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La cavitación en válvulas Vicente Sansaloni Company (vicente.sansaloni@genide.es)

GENIDE - COMEVAL

Introducción La cavitación es un fenómeno físico frecuente en la hidráulica consistente en el paso del líquido a gas por descenso local de la presión y cuya aparición suele traer consigo efectos nocivos para la instalación (ruido, vibraciones, erosión mecánica, disminución del caudal)

Este artículo no pretende ser un tratado sobre el fenómeno ni detallar y desarrollar ecuaciones complejas sino simplemente exp licar en qué consiste, porqué puede aparecer, cómo evitarlo y en caso de ser imposible, como minimizar los efectos dañinos. Todo ello en el ámbito de las válvulas y para el agua, aunque el fenómeno también se produce en otros líquidos.

¿Qué es la cavitación? La cavitación es un fenómeno físico, mediante el cual un líquido, en determinadas condiciones, pasa a estado gaseoso y unos instantes después pasa nuevamente a estado líquido.

Tiene dos fases:

Fase 1: Paso de estado líquido a gaseoso (vapor)

El agua, al pasar por algún estrechamiento aumenta su velocidad y sufre un descenso de presión de manera que se alcanza la presión de vapor (o tensión de vapor), pasando de estado líquido a gaseoso

Fase 2: Paso de estado gaseoso a líquido

Las burbujas de vapor generadas son arrastradas por la corriente llegando a una zona de mayor presión por lo que el vapor se condensa inmediatamente, el líquido circulante “invade” el espacio que ocupaba la burbuja, este fenómeno sucede prácticamente de forma instantánea en forma de implosión. Las velocidades generadas son enormes y al chocar las partículas de agua se originan golpes de ariete de altísima intensidad pero muy breves y localizados.

a= sección del dispositivo de cierre

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¿Cuándo y dónde se puede producir la cavitación? Se puede presentar en aquellos elementos donde puedan producirse descensos de presión, estos son causados habitualmente por cambios bruscos en la velocidad

Esto puede ocurrir en

Elementos estáticos

• Estrangulamientos bruscos

• Regulación mediante orificios

• Válvulas en posiciones cercanas al cierre, mal cerradas o no estancas

Elementos dinámicos

• Álabes de turbinas

• Rodetes de bombas

• Hélices de barcos

• Válvulas reguladoras

¿Cómo y por qué aparece la cavitación? Como se explicaba anteriormente, la cavitación es la evaporación de un líquido. Esto depende de la energía (temperatura) y de la presión exterior.

De una manera simple, la temperatura favorece la evaporación puesto que las moléculas de agua tienen más energía y tienden a expandirse, y la presión exterior es un impedimento para esa expansión por lo que a más energía y menos presión, es más fácil que se produzca la cavitación (evaporación).

Esta relación viene determinada por la curva característica de presión de vapor del agua (o tensión de vapor) que relaciona temperatura y presión con el estado líquido o vapor del agua. Esta curva delimita las zonas donde el agua se va a presentar en estado líquido o gaseoso

0.01

0.10

1.00

10.00

0 20 40 60 80 100 120

Curva de presión de vapor del agua

llííquidoquido

vaporvapor

Pre

sión

[bar

]

Temperatura [°C]

0.01

0.10

1.00

10.00

0 20 40 60 80 100 120

Curva de presión de vapor del agua

llííquidoquido

vaporvapor

Pre

sión

[bar

]

Temperatura [°C]

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Como se ve en la figura, a presión atmosférica (1 bar), el agua se evapora a 100 ºC. Esto es algo que todos asumimos como cotidiano.

Por el contrario, si aumentamos la más allá de 1 bar vemos que el agua se mantiene en estado líquido a temperaturas superiores a los 100 ºC. Este es el principio de las ollas rápidas a presión o los autoclave.

Si la presión desciende, hay menos “fuerza” que vencer y el agua se evapora a menos presión. A 0,02 bar el agua sólo necesita 18 ºC para evaporarse.

¿Cúando y por qué puede estar el agua a menor presión que su presión de vapor?

El agua fluye por las conducciones a una presión que es mucho mayor que la presión de vapor. Vamos a estudiar por qué cuando pasa por estrechamientos (por ejemplo el punto de estrangulamiento de una válvula) disminuye la presión. Para ello estudiaremos el balance de energía del agua.

Balance de energía en un fluido – Teorema de Bernoulli

El Teorema de Bernoulli es el principio de conservación de la energía aplicado a la hidráulica y postula que la suma de las energías que intervienen debe mantenerse constante.

