Clase 4 Cavitación

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INTRODUCCIÓN A LAS 
MÁQUINAS HIDRÁULICAS
Prof. Jesús DE ANDRADE
Prof. Miguel ASUAJE
Enero 2009
CAVITACIÓN
Definición Cavitación
Cavitación
Fenómeno que ocurre en una corriente de un fluido al disminuir la
presión en un punto de la misma por debajo de la presión de
vaporización "Pv", produciéndose burbujas de vapor (cavidades),
las cuales al llegar a una zona aguas abajo, donde la presión sea
superior a la Pv , implotan, ocasionando la erosión de las paredes del
ducto en contacto con esta zona.
Zona de Colapso
Cavitación
P
T
Ebullición
C
a
v
ita
c
ió
n Vapor
Líquido
Cavitación
¿Por qué se produce Cavitación?
• La presión sobre la superficie del líquido disminuye hasta ser igual
o inferior a su presión de vapor (a la temperatura actual)
• La temperatura del líquido sube hasta hacer que la presión de
vapor sobrepase a la presión sobre la superficie de líquido
Las burbujas de vapor se forman dentro de la bomba cuando la 
presión estática en algún punto baja a un valor igual o menor 
que la presión de vapor del líquido
Factores que Afectan la Aparición de Cavitación
•Temperatura del Fluido
•Contenido de Gases Disueltos
•Naturaleza del Fluido (contenido de sólidos en suspención) 
Nucleación de Burbujas
Cavitación
Dos condiciones en las que la presión de la bomba puede bajar hasta
un nivel inferior al presión de vapor:
1. Porque la caída de presión actual en el sistema externo de succión es mayor
que la que se consideró durante el diseño del sistema. (Es una situación
bastante corriente). Esto resulta en que la presión disponible en la succión de
la bomba (NPSHd) no es suficientemente alta para suministrar la energía
requerida para superar la caída de presión interna (NPSHr) propia del diseño
de la bomba.
2. Porque la caída de presión actual dentro de la bomba (NPSHr) es más grande
que la informada por el fabricante y que se usó para seleccionar la bomba.
Consecuencia de la cavitación
Cavitación
Cavitación
Dos tipo de burbujas:
Burbujas de vapor: se forman debido a la vaporización del líquido
bombeado. La cavitación inducida por la formación y colapso de estas
burbujas se conoce como Cavitación Vaporosa.
Burbujas de gas: se forman por la presencia de gases disueltos en el
líquido bombeado (generalmente aire pero puede ser cualquier gas
presente en el sistema). La cavitación inducida por la formación y colapso
de estas burbujas se conoce como Cavitación Gaseosa.
DAÑOS POR CAVITACIÓN
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d7/Turbine_Francis_Worn.JPG
http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Kavitation_at_pump_impeller.jpg
Daños por cavitación en una bomba vertical. a) Impulsor, b) Campana de succión
Cavitación
Presión de Implosión de las Burbujas
P = a · r · c [ Kgf/ m2] donde:
a Velocidad del sonido en el medio [m/s]
c Velocidad de Implosión [m/s]
r Densidad del medio [ Kgf·s2/m4]
c (2P
(
R
R
) 1
3
)o
o 3
0.5

r
Ro radio de la burbuja antes de la implosión [m]
R radio de la burbuja después de la implosión [m]
Po Presión del liquido lejos de la zona de burbujas ~ NPSHdisponible [ Kgf/m2]
Cavitación
Pérdida de Material por Cavitación
V
V
K KV
L
1
U1
m
2
U1o
m
 
 
U1  NPSH
2g
U1
2
Vv Volumen de vapor
VL Volumen de liquido
K1,K2 Constantes para determinado material
u1 Coeficiente de Cavitación
U1 Velocidad periférica a la entrada del rodete.
σu1o Coeficiente de Cavitación ( Sin Burbujas) 
σu1o~ 1.5 Teórico ; u1o ~1 Experimental
m 6 @ 8 (constante)
Energía Destructiva
http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Kavitation_at_pump_impeller.jpg
Cavitación
G
T
V
V
K KV
L
1
U1
m
2
U1o
m
~  
 


G
T
G
T
n2
n1
 ( )
U
U
12
11
6
Variación de la erosión en una B.C. con el 
cambio de la Velocidad periférica U1
Pérdida de Material 
por unidad de 
Tiempo [mgr/h]
La cavitación y el desempeño
Curvas de desempeño en bombas a varias alturas de succión con cavitación. 
Note lo rápido que comienza la cavitación
Cavitación
Definiciones Importantes
Presión Estática P:
La presión estática en una corriente de fluido es la fuerza normal por
unidad de área actuando sobre un plano o contorno sólido en un punto
dado. Describe la diferencia de presión entre el interior y el exterior de
un sistema, despreciando cualquier movimiento en el líquido. Es una
medida de la energía potencial de un fluido.
Presión Dinámica Pd:
El la presión ejercida por la energía cinética de un fluido (mv2/2). Es
decir, es la presión que existiría en una corriente de fluido que ha sido
desacelerada desde su velocidad “v” a velocidad “cero”.
Presión Total Pt ó de Estancamiento Po:
Es la suma de la presión estática más la dinámica.
2
2V
PsPo
r

Cavitación – Net Positive Suction 
Head (NPSH)
NPSH H
P
pts
V 

Definición
Altura de Presión 
Total a la entrada 
de la bomba
2g
VP
H
2
SS
pts 

Altura de presión 
absoluta en la 
brida de succión
Altura de presión 
absoluta en la 
brida de succión
Zs Altura geodésica en la brida de succión  0 (bomba eje horizontal)
Referida a la 
presión de vapor

