cavitación

1. Universidad Nacional de Ingeniería
Facultad de Ingeniería Ambiental

2. Cavitación – Fundamento Teórico
La cavitación es un fenómeno que se produce siempre que
la presión en algún punto o zona de la corriente de un
líquido desciende por debajo de un cierto valor mínimo
admisible. El fenómeno puede producirse lo mismo en
estructuras hidráulicas (tuberías, válvulas, etc.) que en
máquinas hidráulicas (bombas, hélices, turbinas, etc.)

3. CAVITACIÓN EN TUBERÍAS
La cavitación es un fenómeno muy frecuente en sistemas
hidráulicos donde se dan cambios bruscos de la velocidad del
líquido.
Ejemplos:

4. CAVITACIÓN EN TUBERÍAS
 ¿Cómo ocurre la cavitación en tuberías?
La cavitación es un fenómeno físico, que ocurre en los sistemas de
tuberías mediante el cual el liquido, en determinadas condiciones, pasa
a estado gaseoso y unos instantes después pasa nuevamente a estado
líquido.
Este fenómeno tiene dos fases:
Fase 1.- Cambio de estado líquido a estado gaseoso.
Fase 2.- Cambio de estado gaseoso a estado líquido.

5. 2)Tipos de Cavitación:
Hay dos tipos de cavitación, uno con flujo y otro estando el líquido
estático:
a)Cavitación por flujo
b)Cavitación por ondas
Ejemplos del tipo (a) los tenemos en tuberías donde la presión estática
del líquido alcanza valores próximos al de la presión de vapor del
mismo, tal como puede ocurrir en la garganta de un tubo Venturi, a la
entrada del rodete de una bomba centrífuga o a la salida del rodete de
una turbina hidráulica de reacción.
Los ejemplos del tipo (b) aparecen cuando estando el líquido en
reposo por él se propagan ondas como las ultrasónicas
denominándose Cavitación Acústica, o típicas ondas por reflexión
sobre paredes o superficies libres debido a ondas de compresión o
expansión fruto de explosiones y otras perturbaciones como en el caso
del golpe de ariete, denominadas Cavitación por Shock.

6. Contenido de aire
Los altos contenidos de gas parecen favorecer el comienzo de la
cavitación, debido a que originan una mayor cantidad de burbujas.
Por otra parte un contenido elevado de aire (presión parcial de aire)
disminuye la velocidad de implosión.
Con un contenido bajo de gas se demora el comienzo de la
cavitación, ya que la resistencia a la tracción del agua en este caso
comienza a jugar un papel considerable. Para un contenido de un
10% del valor de saturación la cavitación comienza al alcanzar la
presión de vapor. Con elevados contenidos de aire la presión para
el comienzo de la cavitación es superior a la presión de vapor, ya
que en este caso el crecimiento de la burbuja.

8.  Nuevo modelo para la evaluación de materiales,
que permita conocer su resistencia a la
cavitación, que posibilite mejores diseños.
 Este modelo permite determinar un sistema de
identificación y medición apropiado con técnicas
metalográficas estándares (banco de cavitación
por ultrasonido + equipo para preparación de
muestras + observación de muestras mediante
microscopía)

11. Los álabes de un rodete de una bomba se
mueven dentro de un fluido, las áreas de
bajas presiones se forman cuando el fluido
se acelera a través de los álabes. Cuando se
alcanza la presión de vapor, el fluido se
vaporiza y forma pequeñas burbujas de
vapor que al colapsarse causan ondas de
presión audibles y desgaste en los álabes.

12.  La cavitación en bombas puede producirse de dos
formas diferentes: Cavitación de succión y de
descarga
 La cavitación de succión ocurre cuando la
succión de la bomba se encuentra en unas
condiciones de baja presión/alto vacío que hace
que el líquido se transforme en vapor a la entrada.
Este vapor es transportado hasta la zona de
descarga donde el vacío desaparece y el vapor
del líquido es de nuevo comprimido debido a la
presión de descarga; allí se produce una violenta
implosión sobre la superficie del rodete.

13.  La cavitación de descarga. La elevada
presión de descarga provoca que la mayor parte
del fluido circule por dentro de la bomba en vez
de salir por la zona de descarga, a este fenómeno
se le conoce como "slippage".
 A medida que el líquido fluye alrededor del rodete
debe de pasar a una velocidad muy elevada. Esta
velocidad provoca el vacío, lo que provoca que el
líquido se transforme en vapor.

