UNIVERSIDAD JOS CARLOS MARITEGUI
UNIVERSIDAD JOS CARLOS MARITEGUI
CAVITACIN DE UNA BOMBA CENTRFUGA
La cavitacin puede ser el principal problema en lo que se
refiere al bombeo de fluidos. En muchas ocasiones, se cree que la
cavitacin es un problema de la bomba en s misma. Y ms bien es un
problema de la instalacin que aparece slo en la bomba porque las
condiciones han cambiado o porque, en primer lugar, la bomba no se
instal correctamente. No importa cul sea el tipo de bomba:
centrfugas, de desplazamiento positivo, autocebantes o sumergibles,
todas ellas pueden sufrir los efectos de la cavitacin.
QU ES LA CAVITACIN
El diccionario define este trmino como formacin de burbujas de
vapor o de gas en el seno de un lquido, causada por las variaciones
que ste experimenta en su presin. Cuando las burbujas se colapsan
aparecen unas oquedades o picaduras, en la superficie del metal en
contacto con el lquido. Existen dos formas para que un lquido
hierva; una de ellas es calentarlo hasta alcanzar su punto de
ebullicin (100 C para agua). La 2 manera es reducir la presin a la
que est sometido el lquido hasta que ste entre en ebullicin a
temperatura ambiente. En ambos casos, el lquido hierve a una presin
de vapor relativa a una temperatura. En el interior de una bomba,
se crean vacos o zonas de presin negativa. Si este vaco excede la
presin de vapor del lquido a bombear, entonces se forman burbujas
de vapor que se desplazan por el sistema hasta implosionar, cuando
existe una presin local suficientemente alta. Cuando las burbujas
se colapsan, la implosin puede superar los 6.900 bar. Si la
implosin se produce cerca de una zona metlica, se atacar su
superficie con una picadura minscula.Efectos de la cavitacin.Los
efectos que tiene sobre la maquinaria de bombeo son:EFECTO
MECANICO: Con las implosiones se decrecen los dimetros de las
burbujas, las partculas 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 metlicas por lo que en muy poco tiempo
pueden ocasionar daos a la estructura de la maquina (rotor).Los
golpeteos los cuales al ser muy fuertes dan la impresin que la
bomba acarrea grava causan un desequilibrio en la maquina daando
las uniones de los tubos con esta, as como aflojan las partes que
la sostienen. Adems los martilleos en ocasiones son tan fuertes que
producen ruidos los cuales pueden ser molestos durante la operacin
de la bomba.Y el problema y quizs el mas importante es el de la
reduccin de la eficiencia de la bomba con el cual el nosotros como
futuros ingenieros estamos obligados a seleccionar o disear de la
manera mas eficiente, con lo cual debemos de tener un criterio
amplio para evitar el fenmeno de la cavitacin. Entre las bombas ms
supcebtibles a este fenmeno estn las que tiene lados convexos y
sobre todo en la parte trasera en donde pueden tener un rea
localizada que propicie la cavitacin.
Efecto qumico: Con la implotacin de las burbujas se liberan
iones de oxigeno que como sabemos atacan las superficies de los
metales. CAUSAS DE LA CAVITACIN En una bomba hay dos zonas donde
puede producirse el fenmeno de la cavitacin.
CAVITACIN EN EL OJO DEL RODETE O DE ASPIRACIN.
Se produce cuando existe demasiado vaco que excede la presin del
vapor del lquido bombeado. El lquido hierve y se separa del resto.
Las bolsas de vaco aparecen en el centro del impulsor, que es la
zona de ms baja presin, y se desplazanhasta su implosin o
colapso.Este tipo de cavitacin la causa una altura de aspiracin
excesiva o bien, que el NPSHD de la instalacin se vuelva
insuficiente por aumento de la prdida de carga en la succin de la
bomba (obstrucciones parciales). La bomba no provoca ambas
situaciones sino su entorno (instalacin / aplicacin). Cavitacin en
la tajamar de la voluta o de impulsin. Esta situacin se da cuando
la altura de descarga es demasiado alta, desplazando el punto de
trabajo hacia la izquierda y fuera de la curva de funcionamiento.
