Cavitación en Bombas, Válvulas y Tuberías

La cavitación incontrolada en bombas, válvulas y tuberías provoca daños. Reduce considerablemente la eficacia y la vida útil del componente: la cavitación daña el asiento de una válvula, la pared de una tubería y el impulsor de una bomba. Uno de los principales problemas de la cavitación es que puede evitarse con un diseño adecuado del sistema.

Índice de contenidos

• ¿Qué es la cavitación?
• Cavitación en bombas
• Cavitación en válvulas
• Cavitación en tuberías
• Preguntas frecuentes

¿Qué es la cavitación?

La cavitación es un proceso que consta de dos partes. En primer lugar, la presión en un sistema líquido cae por debajo de la presión de vapor del líquido a la temperatura de circulación. Esta caída hace que el líquido se transforme en burbujas de vapor. En segundo lugar, las burbujas de vapor encuentran una presión superior a la presión de vapor del líquido, lo que provoca su implosión. Esta implosión crea una onda de choque y microchorros. Si se produce dentro del diámetro de una burbuja de un componente del sistema (por ejemplo, el asiento de una válvula, la pared de una tubería o el impulsor de una bomba), provoca daños por picaduras. Si no se trata, la cavitación dañará gravemente estos componentes del sistema con el tiempo, reduciendo su eficacia. Lea nuestro artículo sobre cavitación para obtener más información.

Cavitación en bombas

La cavitación se produce en las bombas por varias razones:

• Diseño del sistema
  • Depósito encima de la bomba: Si el depósito está por encima de la línea central de la bomba, ésta crea una zona de baja presión en su entrada para que la altura atmosférica, o altura de presión, pueda empujar el líquido hacia la entrada. La cavitación comienza si la presión en la entrada cae por debajo de la presión de vapor.
  • Depósito debajo de la bomba: Una bomba crea una cabeza de succión para extraer líquido del depósito. La altura de aspiración es la distancia vertical desde la línea central de la bomba hasta la superficie del líquido en el depósito. Si la altura de aspiración es demasiado grande, la bomba crea un efecto de vacío que permite la cavitación.
• Cavitación en vacío: Otras causas de las condiciones de vacío en una línea de aspiración son un filtro sucio, una entrada obstruida, un tramo de tubería demasiado largo, mangueras restringidas o colapsadas, o un fluido demasiado viscoso (por ejemplo, aceite refrigerado). En cada caso, no entra suficiente líquido en la bomba, lo que permite que entre más vapor.
• Aireación: Por aireación se entiende la entrada de aire en un sistema, ya sea intencionada o no. En los sistemas de bombeo, puede entrar aire no deseado a través de agujeros o fugas, especialmente alrededor de uniones y juntas. La aireación puede provocar cavitación gaseosa, que suele subestimarse porque no causa los daños por picaduras que sí provoca la cavitación vaporosa. Sin embargo, la cavitación gaseosa puede reducir considerablemente la eficacia de funcionamiento de los sistemas hidráulicos y de lubricación.

Cómo evitar la cavitación en las bombas

El primer paso para evitar la cavitación en las bombas es un diseño adecuado del sistema. Esto significa asegurarse de que la altura neta positiva de aspiración (NPSH) de la entrada sea lo suficientemente alta. El NPSH mide cuánto más alta es la presión absoluta que la presión de vapor del líquido que fluye. La tabla 1 detalla las variables subyacentes al NPSH. Combinando los tres primeros componentes, cabeza de presión, cabeza atmosférica y cabeza de velocidad, se obtiene la presión absoluta, o:

• P: Presión:
• Pa: Presión atmosférica
• V: Velocidad del líquido
• ρ: Densidad del líquido
• g: Aceleración gravitatoria
• Pv: Presión de vapor

La presión absoluta debe ser mayor que la cabeza de presión de vapor para evitar la cavitación, o:

Tabla 1: Variables necesarias para calcular el NPSH.

