INTRODUCCIÓN A LAS MÁQUINAS HIDRÁULICAS. Prof. Jesús DE ANDRADE Prof. Miguel ASUAJE

Transcripción

1 INTRODUCCIÓN A LAS MÁQUINAS HIDRÁULICAS Prof. Jesús DE ANDRADE Prof. Miguel ASUAJE Enero 009

2 CAVITACIÓN

3 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

4 Cavitación P Líquido Ebullición Cavitación Vapor T

5 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

6 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.. 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.

7 Consecuencia de la cavitación

8

9 Cavitación

10 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.

11 DAÑOS POR CAVITACIÓN

12 Daños por cavitación en una bomba vertical. a) Impulsor, b) Campana de succión

13 Cavitación Presión de Implosión de las Burbujas P = a r c [ Kgf/ m] donde: a Velocidad del sonido en el medio [m/s] c Velocidad de Implosión [m/s] r Densidad del medio [ Kgf s/m4] c (P o ( R R ) 1 ) 3r o 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 ~ NPSH disponible [ Kgf/m ]

14 Cavitación Pérdida de Material por Cavitación V V V L K 1 m U1 K m U1o Energía Destructiva V v V L K 1,K u1 Volumen de vapor Volumen de liquido Constantes para determinado material Coeficiente de Cavitación U1 NPSH g U 1 U1 Velocidad periférica a la entrada del rodete. σu1o Coeficiente de Cavitación ( Sin Burbujas) σu1o~ 1.5 Teórico ; u1o ~1 Experimental m 8 (constante)

15 Cavitación Pérdida de Material por unidad de Tiempo [mgr/h] G T VV K1 ~ m V L U1 K m U1o G T G T n n1 U1 ( ) U 11 6 Variación de la erosión en una B.C. con el cambio de la Velocidad periférica U1

16 La cavitación y el desempeño Curvas de desempeño en bombas a varias alturas de succión con cavitación. Note lo rápido que comienza la cavitación

17 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 (mv /). 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. Po Ps rv

18 Cavitación Net Positive Suction Head (NPSH) Definición NPSH H pts Altura de Presión Total a la entrada de la bomba P V Referida a la presión de vapor H pts PS Altura de presión absoluta en la brida de succión VS g Altura de presión absoluta en la brida de succión Zs Altura geodésica en la brida de succión 0 (bomba eje horizontal) NPSH Ps VS g PV 1 Hs s

19 Cavitación NPSH disponible Altura de Succión:

20 Cavitación NPSH disponible 1 Bernoulli entre 1 y s: Sumatoria de pérdidas en la tubería de succión P1 V1 PS VS z1 zs hf g g 1S 1 Hs NPSH Ps VS g PV s Con 1 y : NPSH d P Hs = Z1-Zs P + Z 1 V 1 Z s hf 1s NPSH d P1 H S PV hf 1S

21 Pérdidas Tubería descarga Pérdidas Tubería succión Succión Negativa

22 Pérdidas tubería de descarga Pérdidas tubería de succión Succión Positiva

23 Cavitación - NPSH requerido NPSH r P1 V1 g PV Er1 = Erx + Shf1x Ec. Bernoulli Mov. Relativo P1 W1 U1 PX WX UX z1 zx hf1x g g g g P P Si 1 X y 0 P V 1 x Se tiene que NPSH r V1 WX - W1 U1 - UX z X + z1 hf1x g g g

24 Cavitación - NPSH requerido Se puede decir que: WX - W g 1 U1 - UX z X + z1 ~ 0 g Las pérdidas son: hf 1X W1 g Define el comienzo teórico de la cavitación NPSH r V1 g W1 g Existen fórmulas empíricas muy utilizadas. i.e: Stepanoff, Sulzer

25 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

26 Control de la aparición de Cavitación Boquilla de Descarga Voluta Disminuir Vs (aumentar diámetro succión) Aumentar P1 Aumentar Hs Disminuir hf 1 s Boquilla de succión 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 NPSH d P1 PV H S hf 1S

27 Ensayo de Cavitación Definición del NPSHR3% de la bomba H H 3% i Q N cte cte NPSH D F S NPSH Factor de seguridad: F S = 1,3...1,5 R3% NPSH R3% Margen de seguridad NPSH i NPSH D NPSH D

28 NPSH R [mca] Altura [mca] Ensayo de Cavitación 30 Altura Vs NPSH D l/s 74 l/s 80 l/s NPSH d [mca] NPSH R Vs Caudal Se obtiene Q [m 3 /s]

29 Curvas Características en el Análisis de Reg. Cavitacional LIBRE DE CAVITACIÓN CAVITACIÓN

30 Evaluación vía DFC Régimen Cavitacional Distribución de la Fracción Volumétrica del Vapor Fracción Vol. Vapor de Agua (Plano Rotacional) r z Span =1 (Boveda) Span =0 (Cubo) Span 0.1 Span 0.5 Span 0.9 P S =30,0 kpa (NPSH d =,8m) Q= 80 l/s n=1000 rpm

31 Evaluación vía DFC Régimen Cavitacional Distribución de la Fracción Volumétrica del Vapor Fracción Vol. Vapor de Agua (Plano Rotacional) r z Span =1 (Boveda) Span =0 (Cubo) Span 0.1 Span 0.5 Span 0.9 P S =0,0 kpa (NPSH d =1,8m) Q= 80 l/s n=1000 rpm

32 Evaluación vía DFC Régimen Cavitacional Distribución de la Fracción Volumétrica del Vapor Fracción Vol. Vapor de Agua (Plano Rotacional) Span 0.1 Span 0.5 Span 0.9 r z Span =1 (Boveda) Span =0 (Cubo) P S =1, kpa (NPSH d =1,1m) Q= 80 l/s n=1000 rpm

33 Evaluación vía DFC Régimen Cavitacional Fracción Vol. Vapor de Agua Q= 80 l/s n=1000 rpm P S =6,68 kpa (NPSHd=6,17m) P S =50 kpa (NPSH d =4,8m) P S =30 kpa (NPSHd=,8m) P S =0 kpa (NPSH d =1,8m) P S =14 kpa (NPSH d =1,19m) P S =1 kpa (NPSH d =1,1m)

34 Cavitación en Válvulas Cavitación Flashing