¿Qué es la cavitación?
Cuando la presión de un líquido a una temperatura determinada se reduce hasta alcanzar la presión de vaporización correspondiente a esa temperatura, el líquido forma burbujas. Este fenómeno de formación de burbujas es Cavitación en una bomba.
¿Cómo se produce la cavitación en una bomba centrífuga?
Durante el funcionamiento de una bomba centrífuga, si en una zona concreta de los componentes del conducto de flujo (normalmente en un punto situado ligeramente detrás de la entrada del álabe del impulsor), por cualquier motivo, la presión absoluta del líquido bombeado desciende hasta la presión de vaporización a la temperatura actual, el líquido comenzará a vaporizarse en ese punto, produciendo vapor y formando burbujas.
Estas burbujas avanzan con el flujo del líquido. Cuando llegan a una zona de alta presión, el líquido a alta presión que rodea las burbujas hace que estas se contraigan rápidamente hasta colapsar. En el momento en que las burbujas colapsan, las partículas de líquido llenan la cavidad a gran velocidad y chocan entre sí, formando un golpe hidráulico. Cuando este fenómeno se produce contra una pared sólida, provoca erosión y daños en los componentes del conducto de flujo.
Este proceso es el proceso de cavitación de una bomba centrífuga.
Condiciones que provocan la cavitación
La causa fundamental de la cavitación es que la presión local es inferior a la presión de vapor saturada del líquido.
Durante el funcionamiento de una bomba centrífuga, el líquido entra en el impulsor desde la tubería de succión, y su variación de presión sigue el siguiente patrón:
Caída de presión en la entrada:
Durante el trayecto desde el tanque de almacenamiento hasta la entrada de la bomba, debido a la resistencia de la tubería y al aumento de la velocidad del flujo (el aumento de la energía cinética provoca una disminución de la energía de presión estática), la presión disminuye gradualmente.
Punto de menor presión dentro del impulsor:
El punto de menor presión suele aparecer ligeramente detrás de la entrada del álabe del impulsor (aproximadamente a un tercio del borde de ataque del álabe), donde la velocidad del flujo es mayor y la presión estática es menor.
Valor crítico de vaporización:
Cuando la presión en este punto desciende hasta la presión de vapor saturado a la temperatura actual del líquido, este comienza a vaporizarse y forma una gran cantidad de burbujas de vapor.
El proceso completo de la cavitación
La cavitación es un ciclo dinámico que incluye la formación, el desarrollo y el colapso de burbujas.
Etapa de generación de burbujas
En la zona de baja presión, el líquido se evapora y forma burbujas de vapor. Al mismo tiempo, los gases disueltos en el líquido (como el aire) también se liberan, formando burbujas mixtas. El tamaño de las burbujas varía entre micrones y milímetros, y su número aumenta considerablemente a medida que disminuye la presión.
Etapa de migración de burbujas
Las burbujas se desplazan con el flujo del líquido hacia la zona de alta presión del impulsor (zona de trabajo de las palas), donde la presión aumenta rápidamente. Cuando la presión ambiental supera la presión de vapor, se rompe la estabilidad de las burbujas.
Fase de colapso de la burbuja
Las burbujas se colapsan instantáneamente bajo alta presión (en tan solo unos pocos microsegundos). El líquido circundante se precipita hacia el interior de la cavidad a una velocidad extremadamente alta (que puede superar los 100 m/s), generando un fuerte impacto hidráulico. Este proceso va acompañado de tres efectos clave:
Impacto mecánico:
La presión local puede alcanzar valores de decenas a cientos de MPa, lo que equivale a un martilleo de alta frecuencia sobre la superficie metálica.
Efecto térmico:
Cuando las burbujas se rompen, se libera el calor latente de vaporización y la temperatura local puede alcanzar los 200–300 °C.
Corrosión química:
La alta temperatura acelera la reacción de oxidación del oxígeno en la superficie del metal, lo que provoca corrosión electroquímica.
Características del fenómeno de la cavitación
Cuando se produce cavitación, esta se puede identificar por los siguientes fenómenos:
- Señal auditiva: Se oye un ruido de alta frecuencia, similar a un “crepitar” o “estallido”, en el interior de la bomba. En casos graves, va acompañado de sonidos de impacto metálico.
- Señal visual: La superficie del impulsor presenta un deterioro progresivo que va desde la corrosión por picaduras → estructura alveolar → perforación. Las zonas más habituales son el borde de entrada de las palas y la lengüeta de la voluta.
