Cavitación de bomba centrífuga

Las bombas centrífugas son susceptibles de desgaste, reducción de bombeo, vibración y ruido anormal. Este fenómeno, conocido como cavitación, puede evitarse al rediseñar la instalación y hacer los cálculos adecuados

Francisco Gastelum / Imágenes: cortesía del autor

Hablar de cavitación significa que el fluido en una bomba no llena el espacio existente. Esto sucede con frecuencia en la entrada, favoreciendo la aparición de cavidades que explotan luego de que se les ejerza cierta presión en la zona de impulsión de la bomba. Una bomba mueve un fluido de un punto a otro. Ésta agrega energía al líquido para aumentar la presión o moverla a lo largo de una tubería, lo cual se logra a través de los alabes del impulsor. Cuando el fluido entra a estos, la energía se agrega en forma de velocidad; después, esta velocidad disminuye y la energía se convierte en presión o carga (H).

Partes de una bomba centrífuga

Cavitación

Hay dos formas de hervir un líquido: una es suministrarle calor; otra, un recipiente cerrado generando un vacío. Es por eso que, al bombear un líquido, debemos conocer su temperatura de bombeo y su presión de vapor. En el diseño de las bombas centrífugas, el fluido genera una caída de presión en la entrada del ojo del impulsor y, si cae por debajo de la presión de vapor del líquido, se generan burbujas de vapor. Estas burbujas viajan por los alabes llegando a una zona de alta presión, en la periferia del impulsor, donde las burbujas colapsan en implosiones. Este fenómeno es conocido como cavitación y provoca pequeñas perforaciones, daños al impulsor, ruido y vibración.

Formación de burbujas de vapor en un impulsor

El ciclo de vida de una burbuja se ha estimado en alrededor de 0.003 segundos. Cuando la burbuja de vapor se colapsa, produce una implosión. Cientos de burbujas colapsan aproximadamente en el mismo punto del alabe. Las burbujas no colapsan simétricamente; al romperse, la burbuja produce una fuerza que hace una acción de martilleo. Este martilleo produce desprendimiento del material del impulsor.

Cuando una bomba está cavitando, disminuye sus condiciones de operación reduciendo la carga, el flujo de líquido y el tiempo de vida de una bomba.

En resumen, la cavitación produce:

Reducción de capacidad de bombeo. Las burbujas ocupan un volumen que reduce el espacio disponible para el líquido y esto disminuye la capacidad de bombeo.

Disminución de la carga (H). La carga desarrollada por la bomba disminuye, debido a que se gasta energía en aumentar la velocidad del líquido empleado en llenar las cavidades causadas por las burbujas colapsadas.

Vibración y ruido anormal. Al colapsarse las burbujas en implosiones, producen ondas de choque que provocan vibración y ruido, como si trajera canicones o piedras dentro de la voluta.

Daños en la bomba. La cavitación produce erosión o picaduras. Esto va desgastando prácticamente el impulsor, y entre más severo sea el daño, va perdiendo eficiencia el equipo en sus condiciones iniciales. Además, este daño produce que el impulsor se desbalancee provocando torceduras de los ejes, daños en los baleros y daño en el sello mecánico.

Operación
Para que una bomba pueda bombear un líquido es necesario que la bomba esté cebada, y esto es una operación previa antes de prender la bomba. Donde está la toma del líquido a la succión de la bomba, debe tener líquido. Cuando tenemos succiones negativas, en la parte donde empieza el tubo, ponemos una válvula check mejor conocida como pichancha. Esta pichancha, al momento que se para la bomba, se cierra y deja la columna de la succión llena de líquido. Así que al volver a prender la bomba no es necesario que se cebe la columna, ya que la pichancha se abre y permite bombear el líquido.

Para garantizar el cebado en sistemas de succión negativa, se recomienda un llenado directo mediante:

• Una manguera
• Un depósito auxiliar, que sólo se utilizará para realizar el cebado
• Una conexión directa de una toma secundaria, por ejemplo, una red potable

Cuando tenemos bomba con succión positiva, el líquido es capaz de llegar a la succión por su propio peso. El cebado es sencillo, sólo se abre la válvula y se llena de líquido hasta la succión de la bomba.

Un cebado adecuado previo a la puesta en marcha de la bomba es esencial. Sin el cebado, la bomba no va a funcionar y sufrirá sobrecalentamiento y daños en el sello mecánico.

Carga neta de succión positiva

Para que la bomba no cavite, es necesaria una carga neta de succión positiva o Net Positive Sucction Head (NPSH), y esto es garantizar que la presión de vapor del líquido esté por encima y no se evapore. En las condiciones de operación, en cuanto a gasto y carga, es necesario un mínimo de NPSH requerido, y esto es por el diseño de la bomba. Toda curva de operación trae su curva de NPSH_R, y esto lo proporciona el fabricante de la bomba, con su modelo, tipo y tamaño y es independiente del sistema externo.

