Explicación de la cavitación: comprensión, prevención y uso de las burbujas de vapor

La cavitación, la rápida formación y colapso de burbujas de vapor en líquidos, plantea un desafío importante para la maquinaria. Este fenómeno puede causar daños mecánicos, reducir la eficiencia y generar ruidos molestos. Comprender los mecanismos detrás de la cavitación es vital para prevenir fallas en los equipos y optimizar el rendimiento.

Este artículo profundiza en la ciencia de la cavitación, sus diversas formas, efectos destructivos y aplicaciones beneficiosas. También analizaremos cómo abordar los problemas de cavitación mediante la comprensión de la altura de succión neta positiva (NPSH).

¿Qué es la cavitación?

La cavitación es un fenómeno que se caracteriza por la formación y el colapso rápido de cavidades llenas de vapor dentro de un líquido. Estas cavidades, a menudo denominadas burbujas, aparecen cuando la presión local del fluido cae por debajo de su presión de vapor. El colapso posterior de estas burbujas puede generar una cantidad significativa de energía, lo que da lugar a una serie de efectos, tanto destructivos como beneficiosos.

Para definir mejor la cavitación, es importante entender que no se trata simplemente de ebullición, aunque en ambos procesos interviene la formación de burbujas de vapor. En la cavitación, la caída de presión es la causa principal, mientras que la ebullición se produce cuando un líquido alcanza su punto de ebullición.

La ciencia detrás de la cavitación

A. Presión y presión de vapor

La aparición de cavitación se rige principalmente por la relación entre la presión local dentro de un líquido y la presión de vapor de ese líquido. La presión de vapor es la presión a la que un líquido se convertirá en vapor a una temperatura determinada. Si la presión local dentro de un líquido cae por debajo de su presión de vapor, el líquido comenzará a vaporizarse, formando burbujas de vapor. Esto suele ocurrir en áreas donde el fluido se acelera.

B. Las etapas de la formación de burbujas

La cavitación se inicia en regiones de baja presión dentro de un líquido. Estas zonas de baja presión suelen crearse por cambios en la velocidad del flujo. Cuando un fluido se acelera, su presión disminuye, según el principio de Bernoulli.

La formación de burbujas de vapor también requiere sitios de nucleación. Estos sitios pueden ser impurezas microscópicas, gases disueltos o pequeñas grietas en superficies sólidas dentro del sistema de fluido. Estas imperfecciones proporcionan la ubicación inicial para el desarrollo de burbujas de vapor porque la tensión superficial del líquido se reduce. Una vez que comienza a formarse una burbuja, crece rápidamente a medida que el líquido circundante continúa vaporizándose en la zona de baja presión.

C. Implosión violenta de una burbuja

Una vez que estas burbujas de vapor pasan de la región de baja presión a una región de alta presión, el líquido circundante se precipita para llenar el vacío. Esto hace que la burbuja colapse rápidamente y las moléculas del líquido circundante colisionen, lo que da como resultado un aumento rápido de la temperatura y la presión. Esta implosión es la causa principal del potencial destructivo de la cavitación.

Durante el colapso se generan ondas de choque de altísima presión que se irradian hacia el exterior y que impactan en las superficies materiales cercanas. Además, pueden formarse diminutos chorros de líquido a alta velocidad, conocidos como microchorros, que impactan en las superficies. Estos microchorros, junto con las ondas de choque, pueden causar daños considerables a los materiales circundantes. Además, la implosión va acompañada de una considerable liberación de energía, principalmente en forma de calor y fuerza mecánica.

Tipos de cavitación

La cavitación puede manifestarse de diversas formas, cada una con sus características y causas distintas:

A. Cavitación inercial (transitoria)

Este tipo implica el rápido crecimiento y el colapso violento de burbujas de vapor, como se explicó anteriormente. Por lo general, se asocia con eventos de alta energía y es conocido por su naturaleza destructiva. La cavitación inercial puede causar daños mecánicos y ruido importantes.

B. Cavitación no inercial

A diferencia de la cavitación inercial, la cavitación no inercial implica el crecimiento y la oscilación de burbujas de gas preexistentes. Es menos destructiva que la cavitación inercial, aunque puede tener algunos efectos en ciertas aplicaciones. La cavitación no inercial suele asociarse con aplicaciones que involucran campos ultrasónicos y transmisión acústica.

C. Cavitación hidrodinámica

La cavitación hidrodinámica se produce debido a cambios en la velocidad y la presión del fluido dentro de un líquido que fluye. Se observa con frecuencia en bombas, hélices y válvulas de control, donde se producen aceleraciones y desaceleraciones rápidas del fluido. Esta forma de cavitación es altamente destructiva porque las burbujas de vapor se forman y colapsan con alta energía.

