CT 3411 Clase 4 Cavitación pdf

Texto completo

(1)INTRODUCCIÓN A LAS MÁQUINAS HIDRÁULICAS. Prof. Jesús DE ANDRADE Prof. Miguel ASUAJE Enero 2009.

(2) CAVITACIÓN.

(3) Definición Cavitación Cavitación Fenómeno que ocurre en una corriente de un fluido al disminuir la presión en un punto de la misma por debajo de la presión de vaporización "Pv", produciéndose burbujas de vapor (cavidades), las cuales al llegar a una zona aguas abajo, donde la presión sea superior a la Pv , implotan, ocasionando la erosión de las paredes del ducto en contacto con esta zona.. Zona de Colapso.

(4) Cavitación P. Líquido. Ebullición Cavitación. Vapor. T.

(5) Cavitación ¿Por qué se produce Cavitación? • La presión sobre la superficie del líquido disminuye hasta ser igual o inferior a su presión de vapor (a la temperatura actual). • La temperatura del líquido sube hasta hacer que la presión de vapor sobrepase a la presión sobre la superficie de líquido Las burbujas de vapor se forman dentro de la bomba cuando la presión estática en algún punto baja a un valor igual o menor que la presión de vapor del líquido Factores que Afectan la Aparición de Cavitación •Temperatura del Fluido •Contenido de Gases Disueltos •Naturaleza del Fluido (contenido de sólidos en suspención) Nucleación de Burbujas.

(6) Cavitación Dos condiciones en las que la presión de la bomba puede bajar hasta un nivel inferior al presión de vapor: 1. Porque la caída de presión actual en el sistema externo de succión es mayor que la que se consideró durante el diseño del sistema. (Es una situación bastante corriente). Esto resulta en que la presión disponible en la succión de la bomba (NPSHd) no es suficientemente alta para suministrar la energía requerida para superar la caída de presión interna (NPSHr) propia del diseño de la bomba. 2. Porque la caída de presión actual dentro de la bomba (NPSHr) es más grande que la informada por el fabricante y que se usó para seleccionar la bomba..

(7) Consecuencia de la cavitación.

(8)

(9) Cavitación.

(10) Cavitación Dos tipo de burbujas:. Burbujas de vapor: se forman debido a la vaporización del líquido bombeado. La cavitación inducida por la formación y colapso de estas burbujas se conoce como Cavitación Vaporosa. Burbujas de gas: se forman por la presencia de gases disueltos en el líquido bombeado (generalmente aire pero puede ser cualquier gas presente en el sistema). La cavitación inducida por la formación y colapso de estas burbujas se conoce como Cavitación Gaseosa..

(11) DAÑOS POR CAVITACIÓN.

(12) Daños por cavitación en una bomba vertical. a) Impulsor, b) Campana de succión.

(13) Cavitación Presión de Implosión de las Burbujas P = a · r · c [ Kgf/ m2]. donde:. a Velocidad del sonido en el medio [m/s] c Velocidad de Implosión [m/s] r Densidad del medio [ Kgf·s2/m4]. Ro 3 ) 1 c  (2Po R ) 0.5 3r (. Ro R Po. radio de la burbuja antes de la implosión [m] radio de la burbuja después de la implosión [m] Presión del liquido lejos de la zona de burbujas ~ NPSHdisponible [ Kgf/m2].

(14) Cavitación Pérdida de Material por Cavitación. VV K1 K2  m  m VL  U1  U1o Vv VL K1,K2 u1. Energía Destructiva. Volumen de vapor Volumen de liquido Constantes para determinado material Coeficiente de Cavitación. 2g U1  NPSH 2 U1 U1 Velocidad periférica a la entrada del rodete. σu1o Coeficiente de Cavitación ( Sin Burbujas) σu1o~ 1.5 Teórico ; u1o ~1 Experimental m 6 @ 8 (constante).

(15) Cavitación. Pérdida de Material por unidad de Tiempo [mgr/h]. G VV K1 K2 ~  m  m T VL  U1  U1o Variación de la erosión en una B.C. con el cambio de la Velocidad periférica U1. G T n2  ( U12 ) 6 G U11 T n1.

(16) La cavitación y el desempeño. Curvas de desempeño en bombas a varias alturas de succión con cavitación. Note lo rápido que comienza la cavitación.

(17) Cavitación Definiciones Importantes Presión Estática P: La presión estática en una corriente de fluido es la fuerza normal por unidad de área actuando sobre un plano o contorno sólido en un punto dado. Describe la diferencia de presión entre el interior y el exterior de un sistema, despreciando cualquier movimiento en el líquido. Es una medida de la energía potencial de un fluido.. Presión Dinámica Pd: El la presión ejercida por la energía cinética de un fluido (mv2/2). Es decir, es la presión que existiría en una corriente de fluido que ha sido desacelerada desde su velocidad “v” a velocidad “cero”. Presión Total Pt ó de Estancamiento Po: Es la suma de la presión estática más la dinámica.. Po  Ps . rV 2 2.

(18) Cavitación – Net Positive Suction Head (NPSH) Definición. 2 S. PS. V H pts    2g. PV NPSH  H pts   Altura de Presión Total a la entrada de la bomba Referida a la presión de vapor. Altura de presión absoluta en la brida de succión. Altura de presión absoluta en la brida de succión. Zs Altura geodésica en la brida de succión  0 (bomba eje horizontal). Ps. 2 S. V PV NPSH     2g . 1 Hs s.

