¿Qué es la cavitación y cómo prevenirla?

La cavitación es la formación y explosión repentina de burbujas de vapor. Es un fenómeno que aparece cuando la presión del fluido o líquido transportado cae por debajo de su presión de vapor, creándose burbujas que estallan con fuerza en la superficie metálica de la bomba de succión o de otros artefactos que se encuentran en la línea de transporte de fluido, e incluso en la misma tubería.

La cavitación puede presentarse en la succión de una bomba. Imagen de Newequipment

Es un fenómeno, por lo general, no deseado ya que genera ruidos molestos en las tuberías que transportan fluidos y en los sistemas de bombeo, además de ocasionar serios daños en el interior de las bombas de succión.

En este artículo describiremos el proceso de cavitación y cómo evitarlo, así como, las desventajas de la presencia de la cavitación en las líneas de transporte de fluidos.

Tabla de contenidos

1. ✔Introducción
2. ✔Presión de vapor
3. ✔¿Qué es la cavitación?
4. ✔¿Cómo se produce la cavitación?
1. ✔Por el uso de válvulas
2. ✔Por el uso de bombas
1. ✔NPSH
1. ✔NPSHdisp
2. ✔NPSHreq
3. ✔Conducciones de líquido
5. ✔Problemas de la cavitación

Introducción

Daño producido por cavitación. Imagen de Rodelta

El proceso físico de la cavitación es muy similar al de la ebullición de un líquido. Su principal diferencia es que para que ocurra la ebullición debe elevarse la presión sobre la presión local (de esta manera, ocurre un cambio de fase líquida a gaseosa), mientras que en la cavitación, la aparición de la fase gaseosa ocurre cuando la presión cae por debajo de la presión de vapor del líquido, debido a la succión generada por la bomba.

Sin embargo, para que estas burbujas puedan crearse se requiere una superficie, en la cual, dichas burbujas puedan nuclearse. Esto puede ocurrir en las paredes de los tanques, contenedores o tuberías en donde se encuentra el líquido. Incluso, cualquier mella o irregularidad de los accesorios de la línea de transporte es suficiente para generar la superficie necesaria para que se creen las burbujas de vapor.

Hay que tener en cuenta que la temperatura del fluido va a ser un factor determinante en la aparición de la cavitación, ya que un cambio de temperatura en el líquido afectará la presión de vapor, lo que promoverá o inhibirá la aparición de la cavitación.

Asimismo, la ubicación de los equipos hidráulicos utilizados durante el transporte del fluido son factores de importancia en la aparición de la cavitación. Sobre todo, la posición de estos equipos respecto al nivel del líquido en su depósito de succión o en su canal de restitución. Modificando la posición de los equipos, específicamente la bomba, se puede evitar la aparición de la cavitación durante el transporte del líquido. Para logar esto, se toma como referencia un punto de la bomba o la turbina, de modo que se pueda realizar un análisis de los parámetros que se asocian con la aparición de la cavitación, como es el caso del NPSH de la bomba. Su estudio detallado puede evitar la cavitación y por ende, contribuir a la protección de la bomba.

Presión de vapor

La presión de vapor es un concepto clave para poder entender la cavitación. Su definición más simple, es que es aquella presión en la que existe, de manera simultánea, una fase líquida y otra gaseosa de un fluido a una determinada temperatura.

Entonces, si a una determinada temperatura un líquido se encuentra a una presión igual a la presión de vapor, aparecerán burbujas de vapor entrando en un estado de ebullición. Mientras que si la presión a la que se encuentra sometida el líquido es superior a la presión de vapor, su estado se mantendrá líquido.

Por otro lado, si la presión es menor a la presión de vapor se podrá observar la aparición de la fase gaseosa, lo que en nuestro caso conlleva a la aparición de la cavitación, siendo este fenómeno directamente dependiente del cambio de la temperatura del fluido o del líquido.

¿Qué es la cavitación?

Burbujas formadas por la cavitación dentro de una bomba centrífuga. Imagen de Slideshare

También conocida como aspiración en vacío, la cavitación es un fenómeno producido cuando aparecen cavidades o burbujas de vapor dentro del fluido en estado líquido que se transporta a través de una tubería, utilizando generalmente succión por parte de una bomba.