14.  Este fenómeno ocurre cuando la válvula
se encuentra parcialmente cerrada, la
velocidad local del flujo a su paso por el
cierre puede alcanzar valores muy
elevados. de modo que la presión,
puede alcanzar los valores de la presión
de vapor del agua.
 En el caso de cavitación muy intensa se
llegaría a una situación de bloqueo del
caudal (choked cavitation).

15. Clasificación de la intensidad de la cavitación
1) Cavitación incipiente
Se define como la condición del flujo en la que la
cavitación comienza a ser detectable.
2) Cavitación constante o crítica
Este segundo límite de cavitación se define como la
situación del flujo en la que aparece cavitación continua
en un grado moderado.
3) Cavitación con daños incipientes
Se caracteriza, como su nombre indica, por el comienzo
de la erosión de los contornos de la válvula.
4) Cavitación con bloqueo
En este nivel extremo se bloquea el caudal circulante
debido a la obstaculización provocada por las burbujas.
Llegados a este extremo.

16.  La cavitación puede dañar casi cualquier material.
Las picaduras causadas por el colapso de las
cavidades producen un enorme desgaste en los
diferentes componentes y pueden acortar
enormemente la vida de la bomba o hélice.

17.  Como ya se ha mencionado la cavitación ocurre en las bombas,
aunque también sucede en los ductos sobre todo donde se
encuentran reducciones seguidas de ampliaciones bruscas, (tubos
venturi) estos efectos se pueden transmitir a las demás partes del
equipo de bombeo reduciendo la eficiencia y pudiendo causar
serios daños como la corrosión de partículas de metal (pitting).

18.  La cavitación ocurre en las paredes de las válvulas, bombas, tuberías
sobre todo donde se encuentran reducciones seguidas de
ampliaciones bruscas, (tubos venturi) estos efectos se pueden
transmitir a las demás partes del sistema de tuberías o de bombeo
reduciendo la eficiencia y pudiendo causar serios daños como la
corrosión de partículas de metal (pitting).
Los efectos que tiene la cavitación sobre un sistema de tuberías son:
 Efectos Mecánicos
 Ruidos y Golpeteos
 Vibraciones
 Erosión del material
 Efectos Químicos
 Erosión del metal

19.  La cavitación es un efecto físico cuya aparición depende de las condiciones de
funcionamiento. Por tanto, cuando se proyecta una instalación debe intentarse
que no aparezca la cavitación o que sus efectos sean los menores posibles.
 De cualquier manera la instalación debe ser efectiva y para ello es necesario
elegir las válvulas apropiadas.
 Son aplicables los siguientes principios:
Utilice las válvulas de compuerta y mariposa solo para
trabajar en posición completamente abierta o cerrada y no en
posiciones intermedias.
Las válvulas de paso anular son válvulas de control, pero deben ser
elegidas en función de las condiciones de trabajo (ej. De corona de
aletas o de cilindros ranurados).
Para operar en condiciones extremas donde no podemos controlar la
cavitación ni con válvulas especiales, la regulación debe hacerse paso
a paso (ej. orificio para contrapresión) o mediante la
admisión de aire en el punto de regulación.

21.  El golpe de ariete o choque hidráulico o pulso de
Joukowski, llamado así por el ingeniero ruso Nikolái
Zhukovski, es junto a la cavitación, el principal
causante de averías en tuberías e instalaciones
hidráulicas.
 El golpe de ariete (choque hidráulico) es el incremento
momentáneo en presión, el cual ocurre en un sistema
de agua cuando hay un cambio repentino de dirección
o velocidad del agua. Cuando una válvula de rápido
cierre cierra repentinamente, detiene el paso del agua
que está fluyendo en las tuberías, y la energía de
presión es transferida a la válvula y a la pared de la
tubería

