Ensayo de Cavitacion 1 PDF

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Procedimientos de cavitación explícitos en la física...

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I.OBJETIVOS



Calcular la altura máxima de succión de la bomba Hidostal 100-200.



Graficar la altura neta de positiva de succión

II. MARCO TEORICO 2.1. CAVITACION 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 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.

2.1.1. EFECTOS DE LA CAVITACION

Como ya se ha mencionado la cavitación ocurre en las bombas, aunque también sucede en los ductos sobre todo donde se encuentran reducciones seguidas de ampliaciones bruscas, (tubos Venturi) estos efectos se pueden transmitir a las demás partes del equipo de bombeo reduciendo la eficiencia y pudiendo causar serios daños como la corrosión de partículas de metal (pitting) Cuando las burbujas de vapor se implotan se produce una especie de martilleo lo que produce un deterioro en las paredes de la carcasa, de las palas del impulsor el cual el daño está en función de la proximidad en que se encuentran estas implosiones.

La cavitación en bombas puede producirse de dos formas diferentes:

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.

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 un Venturi) 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. 2.2. Vertederos Triangulares Para medir pequeños gastos, el vertedero triangular es más preciso que el rectangular, puesto que, para un mismo caudal, los valores de h son mayores. Considérese la figura siguiente, en donde se esquematiza el flujo a través de un vertedero triangular, simétrico y de pared delgada, con un ángulo 2 en el vértice de la escotada.

Caudal teórico

El caudal real se obtiene multiplicando el caudal teórico por el correspondiente coeficiente de descarga, Cd, así:

Caudal real

Si 2 = 90º, tan (2 /2) = 1, y, según Thomson, para 0.05 m < h < 0,25m, Cd = 0.593. Formula de Thomson Q (m³ /s) y h (m). Experimentando con vertederos triangulares ( 2 = 90º), el Profesor Horace King, en la Universidad de Michigan, obtuvo: Fórmula de King H (m) y Q (m³ / S), Mr. A.A. Barnes, de los experimentos realizados por Thomson y Barr, propuso

H (m), Q (m³ / S) y 2 = 90º.

El profesor Raymond Boucher, de la Escuela Politécnica de Montreal, obtuvo para 2 = 90º, h (m) y Q (m³ / S).

2.3. Calculo de la altura geométrica máxima de aspiración Durante la aspiración la propia bomba - tanto por conversión de la presión en energía cinética, como por rozamiento del agua en sus elementos - gasta parte de la presión atmosférica inicial del agua. Tal pérdida de presión es característica de cada bomba: es mayor en aquellas muy revolucionadas y en las de amplios diámetros de entrada. Teniendo en cuenta que durante el funcionamiento las pérdidas aumentan con el caudal circulante el fabricante, mediante fórmulas "ad hoc" y ensayos, establece tales pérdidas para los posibles caudales y las incluye en la hoja de características por medio de una curva denominada "Curva de NPSH de la bomba" (fig. 17)

La NPSH, como hemos dicho, depende de la construcción de la bomba y varía con cada posición de la bomba (curva Q-H); tiene el valor mínimo para Q=o y crece fuertemente al aumentar el agua elevada. Centrándonos ahora en la instalación se trata de averiguar qué presión atmosférica ha de quedar en el proceso íntegro de la aspiración para que no se produzca cavitación.

Hg ( a ) +Hp ( a )−NSPH > p . v o sea Patm−Hp ( a )−NSPH − p0 . v> Hg ( a ) …EC N ° 1 Patm−¿ Lo que nos da la altura a que podemos colocar la bomba, siendo:

Patm

= presión atmosférica del lugar en m.c.a.

Hg ( a )

= pérdidas de carga desde la toma hasta el eje de la bomba en m.c.a.

NSPH

= valor del parámetro en la posición de la bomba considerada (punto de la curva

Q-H)

p.v

expresada en m. = presión de vapor del líquido a la temperatura ambiente

Hg ( a ) …

= altura máxima de aspiración en m.

