Instituto Tecnológico de Ciudad Juárez
Ingeniería Electromecánica
Mecánica de Fluidos Profesor: Ing. Sergio Escobedo Soto Alumnos: Arellano Martínez Efraín – Efraín – 10110469 Ceja García Filiberto - 10110619 Lozano Ortega Carlos – Carlos – 10111023 Vázquez Rodríguez Cesar - 10111560 Unidad VII Control de la Cavitación
29-Nov-2012
1. CAVITACION Cavitación procede del latín "cavus", que significa espacio hueco o cavidad. En los diccionarios técnicos se define como "la rápida formación y colapso de cavidades en zonas de muy baja presión en un flujo liquido". Cuando al flujo del liquido se le estrangula, como con una válvula de control, la velocidad aumenta y la presión disminuye provocando que la presión este por debajo de la presión de saturación del fluido y por tanto pasando de estado liquido a gas. Las burbujas buscan la parte del tubo donde haya mayor presión, generalmente en la superficie del tubo, y es ahí donde implotan de manera brusca y causan daños al equipo. Es por ello que es necesario recurrir a métodos que si bien no eliminaran el efecto de la cavitación al menos la controlaran.
2. DETECCION DE LA CAVITACION Se define al Control de Cavitación como las medidas que disminuyan el efecto nocivo que crea la cavitación dentro de los sistemas de tuberías, bombas y maquinas hidráulicas en general. Existe un coeficiente que tiene una relación directa con dicho efecto y el cual está en función del salto
2.1 Coeficiente de cavitación de Thoma Al observar la figura 2.1 se determina lo siguiente: Respecto al análisis dimensional, para turbinas se define el llamado coeficiente de cavitación de Thoma (σ)
Figura 2.1 En la figura 2.2 se muestra como para altas velocidades específicas se requiere un mayor coeficiente de Toma
Figura 2.2
2.2 Técnicas para la detección de la cavitación Dadas las características del fenómeno, se puede comprobar fácilmente la aparición de la cavitación. Las vibraciones y el ruido generados alertan a cualquiera sobre la presencia del fenómeno. Sin embargo, es bueno definir el punto exacto de la aparición del problema. Para ello, se pueden seguir dos métodos: el de la caída de las prestaciones y el de la medición del ruido generado. Observando las prestaciones ( Conjunto de características técnicas que una máquina ofrece al usuario)
de una determinada maquina, se puede inferir la aparición de cavitación
cuando estas varíen un determinado porcentaje sin modificar el punto de funcionamiento de la misma. Para una bomba se sugiere un cambio de 3 % para la detección de cavitación como la muestra la figura 2.3. Del 5% en adelante los alabes se están deteriorando.
Figura 2.3
Por otro lado, también es posible detectar el surgimiento de la cavitación a partir del ruido generado, la figura 2.4 muestra una grafica donde se representa dicho ruido cuando aparecen los efectos de la cavitación.
Figura 2.4
3. CONTROL DE LA CAVITACION El control de la cavitación se refiere, como indica su nombre, a contener en lo mayormente posible los perjuicios que este efecto causa a las maquinas hidráulicas como son las bombas, turbinas y también a las redes de tuberías. Existen algunas maneras de controlar los efectos nocivos de la cavitación. Entre ellos se encentran los siguientes:
Por ecuación de Bernoulli
Un buen diseño de la instalación, que evite las pérdidas de presión bruscas en el sistema, descartando así que la presión en el fluido llegue a la presión del vapor, es decir cuando el fluido comienza el traspaso de líquido a gas.
