El Fenómeno Físico de la Cavitación

La cavitación es un fenómeno físico que comúnmente afecta a los dispositivos mecánicos para impulsión de fluidos. Sucede por la formación de burbujas de vapor o gas en el seno de un líquido, causada por las variaciones que este experimenta en su presión. La cavitación es un fenómeno físico, mediante el cual un líquido, en determinadas condiciones, pasa a estado gaseoso y unos instantes después pasa nuevamente a estado líquido.

Este fenómeno tiene dos fases:

Fase 1.- Cambio de estado líquido a estado gaseoso.
Fase 2.- Cambio de estado gaseoso a estado líquido.

La cavitación es un fenómeno muy frecuente en sistemas hidráulicos donde se dan cambios bruscos de la velocidad del líquido.

En partes móviles:
Álabes de turbinas
Rodetes de bombas
Hélices de barcos

En partes no móviles:
Estrangulamientos bruscos
Regulación mediante orificios
En válvulas reguladoras

Algunos efectos de la cavitación son:
Ruidos y golpeteos.
Vibraciones.
Erosiones del material (daños debidos a la cavitación).

A continuación, mostramos con imágenes los efectos físicos de la cavitación.

Cavitación en una Válvula de mariposa. Condiciones de funcionamiento:

Presión aguas arriba: 1.2 – 1.4 bares
Presión aguas abajo: 0.1 bares
Velocidad del fluido: 2.2 m/s (referida al diámetro nominal)
Tiempo en funcionamiento: 2 años
Grado de apertura del disco: Aproximadamente 30°

Cavitación en una válvula de compuerta. 

La válvula de compuerta no ha estado completamente cerrada y en la sección de paso la velocidad ha sido muy alta. Después de tres meses de funcionamiento el cuerpo de la válvula muestra los daños de la fotografía.

Cavitación en el pistón de una válvula de paso anular. 

Pueden aparecer daños por cavitación debido a un mal dimensionado de una válvula reguladora, tal como puede verse en la fotografía adjunta.

El principio de funcionamiento de la cavitación está basado en un líquido que se evapora cuando la energía no es suficiente para mantener las moléculas unidas, entonces estas se separan unas de otras y aparecen burbujas de vapor.

La condición de paso de líquido a vapor depende de dos parámetros:
Temperatura
Presión

A presión atmosférica (1 bar) el agua se evapora a 100°C. Cuando la presión decrece, el proceso de evaporación comienza a una temperatura menor. Ejemplo: A una presión de 0.02 bares el agua se evapora a una Temperatura aproximada de 18°C.

El agua que fluye por las tuberías está generalmente a presión, producida por una bomba o debido a una diferencia de alturas (proveniente de un depósito) y es considerablemente mayor que la presión de vapor.

En la siguiente tabla podemos relacionar los parámetros de presión y temperatura.

Debido al estrechamiento de la sección de paso en punto de regulación, la velocidad del fluido y por tanto su energía cinética aumentan considerablemente. Debido, también, al estrechamiento las pérdidas también aumentan de forma apreciable. En la “vena contracta“ la energía de presión restante, y por tanto la presión local, decrece considerablemente ya que la energía total debe permanecer constante.

Si en este punto la presión baja por debajo de la presión de vapor, el agua puede evaporarse.

Entonces se forman burbujas de vapor, …

… Que se deforman al incrementarse la presión…

… Y finalmente implotan y desaparecen.