Flujo burbujeante. En contraste con el flujo burbujeante en el canal vertical, el flujo burbujeante en el canal horizontal está fuertemente influenciado por la fuerza gravitacional. Ingenieria termal
Flujo burbujeante – Tubos verticales
En el flujo burbujeante, el caudal de líquido es lo suficientemente alto como para romper el gas en burbujas, pero no es lo suficientemente alto como para hacer que las burbujas se mezclen bien dentro de la fase líquida. Las burbujas varían ampliamente en tamaño y forma , pero más comúnmente son casi esféricas y son mucho más pequeñas que el diámetro del tubo.
Bocetos de regímenes de flujo para flujo de dos fases en una tubería vertical. Fuente: Weisman, J. Patrones de flujo de dos fases. Capítulo 15 en Handbook of Fluids in Motion, Cheremisinoff NP, Gupta R. 1983, Ann Arbor Science Publishers.
El mapa del régimen de flujo vertical de Hewitt y Roberts (1969) para el flujo en un tubo de 3,2 cm de diámetro, validado tanto para el flujo de aire / agua a presión atmosférica como para el flujo de vapor / agua a alta presión. Fuente: Brennen, CE, Fundamentos de flujos multifásicos, Cambridge University Press, 2005, ISBN 0521 848040
Flujo burbujeante – Tubos horizontales
En contraste con el flujo burbujeante en el canal vertical, el flujo burbujeante en el canal horizontal está fuertemente influenciado por la fuerza gravitacional . Debido a la flotabilidad , las burbujas se dispersan en el líquido con una concentración más alta en la mitad superior del canal. Este régimen generalmente ocurre a velocidades de flujo más altas , porque a velocidades de flujo más bajas, la fuerza gravitacional tiende a drenar el anillo líquido hacia el fondo del canal, lo que resulta en un flujo estratificado .
Bocetos de regímenes de flujo para flujo bifásico en una tubería horizontal. Fuente: Weisman, J. Patrones de flujo de dos fases. Capítulo 15 en Handbook of Fluids in Motion, Cheremisinoff NP, Gupta R. 1983, Ann Arbor Science Publishers.
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La velocidad superficial es una velocidad de flujo hipotética calculada como si la fase o fluido dado fuera el único que fluye o está presente en un área de sección transversal dada. Ingenieria termal
Parámetros básicos de flujo de fluido bifásico
En esta sección consideraremos el flujo simultáneo de gas (o vapor) y agua líquida (como se encuentra en generadores y condensadores de vapor ) en flujo concurrente a través de un conducto con área de sección transversal A. Los subíndices “v” y “ℓ” indican la fase de vapor y líquida , respectivamente. Los parámetros fundamentales que caracterizan este flujo son:
La velocidad superficial es una velocidad de flujo hipotética calculada como si la fase o fluido dado fuera el único que fluye o está presente en un área de sección transversal dada. La velocidad de la fase dada se calcula como si la segunda fase fuera ignorada.
En la ingeniería de los flujos y de los flujos en medios porosos de múltiples fases, velocidad superficial (V fase o j fase ) se usa comúnmente, ya que es el valor que es inequívoca, mientras que la velocidad real es a menudo espacialmente dependiente y sujeto a muchas suposiciones.
La velocidad superficial se puede expresar como:
Para una mejor comprensión, consideremos una tubería con una sección transversal de 0.1 m 2 de área de flujo. Suponga que el caudal es de 1 m 3 / s. Para el flujo de fluido monofásico, la velocidad superficial será igual a la velocidad real del fluido y será de 10 m / s. Para el flujo de fluido en dos fases (por ejemplo, flujo de vapor-líquido) la situación será diferente. Suponiendo que la relación de deslizamiento es la unidad, ambas fases, tomadas por separado, tendrán velocidades superficiales de 5 m / s . La velocidad real resultante será entonces igual a 10 m / s . Si las dos fases tendrán velocidades diferentes (con deslizamiento), la situación será más complicada.