En la siguiente figura, podemos observar como varía este balance de energías cuando el flujo pasa de estático a dinámico.

A = sección del diafragma/ membrana o de la base del cilindro a= sección del dispositivo de cierre

? H = (c/g) ? V

liquido ⇒ vapor ⇒ liquido

En

Energía de Presión

Energía Cinética Pérdidas (pérdida de

+ Σ

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Cuando no existe flujo, tenemos que todo es energía potencial. Cuando el agua empieza a circular, esa energía se transforma parcialmente en velocidad, la energía sobrante en presión y también aparecen unas pérdidas.

Si hay un estrechamiento en la conducción, como se tiene que mantener el principio de continuidad (el caudal que entra es el caudal que sale, salvo si hay derivaciones), necesariamente a menor sección de paso, para mantener el caudal, debe aumentar sustancialmente la velocidad y esto es a costa de transformar parte de la energía de presión que quedaba y a su vez aumentan las pérdidas.

Si lo analizamos, vemos que básicamente sucede lo que cabría esperar. Llega un caudal con una presión determinada, la válvula estrangula el paso y conseguimos una reducción de presión. La clave de esto es que como la sección de paso de la válvula es igual a la de salida y el caudal constante, para bajar la presión, debemos conseguir una caída de la misma en el interior de la válvula mucho mayor, ya que se va a recuperar parte de la presión después, por lo que la presión en el interior de a válvula es mucho menor que la presión a la entrada y a la salida.

Este descenso brusco de la presión en el punto de estrangulamiento por efecto del aumento de la velocidad se conoce como Efecto Venturi y se utiliza en muchos ámbitos de la técnica (pulverizadores, carburadores, dosificadores,…)

Si la presión cae por debajo de la presión de vapor, aparecerá la cavitación.

Situaciones típicas donde puede aparecer la cavitación

• Alta presión diferencial

• Baja contra-presión (válvulas de alivio, llenado de depósitos, desagües, válvulas de descarga)

• Alta velocidad del fluido

Energía

Energía cinética

Energía de presión

Pérdidas

Energía cinética

Pérdidas Contracción

vena

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Efectos de la cavitación Una vez aparece la cavitación se empiezan a formar las burbuja de vapor. Éstas al salir de la zona de baja presión, se empiezan a comprimir, hasta que acaban implosionando.

Al implosionar, el líquido que rodea la burbuja, invada el espacio que esta ocupaba formando un micro-chorro a alta velocidad.

Esta implosión de las burbujas y la formación del micro-chorro se puede dar en zonas rodeadas completamente de agua o cerca de las paredes de la tubería o del cuerpo de la válvula o accesorios.

Cuando la implosión de las burbujas tiene lugar cerca de las paredes de la tubería, válvula o accesorios, el micro-chorro impacta contra esas partes sólidas con velocidades que pueden superar los 1.000 m/s y picos de presión de hasta 10.000 bar provocando la erosión del material así como ruidos y vibraciones.

Los principales efectos de la cavitación son:

• Ruidos y golpeteos

• Vibraciones

• Erosión del material

• Disminución del caudal por flujo de bloqueo

Dirección del flujo

Dirección del flujoDirección del flujo

En el centro de la tubería

Burbuja de vapor

totalmente desarrollada

Burbuja de vapor

totalmente desarrollada

La burbuja se va deformandoLa burbuja se va deformando

ImplosiónImplosión Microchorro

Microchorro

En la pared de la tubería

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Ejemplos de daños causados por cavitación

Válvula de mariposa

En la siguiente imagen se aprecian daños causados por la cavitación en el disco y cuerpo de una válvula de mariposa.

Las condiciones de funcionamiento de esta válvula eran las siguientes:

• Presión aguas-arriba: 1,2 a 1,4 bar

• Presión aguas-abajo: 0,1 bar

• Velocidad: 2,2 m/s

• Tiempo de funcionamiento: 2 años

• Grado de apertura disco: aproximadamente 30º (33,33 %)

A continuación se ve otro caso de deterioro en una válvula de mariposa que se había utilizado para regular. La válvula ha perdido gran parte del disco.

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Válvula de compuerta

En esta válvula se aprecia como a cavitación ha acabado perforando el cuerpo de la válvula. Esta se quedó mal cerrada con una sección de paso muy pequeña.

Es curioso observar cómo la compuerta se encuentra en perfecto estado, esto es porque la cavitación se produce en el estrechamiento y las burbujas colapsan en un punto más adelante. De hecho si esta válvula hubiera sido de cuerpo corto, los daños se habrían producido en la tubería o en un accesorio y no en la válvula.