III. INSTRUMENTOS Y/O EQUIPOS 1. INSTRUMENTOS UTILZADOS 1.1.TACOMETRO LASER.

Para medir el número de revoluciones del impulsor de la bomba centrifuga se utilizó un tacómetro de mano portátil.

1.2.TERMOMETRO. Se utilizó un termómetro de mercurio para medir la temperatura del fluido.

1.3. FLEXOMETRO. Instrumento para medir longitud, para el ensayo de utilizo fluxómetro de cinta de acero.

1.4. VERTEDERO TRIANGULAR. Instrumento que sirve para medición de caudales.

IV. PROCEDIMIENTO Para el cálculo de la altura geométrica máxima de aspiración en el ensayo de cavitación se siguen los siguientes pasos.

4.1. PROCEDIMIENTO DE CAMPO



Seleccionar los instrumentos tales como: fluxómetro, termómetro, tacómetro y vertedero.



Se procede a encender la bomba con la válvula de compuerta cerrada.



Se coloca el vertedero a la salida del fluido.



Seguidamente se abre la válvula ligeramente y empieza con la toma de datos, realizado en la primera medición en dicha posición.



Los datos a tomar son: velocidad de rotación del impulsor, altura de succión de la bomba, temperatura del fluido y el nivel de agua del vertedero.



Se repite la toma de datos en las 7 siguientes mediciones en diferentes posiciones de la válvula de compuerta ubicada a la salida de la bomba.



Posterior mente se pasa los datos a gabinete para hacer los cálculos.

4.2. PROCEDIMIENTO DE LOS CALCULOS



Primeramente de calcula los caudales con los datos obtenidos.



Se calcula el número de revoluciones específico de la bomba.



Con este resultado se calcula el coeficiente de cavitación.



Conociendo ya este coeficiente se determina el NPSH requerido.



Luego con todos estos cálculos de determina la altura máxima de succión reemplazando en la ecuación 1.

V. CUADRO DE DATOS RECOPILADOS 5.1. DATOS DE LA BOMBA Las mediciones se hicieron en cada apertura de la válvula de compuerta ubicada a la salida de la bomba.

N ° de Medici

Altura de aspiración Velocidad de impulsor ( P

1° 2° 3° 4° 5° 6° 7° 8°

96 97 99 99.5 100 102.5 103 110

1192 1189 1189 1190 1188 1187 1185 1184

5.2. DATOS DEL VERTEDERO

N ° de medicione 1° 2° 3° 4° 5° 6° 7° 8°

Nivel(m ) 0.035 0.07 0.076 0.105 0.128 0.134 0.145 0.18

5.4. TEMPERATURA DEL FLUIDO 17.5

Temperatura de fluido (

°C

VI. CALCULOS 6.1. CALCULO DEL CAUDAL CON LOS DATOS OBTENIDOS EN EL VERTEDERO Para el cálculo de los caudales en el vertedero triangular (Angulo=90°).

Se utilizó la fórmula de Thomson: 5

Q=1.4 h2 DONDE: h: (m) y Q: (m 3 /s)

N ° de mediciones

Nivel(m)

C audal(m 3/ s)

1° 2° 3° 4° 5° 6° 7° 8°

0.035 0.07 0.076 0.105 0.128 0.134 0.145 0.18

0.00032474 0.00183702 0.00225634 0.00506224 0.00830605 0.00931391 0.01134462 0.0194783

6.2. CALCULO DE LA PRESION ATMOSFERICA EN METROS POR COLUMNA DE LÍQUIDO La altura sobre el nivel del mar que se encuentra el laboratorio de máquinas hidráulicas en UNCP-FIM es: 3268 m.s.n.m. Calculo por interpolación:

Altura sobre el niveldel mar Patm(m) 3000 3268 4000

7.2 6.92 6.16

6.3. CALCULO DE LA PRESION DE VAPOR POR INTERPOLACION

Para calcular la presión de vapor en metros de columna de agua para una temperatura de 17.5°C se interpolara en los valores conocidos.

