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  • 1. PDVSA N° TITULO REV. FECHA DESCRIPCION PAG. REV. APROB. APROB. APROB. FECHAAPROB.FECHA BOMBAS E1994 MDP–02–P–04 NPSH APROBADA NOV.97 NOV.97 NOV.97 L.R.0 16 L.R. MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO ESPECIALISTAS PDVSA
  • 2. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO NPSH NOV.970 PDVSA MDP–02–P–04 Página 1 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Indice 1 ALCANCE 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 REFERENCIAS 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 ANTECEDENTES 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 CAVITACION 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 NPSH DISPONIBLE 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 REQUERIMIENTOS DE NPSH, NPSHR 6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 EVITANDO LA INSUFICIENCIA DE NPSH 11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 NPSH EN LA TERMINOLOGÍA DE BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO 13. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 VELOCIDAD ESPECIFICA DE SUCCIÓN 13. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 NOMENCLATURA 14. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
  • 3. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO NPSH NOV.970 PDVSA MDP–02–P–04 Página 2 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma 1 ALCANCE Este Documento consolida la mayor parte de los antecedentes acerca del cabezal neto de succión positiva (NPSH) necesario para diseñar servicios de bombeo. Se incluye, por conveniencia, datos para la estimación de los requerimientos de NPSH de bombas centrífugas y de desplazamiento positivo en los Documentos MDP–02–P–02, MDP–05–P–06 y MDP–02–P–08. 2 REFERENCIAS Manual de Ingeniería de Diseño 90616.1.023 Vol.14 Guía de Ingeniería “Determinación de la Altura de Succión Neta Positiva. 3 ANTECEDENTES El NPSH ha sido objeto de confusión entre los diseñadores de servicios de bombeo debido a la proliferación de terminología relacionada y a la mala interpretación de la diferencia entre los requerimientos de NPSH de una bomba y el NPSH disponible para la misma en un diseño de servicio de bombeo dado. Se recomienda por lo tanto, ser cuidadoso no solamente en el cálculo de valores específicos, sino también en los términos seleccionados para ser usados en el texto de la especificación de diseño. 4 CAVITACION ¿Qué es Cavitación? La cavitación es un término estrechamente relacionado y casi sinónimo de ebullición. El término “ebullición” normalmente describe la formación de burbujas de vapor que ocurre cuando la presión de vapor de un líquido aumenta (con un incremento de temperatura) hasta un punto en el que iguala o excede la presión estática a la cual el líquido está expuesto. La “Cavitación” ocurre cuando la presión estática del líquido cae hasta o por debajo de la presión de vapor en un sistema de líquido en movimiento. Las burbujas de vapor formadas en la cavitación son subsecuentemente implotadas con el incremento de presión estática. La cavitación comúnmente ocurre en y alrededor del impulsor de una bomba centrífuga y la propela de un barco. El término “cavitación” se aplica muy específicamente a la formación y subsecuente implosión de las burbujas de vapor, pero también es usado para referirse a alguna de las manifestaciones de actividad de burbujas, tales como: 1. Picadura y erosión de la superficie del metal. 2. La capacidad del cabezal se reduce debido a turbulencia y bloqueo del pasaje del flujo.
