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Ingenieria Mecánica: La cavitación en bombas centrífugas

La cavitación es uno de los fenómenos que mas controversia suscita en un entorno industrial en el que existen numerosos procesos de bombeo dentro del sistema productivo. Esta situación se debe, principalmente, a un claro desconocimiento de la causa que lo produce. No es extraño que el personal no cualificado o que no está familiarizado con este fenómeno confunda algunos síntomas detectados sobre una bomba centrífuga con el fenómeno de la cavitación. Un rodete deteriorado, desmontado de una bomba centrífuga, puede presentar daños por erosión o corrosión que pueden ser confundidos con los daños producidos por un fenómeno de cavitación, igualmente a veces se confunden la aparición de vibraciones o falta de rendimiento con este fenómeno. Vamos a recordar algunos conceptos físicos necesarios para comprender este fenómeno y también veremos cuales son las claves para evitar, en la medida de lo posible, su aparición. La cavitación en nuestras bombas centrífugas producirá efectos indeseados como pueden ser daños en rodetes, vibraciones en el equipo, pérdidas de rendimiento, etc. La detección del fenómeno y su consiguiente corrección evitará, siempre, un coste innecesario sobre el equipo así como el aumento de su fiabilidad y, a la larga, el aumento de la eficiencia del proceso productivo.

Presión de Vapor

La presión de vapor de un líquido a una determinada temperatura se define como aquella presión en la que coexisten tanto la fase liquida como la de vapor. Cuando el líquido, a una determinada temperatura, está sometido a una presión igual al valor de su presión de vapor a esa misma temperatura, en el seno del líquido se formarán pequeñas burbujas de vapor, se dice entonces que el líquido ha entrado en ebullición. Si la presión a la que está sometido el líquido es mayor que su presión de vapor sólo tendremos la fase líquida, si la presión es menor que su presión de vapor, sólo encontraremos fase de vapor. La presión de vapor para un determinado líquido aumenta con la temperatura a la que sometemos dicho líquido. Es un fenómeno fácil de comprender si nos fijamos en lo que ocurre con el agua. Por ejemplo, a una temperatura de 20ºC la presión de vapor del agua es de 0,0238 Kg/cm², si tenemos el agua sometida sólo a la presión atmosférica evidentemente sólo existe la fase líquida pero, ¿que ocurre si aumentamos la temperatura?, si llegamos hasta los 100ºC la presión de vapor ha aumentado hasta 1,033 Kg/cm², justo igual que la presión atmosférica con lo cual en el agua aparecerán coexistiendo tanto la fase de vapor como la de líquido, el agua ha entrado en ebullición y en su seno aparecerán burbujas de vapor. Por el contrario, si no aumentamos la temperatura si no que disminuimos la presión a la que tenemos sometido el agua, en una cámara de vacío por ejemplo, hasta un valor de 0,0238 Kg/cm² el agua entrará en ebullición a una temperatura de 20ºC. Es un concepto físico sencillo y básico que hay que tener muy en cuenta para comprender la aparición del fenómeno de la cavitación en una bomba centrífuga.

NPSH (Net Positive Suction Head)

La comprensión de este concepto es esencial para la correcta selección de una bomba centrífuga. Este término, que significa Altura Neta Positiva de Aspiración, se introdujo en la terminología de instalaciones de bombeo con el fin de caracterizar las condiciones para una buena aspiración. Representa la energía, medida en metros de columna de líquido, con el que el fluido entra en la brida de aspiración de la bomba en términos absolutos y por encima de la presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo. Al final este concepto nos sirve, de manera práctica, para poner limitaciones a las condiciones de aspiración de la bomba de manera que la presión del fluido, a la entrada del impulsor, esté por encima de la presión de vapor del líquido bombeado. Partiendo de este concepto podemos definir el NPSH requerido o NPSHr  y el NPSH disponible o NPSHd. El primero de ellos, el NPSHr es una característica propia de la bomba que sólo puede obtenerse de manera experimental. La mayoría de fabricantes incluyen en las curvas características de sus bombas las curvas de NPSHr en función del caudal. Por su parte, el NPSHd es una característica de la instalación en la que opera la bomba, expresa las condiciones de aspiración a que va a estar sometida la bomba en una instalación y debe ser calculado por el proyectista para la correcta selección de la bomba. Depende de cuatro factores que son totalmente ajenos a la bomba y que sí están relacionados con las condiciones de la instalación, estos son:

   – Presión Pa en el depósito de aspiración.

   – Altura geométrica de aspiración hga, que puede ser positiva o negativa dependiendo si la bomba está por debajo o por encima del nivel del liquido en la aspiración.

   – Pérdidas de carga en el conducto de aspiración pa.