Temperatura del agua

Presión del vapor (m

10

0.125

17.5

0.21

20

0.238

6.4. CALCULO DE LA ALTURA GEOMETRICA MAXIMA DE ASPIRACION

Los cálculos fueron procesados en una hoja de cálculo de Excel. Para calcular la altura la altura geométrica de aspiración primero se calcula:



Calculo de Δh(m) :

Altura de

Velocidad de

velocidad

Coeficiente

impulsor N

relativa de

de cavitación

N ° de Mediciones aspiración(m) 1° 2° 3° 4° 5° 6° 7° 8° 

(PRM) 0.96 1192 0.97 1189 0.99 1189 0.995 1190 0.1 1188 1.025 1187 1.03 1185 1.1 1184 Perdida de carga en la tubería de succión:

Temperatura(° C)

succión Ns 80.84174431 190.3063999 207.7065722 310.2016219 2222.320499 410.455999 450.5865503 561.5334211

Δh (m) 0.074804549 0.234252894 0.263237298 0.449371845 6.206156121 0.652783622 0.739238775 0.991397728

viscosidad cinematica a17.5 ° C(m 2/s )

15 3268 4000

CODO DE 90 PVC 4"

0.071812367 0.227225307 0.260604925 0.447124986 0.620615612 0.669103213 0.761415939 1.090537501

0.00114 0.0010745 0.001005

0.51

Longitud total de tubería(m) 1.25 m Succión Diámetrointerior ( D

98.0mm

N ° de Medicion perdidas por accesorios (m perdidas por friccion (m 1° 2° 3° 4° 5° 6° 7° 8°



0.000718922 0.02300549 0.034706375 0.17469794 0.470317498 0.591378158 0.877367009 2.586448374

0.01960352 0.110894256 0.136206531 0.305588635 0.501405248 0.562245446 0.68483186 1.175831833

perdidas totales ( m 0.020322442 0.133899746 0.170912905 0.480286575 0.971722746 1.153623605 1.562198869 3.762280207

Finalmente se reemplaza los resultados obtenidos en la fórmula para determinar la máxima altura geométrica de aspiración.

N ° de Medicione 1° 2° 3° 4° 5° 6° 7° 8°

altura geométrica máximade aspiración(Hs MAX) 6.617865192 6.348874947 6.278482169 5.782588439 5.117661642 4.887273182 4.386385192 1.857182292

VII. GRAFICO DE LA ALTURA NETA POSITIVA DE SUCCION 7.1. CALCULO DE LA PERDIDA TOTA EN EL SISTEMA A CADA MEDICION 

PERDIDA EN ACCESORIOS EN LA SUCCION Y IMPULSION

ACCESORIOS EN LA TUBERIA DE SUCCI

Coeficiente deresistencia(K )

VALVULA DE PIE DE 4"

7.1

CODO DE 90 PVC 4"

0.51

ACCESORIOS EN LA DE DESCAR

Coeficiente de resistencia(K )

5 CODOS PVC 4" DE 90°

0.51

1 CODO PVC 4" DE 45°

0.27

1 Válvula de compuerta 4" (abierta)

0.14

SE CACULA CON LA FORMULA:

Ktotal∗Vs /2 g

Hp



PERDIDAS POR FRICCION DEL SISTEMA

Longitud total de tubería(m) Succión Impulsión Total

1.25 m 27.1 m 28.35 m

Como vemos que el flujo es laminar se utiliza la ecuación de pérdidas de DARCY para flujos laminares. 

