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Máquinas de Fluxo

NPSH

Autor: Eng.º Diogo Piszxzalka

Engenheiro Mecânico CREA-RS230982

Técnico em Gestão da qualidade

www.manufacturing.com.br

Sumário

1.0 O que é NPSH ......................................................................................................... 3

2.1 Ps - Pressão Exercida pela coluna de liquido acima da linha bomba. ..................... 4

2.2 Pa – Pressão exercida sobre a superfície do líquida no tanque. .............................. 5

2.3 P vp - Pressão de vapor do líquido na temperatura de bombeamento. ................... 5

2.4 Os – Perdas de carga na linha de sucção. ............................................................... 6

3.0 Como Resolver problemas de cavitação. ................................................................... 6

4.0 Causas da formação da Cavitação. ......................................................................... 8

4.1 Especificações de Cavitação. ................................................................................... 8

4.2 Colapso da Cavidade. ............................................................................................. 8

5.0 Referências................................................................................................................. 9

Lista de Figuras

Figura 1 - Sistema de Máquina Fluxo ................................................................................ 3

Figura 2 - Gráfico NPSHd x NPSHr .................................................................................... 4

Figura 3 - Temperatura x Pressão vapor H2O ................................................................... 5

Figura 4 - Imagens de Rotores bomba cavitada ................................................................ 9

1.0 O que é NPSH

As bombas trabalham criando zonas de baixa pressão na sua entrada o que permite com que a pressão atmosférica somada à pressão da coluna de líquido (cuja superfície está acima da linha da bomba) force o líquido para dentro da bomba.

Para entender o funcionamento das bombas o usuário precisa primeiramente entender o que é a pressão atmosférica e o papel que ela exerce no comportamento da bomba. Ao contrário do que muitos pensam, o ar que respiramos possuí um determinado peso. É como se todos nós habitantes do planeta terra vivêssemos submergidos no fundo de um “oceano” de ar. A força exercida pelo peso do ar o qual todos nós estamos sujeitos é conhecida como pressão atmosférica.

Mesmo com perfeitas condições de vácuo na entrada da bomba, a pressão atmosférica limita a altura a qual a bomba pode puxar um líquido. O fato é que existe um limite físico dentro do qual a bomba pode trabalhar puxando uma determinada coluna de líquido, e este limite é baseado na pressão externa à bomba. Este é o fator mais importante para se entender o conceito do NPSH.

NPSH é um acrônimo para o termo em língua inglesa Net Positive Suction Head, cuja tradução literal para o português (aproximadamente "balanço no topo de sucção positiva" ou "altura livre positiva de sucção”) não expressa de maneira clara e tecnicamente o que significa na prática, em engenharia, mas adota-se como tradução carga líquida positiva de sucção ou apenas carga positiva de sucção. É a energia (carga) medida em pressão absoluta disponível na entrada de sucção de uma bomba hidráulica.

Figura 1 - Sistema de Máquina Fluxo

2.0 NPSH disponível e NPSH requerido.

O conceito de NPSH pode ser compreendido em duas partes:

NPSH disponível (NPSHd): pressão absoluta exercida pelo sistema na entrada da bomba. O NPSHd é influenciado por quatro variáveis resultantes do sistema no qual a bomba irá operar. Estas quatro variáveis estão sob controle dos engenheiros, e, portanto, devem ser calculadas.

NPSH requerido (NPSHr): pressão mínima exigida na entrada da bomba para evitar a cavitação. O NPSHr é resultante do projeto da bomba, e é controlado apenas pelo fabricante. O fabricante da bomba deverá saber informar o NPSH requerido por suas bombas operando em determinadas condições.

Todas as bombas que trabalham livre de cavitação respeitam a seguinte regra:

NPSHd > NPSHr

Nenhum engenheiro quer ser responsável pela instalação de uma bomba que opere com ruído, vazão reduzida, e vida útil abaixo do esperado. Para assegurar uma operação silenciosa e livre de cavitação, os engenheiros devem se certificar que o NPSH do seu sistema (NPSHd) é maior que o NPSH requerido pela bomba (NPSH r). Quando o usuário enfrentar problemas de ruído e vibração excessiva, o primeiro passo é verificar o cumprimento da regra acima.

Figura 2 - Gráfico NPSHd x NPSHr

Como já sabemos que o NPSH requerido (NPSHr) é dado em função do fabricante da bomba, então para definirmos o NPSH disponível (NPSHd) utilizaremos a equação abaixo para definição dos valores.

