Cavitación en placas de orificio
Una vez ya se ha realizado el dimensionamiento geométrico y mecánico de las placas de orificio, siguiendo el procedimiento indicado en los siguientes artículos:Placas de orificio, calculo y diseño, Geometría de placas de orificio (que derivó en la primera versión de la aplicación para el cálculo de placas de orificio Jole – calculo de placas de orificio que puedes descargar desde aquí) y el cálculo mecánico a partir del reciente publicado artículo Cálculo mecánico de discos de orificio, nos queda para completar totalmente el cálculo determinar si el disco cavita.
Cuando disponemos un disco de orificio en una tubería, al igual que cualquier otro obstáculo, se produce una disminución local de la presión. Cuando estas depresiones son tales que la presión absoluta llega a ser localmente inferior a la tensión del vapor del líquido, se produce la ebullición de éste, y la consecuente formación de burbujas de vapor, o de bolsas de vapor de las que se desprenden burbujas, esto es lo que se conoce como cavitación.
El cálculo de la cavitación se realizará a partir de la guía “valve aplications” de J. Paul Tullis y Steven L. Barfuss.
El parámetro adimensional para evaluar la intensidad de cavitación en diferentes condiciones de flujo se puede calcular a partir de la siguiente expresión:
donde:
P1 es la presión justo aguas arriba del disco de orificio
Pv es la presión de vapor del medio a la temperatura de funcionamiento
ΔPnet es la caída de presión en el disco de orificio
La cavitación produce ruido, fluctuaciones de la presión, erosión, y en avanzados estados de la misma, puede reducir considerablemente la efectividad del disco de orificio. El nivel aceptable de cavitación para una válvula o un disco de orificio, varía con el tipo de elemento. Por ejemplo, para una válvula de control que funcione de manera contínua, lo más recomendable es seleccionarla de forma que el nivel de cavitación sea el mínimo, de forma que la erosión y el ruido y vibraciones sean aceptables.
Para tener una información adecuada para el análisis y diseño de placas de orificio y válvulas, es necesario ifentificar y proporcionar datos experimentales para varios niveles de la intensidad de cavitación. En principio se pueden definir seis niveles de cavitación que cubren completamente las posibles intensidades de cavitación:
- cavitación incipiente
- cavitación crítica
- daño incipiente
- obstrucción incipiente
- flujo obstruido
- maximo nivel de ruido y vibración
Para el cálculo y diseño de placas de orificio se emplean los dos primero niveles. La intensidad de cavitación incipiente consiste en ligeros e intermintentes sonidos de burbujas estallando que son ligeramente perceptibles sobre el ruido de fondo del fluido circulando. La cavitación incipiente es por tanto un limite de diseño muy conservador y su uso como límite de diseño se recomienda solo para caundo el ruido de la cavitación no es tolerable.
El siguiente nivel, es la cavitación crítica o cavitación constante. En la cavitación crítica, la intensidad es aproximadamente la misma que la incipiente, pero es constante en lugar de intermintente. El sonido es mimilar al que se produce al freir un huevo o cuando se hacen palomitas de maiz. La cavitación crítica no se considera generalmente un problema y no debería producir daño o reducir la vida de servicio de la válvula.
La cavitación crítica se debe considerar como le valor límite de diseño para válvulas o elementos que requieren un funcionamiento contínuo, en medios donde algo de ruido de cavitación se puede tolerar, pero fuertes ruidos, intensas vibraciones o daños quieren ser evitados. Hay un considerable número de datos dispobibles identificando la cavitación crítica para diferentes tipos de válvulas.
El coeficiente de descarga se puede evaluar con la siguiente ecuación:
y la pérdida de carga se puede evaluar mediante:
Se puede convertir un valor en otro mediante:
El valor del coeficiente de descarga se puede evaluar mediante la siguiente ecuación:
donde:
además:
Las ecuaciones para determinar los diferentes niveles de cavitación en un disco de orificio montado en una tubería de 3 pulgadas son:
- Cavitación incipiente:
- Cavitación crítica:
- Cavitación daño incipiente:
- Cavitación obstrucción incipiente:
Para determinar los valores que corresponden para un disco de orificio montado en una tubería de distinto a 3″, tanto para la cavitación incipiente como a la crítica, hay que aplicar efectos de escala:
donde:
donde K es el coeficiente de pérdida de carga, y los valores de referencia corresponden a datos de cavitación para una válvula o disco de orificio de diámetro d, y con ellos se determina los índices de cavitación para un elemento de diámetro D, que puede ser mayor o menor que el elemento de referencia de diámetro d. Estas ecuaciones pueden ser utilizadas para elementos hasta diámetro 36 pulgadas, para diámetros mayores D=36 pulgadas.
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