La cavitacin se localiza entre el extremo del lave del rodete y
donde acaba la envolvente del cuerpo o tajamar. El lquido se estira
debido al bajo caudal y a la alta presin diferencial en ambos lados
de la tajamar. Al paso de los laves, se forman y se colapsan
burbujas continuamente. Entre un lave y el siguiente, aparecen
burbujas que permanecen en la tajamar hasta que el siguiente lave
la alcanza. Es entonces cuando se crea una presin suficiente que
permite la implosin de la burbuja en el extremo del lave. En la
parte posterior del lave ya se ha formado una nueva burbuja que
permanece ah hasta que implosiona en el siguiente lave.
DAOS PRODUCIDOS Debe tenerse en cuenta que vlvulas y otros
accesorios pueden cavitar sufriendo los mismos efectos
perjudiciales que una bomba. Si una vlvula tiene su admisin
parcialmente cerrada, probablemente cavitar y se deteriorar de la
misma forma que lo hara un impulsor y la placa de desgaste de una
bomba cuya aspiracin estuviera obstruida. En la cavitacin de
aspiracin, el dao observado puede abarcar desde unas pocas
picaduras localizadas en el ojo del rodete hasta una rotura total
del impulsor y destruccin de la placa de desgaste. En la mayora de
casos, el dao consiste en picaduras en el rodete y en la placa de
desgaste. A veces se describe el dao como si fuera un queso suizo o
como si se hubiera ametrallado el rodete. En general, el dao
provocado por una cavitacin de aspiracin se limita a estas dos
piezas. La cavitacin en la tajamar de la carcasa o de impulsin es,
con diferencia, mucho ms destructiva que la cavitacin de aspiracin.
Cuando se dan las circunstancias de una cavitacin de impulsin,
aparecen las picaduras caractersticas en el extremo de los laves y
por su parte anterior. Si la cavitacin es suficientemente severa,
el ataque avanza por todo el lave. Por otra parte, en carcasas de
volutas simples, a causa de no compensarse la alta presin, el eje
aumenta su deflexin a medida que la altura de bombeo es ms alta.
Gorman Rupp disea los ejes de sus bombas para que admitan esta
deflexin en el rango de trabajo de la curva de funcionamiento. Sin
embrago, si la altura de bombeo es suficientemente elevada como
para que el punto de trabajo se site a la izquierda de la curva
caracterstica, entonces se producir la cavitacin de impulsin que
reducir la vida til del rodete. La deflexin del eje podra producir
fatiga y su rotura; los rodamientos podran deteriorarse por
sobreesfuerzo y podra daarse el cierre mecnico.CMO DETECTAR LA
CAVITACINCuando una bomba cavita, se oye un ruido caracterstico que
recuerda un martillo golpeando una pieza de metal o como si la
bomba tuviera piedras en su interior e impactaran constantemente.
La forma ms precisa para detectar la cavitacin es tomar lecturas de
presin en la aspiracin e impulsin de la bomba y medir con exactitud
la velocidad de trabajo de la bomba. Con esta informacin, se
consulta la curva caracterstica de la bomba y se determina dnde est
trabajando la bomba. Si se sospecha que la bomba padece una
cavitacin de aspiracin la lectura de presin en la brida de succin
indicar un nivel de vaco importante o, posiblemente, debe revisarse
el clculo del NPSH. Evidentemente, si se abre la bomba y en el
rodete se observa algn ataque similar a los descritos, entonces la
cavitacin ya no es una sospecha sino que es una realidad.CMO
CORREGIR UNA CAVITACIN Es sencillo si se conoce la causa del
problema.La cavitacin de impulsin u operacin demasiado a la
izquierda de la curva caracterstica implica reducir la altura de
bombeo o bien, aumentar el caudal de trabajo para que la bomba
entre en la curva. En algunos casos, puede ayudar aumentar la
velocidad pero debe conocerse la curva de la instalacin antes tomar
cualquier medida. En el caso de cavitacin en la aspiracin, puede
deberse a algn cuerpo extrao que obstruye la tubera de succin de la
bomba o bien, que la altura de aspiracin es demasiado alta y en
consecuencia el NPSHD es inferior al NPSHR de la bomba. Un
vacumetro instalado en la brida de aspiracin solamente indicar que
el vaco es elevado pero no su causa. Si detecta un atasco en la
tubera de aspiracin, lmpielo lo antes posible! No inyecte aire
comprimido porque lo devolvera al depsito y podra aspirarse de
nuevo. Si la altura de aspiracin es demasiado alta, acerque la
bomba a la superficie del lquido o cambie la consigna de nivel del
pozo de bombeo.