22.  Ilustración grafica del Golpe de Ariete

23. Las causas del golpe de ariete son muy variadas. Sin embargo existen cuatro eventos comunes que
típicamente inducen grandes cambios de presión:
 El arranque de la bomba puede inducir un colapso rápido del espacio vacío que existe aguas abajo de
la bomba.
 Un fallo de potencia en la bomba puede crear un cambio rápido en la energía de suministro del flujo,
lo que causa un aumento de la presión en el lado de succión y una disminución de presión en el lado
de la descarga. La disminución es usualmente el mayor problema. La presión en el lado de descarga
de la bomba alcanza la presión de vapor, resultando en la separación de la columna de vapor.
 La abertura y cierre de la válvula es fundamental para una operación segura de la tubería. Al cerrarse
una válvula, la parte final aguas debajo de una tubería crea una onda de presión que se mueve hacia
el tanque de almacenamiento. El cerrar una válvula en menos tiempo del que toma las oscilaciones
de presión en viajar hasta el final de la tubería y en regresar se llama “cierre repentino de la válvula”.
El cierre repentino de la válvula cambiará rápidamente la velocidad y puede resultar en una oscilación
de presión. La oscilación de presión resultante de una abertura repentina de la válvula usualmente no
es tan excesiva.
 Las operaciones inapropiadas o la incorporación de dispositivos de protección de las oscilaciones de
presión pueden hacer más daño que beneficio. Un ejemplo es el exceder el tamaño de la válvula de
alivio por sobre-presión o la selección inapropiada de la válvula liberadora de aire/vacío.

24.  Al ser detenida súbitamente la vena líquida su energía
cinética se convierte en energía de presión sobre el
agua y energía elástica de deformación del agua, al
quedar fuertemente comprimida contra la válvula
cerrada. La tubería no se deforma, dad su rigidez
infinita.
 La tubería es plástica o deformable: casos reales de la
práctica tienen un mayor o menor grado de elasticidad.
 La sobre-presión se "desahoga" en sucesivas
dilataciones y contracciones del agua y de la tubería,
como en un movimiento oscilatorio, hasta desvanecerse
totalmente, a lo cual coadyuda también el rozamiento.

25.  El fenómeno del golpe de ariete, consiste en la alternancia de
depresiones y sobrepresiones debido al movimiento oscilatorio del
agua en el interior de la tubería, es decir, básicamente es una
variación de presión, y se puede producir tanto en impulsiones
como en abastecimientos por gravedad.
Por lo tanto, el correcto estudio del golpe
de ariete es fundamental en el
dimensionamiento de las tuberías, ya que
un cálculo erróneo puede conducir a:
Un sobredimensionamiento de las
conducciones, con lo que la instalación se
encarece de forma innecesaria.
Tubería calculada por defecto, con el
consiguiente riesgo de que se produzca
una rotura.

26.  Descripción del fenómeno en abastecimientos por gravedad
Si el agua se mueve por una tubería con una velocidad determinada y
mediante una válvula se le corta el paso totalmente, el agua más próxima
a la válvula se detendrá bruscamente y será empujada por la que viene
detrás.
Como el agua es algo compresible, empezará a comprimirse en las
proximidades de la válvula, y el resto del líquido comprimirá al que le
precede hasta que se anule su velocidad. Esta compresión se va
trasladando hacia el origen conforme el agua va comprimiendo al límite la
que le precede, de manera que al cabo de un cierto tiempo toda el agua
de la tubería está en estas condiciones, concluyendo la primera etapa del
golpe de ariete.

27.  Descripción del fenómeno en impulsiones
En una impulsión, la parada brusca de motores produce el mismo
fenómeno, pero al contrario, es decir, se inicia una depresión aguas
arriba de la bomba, que se traslada hacia el final para transformarse
en compresión que retrocede a la bomba.
Como la presión en el depósito es siempre superior a la de la tubería,
que se encuentra bajo los efectos de la depresión, se inicia un
retroceso del fluido hacia la válvula de retención con velocidad -v.
Tanto en abastecimientos por gravedad como en impulsiones, la
duración de cada una de estas fases es L/a, siendo L la longitud de la
tubería y a la celeridad.

