Cavitación
La cavitación es un 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 una presión más alta, estas cavidades, llamadas "burbujas" o "vacíos", 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 implosionada, 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 huecos colapsados que implosionan cerca de una superficie metálica provocan tensión cíclica a través de la implosión repetida. Esto da como resultado una fatiga superficial del metal que provoca 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 repentino en la dirección del líquido. La cavitación generalmente se divide 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 y produce una onda de choque se llama cavitación inercial. La cavitación inercial ocurre en la naturaleza en los golpes de los camarones mantis y los camarones pistola, así como en los tejidos vasculares de las plantas. En objetos artificiales, puede ocurrir en válvulas de control, bombas, hélices e impulsores.
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 algún tipo de entrada de energía, como un campo acústico. Dicha 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 vacíos son lo suficientemente fuertes como para causar un daño significativo a las piezas, la cavitación suele ser un fenómeno indeseable en la maquinaria (aunque deseable si se usa intencionalmente, por ejemplo, para esterilizar instrumentos quirúrgicos contaminados, descomponer contaminantes en sistemas de purificación de agua, emulsionar tejido para cirugía de cataratas o litotricia de cálculos renales, u homogeneizar fluidos). 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 daño cuando las burbujas colapsan y se alejan de la maquinaria, como en la supercavitación.
Física
Cavitación inercial
La cavitación inercial se observó por primera vez a fines 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 que fluye rápido puede causar cavitación en las superficies rocosas, particularmente cuando hay un desnivel, como en una cascada.
Otras formas de generar vacíos de cavitación involucran la deposición local de energía, como un pulso de láser enfocado intenso (cavitación óptica) o con una descarga eléctrica a través de una chispa. Los gases de vapor se evaporan en la cavidad desde el medio circundante; por lo tanto, la cavidad no es un vacío en absoluto, sino 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, acumulando inercia a medida que se mueve hacia adentro. Cuando la burbuja finalmente colapsa, la inercia hacia el interior del líquido circundante provoca un fuerte aumento de la presión y la temperatura del vapor interior. La burbuja eventualmente colapsa a una fracción diminuta de su tamaño original, momento en el cual el gas dentro 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 grados Kelvin y la presión de varios cientos de atmósferas.
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 lo suficientemente alta, las burbujas primero crecerán en tamaño y luego colapsarán rápidamente. Por lo tanto, la cavitación por inercia puede ocurrir incluso si la rarefacción en el líquido es insuficiente para que ocurra un vacío tipo Rayleigh. Los ultrasonidos de alta potencia suelen utilizar la cavitación inercial de burbujas de vacío microscópicas para el tratamiento de superficies, líquidos y lodos.
El proceso físico del inicio de la cavitación es similar a la ebullición. La principal diferencia entre los dos son los caminos termodinámicos 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 suficientemente de fase a gas. El inicio de la cavitación ocurre cuando la presión local cae lo suficientemente por debajo de la presión de vapor saturado, un valor dado por la resistencia a la tracción del líquido a cierta temperatura.
Para que ocurra el inicio de la cavitación, la cavitación "burbujas" 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 hidrofóbicas estabilizan las burbujas pequeñas. Estas burbujas preexistentes comienzan a crecer sin límites cuando se exponen a una presión por debajo del umbral de presión, denominado umbral de Blake. La presencia de un núcleo incompresible dentro de un núcleo de cavitación reduce sustancialmente el umbral de cavitación por debajo del umbral de Blake.
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 saturada).
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, a menudo, se utiliza para la limpieza de materiales delicados, como las obleas de silicio.
Cavitación hidrodinámica
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 solo ocurrirá si la presión local desciende hasta algún punto por debajo de la presión de vapor saturado del líquido y la subsiguiente 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 un destello. En los sistemas de tuberías, la cavitación generalmente 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 al 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 constreñido y con base 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 en la temperatura podría iniciar un mecanismo de cambio de fase conocido como ebullición. Sin embargo, una disminución en la presión estática también podría ayudar a pasar el diagrama multifásico e iniciar otro mecanismo de cambio de fase conocido como cavitación. Por otro lado, un aumento local en la velocidad del flujo podría provocar una caída de la presión estática hasta el punto crítico en el que podría iniciarse la cavitación (según el principio de Bernoulli). El punto crítico de presión es la presión de saturación de vapor. En un sistema fluídico cerrado donde no se detectan fugas 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 la 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.
