Qué es y cómo se calcula el NPSHdisp de una bomba centrífuga

2.010
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Sobre el blog

Miguel Angel Monge Redondo
Ingeniero Técnico Agrícola por la UPM. Colegiado. He trabajado en diversas organizaciones públicas y privadas (Consejería de Agricultura de Castilla-La Mancha, TRAGSA, Uralita Sistemas de Tuberías...) Actualmente dirijo el consulting técnico HUTECH.
2010

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  • Qué es y cómo se calcula NPSHdisp bomba centrífuga

Una bomba centrifuga es una maquina hidráulica compuesta por un impulsor o rodete que, accionado desde el exterior mediante un motor, transmite al líquido la energía necesaria para obtener una presión determinada. La bomba centrífuga está basada en un principio muy simple: el líquido se dirige al centro del impulsor y por medio de la fuerza centrífuga lo arroja hacia la periferia de los álabes canalizándose en el difusor de salida.


Fig. 1 Bomba centrífuga: sentido en el que circula el agua y componentes esenciales.


NPSH son las siglas formadas con las iniciales de la frase anglosajona: Net Positive Suction Head. En castellano se traduce como altura neta positiva de aspiración y se trata de la diferencia entre la presión del líquido en el eje del impulsor y la presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo, o dicho de otra forma, es la presión absoluta mínima que debe haber a la entrada de la bomba para evitar fenómenos de cavitación, y representa una de las características más importantes para una bomba.

Si la bomba opera con una aspiración excesiva, la presión a la entrada puede disminuir hasta llegar a alcanzar la tensión de vapor del agua. Se desprenderían entonces burbujas de vapor que, cuando la presión se recupera, explotarían violentamente ocasionando graves daños en los mecanismos de la bomba. El asunto de la presión negativa que origina la formación de burbujas de vapor en el agua y la cavitación lo traté en la entrada sobre las presiones negativas en tuberías.

La zona de la bomba con menor presión es la sección de entrada, la boca de aspiración, justo antes de los álabes del impulsor o rodete. Una vez que el fluido llega a los álabes empieza a aumentar su presión a medida que recorre el impulsor hasta el difusor de salida. Es por ello que la erosión producida por la cavitación se localiza justo en el inicio de los álabes, cuando se empieza a recuperar la presión y las burbujas de vapor explotan.


Fig. 2 Daños graves producidos en rodetes y álabes debido a la cavitación.


Distinguiremos entre NPSH de la instalación o disponible (NPSHdisp) y NPSH de la bomba o requerido (NPSHreq)

Para que una bomba funcione sin cavitación debe de cumplirse la relación siguiente, en la que se añade 0,5 metros de seguridad:

NPSHdisp ≥ NPSHreq + 0,5

NPSH de la bomba o requerido (NPSHreq)

El valor de NPSHreq solamente depende de las características de la bomba y no de las características de la instalación. Es variable para cada bomba, siempre es positivo y cambia según el caudal y el número de revoluciones del motor. Los valores y las curvas son suministrados por la casa fabricante. El valor de NPSHreq informa sobre la capacidad de aspiración de una bomba en un punto determinado de su curva característica de funcionamiento: cuanto menor es el valor de NPSHreq tanto mayor es su capacidad de aspiración.

NPSH de la instalación o disponible (NPSHdisp)

El valor de NPSHdisp depende de las características de la instalación y equivale a la reserva total de presión por encima de la tensión de vapor del fluido y que se encuentra disponible en la zona de la brida de aspiración de la bomba. Debemos de calcularlo. Este valor resume en un sólo concepto todas las características de la instalación que influyen en la altura de aspiración de una bomba.

Una instalación de bombeo puede serlo en aspiración o bien en carga, dependiendo de si el nivel de líquido a bombear se sitúa por debajo o por encima del eje de la bomba. La siguiente figura ayudará a aclararlo.


