UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADORFACULTAD DE INGENIERA EN GEOLOGA, MINAS, PETRLEOS Y AMBIENTALCARRERA DE INGENIERA EN MINASVENTILACIN Y DESAGE

TRABAJO DE VENTILACIN Y DESAGE:

FENMENO DE CAVITACIN. QUITO, JUNIO 2015.

LUIS ARAUZANDREA MENA

TUTOR: DR. MARCO ZALDUMBIDECURSO: SEXTO

Quito, junio, 2015NDICE GENERAL

OBJETIVOS3Objetivo General3 Objetivos Especficos3MARCO TERICO4QU ES LA CAVITACIN?4ETAPAS DE LA CAVITACION5IMPLOSIN DE LAS BURBUJAS DE VAPOR5PORQUE SE PRODUCE LA CAVITACIN?6Factores que afectan la aparicin de cavitacin7TIPOS DE CAVITACIN8EFECTOS Y CONSECUENCIAS DE LA CAVITACIN9DEFINICIONES DE NPSH DISPONIBLE Y REQUERIDO. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL NPSH.10COMO EVITAR LA CAVITACION14CONTROL DE LA APARICIN DE CAVITACION14CONCLUSIONES15RECOMENDACIONES15REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS16

OBJETIVOS

Objetivo General

Comprender el fenmeno de la Cavitacin, saber cmo se produce y el aspecto daino que ocasiona en bombas y turbinas.

Objetivos Especficos

Conocer los lugares ms propensos de las turbomquinas donde se origina la cavitacin, el tipo de dao causado, los efectos y consecuencias. Conocer los tipos de cavitacin y las consecuencias generales en las distintas turbomquinas.

MARCO TERICO

QU ES LA CAVITACIN?La cavitacin es un fenmeno fsico, mediante el cual un lquido, en determinadas condiciones, pasa a estado gaseoso y unos instantes despus pasa nuevamente a estado lquido. Puede definirse como la formacin y posterior colapso (implosin) de burbujas de gas (cavidades) en el seno de un lquido. El gas puede ser aire, vapor del propio lquido u otro gas disuelto en el lquido considerado. La cavitacin puede aparecer en lquidos en reposo o en movimiento, siendo la nica condicin necesaria el alcanzar el estado de equilibrio lquido-vapor. En lquidos en reposo, se puede lograr por medio de un aumento en la temperatura por transferencia de calor. Para lquidos en movimientos se puede lograr por medio de una disminucin local de presin por aumento de la velocidad, y las burbujas generadas son transportadas agua abajo por la corriente hasta zonas donde la presin es ms alta, dando lugar al brusco colapso de las mismas.

Este fenmeno tiene dos fases:

Fase 1.- Cambio de estado lquido a estado gaseoso.Fase 2.- Cambio de estado gaseoso a estado lquido.Lquido Vapor Lquido nuevamente

La condicin de paso de lquido a vapor depende de dos parmetros: Temperatura PresinLa correlacin es lo que se conoce como curva caracterstica de la presin de vapor.LquidoPEbullicinVaporTCavitacin

La cavitacin en bombas es un fenmeno que depende de las propiedades del fluido (presin de vapor, tensin superficial, contenido de aire, pureza, etc.) y de la geometra de la bomba (curvatura, solidez, esquinas, rugosidad superficial, etc.).

ETAPAS DE LA CAVITACION Formacin de burbujas dentro del lquido Crecimiento de las burbujas Colapso de las burbujas

IMPLOSIN DE LAS BURBUJAS DE VAPORLa implosin de las burbujas de vapor sigue ciertas direcciones, dependiendo de las condiciones de presin:

En el centro de la tuberaDireccon del flujo

En la pared de la tuberaLa burbuja se vadeformandoBurbuja de vaportotalmente desarrolladaImplosinMicrochorroDireccon del flujo

Al cambiar de estado gaseoso a lquido, las burbujas de vapor se colapsan sbitamente (implotan) y esto produce que el agua que las rodea se acelere hacia el interior de las mismas formando una especie de hendidura.Esto origina un Microchorroque golpea las paredes del cuerpo de la vlvula o de la tubera a muy alta velocidad (v>1000 m/seg), causando picos de presin de hasta 10000 bares, lo que erosiona los materiales a nivel molecular.

