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INTRODUCCIÓN A LAS MÁQUINAS HIDRÁULICAS Prof. Jesús DE ANDRADE Prof. Miguel ASUAJE Enero 2009 CAVITACIÓN Definición Cavitación Cavitación Fenómeno que ocurre en una corriente de un fluido al disminuir la presión en un punto de la misma por debajo de la presión de vaporización "Pv", produciéndose burbujas de vapor (cavidades), las cuales al llegar a una zona aguas abajo, donde la presión sea superior a la Pv , implotan, ocasionando la erosión de las paredes del ducto en contacto con esta zona. Zona de Colapso Cavitación P T Ebullición C a v ita c ió n Vapor Líquido Cavitación ¿Por qué se produce Cavitación? • La presión sobre la superficie del líquido disminuye hasta ser igual o inferior a su presión de vapor (a la temperatura actual) • La temperatura del líquido sube hasta hacer que la presión de vapor sobrepase a la presión sobre la superficie de líquido Las burbujas de vapor se forman dentro de la bomba cuando la presión estática en algún punto baja a un valor igual o menor que la presión de vapor del líquido Factores que Afectan la Aparición de Cavitación •Temperatura del Fluido •Contenido de Gases Disueltos •Naturaleza del Fluido (contenido de sólidos en suspención) Nucleación de Burbujas Cavitación Dos condiciones en las que la presión de la bomba puede bajar hasta un nivel inferior al presión de vapor: 1. Porque la caída de presión actual en el sistema externo de succión es mayor que la que se consideró durante el diseño del sistema. (Es una situación bastante corriente). Esto resulta en que la presión disponible en la succión de la bomba (NPSHd) no es suficientemente alta para suministrar la energía requerida para superar la caída de presión interna (NPSHr) propia del diseño de la bomba. 2. Porque la caída de presión actual dentro de la bomba (NPSHr) es más grande que la informada por el fabricante y que se usó para seleccionar la bomba. Consecuencia de la cavitación Cavitación Cavitación Dos tipo de burbujas: Burbujas de vapor: se forman debido a la vaporización del líquido bombeado. La cavitación inducida por la formación y colapso de estas burbujas se conoce como Cavitación Vaporosa. Burbujas de gas: se forman por la presencia de gases disueltos en el líquido bombeado (generalmente aire pero puede ser cualquier gas presente en el sistema). La cavitación inducida por la formación y colapso de estas burbujas se conoce como Cavitación Gaseosa. DAÑOS POR CAVITACIÓN http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d7/Turbine_Francis_Worn.JPG http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Kavitation_at_pump_impeller.jpg Daños por cavitación en una bomba vertical. a) Impulsor, b) Campana de succión Cavitación Presión de Implosión de las Burbujas P = a · r · c [ Kgf/ m2] donde: a Velocidad del sonido en el medio [m/s] c Velocidad de Implosión [m/s] r Densidad del medio [ Kgf·s2/m4] c (2P ( R R ) 1 3 )o o 3 0.5 r Ro radio de la burbuja antes de la implosión [m] R radio de la burbuja después de la implosión [m] Po Presión del liquido lejos de la zona de burbujas ~ NPSHdisponible [ Kgf/m2] Cavitación Pérdida de Material por Cavitación V V K KV L 1 U1 m 2 U1o m U1 NPSH 2g U1 2 Vv Volumen de vapor VL Volumen de liquido K1,K2 Constantes para determinado material u1 Coeficiente de Cavitación U1 Velocidad periférica a la entrada del rodete. σu1o Coeficiente de Cavitación ( Sin Burbujas) σu1o~ 1.5 Teórico ; u1o ~1 Experimental m 6 @ 8 (constante) Energía Destructiva http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Kavitation_at_pump_impeller.jpg Cavitación G T V V K KV L 1 U1 m 2 U1o m ~ G T G T n2 n1 ( ) U U 12 11 6 Variación de la erosión en una B.C. con el cambio de la Velocidad periférica U1 Pérdida de Material por unidad de Tiempo [mgr/h] La cavitación y el desempeño Curvas de desempeño en bombas a varias alturas de succión con cavitación. Note lo rápido que comienza la cavitación Cavitación Definiciones Importantes Presión Estática P: La presión estática en una corriente de fluido es la fuerza normal por unidad de área actuando sobre un plano o contorno sólido en un punto dado. Describe la diferencia de presión entre el interior y el exterior de un sistema, despreciando cualquier movimiento en el líquido. Es una medida de la energía potencial de un fluido. Presión Dinámica Pd: El la presión ejercida por la energía cinética de un fluido (mv2/2). Es decir, es la presión que existiría en una corriente de fluido que ha sido desacelerada desde su velocidad “v” a velocidad “cero”. Presión Total Pt ó de Estancamiento Po: Es la suma de la presión estática más la dinámica. 