¿Qué son la cavitación y el taponamiento?

La cavitación y el parpadeo pueden producirse en sistemas de medios líquidos que incluyen gotas de alta presión. Para que se produzca uno u otro fenómeno, la presión del sistema debe descender por debajo de la presión de vapor del líquido. El resultado es que una parte o la totalidad del líquido se transforma en burbujas de gas que pueden causar graves daños en el interior de los componentes, normalmente en forma de fosa, como se muestra en la figura 1. Estos daños pueden limitar el control de caudal de una válvula o provocar fugas en una tubería. Por lo tanto, a la hora de diseñar un sistema de medios líquidos, es esencial comprender por qué se producen la cavitación y la interferencia para evitarlas.

Índice de contenidos

• ¿Qué es la cavitación?
• ¿Qué es el flash?
• Cavitación y daños en los tapajuntas
• Predicción de cavitación y flashing
• Preguntas frecuentes

¿Qué es la cavitación?

Resulta útil utilizar un diagrama de fases del agua para comprender cómo se producen la cavitación y la intermitencia. Como se ve en la figura 2, el agua tiene tres fases: sólida, líquida y gaseosa. El agua cambia entre estas fases cuando se produce un cambio de temperatura o de presión. El punto de partida (Figura 2 etiquetada A) del diagrama muestra agua líquida. Una práctica doméstica habitual es elevar la temperatura del agua para hervirla (Figura 2 etiquetada B). Sin embargo, sin aumentar la temperatura, el agua puede pasar a la fase gaseosa disminuyendo la presión local alrededor del agua (Figura 2 etiquetada C). Tanto la temperatura como la presión desempeñan un papel importante en la creación de cavitación y parpadeo en los sistemas de transporte de líquidos. A altas temperaturas, las pérdidas mínimas de presión pueden provocar cavitación y parpadeo. Mantener el agua a temperaturas normales no soluciona inmediatamente este problema, ya que en los sistemas son habituales grandes caídas de presión.

La cavitación es un proceso en dos etapas:

1. A temperatura constante, algunos medios líquidos se transforman en gas cuando atraviesan una zona de presión inferior a la presión de vapor del líquido. La presión de vapor es la presión a la que un líquido se transforma en gas.
2. Cuando las burbujas pasan a una zona de presión superior a la presión de vapor, se vuelven inestables e implosionan.

Tras la implosión, se produce una onda de choque que se extiende en todas direcciones. Si se encuentra dentro del diámetro de una burbuja de un límite (por ejemplo, el asiento de una válvula, la pared de una tubería y el impulsor de una bomba), la fuerza de la onda de choque puede dañar los componentes del sistema. Cuando una burbuja implosiona cerca de un límite, éste frena el flujo en el lado del límite de la burbuja. Entonces, el líquido opuesto al lado del límite de la burbuja fluye más rápido, creando microchorros que impactan contra el límite, creando una fosa. Si se produce cavitación, sonará como un chisporroteo en sus primeras etapas. Sin embargo, en las fases avanzadas de cavitación, los sonidos varían desde un tono grave (cavitación media) hasta un fuerte rugido (cavitación alta).

Factores de cavitación

Más allá de una zona de baja presión, otros cuatro factores contribuyen a la cavitación:

• Núcleos: La vaporización no puede producirse sin una interfaz. Por ejemplo, la interfaz para el vapor de agua que sale del agua hirviendo es la superficie del agua. En un sistema líquido cerrado, sin embargo, los núcleos proporcionan esta interfaz. Los núcleos suelen ser burbujas de aire libres que se encuentran a lo largo del límite (por ejemplo, la pared de una tubería) o atrapadas en un hueco o agujero de un sólido en suspensión.
• Presión ambiente: Si la presión del líquido inmediatamente alrededor de las burbujas de gas es superior a la presión del vapor, las burbujas implosionarán.
• Turbulencias: Un líquido que pasa por un orificio está sujeto a turbulencias, creando remolinos, que son corrientes de agua circulares. La presión dentro de estos remolinos es mucho menor que la presión circundante, lo que provoca la formación e implosión de burbujas. Los remolinos atraviesan zonas de separación de baja presión. El tamaño de estas zonas, y por lo tanto la cantidad de tiempo que los remolinos pasan dentro de ellas, aumenta con el tamaño de la válvula.
• Recuperación de la presión: En una válvula típica, la recuperación de la presión (es decir, el aumento de la presión local por encima de la presión de vapor) se produce inmediatamente después del punto de flujo más estrecho (vena contracta). Es habitual que la recuperación de presión supere la presión de vapor, lo que provoca la implosión de la burbuja. El diseño de algunas válvulas permite que la recuperación de la presión se produzca más abajo de la vena contracta, por lo que las burbujas que implosionan no dañan los componentes de la válvula.

¿Qué es el flash?

