La cavitación es un fenómeno que ocurre al formarse burbujas de vapor en la entrada del impulsor, las cuales luego colapsan en las áreas de alta presión de los impulsores. Cuando las burbujas colapsan la energía liberada produce ruido y daños generalizados en las bombas. La magnitud de los daños depende de los niveles de energía y de la metalurgia usada en el equipo.
La figura 6-8 muestra el diagrama de la dinámica
de la formación de las burbujas de gas en el ojo de succión del impulsor en presencia de la cavitación.
Figura N° 6-8.- Diagrama de impulsor mostrando la
dinámica de la formación de las bur- bujas y el colapso final.
Fuente: How to Order a Pump and Get What You Want-Short Course
2/Turbomachinery Symposium_1992.
En la figura se muestra como se forma la burbuja para luego observar, por el incremento de presión a medida que el impulsor transmite energía al fluido,
el posterior colapso de las burbujas con la generación de la onda de choque que es la que produce los daños en el equipo.
La cavitación ocurre cuando el NPSHA es insuficiente para cubrir las pérdidas a la succión y está por debajo del NPSHR de la bomba. La figura
6-9 muestra el comportamiento de la presión a la
succión de una bomba centrífuga. La presión con que viene el líquido hacia la succión es la observada en el punto N° 1 en ambos diagramas, cuando el fluido toca el punto N° 2 la presión de succión disminuye debido a que la bomba absorbe parte de la energía que trae el líquido para propulsarlo al interior del impulsor. Si la presión en este punto es superior a la presión de vapor del líquido (HVP), no
se produce cavitación (diagrama superior de la figura N° 6-9), si por el contrario la presión de succión cae por debajo de la presión de vapor del líquido bombeado (HVP), el fluido se vaporiza y se
inicia la cavitación (diagrama inferior de la figura N° 6-9).
La palabra cavitación se deriva de la palabra cavidad, es decir espacio vacío o hueco, estos espacios vacíos se forman con burbujas de vapor, gases y aire
Figura N° 6-9.- Diagrama que muestra la distri-
bución de presiones a la succión de una bomba.
Fuente: http://webwormcpt.blogspot.com/2008/02/why-centrifugal-pump-npsh-
required.html
Luego que los alabes del impulsor transmiten energía al fluido en el punto N° 3 se incrementa la presión aguas abajo del ojo del impulsor causando el colapso de las burbujas que se formaron el área de succión del impulsor.
La ebullición del líquido puede ser inducida sin calentarlo, al llegar a una presión en el sistema de succión por debajo de la presión de vapor del
líquido (HVP). A nivel del mar donde la presión
atmosférica es de un bar (14,7 psi) el agua hierve a 100 °C (212 °F), lo cual produce vapor que tiene aproximadamente 1.600 veces el volumen que tenía en estado líquido, cuando las burbujas suben a la superficie del líquido liberan el calor y la energía de presión. Sin embargo como el diferencial de presión entre la superficie del líquido y la atmosfera es reducido, la onda de choque generada por la liberación de la energía es extremadamente pequeña y se disipa en todas las direcciones en la superficie del líquido.
En los líquidos en condición estacionaria la presión es constante en cualquier dirección, sin embargo cuando el líquido fluye a través de una bomba centrífuga existen diferencias en las velocidades relativas locales en los distintos puntos del impulsor. Estas diferencias en las velocidades se deben a la distribución de las presiones del líquido que fluye en los canales hidráulicos de las bombas, debido a la separación entre el área próxima al alabe que transmite la energía al fluido y el área próxima al lado inactivo de este alabe.
No es muy complicado entender que existe una marcada diferencia en la presión existente en la cara del alabe que transmite la energía y la cara no activa del alabe, en algunas situaciones en las zonas inactivas de los alabes, donde la baja presión encontrada puede alcanzar la presión de vapor del líquido bombeado (HVP), ocurre la cavitación.
La Figura N. 6-10 presenta el diagrama de un
impulsor mostrando los sectores típicos los cuales son los más afectados por el fenómeno de
cavitación y por la recirculación.
Figura N° 6-10.- Diagrama de impulsor mostran-
do las áreas afectadas por la cav-
itación.
Con excepción de lo observado en regímenes de flujo muy altos, donde la alta velocidad del fluido en los canales hidráulicos de la bomba propicia la reducción de la presión local del fluido por debajo de la presión del vapor, la cavitación se manifestará
en la cara inactiva del alabe en las áreas próximas a la succión. En flujos muy altos la
cavitación se manifiesta en la lengüeta de
descarga de la voluta o en la cara activa de los
alabes del impulsor es decir en el lado del impulsor que suministra la energía al fluido. La figura 6-10 muestra también las áreas de los alabes afectadas por la recirculación en la succión y la recirculación en la descarga.
El fenómeno de la cavitación ocurre en la bomba de la siguiente manera: en las regiones de baja presión del impulsor se forman burbujas de vapor cuando la presión local está por debajo de la presión de vapor del fluido (HVP). El flujo de líquido en el interior de la
bomba arrastra las burbujas a las regiones de alta presión. Estas burbujas colapsan Instantáneamente debido a que la presión circundante es superior a la presión en el interior de la burbuja. La figura N° 6-11
muestra el ciclo de formación y colapso de una burbuja de aire relacionada con cavitación.
Figura N° 6-11.- Ciclo de formación de una burbuja
de gas relacionada con la cavi-
tación.
Fuente: www.lawrencepumps.com/documents/news_vol1_i5_oct.pdf
Es de resaltar que en el proceso de colapso las fuerzas externas de la burbuja inducidas por el incremento de la presión aguas abajo del ojo del impulsor genera una cavidad en el centro de la burbuja que concentra la energía de colapso. Esta energía producida por el colapso es guiada a un área puntual en una especie de jet, aumentando de esta forma los efectos de la onda de choque al concentrar la energía en un área más reducida.
Como este colapso es muy rápido (investigaciones indican que la vida media, desde que se genera hasta que colapsa, de una burbuja producida por
cavitación es de tres milisegundos) y si las burbujas
están en contacto con el metal del alabe producen debilitamiento y daños por impacto de la onda de choque en estas superficies.
La figura N° 6-12 muestra la ampliación de una foto
tomada una burbuja antes del colapso mostrando la formación de la cavidad central.
Figura N° 6-12.- Foto de burbuja en proceso de co-
lapso, con la cavidad central en formación.
Fuente: www.lawrencepumps.com/documents/news_vol1_i5_oct.pdf