Bomba vertical vs horizontal NPSH: qual tem melhor desempenho

Por que o NPSH decide o destino da sua bomba centrífuga

A bomba centrífuga vertical tem melhor NPSH do que a horizontal? Essa questão surge em quase todas as reuniões de seleção de bombas onde o lado de sucção está estanque, o líquido está quente ou o nível do tanque está baixo. A resposta curta é sim: na maioria das instalações, uma bomba vertical fornece um NPSH disponível mais alto do que uma bomba horizontal montada acima do nível do líquido, e é por isso que as bombas verticais cavitam menos em aplicações com baixa altura manométrica de sucção. A resposta mais longa, que é mais útil para o seu trabalho de design, depende se você está comparando NPSHa ou NPSHr.

NPSH significa cabeça de sucção positiva líquida. É a margem entre a pressão na entrada de sucção da bomba e a pressão de vapor do líquido. Quando a pressão local cai para a pressão de vapor, o líquido se transforma em bolhas de vapor. Essas bolhas viajam para dentro do impulsor e entram em colapso violentamente, gerando ondas de choque que corroem o impulsor e as superfícies da carcaça. A cavitação deste tipo reduz o desempenho hidráulico, aumenta a vibração e o ruído e reduz a vida útil das vedações e rolamentos.

Dois números diferentes carregam o rótulo NPSH. NPSHr (obrigatório) é uma propriedade da bomba: a energia de sucção que o impulsor precisa para evitar cavitação significativa em uma determinada vazão e velocidade, conforme publicado pelo fabricante. NPSHa (disponível) é uma propriedade do sistema: a energia de sucção que o nível do tanque, a tubulação e a elevação da bomba realmente fornecem ao flange de sucção. A prática de engenharia mantém o NPSHa confortavelmente acima do NPSHr, com uma margem de pelo menos 0,5 m (1,6 pés) e frequentemente 1,0 m ou mais quando o líquido está próximo do ponto de ebulição, o fluxo varia ou o nível flutua.

Uma analogia simples ajuda. Um milk-shake com um canudo curto é fácil porque a superfície do líquido fica perto da boca. Com um canudo comprido, você coa com mais força, e a baixa pressão na entrada do canudo faz com que o líquido borbulhe mais rápido se estiver perto da fervura. A bomba é a sua boca, a linha de sucção é o canudo e o NPSH mede quanto esforço de sucção resta antes que o líquido comece a piscar.

NPSH em bombas centrífugas verticais e horizontais: o que realmente difere

Depois de separar o NPSHa do NPSHr, as contradições nas discussões online desaparecem. Os engenheiros que dizem que “não há diferença perceptível entre as versões vertical e horizontal” estão falando sobre NPSHr: duas bombas construídas com o mesmo projeto hidráulico têm altura de sucção necessária quase idêntica. Os engenheiros que afirmam que as bombas verticais têm melhor NPSH estão falando de NPSHa, que depende muito mais da geometria da instalação do que da orientação do eixo.

O NPSHa vem de três variáveis ​​do sistema: altura manométrica estática de sucção (a distância vertical da superfície do líquido até a entrada de sucção da bomba), perda por atrito da tubulação de sucção e pressão na superfície do líquido. Em termos métricos, NPSHa é igual à pressão absoluta acima do líquido, mais a altura estática de sucção, menos a pressão de vapor, menos a perda por atrito, tudo em metros de coluna de líquido.

A tabela explica a conclusão principal: uma bomba vertical melhora o NPSHa porque sua entrada de sucção fica abaixo da superfície do líquido e o caminho de sucção é curto. Uma bomba horizontal deve elevar o líquido através de um tubo mais longo, e cada metro de elevação de sucção ou perda por atrito reduz diretamente o NPSHa.

NPSHr é uma propriedade hidráulica, não uma propriedade de orientação

Por que o NPSHr permanece praticamente o mesmo, independentemente da orientação? Porque é definido pela geometria de entrada do impulsor, pela velocidade de rotação e pela vazão. O impulsor não sabe se o eixo funciona verticalmente ou horizontalmente; ele responde apenas às condições de fluxo que entram em seu olho. Duas bombas que partilham o mesmo projeto hidráulico terão, portanto, valores de NPSHr quase idênticos.

