La cavitación en ingeniería y mecánica de fluidos normalmente se refiere al fenómeno en el que la presión estática de un líquido se reduce por debajo de la presión de vapor del líquido , lo que lleva a la formación de pequeñas cavidades llenas de vapor en el líquido. Cuando se someten a mayor presión, estas cavidades, llamadas "burbujas" o "huecos", colapsan y pueden generar ondas de choque que pueden dañar la maquinaria. Estas ondas de choque son fuertes cuando están muy cerca de la burbuja que implosiona, pero se debilitan rápidamente a medida que se propagan alejándose de la implosión. La cavitación es una causa importante de desgaste en algunos contextos de ingeniería . Los vacíos que colapsan y implosionan cerca de una superficie metálica provocan tensión cíclica a través de implosiones repetidas. Esto da como resultado la fatiga superficial del metal, provocando un tipo de desgaste también llamado "cavitación". Los ejemplos más comunes de este tipo de desgaste son los impulsores de bombas y las curvas donde se produce un cambio brusco en la dirección del líquido. La cavitación suele dividirse en dos clases de comportamiento: cavitación inercial (o transitoria) y cavitación no inercial.
El proceso en el que un vacío o una burbuja en un líquido colapsa rápidamente, produciendo una onda de choque , se llama cavitación inercial. La cavitación inercial se produce en la naturaleza en los impactos del camarón mantis y del camarón pistola , así como en los tejidos vasculares de las plantas. En objetos manufacturados, puede ocurrir en válvulas de control , bombas , hélices e impulsores . [ cita necesaria ]
La cavitación no inercial es el proceso en el que una burbuja en un fluido se ve obligada a oscilar en tamaño o forma debido a alguna forma de entrada de energía, como un campo acústico . El gas en la burbuja puede contener una porción de un gas diferente a la fase de vapor del líquido. Esta cavitación se emplea a menudo en baños de limpieza por ultrasonidos y también se puede observar en bombas, hélices, etc.
Dado que las ondas de choque formadas por el colapso de los huecos son lo suficientemente fuertes como para causar daños significativos a las piezas, la cavitación es típicamente un fenómeno indeseable en la maquinaria (aunque deseable si se usa intencionalmente, por ejemplo, para esterilizar instrumentos quirúrgicos contaminados, descomponer contaminantes en la purificación del agua sistemas, emulsionar tejido para cirugía de cataratas o litotricia de cálculos renales , u homogeneizar líquidos). Muy a menudo se previene específicamente en el diseño de máquinas como turbinas o hélices, y la eliminación de la cavitación es un campo importante en el estudio de la dinámica de fluidos . Sin embargo, a veces es útil y no causa daños cuando las burbujas colapsan alejándose de la maquinaria, como en la supercavitación .
La cavitación inercial se observó por primera vez a finales del siglo XIX, considerando el colapso de un vacío esférico dentro de un líquido. Cuando un volumen de líquido se somete a una presión suficientemente baja , puede romperse y formar una cavidad. Este fenómeno se denomina inicio de cavitación y puede ocurrir detrás de la pala de una hélice que gira rápidamente o en cualquier superficie que vibre en el líquido con suficiente amplitud y aceleración. Un río de corriente rápida puede provocar cavitación en las superficies rocosas, especialmente cuando hay un desnivel, como en una cascada. [ cita necesaria ]
Los gases de vapor se evaporan hacia la cavidad desde el medio circundante; por lo tanto, la cavidad no es un vacío en absoluto, sino más bien una burbuja de vapor (gas) a baja presión. Una vez que las condiciones que causaron la formación de la burbuja ya no están presentes, como cuando la burbuja se mueve río abajo, el líquido circundante comienza a implosionar debido a su mayor presión, ganando impulso a medida que avanza hacia adentro. Cuando la burbuja finalmente colapsa, el impulso hacia adentro del líquido circundante provoca un fuerte aumento de presión y temperatura del vapor en su interior. La burbuja eventualmente colapsa a una fracción diminuta de su tamaño original, momento en el cual el gas que contiene se disipa en el líquido circundante a través de un mecanismo bastante violento que libera una cantidad significativa de energía en forma de onda de choque acústica y como luz visible . En el punto de colapso total, la temperatura del vapor dentro de la burbuja puede ser de varios miles de Kelvin y la presión de varios cientos de atmósferas. [1]
El proceso físico de inicio de la cavitación es similar al de ebullición . La principal diferencia entre los dos son las trayectorias termodinámicas que preceden a la formación del vapor. La ebullición ocurre cuando la temperatura local del líquido alcanza la temperatura de saturación y se suministra más calor para permitir que el líquido cambie de fase lo suficiente a gas. El inicio de la cavitación ocurre cuando la presión local cae lo suficientemente por debajo de la presión del vapor saturado, un valor dado por la resistencia a la tracción del líquido a una determinada temperatura. [2]
Para que se produzca el inicio de la cavitación, las "burbujas" de cavitación generalmente necesitan una superficie sobre la cual puedan nuclearse . Esta superficie puede ser proporcionada por los lados de un recipiente, por impurezas en el líquido o por pequeñas microburbujas no disueltas dentro del líquido. Generalmente se acepta que las superficies hidrófobas estabilizan las burbujas pequeñas. Estas burbujas preexistentes comienzan a crecer ilimitadamente cuando se exponen a una presión por debajo del umbral, denominado umbral de Blake. [3] La presencia de un núcleo incompresible dentro de un núcleo de cavitación reduce sustancialmente el umbral de cavitación por debajo del umbral de Blake. [4]
La presión de vapor aquí difiere de la definición meteorológica de presión de vapor, que describe la presión parcial del agua en la atmósfera en algún valor inferior al 100% de saturación. La presión de vapor en relación con la cavitación se refiere a la presión de vapor en condiciones de equilibrio y, por lo tanto, puede definirse con mayor precisión como la presión de vapor de equilibrio (o saturado) .
