Cavitación y bombas centrífugas

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Un problema que puede significar la pérdida total de una bomba, originando paros en el sistema HVAC y sensibles pérdidas monetarias para el usuario

Karla Real

En la aplicación de bombas centrífugas para sistemas HVAC, uno de los fenómenos más temidos y malentendidos es la cavitación.

Quienes han estado en presencia de una bomba cavitando conocen la gravedad de la situación y entienden que esto debe evitarse en la medida de lo posible para salvaguardar los equipos, debido a que dicho fenómeno puede causar daños significativos en los componentes internos de la bomba, dejándolos inservibles.

Presión de vapor y NPSH

Para entender lo que se define como cavitación, sus causas, consecuencias y cómo evitarla, primero es imprescindible comprender algunos conceptos, siendo uno de los principales la Carga Neta Positiva en la Succión (NPSH, por sus siglas en inglés), que a su vez necesita un entendimiento de lo que es la presión de vapor.

La presión de vapor es aquella que se requiere para que un líquido hierva a una temperatura específica. A distintos valores de temperatura le corresponden ciertos valores de presión de vapor; ambos conceptos van de la mano, y al modificarse uno de ellos, el otro, en consecuencia, cambia también. El agua a temperatura ambiente no se evapora debido a que la presión del vapor del agua a temperatura ambiente está por debajo de la presión atmosférica, por ejemplo. Sin embargo, si aumentamos la temperatura del agua a 100 °C, veremos que ésta comienza a hervir, ya que a esa temperatura la presión de vapor correspondiente es mayor que la presión atmosférica.

¿Qué relación tiene lo anterior con la cavitación y la NPSH? Ésta última se refiere a la presión mínima que debemos tener en la succión de la bomba a fin de evitar quedar por debajo (aunque sea momentáneamente) de la presión de vapor del agua dentro de la bomba; de este modo nos aseguramos de que nuestro equipo operará satisfactoriamente. La NPSH que necesitamos aparece indicada en la curva de la bomba, la cual no cambia, y depende del gasto que manejará el equipo. Es en este valor en el que debemos tratar de mantenerla todo el tiempo; en este sentido, se recomienda utilizar un factor de seguridad. Una vez que se instale el sistema, la NPSH que realmente tendremos será la llamada “disponible”, que depende de presiones reales y alturas del sistema, entre otras cosas; ésta sí puede variar, con el propósito de asegurarnos de alcanzar el valor requerido. ¿Qué sucede si esto no se consigue? Esto se muestra a continuación.

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Consecuencias de la cavitación

Proceso

La primera etapa se da cuando el agua en las tuberías llega a la succión de la bomba y hace un primer contacto con el ojo del impulsor. En este momento, debido al choque del agua con el cuerpo de la bomba, el cambio de dirección que sufre el agua y las pérdidas por fricción (minúsculas en este punto) se presenta una caída de presión (una vez que el agua salga de la bomba, la pérdida se habrá compensado); entonces, tenemos una caída de presión ligera inmediatamente después de que el agua entra en la bomba por el ojo del impulsor. Ahora, supongamos que durante la etapa de diseño no se verificó el cumplimiento con la NPSH requerida por la bomba; es importante mencionar que la presión en la succión que tenemos en nuestro sistema (ya instalado) es peligrosamente baja para empezar, de modo que la ligera caída de presión que ya mencionamos provoca que quedemos por debajo de la presión de vapor del agua. Al momento de quedar por debajo de tal valor, una pequeña parte del agua (que en estos momentos ya está dentro del impulsor de la bomba) se evaporará, y las burbujas de vapor se adherirán a los alabes del impulsor. Aquí termina la primera etapa del proceso de cavitación.

Como era de esperarse, la presión del agua dentro de la bomba aumenta casi instantáneamente después de la generación de las burbujas; al subir la presión por encima de la presión de vapor, existe nuevamente un cambio de fase: las burbujas colapsan y el vapor en ellas pasa nuevamente al estado líquido. Cabe recordar que al momento de colapsar, dichas burbujas se encontraban adheridas a las paredes del impulsor. Este colapso sucede con tal fuerza, que produce un daño en las superficies cercanas: los álabes del impulsor, algunas incluso en la carcasa. El colapso de estas burbujas es la segunda etapa del proceso de cavitación.

