Cavitación

Dinámica de fluidos. Estructuras hidráulicas. Presión de los líquidos. Corrosión. Erosión. Métodos de predicción. Protección

  • Enviado por: Andrés Aarón Olguín Mejía
  • Idioma: castellano
  • País: México México
  • 15 páginas
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C A V I T A C I Ó N

La cavitación es un fenómeno que se produce siempre que la presión en algún punto o zona de la corriente de un líquido desciende por debajo de un cierto valor mínimo admisible. El fenómeno puede producirse lo mismo en estructuras hidráulicas estáticas (tuberías, Venturis, etc.), que en máquinas hidráulicas (bombas, hélices, turbinas). Por los efectos destructivos que en las estructuras y máquinas hidráulicas mal proyectadas o mal instaladas produce la cavitación es preciso estudiar este fenómeno, para conocer sus causas y controlarlo. (Los constructores de bombas hidráulicas, por ejemplo, reciben con frecuencia reclamaciones y encargos de reposición

Descripción de la cavitación.

Cuando un líquido fluye a través de una región donde la presión es menor que su presión de vapor, él liquido hierve y forma burbujas de vapor. Estas burbujas son transportadas por el líquido hasta llegar a una región de mayor presión, donde el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, implotando bruscamente las burbujas. Esta fenómeno se llama cavitación. Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en contacto con una pared sólida cuando cambian de estado, las fuerzas ejercidas por el líquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas muy alto, ocasionando picaduras sobre la superficie sólida. El fenómeno generalmente va acompañado de ruido y vibraciones, dando la impresión de que se tratara de grava que golpea con diferentes partes de la máquina.

Según se ha dicho, cuando, la corriente de un punto de una estructura o de una máquina alcanza una presión inferior a la presión de saturación de vapor (Fig. 1), el líquido se evapora y se originan en el interior del líquido “cavidades” de vapor, de ahí el nombre de cavitación. En el interior del fluido existen, pues, zonas en que reina un gradiente fuerte de presiones que aceleran las burbujas y producen un impacto en el contorno (Venturis, bombas, turbinas, etc.).

El fenómeno de la cavitación se explica con el mecanismo siguiente: si la presión en un líquido como el agua baja suficientemente, empieza a hervir a temperatura ambiente. Consideremos un cilindro lleno de agua y tapado con un pistón en contacto con el agua. Si se mueve el pistón en dirección fuera del agua, se reduce la presión y el agua se evapora formando burbujas de vapor, si ahora bajamos el pistón hacia el agua la presión aumenta, el vapor se condensa y la burbuja se destruye (colapso de la burbuja). Cuando se repite este proceso con alta velocidad como por ejemplo -en el interior de una bomba de agua, se forman y se destruyen las burbujas rápidamente. Se demostró con cálculos que una burbuja en colapso rápido produce ondas de choque con presiones hasta de 410 MPa. Estas fuerzas ya son capaces de deformar varios metales hasta la zona plástica, lo que está comprobado por la presencia de bandas de deslizamiento sobre partes de bombas o de otro equipo sujeto a cavitación.

Figura 1. Tabla de vapor de agua que muestra como la temperatura de fusión del agua está en función de la presión del medio.

El incremento de la velocidad va acompañado de un descenso en la presión. Por ejemplo, la velocidad del aire sobre la parte superior del ala de un aeroplano es, en promedio, más rápida que la que pasa por debajo de la misma ala. Entonces, la fuerza de presión neta es mayor en la parte inferior del ala que en la parte superior de esta (el ala genera sustentación).

Si la diferencia de velocidad es considerable, las diferencias de presión pueden también serlo. Para flujos de líquidos, esto podría resultar con problemas de cavitación, una situación potencialmente peligrosa que resulta cuando la presión del líquido se reduce hasta la presión de saturación del vapor y entonces este hierve. La presión de saturación del vapor es la presión a la cual comienzan a formarse burbujas de vapor en el líquido. Obviamente esta presión depende del tipo de líquido y de la temperatura.

Una manera de producir cavitación es denotada en la ecuación de Bernoulli. Si la velocidad del fluido se incrementa (por ejemplo en una reducción de área), la presión descendería. Este descenso de presión al acelerar el líquido podría ser menor que la presión de saturación de vapor de dicho fluido. Un ejemplo de cavitación puede ser mostrado en el siguiente diagrama:

Q

En algunas situaciones la ebullición ocurre (cuando la temperatura no necesariamente es muy alta) , formando burbujas de vapor, entonces estas se colapsan cuando el fluido las arrastra a una zona de mayor presión (con una velocidad menor). Este proceso puede introducir efectos dinámicos (implosión), si la burbuja se colapsa cerca de una pared de un dispositivo hidráulico esta podría, luego de un periodo de tiempo, causar daños en este por cavitación.

