Cavitación y Aire Arrastrado

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  • Jess Alberto Alvarado Flores Mecatrnica 2B 2014E

    Sistemas Hidrulicos y Neumticos.

    Profesor: Jos Alberto de la Torre Moya.

    Por: Jess Alberto Alvarado Flores.

    Universidad Tecnolgica de la Zona Metropolitana de Guadalajara.

    Definicin de Cavitacin y Aire Arrastrado en Sistemas Hidrulicos utilizados en la Industria.

    Cavitacin.

    Existen varios fenmenos y situaciones dentro de los sistemas hidrulicos los cuales

    pueden provocar acciones de carcter fsico que con posterioridad se pueden producir en

    problemas, como por ejemplo: la cavitacin genera vibracin y est a su vez provoca

    temperatura en un componente mecnico finalmente aumentara el desgaste inclusive

    llegando a la fatiga de material.

    El colapso de las cavidades supone la presencia de gran cantidad de energa que

    puede causar enorme dao. La cavitacin puede daar 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 las bombas o hlices.

    La creacin y posterior colapso de las burbujas crea friccin y turbulencias en

    el lquido. Esto contribuye a una prdida adicional de rendimiento en los dispositivos

    sometidos a cavitacin.

    Para que la cavitacin se produzca, las burbujas necesitan una superficie donde

    nuclearse. Esta superficie puede ser la pared de un contenedor o depsito, impurezas del

    lquido o cualquier otra irregularidad, pero normalmente ha de tenerse en cuenta la

    temperatura del fluido que, en gran medida va a ser la posible causa de la cavitacin.

  • Jess Alberto Alvarado Flores Mecatrnica 2B 2014E

    1.- Burbuja adherida al metal

    2.- Burbuja implotanto y arrancando material

    3.- Mueca en el metal

    4, 5 y 6 son los efectos de las repeticiones del fenmeno.

    La implosin (reduccin del volumen) es tan fuerte y rpida que se genera una fuerza que

    acta contra la superficie que est ms cerca. Si este fenmeno sucede durante mucho

    tiempo, el dao causado a las superficies internas puede ser reversible y adems puede

    ocasionar fallas catastrficas de la bomba hidrulica.

    Causas: En este caso, la razn principal no es ms que un nivel de lquido inferior al de la toma de la bomba, lo que ocasiona la entrada irregular de lquido, haciendo que el

    giro del motor aumente en velocidad gracias a que necesita hacer un menor esfuerzo para

    empujar el lquido, ocasionando cambios en la temperatura del mismo y dando lugar a la

    cavitacin. El fenmeno generalmente va acompaado de ruido y vibraciones, dando la

    impresin de que se tratara de grava que golpea en las diferentes partes de la mquina.

    Prevencin:Para que un sistema hidrulico funcione bien, entre otras cosas se debe asegurar

    que en todo momento tenga una alimentacin de fluido de 100 %. Sin otro

    elemento ms que fluido lquido.

    La cavitacin es un fenmeno que sucede cuando el fluido se evapora por excesivo

    vaco . Prcticamente, el nico sitio del sistema hidrulico que puede tener esta

    condicin es la succin de la bomba hidrulica.

  • Jess Alberto Alvarado Flores Mecatrnica 2B 2014E

    Cuando el fluido se evapora en la succin de la bomba, la cantidad de vapor

    contenida en el fluido vara dependiendo de que tanto vaco hay, y esto va a

    afectar el caudal de la bomba. Es decir, mientras ms vaco haya, mas vapor habr

    y por consiguiente menos flujo efectivo a la salida de la bomba.

    Adicionalmente, el vapor contenido en el aceite una vez entra en la bomba y se

    traslada a la salida se comprime violentamente al pasar a la alta presin, generando

    ruido, y erosin de las paredes o partes donde ocurre la transicin de vaco a

    presin, bajando la vida de la bomba dramticamente.

    Dao por cavitacin

    El dao por cavitacin es una forma especial de corrosin-erosin debido a la

    formacin y al colapso de burbujas de vapor en un lquido cerca de una superficie

    metlica, que ocurre en turbinas hidrulicas, hlices de barcos, impulsores de,

    bombas y otras superficies sobre las cuales se encuentran lquidos de alta velocidad

    con cambios de presin.

    El fenmeno de la cavitacin ocasiona tres efectos nocivos en la operacin de una

    turbomquina: disminuye la eficacia, daa los conductos para el escurrimiento y

    produce ruido y vibraciones molestas. Los alabes curvos son particularmente

    susceptibles a la cavitacin en su cara convexa, donde se pueden tener reas

    sujetas a un picado fuerte e incluso a falla total.

  • Jess Alberto Alvarado Flores Mecatrnica 2B 2014E

    Mtodos de Prediccin

    Para efectos de diseo o revisin de obras ya construidas es necesario contar con

    mtodos de prediccin, que permitan saber si la obra es susceptible a daos por

    cavitacin.

    Para efectos prcticos es ms comn tratar de predecir en qu zonas hay

    posibilidad de erosin por cavitacin debida a superficies rugosas, el mtodo de

    Echvez G.,1979, quien propuso valuar el ndice local de cavitacin, k, para una

    superficie sujeta a ciertas condiciones hidrulicas, y compararlo con el ndice de

    cavitacin local incipiente, ki, obtenido en laboratorio para situaciones similares, si

    ki>k, existe la posibilidad de cavitacin.

