EROS IÓN POR CAVITACIÓN

La cavitación es un fenómeno físico, mediante el cual un líquido, en determinadas condiciones, pasa a estado gaseoso y unos instantes después pasa nuevamente a estado líquido.

Este fenómeno tiene dos fases:

Fase1.- Cambio de estado líquido a estado gaseoso.

Fase2.- Cambio de estado gaseoso a estado líquido.

¿Cuándo puede haber cavitación?

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

Ejemplos:

En partes móviles:

Álabes de turbinas Rodetes de bombas Hélices de barcos

En partes no móviles:

Estrangulamientos bruscos Regulación mediante orificios En válvulas reguladoras

Las siguientes diapositivas describen el fenómeno en la regulación con válvulas. Las explicaciones son aplicables a los otros ejemplos.

¿Cuáles son los efectos de la cavitación?

Efectos:

Ruidos y golpeteos Vibraciones Erosiones del material (daños debido a 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 carcasa, de las palas del impulsor el cual el daño está 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 líquido se aceleran y se desplazan hacia el centro de estas burbujas chocando entre sí, estos choques provocan sobrepresiones (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 más 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 más eficiente, con lo cual debemos de tener un criterio amplio para evitar el fenómeno de la cavitación. Entre las bombas más susceptibles 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 QUIMICO: Con la implotación de las burbujas se liberan iones de oxigeno que como sabemos atacan las superficies de los metales.

PROBLEMAS DE LA CAVITACION EL LA INGENIERIA

Las disgregaciones son roturas que se producen en el interior del hormigón por tracciones internas que el hormigón no puede resistir. Pueden producirse por causas muy diversas.

Las acciones de tipo físico que pueden deteriorar al hormigón dando lugar a su desgaste superficial o a su pérdida de integridad o disgregación pueden ser de diferentes tipos tales como: hielo y deshielo; abrasión, cavitación y choques térmicos. Desgaste superficial por cavitación El fenómeno de cavitación ataca a la superficie del hormigón en forma de picaduras que posteriormente se unen en zonas erosionadas amplias. Se trata de un arrancamiento progresivo del hormigón.

Uno de los cuidados que debe tener un ingeniero (Principalmente cómo ocurre en el hormigón o concreto). 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.

En la ingeniería naval se estudia el fenómeno, para el diseño de todo tipo de barcos debido a que acorta la vida útil de algunas partes tales como las hélices y los timones.

En los submarinos, este efecto es todavía más estudiado, evitado e indeseado, puesto que imposibilita a estos navíos de guerra mantener sus características operativas de silencio e indetectabilidad por las vibraciones y ruidos que la cavitación provoca en el casco y las hélices.

El colapso de las cavidades supone la presencia de gran cantidad de energía que puede causar enorme daño.

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.

La creación y posterior colapso de las burbujas crea fricción y turbulencias en el líquido. Esto contribuye a una pérdida adicional de rendimiento en los dispositivos sometidos a cavitación.

La cavitación se presenta también en el fondo de los ríos donde se genera a partir de irregularidades del lecho disociando el agua y el aire. Ambos son sometidos a presiones, dando lugar, este último, a burbujas que, con la fuerza del agua, se descomponen en tamaños microscópicos, saliendo disparadas a gran velocidad. Esto provoca un fuerte impacto en el lecho que puede ser de hasta 60 t/m². Su importancia radica en la constancia y repetición del fenómeno, lo que favorece su actuación. La cavitación es un proceso erosivo frecuente en los pilares de los puentes.

La cavitación, ocurre en el momento en que un líquido 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 líquido se aceleren y choquen unas con otras.

En la naturaleza el mercurio es uno de los metales líquidos más 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 porque su punto de vaporización está muy bajo, comparado con el del agua el cual ocurre en la misma temperatura a 2337 Pa, sin embargo por ser este último el fluido más 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.

Daños típicos de la cavitación

Cavitación en una válvula de mariposa.

Presión aguas arriba: 1.2 / 1.4 bares Presión aguas abajo: 0.1 bares Velocidad del fluido: 2.2m/seg (referida al

diámetro nominal) Tiempo en funcionamiento: 2 años Grado de apertura del disco:

aproximadamente 30°

Cavitación en una válvula de compuerta.

