Cavitacin

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Modelo de propulsor cavitando en un tnel de agua.

La cavitacin o aspiraciones en vaco es un efecto hidrodinmico que se produce cuando el

agua o cualquier otro fluido en estado lquido pasa a gran velocidad por una arista afilada,

produciendo una descompresin del fluido debido a la conservacin de la constante de

Bernoulli. Puede ocurrir que se alcance la presin de vapor del lquido de tal forma que las

molculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor, formndose

burbujas o, ms correctamente, cavidades. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor

presin e implosionan (el vapor regresa al estado lquido de manera sbita, aplastndose

bruscamente las burbujas) produciendo una estela de gas y un arranque de metal de la

superficie en la que origina este fenmeno.

La implosin causa ondas de presin que viajan en el lquido a velocidades prximas a las

del sonido, es decir independientemente del fluido la velocidad adquirida va a ser prxima

a la del sonido. Estas pueden disiparse en la corriente del lquido o pueden chocar con una

superficie. Si la zona donde chocan las ondas de presin es la misma, el material tiende a

debilitarse metalrgicamente y se inicia una erosin que, adems de daar la superficie,

provoca que sta se convierta en una zona de mayor prdida de presin y por ende de

mayor foco de formacin de burbujas de vapor. Si las burbujas de vapor se encuentran

cerca o en contacto con una pared slida cuando implosionan, las fuerzas ejercidas por el

lquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas muy

altas, ocasionando picaduras sobre la superficie slida. Ntese que dependiendo de la

composicin del material usado se podra producir una oxidacin de ste con el

consiguiente deterioro del material.

El fenmeno generalmente va acompaado de ruido y vibraciones, dando la impresin de

que se tratara de grava que golpea en las diferentes partes de la mquina.

Se puede presentar tambin cavitacin en otros procesos como, por ejemplo, en hlices de

barcos y aviones, bombas y tejidos vascularizados de algunas plantas.

Se suele llamar corrosin por cavitacin al fenmeno por el que la cavitacin arranca la

capa de xido (resultado de la pasivacin) que cubre el metal y lo protege, de tal forma que

entre esta zona (nodo) y la que permanece pasivada (cubierta por xido) se forma un par

galvnico en el que el nodo (el que se corroe) que es la zona que ha perdido su capa de

xido y la que lo mantiene (ctodo).

ndice

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1 Introduccin

2 Problemas

3 Bombas y hlices

o 3.1 Cavitacin de succin

o 3.2 Cavitacin de descarga

4 Plantas

5 Vase tambin

6 Enlaces externos

Introduccin[editar]

El proceso fsico de la cavitacin es casi exactamente igual que el que ocurre durante la

ebullicin. La mayor diferencia entre ambos consiste en cmo se efecta el cambio de fase.

La ebullicin eleva la presin de vapor del lquido por encima de la presin ambiente local

para producir el cambio a fase gaseosa, mientras que la cavitacin es causada por una cada

de la presin local por debajo de la presin de vapor que causa una succin.

Para que la cavitacin se produzca, las burbujas necesitan una superficie donde

nuclearse. Esta superficie puede ser la pared de un contenedor o depsito, impurezas del

lquido o cualquier otra irregularidad, pero normalmente ha de tenerse en cuenta la

temperatura del fluido que, en gran medida va a ser la posible causa de la cavitacin.

El factor determinante en la cavitacin es la temperatura del lquido. Al variar la

temperatura del lquido vara tambin la presin de vapor de forma importante, haciendo

ms fcil o difcil que para una presin local ambiente dada la presin de vapor caiga a un

valor que provoque cavitacin.

Problemas[editar]

Dao por cavitacin de una turbina Francis.

La cavitacin es, en la mayora de los casos, un suceso indeseable. En dispositivos como

hlices y bombas, la cavitacin puede causar mucho ruido, dao en los componentes y una

prdida de rendimiento.

Este fenmeno es muy estudiado en ingeniera naval durante el diseo de todo tipo de

barcos debido a que acorta la vida til de algunas partes tales como las hlices y los

timones.

En el caso de los submarinos este efecto es todava ms estudiado, evitado e indeseado,

puesto que imposibilita a estos navos de guerra mantener sus caractersticas operativas de

silencio e indetectabilidad por las vibraciones y ruidos que la cavitacin provoca en el

casco y las hlices.

