5 An ális is de f luj o 5.1 Flujos en tub os.
Uno de los aspectos de la dinámica de fluidos es el comportamiento de los flujos de fluidos, es decir, el movimiento de estos últimos. La conservación de la masa de fluido de fluido a través de dos secciones (sean éstas A 1 y A2) de un conducto (tubería) o (tubería) o tubo tubo de corriente establece que: la masa que entra es igual a la masa que sale. La ecuación de continuidad se puede expresar como:
Cuan uando , que que es el caso caso gen general ral tra tratá tán ndos dose de agua gua, y flu flujo en régi régime men n permanente, se tiene:
O de otra forma: (El caudal que entra es igual al que sale) Dónde: -
Q = caudal (metro cúbico por segundo; V = velocidad
)
-
A = área transversal del tubo de corriente o conducto
Que se cumple cuando entre dos secciones de la conducción no se acumula masa, es decir, siempre que el fluido sea incompresible y por lo tanto su densidad sea constante. Esta condición la satisfacen todos los líquidos y, particularmente, el agua. En general la geometría del conducto es conocida, por lo que el problema se reduce a estimar la velocidad media del fluido en una sección dada. Pérdidas continuas Las pérdidas por rozamientos son función de la rugosidad del conducto, de la viscosidad del fluido, del régimen de funcionamiento (flujo laminar o flujo turbulento) turbulento) y del caudal del caudal circulante, es decir de la velocidad (a más velocidad, más pérdidas). Si es L la distancia entre los puntos 1 y 2 (medidos a lo largo de la conducción), entonces el coeficiente (pérdidas (1,2)) / L representa la pérdida de altura por unidad de longitud de la conducción se le llama pendiente de la línea de energía. Denominémosla J Cuando el flujo es turbulento (número de Reynolds superior a 4.000; 2000
casos, existen varias fórmulas, tanto teóricas (Ecuación de Darcy-Weisbach), como experimentales que relacionan la pendiente de la línea de energía con la velocidad de circulación del fluido. Quizás la más sencilla y más utilizada sea la fórmula de Manning:
V = velocidad del agua (m/s) K = coeficiente de rugosidad, depende del material de la tubería y del estado de esta. Rh = radio hidráulico de la sección = Área mojada / Perímetro mojado (un cuarto del diámetro para conductos circulares a sección llena) (m) J = gradiente de energía (m/m)
Pérdidas localizadas En el caso de que entre las dos secciones de aplicación del Principio de Bernoulli existan puntos en los que la línea de energía sufra pérdidas localizadas (salidas de depósito, codos, cambios bruscos de diámetro, válvulas, etc), las correspondientes pérdidas de altura se suman a las correspondientes por rozamiento. En general, todas las pérdidas localizadas son solamente función de la velocidad, viniendo ajustadas mediante expresiones experimentales del tipo:
Donde pl. es la pérdida localizada Los coeficientes K se encuentran tabulados en la literatura técnica especializada, o deben ser proporcionados por los fabricantes de piezas para conducciones. Proceso de cálculo En el diseño y cálculo práctico de conducciones de agua, se parte de que la geometría de la conducción, es decir las alturas geométricas h, son conocidas. Se hace coincidir la primera sección de cálculo con un punto en que las condiciones de velocidad y presión son también conocidas, por ejemplo la lámina de un depósito (presión nula sobre la presión atmosférica y velocidad nula). Conocida la presión o la velocidad en cualquier otro punto de la conducción (por ejemplo en un punto de toma, presión nula), aplicando los conceptos expuestos se puede determinar la velocidad y consecuentemente el caudal. Por supuesto el proceso es iterativo. Inicialmente se supone que el conjunto de pérdidas localizadas (sumatorio de coeficientes K) es nulo, con lo que se determina una velocidad
inicial de circulación V0. A partir de esta velocidad se introducen las pérdidas localizadas, obteniendo V1 y así sucesivamente, hasta que (Vi - Vj) de las dos últimas iteraciones sea tan pequeño como se desee. Normalmente se obtiene convergencia suficiente con un par de iteraciones. 5.2 Pruebas en túneles de v iento y d e agua. Cómo fu ncio na el túnel de viento
