UNIVERSIDAD JOS CARLOS MARITEGUI

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CAVITACIN DE UNA BOMBA CENTRFUGA

La cavitacin puede ser el principal problema en lo que se refiere al bombeo de fluidos. En muchas ocasiones, se cree que la cavitacin es un problema de la bomba en s misma. Y ms bien es un problema de la instalacin que aparece slo en la bomba porque las condiciones han cambiado o porque, en primer lugar, la bomba no se instal correctamente. No importa cul sea el tipo de bomba: centrfugas, de desplazamiento positivo, autocebantes o sumergibles, todas ellas pueden sufrir los efectos de la cavitacin.

QU ES LA CAVITACIN

El diccionario define este trmino como formacin de burbujas de vapor o de gas en el seno de un lquido, causada por las variaciones que ste experimenta en su presin. Cuando las burbujas se colapsan aparecen unas oquedades o picaduras, en la superficie del metal en contacto con el lquido. Existen dos formas para que un lquido hierva; una de ellas es calentarlo hasta alcanzar su punto de ebullicin (100 C para agua). La 2 manera es reducir la presin a la que est sometido el lquido hasta que ste entre en ebullicin a temperatura ambiente. En ambos casos, el lquido hierve a una presin de vapor relativa a una temperatura. En el interior de una bomba, se crean vacos o zonas de presin negativa. Si este vaco excede la presin de vapor del lquido a bombear, entonces se forman burbujas de vapor que se desplazan por el sistema hasta implosionar, cuando existe una presin local suficientemente alta. Cuando las burbujas se colapsan, la implosin puede superar los 6.900 bar. Si la implosin se produce cerca de una zona metlica, se atacar su superficie con una picadura minscula.Efectos de la cavitacin.Los efectos que tiene sobre la maquinaria de bombeo son:EFECTO MECANICO: Con las implosiones se decrecen los dimetros de las burbujas, las partculas en estado liquido se aceleran y se desplazan hacia el centro de estas burbujas chocando entre si, estos choques provocan sobrepesiones (golpe de ariete) que se propagan en todas las direcciones afectando principalmente a las ranuras de las superficies metlicas por lo que en muy poco tiempo pueden ocasionar daos a la estructura de la maquina (rotor).Los golpeteos los cuales al ser muy fuertes dan la impresin que la bomba acarrea grava causan un desequilibrio en la maquina daando las uniones de los tubos con esta, as como aflojan las partes que la sostienen. Adems los martilleos en ocasiones son tan fuertes que producen ruidos los cuales pueden ser molestos durante la operacin de la bomba.Y el problema y quizs el mas importante es el de la reduccin de la eficiencia de la bomba con el cual el nosotros como futuros ingenieros estamos obligados a seleccionar o disear de la manera mas eficiente, con lo cual debemos de tener un criterio amplio para evitar el fenmeno de la cavitacin. Entre las bombas ms supcebtibles a este fenmeno estn las que tiene lados convexos y sobre todo en la parte trasera en donde pueden tener un rea localizada que propicie la cavitacin.

Efecto qumico: Con la implotacin de las burbujas se liberan iones de oxigeno que como sabemos atacan las superficies de los metales. CAUSAS DE LA CAVITACIN En una bomba hay dos zonas donde puede producirse el fenmeno de la cavitacin.

CAVITACIN EN EL OJO DEL RODETE O DE ASPIRACIN.

Se produce cuando existe demasiado vaco que excede la presin del vapor del lquido bombeado. El lquido hierve y se separa del resto. Las bolsas de vaco aparecen en el centro del impulsor, que es la zona de ms baja presin, y se desplazanhasta su implosin o colapso.Este tipo de cavitacin la causa una altura de aspiracin excesiva o bien, que el NPSHD de la instalacin se vuelva insuficiente por aumento de la prdida de carga en la succin de la bomba (obstrucciones parciales). La bomba no provoca ambas situaciones sino su entorno (instalacin / aplicacin). Cavitacin en la tajamar de la voluta o de impulsin. Esta situacin se da cuando la altura de descarga es demasiado alta, desplazando el punto de trabajo hacia la izquierda y fuera de la curva de funcionamiento. La cavitacin se localiza entre el extremo del lave del rodete y donde acaba la envolvente del cuerpo o tajamar. El lquido se estira debido al bajo caudal y a la alta presin diferencial en ambos lados de la tajamar. Al paso de los laves, se forman y se colapsan burbujas continuamente. Entre un lave y el siguiente, aparecen burbujas que permanecen en la tajamar hasta que el siguiente lave la alcanza. Es entonces cuando se crea una presin suficiente que permite la implosin de la burbuja en el extremo del lave. En la parte posterior del lave ya se ha formado una nueva burbuja que permanece ah hasta que implosiona en el siguiente lave.

