CAVITACIÓN EN BOMBAS CENTRÍFUGAS

INTRODUCCIÓN

La cavitación es un fenómeno complejo que puede tener lugar en bombas u otros equipos y dispositivos que trabajen con líquidos. En el caso de las bombas, la cavitación está asociada específicamente a las condiciones en la tubería de succión. Una bomba no cavita. Lo correcto es decir que la bomba está en cavitación o que la bomba sufre cavitación. En realidad, es el sistema el que cavita la bomba.

Este es un aspecto que se debe tomar en cuenta en la etapa de diseño de un sistema de bombeo, pero lamentablemente no siempre se considera ni se le da la correspondiente importancia. En este artículo se tratará de explicar en qué consiste el fenómeno de la cavitación, las consecuencias que acarrea y la forma de evitarlo.

¿EN QUÉ CONSISTE LA CAVITACIÓN EN BOMBAS?

A medida que el agua fluye a través de la tubería de succión de una bomba ocurren pérdidas de presión. Adicionalmente, cuando el agua entra al ojo del rotor la velocidad del flujo aumenta, lo que trae consigo la disminución de la presión. Si la presión baja más que el valor de la presión de vapor correspondiente a la temperatura del agua, se formarán burbujas de vapor (el agua cambia de estado creando cavidades, de ahí el nombre del fenómeno). Cuando estas burbujas de vapor de agua llegan a una zona de mayor presión colapsan (implosionan), generando sobrepresiones instantáneas que pueden afectar partes internas de la bomba.

La sección de la bomba con menor presión es la boca de aspiración, más precisamente el ojo del rotor, justo antes de los álabes. Cuando el flujo con las burbujas de vapor de agua ingresa a los canales formados por los álabes, empieza a aumentar su presión; en algún punto del trayecto la presión es suficiente para que las burbujas vuelvan a su estado líquido, implosionando con un efecto de martillo, causando ruido y vibración, y generando pulsos de presión elevada que pueden afectar partes de la carcasa pero sobre todo al rotor de la bomba. Es por ello que la erosión producida por la cavitación se localiza principalmente en el inicio de los álabes.

EFECTOS DE LA CAVITACIÓN

La cavitación reduce el caudal y la presión de descarga; también puede causar pulsaciones repentinas en esos parámetros y, en consecuencia, disminuye la eficiencia de la bomba.

La bomba emplea parte de su energía para transportar y comprimir las burbujas de vapor de agua, las cuales ocupan un espacio que debería estar lleno de líquido. A la larga, si la cavitación es severa, puede causar la falla de la bomba.

Si la bomba funciona en condiciones de cavitación durante el tiempo suficiente, puede ocurrir lo siguiente:

  1. Marcas de picaduras en los álabes del rotor y en la pared interna de la carcasa.
  2. Falla prematura de los rodamientos.
  3. Falla prematura de los sellos mecánicos.
  4. Rotura del eje y otras fallas por fatiga.
  5. Desalineamiento del eje.
  6. Reducción de la eficiencia de la bomba.
  7. Problemas con fugas y emisiones fugitivas.

 

Efectos de la cavitación sobre el rotor de las bombas

CÓMO EVITAR LA CAVITACIÓN

La cavitación se puede prevenir en la etapa de diseño del sistema de bombeo. Un factor clave es la selección de la bomba. Su capacidad debe ser adecuada a la demanda del sistema y se debe garantizar que siempre la NPSH disponible en la succión de la bomba sea mayor a la NPSH requerida por la bomba. Esto debe cumplirse en todo el rango de operación de la bomba.

ALTURA DE SUCCIÓN POSITIVA NETA (NPSH)

La altura de succión positiva neta (NPSH, por sus siglas en inglés) es la altura de presión que hace que el agua circule a través de la tubería de succión hacia el ojo del rotor de la bomba. Una bomba centrífuga no tiene la capacidad de aspirar, por lo tanto, debe contar con suficiente presión en la boca de succión para un desempeño adecuado.

La presión en la succión de la bomba depende de la naturaleza del suministro. Se ve afectada por la tubería y los accesorios; la presión, la temperatura y la elevación del nivel del agua; la velocidad del chorro y la altitud geográfica. Algunos factores agregan presión y otros la restan a medida que el agua circula hacia la bomba.

La NPSH normalmente se expresa en pies o metros de altura.

Hay dos conceptos de NPSH: la NPSH requerida (NPSHr) y la NPSH disponible (NPSHd).

Definición de NPSHr

La NPSHr es una característica propia de la bomba y es una función de su diseño. Se determina mediante ensayos en fábrica. Es la energía requerida en el agua para vencer las pérdidas por fricción desde la boca de succión hasta el ojo del rotor sin causar vaporización. En otras palabras, es la presión de succión mínima necesaria para mantener el agua en estado líquido.

