Cavitacion

INSTITUTO TECNOLOGICO DE LA LAGUNA

ING. QUIMICA
LABORATORIO INTEGRAL I
UNIDAD I

ALUMNO:
RAUL EDUARDO LUGO PALACIOS 13131051

PROFESOR:
ING. ALEJANDRO ROMERO BARRIENTOS

PRACTICA 2:
UNIDAD DE CAVITACIÓN, BERNOULLI Y TUBO DE VENTURI

Unidad de Cavitación, Bernoulli y tubo de Venturi
Introducción.
La unidad de Cavitación, Bernoulli y Tubo de Venturi se ha diseñado para demostrar algunas de las posibles prácticas que se consiguen con un tubo de Venturi, entre las cuales se encuentran: Estudio de la Cavitación, Bomba de aspiración (disminución de presión en un depósito) y determinación de la sección exacta del tubo Venturi, estudio del Teorema de Bernoulli.
1.- Estudio de la cavitación
La 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, «aplastándose» 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 contacto 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 de la composición del material usado se podría producir una oxidación de éste con el consiguiente deterioro del 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 (resultado de la pasivación) que cubre el metal y lo protege, de tal forma que entre esta zona (ánodo) y la que permanece pasivada (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).


Modelo de propulsor cavitando en un túnel de agua.

El proceso físico de la cavitación es casi exactamente igual que el que ocurre durante la ebullición. La mayor diferencia entre ambos consiste en cómo se efectúa el cambio de fase. La ebullición eleva la presión de vapor del líquido por encima de la presión ambiente local para producir el cambio a fase gaseosa, mientras que la cavitación es causada por una caída de la presión local por debajo de la presión de vapor que causa una succión.

Para que la cavitación se produzca, las «burbujas» necesitan una superficie donde nuclearse. Esta superficie puede ser la pared de un contenedor o depósito, impurezas del líquido o cualquier otra irregularidad, pero normalmente ha de tenerse en cuenta la temperatura del fluido que, en gran medida va a ser la posible causa de la cavitación.

El factor determinante en la cavitación es la temperatura del líquido. Al variar la temperatura del líquido varía también la presión de vapor de forma importante, haciendo más fácil o difícil que para una presión local ambiente dada la presión de vapor caiga a un valor que provoque cavitación.

Objetivo: Observar el fenómeno de la cavitación con conducción forzada.
Material:
Banco o Grupo Hidráulico[FME 00]
Unidad de Venturi, Bernoulli y Cavitación [FME 22]
Procedimiento:
1.-Comprobar que el tubo de Venturi está en posición divergente.



2.-Conectar el equipo al Banco Hidráulico por la manguera flexible con conexión rápida.

3.-Coloque el extremo de la otra manguera flexible, a la salida del equipo en el depósito volumétrico.

4.-Cerrar las llaves de los tubos manométricos previamente vaciados.

5.-Hacer las siguientes conexiones:
Conexión Venturímetro
Se conecta en
Llave manométrica
1

1 y 5*
2

2
3

3
4

Vacuómetro
5

Manómetro
6

4
*Nota: Para esta conexión se hará uso del accesorio en "Y".
6.-Encienda la bomba y, suavemente, abra la válvula hasta abrirla completamente.

7.-Observar la formación de burbujas, lo que indica la existencia de cavitación. Escuche también el ruido característico que se produce al abrir rápidamente la válvula.























2.-Bomba de aspiración

El principio de Bernoulli, también denominado ecuación de Bernoulli o Trinomio de Bernoulli, describe el comportamiento de un fluido en reposo moviéndose a lo largo de una corriente de agua. Fue expuesto por Daniel Bernoulli en su obra Hidrodinámica (1738) y expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) en régimen de circulación por un conducto cerrado, la energía que posee el fluido permanece constante a lo largo de su recorrido. La energía de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes:
Cinética: es la energía debida a la velocidad que posea el fluido.
Potencial gravitacional: es la energía debido a la altitud que un fluido posea.
Energía de flujo: es la energía que un fluido contiene debido a la presión que posee.
La siguiente ecuación conocida como "Ecuación de Bernoulli" (Trinomio de Bernoulli) consta de estos mismos términos.

