CAVITACIÓN
Lo más importante antes de realizar alguna intervención a los sistemas oleohidráulicos, es cumplir fielmente las normas de seguridad y utilizar los elementos de protección personal adecuados para este trabajo.
¿Qué es la cavitación?
Cuando se trabajan con líquidos, se presentan fenómenos físicos por efectos de la temperatura como congelación, ebullición, evaporación que cambian el estado de estos y producen inclusive desprendimiento de aire u otros gases que pueden estar disueltos en ellos.
Cuando en este caso el aceite circula por estrechamientos y/o sufre aumento de temperatura, tanto la presión como la velocidad cambian, específicamente al aumentar la temperatura aumenta la presión y si alcanza el valor de ebullición, entonces el aceite pasará de un estado líquido a gaseoso. Este vapor de aceite presente en el aceite líquido toma la forma de burbujas. En el momento en que el caudal de aceite aumenta su ancho, la presión disminuye y el vapor de aceite se condensa, luego el vapor de aceite (en forma de burbujas) pasa del estado gaseoso a estado liquido, lo cual genera implosión de las burbujas y por consiguiente una alta transformación de energía, generando desprendimiento del material (metal) del elemento con el cual están en contacto y produciendo pequeñas cavidades en dicho material, cavidades del tamaño promedio de la cabeza de un alfiler, de ahí su nombre, cavitación.
Por lo tanto este fenómeno es indeseable en los sistemas oleohidráulicos ya que deterioran de manera crítica los componentes al ser un proceso altamente erosivo.
Causas
Dentro de las causas que producen la cavitación están:
- Incorrecto diseño (dimensionado) de la instalación oleohidráulica
- Estrangulamientos excesivos en la tubería de succión
- Longitud excesiva en la tubería de succión
- Filtro de succión tapado
- Velocidades del aceite por encima de las recomendadas
- Presencia de aire en el circuito oleohidráulico
- El movimiento del actuador es superior por carga externa que por presión oleohidráulica.
Consecuencias
La cavitación al ser un proceso altamente erosivo genera:
- Ruido como golpeteo rápido y parecido a un gruñido.
- Vibraciones que a su vez pueden producir el desajuste de algún mecanismo.
- El deterioro de los elementos los cuales no se pueden reparar, lo que exige su remplazo inmediato.
- Contaminación del aceite debido a la presencia de partículas metálicas.
- Muchas de las partículas que se desprenden por efecto de la cavitación, son transportadas por el aceite generando desgaste en otros componentes.
La cavitación en las bombas puede producirse de dos formas diferentes, que son: la cavitación de succión, la cual ocurre cuando la succión de la bomba se encuentra en condiciones de baja presión haciendo que el líquido se transforme en vapor a la entrada y que este sea transportado hasta la zona de descarga de la bomba donde el vacío desaparece y el vapor del líquido es nuevamente comprimido debido a la presión de descarga lo que resulta produciendo una implosión violenta presentando grandes cavidades debido a los trozos de material arrancado por el fenómeno y la cavitación de descarga que ocurre cuando la descarga de la bomba es muy alta en bombas que funcionan a menos del 10% de su eficiencia óptima; esto se debe a que la elevada presión de descarga provoca que la mayor parte del fluido circule dentro de la bomba en vez de salir. A medida que el líquido fluye alrededor debe pasar a una velocidad muy elevada a través de una pequeña abertura, transformando el liquido en vapor.
¿Cuál es el proceso que llevan a cabo para la protección de las tuberías para evitar al máximo este fenómeno?
La cavitación es un fenómeno que se puede presentar en los sistemas hidráulicos y oleohidráulicos, trayendo consigo varias consecuencias, pero sus causas se pueden prevenir dándole una vida útil y larga a los sistemas.
Estas son algunas recomendaciones:
1. Diseñar el tanque correctamente,
2. Utilizar un filtro de respiradero en el tanque,
3. Instalar líneas de succión dimensionadas y configuradas correctamente,
4. Remover filtración en la línea de succión,
5. Utilizar una bomba correctamente dimensionada,
6. Mantener una temperatura adecuada del fluido,
7. Utilizar una succión con presión positiva.
Podríamos prevenir la cavitación en bombas hidráulicas de la siguiente manera
• Mantener la entrada de la bomba hidráulica limpia y libre de obstrucciones.