CALCULO DEL

N ° de Mediciones 1° 2° 3° 4°

N° ℜ

Nivel(m ) 0.035 0.07 0.076 0.105

caudal(m 3/s )

velocid .(m/ s)

0.000324743 0.001837025 0.002256336 0.005062244

0.043052456 0.243541467 0.299131259 0.671121366

N ° reynols 3.933930683 22.2536725 27.33320591 61.32391034

5° 6° 7° 8°



0.128 0.134 0.145 0.18

0.008306054 0.009313906 0.011344617 0.019478303

1.101165868 1.234780645 1.503999954 2.582314181

100.6193521 112.8284412 137.4284341 235.9597107

CALCULO DE PERDIDAS MENORER perdidas por

N ° de Mediciones 1° 2° 3° 4° 5° 6° 7° 8°



N° de

Nivel(m )

caudal(m 3/s )

velocid .(m/ s)

0.035 0.07 0.076 0.105 0.128 0.134 0.145 0.18

0.000324743 0.001837025 0.002256336 0.005062244 0.008306054 0.009313906 0.011344617 0.019478303

0.043052456 0.243541467 0.299131259 0.671121366 1.101165868 1.234780645 1.503999954 2.582314181

CALCULO DE PERDIDAS POR FRICCION

N° de

Nivel(m)

Mediciones 1° 2° 3° 4° 5° 6° 7° 8°



accesorios(m) 0.018717505 0.105882197 0.13005044 0.291777026 0.478743367 0.536833787 0.653879695 1.122688072

caudal(m 3/s ) 0.035 0.07 0.076 0.105 0.128 0.134 0.145 0.18

velocidad (m/ s)

0.000324743 0.001837025 0.002256336 0.005062244 0.008306054 0.009313906 0.011344617 0.019478303

0.043052456 0.243541467 0.299131259 0.671121366 1.101165868 1.234780645 1.503999954 2.582314181

PERDIDAS TOTALES EN EL SISTEMA

N ° de Medicion 1° 2° 3° 4° 5°

Pérdidas totales(m) 0.46332534 2.62096392 3.219214559 7.222527268 11.85061439

Reynolds(Nre) 3.933930683 22.2536725 27.33320591 61.32391034 100.6193521 112.8284412 137.4284341 235.9597107

Perdidas por fricción (m) 0.444607835 2.515081723 3.089164119 6.930750242 11.37187102 12.75172673 15.53198658 26.66786598

6° 7° 8°

13.28856051 16.18586628 27.79055405

VII. GRAFICO

ALTURA GEOMETRICA DE

N ° de Medicione 0 1° 2° 3° 4° 5° 6° 7° 8°

Nivel(m )

caudal(m 3/s )

0 0.035 0.07 0.076 0.105 0.128 0.134 0.145 0.18

0 0.000324743 0.001837025 0.002256336 0.005062244 0.008306054 0.009313906 0.011344617 0.019478303

ASPIRACION(m) 3.57 4.03332534 6.19096392 6.789214559 10.79252727 15.42061439 16.85856051 19.75586628 31.36055405

f(x) = 0 R² = 0

altura geometrica de aspiracion

altura maxima de aspiracion

12

8

4

0

0

2

4

6

8

10

caudal

VIII. CONCLUSIONES 

En el experimento se observado que cuando mayor es el caudal , la altura de succión también se incrementa



También se pudo ver que la temperatura del fluido infiere mucho en el comportamiento del sistema



Se pudo percibir que cuanto mayor es el caudal del sistema mayor es la probabilidad de ocurrir cavitación.

IX. RECOMENDACIONES



Se recomienda calcular el NPSH disponible y poder comparar con el requerido que proporciona el fabricante o se calcula.



También la presión atmosférica no es el mismo que el del nivel del mar.

12

X. ANEXOS TABLA N° 01: TUBERIA AGUA-PRESION CLASE 15 Tuberías para conducción de agua a presión norma NTP 399.002-202.

TABLA °N 02: TUBERIAS A PRESION CLASE 7.5 Fabricadas bajo la norma técnica peruana NTP 399.002-202

TABLA N°03: COEFICIENTE DE RESISTENCIA PARA ACCESORIOS

TABLA °N 04: PROPIEDADES DEL FLUIDO...