INGENIERÍA MECÁNICALABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS

17 DE FEBRERO 2014.

“PRESIÓN DE VAPOR”

BERRIO OROZCO KEVIN, GUZMÁN FRUTO ARIEL, MÁRQUEZ JIMÉNEZ LUZ, NARVÁEZ PAYARES HUGO, VILLARREAL ACOSTA SIMÓN.

1. RESUMEN

Teniendo presente que una de las propiedades de las sustancias liquidas es la presión de vapor, en el siguiente informe se describen los pasos, resultados y conclusiones obtenidos durante el proceso experimental de dicha propiedad. Inicialmente se realizó una breve introducción y charla acerca del tema, en la que se definió conceptualmente y luego se asimilo con ejemplos de la vida cotidiana, siendo uno de estos el fenómeno de la cavitación presente en sistemas hidráulicos. La experiencia consistió en medir diferencias de presión de entrada y salida del flujo en una bomba hidráulica, con los respectivos instrumentos de medición de presión (manómetros), permitiéndonos de esta manera, de la mano de los conceptos y propiedad de la sustancia mencionada y estudiada anteriormente, identificar si está siendo presente el fenómeno de cavitación en la bomba.

PALABRAS CLAVES:

Presión Hidrostática, Presión de vapor, implosión y Cavitación.

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2. MARCO TEÓRICO

La presión hidrostática es la fuerza por unidad de área que ejerce un líquido en reposo sobre las paredes del recipiente que lo contiene y sobre cualquier cuerpo que se encuentre sumergido. Esta presión se debe al peso del líquido, esta presión depende de la densidad (p), la gravedad (g) y la profundidad (h) del el lugar donde medimos la presión (P).

P = p * g * h (1)

Todos los sólidos y líquidos producen vapores consistentes en átomos o moléculas que se han evaporado de sus formas condensadas. Si la sustancia, sólida o líquida, ocupa una parte de un recipiente cerrado, las moléculas que escapan no se pueden difundir ilimitadamente sino que se acumulan en el espacio libre por encima de la superficie del sólido o el líquido, y se establece un equilibrio dinámico entre los átomos y las moléculas que escapan del líquido o sólido y las que vuelven a él.La presión correspondiente a este equilibrio es la presión de vapor y depende sólo de la naturaleza del líquido o el sólido y de la temperatura.

La Presión de vapor o más comúnmente presión de saturación es la presión a la que a cada temperatura la fase líquida y vapor se encuentran en equilibrio; su valor es independiente de las cantidades de líquido y vapor presentes mientras existan ambas. En la situación de equilibrio, las fases reciben la denominación de líquido saturado y vapor saturado.

Se sabe que el agua no hierve a presión atmosférica y temperatura ambiente; sin embargo, cuando es calentada a 100 °C se presenta este fenómeno. Esto se debe a que la presión de vapor del agua a 100 °C es la presión atmosférica.Cualquier líquido en un recipiente abierto, hierve cuando es calentado a un nivel tal que su presión de vapor es la presión atmosférica. Inversamente, un líquido no hierve mientras que su presión de vapor es menor que dicha presión. De este modo, si la presión de vapor del aceite crudo en un tanque es menor que la presión atmosférica, no se presenta evaporación.

Como mencionamos anteriormente la presión de vapor depende solo de dos factores:

La Influencia de la naturaleza del líquido:

El valor de la presión de vapor saturado de un líquido, da una idea clara de su volatilidad, los líquidos más volátiles (éter, gasolina, acetona etc) tienen una presión de vapor saturado más alta, por lo que este tipo de líquidos, confinados en un recipiente cerrado, mantendrán a la misma temperatura, un presión mayor que otros menos volátiles.

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Eso explica por qué, a temperatura ambiente en verano, cuando destapamos un recipiente con gasolina, notamos que hay una presión considerable en el interior, mientras que si el líquido es por ejemplo; agua, cuya presión de vapor saturado es más baja, apenas lo notamos cuando se destapa el recipiente. 

La Influencia de la temperatura:

La presión de vapor en los líquidos crece rápidamente al aumentar la temperatura; así, cuando la presión de vapor es igual a 1 atmósfera, el líquido se encuentra en su punto de ebullición ya que el vapor, al vencer la presión exterior, se puede formar en toda la masa del líquido y no sólo en su superficie. Si se duplica la temperatura, no necesariamente se duplicará la presión, pero si se cumplirá siempre, que para cada valor de temperatura, habrá un valor fijo de presión de vapor saturado para cada líquido. La explicación de este fenómeno se basa en el aumento de energía de las moléculas al calentarse. Cuando un líquido se calienta, estamos suministrándole energía. Esta energía se traduce en aumento de velocidad de las moléculas que lo componen, lo que a su vez significa, que los choques entre ellas serán más frecuentes y violentos. Es fácil darse cuenta entonces, que la cantidad de moléculas que alcanzarán suficiente velocidad para pasar al estado gaseoso será mucho mayor, y por tanto mayor también la presión.