DAOS PRODUCIDOS Debe tenerse en cuenta que vlvulas y otros accesorios pueden cavitar sufriendo los mismos efectos perjudiciales que una bomba. Si una vlvula tiene su admisin parcialmente cerrada, probablemente cavitar y se deteriorar de la misma forma que lo hara un impulsor y la placa de desgaste de una bomba cuya aspiracin estuviera obstruida. En la cavitacin de aspiracin, el dao observado puede abarcar desde unas pocas picaduras localizadas en el ojo del rodete hasta una rotura total del impulsor y destruccin de la placa de desgaste. En la mayora de casos, el dao consiste en picaduras en el rodete y en la placa de desgaste. A veces se describe el dao como si fuera un queso suizo o como si se hubiera ametrallado el rodete. En general, el dao provocado por una cavitacin de aspiracin se limita a estas dos piezas. La cavitacin en la tajamar de la carcasa o de impulsin es, con diferencia, mucho ms destructiva que la cavitacin de aspiracin. Cuando se dan las circunstancias de una cavitacin de impulsin, aparecen las picaduras caractersticas en el extremo de los laves y por su parte anterior. Si la cavitacin es suficientemente severa, el ataque avanza por todo el lave. Por otra parte, en carcasas de volutas simples, a causa de no compensarse la alta presin, el eje aumenta su deflexin a medida que la altura de bombeo es ms alta. Gorman Rupp disea los ejes de sus bombas para que admitan esta deflexin en el rango de trabajo de la curva de funcionamiento. Sin embrago, si la altura de bombeo es suficientemente elevada como para que el punto de trabajo se site a la izquierda de la curva caracterstica, entonces se producir la cavitacin de impulsin que reducir la vida til del rodete. La deflexin del eje podra producir fatiga y su rotura; los rodamientos podran deteriorarse por sobreesfuerzo y podra daarse el cierre mecnico.CMO DETECTAR LA CAVITACINCuando una bomba cavita, se oye un ruido caracterstico que recuerda un martillo golpeando una pieza de metal o como si la bomba tuviera piedras en su interior e impactaran constantemente. La forma ms precisa para detectar la cavitacin es tomar lecturas de presin en la aspiracin e impulsin de la bomba y medir con exactitud la velocidad de trabajo de la bomba. Con esta informacin, se consulta la curva caracterstica de la bomba y se determina dnde est trabajando la bomba. Si se sospecha que la bomba padece una cavitacin de aspiracin la lectura de presin en la brida de succin indicar un nivel de vaco importante o, posiblemente, debe revisarse el clculo del NPSH. Evidentemente, si se abre la bomba y en el rodete se observa algn ataque similar a los descritos, entonces la cavitacin ya no es una sospecha sino que es una realidad.CMO CORREGIR UNA CAVITACIN Es sencillo si se conoce la causa del problema.La cavitacin de impulsin u operacin demasiado a la izquierda de la curva caracterstica implica reducir la altura de bombeo o bien, aumentar el caudal de trabajo para que la bomba entre en la curva. En algunos casos, puede ayudar aumentar la velocidad pero debe conocerse la curva de la instalacin antes tomar cualquier medida. En el caso de cavitacin en la aspiracin, puede deberse a algn cuerpo extrao que obstruye la tubera de succin de la bomba o bien, que la altura de aspiracin es demasiado alta y en consecuencia el NPSHD es inferior al NPSHR de la bomba. Un vacumetro instalado en la brida de aspiracin solamente indicar que el vaco es elevado pero no su causa. Si detecta un atasco en la tubera de aspiracin, lmpielo lo antes posible! No inyecte aire comprimido porque lo devolvera al depsito y podra aspirarse de nuevo. Si la altura de aspiracin es demasiado alta, acerque la bomba a la superficie del lquido o cambie la consigna de nivel del pozo de bombeo.

QU ES EL GOLPE DE ARIETE El golpe de ariete (choque hidrulico) es el incremento momentneo en presin, el cual ocurre en un sistema de agua cuando hay un cambio repentino de direccin o velocidad del agua. Cuando una vlvula de rpido cierre cierra repentinamente, detiene el paso del agua que est fluyendo en las tuberas, y la energa de presin es transferida a la vlvula y a la pared de la tubera. Las ondas expansivas se activan dentro del sistema. Las ondas de presin viajan hacia atrs hasta que encuentran el siguiente obstculo slido, luego continan hacia adelante, luego regresan otra vez. La velocidad de las ondas de presin es igual a la velocidad del sonido; por lo tanto, su explosin a medida que viaja hacia adelante y hacia atrs, hasta que se disipa por la prdida de friccin. Cualquiera que haya vivido en una casa antigua est familiarizado con la explosin que resuena a travs de las tuberas cuando una llave de agua es cerrada repentinamente. Esto es un efecto del golpe de ariete. Una forma menos severa del golpe de ariete es llamada oscilacin, que es un movimiento lento en forma de ola de una masa de agua causado por fluctuaciones internas de presin en el sistema. Esto puede ser visto como una onda de presin que se forma lentamente dentro del sistema. Ambos, golpe de ariete y oscilacin, se refieren a presiones transitorias. Si no se controlan, ambas darn los mismos resultados: daos a las tuberas, accesorios y vlvulas, causando fugas y reduciendo la vida til del sistema. Ni la tubera ni el agua se comprimirn para absorber el choque del agua.

