INFORMACIÓN RECOPILADA RECOPILADA DEL FENÓMENO DE LA CAVITACIÓN ÍNDICE. 1.
Cavit avitac ació ión n………… ……………… ………… ………… ………… ……… …………… ……………… ………… ………… ………… ……… …
……...2 1.1 Que es la cavitación……………………………………………………………..2 1.1.1 La Cavitación Vaporosa………………………………………………………4 1.1.2. La Cavitación Gaseosa…………………………………………………….....4 1.2. La depresión causa de la cavitación …..……………………………………………4 1.3. Cavitación de una bomba…………….…………………………………………….7 1.4.
Daño
por
cavitación………………..
…………………………………………...10 2. Definiciones
importantes
para
la
comprensión
del
fenómeno
de
la
cavitación…….12 2.1.
Presión
estática,
(ps)
…………………………………………………………...12 2.2.
Presión
Dinámica
(pd)
…………………………………………………………12 2.3.
Presión
Total
(pt
)
……………………………………………………………...13 2.4.
Relación
entre
ps,
pd
y
pt……………………………………………………...13 2.5.
Cabeza
Estática
(he)
…………………………………………………………...14 2.6.
Cabeza
de
Velocidad
(hv)
……………………………………………………..14 2.7.
Presión
de
Vapor………………………………………………………………14 2.7.1. Influencia de la naturaleza del líquido………………………………….17 2.7.2. Influencia de la temperatura…………………………………………….17 temperatura…………………………………………….17 2.7.3. Punto de ebullición……………………………………………………...18
2 2.8.
NPSH……………………………………………………………………
……..20 2.9.
Condición
de
Ausencia
de
Cavitación………………………………………...21 2.9. 2.9.1 1
Medi Medida dass para para aum aumen enta tarr el val valor or de de (NPS (NPSH) H)a………………………………………..…
22
2.9.2 Medidas para aumentar el valor de (NPSH) r……………………………………………22 3. Cebado Cebado de una bomba…………… bomba…………………………… …………………………… …………………………… ……………………22 ……22 3.1 Dificultades que trae la válvula pie……………………………………………… 22 3.2. Existen otros métodos de cebado………………………………………………….22 3.3 Solución General………………………………………… ………………………23 4. Tubo de venturi…………… venturi…………………………… ……………………………… …………………………… ……………………….. …………..23 23 4.1.
Instalación
del
……………………………………………………26
tubo
Venturi
3 1.
Cavitación. 1.1 Que es 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. Cuando el NPSH (carga neta positiva en la aspiración disponible) es bajo, vale decir la presión del líquido está a un valor igual o menor que su presión de vapor, se comienza a formar burbujas pequeñas de vapor al interior de la bomba.
"Debido a que las burbujas del vapor ocupan un volumen mayor que el líquido, ocurre una reducción del flujo. Conforme las burbujas se mueven del área de baja presión de la bomba hacia el área de alta presión, el vapor regresa nuevamente a la fase líquida. Esta condensación genera una poderosa onda de choque en el líquido que, incluso, puede llegar a remover partículas en las superficies sólidas circundantes (la carcasa de la bomba) creando cavidades. Con el paso del tiempo, este fenómeno puede causar daños irreparables en los equipos"
La condensación de las burbujas de vapor es tan rápida que emite un ruido parecido al traqueteo de piedrecillas o al bombeo de pulpas. Este sonido es la manera más fácil de reconocer la cavitación.
Además de dañar el rodete, la cavitación normalmente reduce la eficiencia de operación del equipo de bombeo. También produce un comportamiento inestable o menor en la presión de descarga y el consumo de energía se torna errático. Por otra parte, la vibración genera daños mecánicos como el deterioro de los cojinetes donde descansa el eje de la bomba.
La única manera de prevenir los efectos indeseables de la cavitación es asegurar que el NPSH disponible en el sistema sea mayor que el NPSH requerido por la bomba.
4 Este fenómeno se explica con el mecanismo siguiente: si la presión en un líquido 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 del 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 deslizamiento sobre partes de bombas o de otro equipo sujeto a cavitación.
Diagrama de vapor de agua que muestra como la temperatura de fusión del agua está en función de la presión del medio .
5 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).