La cavitación no inercial es el proceso en el que pequeñas burbujas en un líquido se ven obligadas a oscilar en presencia de un campo acústico, cuando la intensidad del campo acústico es insuficiente para provocar el colapso total de la burbuja. Esta forma de cavitación provoca una erosión significativamente menor que la cavitación inercial y se utiliza a menudo para la limpieza de materiales delicados, como obleas de silicio .
Otras formas de generar huecos de cavitación implican la deposición local de energía, como un intenso pulso láser enfocado (cavitación óptica) o una descarga eléctrica a través de una chispa. Estas técnicas se han utilizado para estudiar la evolución de la burbuja que en realidad se crea al hervir localmente el líquido con un incremento local de temperatura.
La cavitación hidrodinámica es el proceso de vaporización, generación de burbujas e implosión de burbujas que se produce en un líquido que fluye como resultado de una disminución y posterior aumento de la presión local. La cavitación sólo ocurrirá si la presión local disminuye hasta algún punto por debajo de la presión de vapor saturado del líquido y la posterior recuperación por encima de la presión de vapor. Si la presión de recuperación no está por encima de la presión de vapor, se dice que se ha producido una evaporación súbita. En los sistemas de tuberías, la cavitación normalmente ocurre como resultado de un aumento en la energía cinética (a través de una constricción del área) o un aumento en la elevación de la tubería.
La cavitación hidrodinámica se puede producir haciendo pasar un líquido a través de un canal estrecho a una velocidad de flujo específica o mediante la rotación mecánica de un objeto a través de un líquido. En el caso del canal estrecho y basándose en la geometría específica (o única) del sistema, la combinación de presión y energía cinética puede crear la caverna de cavitación hidrodinámica aguas abajo de la constricción local generando burbujas de cavitación de alta energía.
Según el diagrama de cambio de fase termodinámico, un aumento de temperatura podría iniciar un mecanismo de cambio de fase conocido como ebullición. Sin embargo, una disminución de la presión estática también podría ayudar a pasar el diagrama de fases múltiples e iniciar otro mecanismo de cambio de fase conocido como cavitación. Por otro lado, un aumento local de la velocidad del flujo podría provocar una caída de presión estática hasta el punto crítico en el que podría iniciarse la cavitación (según el principio de Bernoulli). El punto de presión crítico es la presión de saturación de vapor. En un sistema fluídico cerrado donde no se detecta fuga de flujo, una disminución en el área de la sección transversal conduciría a un incremento de la velocidad y, por lo tanto, a una caída de presión estática. Este es el principio de funcionamiento de muchos reactores basados en cavitación hidrodinámica para diferentes aplicaciones, como tratamiento de agua, recolección de energía, mejora de la transferencia de calor, procesamiento de alimentos, etc. [5]
Se detectan diferentes patrones de flujo a medida que avanza un flujo de cavitación: inicio, flujo desarrollado, supercavitación y flujo estrangulado. El inicio es el primer momento en que aparece la segunda fase (fase gaseosa) en el sistema. Este es el flujo de cavitación más débil capturado en un sistema correspondiente al mayor número de cavitación . Cuando las cavidades crecen y aumentan de tamaño en las estructuras del orificio o venturi, se registra el flujo desarrollado. El flujo de cavitación más intenso se conoce como supercavitación, donde teóricamente toda el área de la boquilla de un orificio está llena de burbujas de gas. Este régimen de flujo corresponde al número de cavitación más bajo de un sistema. Después de la supercavitación, el sistema no es capaz de pasar más flujo. Por lo tanto, la velocidad no cambia mientras aumenta la presión aguas arriba. Esto conduciría a un aumento en el número de cavitación, lo que demuestra que se produjo un flujo obstruido. [6]
El proceso de generación de burbujas, y el posterior crecimiento y colapso de las burbujas de cavitación, da como resultado densidades de energía muy altas y temperaturas y presiones locales muy altas en la superficie de las burbujas durante un tiempo muy corto. Por lo tanto, el entorno general del medio líquido permanece en las condiciones ambientales. Cuando no se controla, la cavitación es perjudicial; Sin embargo, al controlar el flujo de la cavitación, se puede aprovechar la energía y no ser destructiva. La cavitación controlada se puede utilizar para mejorar reacciones químicas o propagar ciertas reacciones inesperadas porque se generan radicales libres en el proceso debido a la disociación de los vapores atrapados en las burbujas en cavitación. [7]
Se informa que los orificios y venturi se utilizan ampliamente para generar cavitación. Un venturi tiene una ventaja inherente sobre un orificio debido a sus secciones convergentes y divergentes suaves, de modo que puede generar una mayor velocidad de flujo en la garganta para una determinada caída de presión a través de ella. Por otra parte, un orificio tiene la ventaja de que puede acomodar un mayor número de orificios (mayor perímetro de orificios) en un área de sección transversal determinada del tubo. [8]
