1CENTRALES ELÉCTRICAS II FIEE UNCP INDICE 1. CONCEPTO GENERAL............................................................................... 2 1.1 2. 3. DESCRIPCIÓN DE LA CAVITACIÓN......................................................3 EFECTOS DE LA CAVITACIÓN....................................................................6 2.1 EFECTO MECANICO............................................................................ 6 2.2 EFECTO QUIMICO............................................................................... 7 DAÑO POR CAVITACIÓN............................................................................7 3.1 CAVITACIÓN DE SUCCIÓN.................................................................11 3.2 CAVITACIÓN DE DESCARGA.............................................................12 3.3 PLANTAS.......................................................................................... 12 4. MÉTODOS DE PREDICCIÓN.....................................................................13 5. PROTECCIÓN CONTRA DAÑOS DEBIDOS A CAVITACIÓN.........................15 6. C O N C L U S I O N E S...........................................................................20 7. B I B L I O G R A F Í A.............................................................................. 21 1. CONCEPTO GENERAL 2 CENTRALES ELÉCTRICAS II FIEE UNCP La c avitación es un fenómeno físico, mediante el cual un líquido, en determinadas condiciones, pasa a estado gaseoso y unos instantes después pasa nuevamente a estado líquido. Este fenómeno tiene dos fases: Fase 1.- Cambio de estado líquido a estado gaseoso. Fase 2.- Cambio de estado gaseoso a estado líquido. LIQUIDO ---> VAPOR -----> LIQUIDO La cavitación es un fenómeno que 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. El fenómeno puede producirse lo mismo en estructuras hidráulicas estáticas (tuberías, Venturis, etc.), que en máquinas hidráulicas (bombas, hélices, turbinas). Por los efectos destructivos que en las estructuras y máquinas hidráulicas mal proyectadas o mal instaladas produce la cavitación es preciso estudiar este fenómeno, para conocer sus causas y controlarlo. (Los constructores de bombas hidráulicas, por ejemplo, reciben con frecuencia reclamaciones y encargos de reposición 3 CENTRALES ELÉCTRICAS II 1.1 FIEE UNCP DESCRIPCIÓN DE LA CAVITACIÓN Cuando un líquido fluye a través de una región donde la presión es menor que su presión de vapor, él liquido hierve y forma burbujas de vapor. 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, implotando bruscamente las burbujas. Esta fenómeno se llama cavitación. 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 con diferentes partes de la máquina. Según se ha dicho, cuando, la corriente de un punto de una estructura o de una máquina alcanza una presión inferior a la presión de saturación de vapor. 4 CENTRALES ELÉCTRICAS II FIEE UNCP El fenómeno de la cavitación se explica con el mecanismo siguiente: si la presión en un líquido como el agua baja suficientemente, empieza a hervir a temperatura ambiente. Consideremos un cilindro lleno de agua y tapado con un pistón en contacto con el agua. Si se mueve el pistón en dirección fuera del agua, se reduce la presión y el agua se evapora formando burbujas de vapor, si ahora bajamos el pistón hacia el agua la presión aumenta, el vapor se condensa y la burbuja se destruye (colapso de la burbuja). Cuando se repite este proceso con alta velocidad como por ejemplo -en el interior de una bomba de agua, se forman y se destruyen las burbujas rápidamente. Se demostró con cálculos que una burbuja en colapso rápido produce ondas de choque con presiones hasta de 410 MPa. Estas fuerzas ya son capaces de deformar varios metales hasta la zona plástica, lo que está comprobado por la presencia de bandas de deslizamiento sobre partes de bombas o de otro equipo sujeto a cavitación. 5 CENTRALES ELÉCTRICAS II FIEE UNCP Figura 1. Tabla de vapor de agua que muestra como la temperatura de fusión del agua está en función de la presión del medio. El incremento de la velocidad va acompañado de un descenso en la presión. Por ejemplo, la velocidad del aire sobre la parte superior del ala de un aeroplano es, en promedio, más rápida que la que pasa por debajo de la misma ala. Entonces, la fuerza de presión neta es mayor en la parte inferior del ala que en la parte superior de esta (el ala genera sustentación). Si la diferencia de velocidad es considerable, las diferencias de presión pueden también serlo. Para flujos de líquidos, esto podría resultar con problemas de cavitación, una situación potencialmente peligrosa que resulta cuando la presión del líquido se reduce