Cavitación hidrodinámica: presión, cavidades y exposición
Qué se produce en el líquido
La cavitación hidrodinámica, HC, aparece cuando el movimiento del líquido genera regiones de presión suficientemente baja para favorecer la formación y crecimiento de cavidades. Su evolución posterior depende de la recuperación de presión y de la historia del flujo. El interés de ingeniería reside en los efectos locales y en cómo modifican transporte, dispersión o transformación, no simplemente en que el circuito tenga una bomba potente.
Una cavidad no es sinónimo de burbuja de aire. Puede contener vapor y gas no condensable en proporciones variables; una burbuja introducida por aireación tiene otra historia de formación y puede persistir cuando cambia la presión. Ambas poblaciones pueden interactuar, pero fotografiar burbujas a la salida de un Venturi no demuestra por sí solo cavitación ni intensidad de colapso. Esta separación conceptual evita atribuir toda la respuesta de un sistema gas-líquido a un único fenómeno.
En el método comercial propietario T1, la HC se trata como una operación cuya contribución debe identificarse bajo una geometría y una condición hidráulica determinadas. El número de vueltas expresa exposición acumulada al circuito; no mide directamente el número de colapsos ni su distribución espacial.
Caudal y presión: variables relacionadas, no intercambiables
El caudal Qr informa del volumen que atraviesa el dispositivo por unidad de tiempo. La caída de presión delta_p representa una diferencia entre puntos de medida. Ninguna de las dos magnitudes, aislada, determina el mínimo local de presión. Una geometría puede concentrar aceleración en una garganta; otra distribuirla mediante un campo vortical. Por ello, deben identificarse las tomas, la contrapresión y el tipo de lectura: absoluta o manométrica.
Una expresión habitual para ordenar condiciones es el número de cavitación:
sigma = (p_ref_absoluta - p_vapor) / (0.5 * rho * u_ref^2)
La densidad rho está en kg/m3, la velocidad u_ref en m/s y ambas presiones en Pa; el cociente es adimensional. Su valor solo resulta comparable si se conserva la definición de presión y velocidad de referencia. No existe aquí un umbral universal que certifique el régimen de cualquier dispositivo T1. Utilizar presión manométrica sin convertirla a absoluta puede incluso cambiar indebidamente el signo del numerador.
En un conducto de sección conocida, u_media = Qr/A, con unidades coherentes. Es una velocidad media, no el máximo local ni la velocidad de una cavidad. El régimen de flujo depende además de geometría y propiedades del líquido. Los registros de caudal y presión deben acompañar a cada serie analítica, porque obstrucción, acumulación de gas o cambios de válvulas pueden alterar la exposición real sin cambiar el tiempo programado.
Vapor, gas, temperatura y viscosidad
La presión de vapor depende de la temperatura. Al calentarse el líquido, cambia la condición termodinámica de formación de vapor, pero también pueden cambiar la cantidad de vapor en la cavidad y la dinámica de su colapso. No se deduce una mejora monótona del tratamiento por el solo hecho de aumentar temperatura. El calentamiento durante recirculación es una variable experimental que debe registrarse, no un detalle que pueda omitirse por trabajar con el mismo volumen.
El gas no condensable participa en la nucleación y modifica compresibilidad y evolución de cavidades. Más gas puede facilitar ciertas interacciones y amortiguar otras; una observación de mayor volumen gaseoso no decide cuál domina. La viscosidad afecta el flujo y la disipación, y puede variar con temperatura y composición. Por eso un ajuste obtenido en agua con un compuesto modelo no caracteriza automáticamente una suspensión concentrada o un líquido con tensioactivos.
Sarvothaman, Nagarajan y Ranade estudiaron presión, temperatura, aireación y escala con contaminantes modelo y dispositivos vortex. Encontraron dependencia del factor por pasada respecto de condiciones y compuesto. Su trabajo aporta una base experimental para seleccionar variables de contraste, no valores universales del reactor T1. Estudio primario, 2018.
Tamaño y distribución: evitar un criterio único
El tamaño de una cavidad es una variable dinámica: cambia durante formación, crecimiento y colapso. Además, una imagen registra una distribución condicionada por posición, instante, iluminación y resolución. No debe confundirse el diámetro observado de burbujas persistentes con el tamaño inicial que emplea un modelo de dinámica de cavidades.
