NPSH y cavitación en bombas

Resumen

La Carga Neta Positiva de Succión (NPSH) determina si una bomba puede operar sin cavitación — la formación y colapso de burbujas de vapor que dañan los impulsores y degradan el rendimiento. Cada bomba centrífuga tiene una curva de NPSH requerido (NPSHr) proporcionada por el fabricante. El sistema debe proporcionar NPSH disponible (NPSHa) que exceda el NPSHr con un margen adecuado en todos los puntos de operación.

La cavitación ocurre cuando la presión estática local en la entrada de la bomba cae por debajo de la presión de vapor del líquido. El vapor en destello interrumpe el flujo, genera ruido y erosiona las superficies metálicas. El diseño adecuado de la tubería de succión y los tanques de origen elevados son las herramientas principales para prevenirla.

Fórmulas Clave

NPSH disponible (forma de carga absoluta):

$\text{NPSHa} = \frac{P_s - P_v}{\rho\, g} + z_s - h_f$

Relación de margen de NPSH (verificación de seguridad adimensional):

$\text{Margin} = \frac{\text{NPSHa}}{\text{NPSHr}}$

Carga de presión de vapor:

$h_{vp} = \frac{P_v}{\rho\, g}$

Variables

Presión de Vapor del Agua

Valores precisos de $P_v$ son esenciales para los cálculos de NPSHa. La presión de vapor del agua aumenta abruptamente con la temperatura:

Guías Típicas de Margen de NPSH

Calculadora — Estimación de NPSHa

Conceptos de Fuente Preservados

La página de origen distingue cabeza de succión, cabeza de vapor del líquido, cabeza neta positiva de succión, NPSH disponible y NPSH requerido. Para un tanque de succión abierto, la presión atmosférica contribuye una cabeza de presión positiva, la presión de vapor resta la cabeza de vapor, el nivel estático del líquido suma o resta la cabeza de elevación, y la fricción de la tubería de succión resta la pérdida. Los líquidos con gas disuelto pueden cavitarse o liberar gas antes de alcanzar el límite de presión de vapor del líquido puro, por lo que el agua caliente, los hidrocarburos y los líquidos ricos en gas necesitan un margen adicional.

Ejemplo - Bombeo de Agua desde un Tanque Abierto

Para una bomba que toma agua de un tanque abierto a nivel del mar, la presión atmosférica proporciona aproximadamente 10.3 m de altura de agua. El NPSH disponible se reduce por la altura de presión de vapor del líquido, la succión elevada o se aumenta por la altura de succión inundada, y las pérdidas por fricción en la tubería de succión.

Por ejemplo, el agua a 20 °C tiene una presión de vapor de aproximadamente 2.3 kPa, lo que corresponde a aproximadamente 0.24 m de altura de vapor de agua. Con un tanque abierto, el centro de la bomba 3 m por debajo de la superficie del agua, y 0.5 m de pérdida por fricción de succión:

$NPSH_a \approx 10.3 - 0.24 + 3.0 - 0.5 = 12.56\ m$

Si la misma bomba se instalara con 3 m de succión elevada en lugar de succión inundada, el término de elevación sería negativo y el NPSH disponible caería a aproximadamente 6.56 m.

NPSH y Líquidos con Gas Disuelto

Los líquidos que contienen aire disuelto u otros gases pueden liberar gas cuando la presión cae, incluso antes de alcanzar la presión de vapor del líquido puro. Esta liberación de gas puede reducir el rendimiento de la bomba, causar operación ruidosa e imitar síntomas de cavitación. Por lo tanto, el agua caliente, el condensado, los hidrocarburos y los líquidos de proceso cercanos a su punto de ebullición deben diseñarse con un margen adicional de NPSH y una tubería de succión conservadora.

La desgasificación, el subenfriamiento del líquido, el aumento de la elevación del tanque, la presurización del recipiente de succión, la reducción de la velocidad en la línea de succión y la reducción de accesorios en el tramo de succión son formas comunes de mejorar el NPSHa para líquidos ricos en gas.

Tablas de Fuente Original Restauradas

Las siguientes tablas se restauran de la página de fuente original para preservar los datos de referencia completos.

Altura de Succión y Reducción en la Altura de Aspiración para Agua y Temperatura

Reducción en la Altura de Aspiración para Agua vs. Altitud

Alturas de Succión para Bombeo de Hidrocarburos

Imágenes de Fuente Original

Las siguientes imágenes de fuente original se preservan para evitar perder material de referencia visual. Cuando una imagen contiene datos de gráficos o tabulares, sus valores extraídos se representan en las tablas de la página, calculadoras o gráficos interactivos; las imágenes restantes se retienen como referencias de fuente visual.

Curva del Sistema de Bombas - Representación Interactiva

Notas de Ingeniería

• Use siempre presiones absolutas. Un error común es mezclar valores de gauge y absolutos. Atmosférica ≈ 101.3 kPa abs al nivel del mar.
• Los líquidos calientes son el mayor riesgo. La presión de vapor del agua a 80 °C es ~47 kPa — casi la mitad de la atmosférica — dejando muy poco margen de NPSHa en sistemas abiertos.
• Incluya la cabeza de aceleración para bombas reciprocantes (de desplazamiento positivo); el flujo pulsante añade una caída de presión adicional en el lado de succión no capturada por la fricción en estado estacionario.
• El dimensionamiento de tuberías es importante. Las tuberías de succión subdimensionadas aumentan la cabeza de velocidad y la pérdida por fricción, ambas reducen el NPSHa.
• La elevación de la fuente relativa a la bomba ($z_s$) se mide desde la superficie del líquido hasta la línea central de la bomba; un arreglo inundado (+) es mucho más confiable que la succión elevada (−).
• Los fluidos viscosos o de alta gravedad específica aumentan la pérdida por fricción y pueden desplazar la curva de NPSHr; consulte al fabricante de la bomba para factores de corrección.
• Los requisitos de sumersión en la admisión de succión previenen la formación de vórtices y la atracción de aire, lo que reduce efectivamente el NPSHa incluso cuando el nivel estático parece adecuado.

Referencias

• Fuente Original — Engineering ToolBox: NPSH y Cavitación