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

AGUAS RESIDUALES

Las aguas residuales son aguas contaminadas por diversas fuentes contaminantes, como son origen humano, industrial, animal, etc.

En una primera clasificación, podemos dividir las aguas residuales en dos tipos:

  • Aguas blancas o de lluvia: son aguas procedentes de la escorrentía de lluvia, caracterizándose por grandes volúmenes y escasa contaminación.
  • Aguas negras o urbanas, son aguas procedentes de la actividad humana, industrial, etc., caracterizándose por volúmenes inferiores, gran contaminación y caudales constantes.

En función del tipo contaminante, podemos hablar de diferentes tipos de aguas residuales.

1.- Aguas residuales domésticas.

Son aguas que incorporan agentes contaminantes procedentes de la actividad humana, entiéndase aguas fecales, lavado, limpieza, etc. Dichos agentes contaminantes serán gérmenes patógenos, materia orgánica, sólidos, nitrógeno, fósforo, entre otros.

1.1.- Gérmenes patógenos.

Debido al gran número de gérmenes que existen, resulta impracticable, por el gran coste económico y poca practicidad, la medición de todos los gérmenes patógenos que existen en el agua residual.

Es por ello, que se miden microorganismos indicadores de contaminación fecal exclusivamente, aunque no necesariamente patógenos, pero sí de origen únicamente humano o animal, no produciéndose en el medio natural.

Los tipos más comúnmente empleados son:

  • Coliformes fecales (CF); el más utilizado es el Escherichia Coli. Se detectan en laboratorio, tras el recuento de las colonias cultivadas en determinados medios nutritivos. Se encuentran en el intestino humano y en animales de sangre caliente.
  • Estreptococos fecales (EF); son de origen animal. Si la relación CF/EF es del orden de 4,4, podemos garantizar que la contaminación es de origen humano, mientras que si es inferior a 0,4-0,6 la contaminación es de origen animal.
  • Clostridium solfito-reductores; al creas esporas en situaciones de escasez de oxígeno, indican contaminación lejana en el tiempo.

1.2.- Material orgánica oxidable biológicamente.

Estas materias absorben oxígeno hasta su mineralización, debido a los procesos químicos o biológicos de oxidación.

Los diferentes métodos para su determinación son los siguientes:

  • Métodos basados en la oxidación térmica.

Consisten en añadir oxígeno y calor, desprendiendo dióxido de carbono y agua.

MO + O2 + calor -> CO2 + H2O

Podemos medir el O2 consumido (demanda total de oxígeno o DTO) o el CO2 producido (carbón orgánico total COT)

  • Métodos basados en la oxidación química.

Consisten en añadir un oxidante químico, desprendiéndose dióxido de carbono, agua y residudos.

MO + oxidante químico -> CO2 + H2O + resíduos

El ensayo más utilizado es el DQO (demanda química de oxígeno), en el que se usa como reactivo dicromato potásico. Se mide la cantidad de reactivo consumido en 1-2 horas si el reactivo se efectua en frío, o 20-30 minutos si está caliente.

Las aguas no contaminadas poseen un DQO del orden de 1-5 ppm, mientras que las aguas residuales domésticas andan por el orden de 250-1000 ppm.

  • Métodos basados en la oxidación bioquímica.

Refleja la materia orgánica que existe en el agua, indicando el oxígeno necesario para alimentar los microorganismos y las reacciones químicas.

Es la cantidad de oxígeno expresado en mg/l y consumida en condiciones de ensayo (20ºC, P atm y oscuridad) en un tiempo dado, como consecuencia de la oxidación por vía biológica, de las materias biodegradables presentes en el agua residual. Este método se llama DBO (demanda bioquímica de oxígeno).

Para el control de la autodepuración natural o para el control de los procesos de depuración, suele adoptarse la demanda bioquímica de oxígeno a los cinco días (DBO5), cuyo valor se aproxima suficientemente el valor asintónico de la DBO correspondiente al ciclo del carbono.

1.3.- Sólidos en suspensión y contenido de materia orgánica.

El conjunto de sólidos totales (ST) está formado por una constitución diferente, según su constitución orgánica o inorgánica. A los sólidos inorgánicos se les denomina sólidos fijos (F), y a los orgánicos volátiles (V).

Para la determinación de los sólidos se desecará la muestra a 103ºC. A los 700ºC la material orgánica se volatiliza, quedando los sólidos fijos, y por diferencia con los que permanecen a 103ºC se obtienen los volátiles.

1.4.- Concentración de nitrógeno.

Dependiendo de la variedad en que se encuentre, señalarán la proximidad o distancia al punto de vertido del agua residual.

El ion amonio es la primera etapa del ciclo del nitrógeno por transformación de la urea.

Los nitritos y nitratos son la segunda y tercera etapa del ciclo del nitrógeno, al que se llega por la acción de bacterias aerobias.

2.- Aguas residuales de origen industrial

Son el conjunto de aguas residuales propias de la actividad industrial, a las que se le incorporan las aguas negras de la población laboral.

Su composición es muy variable, pudiendo estar constituida por compuestos orgánicos, inorgánicos, radioactivos, etc.