tarea Hidraulica #1

LA CAVITACION Es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido pasa a gran velocidad por

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LA 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.

PROBLEMAS DE LA CAVITACION EL LA INGENIERIA Las disgregaciones son roturas que se producen en el interior del hormigón por tracciones internas que el hormigón no puede resistir. Pueden producirse por causas muy diversas. Las acciones de tipo físico que pueden deteriorar al hormigón dando lugar a su desgaste superficial o a su pérdida de integridad o disgregación pueden ser de diferentes tipos tales como: hielo y deshielo; abrasión, cavitación y choques térmicos. Desgaste superficial por cavitación El fenómeno de cavitación ataca a la superficie del hormigón en forma de picaduras que posteriormente se unen en zonas erosionadas amplias. Se trata de un arrancamiento progresivo del hormigón. Uno de los cuidados que debe tener un ingeniero (Principalmente cómo ocurre en el hormigón o concreto). Al seleccionar, las parte de una estación de bombeo, es la cavitación, este fenómeno producido normalmente en las salidas de los alabes del rotor de una bomba y en las paredes de la tubería es desfavorable, debido a que causa daños y aumenta el costo de mantenimiento. Por esta razón el presente

trabajo tratara de exponer en sus posibilidades de una manera clara y amplia el fenómeno de la cavitación. En la ingeniería naval se estudia el fenómeno, para el diseño de todo tipo de barcos debido a que acorta la vida útil de algunas partes tales como las hélices y los timones. En los submarinos, este efecto es todavía más estudiado, evitado e indeseado, puesto que imposibilita a estos navíos de guerra mantener sus características operativas de silencio e indetectabilidad por las vibraciones y ruidos que la cavitación provoca en el casco y las hélices. La cavitación puede dañar casi cualquier material. Las picaduras causadas por el colapso de las cavidades producen un enorme desgaste en los diferentes componentes y pueden acortar enormemente la vida de la bomba o hélice. La cavitación, ocurre en el momento en que un líquido es sometido a una presión (P1) igual o menor que su presión de vaporización (Pv) instantes después es regresado a una presión mayor (P2), a la presión de vapor de este. En el intervalo de estos dos sucesos se forman pequeños burbujas de estado gaseosos, las cuales al ser comprimidas por la presión mayor (P2), dejan un espacio ocasionando que las pequeñas partes en estado líquido se aceleren y choquen unas con otras.

Además se sabe que los árboles succionan la savia sometiéndolas a esfuerzos de tensión, pero nadie ha podido explicar este fenómeno, sin embargo si sometemos un líquido a esfuerzos de tensión reduciéndole la presión entrara en ebullición si esta es demasiada baja, de ahí la importancia de cuidar la presión de succión en las bombas. 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. Los efectos que tiene sobre la maquinaria de bombeo son:

EFECTO MECANICO: Con las implosiones se decrecen los diámetros de las burbujas, las partículas en estado líquido se aceleran y se desplazan hacia el centro de estas burbujas chocando entre sí, estos choques provocan sobrepresiones (golpe de ariete) que se propagan en todas las direcciones afectando principalmente a las ranuras de las superficies metálicas por lo que en muy poco tiempo pueden ocasionar daños a la estructura de la maquina (rotor). Los golpeteos los cuales al ser muy fuertes dan la impresión que la bomba acarrea grava causan un desequilibrio en la maquina dañando las uniones de los tubos con esta, así como aflojan las partes que la sostienen. Además los martilleos en ocasiones son tan fuertes que producen ruidos los cuales pueden ser molestos durante la operación de la bomba. Y el problema y quizás el más importante es el de la reducción de la eficiencia de la bomba con el cual el nosotros como futuros ingenieros estamos obligados a seleccionar o diseñar de la manera más eficiente, con lo cual debemos de tener un criterio amplio para evitar el fenómeno de la cavitación. Entre las bombas más supcebtibles a este fenómeno están las que tiene lados convexos y sobre todo en la parte trasera en donde pueden tener un área localizada que propicie la cavitación. EFECTO QUIMICO: Con la implotación de las burbujas se liberan iones de oxigeno que como sabemos atacan las superficies de los metales. NATURALEZA DE LA CAVITACIÓN Actualmente se sabe que la cavitación es debida principalmente a la acción mecánica de impactos rápidos, a manera de explosiones de las partículas de líquido, aunque no se descarta la posibilidad de acción química corrosiva, cuya naturaleza no se ha llegado a dilucidar por completo. Los impactos que se generan son periódicos, es decir, se produce un fenómeno vibratorio que aumenta la erosión del material por fatiga. DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO 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 admisible. 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. El fenómeno consiste en un cambio rápido y explosivo de fase líquida a vapor. Si el líquido 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 Cuando un líquido fluye a través de una región donde la presión es menor que su presión de vapor, el líquido hierve y forma burbujas de vapor. Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en contacto con una pared sólida cuando cambian de estado, las fuerzas ejercidas por el líquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas muy alto, ocasionando picaduras sobre la superficie sólida. 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.

Cuando por culpa de girar muy rápido, o por exceso de velocidad del barco, la presión de la cara anterior de la hélice (la que está más a proa) decae a valores muy pequeños. En estas condiciones, en la zona con depresión se forman burbujas de vapor por culpa del vacío que se ha creado. ¡El agua verdaderamente hierve pero a temperatura ambiente! Cuando las burbujas de vapor que se han creado (por ejemplo en un milisegundo o de forma casi instantánea) salen de esta zona de la hélice y vuelven a una zona con presión normal, se colapsan y se condensan otra vez en líquido. Durante el proceso de condensación este colapso es muy violento produciendo vibraciones ruidos y pérdidas de prestaciones. La cavitación puede estropear fácilmente una hélice, mellando sus bordes de ataque, doblando las palas o picando su superficie. Cuando existe cavitación en sus aplicaciones, Se perciben los síntomas: sonido alto y seco que le avisa que algo anda mal. Cavitación no es solo aquel sonido fastidioso. A medida que el tiempo pasa, la cavitación desgasta la válvula, destruyéndola lentamente por dentro requiriendo reparaciones que involucran que la válvula quede fuera de servicio y gastos significantes. Aunque la cavitación es un fenómeno indeseable en la mayoría de las circunstancias, esto no siempre es así. Por ejemplo, la supercavitación tiene

aplicaciones militares como por ejemplo en los torpedos de supercavitación en los cuales una burbuja rodea al torpedo eliminando de esta manera toda fricción con el agua. Estos torpedos se pueden desplazar a altas velocidades bajo el agua, incluso hasta a velocidades supersónicas. La cavitación puede ser también un fenómeno positivo en los dispositivos de limpieza ultrasónica. Estos dispositivos hacen uso de ondas sonoras ultrasónicas y se aprovechan del colapso de las burbujas durante la cavitación para la limpieza de las superficies. 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.

