Universidade Estadual do Oeste do Paraná Parque Tecnológico Itaipu

Centro de Engenharia e Ciências Exatas Curso de Engenharia Mecânica

CavitaçãoEfeitos e Coeficiente

Foz do Iguaçu30 de Junho de 2014

SumárioIntrodução....................................................................................................................................3

Tipos de cavitação........................................................................................................................4

Cavitação em movimento (Traveling cavitation)......................................................................4

Cavitação fixa (Fixed cavitation)...............................................................................................4

Cavitação em vórtice (Vortex cavitation).................................................................................4

Cavitação vibratória (Vibratory cavitation)...............................................................................5

Erosão por Cavitação....................................................................................................................5

Técnicas utilizadas para estudo da erosão por cavitação.............................................................7

Discos Rotativos.......................................................................................................................8

Dispositivo Vibratório...............................................................................................................9

Túnel de Cavitação.................................................................................................................10

Parâmetros de Cavitação...........................................................................................................11

NPSH (Net Pressure Suction Head).........................................................................................11

NPSH disponível.................................................................................................................11

NPSH requerido..................................................................................................................11

Número de Thoma.................................................................................................................12

NPSH disponível versus NPSH requerido................................................................................13

Conclusão...................................................................................................................................15

Referências Bibliográficas..........................................................................................................16

Introdução

A cavitação é um fenômeno ocasionado por quedas repentinas de pressão,

geralmente observado em sistemas hidráulicos(bombas e turbinas). Em regiões onde a

pressão do líquido atinge valores inferiores à sua pressão de vapor, ocorre a formação

de bolhas que, ao retornarem rapidamente a regiões de elevada pressão sofrem uma

redução de volume, e liberavam energia (implosão). Este fenômeno é chamado

cavitação e a energia liberada no processo ocasiona ruídos e vibrações, podendo

causar também erosão dos componentes e dos sistemas de bombas e turbinas.

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Tipos de cavitação

Existem dois principais tipos de cavitação: a cavitação vaporosa e a cavitação gasosa. A

cavitação vaporosa é um processo de ebulição que acontece quando a bolha cresce

explosivamente, de forma ilimitada, mudando o líquido rapidamente para vapor. Essa

situação ocorre quando o nível de pressão cai abaixo da pressão de vapor do líquido. A

cavitação gasosa é um processo de difusão que ocorre quando a pressão cai abaixo da

pressão de saturação dos gases não condensáveis dissolvidos no líquido. Enquanto a

cavitação vaporosa é extremamente rápida, ocorrendo em microssegundos, a

cavitação gasosa é muito mais lenta, e o tempo que demora depende do grau de

convecção (circulação de fluidos) presentes.

Segundo Knapp (1970), são consideradas as características físicas para classificar os

tipos de cavitação nos seguintes grupos:

Cavitação em movimento (Traveling cavitation) Na cavitação em movimento, as três fases da cavitação: o início, o desenvolvimento e

o colapso ocorrem durante o movimento das bolhas no sentido do fluxo. Neste tipo de

cavitação as bolhas estão em movimento junto ao fluxo.

Cavitação fixa (Fixed cavitation)Na cavitação fixa, a formação das bolhas ocorre em torno de um corpo rígido

submerso. Em torno desta cavidade formada, as bolhas se movimentam no sentido do

fluxo. Este tipo de cavitação é associado à formação e o desprendimento de camada

limite em torno dos corpos submersos.

Cavitação em vórtice (Vortex cavitation)Na cavitação em vórtice, as bolhas são encontradas no núcleo dos vórtices ao qual são

formados em zonas de alto cisalhamento. A cavitação pode aparecer como cavitação

em movimento ou fixa. Este tipo de cavitação é um dos tipos mais antigos já

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observados, pois freqüentemente ocorre nas extremidades das pás das hélices de

navios. Este tipo de cavitação é muitas vezes conhecido como “tip cavitation”.

Cavitação vibratória (Vibratory cavitation) Na cavitação vibratória, o elemento líquido sofre vários ciclos de cavitação devido às

flutuações de pressão de alta amplitude e de alta frequência. Estas flutuações de

pressão são devidas às superfícies submersas que vibram perpendicularmente a sua

superfície e geram ondas de pressão no fluido.

De acordo com esta classificação geral pode-se observar que todos estes tipos de

cavitação estão presentes em turbinas e bombas. A cavitação em movimento e fixa são

encontradas quando o fluxo é obstruído numa direção, e assim, é desviado de sua

direção inicial. A cavitação em vórtice ocorre em zonas de interferência, por exemplo,

nos extremos das pás devido à existência de um gradiente de pressão paralela à

superfície guia e normal ao fluxo. No tubo de sucção também pode ocorrer cavitação

em vórtice.