1.1.1. La Cavitación Vaporosa.
Es la forma de cavitación más común en las bombas de proceso. Generalmente ocurre debido a un insuficiente NPSH disponible o a fenómenos de recirculación interna. Se manifiesta como una reducción del desempeño de la bomba, ruido excesivo, alta vibración y desgaste en algunos componentes de la bomba. La extensión del daño puede ir desde unas picaduras relativamente menores después de años de servicio, hasta fallas catastróficas en un corto periodo de tiempo.
1.1.2 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 carcasa. Su efecto principal es una pérdida de capacidad. 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. Para el bombeo de líquidos espumosos se han diseñado y se siguen desarrollando bombas especiales (Froth pumps) que han logrado un considerable mejoramiento en el manejo de estos fluidos.
1.2.
La depresión causa de la cavitación
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
6 máquina hidráulicas mal proyectadas o mal instaladas produce la cavitación es preciso estudiar este fenómeno, para conocer sus causas y controlarlo.
Uno de los factores principales que determinan el movimiento del fluido a baja presión es la resistencia del fluido a la fracción de la continuidad. Así, por datos experimentales, el agua pura que no contiene partículas sólidas y gaseosas soporta una tracción de 0,2-0,3 MPa y en condiciones particulares alcanza 10-25 MPa.
La resistencia teórica del agua a la tracción es más grande. Pero a su vez, la resistencia a la tracción del agua común se determina por la presión de ebullición Peb, cuyo valor depende de la temperatura del fluido. Esto se explica con que en el agua que se encuentra en los niveles superior e inferior, e inclusive en las tuberías, contiene una gran cantidad de partículas sólidas y gaseosas las cuales representan puntos débiles o núcleos. La formación de los núcleos permite la presencia de partículas de aire en el agua.
Figura 1.1: Uno de los casos más frecuentes de la cavitación es en las bombas centrifugas
7 Escribamos la ecuación de Bernouilli entre los puntos 1 y 2. Resulta más cómodo en el fenómeno que estudiamos considerar presiones absolutas. Por tanto, p1
+
γ
v12 2 g
− H r 1−2 =
p 2
v 22
+
2 g
γ
− z 2
1.1.
Donde p1, p2 (presiones absolutas en los puntos 1 y 2) Hri-2 (pérdida de energía entre los puntos 1 y 2) z2
(cota del punto 2, tomando como plano de referencia el plano horizontal
que pasa por 1). P 2 =
γ
V 2 2
P 1 −
γ
−
V 12
2 g
−
Z 2
−
H r 1
2
−
Según la Ecuación anterior la presión P 2 es menor que la P 1 ya que los tres términos últimos en dicha ecuación son negativos. Ahora bien, P 2 no puede disminuir indefinidamente, sino que — teóricamente puede bajar solo hasta él O absoluto; porque la presión absoluta no puede ser nunca negativa. —Prácticamente existe un límite inferior mayor que O que es el siguiente: p 2 ≥ ps Donde ps ( presión de saturación de! vapor a la temperatura en que se encuentre el fluido.) En efecto, la termodinámica enseña que un líquido entra en ebullición a una presión determinada, llamada presión de saturación, Ps que depende de la temperatura la cual temperatura correlativamente se llama temperatura de saturación, ts para dicha presión. (Addison, 1949) Los valores de p s en función de la temperatura se encuentran en las tablas de vapor del líquido en cuestión. Dicha tabla para el agua es la siguiente:
Tabla 1.1.: Presión de saturación p s del vapor de agua a diversas temperaturas ts
8
Ts (ºC)
Ps (kg/cm2)
ts (ºC)
Ps (kg/cm2)
1
0.006695
50
0.12578
3
0.007724
55
0.16050
5
0.008891
60
0.2031
10
0.012513
65
0.2550
15
0.017377
70
0.3178
20
0.02383
75
0.3931
25
0.03229
80
0.4829
30
0.04580
85
0.5894
35
0.05733
90
0.7149
40
0.07520
95
0.8619
45
0.09771
100
1.0332
FUENTE: MATAIX Claudio, Mecánica de Fluidos Por tanto de la Ecuación anterior se desprende que la presión en el punto 2, P 2 será tanto menor y el peligro de la cavitación tanto mayor — cuanto menor sea p1 en la Figura anterior, cuanto menor sea la presión barométrica del lugar p b — cuanto mayor sea la altura de velocidad creada en la zona de depresión. En la garganta del Venturi se hace menor, y por tanto la velocidad en la garganta v 2 mayor — cuanto mayor sea z 2, si se eleva más el eje de la bomba con relación al nivel del depósito de aspiración. — cuanto mayores sean las pérdidas, H r1-2
1.3.