El aire es soplado o aspirado a través de un conducto equipado con rejillas estabilizadoras al comienzo para garantizar que el flujo se comporte de manera laminar o con obstáculos u otros objetos si se desea que se comporte de forma turbulenta. Los modelos se montan para su estudio en un equipo llamado balanza a la cual están adosados los sensores que brindan la información necesaria para calcular los coeficientes de sustentación y resistencia, necesarios para conocer si es factible o no emplear el modelo en la vida real. Además son empleados otros dispositivos para registrar la diferencia de presiones en la superficie del modelo en cuestión. Los resultados prácticos deben ser comparados con los resultados teóricos, teniendo fundamentalmente en cuenta el Número de Reynolds y el Número Mach que constituyen los criterios de validación en las pruebas con modelos a escala. Otras pr uebas realizadas en túneles de viento
Pueden unirse hebras a la superficie de estudio para detectar la dirección del flujo de aire y su velocidad relativa. Pueden inyectarse tintes o humo en el flujo de aire para observar el movimiento de las partículas, o sea, como se turbulizan al pasar por la superficie. Pueden insertarse sondas en puntos específicos del flujo de aire para medir la presión estática y dinámica del aire. Cómo fu ncio na el túnel de agua
Este tipo de dispositivo se utiliza para visualizar el flujo alrededor de un cuerpo. El primer túnel de agua podría ser atribuido a Reynolds, el cual lo utilizó para el estudio de la turbulencia en conductos, posteriormente en Francia, en la ONERA, se desarrolló notablemente este dispositivo para el estudio de flujos. Dentro de sus cualidades cabe mencionar que el flujo que se obtiene es uniforme y de baja turbulencia. Existen diversas variantes de este dispositivo, el que contamos en el Laboratorio de Aeronáutica es similar al de ONERA, esto es, es de flujo vertical, de circuito abierto y opera bajo
la acción de la gravedad. En la figura siguiente se puede observar un esquema de la instalación con sus diferentes partes. Para visualizar el flujo se inyectan colorantes por diversos orificios colocados sobre la superficie el cuerpo a estudiar, de esta manera se puede visualizar el comportamiento del fluido sobre la superficie del mismo. Se realizan fotografías y filmaciones desde todos los ángulos posibles registrar el fenómeno y poder estudiarlo. Se utilizan colorantes mezclados con leche a fin de retardar la difusión de los mismos en el agua, se supone que la grasa existente en la leche produce este efecto. También se utilizan colorantes fluorescentes. Se pueden simular condiciones de flujo estacionarias e inestacionarias. En las figuras siguientes pueden observarse algunos resultados obtenidos en nuestro túnel y de otros Institutos y empresas.
5.3 Perdid as p rim arias y secun darias en t uberías. Pérdidas primarias:
Se producen cuando el fluido se pone en contacto con la superficie de la tubería. Esto provoca que se rocen unas capas con otras (flujo laminado) o de partículas de fluidos entre sí (flujo turbulento). Estas pérdidas se realizan solo en tramos de tuberías horizontal y de diámetro constante. Ecuación general de las pérdidas primarias: La ecuación de Darcy-Weisbach es una ecuación ampliamente usada en hidráulica. Permite el cálculo de la pérdida de carga debida a la fricción dentro una tubería llena. Esta fórmula permite la evaluación apropiada del efecto de cada uno de los factores que inciden en la pérdida de energía en una tubería. Es una de las pocas expresiones que agrupan estos factores. La ventaja de esta fórmula es que puede aplicarse a todos los tipos de flujo hidráulico (laminar y turbulento), debiendo el coeficiente de fricción tomar los valores adecuados, según corresponda. La forma general de la ecuación de Darcy-Weisbach es: Siendo: = pérdida de carga debida a la fricción. (m) = factor de fricción de Darcy. (Adimensional) = longitud de la tubería. (m) = diámetro de la tubería. (m) = velocidad media del fluido. (m/s) = aceleración de la gravedad ≈ 9,80665 m/s²
