VISUALIZACIÓN Y MEDICIONES EN FLUJOS DE CAVITACIÓN INDUCIDOS EN UN BANCO DE PRUEBAS HIDRÁULICAS

Transcripción

1 VISUALIZACIÓN Y MEDICIONES EN FLUJOS DE CAVITACIÓN INDUCIDOS EN UN BANCO DE PRUEBAS HIDRÁULICAS José Di Paolo, Marcelo Berli, Agustín Brondino y Valentín Azcarate Cátedra Mecánica de los Fluidos - Departamento de Ingeniería Industrial Facultad Regional Santa Fe Universidad Tecnológica Nacional. Lavaisse Santa Fe, Argentina correo-e: jdipaolo@ingenieria.uner.edu.ar RESUMEN La pérdida de carga, por la fricción en conductos y accesorios en la rama de succión de una instalación de agua, es la causa del mal funcionamiento de una bomba cuando entra en régimen de cavitación. Esto puede ocurrir debido a un aumento en los requerimientos de caudal o bien a la obturación parcial de alguna parte de la cañería de succión. La cavitación, como fenómeno hidrodinámico, reviste cierta complejidad en la enseñanza de asignaturas como Mecánica de los Fluidos o tecnologías aplicadas subsidiarias a ésta, debido a que es un fenómeno que se registra indirectamente a través de vibraciones de la bomba y reducción e intermitencia del caudal. La cátedra Mecánica de los Fluidos de Ingeniería Industrial de la FRSF-UTN, implementó un módulo experimental sobre un tramo del banco de pruebas hidráulicas propio, a los fines de visualizar el flujo de cavitación y medir el vacío relativo, comparándolo luego con la presión de vapor correspondiente. Dicho módulo consta de una válvula a la salida del tanque de alimentación, un vacuómetro a la entrada de la bomba y un tramo de cañería de acrílico, justo antes del vacuómetro. La instalación ya contaba con un caudalímetro y la válvula estranguladora a la salida de la bomba. La práctica consiste en inducir la cavitación de la bomba cerrando paulatinamente la válvula a la salida del tanque, generando así una mayor pérdida de carga en la rama de succión. Las depresiones generadas por la bomba (medidas con el vacuómetro) llegan a ser tan bajas que el fluido cavita y el flujo pasa, de ser transparente, a blanco, por la emulsión de las burbujas de vapor. Asimismo, son notorias las vibraciones de la bomba y la protección que se logra sacando la bomba del régimen de cavitación al cerrar la válvula estranguladora. Palabras Claves: Mecánica de los Fluidos, cavitación, didáctica experimental

2 1. INTRODUCCIÓN La cavitación es el fenómeno por el cual los líquidos a una cierta temperatura y en condiciones hidrodinámicas, pasan -en parte- al estado de vapor debido a una brusca disminución de la presión por debajo de la presión de vapor (p v ). Es decir: cuando ello ocurre, una proporción de la masa de líquido pasa a la fase vapor para mantener constante la presión p v que corresponde a esa temperatura. La fase líquida pasa luego a una mezcla de dos fases. La presión de vapor, por su parte, es la presión para una dada temperatura a la cual la fase vapor se encuentra en equilibrio termodinámico con la fase líquida o con la fase sólida, siempre como mezcla de dos fases. El fenómeno de cavitación sucede con frecuencia en las máquinas rotantes (bombas centrífugas y turbinas hidráulicas) debido a la gran aceleración del flujo, que gana energía cinética a expensas de la reducción de la presión cuando la máquina posee succión insuficiente o es nula la altura neta positiva de aspiración. En el caso de las bombas, la máquina comienza a vibrar y el flujo comienza a ser discontinuo; por estas dos razones fundamentales se debe evitar que una bomba entre en régimen de cavitación [1]. Otra razón técnica es que el funcionamiento prolongado de una bomba con succión insuficiente, somete al rotor al desgaste denominado pitting o picado, que consiste en la erosión localizada de material debido al colapso de las burbujas de vapor en las zonas de compresión de la bomba. Dicho cambio de fase se produce con enormes depresiones locales que hacen que el líquido circundante a las burbujas, choque con la superficie del rotor a alta velocidad produciendo el arranque de material. Desde el punto de vista didáctico, tratar el tema de la cavitación del fluido en la succión de una bomba centrífuga, no deja de ser algo abstracto, complejo y extremadamente difícil de comprobar, más allá de las vibraciones que se generan. En el marco de la Cátedra Mecánica de los Fluidos del Departamento de Ingeniería Industrial de la FRSF-UTN, que posee un banco de pruebas hidráulicas construido por los docentes y estudiantes colaboradores, se realizó una actividad didáctica experimental para visualizar los flujos de cavitación y tomar mediciones que manifiesten cuantitativamente el fenómeno. Dichas mediciones fueron el caudal, la presión de succión y la presión de descarga de la bomba, que permitieron construir las curvas de la bomba en funcionamiento normal y en régimen de cavitación por extrema insuficiencia de altura neta positiva de aspiración. La actividad fue posible gracias a las modificaciones realizadas sobre el banco de pruebas hidráulicas que consistieron en: una válvula exclusa a la salida del tanque de alimentación, un tramo de tubería de acrílico corto y un vacuómetro (medidor de vacío relativo respecto a la presión atmosférica) colocado antes de la bomba.