El fenómeno de la cavitación se puede controlar para mejorar el rendimiento de buques y proyectiles marinos de alta velocidad, así como en tecnologías de procesamiento de materiales, en medicina, etc. El control de los flujos de cavitación en líquidos sólo se puede lograr avanzando en los fundamentos matemáticos de la cavitación. procesos. Estos procesos se manifiestan de diferentes maneras, siendo las más comunes y prometedoras para el control la cavitación de burbujas y la supercavitación. La primera solución clásica exacta quizás deba atribuirse a la conocida solución de Hermann von Helmholtz en 1868. [9] Los primeros estudios distinguidos de tipo académico sobre la teoría del flujo cavitante con límites libres y la supercavitación se publicaron en el libro Jets , estelas y cavidades [10] seguido de Teoría de los chorros de fluido ideal . [11] En estos libros se utilizó ampliamente la teoría bien desarrollada de las asignaciones conformes de funciones de una variable compleja, lo que permite derivar un gran número de soluciones exactas de problemas planos. Otro ámbito que combina las soluciones exactas existentes con modelos aproximados y heurísticos fue explorado en el trabajo Hydrodynamics of Flows with Free Boundaries [12] que refinó las técnicas de cálculo aplicadas basadas en el principio de independencia de expansión de la cavidad, la teoría de pulsaciones y la estabilidad de cavidades axisimétricas alargadas. , etc. [13] y en Dimensionalidad y métodos de similitud en los problemas de la hidromecánica de vasos . [14]
Una continuación natural de estos estudios se presentó recientemente en The Hydrodynamics of Cavitating Flows [15] , una obra enciclopédica que abarca los mejores avances en este campo durante las últimas tres décadas y que combina los métodos clásicos de investigación matemática con las capacidades modernas de la computadora. tecnologías. Estos incluyen la elaboración de métodos numéricos no lineales para resolver problemas de cavitación 3D, el refinamiento de las conocidas teorías lineales planas, el desarrollo de teorías asintóticas de flujos axisimétricos y casi axisimétricos, etc. En comparación con los enfoques clásicos, la nueva tendencia se caracteriza por la expansión de la teoría en los flujos 3D. También refleja una cierta correlación con trabajos actuales de carácter aplicado sobre la hidrodinámica de cuerpos supercavitantes.
La cavitación hidrodinámica también puede mejorar algunos procesos industriales. Por ejemplo, la lechada de maíz cavitada muestra mayores rendimientos en la producción de etanol en comparación con la lechada de maíz sin cavitar en instalaciones de molienda seca. [dieciséis]
Esto también se utiliza en la mineralización de compuestos biorrefractarios que de otro modo necesitarían condiciones de temperatura y presión extremadamente altas, ya que en el proceso se generan radicales libres debido a la disociación de los vapores atrapados en las burbujas cavitantes, lo que resulta en la intensificación de la reacción química o incluso puede dar lugar a la propagación de ciertas reacciones que no serían posibles en otras condiciones ambientales. [17]
La cavitación inercial también puede ocurrir en presencia de un campo acústico. Las burbujas de gas microscópicas que generalmente están presentes en un líquido se verán obligadas a oscilar debido a un campo acústico aplicado. Si la intensidad acústica es suficientemente alta, las burbujas primero aumentarán de tamaño y luego colapsarán rápidamente. Por lo tanto, la cavitación inercial puede ocurrir incluso si la rarefacción en el líquido es insuficiente para que se produzca un vacío tipo Rayleigh.
El inicio de la cavitación ultrasónica se producirá cuando la aceleración de la fuente de ultrasonido sea suficiente para producir la caída de presión necesaria. Esta caída de presión depende del valor de la aceleración y del tamaño del volumen afectado por la onda de presión. El número adimensional que predice la cavitación ultrasónica es el número de García-Atance . Los cuernos ultrasónicos de alta potencia producen aceleraciones lo suficientemente altas como para crear una región de cavitación que puede usarse para homogeneización , dispersión , desaglomeración, erosión, limpieza, molienda, emulsificación , extracción, desintegración y sonoquímica .
En la industria, la cavitación se utiliza a menudo para homogeneizar , o mezclar y descomponer, partículas suspendidas en un compuesto líquido coloidal como mezclas de pintura o leche. Muchas máquinas mezcladoras industriales se basan en este principio de diseño. Generalmente se logra mediante el diseño del impulsor o forzando la mezcla a través de una abertura anular que tiene un orificio de entrada estrecho con un orificio de salida mucho más grande. En el último caso, la drástica disminución de la presión a medida que el líquido se acelera hasta alcanzar un volumen mayor induce la cavitación. Este método se puede controlar con dispositivos hidráulicos que controlan el tamaño del orificio de entrada, permitiendo un ajuste dinámico durante el proceso o modificación para diferentes sustancias. La superficie de este tipo de válvula mezcladora, contra cuya superficie se impulsan las burbujas de cavitación provocando su implosión, sufre tremendos esfuerzos mecánicos y térmicos localizados; Por lo tanto, suelen estar construidos con materiales extremadamente resistentes y duros, como acero inoxidable , estelita o incluso diamante policristalino (PCD).