(19) Cavitación – NPSHdisponible Altura de Succión:.

(20) Cavitación – NPSHdisponible Bernoulli entre 1 y s: 1. 2. Sumatoria de pérdidas en la tubería de succión. V12 PS VS2   z1    zS   hf1S  2g  2g. 1. P1. VS2 PV NPSH     2g  Ps. Hs s. Con 1 y 2:. NPSH d . P1  PV + Z1  Z s   hf1s . Hs = Z1-Zs. P1 PV NPSH d   HS    hf1S  .

(21) Pérdidas Tubería descarga. Pérdidas Tubería succión. Succión Negativa.

(22) Pérdidas tubería de descarga. Pérdidas tubería de succión. Succión Positiva.

(23) Cavitación - NPSHrequerido V12 PV NPSHr     2g  P1. 2. Er1 = Erx + Shf1x Ec. Bernoulli Mov. Relativo. P1. . . W12 2g. . Si…. U12 2g.  z1 . P1. . . PX. . PX. . . WX2. y. 2g. . U2X 2g. PV. .  z X   hf1X. x 1. 0. Se tiene que. V12 WX2 - W12 U12 - U2X NPSH r     z X + z1   hf1X 2g 2g 2g.

(24) Cavitación - NPSHrequerido Se puede decir que:. WX2 - W12 U12 - U2X   z X + z1 ~ 0 2g 2g Las pérdidas son:. Define el comienzo teórico de la cavitación.  hf1X. W12  2g. V12 W12 NPSH r   2g 2g. Existen fórmulas empíricas muy utilizadas. i.e: Stepanoff, Sulzer.

(25) Cómo Evitar Cavitación Se debe cumplir, sin excepción, las siguientes condiciones: a.- NPSHd > 0 b.- NPSHd > NPSHr c.- NPSHd / NPSHr ≥ Fs. (1,3 - 1,5). d.- M = NPSHd – NPSHr ≥ 1 m ó 3 pies (Según norma). El nivel del tanque de succión respecto a la bomba Hs debe seleccionarse de manera que se cumplan “c” y “d”.

(26) Control de la aparición de Cavitación. Boquilla de Descarga Voluta. •Disminuir Vs (aumentar diámetro succión) •Aumentar P1 •Aumentar Hs •Disminuir.  hf. Boquilla de succión. 1s. Disminuir en lo posible la longitud de la tubería de Succión Disminuir el número de accesorios Disminuir el número de codos y aumentar la curvatura de los mismos. NPSH d . P1 P  H S  V   hf1S  .

(27) Ensayo de Cavitación Definición del NPSHR3% de la bomba. Q  cte N  cte. H i. H  3%. NPSH D  FS  NPSH R3% Factor de seguridad: FS = 1,3....1,5. Margen de seguridad. NPSH R3% NPSH i. NPSH D. NPSH D.

(28) Ensayo de Cavitación Altura Vs NPSHD 30. 68 l/s 74 l/s. 20. 80 l/s. 15 10 5. 0.05. 1.05. 2.05. 3.05. 4.05. 5.05. NPSHd [mca]. Se obtiene. NPSHR [mca]. Altura [mca]. 25. 6.05. 7.05. NPSHR Vs Caudal. 2 1.6 1.2 0.8 0.4 0 0.065. 0.07. 0.075. 0.08. 0.085. Q [m3/s].

(29) Curvas Características en el Análisis de Reg. Cavitacional. LIBRE DE CAVITACIÓN. CAVITACIÓN.

(30) Evaluación vía DFC Régimen Cavitacional Distribución de la Fracción Volumétrica del Vapor. Span =1 (Boveda). r Span =0 (Cubo). Fracción Vol. Vapor de Agua. z. (Plano Rotacional). Span 0.1. Span 0.5. PS=30,0 kPa (NPSHd=2,8m). Span 0.9. Q= 80 l/s n=1000 rpm.

(31) Evaluación vía DFC Régimen Cavitacional Span =1 (Boveda). Distribución de la Fracción Volumétrica del Vapor. r Span =0 (Cubo). Fracción Vol. Vapor de Agua. z. (Plano Rotacional). Span 0.1. Span 0.5. PS=20,0 kPa (NPSHd=1,8m). Span 0.9. Q= 80 l/s n=1000 rpm.

(32) Evaluación vía DFC Régimen Cavitacional Distribución de la Fracción Volumétrica del Vapor. Span =1 (Boveda). r Span =0 (Cubo). Fracción Vol. Vapor de Agua. z. (Plano Rotacional). Span 0.1. Span 0.5. PS=12,2 kPa (NPSHd=1,12m). Span 0.9. Q= 80 l/s n=1000 rpm.

(33) Evaluación vía DFC Régimen Cavitacional Q= 80 l/s n=1000 rpm. Fracción Vol. Vapor de Agua. PS=62,68 kPa (NPSHd=6,17m). PS=50 kPa (NPSHd=4,8m). PS=30 kPa (NPSHd=2,8m). PS=20 kPa (NPSHd=1,8m). PS=14 kPa (NPSHd=1,19m). PS=12 kPa (NPSHd=1,12m).

(34) Cavitación en Válvulas Cavitación. Flashing.

(35)