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Universidad Nacional de Ingeniería

Facultad de Ingeniería Ambiental

Cavitación – Fundamento Teórico

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 (tuberías, válvulas, etc.) que en máquinas hidráulicas (bombas, hélices, turbinas, etc.)

La cavitación es un fenómeno muy frecuente en sistemas hidráulicos donde se dan cambios bruscos de la velocidad del líquido.

Ejemplos:

CAVITACIÓN EN TUBERÍAS

CAVITACIÓN EN TUBERÍAS

¿Cómo ocurre la cavitación en tuberías?La cavitación es un fenómeno físico, que ocurre en los sistemas de tuberías mediante el cual el liquido, en determinadas condiciones, pasa a estado gaseoso y unos instantes después pasa nuevamente a estado líquido.

Este fenómeno tiene dos fases:Fase 1.- Cambio de estado líquido a estado gaseoso.Fase 2.- Cambio de estado gaseoso a estado líquido.

2)Tipos de Cavitación:

Hay dos tipos de cavitación, uno con flujo y otro estando el líquido estático:a)Cavitación por flujob)Cavitación por ondas

Ejemplos del tipo (a) los tenemos en tuberías donde la presión estática del líquido alcanza valores próximos al de la presión de vapor del mismo, tal como puede ocurrir en la garganta de un tubo Venturi, a la entrada del rodete de una bomba centrífuga o a la salida del rodete de una turbina hidráulica de reacción.

Los ejemplos del tipo (b) aparecen cuando estando el líquido en reposo por él se propagan ondas como las ultrasónicas denominándose Cavitación Acústica, o típicas ondas por reflexión sobre paredes o superficies libres debido a ondas de compresión o expansión fruto de explosiones y otras perturbaciones como en el caso del golpe de ariete, denominadas Cavitación por Shock.

Contenido de aire Los altos contenidos de gas parecen favorecer el comienzo de la cavitación, debido a que originan una mayor cantidad de burbujas. Por otra parte un contenido elevado de aire (presión parcial de aire) disminuye la velocidad de implosión.Con un contenido bajo de gas se demora el comienzo de la cavitación, ya que la resistencia a la tracción del agua en este caso comienza a jugar un papel considerable. Para un contenido de un 10% del valor de saturación la cavitación comienza al alcanzar la presión de vapor. Con elevados contenidos de aire la presión para el comienzo de la cavitación es superior a la presión de vapor, ya que en este caso el crecimiento de la burbuja.

Nuevo modelo para la evaluación de materiales, que permita conocer su resistencia a la cavitación, que posibilite mejores diseños.

Este modelo permite determinar un sistema de identificación y medición apropiado con técnicas metalográficas estándares (banco de cavitación por ultrasonido + equipo para preparación de muestras + observación de muestras mediante microscopía)

Los álabes de un rodete de una bomba se mueven dentro de un fluido, las áreas de bajas presiones se forman cuando el fluido se acelera a través de los álabes. Cuando se alcanza la presión de vapor, el fluido se vaporiza y forma pequeñas burbujas de vapor que al colapsarse causan ondas de presión audibles y desgaste en los álabes.

La cavitación en bombas puede producirse de dos formas diferentes: Cavitación de succión y de descarga

La cavitación de succión ocurre cuando la succión de la bomba se encuentra en unas condiciones de baja presión/alto vacío que hace que el líquido se transforme en vapor a la entrada. Este vapor es transportado hasta la zona de descarga donde el vacío desaparece y el vapor del líquido es de nuevo comprimido debido a la presión de descarga; allí se produce una violenta implosión sobre la superficie del rodete.

La cavitación de descarga. La elevada presión de descarga provoca que la mayor parte del fluido circule por dentro de la bomba en vez de salir por la zona de descarga, a este fenómeno se le conoce como "slippage".

A medida que el líquido fluye alrededor del rodete debe de pasar a una velocidad muy elevada. Esta velocidad provoca el vacío, lo que provoca que el líquido se transforme en vapor.

Este fenómeno ocurre cuando la válvula se encuentra parcialmente cerrada, la velocidad local del flujo a su paso por el cierre puede alcanzar valores muy elevados. de modo que la presión, puede alcanzar los valores de la presión de vapor del agua.

En el caso de cavitación muy intensa se llegaría a una situación de bloqueo del caudal (choked cavitation).

Clasificación de la intensidad de la cavitación1) Cavitación incipienteSe define como la condición del flujo en la que la cavitación comienza a ser detectable. 2) Cavitación constante o críticaEste segundo límite de cavitación se define como la situación del flujo en la que aparece cavitación continua en un grado moderado.3) Cavitación con daños incipientesSe caracteriza, como su nombre indica, por el comienzo de la erosión de los contornos de la válvula.4) Cavitación con bloqueoEn este nivel extremo se bloquea el caudal circulante debido a la obstaculización provocada por las burbujas. Llegados a este extremo.

La cavitación puede dañar casi cualquier material. Las picaduras causadas por el colapso de las cavidades producen un enorme desgaste en los diferentes componentes y pueden acortar enormemente la vida de la bomba o hélice.