Se detectan diferentes patrones de flujo a medida que avanza un flujo de cavitación: flujo inicial, flujo desarrollado, supercavitación y flujo obstruido. El inicio es el primer momento en que aparece la segunda fase (fase gas) en el sistema. Este es el flujo de cavitación más débil capturado en un sistema correspondiente al número de cavitación más alto. Cuando las cavidades crecen y aumentan de tamaño en el orificio o en las estructuras 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 en un sistema. Después de la supercavitación, el sistema no es capaz de dejar 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 que muestra que se produjo un flujo obstruido.
El proceso de generación de burbujas y el subsiguiente crecimiento y colapso de las burbujas de cavitación dan como resultado densidades de energía muy altas y temperaturas y presiones locales muy altas en la superficie de las burbujas durante un tiempo muy breve. El entorno global del medio líquido, por lo tanto, permanece en condiciones ambientales. Cuando no se controla, la cavitación es dañina; sin embargo, al controlar el flujo de la cavitación, la potencia puede aprovecharse y no ser destructiva. La cavitación controlada se puede utilizar para mejorar las reacciones químicas o propagar ciertas reacciones inesperadas debido a que se generan radicales libres en el proceso debido a la disociación de los vapores atrapados en las burbujas de cavitación.
Se informa que los orificios y el venturi se utilizan ampliamente para generar cavitación. Un venturi tiene una ventaja inherente sobre un orificio debido a sus secciones suaves convergentes y divergentes, de modo que puede generar una mayor velocidad de flujo en la garganta para una caída de presión dada a través de ella. Por otro lado, un orificio tiene la ventaja de que puede acomodar un mayor número de orificios (perímetro de orificios más grande) en un área de sección transversal dada de la tubería.
El fenómeno de la cavitación se puede controlar para mejorar el rendimiento de proyectiles y embarcaciones marinas de alta velocidad, así como en tecnologías de procesamiento de materiales, en medicina, etc. El control de los flujos de cavitación en líquidos solo se puede lograr mediante el avance de la base matemática. de los procesos de cavitación. Estos procesos se manifiestan de diferentes formas, siendo las más comunes y prometedoras para el control la cavitación de burbujas y la supercavitación. La primera solución clásica exacta quizás debería atribuirse a la conocida solución de Hermann von Helmholtz en 1868. Los primeros estudios distinguidos de tipo académico sobre la teoría de un flujo cavitado con límites libres y supercavitación se publicaron en el libro Jets, estelas y cavidades seguido de Teoría de los chorros de fluido ideal. En estos libros se usó ampliamente la teoría bien desarrollada de mapeos conformes de funciones de una variable compleja, lo que permite derivar una gran cantidad de soluciones exactas de problemas planos. Otra vía que combina las soluciones exactas existentes con modelos aproximados y heurísticos se exploró en el trabajo Hydrodynamics of Flows with Free Boundaries que refinó las técnicas de cálculo aplicadas basadas en el principio de independencia de la expansión de la cavidad, la teoría de las pulsaciones y la estabilidad. de cavidades axisimétricas alargadas, etc. y en Métodos de dimensionalidad y similitud en los problemas de hidromecánica de buques.
Recientemente se presentó una continuación natural de estos estudios en The Hydrodynamics of Cavitating Flows, una obra enciclopédica que abarca todos los mejores avances en este campo durante las últimas tres décadas y combina los métodos clásicos de las matemáticas investigación con las capacidades modernas de las tecnologías informáticas. Estos incluyen la elaboración de métodos numéricos no lineales para resolver problemas de cavitación 3D, el refinamiento de las teorías lineales planas conocidas, 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 los trabajos actuales de carácter aplicado sobre la hidrodinámica de los cuerpos supercavitantes.