V
2
Ss P
2g
VP
NPSH 
1
s
Hs
Cavitación – NPSHdisponible
Altura de Succión:
Cavitación – NPSHdisponible
1
s
Hs
Bernoulli entre 1 y s:
 S1S
2
SS
1
2
11 hfz
2g
VP
z
2g
VP


V
2
Ss P
2g
VP
NPSH 
Sumatoria de pérdidas 
en la tubería de succión
1
2
Con 1 y 2:
NPSH
P P
+ Z
d
1 V
1


 

Z hf
s s1
Hs = Z1-Zs
 S1
V
S
1
d hf
P
H
P
NPSH

Pérdidas Tubería
succión
Pérdidas Tubería
descarga
Succión Negativa
Pérdidas 
tubería de 
succión
Pérdidas 
tubería de 
descarga
Succión Positiva
Cavitación - NPSHrequerido
1
2
x

V
2
11
r
P
2g
VP
NPSH 
P W
2g
U
2g
z
P W
2g
U
2g
z hf1 1
2
1
2
1
X X
2
X
2
X
 
        1X
P P1 X
 

NPSH
V
2g
W - W
2g
U - U
2g
z + z hfr
1
2
X
2
1
2
1
2
X
2
X 1     1X
Er1 = Erx + Shf1x Ec. Bernoulli Mov. Relativo
Se tiene que
Si… 0
PV 

y
Cavitación - NPSHrequerido
W - W
2g
U - U
2g
z + zX
2
1
2
1
2
X
2
X 1  ~ 0
Se puede decir que:
hf
W
2g
1
2
1X  Las pérdidas son:
NPSH
V
2g
W
2g
r
1
2
1
2
  
Existen fórmulas 
empíricas muy 
utilizadas. i.e:
Stepanoff, Sulzer
Define el 
comienzo 
teórico de la 
cavitación
Cómo Evitar Cavitación
Se debe cumplir, sin excepción, las siguientes condiciones:
a.- NPSHd > 0
b.- NPSHd > NPSHr 
c.- NPSHd / NPSHr ≥ Fs (1,3 - 1,5)
d.- M = NPSHd – NPSHr ≥ 1 m ó 3 pies (Según norma)
El nivel del tanque de succión respecto a la bomba Hs
debe seleccionarse de manera que se cumplan “c” y “d”
Control de la aparición de 
Cavitación
•Disminuir Vs (aumentar diámetro succión)
•Aumentar P1
•Aumentar Hs
•Disminuir 
Disminuir en lo posible la longitud de la tubería de Succión
Disminuir el número de accesorios
Disminuir el número de codos y aumentar la curvatura de los mismos
 shf1
Voluta
Boquilla de Descarga
Boquilla de succión
NPSH
P
H
P
hf
d
1
S
V   
 
1S
../../../../../../../Miguel/videos/pump1a.swf
http://www.carverpump.com/products.asp
Ensayo de Cavitación
Definición del NPSHR3% de la bomba
Factor de 
seguridad:
FS = 1,3....1,5
%3RNPSH
DNPSH
%3H
iNPSH
cteN
cteQ


H
%3RSD NPSHFNPSH 
i
Margen de 
seguridad DNPSH
5
10
15
20
25
30
0.05 1.05 2.05 3.05 4.05 5.05 6.05 7.05
A
lt
u
ra
 [
m
ca
]
NPSHd [mca]
68 l/s
74 l/s
80 l/s
0
0.4
0.8
1.2
1.6
2
0.065 0.07 0.075 0.08 0.085
N
P
SH
R
[m
ca
]
Q [m3/s]
Altura Vs NPSH
D
NPSH
R
Vs Caudal
Ensayo de Cavitación
Se obtiene
Curvas Características en el 
Análisis de Reg. Cavitacional
CAVITACIÓNLIBRE DE 
CAVITACIÓN
Evaluación vía DFC
Régimen Cavitacional
Span 0.1 Span 0.5 Span 0.9
Fracción Vol. Vapor de Agua
(Plano Rotacional)
Distribución de la Fracción Volumétrica 
del Vapor
Q= 80 l/s
n=1000 rpmPS=30,0 kPa
(NPSHd=2,8m)
Span =0 
(Cubo)
Span =1 
(Boveda)
r
z
Span 0.1 Span 0.5 Span 0.9
Fracción Vol. Vapor de Agua
(PlanoRotacional)
PS=20,0 kPa
(NPSHd=1,8m)
Distribución de la Fracción 
Volumétrica del Vapor
Q= 80 l/s
n=1000 rpm
Span =0 
(Cubo)
Span =1 
(Boveda)
r
z
Evaluación vía DFC
Régimen Cavitacional
Span 0.1 Span 0.5 Span 0.9
Fracción Vol. Vapor de Agua
(Plano Rotacional)
Distribución de la Fracción 
Volumétrica del Vapor
Q= 80 l/s
n=1000 rpmPS=12,2 kPa
(NPSHd=1,12m)
Span =0 
(Cubo)
Span =1 
(Boveda)
r
z
Evaluación vía DFC
Régimen Cavitacional
Fracción Vol. Vapor de Agua
PS=62,68 kPa
(NPSHd=6,17m)
PS=50 kPa
(NPSHd=4,8m)
PS=30 kPa
(NPSHd=2,8m)
PS=20 kPa
(NPSHd=1,8m)
PS=14 kPa
(NPSHd=1,19m)
PS=12 kPa
(NPSHd=1,12m)
Q= 80 l/s
n=1000 rpm
Evaluación vía DFC
Régimen Cavitacional
Cavitación en Válvulas
Cavitación
Flashing