INVESTIGACION UNDAD VII CAVITACION Y GOLPE DE ARIETE. | CAVITACION Y GOLPE DE ARIETE. 7.1 EXPLICACION DEL GOLPE DE ARIETE. El golpe de ariete o pulso de Zhukowski (llamado así por el ingeniero ruso Nikolái Zhukovski) es, junto a la cavitación, el principal causante de averías en tuberías e instalaciones hidráulicas. El golpe de ariete se origina debido a que el fluido es ligeramente elástico (aunque en diversas situaciones se puede considerar como un fluido no compresible). En consecuencia, cuando se cierra bruscamente una válvula o un grifo instalado en el extremo de una tubería de cierta longitud, las partículas de fluido que se han detenido son empujadas por las que vienen inmediatamente detrás y que siguen aún en movimiento. Esto origina una sobrepresión que se desplaza por la tubería a una velocidad que puede superar la velocidad del sonido en el fluido. Esta sobrepresión tiene dos efectos: comprime ligeramente el fluido, reduciendo su volumen, y dilata ligeramente la tubería. Cuando todo el fluido que circulaba en la tubería se ha detenido, cesa el impulso que lo comprimía y, por tanto, éste tiende a expandirse. Por otro lado, la tubería que se había ensanchado ligeramente tiende a retomar su dimensión normal. Conjuntamente, estos efectos provocan otra onda de presión en el sentido contrario. El fluido se desplaza en dirección contraria, pero, al estar la válvula cerrada, se produce una depresión con respecto a la presión normal de la tubería. Al reducirse la presión, el fluido puede pasar a estado gaseoso formando una burbuja mientras que la tubería se contrae. Al alcanzar el otro extremo de la tubería, si la onda no se ve disipada, por ejemplo, en un depósito a presión atmosférica, se reflejará siendo mitigada progresivamente por la propia resistencia a la compresión del fluido y la dilatación de la tubería Si el cierre o apertura de la válvula es brusco, es decir, si el tiempo de cierre es menor que el tiempo que tarda la onda en recorrer la tubería ida y vuelta, la sobrepresión máxima se calcula como: Consecuencias. Este fenómeno es muy peligroso, ya que la sobrepresión generada puede llegar a entre 60 y 100 veces la presión normal de la tubería, ocasionando roturas en los accesorios instalados en los extremos (grifos, válvulas, etc). La fuerza del golpe de ariete es directamente proporcional a la longitud del conducto, ya que las ondas de sobrepresión se cargarán de más energía, e inversamente proporcional al tiempo durante el cual se cierra la llave: cuanto menos dura el cierre, más fuerte será el golpe. El golpe de ariete estropea el sistema de abastecimiento de fluido, a veces hace reventar tuberías de hierro colado, ensancha las de plomo, arranca codos instalados. Para conocer más acerca de este fenómeno https://www.youtube.com/watch?v=_jv0rx6QGO8 entrar a este link: 7.2 Formulas de presión máxima y sobrepresión. Como cualquier efecto oscilatorio el fenómeno del golpe de ariete presenta una frecuencia en la que se repite una situación, en este caso la sobrepresión o depresión de la onda que se desplaza de un extremo al otro de la instalación. Presión Máxima. La frecuencia no es más que el inverso del periodo, que es el tiempo transcurrido entre dos puntos equivalentes de la onda, es decir entre dos máximos o dos mínimos… con lo cual el periodo (y la frecuencia) dependerán de lo larga que sea la conducción de la instalación y de su celeridad, que es la velocidad de propagación de la onda de presión a través del agua del interior de la tubería. De este modo, hay que calcular la siguiente relación: L será la longitud total (en m) de la conducción de la instalación a estudiar, mientras que el parámetro a representa la celeridad de la conducción (en m/s), la cual depende de las características físicas de la misma: material y dimensiones. La celeridad se calcula con la siguiente expresión: en la que D es el diámetro de la conducción (en mm), e es el espesor (en mm) y K un coeficiente representativo de la elasticidad del material de la conducción, y que es función del módulo de elasticidad del mismo (en kg/m2) a través de la expresión: en la que ε es el módulo de elasticidad del material de la conducción, cuyos valores de referencia son los siguientes: ¿Cuál es el