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

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INTRODUCCIÓN A LAS MÁQUINAS HIDRÁULICAS

Prof. Jesús DE ANDRADE

Prof. Miguel ASUAJE

Enero 2009

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CAVITACIÓN

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Definición Cavitación

Cavitación

Fenómeno que ocurre en una corriente de un fluido al disminuir lapresión en un punto de la misma por debajo de la presión devaporización "Pv", produciéndose burbujas de vapor (cavidades),las cuales al llegar a una zona aguas abajo, donde la presión seasuperior a la Pv , implotan, ocasionando la erosión de las paredes delducto en contacto con esta zona.

Zona de Colapso

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Cavitación

P

T

Ebullición

Cavita

ció

n Vapor

Líquido

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Cavitación

¿Por qué se produce Cavitación?

• La presión sobre la superficie del líquido disminuye hasta ser igualo inferior a su presión de vapor (a la temperatura actual)

• La temperatura del líquido sube hasta hacer que la presión devapor 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

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Cavitación

Dos condiciones en las que la presión de la bomba puede bajar hastaun nivel inferior al presión de vapor:

1. Porque la caída de presión actual en el sistema externo de succión es mayorque la que se consideró durante el diseño del sistema. (Es una situaciónbastante corriente). Esto resulta en que la presión disponible en la succión dela bomba (NPSHd) no es suficientemente alta para suministrar la energíarequerida para superar la caída de presión interna (NPSHr) propia del diseñode la bomba.

2. Porque la caída de presión actual dentro de la bomba (NPSHr) es más grandeque la informada por el fabricante y que se usó para seleccionar la bomba.

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Consecuencia de la cavitación

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Cavitación

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Cavitación

Dos tipo de burbujas:

Burbujas de vapor: se forman debido a la vaporización del líquidobombeado. La cavitación inducida por la formación y colapso de estasburbujas se conoce como Cavitación Vaporosa.

Burbujas de gas: se forman por la presencia de gases disueltos en ellíquido bombeado (generalmente aire pero puede ser cualquier gaspresente en el sistema). La cavitación inducida por la formación y colapsode estas burbujas se conoce como Cavitación Gaseosa.

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

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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]

c (2P(R

R) 1

3)o

o 3

0.5

r

Ro radio de la burbuja antes de la implosión [m]

R radio de la burbuja después de la implosión [m]

Po Presión del liquido lejos de la zona de burbujas ~ NPSHdisponible [ Kgf/m2]

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Cavitación

Pérdida de Material por Cavitación

V

V

K KV

L

1

U1m

2

U1om

U1 NPSH2g

U12

Vv Volumen de vapor

VL Volumen de liquido

K1,K2 Constantes para determinado material

u1 Coeficiente de Cavitación

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)

Energía Destructiva

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Cavitación

G

T

V

V

K KV

L

1

U1m

2

U1om

~

G

TG

T

n2

n1

( )U

U

12

11

6

Variación de la erosión en una B.C. con el

cambio de la Velocidad periférica U1

Pérdida de Material por unidad de

Tiempo [mgr/h]

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La cavitación y el desempeño

Curvas de desempeño en bombas a varias alturas de succión con cavitación.

Note lo rápido que comienza la cavitación

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Cavitación

Definiciones Importantes

Presión Estática P:

La presión estática en una corriente de fluido es la fuerza normal porunidad de área actuando sobre un plano o contorno sólido en un puntodado. Describe la diferencia de presión entre el interior y el exterior deun sistema, despreciando cualquier movimiento en el líquido. Es unamedida de la energía potencial de un fluido.

Presión Dinámica Pd:El la presión ejercida por la energía cinética de un fluido (mv2/2). Esdecir, es la presión que existiría en una corriente de fluido que ha sidodesacelerada desde su velocidad “v” a velocidad “cero”.

Presión Total Pt ó de Estancamiento Po:Es la suma de la presión estática más la dinámica.