El colapso de las cavidades entraa gran cantidad de energa que puede causar un dao

enorme. La cavitacin puede afectar a casi cualquier material. Las picaduras causadas por

el colapso de las cavidades producen un enorme desgaste en los diferentes componentes y

pueden acortar enormemente la vida de la bombas o hlices.

Adems de todo lo anterior, la creacin y posterior colapso de las burbujas crea friccin y

turbulencias en el lquido. Esto contribuye a una prdida adicional de rendimiento en los

dispositivos sometidos a cavitacin.

La cavitacin se presenta tambin en el fondo de los ros donde se genera a partir de

irregularidades del lecho disociando el agua y el aire. Ambos son sometidos a presiones,

dando lugar, este ltimo, a burbujas que, con la fuerza del agua, se descomponen en

tamaos microscpicos, saliendo disparadas a gran velocidad. Esto provoca un fuerte

impacto en el lecho que puede ser de hasta 60 t/m. Su importancia radica en la constancia

y repeticin del fenmeno, lo que favorece su actuacin. La cavitacin es un proceso

erosivo frecuente en los pilares de los puentes.

Aunque la cavitacin es un fenmeno indeseable en la mayora de las circunstancias, esto

no siempre es as. Por ejemplo, la supercavitacin tiene aplicaciones militares como por

ejemplo en los torpedos de supercavitacin en los cuales una burbuja rodea al torpedo

eliminando de esta manera toda friccin con el agua. Estos torpedos se pueden desplazar a

altas velocidades bajo el agua, incluso hasta a velocidades supersnicas. La cavitacin

puede ser tambin un fenmeno positivo en los dispositivos de limpieza ultrasnica. Estos

dispositivos hacen uso de ondas sonoras ultrasnicas y se aprovechan del colapso de las

burbujas durante la cavitacin para limpiar superficies.

Otra aplicacin de la cavitacin es durante el proceso de homogeneizacin de un producto

(ej. proceso biotecnolgico) que se lleva a cabo mediante un sonicador. Este aparato posee

una punta que se sumerge en la solucin a homogeneizar y vibra a frecuencias ultrasnicas.

Estas vibraciones de alta frecuencia causan cavitacin, que como ya se mencion es la

formacin de pequeas burbujas en el medio lquido. Estas burbujas colapsan liberando su

energa mecnica en forma de ondas de choque equivalente a varios miles de atmsferas de

presin, rompiendo clulas presentes en la suspensin. La duracin de ultrasonido

necesario depende del tipo de clulas, el tamao de la muestra y la concentracin celular.

Para las clulas bacterianas como la E. coli, 30 a 60 segundos puede ser suficiente para

muestras pequeas. Clulas de levadura, pueden necesitar de 2 a 10 minutos.

Bombas y hlices[editar]

Desgaste producido por la cavitacin en un rodete de una bomba centrfuga.

Otro ejemplo de desgaste producido por la cavitacin en un rodete de una bomba

centrfuga.

Los labes de un rodete de una bomba o de la hlice de un barco se mueven dentro de un

fluido. Cuando el fluido se acelera a travs de los labes se forman regiones de bajas

presiones. Cuanto ms rpido se mueven los labes menor es la presin alrededor de los

mismos. Cuando se alcanza la presin de vapor, el fluido se vaporiza y forma pequeas

burbujas de vapor que al colapsarse causan ondas de presin audibles y desgaste en los

labes.

La cavitacin en bombas puede producirse de dos formas diferentes:

Cavitacin de succin[editar]

La cavitacin de succin ocurre cuando la succin de la bomba se encuentra en unas

condiciones de baja presin/alto vaco que hace que el lquido se transforme en vapor a la

entrada del rodete. Este vapor es transportado hasta la zona de descarga de la bomba donde

el vaco desaparece y el vapor del lquido es nuevamente comprimido debido a la presin

de descarga. Se produce en ese momento una violenta implosin sobre la superficie del

rodete. Un rodete que ha trabajado bajo condiciones de cavitacin de succin presenta

grandes cavidades producidas por los trozos de material arrancados por el fenmeno. Esto

origina el fallo prematuro de la bomba.