Este tipo de daños por válvulas de compuerta semi-cerradas pueden aparecer a los pocos meses de uso.

Válvula de regulación de globo

En este caso se aprecian los daños caudados en una válvula de regulación de globo con cuerpo a 90º que estuvo trabajando como válvula de llenado de depósito.

Válvula de regulación de paso anular

Cuando se trabaja en condiciones inadecuadas, ni siquiera válvulas especialmente diseñadas para trabajar en condiciones severas, se libran de los daños.

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Aquí se puede observar el deterioro en el pistón de una válvula de paso anular.

¿Cómo evitar la cavitación? La cavitación es un efecto físico cuya aparición depende de las condiciones de funcionamiento. Por tanto, cuando se proyecta una instalación debe intentarse que no aparezca la cavitación o que sus efectos sean los menores posibles.

Estas son algunas recomendaciones generales:

• Las válvulas de compuerta y mariposa deben usarse sólo para trabajar en posición completamente abierta o cerrada y no en posiciones intermedias

• Las válvulas de regulación son válvulas específicas de control, pero deben ser seleccionadas en función de las condiciones de trabajo o adaptadas al mismo.

• Para operar en condiciones extremas donde no podemos controlar la cavitación ni con válvulas especiales, la regulación debe hacerse paso a paso (regulando en varias etapas, utilizando placas orificio para crear una contrapresión a la salida de la válvula,…) o mediante la admisión de aire en el punto de regulación.

• Es igualmente importante prever una distancia de tramos de tubería recta aguas-debajo de las válvulas de regulación para que si se produce cavitación no dañe válvulas de aislamiento, u otros accesorios instalados aguas-abajo

Tipos de válvulas de control y soluciones frente a la cavitación Es importante resaltar que en el mercado abundan los productos que se venden bajo el lema “anti-cavitación” sin realmente serlo. Incluso hay catálogos comerciales que afirman que su producto es anti-cavitación simplemente por tener fabricado el obturador en acero inoxidable.

Frente a esto caben dos apreciaciones. La primera es que no existe nada “anti-cavitación”, la cavitación es un fenómeno físico y cuando se dan las circunstancias para que el mismo aparezca (presión inferior a la tensión de vapor), aparecerá. No existen los productos mágicos. Por otro lado, el material en el que esté fabricada la válvula no garantiza nada. No existen materiales que soporten condiciones de cavitación destructiva indefinidamente.

Sí existen diseños optimizados que retrasan la aparición del fenómeno y que se adaptan al mismo para que los daños sean mínimos o nulos.

A continuación veremos alguno de ellos.

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Válvulas de paso anular

Las válvulas de paso anular están diseñadas para regulación. Consisten en un bulbo hidrodinámico dispuesto centralmente en el interior del cuerpo de la válvula de manera que el fluido es conducido alrededor del bulbo, resultando una sección de paso anular. Un pistón de acero inoxidable guiado sobre unas guías deslizantes (normalmente en bronce), se mueve axialmente en el interior de la válvula. El movimiento axial se transmite al pistón por medio de un robusto mecanismo de biela-manivela que se actúa desde un eje al exterior mediante un desmultiplicador manual o un actuador eléctrico, neumático o hidráulico (con o sin contrapeso). El movimiento del pistón en el sentido del flujo cierra el paso en el cuello donde el cuerpo de la válvula vuelve a tener la sección del tubo, dando una sección de forma anular de paso mayor o menor dependiendo de la posición en la que se encuentre el pistón.

Válvula de paso anular

Como se puede ver en las imágenes, el cierre de la válvula está en la brida de salida y el flujo a la salida es convergente lo que tiene una influencia positiva en el comportamiento de la válvula frente a la cavitación ya que las burbujas de vapor se forman a la salida de la válvula y además convergen hacia el centro del flujo donde pueden colapsar sin estar en contacto con elementos de la válvula o de la conducción.

Como se aprecia en las siguientes figura, que representa la sección de paso de diferentes tipos de válvulas, las válvulas de paso anular mantienen la geometría de la sección de paso constante en todo su recorrido, siendo ésta un anillo. También se aprecia que a pesar de que son estancas y sirven para aplicaciones todo/nada, no son de paso total incluso en su posición 100% abierta.

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Secciones de paso en diferentes tipos de válvulas

Ésta característica de mantener la geometría constante proporciona un funcionamiento de la válvula muy estable y equilibrado y crea pocas turbulencias a la entrada de la válvula.

Son válvulas equilibradas en presiones y esto les proporciona un accionamiento suave y bajo par de maniobra.