Erosão por Cavitação

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Os componentes mecânicos de máquinas hidráulicas estão submetidos a uma

cavitação constante, no qual pode ocorrer falha mecânica devido ao desgaste por

erosão das superfícies sólidas, ou seja, há perda considerável de massa da superfície

que afeta o desempenho da máquina, podendo levar o componente à falha mecânica.

Esta degradação mecânica das superfícies metálicas provocada pela cavitação é

chamada de erosão por cavitação. O desgaste por erosão é consequência do colapso

de bolhas nas proximidades das superfícies sólidas das máquinas hidráulicas.

Considera-se, que a erosão por cavitação é provocada por dois mecanismos de

formação: ondas de choque e micro jatos. Quando o colapso da bolha ocorre de forma

simétrica, longe das superfícies sólidas, tem-se o mecanismo de ondas de choque que

é a emissão de energia de forma quase instantânea, proveniente do colapso das

bolhas de vapor de forma simétrica. As ondas de choque (colapso simétrico), são

consequência do colapso violento de milhares de bolhas de vapor que podem gerar

ondas de choque de até 1000 MPa (Gadag e Srinivasan, 1995). Este valor excede a

tensão limite de escoamento de vários materiais metálicos e quando estas ondas de

choque são direcionadas para uma determinada região onde há uma superfície sólida,

tem-se a erosão por cavitação. O mecanismo de micro jatos ocorre quando há uma

assimetria no colapso das bolhas, devido à proximidade com uma superfície sólida.

A corrosão por cavitação incide somente sob condições de cavitação vaporosa –

em que as ondas de choque e micro jatos podem corroer as superfícies do metal. Por

outro lado, a cavitação gasosa não causa erosão de material da superfície. Ela só cria

ruído, gera elevados níveis de temperatura - até a quebra das moléculas - e degrada a

composição química do fluido através da oxidação. O desgaste por cavitação também

é conhecido erosão de cavitação vaporosa, fadiga por cavitação, erosão de impacto

líquido e trefilação. No caso da água, a cavitação tem maiores efeitos para acima dos

45°C.

O grau da formação de cavitação é afetado por vários fatores, como: geometria

do rotor, distribuição da pressão no fluido, propriedades do fluido, entre outros. A

erosão por cavitação é dependente das propriedades dos materiais como dureza,

capacidade de encruamento, tamanho de grão, etc. Também a resistência mecânica e

a corrosão do material influem no desenvolvimento da erosão. Falhas como estas

causam grandes custos de manutenção e troca de componentes, além dos elevados

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tempos de parada de máquina, que podem ser evitados quando há um

monitoramento do equipamento para que não ocorra a cavitação.

A cavitação pode ser controlada por diversos métodos que variam desde o

melhoramento dos materiais empregados nos componentes do equipamento até o

uso de inibidores de formação de vapor no líquido.

Técnicas utilizadas para estudo da erosão por cavitaçãoEquipamentos para testes da erosão por cavitação são requeridos para se estudar o comportamento dos mais variados materiais metálicos, quando expostos ao fenômeno da cavitação. Diversos conceitos foram empregados no desenvolvimento dos equipamentos utilizados em escala de laboratório, porém nenhum destes consegue simular completamente um componente estrutural e real exposto à cavitação.

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Discos Rotativos Os discos rotativos são dispositivos submetidos a uma rotação constante, onde a cavitação é provocada por furos ou pinos montados no corpo do disco, que atuarão como indutores de cavitação. A erosão por cavitação ocorre na superfície deste disco em posição determinada experimentalmente, e nesta posição são colocados os corpos de prova a serem submetidos à erosão por cavitação. O disco rotativo está inserido dentro de uma câmara fechada, com circulação de água e acoplado a um motor elétrico que confere o movimento de rotação constante ao disco. A câmara possui chicanas para minimizar a tendência à rotação do líquido devido à rotação do disco.

A figura 1.1 mostra um esquema deste equipamento, o qual apresenta a grande vantagem de reproduzir em condições reais o escoamento em uma máquina de fluxo, como uma bomba ou turbina, por exemplo, já que o disco substituiu o rotor no experimento. Nos testes em discos rotativos os tempos de ensaio são de longa duração, oscilando de 5 a 80 horas, dependendo do material.

Também se concluiu neste trabalho que outros fatores como tempo de exposição e densidade do material influem no desenvolvimento da erosão por cavitação. Em outro experimento que foram utilizados corpo de prova de alumínio, cobre, bronze e aço inoxidável. Após determinados períodos de ensaio, os corpos de prova foram submetidos ao ensaio de dureza Vickers, onde se observou que os impactos causados pelos micro-jatos, durante a cavitação, provocam uma deformação plástica na superfície dos materiais ocasionando um encruamento superficial nestes corpos de prova. No caso do cobre e bronze foi constatado um encruamento de 52% e 86%, respectivamente. Foram realizados testes em outro tipo de equipamento de ensaio de erosão por cavitação com discos rotativos que foi montado na vertical. Nestes testes uma importante conclusão foi à influência das velocidades tangenciais nos desgaste por erosão dos corpos de prova.

