¿Qué es la cavitación en las bombas centrífugas?

Cuando un liquido a bombear se desplaza en una parte donde la presión es menor que su presión de vapor, vaporiza en forma de burbujas. Estas son arrastradas junto con el líquido hasta el impulsor en donde se alcanza una presión más elevada y colapsan. Este fenómeno se conoce como cavitación.

CAVITACIÓN

Crepitación que se escucha en el interior de la bomba causado por el colapso de burbujas de vapor, cuando la bomba opera con una NPSH disponible insuficiente.

Se denomina cavitación a la formación y implosión de burbujas de vapor en el medio líquido que está siendo bombeado.

El nombre de cavitación es debido a que en la etapa inicial del proceso, pareciese que el flujo presenta cavidades de vapor en el líquido, que crecen rápidamente durante su recorrido.

Significado del término “Cavitación” en el contexto de bombas centrifugas.

Cavitación procede del latín “cavus”, que significa espacio hueco o cavidad.

En el contexto de las bombas centrifugas, el término cavitación implica un proceso dinámico de formación de burbujas dentro del líquido, su crecimiento y subsecuente colapsamiento a medida que el líquido fluye a través de la bomba.

El fenómeno de la cavitación es un proceso progresivo de varias etapas como se aprecia en la siguiente Figura.

MECANISMO DE LA CAVITACIÓN

FORMACIÓN DE BURBUJAS

CRECIMIENTO DE LAS BURBUJAS

COLAPSO DE LAS BURBUJAS

CAVITACIÓN

Etapa 1. Formación de Burbujas

Las burbujas se forman dentro del líquido cuando este se vaporiza. Esto es, cuando cambia desde la fase liquida a la de vapor.

La vaporización de cualquier líquido dentro de un contenedor se produce ya sea porque la presión sobre la superficie del líquido disminuye hasta ser igual o inferior a su presión de vapor (a la temperatura actual), o bien porque la temperatura del líquido sube hasta hacer que la presión de vapor sobrepase a la presión sobre la superficie de líquido.

FORMACIÓN DE BURBUJAS

sólido

líquido

gas

Presión

Temperatura

EBULLICIÓN (presión constante)

CAVITACIÓN

(temperatura constante)

sólido

líquido

gas

Presión

Temperatura

EBULLICIÓN (presión constante)EBULLICIÓN (presión constante)

CAVITACIÓN

(temperatura constante)

CAVITACIÓN

(temperatura constante)

Etapa 2. Crecimiento de las Burbujas

Si no se produce ningún cambio en las condiciones de operación, se seguirán formando burbujas nuevas y las viejas seguirán creciendo en tamaño. Luego serán arrastradas por el líquido desde el ojo del impulsor hacia los alabes y la periferia del impulsor. Debido a la rotación del impulsor las burbujas adquieren alta velocidad y se desplazan hacia las regiones de alta presión dentro del impulsor donde empiezan a colapsar. El ciclo de vida de una burbuja se ha estimado en alrededor de 0.003 segundos.

Etapa 3. Colapso de las Burbujas

A medida que las burbujas se desplazan, la presión que las rodea va aumentando hasta que llegan a un punto donde la presión exterior es mayor que la interior y las burbujas colapsan. El proceso es una implosión. Cientos de burbujas colapsan en aproximadamente el mismo punto de cada alabe. Las burbujas no colapsan simétricamente de modo que el líquido que las rodea se precipita a llenar el hueco produciendo un micro jet.

Subsecuentemente los micro jet rompen las burbujas con tal fuerza que produce una acción de martilleo. Se han reportado presiones de colapso de burbujas superiores a 1 GPa (10 172.2

kg/cm2). El martilleo altamente focalizado puede producir desprendimiento de material (socavaciones) en el impulsor. La siguiente figura ilustra esquemáticamente el proceso.

Después del colapso, emana una onda de choque desde el punto de colapso. Esta onda es la que se escucha y que usualmente se identifica como ‘cavitación’.

IMPLOSIÓN

Acción de romperse hacia dentro con estruendo las paredes de una cavidad en cuyo interior existe una presión inferior a la exterior

IMPLOSION DE LA BURBUJA

Cómo actúa la cavitación

Durante la implosión:

Incrementos grandes de temperatura y de presión ~ 104 K y 103 atmRadios ~ 10-100 µmTiempos ~ 1 µsVelocidad interfase ~ 100 m/s

IMPULSORES DAÑADOS POR CAVITACIÓN

Ejemplo de desgaste producido por la cavitación en un impulsor de una bomba centrífuga.