El cuerpo esférico permite también trabajar hasta altas presiones.

Las aplicaciones principales de estas válvulas son: regulación de presión o caudal, llenado de depósitos, descarga de presas, válvula de by-pass, válvula de desagüe.

Tipos de cilindro de salida

Las válvulas de paso anular, pueden modificarse para adaptarse mejor a las condiciones de servicio. Lo más habitual es cambiar la forma del obturador o cilindro

- Cilindro recto (estándar)

Cilindro recto

Esta es la configuración estándar. El pistón acaba en un pequeño cilindro recto que al estar el pistón retraído deja el paso completamente libre y que al avanzar va cerrando el paso hasta que este se cierre completamente una vez hace contacto con la junta de estanqueidad.

Esta configuración es de aplicación cuando los diferenciales de presión no son muy elevados o en los casos donde se requiere una gran capacidad (baja pérdida de carga) como descarga de presas y válvulas de control de bomba.

Energía de presión Presión alta Presión alta

Presión baja

Válvula de

Válvula de

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- Cilindro ranurado o perforado

Cilindro perforado o ranurado (posición 100% abierto)

El cilindro perforado o ranurado consiste en una prolongación del pistón que puede estar perforada o ranurada. En posición 100% abierta el cilindro está ocupando el área de paso del agua, por lo que el agua se fuerza a pasar por los orificios o ranuras, forzando a las posibles burbujas de cavitación a ir a gran velocidad hacia el centro del chorro, colapsando rodeadas de agua y sin producir daños mecánicos. Adicionalmente estos orificios o ranuras cambian la relación entre carrera y cierre de la válvula, cambiando por tanto la curva característica de la misma.

Entrada del agua en el cilindro

Cambiando el tamaño o distribución de los cilindros y ranuras se puede adaptar la curva de la válvula a las necesidades de la instalación.

Cuando la válvula empieza a cerrar, el pistón se desplaza y el cilindro empieza a salir hacia el exterior, de ésta manera el área de paso va disminuyendo. Una vez el pistón está en contacto con la junta la válvula queda completamente cerrada.

Cilindro perforado en posición cerrado (el cilindro sale al exterior)

- Cilindro doble perforado

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Cuando los diferenciales de presión requeridos son muy grandes se puede instalar un cilindro doble, consistente en dos cilindros perforados paralelos y con un cierto decalaje entre las perforaciones.

Cilindro doble perforado (válvula DN800 PN100)

El efecto que se consigue es el hacer la reducción de presión en varias etapas. Si el cilindro tiene más escalones se haría en más etapas. Con este sistema se consiguen grandes reducciones de presión sin cavitación.

Cilindro multi-etapas

Reducción de presión en una etapa (izquierda) y en múltiples etapas (derecha)

- Cilindro ranurado recortado

El cilindro ranurado recortado es un cilindro ranurado que en la posición de la válvula 100% abierta no cubre toda el área de paso. Es por tanto una solución híbrida, facilita una baja pérdida de carga ya que en posición 100% abierta el paso de la válvula está prácticamente libre lo que permite el control de grandes caudales. En las últimas posiciones de la carrera, el cilindro ranurado recortado obtura el paso, quedando éste limitado a las ranuras, permitiendo una mayor precisión en el control de los caudales bajos y un mejor comportamiento frente a la cavitación.

Válvula de esfera Válvula

de paso

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Cilindro ranurado recortado. Válvula abierta (izquierda, válvula cerrada (derecha)

Válvula de asiento plano (globo). Válvulas automáticas

La válvula de asiento es uno de los tipos de válvula de control más conocidos. En estas válvulas el obturador que suele ser un disco cierra sobre un asiento plano. Dependiendo de la forma del cuerpo de la válvula o del recorrido del agua en la misma se habla de diferentes tipos como válvulas de globo, válvulas en ángulo y válvulas en “Y”, por citar los más típicos.

Válvula de asiento plano. De izquierda a derecha: tipo globo, tipo “Y”, en ángulo

Válvula de asiento tipo globo

Son válvulas de carrera (recorrido del obturador) más corta que las de paso anular. La carrera típica de este tipo de válvulas (ver H en Fig. 20) suele ser D/4, siendo D el diámetro del asiento.

Al ser el asiento circular el área de paso es la de un cilindro de diámetro D y altura D/4.

Al ser el área lateral de este cilindro la longitud del disco por la altura lo que resulta:

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2DDDSL ππ =×=

Que coincide exactamente con la sección de paso del diámetro nominal de la válvula (DN)

Las válvulas de asiento plano tienen una buena característica de regulación, aunque su carrera más corta las hace menos precisas que las de paso anular vistas anteriormente. Debido al recorrido que realiza el agua en su interior también tiene más pérdidas de carga a válvula completamente abierta, aunque este punto no suele ser decisivo en una válvula de control.

