Principios básicos de las bombas centrífugas: cavitación

Tipos de cavitación en bombas centrífugas

Para reducir o prevenir la cavitación en bombas centrífugas, es importante comprender los diferentes tipos de cavitación que pueden ocurrir. Estos tipos incluyen:

1. Cavitación por vaporización. También conocida como "cavitación típica" o "cavitación por deficiencia neta de cabeza de succión positiva (NPSHa)", este es el tipo más común de cavitación. La bomba centrífuga aumenta la velocidad del fluido a medida que pasa a través de los orificios del impulsor. Un aumento de la velocidad corresponde a una disminución de la presión del fluido. La reducción de presión puede hacer que parte del fluido hierva (se vaporice) y forme burbujas de vapor, que colapsan violentamente cuando alcanzan el área de alta presión y crean una pequeña onda de choque.

 

2. Cavitación turbulenta. Es posible que piezas como codos, válvulas, filtros, etc. del sistema de tuberías no sean adecuadas para el volumen o la naturaleza del líquido que se bombea, lo que puede crear corrientes parásitas, turbulencias y diferencias de presión en todo el líquido. Cuando estos fenómenos aparecen en la entrada de la bomba, erosionarán directamente el interior de la bomba o provocarán la vaporización del líquido.

 

3. Cavitación del síndrome de la hoja. También conocido como "síndrome de la pala", este tipo de cavitación se produce cuando el diámetro del impulsor es demasiado grande o el revestimiento interior de la carcasa de la bomba es demasiado grueso/el diámetro interior de la carcasa de la bomba es demasiado pequeño. Cualquiera de estas condiciones o ambas reducirán el espacio (espacio libre) en la carcasa de la bomba por debajo de un nivel aceptable. Una reducción del espacio libre en la carcasa de la bomba da como resultado un aumento en el caudal de fluido, lo que resulta en una reducción de la presión. La presión reducida puede hacer que el fluido se vaporice, produciendo burbujas de cavitación.

 

4. Cavitación por recirculación interna. Cuando la bomba no puede descargar el fluido al caudal deseado, hace que parte o la totalidad del fluido recircule alrededor del impulsor. El fluido recirculado pasa a través de regiones de baja y alta presión, lo que genera calor, alta velocidad y la formación de burbujas de vaporización. Una causa común de recirculación interna es hacer funcionar la bomba cuando la válvula de salida de la bomba está cerrada (o con un caudal bajo).

 

5. Arrastre de aire con cavitación. Es posible que entre aire a la bomba a través de una válvula defectuosa o un conector flojo. Una vez dentro de la bomba, el aire fluirá con el fluido. El movimiento del fluido y el aire puede formar burbujas que "explotan" cuando se exponen al aumento de presión del impulsor de la bomba.

 

Factores que causan la cavitación.

NPSH, NPSHa y NPSHr

NPSH es un factor clave para prevenir la cavitación en bombas centrífugas. NPSH es la diferencia entre la presión de succión real y la presión de vapor del fluido, medida en la entrada de la bomba. El valor NPSH debe ser alto para evitar que el fluido se vaporice en la bomba. NPSHa es el NPSH real en condiciones de funcionamiento de la bomba. La altura de succión positiva neta requerida (NPSHr) es el NPSH mínimo especificado por el fabricante de la bomba para evitar la cavitación. NPSHa es función de los detalles de instalación y operación de la tubería de succión y la bomba. NPSHr es una función del diseño de la bomba y su valor se determina mediante pruebas de la bomba. NPSHr indica la altura disponible en condiciones de prueba y, por lo general, toma una caída del 3% en la altura de la bomba (para bombas multietapa, cabeza del impulsor) como base para la identificación de la cavitación. NPSHa siempre debe ser mayor que NPSHr para evitar la cavitación.

Arrastre de aire y su papel en la cavitación.
Cuando entra aire en la línea de succión de la bomba, se produce arrastre de aire, lo que aumenta el riesgo de cavitación. Esto puede ocurrir debido a un llenado inadecuado de la bomba, fugas en la línea de succión y flujo turbulento o remolino en la línea de succión. El aire en el líquido forma pequeñas burbujas que, bajo condiciones de presión en la bomba, pueden contribuir o exacerbar el proceso de cavitación. Reducir el arrastre de aire es clave para minimizar el riesgo de cavitación. Esto se puede lograr cumpliendo con los requisitos mínimos de inmersión, asegurando un sellado adecuado de las conexiones de las tuberías, manteniendo un NPSHa adecuado y evitando turbulencias en la entrada de la bomba.

 

Análisis de curvas de bombas y sistemas relacionados con el riesgo de cavitación.

 

El análisis de las curvas de bombas y sistemas es una herramienta importante para comprender y reducir el riesgo de cavitación. Las intersecciones entre las curvas de la bomba y del sistema ilustran el rendimiento del flujo, la altura y la eficiencia de la bomba en diferentes condiciones del sistema. Al analizar las curvas de la bomba y del sistema, el operador puede determinar el rango operativo óptimo de la bomba y evitar áreas que se sabe que causan cavitación. Estas áreas incluyen situaciones en las que el caudal es muy alto o la altura de succión es muy baja. Se debe prestar especial atención al punto de flujo mínimo, ya que operar por debajo de este índice aumenta en gran medida el riesgo de cavitación. El uso adecuado de las curvas de las bombas ayuda a tomar decisiones sobre la selección de la bomba, la velocidad de funcionamiento y las precauciones necesarias para minimizar la cavitación en las bombas centrífugas.