La cavitación hidrodinámica también puede mejorar algunos procesos industriales. Por ejemplo, el lodo de maíz cavitado muestra mayores rendimientos en la producción de etanol en comparación con el lodo de maíz no cavitado en instalaciones de molienda en seco.
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 da como resultado la intensificación de la reacción química o incluso puede resultar en la propagación de ciertas reacciones que no serían posibles en condiciones ambientales.
Aplicaciones
Ingeniería química
En la industria, la cavitación se usa 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. Por lo general, se logra a través del diseño del impulsor o forzando la mezcla a través de una abertura anular que tiene un orificio de entrada angosto 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 en un volumen mayor induce la cavitación. Este método se puede controlar con dispositivos hidráulicos que controlan el tamaño del orificio de entrada, lo que permite el ajuste dinámico durante el proceso o la modificación para diferentes sustancias. La superficie de este tipo de válvula mezcladora, contra cuya superficie son impulsadas las burbujas de cavitación provocando su implosión, sufre un tremendo esfuerzo mecánico y térmico localizado; por lo tanto, a menudo se construyen con materiales extremadamente fuertes y duros, como acero inoxidable, Stellite 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 químicos y basados en plasma de transferencia de energía. 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.
Las sustancias químicas hidrofóbicas son atraídas bajo el agua por la 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.
Biomédica
La cavitación juega un papel importante en la destrucción de los cálculos renales en la litotricia por ondas de choque. Actualmente, se están realizando pruebas para determinar si la cavitación se puede utilizar para transferir moléculas grandes a las células biológicas (sonoporación). La cavitación con nitrógeno es un método utilizado en la investigación para lisar las membranas celulares y dejar intactos los orgánulos.
La cavitación juega un papel clave en el fraccionamiento no térmico y no invasivo de tejido para el tratamiento de una variedad de enfermedades y puede usarse para abrir la barrera hematoencefálica para aumentar la absorción de fármacos neurológicos en el cerebro.
La cavitación también juega un papel en HIFU, una metodología de tratamiento térmico no invasivo para el cáncer.
En las heridas causadas por impactos de alta velocidad (como por ejemplo heridas de bala) también hay efectos por cavitación. Los mecanismos exactos de las heridas aún no se comprenden por completo, 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.
A veces, el ultrasonido se usa para aumentar la formación de hueso, por ejemplo, en aplicaciones posquirúrgicas.
Se ha sugerido que el sonido de "cracking" nudillos se deriva del colapso de la cavitación en el líquido sinovial dentro de la articulación.
La cavitación también puede formar micronanoburbujas de ozono, lo que se muestra prometedor en aplicaciones dentales.
Limpieza
En las aplicaciones de limpieza industrial, la cavitación tiene el poder suficiente para superar las fuerzas de adhesión de las partículas al sustrato, lo que afloja los contaminantes. El umbral de presión requerido para iniciar la cavitación es una fuerte función del ancho del pulso y la entrada de energía. Este método funciona generando cavitación acústica en el líquido 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 posible cuando el objeto está sumergido, por ejemplo, en un baño de limpieza por ultrasonidos).). Las mismas fuerzas físicas que eliminan los contaminantes también tienen el potencial de dañar el objetivo que se está limpiando.
Alimentos y bebidas
Huevos
La cavitación se ha aplicado a la pasteurización de huevos. Un rotor lleno de orificios produce burbujas de cavitación, calentando el líquido desde adentro. Las superficies de los equipos se mantienen 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 un daño mínimo de proteínas.
Producción de aceite vegetal
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 refinado permite una reducción significativa en el uso de auxiliares de proceso, como productos químicos, agua y arcilla blanqueadora.
Biocombustibles
Biodiésel
La cavitación se ha aplicado a la producción de biodiésel 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, mejora de la calidad y aumento de la capacidad de producción.