28.  TUBERIA EN PERIODO DE SERVICIO NORMAL
VÁVULA ABIERTA
 El agua fluye con una velocidad uniforme, bajo una presión h supuesta
constante sin considerar rozamiento, el diámetro de la tubería es
normal

29.  INICIACIÓN DEL FENOMENO, CIERRE RÁPIDO DE LA VÁLVULA B
Repentinamente se cierra la llave B, en un tiempo teórico t = 0. El primer "bloque
líquido" Volumen en el frente de la vena líquida, se "aplasta" o comprime fuertemente
contra la válvula cerrada, su energía cinética se convierte bruscamente en energía de
presión (sobre-presión h´). La presión total en el extremo de la tubería es ahora H =
h+ h´
 ORIGEN DE LA ONDA ELASTICA O DE PRESIÓN
En la figura anterior, la deformación se traslada de B hacia A, con una
velocidad constante c. Esta es la onda elástica o de presión, del tipo
longitudinal cuya velocidad se conoce como "celeridad".

30. FASE DIRECTA. PRIMER TIEMPO t1 = L/ c
La onda c llega a la base del depósito. La velocidad se anula. La tubería se ensancha, el agua queda comprimida en su
interior, con una presión total H = h + h´. Debido a la elasticidad del agua y del material de la tubería el conjunto "en tensión"
está presto a recuperar su estado normal.
FASE DIRECTA. SEGUNDO TIEMPO t2 = L /c
La onda c se refleja en A y se dirige a B.
El agua que estaba comprimida comienza a escapar del depósito. Hay descompresión y la tubería
empieza a recuperar su diámetro normal; desde A hacia B

31. La onda c regresa a su punto de partida B.
El diámetro es normal, ha desaparecido la sobre-presión h´. Sin embargo, el agua continúa
por inercia fluyendo hacia el depósito. Ha transcurrido un tiempo total T = t1 + t2 = 2L/c =
tiempo crítico = fase directa.
FASE INVERSA. PRIMER TIEMPO t3 = L/ c
Se inicia la onda de presión negativa
Aparece una depresión en el interior de la tubería debido a que por A sigue fluyendo agua y la
llave B está cerrada.

32. a) Valor de la celeridad
La celeridad (a) es la velocidad de propagación de la onda de presión a través del agua
contenida en la tubería, por lo que su ecuación de dimensiones es L.T-1. Su valor se
determina a partir de la ecuación de continuidad y depende fundamentalmente de las
características geométricas y mecánicas de la conducción, así como de la compresibilidad
del agua.
Una expresión práctica propuesta por Allievi (agua).
K: Coeficiente función del módulo de
elasticidad (e) del material constitutivo de la
tubería, que representa principalmente el
efecto de la inercia del grupo motobomba,
cuyo valor es:
D: Diámetro interior de la tubería
e: Espesor de la tubería

33. También se puede hallar el valor de la celeridad consultando las tablas siguientes

34. Las siguientes son algunas herramientas para reducir los efectos del golpe
de ariete:
 Válvulas
El golpe de ariete usualmente daña a las bombas centrífugas cuando la
energía eléctrica falla. En esta situación, la mejor forma de prevención es
tener válvulas controladas automáticamente, las cuáles cierran lentamente.
(Estas válvulas hacen el trabajo sin electricidad o baterías. La dirección del
flujo los controla).

35.  Bomba
Los problemas de operación en el arranque de la bomba pueden
usualmente ser evitados incrementando el flujo en la tubería lentamente
hasta colapsar o desalojar los espacios de aire suavemente. Incluso, un
simple medio para reducir las oscilaciones hidráulicas de presión es el
mantener bajas velocidades en la tubería.
 Tanque de Oscilación
En tuberías muy largas, las oscilaciones pueden ser liberadas con un
tanque de agua directamente conectado a la tubería llamado “tanque de
oscilación”. Cuando la oscilación es encontrada, el tanque actuará para
liberar la presión, y poder almacenar el líquido excesivo, dando al flujo
un almacenamiento alternativo mejor que el proporcionado por la
expansión de la pared de la tubería y compresión del fluido

36. EFECTO MECANICO
Con las implosiones se decrecen los
diámetros de las burbujas, las partículas
en estado líquido se aceleran y se
desplazan hacia el centro de estas
burbujas chocando entre si, estos
choques provocan sobrepesiones (golpe
de ariete) que se propagan en todas las
direcciones afectando principalmente a
las ranuras de las superficies metálicas
por lo que en muy poco tiempo pueden
ocasionar daños a la estructura de la
maquina (rotor).

37.  EFECTO QUIMICO: Con la implotación de las burbujas se liberan iones
de oxigeno que como sabemos atacan las superficies de los metales.