Cavitación: cuando el agua se pone fiestera

Secciones circulares que abarca diámetros variables, formas tubulares sexys e insinuantes acompañadas de válvulas que regulan la entrada y salida de fluidos, todo ello impulsado por las señoras bombas, o simplemente por viajes desde cotas altas a cotas más bajas. Todos hemos visto, oído o por lo menos sabemos que existen las redes de tuberías, grandes obras de ingeniería que nos hacen la vida mucho más fácil. Gracias a estos sistemas nos llega el agua al W.C. para realizar nuestras necesidades más básicas o el fontanero de turno se gana el pan para sus churumbeles. Estos sistemas suelen ser de aguas, aunque también tenemos redes de transporte de gases (gasoductos) y de petróleo (oleoductos) que hacen las delicias de los jeques y magnates del adorado oro líquido. Vamos a centrarnos en los sistemas de transporte de agua.

Una vez un respetable ingeniero ha diseñado una red de distribución de aguas, puede ocurrir que se den problemas en la explotación de la misma mientras el agua circula por las tuberías: uno de estos fallos es la cavitación, un fenómeno curioso que tiene lugar en el agua y que puede ser bastante puñetero.

La cavitación es un fenómeno que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido pasa a una gran velocidad por una arista, produciendo la descompresión del fluido. Es decir, al aumentar la velocidad del fluido la presión tenderá a caer bruscamente. Para entender mejor esto tendremos que hablar sobre una expresión fundamental en la mecánica de fluidos: el trinomio de Bernoulli, definido por la siguiente expresión:

Esta expresión es la que cumple el llamado principio de Bernoulli para un flujo laminar ideal, y quiere decir que la suma de los tres términos de energía que lleva el agua, o sea, la energía total del agua, es constante entre dos puntos. El término y representa la cota o altura de presión (altura respecto al nivel del mar) a la que está el fluido, la cual va a ser constante una vez diseñado el sistema. Sin embargo los otros dos términos de la expresión, proporcionales a la velocidad y presión, podrán variar al poder variar velocidad y presión. Vemos que para un aumento de la velocidad (ya que el valor de la energía total tiene que ser constante) la presión tendrá que reducirse. Por tanto, esta premisa tan básica es la que nos define el fundamento de la cavitación.

A continuación podéis ver un vídeo en el que se aprecia claramente el fenómeno. La línea verde y recta que hay en la parte superior representa la energía de la conducción, y lo que apreciamos es un funcionamiento normal. Pero en el minuto 1, segundo 15, el autor del vídeo le da a un botón y hace magia: aumenta la velocidad del fluido en grandes cantidades, el sistema no soporta la correspondiente caída de presión y a partir del minuto 1, segundo 25, se desatan las siete plagas de Egipto en forma de cavitación.

Una vez aclarado esto, huelga decir que el agua en su recorrido, en condiciones normales lleva una presión que es igual a la atmosférica (1 atmósfera de presión). Sin embargo, en los casos en que se produce la cavitación la presión se reduce tanto que alcanza la presión de vapor del liquido, que corresponde a valores de presiones negativas. Entonces las moléculas que componen el líquido van a pasar de estado líquido a estado gaseoso, formando unas burbujas dentro del agua, o más concretamente, cavidades, que dan el nombre al proceso.

Las burbujas vaporizadas al estar a menor presión que su entorno, se desplazan a su alrededor, donde las moléculas siguen en estado líquido, es decir, a mayor presión, por lo que al entrar en contacto unas con otras se producen implosiones, las burbujas se colapsan súbitamente, cuya consecuencia inmediata es que el agua próxima se acelere, formándose un microchorro que golpea las paredes de lo que pille a su alrededor, microchorro que erosiona los materiales.

Dejo aquí otro vídeo en el que explican los vórtices de burbujas cavitadoras. En el minuto 2, segundo 15 realizan un ensayo sobre una arenisca, y se ve perfectamente en qué consiste esta destructiva implosión de las burbujas de agua.

Este fenómeno suele afectar a las bombas hidráulicas, las válvulas de presión y las tuberías en general. En las dos primeras suele provocar ruidos, golpes como si hubiesen piedras por dentro chocando y vibraciones. En las tuberías el fenómeno más común es la corrosión interna de las paredes, que debilita la estructura de la conducción pudiendo incluso convertirla en un vehículo inseguro para el transporte de cualquier tipo de fluidos. Es decir, que puede atacar las capas protectoras del conducto, inhabilitándolas, así como provocar el fallo de la tubería. Los fallos en tuberías son bastante peligrosos y se pueden manifestar de diferentes maneras como pérdidas de orina agua, daños en edificios o instalaciones (las tuberías que pasen por los mismos) o contaminaciones por pérdida del fluido que transportan, por lo que hay que llevar mucho cuidado con esto ya que puede afectar a la flora, fauna y núcleos de población, y los señores de medioambientales nos la pueden liar a base de denuncias por chapuza ingenieril, y con razón.

Llegados a este punto, ¿cómo evitar que se produzcan estos fallos con el consecuente barullo judicial y sin tener que llamar a un fontanero que nos diga que le tienen que traer las piezas de Alemania? Muy sencillo, para evitar los fenómenos de cavitación hay que tener las siguientes consideraciones, tomándose todas ellas en el diseño de las conducciones, pues una vez proyectada la obra es muy difícil hacer frente a la cavitación:

• Eliminar los gases disueltos en el agua. Lógicamente, si no hay gases en el agua la tendencia a la formación de cavidades gaseosas será menor.
• Disminuir la velocidad del fluido. De esta manera no habrá tanta pérdida de presión y será más sencillo controlar la cavitación.
• Evitar cambios bruscos en el diámetro de las conducciones. Si nuestra conducción es lo más homogénea posible, además de mejorar el rendimiento se producirán menores pérdidas de energía, ya que es en cambios bruscos donde se tienden a formar las burbujas de agua. Hemos de tener en cuenta que la fórmula de la velocidad es V=Q/S; siendo Q el caudal de fluido y S la sección de la tubería. Por tanto una variación brusca de la seción afectará mucho a la velocidad, y por ende esta afectará a las presiones (recordemos el trinomio de Bernoulli).

En definitiva, la cavitación es un fenómeno que se puede controlar bien con un diseño apropiado del sistema de conducciones y bombeo, pero que si no se tiene en cuenta bien puede fastidiarnos todo, teniendo que recurrir a costosas reparaciones que nos darán un menor rendimiento económico y de lo que se trata aquí es todo lo contrario: con el menor presupuesto posible hacer la mejor obra que se pueda para que dure más años que nosotros mismos al menos, así podremos evitar engorrosos trámites burocráticos y viviremos una vida más tranquila, porque en caso contrario se nos puede caer hasta el pelo de las cejas. Aunque siempre el método más económico e infalible será el egipcíaco, contratar a 10 000 judíos a golpe de látigo de siete puntas y a reparar punto por punto las tuberías, que son dos días.

Pero eso es otra historia.

Referencias:
[1] Mecanica de Fluidos - Cavitación.
[2] Eliminación de cavitación en sistemas de producción.
[3] Aire en tuberías.