 

Estrategias para reducir la cavitación

Eleve NPSHa para evitar la cavitación.
Asegurar que el NPSHa sea mayor que el NPSHr es fundamental para evitar la cavitación. Esto se puede hacer mediante:

1. Reduzca la altura de la bomba en relación con el depósito/tanque de succión. Puede aumentar el nivel en el depósito de succión/piscina, o reducir la altura de instalación de la bomba. Esto aumenta el NPSHa en la entrada de la bomba.

 

2. Aumentar el diámetro del tubo de aspiración. Esto reduce la velocidad del fluido a un caudal constante, reduciendo así las pérdidas de cabeza de succión para tuberías y accesorios.

 

3. Reducir la pérdida de carga de los accesorios. Reducir el número de conexiones en la línea de succión de la bomba. Utilice accesorios como curvas de radio largo, válvulas de diámetro completo y tuberías reductoras de cono para ayudar a reducir la pérdida de altura de succión causada por los accesorios de tubería.

 

4. En la medida de lo posible, evitar instalar filtros y filtros en la línea de succión de la bomba, porque suelen provocar cavitación en la bomba centrífuga. Si esto no se puede evitar, asegúrese de que el filtro y el filtro en la línea de succión de la bomba se revisen y limpien periódicamente.

 

5. Enfriar el fluido bombeado para reducir su presión de vapor.

 

Conozca el margen NPSH para prevenir la cavitación

El margen NPSH es la diferencia entre NPSHa y NPSHr. Un margen grande de NPSH reduce el riesgo de cavitación porque proporciona un factor de seguridad que evita que NPSHa caiga por debajo de los niveles operativos normales debido a fluctuaciones en las condiciones operativas. Los factores que afectan el margen de NPSH incluyen las características del fluido, la velocidad de la bomba y las condiciones de succión. Los ingenieros deben calcular y maximizar este margen durante las etapas de diseño y planificación operativa para garantizar un rendimiento confiable de la bomba y minimizar el riesgo de cavitación. El monitoreo y ajuste periódicos basados ​​en datos operativos en tiempo real ayudan a mantener un margen NPSH efectivo.

 

Mantener el flujo mínimo de la bomba

Garantizar que la bomba centrífuga funcione por encima del caudal mínimo especificado es fundamental para reducir la cavitación. Las bombas centrífugas que funcionan por debajo de su rango de flujo óptimo (área de trabajo permitida) aumentan la probabilidad de zonas de baja presión, que pueden inducir cavitación. Cada bomba centrífuga tiene una curva característica de la bomba que muestra el caudal mínimo requerido para evitar problemas operativos como la cavitación. Este flujo mínimo se puede mantener utilizando métodos de control de flujo, como líneas de derivación, válvulas de control o bombas de velocidad variable. Esto es especialmente importante durante la fase de arranque o parada, cuando cambia la demanda de la bomba.

 

Consideraciones de diseño del impulsor para reducir la cavitación.

El diseño del impulsor juega un papel importante a la hora de determinar si la bomba centrífuga es propensa a la cavitación. Un impulsor con menos palas y más grandes tiende a acelerar menos el fluido, lo que reduce el riesgo de cavitación. Además, los impulsores con grandes diámetros de entrada o palas cónicas ayudan a gestionar el flujo de fluidos con mayor suavidad, minimizando la turbulencia y la formación de burbujas. La vida útil de los impulsores y las bombas se puede prolongar utilizando materiales resistentes al daño por cavitación.

Utilice dispositivos anticavitación

Los dispositivos de prevención de cavitación, como los accesorios de control de flujo o los revestimientos de supresión de cavitación, pueden reducir eficazmente la cavitación. La función de estos dispositivos es controlar la dinámica de fluidos alrededor del impulsor, proporcionando un flujo más estable y reduciendo la turbulencia y las áreas de baja presión que causan la cavitación. Se pueden utilizar rectificadores de flujo para reducir los vórtices en el fluido y mejorar las condiciones de entrada de la bomba. El revestimiento de supresión de cavitación rompe la burbuja antes de que implosione, protegiendo el impulsor y la carcasa de la bomba contra daños.

 

La importancia de dimensionar correctamente la bomba para evitar la cavitación

Seleccionar el tipo de bomba correcto y especificar el tamaño correcto para una aplicación particular es fundamental para prevenir la cavitación. Las bombas de gran tamaño pueden funcionar de manera menos eficiente a caudales más bajos, lo que genera un mayor riesgo de cavitación, mientras que las bombas de tamaño insuficiente pueden necesitar trabajar más para cumplir con los requisitos de flujo, lo que también aumenta la probabilidad de cavitación. La selección adecuada de la bomba incluye un análisis detallado de los requisitos de flujo máximo, normal y mínimo, las características del fluido y el diseño del sistema para garantizar que la bomba esté funcionando dentro del rango operativo especificado. Una selección precisa evita la cavitación y mejora la eficiencia y confiabilidad de la bomba durante todo su ciclo de vida. La cavitación en las bombas centrífugas puede afectar la eficiencia y acortar la vida útil al dañar componentes importantes. La implementación de las estrategias discutidas, como optimizar el diseño y la selección de la bomba, mantener caudales apropiados y garantizar márgenes de NPSH adecuados, reducirá significativamente el riesgo de cavitación. El monitoreo y el mantenimiento regulares garantizan que la bomba funcione en condiciones óptimas, lo que aumenta la vida útil y la confiabilidad de diversas aplicaciones. Al tomar medidas proactivas, los equipos pueden mejorar el rendimiento y evitar costosos daños y peligros causados ​​por la cavitación.