3 La práctica consiste en inducir la cavitación de la bomba cerrando paulatinamente la válvula exclusa, generando así una mayor pérdida de carga en la rama de succión. Las depresiones generadas por la bomba llegan a ser tan bajas que el fluido cavita pasando el flujo, de transparente a blanco, por la emulsión de las burbujas de vapor. Asimismo, son notorias las vibraciones de la bomba y la protección que se logra sacando la bomba del régimen de cavitación al cerrar la válvula estranguladora. Los resultados son muy buenos en cuanto a la visualización cualitativa del fenómeno y en cuanto a las mediciones, ya que éstas reproducen performances características de las bombas registradas en la literatura técnica [2]. Asimismo y en lo que más importa, los alumnos demuestran una gran recepción de la actividad que convierte en tangible un hecho teóricamente áspero. 2. METODOLOGÍA 2.1. Equipo utilizado La actividad didáctica se realiza en el banco de pruebas hidráulicas cuyo esquema se muestra en la Figura 1 y cuya materialización se ve en la Figura 2. Figura 1: Esquema completo del banco de pruebas hidráulico. La Figura 3 muestra un detalle de la zona de la instalación donde se encuentran los instrumentos y válvulas utilizadas: válvula exclusa, tramo de tubo de acrílico, vacuómetro, bomba, manómetro y válvula esférica. El diámetro nominal de la cañería y accesorios empleados es de 2.

4 Figura 2: Banco de pruebas hidráulicas en la FRSF-UTN Figura 3: Fotografía del equipo utilizado para realizar las mediciones de la curva de desempeño de la bomba y visualización del flujo.

5 2.1. Descripción de la experiencia La experiencia se realiza cerrando paulatinamente la válvula exclusa de modo de producir una disminución de la altura neta de succión por aumento de la pérdida de carga. El proceso de cierre implicará la toma de valores de vacío de aspiración y presión de salida, a la vez de la lectura del caudal circulante en cada caso. Una vez lograda la máxima cavitación la actividad continúa con el cierre de la válvula de estrangulación (esférica) con el fin de reducir el caudal por aumento de la pérdida de carga en la rama de descarga. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1. Visualización del fenómeno de cavitación En la Tabla 1 se muestran las mediciones realizadas durante la experiencia antes descripta. En un principio, con la válvula exclusa totalmente abierta, el caudal circulante es el máximo posible y la presión de vacío en la succión es relativamente baja. A medida que se cierra la válvula exclusa, puede apreciarse que no se producen variaciones significativas en el caudal circulante (disminuye levemente), ya que éstas válvulas no se utilizan para regular caudal. No obstante, se produce un abrupto descenso en la presión en la cañería de succión. Cuando esta presión es lo suficiente baja como para inducir la cavitación, la bomba vibra apreciablemente. La visualización del régimen de flujo durante este procedimiento puede verse en la Figura 4. Tabla 1. Desempeño de la bomba a medida que se aumenta la pérdida de carga en la succión Caudal (l/min) succión (kg/cm 2 ) descarga (kg/cm 2 ) 441,6-0,17 1,9 423,0-0,35 1,8 406,8-0,49 1,7 393,6-0,60 1,6 379,2-0,70 1,5 361,8-0,75 1,4 334,8-0,83 1,2 331,8-0,85 1,1 300,0-0,86 1,0 298,2-0,87 0,9

6 a) b) c) Figura 4: Visualización del régimen de flujo en la succión de la bomba.

