INFORME DE ENSAYO N8

Cavitacin

Profesor: Ramiro Mge Thierry Integrantes: Sebastin Rojas M.

Yuri Santibez C. Chun Chie Yu Ch.

Fecha entrega: 9-10-2014

Pontificia Universidad Catlica de Valparaso Escuela de Ingeniera Mecnica

1

Contenido Introduccin ............................................................................................................. 2

1.- Objetivo .............................................................................................................. 2

2.- Elementos utilizados para las mediciones.......................................................... 2

3.- Valores medidos, frmulas y valores calculados. ............................................... 5

3.1.- Tabla de valores medidos. ........................................................................... 5

3.2.- Frmulas ...................................................................................................... 6

3.3.- Tabla de valores calculados. ....................................................................... 8

4.- Informe ............................................................................................................... 9

5.- Conclusiones .................................................................................................... 17

6.- Bibliografa ....................................................................................................... 17

2

Introduccin La cavitacin es un fenmeno indeseable en cualquier bomba debido a que al

presentarse cambian las condiciones de operacin bajo las cuales opera la

bomba. Adems trae consigo un deterioro de la bomba debido a la erosin que

produce y facilita la corrosin.

Por ello se hace necesario conocer las condiciones en las cuales ocurre la

cavitacin.

1.- Objetivo Determinar la curva de la columna neta de succin positiva requerida, CNSPR, de

una bomba centrfuga.

2.- Elementos utilizados para las mediciones Se utilizaron los siguientes elementos y cantidades de ellos:

Tubo Venturi:

El tubo Venturi produce una cada de presin la cual se puede medir con el

manmetro diferencial, al conocer sta diferencia de presin se puede

conocer el caudal Q que est pasando por el tubo Venturi.

Figura 1: Imagen de tubo Venturi de la instalacin.

Motor elctrico Basculante de corriente continua:

Se us un motor elctrico basculante de c.c. para accionar la bomba.

Figura 2: Imagen del motor utilizado para accionar la bomba.

3

Bomba Centrfuga:

Se ensay la bomba centrifuga marca Leader modelo M18 para obtener sus

curvas caractersticas.

Figura 3: Bomba centrfuga que fue ensayada.

Vlvula de descarga:

Se control la apertura de la vlvula con la finalidad de variar el caudal para

realizar las mediciones.

Figura 4: Vlvula utilizada para variar el caudal.

Vlvula de aspiracin:

Se control la apertura de la vlvula en la aspiracin de la bomba.

Manmetros piezoelctricos:

Se utilizaron manmetros piezoelctricos para medir las presiones en la

aspiracin y en la descarga de la bomba.

Figura 5: Imagen de los manmetros piezoelctricos del laboratorio.

4

Termmetro digital:

Se utiliz un termmetro digital para medir la temperatura del agua del

estanque.

Figura 6: Imagen del termmetro utilizado.

Balanza Digital:

Se utiliz una balanza digital para medir la fuerza ejercida por el motor

basculante. Conociendo el brazo se puede conocer el torque y a travs de

ste la potencia entregada por el motor.

Figura 7: Imagen de la balanza utilizada.

Tacmetro ptico digital:

Se utiliz un tacmetro ptico digital para conocer la velocidad de giro del

motor.

Barmetro: Se utiliz un barmetro para medir la presin atmosfrica en el

lugar y momento del ensayo.

5

3.- Valores medidos, frmulas y valores calculados.

3.1.- Tabla de valores medidos.

