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Este documento ofrece una detallada explicación sobre la cavitación en hidráulica, uno de los fenómenos más comunes en la industria de la energía. Aprenda qué son las burbujas de vapor en el fluido, cómo aparecen y cómo afectan a las máquinas hidráulicas. Además, descubra los factores que intervienen en la cavitación y cómo se puede detectar y prevenir.
Tipo: Esquemas y mapas conceptuales
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México, D.F., a 03 de Octubre del 2013
AT-193/13 P.S.08/1 .JP- IJ ;m,bm•
PARA OBTENER EL TÍTULO DE: DEBERÁ DESARROLLAR EL C. INGENIERO MECÁNICO BALCAZAR CRUZ FRANCO ANÁLISIS DE LAS VARIABLES DE LA CAVITACIÓN EN BOMBAS CENTRÍFUGAS
. HORIZONTALES Uno de los problemas que hace que un equipo de bombeo baje su rendimiento en el fenómeno de la cavilación. Este trabajo pretende a través del análisis de las· variables, establecer lineamientosymarcos de referencia que permitan prevenir la aparición de este fenómenoy,en la medida de lo posible, controlarlo, cuando un equipo de bombeo lo presente. **EL TEMA COMPRENDERÁ LOS SIGUIENTESP U N T O S :
AGRADEIMIENTOS
Agradezco a Dios por darme sabiduría, entendimiento y guiarme por el camino de la fe. A mis padres, por estar conmigo y apoyarme en la materialización de mis sueños. A mi tío Miguel, por ser un ejemplo de inspiración y modelo a seguir en la realización personal y profesional. A mi tío Pablo, por el ejemplo de carácter y determinación que me inculcó desde niño. A las familias Rosas Cruz y Rangel Santos, por su apoyo recibido durante el tiempo de mi formación profesional A sí mismo, a todos aquellos quienes durante todo este tiempo, me brindaron suapoyo. A ustedes, ¡Muchas Gracias!
ÍNDICE
1.1H i s t o r i a...............................................
............................................
1.2 Definición de cavitación ................................................................. 2 1.3 Física delf e n ó m e n o.................................................
1.3.1 Presión dev a p o r...................................................
1.3.2 Etapas de la cavitación............................................................ 4 1.3.3 Resistencia a la tracción y nucleación..................................... 5 1.3.4 Tipos de burbujas .................................................................... 7 1.3.5 Contenido de aire .................................................................... 7 1.3.6 Implosión de 8 1.4 Tipos decavitación........................................................................ 10 1.5 ¿Por qué puede caer la presiónd e vapor?.................................... 12 1.6 Factores que intervienen en lacavitación...................................... 14
2.1 Definiciones yconceptos............................................................... 17 2.1.1F l u i d o........................................................................
............... 17 2.1.2 Clasificación del o s fluidos....................................................... 17 2.2 Propiedades de losfluidos............................................................. 17 2.2.1 Densidad específicao absoluta............................................... 17 2.2.2 Pesoes p e cí f ic o ....................................................................... 18 2.2.3D e n s i d a d relativa..................................................................... 18
2.2.5 Comprensibilidad de losl í q u i d o s ............................................. 19 2.2.6Viscosidad............................................................................... 20 2.2.6.1Viscosidaddinámica............................................................ 20 2.2.6.2 Viscosidadc in e m á ti c a ......................................................... 23 2.2.7T e n si ó n superficial................................................................... 24 2.2.8 Fluidoideal .............................................................................. 26 2.3Presión........................................................................................... 27 2.3.1 Propiedades de la presión (Estáticamenteh a b l a n d o ) ............. 27 2.3.2 Tipos de presión (Atmosférica, manométrica, absolutay vacío) 28 2. Ecuaciónd e c o n t i n u i d a d.......................................................
......... 28 2.5 Ecuación de la cantidadd e movimiento......................................... 29 2.6 Ecuación de laenergía.................................................................. 30 2.7 Pérdidas de energíap o r rozamiento.............................................. 31 2.7.1P é rd i d as primarias............................................................ ....... 32 2.7.2 Pérdidass ec u n d a ri as .............................................................. 33 2.8 Número deReynolds ..................................................................... 34 2.8.1 Flujola min ar ............................................................................ 35 2.8.2F l u j o t u r b u l e n t o..................................................... ................... 35
3.1 Definición de máquinahidráulica................................................... 37 3.2 Clasificación de lasmáquinashidráulicas...................................... 37 3.3 Principio de desplazamientopositivo............................................. 39 3.
EcuacióndeEuler.......................................................................... 40 3.5Bombas.......................................................................................... 43 3.5.1 Clasificación de las bombasr o t o d i n á m i c a s ............................. 44 3.5.2 Bombas radiales, axialesy mixtas........................................... 45 3.6 Cargas en un sistema debom be o................................................. 45 3. Potenciasyrendimientos............................................................... 46 3.8C u r v a s características....................................................... ............. 47 3.8.1 Curvas del a bomba................................................................. 47 3.8.2 Curva de pérdidas de carga en els i s t e m a .............................. 48 3. Velocidade s p e c í f i c a........................................................
