UNIVERSIDAD DE COSTA RICA

ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL

FACULTAD DE INGENIERÍA

Laboratorio de Hidráulica

Informe 1Cavitación

Tabla de Contenido

1. Objetivo..................................................................................................................................................2

2. Teoría.....................................................................................................................................................2

3. Resultados anticipados...........................................................................................................................2

4. Equipos..................................................................................................................................................2

5. Procedimiento........................................................................................................................................2

6. Resultados..............................................................................................................................................2

7. Discusión................................................................................................................................................4

8. Conclusiones..........................................................................................................................................4

9. Fuentes de información..........................................................................................................................4

10. Apéndices...........................................................................................................................................4

Tabla de Figuras

Figura 1. Presión 2 en función del caudal.....................................................................................................3

Figura 2. Presión 2 vs peso específico en función del caudal.......................................................................4

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1. Objetivo Demostrar las condiciones para que la cavitación ocurra

Mostrar la aparición de la cavitación y su sonido característico

2. TeoríaLa cavitación se da por un proceso de vaporización y condensación rápida de un líquido en determinadas

condiciones, cuando este es sometido a presión de vapor se da un cambio de dos etapas, en la fase uno

pasa del estado líquido a gaseoso, mientras que en la fase dos pasa del estado gaseoso al líquido. La

cavitación puede ocurrir cuando el líquido alcanza la presión de vapor por lo que se forman burbujas o

cavidades que viajan a zonas con una presión mayor por lo que se comprimen, regresando al estado

líquido de manera súbita al aplastarse la burbujas, lo que produce una estela de gas que puede dañar las

tuberías, es un proceso físico similar a la ebullición, con la diferencia de que es causada por una caída de

presión bajo la presión de vapor a nivel local, mientras que la ebullición se da por sobre la presión

ambiental.

Para medir la cavitación en el laboratorio se utiliza una tubería que presenta una contracción súbita al

pasar de un diámetro de 25mm a 3mm, por lo que al haber una disminución de área para un caudal

constante la velocidad del agua aumenta, por la ecuación de Bernoulli se tiene que al aumentar la

velocidad debe haber un descenso de presión para mantener constante la cantidad de energía, al caer la

presión por debajo de la presión de vapor ocurre el fenómeno explicando anteriormente. Para comprobar

esta teoría se toman mediciones de presión antes y después de la contracción y se comparan con las

obtenidas por la ecuación de Bernoulli a partir de la presión 1, además de compararse con la presión de

vapor para comprobar si es menor y por lo tanto ha pasado al estado gaseoso.

3. Resultados anticipadosSe espera que la presión 2 sea menor a la presión de vapor, dado a que la contracción provocaría un

aumento en la velocidad y al ser un caudal constante esto provocaría un descenso en la presión, al ser

menor que la presión de vapor se presentaría la primera fase del proceso de cavitación, la cual es la

vaporización. Por lo tanto se espera que la presión de vapor sea menor a 23.776 mm Hg o 3169.87 Pa

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4. Equipos Equipo de Venturi, Bernoulli y cavitación

Cronómetro

Bomba hidráulica

Manómetro

Vacuómetro

5. Procedimientoa. Se enciende la bomba y se abre lentamente toda la válvula de control de flujo.

b. Se anota la presión observada en el manómetro y en el vacuómetro.

c. Se debe esperar a que se estabilice el flujo.

d. Se mide el caudal directamente.

e. Se mide la temperatura del agua.

f. Se debe reproducir la prueba variando la presión en el manómetro con el fin de realizar varias

mediciones.

g. Se aumenta el caudal hasta alcanzar el caudal máximo.

h. Se observa como cesa la cavitación con el aumento de la presión.

6. Resultados Para el cálculo de las velocidades se utilizó la fórmula de

V 1=Q

Área1=

Q∗0,00160

π4∗0,0252

V 2=Q

Área2=

Q∗0,00160

π4∗0,0032

Para calcular la presión 2 se utilizó la ecuación de Bernoulli

P 1γ

+z1+ V 12

2 g= P2

γ+z2+ V 22

2g+Kl V 12

2gComo z1=z2

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P 2=( P 1γ

+ V 22

2g−( Kl+1 ) V 12

2 g )∗γ

Se utilizó un valor de k=0,5 para contracción de tubería y un k=1 para entradas. A continuación se muestra el Cuadro 1 con los datos obtenidos experimentalmente.

