cavitacion -exposicion
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Presentacion del tema de Cavitacion, detallada y con imagenes.TRANSCRIPT
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS APLICADOS A LA CAVITACION
INTEGRANTES:
DOLORES ZUÑIGA JORDY
HUAMAN ANGELES PAUL JESUS
ODRIA RUBIO ANGELA CRISTINA
ROSALES LUNA JUAN CARLOS
TEODORO URETA KELVIN JHONATTAN
UBALDO FLORES DAVID
¿QUÉ ES LA CAVITACIÓN ?
La cavitación es un fenómeno físico, mediante el cual un líquido, en determinadas condiciones, pasa a estado gaseoso y unos instantes después pasa nuevamente a estado líquido.
La cavitación es un fenómeno muy frecuente en sistemas hidráulicos donde se dan cambios bruscos de la velocidad del líquido.
Este fenómeno tiene dos fases:
Fase 1.- Cambio de estado líquido a estado gaseoso.
Fase 2.- Cambio de estado gaseoso a estado líquido.
Líquido Vapor Líquido
¿CUÁNDO PUEDE HABER CAVITACIÓN ?
En partes móviles:
Álabes de turbinas
Rodetes de bombas
Hélices de barcos
En partes no móviles:
Estrangulamientos bruscos
Regulación mediante orificios
En válvulas reguladoras
Las siguientes diapositivas describen el fenómeno en la regulacióncon válvulas. Las explicaciones son aplicables a los otros ejemplos.
¿CUÁLES SON LOS EFECTOS DE LA CAVITACIÓN?
Efectos:
Ruidos y golpeteos.
Vibraciones.
Erosiones del material (daños debidos a la cavitación).
DAÑOS TÍPICOS DE LA CAVITACIÓN
La válvula de compuerta no ha estado completamente cerrada y en la sección de paso la velocidad ha sido muy alta. Después de tres meses de funcionamiento el cuerpo de la válvula muestra los daños de la fotografía.
Cavitación en una válvula de compuerta.
¿CÓMO APARECE LA CAVITACIÓN?
Un liquido se evapora cuando la energía no es suficiente para mantener las moléculas unidas, entonces estas se separan unas de otras y aparecen burbujas de vapor.
En las siguientes diapositivas se muestra como ocurre esto para el caso mas común, el agua.
¿CUÁNDO SE EVAPORA EL AGUA (I)?
La condición de paso de líquido a vapor depende de dos parámetros:
Temperatura
Presión
La correlación es lo que se conoce como curva característica de la presión de vapor.
¿CUÁNDO SE EVAPORA EL AGUA (II) ?
A presión atmosférica (1 bar) el agua se evapora a 100°C.
Cuando la presión decrece, el proceso de evaporación comienza a una temperatura menor.
Ejemplo: A una presión de 0.02
bares el agua se evapora a una temperatura aproximada de 18°C.
¿POR QUÉ EL AGUA A VECES ESTÁ A MENORPRESIÓN QUE SU PRESIÓN DE VAPOR?
El agua que fluye por las tuberías está generalmente a presión, producida por una bomba o debido a una diferencia de alturas (proveniente de un depósito) y es considerablemente mayor que la presión de vapor.
Para comprender por que razón la presión del agua en el punto de estrangulamiento de una válvula llega a ser menor que la presión de vapor, estudiaremos el balance de energía de el fluido
ENERGÍA CONTENIDA EN UN FLUIDO
La energía total de unfluido está compuestade los siguientes tipos de energías:
¡La suma de todas estas energías es constante!
¿CUÁNDO APARECE LA CAVITACIÓN?
Condiciones esenciales:Alta presión diferencialBaja contrapresiónAlta velocidad del fluido
FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA CAVITACIÓN
Relacionados con el fluido: la temperatura
la densidad del fluido
las propiedades físico-mecánicas
las concentraciones de los gases
la composición química
las concentraciones de la fase solida
el PH
Relacionados con las característica de la red la altura de succión
la presión atmosférica
la altura de la presión de vapor
las perdidas en la succión
Relacionados con la bomba el caudal
la velocidad de rotación
el coeficiente de velocidad especifica
¿CÓMO PUEDE EVITARSE LA CAVITACIÓN?Recomendaciones:
La cavitación es un efecto físico cuya aparición depende de las condiciones de funcionamiento. Por tanto, cuando se proyecta una instalación debe intentarse que no aparezca la cavitación o que sus efectos sean los menores posibles.