............ 49 3.10 Selección deb o m b a s ................................................................... 50 3. Combinaciónd e b omb as. ... .. .. ... .. ... .. .. ... .. ... .. .. ... .. ... .. .. ... .. ... .. .. .... .. 51 3.11. Bombase n paralelo............................................................... 51 3.11. Bombase n serie.................................................................... 52
RESUMEN 4
La cavitación es uno de los problemas más temidos en el área de hidráulica. Es un fenómeno físico que consiste en la formación de burbujas en el fluido (líquido), debido a una depresión que se encuentra por debajo del punto de saturación (presión de vapor) propio del fluido que sebombea. Representa, literalmente hablando, un ataque al corazón de la bomba (impulsor). Afecta el funcionamiento de las bombas centrífugas, disminuyendo el rendimiento de la instalación; también provoca que el equipo presente ruidos y vibraciones, lo cual influye directamente en los costos de mantenimiento. Los profesionales de las plantas de bombeo u encargados del mantenimiento de los equipos, deben estar capacitados para detectar los signos de cavitación, identificar la causa que la produce para así eliminarla o atenuarla. Una comprensión correcta de las variables que determinan dicho fenómeno, permitirá mantener un margen de seguridad para evitar en la medida de lo posible que dicho fenómeno llegue a presentarse en los equipos debombeos. Éste trabajo es un estudio minucioso del fenómeno de la cavitación. En él se muestran las características principales de dicho fenómeno en las bombas centrífugas, las etapas de formación, los efectos que ésta produce, la deducción matemática de la ecuación que la sustenta, un análisis de las diferentes variables que influyen para que dicho fenómeno se presente y ciertos criterios de solución y control. El análisis de las variables muestra la aplicación de la ecuación de cavitación, para esclarecer la visión y la comprensión de éstas. Hay variables que podremos controlar para lograr la atenuación de dicho fenómeno, aunque ciertamente, el control de dichas variables, es una función propia de las características de lai n s t a l a c i ó n.
ABSTRACT 5
Cavitation is one of the most feared problems in the area of hydraulics. Is a physical phenomenon which consists in the formation of bubbles in the fluid (liquid), due to a depression below the saturation point (vapor pressure) of the fluid itself beingpumped. Represents, literally, an attack to the pump's heart (impeller). Affects the operation of centrifugal pumps, reducing the performance of the installation; also causes in the equip noise and vibration, which directly affects maintenance costs The professionals pumping of the plants should be trained to detect signs of cavitation, identify the cause that produces it so eliminate or attenuate. A correct understanding of the variables that determine this phenomenon, will maintain a safety margin to avoid as far as possible that this phenomenon reaches occur in pumping equipment. This work is a detailed study of the phenomenon of cavitation. It shows the main features of the phenomenon of cavitation in centrifugal pumps, the stages of this phenomenon, the effects it produces, mathematical deduction of the equation that supports it, an analysis of the different variables that generate this phenomenon and certain criteria and controls o l u t i o n. The analysis of the variables shows the application of the equation of cavitation, thus clarifying vision and their understanding. There are variables that we can control to achieve attenuation of this phenomenon, but certainly, the control of these variables depends of the characteristics of theinstallation.
OBJETIVOSP A R T I C U L A R E S
NOMENCLATURA
A Área D Diámetro m Masa Vm Volumen g Aceleración de lag r a v e d a d DR Densidadrelativa E Módulo de elasticidadv o l u m é t r i c a F Fuerza H Carga útil de lab o m b a Hr Pérdidastotales Hu Ecuación de Euler (Cargat e ó r i c a ) L Longitud M Momentohid rá ulico Q Caudal P Presión Pa Potencia dea c c i o n a m i e n t o Pu Potenciaútil Re Número deReynolds t Tiempo V Velocidad p Densidad T Esfuerzocortante
10
CAPÍTULO 1 ESTUDIO DEL ARTE 2 1.1 Historia La cavitación es un fenómeno típico de las bombas y las turbinas hidráulicas (flujo incomprensible, de agua o de otro líquido), pero no excluyente de dichasmáquinas. La presencia de este fenómeno en las máquinas hidráulicas representa una problemática de relevada importancia que repercute en la eficiencia y el desempeño de los equipos y que incluso puede causar el deterioro parcial o total de losmismos. La cavitación afecta a los álabes de las bombas como de las turbinas hidráulicasy,pese a que sus causas y efectos han sido estudiados ampliamente a lo largo de los años, todavía hoy dan lugar a serios problemas def u n c i o n a m i e n t o. Con los trabajos de Euler (1754) se iniciaron los estudios sobre cavitación en hélices de barcos, pero su importancia en la industria no fue marcada hasta mediados del siglo XIX, cuando Reynolds (1873) investigó sus efectos sobre las hélices. En las últimas décadas la tecnología del diseño de bombas centrífugas y turbinas ha tenido un avance importante, el cual sumado a los incrementos en los costos de fabricación, ha llevado a fabricar equipos con mayores velocidades específicas para minimizar esta influencia, lo que determina un incremento en el riesgo de problemas en la succión, especialmente cuando estas operan fuera de su condición ded i s e ñ o. 1.2 Definición dec a v i t a c i ó n La palabra cavitación proviene 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 líquido. Algunos autores que han estudiado este fenómeno han definido que la cavitación consiste en la formación de vapor de agua a causa del descenso local de la presión por debajo de la presión de saturación del fluido a la temperatura del líquido, la subsecuente condensación brusca, produciendo golpeshidráulicos. Una manera simple de definir la cavitacióne s : “La formación y posterior colapso (implosión) de burbujas de gas(cavidades) en el seno de unl í q u i d o ”.