A continuación se muestra la presión de vapor o de saturación del agua a diferentes temperaturas:

La presión de vapor se mide en unidades estándar de presión.

El Sistema Internacional de Unidades reconoce a la presión como una unidad derivada de la fuerza ejercida a través de un área determinada, esta unidad es el Pascal (Pa).1 Pascal equivalente a 1 Newton por metro cuadrado (N·m-2 o kg·m-1·s-2).Ahora por otro lado existe un fenómeno muy frecuente en bombas hidráulicas, siendo este el principal problema en lo que se refiere al bombeo de fluidos, llamado Cavitación.La cavitación se define como la formación de burbujas de vapor o de gas en el seno de un líquido, causada por las variaciones que éste experimenta en su presión.

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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.

Existen dos formas para que un líquido hierva; una de ellas es calentarlo hasta alcanzar su punto de ebullición (100 ºC para agua). La 2ª manera es reducir la presión a la que está sometido el líquido hasta que éste entre en ebullición a temperatura ambiente. En ambos casos, el líquido hierve a una presión de vapor relativa a una temperatura. En el interior de una bomba, se crean vacíos o zonas de presión negativa. Si este vacío excede la presión de vapor del líquido a bombear, entonces se forman burbujas de vapor que se desplazan por el sistema hasta implosionar (colapso de una burbuja cuya presión interior es menor que la externa). Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión eimplotan (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. Si la implosión se produce cerca de una zona metálica, se atacará su superficie con

una picadura minúscula, siendo esto una las consecuencias del fenómeno de cavitación.

Los daños causados por la cavitación son principalmente notorios en el interior de la bomba, localiza entre el extremo del álave del rodete y donde acaba la envolvente del cuerpo o tajamar, en forma de picaduras, o hasta una rotura total del impulsor. Cuando una bomba cavita, se oye un ruido característico que recuerda un martillo golpeando una pieza de metal o como si la bomba tuviera piedras en su interior e impactaran constantemente. La forma más precisa para detectar

la cavitación es tomar lecturas de presión en la aspiración e impulsión de la bomba y medir con exactitud la velocidad de trabajo de la bomba.

Con esta información, se consulta la curva característica de la bomba y se determina dónde está trabajando la bomba. Si se sospecha que la bomba padece una “cavitación de aspiración” la lectura de presión en la brida de succión indicará un nivel de vacío importante.

3. FASE EXPERIMENTAL.

El procedimiento se trabajó con el siguiente equipo en el que solo se utilizó una sola bomba y un único circuito (el de la derecha).

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Para llevar a cabo la experiencia el equipo consistió básicamente de un tanque de almacenamiento, con agua con recirculación por medio de tuberías de diámetro constante, hacia una bomba centrifuga en la que se conectó un manómetro en forma de U en la tubería de acceso o entrada a la bomba, y un manómetro de aguja con unidades en PSI en la tubería de salida, permitiéndonos medir tanto la presión del flujo de entrada como la presión del flujo de salida.

Manómetro de aguja utilizado para medir la presión de salida y Manómetro en forma de U utilizado para medir la presión de entrada.

Se estableció un determinado caudal, cerrando lentamente la válvula de descarga de la bomba, observando el flujo de agua en forma ascendente dentro de la cámara, mientras se esperaba a que se estabilizaran los equipos de medición y registrando la medida con el manómetro en U de la presión de entrada de la bomba y luego la de la presión de salida, con el mismo caudal.

De esta manera se repitió el anterior procedimiento para tres caudales diferentes de la tubería de salida cerrando cada vez la válvula de descargue.

Cabe decir que todas las medidas anteriores fueron tomadas a una presion atmosferica a nivel del mar y una temperatura ambiente (28°C).

4. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS.

Como mencionamos anteriormente la experiencia consistió en tomar medidas de presión de entrada y salida de la bomba con el fin de llegar a analizar si estaba siendo presente el fenómeno de cavitación en esta.

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La siguiente tabla indica la toma de altura mostrada por el manómetro que media la presión de entrada de la bomba, en la que en cada número de muestra se varió el caudal de salida de mayor a menor.

