Cavitacion gysJgari21 Ac•Ka6pR 02, 2010 10 pagos Cavitación Cuando un liquido fluye por una región donde la presión se reduce a su presión de vapor, el liquido ebulle y se forman paquetes de vapor. Las burbujas de vapor se mueven con el líquido hasta llegar a una región de alta presión, donde colapsan de manera súbita. Este proceso se conoce como cavitación. Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en contacto con una frontera sólida cuando colapsan, las fuerzas que se ejercen por el flujo hacia las cavidades crean presiones locales muy altas que causan perforaciones en la superficie sólida.
El fenómeno esta acompañado por ruido y vibraciones que se asemejan a aquellos que producen las gravas al pasar por una bomba centrifuga. En un liquido que fluye, el ara metro de cavitación, o, es útil para caracterizar la susce cavltación. Se PACE 1 orlo define mediante to View nut*ge (pic] p es la presión absol s, pv es la presión de vapor del líquido,p es la densidad del líquido y V es la velocidad no perturbada, o de referencia. El parámetro de cavitación es una forma de coeficiente de presión.
Dos sistemas geométricamente similares deberían comportarse de igual forma con respecto a la avitación o tener el mismo grado de cavitación para el mismo valor de s. Cuando s = 0, la presión se reduce a la presión de vapor y ocurriré la ebullición. [PiC] Tabla de vapor de agua que muestra como la temperatura de fusión del agua está en funció Swp to page función de la presión del medio. El fenómeno de la cavitación se explica con el mecanismo Slguiente: si la presión en un liquido como el agua baja suficientemente, empieza a hervir a temperatura ambiente.
Consideremos un cilindro lleno de agua y tapado con un pistón en contacto con el agua. Si se mueve el pistón en dirección fuera el agua, se reduce la presión y el agua se evapora formando burbujas de vapor, si ahora bajamos el pistón hacia el agua la presión aumenta, el vapor se condensa y la burbuja se destruye (colapso de la burbuja). Cuando se repite este proceso con alta velocidad como por ejemplo -en el interior de una bomba de agua, se forman y se destruyen las burbujas rápidamente. Se demostró con cálculos que una burbuja en colapso rápido produce ondas de choque con presiones hasta de 410 MPa.
Estas fuerzas ya son capaces de deformar varios metales hasta la zona plástica, lo que está comprobado por la presencia de bandas de eslizamiento sobre partes de bombas o de otro equipo sujeto a cavitación. El incremento de la velocidad va acompañado de un descenso en la presión. por ejemplo, la velocidad del aire sobre la parte superior del ala de un aeroplano es, en promedio, más rápida que la que pasa por debajo de la misma ala. Entonces, la fuerza de presión neta es mayor en la parte inferior del ala que en la parte superior de esta (el ala genera sustentación).
Si la diferencia de velocidad es considerable, las diferencias de presión pueden también serlo. Para flujos de l(quidos, esto podría 20F 10 las diferencias de presión pueden también serlo. Para flujos de líquidos, esto podría resultar con problemas de cavitación, una situación potencialmente peligrosa que resulta cuando la presión del líquido se reduce hasta la presión de saturación del vapor y entonces este hierve. La presión de saturación del vapor es la presión a la cual comienzan a formarse burbujas de vapor en el líquido. Obviamente esta presión depende del tipo de líquido y de la temperatura.
Una manera de producir cavitación es denotada en la ecuación de Bernoulli. Si la velocidad del fluido se incrementa (por ejemplo en una reducción de área), la presión descendería. Este descenso e presión al acelerar el liquido podría ser menor que la presión de saturación de vapor de dicho fluido. Un ejemplo de cavitación puede ser mostrado en el siguiente diagrama: [pic] En algunas situaciones la ebullición ocurre (cuando la temperatura no necesariamente es muy alta) , formando burbujas de vapor, entonces estas se colapsan cuando el fluido las arrastra a una zona de mayor presión (con una velocidad menor).
Este proceso puede introducir efectos dinámlcos (implosión), si la burbuja se colapsa cerca de una pared de un dispositivo hidráulico esta podría, luego de un periodo de tiempo, causar daños en este por Cavitación en bombas centrifugas La cavitación define un [mite a la carga contra la cual una bomba puede trabajar satisfactoriamente. La carga limitante depende de la velocidad especfica de la bomba y de la altura de succ 0 satisfactoriamente.
La carga limitante depende de la velocidad especifica de la bomba y de la altura de succión hz ( diferencia de elevaciones entre la línea de energía de succión y el ojo del impulsor ) Las cargas limites recomendadas para bombas centrifugas de un solo paso y succión simple se muestran en la tabla. Cargas [mites recomendadas para bombas de succión simple e un solo paso, como función de la velocidad especifica y de la altura de succión. Al nivel deL mar con temperatura del agua a 80 Croquis de definición para la carga desarrollada por una bomba.
