Cavitación
Cavitación
Una introducción al tema
S/Norma DIN: 24.260 “Formación de vapor de Agua a causa del descenso local
de la presión por debajo de la presión de saturación del líquido, y condensación
brusca 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.
Definiciones
La 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...
liquido ⇒
... Y finalmente
implotan y desaparecen
en la corriente.
vapor
⇒
liquido
Implosión de las burbujas de vapor
La implosión de las burbujas de vapor sigue ciertas direcciones, dependiendo de las
condiciones de presión:
Direccíon del flujo
En el centro de una
tubería o canal entre
dos álabes
Burbuja de vapor
totalmente
desarrollada
En la pared de una
tubería o un contorno
sólido como los álabes
de un rodete
Direccíon del flujo
La burbuja se va
deformando
Implosión
Microchorro
o Jet
Implosión de las burbujas de vapor
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.
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
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