N°de Muestra

Altura h(mm)

Presión manométrica (KPa)

1 0 02 3.5 0.4663 3.8 0.5074 4.0 0.533

Cabe aclarar que la muestra número 1 se tomó con la bomba funcionando normalmente con la válvula de salida totalmente abierta, en donde se evidencio que no hay presión manométrica de entrada.

Ahora se calcula la presión manométrica Con la ecuación (1) para cada altura:

P = p * g * h

Donde la densidad del mercurio pHg= 13600kg/m3

P2 =(13600)*(9.81)*(0.0035) = 466.956 Pa

La siguiente tabla indica la toma de presiones manométricas de salida de la bomba en el que al igual que la anterior en cada número de muestra se varió el caudal (se fue serrando la llave).

N°de Muestra

Presión manométrica (PSI)

Presión Manométrica (kPa)

1 5 34.452 20 137.823 30 206.73

4 35 241.19

En la tercera columna se realiza la conversión para manejar todo en un solo sistema de unidades:

Sabemos que a presión atmosférica:

101.3KPa => 14.7 PSI

Podemos notar que existe una gran diferencia entre las presiones de entrada y las de salida, pues puede ser considera algo normal ya que esto evidencia una función fundamental que cumple una bomba hidráulica que consiste en transformar la energía mecánica suministrada por el motor en energía hidráulica (mantener un líquido en movimiento) por esto la presión de salida es mucho mayor que la de entrada.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6050100150200250300

P(salida)

Presión de entrada vs presión de salida.

En la anterior grafica se ve que a medida que se iba cerrando la válvula de salida para la toma de una nueva muestra tanto la presión de entrada como la de salida iban aumentado de una manera proporcional, esto debido a la reducción del área del tubo de salida.

Por otro lado Cabe aclarar que las presiones suministradas anteriormente, son manométricas y teniendo en cuenta

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si está presente en el sistema el fenómeno de cavitación la presión de vapor del agua:

Tomando de la tabla 1-3, la presión de vapor del agua a una temperatura aproximada a la del ambiente:

30°C => 0.44 KPa

N°muestra 1 => 0KPa <0.44Kpa

Con respecto al primer caso en el que nos marcó una presión se puede decir que hay presencia de vacío, por lo que debería estar presente la conformación de burbujas de aire, causadas por cavitación. (Deducimos un error de medición debido a que no permitimos a que la medición del manómetro se calibrara en cero)

Para la segunda muestra al variar el caudal respecto al inicial:

N°muestra 2 => 0.46KPa > 0.44Kpa

Y comparando esto con los datos de la tabla de las presiones de entrada al tomarlas como presiones absolutas, nos damos cuenta que todas exceptuando la primera muestra son mucho mayor que la presión de vapor o de saturación del agua a una temperatura ambiente, por lo que podemos afirmar que no está siendo presente en una gran proporción el fenómeno de cavitación en la bomba por grandes diferencias de presión, es decir presiones negativas o vacíos.

Ya después de terminada la toma de datos en la experiencia se quiso comprobar que pasaba al momento de disminuir el caudal o cerrar un poco la válvula de entrada, y fue notorio el hecho de que el manómetro en forma de U con

mercurio quien marcaba las presiones de entrada de la bomba nos diera una variación de altura pero contraria, es decir no indico presiones negativas o de vacío. Son en estos momentos en los que se puede decir que está más evidente mente dicho fenómeno en la bomba.

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.

Luego de analizar y discutir acerca de los resultados obtenidos en la experiencia podemos deducir que al aumentarse el caudal en el sistema se produce una mayor caída de presión esto debido a que a mayor velocidad el líquido que fluye en la tubería mayor será su presión contra las paredes de la tubería, que pudo ser evidenciado en el primer caso de la recolección de las presiones.

Se puede concluir que la presión de vapor en los líquidos es una propiedad con mucha aplicación o muy común en procesos cotidianos, como lo son en el funcionamiento de una bomba hidráulica, permitiéndonos identificar en esta la presencia del fenómeno de cavitación.

Vale aclarar que este fenómeno en las bombas hidráulicas puede ser evitado si se tiene en cuenta la altura de succión a la que se encuentre la bomba, es decir que es preferible mantener el punto de entrada de la bomba por debajo del nivel del fluido que se va a bombear.

6. BIBLIOGRAFÍA

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REID,Robert C y SHERWOOD, Thomas K. propiedades de los gases y líquidos.Unión tipográfica editorial hispano-americana. México.1968.

http://www.pricast-agua.es/ pdf/Cavitacion-de-una-bomba-centrifuga.pdf

Víctor L. Streeter, E. BenjaminWylie, Keith W. Bedford. ºMECANICA DE FLUIDOS. 9º edición. Ed.Mc Graw Hill.