Objetivos: El principal objetivo para la elaboración de esta investigación es entender el fenómeno de la Cavitación. ¿Que es, como, cuando, donde se localiza y porque se produce? .Estas serán nuestras principales interrogantes al momento de la investigación y la búsqueda de información. Siendo estas mismas interrogantes la que queremos contestar para poder entender mejor este fenómeno y sus características. También queremos encontrar las ecuaciones que que rigen este fenómeno. Ya que que estas serán un punto importante en el proceso de entendimiento. Y por ultimo Investigaremos también los daños que la cavitación produce y buscaremos información acerca de los métodos o las formas que existen para prever o controlar este fenómeno.
Introducción. Introducción. La cavitación es un fenómeno muy importante dentro de la mecánica de los fluidos y de particular influencia en el funcionamiento de toda maquina hidráulica. Cuando una persona se encuentra ante el problema de seleccionar una turbina o bomba adecuada, generalmente recurre a aquella que le brinda el mayor rendimiento, con la menor inversión inicial. Sin embargo, La cavitación puede dañar los componentes de la bomba al igual que la tubería y partes del sistema. Por eso en necesario entender la cavitación y aprender a controlarla. Por esta razón en el presente trabajo se pretende dar un panorama general sobre este fenómeno, su mecánica y los últimos avances en investigación sobre el tema.
Introducción. Introducción. La cavitación es un fenómeno muy importante dentro de la mecánica de los fluidos y de particular influencia en el funcionamiento de toda maquina hidráulica. Cuando una persona se encuentra ante el problema de seleccionar una turbina o bomba adecuada, generalmente recurre a aquella que le brinda el mayor rendimiento, con la menor inversión inicial. Sin embargo, La cavitación puede dañar los componentes de la bomba al igual que la tubería y partes del sistema. Por eso en necesario entender la cavitación y aprender a controlarla. Por esta razón en el presente trabajo se pretende dar un panorama general sobre este fenómeno, su mecánica y los últimos avances en investigación sobre el tema.
¿Qué es la cavitación? cavitación? La cavitación o aspiración en vacío es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido en estado líquido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido debido a la conservación de la constante de Bernoulli (Principio de Bernoulli). Bernoulli). Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de tal forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor, formándose burbujas o, más correctamente, cavidades. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión e implotan (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, «aplastándose» bruscamente las burbujas) produciendo una estela de gas y un arranque de metal de la superficie en la que origina este fenómeno. La implosión causa ondas de presión que viajan en el líquido. Estas pueden disiparse en la corriente del líquido o pueden chocar con una superficie. Si la zona donde chocan las ondas de presión es la misma, el material tiende a debilitarse metalúrgicamente y se inicia una erosión que, además de dañar la superficie, provoca que ésta se convierta en una zona de mayor pérdida de presión y por ende de mayor foco de formación de burbujas de vapor. Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en contacto con una pared sólida cuando implosionan, las fuerzas ejercidas por el líquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas muy altas, ocasionando picaduras sobre la superficie sólida. El fenómeno generalmente va acompañado de ruido y vibraciones, dando la impresión de que se tratara de grava que golpea en las diferentes partes de la máquina. Se puede presentar también cavitación en otros procesos como, por ejemplo, en hélices de barcos y aviones, bombas y tejidos vascularizados de algunas plantas. Se suele llamar corrosión por cavitación al fenómeno por el que la cavitación arranca la capa de óxido (pasivación) que cubre el metal y lo protege, de tal forma que entre esta zona (ánodo) y la que permanece pasivada (cubierta por óxido) se forma un par galvánico en el que el ánodo (el que se corroe) que es la zona que ha perdido su capa de óxido y la que lo mantiene (cátodo). (cátodo).
El proceso físico de la cavitación es casi exactamente igual que el que ocurre durante la ebullición. La mayor diferencia entre ambos consiste en cómo se efectúa el cambio de fase. La ebullición eleva la presión de vapor del líquido por encima de la presión ambiente local para producir el cambio a fase gaseosa, mientras que la cavitación es causada por una caída de la presión local por debajo de la presión de vapor. Para que la cavitación se produzca, las "burbujas" necesitan una superficie donde nuclearse. Esta superficie puede ser la pared de un contenedor o depósito, impurezas del líquido o cualquier otra irregularidad. El factor determinante en la cavitación es la temperatura del líquido. Al variar la temperatura del líquido varía también la presión de vapor de forma importante, haciendo más fácil o difícil que para una presión local ambiente dada la presión de vapor caiga a un valor que provoque cavitación.
