Cálculo de NPSH: un paso

May 19, 2023

Este es el primer artículo de una serie de cinco partes.

En el mundo de la psicología y específicamente en el área de las cuestiones introspectivas, se suele afirmar que “lo que resistes persistirá”.

Lo has escuchado antes, y aquí vamos de nuevo. Supuestamente, el concepto más incomprendido en el mundo de las bombas es la cabeza de succión positiva neta (NPSH). He escrito varios artículos sobre el tema y también lo han hecho muchos otros técnicos o ingenieros de bombas y los llamados expertos.

El propio nombre NPSH, un acrónimo, confunde a la mayoría de los neófitos de la bomba. El tema y los cálculos requeridos confunden a las personas que son nuevas en la industria, las que están en la periferia (operadores o administradores) y los profesionales que creen incorrectamente que entienden completamente el tema incluso después de 25 años en el negocio.

Sugiero que debemos preocuparnos por este problema, porque los errores con respecto a los cálculos del NPSH disponible (NPSHa) son demasiado frecuentes y costosos de corregir.

Una de las partes divertidas de mi puesto es enseñar en varias escuelas de bombas por año y dedicar una parte importante del curso al tema de comprender el concepto de NPSH y cómo completar los cálculos. En el proceso de enseñanza, cubro los cinco ejemplos principales que probablemente encontrará en aplicaciones industriales normales. Los ejemplos están adaptados del capítulo 1 del "Libro de datos hidráulicos de Cameron".

Explicaré estos cinco ejemplos primero en esta columna y durante los próximos cuatro meses con la intención básica y optimista de que una vez que aprenda estos cinco ejemplos y algunas variaciones de cada uno, podrá manejar las aplicaciones que se encuentran en el mundo real. Entre ahora y el Día de Acción de Gracias, es posible que desee leer y archivar las cinco columnas como referencia útil. Como antecedentes, vuelva a examinar dos de mis columnas anteriores sobre el tema, una de Pumps & Systems de agosto de 2015 y la otra de abril de 2018.

La cabeza de succión neta positiva es la cabeza de succión total en pies de líquido (o metros), menos la presión de vapor (en pies o metros) del líquido que se bombea.

Piense en la cabeza como un nivel de energía y no como una presión similar a una fuerza. Todos los valores son absolutos.

NPSHa se mide en la línea central de la bomba o en el ojo del impulsor. Estas dos cosas pueden estar en diferentes lugares o elevaciones. Piense en NPSHa como el nivel de energía disponible del líquido en la entrada de la bomba o en el ojo del impulsor. El líquido se vaporizará si no hay suficiente NPSHa. No confunda NPSHa con presión de succión. Si bien la presión de succión es de alguna manera un componente de la mezcla, hay algo más complejo en la historia.

NPSHa es la cantidad de NPSH que el sistema tiene disponible en el ojo del impulsor de la bomba. Este valor de NPSHa depende completamente del líquido, sus propiedades, las condiciones ambientales y el diseño y la geometría del sistema de succión. Esencialmente, el cálculo es sobre el sistema de succión en sí y no tiene nada que ver con la bomba. Este cálculo debe ser completado por el propietario del sistema, el usuario final y/o su ingeniero o consultor. Por motivos de responsabilidad, normalmente se indica a los fabricantes que no participen en los cálculos de los clientes; sin embargo, a medida que pasa el tiempo, el fabricante se está involucrando más, principalmente en un tema de conservación.

El NPSH requerido (NPSHr) generalmente lo determina el fabricante de la bomba mediante métodos empíricos y utilizando estándares y especificaciones del Instituto Hidráulico (HI). Los valores de NPSHr normalmente se informan en las curvas de rendimiento de la bomba.

Tenga en cuenta que NPSHr y NPSH3 son esencialmente lo mismo. En el punto de operación dado de cabeza y flujo, la bomba ya está cavitando levemente debido a un NPSH insuficiente y la cabeza desarrollada ha caído un 3 por ciento mientras que la tasa de flujo está fija en algún valor.

El margen de NPSH es cuánto supera el valor de NPSHa al NPSHr. Hay pautas para los márgenes recomendados o adecuados, y digo que cuanto mayor sea el margen, mejor. Consulte ANSI/HI 9.6.1-2012 para obtener más información sobre este tema.

Me gusta pensar en las fórmulas como mis "amigos" porque una vez que sé cuál es la fórmula correcta que debo usar, simplemente puedo completar los valores de los términos o componentes de la fórmula, completar los pasos matemáticos y llegar a la respuesta correcta. En la universidad, nos referimos a este proceso como "enchufar y tragar". Algunos amigos me han dicho que en el momento en que hago referencia a una fórmula en clase o en mis artículos, ¡pierdo el 50 por ciento de mi audiencia! Entonces, para aquellos de ustedes que se resisten y odian las fórmulas, tal vez deberían estudiar la Imagen 1 por unos momentos y ver qué está pasando allí antes de que nos acerquemos a la fórmula.

En la Imagen 1, tenemos un tanque de agua clara a temperatura ambiente (68 F, lo que también significa que la gravedad específica será de 1,0) y está abierto a la presión atmosférica. Aquí, el tanque y el sistema de bombeo están a una altura cercana al nivel del mar. La superficie superior del nivel del agua en el tanque está a 10 pies por encima de la línea central de la bomba. Llamamos a esto una "succión inundada" porque la fuente del líquido está por encima del impulsor de la bomba. Hay tubería de tamaño adecuado desde el tanque hasta la succión de la bomba con un codo y una válvula de aislamiento completamente abierta. Supondremos que el nivel del agua permanece constante a 10 pies para el ejemplo, pero en el mundo real querrá calcular el NPSHa para las peores condiciones, que probablemente estarán en un nivel más bajo.

