UNIVERSIDAD JOSÉ CARLOS MARIÁTEGUI MARIÁTEGUI CAVITACIÓN DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA La cavitación puede ser el principal problema en lo que se refere al bombeo de uidos. En muchas ocasiones, se cree que la cavitación es un problema de la bomba en sí misma. Y más bien es un problema de la instalación que aparece sólo en la bomba porque las condiciones han cambiado o porque, en primer lugar, la bomba no se instaló correctamente. No importa cuál sea el tipo de bomba centrí!ugas, de despla"amiento positivo, autocebantes o sumergibles, todas ellas pueden su!rir los e!ectos de la cavitación.
QUÉ ES LA CAVITACIÓN El diccionario defne este t#rmino como “formación de !r!"a# de $a%or o de
&a# en e' #eno de !n '()!ido* ca!#ada %or 'a# $ariacione# )!e +#,e e-%erimen,a en #! %re#ión./ $uando las burbu%as se colapsan aparecen unas oquedades o picaduras, en la superfcie del metal en contacto con el líquido. E&isten dos !ormas para que un líquido hierva' una de ellas es calentarlo hasta alcan"ar su punto de ebullición ()** +$ para agua. La - manera es reducir la presión a la que está sometido el líquido hasta que #ste entre en ebullición a temperatura ambiente. En ambos casos, el líquido hierve a una presión de vapor relativa a una temperatura. En el interior de una bomba, se crean vacíos o "onas de presión negativa. /i este vacío e&cede la presión de vapor del líquido a bombear, entonces se !orman burbu%as de vapor que se despla"an por el sistema hasta implosionar, cuando e&iste una presión local sufcientemente alta. $uando las burbu%as se colapsan, la implosión puede superar los 0.1** bar. /i la implosión se produce cerca de una "ona metálica, se atacará su superfcie con una picadura min2scula.
EFECTOS DE LA CAVITACIÓN. Los e!ectos que tiene sobre la maquinaria de bombeo son
EFECTO MECANICO: $on las implosiones se decrecen los diámetros de las burbu%as, las partículas en estado liquido se aceleran 3 se despla"an hacia el cent centrro de esta estas s burb burbu% u%as as choc chocan ando do entr entre e si, si, esto estos s choq choque ues s prov provoc ocan an sobrepesi sobrepesiones ones (golpe (golpe de ariete que se propagan propagan en todas las direccione direcciones s a!ectando principalmente a las ranuras de las superfcies metálicas por lo que en mu3 poco tiempo tiempo pueden pueden ocasionar ocasionar da4os da4os a la estructura de la maquina maquina (rotor. Los golpeteos los cuales al ser mu3 !uertes dan la impresión que la bomba acarrea grava causan un desequilibrio en la maquina da4ando las uniones de los tubos con esta, esta, así como ao%an ao%an las partes que la sostienen. sostienen. 5demás 5demás los martilleos en ocasiones son son tan !uertes que producen producen ruidos los cuales pueden pueden ser molestos durante la operación de la bomba.
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UNIVERSIDAD JOSÉ CARLOS MARIÁTEGUI Y el problema 3 qui"ás el mas importante es el de la reducción de la efciencia de la bomba con el cual el nosotros como !uturos ingenieros estamos obligados a seleccionar o dise4ar de la manera mas efciente, con lo cual debemos de tener un criterio amplio para evitar el !enómeno de la cavitación. Entre las bombas más supcebtibles a este !enómeno están las que tiene lados conve&os 3 sobre todo en la parte trasera en donde pueden tener un área locali"ada que propicie la cavitación.
EFECTO QUÍMICO: $on la implotación de las burbu%as se liberan iones de o&igeno que como sabemos atacan las superfcies de los metales.
CAUSAS DE LA CAVITACIÓN En una bomba ha3 dos "onas donde puede producirse el !enómeno de la cavitación.
