Como resolver problemas de NPSHa
Na maioria dos problemas de NPSH da vida real, não somos a pessoa que está realizando o cálculo inicial de NPSH para um sistema e selecionando inicialmente a bomba. O cenário mais provável é que estamos presos a um problema de sistema existente e a bomba associada está cavitando em direção a um fim de vida curto e muito caro. Os culpados se foram ou não estão falando.
Por que a cavitação é uma coisa ruim
Se houver NPSHa insuficiente, a bomba irá cavitar. A cavitação causa danos à bomba e uma redução no desempenho. O dano da bomba se manifesta como selo mecânico e danos no rolamento. Nos estágios posteriores, também pode destruir um impulsor. Todo dano é caro.
A maioria dos leitores sabe que a cavitação (clássica) é a formação de bolhas de vapor no líquido. Essas bolhas se formam porque a pressão no líquido caiu abaixo da pressão de vapor (NPSH necessário [NPSHr] excede NPSHa). Esse problema normalmente ocorre perto do olho do impulsor, pois esta é a área de menor pressão no sistema de sucção. As bolhas subsequentemente colapsam quando atingem uma área de pressão mais alta em cerca de um terço a metade da distância ao longo da parte inferior da palheta do impulsor. A formação das bolhas causa pouco dano físico. A cavitação afetará o desempenho hidráulico da bomba. O colapso das bolhas potencialmente cria sérios danos ao impulsor.
Terei um artigo explicando como a cavitação causa danos em uma edição futura.
Margem NPSH
Para evitar ou mitigar a cavitação, você deve ter mais NPSHa do que a bomba requer.
Equação 1
NPSHa ÷ NPSHr = margem NPSH
Onde:
NPSHr também é igual a NPSH3
A margem de NPSH necessária para evitar a cavitação varia de acordo com cada aplicação. Quanto mais margem, melhor. Diretrizes e regras práticas são tão abundantes e confiáveis quanto os mitos urbanos. Eu recomendo que você leia a especificação 9.6.1 do American National Standards Institute/Hydraulic Institute (ANSI/HI) para obter uma melhor compreensão. As propriedades do líquido e o nível de energia de sucção são os fatores diferenciadores.
Como consertar uma bomba cavitante
Frequentemente me fazem essa pergunta e normalmente sugiro dar uma olhada na fórmula NPSHa e seus quatro componentes para a solução.
Usando cada um dos quatro componentes da fórmula, você pode mapear soluções potenciais para resolver o problema NPSHa.
Equação 2
NPSha = huma – hvpa + hrua – hf
Onde:
huma = a pressão absoluta. Pressão absoluta medida em pés de altura manométrica do líquido sendo bombeado na superfície do líquido. Esta será a pressão barométrica se a sucção for de um tanque aberto, ou a pressão absoluta existente em um tanque fechado, como um hotwell de condensador ou desaerador.
hvpa = pressão de vapor. A altura manométrica em pés corresponde à pressão de vapor do líquido na temperatura que está sendo bombeada.
hrua = a altura manométrica estática do líquido sobre a linha central da bomba ou o olhal do impulsor para uma sucção inundada em pés (valor positivo para sucção inundada). Nem todas as linhas centrais do impulsor correspondem à linha central da bomba.
hf = a perda total por atrito em pés de altura manométrica para o sistema do lado de sucção.
O primeiro fator na fórmula é a pressão absoluta (huma). Este fator é sempre positivo. Se a fonte de sucção já estiver aberta para a atmosfera, há pouco que você possa fazer, pois é improvável e irrealista mudar qualquer coisa sob seu controle. Você não pode alterar a pressão atmosférica ou mover a localização da bomba/sistema para uma elevação mais baixa em relação ao nível do mar. No entanto, se houver um problema, isso ajudará você a entender por que a bomba está cavitando. Se o sistema estiver fechado e sob pressão, existe a possibilidade de aumentar a pressão (consequentemente a altura manométrica absoluta [huma]) de alguma forma. Minha experiência com proprietários e operadores de plantas é que o aumento da pressão de sucção do sistema quase nunca acontecerá devido a restrições de prioridade e/ou prioridade mais alta.
O segundo fator na fórmula é a pressão de vapor (hvpa). Quanto maior a temperatura, maior a pressão de vapor e maior o efeito negativo. Na minha experiência, só presenciei um caso em que o cliente estava disposto ou capaz de reduzir a temperatura do sistema, mas ainda é uma pergunta que deve ser feita. Mesmo alguns graus podem ter um efeito significativo.
O terceiro componente na fórmula é a carga estática (hrua). Às vezes, você pode convencer o proprietário do sistema a manter o tanque de abastecimento (situação inundada) ou o reservatório (condição de elevação) em um nível mais alto. Se você tiver sorte, os poucos metros que a cabeça estática for aumentada podem fazer uma grande diferença. Eu estive envolvido em alguns casos em que a bomba foi movida para um nível mais baixo e em um caso, um nível mais baixo foi criado para a bomba. Essas soluções são caras.
O quarto componente na fórmula é o fator de atrito (hf). De todos os fatores na fórmula, tive mais “sorte” convencendo o proprietário do sistema a substituir ou modificar a tubulação de sucção em um esforço para reduzir o componente de atrito. Você pode aumentar o tamanho do tubo e possivelmente reduzir o número de cotovelos, tês e outros componentes no sistema de sucção para minimizar o atrito.
Outras possibilidades fora da fórmula
Se você não pode aumentar o NPSHa, talvez você possa reduzir o NPSHr.