Un mapa de régimen de flujo para el flujo de una mezcla de aire / agua en una tubería horizontal de 2.5 cm de diámetro a 25 ° C y 1 bar. Las líneas continuas y los puntos son observaciones experimentales de las condiciones de transición, mientras que las zonas sombreadas representan predicciones teóricas. Fuente: Mandhane, JM, Gregory, GA y Aziz, KA (1974). Un mapa de patrón de flujo para el flujo de gas-líquido en tuberías horizontales. En t. J. Flujo multifásico
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La relación de deslizamiento (o relación de velocidad) está en el flujo de fluido de dos fases definido como la relación de la velocidad del vapor a la velocidad del líquido. Ingenieria termal
Parámetros básicos de flujo de fluido bifásico
En esta sección consideraremos el flujo simultáneo de gas (o vapor) y agua líquida (como se encuentra en generadores y condensadores de vapor ) en flujo concurrente a través de un conducto con área de sección transversal A. Los subíndices “v” y “ℓ” indican la fase de vapor y líquida , respectivamente. Los parámetros fundamentales que caracterizan este flujo son:
En el flujo de fluido en dos fases , es conveniente utilizar la relación de deslizamiento . La relación de deslizamiento (o relación de velocidad ) en el flujo de dos fases se define como la relación de la velocidad de la fase de vapor a la velocidad de la fase líquida. La relación de deslizamiento en un flujo de fluido de dos fases se define como:
En el modelo de equilibrio homogéneo (HEM) del flujo de dos fases, se supone que la relación de deslizamiento es por unidad (no hay deslizamiento). Sin embargo, la mayoría de los flujos industriales de dos fases tienen diferentes velocidades de las fases gaseosa y líquida, estas pueden diferir significativamente. Los modelos que explican la existencia del deslizamiento se denominan modelos de flujo separado .
Las relaciones entre x, α y S pueden deducirse y el resultado es:
Efecto de S sobre α vs x para agua a 7 MPa. Fuente: Buongiorno Jacopo, Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear del MIT, NOTAS SOBRE EL FLUJO DE DOS FASES
La razón para definir la fracción vacía y la relación de deslizamiento es que también permiten calcular la caída de presión del flujo de dos fases. En la literatura se presentan varias correlaciones para el cálculo de la relación de deslizamiento, S y la fracción vacía. Las siguientes correlaciones se dan en orden de precisión creciente.
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En dos fases, el flujo de fluido es conveniente para usar la densidad de la mezcla. La densidad de la mezcla del flujo de dos fases que se utiliza para calcular la caída de presión. Ingenieria termal
Parámetros básicos de flujo de fluido bifásico
En esta sección consideraremos el flujo simultáneo de gas (o vapor) y agua líquida (como se encuentra en generadores y condensadores de vapor ) en flujo concurrente a través de un conducto con área de sección transversal A. Los subíndices “v” y “ℓ” indican la fase de vapor y líquida , respectivamente. Los parámetros fundamentales que caracterizan este flujo son:
En dos fases, el flujo de fluido es conveniente para usar la densidad de la mezcla . La densidad de la mezcla del flujo de dos fases que se utiliza para calcular la caída de presión . La densidad de la mezcla en un flujo de fluido de dos fases se define como:
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La salida de la bomba, o flujo de salida, es el caudal máximo que puede desarrollar una bomba. Las condiciones de desviación corresponden a un cabezal de bomba muy pequeño. Ingenieria termal
Características de rendimiento de las bombas centrífugas
Aunque la teoría de las bombas centrífugas ofrece muchos resultados cualitativos, el indicador más importante del rendimiento de una bomba radica en pruebas hidráulicas exhaustivas .
En la industria, las características de todas las bombas generalmente se leen de su curva QH o curva de rendimiento (caudal – altura). Como se puede ver, los gráficos de rendimiento utilizan una descarga – Q (generalmente en m 3 / h) y la altura de la bomba – H (generalmente en m) como variables de rendimiento básicas.