Donde:
 = velocidad del fluido en la sección considerada.
 = densidad del fluido.
 = presión a lo largo de la línea de corriente.
 = aceleración gravitatoria
 = altura en la dirección de la gravedad desde una cota de referencia.
Para aplicar la ecuación se deben realizar los siguientes supuestos:
Viscosidad (fricción interna) = 0 Es decir, se considera que la línea de corriente sobre la cual se aplica se encuentra en una zona 'no viscosa' del fluido.
Caudal constante
Flujo incompresible, donde ρ es constante.
La ecuación se aplica a lo largo de una línea de corriente o en un flujo rotacional
Aunque el nombre de la ecuación se debe a Bernoulli, la forma arriba expuesta fue presentada en primer lugar por Leonhard Euler.
Un ejemplo de aplicación del principio lo encontramos en el flujo de agua en tubería.
Cada uno de los términos de esta ecuación tiene unidades de longitud, y a la vez representan formas distintas de energía; en hidráulica es común expresar la energía en términos de longitud, y se habla de altura o cabezal, esta última traducción del inglés head. Así en la ecuación de Bernoulli los términos suelen llamarse alturas o cabezales de velocidad, de presión y cabezal hidráulico, del inglés hydraulic head; el término se suele agrupar con (donde ) para dar lugar a la llamada altura piezo métrica o también carga piezométrica. Características y consecuencia

También podemos reescribir este principio en forma de suma de presiones multiplicando toda la ecuación por, de esta forma el término relativo a la velocidad se llamará presión dinámica, los términos de presión y altura se agrupan en la presión estática.


Esquema del efecto Venturi.

O escrita de otra manera más sencilla:

Donde


 Es una constante-
Igualmente podemos escribir la misma ecuación como la suma de la energía cinética, la energía de flujo y la energía potencial gravitatoria por unidad de masa:


Objetivo: Observar como un líquido en un depósito es "aspirado" hasta otro depósito con menor presión.
Material:
Banco o Grupo Hidráulico[FME 00]
Unidad de Venturi, Bernoulli y Cavitación [FME 22]
Procedimiento:
1.-Comprobar que el tubo de Venturi está en posición divergente.



2.-Conectar el equipo al Banco Hidráulico por la manguera flexible con conexión rápida.

3.-Coloque el extremo de la otra manguera flexible, a la salida del equipo en el depósito volumétrico.

4.-Cerrar las llaves de los tubos manométricos previamente vaciados.

5.-Hacer las siguientes conexiones:
Conexión Venturímetro
Se conecta en
Llave manométrica
1

1 y 5*
2

2
3

3
4

Una de las llaves de depósito 1
5

Manómetro
6

4
Segunda llave al depósito 1

Vacuómetro
*Nota: Para esta conexión se hará uso del accesorio en "Y".
6.-Abrir las dos llaves del depósito 1

7.-Encienda la bomba y, suavemente, abra la válvula hasta abrirla completamente.

8.-Observar como va disminuyendo la presión del depósito, reflejada en el vacuómetro y esperar a que la medida del vacuómetro se estabilice, que será cuando se alcance el valor máximo de vacío.

9.-Cierre las dos válvulas del depósito 1 y apague la bomba.
10.-Llene el depósito 2 con colorante. (Asegúrese que la válvula se encuentra cerrada)

11.-Desconecte la manguera de depósito 1 que va a la toma 4 y colóquela en la válvula del depósito 2.

12.-Abra la válvula del depósito 2 y la válvula del depósito 1, observe cómo el agua sube de depósito inferior al superior.

Determinación de la sección exacta del tubo Venturi, estudio del Teorema de Bernoulli
Formulación de la ecuación
La ecuación de Bernoulli describe el comportamiento de un fluido bajo condiciones variantes y tiene la forma siguiente:


(1)


