La cavitacion y el funcionamiento de las maquinas hidráulicas de eficiencia energética

El avance en el diseño de turbinas y bombas centrifugas ha tenido un avance importante debido a la tecnología y a las innovaciones que se han llevado a cabo pensando en la eficiencia energética. La cavitación es parte de la mecánica de fluidos y tiene una particular influencia en el funcionamiento de las máquinas hidráulicas. En términos generales se puede definir como una vaporización local del líquido, el cual es provocado por la reducción hidrodinámica de la presión. La zona de vaporización puede ser estable o pulsante lo que puede alterar la normalidad del flujo. Este hecho  incita a la formación de bolsas de vapor y gas en el interior del líquido con una corriente de rápido movimiento.

Generalmente las bombas centrifugas y las turbinas suelen ser aparatos sumamente costosos y en el presente, las empresas han tratado de disminuir los costos de adquisición buscando una mayor eficiencia energética y rentabilidad con distintos proveedores  Como la cavitación se da en cada una de estas máquinas, es necesario que la presión en el punto de formación de las bolsas caiga hasta la tensión de vapor del fluido en cuestión. Cuando ocurre, se pueden presentar perdidas por evaporación, ruidos, vibraciones y de las propiedades hidrodinámicas, las cuales son indeseables. Sin embargo, sus efectos positivos recaen en su uso para la limpieza y como reguladora de flujo para las bombas de condensación para la eficiencia energética.

Los procesos de la cavitación

La cavitación se divide en el proceso de formación de burbujas y en el de implosión de estas. Sus fases se dividen en la transición de la fase liquida a la fase de vapor y de esta Última a la liquida nuevamente  La presión del agua suele ser más fuerte que la presión a vapor, es por ello que esta puede caer. Más allá de esto, la energía potencial que se presenta durante cada uno de los procesos que se llevan a cabo mediante las turbinas y las bombas hidráulicas, además de buscar eficiencia energética, se puede convertir en energía de velocidad, presión o de perdida.

La energía de velocidad se incrementa notablemente debido a la reducción de la zona de paso en el punto de la válvula reguladora y la energía de perdida se incrementa por las  fuertes contracciones que se producen en la misma, mientras que la energía de presión disminuye por la constancia de la energía total.

Mientras que el vapor forma las burbujas, las mismas se deforman con el aumento de la presión hasta que hacen implosión. Los núcleos de la cavitación se presentan una vez que el líquido se encuentra desgarrado. Estos núcleos son diminutas burbujas de gases que se encuentran adheridos a materiales sólidos que se encuentran en los líquidos. Cuando son sometidos a una baja presión comienzan a expandirse. A pesar de que parece un proceso sencillo, las máquinas actúan constantemente para que la cavitación pueda llevarse a cabo. No obstante, se busca que sea un proceso cuya eficiencia energética sea la más efectiva.

Tipos de cavitación

La cavitación por flujo es uno de los tipos que existe y se presenta en las tuberías donde la presión del líquido estático alcanza valores próximos al de la presión de vapor de este. La cavitación por ondas es diferente, ya que se presenta cuando el líquido se encuentra en reposo. Ambas se dan en las bombas centrifugas o en las turbinas que buscan eficiencia energética, así como también por la reflexión en paredes o superficies o por las entradas de los tubos.

El gas suele favorecer el inicio de la cavitación porque origina una gran cantidad de burbujas. Si por el contrario el contenido de gas es bajo, el proceso de demora en iniciar debido a que la tracción del agua no es la misma. Con elevados contenidos de aire, la presión para la cavitación es mayor a la presión de vapor, lo que favorece el crecimiento de las burbujas. Independientemente del proceso, la cavitación debe realizarse en máquinas que busquen la eficiencia energética para disminuir los costos operacionales de las centrales donde se produce energía.

El crecimiento de las burbujas provoca que disminuya la presan y aumente la velocidad de escurrimiento. Una vez que la corriente supera la tensión de vapor se produce la condensación y luego el colapso de la burbuja de vapor. La tensión superficial puede llegar a superar la implosión y aumentar los efectos de la presión. Para las turbomaquinas hidráulicas, la cavitación es un factor muy importante, ya que marca el límite más bajo para el tamaño de la máquina y el límite más alto para la velocidad del flujo medio. Sin embargo, lo más significativo es que una máquina que tenga una alta velocidad especifica va a tener menores dimensiones, peso y por ende un menor costo. Esto contribuye significativamente con la eficiencia energética de la máquina.

Selección de los materiales para la cavitación

Uno de los efectos de la cavitación es que puede llegar a destruir prácticamente todos los materiales, cuestión que no contribuye con la eficiencia energética. Existen algunos materiales que pueden soportar los efectos de este proceso pero al final casi siempre terminan siendo destruidos. La resistencia de los mismos es clave para que puedan durar, ya que se pueden producir deformaciones plásticas en el metal. Por otro lado, se debe tener en cuenta el efecto termodinámico de la cavitación. Las altas presiones de impacto a la cual se someten los materiales pueden llegar a causar un deterioro importante en la composición de los mismos.

Cada material es diferente y suele reaccionar distinto a los efectos de la cavitación. Sin embargo, las propiedades del material es lo que suele ser más propenso a los daños. El aluminio, el cobre, el hierro y el acero son afectados notablemente por este proceso. Por otro lado, se debe tener en cuenta que las propiedades mecánicas que intervienen para su destrucción son la densidad, la resistencia a la tracción, la dureza y el porcentaje de elongación entre otros  Para reducir cada proceso que sucede en las turbinas o bombas y hacerlos más efectivos es necesario recurrir a la eficiencia energética

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