• Utilizar una tubería de aspiración de diámetro interno lo suficientemente grande y de longitud lo más corta posible.
• Minimizar al máximo el número de codos en la línea de la aspiración.
• Mantener las velocidades de rotación de la bomba dentro de los márgenes nominales.
Encontramos dos tipos de cavitación:
Cavitación por flujo:
la tenemos en tuberías donde la presión estática del líquido alcanza valores próximos al de la presión de vapor del mismo, tal como puede ocurrir en la garganta de un tubo Venturi, a la entrada del rodete de una bomba centrífuga o a la salida del rodete de una turbina hidráulica de reacción, también en las bombas rotativas de desplazamiento positivo.
Cavitación por ondas:
se propaga mediante el líquido que esta en reposo, se propagan ondas como las ultrasónicas denominándose Cavitación Acústica.
Una de las mejores maneras de prevenir la cavitación, es prevenir el flujo turbulento cuando retorna el aceite al tanque es utilizando tubos de llenado o aquéllos que se extienden hasta el fondo del tanque de manera que el fluido de retorno ingrese por debajo del existente. Además de esto el tanque debería contar con deflectores que dividen el aceite caliente que retorna a tanque y el que se encuentra listo para ingresar a la bomba. Es importante que el aceite repose lo suficiente en el tanque de manera que los sólidos precipiten al fondo y las burbujas de aire suban a la superficie, de manera que cualquier fluido retirado del mismo esté libre de estos elementos.
Para evitar algunas de las causas de cavitación como pueden ser: incorrecto diseño, estrangulamientos excesivos, velocidad del aceite por encima de lo normal, hay que utilizar practicas apropiadas de diseño como la correcta configuración de las líneas de succión, dándoles un dimensionamiento adecuado, minimizar la presencia de conectores en la linea y dimensionar bien las válvulas estranguladoras para que fluya el caudal requerido.
Durante mi búsqueda sobre el tema de la cavitación, observe que en otras webs se habla del NPSH (Net Positive Suction Head) y que tiene una gran relación con el tema, además de ser un factor importante si se habla de la prevención de la cavitación. Este NPSH ¿quien me lo da, o como lo puedo calcular y de que se trata exactamente?
Juan,
la NPSH traducida es la Altura de Succión Neta Positiva y esta definida como la presión absoluta mínima que debe haber a la entrada de la bomba para evitar el fenómeno de la cavitación. Se utiliza una ecuación para calcular la NPSH disponible. Se utiliza en el cálculo de bombas centrífugas.
Algunas de las recomendaciones para evitar este tipo de fenómeno como lo es la cavitación en las bombas es la siguiente: contar con un buen diseño del sistema ya que es mas fácil evitar este fenómeno durante su etapa de diseño y no cuando ya la instalación esta en funcionamiento, ya que es difícil y al mismo tiempo bastante costoso el arreglo. Pero otra cosa a tener en cuenta es cuando se realice la instalación, asegurarse de que la presión de succión disponible sea suficiente.
El proceso físico de la cavitación es casi exactamente igual que el que ocurre durante la ebullición. La mayor diferencia entre ambos se debe a presión y temperatura dentro del diagrama de fases. La ebullición eleva la presión de vapor del líquido por encima de la presión ambiente local para producir el cambio a fase gaseosa, mientras que la cavitación es causada por una caída de la presión local por debajo de la presión de vapor que causa una succión.
La clave para prevenir la cavitación en las bombas centrífugas, es suministrar el cabezal de succión positivo neto (NPSH) suficiente del sistema de tuberías. Esencialmente, la presión del fluido en todos los puntos dentro de la bomba centrífuga debe permanecer por encima de la presión de vapor para evitar la ebullición del líquido.
Tras leer el articulo quiero hacer un aporte: ¿cómo podemos detectar la cavitación con un ejemplo?
Podemos detectar este problema si se produce un ruido constante en la bomba, como si la bomba tuviera piedras por dentro. Si luego de hacer las revisiones correspondientes, nos encontramos que en nuestra instalación se produce este sonido puede que se esté provocando el fenómeno de cavitación.
