Cavitacion

Sandra Garcia Rivera Cavitacion Cuando un liquido fluye por una region donde la presion se reduce a su presion de vapor, el liquido ebulle y se forman paquetes de vapor. Las burbujas de vapor se mueven con el liquido hasta llegar a una region de alta presion, donde colapsan de manera subita. Este proceso se conoce como cavitacion. Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en contacto con una frontera solida cuando colapsan, las fuerzas que se ejercen por el flujo hacia las cavidades crean presiones locales muy altas que causan perforaciones en la superficie solida.

El fenomeno esta acompanado 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 parametro de cavitacion, ? , es util para caracterizar la susceptibilidad del sistema a la cavitacion. Se define mediante [pic] p es la presion absoluta en el punto de interes, pv es la presion de vapor del liquido,? es la densidad del liquido y V es la velocidad no perturbada, o de referencia. El parametro de cavitacion es una forma de coeficiente de presion.

Dos sistemas geometricamente similares deberian comportarse de igual forma con respecto a

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la cavitacion o tener el mismo grado de cavitacion para el mismo valor de s. Cuando ? = 0, la presion se reduce a la presion de vapor y ocurrira la ebullicion. [pic] Tabla de vapor de agua que muestra como la temperatura de fusion del agua esta en funcion de la presion del medio. El fenomeno de la cavitacion se explica con el mecanismo siguiente: si la presion en un liquido como el agua baja suficientemente, empieza a hervir a temperatura ambiente.

Consideremos un cilindro lleno de agua y tapado con un piston en contacto con el agua. Si se mueve el piston en direccion fuera del agua, se reduce la presion y el agua se evapora formando burbujas de vapor, si ahora bajamos el piston hacia el agua la presion aumenta, el vapor se condensa y la burbuja se destruye. Una manera de producir cavitacion es denotada en la ecuacion de Bernoulli. Si la velocidad del fluido se incrementa (por ejemplo en una reduccion de area), la presion descenderia. Este descenso de presion al acelerar el liquido podria ser menor que la presion de saturacion de vapor de dicho fluido.

Un ejemplo de cavitacion puede ser mostrado en el siguiente diagrama: [pic] En algunas situaciones la ebullicion 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 presion (con una velocidad menor). Este proceso puede introducir efectos dinamicos (implosion), si la burbuja se colapsa cerca de una pared de un dispositivo hidraulico esta podria, luego de un periodo de tiempo, causar danos en este por cavitacion. Cavitacion en bombas centrifugas

La cavitacion define un limite a la carga contra la cual una bomba puede trabajar satisfactoriamente. La carga limitante depende de la velocidad especifica de la bomba y de la altura de succion hz ( diferencia de elevaciones entre la linea de energia de succion y el ojo del impulsor ) Las cargas limites recomendadas para bombas centrifugas de un solo paso y succion simple se muestran en la tabla. [pic] Cargas limites recomendadas para bombas de succion simple de un solo paso, como funcion de la velocidad especifica y de la altura de succion.

Al nivel del mar con temperatura del agua a 80 ? F [pic] Croquis de definicion para la carga desarrollada por una bomba. La bomba de helice es mas vulnerable a la cavitacion que otras bombas, debido a su alta velocidad y, por tanto esta restringida a cargas mas bien bajas. Para las bombas, el parametro de la cavitacion esta definido por [pic] donde ps es la presion absoluta, NPSH, carga neta positiva de succion, es la diferencia entre la carga absoluta total en el lado de la succion de la bomba y la carga de presion del vapor.

Para cualquier bomba dada hay un cierto valor minimo de NPSH abajo del cual ocurrira la cavitacion. Esto puede expresarse en terminos de valor critico del parametro de la cavitacion: [pic] Donde h es la carga entregada por la bomba. Los valores de [pic]dependen del diseno de la bomba. La cavitacion es una condicion anormal que puede producir perdidas de produccion, danos al equipo. Generalmente las burbujas que se forman dentro de un liquido son de dos tipos: Burbujas de vapor o burbujas de gas. Las burbujas de vapor se forman debido a la vaporizacion del liquido bombeado.

La cavitacion inducida por la formacion y colapso de estas burbujas se conoce como Cavitacion Vaporosa. Las burbujas de gas se forman por la presencia de gases disueltos en el liquido bombeado (generalmente aire pero puede ser cualquier gas presente en el sistema). La cavitacion inducida por la formacion y colapso de estas burbujas se conoce como Cavitacion Gaseosa. En ambos tipos, las burbujas se forman en un punto interior de la bomba en el que la presion estatica es menor que la presion de vapor del liquido (cavitacion vaporosa) o que la presion de saturacion del gas (cavitacion gaseosa).