- Flujo laminar Debido a su carácter ordenado y de trayectorias paralelas, el flujo laminar en tuberías se apega estrictamente a las hipótesis simplificativas hechas hasta el momento. En particular, se destacarán dos de ellas: la de flujo unidimensional se cumple rigurosamente ya que las partículas nunca se apartan de su trayectoria recta y paralela al eje de la tubería, y la de\ flujo permanente se verifica ya que en cualquier punto del campo de flujo la velocidad permanecerá constante. - Flujo turbulento Cuando una corriente viscosa se vuelve inestable los remolinos resultantes se propagan con rapidez por todo el flujo. El resultado es un movimiento complejo, en el cual la velocidad varía constantemente en el tiempo. Este fenómeno se conoce como turbulencia y sus principales efectos son los que se describen a continuación:
Las trayectorias líquidas son irregulares, una misma partícula puede ocupar distintos niveles dentro del flujo; esto es lo que facilita la mezcla y explica el resultado de la experiencia de Reynolds en la que un colorante se difunde a poca distancia de la boquilla. De igual manera que un colorante, la propia energía de las partículas se difunde con facilidad; las partículas con menos energía cinética, cercanas al borde, se desplazan al centro por efecto de la turbulencia y recíprocamente las del centro se trasladan al borde. Esto hace que la distribución de velocidades en el flujo turbulento sea
mucho más uniforme que en el laminar, excepto en una franja pequeña cercana al borde en la que el gradiente de velocidades es muy fuerte; esto es lógico porque en los contornos el movimiento de los remolinos se reduce a un mínimo debido a la falta de espacio y además debe cumplirse el principio de Meyer de velocidad nula en contacto con el sólido.
Debido a la mezcla, la fricción entre las partículas aumenta y por lo tanto se incrementa el grado de disipación de energía; esto se puede observar en la experiencia de Hagen; cuando el flujo se hace turbulento la pendiente de la curva pérdida-velocidad aumenta notablemente.
Pérdidas secundarias: Se producen en transiciones de la tubería (estrechamiento o
expansión) y en toda clase de accesorios (válvulas, codos). Las pérdidas secundarias en tuberías, también llamadas pérdidas menores, pérdidas locales o pérdidas por accesorios. Su origen, al igual que en el caso de las pérdidas primarias, se debe a la generación de calor provocada por el roce mecánico entre partículas; sin embargo, tanto por su análisis teórico como por su forma de evaluación, difieren notablemente de éstas. Para que se produzca una pérdida secundaria debe existir, en algún punto de la conducción, una singularidad que provoque una alteración en el patrón unidimensional y paralelo del flujo. Una expansión o ensanchamiento es el accesorio que se emplea para aumentar el diámetro de la conducción, ósea para acoplar un tramo de cierto diámetro con otro diámetro mayor aguas debajo de aquel. Una salida es la descarga final del tubo, ya sea que la atmosfera o a otra masa liquida en reposo o en movimiento. La razón de presentar estos dos accesorios en forma conjunta es que una salida no es más que un caso particular de expansión en el cual el diámetro del tubo de agua abajo tiene a infinito. La expansión brusca es una accesorio cuya ecuación de perdidas puede obtenerse en forma teórica, con muy buen grado de aproximación a la a la realidad, es la llamada formula de borda.
Las reducciones o contracciones se emplean para reducir el diámetro de la tubería. Desde el punto de vista del montaje puede emplearse la misma pieza de fábrica para una reducción que para una expansión, pero el funcionamiento hidráulico difiere notablemente en un caso respecto del otro. El patrón de flujo en una reducción brusca de arista viva y ángulos rectos es como el que se ve en la figura Como puede observarse el flujo principal es convergente hasta una sección posterior a la reducción, en donde el área transversal es mínima y las líneas de corriente vuelven a hacerse paralelas; a ésta se le da el nombre de sección contraída o vena contracta. A partir de la misma