Válvulas de control de presión
Cálculos para mantener una carga que evite la cavitación (NPSH)
Por Ecuación de Bernoulli Para evitar los efectos de Cavitación en una instalación hidráulica debe cumplirse la siguiente ecuación:
P/y-H-z-(V 2/2g) >Pv/y
Donde P= Presión del sistema y= Peso especifico del fluido H= Carga hidráulica por unidad de peso (referencia, por pruebas) V= Velocidad del fluido g= Aceleración de Gravedad Pv= Presión del vapor, a la que el fluido pasa de liquido a gas (ver tabla 1)
Tabla 1
Control por diseño La cavitación puede evitarse si la presión en cualquier punto de la maquina se mantiene sobre la presión del vapor del liquido de operación. A velocidad constante, esto requiere que una presión positiva mayor que la presión de vapor del líquido se mantenga en la entrada de la bomba. Debido a las pérdidas de presión en la tubería de entrada, la presión de succión puede estar debajo de la atmosfera por ello es importante limitar cuidadosamente la caída de presión en el sistema de tuberías de entrada. La perdida de presión puede reducirse aumentando el diámetro de la tubería de entrada por esta razón muchas bombas centrifugas tienen acoplamientos más grandes en la entrada que en la salida.
Carga neta positiva de succión (NPSH) El término NPSH, se encuentra en la literatura técnica en inglés y quiere decir Net Positive Succión Head que se traduce como carga neta positiva de succión. Se
define como la altura manométrica en pies o metros, leída en la brida de aspiración de la bomba y referida al eje de ella, menos la tensión del vapor del líquido en pies o metros, más la carga de velocidad en pies o metros de líquido en la misma brida de entrada en la bomba. Para una instalación de bombeo existe dos NPSH: “NPSH Requerido”, característico de la bomba y otro. “NPSH Disponible”, del lado de aspiración de la instalación, por las co ndiciones de
funcionamiento.
NPSH requerido Es una función del tipo de bomba y caudal. No depende teóricamente del líquido, pero varía con el caudal y la velocidad. Es la diferencia mínima requerida entre la altura práctica de aspiración y la tensión de vapor del líquido, para evitar que haya vaporizaciones entre la brida de aspiración y la entrada al primer impulsor de la bomba. Este término deberá ser proporcionado por el fabricante de la bomba.
NPSH disponible El NPSH o Net Positive Suction Head, es decir, altura neta positiva en la aspiración constituye una medida de la energía (o altura, por tratarse de flujo incompresible) disponible en la aspiración de la bomba por encima de la energía (altura) que daría lugar a la aparición de la cavitación. NPSH= hatm ± hs - hv - hf - Σhl En donde:
hatm: Presión atmosférica en metros o pies.
hs: Altura total de aspiración en metros o pies, negativa si la bomba se encuentra por encima del nivel de bombeo y positiva si se encuentra por debajo del mismo.
hv: Tensión o presión del vapor de agua expresada en metros o pies.
hf: Pérdida por fricción en la tubería de succión expresada en metros o pies.
Σhl: Pérdidas totales en accesorios que estén ubicados en la tubería de
succión.
hatm + hs : Será el valor de la altura total de aspiración.
La carga neta de succión positiva disponible NPSHD
en la entrada de la bomba
debe ser mayor que la NPSHR para eliminar la cavitación. Las caídas de presión en las tuberías de entrada aumentan cuando se incrementa la relación de flujo volumétrico. Por eso para cualquier sistema la NPSHD disminuye cuando se eleva la relación de flujo y por el contrario la NPSHR aumenta por lo tanto cuando la relación de flujo del sistema aumenta las curvas para NPSHD Y NPSHR contra la relación de flujo al final se cruzan Para cualquier sistema de entrada hay una relación de flujo
que no puede
superarse si el flujo que circula por la bomba va a mantenerse libre de cavitación
4. CONTROL DE CAVITACION EN BOMBAS 4.1
Cavitación en bombas
La cavitación en bombas es un fenómeno que depende de las propiedades del fluido (presión de vapor, tensión superficial, contenido de aire, pureza, etc.) y de la geometría de la bomba (curvatura, solidez, esquinas, rugosidad superficial, etc.).