Para manejar el fenomeno de la cavitacion se necesita emplear una magnitud caracteristica del conjunto bomba sistema llamada NPSH (altura de aspiracion neta positiva). [pic] Desgaste producido por la cavitacion en un rodete de una bomba centrifuga [pic] Otro ejemplo de desgaste producido por la cavitacion en un rodete de una bomba centrifuga. Cavitacion por vapor Cuando se da la cavitacion por vapor, al disminuir la presion parte del liquido se trasforma en vapor; al moverse el liquido a traves del rodete, aquel gana presion y las burbujas de apor colapsan. Este fenomeno se pone de manifiesto por el ruido causado por la implosion de las burbujas de vapor. Un sistema de bombeo tiene una HPSH que se define simplemente como la presion absoluta disponible a la boca de entrada de la bomba Pe( boca de succion) menos la presion de saturacion correspondiente a la temperatura del fluido Ps y se denomina NPSH disponible (HPSHd): [pic] Para que no ocurra cavitacion en un sistema de bombeo, abierto o cerrado, debe darse esta condicion: [pic] La Cavitacion Gaseosa

Se produce por efecto de gases disueltos (mas comunmente aire) en el liquido. Esta cavitacion raramente produce dano en el impulsor o carcaza. Su efecto principal es una perdida de capacidad. No debe confundirse con el ingreso de aire o bombeo de liquidos espumosos, situaciones que no necesariamente producen cavitacion pero si reduccion de capacidad, detencion del bombeo y otros problemas. La cavitacion por aire es menos facil de detectar por que no hace ruido, pero es menos destructiva que la de vapor.

Para evitar sus efectos, se deben tomar las siguientes precauciones en fase se diseno: Si el sistema es de tipo abierto, el agua estara en su punto de maxima solubilidad cuando sale del aparato. La bomba debera situarse en un lugar a una cota inferior a la cota de la superficie libre del agua en la bandeja. La distancia en cota h debera ser igual o superior a la HPSHr (altura de aspiracion neta positiva requerida) mas las perdidas por friccion Pf en las tuberias entre el aparato y la bomba [pic] Si el sistema es de tipo cerrado, se dan dos casos: . Si el vaso de expansion es abierto, existe una interfase aire/agua y el problema se reduce al anterior 2. si el vaso es cerrado, con membrana de separacion entre el gas ( aire o nitrogeno) y el agua y un dispositivo eficaz de eliminacion de aire, o existe posibilidad alguna de cavitacion por gases no condensables. Para el bombeo de liquidos espumosos se han disenado y desarrollando bombas especiales que han logrado un considerable mejoramiento en el manejo de estos fluidos. [pic] Altura neta de entrada requerida, NPSHr. La bomba necesita que el flujo disponga en la posicion E de un minimo de energia para hacer el recorrido, sin que aparezca cavitacion, desde dicha entrada E hasta el punto M de minima presion en el interior del rodete Fig IV. 2, en el que comienza a recibir energia; el limite de esta presion minima es pv. Si se supone que los puntos E y M estan al mismo nivel y teniendo en cuenta que pv es la presion minima que se puede tener en el punto 1, la altura bruta a la entrada de la bomba es: Altura bruta disponible [pic] La altura neta requerida a la entrada del rodete es: [pic] Cavitacion en las turbinas

La cavitacion es indeseable por que origina picaduras, vibracion mecanica y perdida de eficiencia. Loa cucharones de la rueda de impulso pueden sufrir algun dano por la cavitacion, pero los rodetes de la turbina de reaccion, generalmente sin afectados mas seriamente. En las turbinas de reaccion, la cavitacion puede tener lugar en la descarga del rodete movil cerca de la superficie de los alabes, sobre su lado posterior. La cavitacion puede evitarse, disenando, instalando y operando a la turbina en una forma tal, que ningun punto la presion absoluta local baje hasta ser igual al la presion de vapor.

El factor mas critico en el diseno de las turbinas de reaccion, es la distancia vertical desde el rodete movil hasta la salida o desfogue (carga o altura de aspiracion). Al comparar las caracteristicas del fenomeno de la cavitacion en las maquinas hidraulicas, es conveniente definir a un parametro de cavitacion como el siguiente [pic] en donde z y h estan definidas de acuerdo como aparecen en la figura. El termino [pic] representa la altura a la cual subira el agua en un barometro de agua. El valor minimo de ? , en el cual ocurre la cavitacion, se marca con ? c.

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 cavitacion evidenciada por la presencia de ruidos, vibraciones y disminucion de la eficiencia. La elevacion maxima permisible arriba del nivel del agua en el desfogue para hacerse la instalacion de una turbina esta dada por [pic] Los valores tipicos de [pic]versus Ns para turbinas de reaccion, se presentan en la tabla. |Relacion entre el parametro de cavitacion [pic] y la velocidad especifica ns | ns |40 |80 |120 |160 |200 | |[pic] |0. 10 |0. 40 |0. 55 |0. 88 |1. 5 | [pic] La imagen muestra el desastre generado por el fenomeno llamado cavitacion en una turbina Francis. Cuando un liquido durante una trayectoria pasa de una region a cierta presion a otra presion menor y entre estas dos presiones en ambas regiones se encuentra la presion de saturacion o presion de vapor de la sustancia se generan cavidades o burbujas de cavitacion.

En la tabla siguiente se muestran los limites recomendados para la velocidad especifica segun diversas cagas o alturas basados en la experiencia obtenida con las plantas generadoras existentes. [pic] Limites recomendados de la velocidad especifica para una turbina con varias alturas efectivas al nivel del mar con la temperatura del agua. Bibliografia 1. –  Mecanica de los fluidos Autor: Streeter and Wylie. 2. –  Ingenieria de los recursos hidraulicos. Autor: Joseph B. Franzini, Ray K. Linsley