las líneas de corriente se expanden hasta volver a ocupar la totalidad del tubo. A pesar de que antes del plano de la reducción existen zonas de flujo secundario, la parte esencial de la pérdida se produce a partir de la sección contraída, donde el flujo es divergente. Pérdidas en codos y curvas Los codos se emplean para provocar cambios bruscos de dirección en los conductos a presión. Sus formas, proporcionales y materiales de fabricación pueden ser muy diversos pero los parámetros más importantes son: la relación entre el radio de curvatura y el diámetro Vd. y el ángulo de desvío de la corriente 6. El radio de curvatura se mide convencionalmente al eje del tubo. En la figura 3.11 se observan varios codos de fábrica, el primero es un codo a 45°. Los dos que le siguen son a 90°, sin embargo la relación del último es lo doble que la del anterior; en la segunda parte de la figura se ven dos codos de PVC a ángulos vivos, es decir que prácticamente no existe curvatura alguna. La parte h) de la figura corresponde a un retomo, es decir mi codo (si este caso más bien es una curva) a 180°. 5.4 Fuerzas de corte y de p resión
- Trabajo realizado por fuerzas de corte: Se r ealiza por medio de esfuerzos cortantes en el fluido que actúan sobre las fronteras del volumen de control, se evalúa con el producto del esfuerzo cortante, el área y; la componente de la velocidad del fluido en la dirección de la fuerza cortante: Wcor
(v * dFcor ) (v *( * dA )) Avc
Avc
- Trabajo realizado por la fuerzas de presión): Se realiza por la presión de un fluido que actúa sobre las fronteras del volumen de control. Este trabajo se debe a que el fluido que deja el volumen de control debe empujar al fluido que se encuentra en el exterior, y el fluido que entra al volumen de control debe de empujar al que se encuentra en el interior del volumen de control. Por lo que: Trabajo = fuerza * Velocidad de movimiento en la dirección de la fuerza dW flujo = dF * v * cos = dF * vn = p * dA * vn
Por lo que:
Wflujo = (p* v n *dA) Ac
Si esta expresión la sustituimos en la ecuación general de la energía, obtenemos:
-W Q ej e - Wcor -
(p * v
n
* dA) = d/dt( ( * (u + c 2 /2 + z * g) dV) +
Ac
( * (u c
2
Vc
/ 2 z * g p / )(vr * n ) * dA)
Ac
Si se multiplica y divide por la densidad, obtenemos: -W Q
eje
-W
cor
d c2 c2 p ( *( u + + z * g) dV) + (( *(u + + z * g )(v r * n) *dA dt Vc 2 2 Ac
5.5 Conc epto de capa limit e, ecuación de Cantidad de mo vim iento aplic ada a la capa L ím ite .
Concepto de capa límite: La región próxima a la superficie está formada por una delgada capa límite donde se concentran los efectos viscosos y en la que puede simplificarse mucho el modelo matemático. Fuera de esta capa límite, se pueden despreciar los efectos de la viscosidad, y pueden emplearse las ecuaciones matemáticas más sencillas para flujos no viscosos. Para el autor J.K Vernard: "La teoría de la capa límite ha hecho posible gran parte del desarrollo de las alas de los aviones modernos y del diseño de turbinas de gas y compresores". El modelo de la capa límite no sólo permitió una formulación mucho más simplificada de las ecuaciones de NavierStokes en la región próxima a la superficie del cuerpo, sino que llevó a nuevos avances en la teoría del flujo de fluidos no viscosos, que pueden aplicarse fuera de la capa límite. Ecuación de Cantidad de movimiento aplicada a la capa Límite: La segunda ley de Newton para un sistema inercial de coordenadas, viene dada por la Siguiente ecuación: F dP / dt
Siendo: P : El momento lineal, que vale:
P
(v * dm)
masa
(v * * dV)
volumen
Siendo: v : Vector velocidad. m: Masa. V: Volumen. Por otra parte la fuerza resultante ( F ), incluye las fuerzas de superficie y másicas que actúan sobre el sistema: F Fm Fs
Aplicándolo a la formulación de sistemas y volúmenes de control.
(v *( * v *dA)) t
(dP / dt )sistema
sup erficiedeccontrol
v * *dV
volumencontrol
Sustituyendo el término de fuerzas, obtenemos:
F Fm Fs = (dP / dt )sistema
(v *( * v * dA ))
sup erficiedeccontrol
v * *dV t volumencontrol
Esta ecuación establece que la suma de todas las fuerzas (de superficie y másicas), que actúan sobre un volumen de control no acelerado, es igual a la suma de la relación de cambio de momento, dentro del volumen de control, más la relación neta de flujo del momento que sale a través de la superficie de control.