GOLPE DE AIRETE Se denomina golpe de ariete al choque violento que se produce sobre las paredes de un conducto forzado, cuando el movimiento líquido es modificado bruscamente. En otras palabras, el golpe de ariete se puede presentar en una tubería que conduzca un líquido hasta el tope, cuando se tiene un frenado o una aceleración en el flujo; por ejemplo, el cambio de abertura en una válvula en la línea. Al cerrarse rápidamente una válvula en la tubería durante el escurrimiento, el flujo a través de la válvula se reduce, lo cual incrementa la carga del lado aguas arriba de la válvula, iniciándose un pulso de alta presión que se propaga en la dirección contraria a la del escurrimiento. Esta onda provoca sobrepresiones y depresiones las cuales deforman las tuberías y eventualmente la destruyen. Desde el punto de vista energético puede considerarse la transformación de la energía cinética del fluido en energía potencial elástica (cambios de presión) y viceversa. Si la tubería carece de roce y es indeformable y por lo tanto no hay pérdidas de energía, el fenómeno se reproduce indefinidamente. Si hay roce y la tubería es elástica parte de la energía se va perdiendo y las sobrepresiones son cada vez menores hasta que el fenómeno se extingue. En el caso de cierre de una válvula, la fuerza viva con que el agua estaba animada se convertiría en trabajo, determinando en las paredes de la tubería presiones superiores a la carga inicial. Si se pudiera cerrar la válvula en un tiempo t = 0, se produce el cierre instantáneo y considerando que el agua fuese incompresible y la tubería no fuese elástica, la sobrepresión tendría valor infinito. En la práctica, el cierre lleva algún tiempo, por pequeño que sea y la energía que va a absorberse se transforma en esfuerzos de compresión del agua y deformación de las paredes de la tubería.

La sobrepresión no es infinita, pero tiene un valor más o menos alto según el tiempo de cierre y el material de que esté hecha la tubería. La temperatura también influencia, aunque no mucha. Esta sobrepresión se origina en la válvula que se cierra, y viaja por la tubería a una velocidad que se llama celeridad "C s". Estas ondas de sobrepresión forman parte de las llamadas ondas transientes, y suelen ir seguidas de ondas de depresión.

En la Ingeniería es muy importante determinar la magnitud de esta sobrepresión con el objeto de poder diseñar las tuberías con suficiente resistencia para soportarla. En las válvulas operadas a discreción la sobrepresión no es muy grande porque se procura que Tv sea grande ( cierre lento). Pero en las salidas de operación de equipos ( parada de bombas, daño de válvulas, etc.) la sobrepresión puede ser muy grande, por lo que se procura disminuirla con válvulas de alivio, cámaras neumáticas, chimeneas de equilibrio, etc. En la figura tenemos un reservorio, una tubería y una válvula colocada a una distancia "L". si la válvula se cierra en un tiempo "T v", se desarrollará una sobrepresión "D h" que viajará con una celeridad "Cs". Cuando la onda llega al reservorio, toda la tubería está dilatada y toda el agua está comprimida por la sobrepresión. Sin embargo, es imposible que en el reservorio exista una presión superior a la carga hidráulica "h", por lo cual la sobrepresión "D h" se reduce a cero en el punto "A".

Igual como sucede en un resorte largo que es estirado y luego dejado libre, la tubería debido a la elasticidad del material de que está hecha, se contrae hasta un tamaño ligeramente menor que el previo a la sobrepresión, produciéndose una salida de agua mayor que el aumento de volumen causado por la sobrepresión. Este fenómeno es acompañado por una reducción de la presión que, por inercia, debería ser ( en teoría) igual y de sentido inverso a la sobrepresión. Este fenómeno se repetirá continuamente, presentándose una serie de ondas de presión que oscilan entre valores de ( + D h ) y ( - D h ) cada vez menores, debido a la disipación de la energía, hasta que finalmente es sistema se estabiliza llegando a tenerse la presión hidrostática. La celeridad es la velocidad de propagación de la onda, la cual puede ser calculada por la fórmula:

Dónde: C= Celeridad de la onda; m/s D= Diámetro de los tubos; m E= Espesor de los tubos; m K= coeficiente que tiene en cuenta los módulos de elasticidad. Estos valores se conocen en tablas para determinado material.