En esta serie de imágenes se muestra los efectos de la cavitación, iniciándose con la formación gradual de pequeñas burbujas, originado por una disminución en la presión de succión. A continuación estas burbujas implotan, produciendo daños al metal de la turbina. La última fotografía indica la gravedad de los efectos.

Rangos de valores encontrados en la literatura para el fenómeno de la cavitación, son los siguientes:

PRESIÓN - Seis fuentes muestran una gama de 12000 a 150000 psi (840 a 10558 kg/cm2).

TEMPERATURA - Cinco fuentes muestran una gama de 6700 a 10000 K (6426 a 9726 °C).

VELOCIDAD - Cuatro fuentes muestran una gama de 300 a 4 000 pies/seg (91 a 1290 m/seg).

VOLUMEN - 1700 veces el cambio en volumen, aproximadamente.

TIEMPO - Una fuente reporta el tiempo total de caída a ser inferior a 2 microsegundos, entre ellos dos o más ondas de choque con duraciones de 10 nanosegundos y 40 nanosegundos cada uno.

TAMAÑO - Una fuente mide el diámetro del microjet se producen en el colapso de lo que van 10-100 μ m.

Las causas pueden ser las siguientes:

1. Reducción en la presión de succión.

2. Aumento en la temperatura del líquido bombeado.

3. Aumento en la velocidad del caudal del fluido.

4. Separación y contracción del caudal debido a cambios de viscosidad en el líquido bombeado.

5. Condiciones de caudal no deseadas causadas por obstrucciones o desviaciones bruscas.

6. La bomba no es la indicada para la curva del sistema.

Los efectos de la cavitación son ruido, erosión y vibración, causadas por el colapso de las burbujas de vapor, Si el equipo es operado bajo condiciones de cavitación por largo tiempo puede ocurrir lo siguiente:

Corta vida en los rodamientos y cargas pesadas para éstos.

Fractura del eje y otras fallas en la bomba debido a la fatiga.

Corta vida del sello. Perforaciones en los

álabes del impulsor y en la boluta de la bomba.

Pto. de Mayor Eficiencia

ACCIONES CORRECTIVASReevalué la curva del sistema y el

NPSH disponible.Disminuya el caudal, regulando la

válvula de descarga.Utilice un variador de velocidad.Aumente el diámetro del tubo de

succión o disminuya las restricciones.Modifique el impulsor, disminuyendo

el diámetro externo.

PRESIÓN DE VAPOR

La presión a la cual un líquido cambia a vapor a una temperatura dada.

La presión del vapor del agua a 15.5°C es de 0.0180 kg/cm2.

La presión del agua a 100°C es de 1.033 kg/cm2.Cada líquido tiene su propia curva de presión de vapor, en

donde la presión del vapor es trazada vs. La temperatura.Un líquido a su presión de vapor afecta la eficiencia de la

bomba.Un bajo NPSH en la succión de la bomba puede causar

que el líquido se convierta en vapor.Un aumento de temperatura en el líquido puede causar

que se vaporice.Un líquido que se evapora en la succión de la bomba crea

cavitación.

RESUMENSe denomina cavitación a la formación y colapso o implosión de burbujas de vapor en el medio líquido que está siendo bombeado.

Esta condición puede ser el resultado de excesiva temperatura del medio, alta concentración de vapor en el líquido, tuberías de succión de longitud excesiva o dimensionamiento inadecuado, válvulas by-pass o excesiva turbulencia en la línea por alta velocidad del líquido.

La energía que se libera durante la ruptura de las burbujas en la succión de la bomba causa la erosión de las paredes interiores de la envolvente, eje y rotor o rodete como así también juntas y sellos; en las partes metálicas tiende a formarse picaduras localizadas (pitting) y los elastómeros pueden parecer rasgados y deshilachados.

En procesos de cavitación severa continua se desarrollan en la bomba vibraciones anormales del tipo "golpe de ariete" que afectan la sección del rotor y el eje pudiendo en algunos casos iniciarse micro fisuras que se incrementan con el tiempo, razón por la cual la detección temprana de las causas de cavitación resulta de primordial importancia.