Desde el momento en que se genera una burbuja de vapor hasta que se colapsa e implota, pasan, en promedio, 3 milisegundos, lo que significa que en un lapso muy corto pueden producirse bastantes burbujas. Dependiendo de la severidad del problema, una bomba cavitando puede trabajar sin grandes pérdidas durante años o puede destruirse en cuestión de días.

De todos los efectos de la cavitación, el más grave, probablemente, es el desgaste causado en el interior de la bomba, debido a que puede acortar dramáticamente la vida útil del equipo, reduciéndolo a meses, semanas o incluso días en casos muy críticos.

¿Cómo evitarla?

Una de las maneras más fáciles de prevenir problemas es revisando el valor de la NPSH, que aparece en la curva de la bomba, para lo cual se requiere el galonaje que utilizarán la bomba y la curva.

Consideremos que al trabajar con la curva de una bomba no se pueden hacer estimaciones ni suposiciones sobre un comportamiento no graficado. Por mencionar algo, no debemos “extender” curvas intentando predecir qué sucederá con el equipo en un punto no graficado después del final de la curva.

Una vez que obtengamos el dato de la NPSH requerida, debemos revisar lo que tenemos como NPSH disponible y hacer ajustes en esta etapa. Si después de comparar la NPSH requerida contra la NPSH disponible nos damos cuenta que la bomba que hemos seleccionado tiene una NPSH requerido mayor que la disponible, tenemos dos opciones: cambiar el flujo o cambiar la bomba. Si no podemos llevar a cabo ninguna, nuestra solución es aumentar la NPSH disponible. Para conseguirlo, debemos disminuir en lo posible las pérdidas por fricción en la tubería de succión, presurizar el sistema o modificar las temperaturas de operación para cambiar la presión de vapor del agua en las tuberías.

Al seleccionar la bomba, debemos tratar de seleccionar un equipo que se encuentre operando en la parte central de la curva; esto no sólo previene la cavitación (al requerir NPSH bajas en esta área de la curva), sino que promueve un funcionamiento óptimo del equipo: trabajar muy a la izquierda o muy a la derecha traerá problemas de desempeño, además de presentar riesgos grandes de daño. En cuanto al sistema, ya hablamos acerca de la importancia de realizar un buen diseño y tomarnos el tiempo para verificar que cumplimos al menos con la NPSH requerida, según la información que proporciona el fabricante.

Sobre esto mismo, existe la creencia de que algunos fabricantes de bombas exageran en sus valores publicados de NPSH requerida; independientemente de lo anterior, debemos hacer lo posible por mantener, en todo momento, la NPSH disponible por encima de este otro valor, sin confiar en que quizás lo que está graficado en la curva ya incluye un factor de seguridad. Si en la aplicación de nuestro proyecto habrá una variación del flujo durante la operación del sistema, debemos revisar la NPSH requerida del flujo mayor que podríamos tener en cualquier circunstancia.

Asimismo, no se debe subestimar la gravedad de tal fenómeno. Es importante incluir “ruido proveniente del interior de la bomba” y “vibración” en nuestra lista de verificación en el mantenimiento de rutina de los equipos de bombeo, ya que pueden ser indicadores de problemas serios (y costosos) a futuro.

La cavitación no se da porque el equipo esté defectuoso o se encuentre en malas condiciones, sino por un diseño inadecuado o una mala elección. Afortunadamente, ambos aspectos pueden prevenirse.

Karla Real Méndez
Estudió la carrera de Ingeniería Mecánica en la Universidad Autónoma de Baja California. Cuenta con más de 11 años de experiencia en la industria del aire acondicionado; siete de ellos en el diseño de sistemas industriales HVAC. Impartió la materia de Aire Acondicionado Industrial en la Universidad Autónoma de Baja California de 2004 a 2009. Forma parte de “Seminario de Especialistas” impartido por la Bell & Gossett Little Red Schoolhouse.