El tema de este boletín es posiblemente uno de los problemas menos comprendidos de la aplicación y el funcionamiento de las bombas. La altura de aspiración neta positiva (NPSH, por sus siglas en inglés) no es difícil de calcular y es muy importante para el éxito del diseño y la operación de la bomba y el sistema. La NPSH debe calcularse durante el diseño de todos los sistemas de bombeo o las revisiones de los sistemas existentes.

Este boletín analizará las definiciones, qué es la NPSH, cómo calcular la NPSH, qué efectos se producen en las bombas y los sistemas cuando no hay suficiente NPSH y qué se puede hacer cuando la NPSH es un factor limitante.

Definiciones

Altura de aspiración neta positiva (NPSH, por sus siglas en inglés): la medición de la presión del líquido en el extremo de la bomba del sistema de aspiración, incluido el diseño de la bomba.

Altura de aspiración neta positiva disponible (NPSHa, por sus siglas en inglés): la diferencia entre la presión atmosférica estándar y la combinación de la presión atmosférica en la elevación, la altura de aspiración dinámica total, la presión de vapor y el factor de seguridad. El resultado debe ser igual o mayor que la altura de aspiración neta positiva requerida (NPSHr).

Altura de aspiración neta positiva requerida (NPSHr): esta es la cantidad de presión atmosférica requerida para mover el líquido a través del lado de aspiración de la bomba. La NPSHr está directamente relacionada con el diseño de la bomba.

Presión atmosférica ambiental: el peso de la atmósfera en un momento y lugar determinados.

Presión atmosférica estándar: el peso de la atmósfera al nivel del mar en condiciones atmosféricas normales (14.7 PSI, 33.9 pies de agua, 10.3 metros y 29.9 pulgadas de mercurio)

Altura de aspiración dinámica total (TDSL): esta es la combinación de la altura o carga estática y la pérdida de fricción durante la operación dentro del tubo de aspiración. En una altura de aspiración, la altura de aspiración dinámica total se calcula sumando la altura de aspiración estática más la pérdida por fricción en el caudal. En un sistema con el agua más alta que la bomba, la altura de aspiración dinámica total se calcula restando la pérdida por fricción de la presión de entrada positiva o la carga estática. En cualquier caso, el valor de cualquier altura de aspiración dinámica total o carga total de aspiración dinámica de un sistema es la lectura del indicador de aspiración, mientras la bomba está en funcionamiento.

Presión de vapor (VP, por sus siglas en inglés): la presión a la que se evaporará un líquido. Esta presión es relativa a la temperatura del líquido.

Gravedad específica (SG, por sus siglas en inglés): el peso de cualquier líquido en relación con el del agua.

Factor de seguridad: este valor se utiliza en el cálculo de la NPSH para tener en cuenta las fluctuaciones de la presión atmosférica.

¿Qué es la NPSH?

La altura de aspiración neta positiva (NPSH, por sus siglas en inglés) es la cantidad de presión atmosférica en el extremo de la bomba del sistema de aspiración, incluida la bomba. Este valor se puede calcular y es el tema de este boletín. Una vez entendido, el cálculo de la NPSH es simple y calcular este valor podría ser un tiempo bien empleado.

Vivimos en el fondo de un mar de atmósfera. La presión que este mar ejerce sobre nosotros es lo que obliga al líquido a entrar en una bomba. La fuerza de esta presión es igual a 14.7 PSI, 33.9 pies de agua, 10.3 metros de agua y 29.9 pulgadas de mercurio. (A nivel del mar.) Imagine un tubo de 35 pies de largo sellado en un extremo. Tome este tubo y llénelo con agua mientras lo sella después del llenado. Gire el tubo boca abajo en una cubeta y destape el extremo del tubo en la cubeta. Cuando se retira el extremo del tubo en la cubeta, el agua caerá desde la parte superior del tubo hasta que la altura del agua sea igual a la presión atmosférica ejercida sobre el agua en la cubeta. Este es el mismo principio que arroja una lectura de presión y refleja el cambio en la presión atmosférica en un barómetro.