hasta la presión de 6 CENTRALES ELÉCTRICAS II FIEE UNCP saturación del vapor y entonces este hierve. La presión de saturación del vapor es la presión a la cual comienzan a formarse burbujas de vapor en el líquido. Obviamente esta presión depende del tipo de líquido y de la temperatura. Una manera de producir cavitación es denotada en la ecuación de Bernoulli. Si la velocidad del fluido se incrementa (por ejemplo en una reducción de área), la presión descendería. Este descenso de presión al acelerar el líquido podría ser menor que la presión de saturación de vapor de dicho fluido. En algunas situaciones la ebullición ocurre (cuando la temperatura no necesariamente es muy alta) , formando burbujas de vapor, entonces estas se colapsan cuando el fluido las arrastra a una zona de mayor presión (con una velocidad menor). Este proceso puede introducir efectos dinámicos (implosión), si la burbuja se colapsa cerca de una pared de un dispositivo hidráulico esta podría, luego de un periodo de tiempo, causar daños en este por cavitación. Propondremos ahora un ejemplo con una estructura hidráulica estática (tubería), la cual podría presentar problemas por cavitación. 2. EFECTOS DE LA CAVITACIÓN 2.1 EFECTO MECANICO Con las implosiones se decrecen los diámetros de las burbujas, las partículas en estado líquido se aceleran y se desplazan hacia el centro de estas burbujas chocando entre sí, estos choques provocan sobrepresiones (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). 7 CENTRALES ELÉCTRICAS II FIEE UNCP 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 más 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 más eficiente, con lo cual debemos de tener un criterio amplio para evitar el fenómeno de la cavitación. Entre las bombas más susceptibles 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. 2.2 EFECTO QUIMICO Con la implotación de las burbujas se liberan iones de oxigeno que como sabemos atacan las superficies de los metales. 3. DAÑO POR CAVITACIÓN El daño por cavitación es una forma especial de corrosión-erosión debido a la formación y al colapso de burbujas de vapor en un líquido cerca de una superficie metálica, que ocurre en turbinas hidráulicas, hélices de barcos, impulsores de, bombas y otras superficies sobre las cuales se encuentran líquidos de alta velocidad con cambios de presión. Un daño por cavitación tiene un aspecto semejante a picaduras por corrosión, pero las zonas dañadas son más compactas y la superficie es más irregular en el caso de la cavitación. 8 CENTRALES ELÉCTRICAS II FIEE UNCP El daño por cavitación se atribuye parcialmente a efectos de desgaste mecánico. La corrosión interviene cuando el colapso de la burbuja destruye la película protectora, como se muestra esquemáticamente en la siguiente figura, con los pasos siguientes: Se forma una burbuja de cavilación sobre la película protectora. El colapso de la burbuja causa la destrucción local de la película. La superficie no protegida del metal está expuesta al medio corrosivo y se forma una nueva película por medio de una reacción de corrosión. Se forma una nueva burbuja en el mismo lugar, debido al aumento de poder nucleante de la superficie irregular. El colapso de la nueva burbuja destruye otra vez la película. La película se forma de nuevo y el proceso se repite indefinidamente hasta formar huecos bastante profundos. El mecanismo anterior también funciona sin la presencia de una película protectora, ya que la implosión de la burbuja ya es suficiente para deformar el metal plásticamente y arrancarle pedazos de material. Se acepta generalmente que la cavitación es un fenómeno de corrosiónerosión. 9 CENTRALES ELÉCTRICAS II FIEE UNCP En forma general, es posible prevenir el daño por cavitación con los métodos descritos en la prevención de corrosión-erosión: Modificar el diseño para minimizar las diferencias de presión hidráulica en el flujo de medio corrosivo Seleccionar materiales con mayor resistencia a la cavilación. Dar un acabado de pulido a la superficie sujeta a efectos de cavilación, ya que es más difícil nuclear burbujas sobre una superficie muy plana Recubrimiento con hules o plásticos que absorben las energías de choque. Para caracterizar la susceptibilidad de un sistema que maneja un líquido a la cavitación, se utiliza el parámetro de cavitación, definido por La formación y el aplastamiento de un gran número de burbujas en una superficie dan lugar a esfuerzos locales muy intensos, mismos que parecen dañar la superficie por fatiga. Algunos materiales dúctiles pueden resistir el bombardeo por un periodo, llamado periodo de incubación, mientras que materiales frágiles pueden perder parte de su peso inmediatamente. Algunos efectos electroquímicos, abrasivos y térmicos inherentes al líquido que se maneja, pueden acelerar el deterioro de las superficies expuestas. Daño por cavitación en una turbina Francis. 