Flujo de escape
La salida de la bomba, o flujo de salida, es el caudal máximo que puede desarrollar una bomba. Las condiciones de desviación corresponden a un cabezal de bomba muy pequeño, mientras que el caudal es máximo.
La curva de rendimiento (publicada por el fabricante de la bomba) generalmente se corta en algún punto más allá del rango de operación permitido de la bomba (AOR). El punto en el que termina la curva de rendimiento se denomina agotamiento. La disminución de la presión hacia y por debajo del punto de salida puede sobrecargar el motor de la bomba, que puede vibrar y sobrecalentarse. Por lo tanto, se debe evitar la operación más allá de este punto.
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La cavitación en la bomba centrífuga puede causar graves daños a sus componentes. Puede producirse erosión del material, vibraciones, ruido y pérdida de eficiencia. Daño de cavitación
Cavitación en bombas centrífugas
Los principales lugares donde la cavitación se produce en las bombas son, en impulsores o hélices . En las bombas centrífugas, la cavitación es el resultado de una reducción en la presión de succión , un aumento en la temperatura de succión o un aumento en el caudal por encima de aquel para el cual se diseñó la bomba.
La cavitación es, en muchos casos, una ocurrencia indeseable. En las bombas centrífugas, la cavitación causa daños a los componentes (erosión del material), vibraciones, ruido y pérdida de eficiencia.
Fuente: Wikipedia, CC BY 2.5,
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Turbine_Francis_Worn.JPG
Quizás el problema de ingeniería más importante causado por la cavitación es el daño material que las burbujas de cavitación pueden causar cuando colapsan cerca de una superficie sólida. El colapso de las burbujas de cavitación es un proceso violento que genera ondas de choque y microjets altamente localizados . Forzan el líquido energético en volúmenes muy pequeños, creando manchas de alta temperatura y estas perturbaciones intensas generan tensiones superficiales altamente localizadas y transitorias en una superficie sólida. Los signos de erosión aparecerán como picaduras debido a la acción de golpe de ariete de las burbujas de vapor que colapsan. Se ha encontrado que las tasas de daño por cavitación aumentan rápidamente con el aumento en el caudal volumétrico.
Los materiales más blandos pueden dañarse incluso a corto plazo por cavitación . Se pueden observar fosas individuales después de un colapso de una sola burbuja. Por lo tanto, se utilizan materiales más duros para las bombas centrífugas . Pero con los materiales más duros utilizados en la mayoría de las aplicaciones, el estrés cíclico debido a colapsos repetidos puede causar fallas locales por fatiga superficial . Por lo tanto, el daño por cavitación a los metales generalmente tiene la apariencia de falla por fatiga .
Cuando las burbujas de cavitación colapsan, fuerzan el líquido energético a volúmenes muy pequeños, creando manchas de alta temperatura y emitiendo ondas de choque, las cuales son una fuente de ruido. Aunque el colapso de una pequeña cavidad es un evento de energía relativamente baja, los colapsos altamente localizados pueden erosionar metales, como el acero, con el tiempo. La picadura causada por el colapso de las cavidades produce un gran desgaste en los componentes y puede acortar drásticamente la vida útil de la hélice o la bomba.
La cavitación suele ir acompañada también de:
Ruido. El ruido típico es causado por el colapso de las cavidades. El nivel del ruido que resulta de la cavitación es una medida de la gravedad de la cavitación.
Vibraciones . Las vibraciones de la bomba debido a la cavitación son vibraciones característicamente de baja frecuencia, que generalmente se encuentran en el rango de 0 a 10 Hz.
Reducción de la eficiencia de la bomba . Una disminución en la eficiencia de la bomba es un signo más confiable de que se produce cavitación.