También se han diseñado dispositivos de purificación de agua por cavitación , en los que las condiciones extremas de cavitación pueden descomponer contaminantes y moléculas orgánicas. El análisis espectral de la luz emitida en reacciones sonoquímicas revela mecanismos de transferencia de energía químicos y basados en plasma. La luz emitida por las burbujas de cavitación se denomina sonoluminiscencia .
El uso de esta tecnología se ha probado con éxito en el refinado alcalino de aceites vegetales. [18]
Los productos químicos hidrofóbicos son atraídos bajo el agua por cavitación, ya que la diferencia de presión entre las burbujas y el agua líquida las obliga a unirse. Este efecto puede ayudar en el plegamiento de proteínas . [19]
La cavitación juega un papel importante en la destrucción de los cálculos renales en la litotricia por ondas de choque . [20] Actualmente, se están realizando pruebas para determinar si la cavitación se puede utilizar para transferir moléculas grandes a células biológicas ( sonoporación ). La cavitación de nitrógeno es un método utilizado en la investigación para lisar las membranas celulares dejando intactos los orgánulos.
La cavitación desempeña un papel clave en el fraccionamiento no térmico y no invasivo de tejido para el tratamiento de una variedad de enfermedades [21] y puede usarse para abrir la barrera hematoencefálica para aumentar la absorción de fármacos neurológicos en el cerebro. [22]
La cavitación también desempeña un papel en HIFU , una metodología de tratamiento térmico no invasivo para el cáncer . [23]
En las heridas provocadas por impactos a alta velocidad (como por ejemplo heridas de bala) también se producen efectos por cavitación. Los mecanismos exactos de las heridas aún no se comprenden completamente, ya que hay cavitación temporal y cavitación permanente junto con aplastamiento, desgarro y estiramiento. Además, la gran variación en la densidad dentro del cuerpo dificulta determinar sus efectos. [24]
A veces se utiliza el ultrasonido para aumentar la formación de hueso, por ejemplo en aplicaciones posquirúrgicas. [25]
Se ha sugerido que el sonido de los nudillos "crujidos" se deriva del colapso de la cavitación en el líquido sinovial dentro de la articulación. [26]
La cavitación también puede formar micronanoburbujas de ozono , lo que resulta prometedor en aplicaciones dentales. [27]
En aplicaciones de limpieza industrial, la cavitación tiene el poder suficiente para superar las fuerzas de adhesión de las partículas al sustrato, aflojando los contaminantes. La presión umbral requerida para iniciar la cavitación es una función importante del ancho del pulso y la entrada de energía. Este método funciona generando cavitación acústica en el fluido de limpieza, recogiendo y transportando partículas contaminantes con la esperanza de que no se vuelvan a adherir al material que se está limpiando (lo cual es una posibilidad cuando el objeto está sumergido, por ejemplo, en un baño de limpieza ultrasónico). ). Las mismas fuerzas físicas que eliminan los contaminantes también tienen el potencial de dañar el objetivo que se está limpiando.
La cavitación se ha aplicado a la pasteurización de huevos. Un rotor lleno de agujeros produce burbujas de cavitación que calientan el líquido desde dentro. Las superficies de los equipos permanecen más frías que el líquido que pasa, por lo que los huevos no se endurecen como lo hacían en las superficies calientes de los equipos más antiguos. La intensidad de la cavitación se puede ajustar, lo que permite ajustar el proceso para minimizar el daño a las proteínas. [28]
La cavitación se ha aplicado al desgomado y refinado de aceites vegetales desde 2011 y se considera una tecnología probada y estándar en esta aplicación. La implementación de la cavitación hidrodinámica en el proceso de desgomado y refinación permite una reducción significativa en el uso de auxiliares de proceso, como productos químicos, agua y arcilla blanqueadora. [29] [30] [31] [32] [33]
La cavitación se ha aplicado a la producción de biodiesel desde 2011 y se considera una tecnología probada y estándar en esta aplicación. La implementación de la cavitación hidrodinámica en el proceso de transesterificación permite una reducción significativa en el uso de catalizadores, una mejora de la calidad y un aumento de la capacidad de producción. [34] [35] [36]
La cavitación suele ser un fenómeno indeseable. En dispositivos como hélices y bombas , la cavitación provoca mucho ruido, daños en los componentes, vibraciones y pérdida de eficiencia. El ruido causado por la cavitación puede ser particularmente indeseable en buques de guerra donde dicho ruido puede hacerlos más fácilmente detectables por sonar pasivo . La cavitación también se ha convertido en una preocupación en el sector de las energías renovables, ya que puede ocurrir en la superficie de las palas de las turbinas de corriente mareomotriz . [37]
Cuando las burbujas de cavitación colapsan, fuerzan el líquido energético a volúmenes muy pequeños, creando así puntos de alta temperatura y emitiendo ondas de choque, estas últimas son una fuente de ruido. El ruido creado por la cavitación es un problema particular para los submarinos militares , ya que aumenta las posibilidades de ser detectado por el sonar pasivo .