Cavitación de una bomba
Escribamos la ecuación de Benouilli con relación a la instalación, entre las secciones 1 (nivel superior del pozo de aspiración) y e (entrada de la bomba, o sea la brida de conexión de la tubería de aspiración) (Addison, 1949)
9
p1 γ
2
+ z 1 +
V 1
2 g
− H ra =
pe γ
2
+ z e +
V e
1.2.
2 g
Donde p1
p b
=
γ
γ
⇒
altura barométrica en metros, ST. ⇒ pérdidas
Hra p e
⇒ Presión
γ
en la tubería de aspiración.
que marca el vacuometro
Ahora bien, pasada la frontera de la bomba (punto e), y ya en el interior de la misma la presión sigue disminuyendo y en algún punto desconocido x puede llegar por diversas razones a valores mucho más bajos. Escribiremos p x γ
=
pe γ
+ ∆h´=
pb γ
− ( z e − z 1 ) −
V e2 − H ra 2 g
− ∆h´
1.3.
Donde ⇒
px
Presión en un punto en el interior de la bomba en que tiene lugar la presión
mínima. ∆
h´
p x γ
⇒
caída de altura de presión en el interior de la bomba desde
p e γ
hasta
. Su valor se puede obtener solo mediante ensayos experimentales.
ze — z1 ⇒ altura de la entrada de la bomba (centro de la brida de aspiración) sobre el nivel del pozo de aspiración. Es más cómodo sustituir (z e — z1) por la altura del eje
de la bomba sobre el pozo de aspiración, que se
llama altura de suspensión H s,
10
Si
p x γ
p v
=
γ
= presión de saturación del vapor, el agua entra en ebullición y se
origina el fenómeno de cavitación. El valor mínimo de
cavitación es, Pues, Hs
⇒
p v γ
p x γ
para que no haya
.
altura de suspensión o altura máxima del eje de la bomba sobre el pozo de
aspiración,
vapor
p x γ
porque en la bomba se ha llegado ya a la presión de saturación del
=
p v γ
.
Por tanto, la altura máxima de aspiración es: H s
=
pb
−
γ
p v γ
2
− H ra −
V e
2 g
1.4.
− ∆h
Otra forma de controlar la cavitación en la bomba es tomando en consideración el coeficiente de rapidez, perdidas de entrada de la bomba: Para que una bomba no tenga problemas de cavitación debe cumplirse que:
H s
=
P o γ
− ∆ H eq − ∆ H V − ∆H perd
: Donde
4/3
∆Heq
n Q =10 C : Pérdida a la entrada de la bomba.
H V =Presión ∆
(tensión) de saturación del agua.
∆ H perd =Pérdidas en las tuberías de succión de la bomba para la ciudad de Loja, se tiene: P 0 P 0 γ
=
=
595 mm de Hg, luego: 595 mmHg * 10 ,33 mcolH 2 O 760 mmHg
=
8,08 mcolH 2 O
=
P atm γ
El coeficiente C en la fórmula para ∆Η req . Se toma de la siguiente tabla, con el coeficiente de rapidez
η s
11
Tabla 1.2: valores de C en tensión del coeficiente de rapidez <70 600
η S
C
70-80 700
80-150 800
>150 1200
FUENTE: MATAIX Claudio, Mecánica de Fluidos
Calcularemos el coeficiente de rapidez con: η s = 3,65η
Q1 / 2
H 3 / 4
Donde
η Q ,
y Η son nominales para una bomba, y son tomadas de la curva
característica que da el fabricante.
Coeficiente de cavitación,
σ
Este coeficiente se define así: σ =
1.4.
