PCH- CAVITACION

8/8/2019 PCH- CAVITACION

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PEQUEAS CENTRALES HIDRULICAS1

Ing. Ariel R. Marchegiani

CAVITACION

La cavitacin es un fenmeno muy importante de la mecnica de los fluidos y de particular

influencia en el funcionamiento de toda maquina hidrulica.

En las ltimas dcadas la tecnologa del diseo de turbinas y bombas centrfugas ha tenido un

avance importante, el cual sumado a los incrementos en los costos de fabricacin, ha llevado a

desarrollar equipos con mayores velocidades especficas para minimizar esta Influencia, lo que

determina un incremento en el riesgo de problemas en la succin, especialmente cuando operan

fuera de su condicin de diseo.

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 inversin

inicial.

Si en la etapa previa slo se suministran los valores de caudal, la altura de impulsin y el fluido la

seleccin del equipo quedar en manos del fabricante que tratar de cotizar el equipo de menor

precio. Pero, no existirn otros parmetros que deban ser tomados en cuenta?

Claro que s, nadie como el usuario ha de conocer la instalacin por la cual ha de operar la bomba

y es ms, es probable que el sistema diseado para la succin, debido a una solucin econmica

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 fenmeno, su mecnica y los ltimos

avances en investigacin sobre el tema. Adems se presentan los diferentes coeficientes que

caracterizan al fenmeno y que influirn en la seleccin de una bomba y en el diseo de una

sistema de bombeo.

DEFINICIONES

Por CAVITACION se entiende la formacin de bolsas localizadas de vapor dentro del liquido,

pero casi siempre en las proximidades de las superficies slidas que limitan el liquido.

En contraste con la ebullicin, la cual puede ser causada por la introduccin de calor o por una

reduccin de la presin esttica ambiente del lquido, la CAVITACION es una vaporizacinlocal del liquido, inducido por una reduccin hidrodinmica de la presin. (Figura 1).


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CAVITACIN2

Catedra de Mquinas Hidrulicas

Figura 1: Comparacin entre Ebullicin y Cavitacin

Esta zona de vaporizacin local puede ser estable o pulsante, y esto altera usualmente el campo

normal del flujo. Este fenmeno se caracteriza, entonces, por la formacin de bolsas (de vapory gas) en el interior y junto a los contornos de una corriente fluida en rpido movimiento.

La condicin fsica fundamental para la aparicin de la cavitacin es, evidentemente, que la

presin en el punto de formacin de estas bolsas caiga hasta la tensin de vapor del fluido en

cuestin. Puesto que las diferencias de presin en mquinas que trabajan con lquido son

normalmente del mismo orden que las presiones absolutas, es claro que esta condicin puede

ocurrir fcilmente y con agua fra, donde la presin de vapor es de alrededor de 20 cm sobre el

cero absoluto.

Las regiones de depresin local solo pueden existir como consecuencia de la accin dinmica del

movimiento, y una forma de esta accin proviene de la inevitable conversin de la presin enenerga cintica.

Las consecuencias , mejor dicho, los fenmenos acompaantes de la cavitacin, tal como

prdida de slidos en las superficies lmites (llamado erosin por cavitacin o PITTING), ruidos

generados sobre un ancho espectro de frecuencias (frecuencia de golpeteo: 25.000 c/s),

vibraciones, prdidas y alteraciones de las propiedades hidrodinmicas pueden - con pocas

excepciones - ser consideradas como perjudiciales y por lo tanto indeseables. Por lo tanto este

fenmeno debe ser evitado o, como mnimo, puesto bajo control.


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Los efectos no perjudiciales de la cavitacin incluyen su uso para limpieza, o en bombas de

condensacin donde la cavitacin puede ser utilizada como regulador de flujo.

La cavitacin destruir toda clase de slidos: los metales duros, concreto, cuarzo, metales nobles,

etc.

Sin embargo la cavitacin no constituye un fenmeno inevitable, sino un efecto que debe ser

juzgado y evaluado desde el punto de vista econmico.

En el caso de las turbomquinas hidrulicas la cavitacin es un factor determinante, marcando el

lmite ms bajo para el tamao de la mquina y tambin el lmite ms alto para la velocidad del

flujo medio (velocidad persferica del rotor).