Mecanismo de la Cavitación Etapa 1. Formación de Burbujas Las burbujas se forman dentro del líquido cuando este se vaporiza. Esto es, cuando cambia desde la fase liquida a la de vapor. La vaporización de cualquier líquido dentro de un contenedor se produce ya sea porque la presión sobre la superficie del líquido disminuye hasta ser igual o inferior a su presión de vapor (a la temperatura actual), o bien porque la temperatura del líquido sube hasta hacer que la presión de vapor sobrepase a la presión sobre la superficie de 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). Por lo tanto, definimos que Las burbujas de vapor se forman dentro de la bomba cuando la presión estática en algún punto baja a un valor igual o menor que la presión de vapor del líquido.
La presión estática en algún punto dentro de la bomba puede bajar hasta un nivel inferior a la presión de vapor bajo dos condiciones: 1. Porque la caída de presión actual en el sistema externo de succión es mayor que la que se consideró durante el diseño del sistema. (Es una situación bastante corriente). Esto resulta en que la presión disponible en la succión de la bomba (NPSHa) no es suficientemente alta para suministrar la energía requerida para superar la caída de presión interna (NPSHr) propia del diseño de la bomba. 2. Porque la caída de presión actual dentro de la bomba (NPSHr) es mas grande que la informada por el fabricante y que se usó para seleccionar la bomba.
Etapa 2. Crecimiento de las Burbujas Si no se produce ningún cambio en las condiciones de operación, se seguirán formando burbujas nuevas y las viejas seguirán creciendo en tamaño. Luego serán arrastradas por el líquido desde el ojo del impulsor hacia los alabes y la periferia del impulsor. Debido a la rotación del impulsor las burbujas adquieren alta velocidad y se desplazan hacia las regiones de alta presión dentro del impulsor donde empiezan a colapsar. El ciclo de vida de una burbuja se ha estimado en alrededor de 0.003 segundos.
Etapa 3. Colapso de las Burbujas A medida que las burbujas se desplazan, la presión que las rodea va aumentando hasta que llegan a un punto donde la presión exterior es mayor que la interior y las burbujas colapsan. El proceso es una implosión. Cientos de burbujas colapsan en aproximadamente el mismo punto de cada alabe. Las burbujas no colapsan simétricamente de modo que el líquido que las rodea se precipita a llenar el hueco produciendo un micro jet. Subsecuentemente los micro jet rompen las burbujas con tal fuerza que produce una acción de martilleo. Se han reportado presiones de colapso de burbujas superiores a 1 GPa (145 x 106 psi). El martilleo altamente focalizado puede producir desprendimiento de material (socavaciones) en el impulsor
Figura 9: secuencia de implosión
Resistencia a la Tracción y Nucleación De acuerdo a lo expuesto surge el interrogante de cómo aparecen estas burbujas aparecen. A fin de producir una cavidad en un líquido, debe primero ser estirado y posteriormente desgarrado. Si el líquido es considerado como un sólido, esto es inducido por un esfuerzo de tracción. Por lo tanto, la facultad de un líquido de soportar este esfuerzo de tracción es llamado RESISTENCIA A LA TRACCION.
figura: Resistencia a la Tracción Teórica soportada por el agua
Estos son valores mínimos teóricos para agua absolutamente pura. Así, bajo ciertas condiciones el agua pura puede soportar muy altas tensiones de tracción, o presiones negativas, mucho más bajas que la presión de vaporización. Esta clase de agua, capaz de soportar tensiones de tracción de más de 250 bar a temperatura ambiente, (125.000 veces más bajas que la presión de vapor) puede ser producida solamente en laboratorios altamente especializados.
Bajo tensiones de tracción un líquido generalmente se separa a la presión de vapor. El hecho de que las tensiones de tracción antes mencionadas, y que el comienzo de la cavitación se produzca con el arribo a la tensión de vapor, conduce a la suposición de que las impurezas deben estar presentes en el líquido. Estos son comúnmente llamados NUCLEOS El inicio de la cavitación se debe a dichos puntos de "rotura del líquido llamados "cavidades". La tensión necesaria para "romper" o "fracturar" el líquido, es decir vencer a las fuerzas de cohesión intermoleculares es, como se dijo anteriormente, enorme. Pero el fenómeno de cavitación ocurre precisamente a bajas presiones, ello quiere decir que en la práctica los líquidos ya están "desgarrados". A estas fracturas previas se las denomina "núcleos de cavitación" mencionados anteriormente, y son los iniciadores del proceso Estos núcleos son diminutas burbujas de gases adheridas a materiales sólidos presentes en los líquidos, burbujas retenidas en fisuras en los conductos de transporte del mismo, o gases absorbidos por el líquido. Estos núcleos al ser sometidos a una zona de baja presión comienzan a expandirse. Si aún sigue disminuyendo la presión en una magnitud tal que se alcance la presión de vapor del fluido a la temperatura respectiva, entonces el líquido que rodea a este núcleo (micro burbuja) se vaporiza y comienza a crecer hasta que se hace visible en forma de burbuja.