CAVITACIÓN EN EL OJO DEL RODETE O DE ASPIRACIÓN. /e produce cuando e&iste demasiado vacío que e&cede la presión del vapor del líquido bombeado. El líquido hierve 3 se separa del resto. Las bolsas de vacío aparecen en el centro del impulsor, que es la "ona de más ba%a presión, 3 se despla"anhasta su implosión o colapso. Este tipo de cavitación la causa una altura de aspiración e&cesiva o bien, que el N6/78 de la instalación se vuelva insufciente por aumento de la p#rdida de carga en la succión de la bomba (obstrucciones parciales. La bomba no provoca ambas situaciones sino su entorno (instalación 9 aplicación. Cavitaci! "! #a ta$a%a& '" #a v(#)ta ( '" i%*)#+i!. Esta situación se da cuando la altura de descarga es demasiado alta, despla"ando el punto de traba%o hacia la i"quierda 3 !uera de la curva de !uncionamiento. La cavitación se locali"a entre el e&tremo del álave del rodete 3 donde acaba la envolvente del cuerpo o ta%amar. El líquido se :estira; debido al ba%o caudal 3 a la alta presión di!erencial en ambos lados de la ta%amar. 5l paso de los álaves, se !orman 3 se colapsan burbu%as continuamente. Entre un álave 3 el siguiente, aparecen burbu%as que permanecen en la ta%amar hasta que el siguiente álave
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UNIVERSIDAD JOSÉ CARLOS MARIÁTEGUI la alcan"a. Es entonces cuando se crea una presión sufciente que permite la implosión de la burbu%a en el e&tremo del álave. En la parte posterior del álave 3a se ha !ormado una nueva burbu%a que permanece ahí hasta que implosiona en el siguiente álave.
DA,OS PRODUCIDOS 8ebe tenerse en cuenta que válvulas 3 otros accesorios pueden cavitar su!riendo los mismos e!ectos per%udiciales que una bomba. /i una válvula tiene su admisión parcialmente cerrada, probablemente cavitará 3 se deteriorará de la misma !orma que lo haría un impulsor 3 la placa de desgaste de una bomba cu3a aspiración estuviera obstruida.
En la cavitación de aspiración, el da4o observado puede abarcar desde unas pocas picaduras locali"adas en el o%o del rodete hasta una rotura total del impulsor 3 destrucción de la placa de desgaste. En la ma3oría de casos, el da4o consiste en picaduras en el rodete 3 en la placa de desgaste. 5 veces se describe el da4o como si !uera un queso sui"o o como si se hubiera ametrallado el rodete. En general, el da4o provocado por una cavitación de aspiración se limita a estas dos pie"as. La cavitación en la ta%amar de la carcasa o de impulsión es, con di!erencia, mucho más destructiva que la cavitación de aspiración. $uando se dan las circunstancias de una cavitación de impulsión, aparecen las picaduras características en el e&tremo de los álaves 3 por su parte anterior. /i la cavitación es sufcientemente severa, el ataque avan"a por todo el álave. 6or otra parte, en carcasas de volutas simples, a causa de no compensarse la alta presión, el e%e aumenta su dee&ión a medida que la altura de bombeo es más alta. upp dise4a los e%es de sus bombas para que admitan esta dee&ión en el rango de traba%o de la curva de !uncionamiento. /in embrago, si la altura de bombeo es sufcientemente elevada como para que el punto de traba%o se sit2e a la i"quierda de la curva característica, entonces se producirá la cavitación de impulsión que reducirá la vida 2til del rodete. La dee&ión del e%e podría
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UNIVERSIDAD JOSÉ CARLOS MARIÁTEGUI producir !atiga 3 su rotura' los rodamientos podrían deteriorarse por sobrees!uer"o 3 podría da4arse el cierre mecánico.
CÓMO DETECTAR LA CAVITACIÓN $uando una bomba cavita, se o3e un ruido característico que recuerda un martillo golpeando una pie"a de metal o como si la bomba tuviera piedras en su interior e impactaran constantemente. La !orma más precisa para detectar la cavitación es tomar lecturas de presión en la aspiración e impulsión de la bomba 3 medir con e&actitud la velocidad de traba%o de la bomba. $on esta in!ormación, se consulta la curva característica de la bomba 3 se determina dónde está traba%ando la bomba. /i se sospecha que la bomba padece una :cavitación de aspiración; la lectura de presión en la brida de succión indicará un nivel de vacío importante o, posiblemente, debe revisarse el cálculo del N6/7. Evidentemente, si se abre la bomba 3 en el rodete se observa alg2n ataque similar a los descritos, entonces la cavitación 3a no es una sospecha sino que es una realidad.
