Experimentación con cavitación hidrodinámica Área de Mecánica de Fluidos Centro Politécnico Superior Universidad de Zaragoza Prof. Guillermo Hauke Técnico Especialista Pedro Vidal Prof. Javier Blasco 1. INTRODUCCION La instalación del Bucle de Cavitación Hidrodinámica, además de permitir el estudio de la cavitación hidrodinámica y su efecto oxidante, posibilita la realización de ensayos sobre el efecto Venturi y el teorema de Bernouilli. La cavitación es un fenómeno que aparece en líquidos cuando la presión disminuye por debajo de la presión del vapor del líquido a la temperatura existente. Generalmente es un proceso que aparece asociado a altas velocidades. La presión del vapor para el agua, en función de la temperatura, puede encontrarse en la siguiente tabla.

T [ºC] Pv [Pa] 0 615

10 1.230 20 2.340 40 7.400 60 20.000 80 47.400 100 101.500

Como consecuencia de la cavitación, aparecen núcleos de vaporización que pueden presentarse en forma de burbujas, bolsas o ambos. En esta instalación, el interés se centra en la vaporización en forma de burbujas, que tienen una duración del orden de 10-4 lo-, segundos. Cuando estas alcanzan zonas de mayor presión colapsan, cuya implosión genera altas temperaturas (75xl 03,C) y presiones (103-104 bar) instantáneas, descomponiendo el agua en elementos extremadamente reactivos; átomos de hidrogeno (H) y radicales hidroxilo (OH). También puede observarse luminiscencia. En concreto, el radical hidroxilo es el agente oxidante más potente encontrado en la naturaleza, con un potencial de oxidación de 2,8 voltios. Durante el enfriamiento rápido, los átomos de hidrógeno y radicales hidroxilo se recombinan a peróxido de hidrogeno (H202) e hidrógeno molecular (H2), que en presencia de otros compuestos pueden dar lugar a un amplio abanico de reacciones secundarias. El resultado general es la transformación (le moléculas orgánicas en CO2 y agua, con pequeñas concentraciones de Haloideos (Ácidos y Sales) y Ácidos Orgánicos. La cavitación puede ser inducida por transductores de ultrasonidos y por cavitación hidrodinámica, siendo esta última más efectiva para el uso industrial por los siguientes motivos:

- La distribución espacial de los centros de cavitación no está limitada a la capa lírnite adyacente al transductor ultrasónico.

- El volumen expuesto es comparativamente más grande. - Vida de la burbuja más larga. - Mezcla más intensa. - Mayor eficiencia energética. - Coste menor cuanto mayor es el volumen a tratar. Por el contrario, la cavitación hidrodinámica produce senos problemas de ruidos, vibraciones, erosión y corrosión, que pueden ser minimizados con diseños hidrodinámicos y materiales apropiados. La generación de oxidantes puede ser utilizado para eliminar contaminantes orgánicos en medio fluido (generalmente agua), especialmente de tipo aromático y cíclico. También pueden tratarse iones metálicos, pero no metales. 2. DESCRIPCION DE LA INSTALACION La instalación que se va a emplear consta de dos bucles, uno con cámara de cavitación en acero inoxidable y otro con cámara de cavitación en metacrilato. A lo largo de la práctica se hará exclusivamente uso del bucle con cámara de cavitación de metacrilato. Las características de la instalación y de las toberas convergente-divergente-convergente se pueden encontrar en los planos y datos adjuntados al final del guión. Se trata de un circuito abierto, provisto de un tubo venturi, donde se puede hacer cavitar el fluido en condiciones controladas. Es posible trabajar también en circuito cerrado, inyectar agua oxigenada para completar la oxidación y aire comprimido para modificar el contenido de gases en el fluido. 2.1 Depósito La capacidad útil del depósito es de 200 L y esta fabricado en Poliester, disponiendo de tapa desmontable. El sensor de nivel mínimo (NM1) impide el funcionamiento de la bomba (B1) en al caso de volumen de fluido insuficiente. El tiempo mínimo de renovación completa del contenido del depósito (Qmax es de 0,8 minutos (75 r/h). El fluido a tratar se alimenta al depósito (D1) a través de la válvula VA, donde queda almacenado. Dispone de rebosadero de seguridad (R), válvula de descarga (VD1) para vaciado y válvula de aspiración (V1). Descargan en el las líneas de retorno y alivio de presión. Se ha dispuesto la primera inyección de aire en el fondo del depósito, mediante un cartucho cerámico. 2.2 Aspiración El tramo de aspiración dispone de dos válvulas (V1 y V6), que mediante su ajuste permite recircular en circuito cerrado, aspirar únicamente del depósito (DI), o cualquier posición intermedia entre ambas posibilidades. Cuenta con un filtro de seguridad (F) que impide la entrada de partículas mayores a 1 mm al circuito.