La cavitación, suele aparecer cuando la velocidad del fluido es elevada y éste choca o colisiona con una superficie afilada que fomenta la aparición de las cavidades de vapor, ocasionadas por la descompresión del fluido que se deben fundamentalmente a la conservación de la Constante de Bernoulli.

Así, este fenómeno aparece con una presión de sistema inferior a la presión de vapor generada por la succión de la bomba. Las burbujas que se generan viajan rápidamente a zonas de mayor presión durante su transporte, estallando con fuerza y súbitamente sobre la superficie que contiene el líquido. La liberación de energía de esta colisión puede generar daños en la estructura de la superficie en donde estalla la burbuja de vapor.

En palabras más simples, podemos describir a este fenómeno hidroneumático de la siguiente manera: Cuando se transporta líquido en una tubería se puede presentar una disminución de su presión interior. Si esta presión disminuye por debajo de la presión ambiente, se genera una presión de vacío. En estas condiciones de vacío, el fluido sigue siendo líquido durante algún tiempo hasta que el valor de este vacío induce al líquido a cambiar de fase, apareciendo vapor dentro de la tubería.

Esta situación se da cuando aumenta la temperatura dentro de la tubería o la presión del líquido baja más allá de la presión de vapor. Cuando se llega a esta situación, se liberan gases que se van nucleando, generando cavidades gaseosas o burbujas que viajan con el líquido y que van ganando presión debido a la velocidad de transporte, llegando a un punto donde súbitamente estallan con gran violencia, este es el fenómeno de cavitación.

¿Cómo se produce la cavitación?

La caída de presión conlleva a la cavitación, pero ésta se genera en tuberías mediante fenómenos que ocurren con el uso de diferentes accesorios o equipos hidroneumáticos. Las principales causas de la disminución de la presión en líneas de transporte de fluidos, son las siguientes:

Por el uso de válvulas

Daño de cavitación en válvulas. Imagen de Emerson

Las válvulas son accesorios muy utilizados en el flujo de fluidos. Sin embargo, cuando éstas tienen una abertura escasa en presencia de un caudal alto de fluido, se presenta una pérdida de presión considerable. Esta pérdida se debe al roce de la corriente del fluido con el obturador de la válvula.

Simultáneamente, se presenta una elevación de la velocidad del fluido que se origina por la disminución del área de paso del líquido a través de la válvula, generando una turbulencia apreciable que puede explicarse y calcularse con la siguiente ecuación:

Q = A x v

Donde:

• Q: Es el caudal del fluido que pasa por la válvula.
• A: Es el área de paso del fluido.
• v: Es la velocidad del fluido.

Al estudiar la ecuación, notaremos que al presentarse una disminución del área de paso del fluido manteniendo el mismo caudal, se eleva la velocidad de este fluido. Esto se conoce como Efecto Venturi. La elevación de la velocidad promueve una baja en la presión. Si esta baja de presión alcanza la presión de vapor aparece la cavitación.

Al salir de la válvula, el fluido que presentan las burbujas de vapor se transporta a través de la tubería. Al experimentar una subida de presión súbita debido al aumento del área por donde fluye (sección de la tubería) se genera el estallido violento de las burbujas.

Este fenómeno de cavitación dado por válvulas, por lo general no presenta mayor problema siempre y cuando se esté trabajando con válvulas de acción rápida, utilizadas para abrir y cerrar el paso de fluido por la tubería. Sin embargo, estas válvulas llegan a presentar inconvenientes cuando son utilizadas para regular el flujo de fluido a caudales elevados y con reducciones de presión considerables.

Afortunadamente, los fabricantes de válvulas proveen junto a sus productos, toda la información necesaria sobre el riesgo de cavitación generado por el uso de éstas, detallando incluso el rango de presión donde se estima aparecerá la cavitación según el tipo de líquido con el cual se esté trabajando. Esta información suele ser dada en forma gráfica o tabulada.