Componente	Descripción	Fórmula
Altura de presión	La presión a la entrada de la bomba debida a la altura de la columna de agua en el depósito.
Cabeza atmosférica	La presión atmosférica que actúa sobre la superficie de la columna de agua
Cabezal de velocidad	La energía cinética del líquido que entra en la bomba
Cabeza de presión de vapor	La presión de vapor del líquido a la temperatura de flujo

Es probable que una bomba esté experimentando cavitación si hay un sonido como de grava o canicas fluyendo a través de la bomba. Algunas sugerencias para reducir la cavitación son:

• Velocidad del motor: Reducir la velocidad del motor de la bomba ralentiza la rapidez con la que el líquido entra en la bomba, reduciendo la caída de presión en la entrada.
• Inductor del impulsor: El inductor del impulsor funciona directamente aguas arriba del impulsor. Su finalidad es elevar la presión absoluta en la entrada, reduciendo la posibilidad de cavitación.
• Nivel de líquido en la entrada: Aumentar el nivel de líquido en la entrada puede reducir la posibilidad de que se forme vacío.
• Temperatura: Si es posible, reduzca la temperatura de los componentes del sistema alrededor de la bomba o la temperatura del líquido. Al aumentar la temperatura, la presión de vapor aumenta exponencialmente.

Cavitación en válvulas

En algunas válvulas de control se produce una pérdida de presión importante en la entrada de la válvula. Algunas excepciones notables son las válvulas de bola de paso total, las válvulas de compuerta y las válvulas de cono, siempre que los usuarios sigan la recomendación de no utilizar ninguna de estas válvulas para estrangular el caudal. Las válvulas moduladoras de caudal, como las de aguja, globo y mariposa, son mucho más susceptibles a la cavitación debido a las pérdidas de presión en la entrada.

Nota: Las válvulas de bola modulan el caudal en la vida cotidiana. Por ejemplo, estas válvulas son habituales en grifos de manguera de exterior o fregaderos de cocina. Sin embargo, cuando se necesita precisión, las válvulas de bola no son óptimas. Lea nuestro artículo sobre válvulas de bola caracterizadas para obtener más detalles.

La cavitación comienza (es decir, se forman burbujas) en la entrada de la válvula. El final de la cavitación (es decir, la implosión de las burbujas) depende del diseño de la válvula. Si la recuperación de presión dentro de la válvula se produce rápidamente, como en una válvula de mariposa, entonces se produce la implosión de la burbuja, pudiendo dañar el obturador o el asiento de la válvula. Con el tiempo, el daño por cavitación será lo suficientemente grave como para requerir la sustitución de la válvula.

Cómo evitar la cavitación en las válvulas

Al igual que ocurre con las bombas, un diseño adecuado del sistema puede reducir significativamente los daños causados por la cavitación en las válvulas; es esencial seleccionar la válvula correcta para cada aplicación. El tamaño de una válvula, junto con su coeficiente de caudal(Cv), desempeña un papel importante. El Cv es el volumen de agua en galones a 16 °C (60 °F) que fluye cada minuto a través de una válvula con una caída de presión de 0,07 bar (1 psi) desde la entrada hasta la salida. El equivalente métrico es el factor de caudal (Kv) con una descarga en metros cúbicos por hora. Si se conoce el Cv, calcula el Kv con lo siguiente:

Las válvulas con un Cv demasiado pequeño para un sistema provocan mayores caídas de presión a través de la válvula. Si la presión cae por debajo de la presión de vapor, las burbujas implosionarán cuando se recupere la presión a la salida de la válvula. Si el Cv es demasiado grande para el sistema, el obturador de una válvula que estrangula el caudal se asentará muy cerca del asiento de la válvula. El líquido que pase por el tapón reducirá significativamente la presión, lo que puede provocar cavitación dentro de la válvula.

En algunos casos, la cavitación es inevitable, por ejemplo, en aplicaciones de líquidos de alta temperatura o viscosidad. Sin embargo, aún existen opciones para reducir los daños potenciales de la cavitación.

• Ubicación de la válvula: Si es posible, instale una válvula en una zona de presión relativamente alta, por ejemplo, en el punto más bajo de un sistema de tuberías. La caída de presión en la válvula puede no ser lo suficientemente baja como para alcanzar la presión de vapor.
• Válvulas múltiples: Si el sistema requiere una gran caída de presión (por ejemplo, intercambiador de calor), considere la posibilidad de utilizar varias válvulas con diferenciales de presión moderados para lograr el resultado. La caída gradual de la presión puede limitar la intensidad de la cavitación en un punto dado.
• Trimado multietapa: Un trimado multietapa en una válvula reduce gradualmente la caída de presión, lo que reduce la acumulación de burbujas.
• Trimado endurecido: Si la cavitación es leve (incipiente), un material de guarnición más duro, como la estelita, puede reducir los daños en componentes importantes de la válvula.

