Un grave inconveniente que ocurre en el tramo más importante del sistema de bombeo, la succión. Conozca: qué lo ocasiona, cómo se produce, cuáles son las intensidades y efectos.
SUCCIÓN ¿POR QUÉ EL PUNTO MÁS DÉBIL?
En un sistema de bombeo hay errores o modificaciones que pueden tener distintos efectos.
Consecuencias que pueden variar su gravedad según en qué parte del sistema sucedan. Hablamos de efectos probables ya que hay muchos factores que influyen en los resultados y no siempre tienen la misma gravedad, pero lo que quiero destacar es que variaciones, aunque sean mínimas, en el trayecto de succión (a comparación del de impulsión) pueden hacer la diferencia entre que el equipo funcione o no funcione, e inclusive que sufra daños que puedan dejarlo inutilizable.
El tramo de succión de un equipo de bombeo es la parte más sensible y donde se producen el mayor porcentaje de fallas, muchas de veces ocasionadas por errores de diseño, dimensionado o instalación.
Por ello es que esta serie de notas técnicas tiene por objetivo analizar cada detalle para evitar los problemas que pueden surgir en la parte más sensible de un sistema de bombeo.
En esta cuarta entrega nos centramos en el efecto de cavitación.
CAVITACIÓN
La cavitación es un fenómeno que ocurre mucho más seguido de lo que aparenta y no todos comprenden esta situación ni cómo solucionarla adecuadamente. Aunque se detecta como una falla o deficiencia, no siempre se lo diagnostica correctamente. Puede ser identificada sólo como un ruido de golpeteo; vibración interna; otros lo llaman “patinaje” o que se “pasa de vueltas” debido a que la presión de la bomba decrece y el caudal se torna errático.
Lo concreto es que es una falla visible que hace que la bomba no cumpla su función (o lo haga parcialmente) y produce daños evidentes en las piezas del equipo, inclusive mucho más allá del impulsor.
El término cavitación procede del latín “cavus”, que significa cavidad y su definición la describe como el fenómeno que permite la formación de burbujas de vapor en el seno de un líquido, debido a una importante disminución de la presión a la que el fluido se ve expuesto. Esta formación de burbujas de vapor no es más que la vaporización del fluido al quedar expuesto a una presión inferior a la de su presión vapor.
A la cavitación aún no se le saca provecho en lo referido al bombeo, como sí sucede por ejemplo con el golpe de ariete en las bombas de ariete. Está presente en muchas situaciones de manejo o contacto con fluidos, desde hélices de barcos o navíos donde produce daños similares que en las bombas. Es un recurso útil en tratamientos médicos o de belleza que utilizan este principio útil para erosionar partículas sólidas y por ejemplo en misiles que al movilizarse bajo agua utilizan la cavitación para reducir el rozamiento.
PRESIÓN VAPOR
Para entender el efecto de cavitación primero es necesario comprender este concepto.
Presión Vapor (PV) es la presión en que la fase líquida y gaseosa de un fluido se encuentran en equilibrio dinámico, a una temperatura constante.
Para ser más claro tomemos como ejemplo una situación de contacto cotidiano como calentar agua. Al elevar su temperatura (a una presión constante) puede cambiar de estado – líquido a gaseoso (vapor) –, el punto límite en este caso es el punto de ebullición, al llegar a esta temperatura el agua comienza a transformarse en vapor, pasa de estado líquido a gaseoso.
Situación similar sucede cuando el agua (u otro fluido) queda expuesto a una presión que va disminuyendo, circunstancia que también lo lleva a evaporarse, el punto límite en este caso es la presión vapor (también llamada presión de saturación). Al descender por debajo de esta presión el agua cambia de estado líquido a gaseoso.
Por ello es que siempre cuando se habla del comportamiento de fluidos se hace con una referencia de presión y temperatura, ya que si estos parámetros varían el comportamiento es distinto.
Cada fluido tiene una Presión Vapor específica y siempre es a referencia de una temperatura.