Daño por cavitación
La cavitación es, en muchos casos, una ocurrencia indeseable. En dispositivos como hélices y bombas, la cavitación provoca una gran cantidad de ruido, daños a los componentes, vibraciones y pérdida de eficiencia. El ruido causado por la cavitación puede ser particularmente indeseable en los buques de guerra, donde dicho ruido puede hacer que sean más fácilmente detectables por el 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 los álabes de las turbinas de corriente de marea.
Cuando las burbujas de cavitación colapsan, fuerzan el líquido energético en volúmenes muy pequeños, creando así puntos de alta temperatura y emitiendo ondas de choque, las cuales 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 un 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. 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 inicialmente afectada 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. Los hoyos también aumentan los componentes' superficie y dejar tensiones residuales. Esto hace que la superficie sea más propensa a la corrosión por tensión.
Bombas y hélices
Los principales lugares donde se produce la cavitación son las bombas, las hélices o las restricciones en un líquido que fluye.
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 alrededor y se mueve más allá de las cuchillas. Cuanto más rápido se mueva la cuchilla, menor será 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 fluido, que pueden ser audibles e incluso pueden dañar las palas.
La cavitación en las bombas puede ocurrir de dos formas diferentes:
Cavitación de succión
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 se vuelve a comprimir en un líquido por la presión de descarga. Esta acción de implosión ocurre violentamente y ataca la cara del impulsor. Un impulsor que ha estado operando bajo una condición de cavitación de succión puede tener grandes trozos de material removidos de su cara o muy pequeños pedazos de material removidos, causando que el impulsor luzca como una esponja. Ambos casos provocarán una falla prematura 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, obstrucción de tuberías en el lado de succión, diseño de tubería deficiente, funcionamiento de la bomba demasiado a la derecha en la curva de la bomba o condiciones que no cumplen con los requisitos de NPSH (cabezal de succión positivo neto).
En aplicaciones automotrices, un filtro obstruido en un sistema hidráulico (dirección asistida, frenos asistidos) puede causar cavitación de succión y producir un ruido que sube y baja en sincronía con las RPM del motor. Con bastante frecuencia es un gemido agudo, como un conjunto de engranajes de nailon que no engranan correctamente.
Cavitación de descarga
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 máxima 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 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.
Se cree que la cavitación de descarga en el líquido articular provoca el chasquido producido por el crujido de las articulaciones óseas, por ejemplo, al crujir deliberadamente los nudillos.
Soluciones de cavitación
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 esperaba debido a un diseño defectuoso de la tubería de succión, como un codo de acoplamiento cerrado en la brida de entrada. Cuando el flujo mal desarrollado ingresa al impulsor de la bomba, golpea las paletas y no puede seguir el paso del impulsor. Luego, el líquido se separa de las paletas y causa problemas mecánicos debido a la cavitación, la vibración y problemas de rendimiento debido a la turbulencia y al llenado deficiente del impulsor. Esto da como resultado una falla prematura del sello, el rodamiento y el impulsor, altos costos de mantenimiento, alto consumo de energía y una cabeza y/o flujo por debajo de lo especificado.
Para tener un patrón de flujo bien desarrollado, los manuales del fabricante de la bomba recomiendan aproximadamente (¿10 diámetros?) de tubería recta corriente 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 diseño de espacio y equipo y, por lo general, no pueden cumplir con esta recomendación. En cambio, es común usar un codo acoplado a la succión de la bomba que crea un patrón de flujo poco desarrollado en la succión de la bomba.
Con una bomba de succión doble conectada 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 con más canalizado hacia el exterior del codo. En consecuencia, un lado del impulsor de doble succión recibe más flujo a una mayor velocidad y presión de flujo, mientras que el lado privado 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. Para superar la cavitación: Aumente la presión de succión si es posible. Disminuya la temperatura del líquido si es posible. Vuelva a acelerar la válvula de descarga para disminuir el caudal. Ventile los gases de la carcasa de la bomba.
Válvulas de control
Puede ocurrir cavitación en las válvulas de control. Si la caída de presión real a través de la válvula, definida por las presiones aguas arriba y aguas abajo en el sistema, es mayor que lo que permiten los cálculos de tamaño, es posible que se produzca cavitación o destellos de caída de presión. 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 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 está nuevamente por encima de la presión de vapor, entonces las burbujas de vapor colapsarán y ocurrirá la cavitación.