10 CENTRALES ELÉCTRICAS II FIEE UNCP Desgaste producido por la cavitación en un rodete de una bomba centrífuga Desgaste producido por la cavitación en un rodete de una bomba centrífuga. 11 CENTRALES ELÉCTRICAS II FIEE UNCP 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: 3.1 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. 12 CENTRALES ELÉCTRICAS II 3.2 FIEE UNCP 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 unventuri) 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. 3.3 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. 13 CENTRALES ELÉCTRICAS II FIEE UNCP 4. MÉTODOS DE PREDICCIÓN Para efectos de diseño o revisión de obras ya construidas es necesario contar con métodos de predicción, que permitan saber si la obra es susceptible a daños por cavitación. Para efectos prácticos es más común tratar de predecir en qué zonas hay posibilidad de erosión por cavitación debida a superficies rugosas, el método de Echávez G.,1979, quien propuso valuar el índice local de cavitación, k, para una superficie sujeta a ciertas condiciones hidráulicas, y compararlo con el índice de cavitación local incipiente, ki, obtenido en laboratorio para situaciones similares, si ki>k, existe la posibilidad de cavitación. En el caso de superficies rugosas el índice de cavitación local k, según el mismo autor puede calcularse con la ecuación: donde: k: rugosidad equivalente de Nikuradse de la superficie v: velocidad del flujo a una distancia k de la superficie Las demás variables ya han sido definidas. La velocidad vk a su vez puede calcularse con la fórmula: 14 CENTRALES ELÉCTRICAS II FIEE UNCP donde: h: caída vertical, medida desde la superficie libre del vaso a la superficie del escurrimiento x: distancia de la cresta del cimacio al punto de análisis. Es importante hacer notar que Echávez sugiere hacer correcciones por curvatura al índice local de cavitación en el piso kp, considerando como piso a una sección transversal para un ángulo con respecto a la vertical de 40º y con vértice en el centro de la sección, como se indica a continuación: kp = 0.76k donde: kp , índice de cavitación local en el piso para curvas verticales cóncavas 5. PROTECCIÓN CONTRA DAÑOS DEBIDOS A CAVITACIÓN La protección contra la cavitación debe comenzar con un diseño hidráulico adecuado del sistema, de tal manera que se eviten en lo posible las 15 CENTRALES ELÉCTRICAS II FIEE UNCP presiones bajas. Cuando sea inevitable la presencia de la cavitación , el efecto sobre las superficies se puede reducir mediante el recubrimiento de materiales especiales de alta resistencia. El empleo de pequeñas cantidades de aire introducidas en el agua reduce notablemente el daño causado por la cavitación: por último, en estudios recientes se ha comprobado que la protección catódica puede ser de utilidad contra los efectos de la cavitación. El fenómeno de la cavitación ocasiona tres efectos nocivos en la operación de una turbomáquina: disminuye la eficacia daña los conductos para el escurrimiento produce ruido y vibraciones molestas. Los alabes curvos son particularmente susceptibles a la cavitación en su cara convexa, donde se pueden tener áreas sujetas a un picado fuerte e incluso a falla total. Dado que todo tipo de turbomaquinaria, así como las hélices de barco y muchas estructuras hidráulicas, pueden quedar sujetas a la cavitación, es necesario poner atención a este aspecto durante las etapas de diseño. 16 CENTRALES ELÉCTRICAS II FIEE UNCP La resistencia a la erosión por cavitación del concreto se incrementa con la reducción de la relación agua-cemento, con el incremento de la resistencia a la compresión y a la tensión, con el vibrado del concreto o usando polvo de acero en la mezcla. Las recomendaciones sobre el tamaño máximo de los agregados del concreto son muy variables, Grünw W.,1960, recomienda 5 mm, Govinda R., 1961, 20 mm y Gainzburg T., 1959, 60 mm; se considera además que el mejor agregado para estos casos es el granito. Se puede proteger la superficie de concreto por medio de láminas de hule, sin embargo no existe forma de lograr buena adherencia entre las dos superficies, los recubrimientos se han hecho con base en pinturas que incrementan la vida del concreto de 3 a 20 veces, y su resistencia es de 10 a 20 veces menor que la de las láminas de acero. La resistencia del concreto plástico hecho a base de resinas epóxicas y sin agregados, o con agregados de acero, es de 1.8 a 2.0 veces menor que la del acero al carbono, mientras que el concreto hecho a base de resinas de cloruro de polivilino, PVC, fue 1.5 veces más resistente que el acero dulce. Un inadecuado proyecto del propulsor tiene gran influencia, no sólo sobre el rendimiento propulsivo, sino también sobre la aparición de fenómenos de cavitación que dan origen a vibraciones y ruidos, y por ello la técnica de proyecto de propulsores se encuentra en un continuo proceso de perfeccionamiento, siendo necesario dedicar gran atención al desarrollo de métodos modernos de diseño y predicción del funcionamiento del propulsor trabajando en un campo de estelas no homogéneo, mediante técnicas de CFD (simulación matemática). 