CÓMO CORREGIR UNA CAVITACIÓN Es sencillo si se conoce la causa del problema. La cavitación de impulsión u operación demasiado a la i"quierda de la curva característica implica reducir la altura de bombeo o bien, aumentar el caudal de traba%o para que la bomba :entre; en la curva. En algunos casos, puede a3udar aumentar la velocidad pero debe conocerse la curva de la instalación antes tomar cualquier medida. En el caso de cavitación en la aspiración, puede deberse a alg2n cuerpo e&tra4o que obstru3e la tubería de succión de la bomba o bien, que la altura de aspiración es demasiado alta 3 en consecuencia el N6/78 es in!erior al N6/7> de la bomba. ?n vacuómetro instalado en la brida de aspiración solamente indicará que el vacío es elevado pero no su causa. /i detecta un atasco en la tubería de aspiración, @límpielo lo antes posibleA No in3ecte aire comprimido porque lo devolvería al depósito 3 podría aspirarse de nuevo. /i la altura de aspiración es demasiado alta, acerque la bomba a la superfcie del líquido o cambie la consigna de nivel del po"o de bombeo.
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QUÉ ES EL GOLPE DE ARIETE El golpe de ariete (choque hidráulico) es el incremento momentáneo en presión, el cual ocurre en un sistema de agua cuando hay un cambio repentino de dirección o velocidad del agua. Cuando una válvula de rápido cierre cierra repentinamente, detiene el paso del agua que está fluyendo en las tuberías, y la energía de presión es transferida a la válvula y a la pared de la tubería. as ondas e!pansivas se activan dentro del sistema. as ondas de presión via"an hacia atrás hasta que encuentran el siguiente obstáculo sólido, luego contin#an hacia adelante, luego regresan otra ve$. a velocidad de las ondas de presión es igual a la velocidad del sonido% por lo tanto, su &e!plosión' a medida que via"a hacia adelante y hacia atrás, hasta que se disipa por la prdida de fricción. Cualquiera que haya vivido en una casa antigua está familiari$ado con la &e!plosión' que resuena a travs de las tuberías cuando una llave de agua es cerrada repentinamente. Esto es un efecto del golpe de ariete. na forma menos severa del golpe de ariete es llamada oscilación, que es un movimiento lento en forma de ola de una masa de agua causado por fluctuaciones internas de presión en el sistema. Esto puede ser visto como una &onda' de presión que se forma lentamente dentro del sistema. *mbos, golpe de ariete y oscilación, se refieren a presiones transitorias. +i no se controlan, ambas darán los mismos resultados da-os a las tuberías, accesorios y válvulas, causando fugas y reduciendo la vida #til del sistema. i la tubería ni el agua se comprimirán para absorber el choque del agua.
