UNIVERSIDAD VERACRUZANA.

FACULTAD DE INGENIERIA

Trabajo de recopilación sobre:

Cavitación

Para sustentar la materia de:

Mecánica de Fluidos IV

A 25 de Marzo de 2004, Boca del Rió, Ver.

INTRODUCCIÓN.

Uno de los cuidados que debe tener un ingeniero al seleccionar, las parte de una estación de bombeo, es la cavitación , este fenómeno producido normalmente en las salidas de los alabes del rotor de una bomba y en las paredes de la tubería es desfavorable, debido a que causa daños y aumenta el costo de mantenimiento. Por esta razón el presente trabajo tratara de exponer en sus posibilidades de una manera clara y amplia el fenómeno de la cavitación.

¿Qué es la cavitación?

A esta respuesta se desprende que básicamente la cavitación, ocurre en el momento en que un liquido es sometido a una presión (P1) igual o menor que su presión de vaporización (Pv) instantes después es regresado a una presión mayor (P2), a la presión de vapor de este. En el intervalo de estos dos sucesos se forman pequeños burbujas de estado gaseosos, las cuales al ser comprimidas por la presión mayor (P2), dejan un espacio ocasionando que las pequeñas partes en estado liquido se aceleren y choquen unas con otras.

Aunque el fenómeno de la cavitación aun es tema de estudio en los investigadores, sean realizado pruebas en líquidos sometiéndolos a esfuerzos de tensión en donde han sido capaces de soportar esfuerzos de tensión de hasta 34 atmósferas en pruebas de laboratorio bajo condiciones muy controladas.

Además se sabe que los árboles succionan la savia sometiéndolas a esfuerzos de tensión, pero nadie a podido explicar este fenómeno, sin embargo si sometemos un liquido a esfuerzos de tensión reduciéndole la presión entrara en ebullición si esta es demasiada baja, de hay la importancia de cuidar la presión de succión en las bombas.

En la naturaleza el mercurio es uno de los metales líquidos mas excepcionales debido entre otras cosas a su punto de evaporización en 20 ºC ocurre a 0.168 Pa , debido a esto es que es muy aplicado en la instrumentación por que su punto de vaporización esta muy bajo,

comparado con el del agua el cual ocurre en la misma temperatura a 2337 Pa, sin embargo por ser este ultimo el fluido mas común vale la pena realizar un análisis de las condiciones de trabajo de este con el fin de evitar en las bombas una presión menor a la de vaporización.

Tabla de tensión superficial y presión de vapor del agua

El parámetro adimensional que describe este fenómeno, es el número de cavitación

Donde:

Si se considera un fluido de densidad constante se observara que la cavitación depende de la presión de vaporización del liquido y aun mas de la presión a que trabaja el fluido a la entrada y la velocidad por la que circulara, refiriéndose esto a los alabes del rotor.

Otra forma de explicar el fenómeno de la cavitación es a través de la formula de Thoma, basada en las cargas de la bomba.

Donde:

Siempre que el valor de HS sea excesivo y resulte un valor indeseable se puede esperar los efectos de la cavitación. En las bombas reciprocantes, compuestas por embolo, cilindro, válvulas de entrada, de salida y el mecanismo de accionamiento.

DIBUJO DE EL LIBRO,

En donde la bomba aspira el agua por el vació parcial, la presión atmosférica empuja el agua al cilindro, a través de la válvula de entrada, llenando el cilindro, se invierte el proceso y el pistón embolo empuja el cilindro, cerrando la válvula de entrada y el agua es forzada a subir, “hacia arriba” por la presión del pistón.

Por lo que resulta evidente que debido a esto cuando la presión de succión del embolo es aumentada, la presión atmosférica es insuficiente para mantener el ritmo de succión de la bomba, el liquido empieza a entrar en ebullición si la presión de la bomba es menor que la de vaporización, comenzando la bomba a absorber vapor y gases causado por la aceleración del embolo, la presión aumentara y el vapor se condensara lo que producirá choques de impactos en la pared.

Sí el líquido en la bomba contiene gases disueltos estos comenzaran a liberarse Ocasionando problemas de corrosivo en la tubería de acero. Además existe la teoría de que las burbujas de vapor se forman en el lugar donde existen cuerpos extraños del fluido. Que fingen como sólidos los cuales pueden ser granos de arena, polvo, partículas de metal, etc.…

Efectos de la cavitación.