tiempo de parada del agua? La siguiente característica de la instalación a determinar es el tiempo que dura la variación de velocidad, es decir, el que transcurre desde el corte de energía y la anulación del caudal o el tiempo de parada del agua. A partir de estudios teóricos y experimentales, el doctor Enrique Mendiluce propuso una expresión que es la que se usa comúnmente para establecer ese tiempo de parada del agua, principalmente para impulsiones, y que es la siguiente: en la que L es la longitud de la conducción de la instalación (en m), V es la velocidad de circulación del agua en la instalación (en m/s), g es la gravedad, Hm es la altura manométrica de la instalación, y C y K son coeficientes de ajuste determinados experimentalmente, y que responden a las siguientes relaciones gráficas: Cálculo de la sobrepresión producida por el golpe de ariete. Fórmulas de Michaud y Allievi. Una vez conocido el valor del tiempo T y determinado el caso en el que nos encontramos (cierre lento o cierre rápido), el cálculo del golpe de ariete se realizará de la forma siguiente:a)Cierre lento.A finales del siglo XIX, Michaud propuso la primera fórmula para valorar el golpe de ariete. El límite mínimo de ∆H se produce cuando L es muy pequeño frente a T, y entonces: que es la ecuación de Jouguet, establecida en la misma época que la de Michaud, y se deduce analíticamente igualando el impulso que experimenta el agua en el interior de la tubería a la variación de su cantidad de movimiento. b) Cierre rápido. Como ya comentamos anteriormente, al cerrar la válvula C, el agua se detiene y comienza a comprimirse en sus proximidades. 7.3 Control del golpe de ariete. El Golpe de Ariete como la oscilación se refieren a presiones transitorias y, si no se controlan, ambas darán los mismos resultados: daños a las tuberías, accesorios y válvulas, causar fugas y reducir la vida útil del sistema hidráulico. Sin embargo, puede haber formas de prevenir este fenómeno. Antes, es necesario determinar el lugar (localización) donde se presenta el Golpe, el tiempo (duración) que lleva y, como principal observación, las causas que lo generaron, por ejemplo, un deterioro en las válvulas. Las cuatro principales causas que provocan grandes cambios de presión son: 1. El arranque de la bomba, lo que genera un colapso rápido del espacio vacío que hay en el agua debajo de la bomba. 2. Fallas de potencia en la bomba, lo que crea un cambio rápido en la energía de suministro del flujo, causando un aumento de la presión en el lado de succión y una disminución de presión en el lado de la descarga 3. Abrir y cerrar la válvula repentinamente*, ya que cambiará rápidamente la velocidad y puede resultar en una oscilación de presión 4. Una mala operación o el mal uso de dispositivos de protección, ya que puede haber un exceso en el tamaño de la válvula de alivio por sobrepresión o una incorrecta selección. Medidas de prevención Disminución de la velocidad en tuberías Cierre o apertura lenta de válvulas o registros Empleo de válvulas o dispositivos mecánicos especiales Fabricación de tubos con espesor aumentado Construcción de pozos de oscilación Instalación de cámaras de aire comprimido que amortigüen los golpes Soluciones prácticas: Las recomendaciones que se dan respecto a presiones, como son el uso de algunas herramientas para reducir los efectos del Golpe de Ariete, como las siguientes: Válvulas. Son elementos que se cierran lentamente para permitir moderar el aumento en la presión cuando las ondas de sobrepresión del agua más baja regresan del tanque de almacenamiento. Pueden ser un método efectivo de control, sin embargo, deben ser propiamente clasificadas y seleccionadas para no provocar efectos secundarios. Además, pueden ser el medio menos costoso Bombas. Los problemas de operación en el arranque de la bomba pueden evitarse incrementando el flujo en la tubería lentamente hasta colapsar o desalojar los espacios de aire suavemente. Además de obtener una presión baja también resultará en menores niveles de caballos de fuerza durante la operación, y así se conseguirá una economía de operación Tanque de oscilación. Lo que hace el tanque es liberar la presión y poder almacenar el líquido excesivo, dando al flujo un almacenamiento