El conducto es tubo comercial de acero inoxidable AISI-316 Dint=39,6, Dext=42 mm y accesorios de 1 1/4", con sección de 1,2316x10-3 m2. La velocidad para caudal máximo resulta de 3,38 m/s. 2.3 Bomba principal, B1 La bomba instalada es de tipo centrífugo multicelular vertical con accionamiento eléctrico. Los parámetros hidráulicos son los siguientes: - Qmáx= 15 m3/h - Pmáx= 10 Kg/cm2 La bomba esta controlada mediante un variador de frecuencia. Esto peri-nite experimentar la cavitación generada en la cámara, sin enmascarar los resultados por otras posibles zonas de cavitación; válvulas de regulación, bomba, ... resultando por otra parte en una regulación más eficiente y eficaz. 2.4 Impulsión Dispone de válvula de seguridad DN 1 1/4" (VS1) de tipo resorte ajustable, con descarga conducida a depósito, y manómetro de control (M2). El caudal inyectado a la cámara de cavitación puede ajustarse con la válvula de regulación DN 1" (V2) y es controlado por el caudalímetro de área variable (Q1) de rango 1-10 m3/h. En la alimentación de la cámara de cavitación se encuentran los sensores de temperatura (T1) y presión (M3). Los datos suministrados por estas sondas son junto con el valor de caudal y presión, los mas representativos de cada ensayo. Existen dos puntos de inyección de aire comprimido, antes y después del caudalímetro. Estas entradas de aire comprimido, junto con la prevista en aspiración, permitirán aumentar la concentración de gérmenes de cavitación. El conducto es tubo comercial de acero inoxidable AISI-316 Dint=26,4, Dext=28 mm, con sección de 5,4739x10-4 m2 . La velocidad en este tramo, para caudal máximo, resulta de 7,61 m/s. 2.5 Descarga Cámaras de Cavitación Los medidores de presión (M4,5,6 y 7) y temperatura (T2), permiten controlar los parámetros de ensayo junto con TI y M3. Con la detección del cambio de temperatura puede estimarse el volumen de vapor generado (Stepanoff).

v LT B

Cρρ

∆ =

Existe una válvula para la extracción de muestra (VM) en la descarga de la cámara de cavitación, antes de la inyección de agua oxigenada.

