INTRODUCCION La cavi cavita taci ción ón es un fenó fenóme meno no inde indese seab able le que que pued puede e ocur ocurri rirr dura durant nte e el funcio funcionam namien iento to de las bombas bombas centríf centrífuga ugas. s. Es import important ante e señala señalarr que la cavitación se produce debido a algún error durante el diseño del sistema de bombeo. Si la bomba centrífuga trata de expulsar más líquido del que puede absorber se producirá un efecto de vacío en el interior de la bomba. Esto, obviamente, reducirá la presión por lo que se producirán burbuas de vapor !dic"o de otra forma, cuando se alcan#a la presión de vapor, el fluido se vapori#a $ forma pequeñas burbuas de vapor% que principalmente ro#arán a los álabes de los impulsores de la bomba, sin dear de afectar otros componentes. La cavitación tiene un efecto realmente destructivo !llamado corrosión por cavitación% en la estructura de la bomba centrífuga. Entre las características de una bomba centrifuga que "a sufrido daños por cavitación puede destacarse la erosión de los impulsores de la bomba centrifuga, la cual se da a tal grado, que las paredes del mismo pueden llegar a alcan#ar el espesor de un papel, e inclusive, presentar grandes perforaciones con bordes mu$ afilados.
CAVITACION
La cavitación es un fenómeno que aparece cuando un líquido se mueve en una región donde la presión es menor que la presión de vapor& allí el líquido "ierve $ forma burbuas de vapor en su seno. Las burbuas de vapor son arrastradas con el líquido "asta una región donde se alcan#a una presión más elevada $ allí desaparecen. 'na ve# que la burbua se condensa, se produce un despla#amiento de las partículas de fluido que la rodean $ que se precipitan para colmar el vacío así creado, produci(ndose un impacto locali#ado conocido como golpe de ariete. La sobrepresión, consecuencia de este fenómeno, se propaga en el seno del fluido provocando la condensación de la burbua siguiente $ el fenómeno se repite sucesivamente. La celeridad de propagación de estas ondas es del orden de magnitud de la velocidad de transmisión del sonido dentro del fluido. Si las burbuas de vapor están próximas !o en contacto% a una pared sólida, cuando desaparecen las fuer#as que el líquido eerce al introducirse violentamente en las cavidades crean presiones locali#adas mu$ altas que dañan la superficie sólida. El fenómeno es acompañado de ruido $ vibraciones, $ generalmente es un proceso que aparece asociado a altas velocidades. Esta es la causa por la que las primeras observaciones de este fenómeno se "a$an dado en las turbo máquinas, en donde la formación de cavidades de vapor disminu$e el espacio utili#able para el paso del líquido $, por lo tanto, altera el rendimiento de la máquina "idráulica. En este caso, la cavitación produce tres defectos) disminu$e el rendimiento, daña los conductos de paso de fluido $ produce los $a mencionados ruidos $ vibraciones.
