INTRODUCCION

La cavitación es un fenómeno indeseable que puede ocurrir durante el

funcionamiento de las bombas centrífugas. Es importante señalar que la

cavitación se produce debido a algún error durante el diseño del sistema de

bombeo.

Si la bomba centrífuga trata de expulsar más líquido del que puede absorber se

producirá un efecto de vacío en el interior de la bomba. Esto, obviamente,

reducirá la presión por lo que se producirán burbujas de vapor (dicho de otra

forma, cuando se alcanza la presión de vapor, el fluido se vaporiza y forma

pequeñas burbujas de vapor) que principalmente rozarán a los álabes de los

impulsores de la bomba, sin dejar de afectar otros componentes.

La cavitación tiene un efecto realmente destructivo (llamado corrosión por

cavitación) en la estructura de la bomba centrífuga. Entre las características de

una bomba centrifuga que ha sufrido daños por cavitación puede destacarse la

erosión de los impulsores de la bomba centrifuga, la cual se da a tal grado, que

las paredes del mismo pueden llegar a alcanzar el espesor de un papel, e

inclusive, presentar grandes perforaciones con bordes muy afilados.

CAVITACION

La cavitación es un fenómeno que aparece cuando un líquido se mueve en una región donde la presión es menor que la presión de vapor; allí el líquido hierve y forma burbujas de vapor en su seno. Las burbujas de vapor son arrastradas con el líquido hasta una región donde se alcanza una presión más elevada y allí desaparecen. Una vez que la burbuja se condensa, se produce un desplazamiento de las partículas de fluido que la rodean y que se precipitan para colmar el vacío así creado, produciéndose un impacto localizado conocido como golpe de ariete. La sobrepresión, consecuencia de este fenómeno, se propaga en el seno del fluido provocando la condensación de la burbuja siguiente y el fenómeno se repite sucesivamente. La celeridad de propagación de estas ondas es del orden de magnitud de la velocidad de transmisión del sonido dentro del fluido. Si las burbujas de vapor están próximas (o en contacto) a una pared sólida, cuando desaparecen las fuerzas que el líquido ejerce al introducirse violentamente en las cavidades crean presiones localizadas muy altas que dañan la superficie sólida. El fenómeno es acompañado de ruido y vibraciones, y generalmente es un proceso que aparece asociado a altas velocidades. Esta es la causa por la que las primeras observaciones de este fenómeno se hayan dado en las turbo máquinas, en donde la formación de cavidades de vapor disminuye el espacio utilizable para el paso del líquido y, por lo tanto, altera el rendimiento de la máquina hidráulica. En este caso, la cavitación produce tres defectos: disminuye el rendimiento, daña los conductos de paso de fluido y produce los ya mencionados ruidos y vibraciones.

Como referencia, la presión del vapor para el agua, en función de la temperatura, puede encontrarse en la siguiente tabla. T [ºC] Pv [Pa] 0 615 10 1 230 20 2 340 40 7 400 60 20 000 80 47 400 100 101 500 Tabla 3.1. Presión de vapor del agua en función de la temperatura de trabajo. Ampliación de Fenómenos de Transporte Área de Mecánica de Fluidos P.III - 2 3.1.1 TIPOS DE CAVITACIÓN. La causa esencial de la cavitación es, como ya se mencionó, la disminución de la presión. Esta disminución de presión, que va hasta la presión de vapor del fluido, puede ser general o local, permanente o transitoria. a) Cavitación general: Se dice que la cavitación es general cuando la presión media del sistema ha alcanzado la presión de vapor del fluido. Una disminución general de la presión puede producirse, bien sea por un aumento en las pérdidas del sistema, por un aumento considerable en la velocidad del flujo o bien por un aumento de la temperatura del líquido. b) Cavitación local: Es la producida por una disminución local de la presión, consecutiva a una irregularidad en el trayecto del fluido. Por ejemplo, una rugosidad de la superficie interior de la

pared puede provocar una modificación en la distribución de velocidades y presiones, pudiendo conducir a una cavitación local.

