ que no es más que la curva característica del

tubo de aspiración, siendo independiente del tipo de bomba instalada

Mg. ARRF 11

Fig.3.-

Altura neta de entrada disponible

Mg. ARRF 12

ALTURA NETA DE ENTRADA REQUERIDA, NPSHr

Si se supone que los puntos E

y M

están al mismo nivel y teniendo en cuenta que pv

es la presión mínima que se puede tener en el punto 1,

la altura bruta en la brida de aspiración (entrada de la bomba), en función de los parámetros a la entrada del rodete es:

Altura bruta disponible: EMEE p

gcp

gvp

Δ++=+22

211

2

γγ

EMv p

gcpAbd Δ++=2

21

γ

Mg. ARRF 13

La bomba necesita que el líquido disponga en la posición E, (brida de aspiración), de un mínimo de energía que le permita hacer el recorrido de E

a M

sin que aparezca cavitación; esta presión mínima, cuyo límite es pv, es la que se tiene a la entrada del rodete, en el momento en que

éste

comienza a comunicar al líquido la presión p1.

La altura neta requerida a la entrada del rodete; es la diferencia entre la altura manométrica de aspiración en la brida de aspiración y la presión de vapor del líquido en ese mismo punto, a la temperatura de succión, en la forma:

Fig.4.-

Altura neta de entrada requerida

Mg. ARRF 14

γγγγv

EMvEvEv

rpP

gcp

gvpppbrutaalturaNPSH −Δ++=+−=−=

22

21

2

EMr Pg

cNPSH Δ+=2

21

La altura bruta disponible se puede poner en la forma:

rvEE NPSHp

gvpAbd +=+=

γγ 2

2

Es conveniente que el NPSHr

sea lo menor posible, es decir, que (C1

→

0), para que la longitud del tubo de aspiración sea mayor, mientras que el NPSHd

tiene que ser lo mayor posible.

Mg. ARRF 15

ALTURA DE ASPIRACIÓN Ha

Si el NPSHr

tiene que ser pequeño, y el NPSHd

grande, su punto de intersección proporciona la altura de aspiración máxima Ha

Para su determinación se toma el caudal máximo previsto qmáx

(que es con el que más riesgo de cavitación existe) sobre el eje de caudales del gráfico suministrado por el fabricante de la bomba (fig. 5)

De las infinitas curvas NPSHd

que se pueden disponer en una instalación, función de la altura de aspiración Ha

, sólo una pasa por el punto A en donde NPSHd

= NPSHr , Fig.6,

Mg. ARRF 16

Fig.5.-

Datos de curvas de colina de rendimientos, potencia y NPSHr

de una bomba centrífuga

Mg. ARRF 17

Fig.6.-

Altura de aspiración máxima

Mg. ARRF 18

verificándose:máxaspa

vatmdr PHppNPSHNPSH Δ−−

−==

γ

rmáxaspvatm

a NPSHPppH −Δ−−

=γ

que es la máxima altura de aspiración teniendo en cuenta la cavitación, siendo aconsejable disminuir dicha altura en 0,5 m para asegurarse de que ésta no se produzca:

5.0−−Δ−−

= rmáxaspvatm

a NPSHPppHγ

valor que no superará

los 6,5 m pudiendo resultar mucho más pequeña e incluso negativa, por encima del eje de la bomba.

Mg. ARRF 19

Para evitar la cavitación es necesario que:

rvEE NPSHp

gcp

≥−+γγ 2

2

rd NPSHNPSH ≥ ésta comenzará

a manifestarse cuando sean iguales.

Cuanto más pequeño sea el NPSHr

, tanto más estable será

la bomba en lo que respecta a la cavitación.

Mg. ARRF 20

COEFICIENTE DE THOMA

Se define el coeficiente σ

de cavitación de Thoma como la relación entre el NPSHr

y la altura manométrica máxima Hman (máx)

correspondiente al rendimiento manométrico máximo.

m

r

HNPSH=σ

La altura del tubo de espiración es:

máxmanaspvatm

a HPppH σγ

−Δ−−==

Según Stepanoff, el coeficiente de Thoma se puede calcular, aproximadamente, por la expresión:

3/441014,2 snx −=σ

La semejanza dinámica queda garantizada si el coeficiente de Thoma es el mismo en el modelo y en el prototipo, es decir, en toda la serie de bombas geométricamente semejantes entre sí.

Mg. ARRF 21

Fig .7.-

Coeficiente de cavitación de las bombas centrífugas en función del nº

específico de revoluciones

Mg. ARRF 22

Mg. ARRF 23

Pv y Pa:

SUCCION DE LA BOMBA

0 0.06210 0.12520 0.23830 0.43240 0.75250 1.25860 2.03170 3.17780 4.82990 7.149100 10.332

TEMPERATURA º C Pv (m) ALTITUD

msnm0 10.33

500 9.731000 9.131500 8.532000 8.002500 7.573000 7.053500 6.624000 6.204500 5.785000 5.37

Pa (m)

Mg. ARRF 24

CURVAS DE BOMBAS CENTRIFUGAS:

•La Altura ( H ), la Eficiencia (η), el NPSH requerido (NPSHr) y la Potencia Absorbida (P) están en función del Caudal (Q) .

•Estas curvas se obtienen ensayando la bomba en el Pozo de Pruebas.