De cualquier manera la instalación debe ser efectiva y para ello es necesario elegir las válvulas apropiadas.
Son aplicables los siguientes principios:
Utilice las válvulas de compuerta y mariposa solo para trabajar en posición completamente abierta o cerrada y no en posiciones intermedias.
Las válvulas de paso anular son válvulas de control, pero deben ser elegidas en función de las condiciones de trabajo (ej. De corona de aletas o de cilindros ranurados).
Para operar en condiciones extremas donde no podemos controlar la cavitación ni con válvulas especiales, la regulación debe hacerse paso a paso (ej. orificio para contrapresión) o mediante la admisión de aire en el punto de regulación.
PRESIÓN DE VAPOR
INTRODUCCIÓN
La presión de vapor es una propiedad muy importante de los líquidos que se debe conocer a fondo, entender físicamente como se produce y que representa, para así poder estudiar la influencia que tiene este en la cavitación.
FUERZAS INTERMOLECULARESPUENTES DE HIDROGENO
Lo que mantiene con mas fuerza la unión entre las moléculas del agua es resultado de los puentes de H.
FUERZAS INTERMOLECULARESPUENTES DE HIDROGENO
Los puentes de hidrogeno son una atracción entre el átomo de H de un enlace polar (F,O y N), y un par de electrones no compartidos de un ión o átomo pequeño cercano (F, O, N)
LA PRESIÓN DE VAPOR A NIVEL MOLECULAR
DESARROLLO DEL EQUILIBRIO DINÁMICO
Los líquidos se evaporan porque las moléculas se escapan desde la superficie líquida ya que acumulan suficiente energía para romper las fuerzas intermoleculares.
DESARROLLO DEL EQUILIBRIO DINÁMICO
En un recipiente cerrado las moléculas que abandonan la superficie líquida chocan con las paredes del recipiente y con la superficie del líquido.
DESARROLLO DEL EQUILIBRIO DINÁMICO
Las moléculas de vapor al chocar con la superficie liquida van a quedar atrapadas en ella
DESARROLLO DEL EQUILIBRIO DINÁMICO
Después de un tiempo suficientemente largo, el número de moléculas de vapor que chocan contra la superficie líquida y se condensan es exactamente igual al número de moléculas que escapan en cualquier intervalo de tiempo y, por consiguiente, existiría un equilibrio dinámico.
La presión de vapor de un líquido es la presión ejercida por su vapor cuando los estados líquido y gaseoso están en equilibrio dinámico a una determinada T°.
DESARROLLO DEL EQUILIBRIO DINÁMICO
Debido a que este fenómeno depende de la actividad molecular, la cual es función de la temperatura, entonces la presión de vapor de un líquido también depende de la temperatura y se incrementa con cualquier aumento de esta. T / ºC PV / mmHg
-10 1.9
0 4.5840
10 9.2123
20 17.546
30 31.855
37 47.11
40 55.391
100 760.00
120 1489
GRAFICA: PRESIÓN DE VAPOR VS TEMPERATURA
37
47.11
LA PRESIÓN DE VAPOR Y LA CAVITACIÓN
En muchas situaciones de flujo de líquidos es posible producir presiones muy bajas en ciertos lugares del sistema. En tales circunstancias, las presiones pueden ser iguales o menores que la presión de vapor. Cuando esto ocurre, el líquido se convierte rápidamente en vapor. Este fenómeno se conoce como “cavitación”.
LA PRESIÓN DE VAPOR Y LA CAVITACIÓN
Se forma una bolsa de cavidad de vapor en expansión rápida, la cual usualmente es arrastrada desde su origen y entra en regiones en donde el flujo tiene presiones mayores que la presión de vapor. La cavidad colapsa
APLICACIONES Y EJEMPLOS DE PRESIÓN DE VAPOR EN INGENIERÍA
ACONTINUACION VEREMOS ALGUNOS TIPOS DE APLICACIÓN DE VAPOR Y SUS EJEMPLOS
Vapor sobrecalentado entre 200 – 800°C (392 - 1472°F) a presión atmosférica es particularmente fácil de manejar, y es usado en los hornos domésticos de vapor vistos hoy en dia en el mercado.