PORQUE SE PRODUCE LA CAVITACIN?La cavitacin aparece en cualquier posicin de una turbomquina de flujo incompresible donde la presin disminuya por debajo de la presin de vapor.Si se trata de bombas, los lugares ms susceptibles para la aparicin de la cavitacin son la entrada (baja presin) y la zona de la lengeta (si se trata de una bomba centrfuga). El que se produzca en una zona u otra depende, bsicamente, del punto de funcionamiento (caudal).

En el caso de las turbinas, la zona crtica para la aparicin de cavitacin ser la de la salida.

Factores que afectan la aparicin de cavitacin Temperatura del Fluido Contenido de gases disueltos Naturaleza del Fluido (contenido de slidos en suspencin) Nucleacin de Burbujas

Dos condiciones en las que la presin de la bomba puede bajar hasta un nivel inferior a la presin de vapor:1. Porque la cada de presin actual en el sistema externo de succin es mayor que la que se consider durante el diseo del sistema. (Es una situacin bastante corriente). Esto resulta en que la presin disponible en la succin de la bomba (NPSHd) no es suficientemente alta para suministrar la energa requerida para superar la cada de presin interna (NPSHr) propia del diseo de la bomba.2. Porque la cada de presin actual dentro de la bomba (NPSHr) es ms grande que la informada por el fabricante y que se us para seleccionar la bomba.

TIPOS DE CAVITACINSe puede clasificar la cavitacin segn la forma en que se produce, segn el grado de desarrollo de la misma y segn la forma de manifestarse macroscpicamente.

Segn la forma de producirse la cavitacin se distinguen los siguientes tipos: Cavitacin de vapor: debida a la disminucin local de la presin en el seno de un lquido. Puede ser hidrodinmica creada por depresiones locales debidas a la aceleracin del fluido, o acstica, debidas a ondas de presin transmitidas en el fluido. Cavitacin gaseosa: ocasionada por la introduccin desde el exterior de energas en puntos del lquido (aumento de la temperatura, inducir vibracin local de las partculas, etc.). Se habla entonces de cavitacin ptica o cavitacin de partculas.

Segn el grado de desarrollo, se distinguen: Cavitacin incipiente: es una etapa inicial de la cavitacin en la que empieza a ser visible la formacin de las burbujas. Cavitacin desarrollada: se trata de una etapa en la que se tiene un nmero de burbujas lo suficientemente elevado como para producir una modificacin del campo hidrodinmico. Supercavitacin: cuando se tiene una superficie slida sumergida, la cavitacin se extiende ocupando en su totalidad dicha superficie. Cavitacin separada: etapa final de la cavitacin, cuando est prxima a desaparecer. Se produce normalmente en las zonas de estela y su importancia es mucho menor que las anteriores. Segn su manifestacin macroscpica (morfologa), se pueden distinguir las siguientes: Cavitacin de burbujas aisladas: cuando el nmero de burbujas es muy denso da lugar a la llamada cavitacin de nube. Cavitacin de lmina. Cavitacin de vrtice. Cavitacin de estra: es un tipo de cavitacin de burbujas, en la que la nucleacin de las mismas se produce siguiendo una lnea.

EFECTOS Y CONSECUENCIAS DE LA CAVITACIN Vibraciones y Ruido: el continuo colapso de las burbujas de cavitacin produce un fenmeno vibratorio que se transmite a travs de los conductos o estructuras y produce molestas oscilaciones y ruidos, especialmente peligrosos si la frecuencia asociada con el fenmeno de la cavitacin entra en resonancia con alguna frecuencia propia de la estructura.

Erosin: el efecto ms indeseado de la cavitacin es precisamente ste. Los labes de las mquinas, sometidos a un continuo proceso de colapso de las burbujas en su proximidad, acaban teniendo problemas serios de desgaste, que pueden terminar con el labe y, por tanto, con las prestaciones de las mquinas. Ejemplo del estado de un labe de turbina tras pocas horas de funcionamiento:

DEFINICIONES DE NPSH DISPONIBLE Y REQUERIDO. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL NPSH.El NPSH o Net Positive Suction Head, es decir, altura neta positiva en la aspiracin constituye una medida de la energa (o altura, por tratarse de flujo incompresible) disponible en la aspiracin de la bomba por encima de la energa (altura) que dara lugar a la aparicin de cavitacin.