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El número de cavitación o el parámetro de cavitación es un número adimensional. Caracteriza qué tan cerca está la presión en el flujo de líquido a la presión de vapor. Ingenieria termal
Cavitación en bombas centrífugas
Los principales lugares donde la cavitación se produce en las bombas son, en impulsores o hélices . En las bombas centrífugas, la cavitación es el resultado de una reducción en la presión de succión , un aumento en la temperatura de succión o un aumento en el caudal por encima de aquel para el cual se diseñó la bomba.
Número de cavitación
El número de cavitación (Ca) o el parámetro de cavitación es un número adimensional utilizado en los cálculos de flujo. Es convencional caracterizar qué tan cerca está la presión en el flujo de líquido a la presión de vapor (y, por lo tanto, el potencial de cavitación) por medio del número de cavitación.
El número de cavitación se puede expresar como:
dónde
CA = Número de cavitación
p = presión local (Pa)
p v = presión de vapor del fluido (Pa)
ρ = densidad del fluido (kg / m 3 )
v = velocidad del fluido (m / s)
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La cavitación de descarga ocurre cuando la presión de descarga de la bomba es extremadamente alta o cuando el flujo de descarga está restringido y no puede salir de la bomba. Ingenieria termal
Cavitación de descarga
La cavitación de descarga ocurre cuando la presión de descarga de la bomba es extremadamente alta o cuando el flujo de descarga está restringido y no puede salir de la bomba (por ejemplo, causado por una válvula de salida cerrada). Una presión de descarga extremadamente alta da como resultado que la mayoría del fluido bombeado circule dentro de la bomba .
Este tipo de cavitación se origina en dos fuentes. Primero, esta circulación interna (desde zonas de alta presión a zonas de baja presión) se ve forzada a través del espacio libre entre el impulsor y la carcasa de la bomba a alta velocidad, lo que resulta en la formación de una región de baja presión (como resultado del principio de Bernoulli ) en qué cavitación puede ocurrir. En segundo lugar, el líquido circula dentro de la voluta de la bomba y se sobrecalienta rápidamente.
En ambos casos, la cavitación tiene consecuencias similares. La implosión de burbujas desencadena ondas de choque intensas, causando el desgaste prematuro de las puntas del impulsor y la carcasa de la bomba. En casos extremos, la cavitación de descarga puede hacer que el eje del impulsor se rompa.
Causas típicas de la cavitación de descarga:
La bomba está funcionando demasiado a la izquierda en la curva de la bomba.
Bloqueo en la tubería en el lado de descarga
Filtros o filtros obstruidos
Diseño de tubería inapropiado
Fuente: Wikipedia, CC BY 2.5, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Turbine_Francis_Worn.JPG
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La cavitación por succión, o también la cavitación clásica, ocurre cuando una bomba está bajo condiciones de baja presión o alto vacío. También se llama cavitación inadecuada de NPSHa. Ingenieria termal
Cavitación de succión
La cavitación por succión , o también la cavitación clásica , ocurre cuando una bomba está bajo condiciones de baja presión o alto vacío. Cuando el líquido que se bombea ingresa al ojo de una bomba centrífuga , la presión se reduce significativamente . En algunos casos, la caída de presión es lo suficientemente grande como para hacer que el líquido se convierta en vapor cuando la presión local cae por debajo de la presión de saturación del fluido que se bombea. Se formarán burbujas o cavidades en el ojo del impulsor y posteriormente las burbujas de vapor formadas se moverán hacia regiones de mayor presión a medida que viajan hacia la descarga de la bomba. En la región de mayor presión, ellas burbujas de vapor colapsan repentinamente en las porciones externas del impulsor. Esto puede causar daños significativos a todas las partes móviles de una bomba centrífuga.
Causas típicas de la cavitación por succión:
La bomba funciona demasiado lejos en la curva de la bomba.