Aliviaderos
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 de 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 estos se llevan 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 el daño en la tolva de concreto y los aliviaderos del túnel 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). mph), puede ser posible proteger la superficie mediante la racionalización de los límites, la mejora de los acabados superficiales o el uso de materiales resistentes.
Cuando algo de aire está presente en el agua, la mezcla resultante es comprimible y esto amortigua la alta presión causada por el colapso de la burbuja. Si las velocidades de flujo cerca de la inversión del aliviadero son lo suficientemente altas, se deben introducir aireadores (o dispositivos de aireación) para evitar la cavitación. Aunque estos se han instalado durante algunos años, los mecanismos de incorporación de aire en los aireadores y el movimiento lento del aire lejos de la superficie del aliviadero siguen siendo un desafío.
El diseño del dispositivo de aireación del vertedero se basa en una pequeña desviación del lecho del vertedero (o pared lateral), como una rampa y un desplazamiento para desviar el flujo de alta velocidad lejos de la superficie del vertedero. En la cavidad formada por debajo de la napa, se produce una subpresión local por debajo de la napa por la cual el aire es aspirado hacia el flujo. El diseño completo incluye el dispositivo de desviación (rampa, compensación) y el sistema de suministro de aire.
Motores
Algunos motores diesel más grandes sufren de cavitación debido a la alta compresión y las paredes de los cilindros son demasiado pequeñas. Las vibraciones de la pared del cilindro inducen alternancia de presión baja y alta en el refrigerante contra la pared del cilindro. El resultado es la formación de picaduras en 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 con 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. 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.
Desde aproximadamente 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 livianos fue un volumen de refrigerante más pequeño y una velocidad de flujo de refrigerante correspondientemente 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 colapsaron contra una superficie, primero rompieron las capas protectoras de óxido (de materiales de aluminio fundido) y luego dañaron repetidamente la superficie recién formada, impidiendo la acción de algunos tipos de inhibidores de la corrosión (como los inhibidores a base de silicato).. Un problema final era el efecto que tenía el aumento de la temperatura del material sobre la reactividad electroquímica relativa del metal base y sus componentes de aleación. El resultado fueron pozos profundos 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 orgánicos de la corrosión o (preferiblemente) mediante el diseño de la cabeza del motor de forma que se eviten ciertas condiciones que inducen la cavitación.
En la naturaleza
Geología
Algunas hipótesis relacionadas con la formación de diamantes postulan un posible papel para la cavitación, es decir, la cavitación en los conductos 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, ahora se entienden como los estallidos 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, se encontró con un magma diferente que se comprimió fácilmente, permitiendo que las burbujas crecieran y se combinaran.
Plantas vasculares
La cavitación puede ocurrir en el xilema de las plantas vasculares. 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 maneras. Para plantas de menos de 50 cm de altura, la presión de la raíz puede ser suficiente para volver a disolver el vapor. Las plantas más grandes dirigen los solutos al xilema a través de células de rayos, o en las traqueidas, a través de ósmosis a través de hoyos bordeados. 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, particularmente en verano, cuando la tasa de evapotranspiración es más alta. Algunos árboles de hoja caduca tienen que arrojar hojas en otoño, en parte porque la cavitación aumenta a medida que bajan las temperaturas.
Dispersión de esporas en plantas
La cavitación juega un papel en los mecanismos de dispersión de esporas de ciertas 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 celdas anulares, lo que provoca una disminución de la presión. Cuando la presión negativa alcanza aproximadamente 9 MPa, se produce la cavitación. Este evento rápido 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 105 veces la aceleración gravitacional.
Vida marina
Así como las burbujas de cavitación se forman en la hélice de un barco que gira rápidamente, también se pueden formar en las colas y las 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 nado de poderosos animales nadadores como delfines y atunes. Los delfines pueden tener que restringir su velocidad porque las burbujas de cavitación que colapsan en su cola son dolorosas. Los atunes tienen aletas óseas sin terminaciones nerviosas y no sienten 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.