n nx pax% pdx% hx Fx ta Patm

rpm rpm % % mmHg kp C mmHg

3000

3001 104,9 21,4 105 1,82 15

757,6

3002 90,6 17,3 105 1,8 15

3005 71 12,5 105 1,8 15

3005 59,3 8,4 105 1,76 15

3006 54,3 6,1 105 1,74 15

3007 46,8 5,9 101 1,7 15

3007 39,5 5,8 96 1,72 16

3009 36,2 5,7 92 1,74 16

3010 32,2 5,7 88 1,74 16

n nx pax% pdx% hx Fx ta Patm

rpm rpm % % mmHg kp C mmHg

3000

3009 106,9 34,6 72 1,86 16

757,6

3010 73,5 25,6 72 1,85 16

3010 47,9 19,3 72 1,86 16

3011 26,1 5,3 72 1,66 16

3012 25 5,1 69 1,65 16

3013 24,2 5,1 67 1,66 16

3013 23,6 5 65 1,65 16

n nx pax% pdx% hx Fx ta Patm

rpm rpm % % mmHg kp C mmHg

3000

3013 110,8 46 37 1,78 17

757,6

3013 87,4 40,1 37 1,78 17

3013 67,4 35,3 37 1,78 17

3014 29,7 26,2 37 1,76 17

3016 15,5 4,5 33 1,45 17

3015 14,3 4,4 28 1,4 17

Tabla 1: Tabla de valores medidos en el laboratorio.

6

3.2.- Frmulas Caudal:

De grafico del venturmetro adjunto se determina el caudal para cada lnea de mediciones: Qx.

Caudal corregido:

= (

) [

3

]

Presin de aspiracin:

= 0,1% 10

1000 []

cpax = 115[mm]

Presin de descarga:

= 0,4% +

1000 []

cpdx = 165 [mm]

Altura:

= + []

Altura corregida:

= (

)

2

[]

Potencia en el eje de la bomba:

= 0,0007355 []

7

Potencia en el eje de la bomba corregida:

= (

)

3

[]

Potencia hidrulica:

=

3600 1000 []

: = 9806,65 [

3]

Rendimiento global:

=

100 [%]

Velocidad:

=4

3600 2 [

]

DA= 0,1023[m]. Columna neta de succin positiva disponible; CNSPD:

= +13,54

1000+

2

2 []

Pv= presin de vapor del lquido bombeado en [mca] Columna neta de succin positiva requerida, CNSPR: CNSPR = CNSPDcrtica

8

3.3.- Tabla de valores calculados.

Qx Q pax pdx Hx H Nex Ne Nh global V CNSPD CNSPR

m^3/h m^3/h mca mca mca mca kW kW kW % m/s [mca] [mca]

94,68 94,65 0,38 8,73 8,35 8,34 4,02 4,01 2,15 53,6 3,2 10,98 5,9

94,68 94,62 -1,06 7,09 8,14 8,13 3,97 3,97 2,10 52,8 3,2 9,55 5,9

94,68 94,52 -3,02 5,17 8,18 8,15 3,98 3,96 2,10 53,0 3,19 7,59 5,9

94,68 94,52 -4,19 3,53 7,71 7,68 3,89 3,87 1,98 51,1 3,19 6,42 5,9

94,68 94,49 -4,69 2,61 7,29 7,26 3,85 3,82 1,87 48,9 3,19 5,92 5,9

93,24 93,02 -5,44 2,53 7,96 7,92 3,76 3,73 2,01 53,8 3,14 5,16 5,9

90 89,79 -6,17 2,49 8,65 8,61 3,80 3,78 2,11 55,7 3,03 4,38 5,9

89,28 89,01 -6,50 2,45 8,94 8,89 3,85 3,82 2,15 56,5 3,01 4,04 5,9

86,4 86,11 -6,90 2,45 9,34 9,28 3,85 3,81 2,18 57,1 2,91 3,61 5,9

Qx Q pax pdx Hx H Nex Ne Nh global V CNSPD CNSPR

m^3/h m^3/h mca mca mca mca kW kW kW % m/s [mca] [mca]