La afirmación «más pequeño es siempre mejor» mezcla objetivos diferentes. Mayor superficie interfacial puede favorecer transferencia, pero no determina por sí sola intensidad de colapso, tiempo de residencia ni rendimiento químico. Dos dispositivos con igual diámetro medio pueden tener distribuciones, fracción gaseosa y trayectorias distintas. Una descripción útil declara qué población se mide y con qué técnica, y conserva la distribución en lugar de reducir toda la interpretación a un promedio.
El modelo de Sarvothaman, Simpson y Ranade integra rendimiento por pasada, cálculo de flujo y dinámica de cavidades, contrastado con acetona en agua. Es un antecedente para conectar escalas de descripción; no identifica la distribución de cavidades de T1. Modelo publicado en volumen de 2019, disponible en línea en 2018.
Ejemplo sintético 1: potencia hidráulica
La potencia transmitida al flujo a través de una caída de presión se obtiene mediante:
P_hidraulica = Qr * delta_p
P_entrada_estimada = Qr * delta_p / eta
Con Qr en m3/s y delta_p en Pa, el resultado es W. Considérese un circuito hipotético de 15 m3/h, caída total de 280000 Pa y eficiencia global supuesta de 0,65 entre entrada eléctrica y potencia hidráulica:
Qr = 15 / 3600 = 0.0041667 m3/s
P_hidraulica = 0.0041667 * 280000 = 1166.7 W
P_entrada_estimada = 1166.7 / 0.65 = 1794.9 W
No son potencias medidas de T1. Si 280 kPa representa solo el dispositivo, faltan las pérdidas del resto del circuito para estimar la entrada de la bomba. Si la eficiencia es únicamente hidráulica de bomba, faltan motor y accionamiento. La frontera y la definición de eficiencia son parte del cálculo, no notas opcionales.
Ejemplo sintético 2: igual potencia, distinta condición
Un segundo circuito hipotético opera a 30 m3/h y 140 kPa. También entrega aproximadamente 1,167 kW al flujo. No puede concluirse que produce la misma cavitación: duplica caudal, reduce caída de presión y puede presentar otra distribución de velocidades y mínimos de presión.
En un tanque de 5 m3, una hora representaría tres volúmenes recirculados en el primer caso y seis en el segundo. La igualdad de potencia no iguala exposición, y la mayor exposición no demuestra mayor transformación. Este ejemplo ofrece una pregunta experimental concreta: ¿qué resultado permanece al igualar separadamente carga hidráulica, duración y número medio de visitas? No propone una fórmula alternativa para el motor.
Qué aporta la evidencia de escala
El estudio de Ranade, Sarvothaman y colaboradores sobre dispositivos vortex comparó gargantas de 3, 6, 12 y 38 mm, con caudales de 1,3 a 247 L/min y caída de presión de 280 kPa, para 2,4-dicloroanilina en agua. El rendimiento por pasada disminuyó con escala y tendió a estabilizarse. Es evidencia específica, no una ley general de toda HC. Estudio de escalado, volumen 2021; publicación en línea 2020.
Los caudales nominales de 15, 30 y 60 m3/h utilizados para módulos T1 equivalen a 250, 500 y 1000 L/min. Son datos nominales de diseño, no mediciones de esta exposición. La proximidad de 250 a 247 L/min no establece equivalencia; tampoco permite trasladar el ensayo hasta 1000 L/min. Geometría, matriz, gas, temperatura y definición de pasada siguen siendo determinantes. Esta comparación delimita el antecedente sin repetir el capítulo general de escalado.
Mini-protocolo 3: comprobar la contribución hidráulica
Se propone comparar un control de circulación y una condición de HC técnicamente caracterizada sobre un mismo lote homogeneizado. Se documentan caudal real, presiones absolutas pertinentes, temperatura, gas aspirado y configuración. Si cambiar la condición cavitante altera mezcla o calentamiento, esas diferencias se cuantifican: el control deja de aislar un solo factor si se ignoran.
El muestreo distingue muestra total y fracción separada. Una disminución del tamaño de partícula puede cambiar turbidez, filtrabilidad o DQO soluble sin mineralizar materia. Por eso la interpretación se apoya en balances y análisis pertinentes, no solamente en apariencia. Se registran también depósitos y estado del dispositivo, para no atribuir una deriva hidráulica a agotamiento químico.
La recomendación inferida es conservar una ficha hidráulica junto a cada muestra. Las preguntas comprobables son si la respuesta persiste a temperatura comparable, si cambia al modificar gas manteniendo la hidráulica caracterizada y si el efecto se encuentra en transformación o separación. Ni las burbujas observadas ni una corrección de pH actualizan automáticamente los coeficientes T1; aportan variables para contrastarlos.