Fenomeno De Cavitacion 6a6f3v

El fenómeno de cavitación o aspiraciones en vacío es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido en estado líquido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido debido a la conservación de la constante de Bernoulli. 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 implosionan (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, bruscamente las burbujas) produciendo una estela de gas y un arranque de metal de la superficie en la que origina este fenómeno.

La implosión causa ondas de presión que viajan en el líquido a velocidades próximas a las del sonido, es decir independientemente del fluido la velocidad adquirida va a ser próxima a la del sonido. Estas pueden disiparse en la corriente del líquido o pueden chocar con una superficie. Si la zona donde chocan las ondas de presión es la misma, el material tiende a debilitarse metalúrgicamente y se inicia una erosión que, además de dañar la superficie, provoca que ésta se convierta en una zona de mayor pérdida de presión y por ende de mayor foco de formación de burbujas de vapor. Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en o con una pared sólida cuando implosionan, las fuerzas ejercidas por el líquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas muy altas, ocasionando picaduras sobre la superficie sólida. Nótese que dependiendo del material usado se puede producir una oxidación del material lo que debilitaría estructuralmente el material.

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. Se puede presentar también cavitación en otros procesos como, por ejemplo, en hélices de barcos y aviones, bombas y tejidos vascularizados de algunas plantas. Se suele llamar corrosión por cavitación al fenómeno por el que la cavitación arranca la capa de óxido) que cubre el metal y lo protege, de tal forma que entre esta zona (ánodo) y la que permanece pasiva (cubierta por óxido) se forma un par galvánico en el que el ánodo (el que se corroe) que es la zona que ha perdido su capa de óxido y la que lo mantiene (cátodo).

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 isible. 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.

Como se produce El fenómeno consiste en un cambio rápido y explosivo de fase líquida a vapor. Si el liquido 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.

Figura 1 Fenómeno de cavitación debido a una turbina.

Como puede evitarse la cavitación La cavitación es un efecto físico cuya aparición depende de las condiciones de funcionamiento. Por tanto, cuando se proyecta una instalación debe intentarse que no aparezca la cavitación o que sus efectos sean los menores posibles. De cualquier manera la instalación debe ser efectiva y para ello es necesario elegir las válvulas apropiadas. Son aplicables los siguientes principios 

Utilice las válvulas de compuerta y mariposa solo para trabajar en posición completamente abierta o cerrada y no en posiciones intermedias.



Las válvulas de paso anular son válvulas de control, pero deben ser elegidas en función de las condiciones de trabajo (ej. De corona de aletas)



Para operar en condiciones extremas donde no podemos controlar la cavitación ni con válvulas especiales, la regulación debe hacerse paso a paso (ej. orificio para contrapresión) o mediante la isión de aire en el punto de regulación.

La ecuación de transporte de Reynolds relaciona, la derivada Lagrangiana de una integral de volumen de un sistema, con una integral en derivadas Eulerianas. El teorema del transporte de Reynolds es el primer paso para poder demostrar todas las ecuaciones básicas de la mecánica de fluidos. Este teorema indica como varía con el tiempo una propiedad cualquiera del fluido dentro de un volumen de control definido. La ecuación del teorema de Reynolds varía ligeramente si el volumen de control es fijo, móvil o deformable. El volumen de control es la región de interés que se desea estudiar, mientras que la superficie de control es el área que envuelve el volumen de control, es un concepto abstracto y no obstruye de ninguna forma al fluido.

Considerando un volumen de control fijo atravesado por una configuración de flujo arbitraria, como se muestra en la figura siguiente, la única complicación adicional es que hay zonas de entrada y salida variables a lo largo de la superficie de control.

Figura 2 Región de un fluido donde se ha delimitado un volumen de control

Considérese una región de flujo donde se ha delimitado un volumen de control y se ha seleccionado un sistema de manera que en el instante inicial las partículas del sistema están todas dentro del volumen de control y el volumen de control no contenga ninguna otra partícula. Con el paso del tiempo las partículas del sistema viajan a través de la superficie de control abandonándolo y otras partículas cruzarán la superficie de control desde el exterior. Otras partículas del sistema permanecerán dentro del volumen de control al cabo del intervalo de observación.

Además las partículas fluidas son poseedoras de muchas propiedades que dependen de la cantidad de sustancia que represente cada partícula, por ejemplo las partículas poseen masa, poseen cantidad de movimiento, poseen momento de la cantidad de movimiento. Y cuando una partícula viaja en una región de flujo lleva consigo esa propiedad, o sea que la partícula fluida transporta consigo múltiples propiedades, y las transporta simultáneamente. Entre las propiedades que transporta la partícula fluida están precisamente la masa, la cantidad de movimiento y el momento de la cantidad de movimiento.

En otras palabras, este teorema relaciona la tasa de cambio en el tiempo de una propiedad extensiva con la generación y el flujo de la propiedad intensiva correspondiente .El teorema de transporte de Reynolds con movimiento uniforme y para un volumen de control deformable, la ecuación del transporte adopta la siguiente forma:

(

)

(∫

)

(∫

(

)

)

(1)

Donde:  = Representa la propiedad extensiva de interés.  Es la propiedad intensiva asociada a  T = Es el tiempo.  Es la densidad el fluido. = Es el diferencial de volumen dentro del volumen de control. = Es el producto escalar entre la velocidad del flujo y el diferencial de área que cruza. Tiene el

significado de volumen que por unidad de tiempo cruza la superficie de control.