79,2 78,96 0,58 14,01 13,43 13,35 4,12 4,08 2,87 70,4 2,67 11,01 5,1

79,2 78,94 -2,77 10,41 13,17 13,08 4,10 4,05 2,81 69,4 2,67 7,67 5,1

79,2 78,94 -5,33 7,89 13,21 13,12 4,12 4,08 2,82 69,2 2,67 5,11 5,1

79,2 78,91 -7,51 2,29 9,79 9,72 3,68 3,64 2,09 57,5 2,67 2,93 5,1

77,4 77,09 -7,62 2,21 9,82 9,74 3,66 3,61 2,05 56,6 2,61 2,81 5,1

76,32 75,99 -7,70 2,21 9,9 9,81 3,68 3,63 2,03 56,0 2,57 2,72 5,1

73,8 73,48 -7,76 2,17 9,92 9,83 3,66 3,61 1,97 54,5 2,48 2,63 5,1

Qx Q pax pdx Hx H Nex Ne Nh global V CNSPD CNSPR

m^3/h m^3/h mca mca mca mca kW kW kW % m/s [mca] [mca]

56,88 56,63 0,97 18,57 17,6 17,45 3,94 3,89 2,69 69,1 1,91 11,20 3,1

56,88 56,63 -1,38 16,21 17,58 17,43 3,94 3,89 2,69 69,1 1,91 8,86 3,1

56,88 56,63 -3,38 14,29 17,66 17,51 3,94 3,89 2,70 69,4 1,91 6,86 3,1

56,88 56,62 -7,15 10,65 17,79 17,63 3,90 3,85 2,72 70,7 1,91 3,09 3,1

53,64 53,36 -8,57 1,97 10,53 10,42 3,22 3,17 1,51 47,8 1,8 1,65 3,1

47,52 47,28 -8,69 1,93 10,61 10,50 3,10 3,06 1,35 44,2 1,6 1,50 3,1

Tabla 2: Tabla de valores calculados a partir de los datos medidos.

9

4.- Informe 4.4.1 Con los valores del ensayo anterior, trace las curvas caractersticas de una

bomba y sobreponga los nuevos valores de altura y caudal obtenidos.

Figura 8: Grfico H vs Q obtenida con los datos del ensayo anterior y el ensayo

actual.

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00

H [mca]

Q [m^3/h]

Grfico H vs Q

1 E

1R 2E

2R 2E

3R 2E

10

4.4.1.1.- Qu significan las desviaciones que se producen?

Al ocurrir el fenmeno de la cavitacin que consiste en que en la aspiracin de la

bomba al existir una presin baja en la cual el lquido bombeado alcanza su presin

de vapor, ste comienza a evaporarse y se producen pequeas burbujas las cuales

al pasar a la descarga y una zona de mayor presin, condensan de forma violenta

implosionando y generndose disminuciones en la altura, el caudal y el rendimiento.

Estas mediciones se realizaron cerrando un poco la vlvula de descarga para

asegurarse que la bomba no cavitara rpidamente (movilizar la curva del sistema a

otro punto de las condiciones de operacin), luego se cerr de a poco la vlvula de

aspiracin. Inicialmente al cerrar la vlvula de aspiracin se introducen prdidas y

por ello disminuye la altura H, pero a medida que se cierra ms y la presin

disminuye lo suficiente, se entra en la regin donde el lquido comienza a cavitar,

producindose disminucin en el caudal y junto a ello disminucin del rendimiento.

11

4.4.2.- En la ordenada H, Ne en [%] respecto al valor sin cavitacin y gl[%], y en

la abscisa la CNSPD para cada serie de mediciones.

Figura 9: Curva H[%], N [%]y gl[%] vs CNSPD para la 1era ronda de mediciones.

0

20

40

60

80

100

120

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00

H[%], N [%], gl[%]

CNSPD [mca]

H[%], N [%]y gl[%] vs CNSPD (1)

1er H

1er Ne

1er Rend

12

Figura 10: Curva H[%], N [%]y gl[%] vs CNSPD para la 2da ronda de mediciones.

0

20

40

60

80

100

120

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00

H[%], N [%], gl[%]

CNSPD [mca]

H[%], N [%]y gl[%] vs CNSPD (2)

2do H

2do Ne

2do Rend

13

Figura 11: Curva H[%], N [%]y gl[%] vs CNSPD para la 3era ronda de

mediciones.

0

20

40

60

80

100

120

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00

H[%], N [%], gl[%]

CNSPD [mca]

H[%], N [%]y gl[%] vs CNSPD (3)

3er H

3er Ne

3er Rend

14

4.4.2.1.- Cmo determina la CNSPD crtica y qu representa?