Procure diferentes opções de bomba ou impulsor que exijam menos NPSH. Não é incomum que um fabricante tenha rotores diferentes para a mesma bomba com diferentes requisitos de NPSH. Alguns fabricantes oferecem um indutor que funciona em conjunto com o impulsor para reduzir o NPSHr. Não adicione um indutor sem consultar o fabricante, pois os indutores devem ser compatíveis com o impulsor. Às vezes, uma bomba diferente é necessária.
Mudar para um rotor de sucção dupla (dois olhos) terá um efeito significativo sobre o problema, pois o NPSHr será reduzido em 50%.
Reduza a velocidade da bomba incorporando velocidade variável ou simplesmente usando uma bomba que completará o serviço (vazão [Q] e altura manométrica [TH]) em uma velocidade menor. A ressalva é que a bomba provavelmente será duas vezes maior (fisicamente) que a bomba inicial com um custo mais alto associado.
Em muitos casos, a solução é adicionar uma bomba de reforço na sucção da bomba inicial. Em usinas de energia e outros sistemas de vapor, não é incomum ter uma bomba de condensado que bombeia para uma bomba de reforço de alimentação antes que o líquido chegue à bomba de alimentação real.
Materiais
Às vezes, não há nada que você possa fazer para evitar a cavitação da bomba, então sua opção é tratar o sintoma em vez do problema. Diferentes materiais oferecem diferentes faixas de resistência a danos por cavitação. Além disso, alguns materiais oferecem melhor proteção do que outros durante o curso de um fenômeno conhecido como erosão-corrosão induzida por cavitação.
A resistência ao dano por cavitação é definida como o recíproco da taxa de perda de volume para um determinado metal. As propriedades mecânicas do material que fazem parte desta equação são resistência à tração final, limite de escoamento, alongamento final, dureza Brinell, módulo de elasticidade e energia de deformação.
A propriedade mais importante desta lista é a energia de deformação de fratura dos metais. É por esta razão que as variações de bronze-alumínio e aços inoxidáveis duplex oferecem melhor resistência do que outros materiais, como aço carbono comum e ferro. Observe que, como uma correção pós-fabricante de equipamento original (OEM), também existem vários revestimentos que podem ser aplicados. Ao usar revestimentos, recomendo que a frase e o conselho decisivos para o dia sejam “caveat emptor”, do latim para “comprador, cuidado”.
Com os revestimentos, há bons e maus e bons mal aplicados.
Proximidade do Ponto de Melhor Eficiência (BEP)
Observe onde você está operando na curva da bomba (cabeça e vazão). Se muito para a direita, há uma incompatibilidade com o sistema e a bomba. O NPSHr aumenta exponencialmente à medida que você se move para a direita. Operar muito para a esquerda na curva pode ter problemas semelhantes. Na verdade, o NPSHr aumenta à medida que você se aproxima de áreas de taxas de fluxo baixas e mínimas. Isso não é publicado na maioria das curvas de bomba.
Velocidade Específica de Sucção (NSS)
Na década de 1970, novas plantas ou sistemas foram projetados com um mandato cada vez maior para economizar dinheiro (às vezes acima da confiabilidade), especialmente na construção inicial e nos custos de material. Como medida de corte de custos, o NPSHa dos sistemas foi reduzido (pense em tanques e bombas menores e mais baixos em níveis mais altos). Os proprietários/compradores do sistema posteriormente colocaram uma pressão crescente sobre os fabricantes de bombas para projetar bombas com requisitos de NPSH mais baixos. A solução mais simples e rápida para os fabricantes de bombas foi aumentar o tamanho do olhal do impulsor. A boa notícia foi que o NPSHr foi reduzido, mas a má notícia foi que a estabilidade hidráulica da bomba também foi marcadamente reduzida se e à medida que o ponto de operação se afastasse do BEP. Eu vou ter mais sobre isso em um artigo posterior.
Observação: Também não é discutido o “Fator de Correção de Hidrocarbonetos”, assunto de um artigo futuro.
Conclusão
Não importa o que aconteça, você estará envolvido em aplicações de bombas novas ou existentes de algum aspecto em que o NPSH será um fator. Pelo menos agora você saberá por que os impulsores têm olhos grandes, os tanques têm pernas longas e as bombas ficam em lugares baixos.
Dicas para calcular o NPSHa
1. Sempre calcule o NPSHa ao escolher, aplicar ou solucionar problemas de uma bomba.
2. Trabalhe sempre em valores absolutos.
3. Mantenha as unidades consistentes. Eu recomendo trabalhar em pés de cabeça se você estiver trabalhando em unidades usuais dos EUA (USC) ou metros de cabeça se estiver usando unidades métricas do SI.
4. Use a fórmula NPSHa. É seu amigo.
5. Sempre calcule para a pior condição (mais restritiva) do sistema.
6. A pressão de sucção não é NPSHa.
7. Não confunda submersão com NPSHa. Você precisa calcular para ambos.
8. Quase todo problema de bomba está no lado da sucção.
9. A pressão de vapor não é sua amiga. Sempre conheça as propriedades do líquido.
10. No vácuo, ainda há alguma pressão. Está apenas a um nível abaixo da pressão atmosférica.
11. Para uma determinada bomba, a mesma vazão (Q) usando um impulsor menor exigirá mais NPSH. Procure usar um impulsor maior, se possível. Observe que a cabeça dinâmica total (TDH ou TH) será diferente.
12. Em caso de dúvida, volte para esta série de artigos ou ligue para seu “telefone de bomba de amigo”.