En las bombas centrífugas, el fluido debe ser empujado al ojo del impulsor, y debe haber suficiente energía disponible para que el fluido siga permaneciendo de esta forma y no se evapore. Esta energía se denomina NPSH Disponible (NPSH_D) y es proporcionada por la instalación del sistema de bombeo; es un requisito para que no cavite la bomba NPSH_D > NPSH_R.

Selección del punto de operación de una bomba

NPSH_R

El NPSH_R es una característica particular de cada modelo, tipo y tamaño de bombas. Es independiente del sistema externo y lo determina y certifica el fabricante de la bomba. Los fabricantes determinan experimentalmente las curvas de NPSH_R, usando agua como fluido y condiciones de prueba estandarizados. Normalmente se incluyen en las curvas de operación de la bomba.

En la figura de la curva de operación, en la selección de este punto, nos marca tanto al lado izquierdo como al derecho de los extremos de la curva de operación, la zona donde cavita la bomba. De su mejor punto de operación de la bomba se recomienda seleccionar entre -30 a +15 por ciento.

En esta curva de operación, el NPSH_R viene marcado en triángulos y líneas verticales punteadas.

NPSH_D

El NPSH_D está dado por la siguiente fórmula:

**Para un recipiente abierto a la atmósfera y succión negativa. NPSH_D = h_atm – h_vap – h_est – h_fr

**Para un recipiente cerrado y succión negativa NPSH_D = P – h_vap – h_est – h_fr

**Para un recipiente abierto a la atmósfera y succión positiva NPSH_D = h_atm – h_vap + h_est – h_fr

**Para un recipiente cerrado y succión positiva NPSH_D = P – h_vap + h_est – h_fr

Donde:

h_atm = Presión atmosférica

h_vap = Presión de vapor

h_est = Carga estática

h_fr = Pérdidas de fricción en tubería y accesorios

P = Presión agregada a un recipiente cerrado

Tabla 1. Presión atmosférica en diferentes altitudes

Presión atmosférica
La presión atmosférica o (h_atm) empuja el agua. En condiciones normales y a nivel del mar, su valor es de 10.33 metros de columna de agua (m.c.a.), 760 milímetros de columna de mercurio (mm de Hg), 1 atm, o bien 1.01 bar, en el sistema inglés, 33.9 pies de columna de agua (p.c.a.) o una presión de 14.7 psi.

Tabla 2. Presión de vapor en diferentes temperaturas

Presión de vapor
Es la presión requerida para mantener un líquido en su fase líquida. El agua hierve cuando la presión de vapor del agua alcanza la presión atmosférica. La presión de vapor de agua aumenta con la temperatura hasta igualar 1 bar a 100 °C.  De igual manera, a 5 mil metros sobre el nivel del mar (msnm) el agua hierve a 85 °C.

Otros aspectos que se deben de considerar son:

Carga estática: columna vertical del líquido, tomando como referencia la succión de la bomba hasta el nivel del líquido
 Pérdidas de fricción en tubería y accesorios: generada por el rozamiento en las tuberías y la caída de presión por los accesorios
Presión: Ésta es agregada a un recipiente cerrado

Ejemplo:

Se usa una torre de enfriamiento para disipar calor de un horno; la temperatura del agua de bacín de la torre es de 70 °C, y a la salida del horno es de 78 °C, la bomba instalada es de 3” x 4” con un motor de 7.5HP, 3 230v. El sistema opera con un Q=340 galones por minuto versus H=62 pies. La fábrica donde se encuentra el sistema está ubicada en Ciudad de México (2 280 msnm).

En la curva de la bomba, sacamos NPSH_R

Marcamos el punto de operación, y sacamos el NPSH_R, el cual es igual a 5 pies. A continuación, la explicación del procedimiento:

Presión atmosférica: Considerando que la altura sobre el nivel del mar de Ciudad de México es de 2 280 msnm, aproximadamente 7 478 pies; la Tabla 1 nos da una carga: (h_atm =25.72 pies)
Presión de vapor: Tenemos una entrada de agua a la bomba a 70 °C; la Tabla 2 nos da la presión de vapor a esta temperatura: h_vap=11.27 pies
Carga estática: La columna vertical está en donde el nivel del agua, es decir, hasta el ojo del impulsor; el nivel está por encima de éste, pero en el diagrama de instalación, tomamos de referencia la entrada de agua por la pichancha al ojo del impulsor. Esta distancia es de 0.80 metros: h_est=2.62 pies (0.80 metros)
Pérdida de fricción en las tuberías y accesorios: Tenemos un recorrido total de 0.80 metros + 10 metros = 10.80 metros. En pies es igual a 35.42