∆h
Hm
Daño por cavitación
El daño por cavitación es una forma especial de corrosión-erosión debido a la formación y al colapso de burbujas de vapor en un líquido cerca de una superficie metálica, que ocurre en turbinas hidráulicas, hélices de barcos, impulsores de, bombas y otras superficies sobre las cuales se encuentran líquidos de alta velocidad con cambios de presión. Un daño por cavitación tiene un aspecto semejante a picaduras por corrosión, pero las zonas dañadas son más compactas y la superficie es más irregular en el caso de la cavitación. El daño por cavitación se atribuye parcialmente a efectos de desgaste mecánico. La corrosión interviene cuando el colapso de la burbuja destruye la película protectora, como se muestra esquemáticamente en la siguiente figura, con los pasos siguientes: 1. Se forma una burbuja de cavilación sobre la película protectora. 2. El colapso de la burbuja causa la destrucción local de la película.
12 3. La superficie no protegida del metal está expuesta al medio corrosivo y se forma una nueva película por medio de una reacción de corrosión. 4. Se forma una nueva burbuja en el mismo lugar, debido al aumento de poder nucleante de la superficie irregular. 5. El colapso de la nueva burbuja destruye otra vez la película. 6. La película se forma de nuevo y el proceso se repite indefinidamente hasta formar huecos bastante profundos. El mecanismo anterior también funciona sin la presencia de una película protectora, ya que la implosión de la burbuja ya es suficiente para deformar el metal plásticamente y arrancarle pedazos de material. Se acepta generalmente que la cavitación es un fenómeno de corrosión-erosión.
En forma general, es posible prevenir el daño por cavitación con los métodos descritos en la prevención de corrosión-erosión: •
Modificar el diseño para minimizar las diferencias de presión hidráulica en el flujo de medio corrosivo
•
Seleccionar materiales con mayor resistencia a la cavitación.
13
•
Dar un acabado de pulido a la superficie sujeta a efectos de cavilación, ya que es más difícil nuclear burbujas sobre una superficie muy plana
•
Recubrimiento con hules o plásticos que absorben las energías de choque.
•
Disminuir las perdidas hidráulicas en las tuberías de succión.
•
Fabricación de un excéntrico de transición de la bomba eliminando los escalones que pueden producir tuberías y pérdidas.
•
Instalación de una lanza de agua
a presión dentro de la cisterna
directamente sobre cada boca de entrada de succión de las bombas, para la remoción y suspensión del mineral sedimentado antes de iniciar el período de bombeo. •
Reducir la temperatura del líquido mezclándolo con algún otro afluente a menor temperatura y aumentarle la presión en la entrada de la bomba centrífuga con la introducción de la bomba de chorro.
•
Reducir el número de revoluciones de las bombas y con ello el NPSH requerido para un gasto determinado.
•
2.
Utilizar protección catódica en los materiales expuestos a cavitación.
Definiciones importantes para la comprensión del fenómeno de la cavitación. 2.1.
Presión estática, (ps)
La presión estática en una corriente de fluido es la fuerza normal por unidad de área actuando sobre un plano o contorno sólido en un punto dado. Describe la diferencia de presión entre el interior y el exterior de un sistema, despreciando cualquier movimiento en el líquido. Por lo tanto, la presión estática en un punto de un ducto, es la diferencia entre la presión interna y externa en ese punto, omitiendo cualquier movimiento del flujo en su interior. En términos de energía, la presión estática es una medida de la energía potencial de un fluido. 2.2.
Presión Dinámica (pd)
14 Un fluido en movimiento ejerce una presión mas alta que la presión estática debido a la energía cinética (mv2/2) del fluido. Esta presión adicional se define como presión dinámica. Se puede medir convirtiendo la energía cinética del fluido en energía potencial. En otras palabras, es la presión que existiría en una corriente de fluido que ha sido desacelerada desde su velocidad “v” a velocidad “cero”. 2.3.
Presión Total (pt )
Se define como la suma de la presión estática más la presión dinámica. Es una medida de la energía total de una corriente de fluido en movimiento. Esto es, energía cinética mas energía potencial.