Aunque el colapso de una cavidad pequeña es un evento de energía relativamente baja, los colapsos muy localizados pueden erosionar metales, como el acero, con el tiempo. [38] Las picaduras causadas por el colapso de las cavidades producen un gran desgaste en los componentes y pueden acortar drásticamente la vida útil de una hélice o bomba.
Después de que una superficie se ve afectada inicialmente por la cavitación, tiende a erosionarse a un ritmo acelerado. Los pozos de cavitación aumentan la turbulencia del flujo de fluido y crean grietas que actúan como sitios de nucleación para burbujas de cavitación adicionales. Las picaduras también aumentan la superficie de los componentes y dejan tensiones residuales. Esto hace que la superficie sea más propensa a la corrosión por tensión . [39]
Los principales lugares donde se produce la cavitación son las bombas, las hélices o las restricciones en el flujo de un líquido.
A medida que las palas de un impulsor (en una bomba) o de una hélice (como en el caso de un barco o submarino) se mueven a través de un fluido, se forman áreas de baja presión a medida que el fluido acelera y pasa por las palas. Cuanto más rápido se mueve la hoja, menor puede ser la presión a su alrededor. Cuando alcanza la presión de vapor , el fluido se vaporiza y forma pequeñas burbujas de gas. Esto es cavitación. Cuando las burbujas colapsan más tarde, normalmente provocan ondas de choque locales muy fuertes en el líquido, que pueden ser audibles e incluso dañar las palas.
La cavitación en las bombas puede ocurrir de dos formas diferentes:
La cavitación de succión ocurre cuando la succión de la bomba está bajo una condición de baja presión/alto vacío donde el líquido se convierte en vapor en el ojo del impulsor de la bomba. Este vapor se transporta al lado de descarga de la bomba, donde ya no ve el vacío y la presión de descarga lo comprime nuevamente hasta convertirse en líquido. Esta acción de implosión ocurre violentamente y ataca la cara del impulsor. A un impulsor que ha estado funcionando en condiciones de cavitación de succión se le pueden quitar grandes trozos de material de su cara o trozos muy pequeños de material, lo que hace que el impulsor parezca una esponja. Ambos casos causarán fallas prematuras de la bomba, a menudo debido a fallas en los cojinetes. La cavitación de succión a menudo se identifica por un sonido como de grava o canicas en la carcasa de la bomba.
Las causas comunes de la cavitación de succión pueden incluir filtros obstruidos, bloqueo de tuberías en el lado de succión, diseño deficiente de las tuberías, bomba funcionando demasiado a la derecha en la curva de la bomba o condiciones que no cumplen con los requisitos de NPSH (altura de succión neta positiva). [40]
En aplicaciones automotrices, un filtro obstruido en un sistema hidráulico (dirección asistida, frenos asistidos) puede causar cavitación de succión generando un ruido que sube y baja en sincronía con las RPM del motor. Con bastante frecuencia se trata de un chirrido agudo, como si un conjunto de engranajes de nailon no engranara correctamente.
La cavitación de descarga ocurre cuando la presión de descarga de la bomba es extremadamente alta, lo que normalmente ocurre en una bomba que funciona a menos del 10 % de su punto de mejor eficiencia. La alta presión de descarga hace que la mayor parte del fluido circule dentro de la bomba en lugar de permitir que salga por la descarga. A medida que el líquido fluye alrededor del impulsor, debe pasar a través del pequeño espacio entre el impulsor y la carcasa de la bomba a una velocidad de flujo extremadamente alta. Esta velocidad de flujo hace que se desarrolle un vacío en la pared de la carcasa (similar a lo que ocurre en un venturi ), que convierte el líquido en vapor. Una bomba que ha estado funcionando en estas condiciones muestra un desgaste prematuro de las puntas de las paletas del impulsor y de la carcasa de la bomba. Además, debido a las condiciones de alta presión, se puede esperar una falla prematura del sello mecánico y los cojinetes de la bomba. En condiciones extremas, esto puede romper el eje del impulsor. [ cita necesaria ]
Se cree que la cavitación de descarga en el líquido articular causa el sonido de estallido producido por el crujido de la articulación ósea , por ejemplo, al hacer crujir deliberadamente los nudillos.
Dado que todas las bombas requieren un flujo de entrada bien desarrollado para alcanzar su potencial, es posible que una bomba no funcione o no sea tan confiable como se espera debido a una disposición defectuosa de la tubería de succión, como un codo muy acoplado en la brida de entrada. Cuando un flujo poco desarrollado ingresa al impulsor de la bomba, golpea las paletas y no puede seguir el paso del impulsor. El líquido luego se separa de las paletas provocando problemas mecánicos por cavitación, vibraciones y problemas de rendimiento por turbulencias y mal llenado del impulsor. Esto da como resultado fallas prematuras en el sello, el rodamiento y el impulsor, altos costos de mantenimiento, alto consumo de energía y altura y/o flujo inferior al especificado.