La forma más precisa para detectarla es tomar lecturas de presión, tanto en la aspiración como la impulsión y medir la velocidad de trabajo de la bomba. Después consultamos la curva característica de la bomba y sabremos si está funcionando correctamente.
Como evitar la cavitación:
Diseño correcto de un reservorio
Las burbujas de aire en el fluido hidráulico se originan en el reservorio. Aceite nuevo que sea introducido en el mismo puede causar un flujo turbulento, lo que revuelve el aceite e introduce aire en el mismo, cosa que pueda conllevar a la cavitación. Un tanque correctamente diseñado prevendrá este problema.
La mejor manera de prevenir flujo turbulento cuando retorna aceite al tanque es utilizando tubos de llenado, o aquellos que se extienden hasta el fondo del tanque, de manera que el fluido de retorno ingrese por debajo del existente. Además de esto, el tanque debería contar con deflectores que dividen el aceite caliente que retorna a tanque y el que se encuentra listo para ingresar a la bomba. Es importante que el aceite repose lo suficiente en el tanque de manera que los sólidos precipiten al fondo y las burbujas de aire suban a la superficie, de manera que cualquier fluido retirado del mismo este libre de estos elementos.
El tamaño del tanque y la cantidad de fluido que debe reposar antes de ser extraído depende del caudal. La recomendación es la de considerar una relación de 4:1 entre el volumen del tanque y el caudal. Esto garantiza que la bomba reciba aceite limpio y que éste repose lo suficiente para que las impurezas se limpien y se disipe el aire.
¿Cuáles son los principales indicios que indiquen la presencia o el inicio de la fase de cavitación en las bombas?, estos son:
Aceleración en el desgaste del cojinete, deterioro del rendimiento hidráulico (caída en la capacidad de la cabeza y/o las curvas de eficiencia). Daños en el sistema de sellado de la bomba. Pero también lo podemos identificar por daños por picaduras o grietas, erosión, vibración en la estructura de la bomba y ruido continuo.
Estas serian algunas recomendaciones para evitar la cavitación:
– Que la línea de aspiración sea de un diámetro adecuado con el fin que la velocidad del fluido esté entre 0,5 y 1,6 metros/segundo.
– Que la longitud de la línea que va desde el depósito hasta la entrada de la bomba hidráulica sea lo más corta posible y con el menor número de curvas o codos posible.
– Mantenimiento limpio de la entrada de la bomba hidráulica y asegurar que no haya obstrucciones.
– Asegurar que la bomba está girando dentro de los valores de velocidad mínima y máxima recomendados por el fabricante.
– Posicionar la línea de aspiración en el depósito lo más lejos posible de la línea de retorno y drenaje.
– Asegurar que el filtro de aspiración (si lo hubiera) tiene un tamaño adecuado y que no está parcial o totalmente obstruido. Esto podría generar un vacío dentro del tanque y, por consiguiente, una aspiración inadecuada de la bomba.
– Situaciones de arranque a bajas temperaturas ambientales, la viscosidad del aceite puede ser excesivamente baja y podría dificultar la aspiración de la bomba y, por contrapartida, favorecer la cavitación. Evitar esta situación utilizando, por ejemplo, resistencias que calienten el aceite antes de la puesta en marcha.
– Una opción sencilla para evitar la presión de vacío en la entrada de la bomba es situar la bomba por debajo del nivel de aceite del depósito.
– Si por razones técnicas o de espacio no fuera posible disponer de condiciones favorables de entrada de aceite a la bomba, puede plantearse la opción de instalar un depósito presurizado o una bomba auxiliar que proporcione a la bomba principal un flujo de aceite a baja presión (regulado por una válvula limitadora de presión) que ayude a realizar el llenado completo de los volúmenes en la línea de entrada de la bomba. Esto último es muy útil en un circuito cerrado donde, a consecuencia de las fugas, el caudal de entrada a la bomba será siempre inferior al de salida del motor hidráulico. Dicha diferencia de caudal provocaría vacío y la consecuente cavitación de la bomba. Para evitarlo se realiza una conexión a tanque en la línea de baja presión o un caudal auxiliar mediante una bomba hidráulica de carga para que la bomba principal aspire el fluido hidráulico necesario para llenar todos los volúmenes existentes y evitar que se forme el vacío.
https://hidraulicahidraoil.es/articulos/cavitacion-en-bombas-hidraulicas/
Si tenemos presente las causas de la cavitación, debemos saber la clasificación de la intensidad de la misma.