La bomba de hélice es más vulnerable a la cavitación que otras bombas, debido a su alta velocidad y, por tanto esta restringida a cargas más bien bajas. Para las bombas, el parámetro de la cavitación esta definido por donde ps es la presión absoluta, NPSH, carga neta positiva de succión, es la diferencia entre la carga absoluta total en el lado de la succión de la bomba y la carga de presión del vapor. ara cualquier bomba dada hay un cierto valor mínimo de NPSH abajo del cual ocurrirá la cavitación.
Esto puede expresarse en términos de valor critico del parámetro de la cavitación: Donde h es la carga entregada por la bomba. Los valores de [pic]dependen del diseño de la bomba. La cavitación es una condición anormal que puede producir pérdidas de producción, daños al equipo. 10 Generalmente las burbuia an dentro de un líquido dentro de un líquido son de dos tipos: Burbujas de vapor o burbujas de gas. Las burbujas de vapor se forman debido a la vaporización del líquido bombeado. La cavitación inducida por la formación y colapso de estas burbujas se conoce como Cavitación Vaporosa.
Las burbujas de gas se forman por la presencia de gases disueltos en el I(quido bombeado (generalmente aire pero puede ser cualquier gas presente en el sistema). La cavitación inducida por la formación y colapso de estas burbujas se conoce como Cavitación Gaseosa. En ambos tipos, las burbujas se forman en un punto interior de la bomba en el que la presión estética es menor que la presión de vapor del líquido (cavitación vaporosa) o que la presión de saturación del gas (cavitación gaseosa).
Para manejar el fenómeno de la cavitación se necesita emplear una magnitud característica del conjunto bomba sistema llamada NPSH (altura de aspiración neta positiva). Desgaste producido por la cavitación en un rodete de una bomba centrífuga [PIC] Otro ejemplo de desgaste producido por la cavitación en un rodete de una bomba centrífuga. Cavitación por vapor Cuando se da la cavitación por vapor, al disminuir la presión parte del liquido se trasforma en vapor; al moverse el liquido a través del rodete, aquel gana presión y las burbujas de vapor colapsan.
Este fenómeno se pone d or el ruido causado por la mplosión de las burbujas Un sistema de bombeo tiene una HPSH que se define simplemente como la presión absoluta disponible a la boca de entrada de la bomba Pe( boca de succión) menos la presión de saturación correspondiente a la temperatura del fluido ps y se denomina NPSH disponible (HPSHd): Para que no ocurra cavitación en un sistema de bombeo, abierto o cerrado, debe darse esta condición: La Cavitación Gaseosa Se produce por efecto de gases disueltos (más comúnmente aire) en el líquido. Esta cavitación raramente produce daño en el impulsor o carcaza.
Su efecto principal es una pérdida de apacidad. No debe confundirse con el ingreso de aire o bombeo de líquidos espumosos, situaciones que no necesariamente producen cavitación pero sí reducción de capacidad, detención del bombeo y otros problemas. La cavitación por aire es menos fácil de detectar por que no hace rudo, pero es menos destructiva que la de vapor. Para evitar sus efectos, se deben tomar las siguientes precauciones en fase se diseño: Si el sistema es de tipo abierto, el agua estará en su punto de máxima solubilidad cuando sale del aparato.
La bomba deberá situarse en un lugar a una cota inferior a la cota e la superficie libre del agua en la bandeja. La distancia en cota h deberá ser igual o superior a la HPSHr (altura de aspiración neta positiva requerida) mas las perdidas por fricción Pf en las tuberías entre el aparato y la bomba Si el sistema es de tipo cerrado, se dan dos casos: 1 . Si el vaso de expansió 6 0 sistema es de tipo cerrado, se dan dos casos: 1 . Si el vaso de expansión es abierto, existe una interfase aire/ agua y el problema se reduce al anterior 2. i el vaso es cerrado, con membrana de separación entre el gas ( aire o nitrógeno) y el aguay un dispositivo eficaz de liminación de aire, o existe posibilidad alguna de cavitación por gases no condensables. Para el bombeo de l[quidos espumosos se han diseñado y desarrollando bombas especiales que han logrado un considerable mejoramiento en el manejo de estos fluidos. Altura neta de entrada requerida, NPSHr. – La bomba necesita que el flujo disponga en la posición E de un mínimo de energía para hacer el recorrido, sin que aparezca cavitación, desde dicha entrada E hasta el punto M de mínima presión en el interior del rodete Fig IV. , en el que comienza a recibir energía; el límite de sta presión mínima es pv. Si se supone que los puntos Ey M están al mismo nivel y teniendo en cuenta que pv es la presión mínima que se puede tener en el punto 1, la altura bruta a la entrada de la bomba es: Altura bruta disponlble [pc] La altura neta requerida a la entrada del rodete es: Cavitación en las turbinas La cavitación es indeseable por que origina picaduras, vibración mecánica y perdida de eficiencia.