QU ES EL GOLPE DE ARIETE El golpe de ariete (choque hidrulico)
es el incremento momentneo en presin, el cual ocurre en un sistema
de agua cuando hay un cambio repentino de direccin o velocidad del
agua. Cuando una vlvula de rpido cierre cierra repentinamente,
detiene el paso del agua que est fluyendo en las tuberas, y la
energa de presin es transferida a la vlvula y a la pared de la
tubera. Las ondas expansivas se activan dentro del sistema. Las
ondas de presin viajan hacia atrs hasta que encuentran el siguiente
obstculo slido, luego continan hacia adelante, luego regresan otra
vez. La velocidad de las ondas de presin es igual a la velocidad
del sonido; por lo tanto, su explosin a medida que viaja hacia
adelante y hacia atrs, hasta que se disipa por la prdida de
friccin. Cualquiera que haya vivido en una casa antigua est
familiarizado con la explosin que resuena a travs de las tuberas
cuando una llave de agua es cerrada repentinamente. Esto es un
efecto del golpe de ariete. Una forma menos severa del golpe de
ariete es llamada oscilacin, que es un movimiento lento en forma de
ola de una masa de agua causado por fluctuaciones internas de
presin en el sistema. Esto puede ser visto como una onda de presin
que se forma lentamente dentro del sistema. Ambos, golpe de ariete
y oscilacin, se refieren a presiones transitorias. Si no se
controlan, ambas darn los mismos resultados: daos a las tuberas,
accesorios y vlvulas, causando fugas y reduciendo la vida til del
sistema. Ni la tubera ni el agua se comprimirn para absorber el
choque del agua.
Investigando las Causas del Golpe de Ariete Las condiciones de
operacin de un sistema de transporte de agua casi nunca estn en un
estado constante. Las presiones y los flujos cambian continuamente
a medida que la bomba se enciende y se apaga, la demanda flucta y
los niveles del tanque cambian. Adicionalmente a estos eventos
normales existen acontecimientos imprevistos tales como
interrupciones de energa y el mal funcionamiento de los equipos, lo
que puede cambiar rpidamente las condiciones de operacin de un
sistema. Cualquier cambio en el nivel de velocidad del flujo del
lquido, sin importar el nivel o magnitud del cambio, requiere que
el lquido sea acelerado o desacelerado de su velocidad inicial de
flujo. Los cambios rpidos en el nivel del flujo requieren grandes
fuerzas que son vistas como presiones altas, las cuales causan
golpe de ariete.El aire atrapado o los cambios de temperatura del
agua tambin pueden causar excesiva presin en las lneas de agua. El
aire atrapado en la lnea se comprimir y ejercer una presin extra en
el agua. Los cambios de temperatura causan que el agua se expanda o
se contraiga, afectando tambin la presin. Las presiones mximas
experimentadas en un sistema de tuberas son frecuentemente el
resultado de la separacin de una columna de vapor, la cul es
causada por la formacin de paquetes vacos de vapor cuando la presin
cae tan bajo que el lquido ebulle o se vaporiza. Las presiones
dainas pueden ocurrir cuando estas cavidades se colapsan. Las
causas del golpe de ariete son muy variadas. Sin embargo existen
cuatro eventos comunes que tpicamente inducen grandes cambios de
presin: 1. El arranque de la bomba puede inducir un colapso rpido
del espacio vaco que existe aguas abajo de la bomba. 2. Un fallo de
potencia en la bomba puede crear un cambio rpido en la energa de
suministro del flujo, lo que causa un aumento de la presin en el
lado de succin y una disminucin de presin en el lado de la
descarga. La disminucin es usualmente el mayor problema. La presin
en el lado de descarga de la bomba alcanza la presin de vapor,
resultando en la separacin de la columna de vapor. 3. La abertura y
cierre de la vlvula es fundamental para una operacin segura de la
tubera. Al cerrarse una vlvula, la parte final aguas debajo de una
tubera crea una onda de presin que se mueve hacia el tanque de