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Figura 1.1

Dispositivo Vibratório Um dos equipamentos de testes mais utilizados para se estudar a erosão por cavitação é o dispositivo vibratório ultra-sônico, que consiste de um gerador ultra-sônico de vibração, onde um corpo de prova é submetido à vibração em alta frequência quando imerso em água. A vibração, geralmente numa frequência de 20 kHz, gera uma pressão negativa para o surgimento e crescimento das bolhas no líquido e uma pressão positiva propiciando o colapso destas bolhas na superfície do corpo de prova. A principal vantagem deste equipamento em relação aos outros é a sua fácil operação e o reduzido tempo de ensaio, porém, não representa condições reais de escoamentos cavitantes, em estruturas e máquinas hidráulicas, por exemplo. Os testes para este tipo de equipamento são normalizados pela ASTM G32.

A figura 1.2 mostra o esquema de um equipamento vibratório ultra-sônico utilizado para testes de erosão por cavitação. Basicamente, o equipamento é composto por um recipiente de água, um gerador ultra-sônico e um mandril vibratório. A ponta do mandril vibratório é de titânio e é posicionada a poucos milímetros da superfície do corpo de prova. Durante o teste de erosão por cavitação a alta frequência do mandril vibratório, provocada pelo gerador ultra-sônico, produz um campo de bolhas de cavitação na superfície do corpo de prova, originado pela flutuação da pressão. Como resultado, micro-jatos são formados no colapso das bolhas e estes incidem diretamente no corpo de prova, ocasionando a erosão.

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Figura 1.2

Túnel de Cavitação Um dos métodos mais modernos para avaliação da resistência à erosão por

cavitação de superfícies. Trata-se de um túnel de cavitação onde é instalada uma barreira móvel que restringe a passagem do fluido, induzindo a cavitação devido à queda de pressão causada por esta restrição, conforme a equação de Bernoulli. As condições do escoamento são definidos pelas pressões absolutas P1 e P2 que podem ser medidas na entrada e saída do túnel, respectivamente, e o coeficiente de cavitação (σ) é definido como sendo:

σ = (P1 – Pv)/(P1 – P2)

Corpos de provas são inseridos de forma sequencial neste equipamento. Desta forma, obtêm-se condições de cavitação diferenciadas, pois os corpos de provas estão em distâncias diferentes da barreira móvel e as pressões em cada corpo de prova também serão diferentes. Ao lado de cada corpo de prova é colocado um corpo de prova similar, porém de alta resistência mecânica, onde um transdutor piezoelétrico de pressão monitora os pulsos de pressão produzidos pela cavitação.

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Parâmetros de Cavitação

NPSH (Net Pressure Suction Head)É um parâmetro aplicado a bombas hidráulicas, que se baseia na medida da energia

para operar a instalação. Define-se a energia disponível pelo sistema como sendo a

diferença entre a energia total absoluta e a energia da pressão de vapor do líquido.

Esta energia é conhecida como NPSH (Net Positive Suction Head), a qual sua tradução

literal para o Português não expressa clara e tecnicamente o que significa na prática.

Ele é de vital importância para fabricantes e usuários de bombas o conhecimento do

comportamento desta variável, para que a bomba tenha um desempenho satisfatório.

Existem duas definições para o NPSH, são elas o NPSH disponível e o NPSH requerido.

NPSH disponívelO NPSH disponível é a uma característica da instalação hidráulica. É a energia que o

fluído possui, num ponto imediatamente anterior ao flange de sucção da bomba,

acima da sua pressão de vapor. Esta variável deve ser calculada por quem dimensionar

o sistema, utilizando-se de coeficientes tabelados e dados da instalação.

Os fatores que interferem diretamente o NPSH disponível são a altura estática de

sucção, o local de instalação, a temperatura de operação, o peso específico do líquido,

além do tipo de entrada, diâmetro, comprimento e acessórios na linha de sucção que

vão influenciar nas perdas de carga no trecho de linha entre o reservatório e a sucção

da bomba.

NPSH requeridoCada bomba, em função de seu tamanho, características construtivas, entre outros

fatores, necessita de uma determinada energia absoluta em seu flange de sucção, de

tal modo que a perda de carga que ocorrerá até à entrada do rotor não seja suficiente

para acarretar cavitação, quando operada naquelas condições de vazão. A esta energia

denominamos NPSH requerido.