Combinar la información suministrada por el fabricante con la selección de una válvula con menor dimensión que la estimada inicialmente en el diseño previo (o de las condiciones de trabajo en la línea de transporte) puede reducir enormemente el riesgo de cavitación.

Actualmente, muchas válvulas cuentan con un dispositivo que minimiza la aparición de la cavitación. Este dispositivo va acoplado al obturador, sin embargo, siempre es conveniente tomar las precauciones descritas con anterioridad.

Otro punto a considerar para evitar la cavitación generada por válvulas, es evitar el uso de válvulas de compuerta en zonas intermedias de la línea de transporte, ya que éstas no son recomendadas para regular fluido, generando mucha turbulencia.

También, se recomienda colocar en paralelo a una válvula reductora de presión una válvula secundaria de menor tamaño, la cual, trabajará cuando los caudales sean bajos, evitando así que se produzca la cavitación cuando el flujo del fluido experimente grandes cambios de caudal, como se puede ver en la siguiente figura:

Arreglo de válvulas en paralelo para reducir la cavitación. Imagen de iagua

Por el uso de bombas

Las bombas utilizadas para el flujo de fluidos también promueven la cavitación. Este fenómeno ocurre cuando estas bombas operan con una aspiración excesiva, lo que puede llevar a alcanzar condiciones de presión de succión iguales o inferiores a la presión de vapor del fluido a transportar, apareciendo entonces las cavidades de vapor que pueden generar daños considerables a la estructura de la bomba al estallar con violencia en su estructura.

El comportamiento de la presión en una bomba se detalla muy fácilmente, ya que en la succión la presión es baja o ambiente y se encuentra justo antes de los álabes del impulsor de la bomba. Cuando el líquido llega al impulsor, experimenta un aumento progresivo de la presión hasta que alcanza el difusor de salida.

Este comportamiento explica por qué los daños por cavitación aparecen generalmente en el inicio de los álabes del impulsor, ya que en esta zona es justo donde se comienza a recuperar la presión y las cavidades estallan con violencia. Aunque también pueden presentarse en la descarga de la bomba, debido al cambio de presión cuando ingresa a la tubería.

La cavitación en una bomba puede evitarse logrando que se cumpla una simple relación:

NPSHdisp ≥ NPSHreq + 0.5

Donde:

• NPSHdisp: Es NPSH disponible.
• NPSHreq: Es NPSH requerido.

Para entender esta relación, es necesario definir qué es el NPSH. Este concepto es muy importante ya que nos permitirá seleccionar la bomba adecuada y evitar la cavitación.

NPSH

Aparición de la cavitación en una bomba centrífuga. Imagen de Mechanicalengineeringsite

NPSH son las siglas en ingles de Altura Neta Positiva de Aspiración. Este término fue introducido para caracterizar las condiciones de una aspiración o succión óptima. El NPSH representa la energía medida en metros de la columna del líquido que ingresa en términos absolutos a la zona de aspiración o succión de la bomba, y por encima de la presión de vapor del fluido a temperatura de bombeo.

Gracias a este concepto, podemos limitar las condiciones de aspiración de la bomba, de modo que la presión de succión sea siempre superior a la presión de vapor del fluido evitando la cavitación. Para efectos de estudio, el ingeniero puede utilizar dos tipos de NPSH para evitar el fenómeno de aspiración al vacío: El NPSHdisp y el NPSHreq.

NPSHdisp

NPSH disponible. Se trata de una característica de la instalación en la que se encuentra operando la bomba, expresando las condiciones de succión a la cual será sometida la bomba. Este NPSH debe ser calculado para poder realizar una correcta selección de la bomba. Para ello, hay que utilizar la siguiente ecuación:

NPSHdisp = Pa + hga – pa – hv

Donde:

• Pa: Es la presión en el depósito de aspiración.
• hga: Es la altura de aspiración. Puede ser positiva o negativa dependiendo de la ubicación de ésta, ya sea por debajo o por encima del nivel del líquido a succionar.
• pa: Son las pérdidas de carga en el conducto de succión o aspiración.
• hv: Presión de vapor del líquido a temperatura de bombeo.