DN

H

PI

Abierta

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El comportamiento frente a la cavitación es bastante bueno, pero en situaciones de diferenciales de presión elevados o contra-presiones muy bajas tamb ién se suelen utilizar diseños de obturador especiales como cilindros con paso proporcional, ranurados o perforados. Consisten al igual que hemos visto en la válvula de paso anular en añadir un cilindro al obturador de la válvula.

Válvula de asiento con obturador especial anti-cavitación

También se puede adaptar la curva de la válvula según el diseño que tenga el cilindro así como se puede ver en cilindro especial de la figura siguiente donde se consigue no sólo un mejor comportamiento frente a la cavitación, sino también adaptarse a caudales mayores o menores según el pistón va cerrando. Se está variando la relación de carrera de la válvula.

Obturador especial

Las válvulas de asiento se pueden actuar manualmente y mediante actuadores eléctricos, hidráulicos o neumáticos. Existe una variante especial de las mismas que se actúa mediante el propio fluido a controlar y es lo que se conoce como válvulas hidráulicas automáticas.

Válvulas multi-chorro

En este tipo de válvulas se obliga al fluido a atravesar múltiples orificios más o menos abiertos, por lo que es como si dispusiéramos de muchas pequeñas válvulas de compuerta cubriendo la sección de paso. Los pequeños chorros producidos se distribuyen también en la sección de paso de manera uniforme esto tiene como efecto la disminución de las vibraciones, los daños causados por la cavitación, las fluctuaciones de presión y el ruido.

Hay diferentes construcciones para estas válvulas en el mercado.

Un primer tipo consiste en una válvula de guillotina a la que se le coloca una placa con múltiples orificios aguas-abajo. El recorrido de la guillotina abre más o menos de estos orificios.

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En estos diseños se estudia el diámetro, reparto y densidad de orificios para conseguir la curva característica pretendida.

Válvula de control multi-chorro tipo guillotina. Obsérvese la distribución estudiada de los orificios

El otro tipo es la de doble disco. Como se aprecia en la figura siguiente el principio de funcionamiento es sumamente sencillo consisten en dos discos perforados (2 y 3) y un cuerpo anular (1) que se monta entre las bridas de la tubería. El disco (2) está fijo. El disco (3), situado aguas arriba de la válvula se puede desplazar deslizándose arriba y abajo. En la posición completamente abierta, los orificios en los discos (2) y (3) coinciden. La posición completamente cerrada se obtiene por el desplazamiento del disco móvil (3) la pequeña distancia equivalente al diámetro de uno de los orificios.

Válvula de control multi-chorro de doble disco. Obsérvese la distribución uniforme de los orificios

Las posiciones de regulación son las intermedias, con los orificios parcialmente cerrados. El disco móvil (3) puede ser movido manualmente o por cualquier tipo de actuador.

Son válvulas como se puede ver en ambos tipos, sencillas y con buenas cualidades de regulación, aún así tienen algunos inconvenientes importantes.

Por su diseño constructivo no pueden trabajar en presiones elevadas, en caso de formarse cavitación, las burbujas que se forman se reparten por toda la conducción, pudiendo causar desperfectos aguas-abajo.

La pérdida de carga con la válvula 100% es elevada lo que disminuye su capacidad máxima y al tener un recorrido el obturador muy pequeño se pierde precisión en el control en comparación con otros diseños.

Instalación y consideraciones importantes

Otra consideración muy importante es el tener en cuenta que las válvulas de regulación requieren de un flujo lo menos turbulento posible (igual que lo elementos de medición como caudalímetros y contadores) por lo que antes y después de las mismas se aconseja dejar un tramo recto de conducción antes y después de las mismas y sin elementos distorsionadores del flujo.

Esto es tanto más importante cuanto mayor es la válvula. Como regla general se puede considerar un tramo recto de 5 x DN antes de la válvula y 3 x DN detrás de la misma

En válvulas de gran tamaño y válvulas de paso anular es más importante estas recomendaciones ya que si trabajan con grandes diferenciales de presión y se produce cavitación, aunque ésta no afecte a la válvula

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(recordemos que converge al centro de la conducción) sí puede hacerlo a elementos montados detrás de la misma (válvulas de mariposa, codos, tés,…)

Recomendaciones de espacio de tubería recta aguas-arriba y aguas-debajo de las válvulas de control

Cálculo de la cavitación

Parámetros para medir la cavitación

La cavitación en las válvulas se puede caracterizar por lo que se conoce como coeficiente de cavitación.