1. CAVITACION INCIPIENTE. Es la condición de flujo en la que la cavitación comienza hacer detectable.
2. CAVITACION CONSTANTE O CRITICA. Se define como la situación del flujo en la que aparece cavitación continua en un grado moderado.
3. CAVITACION CON DAÑOS INCIPIENTES. Se caracteriza por el comienzo de la erosión de los contornos de la válvula.
4. CAVITACION CON BLOQUEO. Este es el nivel extremo y se caracteriza por el bloqueo del caudal circulante debido a la obstaculización provocada por que las burbujas llegan a un nivel extremo
Las causas principales de la cavitación en un sistema hidráulico son la configuración incorrecta de líneas de succión y el uso de filtros o mallas en ésta. Cuando configuramos una línea de succión, se debe hacer minimizando la caída de presión a la entrada de la bomba. La estrategia principal para lograr esto, es especificar mangueras lo más cortas posible y el menor número de conexiones a la entrada. A la hora de diseñar circuitos hidráulicos, los ingenieros generalmente se olvidan de considerar el largo de las mangueras requeridas para conectar la bomba a tanque. Mientras más largo es el camino que tiene que recorrer el fluido hidráulico, mayor será la caída de presión. Adicionalmente a esto, cada conector que utilizamos en una manguera le agrega pérdidas a la línea, aumentando así el riesgo de cavitación.
Además de configurar erróneamente las líneas de succión de las bombas, la utilización de filtros o mallas de succión pueden ser una causa de la cavitación. Estos filtros son frecuentemente instalados por debajo del nivel de aceite del tanque, por lo que rara vez se les hace servicio debido a lo inconveniente de su ubicación. Con ésta configuración, el tanque completo debe ser drenado y desarmado para alcanzar el filtro, por lo que la tarea es generalmente olvidada. A medida que el filtro se llena de partículas, restringirá el flujo de aceite a la bomba y se producirá la cavitación.
IMPLOSION DE LA BURBUJA: la bolsa, ya aumentada de tamaño, es arrastrada a una región de mayor presión y finalmente, implota. Esta acción periódica está generalmente asociada a un fuerte ruido crepitante. El aumento de tamaño de las burbujas o bolsas reduce los pasajes aumentando así la velocidad de escurrimiento y disminuyendo por lo tanto más aun la presión. Tan pronto como la presión en la corriente supera la tensión de vapor después de pasar la sección más estrecha, se produce la condensación y el colapso de la burbuja de vapor. La condensación tiene lugar instantáneamente. El agua que rodea a las burbujas que estallan, golpea entonces las paredes u otras partes del fluido sin amortiguación alguna. Se ha analizado el desarrollo de una burbuja en la vecindad de una pared teóricamente, y calculado el tiempo de implosión y la presión demostrándose que la tensión superficial acelera la implosión y aumenta los efectos de la presión. En estos estudios puede ser tomado como válido que las cavidades no colapsan concéntricamente en la vecindad de una pared. Se forma un 4micro-jet 1 que choca con la superficie sólida donde trasmite un impulso de presión. En estos estudios puede ser tomado como válido que las cavidades no colapsan concéntricamente en la vecindad de una pared.
https://biblioteca.utb.edu.co/notas/tesis/0024437.pdf
El problema de la cavitación no tiene ninguna importancia cuando se trata de válvulas de abrir y cerrar, siempre y cuando se utilicen para abrir y para cerrar completamente, no para regular. Sin embargo puede convertirse en una cuestión fundamental cuando se trata de válvulas reguladoras y más si trabajan con altas reducciones de presión y con caudales elevados.
Las casas fabricantes de válvulas suelen dar información detallada sobre los riesgos de cavitación según las condiciones de uso de la válvula. Además de comprobar los gráficos sobre riesgos de cavitación que suministre el fabricante, se recomienda no instalar una válvula reguladora de menor tamaño que el considerado adecuado para las condiciones de trabajo de la instalación. Existen no obstante dispositivos anti cavitación que se acoplan al obturador de la válvula para reducir los efectos.