¿Qué es la cavitación en las bombas centrífugas? Definición

Cavitación en bombas centrífugas

Los principales lugares donde la cavitación se produce en las bombas son, en impulsores o hélices . En las bombas centrífugas, la cavitación resulta de una reducción en la presión de succión , un aumento en la temperatura de succión o un aumento en la velocidad de flujo por encima de la temperatura para la cual se diseñó la bomba.

Hay dos tipos básicos de cavitación de la bomba :

Cavitación de succión

La cavitación por succión , o también la cavitación clásica , ocurre cuando una bomba está bajo condiciones de baja presión o alto vacío. Cuando el líquido que se bombea entra en el ojo de una bomba centrífuga , la presión se reduce significativamente . En algunos casos, la caída de presión es lo suficientemente grande como para hacer que el líquido se convierta en vapor cuando la presión local cae por debajo de la presión de saturación del fluido que se bombea. Se formarán burbujas o cavidades en el ojo del impulsor y, posteriormente, las burbujas de vapor formadas se moverán hacia regiones de mayor presión a medida que viajan hacia la descarga de la bomba. En la región de mayor presión, ellas burbujas de vapor colapsan repentinamente en las porciones externas del impulsor. Esto puede causar daños significativos a todas las partes móviles de una bomba centrífuga.

Causas típicas de la cavitación por succión:

• La bomba funciona demasiado lejos en la curva de la bomba.
• Malas condiciones de succión ( requisitos de NPSH )
• Bloqueo en la tubería en el lado de succión
• Diseño de tubería inapropiado
• Filtros o filtros obstruidos

Para evitar este tipo de cavitación, el cabezal de succión positivo neto disponible (NPSHa) en el sistema debe ser más alto que el NPSH requerido de la bomba. Este problema es típico de la cavitación por succión y, por lo tanto, este tipo de cavitación también se denomina cavitación inadecuada de NPSHa .

Además del cambio de la bomba, los problemas con la cavitación por succión también pueden resolverse mediante:

1. Bajando la temperatura
2. Reducción de RPM del motor si es posible
3. Aumento del diámetro del ojo del impulsor.
4. Uso de un inductor de impulsor.
5. Uso de dos bombas paralelas con menor capacidad.
6. Uso de una bomba de refuerzo para alimentar la bomba principal.

Se produce un caso especial de cavitación en el lado de succión como resultado de una tubería inapropiada en la línea de succión. El uso de restricciones, codos afilados y otros equipos hidráulicos pueden turbulizar el flujo, esto puede contribuir a la formación de cavitación.

Cavitación de descarga

La cavitación de descarga ocurre cuando la presión de descarga de la bomba es extremadamente alta o cuando el flujo de descarga está restringido y no puede salir de la bomba (por ejemplo, causado por una válvula de salida cerrada). Una presión de descarga extremadamente alta hace que la mayoría del fluido bombeado circule dentro de la bomba .

Este tipo de cavitación se origina en dos fuentes. Primero, esta circulación interna (desde zonas de alta presión a zonas de baja presión) se ve forzada a través del espacio libre entre el impulsor y la carcasa de la bomba a alta velocidad, lo que resulta en la formación de una región de baja presión (como resultado del principio de Bernoulli ) en qué cavitación puede ocurrir. En segundo lugar, el líquido circula dentro de la voluta de la bomba y se sobrecalienta rápidamente.

En ambos casos, la cavitación tiene consecuencias similares. La implosión de burbujas desencadena intensas ondas de choque, lo que provoca un desgaste prematuro de las puntas del impulsor y la carcasa de la bomba. En casos extremos, la cavitación de descarga puede hacer que el eje del impulsor se rompa.

Causas típicas de la cavitación de descarga:

• La bomba funciona demasiado a la izquierda en la curva de la bomba.
• Bloqueo en la tubería en el lado de descarga
• Filtros o filtros obstruidos
• Diseño de tubería inapropiado

Número de cavitación

El número de cavitación (Ca) o el parámetro de cavitación es un número adimensional utilizado en los cálculos de flujo. Es convencional caracterizar qué tan cerca está la presión en el flujo de líquido a la presión de vapor (y, por lo tanto, el potencial de cavitación) por medio del número de cavitación.

El número de cavitación se puede expresar como:

dónde

CA = Número de cavitación

p = presión local (Pa)

p _v = presión de vapor del fluido (Pa)

ρ = densidad del fluido (kg / m ³ )

v = velocidad del fluido (m / s)

Daño de cavitación

La cavitación es, en muchos casos, una ocurrencia indeseable. En las bombas centrífugas, la cavitación causa daños a los componentes (erosión del material), vibraciones, ruido y pérdida de eficiencia.

Quizás el problema de ingeniería más importante causado por la cavitación es el daño material que las burbujas de cavitación pueden causar cuando colapsan cerca de una superficie sólida. El colapso de las burbujas de cavitación es un proceso violento que genera ondas de choque y microjets altamente localizados . Forzan el líquido energético en volúmenes muy pequeños, creando así puntos de alta temperatura y estas perturbaciones intensas generan tensiones superficiales altamente localizadas y transitorias en una superficie sólida. Los signos de erosión aparecerán como picaduras debido a la acción de golpe de ariete de las burbujas de vapor que colapsan. Se ha encontrado que las tasas de daño por cavitación aumentan rápidamente con el aumento en el caudal volumétrico.

Los materiales más blandos pueden dañarse incluso a corto plazo debido a la cavitación . Se pueden observar fosas individuales después de un colapso de una sola burbuja. Por lo tanto, se utilizan materiales más duros para las bombas centrífugas . Pero con los materiales más duros utilizados en la mayoría de las aplicaciones, el estrés cíclico debido a los colapsos repetidos puede causar fallas locales por fatiga superficial . Por lo tanto, el daño por cavitación a los metales generalmente tiene la apariencia de falla por fatiga .

Cuando las burbujas de cavitación colapsan, fuerzan el líquido energético a volúmenes muy pequeños, creando manchas de alta temperatura y emitiendo ondas de choque, las cuales son una fuente de ruido. Aunque el colapso de una pequeña cavidad es un evento de energía relativamente baja, los colapsos altamente localizados pueden erosionar metales, como el acero, con el tiempo. La picadura causada por el colapso de las cavidades produce un gran desgaste en los componentes y puede acortar drásticamente la vida útil de la hélice o la bomba.

La cavitación suele ir acompañada también de:

• Ruido. El ruido típico es causado por el colapso de las cavidades. El nivel del ruido que resulta de la cavitación es una medida de la gravedad de la cavitación.
• Vibraciones . Las vibraciones de la bomba debido a la cavitación son vibraciones característicamente de baja frecuencia, que generalmente se encuentran en el rango de 0 a 10 Hz.
• Reducción de la eficiencia de la bomba . Una disminución en la eficiencia de la bomba es un signo más confiable de que se produce cavitación.