6.- Introducción al flujo en tuberías
6.1 Tubería en serie .
Hasta ahora se ha visto el caso de conducciones con mayor o menor número de accesorios pero formados por tramos singulares. En este capítulo se verán combinaciones de tubos. Para empezar se estudiará el problema de tubos en serie, que se definen como todo arreglo de tramos de tubería de características físicas diversas alineadas en la misma conducción. Un ejemplo es el de la figura 5.1, que presenta tres tubos en serie. Es condición esencial de este tipo de arreglos que el gasto se mantenga constante a lo largo del conducto. Para analizar este problema, así como cualquier otro en hidráulica, se aplicarán las ecuaciones fundamentales. La ley de continuidad arroja un resultado directo y obvio: el gasto es el mismo en todos los tramos del arreglo
En esta expresión es el gasto de arreglo en serie. En general para T tramos será;
La pérdida de carga total en todo el sistema es igual a la suma de las pérdidas en cada una de las tuberías:
Donde sistema.
y
son las pérdidas primarias y secundarias en cada una de las tuberías del
Se entiende por perdida de carga primaria, a la perdida de carga producida en la tubería. Se entiende por perdida de carga secundaria (perdida de carga local), a la perdida de carga producida en algún accesorio que interrumpe la tubería. Los accesorios pueden ser coplas, niples, codos, llaves o válvulas, "T", ampliaciones (gradual o brusca), reducciones (gradual o brusca), uniones, etc. Debido al valor de esta magnitud, se recomienda que esta pérdida sea considerada en el cálculo de la perdida de carga de la tubería.
6.2 Tubería en paralelo .
Un arreglo de tubos en paralelo es un conjunto de tubos que se separan en un nudo para volver a unirse en otro. Un ejemplo es el de la figura 5.4. A partir de la ley de continuidad se puede deducir que el gasto Del arreglo se reparte entre los tramos que lo componen, es decir que será igual a la suma de ellos
En general para un arreglo de tramos ∑
La ecuación de la energía aplicada entre los nudos 1 y 2 de la figura, dice simplemente que:
( )( ) La pérdida del arreglo debe ser la misma cualquiera sea el camino que se considere. Recuérdese por Un momento el significado físico de la ; según él cada partícula líquida experimenta una pérdida de energía por unidad de peso igual a al transitar del nudo l al nudo 2 y eso es independiente del tramo que escoja para desplazarse de una posición a otra. Es decir que: Y en general para tramos
Si se comparan las ecuaciones que corresponden a tubos en serie, se verá que son muy similares, sólo que lo que ocurre para los gastos en un caso es válido para las pérdidas en otro y viceversa.
6.3 Redes de tuberías.
Las redes de distribución de agua suburbana forman ramificaciones complicadas, que se cierran formando mallas, de manera que el agua en un punto puede venir por dos direcciones distintas, lo que representa la ventaja de no interrumpir el suministro, aun en caso de reparaciones. Su cálculo es laborioso y se hace por el método de las aproximaciones sucesivas introducido por Hardy Cross. Se han de cumplir las tres leyes siguientes: Ley de la pérdida de carga: En cada tubería se ha de cumplir la ecuación de pérdidas secundarias. v2 2g=8g π2 1d4Q Hr=βQ2
Dónde: β= 8g π2 ζtd4 En la práctica β se supone constante en todo el cálculo.
La ecuación de perdidas suele ponerse de la siguiente forma: HrL= RrQnDm Dónde: Rr=8λg π2 n=2 D=5
R es un numero de razonamiento depende del número de Reynolds. Ley de nodos: El caudal que entra por un nodo debe ser igual a la suma de los caudales que salen. ΣQ=0 (Suma algebraica)
Ley de mallas: La suma algebraica de las pérdidas de carga es igual a cero. ΣHr=0 (Ley de las mallas)
Resumen del método de Hardy Cross Sobre un croquis de la red se hace una distribución razonable de caudales dibujando con flechas los sentidos estimados. H´r1=β1Q´12
Dónde: H´r1 Es igual a la pérdida de carga en la tubería. β1d Será constante en todos los cálculos.