Fig. 3 Ejemplos de instalación de bombeo en carga y en aspiración (catálogo bombas ESPA)


El cálculo de NPSHdisp se puede realizar mediante las siguientes fórmulas.

Si la instalación es en carga:

Para una instalación en aspiración:

Donde,

pl es la presión sobre el líquido en el depósito de aspiración. Si el agua que se bombea se almacena al aire libre, pl será la presión atmosférica. Este valor depende de la altura como se verá más adelante.

pv es la presión de vapor del líquido. La tensión de vapor o presión de vapor a una temperatura determinada equivale a la presión bajo la cual el agua comienza a desprender burbujas. En la tabla siguiente se dan los valores.

Tabla 1: “Valores de la tensión de vapor y de la densidad del agua según la temperatura”

1 bar =10 mca.

Aunque se dan los valores de densidad para el rango de temperaturas, en los cálculos se toma el valor único de 1.000 kg/m3 con independencia de la temperatura del agua.

ρ, la densidad del líquido, Para el agua es de 1.000 kg/m3

g, aceleración de la gravedad (9,81 m/s2)

Ha o altura de aspiración en metros

ha es la pérdida de carga que se produce en el tramo de la aspiración.

Se observa que la única diferencia entre las dos fórmulas de cálculo anteriores radica en el valor de la altura de aspiración (Ha). En los casos de instalación en carga este valor es positivo y para los casos de instalación en aspiración es negativo, ya que, para estos últimos, se trata de un factor evidentemente desfavorable, pues la máquina debe de vencer esta resistencia.

Ejemplo de cálculo de NPSHdisp

Se desea bombear agua a una temperatura de 10 °C contenida en un depósito al aire libre. La altura de aspiración es de 4 m y la presión atmosférica ejercida sobre la superficie del líquido es de 1 bar. La pérdida de carga en la línea de aspiración con válvula de retención se estima en 1,7 m.

A 10ºC de temperatura según vemos en la tabla 1, la tensión de vapor del agua es de 0,12 mca (0,012 bar)

Entramos en la fórmula:

Es decir, cualquier bomba con un valor NPSHreq < 3,9 m, puede ser utilizada en esta instalación (recordemos que hay que restar al NPSHdisp 0,5 metros por seguridad). La selección la realizaremos del catálogo del fabricante.

Las características del bombeo con lámina libre de agua cambian si la bomba se sitúa a una determinada altitud. La presión atmosférica se refiere normalmente a nivel del mar (10,33 mca o 760 mm de columna de mercurio), sin embargo, a medida que ascendemos, la presión atmosférica disminuye.

Para corregir el efecto de la altura que ejerce sobre la presión atmosférica puede utilizarse la siguiente expresión:

Siguiendo con el ejemplo anterior supongamos que la bomba se sitúa a una altura sobre el nivel de mar de 1.200 metros y el agua que se bombea se encuentre a 50ºC.

La tensión de vapor del agua a 50ºC es de 1,26 mca (véase la tabla 1).

Por otra parte como la bomba se sitúa a 1.200 metros de altitud, debemos de calcular la presión atmosférica para esa altura. Aplicamos la fórmula que acabamos de ver:

Ya podemos hallar el NPSH:

Para este caso se deberá elegir una bomba con un valor de NPSHreq < 1,7 m.

En las curvas características de los diferentes modelos de bombas del catálogo de los fabricantes encontraremos, entre otras, la curva del NPSHreq, tal y como se aprecia en la figura 4. La curva del NPSH requerido depende del caudal bombeado: a medida que aumenta éste, se incrementa la velocidad del fluido por la tubería y las pérdidas de carga son mayores, es decir, sube el NPSHreq y disminuye el NPSHdisp favoreciendo por tanto la aparición de la cavitación.


Fig. 4 Curva de NPSHreq. El valor del NPSH requerido se mide en metros (escala de la izquierda) y depende del caudal bombeado (catálogo bombas IDEAL)


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