Cavitacin de descarga[editar]

La cavitacin de descarga sucede cuando la descarga de la bomba est muy alta. Esto

ocurre normalmente en una bomba que est funcionando a menos del 10% de su punto de

eficiencia ptima. La elevada presin de descarga provoca que la mayor parte del fluido

circule por dentro de la bomba en vez de salir por la zona de descarga. A este fenmeno se

le conoce como slippage. A medida que el lquido fluye alrededor del rodete debe de pasar

a una velocidad muy elevada a travs de una pequea apertura entre el rodete y el tajamar

de la bomba. Esta velocidad provoca el vaco en el tajamar (fenmeno similar al que ocurre

en un venturi) lo que provoca que el lquido se transforme en vapor. Una bomba

funcionando bajo estas condiciones muestra un desgaste prematuro del rodete, tajamar y

labes. Adems y debido a la alta presin de funcionamiento es de esperar un fallo

prematuro de las juntas de estanqueidad y rodamientos de la bomba. Bajo condiciones

extremas puede llegar a romperse el eje del rodete.

Plantas[editar]

La cavitacin puede aparecer en el xilema de las plantas cuando el potencial del agua se

hace tan grande que el aire disuelto dentro del agua se expande hasta llenar la clula de la

planta. Las plantas generalmente son capaces de reparar los daos producidos por la

cavitacin, por ejemplo con la presin de bombeo de las races. En otros tipos de plantas

como las vides la cavitacin puede llevarlas a la muerte. En algunos rboles, la cavitacin

es claramente audible.

Supercavitacin

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La cavitacin se forma detrs de un objeto rodeado por un rpido flujo de lquido.

La supercavitacin es un fenmeno hidrodinmico, una variacin de la cavitacin. Se

produce al moverse un objeto a gran velocidad en un fluido (lquido, en ste caso). La

diferencia fundamental entre cavitacin y supercavitacin reside en la velocidad y en los

usos potenciales de la misma, mientras la cavitacin es un fenmeno generalmente negativo

tanto para la industria naval o la aeronutica, la supercavitacin es una nueva va de futuro

en la industria, y ofrece nuevos horizontes econmicos y tecnolgicos.

Este fenmeno consiste en que al moverse el objeto a gran velocidad, el fluido que se

desplaza a su alrededor adquiere una velocidad muy grande haciendo que su presin

disminuya drsticamente. Si se llega al punto de evaporacin del lquido, ste se convierte

en gas y por tanto el objeto se desplaza por un medio gaseoso disminuyendo as su friccin.

La cavitacin o aspiracin en vaco es un efecto hidrodinmico que se produce cuando el

agua o cualquier otro fluido pasa a gran velocidad por una superficie determinada en una

arista afilada, produciendo una descompresin del fluido en la zona de la arista. Puede

ocurrir que se alcance la presin de vapor del lquido a la temperatura que se encuentra

dicho lquido de tal forma que las molculas que lo componen cambian inmediatamente de

estado lquido a vapor. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presin e implotan

(el vapor regresa al estado lquido de manera sbita, aplastndose bruscamente las

burbujas) produciendo una estela de gas, y un rpido desgaste de la superficie que origina

este fenmeno. Ahora bien, en la Supercavitacin se exagera este efecto con el fin ltimo

de que un objeto sumergido en un fluido se vea rodeado de una burbuja de gas en su

totalidad para as reducir el efecto de la friccin del fluido y obtener as velocidades ms

altas haciendo que la implosin del gas se efecte detrs de la cola del objeto en cuestin.

Actualmente, esta tecnologa es toda una revolucin en el sector de armamento naval. Cabe

mencionar que el pas ms avanzado en estudios sobre este tema es Rusia, que hace ya unas

dcadas, cre un prototipo de torpedo-motor-cohete que alcanz una velocidad de 180 m/s.

Este fenmeno es aprovechado recientemente por el ejrcito estadounidense para las balas

de destruccin de minas. Estas balas tienen una punta achatada que provoca una

supercavidad (el gas producido envuelve completamente al proyectil) haciendo que puedan

llegar con suficiente energa a 15 metros de profundidad para poder hacer explotar una

mina. Estas balas se lanzan desde un helicptero artillado sobre el objetivo.

Otra aplicacin militar es el torpedo ruso de supercavitacin VA-111 Shkval, que

aprovechando este efecto puede viajar a la increble velocidad de 380 km/h por debajo del

agua.

En la actualidad, DARPA est desarrollando un minisubmarino, que aprovechando este

efecto, podr alcanzar tericamente los 100 nudos, un gran avance de velocidad submarina,

en comparacin con los 25/30 nudos actuales.