  • 4. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO NPSH NOV.970 PDVSA MDP–02–P–04 Página 3 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma 3. Limitación de flujo debido al bloqueo del pasaje del flujo. 4. Ruido de crepitación o golpeteo, como si la bomba estuviese llena de sólidos, causados por la implosión de las burbujas. La fuerza tendiente a eliminar la cavitación es el margen por el que la presión estática local del líquido excede la presión de vapor del líquido a la temperatura en cuestión. Cuando es convertido en términos de cabezal de líquido, este margen de presión es definido como el cabezal neto de succión positiva, comúnmente denominado NPSH. Salida de Gases Disueltos Estrechamente relacionado con la cavitación está la separación de gases disueltos en el líquido, tal como el bióxido de carbono en una solución de aminas o el aire en agua. Una porción de gases disueltos se libera de la solución cuando la presión del líquido disminuye en la línea de succión de la bomba y la velocidad aumenta cuando el líquido se aproxima al ojo del impulsor. Las burbujas de gas arrastradas crecerán en tamaño y se pueden aglomerar cuando la presión disminuye. Las burbujas de gas formadas pasan a través de la bomba como si fuera una mezcla de dos fases, en vez de implotar y condensar, como en la cavitación. Los efectos de la separación del gas son más suaves que los de la cavitación debido a la mayor compresibilidad de las mezclas de líquido / gas. Donde la cavitación ocurre simultáneamente con la separación de gas, los efectos de ruido y daño del metal por la cavitación tienden a disminuir. Con la presencia de burbujas de gas separadas, las ondas de choque producidas por la implosión en la cavitación son amortiguadas. Por ejemplo, el aire inyectado o mezclado en la succión de una bomba de agua operando con cavitación, tiende a reducir el ruido causado por la cavitación. Mecanismo de Cavitación El margen entre el NPSH disponible a la succión de la bomba y el requerido por la bomba para una buena operación tiende a disminuir con el aumento del caudal de flujo en dirección al punto de la cavitación inicial debido a lo siguiente: 1. El NPSH disponible en la succión de la bomba tiende a disminuir con el aumento del caudal de flujo a medida que la caída de presión en la línea de succión incrementa. Esto se puede notar particularmente cuando las bombas son operadas en paralelo, pero con la línea de succión dimensionada para la operación de una sola bomba. 2. El NPSH requerido incrementa a medida que el caudal de flujo aumenta debido al incremento en la caída de presión causada por el incremento de velocidad a medida que el líquido fluye al ojo del impulsor.
  • 5. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO NPSH NOV.970 PDVSA MDP–02–P–04 Página 4 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Esta tendencia se ilustra en la Figura 1. A medida que el margen entre el NPSH disponible y requerido se aproxima a cero, las burbujas de vapor y los “espacios” de la cavitación inicial comienzan a formarse en las áreas de presión baja de los pasajes del impulsor, especialmente en el lado trasero de los álabes cerca de los bordes de entrada. Las burbujas crecen a medida que el margen de NPSH alcanza cero y se convierte en negativo. Mientras las burbujas son llevadas del espacio de vapor hacia la zona de presión más alta del impulsor (la periferia en las bombas centrífugas) ellas colapsan, causando esfuerzos locales de compresión altos en la superficie del impulsor. El ruido se genera por la actividad implosiva de la burbuja. Cuando los espacios de vapor se hacen lo suficientemente grandes como para bloquear una porción significativa del pasaje de flujo entre álabes, no se puede obtener un aumento del flujo y la bomba opera en un segmento vertical de su curva de cabezal–capacidad. Se dice que opera “en el punto de ruptura”. Severidad de los Daños Mecánicos La severidad del deterioro del metal (por formación de hoyuelos) que resulta de la cavitación tiende a incrementar a medida que aumentan los requerimientos de NPSH debido al aumento en la fuerza de implosión de las burbujas. Las bombas que operan con cavitación a caudales de flujo correspondientes a requerimientos de NPSH entre 5 y 6 m (15 a 20 pie) experimentarán un rápido deterioro del metal, mientras que las bombas operadas con cavitación a niveles de requerimiento de NPSH de 1m experimentan una larga vida de servicio entre las reparaciones del cuerpo. 5 NPSH DISPONIBLE Cálculos NPSHD es el termino comúnmente usado para designar al Cabezal Neto de Succión Positivo disponible, y se define como el margen entre la presión actual al nivel de referencia de la bomba y la presión de vapor a la temperatura de bombeo del líquido, convertido a cabezal del líquido bombeado. El NPSHD resulta de las condiciones existentes en la fuente de donde proviene el líquido y de los cambios de presión y temperatura a lo largo de la línea de succión. Cuando se selecciona un modelo específico de bomba y se diseña su base, el NPSH disponible se puede corregir al valor existente según la ubicación real de la línea central de la bomba o de la brida de succión, para establecer la comparación con los requerimientos de NPSH de la bomba particular.