Q´12 Es igual al caudal de la tubería 1
7 Cavitación y golp e de ariete
⇒ ⇒ Pueden llegar a destruir la instalación
• Detención del flujo del fluido sobrepresión y depresión (golpe de ariete) • Bajas presiones locales vaporización del fluido (cavitación)
Hay que controlarlos en el diseño de toda instalación 7.1Explicación del golpe de ariete Golpe de ariete 1:
Fenómeno transitorio en el que se considera que: • La tubería no es rígida • El líquido es compresible
Se produce ante un paro brusco del flujo del fluido (típico el cierre de una válvula) La energía cinética se transforma en energía de presión La sobrepresión puede llegar a romper la tubería Golpe de ariete 2:
Golpe de ariete 3:
Golpe de ariete 4:
7.2 Form ulas d e presión m áxim a y sob repres ión.
La sobrepresión depende del tiempo de cierre de la válvula, 1.- Cierre instantáneo, ( 2.- Cierre rápido (0 <
), es un caso teórico (el anterior)
< 2L / c)
El cierre se produce antes de que la onda de presión se refleje en el estanque y vuelva a la válvula; la sobrepresión idéntica al caso de cierre instantáneo
3.- Cierre lento, ( > 2L / c) La depresión generada al reflejarse la onda en el embalse disminuye la presión máxima respecto al instantáneo Cierre instantáneo o rápido (0 < < 2L / c)
Cierre lento ( < > 2L / c)
7.3 Contro l del go lpe de ariete.
Para evitar este efecto, existen diversos sistemas:
Para evitar los golpes de ariete causados por el cierre de válvulas, hay que estrangular gradualmente la corriente de fluido, es decir, cortándola con lentitud utilizando para ello, por ejemplo, válvulas de asiento. Cuanto más larga es la tubería, tanto más tiempo deberá durar el cierre. Sin embargo, cuando la interrupción del flujo se debe a causas incontrolables como, por ejemplo, la parada brusca de una bomba eléctrica, se utilizan tanques neumáticos con cámara de aire comprimido, torres piezométricas o válvulas de muelle que puedan absorber la onda de presión, mediante un dispositivo elástico. Otro método es la colocación de ventosas de aireación, preferiblemente trifuncionales(estos dispositivos son para disminuir otro efecto que se producen en las redes de agua o de algún otro fluido parecido al desalojarlo del sistema mas no es propio del fenómeno del golpe de ariete)
1. función: introducir aire cuando en la tubería se extraiga el fluido, para evitar que se generen vacíos; 2. función: extracción de grandes bolsas de aire que se generen, para evitar que una columna de aire empujada por el fluido acabe reventando codos o, como es más habitual en las crestas de las redes donde acostumbran a acumularse las bolsas de aire; 3. función: extracción de pequeñas bolsas de aire, debido a que el sistema de las mismas ventosas por lado tienen un sistema que permite la extracción de grandes cantidades y otra vía para las pequeñas bolsas que se puedan alojar en la misma ventosa.
Otro caso común de variación brusca de la velocidad del flujo en la tubería se da en las centrales hidroeléctricas, cuando se produce una caída parcial o total de la demanda. En estos casos tratándose de volúmenes importantes de fluido que deben ser absorbidos, se utilizan en la mayoría de los casos torres piezométricas, o chimeneas de equilibrio que se conectan con la presión atmosférica, o válvulas de seguridad.
7.4 Explicación d e la cavitación
La cavitación o aspiraciones 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. 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 impresionan (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 a velocidades próximas a las del sonido, es decir independientemente del fluido la velocidad adquirida va a ser próxima a la del sonido. 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 impresionan, 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. Nótese que dependiendo del material usado se puede producir una oxidación del material lo que debilitaría estructuralmente el material. 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
7.5 Descripción d e 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 el lecho 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 súper cavitación tiene aplicaciones militares como por ejemplo en los torpedos de súper cavitación 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. 7.6 Contro l de la cav itación.
La cavitación es un efecto físico cuya aparición depende de las condiciones de funcionamiento. Por tanto, cuando se proyecta una instalación debe intentarse que no aparezca 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 válvulas apropiadas. - Son aplicables los siguientes principios: Recomendaciones: - Utilice las válvulas de compuerta y mariposa solo para trabajar en posición completamente abierta o cerrada y no en posiciones intermedias. - Las válvulas de paso anular son válvulas de control, pero deben ser elegidas en función de las condiciones de trabajo (ej. De corona de aletas o de cilindros ranurados). Para operar en condiciones extremas donde no podemos controlar la cavitación ni con válvulas especiales, la regulación debe hacerse paso a paso (ej. orificio para contrapresión) o mediante la admisión de aire en el pu nto de regulación.