2.4. Relación entre ps, pd y pt En un fluido incompresible la relación se puede medir usando un aparato llamado Tubo Pitot. La relación también puede establecerse aplicando un simple balance energético:
energía potencial + energía cinética = energía Total (constante) o en términos de presión: presión estática + presión dinámica = presión Total. La energía cinética es una función de la velocidad “v” y de su masa comúnmente representada por la densidad del fluido (ρ). Entonces: E.C. = pd = ½ ρ v2. . En términos de presión total: pt = ps + ½ ρ v2. En lugar de utilizar unidades de presión se prefiere expresar la energía de bombeo como energía por unidad de peso de líquido bombeado, la que se indica en Newton- metro por Newton o justamente en metros de columna de líquido; esta magnitud se identifica universalmente como “cabeza” (head en inglés). Esto es necesario debido a que la altura de la columna que produce una bomba centrifuga es independiente de la densidad del líquido. Por ejemplo una bomba ‘X’ corriendo a
15 ‘N’ rpm. Producirá una misma cabeza ‘H’ metros de agua, o de acido sulfúrico concentrado, o de cualquier otro fluido; sin embargo, la potencia empleada será proporcional a la densidad de cada fluido. Los términos de presión pueden convertirse en metros de cabeza dividiendo la presión en kPa por 9.81 (g) y por la densidad especifica (ρ) del fluido.
2.5. Cabeza Estática (he) = Presión Estática/ g∙ ρ 2.6. Cabeza de Velocidad (hv) = Presión Dinámica / g ∙ ρ = (½ ρ v2)/ (ρ ∙ g = v2 /2 g 2.7. Presión de Vapor. El agua hierve cuando la presión de vapor de agua alcanza la presión atmosférica. La presión de vapor de agua aumenta con la temperatura, hasta igualar 1 bar a 100º C a nivel del mar. Por lo tanto hay dos maneras para hacer hervir el agua. Primero, la más común, se puede aumentar la temperatura del agua hasta 100º C. Segundo, más exótica, se puede poner el agua en una cámara de vacío y luego evacuar el aire con una bomba de vacío. Indudablemente llegará el momento que la presión atmosférica en la cámara llega a ser igual a la presión de vapor de agua a 25º C 0,03 bar (ver gráfico 0,03 bar<>0,3 metros de columna de agua), el agua hervirá. De igual manera, a 5000 metros sobre el nivel del mar el agua hierve a una temperatura de 85º C.
En resumen, la vaporización se produce por adición de calor o por reducción de la presión estática (para la definición de cavitación se excluirá la acción
dinámica del líquido) Lo mismo que en un contenedor cerrado, la vaporización del líquido puede ocurrir en las bombas centrifugas cuando la presión estática en algún punto se reduce a un valor menor que la presión de vapor del líquido (a la temperatura en dicho punto).
16
Para simplificar e ilustrar utilicemos el esquema que sigue: En el dibujo se representa un recipiente cerrado, lleno parcialmente de un líquido (azul). Este líquido como toda sustancia está constituido por moléculas (bolitas negras), que están en constante movimiento al azar en todas direcciones. Este movimiento errático, hace que se produzcan choques entre ellas, de estos choques las moléculas intercambian energía, tal y como hacen las bolas de billar al chocar; algunas aceleran, mientras otras se frenan. En este constante choque e intercambio de energía, algunas moléculas pueden alcanzar tal velocidad, que si están cerca de la superficie pueden saltar del líquido (bolitas rojas) al espacio cerrado exterior como gases.
A este proceso de conversión lenta de los líquidos a gases se les llama evaporación. A medida que mas y mas moléculas pasan al estado de vapor, la presión dentro del espacio cerrado sobre el líquido aumenta, este aumento no es indefinido, y hay un valor de presión para el cual por cada molécula que logra escapar del líquido necesariamente regresa una de las gaseosas a él, por lo que se establece un
17 equilibrio y la presión no sigue subiendo. Esta presión se conoce como Presión de Vapor Saturado. La presión de vapor saturado depende de dos factores:
1.
La naturaleza del líquido
2.
La temperatura
2.7.1.