2

2VPsPo

r

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Cavitación – Net Positive Suction Head (NPSH)

NPSH HP

pts

V

Definición

Altura de Presión Total a la entrada

de la bomba

2g

VPH

2

SSpts

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)

Referida a la presión de vapor

V

2

Ss P

2g

VPNPSH

1

s

Hs

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Cavitación – NPSHdisponible

Altura de Succión:

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Cavitación – NPSHdisponible

1

s

Hs

Bernoulli entre 1 y s:

S1S

2

SS1

2

11 hfz2g

VPz

2g

VP

V

2

Ss P

2g

VPNPSH

Sumatoria de pérdidas en la tubería de succión

1

2

Con 1 y 2:

NPSHP P

+ Zd

1 V

1

Z hf

s s1

Hs = Z1-Zs

S1V

S1

d hfP

HP

NPSH

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Pérdidas Tubería

succión

Pérdidas Tubería

descarga

Succión Negativa

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Pérdidas

tubería de

succión

Pérdidas

tubería de

descarga

Succión Positiva

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Cavitación - NPSHrequerido

1

2

x

V

2

11r

P

2g

VPNPSH

P W

2g

U

2gz

P W

2g

U

2gz hf1 1

212

1X X

2X2

X 1X

P P1 X

NPSHV

2g

W - W

2g

U - U

2gz + z hfr

12

X2

12

12

X2

X 1 1X

Er1 = Erx + Shf1x Ec. Bernoulli Mov. Relativo

Se tiene que

Si… 0PV

y

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Cavitación - NPSHrequerido

W - W

2g

U - U

2gz + zX

212

12

X2

X 1 ~ 0

Se puede decir que:

hfW

2g

12

1X Las pérdidas son:

NPSHV

2g

W

2gr

12

12

Existen fórmulas empíricas muy utilizadas. i.e:Stepanoff, Sulzer

Define el comienzo teórico de la cavitación

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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 Hsdebe seleccionarse de manera que se cumplan “c” y “d”

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Control de la aparición de Cavitación

•Disminuir Vs (aumentar diámetro succión)•Aumentar P1•Aumentar Hs•Disminuir

Disminuir en lo posible la longitud de la tubería de SucciónDisminuir el número de accesoriosDisminuir el número de codos y aumentar la curvatura de los mismos

shf1

Voluta

Boquilla de Descarga

Boquilla de succión

NPSHP

HP

hfd

1

S

V

1S

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Ensayo de Cavitación

Definición del NPSHR3% de la bomba

Factor de

seguridad:

FS = 1,3....1,5%3RNPSH

DNPSH

%3H

iNPSH

cteN

cteQ

H

%3RSD NPSHFNPSH

i

Margen de

seguridad DNPSH

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5

10

15

20

25

30

0.05 1.05 2.05 3.05 4.05 5.05 6.05 7.05

Alt

ura

[m

ca]

NPSHd [mca]

68 l/s

74 l/s

80 l/s

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2

0.065 0.07 0.075 0.08 0.085

NP

SHR

[mca

]

Q [m3/s]

Altura Vs NPSHD

NPSHR

Vs Caudal

Ensayo de Cavitación

Se obtiene

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Curvas Características en el Análisis de Reg. Cavitacional

CAVITACIÓNLIBRE DE CAVITACIÓN

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Evaluación vía DFCRégimen Cavitacional

Span 0.1 Span 0.5 Span 0.9

Fracción Vol. Vapor de Agua(Plano Rotacional)

Distribución de la Fracción Volumétrica

del Vapor

Q= 80 l/s

n=1000 rpmPS=30,0 kPa(NPSHd=2,8m)

Span =0

(Cubo)

Span =1

(Boveda)

r

z

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Span 0.1 Span 0.5 Span 0.9

Fracción Vol. Vapor de Agua(Plano Rotacional)

PS=20,0 kPa(NPSHd=1,8m)

Distribución de la Fracción

Volumétrica del Vapor

Q= 80 l/s

n=1000 rpm

Span =0

(Cubo)

Span =1

(Boveda)

r

z

Evaluación vía DFCRégimen Cavitacional

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Span 0.1 Span 0.5 Span 0.9

Fracción Vol. Vapor de Agua(Plano Rotacional)

Distribución de la Fracción

Volumétrica del Vapor

Q= 80 l/s

n=1000 rpmPS=12,2 kPa(NPSHd=1,12m)

Span =0

(Cubo)

Span =1

(Boveda)

r

z

Evaluación vía DFCRégimen Cavitacional

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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)

Q= 80 l/s

n=1000 rpm

Evaluación vía DFCRégimen Cavitacional

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Cavitación en Válvulas

Cavitación

Flashing