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Información acerca de cavitación
Tipo: Resúmenes
Subido el 13/05/2019
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Ing. Ariel R. Marchegiani
Octubre de 2006 (V. 1.2)
MAQUINAS HIDRÁULICAS 1
La cavitación es un fenómeno muy importante de la mecánica de los fluidos y de particular influencia en el funcionamiento de toda maquina hidráulica.
En las últimas décadas la tecnología del diseño de turbinas y bombas centrífugas ha tenido un avance importante, el cual sumado a los incrementos en los costos de fabricación, ha llevado a desarrollar equipos con mayores velocidades específicas para minimizar esta Influencia, lo que determina un incremento en el riesgo de problemas en la succión, especialmente cuando operan fuera de su condición de diseño.
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.
Si en la etapa previa sólo se suministran los valores de caudal, la altura de impulsión y el fluido la selección del equipo quedará en manos del fabricante que tratará de cotizar el equipo de menor precio. Pero, no existirán otros parámetros que deban ser tomados en cuenta?
Claro que sí, nadie como el usuario ha de conocer la instalación por la cual ha de operar la bomba y es más, es probable que el sistema diseñado para la succión, debido a una solución económica exigida, haga que no se encuentre en el mercado la bomba que pueda garantizarle en rendimiento sin problemas en el futuro.
Este capitulo pretende dar un panorama general sobre el fenómeno, su mecánica y los últimos avances en investigación sobre el tema. Además se presentan los diferentes coeficientes que caracterizan al fenómeno y que influirán en la selección de una bomba y en el diseño de una sistema de bombeo.
DEFINICIONES
Por CAVITACION se entiende la formación de bolsas localizadas de vapor dentro del liquido, pero casi siempre en las proximidades de las superficies sólidas que limitan el liquido.
En contraste con la ebullición, la cual puede ser causada por la introducción de calor o por una reducción de la presión estática ambiente del líquido, la CAVITACION es una vaporización local del liquido, inducido por una reducción hidrodinámica de la presión. (Figura 1). Esta zona de vaporización local puede ser estable o pulsante, y esto altera usualmente el campo normal del flujo. Este fenómeno se caracteriza, entonces, por la formación de bolsas (de vapor y gas) en el interior y junto a los contornos de una corriente fluida en rápido movimiento.
La condición física fundamental para la aparición de la cavitación es, evidentemente, que la presión en el punto de formación de estas bolsas caiga hasta la tensión de vapor del fluido en cuestión. Puesto que las diferencias de presión en máquinas que trabajan con líquido son normalmente del mismo orden que las presiones absolutas, es claro que esta condición puede
Ing. Ariel R. Marchegiani
MAQUINAS HIDRÁULICAS 3
De este modo, para una dada altura y un dado caudal la máquina con el más alto Número Específico (Velocidad Específica) tendrá menores dimensiones, menor peso y más bajo costo; pero por otro lado, la cavitación marca un límite superior para la velocidad específica que no debe ser exedido.
La cavitación se divide en el proceso de formación de burbujas y en el de implosión de las mismas.
figura 2: etapas de la cavitación
¿Por qué puede caer la presión del vapor? La presión del agua que fluye en una línea (tubería) por presión, ya sea de una bomba o de una diferencia geodesica de altura (tanque elevado) es mucho más alto que la presión del vapor.
La energía total de un medio que fluye esencialmente consiste en distintas formas de energía:
figura 3: balance de energía
Para clarificar entonces, porqué en el punto de una válvula reguladora,sin embargo la presión puede caer por debajo de la presión de vapor, se debe analizar el balance energético de una corriente.
Ing. Ariel R. Marchegiani
CAVITACIÓN 4
En el reservorio la energía total existente se almacena como energía potencial. Esta energía potencial durante el flujo de una linea horizontal, es convertida en:
figura 4
Debido a la reducción del área de paso en el punto de la válvula reguladora (vena contracta), allí el caudal y la porción asociada de energía de velocidad sube fuertemente (figura 5). También la porción de las pérdidas aumenta fuertemente debido a la contracción brusca. En el lugar más estrecho la energía de presión restante disminuye fuertemente debido a la constancia de la energía total.
figura 5
Aquí la presión de vapor del medio disminuye, y el fluido se evapora. El vapor forma burbujas, Estas se deforman con el aumento de la presión... y finalmente implotan (figura 6).
