Edgar Pérez, José Antonio Pais, José Padilla, Misael Coste Centro de Ingeniería Mecánica y Diseño Industrial (CIMECDI). FIIIDT.
La Cavitación y su relación con la Altura Neta Positiva de Aspiración (Net Positive Suction Head – NPSH) siglas en inglés, continúa siendo uno de los temas más intrigantes cada vez que se habla de hidráulica de bombas centrífugas.
La Cavitación generalmente es considerada como un proceso de dos partes, causado por los cambios en la presión cuando el líquido pasa por el impulsor; la primera parte del proceso de cavitación ocurre cuando la presión cae por debajo de la presión de vapor del líquido y se forman burbujas de vapor en la boca de entrada del impulsor; la segunda parte del proceso ocurre en las zonas de presión más alta en los álabes del impulsor, cuando el impulsor gira la acción centrífuga mueve las burbujas a lo largo de los álabes hasta las zonas de presión alta donde se desploman en una serie de implosiones [1]. Estas implosiones desarrollan niveles de energía que sobrepasan por mucho la resistencia punto cedente de la mayoría de los materiales de bombas y crean pequeñas cavidades en el metal, esta condición es acompañada por ruido niveles de alta vibración y una reducción en la altura total desarrollada por la bomba, a medida que la cavitación empeora todos los efectos también aumentan, los daños al impulsor también empeoran, y bajo condiciones muy severas pueden extenderse a la carcasa.
Características similares también pueden ser causadas por otros factores operativos, los cuales a veces pueden ser confundidos con la cavitación:
La Recirculación de la Aspiración (Suction Recirculation) siglas en inglés, ocurre entre los arabes y causa daño sin corrosión a lo largo del lado posterior o cóncavo de los mismos, esta condición es considerada generalmente como consecuencia de la operación de la bomba con caudales muy bajos.
La Recirculación de la Impulsión (Discharge Recirculation) en inglés, ocurre en el diámetro exterior del impulsor y causa daños de corrosión en las puntas de los álabes y algunas veces cerca del tajamar de la carcasa, estos efectos también pueden ser causados por las condiciones de caudales bajos o por un problema hidráulico de diseño conocido como frecuencia de paso por los álabes.
El Arrastre de Aire (Air Entraintment) en inglés, define una amplia variedad de condiciones cuando las burbujas de vapor ya se encuentran en el líquido antes que éste llegue a la bomba, lamentablemente causa los mismos daños de corrosión, y en los mismos lugares que la cavitación, esto hace muy difícil identificar la verdadera causa de los daños, especialmente porque pueden ocurrir al mismo tiempo. En el arrastre de aire, las burbujas de vapor podrían ser parte inherente del líquido, tal como en cualquier proceso efervescente, o de fermentación, o ser causados por una temperatura operativa cerca del punto de ebullición. El aire también podría ser arrastrado dentro del sistema debido al mal diseño del tanque de aspiración, o inclusive puede ocurrir entre el sistema por tuberías inadecuadas.
Todos estos factores causan daños de corrosión por la formación y el desplome subsecuente de las burbujas de vapor. Las diferencias están en la manera en que las burbujas son formadas y el lugar en que ocurre la resultante implosión. La causa más común de los daños de la corrosión es la cavitación real, que ocurre cuando las burbujas de vapor son formadas por energía de presión insuficiente en la boca de la entrada del impulsor. La energía de presión requerida para evitar la formación de burbujas de bajo vapor, esta condición es referida como altura neta positiva de aspiración o NPSH.
El criterio de diseño de todo impulsor requiere el suministro de un nivel mínimo de NPSH para un funcionamiento óptimo, este nivel mínimo de energía de presión se identifica como NPSH Requerido, y es estrictamente una función del diseño de la bomba y de su velocidad de rotación. La energía de presión requerida por una bomba es provista por el sistema en que la bomba está funcionando, esta se identifica como NPSH Disponible, y es una función exclusiva del diseño del sistema.
Consecuentemente para evitar daños serios causados por la cavitación, el NPSH Disponible debe ser mayor que el NPSH Requerido. Sin embargo, cuando el NPSH Disponible es menor que el NPSH Requerido ocurre la Cavitación real, y existen solamente dos alternativas para eliminar el problema. Ya sea, disminuyendo el NPSH Requerido o aumentando el NPSH Disponible.