Tipos De cavitación y número de cavitación
σ
Cavitación es el cambio súbito de fase de liquido a vapor que ocurre siempre que la presión local es igual o menor que la presión de vapor. La primera aparición de cavitación sucede en la posición de la presión más baja en el campo de flujo. Cuatro tipos de cavitación han sido identificados: 1.- Cavitación viajera, la cual existe cuando las burbujas o cavidades de vapor que se forman son arrastradas corriente abajo y se colapsan 2.- Cavitación fija, la que existe cuando una cavidad de vapor se forma como una región separada. La región separada puede volverse a adherir al cuerpo o la región separada encerrando la parte posterior de cuerpo y es contenida por el flujo principal, en cuyo caso se conoce como supercavitación. 3.- Cavitación vorticial, la encontrada en el núcleo de un vórtice de alta velocidad, y por lo tanto de baja presión, a menudo observada en el vórtice de punta que abandona un hélice. 4.- Cavitación vibratoria, la que existe cuando una onda de presión se desplaza en un líquido. Una onda de presión se compone de un pulso de presión, que consiste en una alta presión seguida de una baja presión. La parte bajo presión de la onda (o vibración) puede producir cavitación. El primer tipo de cavitación, en la que se forman burbujas de vapor y luego se colapsan, está asociada con daños potenciales. Las presiones instantáneas producidas por el colapso son extremadamente altas (tal vez de 1400 MPa) y pueden provocar daños en componentes de acero inoxidable como sucede en las hélices de barcos.
Encontramos cavitación siempre que el nú mero de cavitación σ, definido por σ
= P∞ - Pu ½ p V2
Es menor que el número de cavitación critico σ crit, lo que depende de la
geometría del cuerpo y el número de Reynolds. En este caso, p ∞ es la presión absoluta en la corriente libre no perturbada y p u es la presión de vapor. Conforme σ disminuye por debajo de σ crit, la cavitación se vuelve más intensa, y pasa de cavitación viajera a cavitación fija a supercavitación.
Coeficientes con número de cavitación cero para objetos romos
Cuerpo dimensional Geometría
Cuerpo axisimétrico CD(0)
Geometría
Placa plana
0.88
Disco
0.8
Cilindro circular
0.5
Esfera
0.30
Cuña
Ѳ
ѳ
CD(0)
120
0.74
120
0.64
90
0.64
90
0.52
60
0.49
60
0.38
30
0.28
30
0.20
Cono
El coeficiente de arrastre de un cuerpo depende del número de cavitación y con números de cavitación pequeños esta dado por CD(σ) = CD(0)(1 + σ) Donde algunos valores de C D (0) para formas comunes se dan en la tabla con Re ≈ 105.
La superficie hidrodinámica, en un cuerpo aerodinámico que se utiliza para levantar una embarcación del agua, es una forma que invariablemente está asociada con la cavitación. En la siguiente tabla se dan coeficientes de arrastre y sustentación y números de cavitación critica para una superficie hidrodinámica típica con 10 5
Coeficientes de arrastre y sustentación, y número de cavitación critico para una superficie hidrodinámica típica.
Coeficiente de sustentación
Coeficiente de retardo
Número de cavitación criticas
CL
CD
σcrit
-2
0.2
0.014
0.5
0
0.4
0.014
0.6
2
0.6
0.015
0.7
4
0.8
0.018
0.8
6
0.95
0.022
1.2
8
1.10
0.03
1.8
10
1.22
0.04
2.5
Ángulo (°)
Ecuaciones de cavitación
La altura total a la entrada de la bomba, referida a su cota, es:
La altura máxima de aspiración disponible en la entrada de la bomba, H Bdisp⇒ que p 2>p sat E n t o n c e s :
Aplicando Bernoulli entre 1 y 2 tenemos que:
Entonces sustituyendo en la ecuación de H b disp
Tenemos que la altura total a la entrada de la bomba es:
Coeficiente de Cavitación y Altura de Aspiración En el caso de las turbomáquinas será conveniente hallar una expresión del coeficiente de cavitación en función de parámetros hidráulicos conocidos de la máquina, poniendo especial énfasis en las leyes de similitud que incluyen a las presiones o saltos, ya que la cavitación es una función de estas condiciones. Obviamente, la cavitación se producirá en el lado de baja presión del rotor. Por lo tanto la altura o energía disponible en esa parte de la máquina, ALTURA DE ASPIRACION (hs) es de vital importancia. Luego, para una determinada velocidad angular y determinado caudal el comportamiento de la máquina a la cavitación es una función de esta altura de aspiración (hs). La altura de aspiración puede definirse como la distancia vertical entre el eje de la maquina y el pelo de agua, aguas abajo de la maquina. Esta será positiva si el eje se encuentra por encima del pelo de agua y negativa en caso contrario Figura. La altura "geodésica" de aspiración de la figura no determina por sí sola la aparición de la cavitación, sino la denominada "altura dinámica de aspiracion" que se puede determinar aplicando la ecuación de Bernoulli entre los puntos A y B de la bomba de la figura.
