CavitaciónCavitación

Cavitación

Una introducciUna introduccióón al teman al tema

S/Norma DIN: 24.260 S/Norma DIN: 24.260 ““FormaciFormacióón de vapor de Agua a causa del descenso local n de vapor de Agua a causa del descenso local de la preside la presióón por debajo de la presin por debajo de la presióón de saturacin de saturacióón del ln del lííquido, y condensaciquido, y condensacióón n

brusca subsiguientebrusca subsiguiente““

Podemos definir a la cavitación como la formación y difusión de cavidades (o burbujas) macroscópicas en el seno de un líquido a partir de núcleos gaseosos microscópicos o de micropartículas preexistentes.

La presencia de los núcleos microscópicos es fundamental, ya que si ellos no existieran, para poder formar las cavidades macroscópicas, sería necesario aplicar al agua tensiones del orden de las fuerzas de atracción molecular (miles de Kg/cm2). Si se tuviera agua químicamente pura (H2O), se trataría de una sustancia homogénea por lo que no hay energía disponible en ninguna dirección.En las instalaciones hidráulicas (sistemas de cañerías, bombas, etc), el agua contiene siempre gases disueltos (aire p.ej.) y micropartículas en suspensión, a partir de las cuales se formarán en determinadas condiciones las cavidades macroscópicas.

Existen dos tipos de cavitación: -de Gas, originada por difusión de los gases disueltos hacia el interior de los núcleos; -de Vapor, como consecuencia del pasaje del estado de líquido a vapor. Ésta última es la mas interesante en nuestro estudio, y es la que vamos a desarrollar. No confundir (es común esta denominación incorrecta) el fenómeno de cavitación (ya sea por gas o vapor), con el ingreso de aire en un sistema hidráulico a baja presión. Este último no son cavidades que se formaron en el seno del líquido, sino que ingresaron al sistema por un problema de estanqueidad, directamente como una burbuja gaseosa macroscópica.

Se denomina Fase a toda región de una sustancia en la cual las propiedades físicas (P. Específico, Densidad, Composición), se mantienen constantes, como ejemplo : Fase Líquida y Fase Gaseosa del agua. Dentro de una fase no se ve una superficie de separación.Si tenemos Dos Sustancias el plano de contacto entre ellas se denomina Interfase.

DefinicionesLa Ley de DALTON, expresa que un líquido se EVAPORA, hasta que su energía superficial sea igual a la presión parcial del vapor en la atmósfera que lo rodea.Por lo que a medida que aumenta la tensión superficial (aumento de la energía del fluido) habrá un aumento de evaporación. Asimismo habrá aumento de evaporación si a igual energía del fluido, disminuye la presión parcial del vapor en el medio que lo rodea.

En base a esto, existen dos formas de vaporización:

1-Vaporización a Presión Constante con aumento de temperatura. Si tuvieramos el agua por ejemplo a la presión atmosférica, y elevamos su temperatura hasta 100ºC, el agua tendr´ña una energía disponible tal que no puede equilibrarse , dado que su presión necesaria en el vapor debería ser igual a la total, en este caso se dice que el líquido se encuentra en EBULLICION.

2-Vaporización a Temperatura Constante con disminución de presión total del entorno. Para una determinada presión se producirá la vaporización espontánea en el seno del líquido, por no poder equilibrarse. Si además esto ocurre cuando no hay una superficie libre o interfase agua-gas (a nivel macroscópico), sino que el líquido se encuentra confinado, y llegamos a la presión del fluido a un valor igual a la del vapor en este caso se dice que el líquido se encuentra en CAVITACION, siendo este caso el que nos compete tratar en este momento. No es el caso de la ebullición, dado que la reducción de la presión no viene de la interfase, sino del seno del fluido, produciendo el crecimiento de los núcleos microscópicos por vaporización.

La ley de Henri, dice que la cantidad de gas

disuelto a temperatura constante, es igual a C*p,

dónde C es el coeficiente de solubilidad, que para

el agua es de 2 a 3 x 10-2. Al descender la presión

del aire disuelto en el agua, pasa a estado libre

(burbujas). Al descender de 1 bar a 0.5 bar, el

volumen total de esas burbujas viene a ser del 2 al

3% del total del líquido.

