Coloque el recipiente de alimentación por encima de la bomba e instale la bomba lo más abajo que resulte práctico. La distancia vertical entre el nivel de líquido operativo más bajo del recipiente o la salida inferior y la boquilla de succión de la bomba debe maximizarse. Esta elevación proporciona carga estática de líquido, aumenta la NPSH Disponible (NPSHₐ) y mantiene la presión de succión por encima de la presión de vapor del líquido. Las bombas y los equipos de control del lado de succión pueden permanecer a nivel del suelo o cerca de una plataforma accesible, mientras que los recipientes de alimentación, rehervidores, condensadores y otras fuentes de succión se elevan.
El principio básico de disposición es sencillo: coloque la fuente de líquido arriba y la bomba abajo, y luego verifique que la NPSHₐ resultante supere la NPSH Requerida (NPSHᵣ) de la bomba en todo el rango operativo.
Por qué la elevación de los equipos evita la cavitación
La carga estática aumenta la presión de succión
La columna de líquido situada sobre la bomba crea presión hidrostática en la boquilla de succión. Una mayor distancia vertical entre el nivel de líquido del recipiente y la entrada de la bomba produce más carga de presión disponible para resistir la formación de vapor.
Esto es especialmente importante para líquidos calientes, líquidos con alta presión de vapor y bombas con altos requisitos de NPSHᵣ.
La cavitación ocurre cuando la presión de succión es insuficiente
La cavitación comienza cuando la presión absoluta en la entrada de la bomba se aproxima o cae por debajo de la presión de vapor del líquido. Entonces se forman burbujas de vapor cerca de la entrada del impulsor y colapsan cuando el líquido alcanza regiones de mayor presión dentro de la bomba.
El colapso resultante de las burbujas puede causar ruido, vibración, erosión del impulsor, reducción del caudal y pérdida de presión de descarga.
La NPSH debe evaluarse en la entrada de la bomba
El criterio de diseño es:
[ NPSH_A > NPSH_R ]
donde la NPSHₐ es la carga disponible del sistema y la NPSHᵣ es la carga requerida por la bomba a un caudal especificado.
Una expresión simplificada del sistema de succión es:
[ NPSH_A = \frac{P_{\text{tank, abs}}}{\rho g}
- h
- h_f
- \frac{P_v}{\rho g} ]
Aquí, (P_{\text{tank, abs}}) es la presión absoluta en la superficie del recipiente, (h) es la elevación del líquido por encima de la succión de la bomba, (h_f) es la pérdida por fricción en la línea de succión y (P_v) es la presión de vapor del líquido a la temperatura de operación.
Cómo organizar el recipiente de alimentación y la bomba
Eleve el recipiente de alimentación
Eleve el recipiente de alimentación lo suficiente para que su nivel mínimo de líquido operativo permanezca por encima de la entrada de la bomba con la carga estática requerida. El cálculo debe utilizar el nivel de líquido más bajo creíble, no el nivel normal o máximo.
En recipientes que se vacían durante la operación, el nivel final utilizable puede ser la condición determinante para la NPSH.
Instale la bomba a una elevación baja
Ubique la bomba a nivel del suelo, en una zona inferior de equipos o en un foso cuando resulte práctico y seguro. Bajar la bomba aumenta la carga vertical de líquido sin requerir un recipiente más alto.
La bomba debe permanecer accesible para inspecciones, sustitución de sellos, alineación y otras actividades de mantenimiento.
Mantenga la línea de succión corta y directa
Disponga las tuberías de succión con una longitud mínima, pocos accesorios y sin cambios innecesarios de dirección. Las pérdidas por fricción reducen directamente la NPSHₐ, por lo que la línea de succión generalmente debe ser más grande y menos restrictiva que la línea de descarga.
Evite los tramos horizontales largos siempre que sea posible, especialmente cuando requieran múltiples codos o coladores.
Evite las restricciones en el lado de succión
Una válvula de control, una válvula de aislamiento parcialmente cerrada, un colador subdimensionado o un filtro obstruido pueden crear una caída de presión considerable antes de la bomba. Estas restricciones reducen la presión disponible en el ojo del impulsor y pueden iniciar la cavitación incluso cuando el recipiente está elevado.
Las válvulas de aislamiento deben estar completamente abiertas durante la operación, y los coladores deben seleccionarse y mantenerse para obtener una baja pérdida de presión.
Proporcione una ruta de succión continuamente ascendente o autoventilada
La disposición de succión debe evitar puntos altos donde pueda acumularse vapor. En líquidos cercanos a su punto de ebullición, el vapor atrapado puede interrumpir el flujo y producir síntomas similares o peores que los de la cavitación convencional.
La geometría de las tuberías debe permitir que la bomba y la línea de succión permanezcan inundadas en condiciones normales de operación.
Confirmación de la elevación requerida
Calcule la NPSH en la peor condición operativa
Evalúe la NPSHₐ utilizando la temperatura de líquido más alta prevista, la presión más baja del recipiente, el nivel de líquido más bajo, el caudal máximo y las pérdidas previstas en la línea de succión. Estas condiciones generalmente generan el margen menos favorable.
Para un recipiente presurizado, utilice la presión absoluta, no la presión manométrica, en el cálculo de NPSH.
