sábado, 26 de enero de 2008

CAVITACION

LA CAVITACION

Es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido. Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de tal forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor, formándose burbujas o, más correctamente, cavidades. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión e implotan (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, «aplastándose» bruscamente las burbujas) produciendo una estela de gas y un arranque de metal de la superficie en la que origina este fenómeno.

Es un porceso fisico que es muy parecido al de la ebullición, la diferencia es que la cavitacion es causada por una caída de la presión local por debajo de la presión de vapor mientras que la ebullicion lo hace por encima de la presion ambiente local.


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 fenomeno, 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/. 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 liquido 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 liquido se aceleren y choquen unas con otras.

Además se sabe que los árboles succionan la savia sometiéndolas a esfuerzos de tensión, pero nadie a podido explicar este fenómeno, sin embargo si sometemos un liquido a esfuerzos de tensión reduciéndole la presión entrara en ebullición si esta es demasiada baja, de hay la importancia de cuidar la presión de succión en las bombas.

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


EFECTOS DE LA CAVITACION

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 carcaza, de las palas del impulsor el cual el daño esta 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 liquido 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).

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 mas 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 mas eficiente, con lo cual debemos de tener un criterio amplio para evitar el fenómeno de la cavitación. Entre las bombas más supcebtibles 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.


NATURALEZA DE LA CAVITACIÓN

Actualmente se sabe que la cavitación es debida principalmente a la acción mecánica de impactos rápidos, a manera de explosiones de las partículas de líquido, aunque no se descarta la posibilidad de acción química corrosiva, cuya naturaleza no se ha llegado a dilucidar por completo.

Los impactos que se generan son periódicos, es decir, se produce un fenómeno vibratorio que aumenta la erosión del material por fatiga.

DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO

La cavitación 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. Esta baja que sufre la presión es debida a los efectos dinámicos de un líquido al escurrir, siguiendo fronteras curvas o alrededor de cuerpos sumergidos.

El fenómeno consiste en un cambio rápido y explosivo de fase líquida a vapor. Si el liquido fluye a través de una región donde la presión es menor que su presión de vapor, éste hierve y forma burbujas. Estas burbujas son transportadas por el líquido hasta llegar a una región de mayor presión, donde el vapor regresa al estado líquido de manera súbita aplastándose bruscamente las burbujas. Este fenómeno se llama CAVITACIÓN

Cuando un líquido fluye a través de una región donde la presión es menor que su presión de vapor, el líquido hierve y forma burbujas de vapor.

Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en contacto con una pared sólida cuando cambian de estado, las fuerzas ejercidas por el líquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas muy alto, ocasionando picaduras sobre la superficie sólida.

El fenómeno generalmente va acompañado de ruido y vibraciones, dando la impresión de que se tratara de grava que golpea en las diferentes partes de la máquina.



Cuando por culpa de girar muy rápido, o por exceso de velocidad del barco, la presión de la cara anterior de la hélice (la que está más a proa) decae a valores muy pequeños. En estas condiciones, en la zona con depresión se forman burbujas de vapor por culpa del vacío que se ha creado. ¡El agua verdaderamente hierve pero a temperatura ambiente! Cuando las burbujas de vapor que se han creado (por ejemplo en un milisegundo o de forma casi instantánea) salen de esta zona de la hélice y vuelven a una zona con presión normal, se colapsan y se condensan otra vez en líquido. Durante el proceso de condensación este colapso es muy violento produciendo vibraciones ruidos y pérdidas de prestaciones. La cavitación puede estropear fácilmente una hélice, mellando sus bordes de ataque, doblando las palas o picando su superficie.
Cuando existe cavitación en sus aplicaciones, Se perciben los síntomas: sonido alto y seco que le avisa que algo anda mal. Cavitación no es solo aquel sonido fastidioso. A medida que el tiempo pasa, la cavitación desgasta la válvula, destruyéndola lentamente por dentro requiriendo reparaciones que involucran que la válvula quede fuera de servicio y gastos significantes.

Aunque la cavitación es un fenómeno indeseable en la mayoría de las circunstancias, esto no siempre es así. Por ejemplo, la supercavitación tiene aplicaciones militares como por ejemplo en los torpedos de supercavitación en los cuales una burbuja rodea al torpedo eliminando de esta manera toda fricción con el agua. Estos torpedos se pueden desplazar a altas velocidades bajo el agua, incluso hasta a velocidades supersónicas. La cavitación puede ser también un fenómeno positivo en los dispositivos de limpieza ultrasónica. Estos dispositivos hacen uso de ondas sonoras ultrasónicas y se aprovechan del colapso de las burbujas durante la cavitación para la limpieza de las superficies.