  • 6. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO NPSH NOV.970 PDVSA MDP–02–P–04 Página 5 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma El cálculo de NPSHD requiere la determinación de la presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo, y una cuidadosa estimación de la presión de succión existente al nivel de referencia de la bomba. El nivel de referencia de la bomba se discute en MDP–02–P–02. El procedimiento de calculo de NPSHD se presenta en MDP–05–P–06. Influencia de la Estabilidad de Servicio en el NPSHD Los servicios que tienen condiciones de succión estables y bien controladas necesitan sólo un pequeño factor de seguridad en la determinación de NPSHD para ser reportado en la especificación de diseño, es decir, 1.10, para asegurar un funcionamiento de bomba sin cavitación. Los servicios que tienden a tener cambios rápidos, frecuentes o severos en las condiciones de succión (flujo, temperatura, presión, nivel) necesitan factores de seguridad mayores para cubrir la mayoría de las variaciones. El servicio de agua de alimentación a calderas es un ejemplo de este tipo de servicios, por lo que se recomienda un factor de seguridad de 1.25. No es necesario cubrir el 100% de todos los cambios de proceso posibles mediante el factor de seguridad, ya que las consecuencias de la cavitación: limitación de flujo, ruido y daño del metal a largo plazo son normalmente tolerables por períodos cortos e intermitentes. Convención de 7.6 m (25 pie) de NPSHD El NPSH disponible pocas veces excede 7.6 m (25 pie) en el diseño práctico y económico. Y aún cuando así sea, el valor final pocas veces influencia la selección de la bomba. Como una convención, cuando el NPSH disponible que se calcula es mayor de 7.6 m (25 pie), un valor de 7.6 m (25 pie) “mínimo” se especifica, en vez del valor real. Además de simplificar el proceso de ingeniería, esto asegura que las bombas no serán seleccionadas por rutina con requerimientos de NPSH cercanos a los disponibles por encima del nivel de 7.6 m (25 pie). Esto es deseable debido a que los efectos de cavitación en el funcionamiento y los deterioros mecánicos son severos a niveles altos de NPSHR. Esta convención puede ser obviada cuando las circunstancias justifican ingeniería especial en los aspectos del servicio relacionados con NPSH, tal como cuando es económicamente factible, y cuando el tamaño óptimo individual de bomba se puede esperar que tenga un NPSHR por encima de 7.6 m (25 pie). En este caso, los datos del suplidor se deben obtener para corroborar los datos estimados de NPSHR a partir del MDP–02–P–02, y el NPSHD real se debe especificar, junto con la información sobre los modelos disponibles de bombas.
  • 7. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO NPSH NOV.970 PDVSA MDP–02–P–04 Página 6 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Impacto en la Selección de Bombas La disponibilidad de NPSH tiene un impacto significativo en la selección de modelos de bombas y, por lo tanto, en el costo de las mismas. Las siguientes guías aproximadas resumen lo que se requiere para ajustar el NPSH disponible especificado. NPSHD, a 0.6 m (2 pie) encima del suelo Impacto en la selección de bomba m pie 0–0.3 0–1 NPSH insuficiente para cualquier bomba comercial debido a pérdidas de entrada de la boquilla de succión. 0.3–2 1–7 La selección de la bomba está limitada a bombas verticales instaladas con el elemento de bombeo por debajo del nivel de la menor elevación del impulsor de la primera etapa a bombas horizontales reducidas en capacidad operando a velocidades y flujos menores que los de mayor eficiencia, y a ciertas bombas en línea. 2–3.7 7–12 Se requiere de cautela en la selección de la bomba; la elección del modelo es a veces limitada; a veces se requiere una prueba de demostración del funcionamiento. 3.7 12 Amplia selección de modelos hasta 160 dm3/s* (2500 gpm). 5.5 18 Amplia selección de modelos hasta 440 dm3/s* (7000 gpm). 7.6 25 Amplia selección de modelos hasta 690 dm3/s* (11000 gpm). * Estos valores varían con el cabezal 6 REQUERIMIENTOS DE NPSH, NPSHR Generalidades El NPSH “requerido” se refiere al NPSH que se requiere en la brida de entrada de la bomba, o en la línea central del impulsor, según haya sido señalado por el constructor, para una operación satisfactoria a las condiciones nominales especificadas. Este representa el cabezal necesario para que el líquido fluya sin vaporizarse desde la entrada de la bomba a un punto en el ojo del impulsor donde los álabes comienzan a impartir energía al líquido. Esta es una característica individual de cada bomba y está determinada por la prueba del suplidor. Es una función del diseño del impulsor, el cuerpo de la bomba y la velocidad empleada. Los valores mínimos promedio de NPSH “requerido” para la mayoría de las aplicaciones de bombas centrífugas se muestran en las Figuras de documento