alternativo mejor que el proporcionado por la expansión de la pared de la tubería y compresión del fluido. Sin embargo, pueden ser un dispositivo de control costoso Cámara de aire. Las cámaras de aire son instaladas en áreas donde puede haber Golpe de Ariete frecuentemente. Se pueden encontrar detrás de accesorios de los lavabos y en tinas de baño. Lo que hace es comprimir el aire para absorber el choque, protegiendo la tubería y los accesorios 7.4 Explicación de cavitación. Es un fenómeno físico, mediante el cual un líquido en determinadas condiciones pasa a estado gaseoso y unos instantes después vuelve a estado líquido; se produce un efecto hidrodinámico que genera cavidades de vapor dentro del fluido, ocasionando implosión de las paredes de una cavidad debido a que la presión interna es inferior a la externa, volviendo a ser un líquido nuevamente; este fenómeno tiene dos fases: Fase 1 – Cambio de estado líquido a gaseoso Fase 2 – Cambio de estado gaseoso a líquido La cavitación ocurre frecuentemente en sistemas hidráulicos cuando ocurren cambios bruscos de velocidad del líquido, por ejemplo, en Alabes de turbinas, Rodetes de bombas, Hélices de barcos, Estrangulamientos bruscos, Regulación mediante orificios y en Válvulas reguladoras algunos efectos de la cavitación son: Ruidos y golpeteos Vibraciones Erosiones del material La cavitación en bombas puede producirse de forma diferente: Cavitación de succión: ocurre cuando la succión de la bomba se encuentra en condiciones de baja presión haciendo que el líquido se transforme en vapor a la entrada; este es transportado hasta la zona de descarga de la bomba donde el vacío desaparece y el vapor del líquido es nuevamente comprimido debido a la presión de descarga; produciendo una implosión violenta sobre la superficie del rodete presentado grandes cavidades debido a los trozos de material arrancado por el fenómeno. Cavitación de descarga: ocurre cuando la descarga de la bomba es muy alta en bombas que funcionan menos del 10% de su eficiencia óptima; la elevada presión de descarga provoca que la mayor parte del fluido circule dentro de la bomba en vez de salir. A medida que el líquido fluye alrededor del rodete debe pasar a una velocidad muy elevada a través de una pequeña abertura entre el rodete y tajamar, transformando el líquido en vapor. Existen dos tipos de cavitación Cavitación por Flujo: está presente en tuberías donde la presión estática el líquido alcanza valores próximos al de la presión de vapor del mismo. Cavitación por Ondas: aparecen cuando el líquido estando en reposo por él se propagan ondas parecidas a las ultrasónicas denominándose Cavitación Acústica, o típicas ondas por reflexión sobre paredes o superficies libres debido a ondas de compresión o expansión fruto de explosiones y entre otras perturbaciones como el caso del Golpe de Ariete. Un líquido se evapora cuando la energía no es suficiente para mantener las moléculas unidas; estas se separan unas de otras apareciendo burbujas de vapor. El agua se evapora a presión atmosférica (1 bar) el agua se evapora a 100°C. Cuando la presión decrece, el proceso de evaporación comienza a una temperatura menor. El agua que fluye por las tuberías está generalmente a presión, producida por una bomba o debido a una diferencia de alturas (proveniente de un depósito) y es considerablemente mayor que la presión de vapor. La energía total de un fluido está compuesta de los siguientes tipos: Energía Potencial Energía De Presión Energía Cinética Perdida De Carga 7.5 Descripción de la cavitación. La cavitación 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. Esta baja que sufre la presión es debida a los efectos dinámicos de un líquido al escurrir, siguiendo fronteras curvas o alrededor de cuerpos sumergidos. El fenómeno consiste en un cambio rápido y explosivo de fase líquida a vapor. Si el líquido fluye a través de una región donde la presión es menor que su presión de vapor, éste hierve y forma burbujas. 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 aplastándose bruscamente las burbujas. Este fenómeno se llama CAVITACIÓN Cuando un líquido fluye a través de una región donde la presión es menor que su presión de vapor, el líquido hierve y forma burbujas de vapor. 