almacenamiento. El cerrar una vlvula en menos tiempo del que toma
las oscilaciones de presin en viajar hasta el final de la tubera y
en regresar se llama cierre repentino de la vlvula. El cierre
repentino de la vlvula cambiar rpidamente la velocidad y puede
resultar en una oscilacin de presin. La oscilacin de presin
resultante de una abertura repentina de la vlvula usualmente no es
tan excesiva. 4. Las operaciones inapropiadas o la incorporacin de
dispositivos de proteccin de las oscilaciones de presin pueden
hacer ms dao que beneficio. Un ejemplo es el exceder el tamao de la
vlvula de alivio por sobre-presin o la seleccin inapropiada de la
vlvula liberadora de aire/vaco. Otro ejemplo es el tratar de
incorporar algunos medios de prevencin del golpe de ariete cuando
este no es un problema.
Encontrando Soluciones Prcticas La oscilacin de presin debe ser
incorporada junto con la presin de operacin durante el diseo de la
tubera. Las recomendaciones y requerimientos con respecto a
presiones de las oscilaciones permisibles estn dados en los
estndares y manuales para la prctica de abastecimiento de agua de
los Trabajos Americanos de Agua (AWWA, siglas en ingls) y varan
dependiendo del tipo de tubera utilizada. Las siguientes son
algunas herramientas para reducir los efectos del golpe de ariete:
Vlvulas El golpe de ariete usualmente daa a las bombas centrfugas
cuando la energa elctrica falla. En esta situacin, la mejor forma
de prevencin es tener vlvulas controladas automticamente, las cules
cierran lentamente. (Estas vlvulas hacen el trabajo sin
electricidad o bateras. La direccin del flujo los controla). Al
cerrarse la vlvula lentamente se puede moderar el aumento en la
presin cuando las ondas de sobre-presin del agua de abajoresultando
del cierre de la vlvula regresan del tanque de almacenamiento. El
aire arrastrado o los cambios de temperatura del agua pueden ser
controlados por la vlvula de descarga de la presin, los cuales estn
fijados para abrir con presin excesiva en la lnea y luego se
cierran cuando la presin cae. Las vlvulas de descarga son comnmente
usadas en estaciones de bombeo para controlar la oleada de presin y
proteger la estacin de bombeo. Estas vlvulas pueden ser un mtodo
efectivo de control transitorio. Sin embargo, deben ser propiamente
clasificadas y seleccionadas para realizar la tarea para la que
estn previstas sin producir efectos secundarios. Si la presin
pudiera bajar en los puntos elevados, una vlvula liberadora de aire
y de vaco debe ser usada. Todos los descensos donde las presiones
pudieran bajar mucho deben ser protegidas con vlvulas liberadoras
de aire. Las vlvulas liberadoras de aire si estn apropiadamente
clasificadas y dimensionadas, pueden ser el medio menos costoso
para proteger el sistema de tuberas. Una vlvula liberadora de aire
deber ser lo suficientemente larga para admitir suficientes
cantidades de aire durante las oscilaciones de presin aguas abajo y
para que la presin en las tuberas no baje mucho. Sin embargo, no
deber ser tan larga que contenga un gran volumen de aire
innecesario, porque este aire tendr que ser ventilado lentamente,
incrementando el tiempo muerto del sistema. El tamao de la vlvula
de descarga de aire es, como se ha mencionado, crtico.Bomba Los
problemas de operacin en el arranque de la bomba pueden usualmente
ser evitados incrementando el flujo en la tubera lentamente hasta
colapsar o desalojar los espacios de aire suavemente. Incluso, un
simple medio para reducir las oscilaciones hidrulicas de presin es
el mantener bajas velocidades en la tubera. Esto no solo resultar
en oscilaciones bajas de presin, sino tambin resultar en bajos
niveles de caballos de fuerza durante la operacin, y as, conseguir
una mxima economa de operacin. Tanque de Oscilacin En tuberas muy
largas, las oscilaciones pueden ser liberadas con un tanque de agua
directamente conectado a la tubera llamado tanque de oscilacin.