2 Parámetros
En la ecuación de Bernoulli intervienen los parámetros siguientes:
: Es la presión estática a la que está sometido el fluido, debida a las moléculas que lo rodean
: Densidad del fluido.
: Velocidad de flujo del fluido.
: Valor de la aceleración de la gravedad ( en la superficie de la Tierra).
: Altura sobre un nivel de referencia.
3 Aplicabilidad
Esta ecuación se aplica en la dinámica de fluidos. Un fluido se caracteriza por carecer de elasticidad de forma, es decir, adopta la forma del recipiente que la contiene, esto se debe a que las moléculas de los fluidos no están rígidamente unidas, como en el caso de los sólidos. Fluidos son tanto gases como líquidos.
Para llegar a la ecuación de Bernoulli se han de hacer ciertas suposiciones que nos limitan el nivel de aplicabilidad:
El fluido se mueve en un régimen estacionario, o sea, la velocidad del flujo en un punto no varía con el tiempo.
Se desprecia la viscosidad del fluido (que es una fuerza de rozamiento interna).
Se considera que el líquido está bajo la acción del campo gravitatorio únicamente.
4 Efecto Bernoulli
El efecto Bernoulli es una consecuencia directa que surge a partir de la ecuación de Bernoulli: en el caso de que el fluido fluja en horizontal un aumento de la velocidad del flujo implica que la presión estática decrecerá.
Un ejemplo práctico es el caso de las alas de un avión, que están diseñadas para que el aire que pasa por encima del ala fluya más velozmente que el aire que pasa por debajo del ala, por lo que la presión estática es mayor en la parte inferior y el avión se levanta.
5 Tubo de Venturi
El caudal (o gasto) se define como el producto de la sección por la que fluye el fluido y la velocidad a la que fluye. En dinámica de fluidos existe una ecuación de continuidad que nos garantiza que en ausencia de manantiales o sumideros, este caudal es constante. Como implicación directa de esta continuidad del caudal y la ecuación de Bernoulli tenemos un tubo de Venturi.
Un tubo de Venturi es una cavidad de sección por la que fluye un fluido y que en una parte se estrecha, teniendo ahora una sección. Como el caudal se conserva entonces tenemos que. Por tanto:


(2)


Si el tubo es horizontal entonces , y con la condición anterior de las velocidades vemos que, necesariamente, . Es decir, un estrechamiento en un tubo horizontal implica que la presión estática del líquido disminuye en el estrechamiento.
6 Breve historia de la ecuación
Los efectos que se derivan a partir de la ecuación de Bernoulli eran conocidos por los experimentales antes de que Daniel Bernoulli formulase su ecuación, de hecho, el reto estaba en encontrar la ley que diese cuenta de todo esto acontecimientos. En su obra Hidrodinámica encontró la ley que explicaba los fenómenos a partir de la conservación de la energía (hay que hacer notar la similitud entre la forma de la ley de Bernoulli y la conservación de la energía).
Posteriormente Euler dedujo la ecuación para un líquido sin viscosidad con toda generalidad (con la única suposición de que la viscosidad era despreciable), de la que surge naturalmente la ecuación de Bernoulli cuando se considera el caso estacionario sometido al campo gravitatorio.

Objetivo: Determinar la sección exacta A2 en el tubo de Venturi.
Material:
Banco o Grupo Hidráulico[FME 00]
Unidad de Venturi, Bernoulli y Cavitación [FME 22]
Probeta de plástico capacidad 1L.
Cronómetro.
Recipiente gris ( medio tanque).
Procedimiento:
1.- Comprobar que el tubo de Venturi está en posición convergente.



2.-Conectar el equipo al Banco Hidráulico por la manguera flexible con conexión rápida.

3.-Hacer las siguientes conexiones:
Conexión Venturímetro
Se conecta en
Llave manométrica
1

1 y Manómetro*
2

2
3

3
4

4
5

5
6

Vacuómetro
*Nota: Para esta conexión se hará uso del accesorio en "Y".
4.-Encienda la bomba y, suavemente, abra la válvula hasta abrirla completamente.

5.-Dirija el flujo hacia la probeta y mida el tiempo que tarda en llenarse un litro.

6.-Complete la siguiente tabla:






Cálculos: El caudal medido con la ayuda del tubo Venturi vendrá dado por la siguiente expresión.

Q=Cd*A2*2g(P1-P2)gρ1-A2A12
Donde:
D=2(P1-P2)ρQ: m3/seg
D=2(P1-P2)ρ
A1:4.91X10-4 m2
A2=QA10.9216*D*A12+Q212Cd: 0.98 (factor de descarga)
A2=QA10.9216*D*A12+Q212
P: Kgf/m2
ρ=Kg/m3














CONCLUSIONES:
Se observo el fenómeno de la cavitación con conducción forzada que fue realizado de manera correcta y se noto el efecto de esta sobre la tubería
También fue observado como un líquido en un deposito es "aspirado" hasta otro depósito con menor presión esto dado por varios factores
Se logro determinar la sección exacta A2 en el tubo de Venturi siendo esta lógica, a comparación de su tamaño
Se conoció como se puede aplicar el efecto del tubo de venturi para resolver problemas en la vida diaria o en la industria