  • 8. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO NPSH NOV.970 PDVSA MDP–02–P–04 Página 7 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma MDP–02–P–02. Estos valores pueden normalmente ser satisfechos por todos los suplidores sin involucrar los costos extras para la bomba o selecciones de baja eficiencia. A capacidades grandes que requieren bombas grandes, los requerimientos de NPSH pueden incrementar rápidamente, particularmente cuando el cabezal alto o la temperatura alta limita el número de diseños disponibles. La Guía de Ingeniería90616.1.023 del MID Vol.14 presenta un procedimiento para estimar el NPSHR para bombas de una etapa a dos velocidades distintas. En aquellas circunstancias donde los costos u otras consideraciones resultan en NPSH disponible por debajo de los requerimientos normales de una bomba, es necesario suministrar una bomba especialmente calculada, usualmente con penalización en costo, o en eficiencia, o en ambos. Cuando el NPSH disponible es bajo (0.3–2 m (1 a 7 pie)), es muy importante que se especifique con exactitud (con precisión dentro de 0.15 m (0.5 pie)), ya que el tipo de bomba, la selección del modelo, y el costo son muy sensibles al valor de NPSH disponible. Donde se deban especificar valores bajos de NPSH disponible para bombas centrífugas, se puede esperar costos extras de equipos. Por lo tanto, se debe prestar especial atención a la elevación de equipos y su distribución con respecto a la longitud y tamaño de tubería de succión y al número de accesorios utilizados. El flujo máximo que se desea durante la operación se debe considerar cuando se determinan las condiciones de NPSH para cualquiera de las siguientes situaciones que puedan aplicar: 1. Bombas que operan intermitentemente por debajo del caudal de flujo nominal debido a cambios por control de nivel u otro cambio en el rango de control. 2. Dos (o más) bombas que a veces operarán con una línea de succión dimensionada para la operación con una sola bomba. 3. Operación a la máxima capacidad posible de la bomba tal como ocurre cuando dos (o más) bombas operan normalmente en paralelo y una de ellas se detiene repentinamente. Si el uso de las Figuras de MDP–02–P–02 indican que el requerimiento de NPSH de modelos normales de bombas puede exceder los 7.6 m (25 pie), el diseñador debe: 1. Confirmar la precisión de sus cálculos de NPSHD y la base para el factor de seguridad empleado. 2. Reconsiderar la multiplicidad seleccionada para el servicio. 3. Obtener datos actualizados del suplidor para complementar los datos generalizados y típicos presentados en las Figuras de MDP–02–P–02.
  • 9. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO NPSH NOV.970 PDVSA MDP–02–P–04 Página 8 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Se debe reconocer que la inclusión de algunos ejemplos de diseño de bombas con requerimientos de NPSH altos en la Figura 5 de MDP–02–P–02 no implica que los diseños óptimos de servicios de bombeo hayan sido desarrollados realmente con esas bombas. En la práctica, raramente resulta económico aumentar la elevación del recipiente de succión para lograr un NPSHD mayor de 7.6 m (25 pie). Las figuras del MDP–02–P–07 incluyen una curva que presenta el cambio en porcentaje promedio en el NPSH requerido para bombas centrífugas frente al cambio de flujo. Influencia de las Características del Líquido Los requerimientos reales de NPSH de una bomba están influenciados por las características del líquido que se bombea. Los líquidos puros tienden a causar un requerimiento alto de NPSH para la bomba porque todo el líquido tiende a vaporizarse a la misma condición de presión y temperatura, es decir, el líquido tiene un punto de ebullición único. Flujos de mezclas líquidas tales como las corrientes típicas de refinería causan una reducción en el NPSHR real con respecto al de las corrientes puras, porque sólo una porción de la corriente ebulle inicialmente. La proximidad de un fluido a su punto crítico afecta el valor real de NPSHR, ya que la violencia y las consecuencias de la cavitación se relacionan con el cociente de la densidad del líquido y del vapor a las mismas condiciones. Cerca del punto crítico del fluido las diferencias de densidad son pequeñas y el funcionamiento y los efectos mecánicos se reducen correspondientemente. Por lo tanto, el NPSHR se reduce. Por ejemplo, el requerimiento real de NPSH de una bomba que maneja agua disminuye con el incremento de la temperatura y se vuelve cero a la temperatura crítica del agua, 374.1°C (705.4°F). La inclinación de la curva de presión de vapor del líquido (presión de vapor vs. temperatura) a las condiciones de bombeo afecta la sensibilidad del NPSHR de la bomba, ya que con una curva inclinada, un pequeño incremento de temperatura por un