INTRODUCCIÓN A LAS MÁQUINAS HIDRÁULICAS · · 2013-09-07u1 Coeficiente de Cavitación U1...
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INTRODUCCIÓN A LAS MÁQUINAS HIDRÁULICAS
Prof. Jesús DE ANDRADE
Prof. Miguel ASUAJE
Enero 2009
CAVITACIÓN
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
Cavitación
P
T
Ebullición
Cavita
ció
n Vapor
Líquido
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
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.
Consecuencia de la cavitación
Cavitación
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.
DAÑOS POR CAVITACIÓN
Daños por cavitación en una bomba vertical. a) Impulsor, b) Campana de succión
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]
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
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]
La cavitación y el desempeño
Curvas de desempeño en bombas a varias alturas de succión con cavitación.
Note lo rápido que comienza la cavitación
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
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
Cavitación – NPSHdisponible
Altura de Succión:
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
Pérdidas Tubería
succión
Pérdidas Tubería
descarga
Succión Negativa
Pérdidas
tubería de
succión
Pérdidas
tubería de
descarga
Succión Positiva
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
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
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”
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
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
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
Curvas Características en el Análisis de Reg. Cavitacional
CAVITACIÓNLIBRE DE CAVITACIÓN
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
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
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
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
Cavitación en Válvulas
Cavitación
Flashing