4.2
Control
Una posibilidad de diseño contra la cavitación en la aspiración es la colocación de inductores en la aspiración. Estos elementos (normalmente se trata de etapas axiales colocadas antes del rodete principal, según se muestra en la figura 4.1) están diseñados de forma que operan a bajos ángulos de incidencia y con alabes muy delgados que minimizan la perturbación el flujo y que incrementan la presión gradualmente dando lugar a una disminución del peligro de la cavitación.
Figura 4.1 El ángulo de entrada en el alabe también tiene gran importancia, pues la posibilidad de choque en la entrada aumenta mucho la aparición de vórtices de entrada, que pueden conducir a la cavitación. El diámetro de entrada condiciona las velocidades en la entrada (relativa y absoluta) y, por tanto, es un parámetro de diseño muy importante. Se debe tener en cuenta también el contenido en aire del líquido bombeado. Si este parámetro resulta crítico, se intercalan agitadores o cámaras de remanso que permitan la mayor desaparición del aire contenido en el agua antes de la etapa de bombeo.
Como evitar la cavitación La cavitación no es producto de la bomba, sino de la instalación. Para evitarla, tome estas precauciones:
Refiérase a la hoja de especificaciones e instrucciones de la bomba y respete los límites de la capacidad de succión vertical.
Si fuese posible, elimine la succión colocando la bomba por debajo de la fuente de agua. De otra forma, deberá minimizar la distancia vertical desde la fuente de agua a la bomba.
Piense en la línea de admisión como una línea de drenaje en reversa.
El agua debe fluir con facilidad.
Use un tubo de admisión grande (más grande que el puerto de entrada de la bomba).
Evite usar codos de 90°. Use pares de codos de 45° para reducir la fricción.
Seleccione cuidadosamente las mallas o filtros de admisión para reducir la fricción, y asegúrese que sean fáciles de limpiar.
Trabaje cuidadosamente a fin de minimizar la posibilidad de entradas de aire.
Evite los lomos o dobleces en el tubo de admisión. Estos pueden atrapar burbujas que restringirán el flujo (como en un sifón). Si un doblez es inevitable, instale una "T" en el punto más alto, con una tapa o una válvula de bola en el tope. Al verter agua en el punto más alto, desplazará todo el aire para cebar completamente la línea de admisión. Ud. deberá hacer esto periódicamente.
4.- SOLUCION AL PROBLEMA DE CAVITACION EN SISTEMAS HIDRAULICOS 4.1 Soluciones de Mercado Válvula WaterTamer El sistema anti-cavitación WaterTamer controla los problemas de cavitación dispersando el agua a través de una serie de inyectores. Las burbujas de vapor son retenidas dentro de una columna de agua previniendo su colapso en la cercanía de las superficies de la válvula. Si estas implosiones hacen contacto con superficies solidas el material se desgasta. Con el tiempo, este continuo desgaste causa daño estructural a la válvula. La válvula de control anti-cavitación Ross WaterTamer controla la cavitación y protege el sistema de sus efectos dañinos
REFERENCIAS
Bonifacio Fernández, Mecánica de Fluidos, edición 2
Cavitación, de http://fainweb.uncoma.edu.ar/La.M.Hi/textos/Maquinas%20hidrualicas/CAVIT ACION%20(v%201.2).pdf
Como evitar la cavitación, de http://www.aguamarket.com/diccionario/terminos.asp?Temas=2642&termino =&Id=2642
Fisher, Control de cavitación para aplicaciones sucias, de http://euedocs.emersonprocess.co.uk/groups/public/documents/markcom/224 6510.pdf
Fox, Mecánica de Fluidos
Lección 6: Cavitación, de http://www.unioviedo.es/Areas/Mecanica.Fluidos/docencia/_asignaturas/maq uinas_de_fluidos/Lecc6_r1.pdf
Soluciones para el Manejo de Fluidos: Válvulas de Control Automático