Cuadro 1. Datos experimentales

Medición Temperatura (°C) Caudal (l/min) Manómetro (Bar) Vacuómetro (Bar)1 26 0,19 0,9 0,312 26 0,2 1 0,363 26 0,208 1,1 0,394 26 0,217 1,2 0,425 26 0,22 1,3 0,42

En el Cuadro 2 se muestran los resultados obtenidos para la presión 2 calculadas de manera teórica por medio de la ecuación de Bernoulli como se explicó con anterioridad, así como el porcentaje de error entre la presión 2 experimental y teórica.

Cuadro 2. Resultados obtenidos para el ensayo

Q(m3/s)

P1

(mca)P2

(mca)V1

(m/s)V2

(m/s)v1

2/2g (m)

v22/2g (m)

P2 teórico (mca) Error

3,17E-06 191325 70325 0,0065 0,4480 2,12E-06 1,02E-02 191425,4 63%3,33E-06 201325 65325 0,0068 0,4716 2,35E-06 1,13E-02 201436,2 68%3,47E-06 211325 62325 0,0071 0,4904 2,54E-06 1,23E-02 211445,3 71%3,62E-06 221325 59325 0,0074 0,5117 2,77E-06 1,33E-02 221455,9 73%3,67E-06 231325 59325 0,0075 0,5187 2,84E-06 1,37E-02 231459,6 74%

En la Figura 1 se muestra la relación entre la Presión 2 absoluta y el caudal del sistema, se observa como la presión al aumentar el caudal, así como P2/2g en función del caudal, en ambos casos se muestra un comportamiento decreciente, que al aunarse al cambio de diámetro hace más probable la aparición de presiones negaticas y por lo tanto de cavitación.

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Figura 1. Presión 2 en función del caudal

Figura 2. Presión 2 vs peso específico en función del caudal

En el Cuadro 3 a continuación se muestra una comparación de la presión de vapor con la presión 2.

Cuadro 3. Comparación entre presión de vapor y presión 2

Pvapor absoluta (Pa)

P2 absoluta experimental(Pa)

Pvapor-P2(Pa)

104688,85 70325 34363,85104688,85 65325 39363,85104688,85 62325 42363,85104688,85 59325 45363,85104688,85 59325 45363,85

7. Discusión

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Se observa en el Cuadro 2 que los errores son mayores al 50% esto puede deber a la dificultad de medir

con una buena precisión en los equipos y a la falta de practica de los experimentadores para controlar la

prueba, se observó además que en las mangueras que conectaban el tubo venturi con el manómetro y el

vacómetro se encontraban burbujas de aíre que pudieron afectar las mediciones reales, al existir presiones

negativas en la contracción el aire entraba con mayor facilidad y a pesar de que trato de corregir esta

fuente de error purgando las mangueras, al repetir el experimento la presión negativa provocaba un efecto

de succión que introducía el aire para compensar el vacío, por lo que se puede justificar las variaciones

entre la presión esperada y la medida.

Como ya se mencionó con anterioridad, en la Figura 1 y en la Figura 2 se aprecia como la presión

disminuye con el caudal, lo cual es coherente con ley de conservación de Bernoulli.

Se observa además en el Cuadro 3 que la presión 2 experimental es menor a la presión de vapor y por lo

tanto, como se explicó anteriormente, se presenta vaporización y por lo tanto la contracción de las

burbujas de aire, lo que corresponde a la primera fase de la vaporización

8. ConclusionesSe observó el comportamiento del agua al pasar por una contracción y como el cambio de diámetro

aunado al aumento en la velocidad favorecen la caída de presión.

Se pudo observar como las presiones negativas provocaban la aparición de burbujas, así como

provocaban un efecto de succión de aire del ambiente, lo cual comprueba que las presiones eran menores

a la presión de vapor por lo tanto se observó la primera fase de la cavitación, la segunda fase de expansión

al comprimirse el vapor y regresar al estado líquido no se puede analizar por el peligro que representa al

equipo de laboratorio.

9. Fuentes de informaciónMuñoz, R. M. (2015). Laboratorio de Hidráulica General I. Cavitación. Universidad de Costa Rica.

Streeter, V. L., Wylie, E. B., & Bedford, K. W. (2000). Mecánica de Fluidos. México: McGrawHill.

Washburn, E. W. (2003). International Critical Tables of Numerical Data, Physics, Chemistry and

Technology.

Vaxasoftware (2015). Presión de vapor de agua líquida y hielo a varias temperaturas. Recuperado el

29 de setiembre del 2015 desde: http://www.vaxasoftware.com/doc_edu/qui/pvh2o.pdf

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