D. Cavitación por vaporización

La cavitación por vaporización se produce cuando la temperatura del fluido aumenta hasta su punto de ebullición en una región de baja presión. Esto es similar a la ebullición, pero es causada por la caída de presión local en lugar de un aumento de la temperatura. Conduce a la formación de burbujas de vapor que pueden colapsar violentamente cuando se exponen a una mayor presión.

E. Cavitación por turbulencia

La cavitación por turbulencia se produce por fluctuaciones rápidas de presión en un flujo turbulento. La naturaleza irregular y caótica del flujo turbulento crea zonas localizadas de baja presión que hacen que el fluido cavite. Esto es común en sistemas de flujo donde hay turbulencia.

F. Cavitación con paso de veleta

La cavitación por paso de álabes es específica de la maquinaria rotativa, como bombas y turbinas. Se produce por la interacción del fluido con los álabes o paletas rotativas, lo que genera áreas de baja presión. Estas caídas de presión localizadas pueden provocar la formación de burbujas cerca de los álabes, lo que puede provocar daños graves.

Los efectos destructivos de la cavitación

La cavitación no siempre es un fenómeno deseado debido a su potencial destructivo, que puede afectar gravemente el rendimiento y la longevidad del equipo:

A. Daños mecánicos

La cavitación puede provocar diferentes tipos de daños mecánicos a los materiales:

Picaduras: El colapso repetido de las burbujas de vapor provoca pequeños cráteres o picaduras en las superficies de los materiales. Se trata de una forma localizada de erosión que puede debilitar la estructura del componente con el tiempo.
Erosión: A medida que las burbujas colapsan, crean microchorros de alta velocidad que impactan las superficies y erosionan progresivamente el material. Esto es especialmente dañino para los metales más blandos.
Fatiga del material: Las ondas de choque y los microchorros repetidos inducen tensiones cíclicas en el material que pueden provocar grietas por fatiga. La fatiga debilita la integridad estructural del componente con el tiempo.
Microfracturas: La intensa presión que ejercen las burbujas al colapsar puede provocar microfracturas, especialmente en materiales frágiles. Estas microfracturas pueden crecer y, con el tiempo, provocar la falla de un componente.

B. Ruido y vibración

La implosión de burbujas de vapor genera ruidos y vibraciones importantes que se pueden oír y sentir en el sistema. Estos ruidos y vibraciones pueden causar molestias y la exposición prolongada puede contribuir al desgaste del equipo. También pueden ser un indicador de cavitación en el sistema.

C. Pérdida de eficiencia y rendimiento

La cavitación altera el flujo uniforme del fluido. La formación y el colapso de burbujas de vapor crean turbulencias e impiden el flujo del fluido. Esta alteración reduce la eficiencia de bombas, turbinas y otros sistemas hidráulicos. Por ejemplo, el rendimiento de una bomba disminuye cuando se produce cavitación, ya que la bomba tiene dificultades para bombear el fluido.

D. Efectos químicos

La cavitación puede inducir efectos químicos, especialmente en líquidos. Las temperaturas y presiones extremas generadas durante el colapso de las burbujas pueden iniciar reacciones químicas. Por ejemplo, en el agua, la cavitación puede provocar sonoluminiscencia, la emisión de luz y la formación de radicales libres. Estos radicales libres son altamente reactivos y pueden provocar cambios adicionales en la química del agua.

E. Materiales más susceptibles

Ciertos materiales son más vulnerables al daño por cavitación:

Metales blandos: Materiales como el aluminio, el cobre y el latón son particularmente susceptibles a la erosión y las picaduras debido a su menor dureza.
Plásticos: muchos plásticos pueden resultar dañados por la cavitación, volverse quebradizos y agrietarse bajo presión.
Elastómeros: Los elastómeros también pueden sufrir daños por erosión por cavitación.
Materiales de baja dureza: Los materiales con valores de dureza más bajos son generalmente más vulnerables a los impactos de la cavitación.
Materiales con defectos: La presencia de defectos o imperfecciones dentro de un material puede actuar como concentradores de tensión y hacer que el material sea más susceptible a daños por cavitación.

Aplicaciones de la cavitación

Aunque los efectos destructivos de la cavitación son bien conocidos, este fenómeno se puede aprovechar para diversas aplicaciones beneficiosas:

A. Cavitación en bombas

La cavitación es un fenómeno común en las bombas, especialmente cuando funcionan en condiciones que generan una presión de entrada baja. La caída de presión en la bomba puede provocar cavitación si la presión cae por debajo de la presión de vapor del líquido.