Investigando las Causas del Golpe de Ariete Las condiciones de operacin de un sistema de transporte de agua casi nunca estn en un estado constante. Las presiones y los flujos cambian continuamente a medida que la bomba se enciende y se apaga, la demanda flucta y los niveles del tanque cambian. Adicionalmente a estos eventos normales existen acontecimientos imprevistos tales como interrupciones de energa y el mal funcionamiento de los equipos, lo que puede cambiar rpidamente las condiciones de operacin de un sistema. Cualquier cambio en el nivel de velocidad del flujo del lquido, sin importar el nivel o magnitud del cambio, requiere que el lquido sea acelerado o desacelerado de su velocidad inicial de flujo. Los cambios rpidos en el nivel del flujo requieren grandes fuerzas que son vistas como presiones altas, las cuales causan golpe de ariete.El aire atrapado o los cambios de temperatura del agua tambin pueden causar excesiva presin en las lneas de agua. El aire atrapado en la lnea se comprimir y ejercer una presin extra en el agua. Los cambios de temperatura causan que el agua se expanda o se contraiga, afectando tambin la presin. Las presiones mximas experimentadas en un sistema de tuberas son frecuentemente el resultado de la separacin de una columna de vapor, la cul es causada por la formacin de paquetes vacos de vapor cuando la presin cae tan bajo que el lquido ebulle o se vaporiza. Las presiones dainas pueden ocurrir cuando estas cavidades se colapsan. Las causas del golpe de ariete son muy variadas. Sin embargo existen cuatro eventos comunes que tpicamente inducen grandes cambios de presin: 1. El arranque de la bomba puede inducir un colapso rpido del espacio vaco que existe aguas abajo de la bomba. 2. Un fallo de potencia en la bomba puede crear un cambio rpido en la energa de suministro del flujo, lo que causa un aumento de la presin en el lado de succin y una disminucin de presin en el lado de la descarga. La disminucin es usualmente el mayor problema. La presin en el lado de descarga de la bomba alcanza la presin de vapor, resultando en la separacin de la columna de vapor. 3. La abertura y cierre de la vlvula es fundamental para una operacin segura de la tubera. Al cerrarse una vlvula, la parte final aguas debajo de una tubera crea una onda de presin que se mueve hacia el tanque de almacenamiento. El cerrar una vlvula en menos tiempo del que toma las oscilaciones de presin en viajar hasta el final de la tubera y en regresar se llama cierre repentino de la vlvula. El cierre repentino de la vlvula cambiar rpidamente la velocidad y puede resultar en una oscilacin de presin. La oscilacin de presin resultante de una abertura repentina de la vlvula usualmente no es tan excesiva. 4. Las operaciones inapropiadas o la incorporacin de dispositivos de proteccin de las oscilaciones de presin pueden hacer ms dao que beneficio. Un ejemplo es el exceder el tamao de la vlvula de alivio por sobre-presin o la seleccin inapropiada de la vlvula liberadora de aire/vaco. Otro ejemplo es el tratar de incorporar algunos medios de prevencin del golpe de ariete cuando este no es un problema.