De este modo, para una dada altura y un dado caudal la mquina con el ms alto Nmero

Especfico (Velocidad Especfica) tendr menores dimensiones, menor peso y ms bajo costo;pero por otro lado, la cavitacin marca un lmite superior para la velocidad especfica que no

debe ser exedido.

La cavitacin se divide en el proceso de formacin de burbujas y en el de implosin de las

mismas.

Resistencia a la Traccin y Nucleacin

De acuerdo a lo expuesto surge el interrogante de cmo aparecen estas burbujas aparecen.

A fin de producir una cavidad en un lquido, debe primero ser estirado y posteriormentedesgarrado. Si el lquido es considerado como un slido, esto es inducido por un esfuerzo de

traccin. Por lo tanto, la facultad de un lquido de soportar este esfuerzo de traccin es llamado

RESISTENCIA A LA TRACCION. La FIGURA 2 muestra la capacidad del agua de tener una

presin negativa (ej: esfuerzo de traccin) [1].

figura 2: Resistencia a la Traccin Terica soportada por el agua


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CAVITACIN4


Estos son valores mnimos tericos para agua absolutamente pura. As, bajo ciertas condiciones

el agua pura puede soportar muy altas tensiones de traccin, o presiones negativas, mucho ms

bajas que la presin de vaporizacin. Esta clase de agua, capaz de soportar tensiones de traccin

de ms de 250 bar a temperatura ambiente, (125.000 veces ms bajas que la presin de vapor)

puede ser producida solamente en laboratorios altamente especializados.

Bajo tensiones de traccin un lquido generalmente se separa a la presin de vapor. El hecho de

que las tensiones de traccin antes mencionadas, y que el comienzo de la cavitacin se

produzca con el arribo a la tensin de vapor, conduce a la suposicin de que las impurezas

deben estar presentes en el lquido. Estos son comnmente llamados NUCLEOS.

El inicio de la cavitacin se debe a dichos puntos de "rotura del lquido llamados "cavidades" ( de

aqu el nombre del fenmeno).

La tensin necesaria para "romper" o "fracturar" el lquido, es decir vencer a las fuerzas decohesin intermoleculares es, como se dijo anteriormente, enorme.

Clculos tericos, como los de Fisher [3] los cuantifican, para el agua pura a 10C en 1000 bar;

aunque resultados experimentales como los de Briggs [2] lo han logrado a 277 bar.

Pero el fenmeno de cavitacin ocurre precisamente a bajas presiones, ello quiere decir que en la

prctica los lquidos ya estn "desgarrados". A estas fracturas previas se las denomina "ncleos

de cavitacin" mencionados anteriormente, y son los iniciadores del proceso.

Estos ncleos son diminutas burbujas de gases adheridas a materiales slidos presentes en los

lquidos, burbujas retenidas en fisuras en los conductos de transporte del mismo, o gasesabsorbidos por el lquido.

Estos ncleos al ser sometidos a una zona de baja presin comienzan a expandirse. Si an sigue

disminuyendo la presin en una magnitud tal que se alcance la presin de vapor del fluido a la

temperatura respectiva, entonces el lquido que rodea a este ncleo (micro burbuja) se vaporiza y

comienza a crecer hasta que se hace visible en forma de burbuja.

Si en el lquido hay disuelto otros gases, ellos tambin pueden colaborar en formar esta cavidad

por difusin de los mismos, cuando las condiciones fsicas (de presin y temperatura) lo

permitan.

TIPOS DE CAVITACION:

Por lo dicho precedentemente hay dos tipos de cavitacin, uno con flujo y otro estando el

lquido esttico:

(a) Cavitacin por flujo

(b) Cavitacin por ondas

Ejemplos del tipo (a) los tenemos en tuberas donde la presin esttica del lquido alcanza valores

prximos al de la presin de vapor del mismo, tal como puede ocurrir en la garganta de un


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tubo venturi, a la entrada del rodete de una bomba centrfuga o a la salida del rodete de una

turbina hidrulica de reaccin.

Los ejemplos del tipo (b) aparecen cuando estando el lquido en reposo, por l se propagan ondas,

como las ultrasnicas [3] denominndose Cavitacin Acstica, o tpicas ondas por reflexin

sobre paredes o superficies libres debido a ondas de compresin o expansin fruto de explosiones

y otras perturbaciones como en el caso del golpe de ariete, denominadas Cavitacin por Shock

[4].