Para tener un patrón de flujo bien desarrollado, los manuales del fabricante de la bomba recomiendan aproximadamente (¿10 diámetros?) de tubería recta aguas arriba de la brida de entrada de la bomba. Desafortunadamente, los diseñadores de tuberías y el personal de la planta deben lidiar con limitaciones de espacio y diseño de equipos y, por lo general, no pueden cumplir con esta recomendación. En su lugar, es común utilizar un codo estrechamente acoplado a la succión de la bomba, lo que crea un patrón de flujo poco desarrollado en la succión de la bomba. [41]
Con una bomba de doble succión atada a un codo de acoplamiento cerrado, la distribución del flujo al impulsor es deficiente y provoca deficiencias en la confiabilidad y el rendimiento. El codo divide el flujo de manera desigual y se canaliza más hacia el exterior del codo. En consecuencia, un lado del impulsor de doble succión recibe más flujo a una mayor velocidad y presión, mientras que el lado carente recibe un flujo altamente turbulento y potencialmente dañino. Esto degrada el rendimiento general de la bomba (altura entregada, flujo y consumo de energía) y provoca un desequilibrio axial que acorta la vida útil del sello, el cojinete y el impulsor. [42] Para superar la cavitación: Aumente la presión de succión si es posible. Disminuya la temperatura del líquido si es posible. Acelere la válvula de descarga para disminuir el caudal. Ventile los gases de la carcasa de la bomba.
La cavitación puede ocurrir en las válvulas de control . [43] Si la caída de presión real a través de la válvula, según lo definido por las presiones aguas arriba y aguas abajo en el sistema, es mayor que lo que permiten los cálculos de tamaño, puede ocurrir caída de presión intermitente o cavitación. El cambio de un estado líquido a un estado de vapor resulta del aumento en la velocidad del flujo en o justo aguas abajo de la mayor restricción de flujo que normalmente es el puerto de la válvula. Para mantener un flujo constante de líquido a través de una válvula, la velocidad del flujo debe ser mayor en la vena contracta o en el punto donde el área de la sección transversal es menor. Este aumento en la velocidad del flujo va acompañado de una disminución sustancial en la presión del fluido que se recupera parcialmente aguas abajo a medida que aumenta el área y disminuye la velocidad del flujo. Esta recuperación de presión nunca llega completamente al nivel de la presión aguas arriba. Si la presión en la vena contracta cae por debajo de la presión de vapor del fluido, se formarán burbujas en la corriente de flujo. Si la presión se recupera después de la válvula a una presión que vuelve a estar por encima de la presión de vapor, entonces las burbujas de vapor colapsarán y se producirá cavitación.
Cuando el agua fluye sobre el aliviadero de una presa , las irregularidades en la superficie del aliviadero provocarán pequeñas áreas de separación del flujo en un flujo de alta velocidad y, en estas regiones, la presión disminuirá. Si las velocidades del flujo son lo suficientemente altas, la presión puede caer por debajo de la presión de vapor local del agua y se formarán burbujas de vapor. Cuando estas son transportadas aguas abajo a una región de alta presión, las burbujas colapsan dando lugar a altas presiones y posibles daños por cavitación.
Las investigaciones experimentales muestran que los daños en los vertederos de hormigón y los aliviaderos de túneles pueden comenzar con velocidades de flujo de agua clara de entre 12 y 15 m/s (27 y 34 mph) y, hasta velocidades de flujo de 20 m/s (45 mph), Es posible proteger la superficie agilizando los linderos, mejorando los acabados superficiales o utilizando materiales resistentes. [44]
Cuando hay algo de aire en el agua, la mezcla resultante es comprimible y esto amortigua la alta presión causada por el colapso de la burbuja. [45] Si las velocidades de flujo cerca del vertedero son suficientemente altas, se deben introducir aireadores (o dispositivos de aireación) para evitar la cavitación. Aunque se han instalado desde hace algunos años, los mecanismos de arrastre de aire en los aireadores y el lento movimiento del aire lejos de la superficie del vertedero siguen siendo un desafío. [46] [47] [48] [49]
El diseño del dispositivo de aireación del aliviadero se basa en una pequeña deflexión del lecho del aliviadero (o pared lateral), como una rampa y un desplazamiento para desviar el flujo de alta velocidad lejos de la superficie del aliviadero. En la cavidad formada debajo de la nuca se genera una subpresión local debajo de la nuca, mediante la cual se aspira aire hacia la corriente. El diseño completo incluye el dispositivo de desviación (rampa, compensación) y el sistema de suministro de aire.
Algunos motores diésel más grandes sufren cavitación debido a la alta compresión y a las paredes de los cilindros de tamaño insuficiente . Las vibraciones de la pared del cilindro provocan una presión alta y baja alternada en el refrigerante contra la pared del cilindro. El resultado es la picadura de la pared del cilindro, lo que eventualmente permitirá que el líquido refrigerante se filtre al cilindro y que los gases de combustión se filtren al refrigerante.