*omo referencia, la presión del vapor para el agua, en función de la temperatura, puede encontrarse en la siguiente tabla. + -* /v /a 0 123 20 2 450 40 4 560 60 7 600 10 40 000 80 67 600 200 202 300 +abla 5.2. /resión de vapor del agua en función de la temperatura de trabao. 9mpliación de :enómenos de +ransporte ;rea de
4 5.2.2 +=/?S @E *9A=+9*=BC. La causa esencial de la cavitación es, como $a se mencionó, la disminución de la presión. Esta disminución de presión, que va "asta la presión de vapor del fluido, puede ser general o local, permanente o transitoria. a% *avitación general) Se dice que la cavitación es general cuando la presión media del sistema "a alcan#ado la presión de vapor del fluido. 'na disminución general de la presión puede producirse, bien sea por un aumento en las p(rdidas del sistema, por un aumento considerable en la velocidad del fluo o bien por un aumento de la temperatura del líquido. b% *avitación local) Es la producida por una disminución local de la presión, consecutiva a una irregularidad en el tra$ecto del fluido. /or eemplo, una rugosidad de la superficie interior de la
pared puede provocar una modificación en la distribución de velocidades $ presiones, pudiendo conducir a una cavitación local. c% *avitación transitoria) @ura un limitado período de tiempo $ puede ser provocado por diversas causas transitorias, como por eemplo un golpe de ariete por el cierre instantáneo de una válvula. d% *avitación permanente) Este aspecto de la cavitación es, evidentemente, el más importante porque, si se puede aceptar con rigor que algunos elementos del sistema caviten transitoriamente !aunque no sea lo deseable%, es completamente inaceptable que el sistema est( en continua cavitación dados los peruicios que eso ocasiona. 5.2.4. 9LD'C9S *99*+EFS+=*9S 9S?*=9@9S 9 L9 *9A=+9*=BC. En la figura 4.2 se muestran las etapas que sigue el fenómeno de cavitación. @urante la fase de depresión !cuando el fluido encuentra #onas de baas depresión > figura 4.2, etapa 9% se crean en el seno del líquido una infinidad de burbuas de vapor que se agrandan mientras dura esta etapa. Esta formación de burbuas microscópicas de vapor es el inicio de la cavitación !o sea, la formación de cavidades gaseosas en el interior del líquido%. *uando se restablece la presión !#onas en donde la presión es ma$or > figura 4.2, etapa G%, (sta comprime a las burbuas reci(n expandidas, aumentando enormemente la temperatura del gas en ellas contenido !figura 4.2, etapa *% "asta que las burbuas colapsan en si mismas implotando, con la consiguiente liberación de una enorme cantidad de energía !figura 4.2, etapa @%. 9mpliación de :enómenos de +ransporte ;rea de 5 :igura 5.2. :ormación de burbuas $ fenómeno de implosión +odo este proceso de generación $ desaparición de las burbuas de vapor tienen periodos de duración mu$ pequeños, lo que produce cambios violentos en la presión $ en la temperatura, de allí la gran energía liberada. 9 modo de eemplo, en la instalación que se empleará durante la elaboración de la práctica, la vapori#ación tiene una duración del orden de 20>6 !s%. *uando estas burbuas alcan#an #onas de ma$or presión $ colapsan e implotan generan altas temperaturas del orden de 73xl05 !-*% $ presiones de 205 > 206 !bar% instantáneas. La energía provocada por la implosión de las burbuas de gas, puede constituir un fenómeno altamente nocivo o puede emplearse adecuadamente. @ados esto periodos de tiempo $ las condiciones de cavitación en la susodic"a instalación, el agua se descompone en elementos extremadamente reactivos) átomos de "idrogeno !H% $ radicales "idroxilo !?H%. +ambi(n puede observarse luminiscencia. En concreto, el radical "idroxilo es el agente oxidante más potente encontrado en la naturale#a, con un potencial de oxidación de 4,8 voltios. @urante el enfriamiento rápido, los átomos de "idrógeno $ radicales "idroxilo se recombinan a peróxido de "idrogeno !H404% e "idrógeno molecular !H4%, que, en presencia de otros compuestos, pueden dar lugar a un amplio abanico de reacciones secundarias. El resultado general puede conllevar a
la transformación de mol(culas orgánicas en *?4 $ agua, con pequeñas concentraciones de Haloideos !;cidos $ Sales% $ ;cidos ?rgánicos. La cavitación puede ser inducida por transductores de ultrasonidos $ por cavitación "idrodinámica, siendo esta última más efectiva para el uso industrial por los siguientes motivos) > La distribución espacial de los centros de cavitación no está limitada a la capa límite ad$acente al transductor ultrasónico. > El volumen expuesto es comparativamente más grande. > Aida de la burbua más larga. > 6 > *oste menor cuanto ma$or es el volumen a tratar. /or el contrario, la cavitación "idrodinámica produce serios problemas de ruidos, vibraciones, erosión $ corrosión, que pueden ser minimi#ados con diseños "idrodinámicos $ materiales apropiados. La generación de oxidantes puede ser utili#ada para eliminar contaminantes orgánicos en un medio fluido !generalmente agua%, especialmente de tipo aromático $ cíclico. +ambi(n pueden tratarse iones metálicos, pero no metales.