El flasheo es la etapa inicial de la cavitación: la transformación de líquido en gas debido al paso por una zona de presión inferior a la presión de vapor. Sin embargo, la diferencia entre flashing y cavitación es que en el flashing la presión no se recupera por encima de la presión de vapor y las burbujas no implosionan. Sin embargo, una válvula puede atascarse debido a la presencia de muchas burbujas en el flujo. Ahogado significa que la velocidad del flujo aumenta, pero la presión no disminuye. En este caso, los chorros de agua pasan junto a las burbujas a gran velocidad. Estos chorros pueden impactar contra los límites, causando daños.

Cavitación y daños en los tapajuntas

Como se ve en la figura 1, el daño típico de la cavitación es una superficie con cráteres. Estos cráteres se forman debido al impacto de ondas sónicas y microchorros. Este tipo de daño es mecánico. La cavitación también puede provocar corrosión química. Normalmente, una película de óxido en la superficie del límite limita la corrosión. Una cavitación débil puede ser lo suficientemente fuerte como para desgastar la película de óxido, provocando daños por corrosión en el límite.

La mezcla de gas y líquido de las llamaradas es abrasiva y causa daños similares a los que se han tratado en el párrafo anterior sobre los daños por corrosión por cavitación. Los daños por parpadeo dejan una superficie lisa y brillante.

Reducción de los daños causados por la cavitación y los destellos

La mejor manera de reducir los daños causados por la cavitación y el parpadeo es reducir al mínimo la posibilidad de que se produzca uno u otro fenómeno. La cavitación puede prevenirse de varias maneras:

• Aireación: La aireación del líquido rellena muchos huecos y puede provocar cavitación gaseosa. En este proceso de cavitación, las burbujas implosionan lentamente. Por lo tanto, no se producen ondas de choque violentas ni microchorros.
• Válvulas múltiples: Utilice varias válvulas, normalmente dos, cuando un sistema requiera una gran caída de presión. Cada válvula disminuye moderadamente la presión, reduciendo la posibilidad de que la presión en cualquiera de ellas caiga por debajo de la presión de vapor.
• Recuperación escalonada de la presión: Algunas válvulas (por ejemplo, algunas válvulas de aguja) tienen una construcción de salida que aumenta gradualmente de anchura. Esto aumenta gradualmente, en lugar de de golpe, la presión alrededor de las burbujas que se forman. En este caso, es menos probable que las burbujas implosionen cerca de los componentes de la válvula.

Si los factores del sistema hacen que la presión descienda por debajo de la presión de vapor de un líquido, no hay forma de evitar la intermitencia. Sin embargo, revestir la salida de la válvula con un material endurecido puede proteger los componentes. Obtenga más información sobre la prevención de la cavitación y el parpadeo en nuestra guía sobre cavitación en bombas, válvulas y tuberías.

Predicción de cavitación y flashing

La cavitación y el parpadeo se pueden predecir utilizando el índice de cavitación Sigma. Sigma es:

Dónde:

• PV: La presión de vapor del líquido a la temperatura de flujo
• P1: Presión aguas arriba
• P2: Presión aguas abajo

Basándose en el resultado de la proporción, el Índice de Cavitación Sigma visto en la Tabla 1 puede ayudar a un diseñador de sistemas a predecir la cavitación

Tabla 1: El índice de cavitación Sigma

σ ≥ 2.0	Sin cavitación
1.7 < σ < 1.7	Un embellecedor endurecido puede proteger adecuadamente una válvula.
1.5 < σ < 1.7	Cavitación menor. Un embellecedor de una sola etapa puede proteger adecuadamente una válvula.
1.0 < σ < 1.5	Es posible que se produzca una fuerte cavitación. Adoptar medidas de prevención de la cavitación.
σ < 1.0	Intermitente

Basándose en el índice de cavitación Sigma, concluya lo siguiente:

• La posibilidad de cavitación se reduce a medida que aumenta la diferencia entre la presión aguas arriba y la presión de vapor. En otras palabras, un líquido a alta presión con una presión de vapor baja tiene menos probabilidades de cavitar.
• Cuanto menor sea la diferencia entre las presiones aguas arriba y aguas abajo, menor será la posibilidad de cavitación.

Preguntas frecuentes

¿Es lo mismo cavitación que flashing?

No. La intermitencia es la transformación de líquido en burbujas de vapor, mientras que la cavitación es la transformación de líquido en burbujas de vapor, seguida de la implosión de las burbujas. La primera se produce cuando la presión del sistema cae por debajo de la presión de vapor y no vuelve a subir. Esta última se produce cuando la presión del sistema cae por debajo de la presión de vapor y luego vuelve a subir por encima de la presión de vapor.

¿Cómo prevenir la cavitación?

Un método para evitar la cavitación consiste en garantizar que la caída de presión a través de una válvula no haga descender la presión local por debajo de la presión de vapor del medio líquido.