Siendo: pA* = Presión absoluta en el punto A. c A = velocidad del fluido en el punto A js = Pérdida de carga en el tubo de aspiración. pat = Presión atmosférica ( presión en el punto B). hs = Altura geodésica de aspiración.
Llamando Altura Practica de Aspiración 1a H s = hs + js y despejando p A * /ã, tenemos:
Sin embargo el punto A no es necesariamente aquel en que se obtendrá la menor presión absoluta de la máquina. Ese valor mínimo se producirá en algún punto M dentro del rotor. Entre A y B habrá una diferencia de presión que, condicionada por el sistema de trazado de álabes, para máquinas homólogas o similares, dependerá de la diferencia de velocidades entre los respectivos puntos. Tomando c como velocidad de comparación podremos escribir:
Cuando la presión p B * alcanza el valor de la tensión de vaporización p v* , el líquido comienza a evaporarse, iniciándose la cavitación .
Designando a la altura correspondiente al inicio de la cavitación como "altura de
aspiración critica" (Hsc), se tiene:
O trasponiendo términos
Por lo tanto podrá obtenerse una altura dinámica de aspiración :
donde la altura practica de succión deberá ser menor que la crítica, para que no se evidencie la cavitación.
Si se divide la altura dinámica de aspiración crítica por el cambio total de energía a través de la máquina, H, se obtiene una cifra adimensional denominada "Número de Thoma" o "Numero de cavitación" critico:
La cifra de cavitación así definida se transforma en un parámetro indicativo del margen de seguridad de funcionamiento de la máquina con respecto a la
cavitación. Mientras ó inst sea mayor que ó c los efectos de la cavitación no se harán sentir.
Tanto el valor de h at como el valor de h v deberán corregirse de acuerdo a las condiciones locales del lugar donde se produce el fenómeno. Volviendo a la ecuación anterior, si se observa el segundo miembro, donde c A puede sustituirse por cualquier otra velocidad fluida característica, pone de manifiesto claramente que el coeficiente de cavitación es un parámetro de similitud de funcionamiento de las máquinas a la cavitación. En puntos homólogos (H,Q) de funcionamiento, dos máquinas geométricamente semejantes se caracterizan por el mismo valor de ócrit. Por lo tanto, la cifra de cavitación crítica variará en función del número específico. El proyectista encargado de realizar el anteproyecto de un sistema de bombeo tiene como datos los valores de presión y caudal. El primer problema que se le plantea, es la determinación del tipo de bomba y la fijación de la velocidad de giro. Como se sabe, a mayor velocidad menor tamaño de la máquina. Sin embargo, como ya se dijo, la necesidad de evitar la cavitación pone un límite al incremento de velocidad. Luego, será de interés poder conocer de manera rápida el valor del coeficiente de cavitación ó que asegure la no ocurrencia de la cavitación.
La cavitación en bombas y hélices Los álabes de un rodete de una bomba o de la hélice de un barco se mueven dentro de un fluido. Cuando el fluido se acelera a través de los álabes se forman regiones de bajas presiones. Cuanto más rápido se mueven los álabes menor es la presión alrededor de los mismos. Cuando se alcanza la presión de vapor, el fluido se vaporiza y forma pequeñas burbujas de vapor que al colapsarse causan ondas depresión audibles y desgaste en los álabes. La cavitación en bombas puede producirse de dos formas diferentes:
Cavitación de succión La cavitación de succión ocurre cuando la succión de la bomba se encuentra en unas condiciones de baja presión/alto vacío que hace que el líquido se transforme en vapor a la entrada del rodete. Este vapor es transportado hasta la zona de descarga de la bomba donde el vacío desaparece y el vapor del líquido es nuevamente comprimido debido a la presión de descarga. Se produce en ese momento una violenta implosión sobre la superficie del rodete. Un rodete que ha trabajado bajo condiciones de cavitación de succión presenta grandes cavidades producidas por los trozos de material arrancados por el fenómeno. Esto origina el fallo prematuro de la bomba.
Cavitación de descarga La cavitación de descarga sucede cuando la descarga de la bomba está muy alta. Esto ocurre normalmente en una bomba que está funcionando a menos del 10% de su punto de eficiencia óptima. La elevada presión de descarga provoca que la mayor parte del fluido circule por dentro de la bomba en vez de salir por la zona de descarga. A este fenómeno se le conoce como "slip page". A medida que el líquido fluye alrededor del rodete debe de pasar a una velocidad muy elevada a través de una pequeña apertura entre el rodete y el tajamar de la bomba. Esta velocidad provoca el vacío en el tajamar (fenómeno similar al que ocurre en un venturi) lo que provoca que el líquido se transforme en vapor. Una bomba funcionando bajo estas condiciones muestra un desgaste prematuro del rodete, tajamar y álabes. Además y debido a la alta presión de
funcionamiento es de esperar un fallo prematuro de las juntas de estanqueidad y rodamientos de la bomba. Bajo condiciones extremas puede llegar a romperse el eje del rodete.