CONTENIDO DE AIRE

Los altos contenidos de gas parecen favorecer el comienzo de la cavitacin, debido a que

originan una mayor cantidad de burbujas. Por otra parte un contenido levado de aire (presin

parcial de aire) disminuye la velocidad de implosin.

Con un contenido bajo de gas se demora el comienzo de la cavitacin, ya que la resistencia a la

traccin del agua en este caso comienza a jugar un papel considerable. Para un contenido

de un 10% del valor de saturacin la cavitacin comienza al alcanzar la presin de vapor. Con

elevados contenidos de aire la presin para el comienzo de la cavitacin es superior a la

presin de vapor, ya que en este caso el crecimiento de las burbujas est favorecido por la

difusin de gas en el lquido [6].

IMPLOSION DE LA BURBUJA

La bolsa, ya aumentada de tamao, es arrastrada a una regin de mayor presin y finalmente

estalla, mejor dicho, IMPLOTA. Esta accin peridica est generalmente asociada a un fuerteruido crepitante.

El aumento de tamao de las burbujas o bolsas reduce los pasajes aumentando as la velocidad

de escurrimiento y disminuyendo por lo tanto ms aun la presin. Tan pronto como la presin

en la corriente supera la tensin de vapor despus de pasar la seccin ms estrecha , se

produce la condensacin y el colapso de la burbuja de vapor. La condensacin tiene lugar

instantneamente. El agua que rodea a las burbujas que estallan golpean entonces las paredes

u otras partes del fluido, sin amortiguacin alguna.

Teniendo en cuenta la condensacin del vapor, con distribucin espacial uniforme y

ocurriendo en un tiempo muy corto, puede ser tomado por cierto que las burbujas nocolapsan concntricamente.

Se ha analizado el desarrollo de una burbuja en la vecindad de una pared, tericamente, y

calculado el tiempo de implosin y la presin demostrndose que la tensin superficial

acelera la implosin y aumenta los efectos de la presin.

Muchos efectos trae aparejado el colapso de la burbuja, relacionados con los diferentes

parmetros tales como la influencia del gradiente de presin, la deformacin inicial en la forma

de la burbuja, velocidad del fluido en la vecindad de los lmites slidos, etc.


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CAVITACIN6


En estos estudios puede ser tomado como vlido que las cavidades no colapsan

concntricamente en la vecindad de una pared. Se forma un 4micro-jet 1que choca con la

superficie slida donde trasmite un impulso de presin, como se ve en la Figura 3.

Figura 3 : Colapso de una Burbuja con la subsecuente Formacion del Jet.

Coeficiente de Cavitacin y Altura de Aspiracin

En el caso de las turbomquinas ser conveniente hallar una expresin del coeficiente de

cavitacin en funcin de parmetros hidrulicos conocidos de la mquina, poniendo especial

nfasis en las leyes de similitud que incluyen a las presiones o saltos, ya que la cavitacin es una

funcin de estas condiciones.

Obviamente, la cavitacin se producir en el lado de baja presin del rotor. Por lo tanto laaltura o energa disponible en esa parte de la mquina, ALTURA DE ASPIRACION (hs) es de

vital importancia. Luego, para una determinada velocidad angular y determinado caudal el

comportamiento de la mquina a la cavitacin es una funcin de esta altura de aspiracin (hs).

La altura de aspiracin puede definirse como la distancia vertical entre el eje de la maquina y el

pelo de agua, aguas abajo de la maquina. Esta ser positiva si el eje se encuentra por encima del

pelo de agua y negativa en caso contrario Figura 4 [7].

La Comisin Electrotcnica Internacional especifica la manera correcta de considerar la altura de

aspiracin para los diferentes tipos de turbinas de reaccin, como muestra la Figura 5.

La altura "geodsica" de aspiracin de la figura 4 no determina por s sola la aparicin de la

cavitacin, sino la denominada "altura dinmica de aspiracion" que se puede determinar

aplicando la ecuacin de Bernoulli entre los puntos A y B de la bomba de la figura 4.