17 CENTRALES ELÉCTRICAS II FIEE UNCP Para el diseño de propulsores se dispone de programas capaces de calcular por teoría de circulación el comportamiento de una hélice, aportando como resultados las fuerzas estacionarias y no estacionarias, su forma de cavitación, los armónicos generados e incluso las fluctuaciones de presión inducidas en la bovedilla por el funcionamiento de la hélice. Los principales resultados que se pueden obtener con los programas de cálculo de propulsores son: Curvas características de la hélice y rendimiento en varios regímenes de funcionamiento en aguas libres. Empuje, potencia y rendimiento de la hélice funcionando detrás de la carena para un régimen de funcionamiento especificado. Las 6 componentes de los esfuerzos y momentos vibratorios sobre cada pala y el eje. La forma de cavitación lámina en distintas posiciones angulares de las palas. Los armónicos de cambio de volumen de las cavidades. Los armónicos de cambio de volumen de las cavidades. La distribución de presión en la superficie de las palas. 18 CENTRALES ELÉCTRICAS II FIEE UNCP Las amplitudes de las presiones pulsatorias sobre la bovedilla. El túnel de cavitación del Canal de Experiencias Hidrodinámicas de El Pardo, permite el estudio de las características de las hélices estudiando la generación de cavitación, riesgo de erosión , fluctuaciones de presión y la producción de ruidos inherente a la cavitación, con el fin de optimizar el diseño de los propulsores. Los ensayos pueden realizarse con el propulsor aislado o bien trabajando en la estela del buque que se simula bien con mallas o bien introduciendo en el canal una réplica del modelo o "dummy model". Se diseñan y construyen modelos de hélices de los siguientes tipos: Series sistemáticas (Series B, K, Gawn,etc). Paso controlable. En tobera. Otros tipos. 19 CENTRALES ELÉCTRICAS II FIEE UNCP 20 CENTRALES ELÉCTRICAS II FIEE UNCP 6. C O N C L U S I O N E S La cavitación es un fenómeno que 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. El fenómeno puede producirse lo mismo en estructuras hidráulicas estáticas (tuberías, Venturis, etc.), que en máquinas hidráulicas (bombas, hélices, turbinas). Por los efectos destructivos que en las estructuras y máquinas hidráulicas mal proyectadas o mal instaladas produce la cavitación es preciso estudiar este fenómeno, para conocer sus causas y controlarlo. La protección contra la cavitación debe comenzar con un diseño hidráulico adecuado del sistema, de tal manera que se eviten en lo posible las presiones bajas. Cuando sea inevitable la presencia de la cavitación , el efecto sobre las superficies se puede reducir mediante el recubrimiento de materiales especiales de alta resistencia. El empleo de pequeñas cantidades de aire introducidas en el agua reduce notablemente el daño causado por la cavitación: por último, en estudios recientes se ha comprobado que la protección catódica puede ser de utilidad contra los efectos de la cavitación. La formación de burbujas de vapor disminuye el espacio disponible para la conducción del líquido, lo cual da como resultado la disminución de la eficacia de la máquina. El fenómeno de la cavitación ocasiona tres efectos nocivos en la operación de una turbomáquina: disminuye la eficacia, daña los conductos para el escurrimiento y produce ruido y vibraciones molestas. 21 CENTRALES ELÉCTRICAS II FIEE UNCP 7. B I B L I O G R A F Í A Mecánica de los fluidos, Autor: Streeter and Wylie. Manual del Ingeniero Mecánico, Autor: Edward H. Smith. Manual del Ingeniero Civil, Autor: Frederick S. Merritt, M. Kent Loftin, Jonathan T. https://es.wikipedia.org/wiki/Cavitaci%C3%B3n http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/flujoentuberias/depresi onccavi/depresionccavi.html http://www.hidraoil.es/articulo/cavitacion-en-las-bombas-hidraulicas/ http://www.agronoms.cat/media/upload/editora_24/Cavitacion %20espa%C3%B1ol%202_editora_241_90.pdf http://blog.gmveurolift.es/cavitacion-en-las-bombas-hidraulicas/