LA CAVITACIÓN

1. Definición:

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 se origina este fenómeno

Es un proceso físico que es muy parecido al de la ebullición, la diferencia es que la cavitación es causada por una caída de la presión local por debajo de la presión de vapor mientras que la ebullición lo hace por encima de la presión ambiente local

1.1. Problemas de la cavitación en la ingeniería

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 el hormigón dando lugar a su desgaste superficial o a su pérdida de integridad o disgregación pueden ser de diferentes tipos tales como: el 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 como ocurre en el hormigón o concreto).al seleccionar, la 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 fenómeno, para el diseño de todo tipo de barcos debido a que acorta la vida útil de algunas partes tales como las hélices y 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 a indetectibilidad 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 la hélice

La creación y posterior colapso de las burbujas crean fricción y turbulencias en el líquido. Esto contribuye a una perdida adicional del rendimiento en los dispositivos sometidos a cavitación

La cavitación ocurre en el momento en que un líquido es sometido a una presión (P1) o igualo 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 gaseoso, las cuales al ser comprimidas por la presión mayor (P2),dejan un espacio ocasionando que las pequeñas partes en estado líquido se aceleren y choquen unas con otras

1.2. Tipos de cavitación:

Se puede clasificar la cavitación según la forma en la que se produce, según el grado

de desarrollo de la misma y según la forma de manifestarse macroscópicamente.

Según la forma de producirse la cavitación se distinguen los siguientes tipos:

Cavitación de vapor: Debida a la disminución local de la presión en el seno

de un líquido. Puede ser hidrodinámica, creada por presiones locales debidas

a la aceleración del fluido, o acústica, debida a las ondas de presión

transmitidas en el fluido.

Cavitación gaseosa: Ocasionada por la introducción desde el exterior de energía en puntos del líquido (aumento de temperatura, inducir vibración local de las partículas, etc.) Se habla entonces de la cavitación óptica o cavitación de partículas.

Según el grado de desarrollo, se distinguen:

Cavitación incipiente: Es una etapa inicial de la cavitación en la que

empieza a ser visible la formación de burbujas.

Cavitación desarrollada: Se trata de una etapa en la que se tiene un numero de burbujas lo suficientemente elevado como para producir una modificación del campo hidrodinámico.

Cavitación fija: la que existe cuando una cavidad de vapor se forma como una región separada. La región separada puede volverse a adherir al cuerpo o a la región separada encerrando la parte posterior del cuerpo y es contenida por el flujo principal, en cuyo caso se conoce como súper cavitación.

Cavitación viajera: la cual existe cuando las burbujas o cavidades de vapor que se forman son arrastradas corriente abajo y se colapsan.

Cavitación vibratoria: la que existe cuando una onda de presión se desplaza en un líquido. Una onda de presión se compone de un pulso de presión que consiste en una alta presión seguida de una baja presión. La parte bajo presión de la onda (o vibración) puede producir cavitación.

Cavitación separada: Etapa final de la cavitación, cuando esta próxima a desaparecer. Se produce normalmente en las zonas de estela y su importancia es mucho menor que las anteriores.

El tipo de cavitación viajera, en la que se forman burbujas de vapor y luego colapsan, está asociada a daños potenciales. Las presiones instantáneas producidas por el colapso son extremadamente alta de (tal vez de 1400MPa) y pueden provocar daños en componentes de acero inoxidable como sucede en las hélices de barcos.

Elemento dañado por la cavitación

GOLPE DE ARIETE

2. Definición:

El golpe de ariete (choque hidráulico) es el incremento momentáneo en presión, el cual ocurre en un sistema de agua cuando hay un cambio repentino de dirección o velocidad del agua. Cuando una válvula de rápido cierre cierra repentinamente, detiene el paso del agua que está fluyendo en las tuberías, y la energía de presión es transferida a la válvula y a la pared de la tubería. Las ondas expansivas se activan dentro del sistema.

Las ondas depresión viajan hacia atrás hasta que encuentran el siguiente obstáculo sólido, luego continúan hacia adelante, luego regresan otra vez. La velocidad de las ondas de presión es igual a la velocidad del sonido; por lo tanto, su “explosión” a medida que viaja hacia adelante y hacia atrás, hasta que se disipa por la pérdida de fricción. Cualquiera que haya vivido en una casa antigua está familiarizado con la “explosión” que resuena a través de las tuberías cuando una llave de agua es cerrada repentinamente. Esto es un efecto del golpe de ariete. Una forma menos severa del golpe de ariete es llamada oscilación, que es un movimiento lento en forma de ola de una masa de agua.