Propondremos ahora un ejemplo con una estructura hidráulica estática (tubería), la cual podría presentar problemas por cavitación.

Agua a 60°F es extraída de un tanque de diámetro constante. Se determinará la altura máxima necesaria (con respecto al piso del tanque) para la cual el agua al ser extraída no causara problemas de cavitación. Patm=14.7 psi.

(2)

(1)

H

15'

Agua

5'

(3)

Considerando un flujo permanente e incompresible, podemos aplicar la ecuación de Bernoulli, a lo largo de los puntos (1), (2) y (3):

Como el piso del tanque es la referencia, tenemos que z1=15', z2=H, z3=-5', además v1=0 (considerando el tanque lo suficientemente grande), p1=p3=0 (tanque y chorro abierto a la atmósfera) , y de la ecuación de la continuidad A2v2=A3v3, y debido a que el diámetro de la tubería es constante, v2=v3, entonces la velocidad del fluido a la salida de la tubería es:

Usando la ec de Bernoulli entre los puntos (1) y (2), podemos obtener la p2 en la parte más alta medida desde el piso

De la tabla de vapor del agua a 60°F es de 0.256 psi, entonces para que se presente una cavitación incipiente en el sistema p2=0.256 psi. Entonces tomando p1=0, tenemos que p2=0.256-14.7=-14.4 psi, y sustituyendo en la ecuación anterior tenemos:

despejando H

H = 28.2 ft

Para mayores valores de H, se formaran burbujas de vapor en el punto (2), y la acción de sustracción e agua podría detenerse.

Nótese que los resultados obtenidos son independientes del diámetro y de la longitud de la tubería (considerando que los efectos viscosos no son tan importantes).

Daño por cavitación

El daño por cavitación es una forma especial de corrosión-erosión debido a la formación y al colapso de burbujas de vapor en un líquido cerca de una superficie metálica, que ocurre en turbinas hidráulicas, hélices de barcos, impulsores de, bombas y otras superficies sobre las cuales se encuentran líquidos de alta velocidad con cambios de presión.

Un daño por cavitación tiene un aspecto semejante a picaduras por corrosión, pero las zonas dañadas son más compactas y la superficie es más irregular en el caso de la cavitación. El daño por cavitación se atribuye parcialmente a efectos de desgaste mecánico. La corrosión interviene cuando el colapso de la burbuja destruye la película protectora, como se muestra esquemáticamente en la siguiente figura, con los pasos siguientes:

  • Se forma una burbuja de cavilación sobre la película protectora.

  • El colapso de la burbuja causa la destrucción local de la película.

  • La superficie no protegida del metal está expuesta al medio corrosivo y se forma una nueva película por medio de una reacción de corrosión.

  • Se forma una nueva burbuja en el mismo lugar, debido al aumento de poder nucleante de la superficie irregular.

  • El colapso de la nueva burbuja destruye otra vez la película.

  • La película se forma de nuevo y el proceso se repite indefinidamente hasta formar huecos bastante profundos.

  • El mecanismo anterior también funciona sin la presencia de una película protectora, ya que la implosión de la burbuja ya es suficiente para deformar el metal plásticamente y arrancarle pedazos de material. Se acepta generalmente que la cavitación es un fenómeno de corrosión-erosión.

    Cavitación

    En forma general, es posible prevenir el daño por cavitación con los métodos descritos en la prevención de corrosión-erosión:

    • Modificar el diseño para minimizar las diferencias de presión hidráulica en el flujo de medio corrosivo

    • Seleccionar materiales con mayor resistencia a la cavilación.

    • Dar un acabado de pulido a la superficie sujeta a efectos de cavilación, ya que es más difícil nuclear burbujas sobre una superficie muy plana

    • Recubrimiento con hules o plásticos que absorben las energías de choque.