Influencia de la naturaleza del líquido El valor de la presión de vapor saturado de un líquido, da una idea clara de su volatilidad, los líquidos más volátiles (éter, gasolina, acetona etc) tienen una presión de vapor saturado más alta, por lo que este tipo de líquidos, confinados en un recipiente cerrado, mantendrán a la misma temperatura, una presión mayor que otros menos volátiles. Eso explica porqué, a temperatura ambiente en verano, cuando destapamos un recipiente con gasolina, notamos que hay una presión considerable en el interior, mientras que si el líquido es por ejemplo; agua, cuya presión de vapor saturado es más baja, apenas lo notamos cuando se destapa el recipiente.
18
2.7.2.
Influencia de la temperatura
Del mismo modo, habremos notado que la presión de vapor de saturación crece con el aumento de la temperatura, de esta forma si colocamos un líquido poco volátil como el agua en un recipiente y lo calentamos, obtendremos el mismo efecto del punto anterior, es decir una presión notable al destaparlo.
La relación entre la temperatura y la presión de vapor saturado de las sustancias, no es una línea recta, en otras palabras, si se duplica la temperatura, no necesariamente se duplicará la presión, pero si se cumplirá siempre, que para cada valor de temperatura, habrá un valor fijo de presión de vapor saturado para cada líquido.
La explicación de este fenómeno puede se basa en el aumento de energía de la moléculas al calentarse. Cuando un líquido se calienta, estamos suministrándole energía. Esta energía se traduce en aumento de velocidad de las moléculas que lo componen, lo que a su vez significa, que los choques entre ellas serán más frecuentes y violentos. Es fácil darse cuenta entonces, que la cantidad de moléculas que alcanzarán suficiente velocidad para pasar al estado gaseoso será mucho mayor, y por tanto mayor también la presión.
2.7.3.
Punto de ebullición
El efecto de evaporación explicado hasta aquí; donde para cada valor de temperatura, se establece un equilibrio entre las moléculas que abandonan el líquido desde su superficie como gases y las que regresan a él para dar un
19 valor presión, se cumple de igual modo aunque la naturaleza del gas que está estableciendo la presión sea otro diferente a los vapores del propio líquido. Veamos: supongamos que tenemos un líquido confinado a un recipiente abierto como se muestra, en este caso sobre el líquido actúa el aire a la presión de la atmósfera, si esta presión es mayor que la presión de vapor saturado del líquido a esa temperatura, la evaporación será muy lenta, y se deberá básicamente, a que siempre en el incesante choque entre ellas, alguna de manera esporádica, alcanzará la energía suficiente para pasar al estado gaseoso con la posibilidad de abandonar el recipiente, especialmente si hay alguna corriente de gases que la arrastre.
Si comenzamos a incrementar la temperatura del sistema, cada vez será mayor la cantidad de moléculas que lo abandonen y se irá incrementando gradualmente la evaporación. Cuando se alcance una temperatura tal, para la cual, el valor de la presión de vapor saturado del líquido en cuestión, sea igual al valor de la presión atmosférica, la evaporación se producirá en toda la masa del líquido, se dice entonces que el líquido entra en ebullición (hierve).
20 Si se ha comprendido hasta aquí podemos ahora definir el punto de ebullición
como:
El valor de la temperatura para la cual la presión de vapor saturado de un líquido cualquiera, alcanza la presión a que está sometido. Se puede deducir fácilmente que el punto de ebullición de un líquido dependerá de la presión a que esté sometido y será mas bajo para bajas presiones y más alto para el caso contrario.
Este fenómeno se aprovecha en la práctica para muchas aplicaciones, algunas tan simples como la conocida olla a presión , y otras tan complejas e importantes como las
grandes calderas de vapor , las máquinas
refrigeradoras o la producción de aire líquido.
2.8. NPSH En la industria química, donde se presentan muchos casos, donde el líquido que se va a bombear se encuentra en el punto de ebullición o muy próximo, es conocido el término (NPSH) A – neta positive suction head.
( NPSH ) A Donde:
h, t
≡
P atm γ
v22
H − h − h − 2 g
−
S
P
t
es la tensión de vapor.
Se define (NPSH)A como la cantidad de energía disponible en la boquilla de succión, la que es igual a la presión atmosférica menos la altura de aspiración y la presión de vapor de agua. Donde:
v 22 / 2 g + H S + h P − Es la altura de aspiración.
21 También se define (NPSH)A, como la característica del sistema que representa la diferencia entre la carga absoluta de succión y la presión de vapor a la temperatura dada.