   – Presión de vapor del líquido hv, a la temperatura de bombeo.

por tanto, la expresión para el cálculo del NPSHd será:

   NPSHd = Pa + hgapahv

En una instalación que ya está en funcionamiento podemos obtener la NPSHd midiendo con un manómetro la presión total absoluta en la brida de entrada de la bomba ha a la que deberemos restar la presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo hv:

   NPSHd = hahv

Para que la bomba centrífuga funcione bajo unas condiciones óptimas de aspiración debe cumplirse la condición:

   NPSHd ≥ NPSHr

en la práctica se utiliza un margen entre el 10% y el 15% siempre que éste no sea inferior a 0,5 m que es el valor mínimo recomendado.

La cavitación

La cavitación es un fenómeno producido en el interior de la bomba centrífuga por el cual se produce la formación de burbujas de vapor al descender la presión por debajo de la tensión de vapor del líquido. Estas burbujas de vapor o “cavidades” son arrastradas por la corriente  y desaparecen o implosionan cuando alcanzan zonas de presiones mas altas (por encima de la presión de vapor) en su camino a través de la bomba. Los efectos mas evidentes de la cavitación son ruido y vibración. Son ocasionados por la desaparición de las burbujas de vapor cuando llegan al lado de alta presión de la bomba. Cuanto mayor es la bomba mayores son el ruido y la vibración. Si la bomba funciona en condiciones de cavitación durante periodos largos de tiempo, especialmente en servicios con agua, se produce el picado de los álabes del impulsor. La desaparición violenta de las burbujas de vapor introduce el líquido a alta velocidad en los poros del metal llenos de vapor, produciendo ondas de presión de alta intensidad en áreas reducidas. Estas presiones pueden sobrepasar la resistencia a la tracción del metal, y realmente arrancar partículas, dando al metal una apariencia esponjosa. El ruido y la vibración pueden también causar averías en los rodamientos, rotura del eje y otros fallos en la bomba por fatiga de los materiales.

Impulsor cavitado

Otro factor primordial de cavitación es una disminución en el rendimiento de la bomba, que se evidencia por un descenso de la capacidad. La caída en el rendimiento y en la curva H-Q puede ocurrir antes de que la presión de vapor se alcance, particularmente con aceites minerales, a causa de que se liberan fracciones ligeras y el aire disuelto y en suspensión. El picado perjudicial no es tan serio cuando se manipulan fluidos mas viscosos como petróleo ya que se produce un efecto de amortiguamiento del líquido.

La cavitación podrá ocurrir con mayor o menor intensidad. Cuando ocurre cavitación de pequeña intensidad, sus efectos serán imperceptibles. Con el aumento de la intensidad estos efectos empezarán a ser perceptibles a través del ruido característico. Este ruido es semejante a un martilleo de alta frecuencia o como si bombearan pequeñas bolitas de acero. La erosión producida por la cavitación no se produce en la zona de formación de burbujas si no en la de implosión de las mismas, normalmente en la zona de salida de los álabes del impulsor.

En general, la cavitación indica un NPSH disponible insuficiente. Pérdidas de carga excesivas en la aspiración, junto con una reducida altura estática y alta temperatura, contribuyen a este fenómeno. Por tanto, podemos atacar varios factores a la hora de evitar la aparición de este fenómeno como puede ser reducir las pérdidas de carga en la aspiración, tratar de presurizar el tanque de aspiración, aumentar el nivel del mismo, reducir la altura de aspiración cuando ésta sea negativa, variar en la medida de lo posible la temperatura del líquido bombeado e incluso instalar una pequeña recirculación desde la tubería de impulsión hasta un punto justo a la entrada de la bomba. Si, por el contrario, no existe forma de modificar el sistema puede llegar a ser preciso modificar las condiciones, de forma que pueda utilizarse una bomba distinta con un NPSH requerido mas bajo. Las bombas mayores pueden precisar el uso de una bomba booster auxiliar, para añadir altura de presión a la NPSH disponible.

Espero que esta entrada os ayude a comprender y a tratar este fenómeno que puede aparecer en nuestras bombas centrífugas. Igualmente esta comprensión os ayudará a aplicar las correcciones oportunas para evitar su aparición o minimizarlas en la medida de lo posible. Por favor, enviadme vuestros comentarios o inquietudes al respecto. Gracias.

Un saludo

mecantech@gmail.com
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  1. marcelo
    14/08/2011 en 22:18

    esta excelente el tema sumamente interesamte, gracias por la ayuda

    • 16/08/2011 en 09:33

      Sólo espero que os ayude en vuestro dia a dia…

  2. nicolas
    14/02/2013 en 05:07

    excelente..me sirvio para rendir la ultima materia ingenieria industrial..claro y entendible…como dirian aca en argentina, “al hueso”..

  3. leobardo
    06/01/2014 en 19:31

    muy accesible por clara y puntual la eplicación del fenomeno de la cavitación. Gracias y saludos.

  4. orlando castañeda
    07/05/2014 en 16:26

    gracias y buen día es muy útil explicación del fenómeno de la cavitación. Gracias y saludos.

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