Cavitación en tuberías

Comprender la cavitación en las tuberías significa entender dónde y cómo se produce la pérdida de presión. La pérdida de presión en una tubería es fácil de entender y calcular mediante la ecuación de Hazen-Williams:

• h_f:pérdida de carga por rozamiento
• k: constante en función del sistema de unidades (0,85 para el sistema métrico, 1,32 para el imperial)
• Q: Caudal volumétrico
• L: Longitud
• C: Coeficiente de rugosidad del tubo (1 = liso, <1 = rugoso)
• d: Diámetro del tubo

Fórmula de Pérdida Menor:

• h_f: pérdida de carga menor
• k: coeficiente de pérdidas menores
• V: velocidad del flujo
• g: aceleración debida a la gravedad

Y, por último, la fórmula de la Pérdida Total de Energía:

Las conclusiones importantes de la ecuación de Hazen-Williams son que la longitud de la tubería, el caudal de líquido y el diámetro de la tubería desempeñan un papel importante en la pérdida de presión en una tubería.

• Longitud: Cuanto más larga sea la tubería, mayor será la pérdida de presión.
• Caudal: Cuanto mayor sea el caudal, mayor será la pérdida de presión.
• Diámetro de la tubería: Cuanto mayor sea el diámetro de la tubería, menor será la pérdida de presión.

Según estas conclusiones, reducir la pérdida de presión debería ser tan sencillo como aumentar el diámetro de una tubería. Sin embargo, los resultados experimentales muestran que el aumento del diámetro de la tubería sólo reduce la pérdida de presión con caudales bajos. La razón es una variable de pérdida menor que la ecuación de Hazen-Williams no tiene en cuenta: la turbulencia.

Cuando el líquido de una tubería choca con las paredes de la misma o con un giro (por ejemplo, una unión en codo), crea turbulencias. Las turbulencias en todo un sistema, especialmente en los sistemas más pequeños, se suman a zonas significativas de pérdida de presión, aumentando la posibilidad de cavitación.

Cómo evitar la cavitación en las tuberías

Al diseñar un sistema de tuberías, ciertas opciones de diseño pueden reducir significativamente la pérdida de presión y disminuir la posibilidad de cavitación.

• Longitud: Investigar formas de reducir la longitud de las secciones de tuberías siempre que sea posible.
• Bomba de refuerzo: Las bombas de refuerzo aumentan la presión de un líquido. Para tramos de tubería relativamente largos (por ejemplo, tuberías de aceite), determine si son necesarias una o varias bombas de refuerzo para mantener la presión por encima de la presión de vapor.
• Soldadura: Si se sueldan tramos de tubo entre sí, hay que asegurarse de que la superficie de soldadura en el interior del tubo no sea demasiado gruesa. Esto puede crear turbulencias, lo que reduce la presión y puede provocar cavitación.
• Doblado de tubos: Una curva en la tubería produce menos pérdidas por fricción que el cambio abrupto de dirección que ofrecen las uniones en codo.
• Accesorios: Cada adición de un accesorio (por ejemplo, válvulas y juntas) a un sistema de tuberías proporciona una fuente de fallo potencial, que puede permitir la entrada de aire en la tubería y aumentar la posibilidad de cavitación.

Preguntas frecuentes

¿Qué causa la cavitación en una válvula?

La presión de un líquido se reduce mucho a la entrada de una válvula. Si la presión se reduce a la presión de vapor del líquido, se forman burbujas. Al recuperarse la presión en la salida, las burbujas implosionan y causan daños.

¿Qué causa la cavitación en una bomba?

Si la presión absoluta a la entrada de la bomba no es lo suficientemente alta, la caída de presión a través de la bomba será inferior a la presión de vapor del líquido.

¿Qué causa la cavitación en una tubería?

La pérdida de presión en una tubería debida a un dimensionamiento inadecuado o a turbulencias puede provocar cavitación.