Cavitación

Bomba de cavitación

La investigación de la correlación de los efectos de la cavitación y la erosión teniendo en cuenta la calidad del agua y la estela (KonKav) es un proyecto de investigación conjunto del BMWI. Investiga la influencia de la calidad del agua en la cavitación de las hélices. El objetivo es desarrollar un método de previsión para predecir la aparición de cavitación en las hélices. La primera fase del proyecto KonKav I se puso en marcha en 2009, la segunda fase KonKav II en 2011.

En el marco de un subproyecto de KonKav I, el Instituto de Ingeniería Eléctrica General desarrolla sistemas de medición óptica por láser y los aplica para determinar in situ la velocidad actual y la concentración de burbujas de aire y partículas sólidas en túneles de cavitación para el flujo de entrada de la hélice. Los retos son la distinción del tipo y la forma de las partículas en el flujo, la determinación cuantitativa de la concentración, la determinación del tamaño de las partículas, así como el acceso óptico limitado en los túneles de cavitación. Además, los fenómenos de cavitación en la hélice y detrás de ella se caracterizan cuantitativamente mediante varias tecnologías de imagen.

Efecto de cavitación

El fenómeno de la cavitación consiste en la interrupción de la continuidad en el líquido cuando se produce una reducción local considerable de la presión. La formación de burbujas en el interior de los líquidos (cavitación) comienza incluso en presencia de presiones positivas iguales o próximas a la presión de vapor saturado del fluido a la temperatura dada.

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El mecanismo de la cavitación puede describirse como sigue: Cualquier líquido contendrá burbujas gaseosas o vaporosas, que sirven de núcleos de cavitación. Cuando la presión se reduce hasta cierto nivel, las burbujas se convierten en depósito de vapor o de gases disueltos.

El resultado inmediato de esta condición es que las burbujas aumentan rápidamente de tamaño. Posteriormente, cuando las burbujas entran en una zona de presión reducida, su tamaño se reduce como resultado de la condensación de los vapores que contienen.

Este proceso de condensación se produce con bastante rapidez, acompañado de choques hidráulicos locales, emisión de sonido, destrucción de enlaces materiales y otros fenómenos indeseables. Se cree que la reducción de la estabilidad volumétrica en la mayoría de los líquidos está asociada al contenido de diversos aditivos, como partículas sólidas no humedecidas y burbujas de gas-vapor, en particular las de nivel submicroscópico, que sirven de núcleos de cavitación.

Modelización de la cavitación

La cavitación es un fenómeno en el que la presión estática de un líquido se reduce por debajo de la presión de vapor del líquido, lo que provoca la formación de pequeñas cavidades llenas de vapor en el líquido. Cuando se someten a una presión mayor, estas cavidades, llamadas «burbujas» o «vacíos», se colapsan y pueden generar ondas de choque que pueden dañar la maquinaria. Estas ondas de choque son fuertes cuando están muy cerca de la burbuja implosionada, pero se debilitan rápidamente a medida que se propagan lejos de la implosión.La cavitación es una causa importante de desgaste en algunos contextos de ingeniería. Los vacíos que implosionan cerca de una superficie metálica provocan tensiones cíclicas por implosión repetida. Esto provoca la fatiga de la superficie del metal, causando un tipo de desgaste también denominado «cavitación». Los ejemplos más comunes de este tipo de desgaste se dan en los impulsores de las bombas y en los codos donde se produce un cambio brusco en la dirección del líquido. La cavitación suele dividirse en dos clases de comportamiento: cavitación inercial (o transitoria) y cavitación no inercial.

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El proceso en el que un vacío o burbuja en un líquido se colapsa rápidamente, produciendo una onda de choque, se denomina cavitación inercial. La cavitación inercial se produce en la naturaleza en los golpes de los camarones mantis y los camarones pistola, así como en los tejidos vasculares de las plantas. En los objetos artificiales, puede producirse en válvulas de control, bombas, hélices e impulsores.

Ultrasonidos de cavitación

Puede que las burbujas no parezcan muy potentes, pero los tipos de burbujas de los sistemas de bombeo no se parecen en nada a las que se hacen agitando una varita con los niños pequeños. Las diminutas burbujas creadas por los cambios de presión en el interior de las bombas se colapsan y crean ondas de choque que se repiten una y otra vez, y los choques repetidos erosionan los componentes.

Las bombas están diseñadas para funcionar con un suministro de agua a pleno caudal, pero en algunos casos una entrada inundada no es suficiente para mantener la presión necesaria para evitar la cavitación. La entrada, o lado de aspiración de una bomba, es el punto de menor presión de una bomba determinada. Para bombas de desplazamiento positivo, la presión más baja se produce justo antes del engrane del rotor; para bombas centrífugas, la presión más baja está cerca del ojo del impulsor.

La cavitación es posible en todos los tipos de bombas y, puesto que sus principios son esencialmente los mismos, nos centraremos en las bombas centrífugas. El ojo es donde el líquido es aspirado hacia el impulsor y donde la rotación del impulsor empieza a actuar sobre el líquido. Cuando la presión que actúa sobre el líquido (altura neta positiva de aspiración disponible) es demasiado baja, se forman burbujas y, a medida que el líquido se acelera debido a la rotación del impulsor, la presión aumenta y las burbujas se colapsan.

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