Compare con la curva de la bomba
Obtenga la curva de NPSHᵣ del fabricante para la bomba seleccionada y compárela con la NPSHₐ calculada en cada caudal relevante. La NPSHᵣ suele cambiar con el caudal, por lo que comprobar únicamente el punto de diseño puede pasar por alto un riesgo de cavitación durante el arranque, la reducción de carga o la operación a caudal máximo.
La disposición solo es aceptable cuando la NPSHₐ permanece por encima de la NPSHᵣ con un margen de ingeniería adecuado en todo el rango operativo.
Tenga en cuenta la presión de vapor y la temperatura
La presión de vapor puede aumentar considerablemente a medida que sube la temperatura del líquido. Una elevación del recipiente adecuada para un líquido frío puede ser insuficiente para una corriente caliente de rehervidor u otro fluido cercano a la ebullición.
Por lo tanto, la medición de temperatura y los límites operativos deben incluirse en el diseño de la planta, especialmente en plantas piloto donde los estudiantes u operadores pueden variar intencionadamente las condiciones del proceso.
Comprensión de las compensaciones
Los recipientes elevados requieren soporte estructural
Elevar tanques, condensadores o rehervidores aumenta la estructura de soporte, la altura de las plataformas, los requisitos de acceso y las cargas estructurales. La elevación adicional debe equilibrarse con la carga de succión requerida por la bomba.
El recipiente debe elevarse solo lo necesario después de considerar la presión, la fricción, la presión de vapor y el margen operativo.
Las ubicaciones bajas de las bombas generan problemas de acceso y seguridad
Instalar una bomba en un foso puede mejorar la NPSHₐ, pero puede complicar el drenaje, el mantenimiento, la ventilación, la protección contra inundaciones y el acceso de los operadores. Una bomba a nivel del suelo con un recipiente elevado suele ser una disposición mejor cuando proporciona suficiente carga de succión.
Una mayor elevación no corrige una tubería de succión deficiente
Un recipiente alto no puede compensar completamente una línea de succión subdimensionada, una estrangulación excesiva de las válvulas, un colador bloqueado o una tubería dispuesta incorrectamente. La NPSHₐ depende del efecto combinado de la presión del recipiente, la carga de líquido, las pérdidas por fricción y la presión de vapor.
Debe evaluarse todo el sistema de succión, en lugar de confiar únicamente en la elevación.
Un margen nominal amplio aún puede resultar engañoso
Los cálculos de NPSH dependen de las condiciones operativas reales y de datos fiables de la bomba. La incertidumbre de las mediciones, la operación transitoria, la composición del fluido y los cambios de temperatura pueden reducir el margen práctico.
Los síntomas de cavitación deben considerarse evidencia de que las condiciones reales del sistema difieren de las hipótesis de diseño.
Cómo elegir la opción adecuada para su objetivo
Utilice las siguientes prioridades de disposición al diseñar una instalación de operaciones unitarias o una planta piloto:
- Si su prioridad principal es prevenir la cavitación: Eleve el recipiente de alimentación y coloque la bomba por debajo de su nivel mínimo de líquido operativo; después, verifique que la NPSHₐ permanezca por encima de la NPSHᵣ en la peor condición operativa.
- Si su prioridad principal es el acceso para mantenimiento: Mantenga las bombas y las válvulas de control a nivel del suelo o cerca de plataformas accesibles, elevando los recipientes de succión solo lo suficiente para proporcionar la carga estática requerida.
- Si su prioridad principal es manejar líquidos calientes o volátiles: Utilice la presión de vapor creíble más alta, minimice la fricción de succión e incluya un margen operativo considerable en el cálculo de elevación.
- Si su prioridad principal es lograr experimentos estables en plantas piloto: Utilice tuberías de succión cortas y de gran diámetro, evite restricciones innecesarias y supervise la presión de succión, la temperatura y el caudal durante la operación.
Una disposición fiable para operaciones unitarias mantiene la fuente de líquido elevada, la succión de la bomba baja y sin restricciones, y la NPSHₐ calculada de forma segura por encima de la NPSHᵣ de la bomba.
Tabla resumen:
| Factor de disposición | Práctica recomendada | Beneficio para la NPSH |
|---|---|---|
| Elevación del recipiente de alimentación | Mantener el nivel de líquido operativo más bajo del recipiente por encima de la succión de la bomba | Aumenta la carga estática |
| Ubicación de la bomba | Instalar la bomba lo más abajo que resulte práctico, manteniendo un acceso seguro | Aumenta la NPSH Disponible |
| Tubería de succión | Utilizar tuberías cortas, directas y de gran diámetro con un mínimo de accesorios | Reduce la pérdida por fricción |
| Restricciones de succión | Evitar válvulas estranguladas, coladores subdimensionados y filtros obstruidos | Preserva la presión de succión |
| Condiciones operativas | Comprobar el nivel mínimo, la temperatura máxima, la presión más baja del recipiente y el caudal máximo | Confirma la NPSH en el peor caso |
| Verificación del diseño | Asegurar que la NPSH Disponible permanezca por encima de la NPSH Requerida en todo el rango operativo | Reduce el riesgo de cavitación |
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