Es posible evitar que esto suceda mediante el uso de aditivos químicos en el líquido refrigerante que forman una capa protectora en la pared del cilindro. Esta capa estará expuesta a la misma cavitación, pero se reconstruye sola. Además, una sobrepresión regulada en el sistema de refrigeración (regulada y mantenida por la presión del resorte del tapón de llenado de refrigerante) evita la formación de cavitación.
Aproximadamente desde la década de 1980, los nuevos diseños de motores de gasolina más pequeños también mostraron fenómenos de cavitación. Una respuesta a la necesidad de motores más pequeños y ligeros fue un volumen de refrigerante más pequeño y, en consecuencia, una velocidad de flujo de refrigerante más alta. Esto dio lugar a cambios rápidos en la velocidad del flujo y, por lo tanto, cambios rápidos de presión estática en áreas de alta transferencia de calor. Cuando las burbujas de vapor resultantes colapsaban contra una superficie, tenían el efecto de romper primero las capas protectoras de óxido (de materiales de aluminio fundido) y luego dañar repetidamente la superficie recién formada, impidiendo la acción de algunos tipos de inhibidores de corrosión (como los inhibidores a base de silicato). . Un último problema fue el efecto que tuvo el aumento de la temperatura del material sobre la reactividad electroquímica relativa del metal base y sus constituyentes de aleación. El resultado fueron picaduras profundas que podían formarse y penetrar la cabeza del motor en cuestión de horas cuando el motor estaba funcionando a alta carga y alta velocidad. Estos efectos podrían evitarse en gran medida mediante el uso de inhibidores de corrosión orgánicos o (preferiblemente) diseñando la cabeza del motor de tal manera que se eviten ciertas condiciones que inducen la cavitación.
Algunas hipótesis [ ¿ por quién? ] [ ejemplo necesario ] relacionados con la formación de diamantes postulan un posible papel de la cavitación, es decir, la cavitación en los tubos de kimberlita que proporciona la presión extrema necesaria para convertir el carbono puro en el raro alótropo que es el diamante. Los tres sonidos más fuertes jamás registrados, durante la erupción del Krakatoa en 1883 , son ahora [ ¿ cuándo? ] entendido como las explosiones de tres enormes burbujas de cavitación, cada una más grande que la anterior, formadas en la garganta del volcán. El magma ascendente, lleno de gases disueltos y bajo una presión inmensa, encontró un magma diferente que se comprimió fácilmente, permitiendo que las burbujas crecieran y se combinaran. [50] [51]
La cavitación puede ocurrir en el xilema de las plantas vasculares . [52] [53] La savia se vaporiza localmente de modo que los elementos del vaso o las traqueidas se llenan de vapor de agua. Las plantas pueden reparar el xilema cavitado de varias formas. Para plantas de menos de 50 cm de altura, la presión de las raíces puede ser suficiente para redisolver el vapor. Las plantas más grandes dirigen los solutos al xilema a través de células de radios , o en las traqueidas , a través de ósmosis a través de fosas bordeadas . Los solutos atraen el agua, la presión aumenta y el vapor puede volver a disolverse. En algunos árboles, el sonido de la cavitación es audible, especialmente en verano, cuando la tasa de evapotranspiración es más alta. Algunos árboles de hoja caduca tienen que perder hojas en otoño, en parte porque la cavitación aumenta a medida que disminuyen las temperaturas. [53]
La cavitación juega un papel en los mecanismos de dispersión de esporas de determinadas plantas. En los helechos , por ejemplo, el esporangio del helecho actúa como una catapulta que lanza esporas al aire. La fase de carga de la catapulta es impulsada por la evaporación del agua de las células anulares , lo que provoca una disminución de la presión. Cuando la presión de compresión alcanza aproximadamente 9 MPa , se produce cavitación. Este rápido evento desencadena la dispersión de esporas debido a la energía elástica liberada por la estructura del anillo. La aceleración inicial de las esporas es extremadamente grande: hasta 10 5 veces la aceleración gravitacional . [54]
Así como se forman burbujas de cavitación en la hélice de un barco que gira rápidamente, también pueden formarse en las colas y aletas de los animales acuáticos. Esto ocurre principalmente cerca de la superficie del océano, donde la presión ambiental del agua es baja.
La cavitación puede limitar la velocidad máxima de natación de animales nadadores poderosos como los delfines y los atunes . [55] Es posible que los delfines tengan que restringir su velocidad porque el colapso de las burbujas de cavitación en su cola es doloroso. El atún tiene aletas óseas sin terminaciones nerviosas y no siente dolor por la cavitación. Se ralentizan cuando las burbujas de cavitación crean una película de vapor alrededor de sus aletas. Se han encontrado lesiones en el atún que son consistentes con daño por cavitación. [56]
Algunos animales marinos han encontrado formas de utilizar la cavitación en su beneficio al cazar presas. El camarón pistola mueve una garra especializada para crear cavitación, que puede matar a los peces pequeños. El camarón mantis (de la variedad aplastante ) también utiliza la cavitación para aturdir, romper o matar los mariscos de los que se alimenta. [57]
Los tiburones zorro usan 'golpes de cola' para debilitar a sus pequeños peces presa y se han visto burbujas de cavitación elevándose desde el vértice del arco de la cola. [58] [59]
En el último lustro, [ ¿cuándo? ] La erosión costera en forma de cavitación inercial ha sido generalmente aceptada. [60] Las burbujas en una ola entrante son forzadas a entrar en las grietas del acantilado que se está erosionando. La presión variable descomprime algunas bolsas de vapor que posteriormente implosionan. Los picos de presión resultantes pueden hacer estallar fracciones de roca.