2) VAPOR AL VACIO
El uso de vapor para el calentamiento a temperaturas por debajo de 100°C (212°F), tradicionalmente el rango de temperatura en el cual se utiliza agua caliente, ha crecido rápidamente en los últimos años.
Cuando vapor saturado al vacío es utilizado en la misma forma que el vapor saturado a presión positiva, la temperatura del vapor puede ser cambiada rápidamente con solo ajustar la presión, haciendo posible el controlar la temperatura de manera mas precisa que las aplicaciones que usan agua caliente. Sin embargo, en conjunto con el equipo se debe utilizar una bomba de vacío, debido a que el solo reducir la presión no lo hará por debajo de la presión atmosférica.
Comparado con un sistema de calentamiento de agua caliente, este sistema ofrece rapidez, calentamiento balanceado. Se alcanza rápidamente la temperatura deseada sin ocasionar un desbalance en la temperatura en si.
VAPOR PARA CALENTAMIENTO
1) VAPOR DE PRESION POSITIVA
El vapor generalmente es producido y distribuido en una presión positiva. En la mayoría de los casos, esto significa que es suministrado a los equipos en presiones mayores a 0 MPa (0 psi) y a temperaturas mayores de 100°C (212°F).
Las aplicaciones de calentamiento para vapor a presión positiva se pueden encontrar en plantas procesadoras de alimentos, plantas químicas, y refinerías solo por nombrar algunas. El vapor saturado es utilizado como la fuente de calentamiento para fluido de proceso en intercambiadores de calor, reactores, reboilers, precalentadores de aire de combustión, y otros tipos de equipos de transferencia de calor.
VAPOR PARA IMPULSO/MOVIMIENTO
El vapor se usa regularmente para propulsión (así como fuerza motriz) en aplicaciones tales como turbinas de vapor. La turbina de vapor es un equipo esencial para la generación de electricidad en plantas termoeléctricas. En un esfuerzo por mejorar la eficiencia, se han realizado progresos orientados al uso del vapor a presiones y temperaturas aun mayores.
Generalmente el vapor sobrecalentado se usa en las turbinas de vapor para prevenir daños al equipo causados por la entrada de condensado.
La fuerza motriz del vapor ocasiona que los alabes giren, lo que ocasiona rote el rotor que se encuentra acoplado al generador de energía, y esta rotación genera la electricidad
VAPOR PARA HIDRATACION Algunas veces el vapor es usado para hidratar el proceso
mientras se suministra calor al mismo tiempo. Por ejemplo, los molinos de bolitas. Continuamente los molinos que producen las bolitas de alimento para animales utilizan inyección-directa de vapor tanto para calentar como para proporcionar contenido de agua adicional al que es suministrado en la sección de acondicionamiento del molino.
La hidratación del alimento lo suaviza y gelatiniza parcialmente el almidón contenido en los ingredientes, resultando en bolitas mas firmes.
VAPOR PARA HUMIDIFICACION
Muchas grandes instalaciones industriales y comerciales, especialmente en climas mas fríos, utilizan vapor saturado a baja presión como la fuente de calor predominante para calentamiento interior estacional. Las bobinas HVAC, normalmente combinadas con humidificadores de vapor, son el equipo usado para el acondicionamiento del aire, para confort interno, preservación de registros y libros, y de control de infecciones. Cuando se calienta el aire frío por las bobinas de vapor, la humedad relativa del aire gotea, y entonces deberá ser ajustada a los niveles normales en adicion a una inyección controlada de vapor seco saturado en la línea inferior del flujo de aire.
El vapor usado para humidificar el aire dentro de un conducto de aire antes de ser distribuido hacia otras áreas de un edificio.
VISCOSIDAD
La viscosidad es una ,manifestación del movimiento molecular dentro del fluido.
Las moléculas con regiones de alta velocidad global chocan con las moléculas que se mueven con una velocidad global menor y viceversa.
Estos choques permiten transportar cantidad de movimiento de una región de fluido a otra. Ya que los movimientos moleculares aleatorios se ven afectados por la temperatura del medio, la viscosidad resulta ser una función de la temperatura.