Problemas Daños y efectos causados por la cavitación
La cavitación es, en la mayoría de los casos, un suceso indeseable. En dispositivos como hélices y bombas, la cavitación puede causar mucho ruido, daño en los componentes y una pérdida de rendimiento. Este fenómeno es muy estudiado en ingeniería naval durante el diseño de todo tipo de barcos debido a que acorta la vida útil de algunas partes tales como las hélices y los timones. En el caso de los submarinos este efecto es todavía más estudiado, evitado e indeseado, puesto que imposibilita a estos navíos de guerra mantener sus características operativas de silencio e indetectabilidad por las vibraciones y ruidos que la cavitación provoca en el casco y las hélices. El colapso de las cavidades supone la presencia de gran cantidad de energía que puede causar enorme daño. La cavitación puede dañar casi cualquier material. Las picaduras causadas por el colapso de las cavidades producen un enorme desgaste en los diferentes componentes y pueden acortar enormemente la vida de las bombas o hélices. Además de todo lo anterior, la creación y posterior colapso de las burbujas crean fricción y turbulencias en el líquido. Esto contribuye a una pérdida adicional de rendimiento en los dispositivos sometidos a cavitación. La cavitación se presenta también en el fondo de los ríos donde se genera a partir de irregularidades del lecho disociando el agua y el aire. Ambos son sometidos a presiones, dando lugar, este último, a burbujas que, con la fuerza del agua, se descomponen en tamaños microscópicos, saliendo disparadas a gran velocidad. Esto provoca un fuerte impacto en helecho que puede ser de hasta 60 t/m². Su importancia radica en la constancia y repetición del
fenómeno, lo que favorece su actuación. La cavitación es un proceso erosivo frecuente en los pilares de los puentes. Aunque la cavitación es un fenómeno indeseable en la mayoría de las circunstancias, esto no siempre es así. Por ejemplo, la supercavitación tiene aplicaciones militares como por ejemplo en los torpedos de supercavitación en los cuales una burbuja rodea al torpedo eliminando de esta manera toda fricción con el agua. Estos torpedos se pueden desplazar a altas velocidades bajo el agua, incluso hasta a velocidades supersónicas. La cavitación puede ser también un fenómeno positivo en los dispositivos de limpieza ultrasónica. Estos dispositivos hacen uso de ondas sonoras ultrasónicas y se aprovechan del colapso de las burbujas durante la cavitación para la limpieza de las superficies.
Daños a los componentes Erosión o picaduras Durante la cavitación el colapso de las burbujas ocurre a velocidades sónicas eyectándose micro chorros de líquido a altísima velocidad (sobre 1000 m/s) con una fuerza suficiente para erosionar componentes de la bomba, particularmente el impulsor. La burbuja es presionada para colapsar desde todos lados, pero si la burbuja está apoyada sobre una pieza de metal como puede ser el impulsor o la voluta, no puede colapsar desde ese lado. Entonces el fluido se mete por el lado opuesto con su alta velocidad y explota contra el metal creando la impresión de que la superficie metálica fue golpeada con un martillo de bola. El daño empieza a hacerse visible en la forma de hendiduras o „pits‟ (ver figura 11), las cuales son deformaciones plásticas muy
pequeñas (micrométricas). El daño causado por el colapso de las burbujas se conoce comúnmente como erosión o picaduras (pitting) por cavitación. En la foto de la figura 13 se observa su efecto sobre la superficie de un impulsor y un difusor. Si el fluido contiene pequeñas partículas sólidas erosivas (como en bombeo de pulpas minerales), el daño se puede acelerar considerablemente por el efecto de las partículas impulsadas por los pequeños vórtices que se forman en las incipientes picaduras.
La erosión por colapso de burbujas ocurre primeramente como una fractura por fatiga, debido a la repetición de implosiones sobre la superficie, seguida de desprendimiento de material. El efecto es muy similar al de una operación de arenado. Las bombas de alta cabeza son más proclives a sufrir erosión por cavitación, (la fuerza de impacto de las implosiones es mayor), por lo que es un fenómeno mas típico de las bombas de “alta energía”.
Las áreas mas sensitivas a la erosión por cavitación se observan en los lados de baja presión de los alabes del impulsor, cerca de los bordes de entrada. Sin embargo, los daños en el impulsor pueden estar más o menos diseminados. Las picaduras también se han observado en otros puntos de los alabes de impulsión, en los alabes difusores y en la periferia del impulsor. En ocasiones, la cavitación ha sido suficientemente severa para producir perforaciones y dañar los alabes hasta un grado que hace al impulsor completamente inefectivo. La figura 4 muestra un impulsor dañado.