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Investigando las Causas del Golpe de Ariete as condiciones de operación de un sistema de transporte de agua casi nunca están en un estado constante. as presiones y los flu"os cambian continuamente a medida que la bomba se enciende y se apaga, la demanda fluct#a y los niveles del tanque cambian. *dicionalmente a estos eventos normales e!isten acontecimientos imprevistos tales como interrupciones de energía y el mal funcionamiento de los equipos, lo que puede cambiar rápidamente las condiciones de operación de un sistema. Cualquier cambio en el nivel de velocidad del flu"o del líquido, sin importar el nivel o magnitud del cambio, requiere que el líquido sea acelerado o desacelerado de su velocidad inicial de flu"o. os cambios rápidos en el nivel del flu"o requieren grandes fuer$as que son vistas como presiones altas, las cuales causan golpe de ariete. El aire atrapado o los cambios de temperatura del agua tambin pueden causar e!cesiva presión en las líneas de agua. El aire atrapado en la línea se comprimirá y e"ercerá una presión e!tra en el agua. os cambios de temperatura causan que el agua se e!panda o se contraiga, afectando tambin la presión. as presiones má!imas e!perimentadas en un sistema de tuberías son frecuentemente el resultado de la separación de una columna de vapor, la cuál es causada por la formación de paquetes vacíos de vapor cuando la presión cae tan ba"o que el líquido ebulle o se vapori$a. as presiones da-inas pueden ocurrir cuando estas cavidades se colapsan. as causas del golpe de ariete son muy variadas. +in embargo e!isten cuatro eventos comunes que típicamente inducen grandes cambios de presión /. El arranque de la bomba puede inducir un colapso rápido del espacio vacío que e!iste aguas aba"o de la bomba. 0. n fallo de potencia en la bomba puede crear un cambio rápido en la energía de suministro del flu"o, lo que causa un aumento de la presión en el lado de succión y una disminución de presión en el lado de la descarga. a disminución es usualmente el mayor problema. a presión en el lado de descarga de la bomba alcan$a la presión de vapor, resultando en la separación de la columna de vapor. 1. a abertura y cierre de la válvula es fundamental para una operación segura de la tubería. *l cerrarse una
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UNIVERSIDAD JOSÉ CARLOS MARIÁTEGUI válvula, la parte final aguas deba"o de una tubería crea una onda de presión que se mueve hacia el tanque de almacenamiento. El cerrar una válvula en menos tiempo del que toma las oscilaciones de presión en via"ar hasta el final de la tubería y en regresar se llama &cierre repentino de la válvula'. El cierre repentino de la válvula cambiará rápidamente la velocidad y puede resultar en una oscilación de presión. a oscilación de presión resultante de una abertura repentina de la válvula usualmente no es tan e!cesiva. 2. as operaciones inapropiadas o la incorporación de dispositivos de protección de las oscilaciones de presión pueden hacer más da-o que beneficio. n e"emplo es el e!ceder el tama-o de la válvula de alivio por sobre3presión o la selección inapropiada de la válvula liberadora de aire4vacío. 5tro e"emplo es el tratar de incorporar algunos medios de prevención del golpe de ariete cuando este no es un problema.
Encontrando Soluciones Prcticas a oscilación de presión debe ser incorporada "unto con la presión de operación durante el dise-o de la tubería. as recomendaciones y requerimientos con respecto a presiones de las oscilaciones permisibles están dados en los estándares y manuales para la práctica de abastecimiento de agua de los 6raba"os *mericanos de *gua (*77*, siglas en ingls) y varían dependiendo del tipo de tubería utili$ada. as siguientes son algunas herramientas para reducir los efectos del golpe de ariete
!lvulas El golpe de ariete usualmente da-a a las bombas centrífugas cuando la energía elctrica falla. En esta situación, la me"or forma de prevención es tener válvulas controladas
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UNIVERSIDAD JOSÉ CARLOS MARIÁTEGUI automáticamente, las cuáles cierran lentamente. (Estas válvulas hacen el traba"o sin electricidad o baterías. a dirección del flu"o los controla). *l cerrarse la válvula lentamente se puede moderar el aumento en la presión cuando las ondas de sobre3presión del agua de aba"o8resultando del cierre de la válvula8 regresan del tanque de almacenamiento. El aire arrastrado o los cambios de temperatura del agua pueden ser controlados por la válvula de descarga de la presión, los cuales están fi"ados para abrir con presión e!cesiva en la línea y luego se cierran cuando la presión cae. as válvulas de descarga son com#nmente usadas en estaciones de bombeo para controlar la oleada de presión y proteger la estación de bombeo. Estas válvulas pueden ser un mtodo efectivo de control transitorio. +in embargo, deben ser propiamente clasificadas y seleccionadas para reali$ar la tarea para la que están previstas sin producir efectos secundarios. +i la presión pudiera ba"ar en los puntos elevados, una válvula liberadora de aire y de vacío debe ser usada. 6odos los descensos donde las presiones pudieran ba"ar mucho deben ser protegidas con válvulas liberadoras de aire. as válvulas liberadoras de aire si están apropiadamente clasificadas y dimensionadas, pueden ser el medio menos costoso para proteger el sistema de tuberías. na válvula liberadora de aire deberá ser lo suficientemente larga para admitir suficientes cantidades de aire durante las oscilaciones de presión aguas aba"o y para que la presión en las tuberías no ba"e mucho. +in embargo, no deberá ser tan larga que contenga un gran volumen de aire innecesario, porque este aire tendrá que ser ventilado lentamente, incrementando el tiempo muerto del sistema. El tama-o de la válvula de descarga de aire es, como se ha mencionado, crítico.