Al trabajar cerca de los límites (punto de ebullición o presión vapor) se utiliza la temperatura o la presión como recurso para que el fluido se mantenga en el estado deseado, por ejemplo para evitar la evaporización (ebullición) en calderas se somete al fluido a mayor presión.
En la TABLA 1 vemos la presión (PV expresada en mca) que necesitamos para que el agua se mantenga en estado líquido cuando la exponemos a temperatura, por ejemplo a 80 grados centígrados es necesario que esté expuesto a una presión de 4,8 mca para evitar que tienda a evaporarse.
TABLA 1: Presión de Vapor
Si el equipo se encuentra trabajando a una altitud de 1000 m y el fluido posee una temperatura de 60 oC se debe tomar un valor de Pv = 3,26 (1,22 + 2,04)
COMO SE ORIGINA LA CAVITACIÓN
En un sistema de bombeo la presión a la que se expone el fluido varía en todo el recorrido. Si pudiéramos viajar como una gota de agua dentro del flujo en un sistema de bombeo y tuviéramos un manómetro en la mano, este registraría distintas presiones a medida que vamos recorriendo el sistema. El punto de menor presión es al ingresar al impulsor, mientras que el punto de mayor presión es al salir del mismo.
El ANPA (NPSH) es el análisis de estas presiones, temas que vimos en detalle en las entregas anteriores.
ANPA Requerida VS Disponible
Requerida
El ANPA Requerida (ANPA R o NPSH R) es la presión con que debe ingresar el fluido bombeado (agua limpia salvo aclaración) al impulsor, asegurando que la presión no descienda debajo de la Presión Vapor. Dicho valor está indicado en la curva característica del equipo de bombeo (como ANPA o NPSH), es un límite claro que no debemos traspasar.
Disponible
El ANPA Disponible (ANPA D o NPSH A) nos indica exactamente con qué presión llegamos a ese punto crítico. Aunque estemos utilizando un mismo equipo de bombeo, este valor varía en cada sistema o situación de bombeo, ya que sobre el mismo influyen: la presión atmosférica; el caudal que maneje el equipo; las pérdidas de carga; la altitud y la presión vapor del fluido.
Lo importante es que el valor de ANPA DISPONIBLE siempre debe ser mayor que el de ANPA REQUERIDO, esta situación básicamente asegura que el fluido al pasar por el punto de menor presión no se exponga a una presión menor que la Presión Vapor del mismo, evitando la cavitación.
PROCESO DE CAVITACIÓN
Dónde
Todo el proceso de cavitación se centra geográficamente en la aspiración de la bomba, más exactamente en la boca del impulsor, pudiendo desplazarse hacia la periferia del impulsor cuando la velocidad de circulación es muy alta.
En la FIGURA 1 vemos representado en colores las presiones dentro del impulsor, la menor presión está coloreada en azul, ese es el espacio donde en la mayoría de los casos se produce la cavitación, en la zona celeste es donde el fluido adquiere presión y allí las burbujas de vapor implotan carcomiendo el impulsor.
FIGURA1: imágenes extraídas de www.simerics.com empresa que desarrolla el software PUMPLINX herramienta de simulación de comportamiento de bombas y fluidos.
Según el diseño del impulsor y la velocidad a que circule el fluido estas zonas pueden correrse hacia la periferia.
Aquí hacemos referencia a este fenómeno en las bombas centrífugas y tomando como ejemplo agua limpia, pero esto sucede en todos los tipos de bombas y en todos los fluidos. Siendo algunos equipos más propicios que otros, lo mismo sucede con fluidos que necesitan más presión vapor (por ser más volátiles) y son más propicios a la cavitación.
Nacimiento de las de burbujas
La formación de burbujas en el seno del líquido se debe la disminución en la presión por unos puntos (o más) por debajo de la presión vapor del fluido, esta situación puede suceder por varias razones: elevada temperatura del fluido –recordemos que cuanto más temperatura adquiera el fluido mayor presión vapor necesita–; o porque la presión que es efectiva a la boca de entrada de bomba es menor a la prevista por sufrir pérdidas por rozamiento; por válvulas cerradas parcialmente; obstrucciones; etc. Distintas situaciones que no dejan de ser otra cosa que tener un ANPA Disponible menor a la Requerida.