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Figura 4

Figura 5

atAss

Ap

g

cjh

p=+++

2

2*

Siendo:

pA*= Presin absoluta en el punto A.

c A = velocidad del fludo en el punto A.


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CAVITACIN8


js = Prdida de carga en el tubo de aspiracin.

pat = Presin atmosfrica ( presin en el punto B).

hs = Altura geodsica de aspiracin.

Llamando Altura Practica de Aspiracin 1a Hs = hs + js y despejando pA*

/, tenemos:

g

cH

ppA

satA

2

2

=

*

Sin embargo el punto A no es necesariamente aquel en que se obtendr la menor presin

absoluta de la mquina. Ese valor mnimo se producir en algn punto M dentro del rotor. Entre

A y B habr una diferencia de presin que, condicionada por el sistema de trazado de labes,

para mquinas homlogas o similares, depender de la diferencia de velocidades entre los

respectivos puntos. Tomando c como velocidad de comparacin podremos escribir:

g

ck

ppABA

2

2

=

**

de donde

g

ckH

p

g

ck

ppA

satAAB

21

2

22

)(

**

+==

Cuando la presin pB* alcanza el valor de la tensin de vaporizacin pv

* , el lquido comienza a

evaporarse, inicindose la cavitacin .

Designando a la altura correspondiente al inicio de la cavitacin como "altura de aspiracin

critica" (Hsc), se tiene:

g

ckH

ppA

scatv

21

2

)(

*

+=

O trasponiendo trminos

svcA

scvat H

g

ckH

pp=+=

21

2

)(

*

Por lo tanto podr obtenerse unaaltura dinamica de aspiracion :

svsvat HH

pp=

*


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donde la altura practica de succin deber ser menor que la crtica, para que no se evidencie la

cavitacin.

Si se divide la altura dinmica de aspiracin crtica por el cambio total de energa a taves de la

mquina, H, se obtiene una cifra adimensional denominada "Numero de Thoma" o "Numero

de cavitacin" critico:

( )

H

H

gH

ck

H

HhhsvcAscvat

c=+=

=

21

2

)(

Por lo tanto se puede decir que:

( )c

scvatinst

H

Hhh

=

La cifra de cavitacin as definida se transforma en un parmetro indicativo del margen de

seguridad de funcionamiento de la mquina con respecto a la cavitacin. Mientras inst sea

mayor que c los efectos de la cavitacin no se harn sentir. [7]

Tanto el valor de hat como el valor de hv debern corregirse de acuerdo a las condiciones locales

del lugar donde se produce el fenmeno.

El valor de hat variar de acuerdo a la altitud tal como se ve en la siguiente tabla 2 [12].

PRESION ATMOSFERICA

ALTITUD (m) hat (mm Hg) hat(m H20)

0 760.00 10.351

500 715.99 9.751

1000 674.07 9.180

1500 634.16 8.637

2000 596.18 8.120

2500 560.07 7.628

3000 525.75 7.160

3500 493.15 6.716

4000 462.21 6.295

La magnitud hv, es decir, la altura correspondiente a la tensin de vapor, estar influenciada

por la temperatura del fluido segn se muestra en la siguiente tabla:

TENSION DE VAPOR

TEMPERATURA (C) hv (m)

5 0.0089

10 0.125

15 0.174

20 0.239

25 0.324


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Luego, para obtener un valor ms acertado de se debern tener en cuenta dichas correcciones.

Volviendo a la ecuacin anterior, si se observa el segundo miembro, donde cA puede

sustituirse por cualquier otra velocidad fluida caracterstica, pone de manifiesto claramente que

el coeficiente de cavitacin es un parmetro de similitud de funcionamiento de las mquinas

a la cavitacin. En puntos homlogos (H,Q) de funcionamiento, dos mquinas

geomtricamente semejantes se caracterizan por el mismo valor de crit. Por lo tanto, la cifra de

cavitacin crtica variar en funcin del nmero especfico.

El proyectista encargado de realizar el anteproyecto de un sistema de bombeo tiene como datos

los valores de presin y caudal. El primer problema que se le plantea, es la determinacin del

tipo de bomba y la fijacin de la velocidad de giro. Como se sabe, a mayor velocidad menor

tamao de la mquina. Sin embargo, como ya se dijo, la necesidad de evitar la cavitacin

pone un lmite al incremento de velocidad. Luego, ser de inters poder conocer de manerarpida el valor del coeficiente de cavitacin que asegure la no ocurrencia de la cavitacin.

