Un ataque al corazón de las Bombas Centrifugas.

Cavitación

Un ataque al corazón de las Bombas Centrifugas.

Introducción.

La cavitación es un fenómeno muy común, pero es el menos comprendido de todos los problemas de bombeo. Tiene distintos significados para diferentes personas. Algunos la definen como el ruido de golpeteo o traqueteo que se produce en una bomba. Otros la llaman “patinaje” debido a que la presión de la bomba decrece y el caudal se torna errático. Cuando se produce cavitación, la bomba no solamente no cumple con su servicio básico de bombear un líquido sino que también experimenta daños internos, fallas de los sellos, rodamientos, etc.

En resumen, la cavitación es una condición anormal que puede producir pérdidas de producción, daños al equipo y lo peor de todo, lesiones al personal.

Los profesionales de la Planta deben estar capacitados para detectar rápidamente los signos de cavitación, identificar correctamente su tipo y la causa que la produce para así poder eliminarla o atenuarla. Una comprensión correcta de los conceptos envueltos es clave para el diagnostico y corrección de cualquier problemas de bombeo relacionado con cavitación.

Significado del térm ino “Cavitación” en el contexto de las bom bas centrifugas.

Cavitación procede del latín “cavus”, que significa espacio hueco o cavidad. En los diccionarios técnicos se define como ‘la rápida formación y colapso de cavidades en zonas de muy baja presión en un flujo líquido.

En la literatura sobre bombas centrifugas, en lugar de “cavidad”, se usan varios términos como: bolsones de vapor, bolsones de gas, hoyos, burbujas, etc. En este artículo se usará el término “burbuja”.

En el contexto de las bombas centrifugas, el término cavitación implica un proceso dinámico de formación de burbujas dentro del líquido, su crecimiento y subsecuente colapsamiento a medida que el líquido fluye a través de la bomba.

Generalmente las burbujas que se forman dentro de un líquido son de dos tipos: Burbujas de vapor o burbujas de gas.

- Las burbujas de vapor se forman debido a la vaporización del líquido bombeado. La cavitación inducida por la formación y colapso de estas burbujas se conoce como Cavitación Vaporosa.

- Las burbujas de gas se forman por la presencia de gases disueltos en el líquido bombeado (generalmente aire pero puede ser cualquier gas presente en el sistema). La cavitación inducida por la formación y colapso de estas burbujas se

conoce como Cavitación Gaseosa.

En ambos tipos, las burbujas se forman en un punto interior de la bomba en el que la presión estática es menor que la presión de vapor del líquido (cavitación vaporosa) o que la presión de saturación del gas (cavitación gaseosa).

La Cavitación Vaporosa es la forma de cavitación más común en las bombas de proceso. Generalmente ocurre debido a un insuficiente NPSH disponible o a fenómenos de recirculación interna. Se manifiesta como una reducción del desempeño de la bomba, ruido excesivo, alta vibración y desgaste en algunos componentes de la bomba. La extensión del daño puede ir desde unas picaduras relativamente menores después de años de servicio, hasta fallas catastróficas en un corto periodo de tiempo.

La Cavitación Gaseosa se produce por efecto de gases disueltos (más comúnmente aire) en el líquido. Esta cavitación raramente produce daño en el impulsor o carcaza. Su efecto principal es una pérdida de capacidad. No debe confundirse con el ingreso de aire o bombeo de líquidos espumosos, situaciones que no necesariamente producen cavitación pero sí reducción de capacidad, detención del bombeo y otros problemas. Para el bombeo de líquidos espumosos se han diseñado y se siguen desarrollando bombas especiales (Froth pumps) que han logrado un considerable mejoramiento en el manejo de estos fluidos.

Para poder identificar los tipos de cavitación es necesario entender primero sus mecanismos, es decir, como ocurre. En este artículo se abordará solamente la cavitación vaporosa.

Definiciones Im portantes

Presión estática, (ps)

La presión estática en una corriente de fluido es la fuerza normal por unidad de área actuando sobre un plano o contorno sólido en un punto dado. Describe la diferencia de presión entre el interior y el exterior de un sistema, despreciando cualquier movimiento en el líquido. Por lo tanto, la presión estática en un punto de un ducto, es la diferencia entre la presión interna y externa en ese punto, omitiendo cualquier movimiento del flujo en su interior. En términos de energía, la presión estática es una medida de la energía potencial de un fluido.