• h_fr = Rt x f/100
• R_t=35.42 pies
• f= 24.80
• h_fr = 25.42 x 24.80/100
• h_fr = 6.15 pies

La pérdida por accesorios se determina por longitud equivalente y tenemos en la succión una pichancha de 3” y un codo de 90° de 3”. La longitud equivalente es de 26.50 pies (este valor se saca de tablas de accesorios por longitud equivalente):

• h_acc = Leq. x f/100
• h_acc = 26.50 x 24.80/100
• h_acc = 6.57 pies

En total, tenemos en pérdidas de fricciones y accesorios: 6.15 + 6.54 = 12.72 pies

• h_fr = 12.72 pies
• NPSH_D = h_atm – h_vap – h_est – h_fr
• NPSH_D = 25.72 pies – 11.27 pies – 2.62 pies -12.72 pies
• NPSH_D = -0.89 pies
• NPSH_R = 5 pies

La condición para que no cavite bomba NPSH_D > NPSH_R. Lo que significa que la bomba está cavitando. ¿Cómo se puede solucionar este problema? Existen dos maneras: una sería disminuyendo en NPSH_R; la otra, subiendo el NPSH_D.

1. Disminución del NPSH_R

1. Verificando el pulido del ojo del impulsor o agrandando la entrada del ojo de impulsor.
2. Utilizar un inductor.
3. Elegir una bomba en bajas revoluciones. Dado que el NPSH_R se reduce a medida que disminuye el caudal, esta solución tiene riesgo: la cavitación produce unas oscilaciones de presión que si no se evitan, dañarán la bomba.
4. En bombas de velocidad alta se puede aumentar el diámetro del impulsor; solución que reduce el NPSH_R porque disminuye la velocidad del impulsor. Una velocidad baja puede tener muy poca influencia en el rendimiento de la bomba.
5. Cambiar de bomba con velocidad más baja, ya que una vez que se ha seleccionado un valor razonable de la velocidad específica en la succión, en cuanto más baja sea la velocidad de la bomba, menor será el NPSH_R.
6. Emplear un impulsor de doble succión es bueno cuando se manejan grandes caudales.

Reducir el NPSHR, es meterse al diseño de la bomba. Son pocos los fabricantes que utilizan inductor, y el aumentar el ojo del impulsor afecta sus condiciones de operación, por lo que en la práctica termina cambiándose la bomba. La recomendación al seleccionarla es checar el NPSH que se requiere en el sistema donde se va instalar.

2. Aumento del NPSH_D

1. Temperatura del líquido. Cuando la temperatura es alta y está ocasionando cavitación, una solución sería enfriar el líquido antes de que entre a la succión de la bomba.
2. Aumentar la altura mínima del líquido a la succión de la bomba. Ésta es una solución práctica en la que nada más se harían cambios en la instalación. Al elevar de nivel el líquido a la succión unos metros, permite seleccionar una bomba menos costosa y más eficiente teniendo ahorros en la instalación y en el consumo de energía.
3. Bajar el nivel de la bomba. Esto es cuando tenemos una instalación con succión negativa, bajar la bomba, o cambiar a otro tipo de bomba que pueda ser sumergida en el líquido.
4. Aumentar los diámetros de tubería en la succión de la bomba. Esto reduce las pérdidas por fricción en tuberías

En este ejemplo, es más fácil aumentar el NPSH_D. Podemos dar las siguientes soluciones prácticas:

1. La bomba tiene succión de 4” y tiene una tubería de 3”, en esto se puede subir la tubería a 4” o 5”. Disminuir la succión ocasiona cavitación y entre más se estrangule una succión de una bomba, el impulsor se desgastará más rápido.
2. Acercar la bomba al bacín de la bomba. La tenemos a 10 metros de retirado; podemos acercar más la bomba al bacín, hasta donde la instalación lo permita.
3. Hacer una plataforma y subir la torre y que caiga el agua del bacín de la torre por gravedad a la bomba. Ésta se posicionaría debajo de la torre.

Esto es rediseñar la instalación y calcular NPSH_D, lo cual representa una buena práctica. Con la información que se cuenta, se puede lograr que la bomba no cavite y se alargue la vida de la misma.

Francisco Gastelum
Ingeniero Mecánico Administrador por la Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de la Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL). Cuenta con 20 años de experiencia en sistemas de bombeo, ventas y desarrollo de sistemas HVAC, hidroneumáticos y equipos contraincendios. Ha participado como instructor de selección de bombas para fábricas, departamentos de ingeniería y estudiantes de ingeniería. Actualmente, trabaja en el área de Ingeniería y presupuestos de la empresa Insibo.