    Para caracterizar la susceptibilidad de un sistema que maneja un líquido a la cavitación, se utiliza el parámetro de cavitación, definido por

    Donde p es la presión absoluta en el punto de interés, pv la presión de vapor del líquido,  la densidad del líquido y V una velocidad de referencia. Obsérvese que el parámetro de cavitación es una especie de coeficiente de presión. Dos sistemas geométricos semejantes tienen el mismo grado de cavitación son igualmente susceptibles de cavitar si tienen el mismo valor. Cuando =0, la presión, se reduce hasta la presión de vapor y en ese momento ocurre la ebullición. Pruebas conducidas en líquidos químicamente puros indican que tales sustancias pueden resistir esfuerzos de tensión muy altos, de varios miles de libras sobre pulgada cuadrada, lo cual contradice el hecho de que se formen cavidades. Cuando la presión se reduce a la presión de vapor. Dado que generalmente se tiene ebullición espontánea cuando se alcanza la presión de vapor con líquidos comerciales o técnicos, se suele aceptar que la formación de las burbujas es mediante el proceso llamado nucleación, el cual no se conoce completamente, hasta la fecha. Cabe suponer que en este tipo de líquidos, siempre se encuentran presentes partículas microscópicas de polvo o de otros contaminantes ampliamente dispersos en el fluido.

    La formación y el aplastamiento de un gran número de burbujas en una superficie dan lugar a esfuerzos locales muy intensos, mismos que parecen dañar la superficie por fatiga. Algunos materiales dúctiles pueden resistir el bombardeo por un periodo, llamado periodo de incubación, mientras que materiales frágiles pueden perder parte de su peso inmediatamente. Algunos efectos electroquímicos, abrasivos y térmicos inherentes al líquido que se maneja, pueden acelerar el deterioro de las superficies expuestas.

    La protección contra la cavitación debe comenzar con un diseño hidráulico adecuado del sistema, de tal manera que se eviten en lo posible las presiones bajas. Cuando sea inevitable la presencia de la cavitación , el efecto sobre las superficies se puede reducir mediante el recubrimiento de materiales especiales de alta resistencia. El empleo de pequeñas cantidades de aire introducidas en el agua reduce notablemente el daño causado por la cavitación: por último, en estudios recientes se ha comprobado que la protección catódica puede ser de utilidad contra los efectos de la cavitación.

    . El fenómeno de la cavitación ocasiona tres efectos nocivos en la operación de una turbomáquina: disminuye la eficacia, daña los conductos para el escurrimiento y produce ruido y vibraciones molestas. Los alabes curvos son particularmente susceptibles a la cavitación en su cara convexa, donde se pueden tener áreas sujetas a un picado fuerte e incluso a falla total. Dado que todo tipo de turbomaquinaria, así como las hélices de barco y muchas estructuras hidráulicas, pueden quedar sujetas a la cavitación, es necesario poner atención a este aspecto durante las etapas de diseño.

    Cavitación

    Métodos de Predicción

    Para efectos de diseño o revisión de obras ya construidas es necesario contar con métodos de predicción, que permitan saber si la obra es susceptible a daños por cavitación.

    Para efectos prácticos es más común tratar de predecir en qué zonas hay posibilidad de erosión por cavitación debida a superficies rugosas, el método de Echávez G.,1979, quien propuso valuar el índice local de cavitación, k, para una superficie sujeta a ciertas condiciones hidráulicas, y compararlo con el índice de cavitación local incipiente, ki, obtenido en laboratorio para situaciones similares, si ki>k, existe la posibilidad de cavitación.

    En el caso de superficies rugosas el índice de cavitación local k, según el mismo autor puede calcularse con la ecuación:

    Cavitación

    donde:

    k, rugosidad equivalente de Nikuradse de la superficie

    vk, ,velocidad del flujo a una distancia k de la superficie

    Las demás variables ya han sido definidas. La velocidad vk a su vez puede calcularse con la fórmula:

    Cavitación

    donde:

    h, caída vertical, medida desde la superficie libre del vaso a la superficie del escurrimiento

    x, distancia de la cresta del cimacio al punto de análisis.

    Es importante hacer notar que Echávez sugiere hacer correcciones por curvatura al índice local de cavitación en el piso kp, considerando como piso a una sección transversal para un ángulo con respecto a la vertical de Cavitación
    40º y con vértice en el centro de la sección, como se indica a continuación:

    kp = 0.76k

    donde:

    kp , índice de cavitación local en el piso para curvas verticales cóncavas

    Protección contra daños debidos a cavitación

  • La resistencia a la erosión por cavitación del concreto se incrementa con la reducción de la relación agua-cemento, con el incremento de la resistencia a la compresión y a la tensión, con el vibrado del concreto o usando polvo de acero en la mezcla.

  • Las recomendaciones sobre el tamaño máximo de los agregados del concreto son muy variables, Grünw W.,1960, recomienda 5 mm, Govinda R., 1961, 20 mm y Gainzburg T., 1959, 60 mm; se considera además que el mejor agregado para estos casos es el granito.