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).

La cavitación ocurre en las paredes de las válvulas, bombas, tuberías sobre todo donde se encuentran reducciones seguidas de ampliaciones bruscas, (tubos venturi) estos efectos se pueden transmitir a las demás partes del sistema de tuberías o de bombeo reduciendo la eficiencia y pudiendo causar serios daños como la corrosión de partículas de metal (pitting). Los efectos que tiene la cavitación sobre un sistema de tuberías son:

Efectos Mecánicos Ruidos y Golpeteos Vibraciones Erosión del material

Efectos Químicos Erosión del metal

La cavitación es un efecto físico cuya aparición depende de las condiciones de funcionamiento. Por tanto, cuando se proyecta una instalación debe intentarse que no aparezca la cavitación o que sus efectos sean los menores posibles.

De cualquier manera la instalación debe ser efectiva y para ello es necesario elegir las válvulas apropiadas.

Son aplicables los siguientes principios:Utilice las válvulas de compuerta y mariposa solo para

trabajar en posición completamente abierta o cerrada y no en posiciones intermedias.

Las válvulas de paso anular son válvulas de control, pero deben ser elegidas en función de las condiciones de trabajo (ej. De corona de aletas o de cilindros ranurados).

Para operar en condiciones extremas donde no podemos controlar la cavitación ni con válvulas especiales, la regulación debe hacerse paso a paso (ej. orificio para contrapresión) o mediante la admisión de aire en el punto de regulación.

El golpe de ariete o choque hidráulico o pulso de Joukowski, llamado así por el ingeniero ruso Nikolái Zhukovski, es junto a la cavitación, el principal causante de averías en tuberías e instalaciones hidráulicas.

El golpe de ariete (choque hidráulico) es el incremento momentáneo en presión, el cual ocurre en un sistema de agua cuando hay un cambio repentino de dirección o velocidad del agua. Cuando una válvula de rápido cierre cierra repentinamente, detiene el paso del agua que está fluyendo en las tuberías, y la energía de presión es transferida a la válvula y a la pared de la tubería

Ilustración grafica del Golpe de Ariete

Las causas del golpe de ariete son muy variadas. Sin embargo existen cuatro eventos comunes que típicamente inducen grandes cambios de presión:

  El arranque de la bomba puede inducir un colapso rápido del espacio vacío que existe

aguas abajo de la bomba.

Un fallo de potencia en la bomba puede crear un cambio rápido en la energía de suministro del flujo, lo que causa un aumento de la presión en el lado de succión y una disminución de presión en el lado de la descarga. La disminución es usualmente el mayor problema. La presión en el lado de descarga de la bomba alcanza la presión de vapor, resultando en la separación de la columna de vapor.

La abertura y cierre de la válvula es fundamental para una operación segura de la tubería. Al cerrarse una válvula, la parte final aguas debajo de una tubería crea una onda de presión que se mueve hacia el tanque de almacenamiento. El cerrar una válvula en menos tiempo del que toma las oscilaciones de presión en viajar hasta el final de la tubería y en regresar se llama “cierre repentino de la válvula”. El cierre repentino de la válvula cambiará rápidamente la velocidad y puede resultar en una oscilación de presión. La oscilación de presión resultante de una abertura repentina de la válvula usualmente no es tan excesiva.

Las operaciones inapropiadas o la incorporación de dispositivos de protección de las oscilaciones de presión pueden hacer más daño que beneficio. Un ejemplo es el exceder el tamaño de la válvula de alivio por sobre-presión o la selección inapropiada de la válvula liberadora de aire/vacío.

Al ser detenida súbitamente la vena líquida su energía cinética se convierte en energía de presión sobre el agua y energía elástica de deformación del agua, al quedar fuertemente comprimida contra la válvula cerrada. La tubería no se deforma, dad su rigidez infinita.

La tubería es plástica o deformable: casos reales de la práctica tienen un mayor o menor grado de elasticidad.

La sobre-presión se "desahoga" en sucesivas dilataciones y contracciones del agua y de la tubería, como en un movimiento oscilatorio, hasta desvanecerse totalmente, a lo cual coadyuda también el rozamiento.

El fenómeno del golpe de ariete, consiste en la alternancia de depresiones y sobrepresiones debido al movimiento oscilatorio del agua en el interior de la tubería, es decir, básicamente es una variación de presión, y se puede producir tanto en impulsiones como en abastecimientos por gravedad.

Por lo tanto, el correcto estudio del golpe de ariete es fundamental en el dimensionamiento de las tuberías, ya que un cálculo erróneo puede conducir a: Un sobredimensionamiento de las conducciones, con lo que la instalación se encarece de forma innecesaria.Tubería calculada por defecto, con el consiguiente riesgo de que se produzca una rotura.