Cuando la oscilacin es encontrada, el tanque actuar para liberar la
presin, y poder almacenar el lquido excesivo, dando al flujo un
almacenamiento alternativo mejor que el proporcionado por la
expansin de la pared de la tubera y compresin del fluido. Los
tanques de oscilacin pueden servir para ambos, fluctuaciones
positivas y negativas. Estos tanques de oscilacin tambin pueden ser
diseados para proporcionar flujo al sistema durante una oscilacin
agua abajo, de esta manera previene o minimiza la separacin de la
columna de vapor. Sin embargo, los tanques de oscilacin pueden ser
un dispositivo de control costoso. Cmara de Aire Las cmaras de aire
son instaladas en reas donde se puede encontrar el golpe de ariete
frecuentemente, y tpicamente pueden ser vistos detrs de accesorios
de los lavabos y la tina de bao. De forma fina como botellas
volteadas al revs y con un pequeo orificio conectado a la tubera,
estn llenos de aire. El aire se comprime para absorber el choque,
protegiendo a los accesorios y a la tubera. Conclusin El golpe de
ariete continuar desafiando a ingenieros, operadores, y directores
de sistemas de agua porque est asociado con sistemas que no pueden
ser definidos exactamente debido al tamao y largo del sistema de
distribucin de agua con un perfil ondulante o por la falta de
definicin de los componentes del sistema tales como las vlvulas o
las bombas. Existe una necesidad de un acercamiento ms prctico
mientras que la investigacin contina proporcionando mejores
descripciones de la fsica del golpe de ariete y mientras que las
soluciones computacionales proporcionen herramientas ms tiles que
incluyan esos principios.
PREVENCIN O MITIGACIN DEL GOLPE DE ARIETESe tiene como primera
medida de precaucin, instalar vlvulas apropiadas en las lneas de
conduccin y controlar su tiempo de cierre. En algunos casos se
construyen vlvulas interruptoras especiales, provistas de un
resorte que opera contra la presin del agua, de manera que
inmediatamente la velocidad empieza a disminuir como resultado de
la detencin de la bomba, la vlvula comienza a cerrarse, logrndose
el cierre completo antes del regreso de la columna lquida.Cerrar
lentamente la vlvula de impulsin.Escoger el dimetro de la tubera de
impulsin grande para que la velocidad sea pequea.Instalar la bomba
con un volante, que en el caso de corte de la corriente reduzca
lentamente la velocidad del motor y por consiguiente la velocidad
del agua en la tubera.Usar una cmara o colchn de aire. Esto ha dado
resultados satisfactorios, pero su costo inicial y la dificultad de
mantener el nivel deseado del agua, le hacen perder
importancia.Utilizar almedanas. Su uso se restringe a instalaciones
de pequea cabeza y no son generalmente econmicas.Aumentar el
momento de inercia de los elementos que rotan en la bomba y el
motor es til, debido a que aumenta el intervalo de tiempo
disponible para el ajuste de la vlvula.Utilizar un "by-pass" a
travs de la vlvula de seguridad.
ING MECNICA ELCTRICA