El más habitual es el coeficiente de cavitación σ1 que es un parámetro adimensional definido como:

11σ =

p - pp

v

∆

Donde:

• p1: Presión absoluta aguas arriba.

• p2: Presión absoluta aguas abajo.

• ?p: Caída de presión en la válvula, relacionada con el caudal y grado de apertura.

• pv: Presión de vapor del agua a la temperatura de trabajo (absoluta). Para 20ºC es de 0.238 mca

y para 4ºC es de 0.083 mca.

• patm: Presión atmosférica absoluta (10.33 mca).

También se utilizan otros partámetros como:

22 v =

p - pp

σ∆ ; c

1 v

k = p

p - p∆

;

Y la relación entre ellos:

= k

1c 1

11

2 +=

σσ

A Kc se le llama índice de cavitación.

8 a 10 x DN para cilindro recto

5 x DN para cilindro ranurado o perforado

Válvula paso anular

8 a 10 x DN para cilindro recto

5 x DN para cilindro ranurado o perforado

Válvula paso anular

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Niveles de cavitación

De acuerdo con Tullis, y en función de su grado de consolidación, podemos encontrarnos cuatro niveles de cavitación: incipiente, crítica, con daños incipientes y por cavitación con bloqueo.

Cavitación incipiente

La cavitación es incipiente a partir del momento en que se distingue el ruido que produce la misma respecto del que normalmente existe cuando la válvula no está cavitando. Se produce solo en algunos puntos de la válvula y además lo hace de modo intermitente.

La cavitación incipiente se determina experimentalmente y se asocia a un valor del coeficiente de cavitación σ1 en el que comienza a aparecer. Tal y como están definidos los coeficientes de cavitación σ1 y σ2, para valores mayores que los correspondientes a la cavitación incipiente no existirá cavitación, aunque la mayoría de las válvulas pueden trabajar con valores de al σ1 y σ2 hasta un 10-15% por debajo de los valores de cavitación incipiente sin que la válvula sufra efectos negativos sobre su funcionamiento. Normalmente los valores obtenidos para al en cavitación incipiente aumentan con el grado de apertura y con el coeficiente de caudal. La cavitación puede comenzar antes en válvulas sometidas a mayores presiones o de mayor tamaño.

Por ello es necesario asociar siempre el valor de σ1 con los parámetros utilizados P1 y Pv. El valor de σ1 cambia también con la diferencia P1 y Pv, aunque empíricamente se ha comprobado que para valores diferentes podemos utilizar la siguiente relación:

22,0

1

1,

)()(

−−

refv

vref11

PPPP

= σσ

El procedimiento de prueba para determinar el valor del coeficiente de cavitación incipiente consiste en ensayar la válvula, inicialmente con valores grandes (σ1 = 20, por ejemplo) en los que todavía no ha aparecido cavitación. Posteriormente se va aumentando el caudal o la pérdida de carga, manteniendo la presión aguas arriba (P1) hasta que aparecen los síntomas de la cavitación. Este ensayo se realizará con varios grados de apertura de la válvula.

Cavitación constante o crítica

La cavitación crítica aparece como el siguiente nivel de cavitación. A partir del límite inferior de cavitación crítica, esta se hace continua si bien no origina erosión importante salvo que se produzca durante mucho tiempo. Puede identificarse por medios de detección sonora (ruidos de intensidad inferior a 80 dB). Puede permitirse el funcionamiento de la válvula en estas condiciones si es de forma esporádica.

Es habitual que el valor de σ1 correspondiente a la cavitación crítica sea de aproximadamente el 80% del de

cavitación incipiente.

Los procedimientos de ensayo son similares al caso de la cavitación incipiente.

Cavitación con daños incipientes

En este nivel se produce erosión y destrucción sobre las superficies sólidas. No conviene trabajar en esta zona. Este nivel de cavitación no es estable y es previo al bloqueo del caudal. La característica principal de este nivel, aparte los daños físicos, es la disminución del caudal debido a la reducción de la sección de paso, ocupada por las burbujas gaseosas en una parte importante.

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Cavitación con flujo de bloqueo

Si la presión aguas abajo de la válvula disminuye por debajo de la presión de vapor y se forma una gran bolsa de vapor de agua, puede llegar a “bloquearse” el paso del líquido en la conducción. Es lo que se conoce como bloqueo (Choking). El caudal en esta situación, no puede incrementarse ni siquiera disminuyendo la presión aguas abajo.