Donde:
P atm
H − h
−
γ
S
P
−
v 22 2 g
- Carga absoluta de succión
Se construye la curva ( NPSH ) A ≡ f ( Q ) para cada sistema y se representa gráficamente: H (m)
(NPSH)A
n o h a y c av i ta c i ó n
h a y c av it ac i ó n
(NPSH)R
QT
Fig. 2. Curvas ( NPSH ) A ≡ f ( Q ) y
Q (m^3/h)
( NPSH ) R ≡ f ( Q) .
Hasta ahora hemos estudiado la red, pero en la bomba la cavitación se da como resultado de la interacción red-bomba. Existe el concepto (NPSH)R , es una función del diseño de la bomba, representa el margen mínimo entre la carga de succión y la presión del vapor. Se define como la energía en metro de carga del líquido que se necesita en la succión de la bomba por arriba de la presión de vapor del líquido a fin de que la bomba entregue una capacidad a una velocidad dada. El fabricante brinda la curva (NPSH) R =f(Q) en el catálogo de la bomba.
22 Cuando el (NPSH) A cae por debajo del valor de (NPSH) R , la bomba comienza a tener cavitación. Para el gasto QT, (NPSH)A> (NPSH)R y no hay cavitación.
2.9. Condición de Ausencia de Cavitación (NPSH)A> (NPSH)R Es difícil señalar con precisión un valor exacto de (NPSH) al cual se inicie la cavitación, el valor de (NPSH) que produzca una caída de 3% de la carga se denomina como (NPSH) R mínima.
Medidas para aumentar el valor de (NPSH)a
2.9.1. •
Subir el nivel del líquido.
•
Bajar la bomba.
•
Reducir las pérdidas por fricción o local en la tubería de succión.
•
Enfriar el líquido.
•
Utilizar una bomba reforzadora.
Medidas para aumentar el valor de (NPSH)r
2.9.2. •
Velocidades más bajas.
•
Impulsor de doble succión.
•
Ojo del impulsor más grande.
•
Una bomba de tamaño más grande.
•
Otras.
Con el objetivo de disminuir la resistencia de la red de succión, el diámetro de la tubería de succión se elige entre 20-25 % mayor que el diámetro de la tubería de impulsión.
3. Cebado de una bomba
23
Fig. 1 ¿Desarrolla la bomba centrífuga, el vacío necesario para elevar el agua hasta la entrada? Fig. 1. Resp. No . Por esta causa las bombas, generalmente llevan instalados en la tubería de succión un Chek, o válvula de pie, la cual retiene una columna de agua.
3.1 Dificultades que trae la válvula de pie: 1.
Es una resistencia hidráulica
2.
Reduce el gasto.
3.
Está en lugar difícil lo cual empeora el mantenimiento.
En ausencia de la válvula de pie se emplean bomba de vacío de anillo-liquido y, bombas de chorro (eyectores o inyectores).
3.2 Existen otros métodos de cebado: 1.
Alimentando el líquido desde la tubería de impulsión
2.
Uso de bombas auxiliares •
En serie
•
En paralelo
3.
Utilizando tanques acumuladores.
4.
Empleo de sifones y arietes hidráulicos.
3.3 Solución general •
Situar la alimentación por encima de la bomba, Fig. 1.
24 •
4.
Bajar la bomba hasta el líquido, bombas verticales.
Tubo de venturi Un venturi es un dispositivo que clásicamente incorpora una simple convergencia y divergencia a través de una sección y usa los principios de Bernoulli para relacionar la velocidad con la presión del fluido. Este principio se basa en que cuando el gas o líquido en movimiento, baja su presión y aumenta su velocidad.
Un tubo de venturi es usado para medir la velocidad del flujo de un fluido. En la garganta, el área es reducida de
A1 a A2 y su velocidad se incrementa de V1 a V2.
En el punto 2, donde la velocidad es máxima, la presión es mínima. Esto lo sabemos de la ecuación de Bernoulli. Este dispositivo se utiliza para medir el gasto de una tubería. Al escurrir el fluido de la tubería a la garganta, la velocidad aumenta notablemente, y en consecuencia, la presión disminuye; el gasto transportado por la tubería en el caso de un flujo incompresible esta en función de la lectura del manómetro.
