curso bombas wg operacion y mantenimiento

7/26/2019 Curso Bombas WG operacion y mantenimiento

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Operacin y Mantenimiento

de Bombas Centrfugas

TURBOMET CAAsesora Especializada enTurbomquinas y Metalurgia

Rev.: 0 (Junio/2003) Preparado por: Jess Pea Pgina 1


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CONTENIDO

Introduccin Pgina 04

Objetivos del Curso 05

I. La bomba centrfuga y el sistema: 06

Concepto de bomba, clasificacin general, clasificacin de bombas centrfugas,caudal, presin y potencia hidrulica, tringulo de velocidad, curva de labomba, curva del sistema, punto de operacin, leyes de afinidad, operacinen serie, operacin en paralelo, efecto de la viscosidad en la curva de labomba, operacin fuera del punto de diseo, NPSH requerido vs NPSHdisponible.

II. Construccin de bombas centrfugas: 22

Tipos de arreglos, componentes de las bombas: elementos rotativos,elementos estacionarios y elementos mixtos, materiales de construccin.

III. Descripcin y reparacin de bombas centrfugas horizontales : 25

Descripcin, aplicacin y clasificacin de bombas horizontales, funcionamientointerno y descripcin de componentes: impulsores, carcasa, eje, pistn de

balance, collar de empuje, aros de desgaste, cojinetes radiales tipochumaceras y de zapatillas pivotantes, cojinetes axiales planos y de zapatillaspivotantes, portacojinetes, sellos mecnicos, acople, bujes interetapas ycamisas. Inspeccin preliminar de componentes, registro de formatos,diagnstico de la reparacin, criterios tcnicos de aceptacin y rechazo,anlisis causa-efecto de fallas en bombas horizontales. Ensamble de carcasa,alineacin de cajeras, prueba neumtica de la bomba, reporte de Inspeccinfinal, preservacin, preparacin para despacho, transporte, instalacin,alineacin y arranque, prueba de desempeo en campo, vibracionesmecnicas en bombas centrfugas horizontales multi-etapas.

V. Descripcin y reparacin de bombas centrfugas verticales: 83

Descripcin , aplicacin y tipos de bombas verticales, componentes de unabomba centrfuga vertical: cesta o colador, campana de succin, tazones,impulsores, ejes, bujes, tubos de columna, cabezal de descarga, inspeccinpreliminar, concentricidad y paralelismo de tazones, impulsores, columna ycabezal de descarga, rectitud de ejes, registro de formatos, diagnstico de



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fallas, criterios de aceptacin y rechazo, anlisis causa-efecto de fallas enbombas verticales, definicin de holguras entre componentes rotativos yestacionarios, definicin de ajustes, balanceo de impulsores, inspeccin final y

ensamble, preservacin, preparacin para despacho, transporte, instalacin yarranque, vibraciones en bombas centrfugas verticales, pruebas dedesempeo hidrulico.

VI. Problemas en bombas centrfugas: Pgina 104

Problemas operacionales, monitoreo de vibracin, problemas de vibracintpicamente encontrados, soluciones.



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INTRODUCCIN

EL CONOCIMIENTO DEL EQUIPO Y SU ENTORNO COMO CLAVE PARA EL XITO

A los tres das de haber sido empleado en una compaa de Ingeniera deEquipos Rotativos, me encomendaron inspeccionar y aprobar un cojinetede turbina que estaba siendo reparada por una compaa externa. No fuesino hasta despus de la gravsima falla derivada de la malinterpretacinde un detalle en esa inspeccin, cuando supe que ese equipo tena unapotencia de 7000 Hp (equivalente a 70 automviles), un costo de850.000 $ (2.125 millones de Bs), que haba sido enviada a reparar poruna falla menor inherente a ese cojinete; que de esa turbina dependa elsuministro elctrico de cuatro plantas de inyeccin de agua, las cuales asu vez generaban un total de 40.000 Barriles de Crudo por da. (2200

millones de Bs diarios).