El parmetro CNSPD crtico se determin, observando el grafico altura, potencia y

rendimiento global vs la CNSPD. Normalmente para una bomba funcionando a

velocidad constante (3000 rpm), se tiene un funcionamiento relativamente parejo,

por ello ante una disminucin en los valores, se est entrando en la zona de

cavitacin. En ese punto se traza una vertical que interceptar a la abscisa,

obteniendo con ello la CNSPR la cual es igual a la CNSPD critica. Como se puede

ver para cada caudal existe una CNSPD crtica, lo cual es la presin mnima en la

aspiracin a la cual est en el lmite de su funcionamiento normal. Si se reduce, la

bomba cavita. Esto es lo que representa esta presin.

15

4.4.3.- Grafique la CNSPR en funcin del caudal.

Figura 12: Curva CNSPR vs Caudal.

0

1

2

3

4

5

6

7

0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00

CNSPR [mca]

Q [m3/h]

CNSPR vs Q

1

2

3

16

4.4.3.1.- La curva obtenida tiene la forma caracterstica?

La curva tiene la forma caracterstica y recordando que esta curva nos indica la

presin mnima que debe existir en la bomba para que no se produzca cavitacin.

Esto lo podemos observar relacionando la CNSPR que depende del diseo de la

bomba y la CNSPD depende de la operacin.

Para relacionar CNSPR = CNSPD critica, se toma la frmula de CNSPD .Se

observa que solo dependen de la velocidad, la velocidad se relaciona con el caudal

y el caudal con el cierre o abertura de las vlvulas para crear la condicin de

cavitacin. El caudal esta elevado al cuadrado ,que sera el valor ms influyente

dentro de nuestra curva caracterstica por eso tiene una forma de parbola en los

caudales mayores y una forma plana en caudales menores.

Tambin nos podemos dar cuenta que el cierre de la vlvula de aspiracin es muy

sensible, donde se puede regular la presin de aspiracin de la bomba solo

regulando la perdida de carga desde el estanque a la aspiracin de la bomba, con

esta accin se quiere beneficiar la condicin de cavitacin.

4.4.3.2.- De acuerdo a la velocidad especfica de sta bomba los valores de la

CNSPR son apropiados?

No lo son, debido a que segn el ensayo los valores de CNSPR para cada serie

son: 5,9 mca; 5,1 mca; 3,1 mca respectivamente. Estos valores no coinciden con

los CNSPR esperables obtenidos de un grfico que relaciona el caudal y la

velocidad de rotacin en el cual los supuestos esperados deben ser: 4,2 mca; 3,96

mca; 3,6 mca respectivamente.

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5.- Conclusiones Se puede notar el negativo efecto al rendimiento global de la bomba por efecto de

la cavitacin. Debido a la disminucin de la potencia consumida por la bomba

(potencia en el eje) y a que tanto el caudal como la altura desarrollada decrecen,

disminuyendo as la potencia hidrulica.

La Cavitacin tambin genera el deterioro de la bomba. Cuando la presin absoluta

a la entrada del rodete est por debajo de un valor determinado en el agua se

produce un cambio brusco, en el cual se alcanza la presin de vapor del agua, en

donde sus molculas cambian a estado de vapor (burbujas), estas burbujas se

originan en la zona de baja presin del rodete, despus por efecto centrifugo llegan

a la zona de alta presin, en donde en forma brusca cambia al estado lquido

producindose una estela de gas y un arranque de material en la superficie interna

de la tubera, esto adems como se pudo apreciar en el ensayo iba acompaado de

ruido y vibraciones.

La cavitacin es un efecto fsico cuya aparicin depende de las condiciones de

funcionamiento. Por tanto, cuando se proyecta una instalacin debe intentarse que

no aparezca la cavitacin o que sus efectos sean los menores posibles.

6.- Bibliografa Apuntes de Turbomquinas del profesor Ramiro Mge Thierry

www.google.cl para la bsqueda de imgenes.

Wikipedia.