Para evitar este tipo de cavitación, el cabezal de succión positivo neto disponible (NPSHa) en el sistema debe ser más alto que el NPSH requerido de la bomba. Este problema es típico de la cavitación por succión y, por lo tanto, este tipo de cavitación también se denomina cavitación inadecuada de NPSHa .
Además del cambio de la bomba, los problemas con la cavitación por succión también pueden resolverse mediante:
Bajando la temperatura
Reducción de RPM del motor si es posible
Aumento del diámetro del ojo del impulsor.
Uso de un inductor de impulsor.
Uso de dos bombas paralelas con menor capacidad.
Uso de una bomba de refuerzo para alimentar la bomba principal.
Se produce un caso especial de cavitación en el lado de succión como resultado de una tubería inapropiada en la línea de succión. El uso de restricciones, codos afilados y otros equipos hidráulicos pueden turbulizar el flujo, esto puede contribuir a la formación de cavitación.
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La cavitación es un hecho indeseable. En las bombas centrífugas, la cavitación causa daños a los componentes (erosión del material), vibraciones, ruido y pérdida de eficiencia. Ingenieria termal
Cavitación en bombas centrífugas
Los principales lugares donde la cavitación se produce en las bombas son, en impulsores o hélices . En las bombas centrífugas, la cavitación resulta de una reducción en la presión de succión , un aumento en la temperatura de succión o un aumento en la velocidad de flujo por encima de la temperatura para la cual se diseñó la bomba.
Hay dos tipos básicos de cavitación de la bomba :
Cavitación de succión
La cavitación por succión , o también la cavitación clásica , ocurre cuando una bomba está bajo condiciones de baja presión o alto vacío. Cuando el líquido que se bombea entra en el ojo de una bomba centrífuga , la presión se reduce significativamente . En algunos casos, la caída de presión es lo suficientemente grande como para hacer que el líquido se convierta en vapor cuando la presión local cae por debajo de la presión de saturación del fluido que se bombea. Se formarán burbujas o cavidades en el ojo del impulsor y, posteriormente, las burbujas de vapor formadas se moverán hacia regiones de mayor presión a medida que viajan hacia la descarga de la bomba. En la región de mayor presión, ellas burbujas de vapor colapsan repentinamente en las porciones externas del impulsor. Esto puede causar daños significativos a todas las partes móviles de una bomba centrífuga.
Causas típicas de la cavitación por succión:
La bomba funciona demasiado lejos en la curva de la bomba.
Para evitar este tipo de cavitación, el cabezal de succión positivo neto disponible (NPSHa) en el sistema debe ser más alto que el NPSH requerido de la bomba. Este problema es típico de la cavitación por succión y, por lo tanto, este tipo de cavitación también se denomina cavitación inadecuada de NPSHa .
Además del cambio de la bomba, los problemas con la cavitación por succión también pueden resolverse mediante:
Bajando la temperatura
Reducción de RPM del motor si es posible
Aumento del diámetro del ojo del impulsor.
Uso de un inductor de impulsor.
Uso de dos bombas paralelas con menor capacidad.
Uso de una bomba de refuerzo para alimentar la bomba principal.
Se produce un caso especial de cavitación en el lado de succión como resultado de una tubería inapropiada en la línea de succión. El uso de restricciones, codos afilados y otros equipos hidráulicos pueden turbulizar el flujo, esto puede contribuir a la formación de cavitación.
Cavitación de descarga
La cavitación de descarga ocurre cuando la presión de descarga de la bomba es extremadamente alta o cuando el flujo de descarga está restringido y no puede salir de la bomba (por ejemplo, causado por una válvula de salida cerrada). Una presión de descarga extremadamente alta hace que la mayoría del fluido bombeado circule dentro de la bomba .
Este tipo de cavitación se origina en dos fuentes. Primero, esta circulación interna (desde zonas de alta presión a zonas de baja presión) se ve forzada a través del espacio libre entre el impulsor y la carcasa de la bomba a alta velocidad, lo que resulta en la formación de una región de baja presión (como resultado del principio de Bernoulli ) en qué cavitación puede ocurrir. En segundo lugar, el líquido circula dentro de la voluta de la bomba y se sobrecalienta rápidamente.