Muy a pesar de haber estudiado en la Universidad todo tipo declculo, mecnica, resistencia y fsica de materiales; y suaplicacin y desarrollo en turbinas, compresores y bombas; nopude evitar que se produjera la prdida asociada a esta falla.Afortunadamente no hubo daos a personas

Inmediatamente se me interrog por informacin tcnica

y operacional que ni siquiera saba que exista, lo cualtampoco me libraba de responsabilidad.

Sin embargo, el caso me impuls a desarrollar unacuriosidad y motivacin adicional que me ha servidopara minimizar errores que arriesguen el desempeo demis funciones o las consecuencias de mis decisiones.

No todos tienen la fortuna de alcanzar unaoportunidad adicional para ganar el xito, por loque antes de asumir el riesgo y las consecuenciaseconmicas y personales que conlleva la ejecucinde un trabajo bajo nuestra responsabilidad, esimprescindible manejar toda la informacin del casoy su entorno, asegurndose de que lo que se hagasea bien hecho, y a la primera vez.



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Objetivos del Curso:

Generales:

Motivar al participante a recibir, interpretar, criticar y manejar la informacin tcnica suministrada eneste curso, a fin de lograr un incremento cualitativo y cuantitativo de su conocimiento terico-prctico sobre bombas centrfugas, lo cual redundar en beneficios personales por el aumento en lacapacidad y calidad del trabajo particular, y en beneficios para la empresa por optimizacin derecursos y reduccin de costos de operacin y mantenimiento.

Particulares:

Al final del curso, el participante estar en capacidad de reconocer los principales tipos de bombas

centrfugas, sus aplicaciones, partes internas, problemas de operacin ms frecuentes, ydiagnsticos de fallas; as como generar recomendaciones de reparacin, instalacin y operacinque garanticen el cuido, buen funcionamiento y vida til de estos equipos.



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TURBOMET CAOperacin y Mantenimiento

de Bombas CentrfugasAsesora Especializada enTurbomquinas y Metalurgia


I. LA BOMBA CENTRFUGA Y EL SISTEMA

Concepto de bomba:

Se denomina bomba hidrulica a un mecanismo que es capaz de transformar la energa mecnica de unfluido o lquido, en energa hidrulica (presin o velocidad).

Clasificacin general de las bombas.

Cuando la transferencia deenerga al fluido se desarrollapor variacin de volumen, seest en presencia de unabomba de desplazamientopositivo, bien sea de volumencontrolado, reciprocante (figura1) o rotatoria.Figura 1

Cuando la transferencia de energa al fluido selogra a travs de un cambio de velocidad, se

est en presencia de una bomba cintica, cuyamayor representacin la ocupan las bombascentrfugas (figura 2). Es importante hacernotar que no todas las aplicaciones sonidneas para el bombeo centrfugo. Lasprincipales limitaciones son : Presin dedescarga (menor a 10000 Psi) y viscosidad(muy ineficiente sobre los 6000 SSU). Loscaudales manejados varan entre 10 y 20.000GPM, con temperaturas de hasta 850F

Figura 2

En general, las bombas se clasifican segn el siguiente esquema:


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Clasificacin general de las bombas

De chorroDe elevacin de gas

De ariete hidrulicoElectromagnticas

Auto-cebantesNo auto-cebantes

Una etapa

Multi-etapas

Flujo Radial

Flujo MixtoFlujo Axial

Especiale

Perifrica

Centrfuga

Cinticas

De engranesDe lbuloDe pistn circunferencialDe tornillos

De aspasDe pistnDe elementosflexiblesDe tornillos

MltiplesRotores

Un rotor

SimplexMltiplex

Pistn/mbolo

Diafragma

SimplexDuplexTriplexMltiplex

SimplexDuplex

Simple accinDoble accin

Doble

mbolo

Pistn

Rota-torias

VolumenControlad

Recipro-cantes

Despla-zamientoPositivo

VAPOR

POTENCIA

Bombas

A su vez, las bombas centrfugas se clasifican segn el siguiente esquema:



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Clasificacin de las Bombas Centrfugas

Como el objetivo de este curso est centrado en el conocimiento de las bombas centrfugas, se describirna continuacin los conceptos fundamentales que permitirn el entendimiento de los trminos y procesosasociados:



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Caudal, Presin de descarga y Potencia Hidrulica,

El volumen de lquido que desplaza la bomba en un tiempo determinado, se denomina caudal. Algunos lo

llaman gasto o simplemente flujo. Se mide en unidades de (volumen) / (tiempo) es decir: m3/h, GPM,Lts/seg, BPD, cc/min, etc. Es importante acotar que dentro de las bombas no es posible aumentar nialmacenar el caudal, pues la misma cantidad que entra es la que sale (a menos que hayan fugas). Ms biense energiza (presuriza o aumenta velocidad). Sin embargo, una propiedad importante y muy ventajosa de lasbombas centrfugas es que es posible regular flujo a la descarga (y como se ver ms adelante, regular lapresin) a travs de una vlvula de control. Esta es una diferencia fundamental con las bombas dedesplazamiento positivo, cuya curva de caudal no es posible variarla (slo podr incrementarse la presin).

Pregunta: Cuntos das tarda en llenarse un tanquero con capacidadpara 50MB, si se utiliza una bomba de 1000B/H?

Figura 3

La energa transferida a la bomba desde el eje hace que el fluido aumente su presin a la descarga, encomparacin con la succin. Un porcentaje despreciable de esa transferencia se pierde en friccin (dentro dela bomba) y en calor. La presin es una magnitud fsica que relaciona una fuerza resultante sobre el reaaplicada, (P=F/A) y se mide en psi (psig o psia), bars, atmsferas, Kg/m2, mm Hg, etc. Para representargrficamente este aumento de energa en bombas, se acostumbra usar unidades de altura como pies (ft) ometros (mca). La equivalencia puede hacerse con la siguiente relacin:

psi = FtxSG/(2.31)

Es importante hacer notar que diferentes alturas de fluidos pueden poseer la misma presin manomtrica, silas columnas estn llenas con fluidos de diferentes Gravedades Especficas. La figura 4 ilustra el ejemplo:

Figura 4



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Pregunta: Por qu razn los buzos deben bajar a la

rofundidades con un tan ue de aire resurizado? Figura 5

Para manejar el lquido dentro de la bomba y aumentar su energa, se requiere que se realice un trabajo, enun lapso de tiempo dado (moviendo el eje a determinadas RPM). Este (trabajo)/(tiempo) se llama potencia, yse expresa generalmente en HP o KW.

Pregunta: Cul es la diferencia entreFuerza Potencia?

Figura 6

La potencia hidrulica de la bomba involucra a las dos variables anteriores: Presin y Caudal. La relacin enunidades inglesas es:

Potencia (Hp) = Delta Presin (psi) x Caudal (GPM) / 1715.

Cuando se necesita conocer la potencia requerida en el eje de la bomba, la ecuacin anterior se divide entrela eficiencia (, %); el cual es un parmetro que est relacionado directamente con la reparacin de la

bomba y se mide experimentalmente en bancos de prueba.

Tringulo de velocidades y curva de la bomba:

Figura 7



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En la figura 7, la partcula de fluido entra con una velocidad V 1= v1+ u1, y sale con una velocidad V2= v2

+ u2 . El cambio de velocidades genera un aumento de energa que se manifiesta en presin (unidades dealtura), y tericamente se expresa como:

Ht= u2 x v2u u1 x v1u,

Q

Figura 8

Ht

Lo cual representa una rectadescendente(para impulsoresradiales), como se muestraen la figura 8

Sin embargo, si el fluido no entra a la bomba en ngulo recto, se producen prdidas hidrulicas que afectanla curva de la bomba, principalmente a bajo y alto flujo (reas de menor eficiencia).