Ahora que entendemos qué fuerza externa ayuda a empujar el agua hacia arriba en la tubería de aspiración durante el cebado y la operación dinámica, veamos cómo podemos calcular esta fuerza durante la operación dinámica para asegurarnos de que haya suficiente para suministrar el líquido a la bomba de manera adecuada. Como mencionamos anteriormente, la presión atmosférica estándar a nivel del mar, en condiciones atmosféricas normales, es igual a 33.9 pies de agua. Tenga en cuenta que este valor debe convertirse en relación con la gravedad específica del líquido que se bombea. A partir de esta presión, se deben hacer cinco deducciones en relación con la ubicación, el diseño de la bomba y el sistema, la temperatura y el producto bombeado. Las deducciones de la corrección de elevación, la presión de vapor del líquido bombeado, la altura de aspiración dinámica total y el factor de seguridad determinan el valor de lo que se conoce como altura de aspiración neta positiva disponible (NPSHa, por sus siglas en inglés). A partir de esto, se resta la quinta deducción: la altura de aspiración neta positiva requerida (NPSHr). Esto completa el cálculo conocido como altura de aspiración neta positiva. Este valor debe ser mayor o igual a cero para que la bomba y el sistema funcionen correctamente. Si este valor es menor que cero, el resultado será una cavitación o aspiraciones en vacío dentro de la bomba. Esto no significa que la bomba no cebará, solo que la bomba estará sujeta a cavitación una vez que esta alcance su funcionamiento dinámico. Cuando la reducción debida a la elevación da como resultado un número negativo, solo entonces la bomba no cebará. Esto significa que la bomba debería colocarse en una elevación lo suficientemente alta como para que la presión atmosférica no soporte la altura de aspiración estática. En este caso, el agua no se forzaría lo suficientemente alto en la tubería de aspiración como para alcanzar la bomba debido al hecho de que no habría suficiente presión atmosférica.

A la inversa de un número negativo calculado, un número positivo funcionará como se espera. Tenga en cuenta que un valor de 5 no funciona mejor que un valor de 2 o un valor de 10 no funciona mejor que 1. Simplemente establece que hay suficiente presión atmosférica disponible para empujar el líquido dentro de la bomba y mantener el líquido en estado líquido durante la operación.

La altura de aspiración neta positiva se suele calcular durante las etapas de diseño de una bomba y un sistema. Al finalizar el diseño, generalmente se olvida la NPSH. No olvide que la NPSH cambia cuando cambia la velocidad debido a un requerimiento de mayor flujo o cuando se realizan cambios en la tubería de aspitación. Por lo tanto, el aumento de la velocidad aumentará la velocidad del líquido en la tubería de aspiración. Este aumento en la velocidad aumentará la pérdida por fricción. En conjunto, la altura de aspiración dinámica total también aumentará. El caudal adicional también aumentará la deducción de la NPSHr.

Cómo calcular la NPSH

Como se mencionó anteriormente, comenzamos nuestro cálculo con la presión atmosférica estándar. Esto comienza con 33.9 pies de agua. Tenga en cuenta que este valor se debe convertir para líquidos con un peso diferente al agua y líquidos similares al agua que tienen una gravedad específica de 1.0. La presión atmosférica estándar debe dividirse por la gravedad específica del líquido bombeado para comenzar el cálculo. A continuación se muestra la conversión para corregir la presión atmosférica estándar de líquidos más livianos o más pesados que la del agua.

Por ejemplo: para gasolina que tiene un peso específico de .75

Para desechos industriales con una gravedad específica de 1.2

No obstante, para este cálculo, usaremos agua con una gravedad específica de 1.0 comenzando en 33.9 pies.

Las cinco deducciones de la presión atmosférica estándar son las siguientes.

Ejemplo:
1. Altitud o elevación en el lugar de trabajo.
2. Presión de vapor del líquido bombeado.
3. Altura de aspiración dinámica total.
4. Factor de seguridad (2 pies para agua y líquidos similares al agua, 3 pies para combustible y líquidos similares a combustibles).
5. Altura de aspiración neta positiva requerida por la bomba.

Estas son las únicas deducciones necesarias.

La información que se indica a continuación es la información mínima requerida para calcular la NPSH.

Caudal - 1800 galones por minuto (GPM)
Líquido - Agua
Temperatura - 100º Fahrenheit
Elevación en el lugar de trabajo - 2000 pies
Altura de aspiración dinámica total (lectura del indicador) - 15 pies

Supongamos que la bomba se ha seleccionado de acuerdo con los criterios anteriores. Es posible que se proporcione información adicional, como altura de cebado, carga dinámica total, requisitos de manejo de sólidos, disposición de accionamiento, etc.

La hoja de cálculo en la Figura 1 refleja el cálculo en los siguientes pasos. La última página de este boletín es una hoja de cálculo para calcular la NPSH.

Paso 1
Insertar la presión atmosférica estándar. No se olvide de corregir líquidos de diferente peso que el agua y líquidos similares al agua. Inserte el valor de 33.9.

Paso 2
La altitud en el sitio de trabajo se indica como 2000 pies. Para convertir esta elevación, consulte la Figura 2, Condiciones de presión atmosférica, elevación sobre el nivel del mar (pies). En este gráfico, la columna de la izquierda indica la altitud sobre el nivel del mar. Localice 2000 pies. El valor utilizado para la deducción es el que se indica en la columna que dica "Reducción a la altura de aspiración dinámica práctica". En línea con 2000 pies es 2.3 pies. Inserte el valor anotado de 2.3.