c) Cavitación transitoria: Dura un limitado período de tiempo y puede ser provocado por diversas causas transitorias, como por ejemplo un golpe de ariete por el cierre instantáneo de una válvula. d) Cavitación permanente: Este aspecto de la cavitación es, evidentemente, el más importante porque, si se puede aceptar con rigor que algunos elementos del sistema caviten transitoriamente (aunque no sea lo deseable), es completamente inaceptable que el sistema esté en continua cavitación dados los perjuicios que eso ocasiona. 3.1.2. ALGUNAS CARACTERÍSTICAS ASOCIADAS A LA CAVITACIÓN. En la figura 2.1 se muestran las etapas que sigue el fenómeno de cavitación. Durante la fase de depresión (cuando el fluido encuentra zonas de bajas depresión - figura 2.1, etapa A) se crean en el seno del líquido una infinidad de burbujas de vapor que se agrandan mientras dura esta etapa. Esta formación de burbujas microscópicas de vapor es el inicio de la cavitación (o sea, la formación de cavidades gaseosas en el interior del líquido). Cuando se restablece la presión (zonas en donde la presión es mayor - figura 2.1, etapa B), ésta comprime a las burbujas recién expandidas, aumentando enormemente la temperatura del gas en ellas contenido (figura 2.1, etapa C) hasta que las burbujas colapsan en si mismas implotando, con la consiguiente liberación de una enorme cantidad de energía (figura 2.1, etapa D). Ampliación de Fenómenos de Transporte Área de Mecánica de Fluidos P.III - 3 Figura 3.1. Formación de burbujas y fenómeno de implosión Todo este proceso de generación y desaparición de las burbujas de vapor tienen periodos de duración muy pequeños, lo que produce cambios violentos en la presión y en la temperatura, de allí la gran energía liberada. A modo de ejemplo, en la instalación que se empleará durante la elaboración de la práctica, la vaporización tiene una duración del orden de 10-4 (s). Cuando estas burbujas alcanzan zonas de mayor presión y colapsan e implotan generan altas temperaturas del orden de 75xl03 (ºC) y presiones de 103 - 104 (bar) instantáneas. La energía provocada por la implosión de las burbujas de gas, puede constituir un fenómeno altamente nocivo o puede emplearse adecuadamente. Dados esto periodos de tiempo y las condiciones de cavitación en la susodicha instalación, el agua se descompone en elementos extremadamente reactivos: átomos de hidrogeno (H) y radicales hidroxilo (OH). También puede observarse luminiscencia. En concreto, el radical hidroxilo es el agente oxidante más potente encontrado en la naturaleza, con un potencial de oxidación de 2,8 voltios. Durante el enfriamiento rápido, los átomos de hidrógeno y radicales hidroxilo se recombinan a peróxido de hidrogeno (H202) e hidrógeno molecular (H2), que, en presencia de otros compuestos, pueden dar lugar a un amplio abanico de reacciones secundarias. El resultado general puede conllevar a

la transformación de moléculas orgánicas en CO2 y agua, con pequeñas concentraciones de Haloideos (Ácidos y Sales) y Ácidos Orgánicos.

La cavitación puede ser inducida por transductores de ultrasonidos y por cavitación hidrodinámica, siendo esta última más efectiva para el uso industrial por los siguientes motivos: - La distribución espacial de los centros de cavitación no está limitada a la capa límite adyacente al transductor ultrasónico. - El volumen expuesto es comparativamente más grande. - Vida de la burbuja más larga. - Mezcla más intensa. - Mayor eficiencia energética. Ampliación de Fenómenos de Transporte Área de Mecánica de Fluidos P.III - 4 - Coste menor cuanto mayor es el volumen a tratar. Por el contrario, la cavitación hidrodinámica produce serios problemas de ruidos, vibraciones, erosión y corrosión, que pueden ser minimizados con diseños hidrodinámicos y materiales apropiados. La generación de oxidantes puede ser utilizada para eliminar contaminantes orgánicos en un medio fluido (generalmente agua), especialmente de tipo aromático y cíclico. También pueden tratarse iones metálicos, pero no metales.

IMPLICACIONES EN LA INDUSTRIA

En las aplicaciones industriales se busca limitar   la cavitación por  varias razones. Pérdida de rendimiento En   primer   lugar,   la   cavitación merma   el   rendimiento mecánico   de   los sistemas. En una hélice de barco, por ejemplo, la aparición de estas burbujas de aire «despegan» el contacto del agua alrededor de la hélice, disminuyendo considerablemente su eficacia.

Ruido:

 Hemos visto que la implosión de las burbujas de cavitación provoca ruido; ello puede ser una molestia en algunas aplicaciones en las que se busca una máxima discreción (submarinos)Deterioro: Por fin, estas implosiones cercanas a los elementos metálicos provocan, con el tiempo, el deterioro de las superficies.

La cavitación es un fenómeno físico, mediante el cual un líquido, en determinadas condiciones, pasa a estado gaseoso y unos instantes después pasa nuevamente a estado líquido.

Este fenómeno tiene dos fases:

FASE 1: cambio de estado liquido a estado gaseoso.

FASE 2:cambio de estado gaseoso a liquido

¿Cuándo puede haber cavitación ?

La cavitación es un fenómeno muy frecuente en sistemas hidráulicos donde se dan cambios bruscos de la velocidad del líquido.

Ejemplos:

En partes móviles:

• Álabes de turbinas

• Rodetes de bombas

• Hélices de barcos

En partes no móviles:

• Estrangulamientos bruscos

• Regulación mediante orificios

• En válvulas reguladoras

¿Cuáles son los efectos de la cavitación ?

Efectos:

• Ruidos y golpeteos.

• Vibraciones.

• Erosiones del material (daños debidos a la cavitacion).

Daños típicos de la cavitación

Cavitación en una valvula de mariposa.

Condiciones de funcionamiento:

• Presión aguas arriba:

1.2 ÷1.4 bares

• Presión aguas abajo:

0.1 bares

• Velocidad del fluido:

2.2 m/seg

(referida al diámetro nominal)

• Tiempo en funcionamiento:

2 años

• Grado de apertur del disco:

Aproximadamente.- 30°

Cavitación en una válvula de compuerta.