Encontrando Soluciones Prcticas La oscilacin de presin debe ser incorporada junto con la presin de operacin durante el diseo de la tubera. Las recomendaciones y requerimientos con respecto a presiones de las oscilaciones permisibles estn dados en los estndares y manuales para la prctica de abastecimiento de agua de los Trabajos Americanos de Agua (AWWA, siglas en ingls) y varan dependiendo del tipo de tubera utilizada. Las siguientes son algunas herramientas para reducir los efectos del golpe de ariete: Vlvulas El golpe de ariete usualmente daa a las bombas centrfugas cuando la energa elctrica falla. En esta situacin, la mejor forma de prevencin es tener vlvulas controladas automticamente, las cules cierran lentamente. (Estas vlvulas hacen el trabajo sin electricidad o bateras. La direccin del flujo los controla). Al cerrarse la vlvula lentamente se puede moderar el aumento en la presin cuando las ondas de sobre-presin del agua de abajoresultando del cierre de la vlvula regresan del tanque de almacenamiento. El aire arrastrado o los cambios de temperatura del agua pueden ser controlados por la vlvula de descarga de la presin, los cuales estn fijados para abrir con presin excesiva en la lnea y luego se cierran cuando la presin cae. Las vlvulas de descarga son comnmente usadas en estaciones de bombeo para controlar la oleada de presin y proteger la estacin de bombeo. Estas vlvulas pueden ser un mtodo efectivo de control transitorio. Sin embargo, deben ser propiamente clasificadas y seleccionadas para realizar la tarea para la que estn previstas sin producir efectos secundarios. Si la presin pudiera bajar en los puntos elevados, una vlvula liberadora de aire y de vaco debe ser usada. Todos los descensos donde las presiones pudieran bajar mucho deben ser protegidas con vlvulas liberadoras de aire. Las vlvulas liberadoras de aire si estn apropiadamente clasificadas y dimensionadas, pueden ser el medio menos costoso para proteger el sistema de tuberas. Una vlvula liberadora de aire deber ser lo suficientemente larga para admitir suficientes cantidades de aire durante las oscilaciones de presin aguas abajo y para que la presin en las tuberas no baje mucho. Sin embargo, no deber ser tan larga que contenga un gran volumen de aire innecesario, porque este aire tendr que ser ventilado lentamente, incrementando el tiempo muerto del sistema. El tamao de la vlvula de descarga de aire es, como se ha mencionado, crtico.Bomba Los problemas de operacin en el arranque de la bomba pueden usualmente ser evitados incrementando el flujo en la tubera lentamente hasta colapsar o desalojar los espacios de aire suavemente. Incluso, un simple medio para reducir las oscilaciones hidrulicas de presin es el mantener bajas velocidades en la tubera. Esto no solo resultar en oscilaciones bajas de presin, sino tambin resultar en bajos niveles de caballos de fuerza durante la operacin, y as, conseguir una mxima economa de operacin. Tanque de Oscilacin En tuberas muy largas, las oscilaciones pueden ser liberadas con un tanque de agua directamente conectado a la tubera llamado tanque de oscilacin. Cuando la oscilacin es encontrada, el tanque actuar para liberar la presin, y poder almacenar el lquido excesivo, dando al flujo un almacenamiento alternativo mejor que el proporcionado por la expansin de la pared de la tubera y compresin del fluido. Los tanques de oscilacin pueden servir para ambos, fluctuaciones positivas y negativas. Estos tanques de oscilacin tambin pueden ser diseados para proporcionar flujo al sistema durante una oscilacin agua abajo, de esta manera previene o minimiza la separacin de la columna de vapor. Sin embargo, los tanques de oscilacin pueden ser un dispositivo de control costoso. Cmara de Aire Las cmaras de aire son instaladas en reas donde se puede encontrar el golpe de ariete frecuentemente, y tpicamente pueden ser vistos detrs de accesorios de los lavabos y la tina de bao. De forma fina como botellas volteadas al revs y con un pequeo orificio conectado a la tubera, estn llenos de aire. El aire se comprime para absorber el choque, protegiendo a los accesorios y a la tubera. Conclusin El golpe de ariete continuar desafiando a ingenieros, operadores, y directores de sistemas de agua porque est asociado con sistemas que no pueden ser definidos exactamente debido al tamao y largo del sistema de distribucin de agua con un perfil ondulante o por la falta de definicin de los componentes del sistema tales como las vlvulas o las bombas. Existe una necesidad de un acercamiento ms prctico mientras que la investigacin contina proporcionando mejores descripciones de la fsica del golpe de ariete y mientras que las soluciones computacionales proporcionen herramientas ms tiles que incluyan esos principios.

PREVENCIN O MITIGACIN DEL GOLPE DE ARIETESe tiene como primera medida de precaucin, instalar vlvulas apropiadas en las lneas de conduccin y controlar su tiempo de cierre. En algunos casos se construyen vlvulas interruptoras especiales, provistas de un resorte que opera contra la presin del agua, de manera que inmediatamente la velocidad empieza a disminuir como resultado de la detencin de la bomba, la vlvula comienza a cerrarse, logrndose el cierre completo antes del regreso de la columna lquida.Cerrar lentamente la vlvula de impulsin.Escoger el dimetro de la tubera de impulsin grande para que la velocidad sea pequea.Instalar la bomba con un volante, que en el caso de corte de la corriente reduzca lentamente la velocidad del motor y por consiguiente la velocidad del agua en la tubera.Usar una cmara o colchn de aire. Esto ha dado resultados satisfactorios, pero su costo inicial y la dificultad de mantener el nivel deseado del agua, le hacen perder importancia.Utilizar almedanas. Su uso se restringe a instalaciones de pequea cabeza y no son generalmente econmicas.Aumentar el momento de inercia de los elementos que rotan en la bomba y el motor es til, debido a que aumenta el intervalo de tiempo disponible para el ajuste de la vlvula.Utilizar un "by-pass" a travs de la vlvula de seguridad.

ING MECNICA ELCTRICA