GOLPE DE ARIETE EN LÍNEAS DE DESCARGA El caso más importante de golpe de ariete en una línea de descarga de bombas accionadas por motores eléctricos, se verifica luego de una interrupción de energía eléctrica. En este caso, debido a la inercia de las partes rotativas de los conjuntos elevadores, inmediatamente después de la falta de corriente, la velocidad de las bombas comienza a disminuir, reduciéndose rápidamente el caudal. La columna líquida continúa subiendo por la tubería de descarga, hasta el momento en que la inercia es vencida por la acción de la gravedad. Durante este periodo se verifica una descompresión en el interior de la tubería. Enseguida, ocurre la inversión en el sentido del flujo y la columna líquida vuelve a las bombas. No existiendo válvulas de retención, las bombas comenzarían, entonces, a funcionar como turbinas, girando en el sentido contrario.

Con excepción de los casos en que la altura de elevación es pequeña, con descarga libre, en las líneas de bombeo son instaladas válvulas de retención o válvulas check, con el objeto de evitar el retorno del líquido a través de las bombas. La corriente líquida, al retornar a la bomba, encontrando la válvula de retención cerrada, ocasiona el choque y la compresión del fluido, lo cual da origen a una onda de sobrepresión (golpe de ariete). Si la válvula chek funciona normalmente, cerrándose en el momento preciso, el golpe de ariete no alcanzará el valor correspondiente a dos veces la altura manométrica. Si, por el contrario, la válvula chek no cierra rápidamente, la columna líquida retornará, pasando a través de la bomba y con el tiempo, pasará a adquirir velocidades más altas, elevándose considerablemente el golpe de ariete, en el momento en que la válvula funcione (Pudiendo alcanzar 300% de la carga estática, dependiendo del tiempo de cierre). El cálculo riguroso del golpe de ariete en una instalación de bombeo exige el conocimiento previo de datos relativos a los sistemas de bombeo, que influyen en el fenómeno: a. El momento de inercia de las partes relativas de la bomba y el motor. b. Características internas de la bomba (efectos sobre la disipación de energía, funcionamiento como turbina). c. Condiciones de la bomba en la rama de descarga y comportamiento de la onda de presión.

Salto hidráulico (Bidone, Italia 1818) El salto hidráulico consiste en una elevación brusca de la superficie líquida, cuando el escurrimiento permanente pasa del régimen supercrítico al régimen subcrítico. Es un fenómeno local muy útil para disipar energía hidráulica. Produce una alteración rápida de la curvatura de las trayectorias del flujo, con vórtices (turbulencia) en el eje horizontal, ocasionando velocidades en dirección opuesta al flujo, choques entre partículas en forma caótica y por tanto, una gran disipación de energía. Aplicaciones: • Disipación de la energía del agua escurriendo por los vertederos de las presas y otras obras hidráulicas, y evitar así la socavación aguas abajo de la obra. • Elevación del nivel del agua sobre el lado aguas abajo de un canal de medida y así mantener alto el nivel del agua en un canal para riego. • Incremento de la fuerza en la cuenca de disipación para contrarrestar el empuje hacia arriba sobre la estructura. • Incremento de la descarga de una esclusa manteniendo atrás el nivel aguas abajo • Indicar condiciones del flujo, tales como la existencia del flujo supercrítico o de una sección de control siempre que se pueda ubicar una estación de aforo. • Mezclar químicos usadas para purificar el agua. • Aereación del agua para abastecimiento humano. Formación del salto hidráulico en canales rectangulares horizontales En un canal horizontal rectangular con flujo supercrítico, la energía del flujo se disipa progresivamente a través de la resistencia causada por la fricción a lo largo de las paredes y del fondo del canal, reduciéndose la velocidad e incrementándose la profundidad en la dirección del flujo. Un salto hidráulico se formará en el canal si el número de Froude del flujo, la profundidad (y1) y una profundidad aguas abajo (y2) satisfacen la ecuación:

Tipos de salto hidráulico Los saltos en fondos horizontales, de acuerdo con el U.S. Bureau of Reclamation, pueden clasificarse de acuerdo al número de Froude (F1) del flujo entrante: • F1 = 1.0: Flujo es crítico. No se forma salto. • F1 > 1.0 a 1.7: Ondulaciones en la superficie. Ocurre el salto hidráulico ondulante. • F1 > 1.7 a 2.5: Remolinos en la superficie. Salto débil • F1 > 2.5 y < 4.5: Chorro oscilante entrando al salto del fondo a la superficie una y otra vez sin periodicidad. Cada oscilación produce una onda que puede viajar por varios kilómetros y causar daños aguas abajo en bancos de tierra y márgenes. Salto oscilante. • F1 > 4.5 y < 9.0: La extremidad aguas abajo del remolino dela superficie y el punto en el cual el chorro de alta velocidad tiende a dejar el flujo ocurre prácticamente en la misma sección vertical. La acción y posición de este salto son menos sensibles a la variación en la profundidad aguas abajo. Salto permanente. Está bien balanceado y el rendimiento en la disipación de energía es el mejor, variando entre el 45 y el 70%. • F1 = 9.0 o mayor: el chorro de alta velocidad choca con paquetes de agua intermitentes que corren hacia abajo, generando ondas y puede prevalecer una superficie áspera. Salto fuerte. Su efectividad para disipar la energía puede llegar al 85%.

Proyectos hidroeléctricos reventazón: El Proyecto consiste en el diseño, construcción, operación y mantenimiento de una planta hidroeléctrica de 305.5 MW y sus instalaciones asociadas, incluyendo líneas de transmisión, subestaciones y accesos de carretera en la provincia de Limón, a 8 kilómetros al sureste de la ciudad de Siquirres en Costa Rica.

Impacto ambiental: Las Evaluaciones de Impacto Ambiental (y Social) (EIA) son preparadas para proyectos con substancial potencial de impacto social o al medio ambiente. Las EIA se hacen disponibles a las poblaciones afectadas y las organizaciones nogubernamentales antes de que el Banco realice la misión oficial de análisis (o para proyectos sin garantía soberana, la misión oficial de debida diligencia) del proyecto. Comportamiento y beneficios: Vertedero de excedencias El Proyecto Hidroeléctrico Reventazón tendrá una capacidad instalada de 305,5 MW y la energía que produzca servirá para el consumo de 325,000 hogares. Después de siete meses de jornadas continuas de perforación a cargo de un grupo de 400 toneleros, el Instituto Costarricense de Electricidad realizó el tope de túneles del Proyecto Hidroeléctrico Reventazón. El Proyecto Hidroeléctrico Reventazón avanza en un 21%… Para el 2013, se espera que sean 3,500 colaboradores… Casa de máquinas Nos damos cuenta que estamos hablando de un gran proyecto hecho por costarricenses… El proyecto tiene un avance del 45%… El Instituto Costarricense de Electricidad logró desviar las aguas del Proyecto Hidroeléctrico Reventazón Se habría afectado el Proyecto Hidroeléctrico Reventazón a raíz de la furia del Río Reventazón… Tanque de oscilación …Un avance del 56%… La cresta de la represa tiene una altura de 130 metros y en su relleno han participado 430 trabajadores. El Proyecto Hidroeléctrico Reventazón completó el 80% de su obra, que se espera esté en operación ya en el 2015… El río llenará este embalse en cuatro meses… Toma de aguas Abastecerá de energía eléctrica a 525,000 familias costarricenses…

Un total de 4,600 empleados de la zona se concentran en jornadas continuas para concluir la obra civil más grande que tendrá Costa Rica y una de las más importantes de Centroamérica. Presa El Proyecto Hidroeléctrico Reventazón, el más ambicioso desarrollado por el Instituto Costarricense de Electricidad… El Proyecto Hidroeléctrico Reventazón no estará terminado en 2016, según empresarios… Presa Vertedero de Excedencias Central de Compensación Ecológica Toma de Aguas Tanque de Oscilación Tubería de Alta Presión Casa de Máquinas Construido por costarricenses para Costa Rica Por una ciudadanía mejor informada, visite Gobierno CR.