Ya en 1754, el matemático suizo Leonhard Euler (1707-1783) especuló sobre la posibilidad de la cavitación. [61] En 1859, el matemático inglés William Henry Besant (1828-1917) publicó una solución al problema de la dinámica del colapso de una cavidad esférica en un fluido, que había sido presentada por el matemático angloirlandés George Stokes ( 1819-1903) como uno de los problemas y cláusulas adicionales del Senado [de la Universidad] de Cambridge para el año 1847. [62] [63] [64] En 1894, el dinámico de fluidos irlandés Osborne Reynolds (1842-1912) estudió la formación y el colapso. de burbujas de vapor en líquidos hirviendo y en tubos estrechos. [sesenta y cinco]
El término cavitación apareció por primera vez en 1895 en un artículo de John Isaac Thornycroft (1843-1928) y Sydney Walker Barnaby (1855-1925), hijo de Sir Nathaniel Barnaby (1829-1915), quien había sido jefe de construcción de la Royal Navy. a quien se lo había sugerido el ingeniero británico Robert Edmund Froude (1846-1924), tercer hijo del hidrodinámico inglés William Froude (1810-1879). [66] [67] Los primeros estudios experimentales de cavitación fueron realizados en 1894-5 por Thornycroft y Barnaby y por el ingeniero angloirlandés Charles Algernon Parsons (1854-1931), quien construyó un aparato estroboscópico para estudiar el fenómeno. [68] [69] [70] Thornycroft y Barnaby fueron los primeros investigadores en observar cavitación en la parte posterior de las palas de las hélices. [71]
En 1917, el físico británico Lord Rayleigh (1842-1919) amplió el trabajo de Besant, publicando un modelo matemático de cavitación en un fluido incompresible (ignorando la tensión superficial y la viscosidad), en el que también determinó la presión en el fluido. [72] Los modelos matemáticos de cavitación desarrollados por el ingeniero británico Stanley Smith Cook (1875-1952) y por Lord Rayleigh revelaron que el colapso de las burbujas de vapor podía generar presiones muy altas, que eran capaces de causar los daños que se habían observado en hélices de barcos. [73] [74] La evidencia experimental de que la cavitación causa presiones tan altas fue recopilada inicialmente en 1952 por Mark Harrison (dinamista de fluidos y acústico del David Taylor Model Basin de la Marina de los EE. UU. en Carderock, Maryland, EE. UU.), quien utilizó métodos acústicos y en 1956 por Wernfried Güth (físico y acústico de la Universidad de Göttigen, Alemania) que utilizó fotografía óptica Schlieren . [75] [76] [77]
En 1944, los científicos soviéticos Mark Iosifovich Kornfeld (1908-1993) y L. Suvorov del Instituto Físico-Técnico de Leningrado (ahora: Instituto Físico-Técnico Ioffe de la Academia Rusa de Ciencias, San Petersburgo, Rusia) propusieron que durante la cavitación , las burbujas en las proximidades de una superficie sólida no colapsan simétricamente; en cambio, se forma un hoyuelo en la burbuja en un punto opuesto a la superficie sólida y este hoyuelo evoluciona hasta convertirse en un chorro de líquido. Este chorro de líquido daña la superficie sólida. [78] Esta hipótesis fue apoyada en 1951 por estudios teóricos de Maurice Rattray Jr., un estudiante de doctorado en el Instituto de Tecnología de California . [79] La hipótesis de Kornfeld y Suvorov fue confirmada experimentalmente en 1961 por Charles F. Naudé y Albert T. Ellis, dinámicos de fluidos del Instituto de Tecnología de California. [80]
Una serie de investigaciones experimentales sobre la propagación de fuertes ondas de choque (SO) en un líquido con burbujas de gas, que permitieron establecer las leyes básicas que rigen el proceso, el mecanismo de transformación de la energía de las SO, la atenuación de la SW, y la formación de la estructura, y los experimentos sobre el análisis de la atenuación de las ondas en pantallas de burbujas con diferentes propiedades acústicas fueron iniciados por los trabajos pioneros del científico soviético prof. VF Minin en el Instituto de Hidrodinámica (Novosibirsk, Rusia) en 1957-1960, quien también examinó el primer modelo conveniente de pantalla: una secuencia de capas alternas unidimensionales de líquido y gas. [81] En una investigación experimental sobre la dinámica de la forma de cavidades gaseosas pulsantes y la interacción de SW con nubes de burbujas en 1957-1960, VF Minin descubrió que bajo la acción de SW una burbuja colapsa asimétricamente con la formación de un chorro acumulativo, que Se forma en el proceso de colapso y provoca la fragmentación de la burbuja. [81]
{{cite book}}: Mantenimiento CS1: falta el editor de la ubicación ( enlace )