"o#$a os problemas de operación en el arranque de la bomba pueden usualmente ser evitados incrementando el flu"o en la tubería lentamente hasta colapsar o desalo"ar los espacios de aire suavemente. 9ncluso, un simple medio para reducir las oscilaciones hidráulicas de presión es el mantener ba"as velocidades en la tubería. Esto no solo resultará en oscilaciones ba"as de presión, sino tambin resultará en ba"os niveles de caballos de fuer$a durante la operación, y así, conseguir una má!ima economía de operación.
Tan%ue de Oscilaci&n En tuberías muy largas, las oscilaciones pueden ser liberadas con un tanque de agua directamente conectado a la tubería llamado &tanque de oscilación'. Cuando la oscilación es encontrada, el tanque actuará para liberar la presión, y poder almacenar el líquido e!cesivo, dando al flu"o un almacenamiento alternativo me"or que el proporcionado por la e!pansión de la pared de la tubería y compresión del fluido. os tanques de oscilación pueden servir para ambos, fluctuaciones positivas y negativas. Estos tanques de oscilación
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UNIVERSIDAD JOSÉ CARLOS MARIÁTEGUI tambin pueden ser dise-ados para proporcionar flu"o al sistema durante una oscilación agua aba"o, de esta manera previene o minimi$a la separación de la columna de vapor. +in embargo, los tanques de oscilación pueden ser un dispositivo de control costoso.
C#ara de Aire as cámaras de aire son instaladas en áreas donde se puede encontrar el golpe de ariete frecuentemente, y típicamente pueden ser vistos detrás de accesorios de los lavabos y la tina de ba-o. :e forma fina como botellas volteadas al revs y con un peque-o orificio conectado a la tubería, están llenos de aire. El aire se comprime para absorber el choque, protegiendo a los accesorios y a la tubería. Conclusión El golpe de ariete continuará desafiando a ingenieros, operadores, y directores de sistemas de agua porque está asociado con sistemas que no pueden ser definidos e!actamente debido al tama-o y largo del sistema de distribución de agua con un perfil ondulante o por la falta de definición de los componentes del sistema tales como las válvulas o las bombas. E!iste una necesidad de un acercamiento más práctico mientras que la investigación contin#a proporcionando me"ores descripciones de la física del golpe de ariete y mientras que las soluciones computacionales proporcionen herramientas más #tiles que incluyan esos principios.
PREVENCIÓN O MITIGACIÓN DEL GOLPE DE ARIETE B
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/e tiene como primera medida de precaución, instalar válvulas apropiadas en las líneas de conducción 3 controlar su tiempo de cierre. En algunos casos se constru3en válvulas interruptoras especiales, provistas de un resorte que opera contra la presión del agua, de manera que inmediatamente la velocidad empie"a a disminuir como resultado de la detención de la bomba, la válvula comien"a a cerrarse, lográndose el cierre completo antes del regreso de la columna líquida. $errar lentamente la válvula de impulsión.
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Escoger el diámetro de la tubería de impulsión grande para que la velocidad sea peque4a.
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Cnstalar la bomba con un volante, que en el caso de corte de la corriente redu"ca lentamente la velocidad del motor 3 por consiguiente la velocidad del agua en la tubería.
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?sar una cámara o colchón de aire. Esto ha dado resultados satis!actorios, pero su costo inicial 3 la difcultad de mantener el nivel deseado del agua, le hacen perder importancia.
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?tili"ar almedanas. /u uso se restringe a instalaciones de peque4a cabe"a 3 no son generalmente económicas.
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5umentar el momento de inercia de los elementos que rotan en la bomba 3 el motor es 2til, debido a que aumenta el intervalo de tiempo disponible para el a%uste de la válvula.
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?tili"ar un Db3passD a trav#s de la válvula de seguridad.
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