B. Cavitación en turbinas y hélices

Al igual que las bombas, las turbinas y las hélices también están sujetas a cavitación. Las palas giratorias y los campos de presión variables en estos sistemas pueden generar áreas de baja presión. Esta cavitación reduce la eficiencia y genera mucho ruido, además de dañar las palas.

C. Usos beneficiosos de la cavitación

Limpieza ultrasónica: La cavitación es un mecanismo fundamental de la limpieza ultrasónica, que utiliza ondas sonoras de alta frecuencia para crear burbujas microscópicas en una solución de limpieza. Las burbujas colapsan rápidamente y liberan energía que puede desalojar la suciedad, la grasa y otros contaminantes de las superficies.
Sonoquímica: La cavitación se aplica en la sonoquímica para iniciar o acelerar las reacciones químicas. Las condiciones extremas generadas durante el colapso de las burbujas pueden inducir cambios químicos, lo que produce nuevos materiales o mejora los procesos químicos existentes. La sonoquímica tiene aplicaciones en campos como la síntesis farmacéutica, la ciencia de los materiales y la remediación ambiental.
Aplicaciones médicas: La cavitación se está investigando para aplicaciones médicas, como la administración de fármacos dirigidos y el tratamiento del cáncer. Las ondas ultrasónicas se pueden utilizar para generar burbujas de cavitación cerca de células cancerosas o en lugares específicos, alterando tejidos o liberando fármacos. El uso de la cavitación en procedimientos médicos aún se está investigando, pero es prometedor para tratamientos mínimamente invasivos.

Altura de succión neta positiva (NPSH)

La altura de succión neta positiva (NPSH) se define como la presión absoluta en el puerto de succión de una bomba menos la presión de vapor del fluido que se bombea. Representa la energía de presión disponible para empujar el fluido hacia la bomba y evitar la cavitación. Existen dos tipos de NPSH:

NPSHa (Altura de succión neta positiva disponible): Se refiere a la altura total o presión del fluido que ingresa a la bomba, menos la presión de vapor del fluido en la entrada de la bomba. La NPSHa es una característica del sistema, no de la bomba. Depende de factores como la temperatura del fluido, la presión atmosférica y la geometría del sistema.
NPSHr (Altura de succión neta positiva requerida): Este es el NPSH mínimo que necesita la bomba para evitar la cavitación. El NPSHr es una característica de la bomba y normalmente lo proporciona el fabricante. Depende del diseño de la bomba y de las condiciones de funcionamiento.

Para garantizar un NPSHa adecuado en un sistema y evitar condiciones de cavitación, el NPSHa siempre debe ser mayor que el NPSHr. Debe haber un margen de seguridad para tener en cuenta las variaciones en las condiciones de funcionamiento.

Solución de problemas de cavitación

Para abordar los problemas de cavitación a menudo es necesario adoptar un enfoque sistemático:

Aumentar la presión del sistema: Asegúrese de que la presión de entrada de la bomba sea superior a la presión de vapor del líquido aumentando la carga estática o reduciendo las pérdidas en la línea de succión.
Reducir la temperatura del fluido: Bajar la temperatura del líquido puede disminuir su presión de vapor, haciéndolo menos propenso a la cavitación.
Optimizar la colocación de la bomba: Reposicionar la bomba más cerca de la fuente de fluido o bajarla para reducir la altura de succión puede ayudar a aumentar el NPSHa.
Aumentar el diámetro de la tubería: El uso de tuberías más grandes y de longitud reducida puede reducir las pérdidas de presión.
Suavizar el flujo: Reducir las fluctuaciones de presión y minimizar las curvas cerradas o las obstrucciones en la trayectoria del flujo puede ayudar con la cavitación.
Elija la bomba adecuada: Seleccione la bomba adecuada para la aplicación para evitar condiciones de cavitación.
Inspeccionar el equipo: Asegúrese de que el equipo reciba el mantenimiento adecuado. Compruebe que las bombas y las tuberías no presenten obstrucciones ni daños.
Sistemas de control de implementos: Utilice sistemas de control automatizados para gestionar las condiciones de operación y minimizar las fluctuaciones de presión.
Utilice materiales especiales: Si la cavitación es inevitable, utilice materiales que sean más resistentes a los efectos de la cavitación.
Instalar dispositivos anticavitación: Considere instalar dispositivos o componentes anticavitación en el sistema.