Descripción del fenómeno en abastecimientos por gravedadSi el agua se mueve por una tubería con una velocidad determinada y mediante una válvula se le corta el paso totalmente, el agua más próxima a la válvula se detendrá bruscamente y será empujada por la que viene detrás.Como el agua es algo compresible, empezará a comprimirse en las proximidades de la válvula, y el resto del líquido comprimirá al que le precede hasta que se anule su velocidad. Esta compresión se va trasladando hacia el origen conforme el agua va comprimiendo al límite la que le precede, de manera que al cabo de un cierto tiempo toda el agua de la tubería está en estas condiciones, concluyendo la primera etapa del golpe de ariete.

Descripción del fenómeno en impulsionesEn una impulsión, la parada brusca de motores produce el mismo fenómeno, pero al contrario, es decir, se inicia una depresión aguas arriba de la bomba, que se traslada hacia el final para transformarse en compresión que retrocede a la bomba.Como la presión en el depósito es siempre superior a la de la tubería, que se encuentra bajo los efectos de la depresión, se inicia un retroceso del fluido hacia la válvula de retención con velocidad -v.

Tanto en abastecimientos por gravedad como en impulsiones, la duración de cada una de estas fases es L/a, siendo L la longitud de la tubería y a la celeridad.

TUBERIA EN PERIODO DE SERVICIO NORMAL VÁVULA ABIERTA

El agua fluye con una velocidad uniforme, bajo una presión h supuesta constante sin considerar rozamiento, el diámetro de la tubería es normal

INICIACIÓN DEL FENOMENO, CIERRE RÁPIDO DE LA VÁLVULA B

Repentinamente se cierra la llave B, en un tiempo teórico t = 0. El primer "bloque líquido" Volumen en el frente de la vena líquida, se "aplasta" o comprime fuertemente contra la válvula cerrada, su energía cinética se convierte bruscamente en energía de presión (sobre-presión h´). La presión total en el extremo de la tubería es ahora H = h+ h´

ORIGEN DE LA ONDA ELASTICA O DE PRESIÓNEn la figura anterior, la deformación se traslada de B hacia A, con una velocidad constante c. Esta es la onda elástica o de presión, del tipo longitudinal cuya velocidad se conoce como "celeridad".

FASE DIRECTA. PRIMER TIEMPO t1 = L/ c

La onda c llega a la base del depósito. La velocidad se anula. La tubería se ensancha, el agua queda comprimida en su interior, con una presión total H = h + h´. Debido a la elasticidad del agua y del material de la tubería el conjunto "en tensión" está presto a recuperar su estado normal.

FASE DIRECTA. SEGUNDO TIEMPO t2 = L /c

La onda c se refleja en A y se dirige a B.El agua que estaba comprimida comienza a escapar del depósito. Hay descompresión y la tubería empieza a recuperar su diámetro normal; desde A hacia B

  La onda c regresa a su punto de partida B.

El diámetro es normal, ha desaparecido la sobre-presión h´. Sin embargo, el agua continúa por inercia fluyendo hacia el depósito. Ha transcurrido un tiempo total T = t1 + t2 = 2L/c = tiempo crítico = fase directa.

FASE INVERSA. PRIMER TIEMPO t3 = L/ c 

Se inicia la onda de presión negativa Aparece una depresión en el interior de la tubería debido a que por A sigue fluyendo agua y la llave B está cerrada.

a) Valor de la celeridadLa celeridad (a) es la velocidad de propagación de la onda de presión a través del agua contenida en la tubería, por lo que su ecuación de dimensiones es L.T-1. Su valor se determina a partir de la ecuación de continuidad y depende fundamentalmente de las características geométricas y mecánicas de la conducción, así como de la compresibilidad del agua.

Una expresión práctica propuesta por Allievi (agua).

K: Coeficiente función del módulo de elasticidad (e) del material constitutivo de la tubería, que representa principalmente el efecto de la inercia del grupo motobomba, cuyo valor es:

D: Diámetro interior de la tuberíae: Espesor de la tubería

También se puede hallar el valor de la celeridad consultando las tablas siguientes

Las siguientes son algunas herramientas para reducir los efectos del golpe de ariete:

VálvulasEl golpe de ariete usualmente daña a las bombas centrífugas cuando la energía eléctrica falla. En esta situación, la mejor forma de prevención es tener válvulas controladas automáticamente, las cuáles cierran lentamente.(Estas válvulas hacen el trabajo sin electricidad o baterías. La dirección del flujo los controla).

BombaLos problemas de operación en el arranque de la bomba pueden usualmente ser evitados incrementando el flujo en la tubería lentamente hasta colapsar o desalojar los espacios de aire suavemente. Incluso, un simple medio para reducir las oscilaciones hidráulicas de presión es el mantener bajas velocidades en la tubería.

Tanque de OscilaciónEn tuberías muy largas, las oscilaciones pueden ser liberadas con un tanque de agua directamente conectado a la tubería llamado “tanque de oscilación”. Cuando la oscilación es encontrada, el tanque actuará para liberar la presión, y poder almacenar el líquido excesivo, dando al flujo un almacenamiento alternativo mejor que el proporcionado por la expansión de la pared de la tubería y compresión del fluido

EFECTO MECANICOCon las implosiones se decrecen los diámetros de las burbujas, las partículas en estado líquido 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).

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