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