Presión Dinámica (pd)

Un fluido en movimiento ejerce una presión mas alta que la presión estática debido a la energía cinética (mv2/2) del fluido. Esta presión adicional se define como presión dinámica. Se puede medir convirtiendo la energía cinética del fluido en energía potencial. En otras palabras, es la presión que existiría en una corriente de fluido que ha sido desacelerada desde su velocidad “v” a velocidad “cero”.

Presión Total (pt )

Se define como la suma de la presión estática más la presión dinámica. Es una medida de la energía total de una corriente de fluido en movimiento. Esto es, energía cinética mas energía potencial.

Relación entre ps, pd y pt

En un fluido incompresible la relación se puede medir usando un aparato llamado Tubo Pitot.

La relación también puede establecerse aplicando un simple balance energético: energía potencial + energía cinética = energía Total (constante) o en términos de presión: presión estática + presión dinámica = presión Total.

La energía cinética es una función de la velocidad “v” y de su masa comúnmente

representada por la densidad del fluido (ρ). Entonces: E.C. = pd = ½ ρ v2. . En términos de presión total: pt = ps + ½ ρ v2.

En lugar de utilizar unidades de presión se prefiere expresar la energía de bombeo como energía por unidad de peso de líquido bombeado, la que se indica en Newton- metro por Newton o justamente en metros de columna de líquido; esta magnitud se identifica universalmente como “cabeza” (head en inglés). Esto es necesario debido a que la altura de la columna que produce una bomba centrifuga es independiente de la densidad del líquido. Por ejemplo una bomba ‘X’ corriendo a ‘N’ rpm. producirá una misma cabeza ‘H’ metros de agua, o de acido sulfúrico concentrado, o de cualquier otro fluido; sin embargo, la potencia empleada será proporcional a la densidad de cada fluido.

Los términos de presión pueden convertirse en metros de cabeza dividiendo la presión en kPa por 9.81 (g) y por la densidad especifica(ρ) del fluido.

Cabeza Estática (he) = Presión Estática/ g∙ ρ

Cabeza de Velocidad (hv) = Presión Dinámica / g ∙ ρ = (½ ρ v2)/ (ρ ∙ g) = v2 /2 g

Presión de Vapor (pv) = Es la presión requerida para mantener a un líquido en estado líquido. Si la presión que se aplica sobre la superficie de un líquido no es suficiente para mantener sus moléculas estrechamente unidad entre sí, las moléculas se desprenderán en la forma de gas o vapor. La presión de vapor es dependiente de la temperatura del líquido. A mayor temperatura más alta es la presión de vapor.

M ecanism o de la Cavitación

El fenómeno de la cavitación es un proceso progresivo de varias etapas como se aprecia en la Figura 5.

Etapas de l a Cavi taci ón

Formación de burbujas dentro del líquido

Crecimiento de las burbujas

Etapa 1. Formación de

Burbujas

Las burbujas se forman dentro del líquido cuando este se vaporiza. Esto es, cuando cambia desde la fase liquida a la de vapor.

Figura 5

Colapso de las burbujas

cavitación

La vaporización de cualquier líquido dentro de un contenedor se produce ya sea porque la presión sobre la superficie del

su presión de vapor (a la temperatura actual), o bien porque la temperatura del

líquido sube hasta hacer que la presión de vapor sobrepase a la presión sobre la superficie de líquido. Por ejemplo en un depósito abierto a nivel del mar la superficie del agua está sometida a una presión atmosférica de aprox. 10 bar por lo que la temperatura tendría que subir a 100 ºC para que su presión de vapor sobrepase los 10 bar y se inicie la ebullición (formación de burbujas). A 4000 m. de altitud la presión atmosférica se reduce a 6.2 bar por lo que la temperatura tendría que subir solamente a unos 85 ºC para que se inicie la ebullición. Si en un contenedor cerrado se reduce la presión a 0.3 bar, la ebullición se iniciará con el agua a 25 ºC. También se producirá la ebullición si la presión permanece constante en alrededor de 0.3 bar pero la temperatura sube sobre 25 ºC.

En resumen, la vaporización se produce por adición de calor o por reducción de la presión estática (para la definición de cavitación se excluirá la acción dinámica del líquido)

Lo mismo que en un contenedor cerrado, la vaporización del líquido puede ocurrir en las

bombas centrifugas cuando la presión estática en algún punto se reduce a un valor menor que la presión de vapor del líquido (a la temperatura en dicho punto).

Por lo tanto, el concepto clave es: Las burbujas de vapor se forman dentro de la bomba cuando la presión estática en algún punto baja a un valor igual o menor que la presión de vapor del líquido.

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