El golpe de ariete se refiere a las fluctuaciones causadas por un repentino incremento o disminución de la velocidad del flujo. Estas fluctuaciones de presión pueden ser lo suficientemente severas como para romper la tubería de agua. Los problemas potenciales del

golpe de ariete pueden ser considerados al evaluarse el diseño de las tuberías y cuando se realiza un análisis detallado de las oscilaciones de presión, en muchos casos para evitar malos funcionamientos costosos en el sistema de distribución. Cualquier cambio mayor en el diseño del sistema principal o cambio en la operación—tales como aumento en la demanda de los niveles de flujo—deben incluir la consideración de los problemas potenciales de golpe de ariete. Este fenómeno y su significado tanto para el diseño como para la operación de los sistemas de agua, no es ampliamente entendido, como demuestra por el número y la frecuencia de fallos causados por el golpe de ariete, causado por fluctuaciones internas de presión en el sistema. Esto puede ser visto como una “onda” de presión que se forma lentamente dentro del sistema. Ambos, golpe de ariete y oscilación, se refieren a presiones transitorias.

Si no se controlan, ambas darán los mismos resultados: daños a las tuberías, accesorios y válvulas, causando fugas y reduciendo la vida útil del sistema. Ni la tubería ni el agua se comprimirán para absorber el choque del agua. Investigando las Causas del Golpe de Ariete

Las condiciones de operación de un sistema de transporte de agua casi nunca están en un estado constante. Las presiones y los flujos cambian continuamente a medida que la bomba se enciende y se apaga, la demanda fluctúa y los niveles del tanque cambian.

Adicionalmente a estos eventos normales existen acontecimientos imprevistos tales como interrupciones de energía y el mal funcionamiento de los equipos, lo que puede cambiar rápidamente las condiciones de operación de un sistema. Cualquier cambio en el nivel de velocidad del flujo del líquido, sin importar el nivel o magnitud del cambio, requiere que el líquido sea acelerado o desacelerado de o magnitud del cambio, requiere que el líquido sea acelerado o desacelerado de su velocidad inicial de flujo.

3. Métodos para contrarrestar el golpe de ariete

Sistemas de bombeo de baja y alta presión: el golpe de ariete tiene mayor significación en sistemas de baja presión, que en los de alta presión. Las velocidades de desplazamiento en condiciones estables normales tanto en los sistemas de alta como en los de baja presión son aproximadamente iguales. Sin embargo, los cambios de presión son proporcionales a la velocidad con que se cambia la velocidad de la masa de agua contenida dentro de la tubería. Por lo tanto, dado un cambio de velocidad específico dentro de la unidad del tiempo, el cambio de presión que resulta en los sistemas de alta y baja presión es del mismo orden de magnitud. Por lo tanto, una elevación en la presión por una cantidad dada, representara un aumento en mayor proporción dentro del sistema de baja presión, que lo que este mismo aumento de presión representara dentro de un sistema de alta presión.

Tamaño de la tubería: El diámetro de la tubería se suele determinar en consideraciones económicas, basadas en condiciones de bombeo en estado estable. No obstante, los efectos del golpe de ariete en un tubo de descarga de una bomba se pueden reducir al aumentar el tamaño del tubo de descarga, porque los cambios de velocidad serán menores en el tubo más grande. Este método de reducción del golpe de ariete en los tubos de descarga suele ser muy costoso, pero hay ocasiones en las cuales resulta más costoso utilizar dispositivos de control que el cambio del diámetro de la tubería.

Efecto de volante: Otro método para reducir los efectos del golpe de ariete en los tubos de descarga de las bombas, es proveer un efecto de volante adicional en el elemento rotatorio del motor. En promedio, el motor por lo general produce alrededor del 90% del efecto del volante combinado de los elementos rotatorios de la bomba y el motor. Al ocurrir una interrupción de corriente en el motor, un aumento de la energía cinética de las partes rotatorias, reducirá la rapidez del cambio de la circulación de agua en el tubo de descarga. En la mayoría de los casos

se puede obtener un aumento del 100% en el   de los motores grandes con un aumento de

precio del 20% del costo original del motor. Ahora bien, un aumento en él    no es un método económico para reducir el golpe de ariete, pero es posible en algunos casos marginales, eliminar otros dispositivos más costosos para el control de la presión.

Numero de bombas: El número de bombas conectadas en cada tubo de descarga se suele determinar con los requisitos operacionales de la instalación, disponibilidad de las bombas y otras consideraciones económicas. No obstante, el número y tamaño de las bombas conectadas en cada tubo de descarga tendrán algún efecto sobre las transitorias del golpe de ariete. Para el arranque de bombas equipadas con válvulas de retención, cuanto mayor sea el número de bombas en cada tubo de descarga, menor será el aumento de la presión. Además, si hay una falla en una de las bombas o válvulas de retención, sería preferible una instalación con bombas múltiples en cada tubo de descarga, en vez de una sola bomba, porque los cambios de circulación en el tubo de descarga producidos por la falla, serían menores. Cuando ocurre una interrupción simultánea de la corriente en todos los motores de las bombas, cuanto menor sea el número de bombas en un tubo de descarga, menores serán los cambios en la presión y otros fenómenos hidráulicos transitorios