IMPLICACIONES EN LA INDUSTRIA En las aplicaciones industriales se busca limitar la cavitación por varias ra#ones. /(rdida de rendimiento En primer lugar, la cavitación merma el rendimiento mecánico de los sistemas. En una "(lice de barco, por eemplo, la aparición de estas burbuas de aire IdespeganJ el contacto del agua alrededor de la "(lice, disminu$endo considerablemente su eficacia.
uido)
Hemos visto que la implosión de las burbuas de cavitación provoca ruido& ello puede ser una molestia en algunas aplicaciones en las que se busca una máxima discreción !submarinos% @eterioro) /or fin, estas implosiones cercanas a los elementos metálicos provocan, con el tiempo, el deterioro de las superficies. La cavitación es un fenómeno físico, mediante el cual un líquido, en determinadas condiciones, pasa a estado gaseoso $ unos instantes despu(s pasa nuevamente a estado líquido. Este fenómeno tiene dos fases) :9SE 2) cambio de estado liquido a estado gaseoso. :9SE 4)cambio de estado gaseoso a liquido
¿Cuándo puede haber cavitación ?
La cavitación es un fenómeno mu$ frecuente en sistemas "idráulicos donde se dan cambios bruscos de la velocidad del líquido. Eemplos) En partes móviles: K Álabes e t!rbinas K R"etes e b"mbas K #$li%es e bar%"s
En partes n" móviles)
K Estran&!lamient"s br!s%"s K Re&!la%ión meiante "ri'i%i"s K En v(lv!las re&!la"ras
¿Cuáles son los efectos de la cavitación ?
Efectos) K R!i"s ) &"lpete"s* K Vibra%i"nes* K Er"si"nes el material +a,"s ebi"s a la %avita%i"n-*
Daños típicos de la cavitación
Cavita%ión en !na valv!la e marip"sa* C"ni%i"nes e '!n%i"namient": K /resión aguas arriba) 2.4 2.6 bares K /resión aguas abao) 0.2 bares K Aelocidad del fluido) 4.4 mMseg !referida nominal%
al
diámetro
K +iempo funcionamiento)
en
4 años K Drado de apertur del disco) 9proximadamente.> 50N
Cavita%ión en !na v(lv!la e %"mp!erta*
La válvula de compuerta no "a estado completamente cerrada $ en la sección de paso la velocidad "a sido mu$ alta. @espu(s de tres meses de funcionamiento el cuerpo de la válvula muestra los daños de la fotografía.
Cavita%ión en el pistón e !na v(lv!la e pas" an!lar* /ueden aparecer daños por cavitación debido a un mal dimensionado de una válvula reguladora, tal como puede verse en la fotografía adunta.
¿Cómo aparece la cavitación?
'n líquido se evapora cuando la energía no es suficiente para mantener las mol(culas unidas, entonces estas se separan unas de otras $ aparecen burbuas de vapor. En las siguientes "oas se muestra como ocurre esto para el caso más común, EL 9D'9.
¿Cuándo se evapora el agua?
La condición de paso de líquido a vapor depende de dos parámetros)
Temperat!ra ./C0 K Presión .bar0 La correlación es lo que se conoce como %!rva %ara%ter1sti%a e la presión e vap"r*
A presión atm"s'$ri%a
+2 bar- el a&!a se evap"ra a 233/C* C!an" la presión e%re%e4 el pr"%es" e evap"ra%ión %"mien5a a !na temperat!ra men"r* E6empl": A !na presión e 3*37 bares el a&!a se evap"ra a !na temperat!ra apr"8imaa e 29/C*
¿Por qué el agua a veces está a menor presión que su presión de vapor?
El agua que flu$e por las tuberías está generalmente a presión, producida por una bomba o debido a una diferencia de alturas !proveniente de un depósito% $ es considerablemente ma$or que la presión de vapor. /ara comprender porque ra#ón la presión del agua en el punto de estrangulamiento de una válvula llega a ser menor que la presión de vapor, estudiaremos el balan%e e ener&1a del fluido.
nergía contenida en un fluido
volución de los tipos de energías
volución de los tipos de energía en el punto de regulación Debido al estrechamiento de la sección de paso en punto de regulación, la velocidad del fluido y por tanto su energía cinética aumentan considerablemente.
nergía cinética Debido, también, al estrechamiento las pérdidas también aumentan de forma apreciable. Pérdida de carga En la “vena contracta“ la energía de presión restante, y por tanto la presión local, decrece considerablemente ya que la energía total debe permanecer constante.
