CAVITACIÓN Y NPSH

NPSH es la caída interna de presión que sufre un fluido cuando este ingresa al interior de una bomba centrífuga. Cuando el fluido ingresa a una bomba centrífuga, lo hace siempre por el centro del rodete impulsor, lugar en donde toma contacto con las paletas de dicho rodete para ser luego impulsado hacia la periferia de la bomba. Pero, al hacer contacto con dicha paletas, el fluido sufre lo que se denomina «Efecto de la Proa de Fuhrmann». Este efecto, establece que el fluido, que ya ha pasado por las pérdidas de fricción y de accesorios del sistema de tuberías, aún continúa perdiendo presión esta vez dentro de la bomba centrífuga, al reacomodarse al contorno de la paleta, en cuya punta el fluido choca contra el extremo, se reacomoda rápidamente, aumenta su velocidad, y por ende disminuye su presión. Otro factor que determina esta caída de presión es el hecho de que el flujo ingresa al centro del rodete de forma axial, y se debe reorientar para seguir el contorno de las paletas.

NPSH1

La NPSH es un parámetro importante en el diseño de un circuito de bombeo: si la presión en el circuito es menor que la presión de vapor del líquido, éste entrará en algo parecido a la ebullición: se vaporiza, produciéndose el fenómeno de cavitación, que puede dificultar o impedir la circulación de líquido, y causar daños en los elementos del circuito.

En las instalaciones de bombeo se debe tener en cuenta la NPSH referida a la aspiración de la bomba, distinguiéndose dos tipos de NPSH:

NPSH requerida: es la NPSH mínima que se necesita para evitar la cavitación. Depende de las características de la bomba, por lo que es un dato que debe proporcionar el fabricante en sus curvas de operación.

NPSHrequerido = Hz + V2/2g

dónde

  • Hz es la Altura mínima necesaria a la entrada del rodete, en m.c.a. (metros de columna de agua).
  • V2/2g es la presión cinética correspondiente a la velocidad de entrada del líquido en la boca de aspiración, en m.c.a. (para Va en m/s).

NPSH disponible: depende de las características de la instalación y del líquido a bombear.

NPSH disponible =  Pa/Y – Ha – hf – Pv/Y

, siendo:

  • Y el peso específico del líquido (N/m3)
  • Pa, la presión en el nivel de aspiración, en Pa.
  • Ha, altura geométrica de aspiración, en mca.
  • Hf, pérdida de carga en la línea de aspiración, en mca.
  • Pv, presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo, en Pa.

NPSH2

El peso específico del agua, varía en función de temperatura de la misma:

Temperatura ºC Peso específico N/m3
0 9805
5

9806

10 9803
20 9786
40 9737
60 9658
80 9557
100 9438

La presión en el nivel de aspiración varía en función de la altitud, sabiendo que por cada 10 metros sobre el nivel del mar, desciende la presión en 1 mmHg (1 Torr).

Sabiendo que la presión al nivel del mar es de 760 mmHg, y que 1 mmHg = 133.32 Pa, se obtiene fácilmente la presión en Pa.

La relación presión de vapor peso específico, varía en función de la temperatura, según la siguiente tabla:

NPSH3

Las pérdidas de carga localizadas, la obtenemos de la siguiente fórmula:

hs= K* v2/2g

, siendo K un factor empírico que depende del tipo de la singularidad del elemento en la tubería,

En la práctica, se suelen adoptar los siguientes valores de K:

  • Válvula esférica (totalmente abierta)          10
  • Válvula en ángulo recto (totalmente abierta) 5
  • Válvula de seguridad (totalmente abierta)     5
  • Válvula de retención (totalmente abierta)      2
  • Válvula de compuerta (totalmente abierta)    2
  • Válvula de compuerta (abierta ¾)               15
  • Válvula de compuerta (abierta ½)                 6
  • Válvula de compuerta (abierta ¼)                 0
  • Válvula de mariposa (totalmente abierta) –
  • “T” por la salida lateral                               80
  • Codo a 90º de radio corto (con bridas)         90
  • Codo a 90º de radio normal (con bridas)      75
  • Codo a 90º de radio grande (con bridas)      60
  • Codo a 45º de radio corto (con bridas)         45
  • Codo a 45º de radio normal (con bridas)      40
  • Codo a 45º de radio grande (con bridas)      35

La cavitación se evitará cuando el NPSH disponible sea mayor que el NPSH requerido

CÁLCULO DE CAUDALES DE AVENIDAS. MÉTODO DE TÉMEZ

La hipótesis de lluvia neta constante propuesta por la instrucción 5.2-IC Drenaje Superficial,  en la expresión Q=(C·I·A)/3 no es real y en la práctica existen variaciones temporales que originan la aparición de caudales punta.

La influencia de la lluvia neta dentro de la duración de su tiempo de concentración se puede reflejar globalmente refiriendo los caudales punta de estos casos al homólogo en la hipótesis de intensidad de lluvia neta constante. Para ello, se aplica el coeficiente de uniformidad K, cuyo valor en una cuenca depende fundamentalmente del valor de su tiempo de concentración.