  • Se puede proteger la superficie de concreto por medio de láminas de hule, sin embargo no existe forma de lograr buena adherencia entre las dos superficies, los recubrimientos se han hecho con base en pinturas que incrementan la vida del concreto de 3 a 20 veces, y su resistencia es de 10 a 20 veces menor que la de las láminas de acero.

  • La resistencia del concreto plástico hecho a base de resinas epóxicas y sin agregados, o con agregados de acero, es de 1.8 a 2.0 veces menor que la del acero al carbono, mientras que el concreto hecho a base de resinas de cloruro de polivilino, PVC, fue 1.5 veces más resistente que el acero dulce.

  • Un inadecuado proyecto del propulsor tiene gran influencia, no sólo sobre el rendimiento propulsivo, sino también sobre la aparición de fenómenos de cavitación que dan origen a vibraciones y ruidos, y por ello la técnica de proyecto de propulsores se encuentra en un continuo proceso de perfeccionamiento, siendo necesario dedicar gran atención al desarrollo de métodos modernos de diseño y predicción del funcionamiento del propulsor trabajando en un campo de estelas no homogéneo, mediante técnicas de CFD (simulación matemática).

    Cavitación

    Para el diseño de propulsores se dispone de programas capaces de calcular por teoría de circulación el comportamiento de una hélice, aportando como resultados las fuerzas estacionarias y no estacionarias, su forma de cavitación, los armónicos generados e incluso las fluctuaciones de presión inducidas en la bovedilla por el funcionamiento de la hélice.

    Los principales resultados que se pueden obtener con los programas de cálculo de propulsores son:

    • Curvas características de la hélice y rendimiento en varios regímenes de funcionamiento en aguas libres.

    • Empuje, potencia y rendimiento de la hélice funcionando detrás de la carena para un régimen de funcionamiento especificado.

    • Las 6 componentes de los esfuerzos y momentos vibratorios sobre cada pala y el eje.

    • La forma de cavitación lámina en distintas posiciones angulares de las palas.

    • Los armónicos de cambio de volumen de las cavidades.

    • La distribución de presión en la superficie de las palas.

    • Las amplitudes de las presiones pulsatorias sobre la bovedilla.

    El túnel de cavitación del Canal de Experiencias Hidrodinámicas de El Pardo, permite el estudio de las características de las hélices estudiando la generación de cavitación, riesgo de erosión , fluctuaciones de presión y la producción de ruidos inherente a la cavitación, con el fin de optimizar el diseño de los propulsores. Los ensayos pueden realizarse con el propulsor aislado o bien trabajando en la estela del buque que se simula bien con mallas o bien introduciendo en el canal una réplica del modelo o "dummy model".

    Se diseñan y construyen modelos de hélices de los siguientes tipos:

    • Series sistemáticas (Series B, K, Gawn,etc).

    • Paso controlable.

    • En tobera.

    • Otros tipos.

    Cavitación

    C O N C L U S I O N E S

    La cavitación es un fenómeno que se produce siempre que la presión en algún punto o zona de la corriente de un líquido desciende por debajo de un cierto valor mínimo admisible. El fenómeno puede producirse lo mismo en estructuras hidráulicas estáticas (tuberías, Venturis, etc.), que en máquinas hidráulicas (bombas, hélices, turbinas). Por los efectos destructivos que en las estructuras y máquinas hidráulicas mal proyectadas o mal instaladas produce la cavitación es preciso estudiar este fenómeno, para conocer sus causas y controlarlo.

    La protección contra la cavitación debe comenzar con un diseño hidráulico adecuado del sistema, de tal manera que se eviten en lo posible las presiones bajas. Cuando sea inevitable la presencia de la cavitación , el efecto sobre las superficies se puede reducir mediante el recubrimiento de materiales especiales de alta resistencia. El empleo de pequeñas cantidades de aire introducidas en el agua reduce notablemente el daño causado por la cavitación: por último, en estudios recientes se ha comprobado que la protección catódica puede ser de utilidad contra los efectos de la cavitación.

    La formación de burbujas de vapor disminuye el espacio disponible para la conducción del líquido, lo cual da como resultado la disminución de la eficacia de la máquina. El fenómeno de la cavitación ocasiona tres efectos nocivos en la operación de una turbomáquina: disminuye la eficacia, daña los conductos para el escurrimiento y produce ruido y vibraciones molestas.

    B I B L I O G R A F Í A

    1.- Mecánica de los fluidos

    Autor: Streeter and Wylie.

    2.- Manual del Ingeniero Mecánico

    Autor: Edward H. Smith.

    3.- Manual del Ingeniero Civil.

    Autor: Frederick S. Merritt, M. Kent Loftin, Jonathan T.

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