VISCOSIDAD DINAMICA
La viscosidad de un fluido puede determinarse por un coeficiente, el coeficiente de viscosidad (ƞ o µ) que es dependiente de la velocidad, así tenemos:
En el sistema internacional de unidades (µ)=(pa.s)=(kg/m.s)
En el sistema tradicional de EE.UU (µ)=(lb.s/pie^2)
En el sistema cegesimal poise=(dina.s/cm^2)=(g/cm.s)
VISCOSIDAD CINEMATICA
Es el coeficiente entre la viscosidad dinámica y la densidad
En el sistema internacional v=(m^2/s)
En el sistema tradicional de EE.UU v=(pie^2/s)
En el sistema cegesimal v=stoke=(cm^2/s)
FLUIDOSSUSTANCIA QUE SE DEFORMA CONTINUAMENTE BAJO LA ACCIÓN DE UN ESFUERZO DE CORTE
NEWTONIANO
Aquellos fluidos donde el esfuerzo cortante es directamente proporcional a la rapidez de deformación se denominan fluidos newtonianos.
La mayor parte de los fluidos comunes como el agua,aire,y gasolina son prácticamente newtonianos bajo condiciones normales.
NO NEWTONIANO
El termino no newtoniano se utiliza para clasificar todos los fluidos donde el esfuerzo cortante no es directamente proporcional a la rapidez de deformación.
VISCOSIDAD Y TEMPERATURA
A medida que aumenta la temperatura de un fluido liquido disminuye su viscosidad
Esto quiere decir que la viscosidad es inversamente proporcional al aumento de la temperatura.
El índice de viscosidad de un fluido (VI) nos indica cuanto cambia esta con la temperatura .es especialmente útil cuando se trabaja con aceites lubricantes y fluidos hidráulicos utilizados en equipos que deben operar a extremos amplios de temperatura.
INSTRUMENTOS DE MEDICION VISCOMETRO:
Denominado también viscosímetro es un instrumento empleado para medir la viscosidad y algunos otros parámetros de flujo de un fluido
VISCOSIMETRO DE BROOKFIELD:
Instrumento de medición y control de viscosidad. Miden la viscosidad captando el par de torsión necesario para hacer girar a velocidad constante un husillo inmenso en la muestra de fluido.
VISCOSIMETRO SAYBOLT: sirven para comparar las viscosidades de diferentes fluidos.
SCHEITLER: el sistema es muy elástico en lo referente a la viscodidad,como ejemplo se puede medir en un caso mínimo el azúcar contenido en algunas gotas de una fruta.
VISCOSIMETRO DE ROTACION:
Los viscosímetros de rotación emplean la idea de que la fuerza requerida para rotar un objeto inmerso en un fluido puede indicar la viscosidad del fluido.
VISCOSIMETRO DE TUBO CAPILAR:
Consiste en 2 recipientes conectadas por un tubo largo de diámetro pequeño conocido como tubo capilar. Conforme al fluido fluye a través del tubo con una velocidad constante. El sistema pierde energia.Ocasionando una caída de presión
VISCOSIMETRO DE OSWALD - CANNON FENSKE:
En esencial el viscosímetro es un tubo ¨U¨ una de sus ramas es tubo capilar fino conectado a un deposito superior. El tubo se mantiene en posición vertical y se coloca una cantidad conocida del fluido el deposito para que luego fluya por gravedad a través de un capilar.
NPSH (NET POSITIVE SUCTION HEAD)
El NPSH o altura neta positiva de succión, es la diferencia existente entre la presión de entrada y el nivel inferior de presión de la bomba, medida con relación al plano de referencia, qué es la mínima presión absoluta requerida a la entrada de la bomba. La NPSH es un parámetro importante en el diseño de un circuito: si la presión en el circuito es menor que la presión de vapor del líquido, éste entrará en ebullición, produciéndose el fenómeno de cavitación, que puede dificultar o impedir la circulación de líquido, y causar daños en los elementos del circuito.
En las instalaciones de bombeo se debe tener en cuenta la NPSH referida a la aspiración de la bomba, distinguiéndose dos tipos de NPSH:
NPSH (Requerido) Es la NPSH mínima que se necesita para evitar la cavitación. Depende de las características de la bomba, por lo que es un dato regularmente proporcionado por el fabricante. NPSHr = Hz + (V2/2g) Dónde:
Hz = Presión absoluta mínima necesaria en la zona inmediata anterior a los alabes.