deslizamiento interno de flujo puede causar un incremento grande en la presión de vapor, reduciendo así el margen del NPSH. El requerimiento real de NPSH para hidrocarburos tiende a ser menor que para el agua fría, y menor que para agua a la misma temperatura. Entre los hidrocarburos, el requerimiento de NPSH tiende a disminuir con el incremento de la densidad absoluta (a la temperatura de bombeo), a disminuir con el incremento de presión de vapor, y a disminuir con el incremento en la diversidad de la mezcla. Desafortunadamente, sin embargo, la diferencia en requerimientos de NPSH entre el agua fría y algún otro servicio líquido no se considera preciso, acertadamente predecible, o lo suficientemente consistente como para uso práctico en diseño ingenieril. El estimado de la cantidad de la reducción esperada involucra cálculos largos, extrapolaciones y especulaciones. Cuando se trata de
  • 10. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO NPSH NOV.970 PDVSA MDP–02–P–04 Página 9 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma mezclas de líquidos, tales como las corrientes típicas de hidrocarburos en refinerías, las complejidades y las incertidumbres del comportamiento del líquido se multiplican. Por esta razón, las bombas se deben seleccionar en base a valores de NPSHR probados con agua sin el uso de un factor de corrección. El hecho de que el valor de NPSHR de la bomba está basado en datos del agua y gravedad específica de 1.00 no debe ser confundido con el hecho de que el valor de NPSHD se calcula y especifica en términos de cabezal de líquido bombeado, con su densidad absoluta a las condiciones de bombeo. El valor de NPSHR puede ser usado para calcular el margen de presión suficiente para suprimir la vaporización de un líquido de servicio, y por ende, la presión mínima de succión para que no haya cavitación tal como se indica a continuación: ǒP1 * PV Ǔ líquido de servicio + NPSHR valor para el agua X ò F3 g gc Ec. (1) Todos los términos tal como se definen en MDP–02–P–02. Ventajas y Desventajas de Bombas con Requerimientos Bajos de NPSH Las bombas centrífugas con requerimientos bajos de NPSH tienden a permitir ahorros en costos en la instalación de recipientes de succión y a ser afectados menos severamente por la insuficiencia de NPSH, pero tienen ciertas desventajas también, que frecuentemente superan las ventajas. Por conveniencia, las principales ventajas y desventajas de las bombas bajo requerimiento de NPSH se resumen aquí:
  • 11. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO NPSH NOV.970 PDVSA MDP–02–P–04 Página 10 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Ventajas Desventajas Permite una elevación baja del recipiente de succión. La curva de cabezal–capacidad puede probablemente caer y requerir controles especiales. Permite el uso de una sola bomba en operación en servicio de flujo alto, que usualmente minimiza el costo total de instalación de servicio de bombeo. La eficiencia tiende a optimizarse a flujo normal y bajo. Los efectos de cavitación tienden a ser moderados, relativos a las bombas con NPSHR alto. Las bombas verticales tienden a tener requerimientos de mantenimiento alto, debido a la multitud de espacios libres de movimiento. Las fuentes de suplidores y los modelos son limitados, por lo tanto, la procura requiere esfuerzo de ingeniería extra. La prueba de funcionamiento frecuentemente resulta conveniente para verificar las ofertas de funcionamiento del suplidor. Establecimiento de Datos de Requerimientos de NPSH El caudal de flujo al cual comienza un deterioro significativo, debido a la cavitación, no puede siempre ser observado en el campo como un claro cambio en el cabezal. La transición de cavitación incipiente a cavitación parcial y hacia la “ruptura” es relativamente suave dentro de un intervalo pequeño de flujo. A pesar de que el grado de deterioro del cabezal que de muestra el requerimiento del NPSH de las bombas no está definido en forma precisa, una reducción de 3% en cabezal debido a cavitación es un valor guía en la industria. Los suplidores de bombas establecen los datos de requerimientos de NPSH realizando pruebas con agua en sus instalaciones de prueba para encontrar un cambio brusco en el cabezal y en la eficiencia mientras producen un decremento gradual en el “coeficiente de cavitación”, (sigma), mientras se ajusta la velocidad de rotación para mantener constante la velocidad específica de la bomba. El “coeficiente de cavitación” se define como: s + NPSHD Cabezal por etapa Ec. (2) Estimación de Cambios en los Requerimientos de NPSH Si los requerimientos de NPSH de una bomba en particular se conocen a alguna capacidad particular, el requerimiento de NPSH a otras capacidades se puede estimar con el uso de las curvas características promedio para requerimiento de NPSH dadas en MDP–02–P–07.