Las presiones en la sección 1 y en la garganta (sección 2) son presiones reales, en tanto que las velocidades correspondientes obtenidas en la ecuación de Bernoulli sin un término de pérdidas son velocidades teóricas. Si se consideran las pérdidas en la ecuación de la energía entonces se trata de velocidades reales. En lo que sigue se obtendrá primero la velocidad teórica en la garganta al aplicar la ecuación de Bernoulli sin el término de pérdidas. Multiplicando este valor por el coeficiente
Cv,
25 se determinará la velocidad real. Esta última, multiplicada por el área real de la garganta, permite obtener el gasto que circula por la tubería.
Nota: Para obtener resultados precisos, el tubo de Venturi debe estar precedido por una longitud de al menos diez veces en diámetro de la tubería. Donde V1, V2, p1 y p2 son las velocidades y presiones en las secciones 1 y 2 respectivamente. Esta ecuación incorpora la conservación de la energía para fluidos. Usaremos la ecuación de continuidad para flujo de fluidos. Esta se basa en que con ausencia de pérdida de masa, el flujo de fluido que entra en una región dada debe ser igual al que sale. Para flujo incompresible:
Juntando la ecuación de Bernoulli con la de continuidad, se tendrá: Por otro lado la diferencia manométrica
h se puede relacionar con la diferencia de
presiones al escribir la ecuación del manómetro. De este modo se obtiene una expresión para el gasto. Donde S0 es la gravedad específica del líquido en el manómetro y S1 es la gravedad específica del líquido a través de la tubería. Esta expresión que constituye la ecuación del tubo de venturi para flujo incompresible. El gasto depende de la diferencia manométrica h
El coeficiente
Cv se determina mediante un método de calibración (número de
Reynolds). •
Aplicando la ecuación de Bernoulli y continuidad en los puntos 1 y 2, los cuales
están a una misma altura: p1
+
1 2
ρ v1
2
= p 2 +
(1) S 1v1
=
S 2 v 2
1 2
ρ v 2
2
26 (2) Reemplazando (2) en (1), encontramos:
p 2
1
− p1 =
2
ρ v1
2
S 1 2 1 − S 2
. Despejando, por ejemplo, v1, se tiene:
v1 = S 2
− p1 ) 2 2 ρ ( S 2 − S 1 ) 2( p 2
(3) Por otro lado, usando el manómetro para determinar la diferencia de presiones p 2
−
p1 , encontramos que como los niveles A y B están a una misma altura:
p A
=
p B
, es decir: p1
Por lo tanto, p 2
gH = p 2 + ρ g ( H − h) + ρ ' gh + ρ
− p1 = ( ρ − ρ ' ) gh
, que al reemplazar en ecuación (3) resulta:
v1 = S 2
2( ρ − ρ ' ) gh 2
ρ ( S 2 − S 1
2
)
4.1. Instalación del tubo Venturi El tubo del medidor esta colocado en la línea de tubería tal como un tubo ordinario, el cono menor formando el extremo de entrada o de flujo de arriba. El tubo mismo esta hecho de varias secciones, varían do el número de ellas según el tamaño del tubo. Cada sección tiene una muesca en la orilla de la brida para permitir un alineamiento exacto. El tubo puede instalar- se en cualquier posición: horizontal, vertical o inclinada. El tubo "Venturi" debe introducirse en un tramo recto de la línea de tubería y tan lejano, hacia abajo como sea posible, de cualesquier origen de trastorno en
27 el flujo, tal como reductores, válvulas, y grupos de conexiones. Para los largos mínimos de tubería recta que deben preceder al tubo de medición, consúltese la hoja de instrucciones de "Tramos de tubería para medidores"
En tuberías horizontales e inclinadas, las conexiones de presión para la tubería desde el tubo "Venturi" al instrumento, deben hacerse como sigue: (a) en instalaciones para gas, a la parte superior del tubo, (b) en instalaciones para líquidos, a un lado del tubo, y (c) en instalaciones para vapor, en la parte superior del tubo cuando el instrumento esta por encima de la línea, y al lado, cuando está por debajo. En tubos verticales, las conexiones de presión pueden hacerse a cualquier lado del tubo.