La presión en la descarga de la cámara y en consecuencia de todo el tramo aguas arriba hasta BI, puede variarse con la válvula de regulación (V5). Esto permite variar el nivel de presión donde se verificará la evolución de la misma a través de la cámara de cavitación, determinando posiblemente la violencia de las implosiones y limitando la obturación hidráulica. Posteriormente, se encuentra la inyección en línea de agua oxigenada, para garantizar un mezclado homogéneo. El conducto es tubo comercial de acero inoxidable AISI-316, Dint=39,6, Dext=42 mm, con sección de 1,2316x10-3 m2 . La velocidad en este tramo, para caudal máximo, resulta de 3,38 m/s. 2.6 Recirculación Esta línea cierra el circuito total o parcialmente, en función del ajuste de las válvulas de regulación (V1, V5 y V6), para ensayar el tratamiento intensivo del efluente o modificar las condiciones de presión en las cámaras de cavitación. El control del caudal recirculado se resuelve por el caudalímetro (Q2) de iguales características al instalado en impulsión (Q1) y rango 0,5-4 m3/h. El conducto es tubo comercial de acero inoxidable AISI-316, Dint=39,6, Dext=42 mm, con sección de 1, 2316x10-3 m2. La velocidad en este tramo, para caudal máximo, resulta de 0,9 m/s. 3. REALIZACION DE LA PRACTICA 3.1. Familiarización con la instalación Eche un vistazo a la instalación e identifique los diferentes elementos que la componen (las 2 cámaras de cavitación, las tomas de presión y el circuito de medida, el manómetro de mercurio, las válvulas, conductos, los 2 caudalímetros, etc). Conecte el bucle de la cámara de cavitación de metacrilato. Para ello, posicione ambas palancas de las válvulas V3 y V4 hacia abajo. Ponga en marcha la bomba a una frecuencia de 5 Hz. ATENCION: trabajar con frecuencias menores de 30 Hz. (En caso de superar esta frecuencia, la tobera de metacrilato se dañará). Observe el correcto funcionamiento de todos los elementos que componen la instalación. 3.2. Experimentación y obtención de cavitación hidrodinámica En este apartado, reproducirá el fenómeno de cavitación hidrodinámica en la cámara de metacrilato y obtendrá los datos experimentales de funionamiento para su posterior comparación con datos teóricos. La instalación ya debería estar en marcha. Ponga el frecuencímetro a 16 Hz. Tome nota del caudal y de la presión en los manómetros MI, M2 y M3. Si está disponible, anote la presión atmosférica y la temperatura del fluido.

Observe cómo se generan las burbujas de vapor y cómo desaparecen. Apunte en el guión la posición dónde las burbujas aparecen Xbi Y desaparecen Xbf. Mida con el manómetro de columna de mercurio, la presión a lo largo de la cámara de cavitación. Para medir la presión, se ha tener en cuenta las alturas de columna de mercurio y agua que puedan existir. Tenga en cuenta que la presión en el punto de medida depende de la posición de la instalación, que está situada a una altura de z = 257 mm en las reglas provistas. Compare los resultados teóricos con la distribución de presiones obtenida por Bernouilli. ¿Qué presión existe en los puntos donde aparecen y desaparecen las burbujas? ¿Coinciden los resultados con la teoría? 3.3. Obtención de cavitación hidrodinámica a altos caudales Sitúe la frecuencia de alimentación del motor a 26 Hz. Repita los mismos pasos que en el punto 3.2. ¿Qué diferencias se aprecian? ¿Qué conclusiones se desprenden? 3.4. Obtención de cavitación hidrodinámica con recirculación Repita la misma experiencia con el caudal total del apartado 3.3, pero con un caudal de recirculación del 50%. ¿En qué ha afectado la recirculación? PREGUNTAS 1. Cavitación hidrodinámica a caudal medio (f=16 Hz) Tomar las siguientes medidas:

• Presión en los manómetros 1-3 • Posición de inicio y fin de las burbujas • Distribución de presiones a lo largo de la cámara (rellenar la siguiente tabla):

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7

r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7

• Representar en una gráfica la distribución axial de presiones y compararla con la predicha por la ecuación de Bernouilli.

2. Cavitación hidrodinámica a caudal alto (f=25 Hz)

• Responder a las mismas preguntas que en el apartado 1.

• Comparar los resultados con los mostrados en el apartado anterior. 3. Cavitación hidrodinámica con recirculación .

• Responder a las mismas preguntas que en el apartado 1 • ¿Qué consecuencias produce la recirculación?

Boca de entrada

Divergente intermedio

Divergente final