- Cambios en el rendimiento: El caudal, la altura de elevación y el rendimiento de la bomba disminuyen al mismo tiempo. En casos graves, puede producirse una interrupción del flujo.
Factores que provocan la cavitación:
- Altura de instalación: Una altura de instalación excesiva aumenta el grado de vacío en la entrada y es la causa más común. A presión atmosférica normal, la altura de instalación segura de una bomba de agua limpia no suele superar los 3–5 metros.
- Propiedades del líquido: Un aumento de la temperatura (aumento de la presión de vapor) y un mayor contenido de gas (aumento de los núcleos de burbuja) reducirán significativamente la resistencia a la cavitación.
- Condiciones de funcionamiento: Cualquier desviación respecto al caudal nominal (especialmente en condiciones de bajo caudal) intensificará las fluctuaciones de presión en el interior del impulsor.
- Diseño del cuerpo de la bomba: Los parámetros geométricos, como la forma de la entrada del impulsor y la curvatura de los álabes, influyen directamente en la distribución de la presión.
Diferencia fundamental entre la cavitación y la formación de burbujas de aire
Es necesario distinguir entre dos fallos que se confunden fácilmente:
| Característica | Cavitación | Encuadernación al aire |
|---|---|---|
| Causa raíz | Presión local < presión de vapor saturado | Hay aire dentro de la bomba y no se puede crear el vacío |
| Etapa de ocurrencia | Aparece gradualmente durante el funcionamiento | Se produce al iniciar el sistema |
| Fenómeno típico | Ruido, vibraciones, disminución del rendimiento, daños en el impulsor | Sin fugas de líquido, sin ruidos evidentes |
| Solución | Reducir la altura de instalación, aumentar la presión de entrada | Vuelva a cebar la bomba y purgue el aire |
Conclusión principal:
La esencia de la cavitación es un ciclo de “ebullición-colapso” del líquido en un entorno de alta presión. Su efecto destructivo se debe a la acción sinérgica del impacto mecánico y la corrosión química.
La clave para evitar la cavitación es asegurarse de que la altura de succión positiva neta (NPSHa) disponible sea mayor que la altura de succión positiva neta (NPSHr) requerida; además, por lo general, debe garantizarse un margen de seguridad de al menos 0,3–0,5 m.
Cómo evitar la cavitación en una bomba centrífuga
Mejorar los parámetros estructurales de la entrada de la bomba
Esta solución es adecuada para Changyu Pump durante las etapas de diseño y fabricación de bombas centrífugas. Este método rara vez se adopta en la planta de producción.
Instale un inductor en la entrada de succión de la bomba
La instalación de un inductor tiene un efecto significativo en la mejora de la resistencia a la cavitación de una bomba centrífuga y en la resolución de los problemas de cavitación.
Además, su estructura es sencilla, fácil de fabricar e instalar, cómoda de manejar y mantener, y de bajo costo. Se puede instalar y poner en marcha bajo la supervisión técnica de Changyu Pump sin afectar la producción, y resulta especialmente adecuada para su promoción y aplicación en las plantas de producción.
Diseñar adecuadamente la tubería de succión y ajustar la altura de instalación
Aunque este método puede eliminar los problemas de cavitación, rara vez se utiliza en las plantas de producción.
Esto se debe a que ajustar la tubería de succión y la altura de instalación de la bomba implica una gran cantidad de trabajo de ingeniería y altos costos de construcción, y está limitado por las condiciones del lugar de la obra. Solo puede llevarse a cabo durante una parada de la planta o una revisión general.
Al mismo tiempo, debido a las limitaciones de las condiciones del proceso, cualquier ajuste en la tubería de succión y en la altura de instalación afectará a los procesos posteriores y provocará una reacción en cadena.
Optimizar las condiciones de funcionamiento del proceso
Cuando las condiciones del proceso lo permiten, la modificación de parámetros operativos como el caudal de la bomba, la altura de elevación, la velocidad de rotación y la temperatura de funcionamiento del fluido puede evitar la aparición de cavitación.
Conclusión:
A través del artículo anterior, comprendemos cómo se produce la cavitación en una bomba centrífuga, así como la forma de evitarla.
Si desea abordar la reducción de la cavitación desde su origen, puede ponerse en contacto con nosotros. Adaptaremos el diseño de la bomba centrífuga a sus condiciones de trabajo específicas para satisfacer sus necesidades de bombeo.
Si ya se ha producido cavitación en sus condiciones de trabajo actuales, también puede ponerse en contacto con Bomba Changyu Ahora. Contamos con más de 20 años de experiencia en fabricación e I+D para ayudarle a resolver sus problemas de bombeo.
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