En esta situación se producen grandes vibraciones y ruido y se reduce el caudal. Este estado es totalmente

desaconsejable y sólo se diseñan válvulas con posibilidad de trabajar en esta zona si lo van a hacer esporádicamente, como las válvulas de alivio.

Para estudiar el fenómeno, se define el factor recuperador de presión FL que es adimensional e independiente del tamaño de la válvula, y permite calcular, para una presión de entrada y un cierto grado de apertura, el máximo caudal que puede atravesar la válvula y que correspondería a la situación de bloqueo.

L1 v

F = p

p - p∆

La relación entre el coeficiente de cavitación para la situación de bloqueo y este factor vendría dada por:

L

1F

bloqueo 1)( ≈σ

Caudal frente a caída de presión en una válvula manteniendo constante la presión aguas arriba.

Una metodología a seguir para determinar la zona de cavitación donde nos encontremos trabajando para una situación dada será:

1. Conocidos los valores de p1, p2, pv y Q determinar el grado de apertura de la válvula y el valor del coeficiente σ de nuestro sistema (σsis). Utilizar cualquiera de las expresiones anteriores.

2. Determinar los valores límite del parámetro σ para la válvula y el grado de apertura considerado, a partir de ensayos en la propia válvula o en otra, pero corregidos convenientemente. De esta forma se tendrá σi, σc, σdi y σb, valores límite de cavitación incipiente, crítica, daños incipientes y bloqueo.

3. Comparar el valor de σsis con los valores obtenidos en 2:

σsis>σi no existirá cavitación

σi>σsis>σc existirá cavitación incipiente

σc>σsis>σdi existirá cavitación crítica

σdi>σsis>σb existirá cavitación de daños incipientes

σb>σsis existirá cavitación de bloqueo

En este último caso el caudal se verá limitado. A partir del valor de σb es posible determinar el caudal de bloqueo. Si hemos hecho uso de la expresión 11 para calcular el parámetro de cavitación tendremos un valor límite de bloqueo que denominaremos σb1.

Regulando Presión de vapor

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El caudal de bloqueo será:

b v1 v

b1

Q = K p - p

σ

Al disminuir el caudal, p1 puede verse afectado, por lo que habría que iniciar de nuevo el proceso con el

nuevo valor.

Si en un sistema σsis<<<σb, nos encontraremos en lo que se denomina supercavitación. En tales circunstancias las cavidades de vapor de agua se extienden más en el sentido hacia aguas abajo de la válvula.

En muchas ocasiones los fabricantes hacen uso de los parámetros kc o FL para determinar si existe o no

bloqueo, calculando caso de que lo haya el caudal límite resultante. En tal situación, la metodología a seguir es semejante a la expuesta anteriormente, En primer lugar calcularemos los valores de los parámetros kc o FL para nuestro sistema (los llamaremos kc,sis o FL,sis) y los compararemos con los valores límite dados por el fabricante para la válvula y grado de apertura considerado (kc,b o FL,b). Si los primeros son mayores que los segundos se tendrá bloqueo, por lo tanto, si:

kc,sis = (p1 - p2)/(p1- pv) > kc,b o FL,sis = ((p1 - p2)/(p1 - pv))1/2 > FL,b

se tiene que:

b v c,b 1 vQ = K k ( p - p )

b v L,b 1 vQ = K F p - p

Datos de los fabricantes

Los fabricantes serios, facilitan tablas o gráficos sobre los parámetros de sus válvulas. En algunos casos también facilitan programas de cálculo.

A continuación vemos un ejemplo donde se representan para la válvula y la instalación las curvas de cavitación de una válvula de paso anular y una de mariposa trabajando en las mismas condiciones.

Curva cavitación válvula paso anular (Válvulas VAG)

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Curva cavitación válvula mariposa (Válvulas VAG)

Observamos que la válvula de mariposa estará cavitando, precisamente en el único tramo donde tenía capacidad de regulación.

Así pues las válvulas de aislamiento como las mariposas y compuertas no son válvulas adecuadas para regular. No porque no puedan hacerlo sino porque lo hacen de manera ineficiente.

Los coeficientes de cavitación deben de ser proporcionados por los fabricantes y son necesarios para poder estudiar el funcionamiento de la instalación.

Otros fabricantes facilitan tablas donde se representan las condiciones bajo las cuales la válvula cavita. En las siguientes figuras tenemos dos ejemplos.