El daño es evidente cerca de la arista externa del impulsor. En esta parte es donde el impulsor desarrolla la presión más alta. Esta presión implota las burbujas cambiando el estado del agua desde gas (vapor) a líquido. Cuando la cavitación es menos severa, el daño puede ocurrir más cerca del ojo del impulsor.
Deformaciones Mecánicas: Además de la erosión de los componentes, en bombas grandes, la cavitación prolongada puede causar desbalance (debido a una distribución desigual en la formación y colapso de las burbujas) de los esfuerzos radiales y axiales sobre el impulsor. Este desbalance comúnmente lleva a los siguientes problemas mecánicos:
Torcedura y deflexión de los ejes - Daño a los rodamientos y roces por la vibración radial - Daño en el rodamiento de empuje por movimiento axial
- Rotura de la tuerca de fijación del impulsor (cuando la usa) - Daño en los sellos Las deformaciones mecánicas pueden arruinar completamente a la bomba y requerir reemplazo de partes. El costo de tales reemplazos puede ser enorme.
Corrosión con cavitación Frecuentemente la cavitación esta combinada con corrosión. La implosión de las burbujas destruye las capas protectoras dejando a la superficie del metal permanentemente activada para el ataque químico. En esta condición el material puede sufrir un daño considerable aun con niveles bajos de cavitación. La severidad de la erosión puede acentuarse si el líquido mismo tiene agentes corrosivos, como agua con ácidos o gran cantidad de oxigeno disuelto.
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: - Se forma una burbuja de cavilación sobre la película protectora. - El colapso de la burbuja causa la destrucción local de la película. La superficie no protegida del metal está expuesta al medio corrosivo y se forma una nueva película por medio de una reacción de corrosión. Se forma una nueva burbuja en el mismo lugar, debido al aumento de poder nucleante de la superficie irregular.
- El colapso de la nueva burbuja destruye otra vez la película. 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.
La siguiente imagen nos da una idea de cómo erosiona la implosión de una burbuja en el fenómeno de la cavitación
Prevención de la cavitación
La mejor manera de evitar la cavitación es mediante un buen diseño con el fin de evitar en lo mas posible las bajas presiones, (sobre todo aquellas que estén por debajo del punto de vaporización), pero en donde no sea posible debido a factores externos fuera de nuestro alcance se puede optar por introducir pequeñas cantidades de aire, inyectadas en la zona donde se produzcan el fenómeno, otra solución puede ser la de usar protección catódica para evitar que el golpeteo del martilleo dañe las paredes de la maquina. En el aspecto del diseño el sistema de bombeo se debe de seleccionar o diseñar con el fin de obtener una presión lo suficientemente grande a la entrada de la bomba para evitar la cavitación. En la operación se pueden usar bombas multi−etapas para grandes alturas de
bombeo, además cuando existan grandes perdidas de carga entre el deposito fuente y la bomba podemos reducir la tendencia de la cavitación, minimizando la distancia entre la fuente y la bomba. De acuerdo con la ecuación de Bernoullí cuando la presión aumenta la velocidad disminuye y viceversa así que se deberá de evitar en lo posible que la presión disminuya, evitando que la velocidad aumente. En las turbinas de reacción el lugar mas propenso para la cavitación es la parte de atrás de los alabes de los rodetes cerca de los bordes de salida. Por lo tanto la cavitación se puede evitar diseñando, operando e instalando una turbina de tal manera que no exista ningún punto en el que el valor de la presión absoluta se reduzca por debajo de la presión de evaporización. En el caso de vertederos altos, si el agua que rebasa pierde contacto con la superficie del vertedero, se genera un vacío en el punto de separación y es muy posible que se produzca cavitación, la combinación de la cavitación y de la vibración procedente de la separación el contacto alternativo con las superficies del vertedero puede dar lugar a daños estructurales importantes. En otro caso si una rampa de forma y tamaño correcto esta apropiadamente situada hará que el agua se desvíe de la superficie del vertedero de manera que se forme una cavidad, para que esta funciones bien es necesario que dicha cavidad este bien ventilada, el resultado final de este diseño es que el aire se va arrastrando por el agua haciendo que el volumen de agua aumente ligeramente de tal manera que al volver a entrar en contacto con la superficie del vertedero, la cavitación no
represente un problema. Y en el caso de verteros muy altos se puede utilizar dichas rampas en serie una detrás de la otra.