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 en las diferentes partes de la máquina. Cuando por culpa de girar muy rápido, o por exceso de velocidad del barco, la presión de la cara anterior de la hélice (la que está más a proa) decae a valores muy pequeños. En estas condiciones, en la zona con depresión se forman burbujas de vapor por culpa del vacío que se ha creado. ¡El agua verdaderamente hierve, pero a temperatura ambiente! Cuando las burbujas de vapor que se han creado (por ejemplo, en un milisegundo o de forma casi instantánea) salen de esta zona de la hélice y vuelven a una zona con presión normal, se colapsan y se condensan otra vez en líquido. Durante el proceso de condensación este colapso es muy violento produciendo vibraciones ruidos y pérdidas de prestaciones. La cavitación puede estropear fácilmente una hélice, mellando sus bordes de ataque, doblando las palas o picando su superficie. Cuando existe cavitación en sus aplicaciones, Se perciben los síntomas: sonido alto y seco que le avisa que algo anda mal. Cavitación no es solo aquel sonido fastidioso. A medida que el tiempo pasa, la cavitación desgasta la válvula, destruyéndola lentamente por dentro requiriendo reparaciones que involucran que la válvula quede fuera de servicio y gastos significantes. Aunque la cavitación es un fenómeno indeseable en la mayoría de las circunstancias, esto no siempre es así. Por ejemplo, la supercavitación tiene aplicaciones militares como por ejemplo en los torpedos de supercavitación en los cuales una burbuja rodea al torpedo eliminando de esta manera toda fricción con el agua. Estos torpedos se pueden desplazar a altas velocidades bajo el agua, incluso hasta a velocidades supersónicas. La cavitación puede ser también un fenómeno positivo en los dispositivos de limpieza ultrasónica. Estos dispositivos hacen uso de ondas sonoras ultrasónicas y se aprovechan del colapso de las burbujas durante la cavitación para la limpieza de las superficies. Para conocer más acerca de este fenómeno entrar a este link: https://www.youtube.com/watch?v=j8URMjzhCec&t=111s 7.6 Control de la cavitación. Las causas comunes de cavitación de descarga incluyen: Filtros obstruidos Bloqueos de tuberías Diseño deficiente del sistema de tuberías La clave para prevenir la cavitación de la bomba es comprender el cabezal de succión positivo neto (NPSH) del sistema de tuberías. Esencialmente, la presión del fluido en todos los puntos dentro de la bomba debe permanecer por encima de la presión de vapor para evitar la ebullición del líquido. El NPSH es el parámetro principal utilizado para determinar si la presión del fluido que se bombea es suficiente para evitar la cavitación. El cabezal de succión positivo neto disponible (NPHSa) se define como la diferencia entre la presión real en la brida de entrada de la bomba y la presión de vapor del fluido que se está bombeando. Por el contrario, la altura neta de succión positiva requerida (NPHSr) es la altura mínima neta de succión positiva necesaria para evitar la cavitación; este valor generalmente lo proporciona el fabricante de la bomba. Para garantizar que se evite la cavitación de la bomba, el cabezal de succión positivo neto disponible debe ser mayor que el cabezal de succión positivo neto más un margen de seguridad predeterminado. Los ingenieros de diseño a menudo especifican el margen de seguridad, pero también puede ser determinado por el fabricante de la bomba. Diversas industrias, como los sectores de productos químicos, alimentos y bebidas, y petróleo, entre muchos otros, se ocupan de una variedad de líquidos diferentes, cada uno con propiedades físicas y químicas únicas, que incluyen: Densidad Viscosidad Punto de ebullición Volumen específico Gravedad específica Temperatura Se debe prestar especial atención a estas propiedades, así como a las altitudes de operación, que pueden afectar el mejor punto de eficiencia de la bomba (BEP). La cavitación de la bomba, aunque se identifica fácilmente por su ruido y vibración excesivos, es una fuerza altamente destructiva que puede causar daños extensos incluso en bombas y equipos de la más alta calidad. Bibliografía. 1. (Sin Autor). (Sin año de publicación). 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