Es allí donde al quedar el fluido expuesto a una presión menor que su presión vapor, pasa parcialmente a estado gaseoso, formando pequeñas burbujas de vapor cuya cantidad y calidad dependerá de la magnitud de la depresión y de las cualidades del fluido.
Crecimiento de las Burbujas
Si las condiciones de operación son constantes, se seguirán formando burbujas nuevas y las viejas irán creciendo en tamaño. Las mismas se desplazan con el mismo líquido recorriendo desde la boca de aspiración del impulsor hacia los álabes y la periferia del impulsor. Al desplazarse por los álabes la presión comienza a ascender y las burbujas comienzan a colapsar (o implotar).
Poco y mucho
Se estima el ciclo de vida de una burbuja es de tan sólo 0.003 segundos. El recorrido varía según el caso pero hablamos de trayectos que pueden ir de los 10 mm a 70 mm aproximadamente. Estos valores aunque ínfimos no impiden que el daño producido por la cavitación sea muy grave.
Colapso de las Burbujas
Cuando la presión exterior que rodea las burbujas llega a ser mayor que la presión dentro de ellas, las burbujas colapsan. El proceso es una implosión que se da en zonas bien definidas del impulsor.
Las burbujas colapsan de tal manera que producen un “micro jet”, un pequeñísimo flujo de agua de gran poder que al actuar sobre una superficie reducida resulta de muy alta presión, la suficiente para dañar el metal y producir erosión, pequeños hoyuelos en el impulsor. Esta gran fuerza produce una onda de choque que es audible desde el exterior del equipo, ese crepitar que nos facilita la identificación de la cavitación.
INTENSIDAD DE LA CAVITACIÓN
La Cavitación no siempre se da con la misma intensidad, pudiendo ser de incipiente a muy grave.
Para clasificarla nos podemos basar en un hecho que es determinante: la funcionalidad de la bomba, es decir si sigue cumpliendo su función o no.
La cavitación más leve o incipiente afecta por el ruido, daño al rotor, pérdida de presión, potencia absorbida y caudal variable. Pero básicamente aunque sin ser eficiente el equipo cumple su función, pudiendo –en situaciones muy favorables– trabajar bajo esta condición por un tiempo bastante prolongado. Siendo la falla detectada fehacientemente al desarmar el equipo y observar los daños causados.
Casos intermedios son cuando el equipo sigue entregando líquido pero la merma en la presión y/o caudal la hace inútil, los daños en las piezas comienzan a ser graves.
La cavitación severa es la que impide al equipo seguir funcionando o por daños físicos muy graves y en corto tiempo, o porque la presión generada por el impulsor no es capaz de “rearmar” al fluido y volverlo a estado líquido, siendo el tamaño y cantidad de las burbujas lo suficientemente grande para cortar el flujo y por ende la succión.
Esto desenlaza en el trabajo en seco del equipo y su consecuente deterioro. En la mayoría de los casos esta situación se da de modo repentino y es cuando existe una variación en algún valor más allá de lo esperado, por ejemplo el nivel del liquido en la succión desciende más allá de lo previsto por desregulación del automático de nivel, la temperatura con que el fluido llega es muy elevada, etc.
Autor: Sr. Hernán Levy
Publicado en Versión papel Edición Nº 37 Año 7 – Febrero / Marzo 2010.
Registro de propiedad intelectual realizado y vigente.
La reproducción parcial o total está penada por ley Nº11.723.
BIBLIOGRAFIA
Cavitation and Bubble Dynamics. Brennen, Christopher Earls (1995). Oxford University Press, New York Cavitación, Un ataque al corazón de las Bombas Centrífugas. De Boris Cisneros H.
Cavitación, nota técnica de Salmson Argentina M3h edición 12.
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