NPSH

Para este circuito en rgimen estacionario y siendo el fluido incompresible, se puede aplicar la ecuacin de Bernoulli, teniendo en cuenta las prdidas en el conducto de aspiracin (h -), es decir: (I)A la entrada de la bomba hay una cada de presin que normalmente se relaciona con la velocidad absoluta y relativa en el rodete, segn expresiones experimentales del tipo: (II)Si ahora introducimos esta expresin en la ecuacin deducida anteriormente, se tiene que la presin mnima en la entrada de los labes (aspiracin) es: (III) (IV)Otras veces, se establece esta relacin e funcin de la variable caudal, segn la expresin:

Por tanto, la condicin se resume en la siguiente desigualdad:

De donde obtendramos el valor de la altura de aspiracin en el lmite de cavitacin; por seguridad se le aumenta 0,5 m:

Los factores que afectan al NPSH son bsicamente: Parmetros fsicos: Parmetros geomtricos: Parmetros de la aspiracin.La bomba se debe disear de forma que las velocidades sean lo menores posible, y de forma que la estanqueidad sea lo mayor posible (evitar la entrada de aire, que acelerara el crecimiento de las burbujas). Para ello se suele prestar especial atencin al diseo de la aspiracin (variacin suave de las geometras en esa zona) de forma que se disminuyan las prdidas por posibles choques y por friccin. Prdidas TuberaPrdidas TuberasuccnSuccin Negativadescarga

La bomba se coloca por encima de la succin. La Cabeza Esttica Total (TSH) es la suma de la Elevacin de Succin Esttica (SSL), ms la Cabeza Esttica de Descarga (SDH). Prdidastubera de descargaPrdidastubera de succinSuccin Positiva

La bomba se coloca por debajo de la succin.La Cabeza Esttica Total (TSH) es la diferencia entre la Cabeza Esttica de Descarga (SDH), menos la Cabeza Esttica de Succin (SSH).

COMO EVITAR LA CAVITACIONSe debe cumplir, sin excepcin, las siguientes condiciones:a. NPSHd > 0b. NPSHd > NPSHrc. NPSHd / NPSHr hfs (1,3 - 1,5)d. M = NPSHd NPSHr 1 m 3 pies

CONTROL DE LA APARICIN DE CAVITACION Disminuir Vs (aumentar dimetro succin ) Aumentar P1 Aumentar Hs Disminuir hfs Disminuir en lo posible la longitud de la tubera de Succin Disminuir el nmero de accesorios Disminuir el nmero de codos y aumentar la curvatura de los mismos

dS1SNPSH P1 H PV hf

CONCLUSIONES A partir de lo planteado se deduce la importancia que tiene el conocimiento pleno del fenmeno fsico de la cavitacin Ante la explicacin de todo el desarrollo, se dedujeron las consecuencias de dicho fenmeno y las tcnicas para controlarlo. Se pudo observar que existen diversos tipos en el origen de la cavitacin, puede ser en un fluido esttico, por medio de la transferencia de calor hacia ste y, de la velocidad que lleve un fluido en movimiento. Se observa que la cavitacin en bombas slo depende de las propiedades del fluido y de la geometra de la bomba. Finalmente, se analizaron para ambas mquinas la aplicacin de la ecuacin de Bernoulli teniendo en cuenta las prdidas en los conductos.

RECOMENDACIONES La cavitacin es un efecto fsico cuya aparicin depende de las condiciones de funcionamiento. Por tanto, cuando se proyecta una instalacin debe intentarse que no aparezca la cavitacin o que sus efectos sean los menores posibles. De cualquier manera la instalacin debe ser efectiva y para ello es necesario elegir las vlvulas apropiadas. Son aplicables los siguientes principios: Utilice las vlvulas de compuerta y mariposa solo para trabajar en posicin completamente abierta o cerrada y no en posiciones intermedias. Las vlvulas de paso anular son vlvulas de control, pero deben ser elegidas en funcin de las condiciones de trabajo (ej. De corona de aletas o de cilindros ranurados). Para operar en condiciones extremas donde no podemos controlar la cavitacin ni con vlvulas especiales, la regulacin debe hacerse paso a paso (ej. orificio para contrapresin) o mediante la admisin de aire en el punto de regulacin.REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

http://es.wikipedia.org/wiki/Cavitaci%C3%B3n http://gonzalezpyadira.mex.tl/imagesnew2/0/0/0/0/2/1/4/2/7/5/CAVITACION_2.pdf http://html.rincondelvago.com/cavitacion_1.html http://hidraulicapractica.com/es/educacional/cavitacion-en-bombas-hidraulicas http://www.amf.uji.es/tema11_325.pdf