Uma ressalva é importante para bombas multiestágio verticais: o impulsor do primeiro estágio fica na parte inferior da coluna, próximo à entrada de sucção, mantendo o fluxo de entrada curto e direto. Mas este é um detalhe de projeto, não uma lei geral. A orientação por si só não reduz o NPSHr; o projeto hidráulico sim.

Três maneiras práticas de bombas verticais melhorarem o NPSH disponível

As bombas verticais ganham a reputação NPSH através do arranjo mecânico. Três mecanismos explicam a vantagem.

1. Entrada de sucção abaixada

Uma bomba submersível vertical ou bomba vertical de eixo longo coloca a entrada de sucção na parte inferior da máquina, abaixo do nível mínimo de líquido. A distância vertical da superfície do líquido até a entrada torna-se uma carga estática positiva que é adicionada diretamente ao NPSHa. Isto é o que os engenheiros querem dizer quando dizem que a instalação “enterra” a bomba: a extremidade de sucção fica profunda o suficiente para aproveitar toda a coluna de líquido acima dela. Bombas submersíveis verticais da série SCY , por exemplo, são construídos em torno deste princípio para poços e fossas industriais.

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2. Tubulação de sucção curta

Como a entrada de sucção é parte integrante da carcaça ou coluna da bomba, não há longa linha de sucção horizontal. As perdas por atrito no comprimento do tubo, cotovelos e válvulas de pé desaparecem em grande parte. Em poços profundos e poços coletores, a bomba fica diretamente no poço e o único caminho entre o líquido e o impulsor é o curto sino de entrada. Cada metro de perda por atrito evitado é um metro adicionado ao NPSHa.

3. A operação submersa elimina preocupações de preparação

Quando a entrada de sucção permanece abaixo do nível do líquido, a bomba é escorvada automaticamente. Não há bolsa de ar para purgar nem longa linha de sucção para vedar vazamentos de vácuo. O ar que entra em uma linha de sucção horizontal é uma fonte comum de sintomas semelhantes aos da cavitação; uma bomba vertical submersa elimina totalmente esse modo de falha.

Quando uma bomba horizontal ainda faz sentido – e como resolver seu problema de NPSH

A vantagem NPSH das bombas verticais não torna obsoletas as bombas horizontais. A maioria das estações de bombeamento ainda depende de bombas horizontais de sucção axial, de caixa dividida ou de processo químico, e por boas razões:

• Acesso de manutenção mais fácil ao selo mecânico, impulsor e rolamentos sem retirar uma coluna longa.
• Altura total mais baixa para edifícios com espaço livre limitado.
• Ampla seleção de designs padrão, incluindo arranjos back pull-out.
• Eficiência ligeiramente maior em alguns projetos devido a arranjos mais simples de rolamentos e vedações.

As bombas horizontais são a escolha natural quando o lado de sucção é favorável: um tanque acima do fundo da bomba, um nível de líquido controlado e um tubo de sucção curto. Em serviços químicos, onde o meio é corrosivo e o acesso para manutenção é crítico, os engenheiros geralmente ficam com Bombas centrífugas químicas horizontais da série IH quando essas condições se mantiverem. Para circuitos gerais de abastecimento de água industrial, reforço e resfriamento, Bombas centrífugas horizontais da série SLW cobrir a maioria das tarefas sem exigir um poço profundo.

