Cavitación en bomba centrífuga de agua caliente en altura
Una bomba centrífuga trasvasa 45 m³/h de agua a 70 °C desde un tanque atmosférico abierto hacia un intercambiador, en una planta situada a 2 200 m sobre el nivel del mar (presión atmosférica local ≈ 78 kPa). El tanque está 2.5 m por debajo del eje de la bomba y la tubería de succión es DN80, con 1.8 m de pérdidas a caudal nominal. La bomba seleccionada declara NPSHr = 3.5 m. Durante la primera semana aparece ruido tipo grava, vibración y erosión incipiente en el borde de ataque del impulsor tras solo 300 h de operación. El operador propone «cerrar un poco la válvula de descarga para que no cavite» y el jefe de planta pide una decisión antes de la siguiente parada programada.
1. Calcule el NPSH disponible en la instalación actual y dictamine si la bomba puede operar sin cavitar.
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A 70 °C: Pv = 31.2 kPa y ρ = 977.8 kg/m³, luego ρg = 9 592 Pa/m.
NPSHa = (Patm − Pv)/(ρg) − Hsucción − hf = (78 000 − 31 200)/9 592 − 2.5 − 1.8 = 4.88 − 4.30 = 0.58 m.
Margen = NPSHa − NPSHr = 0.58 − 3.5 = −2.92 m. No es una situación marginal: la presión local cae por debajo de la de vaporización en la entrada del impulsor y la cavitación es inevitable. El ruido de grava, la vibración y la pérdida de material en 300 h son coherentes con colapso de burbujas.
Observación clave: la altitud es un factor decisivo. A nivel del mar (101.3 kPa) el NPSHa sería 7.31 − 4.30 = 3.01 m, todavía por debajo de 3.5 m. Es decir, el problema no se resuelve «con más presión atmosférica»: el diseño de succión es insuficiente en origen.
Dictamen: no autorizar operación continua; cada hora de servicio erosiona el impulsor y degrada la curva de la bomba.
2. Evalúe tres alternativas correctivas: (a) ampliar la succión a DN100, con pérdidas de 0.5 m; (b) reubicar la bomba bajo el tanque, con 2.0 m de carga estática positiva; (c) enfriar el agua a 50 °C (Pv = 12.3 kPa, ρ = 988 kg/m³).
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(a) DN100: NPSHa = 4.88 − 2.5 − 0.5 = 1.88 m. Déficit de 1.62 m: insuficiente por sí sola, aunque mejora.
(b) Succión inundada: NPSHa = 4.88 + 2.0 − 1.8 = 5.08 m, margen de 1.58 m sobre NPSHr (≈ 45 %). Cumple el criterio habitual de mantener al menos 1 m o 10-20 % de margen.
(c) Enfriar a 50 °C manteniendo el layout: (78 000 − 12 300)/9 692 = 6.78 m; NPSHa = 6.78 − 4.30 = 2.48 m. Sigue faltando 1.02 m: no basta. Combinada con DN100 daría 6.78 − 2.5 − 0.5 = 3.78 m, apenas 1.08 × NPSHr, un margen demasiado ajustado para operar con filtros sucios o caudal variable; además exige un cambiador adicional que el proceso no contempla.
Recomendación: reubicar la bomba en succión inundada, verificar que la línea tenga pendiente continua ascendente hacia la bomba y purga de aire, y mantener la succión corta. Si la reubicación es inviable por espacio, la alternativa es una bomba con inductor o de baja NPSHr combinada con DN100 y reducción de temperatura; el simple aumento de diámetro no alcanza.
3. ¿Qué opina de la propuesta del operador de cerrar la válvula de descarga? Explique el efecto real sobre el NPSH y los riesgos asociados.
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Estrangular la descarga reduce el caudal; como las pérdidas de succión varían con Q², el NPSHa sube, pero muy poco: si hf baja de 1.8 a ~1.5 m, el NPSHa pasa de 0.58 a 0.88 m. El déficit de casi 3 m no se recupera estrangulando la descarga; la causa raíz es la presión de vapor más la carga estática y la altitud, no el caudal.
Riesgos adicionales:
- Al reducir caudal, el punto de operación se mueve hacia el extremo izquierdo de la curva, donde aparecen recirculación interna y esfuerzos radiales altos sobre el eje y los rodamientos.
- En muchas bombas el NPSHr aumenta cerca del caudal nulo, con lo que el margen puede incluso empeorar.
- Se desperdicia energía de forma permanente (estrangulamiento disipa carga) y se enmascara el problema hasta que el impulsor falla.
- La cavitación ya está instalada: el material perdido no se recupera.
Procedimiento correcto: corregir el lado de succión (inundación, mayor diámetro, menor temperatura), verificar el NPSHa con el caudal real de operación, y solo después ajustar el punto de trabajo con recorte de impulsor o variador de frecuencia, nunca con la válvula de descarga como control permanente.