La larga experiencia de los fabricantes, apoyada por innumerables ensayos de laboratorio, ha

trado consigo, al correr de los aos, una gradual disminucin de los coeficientes de

cavitacin.

Determinacion De Los Limites De Cavitacion - Punto De Incepcion.

Ya que la erosin por cavitacin es capaz de destruir partes vitales de la mquina en corto

tiempo es importante determinar el valor admisible de cavitacin.

Los mtodos experimentales de estudio de la perfomance de una mquina con respecto a la

cavitacin difieren principalmente en el fenmeno fsico seleccionado para determinar y

evidenciar el comienzo de la cavitacin. De acuerdo a esto pueden diferenciarse tres mtodos de

deteccin del fenmeno [5]:

1.- Por el cambio en el rendimiento hidrulico de la mquina, puesto de manifiesto en la

variacin de la altura, potencia, caudal, etc.

2.- Por observacin visual o fotogrfica de las bolsas de vapor o burbujas en los labes del rotor.

3.-Por observacin y medicin de los ruidos y vibraciones que acompaan el funcionamientode la mquina.

De los tres mtodos mencionados, el ms exacto o el que mejores resultados de valor prctico

produce es el primero.

Pero el cambio en el rendimiento hidrulico no es suficientemente confiable por si solo como

indicacin de la cavitacin, ya que en ocasiones ruidos apreciables y tras indicaciones del

fenmeno pueden aparecer sin acompaamiento de cambios en dicho rendimiento.

Consecuentemente, parte de los ensayos se compensan por los otros mtodos mencionados.


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Los ensayos para la determinacin de la cavitacin por estudio del rendimiento hidrulico son

llevados a cabo de la siguiente manera:

La altura total de succin de la mquina es reducida gradualmente manteniendo constantes las

otras condiciones de funcionamiento. Algunos cambios producidos en la altura, potencia, caudal

o rendimiento pueden ser atribuidas a la cavitacin.

La Figura 6 muestra esquemticamente como el flujo relativo determina las formas de

cavitacin en una bomba.

Figura 6

Esto se refleja en los grficos de ensayo, como el de la Figura 7 donde se representan el

rendimiento, la potencia especfica y el coeficiente de presin como una fusin del

coeficiente de cavitacin s. En la parte superior de la figura pueden apreciarse los diagramas que

muestran la extensin del campo de burbujas sobre el lado de baja presin del perfil.

Se ve en esta figura que el valor de s que representa la operacin libre de cavitacin de la

mquina es aproximadamente cuatro veces ms grande que el scrit en este caso. En otros casos

este valor puede llegar hasta cinco veces el del valor crtico. Observando detenidamente la curva

puede verse que a valores elevados de Hsv, los puntos obtenidos en el ensayo permanecen

prcticamente constantes indicando que en este rango no se afecta el rendimiento de la mquina.

Al llegar a puntos de reducida altura de aspiracin se empezarn a evidenciar perturbaciones en

la altura, potencia y otras caractersticas de operacin.

El punto donde estas perturbaciones comienzan a evidenciarse se denomina "PUNTO DE

INCEPCION", y marca el comienzo aparente de la cavitacin (aunque se conoce que por encima

de estos lmite la mquinas a veces no operan libre de cavitacin).

Cuando la curva caracterstica del ensayo cae abruptamente se llega al denominado "PUNTO DE

FALLA" (breakdown point). En este punto las bolsas de vapor formadas por el descenso de la

presin ocupan un considerable espacio de la seccin del labe reduciendo la presin y

produciendo efectos inestables.


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CAVITACIN12


figura 7

Algunas veces se hace dificultoso poder definir exactamente el scrit ya que las curvas suelen

mostrar formas de difcil anlisis. La Figura 8 muestra 4 formas comunes de curvas.

Si estas curvas son utilizadas para determinar la geometra de la mquina es importante efectuar

las siguientes definiciones, de acuerdo con el Comit Elctrico Internacional:

El valor de al cual aparece cavitacin incipiente se denomina b ( behind).

El s ms bajo al cual el rendimiento no es an afectado por la cavitacin es 0 .


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figura 8

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