En este punto, solo con la información que te he dado de la figura, tienes todos los datos que necesitas para calcular el NPSHa, excepto la cabeza de fricción. Para este primer ejemplo, calcularé la cabeza de fricción para simplificar el problema. Ignoraremos la cabeza de velocidad ya que el valor es normalmente pequeño.

En ejemplos futuros, discutiremos los métodos de cálculo de la cabeza de fricción, y también calcularé y mostraré cómo la cabeza de velocidad puede afectar el resultado o no.

Para calcular NPSHa, necesita saber:

Volviendo a la fórmula (sí, la deslicé en el artículo).

Como se mencionó anteriormente, tiene la información para completar estos cuatro componentes con números reales y completar el cálculo para determinar NPSHa.

El primer componente de la ecuación (ha) representa el valor de la presión absoluta sobre el tanque de agua abierto. Anteriormente se dijo que el sistema está al nivel del mar.

El líquido en el tanque abierto está sujeto a la presión atmosférica. Al nivel del mar, se puede suponer que la presión atmosférica está cerca de las 14,7 libras por pulgada cuadrada absoluta (psia) o 0 psi manométrica (psig).

Tenga en cuenta que las variaciones en la presión atmosférica pueden afectar y afectarán el valor de NPSHa.

Ahora solo necesita convertir la presión atmosférica de psia a pies de cabeza. Multiplique 14,7 por 2,31 y el resultado es 33,957 pies, redondeando a 34 pies. El valor del primer componente de la ecuación es 34 pies.

Cubriremos los efectos de las elevaciones más altas y el vacío en artículos posteriores.

El segundo componente de la ecuación es hvpa, o la presión de vapor del líquido a esta temperatura dada de 68 F. Para obtener el valor de la presión de vapor, simplemente búsquelo en un libro de referencia como el "Libro de datos hidráulicos de Cameron". El valor (presión absoluta de vapor saturado) normalmente se dará en unidades de psia, variará directamente con la temperatura y también es diferente para cada tipo de líquido.

El valor que debe obtener de su búsqueda es 0,33889 psia. Multiplica ese número por 2,31 para convertirlo a cabeza en unidades de pies. Obtendrás el valor de 0.7828 pies. Redondearemos a 0.783 pies. Ahora tiene el segundo valor en la ecuación: 0.783 pies.

El tercer componente de la ecuación es la carga estática (hst). Esta es una medida vertical desde la superficie del líquido hasta la línea central de la bomba (ojo del impulsor). Recuerde calcular el peor de los casos (el nivel más bajo esperado). En nuestro ejemplo, se indicó que la altura estática es de 10 pies. No es necesario convertir ya que ya está en las unidades correctas. Ahora tiene el valor del tercer componente de la ecuación: 10 pies.

El cuarto componente (hf) en la ecuación es la pérdida por fricción en la tubería, que previamente proporcioné en un valor de 3,2 pies. Ahora tiene los cuatro valores para calcular la respuesta.

Tenga en cuenta que el factor de fricción dado de 3,2 pies es una función de las propiedades del líquido, el caudal y los materiales y la geometría de la tubería (sistema de succión). Debe comprender en términos simples que para una tasa de flujo de líquido dada, habrá pérdidas por fricción para la longitud de la tubería, el codo, la válvula, la pérdida de salida del tanque (transición grande a pequeña) y la pérdida de entrada a la bomba ( cambio de diámetro desde la tubería hasta la boquilla de la bomba). Abordaremos algunos aspectos fundamentales de la fricción de tuberías en los ejemplos posteriores en los próximos meses.

Por último, recuerde que no estamos abordando el quinto factor de la fórmula, que es la cabeza de velocidad (hvel). En un sistema diseñado correctamente (con líquidos newtonianos en una aplicación sin lodos), el valor de la cabeza de velocidad normalmente será inferior a 1 pie.

El valor para el componente de cabeza de velocidad es positivo.

Por ahora, tenemos los cuatro valores necesarios para completar los componentes y calcular la respuesta para NPSHa.

Todas las unidades están en pies. Las presiones están en valores absolutos.

Trabaje con el ejemplo para ver si obtiene el mismo valor o uno similar.

El próximo mes, calcularemos NPSHa para una condición de elevación. Léalo aquí.

En ediciones posteriores, veremos los efectos de las grandes alturas, los líquidos calientes, los hidrocarburos y los tanques de succión presurizados. También abordaremos las condiciones de succión bajo vacío.

ReferenciasLibro de datos hidráulicos de Cameron, 16.ª edición

Para leer otros artículos en la columna 'Errores comunes de bombeo', vaya aquí.

Jim Elsey es un ingeniero mecánico que se ha centrado en el diseño y las aplicaciones de equipos rotativos para el ejército y varios grandes fabricantes de equipos originales durante 47 años en la mayoría de los mercados industriales de todo el mundo. Elsey es miembro activo de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos, la Asociación Nacional de Ingenieros de Corrosión y la Sociedad Estadounidense de Metales. Es el gerente general de Summit Pump Inc. y el director de MaDDog Pump Consultants LLC. Se puede contactar a Elsey en [email protected].