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Se a sua aplicação estiver inclinada na horizontal, mas o NPSHa calculado for muito baixo, corrija o sistema em vez de abandonar a orientação da bomba:

1. Abaixe a bomba. Monte-o o mais próximo possível do nível do líquido; abaixar a linha central aumenta diretamente a cabeça de sucção estática.
2. Aumente o tubo de sucção. Um tamanho nominal maior pode reduzir substancialmente a perda por atrito na mesma vazão.
3. Encurte e endireite o percurso de sucção. Remova curvas, redutores e válvulas de estrangulamento desnecessárias.
4. Aumente o nível do líquido do tanque ou adicione um pequeno recipiente de sucção para aumentar a altura estática positiva.
5. Resfrie o líquido se a pressão de vapor estiver alta. Uma temperatura mais baixa aumenta o NPSHa para a mesma pressão absoluta.
6. Adicione uma pequena bomba auxiliar à frente da bomba principal quando a pressão de sucção permanecer insuficiente após a troca da tubulação.

Passo a passo: verificando o NPSH antes de comprar

Qualquer que seja a orientação que você escolher, verifique os números antes de fazer um pedido. Use esta lista de verificação de cinco etapas:

1. Identifique o líquido e a pior temperatura operacional. Obtenha a pressão de vapor nessa temperatura; condições mais quentes reduzem o NPSHa.
2. Determine a cabeça de sucção estática. Meça a distância vertical da superfície do líquido até a entrada de sucção da bomba; é positivo para uma bomba vertical submersa e negativo para uma bomba horizontal acima do líquido.
3. Estime a perda por atrito da tubulação de sucção. Considere o diâmetro do tubo, comprimento equivalente, curvas, uma válvula de pé, se presente, e o filtro.
4. Calcule NPSHa com unidades consistentes. Use medidores de coluna de líquido para a pressão da superfície do tanque, cabeça de sucção estática, pressão de vapor e perda por atrito.
5. Compare com a curva NPSHr do fabricante na intersecção do seu fluxo operacional e velocidade. Confirme que NPSHa menos NPSHr está pelo menos 0,5 m abaixo do nível de líquido mais baixo esperado.

Peça ao fabricante a curva NPSHr completa, e não apenas um único ponto mínimo, porque a curva mostra como a bomba se comporta em toda a sua faixa operacional. A plataforma de teste em nossas instalações abrange diâmetros de bomba de 32 mm a 1.200 mm e potências de motor de 1,1 kW a 1.200 kW, para que o desempenho hidráulico e o comportamento de sucção possam ser verificados antes de uma unidade sair da fábrica. Se as suas condições de sucção forem incomuns, entre em contato com nossa equipe de engenharia de bombas com o ponto de operação e um esboço da tubulação para verificação.

Qual orientação de bomba você deve escolher para aplicações de baixo NPSH? - Veredicto Final

A seleção segue diretamente da distinção NPSHa/NPSHr.

Escolha uma bomba vertical – uma bomba submersível vertical, uma bomba vertical de eixo longo ou uma bomba de líquido vertical – quando o nível do líquido estiver baixo, o poço for profundo, a altura de sucção for marginal ou o fluido precisar ser retirado de um reservatório. A entrada de sucção submersa e o caminho de sucção curto proporcionam um NPSHa naturalmente mais alto, e a margem contra cavitação é mais tolerante quando os níveis flutuam.

Escolha uma bomba horizontal quando a altura de instalação for limitada, o acesso para manutenção for uma prioridade e o lado de sucção puder ser controlado — por exemplo, uma sala de bombas onde o tanque de abastecimento fica acima do piso da bomba. Com o dimensionamento correto da tubulação de sucção, as bombas horizontais lidam com a maioria dos serviços de água limpa e produtos químicos de maneira confiável.

Mantenha os dois números separados ao ler conselhos conflitantes online. Se alguém disser que as bombas verticais têm melhor NPSH, isso significa NPSHa. Se alguém disser que não há diferença, está se referindo ao NPSHr. Ambas as afirmações podem ser verdadeiras ao mesmo tempo. Cobrimos as compensações mecânicas mais amplas em nossa comparação anterior de bombas horizontais e verticais .

Antes de finalizar qualquer especificação de bomba, compare o NPSHa com a curva NPSHr do fabricante em cada ponto de vazão operacional e confirme a margem no nível de líquido mais baixo esperado. Alguns minutos de cálculo agora podem evitar anos de impulsores danificados por cavitação e paradas não planejadas.