La ecuación de continuidad expresa una ley de conservación de forma matemática, ya sea de forma integral como de forma diferencial. Cuando un fluido fluye por un conducto de diámetro variable, su velocidad cambia debido a que la sección transversal varía de una sección del conducto a otra. En todo fluido incompresible, con flujo estacionario (en régimen laminar), la velocidad de un punto cualquiera de

un conducto es inversamente proporcional a la superficie, en ese punto, de la sección transversal de la misma.

Figura 3 Gráfico del principio de conservación de la masa.

Es la que se obtiene, cuando el volumen de control es el “Tubo de Corriente” es decir cuando el escurrimiento es Unidimensional, caso que cubre el vasto campo de aplicación de las Conducciones a Presión y a Superficie Libre (Canales). A éste tipo de escurrimiento, cuando la variación de la masa es nula en el tiempo y variable en el recorrido, se lo denomina “semipermanente”

Con estas consideraciones se obtendrá la Ecuación de Continuidad, en la forma de mayor uso en las aplicaciones que constituyen los objetivos fundamentales de nuestra asignatura. El desarrollo consiste en elaborar la expresión que sintetiza la interpretación del Principio de Conservación de la Masa, aplicado ahora al volumen de control “Tubo de corriente” y teniendo en cuenta la variación del mismo en el tiempo, como consecuencia de la variación de masa en el recorrido.

Entonces la Ecuación diferencial de continuidad, para Escurrimientos Unidimensionales (en tubo de corriente) en la que el Caudal de Masa Entrante no varía con el tiempo y es la siguiente:

(

)

(

)

(2)

Los rotámetros o flujometros son instrumentos utilizados para medir caudales, tanto de líquidos como de gases que trabajan con un salto de presión constante. Se basan en la medición del desplazamiento vertical de un “elemento sensible”, cuya posición de equilibrio depende del caudal circulante que conduce simultáneamente, a un cambio en el área del orificio de pasaje del fluido, de tal modo que la diferencia de

presiones que actúan sobre el elemento móvil permanece prácticamente constante. La fuerza equilibrarte o antagónica en este tipo de medidores lo constituye la fuerza de gravedad que actúa sobre el elemento sensible construido por lo general de forma cilíndrica con un disco en su extremo, y provisto de orificios laterales por donde circula fluidos que inducen una rotación alrededor de su eje para propósitos de estabilidad y centrado. Existen también elementos sensibles de forma esférica, utilizados por lo general para mediciones de bajos caudales que carecen de rotación.

El rotámetro en su forma más simple consta de un tubo de vidrio de baja conicidad, en cuyo interior se encuentra el elemento sensible al caudal que circula por el tubo, al cual se denomina “flotador”. Bajo la acción de la corriente de liquido o gas el flotador se desplaza verticalmente, e indica sobre una escala graduada directamente al caudal circulante, o una altura que sirve como dato de entrada para determinar el caudal en una curva o grafico de calibración que debe obtenerse experimentalmente. El principio de funcionamiento de los rotámetros se basa en el equilibrio de fuerzas que actúan sobre el flotador.

En efecto, la corriente fluida que se dirige de abajo hacia arriba a través del tubo conico del rotámetro, provoca la elevación del flotador hasta un altura en que el area anular comprendido entre las paredes del tubo y el cuerpo del flotador, adquiere una dimensión tal que las fuerzas que actúan sobre el mismo se equilibran, y el flotador se mantiene estable a una altura que corresponde a un determinado valor de caudal circulante. Las fuerzas que actúan sobre el flotador son tres y de naturaleza distinta:  Fuerza de origen aerodinámico o resistencia aerodinámica, actuando hacia arriba.  Fuerza de Arquímedes o empuje hidrostático, también actuando hacia arriba.  Fuerza gravitatoria o peso actuando hacia abajo.

Figura 4 Ejemplo típico de un rotámetro.

El funcionamiento de este instrumento está basado en que el desplazamiento del émbolo es proporcional al empuje realizado, según el principio de Arquímedes ("Todo cuerpo sumergido en un líquido experimenta un empuje vertical y hacia arriba al peso del líquido desalojado") y la altura desplazada será equivalente a un flujo determinado.

Donde:

= Caudal. = Densidad del material. = Densidad del fluido.

( √

(3)

)

Esta expresión indica que el cauda en volumen es directamente proporcional a las geometrías del tubo y el flotador a través de la constante, y del a raíz cuadrada del cociente entre la diferencia de densidades del material del flotador y la densidad del fluido.

Para calcular la perdida en la zona critica (2000 <4000) se recomienda utilizar una interpolación cubica entre el factor para flujo laminar y flujo turbulento. Uno de los principales usos de la interpolación ha sido el de hallar valores intermedios La interpolación es la recomendada es la cubica propuesta por Dunlop en 1991.

(4)

(

)

(5)

Donde: NR = Es el numero de Reynolds. = Es la rugosidad del tubo. D = Es el diámetro del tubo.

BIBLIOGRAFIA 

F. M. WHITE “Mecánica de fluidos”, 6 ed. Editorial Mc Graw Hill 2008. ISBN: 978-0-07-293844-9



Uralita

Sistemas

de

Tuberías,

La

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en

sistemas

de

tuberías.

http://www.agronoms.cat/media//editora_24/Cavitacion%20espa%C3%B1ol%202_editora_24 1_90.pdf 

Fluidos. Ecuación de Transporte de Reynolds. http://fluidos.eia.edu.co/fluidos/cinematica/transporte.htm

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Francisco

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Ecuación

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continuidad.

https://sites.google.com/site/201302franciscolopez2/apuntes/ecuaciones-de-movimiento-en-forma-diferencial