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CAVITACIÓN 6
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" ( de aquí el nombre del fenómeno).
La tensión necesaria para "romper" o "fracturar" el líquido, es decir vencer a las fuerzas de cohesión intermoleculares es, como se dijo anteriormente, enorme.
Cálculos teóricos, como los de Fisher [3] los cuantifican, para el agua pura a 10ºC en 1000 bar; aunque resultados experimentales como los de Briggs [2] lo han logrado a 277 bar.
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.
Si en el líquido hay disuelto otros gases, ellos también pueden colaborar en formar esta cavidad por difusión de los mismos, cuando las condiciones físicas (de presión y temperatura) lo permitan.
TIPOS DE CAVITACION:
Por lo dicho precedentemente hay dos tipos de cavitación, uno con flujo y otro estando el líquido estático:
(a) Cavitación por flujo (b) Cavitación por ondas
Ejemplos del tipo (a) los tenemos en tuberías donde la presión estática del líquido alcanza valores próximos al de la presión de vapor del mismo, tal como puede ocurrir en la garganta de un tubo venturi, a la entrada del rodete de una bomba centrífuga o a la salida del rodete de una turbina hidráulica de reacción.
Los ejemplos del tipo (b) aparecen cuando estando el líquido en reposo, por él se propagan ondas, como las ultrasónicas [3] denominándose Cavitación Acústica, o típicas ondas por reflexión
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MAQUINAS HIDRÁULICAS 7
sobre paredes o superficies libres debido a ondas de compresión o expansión fruto de explosiones y otras perturbaciones como en el caso del golpe de ariete, denominadas Cavitación por Shock [4].
CONTENIDO DE AIRE
Los altos contenidos de gas parecen favorecer el comienzo de la cavitación, debido a que originan una mayor cantidad de burbujas. Por otra parte un contenido levado de aire (presión parcial de aire) disminuye la velocidad de implosión.
Con un contenido bajo de gas se demora el comienzo de la cavitación, ya que la resistencia a la tracción del agua en este caso comienza a jugar un papel considerable. Para un contenido de un 10% del valor de saturación la cavitación comienza al alcanzar la presión de vapor. Con elevados contenidos de aire la presión para el comienzo de la cavitación es superior a la presión de vapor, ya que en este caso el crecimiento de las burbujas está favorecido por la difusión de gas en el líquido [6].
IMPLOSION DE LA BURBUJA
Com se mencionó anterormente, la bolsa, ya aumentada de tamaño, es arrastrada a una región de mayor presión y finalmente estalla, mejor dicho, IMPLOTA. Esta acción periódica está generalmente asociada a un fuerte ruido crepitante.
El aumento de tamaño de las burbujas o bolsas reduce los pasajes aumentando así la velocidad de escurrimiento y disminuyendo por lo tanto más aun la presión. Tan pronto como la presión en la corriente supera la tensión de vapor después de pasar la sección más estrecha , se produce la condensación y el colapso de la burbuja de vapor. La condensación tiene lugar instantáneamente. El agua que rodea a las burbujas que estallan golpean entonces las paredes u otras partes del fluido, sin amortiguación alguna.
Teniendo en cuenta la condensación del vapor, con distribución espacial uniforme y ocurriendo en un tiempo muy corto, puede ser tomado por cierto que las burbujas no colapsan concéntricamente.
Se ha analizado el desarrollo de una burbuja en la vecindad de una pared, teóricamente, y calculado el tiempo de implosión y la presión demostrándose que la tensión superficial acelera la implosión y aumenta los efectos de la presión.
Muchos efectos trae aparejado el colapso de la burbuja, relacionados con los diferentes parámetros tales como la influencia del gradiente de presión, la deformación inicial en la forma de la burbuja, velocidad del fluido en la vecindad de los límites sólidos, etc.
En estos estudios puede ser tomado como válido que las cavidades no colapsan concéntricamente en la vecindad de una pared. Se forma un “micro-jet” que choca con la superficie sólida donde trasmite un impulso de presión, como se ve en la Figura 8.