CURVAS DE BOMBAS CENTRIFUGAS

Mg. ARRF 25

CURVA DE UNA BOMBA:

(%)H-Q

P

H(m)

Q ( L / S )

MR

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 1400

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

320

050100150200250300(HP)P

20304050607080

12HQRL-11

D=203.41750-RPM


Mg. ARRF 26

CURVA DE UNA BOMBA:

MODELO DE LA BOMBA

(%)H-Q

P

H(m)

Q ( L / S )

MR

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 1400

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

320

050100150200250300(HP)P

20304050607080

12HQRL-11D=203.4

1750-RPM


Mg. ARRF 27

CURVA DE UNA BOMBA:

VELOCIDAD

(%)H-Q

P

H(m)

Q ( L / S )

MR

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 1400

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

320

050100150200250300(HP)P

20304050607080

12HQRL-11

D=203.41750-RPM


Mg. ARRF 28

CURVA DE UNA BOMBA:

(%)H-Q

P

H(m)

Q ( L / S )

MR

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 1400

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

320

050100150200250300(HP)P

20304050607080

12HQRL-11

D=203.41750-RPM

CURVA H-Q


Mg. ARRF 29

CURVA DE UNA BOMBA:

CURVA DE EFICIENCIA

(%)H-Q

P

H(m)

Q ( L / S )

MR

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 1400

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

320

050100150200250300(HP)P

20304050607080

12HQRL-11

D=203.41750-RPM


Mg. ARRF 30

CURVA DE UNA BOMBA:

CURVA DE POTENCIA

(%)H-Q

P

H(m)

Q ( L / S )

MR

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 1400

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

320

050100150200250300(HP)P

20304050607080

12HQRL-11

D=203.41750-RPM


Mg. ARRF 31

CURVA DE UNA BOMBA:

DIAMETRO

(%)H-Q

P

H(m)

Q ( L / S )

MR

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 1400

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

320

050100150200250300(HP)P

20304050607080

12HQRL-11

D=203.41750-RPM


Mg. ARRF 32

NPSHrequerido:

SUCCION DE LA BOMBA

H(m)

Q ( L / S )

MR

(%)

H-Q

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 1400

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

320

050100150200250300(HP)P

20304050607080

12HQRL-11

D=203.41750-RPM

(m) (ft)NPSH

30

20

10

0

108642

NPSRreq

Mg. ARRF 33

ESQUEMA DE INSTALACION:

SUCCION DE LA BOMBA

VALVULACOMPUERTA

VALVULA DERETENCION

VALVULACOMPUERTA

INSTALACION CON SUCCION POSITIVA

Mg. ARRF 34

ESQUEMA DE INSTALACION:

SUCCION DE LA BOMBA

COMPUERTAVALVULA DE

RETENCIONVALVULA DE

CONEXION PARAEL SUMINISTRODE CEBADO

INSTALACION CON SUCCION NEGATIVA

Mg. ARRF 35

SELECCION DE UNA BOMBA CENTRIFUGA

Mg. ARRF 36

INFORMACION REQUERIDA:

1. DEFINIR LA APLICACIÓN2. CAUDAL A MOVER3. ALTURA A DESARROLLAR4. NPSH DISPONIBLE5. CARACTERISTICAS DEL LIQUIDO6. VELOCIDAD DE BOMBA7. FORMA DE LAS CURVAS DE OPERACION8. CONSTRUCCION


Mg. ARRF 37


EFICIENCIA ( η%)

CAUDAL (Q)ALTURA (ADT)

CONDICIONES DE OPERACION

EJE LIBRE MONOBLOCK

BOMBA HORIZONTAL

TURBINA VERTICAL SUMERGIBLE

BOMBA DE POZO PROFUNDO

CONDICIONES DE INSTALACION

PAUTAS DE SELECCION

Mg. ARRF 38

SELECCION DE UNA BOMBA CENTRIFUGA EJE LIBRE

LIQUIDO

:

AGUA LIMPIA A 30°CCAUDAL

:

15 l/s

ADT

:

35 m

CONDICIONES DE OPERACION:

Mg. ARRF 39

SELECCION DE UNA BOMBA

ABACO DE SELECCION A 3600 RPM:

80

(50)40-250

CAUDAL U.S. GPM

(8.5)

CAUDAL LITROS / SEGUNDO

50 32-160L

100.5

15

20

30

40METROSALTURA

21 3 4 5

(6)

32-125(12)

ABSORBIDO(X) HP MAXIMO

3600 RPM

6070

9080

100

160

120140

200180

250

10

32-160

20 40 60

(15) 65-160(44)

6 87 109 20 30

(12)40-125

65-160(26)

50-125(17)

6040 50 80

80

40

60

100

150

600

65-250(130)

40-160

(36)40-200

(48)50-200

(80)50-250

200100 400

800ALTURA

65-200(95)

PIES

200

300

500

400

600

1000800

Mg. ARRF 40

SELECCION DE UNA BOMBA

CURVA INDIVIDUAL BOMBA 50 -

125:

149

141125

110

5055

60

65

70.5

6769

707069

67%65605550

Ø149

Ø141

Ø125

Ø110

N(HP)151052

50-125n = 3480 RPM

30

20

10

0

(m)NPSH

(ft)108642

(m)H

(ft)H

Q ( l / s )

Q ( U.S.gal / min)

50160

140

120

100

80

60

40

3002001000

40

30

20

10

2520151050

CAUDAL

:

15 l/sADT

:

35 mEFICIENCIA :

69%POTENCIA ABS.:

10.1 HPPOT. MAXIMA:

13 HPVELOCIDAD

:

3480 RPMDIAM. IMPULSOR:

141 mmNPSHr

:

3 m

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