Paso 3
La temperatura del agua es de 100 grados Fahrenheit. ​​Para convertir esta temperatura a un valor deducible, consulte la Figura 3, Presión de vapor, características del agua. En este gráfico, la columna de la izquierda indica "Temperatura, grados Fahrenheit". Localice 100º Fahrenheit. El valor utilizado para esta deducción es el que aparece en la columna "Presión de vapor, pies". En línea con 100º Fahrenheit es 2.19. Inserte el valor anotado de 2.19.

Paso 4

La altura de aspiración dinámica total es la combinación de la altura estática más la pérdida por fricción de la tubería de aspiración. Este valor también es la lectura del indicador de aspiración durante la operación al causal designado. Inserte el valor de 15 pies.

Paso 5
Inserte el factor de seguridad que corresponde. Como se mencionó anteriormente, este valor se deduce para tener en cuenta las fluctuaciones de la presión atmosférica. De nuevo, el valor del factor de seguridad de 2 es para agua y líquidos similares al agua y de 3 para combustibles y líquidos similares a combustibles. Inserte el valor de 2 pies.

Paso 6
Esta es la suma de los valores anotados en los pasos 2, 3, 4 y 5.

Paso 7
Reste la suma del Paso 6 de la presión atmosférica estándar en el Paso 1. Este valor se define como la altura de aspiración neta positiva disponible (NPSHa).

Paso 8
Encuentre la altura de aspiración neta positiva requerida (NPSHr) de la curva de rendimiento de la bomba en la Figura 4. Anote la línea curva que comienza en la esquina inferior izquierda de la curva. Se anota como "NPSH @ 1350 RPM". Para encontrar el valor de la NPSHr, ubique el caudal en galones por minuto a través de la parte inferior de la curva. En 1800 GPM, lea verticalmente hacia arriba hasta que la línea de 1800 GPM haga intersección con la línea de NPSH. Lea en línea recta a la derecha desde la intersección. Las columnas en la esquina inferior derecha de la curva dicen "NPSH, pies, metros". Desde la columna "PIES" a la izquierda, el valor que se encuentra en línea recta desde la intersección debe ser de 8 pies.

Paso 9
Reste la NPSHr (Paso 8) de la NPSHa (Paso 7). Este resultado es la NPSH. Ha completado el cálculo de la NPSH. El cálculo en el ejemplo anterior da como resultado un número positivo. Esto revela que el sistema calculado funcionará correctamente en el lado de la aspiración en el punto de condición de diseño. Si el cálculo de la NPSH hubiera dado como resultado un número negativo, no habría habido suficiente presión atmosférica para mantener el líquido en estado líquido durante la operación en el punto de condición de diseño. Por lo tanto, se produciría cavitación o aspiraciones en vacío.

Cómo aumentar la NPSH

Si el valor de la NPSH da como resultado un número negativo durante el diseño de una bomba y un sistema, por lo general cambios simples en el diseño del sitio dan como resultado cálculos de NPSH positivos. ¿Pero qué sucede si se cambia un sistema existente de tal modo que resulta en un cálculo negativo de la NPSH? Si esto ocurre, consulte la hoja de cálculo realizada que da como resultado el número negativo y comience a hacer preguntas en cada paso. Por ejemplo, en el Paso 1, la presión atmosférica estándar a nivel del mar es de 33.9 pies. Todos sabemos que este número no se puede cambiar y, en este caso, aumentar. ¿Se puede reducir el factor de seguridad? Sugerimos que el factor de seguridad nunca se modifique. Esto es parte de la ecuación que toma en cuenta las fluctuaciones de la presión atmosférica. Revise cada paso. Encontrará que el Paso 4, la altura de aspiración dinámica total, puede ser el más fácil de cambiar. Entonces, ¿qué se puede cambiar en el diseño del lado de la aspiración que disminuya la altura de aspiración dinámica total? Veamos dos.

Altura de aspiración estática: simplemente elevar el nivel de agua en el depósito disminuirá la elevación y, por lo tanto, reducirá la altura de aspiración dinámica total (TDSL, por sus siglas en inglés).

Diámetro de la tubería: aumentar el tamaño de la tubería de aspiración reducirá la velocidad del agua a través de la tubería de aspiración, lo que reduce la pérdida por fricción. Reducir la pérdida por fricción reducirá la TDSL.

No olvide que con cada cambio, puede haber otras consecuencias que afecten el funcionamiento de la bomba y del sistema. Por ejemplo, aumentar el tamaño de la tubería de aspiración aumentará el tiempo de cebado. Una tubería más grande significa más aire para evacuar durante el ciclo de cebado. Una altura de aspiración más baja puede consumir una retención valiosa en el depósito o causar condiciones sépticas. Cualquiera sea el caso, siempre tenga en cuenta los posibles efectos adversos que pueden resultar al hacer cambios para intentar aumentar la NPSH.