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MAQUINAS HIDRÁULICAS 9
En el caso de las turbomáquinas hidráulicas la cavitación es un factor determinante, marcando el límite más bajo para el tamaño de la máquina y también el límite más alto para la velocidad del flujo medio (velocidad periférica del rotor).
De este modo, para una dada altura y un dado caudal, la máquina con el más alto Número Específico (Velocidad Específica) tendrá menores dimensiones, menor peso y más bajo costo; pero por otro lado, la cavitación marca un límite superior para la velocidad específica que no debe ser excedido.
angular
Figura 11
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 12 [7].
La Comisión Electrotécnica Internacional especifica la manera correcta de considerar la altura de aspiración para los diferentes tipos de turbinas de reacción, como muestra la Figura 13.
La altura "geodésica" de aspiración de la figura 12 no determina por sí sola la aparición de la cavitación, sino la denominada "altura dinámica de aspiración" que se puede determinar aplicando la ecuación de Bernoulli entre los puntos A y B de la bomba de la figura 4.
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CAVITACIÓN 10
Figura 12
Figura 13
A at s s
A p g
c h j
p
***** 2
Siendo: pA*^ = Presión absoluta en el punto A. c (^) A = velocidad del fluído en el punto A.
Catedra de Máquinas Hidráulicas
CAVITACIÓN 12
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 taves de la máquina, H, se obtiene una cifra adimensional denominada "Numero de Thoma" o "Numero de cavitación" critico:
( ) H
gH
c k H
h (^) at hv Hsc A svc c = + =
2
Por lo tanto se puede decir que:
( ) c
at v sc inst (^) H
h h H
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 σinst sea mayor que σc los efectos de la cavitación no se harán sentir. [7]
Tanto el valor de hat como el valor de hv deberán corregirse de acuerdo a las condiciones locales del lugar donde se produce el fenómeno.
El valor de hat variará de acuerdo a la altitud tal como se ve en la siguiente tabla 2 [12].
PRESION ATMOSFERICA ALTITUD (m) hat (mm Hg) hat(m H 2 0) 0 760.00 10. 500 715.99 9. 1000 674.07 9. 1500 634.16 8. 2000 596.18 8. 2500 560.07 7. 3000 525.75 7. 3500 493.15 6. 4000 462.21 6.
La magnitud hv, es decir, la altura correspondiente a la tensión de vapor, estará influenciada por la temperatura del fluido según se muestra en la siguiente tabla:
TEMPERATURA (ºC) hv (m) 5 0. 10 0. 15 0. 20 0. 25 0.
Catedra de Máquinas Hidráulicas
MAQUINAS HIDRÁULICAS 13
Luego, para obtener un valor más acertado de σ se deberán tener en cuenta dichas correcciones.
Volviendo a la ecuación anterior, si se observa el segundo miembro, donde cA 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 σcrit. 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 σ que asegure la no ocurrencia de la cavitación.
La larga experiencia de los fabricantes, apoyada por innumerables ensayos de laboratorio, ha traído consigo, al correr de los años, una gradual disminución de los coeficientes de cavitación.
Determinacion De Los Limites De Cavitacion - Punto De Incepcion.
Ya que la erosión por cavitación es capaz de destruir partes vitales de la máquina en corto tiempo es importante determinar el valor admisible de cavitación.
Los métodos experimentales de estudio de la perfomance de una máquina con respecto a la cavitación difieren principalmente en el fenómeno físico seleccionado para determinar y evidenciar el comienzo de la cavitación. De acuerdo a esto pueden diferenciarse tres métodos de detección del fenómeno [5]:
1.- Por el cambio en el rendimiento hidráulico de la máquina, puesto de manifiesto en la variación de la altura, potencia, caudal, etc.
2.- Por observación visual o fotográfica de las bolsas de vapor o burbujas en los álabes del rotor.
3.-Por observación y medición de los ruidos y vibraciones que acompañan el funcionamiento de la máquina.
De los tres métodos mencionados, el más exacto o el que mejores resultados de valor práctico produce es el primero.