Cavitación en una tubería

Si en un Vénturi hacemos escurrir un caudal de agua tal, que en la garganta del mismo la presión descienda por debajo de la presión atmosférica y llegue a la presión de saturación del vapor para la temperatura del líquido, una disminución adicional ínfima de la presión provocará la ebullición del líquido, formando cavidades de vapor (burbujas) a la cual denominamos cavitación.

Al entrar posteriormente en una zona de mayor presión, éstas cavidades de vapor ya no pueden seguir existiendo, dado que se condensa el vapor y desaparecerán bruscamente, provocando implosiones por la brusca variación de volúmenes específicos desde el estado de vapor al estado líquido nuevamente. Para el agua a 20 ºC, la relación entre el volumen específico del vapor y del líquido es de 55.280/1. O sea el vapor ocupa 55.280 veces el volumen que ocupa como líquido, lo cual da una idea de lo brusco que será la implosión de las burbujas y lo nocivo que puede ser para los materiales de la conducción si esta implosión se produce contra el mismo.

Entonces se forman burbujas de vapor, ...

... Que se deforman al incrementarse la presión...

... Y finalmente implotan y desaparecen en la corriente.

liquido ⇒ vapor ⇒ liquido

Implosión de las burbujas de vapor

Direccíon del flujo

Direccíon del flujo

La implosión de las burbujas de vapor sigue ciertas direcciones, dependiendo de las condiciones de presión:

En el centro de una tubería o canal entre dos álabes

Burbuja de vapor totalmente

desarrollada

La burbuja se va deformando Implosión Microchorro

o Jet

En la pared de una tubería o un contorno sólido como los álabes de un rodete

Al cambiar de estado gaseoso a líquido, las burbujas de vapor colapsan subitamente (implotan) y esto produce que el agua que las rodea se acelere hacia el interior de las mismas formando una especie de hendidura.

Esto origina un “Microchorro“ a muy alta velocidad (v >1000 m/seg), causando picos de presión del orden de 10000 a 30000 bares, que si golpean las paredes de un contorno sólido como el álabe de un rodete, una pared de tubería o el cuerpo de una válvula erosiona los materiales a nivel molecular.

Implosión de las burbujas de vapor

Explicación del Fenómeno en una Bomba Rotodinámica

En una instalación de bombeo si por alguna causa, ya sea de la instalación, o del diseño de la máquina, la presión dentro de la misma alcanza la correspondiente a la del vapor a esa temperatura, habrá de formarse una cavidad de vapor de agua a partir de un micronúcleo gaseoso o micropartícula.Como el fluido sigue recorriendo el canal de los álabes, al entrar en la zona de alta presión, ya no es posible la presencia de la cavidad de vapor de agua, por lo que la misma desaparece por lo que se dice que Implota, ocupando su lugar masa líquida que se precipita sobre las paredes de los álabes, impactando en forma puntual (Jet Hidráulico), por lo que se producen Altas Presiones (del orden de miles de Kg/cm2), y asimismo con gran aumento de temperatura. Esto produce una seria erosión sobre los álabes y cuerpo de la máquina.

Es de destacar que de todas las cavidades formadas, sólo una pequeña parte llega a producir erosión (son las cavidades que se encuentran en el borde de las paredes del rotor).La erosión puede disminuirse con la incorporación de finas burbujas de aire, que actúan como un colchón entre las paredes y el Jet Hidráulico.Asimismo, si el movimiento es laminar, disminuye el ataque debido a la falta de la mezcla por turbulencia, lo que hace disminuir la cantidad de cavidades que se aproximan a los álabes y cuerpo de la máquina.En una bomba, el peligro de cavitación se dará en el borde de ataque de los alabes a la entrada, ya que son los de baja presión, y al entrar a zonas de mayor presión éstas burbujas implotan produciendo la erosión de los alabes.

Ejemplo de selección del punto de operación de una bomba

Ejemplo de punto de operación de una bomba teniendo en cuenta el Fenómeno de Cavitación

Zona de Operación libre de Cavitación

Zona de No Operación

ENSAYO DE CAVITACIÓN

Como se define cual es el NPSHr crítico ?

NÚMERO ESPECÍFICO DE CAVITACIÓN