Primero vamos a considerar la posibilidad de reducir el NPSH Requerido por la bomba, esto puede lograrse solamente en las siguientes formas limitadas, sin cambiar las condiciones de bombeo:
- Aumentar en la boca de la entrada del impulsor, desafortunadamente esto puede causar dificultades de circulación y debe ser considerado únicamente como último recurso y con participación del fabricante de la bomba.
- Instalar un inductor de aspiración en la boca de la entrada del impulsor, debido a que muy pocos fabricantes de bombas tienen disponibles inductores de aspiración su aplicación práctica es sumamente reducida.
- Usar una bomba con un impulsor de aspiración doble.
- Usar una bomba de velocidad más baja, con un impulsor de diámetro más grande.
- Usar varias bombas de menor caudal en paralelo.
- Instalar una bomba de refuerzo en serie en la aspiración de la bomba principal.
Aunque las dos primeras opciones se refieren a modificar la bomba existente, todas las demás requieren la compra de una bomba nueva por lo menos. Parece lógico entonces considerar la otra solución que es aumentar el NPSH Disponible del sistema.
El NPSH Disponible de un sistema, está compuesto de cuatro factores solamente:
- La altura estática sobre la línea central del impulsor.
- La presión atmosférica en la superficie del líquido en el tanque de aspiración abierto.
- La presión del vapor del líquido.
- Las pérdidas de carga en la línea de aspiración.
El NPSH Disponible puede calcularse en valores absolutos con esta ecuación:
Donde:
Un estudio detallado de los cuatro factores mostrará todos los medios posibles para aumentar el NPSH disponible.
Consultando la altura estática en el sistema básico, es obvio que se le puede aumentar únicamente haciendo lo siguiente: elevándole el tanque, elevándole el nivel del tanque, o bajando la bomba. Esta también el caso cuando la bomba se encuentra por encima del nivel del líquido de aspirar y el valor Hs sea negativo.
Para aumentar el valor de la presión Ha en el tanque de aspiración la única opción disponible es presurizar el tanque.
Para reducir efectivamente el valor de la presión de vapor Hvp debemos enfriar el líquido.
Para reducir las pérdidas por fricción en el sistema Hf podemos mejorar la tubería de la aspiración, aumentando el diámetro de los tubos, disminuyendo el largo de los tubos, cambiando las conexiones de los tubos, modificando el tipo de válvula, o reduciendo su cantidad.
Estas son las únicas opciones disponibles que pueden aliviar el problema sin cambiar las condiciones de bombeo, en la gran mayoría de los casos una o más de estas opciones proveerán suficiente NPSH Disponible adicional para satisfacer las necesidades de la bomba.
Teniendo en cuenta estos mismos factores durante el diseño y construcción de cualquier nuevo sistema, puede evitarse que el problema ocurra desde el primer momento. En el diseño de un nuevo sistema debe notarse que las medidas adoptadas del NPSH Requerido por la bomba están normalizadas a un nivel donde ya existe una ligera cavitación, sin embargo se evidenciará solamente un 3% de reducción de la altura total, a este nivel las implosiones rara vez son lo suficientemente serias como para causar cualquier daño de corrosión o vibración importantes.
En caso de donde es imposible efectuar cualquier acción correctiva la opción final es vivir con la cavitación, y tratar de reducir al mínimo los daños del impulsor, y los efectos de vibración.
Los daños al impulsor pueden reducirse en varias formas, dependiendo del material del impulsor y del servicio en que la bomba está funcionando, un simple cambio a un material de impulsor más resistente puede aumentar la asistencia o punto cedente y minimizar los daños, en algunos casos un recubrimiento duro sobre el impulsor existente podría ser una solución aceptable, la vibración puede causar la falla prematura del sello y rodamientos, pero esto puede minimizarse reduciendo el factor de flexión del eje. Además, para aplicaciones donde se desarrolla vibraciones debido a condiciones hidráulicas inestables, se han diseñado especialmente bombas con ejes de mayor diámetro y más cortos.
Un claro entendimiento de la cavitación y de la altura neta positiva de aspiración y de su interrelación, proporcionarán soluciones prácticas a los problemas de bombas con cavitación.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
[3] https://blog.craneengineering.net/what-is-pump-cavitation
Contacto: orlandoaco2@gmail.com