Rendimiento de Bombas Centrífugas: Cavitación y Optimización

Altura Piezométrica

H_E = Energía teórica por unidad de peso en el rodete, intercambiada entre el rodete y el fluido.

Altura piezométrica comunicada al fluido: efecto de las fuerzas centrífugas que experimentan las partículas fluidas cuando pasan de un radio de giro menor a otro mayor. Cambio de velocidad relativa.

Altura Interna Real

H_I = Altura Interna Real. Es la energía hidráulica por unidad de peso bruta real en el rotor de la bomba. Es decir, es la parte de la energía por unidad de peso cedida por el motor a la bomba que se transforma en energía hidráulica en el rotor.

Distribución de Velocidad (w) y Presión (p)

La distribución de w y p en el canal entre álabes se resume:

1. w aumenta en el sentido de giro del rotor de la bomba.
2. p disminuye en el sentido de giro del rotor de la bomba → la presión es mayor en el extradós que en el intradós del álabe.

Esta distribución da lugar a un par del fluido en sentido contrario al comunicado por el rotor. La velocidad no es uniforme a la salida y la velocidad media a la salida no coincide con la velocidad media en el caso de infinitos álabes.

1. R₂ es más pequeño y el efecto de la aceleración tangencial no es tan importante.
2. A₂ es más pequeña y los álabes están más próximos entre sí.

Cavitación

Para cada temperatura → P_v (Presión de vapor)

Fases de la Cavitación

1. Fase 1: p_líq < p_v → Burbujas de vapor + Líquido → Disminución de la presión.
2. Fase 2: La burbuja de vapor aumenta de tamaño.
3. Fase 3: En condiciones de p_líq > p_v → el vapor se condensa. El líquido ocupa un volumen menor.

Se crea un vacío en el espacio dejado libre por la burbuja de vapor. Se producen implosiones que generan sobrepresiones muy altas y aceleran el fluido en todas direcciones, golpeando las paredes. (p_implosiones → vibraciones/resonancia con el motor) rotura de la bomba.

Otros Fenómenos

Si p disminuye → disminuye la solubilidad de los gases en un líquido. Normalmente, el gas disuelto en líquidos es aire. En condiciones normales, el volumen de aire es del 2-3%. Si p_líquido < p_v → el aire se desprende de la disolución → bolsas de aire (O₂). Aumento de la concentración de O₂ → oxidación de las paredes → Deterioro del material. Consecuencias: Disminución de H_m (Altura manométrica) y disminución del rendimiento.

Si existe cavitación, las burbujas de vapor ocupan mayor volumen y desplazan al líquido.

NPSH disponible (NPSHd)

NPSHd disminuye si aumenta [z_s (altura de succión), altitud (disminuye p_atm / ρg), r_o (radio del orificio), longitud de la tubería de aspiración, número de singularidades, Q (caudal), v_c (velocidad de circulación), volatilidad del líquido, temperatura del líquido] y disminuye la temperatura de aspiración.

NPSH requerido (NPSHr)

NPSHr aumenta si aumenta [velocidad media en el orificio de aspiración (v_E), coeficiente de fricción interna (que depende de: forma del conducto de aspiración, rugosidad del conducto de aspiración, forma del borde de ataque del álabe, perfil del álabe, número de álabes), Q, n (velocidad de rotación), H_m para igual n, v (velocidad específica), n_q (velocidad específica del caudal), volumen de líquido vaporizado / volumen de líquido] y disminuyen la temperatura y D₂ (diámetro del impulsor a la salida) para n_q muy alto.

Influencia del Ángulo β₂

Si β₂ aumenta → aumenta v₂ → aumentan las pérdidas por fricción y choques en el sistema difusor y el ruido fluidodinámico, y disminuye el rendimiento en la conversión de energía cinética a energía potencial.

Cambios de dirección bruscos de más de 90º → aumento de la pérdida de carga local.