Pero el cambio en el rendimiento hidráulico no es suficientemente confiable por si solo como indicación de la cavitación, ya que en ocasiones ruidos apreciables y tras indicaciones del fenómeno pueden aparecer sin acompañamiento de cambios en dicho rendimiento.
Consecuentemente, parte de los ensayos se compensan por los otros métodos mencionados.
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MAQUINAS HIDRÁULICAS 15
figura 15
Algunas veces se hace dificultoso poder definir exactamente el σcrit ya que las curvas suelen mostrar formas de difícil análisis. La Figura 16 muestra 4 formas comunes de curvas.
Si estas curvas son utilizadas para determinar la geometría de la máquina es importante efectuar las siguientes definiciones, de acuerdo con el Comité Eléctrico Internacional:
El valor de σ al cual aparece cavitación incipiente se denomina σb (σ behind).
El σ más bajo al cual el rendimiento no es aún afectado por la cavitación es σ 0.
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CAVITACIÓN 16
figura 16 En la figura 17 se puede observar un diagrama de ensayo con las imágenes de cada punto.
figura 17
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CAVITACIÓN 18
cte D n
Por eliminación de D y de la misma manera que se halla el número específico de la máquina a partir de las mismas leyes de similitud, se obtiene:
cte Q
H (^) sv D 2 =
y cte n D
H (^) sv 2 2 = . El parámetro S es denominado Velocidad Especifica de Succión o Numero Especifico de succión.
( )^3
12 /
H sv
nQ S =
Se puede definir al número específico de succión como la combinación de condiciones de succión que, mantenida constantes, permite la similitud de condiciones de escurrimiento y cavitación en maquinas hidrodinámicamente semejantes [5].
En realidad, debido al significado localizado de Hsv, es suficiente con tener similitud geométrica únicamente en los pasajes entre la región de cavitación y el punto donde se mide Hsv. Es decir que esta ley de semejanza puede restringirse a los pasajes de succión de la máquina.
El número específico de succión, S, describe las condiciones de escurrimiento en la aspiración, de manera similar al coeficiente σ de Thoma con la diferencia de que un valor constante de σ permitiría condiciones similares de cavitación y de escurrimiento en la aspiración solo si al mismo tiempo se mantuviera constante el número específico.
Puesto que ambos parámetros, σ y S pueden ser usados paralelamente en un mismo campo de aplicación, conviene establecer la relación que los liga. Esta puede deducirse de las relaciones de σ y ωs (velocidad específica adimensional), llegando a :
4 / 3 ⎟⎟ ⎠
σ ω s
Si los valores de σ correspondientes a un límite apropiado de cavitación para bombas se representan en función de la velocidad específica, se encuentra una curva promedio que puede representarse bastante bien por la ecuación
σ = cte****. ( ω s ) 4 /^3
Esta ecuación, conjuntamente con la anterior, es la demostración empírica de que S es prácticamente independiente del número especifico, dibujando líneas de S = cte. En un diagrama σ-ns el acuerdo entre estas líneas resulta evidente (figura 21).
Catedra de Máquinas Hidráulicas
MAQUINAS HIDRÁULICAS 19
El aumento de sigma en la dirección de los valores crecientes de ns, demuestra que, para una misma forma de instalación, (lo que implica un valor aproximadamente constante de Hsv) el salto de la máquina debe crecer al aumentar el número específico. Por eso las máquinas de salto elevado deben ser de bajo número específico, mientras que las máquinas de bajo salto, pueden emplear números específicos elevados.
Figura 21
Erosión por cavitación
El criterio general que se acepta es el que afirma que la erosión por cavitación es causada por la presión impulsiva generada en el colapso de las burbujas. Lo que se presenta como discusión es la magnitud y la forma de actuar de estas presiones sobre la superficie [16].
Para estudiar el tipo y la magnitud de daño que genera la cavitación se deben analizar las presiones de colapso individuales con el tipo de daño sobre el material de la superficie.
Se pueden diferenciar como primera medida una cavitación "estática", donde el líquido no se mueve y la erosión del material es encontrada directamente sobre el punto de cavitación. Generalmente esto ocurre cuando la cavitación es generada por vibración.
Ing. Ariel R. Marchegiani