Qué es la cavitación hidrodinámica

Cómo una caída de presión hace cavitar el agua

La cavitación hidrodinámica es la formación, el crecimiento y el colapso de cavidades de vapor en un líquido en movimiento, provocados por una caída local de presión Zheng et al., 2022. Las cavidades aparecen donde la presión cae por debajo de la presión de vapor del líquido, es decir, la presión a la que pasa a vapor a su temperatura actual.

Según el principio de Bernoulli, una restricción que acelera el agua también reduce su presión estática, de modo que una garganta estrecha crea una zona de baja presión Zheng et al., 2022. A diferencia de la ebullición, no hace falta calentar: la presión baja mientras la temperatura del líquido se mantiene igual Krella, 2023. El grueso del agua permanece cerca de las condiciones ambientales; la cavitación existe solo de forma local Carpenter et al., 2017.

El agua real cavita con mucha más facilidad que el agua pura. Según una revisión de la investigación sobre nucleación, la resistencia a la tracción del agua de grifo o de mar (la tensión que soporta antes de romperse) suele estar muy por debajo de 1 bar. Ese límite lo fijan los núcleos de cavitación: diminutas burbujas de gas en el agua o bolsas de gas sobre partículas y paredes Mørch, 2015.

Inicio, crecimiento y colapso

Una cavidad se inicia cuando un núcleo entra en la zona de baja presión, crece mientras la presión se mantiene por debajo de la presión de vapor y colapsa aguas abajo, donde la presión se recupera de golpe y libera una cantidad importante de energía. Cuanto menor es la presión en la garganta, más severa es la cavitación Zheng et al., 2022. En un Venturi, las cavidades se forman y crecen en la garganta y colapsan en la sección divergente, a medida que la presión vuelve a subir hacia la presión de la línea.

En simulaciones, las cavidades hidrodinámicas crecieron y colapsaron en escalas de tiempo más largas que las ultrasónicas, lo que dificultó el colapso y redujo el número de ciclos por unidad de tiempo Arrojo & Benito, 2008. Una revisión resume la diferencia: la cavitación acústica tiende a producir colapsos muy intensos, y la hidrodinámica, muchas cavidades de intensidad relativamente baja Zheng et al., 2022.

El número de cavitación y por qué los estudios no coinciden

El número de cavitación compara la presión que mantiene íntegro al líquido con la energía cinética del flujo:

σ = (p₀ − p_v) / (½ ρ v₀²)

donde p₀ es una presión estática de referencia, p_v la presión de vapor, ρ la densidad y v₀ una velocidad de referencia Zheng et al., 2022. Los valores bajos indican que la cavitación es más probable o más intensa. Bagal y Gogate reportaron el inicio cerca de σ ≈ 1 y el mejor desempeño entre 0,1 y 1,0, según la revisión de Zheng et al., 2022.

El número se traslada mal de un estudio a otro. Los valores de inicio reportados fueron desde bastante menos de 1 hasta más de 3, según las condiciones, la geometría y los núcleos. Además, cada grupo usa valores distintos: presión y velocidad aguas abajo de la zona de cavitación, en la garganta, aguas arriba o la presión ambiente. Con presiones y velocidades medidas en distintos puntos de un mismo banco de pruebas, Šarc y sus colegas obtuvieron números de cavitación de aproximadamente 1,2 a 168,0 para los mismos ensayos Zheng et al., 2022.

Concluyeron que el número de cavitación no puede describir la cavitación por sí solo. Los informes eran incoherentes y a menudo poco repetibles; la geometría, la velocidad del flujo, la temperatura y la calidad del agua cambiaron el tamaño, la dinámica y la agresividad de la cavitación Šarc et al., 2017.

Cuatro familias de dispositivos

Las revisiones dividen los dispositivos de CH en estacionarios, sin partes móviles, y rotacionales Zheng et al., 2022.

• Tubo Venturi: entrada convergente, garganta y cono divergente; la presión cambia de forma gradual. En simulaciones, el ángulo de la sección divergente influyó mucho en dónde comenzaba la cavitación y hasta dónde se extendía; la longitud de la garganta pesó menos Simpson & Ranade, 2018.
• Placa de orificio: uno o varios agujeros en una placa; la presión cambia bruscamente, y una comparación teórica encontró una caída de presión mayor y una cavitación más intensa que en un Venturi Zheng et al., 2022.
• Dispositivo de vórtice: el agua gira en un vórtice intenso y las fuerzas tangenciales generan la cavitación Zheng et al., 2022. Los investigadores que escalaron dispositivos de vórtice los describieron como menos propensos a obstruirse y a erosionarse que las restricciones Ranade et al., 2021.
• Dispositivo rotor–estator: un rotor con agujeros o dientes gira dentro de una carcasa, y la cavitación se forma entre capas de cizalla que se mueven en sentidos opuestos. Evita las fluctuaciones de presión de los equipos estacionarios, pero sus partes móviles requieren mantenimiento frecuente Zheng et al., 2022. Una unidad de laboratorio produjo cizalla intensa y varias zonas de cavitación al refinar pulpa de papel Kosel et al., 2019.

Cuál familia es mejor depende de la métrica. En la oxidación de yoduro de potasio, un orificio dio el mayor rendimiento por unidad de energía entre cuatro dispositivos, y las nubes de burbujas redujeron el rendimiento de los Venturi Pawar et al., 2017. Una revisión afirma que la industria prefiere los Venturi por su menor consumo de energía y su mayor generación de burbujas Zheng et al., 2022. Con cumarina a 200 kPa, un dispositivo de vórtice encabezó la remoción por vatio De-Nasri et al., 2022. Cada clasificación vale para su propia medida, sustancia química y punto de operación.

Cavitación hidrodinámica y acústica: energía y escalado

La cavitación acústica usa ultrasonido de una sonda o un baño; la CH usa una bomba y un dispositivo en una tubería, y, a diferencia del ultrasonido, se ha usado a gran escala industrial Ranade et al., 2021. Al comparar ambas con una misma reacción modelo, una placa de orificio a escala piloto fue la configuración más eficiente en energía Gogate et al., 2001. Para nanoemulsiones, se reportó que la CH fue 11 veces más eficiente en energía, en trabajos de Carpenter y sus colegas revisados por Zheng et al., 2022. Las comparaciones de costos están en Combinación de gases y cavitación.

El escalado está menos resuelto. Los autores del primer estudio sistemático de escalado señalaron que algunas revisiones lo califican de "relativamente fácil" sin evidencia. Probaron cuatro dispositivos de vórtice semejantes, con gargantas de 3 a 38 mm, con una caída de presión de 280 kPa y 2,4-dicloroanilina. La degradación por paso bajó al crecer el dispositivo y luego se estabilizó; el dispositivo más pequeño logró la mayor degradación por unidad de energía Ranade et al., 2021.

Erosión por cavitación

El mismo colapso daña máquinas hidráulicas, hélices y válvulas. Cerca de una pared, una cavidad que colapsa lanza un chorro de líquido (un microchorro) contra la superficie y emite ondas de choque; donde la presión de impacto superó un umbral del material, como el límite elástico, se produjo daño. Las velocidades de microchorro reportadas fueron de 30 a 877 m/s. La erosión suele pasar por periodos de incubación, aceleración y desaceleración, y la resistencia se correlacionó con la dureza, aunque también influyeron la ductilidad, la resistencia a la fatiga y la tenacidad Krella, 2023. Los dispositivos Venturi y de orificio también son propensos a la erosión y a las obstrucciones Ranade et al., 2021.