SUPERCAVITACION

Propulsar un cuerpo bajo el agua necesita gran cantidad de energía. Desplazándose rápidamente aún consume más energía pues la resistencia al avance del agua contra una superficie sumergida aumenta con la velocidad.
Los ingenieros navales constantemente tratan de mejorar los cascos de los barcos con el objetivo de minimizar la fricción del agua.


Los científicos han hallado una nueva forma de evitar la resistencia al avance del agua, lo que permite desplazarse a alta velocidad. La idea es minimizar la superficie húmeda del cuerpo en movimiento encerrándolo en una burbuja de gas de baja densidad.

La supercavitación es la versión extrema de la cavitación en la que se forma una única burbuja de manera que envuelve el objeto en desplazamiento casi por completo.

Un cuerpo con supercavitación tiene una resistencia extremadamente baja, porque la fricción sobre su superficie es casi inexistente. En lugar de estar rodeado de agua, se rodea del vapor del agua que se forma en la burbuja. Como el vapor tiene una densidad y viscosidad mucho menor que el agua líquida, el cuerpo puede avanzar mucho más rápido.

La supercavitación es difícil de obtener, el cuerpo que quiera usarla debe estar moviéndose a una gran velocidad: al menos 180 km/h, según algunos expertos. Esa es una velocidad muy superior a la que se obtiene en cuerpos que actualmente se mueven en el agua. Por otra parte, la forma de la cabeza también tiene que ser diferente, debería ser chata. Así a grandes velocidades el fluido es forzado a moverse desde el borde de la cabeza con tanta velocidad, en un ángulo especial, que no toca la superficie del cuerpo.

Por eso, en un cuerpo supercavitatorio, solamente la cabeza causa una resistencia significativa, ya que es la única parte que está en contacto real con el agua líquida. Sin embargo, estamos ante una paradoja: cuando más chata sea la cabeza, más alta será la resistencia. Es por eso que hay que conseguir un punto medio, y las mejores cabezas son las que están ligeramente curvadas.


El asunto es que la resistencia general se reduce enormemente una vez que se alcanza un régimen de supercavitación, y luego aumenta linealmente con la velocidad (y no geométricamente). Mucha de la teoría todavía no esta en papel, ya que se trata de cálculos muy complicados.




Bombas y hélices

Desgaste producido por la cavitación en un rodete de una bomba centrífuga


Otro ejemplo de desgaste producido por la cavitación en un rodete de una bomba centrífuga.


Los álabes de un rodete de una bomba o de la hélice de un barco se mueven dentro de un fluido, las áreas de bajas presiones se forman cuando el fluido se acelera a través de los álabes. Cuanto más rápido se mueven los álabes menor es la presión alrededor de los mismos. 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
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 del rodete. Este vapor es transportado hasta la zona de descarga de la bomba donde el vacío desaparece y el vapor del líquido es de nuevo comprimido debido a la presión de descarga. Se produce en ese momento una violenta implosión sobre la superficie del rodete. Un rodete que ha trabajado bajo condiciones de cavitación de succión presenta grandes cavidades producidas por los trozos de material arrancados por el fenómeno, esto origina el fallo prematuro de la bomba.

Cavitación de descarga
La cavitación de descarga sucede cuando la descarga de la bomba está muy alta. Esto ocurre normalmente en una bomba que está funcionando a menos del 10% de su punto de eficiencia óptima. 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 a través de una pequeña apertura entre el rodete y el tajamar de la bomba. Esta velocidad provoca el vacío en el tajamar (fenómeno similar al que ocurre en un
venturi) lo que provoca que el líquido se transforme en vapor. Una bomba funcionando bajo estas condiciones muestra un desgaste prematuro del rodete, tajamar y álabes. Además y debido a la alta presión de funcionamiento es de esperar un fallo prematuro de las juntas de estanqueidad y rodamientos de la bomba. Bajo condiciones extremas puede llegar a romperse el eje del rodete.

Plantas
La cavitación puede aparecer en el
xilema de las plantas cuando el potencial del agua se hace tan grande que el aire disuelto dentro del agua se expande hasta llenar la célula de la planta. Las plantas generalmente son capaces de reparar los daños producidos por la cavitación, por ejemplo con la presión de bombeo de las raíces, en otro tipo de plantas como las vides la cavitación puede llevarlas a la muerte. En algunos árboles la cavitación es claramente audible.

1 comentario:

DANILO TOVAR dijo...

Ingeniero respetuosamente le solicito me oriente con un caso , donde se realiza drenaje desde un carro tanque (agua) pero el operario por descuido no da apertura a las compuestas generando daños por succión una vez no hay liquido , me podría orientar que fenómeno es ,por que se presenta.
mi correo cisa@proascol.com