Como ya se ha mencionado la cavitación ocurre en las bombas, aunque también sucede en los ductos sobre todo donde se encuentran reducciones seguidas de ampliaciones bruscas, (tubos venturi) estos efectos se pueden transmitir a las demás partes del equipo de bombeo reduciendo la eficiencia y pudiendo causar serios daños como la corrosión de partículas de metal (pitting)

Cuando las burbujas de vapor se implotan se produce una especie de martilleo lo que produce un deterioro en las paredes de la carcaza, de las palas del impulsor el cual el daño esta en función de la proximidad en que se encuentran estas implosiones.

Los efectos que tiene sobre la maquinaria de bombeo son:

EFECTO MECANICO: Con las implosiones se decrecen los diámetros de las burbujas, las partículas en estado liquido se aceleran y se desplazan hacia el centro de estas burbujas chocando entre si, estos choques provocan sobrepesiones (golpe de ariete) que se propagan en todas las direcciones afectando principalmente a las ranuras de las superficies metálicas por lo que en muy poco tiempo pueden ocasionar daños a la estructura de la maquina (rotor).

Los golpeteos los cuales al ser muy fuertes dan la impresión que la bomba acarrea grava causan un desequilibrio en la maquina dañando las uniones de los tubos con esta, así como aflojan las partes que la sostienen. Además los martilleos en ocasiones son tan fuertes que producen ruidos los cuales pueden ser molestos durante la operación de la bomba.

Y el problema y quizás el mas importante es el de la reducción de la eficiencia de la bomba con el cual el nosotros como futuros ingenieros estamos obligados a seleccionar o diseñar de la manera mas eficiente, con lo cual debemos de tener un criterio amplio para evitar el fenómeno de la cavitación. Entre las bombas más supcebtibles a este fenómeno están las que tiene lados convexos y sobre todo en la parte trasera en donde pueden tener un área localizada que propicie la cavitación.

Efecto químico: Con la implotación de las burbujas se liberan iones de oxigeno que como sabemos atacan las superficies de los metales.

PREVENCION DE LA CAVITACION.

La mejor manera de evitar la cavitación es mediante un buen diseño con el fin de evitar en lo mas posible las bajas presiones, (sobre todo aquellas que estén por debajo del punto de vaporización), pero en donde no sea posible debido a factores externos fuera de nuestro alcance se puede optar por introducir pequeñas cantidades de aire, inyectadas en la zona donde se produzcan el fenómeno, otra solucion puede ser la de usar protección catódica para evitar que el golpeteo del “martilleo” dañe las paredes de la maquina.

En el aspecto del diseño el sistema de bombeo se debe de seleccionar o diseñar con el fin de obtener una presión lo suficientemente grande a la entrada de la bomba para evitar la cavitación.

En la operación se pueden usar bombas multi-etapas para grandes alturas de bombeo, además cuando existan grandes perdidas de carga entre el deposito fuente y la bomba podemos reducir la tendencia de la cavitación, minimizando la distancia entre la fuente y la bomba.

De acuerdo con la ecuación de Bernoullí cuando la presión aumenta la velocidad disminuye y viceversa así que se deberá de evitar en lo posible que la presión disminuya, evitando que la velocidad aumente.

En las turbinas de reacción el lugar mas propenso para la cavitación es la parte de atrás de los alabes de los rodetes cerca de los bordes de salida. Por lo tanto la cavitación se puede evitar diseñando, operando e instalando una turbina de tal manera que no exista ningún punto en el que el valor de la presión absoluta se reduzca por debajo de la presión de evaporización.

En el caso de vertederos altos, si el agua que rebasa pierde contacto con la superficie del vertedero, se genera un vacío en el punto de separación y es muy posible que se produzca cavitación , la combinación de la cavitación y de la vibración procedente de la separación el contacto alternativo con las superficies del vertedero puede dar lugar a daños estructurales importantes. En otro caso si una rampa de forma y tamaño correcto esta apropiadamente situada hará que el agua se desvíe de la superficie del vertedero de manera que se forme una cavidad, para que esta funciones bien es necesario que dicha cavidad este bien ventilada, el resultado final de este diseño es que el aire se va arrastrando por el agua haciendo que el volumen de agua aumente ligeramente de tal manera que al volver a entrar en contacto con la superficie del vertedero, la cavitación no represente un problema. Y en el caso de verteros muy altos se puede utilizar dichas rampas en serie una detrás de la otra.

