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La cavitación y cómo evitarla

¿Qué es la cavitación?


Todas las bombas funcionan creando una presión baja en la entrada y permitiendo que la presión atmosférica (o del sistema) empuje el fluido hacia la bomba. El proceso hace que todas las bombas sean susceptibles a un fenómeno llamado cavitación. La cavitación es la formación de cavidades de vapor (burbujas) dentro de un líquido cuando la presión local disminuye rápidamente por debajo de la presión de vapor del líquido. Esto forma una burbuja de vapor dentro del líquido que normalmente dura un tiempo breve antes de volver a colapsar y volverse líquido. El colapso es violento, lo que produce un fuerte chasquido y a menudo daña las superficies cercanas. Incluso los metales resistentes pueden sufrir picaduras cuando se someten al fuerte chorro localizado resultante de la implosión de la burbuja.

Ciclo de vida de una burbuja de cavitación

Dentro de las bombas, la cavitación a menudo se origina detrás de una parte móvil donde existen regiones localizadas de baja presión. El usuario puede no darse cuenta de ello, pero la cavitación comenzará a dañar los componentes dentro de la bomba y se debe evitar. A medida que se reduce la presión de entrada del sistema, la cavitación se vuelve más prominente, produciendo fluctuaciones en la bomba, emitiendo ruidos fuertes y, a veces, resultando en líquido turbio en la salida de la bomba.

El punto en el que comienza la cavitación es muy complicado. Es una combinación de viscosidad del fluido, presión de vapor, densidad, temperatura, elevación hidráulica, presión atmosférica, tipo de bomba y velocidad de la bomba. Un precursor de la cavitación es a menudo el crecimiento de gas preexistente atrapado en el líquido. Aunque estas burbujas no suponen un riesgo que pueda dañar la bomba, pueden reducir la precisión del suministro de fluido.


Restricciones de entrada


Con diferencia, la aparición más común de la cavitación al usar bombas de desplazamiento positivo resulta del uso de tubos largos y de diámetro pequeño en la entrada de la bomba. Una ecuación general para la caída de presión a través de un tubo es, donde:

Q = caudal
µ = viscosidad dinámica
L = longitud del tubo
D = diámetro interior del tubo

Tenga en cuenta que la caída de presión depende de D4, por lo tanto, ¡doblar el diámetro interior del tubo reducirá la caída de presión por un factor de 16! La ecuación anterior es solo para flujo laminar (números de Reynolds < 2320). Para el flujo turbulento, la ecuación es más complicada y depende de la densidad en lugar de la viscosidad.

Flujo laminar vs. turbulento en tubos

El tubo no es la única fuente de las caídas de presión que los diseñadores de sistemas hidráulicos pasan por alto. Los filtros de entrada, las válvulas de retención y los orificios son ejemplos de componentes que aumentan el vacío en la entrada. Las válvulas de retención, en particular, deben elegirse cuidadosamente para no crear un vacío demasiado alto.


Cavitación en bombas alternativas de desplazamiento positivo


Las bombas alternativas de desplazamiento positivo no suelen sufrir cavitación interna altamente localizada, como las bombas rotativas de alta velocidad. Sin embargo, tienen una tasa de flujo altamente pulsado, lo que resulta en tasas de flujo máximo de hasta tres veces la tasa de flujo promedio. Más importante aún, la frecuente parada/arranque del fluido genera un vacío basado en la inercia en la entrada. A medida que la bomba comienza a atraer fluido a través de la entrada, el fluido que se encuentra detrás de ella debe acelerarse. Al igual que con la resistencia viscosa, un tubo largo y delgado es la peor opción para el vacío relacionado con la aceleración del fluido (proporcional a D2). Estos aspectos de las bombas alternativas pueden sorprender a un ingeniero de sistemas que se encuentre diseñando para el caudal medio.

Flujo pulsado en una bomba alternativa

Cavitación en bombas rotativas de desplazamiento positivo


Además de la resistencia que produce el vacío mencionada anteriormente, los elementos móviles de alta velocidad crean una región de baja presión inmediatamente detrás del elemento móvil. Esto supone un riesgo en componentes de mayor diámetro como las hélices o el impulsor de una bomba centrífuga y no tiene una influencia tan fuerte sobre las bombas de engranajes más pequeñas. Sin embargo, la cavitación interna puede ocurrir en una bomba de engranajes en la malla del engranaje cuando el vacío se abre entre los dos engranajes, y el volumen recién creado se llena rápidamente con líquido. Este efecto puede minimizarse con engranajes helicoidales mecanizados con precisión, generando una apertura suave de la malla del engranaje. Sin embargo, los mecanismos internos dentro de la bomba pueden producir caídas de presión localizadas de hasta 0,1 bar en el agua a velocidades superiores a 3000 rpm.

Ubicaciones comunes de la cavitación en una bomba de engranaje externo

Las bombas peristálticas y lobulares tienen una pulsación relativamente fuerte en sus perfiles de flujo. Esta pulsación produce vacíos transitorios similares a los de las bombas alternativas. Por lo tanto, se debe tener cuidado al implementar estos tipos de bombas.


Altura neta positiva en la aspiración (NPSH, por sus siglas en inglés)

 

NPSH es una métrica común utilizada por los ingenieros civiles. Los fabricantes de bombas centrífugas y turbinas de esta industria a menudo otorgan a sus bombas una clasificación NPSH que indica la presión mínima necesaria en el puerto de succión para evitar la cavitación de la bomba. La NPSH se indica típicamente en unidades de pies, ya que es la unidad común de presión (altura) tratada por los ingenieros civiles en los Estados Unidos. Las bombas de desplazamiento positivo en los sectores médico, de alimentos y bebidas, y las aplicaciones de la industria ligera no suelen fijar valores de NPSH a las bombas debido a las grandes variaciones en los fluidos, temperaturas, velocidades y otras condiciones de funcionamiento.

La mejor manera de evitar la cavitación es involucrar al proveedor de la bomba en la fase inicial del diseño de un sistema hidráulico. Los ingenieros de bombas entienden la sensibilidad de sus bombas, saben qué niveles de vacío son tolerables y tienen experiencia significativa en la adaptación de sistemas hidráulicos para evitar la cavitación. La estrecha colaboración entre los diseñadores de sistemas y los ingenieros de bombas agiliza el proceso de diseño y evita iteraciones al final del ciclo de diseño.