La curva de desem eo o erformance de la bomba uedara como se muestra en la fi ura 9:

Ht

Q

Curvatericade labomba

Curvarealde labomba

Donde el reacuadriculadarepresenta lasprdidas

Figura 9

Tanto el caudal como la altura de descarga que maneja una bomba centrfuga pueden variar segn lasrestricciones a que sea sometida. Como se ve en la figura, en la mayora de las bombas (flujo radial y mixto),un aumento de caudal va acompaado de una disminucin de la presin de descarga, es decir, que a mayorcaudal menor presin de descarga; y viceversa. Igualmente, la potencia se incrementa a medida que seincrementa el caudal.

La curva real H-Q (Presin-Caudal) de una bomba centrfuga tendr la forma de la figura 10:



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Figura 10

Curva del sistema

Para transferir el fluido de un lugar a otro segn se muestra en la figura 11, la bomba debe vencer lafriccin que opone la tubera al deslizamiento del fluido, as como traspasar la altura y la presin existenteentre esos dos puntos. Este requerimiento energtico tambin se cuantifica en unidades de presin

convertidas a longitud (pies o mts) segn la ecuacin:

H = hf + Z + P

Figura 11



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Donde;hf:: Prdidas por friccin en la tubera, segn la ecuacin:

hf = f (L/D) (V2/2g)

f: Factor de friccin adimensional, a obtener del diagrama de Moody (Anexo I)L: Longitud de la tubera, en pies.D: Dimetro de la tubera, en pies.V: Velocidad promedio del fluido en la tubera, en Pie/seg.g: Constante gravitacional = 32.174 Pie/seg

Z: Diferencia de alturas desde donde se encuentra la fuente de succin hasta la altura dondedescargar la bomba.

P : Diferencia de presiones entre la fuente de succin y el recipiente o fuente de descarga.

Graficando la ecuacin se obtiene una curva ascendente compuesta por una fraccin relativa a la diferenciageodsica y de presiones (constante), y una fraccin relativa a las prdidas por friccin; las cuales seincrementan al cuadrado del caudal.

A la curva resultante se le llama Curva del sistema , segn se indica en la figura 12

Q [Lts/seg]

Prdidaspor friccin, hf

Diferenciade alturaGeodsica, Z,ms ladiferencia depresiones a lasuccin ydescar a,PFi ura 12

H [mt]

Punto de operacin.

Para estimar el punto de operacin de una bomba, los proyectistas interceptan la curva del sistema concurvas de diferentes bombas, y seleccionan la curva cuyo punto coincidente para el caudal deseado,



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presente mayor eficiencia volumtrica. En la prctica, la bomba comenzar a operar en su curva (si arrancaa mnimo flujo, desde el extremo superior izquierdo; y si lo hace a vlvula abierta, desde el extremo inferiorderecho) buscando la intercepcin de corte con la curva del sistema, punto en el cual las presiones de ambas

curvas y los caudales de ambas curvas sern los mismos. La figura 13 ilustra el caso

Fi ura 13

Leyes de afinidad

En muchas ocasiones se requiere evaluar el comportamiento de una bomba a diferentes velocidades(cuando es accionada por turbinas, cajas de engranajes o motores de velocidad variable) o con impulsoresde diferentes dimetros. Para estos casos, existen relaciones matemticas que ayudan a predecir unafuncin dejando algunas variables fijas. Esta herramienta es de gran utilidad en sistemas de bombeo, puespermite optimar operaciones evitando realizar las prcticas, ahorrndose el costo de una prueba real.

Las leyes de afinidad son las siguientes:

(1) Para velocidad constante y pequeas variaciones de dimetro:

Da/Dp= Qa/Qp= (Ha)1/2 /(Hp)1/2

BHPa/BHPp= (Da3)/(Dp3)

(2) Para variaciones en velocidad y dimetro de impulsor constante:

Sa/Sp= Qa/Qp= (Ha)1/2/ (Hp)1/2



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BHPa/BHPp = S13/ S23Condiciones:a: actual

p: prueba

Donde:D: Dimetro de impulsor,

Q: Caudal de la bomba,H: Altura de descarga,BHP: Potencia al frenoS: Velocidad de la bomba