    En el caso de superficies rugosas el ndice de cavitacin local k, segn el mismo

    autor puede calcularse con la ecuacin:

    Donde:

    k, rugosidad equivalente de Nikuradse de la superficie

    vk, ,velocidad del flujo a una distancia k de la superficie

    Las dems variables ya han sido definidas. La velocidad vk a su vez puede

    calcularse con la frmula:

    Donde:

    h, cada vertical, medida desde la superficie libre del vaso a la superficie del

    escurrimiento

    x, distancia de la cresta del cimacio al punto de anlisis.

    Es importante hacer notar que Echvez sugiere hacer correcciones por curvatura al

    ndice local de cavitacin en el piso kp, considerando como piso a una seccin

    transversal para un ngulo con respecto a la vertical de 40 y con vrtice en el

    centro de la seccin, como se indica a continuacin:

    kp = 0.76k

    Donde:

    kp , ndice de cavitacin local en el piso para curvas verticales cncavas

  • Jess Alberto Alvarado Flores Mecatrnica 2B 2014E

    CONCLUSIONES

    La cavitacin es un fenmeno que se produce siempre que la presin en algn

    punto o zona de la corriente de un lquido desciende por debajo de un cierto valor

    mnimo admisible. El fenmeno puede producirse lo mismo en estructuras hidrulicas

    estticas (tuberas, Venturis, etc.), que en mquinas hidrulicas (bombas, hlices,

    turbinas). Por los efectos destructivos que en las estructuras y mquinas hidrulicas

    mal proyectadas o mal instaladas produce la cavitacin es preciso estudiar este

    fenmeno, para conocer sus causas y controlarlo.

    La proteccin contra la cavitacin debe comenzar con un diseo hidrulico

    adecuado del sistema, de tal manera que se eviten en lo posible las presiones bajas.

    Cuando sea inevitable la presencia de la cavitacin, el efecto sobre las superficies

    se puede reducir mediante el recubrimiento de materiales especiales de alta

    resistencia. El empleo de pequeas cantidades de aire introducidas en el agua

    reduce notablemente el dao causado por la cavitacin: por ltimo, en estudios

    recientes se ha comprobado que la proteccin catdica puede ser de utilidad

    contra los efectos de la cavitacin.

    La formacin de burbujas de vapor disminuye el espacio disponible para la

    conduccin del lquido, lo cual da como resultado la disminucin de la eficacia de

    la mquina. El fenmeno de la cavitacin ocasiona tres efectos nocivos en la

    operacin de una turbomquina: disminuye la eficacia, daa los conductos para el

    escurrimiento y produce ruido y vibraciones molestas

  • Jess Alberto Alvarado Flores Mecatrnica 2B 2014E

    Aire Arrastrado

    El aire arrastrado es el nombre que se le da el fenmeno de encontrar aire en

    las tuberas junto son los lquidos hidrulicos.

    Completa el fluido en el sistema hidrulico. El aire arrastrado (molculas de

    aire atrapadas entre las molculas del lquido hidrulico) har que el sistema

    parezca completo, pero cuando el aire sea purgado del sistema, el nivel de fluido

    hidrulico disminuir.

    Los principales efectos de este fenmeno es la perdida de potencia, ya que

    aparentemente en fluido est completo, pero no todo es lquido, existen burbujas de

    aire que fluyen en conjunto con el lquido y generan una prdida de fuerza de

    empuje gracias al cambio de densidad.

  • Jess Alberto Alvarado Flores Mecatrnica 2B 2014E

    Aqu se puede apreciar el flujo del lquido y el vrtice causado por el aire.

  • Jess Alberto Alvarado Flores Mecatrnica 2B 2014E

    Cmo afectan este par de fenmenos un circuito hidrulico cerrado?

    Basados en esta imagen podemos ver el ciclo completo y su sentido del fluido

    a travs del circuito.

    El fluido es empujado por la bomba hasta llegar a las vlvulas de control, una

    vez que estas son accionadas el fluido pasa y le demanda a la bomba ms presin

    para hacer el movimiento mecnico demandado. Esto ocasiona que el flujo se

    altere dando origen al efecto de cavitacin, que depende del diseo del circuito

    para manifestarse poco o demasiado. Si el efecto de cavitacin es demasiado

    elevado, ocasiona no solo burbujas de vaco, sino tambin de aire que recorren

    todo el circuito generando todos los efectos del aire arrastrado.

    Con el tiempo las consecuencias aumentan a medida de que la cavitacin

    comienza a generar grandes cantidades de daos fsicos, que son desprendimientos

    del material metlico. Esto a su vez ocasiona que el fluido se llene de impurezas,

    causando mas friccin, y con esto que se eleve la temperatura, generando la

    dilatacin del fluido y desencadenando en ms daos a todo el circuito; virutas de

    metal que raspan las paredes internas de las mangueras, los pistones, motores.

    Adems que el aire arrastrado genera prdidas de potencia y malgasto de energa.