La válvula de compuerta no ha estado completamente cerrada y en la sección de paso la velocidad ha sido muy alta. Después de tres meses de funcionamiento el cuerpo de la válvula muestra los daños de la fotografía.

Cavitación en el pistón de una válvula de paso anular.

Pueden aparecer daños por cavitación debido a un mal dimensionado de una válvula reguladora, tal como puede verse en la fotografía adjunta.

¿CÓMO APARECE LA CAVITACIÓN?

Un líquido se evapora cuando la energía no es suficiente para mantener las moléculas unidas, entonces estas se separan unas de otras y aparecen burbujas de vapor. El caso más común es para el agua.

¿CUÁNDO SE EVAPORA EL AGUA (l)?

La condición de paso de líquido a vapor depende de dos parámetros:

Temperatura Presión

La correlación es lo que se conoce como curva característica de la presión de vapor.

¿CUÁNDO SE EVAPORA EL AGUA (ll)?

A presión atmosférica (1bar) el agua se evapora a 100°C.

Cuando la presión decrece, el proceso de evaporación comienza a una temperatura menor.

Ejemplo: A una presión de 0.02 bares el agua se evapora a una temperatura aproximada de 18°C

¿POR QUÉ EL AGUA A VECES ESTÁ A MENOR PRESIÓN QUE SU PRESIÓN DE VAPOR?

El agua que fluye por las tuberías está generalmente a presión, producida por una bomba o debido a una diferencia de alturas (proveniente de un depósito) y es considerablemente mayor que la presión de vapor.

Para comprender por qué razón la presión del agua en el punto de estrangulamiento de una válvula llega a ser menor que la presión de vapor, primero veremos el balance de energía del fluido.

ENERGÍA CONTENIDA EN UN FLUIDO

La energía total de un fluido está compuesta de los siguientes tipos de energías:

EVOLUCIÓN DE LOS TIPOS DE ENERGÍAS

La energía total almacenada en el depósito debido a la carga estática acumulada en el mismo es la energía potencial del sistema.

Cunado circula un caudal por la tubería horizontal la energía potencial disponible se convierte en:

EVOLUCIÓN DE LOS TIPOS DE ENERGÍA EN EL PUNTO DE REGULACIÓN (I)

Debido al estrechamiento de la sección de paso en punto de regulación, la velocidad del fluido y por tanto su energía cinética aumentan considerablemente.

Debido, también, al estrechamiento las pérdidas también aumentan de forma apreciable.

En la “vena contracta” la energía de presión restante, y por tanto la presión local, decrece considerablemente ya que la energía total debe permanecer constante.

EVOLUCIÓN DE LOS TIPOS DE ENERGÍA EN EL PUNTO DE REGULACIÓN (II)

Si en este punto la presión baja por debajo de la presión de vapor, el agua puede evaporarse.

Entonces se forman burbujas de vapor, que se deforman al incrementarse la presión y finalmente imploran y desaparecen.

IMPLOSIÓN DE LAS BURBUJAS DE VAPOR

La implosión de las burbujas de vapor sigue ciertas direcciones, dependiendo de las condiciones de presión.

En el centro de la tubería

En la pared de la tubería

IMPLOSIÓN DE LAS BURBUJAS DE VAPOR

Al cambiar de estado gaseoso a líquido, las burbujas de vapor se colapsan súbitamente (implotan) y esto produce que el agua que las rodea se acelere hacia el interior de las mismas formando una especie de hendidura.

Esto origina un ¨ Microchorro¨ que golpea las paredes del cuerpo de la válvula o de la tubería a muy alta velocidad (v>1000 m/seg), causando picos de presión de hasta 10000 bares, lo que erosiona los materiales a nivel molecular.

¿Cuándo aparece la cavitación?

Condiciones esenciales:

Alta presión diferencial Baja contrapresión Alta velocidad del fluido

¿Cómo puede evitarse la cavitación?

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.

RECOMENDACIONES:

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. Orifico para contrapresión) o mediante la admisión de aire en el punto de regulación.