Operacin en serie

Cuando la curva del sistema posee un componente de friccin muy acentuado, las presiones de descargason considerablemente variables o excesivamente altas para una sola bomba, se recomienda hacer unarreglo de operacin de bombeo en serie; el cual consiste en conectar la descarga de la primera bombacon la succin de la segunda, y as sucesivamente hasta cubrir el requerimiento. El arreglo esquemtico es

se indica en la figura 14:

Bomba No. 3

Bomba No. 2

Bomba No. 1 Figura 14

Las curvas de operacin de las bombas precedentes se grafican sumando algebraicamente sobre el mismopunto de caudal (Q), la diferencia de presin o altura de descarga correspondiente a la primera curva debomba; como se describe en la figura 15 (la curva resultante en serie se desplaza hacia arriba)

Curva del Sistema

Dos bombas en serie

Tres bombas en serie

Una bomba

H

Figura 15



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Operacin en paralelo

Cuando la curva del sistema posee un componente de friccin atenuado, donde predomina bsicamente elcomponente de diferencial de altura, la curva resultante del sistema es relativamente plana. Se recomiendahacer un arreglo de operacin de bombeo en paralelo, el cual consiste en conectar a un mltiple comntodas las succiones de las bombas, e igualmente, todas las descargas al mltiple de salida, como sedetalla en la figura 16:

Las curvas de operacin de este arreglo se grafican sumando algebraicamente el caudal de cada bomba,sobre su correspondiente altura de descarga; manteniendo esta ltima constante. La curva resultante esuna curva desplazada hacia la derecha, como se ilustra en la figura 17:

Bomba No. 1

Bomba No. 2

Bomba No. 3 Figura 16

Curva del Sistema

Una bomba Dos bombasen paralelo

Tres bombas

en paralelo

H

Q

Figura 17



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Efecto de la viscosidad en la curva de la bomba:La viscosidad es la resistencia al corte que ofrece un fluido. Esta definicin implica que a mayor viscosidad,deber ejercerse mayor trabajo por unidad de tiempo (energa) para mover una partcula de un sitio a

otro. Igual sucede con el fluido dentro de la bomba: a mayor viscosidad, el impulsor necesita ms energapara desplegar el tringulo de velocidad.

Por lo general, para fluidos con viscosidades mayores a la del agua (1 cstk o 31 SSU), existen relacionesempricas que permiten homologar el comportamiento de una bomba manejando agua (en fbrica seprueban con agua) con algn otro fluido viscoso. La figura 18 ilustra el procedimiento:

Figura 18



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Entrando por el caudal, cortando la altura de la etapa e interceptando la viscosidad, se sube en verticalhasta obtener los factores de correccin Cq, Chy Cpara el punto de mejor eficiencia, Qn. Posteriormentese tabulan cuatro puntos al 60%, 80%, 100% (Qn) y 120% del caudal nominal, e igualmente se identifican

los respectivos factores Chs y Cs. La curva resultante ser el producto de cada uno de los factores dealtura Chs y eficiencias, Cs ,por sus respectivos valores en agua, evaluados al 60%, 80%, 100% (Qn) y120% del caudal nominal.

El grfico viscoso H-Q y de Eficiencia (%) resultante, ser ms bajo y desplazado a la derecha, encomparacin con la curva evaluada en agua. La curva de potencia, en cambio, ser ms alta y desplazadahacia la derecha, como se observa en la figura 19:

Figura 19

Operacin fuera del punto de diseo:

El punto de operacin ms recomendado de la bomba es en el que presenta menores prdidas internas,es decir, el de mejor eficiencia. Sin embargo, la operacin de una bomba se puede manipular a travs devlvulas a la descarga, variaciones de la contrapresin, o simplemente variando la viscosidad del fluidomanejado. En este sentido, se ha establecido el rango de operacin preferencial, entre el 70% y 110% delBEP (Best Efficiency Point), y el rango de operacin permitido, un poco ms amplio que el preferencial:



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entre el 40% y el 120% del BEP, dependiendo del tipo de bomba. Sin embargo, se hace notar quedependiendo de la configuracin interna del impulsor, estos rangos pueden estrecharse si el fabricante loadvierte. La figura 20 proporciona una gua del caso

Figura 20

La operacin fuera del rango permitido acarrear problemas mecnicos a la bomba en el corto o mediano

plazo. Una operacin por debajo del mnimo flujo puede ocasionar recirculacin a la succin, con laconsecuente erosin interna y prdida de eficiencia hidrulica. Una operacin a vlvula cerrada puedeocasionar recalentamiento inmediato y falla catastrfica, e inclusive, fenmenos de vibracin y golpeteoviolento asociado a inestabilidad o surge . De forma similar, una operacin por encima del flujo mximoacarrear un Cabezal Neto de Succin (NPSHr) muy alto, probablemente mayor al disponible; lo queocasionar tambin alta vibracin, fluctuacin de flujo y pulsaciones en la tubera. Adicionalmente, laoperacin a alto flujo demanda una potencia mucho mayor a la potencia de mejor eficiencia, por lo quepodra sobre-cargarse el accionador.



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Para minimizar los riesgos de operacin fuera de rango permitido, se pueden usar:

1.- Caso de operacin a flujo menor que el mnimo: vlvulas y sistemas de recirculacin a lasuccin que mantengan el flujo de la bomba por encima del mnimo.

2.- Caso de operacin a flujo mayor que el mximo recomendado: restringir la descarga atravs de vlvulas de control o con orificios restrictores.

Ambas opciones implican un gasto de energa innecesario, siendo lo ms recomendable la realizacin declculos del sistema con precisin, evaluando los distintos escenarios posibles, a fin de predecir elcomportamiento del sistema y ajustar el arreglo de bombeo ms eficiente.

NPSH requerido vs NPSH disponible.

El diseo de un sistema de bombeo merece especial atencin a las condiciones energticas de succin,pues de ello depende en gran medida la operacin exitosa futura.

Debido a la configuracin interna del impulsor (nmero devenas, ngulo de entrada y salida del fluido y velocidad derotacin), los fabricantes hacen pruebas que determinanel requerimiento de energa en la succin de cada impulsor(NPSH requerido). Estas pruebas se realizan en un bancode pruebas instrumentado, en el cual se opera la bomba a

un flujo constante y se disminuye paulatinamente lapresin de succin hasta encontrar el punto donde laaltura de descarga caiga en ms de 3%. Esteprocedimiento se repite para varios puntos de caudalhasta obtener una curva que represente el rangopermitido de la bomba, como se muestra en la figura 21:

Figura 21

La curva final de NPSHr de labomba presenta la formagraficada en la figura 22:

HNPSH requerido

Q

Figura 22



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Por otro lado, el sistema provee a la succin de la bomba, cierta energa que permite que el fluido entre. Estaenerga en forma de presin se llama NPSH disponible, y en todos los casos se recomienda que sea mayoren tres pies al NPSH requerido por el impulsor, a fin de evitar cavitacin (erosin causada por la formacin

de burbujas y posterior implosin en zona de presin de la vena).

Como se dijo, el NPSHdisponible es la energa de presin existente en la brida de succin de la bomba, y secalcula con la siguiente frmula:

NPSHd = P at en fuente de succin +/- columna de fluido hfen tubera de succin P vapor del fluido

Igualmente, estaecuacin se

grafica en funcindel flujo, dandoorigen a la grficailustrada en lafigura 23:

NPSH disponible

Q

Finalmente, las curvas de NPSHr y el NPSHd deben interceptarse para diagnosticar la condicin energtica a

la succin, con la consideracin de que a mximo flujo, la diferencia debe ser favorable al NPSHd en ms detres pies. La figura 24 ilustra la intercepcin de las curas de NPSH requerido y disponible, as como elmargen de seguridad.

Q mximo

NPSH disponible

NPSH requeridoMargenDeseguridad

Figura 23

H

Figura 24


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