Zonas donde existe cavitación (Válvulas Raphael)

En este caso, se definen diferentes zonas de funcionamiento (2, 3, 4 y 5). La zona 1 corresponde a una situación imposible en la que la presión aguas arriba es inferior a la presión aguas abajo. En la zona 2 no

existe cavitación. En las zonas 3, 4 y 5 la válvula estará trabajando en condiciones más o menos severas de cavitación.

1

2345

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15 20

Presión aguas abajo (bar)

Pre

sión

agu

as a

rrib

a (b

ar)

21

Hay que señalar que estas tablas no son rigurosas, pues como se puede ver sólo tienen en cuenta las presiones

de entrada y salida y no aspectos tan importantes como la velocidad o el grado de apertura de la válvula.

Podemos consideraros orientativos siempre que estemos hablando de situaciones de uso normal, con velocidades de de no mucho más de 2 m/s y presiones aguas-abajo superiores a 1 bar y válvulas que se tenga claro que trabajarán en grados de apertura intermedios. Para casos diferentes, habría que hacer un estudio más riguroso.

Zonas donde existe cavitación (Válvulas Bermad)

En este segundo caso aparece como parámetro la velocidad en la tubería. Lógicamente se trata de la velocidad correspondiente a la sección nominal de la válvula (Q/Snominal). Como podemos observar, para una presión aguas arriba dada, cuanto mayor es el caudal mayor es la presión aguas abajo mínima permitida para que no exista cavitación.

Como conclusión podemos decir que es necesario analizar las condiciones de funcionamiento de la válvula en toda su zona de operación, a fin de escoger la más adecuada.

Es posible, no obstante, recurrir a ciertas disposiciones a fin de paliar el problema de la cavitación. Por ejemplo efectuar la regulación con varias válvulas en paralelo de diferentes tamaños, o incluso con varias válvulas dispuestas en serie. En este último caso, la caída de presión en cada una de ellas será más pequeña, por lo que el valor del parámetro σsis se verá incrementado, lo cual resulta favorable desde el punto de vista de la cavitación.

Cuando la presión aguas abajo de la válvula es pequeña (por ejemplo en el caso de una válvula de alivio descargando a la atmósfera, de llenado de depósito, desagües y válvulas de descarga) la posibilidad de que aparezca cavitación es mayor, dado que disminuye el valor del parámetro σ. En este caso interesa colocar la válvula sin ningún elemento aguas abajo (ni tan siquiera un corto tramo de conducción), de manera que se facilita la entrada de aire a presión atmosférica en el orificio. De esta manera queda limitada la presión mínima hasta el valor de la presión atmosférica.

Si es imprescindible realizar la descarga conducida mediante un tramo corto de conducción, interesa o bien instalar un orificio de ventilación o generar en este unas pérdidas de carga, de forma que aguas abajo de la válvula se genere una contrapresión. Para ello se reduce el diámetro del tramo o se instala algún dispositivo disipador de energía como placas orificio o difusores. Con ello se incrementa al valor de la presión aguas abajo de la válvula y, consecuentemente el del parámetro σ, lo que reduce la posibilidad de cavitación. Esta solución tiene el mismo fundamento físico que la colocación de varias válvulas en serie, lo que limita la caída de presión en cada una de ellas.

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Conclusiones Como se ha visto, es muy importante evitar la presencia de la cavitación. Para ello es importante seleccionar y calcular las válvulas adecuadamente, al igual que elegir un tipo de válvula que vaya a resultar más efectiva.

Hay soluciones muy diversas para evitar los problemas, desde hacer una reducción escalonada a montar válvulas en serie, instalar disipadores de energía, obturadores especiales,…

Los fabricantes deben de proporcionar los datos necesarios para poder calcular y prever las condiciones de trabajo de las válvulas.

No existen materiales “milagrosos” frente a la cavitación, sí buenos diseños que retrasan la aparición y palian los efectos de la misma.

Son especialmente problemáticos los casos donde se trabaja con presiones de salida muy bajas y velocidades elevadas que los de gran diferencia absoluta entre P1 y P2

8.- Bibliografía - Cabrera, E., Espert, V., Gracía-Serra, J., Martínez, F. (1996) Ingeniería Hidráulica Aplicada a los

Sistemas d Distribución de Agua

- Iglesias, P., (2006) Fundamentos sobre válvulas en abastecimientos de agua

- Manhardt Lindel (Erhard-Armaturen). Cavitation in closed piping System

- Sansaloni, V. (2008). Válvulas de regulación en las redes de abastecimiento y distribución de agua.

- Catálogos comerciales y técnicos de: VAG Armaturen, Erhard Armaturen, Valcon, Flowserve, Sapag, Parcol, Comeval.

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