Para cuencas de tiempo de concentración mayores a 6 horas, se aplicará la formulación propuesta por Témez (1.991), que modifica ligeramente la versión propuesta en la Instrucción 5.2-IC, para ampliar su campo de aplicación a cuencas de hasta 3.000 Km2 y tiempos de concentración comprendidos entre 0,25 y 24 horas. Este método multiplica la máxima precipitación diaria obtenida por Gumbel (Pd) por un factor de área ARF. El uso de este factor es el siguiente:

La mayor parte de los trabajos hidrológicos requieren la estimación de la lluvia sobre una determinada área, que evidentemente será igual o menor que el correspondiente valor puntual calculado, debido al efecto de no simultaneidad

P=Pd·ARF

siendo ARF=1-(LogA/15) estando el área A en KM2.

El caudal final se obtiene mediante la fórmula:

Q=(C·A·I)/3,6·K

Para la definición del coeficiente de uniformidad, se propone la siguiente expresión obtenida a partir de comprobaciones empíricas realizadas en diversas estaciones de aforo:

K=1+(Tc^1,25)/(Tc*1,25 + 14)

Resumen:

El caudal obtenido por el método de Témez es el mismo que el resultante del método racional que figura en la Instrucción 5.2-IC, multiplicado por un coeficiente resultante del producto del valor K y del valor de ARF.

PRESAS. TIPOLOGÍA

Una presa es una construcción que tiene por objeto contener el agua de un cauce natural con dos fines:

  • Elevar su nivel para que pueda derivarse por una conducción
  • Formar un depósito que, al retener los excedentes, permita suministrar el líquido en los momentos de escasez.

La función mecánica esencial de una presa es elevar el nivel natural del río, sea para conseguir ese fin estricto o para obtener una capacidad de almacenamiento.

La evacuación de los caudales excedentes es, pues, invevitable, pero presenta una característica: como los sobrantes no se presentan repartidos en un largo periodo sino por efecto de avenidas de duración relativamente corta con caudales muy grandes, la evacuación de éstos plantea problemas de gran consideración por la envergadura de los caudales, unida a la circunstancia de que la elevación producidad por la presa crea en el cauce una energía debida al desnivel, que ha de amortiguarse de alguna forma.

Los órganos destinados a la evacuación de caudales sobrantes se llaman aliviaderos y pueden se de varios tipos, según su situación:

  • Aliviaderos de superficie
  • Aliviaderos de fondo
  • Desagües de fondo

Los primeros suelen ser los aliviaderos propiamente tales en cuanto a avenidas. Los desagües de fondo rara vez sirven para aliviar avenidad, pero son fundamentales para permitir descender el niel del embalse por debajo de las tomas de agua para su revisión; o para bajar rápidamente ese nivel cuadno hay algún defecto, consiguiendo una importante disminución del empuje hidrostático.

Los caudales a evacuar suelen ser moderados en los desagües de fondo, bastante mayores en los de medio fondo, y muy grandes en los de superficie.

La envergadura de esos caudales, unida a la necesidad de amortiguar una energía varias decenas de veces superior a al normal que general o podría generar el salto creado por la presa, hace ver la gran importancia que tiene el problema del aliviadero.

Siendo la presa una estructura hidráulica, los distintos tipos posibles responden a las variadas formas de lograr las dos exigencias funcionales:

  • Resistir el empuje del agua.
  • Evacuar los caudales sobrantes.

En cada caso, la importancia relativa de estas dos premisas, junto con las condiciones naturales del terreno y las exigencias del uso del agua, dan una serie de condicionanete que llevan a la elección de un tipo de presa como más adecuado.

En cuanto a la situación del aliviadero, éste puede estar:

  • sobre la misma presa (presas vertederos)
  • separado de ella

En el primer caso, la estructura está directamente condicionada por el aliviadero. En el segundo, la estructura puede proyectarse con total independencia de aquel.

Respecto a la forma de resistir el empuje hidrostático, las presas pueden ser:

  • De gravedad, cuando el peso de la presa es notable y sirve para , al componerse con el empuje, dar un resultante adecuada y francamente interior a la base de la presa.

presa 2

  • En arco, utilizando una forma curva para la presa, al objeto de transmitir el empuje al terreno en dirección e intensidad adecuadas.

presa 1

 

Las presas de gravedad pueden ser, a su vez, macizas o aligeradas. El nombre de la primeras es suficientemente expresivo. Las segundas pretenden emplear menos material, disponiéndolo más adecuadamente. El aligeramiento puede consistir en galerías horizontales, o más frecuentemente, huecos verticales, quedando constituida la presa por una serie de contrafuertes resistentes.

Las presas arco pueden tener curvatura solo horizontal o doble curvatura. Estas se llaman presas bóvedas o cúpula.

Hay un tipo mixto, llamado de bóveda múltiples, constituido por una serie de contrafuertes que resisten por gravedad el empuje hidrostático que les transmiten una bóveda en contacto directo con el agua.

También hay un tipo intermedio entre las presas arco y las de gravedad, que se llama arco-gravedad. En éste, la acción de la curvatura es insuficiente para resistir el empuje y ay que dar a la presa un cierto peso para que compense ese defecto.

En atención al material empleado, se clasifican en:

  • presas de fábrica
  • presas de materiales sueltos.

presa 4

Hoy en día, las presas de fábrica son casi exclusivamente de hormigón. La mampostería ha quedado abolida por su gran carestía y por su menor seguridad y lentitud de construcción.

La subclasificación de las presas de materiales sueltos se hace atendiendo a la posición de la pantalla impermeabilizadora, que pude ser interior o aguas arriba; a su vez, esta pantalla puede ser de tierra, bituminosa o de hormigón armado, siendo la más usada la primera por ser más homogénea con el resto de la estructura.