En ambos casos, la cavitación tiene consecuencias similares. La implosión de burbujas desencadena intensas ondas de choque, lo que provoca un desgaste prematuro de las puntas del impulsor y la carcasa de la bomba. En casos extremos, la cavitación de descarga puede hacer que el eje del impulsor se rompa.
Causas típicas de la cavitación de descarga:
La bomba funciona demasiado a la izquierda en la curva de la bomba.
Bloqueo en la tubería en el lado de descarga
Filtros o filtros obstruidos
Diseño de tubería inapropiado
Número de cavitación
El número de cavitación (Ca) o el parámetro de cavitación es un número adimensional utilizado en los cálculos de flujo. Es convencional caracterizar qué tan cerca está la presión en el flujo de líquido a la presión de vapor (y, por lo tanto, el potencial de cavitación) por medio del número de cavitación.
El número de cavitación se puede expresar como:
dónde
CA = Número de cavitación
p = presión local (Pa)
p v = presión de vapor del fluido (Pa)
ρ = densidad del fluido (kg / m 3 )
v = velocidad del fluido (m / s)
Daño de cavitación
La cavitación es, en muchos casos, una ocurrencia indeseable. En las bombas centrífugas, la cavitación causa daños a los componentes (erosión del material), vibraciones, ruido y pérdida de eficiencia.
Fuente: Wikipedia, CC BY 2.5, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Turbine_Francis_Worn.JPG
Quizás el problema de ingeniería más importante causado por la cavitación es el daño material que las burbujas de cavitación pueden causar cuando colapsan cerca de una superficie sólida. El colapso de las burbujas de cavitación es un proceso violento que genera ondas de choque y microjets altamente localizados . Forzan el líquido energético en volúmenes muy pequeños, creando así puntos de alta temperatura y estas perturbaciones intensas generan tensiones superficiales altamente localizadas y transitorias en una superficie sólida. Los signos de erosión aparecerán como picaduras debido a la acción de golpe de ariete de las burbujas de vapor que colapsan. Se ha encontrado que las tasas de daño por cavitación aumentan rápidamente con el aumento en el caudal volumétrico.
Los materiales más blandos pueden dañarse incluso a corto plazo debido a la cavitación . Se pueden observar fosas individuales después de un colapso de una sola burbuja. Por lo tanto, se utilizan materiales más duros para las bombas centrífugas . Pero con los materiales más duros utilizados en la mayoría de las aplicaciones, el estrés cíclico debido a los colapsos repetidos puede causar fallas locales por fatiga superficial . Por lo tanto, el daño por cavitación a los metales generalmente tiene la apariencia de falla por fatiga .
Cuando las burbujas de cavitación colapsan, fuerzan el líquido energético a volúmenes muy pequeños, creando manchas de alta temperatura y emitiendo ondas de choque, las cuales son una fuente de ruido. Aunque el colapso de una pequeña cavidad es un evento de energía relativamente baja, los colapsos altamente localizados pueden erosionar metales, como el acero, con el tiempo. La picadura causada por el colapso de las cavidades produce un gran desgaste en los componentes y puede acortar drásticamente la vida útil de la hélice o la bomba.
La cavitación suele ir acompañada también de:
Ruido. El ruido típico es causado por el colapso de las cavidades. El nivel del ruido que resulta de la cavitación es una medida de la gravedad de la cavitación.
Vibraciones . Las vibraciones de la bomba debido a la cavitación son vibraciones característicamente de baja frecuencia, que generalmente se encuentran en el rango de 0 a 10 Hz.
Reducción de la eficiencia de la bomba . Una disminución en la eficiencia de la bomba es un signo más confiable de que se produce cavitación.
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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.