Hasta esta parte del trabajo, seguramente ya se habrá entendido lo que es cavitación, efectos y como evitarla, sin embargo hiendo mas allá de esto, nosotros debemos de considerar en nuestro criterio, que algunas veces un problema, puede ser considerado una solución si lo observamos desde otro ángulo, si buen es cierto que la cavitación es indeseable, con la aplicación de la ingeniería puede en algunos casos ser deseable, como es el ejemplo de naves submarinas que viajan encerradas en una bolsa de gas eliminando de esta manera la resistencia con el agua. Cuando un subma rino ruso el K−141 Kursk se hundió en Agosto del 2000, se difundieron rumores sobre si las causas de las misteriosas explosiones que enviaron el navío al fondo del mar de Barents estaban de alguna manera relacionadas con las pruebas de un nuevo torpedo de alta velocidad. Algunos meses más tarde, cuando el empresario americano Edmond Pope fue arrestado en Moscú bajo cargos de espionaje, se dijo que había estado intentando comprar los planos de un torpedo de alta velocidad. Aunque los detalles de ambos casos no han sido revelados, hay evidencias de que ambos incidentes giran entorno a una increible y poco conocida tecnología que permite desplazamientos de alta velocidad para las naves submarinas que la empleen, así como para las armas que estas naves transportan. La supercavitación se supone es el mayor salto en la tecnología naval producido desde hace muchos años, de esta manera en algunos aspectos a la transición de los aviones de hélice hacia los reactores e incluso hacia los cohetes y misiles. Aunque los recursos económicos dedicados a la tecnología de la supercavitación son oficialmente modestos (del orden de 50 millones de dólares en los Estados Unidos, por ejemplo), pero la lista del armamento que se beneficiaría de esta tecnología es inmensa y a la vez intranquilizadora; incluye proyectiles submarinos de alta velocidad para la destrucción de minas o torpedos ya disparados, barcos e incluso aviones en vuelo rasante y helicópteros. Otras posibilidades incluyen torpedos de alta velocidad disparados contra barcos o contra torpedos anti−torpedo, y ademas contra "interruptores de conflicto de medio alcance", grandes armas diseñadas para forzar el fin de un conflicto entre dos submarinos.
También se prevé en el futuro pequeños barcos de superficie ultrarrápidos, así como misiles submarinos capaces de llevar cabezas nucleares diseñadas para neutralizar formaciones enteras de portaviones. Algunos expertos navales creen que los sistemas basados en supercavitación pueden cambiar completamente la naturaleza de la guerra submarina, pasando de la típica estrategia del gato y el ratón entre grandes submarinos, hacia algo parecido a los combates aereos, en donde habría furiosas peleas entre pequeños "cazas" submarinos de corto alcance, que dispararían balas submarinas contra el enemigo, después de haber salido de una especie de portaviones submarino. Otros expertos especulan con la posibilidad de torpedos o misiles submarinos de largo alcance y varias etapas, disparados con cabezas nucleares. Estos ingenios serían una réplica efectiva a la estrategia de misiles de defensa del proyecto "Guerra de las Galaxias" del Gobierno americano. Estos dispositivos podrían ser disparados desde un submarino, salir a la superficie cerca de sus objetivos y detonar su carga letal antes de que ningún sistema de alerta aérea o espacial pudiera reaccionar. La supercavitación es la versión extrema de la cavitación en la que se forma una única burbuja de manera que envuelve el cuerpo (sólidos extraños, granos de arena, partículas de metal, tec..) en desplazamiento casi completamente. A velocidades mayores de 50 metros por segundo, los cavitadores de punta roma y los sistemas de inyección de gas producen unas bolsas de gas de baja densidad (conocidas como supercavidades). En objetos largos y asimétricos, las supercavidades toman la forma de elipsoides alargados que comienzan por delante del objeto en movimiento y alcanzan su estela, la longitud de la cual depende de la velocidad del cuerpo. Las cavidades elípticas resultantes en la cola se cierran pronto bajo la presión del agua circundante, por lo que la estela del objeto en movimiento es un área caracterizada por flujos complejos e inestables. La mayor parte de las dificultades encontradas en el modelado matemático de las supercavidades vienen precisamente de lo que Tulin denomina "the mess at the rear" (el lío de atrás) de las cavidades, conocido como la zona de cierre o de compactación. En realidad, las presiones en las cavidades de gas no son constantes, hecho que complica bastante el análisis. Una vez modelizados, en cuanto el agua toca el cavitador, los dispositivos supercavitacionales pueden navegar en el interior de alargadas burbujas de gas con un rozamiento mínimo
Protección contra daños debidos a cavitación La resistencia a la erosión por cavitación del concreto se incrementa con la reducción de la relación agua−cemento, con el incremento de la resistencia a la
compresión y a la tensión, con el vibrado del concreto o usando polvo de acero en la mezcla. - Las recomendaciones sobre el tamaño máximo de los agregados del concreto son muy variables, Grünw W., recomienda 5 mm, Govinda R., 20 mm y Gainzburg T., 60 mm; se considera además que el mejor agregado para estos casos es el granito. - Se puede proteger la superficie de concreto por medio de láminas de hule, sin embargo no existe forma de lograr buena adherencia entre las dos superficies, los recubrimientos se han hecho con base en pinturas que incrementan la vida del concreto de 3 a 20 veces, y su resistencia es de 10 a 20 veces menor que la de las láminas de acero. - La resistencia del concreto plástico hecho a base de resinas epóxicas y sin agregados, o con agregados de acero, es de 1.8 a 2.0 veces menor que la del acero al carbono, mientras que el concreto hecho a base de resinas de cloruro de polivilino, PVC, fue 1.5 veces más resistente que el acero dulce. - Un inadecuado proyecto del propulsor tiene gran influencia, no sólo sobre el rendimiento propulsivo, sino también sobre la aparición de fenómenos de cavitación que dan origen a vibraciones y ruidos, y por ello la técnica de proyecto de propulsores se encuentra en un continuo proceso de perfeccionamiento, siendo necesario dedicar gran atención al desarrollo de métodos modernos de diseño y predicción del funcionamiento del propulsor trabajando en un campo de estelas no homogéneo, mediante técnicas de CFD (simulación matemática).