En condiciones de operación reales en instalaciones que ya están funcionando, podemos estimar el NPSHdisp de la siguiente manera: Se mide la presión de aspiración que es suministrada por un manómetro ubicado en la succión de la bomba. Esta medida será la presión absoluta de entrada a la brida de succión, a la que le podemos restar la presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo y obtener el valor deseado.

Puede expresarse así: NPSHdisp = ha – hv

También puede expresarse aplicando la Ecuación de Bernoulli, quedando la ecuación de estimación de la siguiente manera:

NPSHdisp = [(Pa−Pv)/ρg] − hs − hls − (vs^2/g)

Donde:

• Pa: Es la presión absoluta de la succión de la bomba.
• Pv: Es la presión de vapor.
• ρ: Es la densidad del fluido.
• g: Es la aceleración de la gravedad.
• hs: Diferencia de altura entre la bomba y el nivel del fluido.
• hls: Cabezal de pérdida de la tubería de succión.
• vs: Es la velocidad del fluido a la entrada de la bomba.

NPSHreq

El NPSHreq es una característica propia de la bomba y es suministrada por su fabricante. Estos valores sólo pueden ser obtenidos de manera experimental y son dados en forma gráfica en función de los caudales de operación de la bomba.

Conociendo estos conceptos, podemos decir entonces que la aparición de la cavitación nos indica un valor de NPSHdisp insuficiente, fenómeno que puede darse por la combinación de varios factores, como pérdidas de cargas excesivas, poca altura estática de la bomba y altas temperaturas de operación.

Para evitar la cavitación podemos disminuir las pérdidas de carga. Para ello, se puede presurizar el tanque de succión del líquido, elevando su presión. También se puede disminuir la altura de aspiración cuando ésta sea negativa, es decir, elevar en lo posible la altura de la bomba.

Otra medida es, en lo posible, mantener baja la temperatura del fluido a bombear. De no ser posible, cambiar las condiciones de operación (siempre que se pueda) a una bomba distinta con un NPSHreq más bajo.

Si el proyecto de bombeo se encuentra en diseño, se recomienda el uso de un NPSH óptimo o NPSH máximo de cavitación de una bomba, levantando una curva de NPSHdisp a diferentes caudales de operación e interceptándola con la curva de NPSHreq. Este punto debería ser el ideal para la bomba seleccionada. Este proceso de selección de bombas mediante el NPSH lo podemos tratar en un artículo futuro.

Punto de intersección de NPSdisp con NPSHreq para estimar el NPSH óptimo o máximo de una bomba centrífuga. Imagen de Thefluidmechanic

Conducciones de líquido

La cavitación también puede presentarse durante el flujo de fluido a través de tuberías. Esta situación se presenta cuando hay paquetes, o bolsas de aire o de gas dentro de la tubería. Estos elementos generan grandes pérdidas y caídas de caudal. Este tipo de flujo intermitente puede evitarse utilizando válvulas de ventosa.

Problemas de la cavitación

Como hemos visto en transporte de fluidos, la cavitación es un fenómeno no deseado ya que genera daños graves a las estructuras produciendo corrosión que deja inoperativos equipos como bombas y tuberías durante todo el trayecto.

Asimismo, también genera daños en ámbitos más allá del flujo de fluidos en tuberías. Por ejemplo, en la industria naval, la cavitación es un fenómeno que puede dañar hélices y timones. Sin embargo, no siempre es un fenómeno indeseado, ya que en la industria militar, la supercavitación es utilizada para la propulsión de torpedos, permitiendo su desplazamiento a velocidades muy altas. Como podemos notar, la cavitación presenta muchos problemas de erosión, pero también puede aprovecharse en otras áreas industriales.

La cavitación es un fenómeno hidráulico no deseado durante el manejo de fluidos, ya que genera daños e inconvenientes a los equipos y accesorios de las líneas de transporte y las bombas, por lo tanto, es un problema que el ingeniero químico debe atacar utilizando sus conocimientos de mecánica de fluidos y fenómenos de transporte. Algunos de estos conceptos los abordamos en el artículo. Como siempre, pueden dejar sus comentarios para intercambiar ideas o experiencias en esta área.


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