2 2V PsPo r Cavitación – Net Positive Suction Head (NPSH) NPSH H P pts V Definición Altura de Presión Total a la entrada de la bomba 2g VP H 2 SS pts Altura de presión absoluta en la brida de succión Altura de presión absoluta en la brida de succión Zs Altura geodésica en la brida de succión 0 (bomba eje horizontal) Referida a la presión de vapor V 2 Ss P 2g VP NPSH 1 s Hs Cavitación – NPSHdisponible Altura de Succión: Cavitación – NPSHdisponible 1 s Hs Bernoulli entre 1 y s: S1S 2 SS 1 2 11 hfz 2g VP z 2g VP V 2 Ss P 2g VP NPSH Sumatoria de pérdidas en la tubería de succión 1 2 Con 1 y 2: NPSH P P + Z d 1 V 1 Z hf s s1 Hs = Z1-Zs S1 V S 1 d hf P H P NPSH Pérdidas Tubería succión Pérdidas Tubería descarga Succión Negativa Pérdidas tubería de succión Pérdidas tubería de descarga Succión Positiva Cavitación - NPSHrequerido 1 2 x V 2 11 r P 2g VP NPSH P W 2g U 2g z P W 2g U 2g z hf1 1 2 1 2 1 X X 2 X 2 X 1X P P1 X NPSH V 2g W - W 2g U - U 2g z + z hfr 1 2 X 2 1 2 1 2 X 2 X 1 1X Er1 = Erx + Shf1x Ec. Bernoulli Mov. Relativo Se tiene que Si… 0 PV y Cavitación - NPSHrequerido W - W 2g U - U 2g z + zX 2 1 2 1 2 X 2 X 1 ~ 0 Se puede decir que: hf W 2g 1 2 1X Las pérdidas son: NPSH V 2g W 2g r 1 2 1 2 Existen fórmulas empíricas muy utilizadas. i.e: Stepanoff, Sulzer Define el comienzo teórico de la cavitación Cómo Evitar Cavitación Se debe cumplir, sin excepción, las siguientes condiciones: a.- NPSHd > 0 b.- NPSHd > NPSHr c.- NPSHd / NPSHr ≥ Fs (1,3 - 1,5) d.- M = NPSHd – NPSHr ≥ 1 m ó 3 pies (Según norma) El nivel del tanque de succión respecto a la bomba Hs debe seleccionarse de manera que se cumplan “c” y “d” Control de la aparición de Cavitación •Disminuir Vs (aumentar diámetro succión) •Aumentar P1 •Aumentar Hs •Disminuir Disminuir en lo posible la longitud de la tubería de Succión Disminuir el número de accesorios Disminuir el número de codos y aumentar la curvatura de los mismos shf1 Voluta Boquilla de Descarga Boquilla de succión NPSH P H P hf d 1 S V 1S ../../../../../../../Miguel/videos/pump1a.swf http://www.carverpump.com/products.asp Ensayo de Cavitación Definición del NPSHR3% de la bomba Factor de seguridad: FS = 1,3....1,5 %3RNPSH DNPSH %3H iNPSH cteN cteQ H %3RSD NPSHFNPSH i Margen de seguridad DNPSH 5 10 15 20 25 30 0.05 1.05 2.05 3.05 4.05 5.05 6.05 7.05 A lt u ra [ m ca ] NPSHd [mca] 68 l/s 74 l/s 80 l/s 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 0.065 0.07 0.075 0.08 0.085 N P SH R [m ca ] Q [m3/s] Altura Vs NPSH D NPSH R Vs Caudal Ensayo de Cavitación Se obtiene Curvas Características en el Análisis de Reg. Cavitacional CAVITACIÓNLIBRE DE CAVITACIÓN Evaluación vía DFC Régimen Cavitacional Span 0.1 Span 0.5 Span 0.9 Fracción Vol. Vapor de Agua (Plano Rotacional) Distribución de la Fracción Volumétrica del Vapor Q= 80 l/s n=1000 rpmPS=30,0 kPa (NPSHd=2,8m) Span =0 (Cubo) Span =1 (Boveda) r z Span 0.1 Span 0.5 Span 0.9 Fracción Vol. Vapor de Agua (PlanoRotacional) PS=20,0 kPa (NPSHd=1,8m) Distribución de la Fracción Volumétrica del Vapor Q= 80 l/s n=1000 rpm Span =0 (Cubo) Span =1 (Boveda) r z Evaluación vía DFC Régimen Cavitacional Span 0.1 Span 0.5 Span 0.9 Fracción Vol. Vapor de Agua (Plano Rotacional) Distribución de la Fracción Volumétrica del Vapor Q= 80 l/s n=1000 rpmPS=12,2 kPa (NPSHd=1,12m) Span =0 (Cubo) Span =1 (Boveda) r z Evaluación vía DFC Régimen Cavitacional Fracción Vol. Vapor de Agua PS=62,68 kPa (NPSHd=6,17m) PS=50 kPa (NPSHd=4,8m) PS=30 kPa (NPSHd=2,8m) PS=20 kPa (NPSHd=1,8m) PS=14 kPa (NPSHd=1,19m) PS=12 kPa (NPSHd=1,12m) Q= 80 l/s n=1000 rpm Evaluación vía DFC Régimen Cavitacional Cavitación en Válvulas Cavitación Flashing
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