Los fabricantes de bombas publican los valores de la NPSHr en sus curvas de desempeño. Como puede observarse en la siguiente imagen, la curva de la NPSHr tiende a crecer a medida que aumenta el caudal.

Perfil típico de curva NPSHr

Definición NPSHd

La NPSHd representa la energía que posee el agua en la boca de succión por encima de la presión de vapor del agua. Es una función del sistema en el que opera la bomba. Depende de las pérdidas de energía en la tubería de succión, la ubicación del reservorio o tanque y la presión aplicada al agua en el reservorio.

Como guía general, se recomienda que la NPSHd siempre sea un 10% mayor a la NPSHr o 3 pies como mínimo. Este margen se considera adecuado para cubrir las incertidumbres sobre el NPSHd en el rango de operación y para proporcionar confiabilidad y un rendimiento adecuados de la bomba.

Normalmente, la NPSHr se obtiene reduciendo la presión en la succión hasta el punto en que la bomba sufre una pérdida del 3% en la altura total de descarga. Esto significa que la bomba, en ese punto, se encuentra en un estado de cavitación incipiente. Por esta razón, es conveniente siempre dejar un margen suficiente entre la NPSHd y la NPSHr.

Determinación de la NPSHd

La NPSHd se determina de la siguiente manera:

 

Donde:
Hsp = cabezal de presión estática sobre el líquido en el reservorio
Hs = diferencia de altura desde el nivel en el reservorio hasta la línea central de la succión
Hf = pérdidas por fricción en la tubería de succión
Hpv = Presión de vapor del líquido a la temperatura de operación
fs = factor de seguridad

  • Si el reservorio es abierto, Hsp es igual a la presión atmosférica.
  • Hs es positivo si el nivel de líquido está por encima de la bomba, y negativo si está por debajo. Existe una mayor posibilidad de cavitación en sistemas de bombeo que succionan agua desde un reservorio ubicado por debajo del eje de la bomba.
  • Hf se determina mediante la ecuación de Hazen-Williams. La separación entre la bomba y el tanque de agua es un factor relevante, dado que a mayor distancia mayores pérdidas de presión.
  • Hpv depende de la temperatura del líquido y de la altitud. La ubicación geográfica de la bomba debe tomarse en cuenta en vista que a mayor altitud la presión atmosférica es menor, por lo que los líquidos se evaporan más rápido.
  • Como factor de seguridad (fs) se asume normalmente 2 pies. Este factor considera las pérdidas que ocurren en la garganta de succión de la bomba, desde la brida hasta el ojo del rotor.

Modificación de la NPSHd

Como se ha dicho, cuando la NPSHd está por debajo de la NPSHr de la bomba, las condiciones son favorables para que la bomba entre en cavitación. En la etapa de diseño del sistema de bombeo puede resultar sencillo corregir este problema, bastaría con cambiar algunos parámetros. Pero, ¿qué sucede si ya existe la instalación? ¿Hay maneras de modificar la NPSHd?

Si la NPSHd fuera inadecuado, hay formas de elevarlo. En la fórmula de determinación de la NPSHd, los factores Hsp y Hs, agregan energía al agua, y los factores, Hf, Hpv y fs restan energía del agua. Se deben aumentar los elementos que agregan energía y/o disminuir los elementos que restan energía.

Algunas alternativas para aumentar la NPSHd:

  • Subir el nivel de agua en el tanque, si es posible.
  • Elevar el tanque, con pilares por ejemplo.
  • Tal vez se pueda bajar la bomba.
  • Presurizar el tanque, si es posible
  • Reducir la fricción en la tubería de succión. Cambiar a una tubería de succión de mayor diámetro o reducir la cédula de la tubería (utilizar cédula 10 en vez de cédula 40, por ejemplo). Utilizar una tubería con un factor C mayor. Utilizar codos de radio largo en vez de codos de radio corto.

 

La norma NFPA 20, Standard for the Installation of Stationary Pumps for Fire Protection, contiene requerimientos que pretenden, entre otros aspectos, evitar que las bombas contra incendios sufra cavitación; principalmente establece las condiciones que debe cumplir la tubería de succión y el suministro de agua para lograr ese propósito. En este enlace puede encontrar un artículo referente a la tubería de succión de las bombas.

Ing. Luis Ybirma
Caracas – Venezuela

Notas:
1. El contenido de este artículo no es una Interpretación Formal de NFPA. Lo aquí expresado es la interpretación personal del autor y no necesariamente representa la posición oficial de las normas NFPA y sus Comités Técnicos. Por otra parte, el lector es libre de estar de acuerdo, en todo o en parte, con lo aquí expresado.
2. Todas las imágenes y marcas comerciales que se publican en este Blog son marcas registradas por sus propietarios, y se utilizan sólo con fines didácticos e informativos.

 

Artículo Anterior
Próximo Artículo
  •  
  •  
  •  
  •