  • 12. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO NPSH NOV.970 PDVSA MDP–02–P–04 Página 11 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Cuando la velocidad de la bomba se cambia, el requerimiento de NPSH cambia, y para un flujo dado, el nuevo requerimiento de NPSH se puede estimar usando la definición del parámetro de velocidad específica de succión, que es constante para un diseño de bomba dado. Resolviendo la fórmula de Sss Ec. (4) para NPSH se obtiene: ǒNPSHR Ǔ + ȧ ȱ Ȳ F7 N (Q)1ń2 SSS ȧ ȳ ȴ 4ń3 Ec. (2) donde: En unidades métricas En unidades inglesas NPSHR = Cabezal neto de succión positiva requerido m pie N = Velocidad de rotación de la bomba rev/s rpm Q = Caudal de flujo volumétrico dm3/s gpm Sss = Velocidad específica a la succión rev/s rpm F7 = Factor que depende de las unidades usadas 1.63 1 Si sólo se cambia el diámetro del impulsor, se puede usar la curva original de requerimientos de NPSH, que muestra NPSHR vs. Q. 7 EVITANDO LA INSUFICIENCIA DE NPSH Los problemas de insuficiencia de NPSH son tan comunes y suficientemente serios como para justificar consideraciones especiales acerca de como se pueden evitar durante las etapas de diseño del servicio y diseño de la instalación. Los métodos para evitar insuficiencia de NPSH obviamente caen en dos categorías generales: 1. Métodos de asegurar e incrementar el NPSHD suministrado en el sistema 2. Métodos de obtención de NPSHR bajo. La segunda categoría se explora durante las actividades de procura de la bomba. A continuación se presentan algunos métodos específicos de la primera categoría que son dignos de consideración cuando se diseñan servicios que son propensos a sufrir problemas de cavitación (circulación de solución de catacarb, hidrocarburos de baja temperatura, agua de alimentación a calderas, fondo de torres de vacío, etc.):
  • 13. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO NPSH NOV.970 PDVSA MDP–02–P–04 Página 12 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma 1. Durante la preparación de las especificaciones de diseño a. Use un factor de seguridad conservador en la determinación del valor de NPSHD especificado. b. Aumente la altura del recipiente de succión. c. Coloque la bomba lo más cerca posible del recipiente de succión. d. Seleccione la salida del recipiente de succión donde hay menor posibilidad de arrastre de vapor y coloque un rompe vértice en el recipiente. e. Use un tamaño de línea de succión sobredimensionado para baja velocidad. f. Coloque un enfriador en la línea de succión de la bomba para reducir la presión de vapor del líquido. g. Coloque una bomba reformadora (”booster”) de bajo cabezal que puede operar a velocidad baja y requerimiento bajo de NPSH para presurizar la succión de la bomba principal. La coordinación de la operación de las dos bombas se puede simplificar con el uso de un accionador común. h. Especifique una bomba vertical. 2. Durante el diseño de la instalación. a. Coloque el tope de la fundación tan cerca del suelo como sea posible para bajar la línea media de la bomba. b. Minimice el número de codos en la línea de succión. c. Dele una disposición a la tubería de succión para que tenga una pendiente descendente constante, evitando cualquier punto alto (pendiente mínima 0.02 mm/mm (1/4 pulg por pie) ó el 2%). d. Use reductores excéntricos donde sea necesario un cambio en el tamaño de línea y oriente el reductor con la línea central del extremo pequeño por encima de la línea central del extremo grande (para evitar un punto alto que pueda recolectar una burbuja de vapor). e. Aísle la tubería de succión del calor de la atmósfera cuando se manejen líquidos volátiles a bajas temperaturas. f. Si el cuerpo de la bomba no es auto–ventilante, coloque un venteo en el recipiente de succión. g. Recalcule el NPSHD después que los arreglos de la tubería de succión han sido detallados para establecer la comparación con el NPSHR de la bomba.