Si en este punto la presión baa por debao de la presión de vapor, el agua puede evaporarse. Entonces se forman burbujas de vapor, ...... ue se deforman al incrementarse la presión... ... ! finalmente implotan y desaparecen.
!mplosión de las burbu"as de vapor "a implosión causa ondas de presión que viajan en el líquido. Estas pueden disiparse en la corriente del líquido o pueden chocar con una superficie. #i la $ona donde chocan las ondas de presión es la misma, el material tiende a debilitarse metal%rgicamente y se inicia una erosión que, adem&s de da'ar la superficie, provoca que ésta se convierta en una $ona de mayor pérdida de presión y por ende de mayor foco de formación de burbujas de vapor. #i las burbujas de vapor se encuentran cerca
o en contacto con una pared sólida cuando implosionan, las fuer$as ejercidas por el líquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones locali$adas muy altas, ocasionando picaduras sobre la superficie sólida.
El fenómeno generalmente va acompa'ado de ruido y vibraciones, dando la impresión de que se tratara de grava que golpea en las diferentes partes de la m&quina. E(iste una manera de hacer pasar el agua del estado líquido al gaseoso cuando est& a temperatura constante) es suficiente con hacer bajar convenientemente la presión *uando esta depresión que lleva a la vapori$ación del líquido es local +discontinuidad en el medio líquido lo llamamos fenómeno de cavitación, y se manifiesta por la aparición de bolsas de aire y burbujas. *uando esta depresión est& focali$ada, tras la formación de o de las burbujas, se reequilibran muy r&pidamente las presiones en el seno del fluido lo que implica una implosión .Esta brutal implosión es fuente de ruido. Este fenómeno violento puede afectar a las superficies que han creado este fenómeno y que se encuentran pró(imas a la burbuja de cavitación.
¿Cuando aparece la cavitación? *ondiciones esenciales /lta presión diferencial 0aja contrapresión /lta velocidad del fluido
C#$# P%D &!'()* +( C(&!'(C!#, "a cavitación es un efecto físico cuya aparición depende de las condiciones de funcionamiento. 1or tanto, cuando se proyecta una instalación debe intentarse que no apare$ca la cavitación o que sus efectos sean los menores posibles. De cualquier manera la instalación debe ser efectiva y para ello es necesario elegir las v&lvulas apropiadas. #on aplicables los siguientes principios2ecomendaciones- 3 4tilice las v&lvulas de compuerta y mariposa solo para trabajar en posición completamente abierta o cerrada y no en posiciones intermedias. 3 "as v&lvulas de paso anular son v&lvulas de control, pero deben ser elegidas en función de las condiciones de trabajo +ej. De corona de aletas o de cilindros ranurados. 3 1ara operar en condiciones e(tremas donde no podemos controlar la cavitación ni con v&lvulas especiales, la regulación debe hacerse paso a paso +ej. orificio para contrapresión o mediante la admisión de aire en el punto de regulación.
CONCLUSIONES
9unque la cavitación es un fenómeno que no se presenta con muc"a frecuencia, se debe ser mu$ cuidadoso al momento de "acer el diseño del sistema de bombeo. @e esta manera, es la prevención la meor manera de resolver el problema de la cavitación.
Si la bomba centrífuga trata de expulsar más líquido del que puede absorber se producirá un efecto de vacío en el interior de la bomba. Esto, obviamente, reducirá la presión por lo que se producirán burbuas de vapor !dic"o de otra forma, cuando se alcan#a la presión de vapor, el fluido se vapori#a $ forma pequeñas burbuas de vapor% que principalmente ro#arán a los álabes de los impulsores de la bomba, sin dear de afectar otros componentes.