Algunos animales marinos han encontrado formas de utilizar la cavitación a su favor cuando cazan presas. El camarón pistola rompe una garra especializada para crear cavitación, que puede matar a los peces pequeños. El camarón mantis (de la variedad smasher) también utiliza la cavitación para aturdir, romper o matar a los mariscos de los que se alimenta.
Los tiburones zorro usan 'golpes de cola' para debilitar a sus presas de peces pequeños y se han visto burbujas de cavitación que se elevan desde el vértice del arco de la cola.
Erosión costera
En la última media década, la erosión costera en forma de cavitación inercial ha sido generalmente aceptada. Las burbujas en una ola entrante son forzadas a entrar en grietas en el acantilado que se está erosionando. La presión variable descomprime algunas bolsas de vapor que posteriormente implosionan. Los picos de presión resultantes pueden destruir fracciones de la roca.
Historia
Ya en 1754, el matemático suizo Leonhard Euler (1707–1783) especuló sobre la posibilidad de la cavitación. 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. En 1894, el especialista en dinámica de fluidos irlandés Osborne Reynolds (1842–1912) estudió la formación y el colapso de burbujas de vapor en líquidos hirviendo y en tubos constreñidos.
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 el constructor jefe de la Royal Navy, a quien le había sido sugerido por el ingeniero británico Robert Edmund Froude (1846-1924), tercer hijo del hidrodinámico inglés William Froude (1810-1879). 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. Thornycroft y Barnaby fueron los primeros investigadores en observar la cavitación en la parte trasera de las palas de las hélices.
En 1917, el físico británico Lord Rayleigh (1842–1919) amplió el trabajo de Besant y publicó un modelo matemático de cavitación en un fluido incompresible (ignorando la tensión superficial y la viscosidad), en el que también determinaba la presión en el fluido Los modelos matemáticos de cavitación que fueron desarrollados por el ingeniero británico Stanley Smith Cook (1875-1952) y por Lord Rayleigh revelaron que el colapso de las burbujas de vapor podría generar presiones muy altas, que eran capaces de causar el daño que se había observado en los barcos.; hélices La evidencia experimental de la cavitación que causa presiones tan altas fue recolectada inicialmente en 1952 por Mark Harrison (un especialista en dinámica de fluidos y acústico en la cuenca modelo David Taylor de la Marina de los EE. UU. en Carderock, Maryland, EE. UU.) quien usó métodos acústicos y en 1956 por Wernfried Güth (físico y acústico de la Universidad de Göttigen, Alemania) que utilizó la fotografía óptica de Schlieren.
En 1944, los científicos soviéticos Mark Iosifovich Kornfeld (1908–1993) y L. Suvorov del Instituto Físico-Técnico de Leningrado (ahora: el Instituto Físico-Técnico Ioffe de la Academia Rusa de Ciencias, San Petersburgo, Rusia) propusieron que durante la cavitación, las burbujas en la vecindad 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 se convierte en un chorro de líquido. Este chorro de líquido daña la superficie sólida. Esta hipótesis fue apoyada en 1951 por estudios teóricos de Maurice Rattray, Jr., estudiante de doctorado en el Instituto de Tecnología de California. La hipótesis de Kornfeld y Suvorov fue confirmada experimentalmente en 1961 por Charles F. Naudé y Albert T. Ellis, especialistas en dinámica de fluidos del Instituto de Tecnología de California.
Una serie de investigaciones experimentales de la propagación de ondas de choque fuertes (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 del SO, atenuación del SW, y la formación de la estructura, y los trabajos pioneros del científico soviético prof.V.F. Minin en el Instituto de Hidrodinámica (Novosibirsk, Rusia) en 1957-1960, quien también examinó el primer modelo conveniente de una pantalla: una secuencia de capas alternas planas unidimensionales de líquido y gas. En una investigación experimental de la dinámica de la forma de cavidades gaseosas pulsantes y la interacción de SW con nubes de burbujas en 1957-1960, V.F. 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.