Hasta esta parte del trabajo, seguramente ya se habrá entendido lo que es cavitación, efectos y como evitarla, sin embargo hiendo mas allá de esto, nosotros debemos de considerar en nuestro criterio, que algunas veces un problema, puede ser considerado una solucion si lo observamos desde otro ángulo, si buen es cierto que la cavitación es indeseable, con la aplicación de la ingeniería puede en algunos casos ser deseable, como es el ejemplo de naves submarinas que viajan encerradas en una bolsa de gas eliminando de esta manera la resistencia con el agua.

Cuando un submarino ruso el K-141 Kursk se hundió en Agosto del 2000, se difundieron rumores sobre si las causas de las misteriosas explosiones que enviaron el navío al fondo del mar de Barents estaban de alguna manera relacionadas con las pruebas de un nuevo torpedo de alta velocidad.

Algunos meses más tarde, cuando el empresario americano Edmond Pope fue arrestado en Moscú bajo cargos de espionaje, se dijo que había estado intentando comprar los planos de un torpedo de alta velocidad.

Aunque los detalles de ambos casos no han sido revelados, hay evidencias de que ambos incidentes giran entorno a una increible y poco conocida tecnología que permite desplazamientos de alta velocidad para las naves submarinas que la empleen, así como para las armas que estas naves transportan.

La supercavitación se supone es el mayor salto en la tecnología naval producido desde hace muchos años, de esta manera en algunos aspectos a la transición de los aviones de hélice hacia los reactores e incluso hacia los cohetes y misiles.

Aunque los recursos económicos dedicados a la tecnología de la supercavitación son oficialmente modestos (del orden de 50 millones de dólares en los Estados Unidos, por ejemplo), pero la lista del armamento que se beneficiaría de esta tecnología es inmensa y a la vez intranquilizadora; incluye proyectiles submarinos de alta velocidad para la destrucción de minas o torpedos ya disparados, barcos e incluso aviones en vuelo rasante y helicópteros.

Otras posibilidades incluyen torpedos de alta velocidad disparados contra barcos o contra torpedos anti-torpedo, y ademas contra "interruptores de conflicto de medio alcance", grandes armas diseñadas para forzar el fin de un conflicto entre dos submarinos.

También se prevé en el futuro pequeños barcos de superficie ultrarrápidos, así como misiles submarinos capaces de llevar cabezas nucleares diseñadas para neutralizar formaciones enteras de portaviones.

Algunos expertos navales creen que los sistemas basados en supercavitación pueden cambiar completamente la naturaleza de la guerra submarina, pasando de la típica estrategia del gato y el ratón entre grandes submarinos, hacia algo parecido a los combates aereos, en donde habría furiosas peleas entre pequeños "cazas" submarinos de corto alcance, que dispararían balas submarinas contra el enemigo, después de haber salido de una especie de portaviones submarino.

Otros expertos especulan con la posibilidad de torpedos o misiles submarinos de largo alcance y varias etapas, disparados con cabezas nucleares. Estos ingenios serían una réplica efectiva a la estrategia de misiles de defensa del proyecto "Guerra de las Galaxias" del Gobierno americano. Estos dispositivos podrían ser disparados desde un submarino, salir a la superficie cerca de sus objetivos y detonar su carga letal antes de que ningún sistema de alerta aérea o espacial pudiera reaccionar.

La supercavitación es la versión extrema de la cavitación en la que se forma una única burbuja de manera que envuelve el cuerpo (solidos extraños, granos de arena, particulas de metal, tec..) en desplazamiento casi completamente.

A velocidades mayores de 50 metros por segundo, los cavitadores de punta roma y los sistemas de inyección de gas producen unas bolsas de gas de baja densidad (conocidas como supercavidades). En objetos largos y asimétricos, las supercavidades toman la forma de elipsoides alargados que comienzan por delante del objeto en movimiento y alcanzan su estela, la longitud de la cual depende de la velocidad del cuerpo.

Las cavidades elípticas resultantes en la cola se cierran pronto bajo la presión del agua circundante, por lo que la estela del objeto en movimiento es un área caracterizada por flujos complejos e inestables.

La mayor parte de las dificultades encontradas en el modelado matemático de las supercavidades vienen precisamente de lo que Tulin denomina "the mess at the rear" (el lío de atrás) de las cavidades, conocido como la zona de cierre o de compactación. En realidad, las presiones en las cavidades de gas no son constantes, hecho que complica bastante el análisis.

Una vez modelizados, en cuanto el agua toca el cavitador, los dispositivos supercavitacionales pueden navegar en el interior de alargadas burbujas de gas con un rozamiento mínimo