V2/2g = Carga cinética correspondiente a la velocidad de entrada del líquido en la boca del impulsor.
NPSH (Disponible)
Indica la presión disponible para la aspiración de la bomba durante las condiciones predominantes. Depende de las características de la instalación y del líquido a bombear. Esta es independiente del tipo de bomba y se calcula de acuerdo a las condiciones atmosféricas y de instalación/operación.
En el caso de un proyecto, el cálculo del NPSHd se efectuará mediante la aplicación de la siguiente fórmula:
NPSHd = Ha ± Hs – Hvp – Hf Dónde:
Ha = Presión ejercida sobre el nivel del líquido en la aspiración.Hs = Diferencia de elevación entre el nivel del fluido en el depósito y la entrada a la bomba. En pies (Nota: Hs se resta si el nivel del agua está por abajo del ojo del impulsor; se suma si el nivel del agua está por arriba del impulsor)Hvp = Presión de vapor de líquido a la temperatura de bombeo, en bar.Hf = Pérdidas de fricción en la tubería mediante la aspiración.
En la siguiente figura se representa la entrada de una bomba. El punto O es el punto de donde aspira la bomba, el punto E es la entrada de la bomba y el punto X es un punto interior de la bomba donde se produce la mínima presión de aspiración. Es en este punto donde tendrá lugar la cavitación en caso de que se den las condiciones para que se origine.
Si aplicamos las Ecuaciones de Bernoulli entre los punto OE y EX obtenemos 2 ecuaciones
Si Px<Pv habrá cavitación:
Aplicando la Ecuación (2)
Aplicando la Ecuación (1)
Por lo tanto
Suponiendo que hEX pérdida de carga en el interior de la bomba es cero:
NPSHd < NPSHr
A medida que se aumenta el caudal del sistema las pérdidas de presión en la succión aumentan de manera que cada vez se reduce más el NPSH disponible, Del mismo modo al aumentar el caudal el NPSH requerido por la bomba aumenta como se muestra en el siguiente gráfico.
A medida que se aumenta el caudal del sistema las pérdidas de presión en la succión aumentan de manera que cada vez se reduce más el NPSH disponible, Del mismo modo al aumentar el caudal el NPSH requerido por la bomba aumenta como se muestra en el siguiente gráfico.
Por lo tanto, para evitar cavitación en la bomba y asegurar el correcto funcionamiento de una instalación, el NPSH disponible debe ser siempre mayor al NPSH requerido por la bomba.
-NPSHd > NPSHr
Y si sucede: NPSHd < NPSHr La bomba funciona en cavitación, es decir el líquido se evapora en el interior de la bomba.
Las consecuencias son las siguientes: - caída del caudal y de la presión de impulsión- fuerte formación de ruidos y vibraciones- una cavitación persistente desemboca inevitablemente en la destrucción de la bomba
PROBLEMA APLICATIVO
CONCLUSIONES
El fenómeno de la cavitación representa, hablando en términos generales una enfermedad letal al corazón de la bomba (impulsores), que puede destruirlo lentamente o rápidamente, en función de la gravedad de este y del tiempo de operación del equipo. Como consecuencia, cabe destacar efectos como; reducción a la capacidad de bombeo y alteraciones de las propiedades hidrodinámicas, pérdida de sólidos en las superficies límites de los materiales en contacto, aumento de rango de vibraciones y ruido generado en los equipos. Y este desbalance comúnmente lleva a los siguientes problemas mecánicos: torcedura y deflexión de los ejes, daños a los rodamientos y roces por la vibración radial, rotura de la tuerca en la fijación del impulsor y daños en los sellos mecánicos.
RECOMENDACIONES
La cavitación es la problemática más temido en el campo de la hidráulica. El único medio de prevención consiste en la correcta selección del equipo para los determinados características. El equipo debe ser seleccionado para cubrir los requerimientos en un sistema definido en base a los datos de caudal, carga, potencia, eficiencia, NPSHr, tipo de fluido a bombear, entre otras consideraciones. Y si presenta cavitación hacer el remplazo del equipo que satisfaga al sistema o seguir utilizando dicho equipo, procurando controlar la influencia de ciertas variables que propician dicho fenómeno o proceder a cambiar la metalurgia del impulsor para prolongar un poco más el tiempo de uso, permitiéndole tener más resistencia a la erosión por cavitación.