  • 14. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO NPSH NOV.970 PDVSA MDP–02–P–04 Página 13 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma 8 NPSH EN LA TERMINOLOGÍA DE BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO Los suplidores de bombas de desplazamiento positivo comúnmente usan el término “esfuerzo de succión máximo permisible” (ESMP), que se expresa en kPa (pulg de mercurio al vacío), en lugar del término NPSHR, el cual se expresa en m (pie) líquido bombeado. El ESMP define el vacío máximo permisible que la bomba puede tolerar en su brida de entrada antes de que comience la cavitación. ESMP y NPSHR están directamente relacionados, ya que ellos expresan el mismo concepto pero en unidades y marcos de referencia diferentes. Note que el NPSHR es en valor absoluto, mientras que ESMP tiene como referencia la presión atmosférica. La conversión de ESMP a NPSHR se obtiene así: CNSPR + F8 ǒF9 – ESMPǓ ò gc g Ec. (3) donde: En unidades métricas En unidades inglesas ESMP = Esfuerzo de succión máximo permisible kPa man. pulg de Hg F8 = Factor que depende de las unidades usadas 1 70.726 F9 = Factor que depende de las unidades usadas 101 29.9 Las demás variables tal y como fueron definidas anteriormente. Las especificaciones de diseño no deberían usar la terminología de ESMP para diseños de servicios de bombas de desplazamiento positivo. Las conversiones las pueden hacer los suplidores cuando así lo requieran. 9 VELOCIDAD ESPECIFICA DE SUCCIÓN El parámetro “velocidad específica de succión” caracteriza el requerimiento de NPSH de una bomba. Una bomba con velocidad específica de succión alta tiene baja tendencia a cavitar, aún a velocidades altas, y se requiere un diseño detallado del pasaje de flujo para lograr esta calidad. Una bomba con velocidad específica de succión baja tiende a requerir más NPSH para evitar la cavitación, pero probablemente es más barata y resulta más fácil de conseguir en el mercado comercial. Los diseñadores de proceso pueden hacer uso de este parámetro en el cálculo de una nueva aplicación para bombas existentes y en el establecimiento de la
  • 15. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO NPSH NOV.970 PDVSA MDP–02–P–04 Página 14 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma funcionalidad y precisión de las propuestas de selección de la bomba. La velocidad específica de succión se define como: SSS + F7 N X Q1ń2 ǒNPSHR Ǔ3ń4 Ec. (5) La factibilidad y la sofisticación de diseño de las bombas centrífugas se puede juzgar usando la velocidad específica de succión y las siguientes guías: Velocidad Específica de Succión Comentarios Sss rev/s rpm Hasta 140 hasta 8500 Fácil de diseñar: modelos ampliamente disponibles 140–170 8500–10000 Diseño de ingeniería más preciso; suficientes fuentes para procura competitiva. 170–215 10000–13000 Diseño de alta ingeniería; fuentes comerciales limitadas a las que poseen experiencia extensa y facilidades de pruebas: usualmente se justifica una prueba de funcionamiento. 215–315 13000–19000 Diseño muy especial; factible, pero raramente práctico para aplicación comercial. Caudal de flujo de operación limitada a un rango pequeño cerca de PME. Por encima Por encima No factible. de 315 de 19000 La comparación del Sss para la selección de una bomba propuesta según el criterio anterior permite una indicación aproximada de la sofisticación del diseño hidráulico de la bomba, e indica la necesidad de verificar con pruebas el funcionamiento predicho. Si la velocidad específica de succión de una bomba propuesta es alta, se puede lograr un valor más bajo: incrementando el NPSH disponible, usando una bomba de doble succión (para doble succión, use 1/2 de Q en el cálculo), reduciendo la velocidad de la bomba (y por ende, su curva de cabezal–capacidad) e incrementando el número de etapas. Si el NPSH disponible es conocido, la velocidad máxima permisible de la bomba se puede calcular sustituyendo NPSHR por NPSHD en la fórmula anterior. Con esta velocidad, se puede estimar la máxima curva de cabezal–capacidad). 10 NOMENCLATURA (MDP–02–P–02).
  • 16. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO NPSH NOV.970 PDVSA MDP–02–P–04 Página 15 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Fig 1. RELACION DE CNSPD Y CNSPR CON EL CAUDAL DE FLUJO.