7 Al comienzo el fluido es totalmente transparente (fig. 3-a), en posiciones intermedias se aprecia la presencia de pequeñas burbujas (fig. 3-b) y finalmente el flujo se vuelve totalmente blanco y las mediciones en el vacuómetro son muy inestables (fig. 3-c). Luego del cierre de la válvula de estrangulación (esférica) y la consecuente disminución del caudal, la altura neta de succión (ANPA) vuelve a ser suficiente y el flujo, para un caudal menor, pasa a ser nuevamente transparente y completamente líquido Comparación del desempeño de la bomba en distintos regímenes El procedimiento anterior puede realizarse a la inversa. Es decir, partiendo de bajos caudales (válvula esférica totalmente cerrada) y con la válvula exclusa parcialmente cerrada se procede a aumentar paulatinamente el caudal y a cuantificar el desempeño de la bomba mediante el caudal circulante y la altura entregada, calculada mediante un balance de energía mecánica a partir de las diferencias de presión en la succión y descarga (Ecuación 1). = = En las Tablas 2 y 3 se muestran las mediciones de presión en la succión y descarga de la bomba y el caudal correspondiente para cada etapa de apertura de la válvula de regulación respectivamente.. A modo de comparación se realiza el mismo procedimiento pero con la válvula exclusa totalmente abierta, de esta manera se puede obtener la curva característica de la bomba. Los resultados de ambas experiencias pueden apreciarse en la Figura 4, en la que también se muestra como referencia la curva de operación de la bomba indicada por el proveedor (Bomba Czerwenny EB [3]. En la Figura 4 puede verse que cuando las pérdidas de carga en la succión son mínimas, el desempeño de la bomba es normal, tanto para caudales bajos como altos, y con valores muy cercanos, empero mayores, al proporcionado por el fabricante. En cambio, en un sistema con grandes pérdidas de carga en la succión pueden apreciarse dos regímenes de trabajo: 1) A bajos caudales el desempeño de la bomba es normal y se reproducen los valores de altura neta de carga obtenidos con la configuración anterior. 2) Llegado a un caudal límite, por más que se abra la válvula de estrangulamiento a la salida de la bomba, éste deja de aumentar y la altura que entrega la bomba disminuye abruptamente. ó (1)

8 Esta caída de la eficiencia de la bomba se debe a que la altura de succión requerida por la bomba aumenta aproximadamente con el cuadrado del caudal por lo que la bomba rápidamente puede superar la disponibilidad y producir una succión insuficiente y el sistema entrar en cavitación. Tabla 2. Desempeño de la bomba para un ANPA insuficiente. Válvula exclusa parcialmente cerrada (puntos azules en Figura 4). Caudal (l/min) succión (kg/cm 2 ) descarga (kg/cm 2 ) Altura entregada por la bomba (m) 49,2 0,00 2,4 24,0 103,2-0,11 2,3 24,1 120,6-0,22 2,2 24,2 147,6-0,32 2,1 24,2 168,6-0, ,3 183,6-0,53 1,9 24,3 194,4-0,61 1,8 24,1 205,8-0,70 1,7 24,0 213,0-0,78 1,6 23,8 214,8-0,8 1,5 23,0 217,8-0,85 1,4 22,5 217,8-0,86 1,3 21,6 217,8-0,88 1,2 20,8 217,8-0,89 1,1 19,9 217,8-0,90 1,0 19,0 217,8-0,90 0,9 18,0 216,6-0,90 0,8 17,0 217,2-0,91 0,7 16,1 216,6-1,00 0,6 16,0

9 Tabla 3. Desempeño de la bomba para un ANPA suficiente. Válvula exclusa totalmente abierta (puntos verdes en Figura 4) Caudal (l/min) succión (kg/cm 2 ) descarga (kg/cm 2 ) Altura entregada por la bomba (m) 89,4 0,00 2,4 24,2 211,2-0,01 2,4 24,1 283,8-0,05 2,3 23,5 339,0-0,09 2,2 22,9 368,4-0,13 2,1 22,3 411,0-0,15 2,0 21,5 436,2-0,17 1,9 21, H (m) Operación normal Operación en cavitación Curva del fabricante Q (l/min) Figura 4: Curva de la bomba y curva de operación con ANPA insuficiente.

10 3. CONCLUSIONES En la cátedra Mecánica de los Fluidos de FRSF-UTN se realizaron modificaciones sobre un tramo del banco de pruebas hidráulicas que se dispone, a los fines de visualizar el flujo de cavitación y tomar mediciones indicativas de las variaciones de performance que se manifiesta en la impulsión de una bomba centrífuga, esto es: el vacío relativo en la succión, la presión de descarga y el caudal en cada caso. De este modo se compararon los desempeños de una bomba operada en condiciones normales de succión suficiente (reproduciendo los valores proporcionados por el proveedor de la curva característica de la bomba) y operada en condiciones de cavitación o succión insuficiente, observando la drástica caída en la performance de este tipo de equipos impulsores. Se destaca la importancia de haber podido realizar en simultaneo mediciones del desempeño de una bomba en régimen de cavitación (presiones, caudales, etc) y visualizar cualitativamente el fenómeno al percibir no sólo las vibraciones de la bomba, sino también ver el cambio de aspecto del flujo desde transparente a blancuzco cuándo hay cavitación. Los alumnos demuestran una gran recepción de la actividad que convierte en tangible y medible un hecho teóricamente complejo. 4. REFERENCIAS [1] Di Paolo, José. Mecánica de los Fluidos. Aspectos Introductorios para Ingeniería. JDP Ediciones, Argentina, [2] Holland F. A. y Baran W. Flujo de Fluidos para Ingenieros Químicos. Editorial Géminis, Buenos Aires, [3] Bombas Centrifugas Trifásicas para agua limpia - Linea Monoblock, Motores Cczerweny ( Agradecimientos Los autores agradecen al Departamento de Ingeniería Industrial de Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Santa Fe por el apoyo recibido para realizar las sucesivas modificaciones al equipo utilizado.