Os fabricantes de bombas fornecem o NPSH requerido, através de uma curva NPSHREQ

x VAZÃO, para cada bomba de sua linha de fabricação, conforme padrão abaixo:

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Figura 1: Desenvolvimento da onda de choque (Koivula, 2000). 1700RPM

Esta curva é uma característica própria da bomba, sendo obtida

experimentalmente, através de testes de cavitação em bancadas do fabricante, com

água fria a 20oC.

Número de ThomaO Fator de Cavitação de Thoma (σ), ou “n característico adimensional para a

cavitação”, instituído em homenagem ao pesquisador Dieter Thoma, servem para

avaliação das condições operacionais. Por definição, o número de Thoma corresponde

à relação entre o NPSHr e a altura manométrica da instalação. Quanto maior o Fator

de Thoma, menor será a altura máxima de instalação da bomba em relação ao nível da

sucção para avaliação do fenômeno da cavitação.

O número de Thoma mede a resistência do escoamento à ocorrência da cavitação.

Quanto maior for σ menor será a possibilidade da ocorrência da cavitação. Assim, o

Coeficiente de Thoma pode ser considerado como uma medida da sensibilidade de

uma máquina à cavitação,

O número de Thoma pode ser obtido para bombas centrífugas em função da rotação

específica (nq), que pode ser obtida utilizando a Equação (2.1),

nq=n√Q

H34

De acordo com Macintyre (1983), o fator de cavitação depende da velocidade

específica da bomba e pode ser calculado utilizando a Equação (2.3), que foi

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determinada após um grande número de ensaios em bombas de projetos

convencionais,

σ=φ .nq43 (2.3)

A equação (2.3) pode ainda ser reescrita na seguinte forma:

σ=φ .( n√QH 34 )

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onde,

φ = 0,0011 - para bombas centrífugas;

φ = 0,0013 - para bombas helicoidais e hélico-axiais;

φ = 0,00145 - para bombas axiais.

Este método não é muito utilizado na prática, pois se obtém apenas um valor de

referência para o NPSHREQ. Consultando-se o fabricante da bomba, pode-se obter

indicações precisas do NPSHREQ.

Por definição, em muitas teorias, o número de Thoma é dado por:

σ=NPSH REQ

H(2.6)

NPSH disponível versus NPSH requeridoAntes da escolha da bomba que fará o trabalho desejado, tem-se sempre que calcular

o NPSH disponível na sucção com a finalidade de se escolher o equipamento adequado

à situação desejada.

O NPSH disponível sempre deverá ser maior do que o NPSH requerido, pois do

contrário tem-se a ocorrência do fenômeno da cavitação.

Graficamente, pode-se delimitar a faixa de vazão de operação de uma bomba,

plotando-se, em um mesmo gráfico, as curvas do NPSHREQ e a do NPSHDISP. À direita do

ponto de encontro das duas curvas observa-se a zona de cavitação.

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Figura 1: Representação do NPSH disponível e requerido

A margem de segurança visa garantir que não ocorrerá a vaporização do fluido no

interior da bomba. Segundo Jorge A. Villar Alé (2011), a margem utilizada é:

NPSHDISP – NPSHREQ≥1,5m

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ConclusãoA cavitação ocorre quando a pressão absoluta se torna menor que a pressão de vapor do

líquido, principalmente em locais próximos às pás e rotores de bombas e turbinas

hidráulicas. Seus efeitos irão depender do tempo a que o equipamento ficará exposto, da

sua intensidade, da resistência do material à erosão e das propriedades do líquido. Estes

efeitos podem comprometer a integridade de componentes e o rendimento das máquinas,

diminuindo sua vida útil. A erosão por cavitação deve ser prevenida, com correções de

projeto e condições adequadas para a operação. Assim, o NPSH se torna um fator

importante para saber o que se fazer em relação à corrosão na máquina.

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Referências Bibliográficas

http://www.feng.pucrs.br/lsfm/SistFlumec/Sistemas-Fluidomec/Apostila%20%202010.pdf

http://www.cesarnatal.com.br/bombas/npsh-e-cavitacao.html

http://www.dec.ufcg.edu.br/saneamento/Bomb06.html

http://www.repositorio.ufop.br/bitstream/123456789/3018/1/DISSERTA%C3%87%C3%83O_%20Observa%C3%A7%C3%A3oFen%C3%B4menoCavita%C3%A7%C3%A3o.PDF

http://www.tede.udesc.br/tde_busca/arquivo.php?codArquivo=1290

http://monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10009083.pdf

http://www.pump-zone.com/topics/pumps/centrifugal-pumps/suction-specific-speed-part-one

http://www.ebah.com.br/content/ABAAAA-OwAF/cavitacao-npsh

http://sites.poli.usp.br/d/pmr2481/Aula06-Cav.pdf

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