Loa cucharones de la rueda de impulso pueden sufrir algún daño por la cavitación, pero los rodetes de la turbina de reacción, generalmente sin afectados mas seriamente. En las turbinas de reacción, la cavitación puede tener lugar generalmente sin afectados mas seriamente. En las turbinas de reacción, la cavitación puede tener lugar en la descarga del rodete móvil cerca de la superficie de los alabes, sobre su lado posterior. La cavitación puede evitarse, diseñando, instalando y operando a la turbina en una forma tal, que ningún punto la presión absoluta local baje hasta ser igual al la presión de vapor.
El factor más critico en el diseño de las turbinas de reacción, es la distancia vertical desde el rodete móvil hasta la salida o desfogue (carga o altura de aspiración). Al comparar las características del fenómeno de la cavitación en las maquinas hidráulicas, es conveniente definir a un parámetro de cavitación como el siguiente en donde z y h están definidas de acuerdo como aparecen en la figura. El término [picl representa la altura a la cual subirá el agua en un barómetro de agua. El valor mínimo de o, en el cual ocurre la cavitación, se marca con oc.
Su valor puede determinarse experimentalmente para una maquina determinada o modelo de maquina tomando nota de las condiciones de funcionamiento en las cuales ocurre primeramente la cavitación evidenciada por a presencia de ruidos, vibraciones y disminución de la eficiencia. La elevación máxima permisible arriba del nivel del agua en el desfogue para hacerse la instalación de una turbina esta dada por Los valores típicos de [pic]versus Ns para turbinas de reacción, se presentan en la tabla. Relación entre el parámetro de cavitación [pic] y la velocidad especifi en la tabla.
I Relación entre el parámetro de cavitación [pic] y la velocidad especifica ns Ins 1120 1160 40 80 1200 0. 10 10. 40 0. 55 0. 88 11. 5 La imagen muestra el desastre generado por el fenómeno llamado cavitación en una turbina Francis. Cuando un líquido durante una trayectoria pasa de una región a cierta presión a otra presión menor y entre estas dos presiones en ambas regiones se encuentra la presión de saturación o presión de vapor de la sustancia se generan cavidades o burbujas de cavitación.
En la tabla siguiente se muestran los limites recomendados para la velocidad especifica según diversas cagas o alturas basados en la experiencia obtenida con las plantas generadoras existentes. Limites recomendados de la velocidad específica para una turbina con varias alturas efectivas al nivel del mar con la temperatura del agua. Conclusiones La cavitación es un fenómeno que se produce siempre que la presión en algún punto o zona de la corriente de un líquido desciende por debajo de un cierto valor mínimo admisible.
El fenómeno puede producirse lo mismo en estructuras hidráulicas estáticas (tuberías, Venturis, etc. ), que en máquinas hidráulicas (bombas, hélices, turbinas). Por los efectos destructivos que en las estructuras y máquinas (bombas, hélices, turbinas). Por los efectos destructivos que en las estructuras y máquinas hidráulicas mal proyectadas o mal instaladas produce la cavitación es preciso estudiar este enómeno, para conocer sus causas y controlarlo.
La protección contra la cavitación debe comenzar con un diseño hidráulico adecuado del sistema, de tal manera que se eviten en lo posible las presiones bajas. Cuando sea inevitable la presencia de la cavitación, el efecto sobre las superficies se puede reducir mediante el recubrimiento de materiales especiales de alta resistencia. El empleo de pequeñas cantidades de aire introducidas en el agua reduce notablemente el daño causado por la cavltación: por último, en estudios recientes se ha comprobado que la protección catódica puede ser de utilidad ontra los efectos de la cavitación.
La formación de burbujas de vapor disminuye el espacio disponible para la conducción del líquido, lo cual da como resultado la disminución de la eficacia de la máquina. El fenómeno de la cavitación ocasiona tres efectos nocivos en la operación de una turbomáquina: disminuye la eficacia, daña los conductos para el escurrimiento y produce ruido y vlbraciones molestas. Bibliografía 1 Mecánica de los fluidos Autor: Streeter and Wylie. 2. – Manual del Ingeniero Mecánico Autor: Edward H. Smith. 3. – Manual del Ingeniero Civil. Autor: Frederick S. Merritt, M. Kent Loftin, Jonathan T.
