Según Creus (2011) 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. Creus (2011) afirma que la cavitación sucede si el flujo de un fluido es afectado por un estrangulamiento. En esta zona, si la velocidad alcanzada por el fluido es suficiente, éste alcanza su mínima presión. Por consiguiente, la tensión de vapor del líquido llega a ser inferior a la presión del vapor saturado, formando pues burbujas de vapor que colapsan (implosión) si a la salida del estrangulamiento la presión es superior a la presión de saturación del líquido.
Franc y Michel (2004) mencionan que el concepto de presión de vapor se considera mejor desde el punto de vista de la termodinámica clásica. En el diagrama de fases para el agua, por ejemplo, (figura 14), la curva desde el punto triple Tr hasta el punto crítico C separa los
reversible bajo condiciones estáticas (o de equilibrio), es decir, una evaporación o condensación del fluido a presión pv, conocida como presión de vapor. Esta es una función
de la temperatura T.
A raíz de esto, Franc y Michel (2004) mencionan que puede producirse la cavitación en un líquido al disminuir la presión a una temperatura aproximadamente constante, como suele ocurrir localmente en flujos reales. La cavitación aparece así similar a la ebullición, excepto que el mecanismo de accionamiento no es un cambio de temperatura sino un cambio de presión, generalmente controlado por la dinámica del flujo.
Franc y Michel (2004) mencionan que en la mayoría de los casos (con agua fría, en particular), solo se requiere una cantidad relativamente pequeña de calor para la formación de un volumen significativo de vapor. Por lo tanto, el líquido circundante (la fuente de calor para la vaporización) muestra solo un cambio de temperatura muy leve. El camino en el diagrama de fase es prácticamente isotérmico (ver figura 14).
Sin embargo, en algunos casos, la transferencia de calor necesaria para la vaporización es tal, que el cambio de fase se produce a una temperatura T’ inferior a la temperatura ambiente del líquido T. La diferencia de temperatura T-T’ se denomina retardo térmico en la cavitación; este retardo es mayor cuando la temperatura ambiente está más cerca de la temperatura crítica del fluido.
Desde un punto de vista puramente teórico, se pueden distinguir varios pasos durante los primeros instantes de cavitación: desglose o creación de vacíos, llenar este vacío con vapor, y una eventual saturación con vapor.
En realidad, esas fases son efectivamente simultáneas, siendo el segundo paso tan rápido que puede suponerse de forma justificada la saturación instantánea del vacío con vapor. Debe tenerse en cuenta que la curva pv (T) no es un límite absoluto entre los estados
líquido y de vapor. Las desviaciones de esta curva pueden existir en el caso de un cambio de fase rápido (Franc y Michel 2004).
Figura 15: Isoterma de Andrews.
FUENTE: Tomado de Franc y Michel 2004
Franc y Michel (2004) mencionan que incluso en condiciones casi estáticas, un cambio de fase puede ocurrir a una presión menor que pv. Por ejemplo, considere las llamadas
isotermas Andrews en el diagrama p - 𝜗, donde 𝜗= 1/ 𝜌 es el volumen específico y 𝜌 la densidad (figura 15). Tales curvas pueden aproximarse en los dominios de líquido y vapor por la ecuación de estado Van Der Waals. Se puede evitar la transformación de líquido a
vapor a lo largo de la ruta AM, siempre que se tenga especial cuidado al establecer dicho experimento. A lo largo de este camino, el líquido está en equilibrio metaestable e incluso puede resistir negativamente presiones absolutas, es decir, tensiones, sin ningún cambio de fase.
Cengel y Cimbala (2012) mencionan que las burbujas de vapor (llamadas burbujas de cavitación debido a que forman “cavidades” en el líquido) se desintegran conforme son barridas hacia fuera de las regiones de baja presión, con lo que se generan ondas de alta presión extremadamente destructivas. Este fenómeno es la causa común de la caída en el rendimiento en equipos e inclusive de la erosión de partes de dichos equipos como las aspas de un impulsor que es importante en el diseño de las turbinas y bombas hidráulicas. Según Cengel y Cimbala (2012), la cavitación debe evitarse (o al menos minimizarse) en los sistemas de flujo, porque reduce el rendimiento, genera vibraciones y ruido molestos, y daña al equipo. Las puntas de presión resultantes del gran número de burbujas que se desintegran cerca de la superficie sólida durante un periodo largo pueden causar erosión, picadura de la superficie, falla por fatiga y la destrucción eventual de los componentes o la maquinaria.
Moll et al. (2011) mencionan que, debido al costo de los experimentos, es de interés evaluar si mediante dinámica computacional de fluidos (CFD) se puede caracterizar el tipo de estructura que posee la zona de vaporización/colapso de las burbujas en diferentes dispositivos hidrodinámicos. Este tipo de flujo muestra una gran complejidad ya que deben tenerse en cuenta el estado bifásico y turbulento del flujo.
Long et al. (2017) mencionan que el número de cavitación (σ) es un número adimensional que se utiliza para describir el rendimiento básico del tubo Venturi; este puede ser cuantificado por la siguiente ecuación:
σ =𝑝𝑠𝑎𝑙1 − 𝑝𝑣 2 𝜌𝑙𝑣2
Donde:
𝑝𝑠𝑎𝑙 = presión de salida
𝑝𝑣 = presión de vapor
𝜌𝑙 = densidad del liquido
𝑣 = velocidad del flujo
Long et al. (2017) mencionan que, para evitar la cavitación, el coeficiente de cavitación σ debe mantenerse lo más alto posible. Por otro lado, un coeficiente de cavitación pequeño resulta en un gran rendimiento energético y mediciones pequeñas de la turbomáquina. Este efecto se puede visualizar en la figura 16 donde en una curva de rendimiento de un tubo Venturi a números de cavitación menores a uno se presenta el efecto de cavitación.
Manzano (2008) menciona que, en experiencias desarrolladas con caudalímetros Venturi el número de cavitación crítico (σ𝑐) para evitar la cavitación debe oscilar entre 1 y 1,5.
Figura 16: Curva de rendimiento del tubo Venturi. FUENTE: Tomado de Long et al. 2017