La válvula de compuerta no

ha estado completamente

cerrada y en la sección de

paso la velocidad ha sido

muy alta. Después de tres

meses de funcionamiento el

cuerpo de la válvula muestra

los daños de la fotografía.

Cavitación en el pistón de una válvula de paso anular.

Pueden aparecer daños por cavitación debido a un mal dimensionado de una válvula

reguladora, tal como puede verse en la fotografía adjunta.

¿Cómo aparece la cavitación?

Un líquido se evapora cuando la energía no es suficiente para mantener las moléculas unidas, entonces estas se separan unas de otras y aparecen burbujas de vapor.

En las siguientes hojas se muestra como ocurre esto para el caso más común, EL AGUA.

¿Cuándo se evapora el

agua?

La condición de paso de líquido a vapor depende de dos parámetros:

Temperatura [°C]

• Presión [bar]

La correlación es lo

que se conoce como

curva característica

de la presión de

vapor.

A presión atmosférica

(1 bar) el agua se

evapora a 100°C.

Cuando la presión

decrece, el proceso de

evaporación comienza

a una temperatura

menor.

Ejemplo:

A una presión de 0.02

bares el agua se

evapora a una

temperatura

aproximada de 18°C.

¿Por qué el agua a veces está a menor presión que su presión de vapor?

El agua que fluye por las tuberías está generalmente a presión, producida por una bomba o debido a una diferencia de alturas (proveniente de un depósito) y es considerablemente mayor que la presión de vapor.Para comprender porque razón la presión del agua en el punto de estrangulamiento de una válvula llega a ser menor que la presión de vapor, estudiaremos el balance de energía del fluido.

Energía contenida en un fluido

Evolución de los tipos de energías

Evolución de los tipos de energía en el punto de regulación

Debido al estrechamiento de la sección de paso en punto de regulación, la velocidad del fluido y por tanto su energía cinética aumentan considerablemente.

Energía cinéticaDebido, también, al estrechamiento las pérdidas también aumentan de forma apreciable.

Pérdida de cargaEn la “vena contracta“ la energía de presión restante, y por tanto la presión local, decrece considerablemente ya que la energía total debe permanecer constante.

Si en este punto la presión baja por debajo de la presión de vapor, el agua puede evaporarse.

Entonces se forman burbujas de vapor, ...... Que se deforman al incrementarse la presión...

... Y finalmente implotan y

desaparecen.

Implosión de las burbujas de vapor

La implosión causa ondas de presión que viajan en el líquido. 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.

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. Existe una manera de hacer pasar el agua del    estado   líquido   al    gaseoso   cuando   está   a    temperatura constante; es suficiente  con hacer  bajar    convenientemente  la  presión Cuando esta depresión que lleva a la vaporización del líquido es local (discontinuidad en el medio  líquido)    lo  llamamos   fenómeno de cavitación,  y se manifiesta por    la aparición de bolsas de aire y burbujas. Cuando esta depresión está focalizada, tras la formación de o de  las burbujas,  se reequilibran muy  rápidamente  las presiones en el seno del  fluido lo  que implica una   implosión .Esta brutal implosión es fuente de ruido. Este   fenómeno  violento puede afectar a las superficies que han creado este fenómeno y que se encuentran próximas a la burbuja de cavitación.

¿Cuando aparece la cavitación?

Condiciones esenciales:

• Alta presión diferencial

• Baja contrapresión

• Alta velocidad del fluido

COMO PUEDE EVITARSE LA CAVITACION

La cavitación es un efecto físico cuya aparición depende de las condiciones de funcionamiento. Por tanto, cuando se proyecta una instalación debe intentarse que no aparezca la cavitación o que sus efectos sean los menores posibles.

De cualquier manera la instalación debe ser efectiva y para ello es necesario elegir las válvulas apropiadas.

Son aplicables los siguientes principios:

Recomendaciones: - Utilice las válvulas de compuerta y mariposa solo para trabajar en posición completamente abierta o cerrada y no en posiciones intermedias.

- Las válvulas de paso anular son válvulas de control, pero deben ser elegidas en función de las condiciones de trabajo (ej. De corona de aletas o de cilindros ranurados).

- Para operar en condiciones extremas donde no podemos controlar la cavitación ni con válvulas especiales, la regulación debe hacerse paso a paso (ej. orificio para contrapresión) o mediante la admisión de aire en el punto de regulación.

CONCLUSIONES

Aunque la cavitación es un fenómeno que no se presenta con mucha

frecuencia, se debe ser muy cuidadoso al momento de hacer el diseño

del sistema de bombeo. De esta manera, es la prevención la mejor

manera de resolver el problema de la cavitación.

Si la bomba centrífuga trata de expulsar más líquido del que puede

absorber se producirá un efecto de vacío en el interior de la bomba.

Esto, obviamente, reducirá la presión por lo que se producirán burbujas

de vapor (dicho de otra forma, cuando se alcanza la presión de vapor, el

fluido se vaporiza y forma pequeñas burbujas de vapor) que

principalmente rozarán a los álabes de los impulsores de la bomba, sin

dejar de afectar otros componentes.