Supercavitación
La supercavitación es un fenómeno hidrodinámico, una variación de la cavitación. Se produce al moverse un objeto a gran velocidad en un fluido (líquido). La diferencia fundamental entre cavitación y supercavitación reside en la velocidad y en los usos potenciales de la misma, mientras la cavitación es un fenómeno generalmente negativo tanto para la industria naval o la aeronáutica, la supercavitación es una nueva vía de futuro en la industria, y ofrece nuevos horizontes económicos y tecnológicos. Este fenómeno consiste en que al moverse el objeto a gran velocidad, el fluido que se desplaza a su alrededor adquiere una velocidad muy grande haciendo que su presión disminuya drásticamente. Si se llega al punto de evaporación del líquido, éste se convierte en gas y por tanto el objeto se desplaza por un medio gaseoso disminuyendo así su fricción. La cavitación o aspiración en vacío es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido pasa a gran velocidad por una superficie determinada en una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido en la zona de la arista. Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido a la temperatura que se encuentra dicho líquido de tal forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente de estado líquido a vapor. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión e implotan (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, «aplastándose» bruscamente las burbujas) produciendo una estela de gas, y un rápido desgaste de la superficie que origina este fenómeno, ahora bien, en la Supercavitación se exagera este efecto con el fin último de que un objeto sumergido en un fluido se vea rodeado de una burbuja de gas en su totalidad para así reducir el efecto de
la fricción del fluido y obtener así velocidades más altas haciendo que la implosión del gas se efectúe detrás de la cola del objeto en cuestión.
Actualmente esta tecnología es toda una revolución en el sector de armamento naval. Cabe mencionar que el país más avanzado en estudios sobre este tema es Rusia, que hace ya unas décadas, creó un prototipo de torpedo-motor-cohete que alcanzó una velocidad de 180 m/s. Este fenómeno es aprovechado recientemente por el ejército estadounidense para las balas de destrucción de minas. Estas balas tienen una punta achatada que provoca una supercavidad (el gas producido envuelve completamente al proyectil) haciendo que puedan llegar con suficiente energía a 15 metros de profundidad para poder hacer explotar una mina. Estas balas se lanzan desde un helicóptero artillado sobre el objetivo. Otra aplicación militar es el torpedo ruso de supercavitación VA-111 Shkval, que aprovechando este efecto puede viajar a la increíble velocidad de 380 m/s por debajo del agua. En la actualidad la DARPA se encuentra desarrollando un mini-submarino, que aprovechando este efecto, podrá alcanzar teóricamente los 100 nudos, un gran avance de velocidad submarina, en comparación con los 25/30 nudos actuales.
CONCLUSIONES Con la realización de esta investigación llegamos a ciertas conclusiones sobre la cavitación. Dichas conclusiones pueden dar respuestas a nuestra preguntas hechas en los objetivos, y que nos dan una idea precisas, , aunque un poco vaga, acerca de la cavitación. Principalmente aprendimos que 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. Es un fenómeno puede producirse en estructuras hidráulicas estáticas como tuberías y Venturis, así como también en máquinas hidráulicas (bombas, hélices, turbinas). La cavitación produce efectos destructivos en las estructuras y máquinas hidráulicas mal proyectadas o mal instaladas, por lo tanto es preciso estudiar este fenómeno, para conocer sus causas y controlarlo. Se debe de tener un conocimiento extenso en este fenómeno así como también en las maquina hidráulicas en las que se crea. 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 cavitación. Y por último, en estudios recientes se ha comprobado que la protección catódica puede ser de utilidad contra 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.