NPSHd = Ps + Pa – Pvp – Pf

2.1 Ps - Pressão Exercida pela coluna de liquido acima da linha bomba.

Pode ser positiva nos casos em que o tanque se encontra acima da linha da bomba, ou negativa nos casos em que o tanque se encontra abaixo da linha da bomba. Para aumentar a pressão da coluna de líquido basta elevar a altura do tanque de sucção, baixar o nível da bomba, ou aumentar o nível de líquido do tanque. Alterar a altura do tanque ou da bomba podem se tornar economicamente inviáveis, no entanto,

aumentar o nível de líquido do tanque não resulta em nenhum custo adicional para a empresa e pode ser suficiente para resolver a maioria dos problemas de baixo NPSH d.

Obs. Esta pressão é dada em mca (metros de coluna de água). 1 mca = 9,8Kpa

2.2 Pa – Pressão exercida sobre a superfície do líquida no tanque.

Os tanques abertos (grande maioria dos casos) estarão sujeitos à pressão atmosférica do local, mas a pressão poderá ser maior no caso de um tanque pressurizado. A altitude do local também afeta a pressão atmosférica. Por exemplo, uma região litorânea terá uma pressão atmosférica maior do que uma região montanhosa. Como o Brasil não possuí uma geografia com variações de altitudes significativas, este não é um fator levado em consideração.

Obs. 1 atm (atmosfera) = 10,34 mca (metro de coluna água)

2.3 P vp - Pressão de vapor do líquido na temperatura de bombeamento.

Pode ser reduzida para assegurar que a pressão na entrada da bomba seja maior que a pressão vapor do líquido. A única maneira de reduzir a pressão de vapor de um líquido é diminuindo a sua temperatura. Na absoluta maioria dos casos isto é inviável e poderá ser ignorado.

Figura 3 - Temperatura x Pressão vapor H2O

2.4 Pf – Perdas de carga na linha de sucção.

Tubulações, conexões e válvulas na linha de sucção atuam como barreiras que trabalham contra a passagem do líquido em direção à bomba. A maioria das tubulações que visitamos em instalações pelo Brasil são configuradas em condições não ideais. Portanto, esta é uma área que quase sempre pode ser melhorada nas instalações.

A melhor maneira de se reduzir perdas de carga na linha de sucção é aumentando o diâmetro da tubulação. Por exemplo, substituindo-se uma tubulação de 6 (seis) polegadas de diâmetro por uma tubulação com 8 (oito) polegadas de diâmetro, pode-se reduzir uma perda de carga em até 75%.

O usuário pode diminuir a perda de carga numa linha com mesmo diâmetro através do uso de cotovelos alongados e reduzindo o número de válvulas. Os usos de filtros podem aumentar a perda de carga a níveis inaceitáveis. Nestes casos deve-se optar por filtros duplos, que permitem manobra para o filtro limpo quando o filtro em operação atingir saturação máxima.

3.0 Como Resolver problemas de cavitação.

Nos casos de vibração e ruído excessivo o usuário de bomba deve evitar tirar conclusões precipitadas. Primeiramente ele deve verificar se o seu problema é realmente a cavitação.

Se de fato o usuário enfrenta um problema de cavitação, o mais sensato é procurar aumentar as duas primeiras variáveis ou reduzir as duas últimas:

NPSH d = Ps↑ + Pa↑ – Pvp↓ – Pf↓

Ps – Pressão Coluna de líquido.

Pa – Pressão Atmosférica.

P vp – Pressão vapor na temperatura bombeamento.

Pf – Perdas de carga linha sucção.

A solução mais simples e econômica para o problema de cavitação é aumentar o nível de líquido do tanque de sucção. Esta solução se torna inviável se a fonte de sucção for um lago. No entanto, aumentar o nível da fonte de sucção pode ser uma solução prática e econômica na grande maioria dos casos.

NPSH d = Ps ↑ + Pa – Pvp – Pf

Ps – Pressão Coluna de líquido.

Pa – Pressão Atmosférica.

P vp – Pressão vapor na temperatura bombeamento.

Pf – Perdas de carga linha sucção.

Normalmente a cavitação é confundida com a recirculação, e a entrada de ar. Se o problema for de recirculação ou entrada de ar, o aumento de NPSH não resolverá o problema.

O fato é que diagnosticar o problema de NPSH é a parte simples; já resolvê-lo de forma econômica, nem sempre é tão simples assim.

As decisões tomadas na instalação da tubulação periférica à bomba, bem como a escolha do equipamento, terão impacto significativo no custo do processo no longo prazo.

Veja a seguir uma tabela dos fatores que podem ser ajustados para o aumento do NPSHd, e consequentemente a eliminação do problema de cavitação:

Tabela 1 - Fatores para Perda Carga.

Nos casos em que modificações para aumentar o NPSH disponível do sistema não sejam possíveis, consulte o fabricante para averiguar a possibilidade do uso de um modelo de bomba maior. A utilização de um modelo maior com rotações mais reduzidas pode prevenir a cavitação.

Entender o conceito de NPSH pode ser bastante útil para o usuário evitar ruído excessivo e desgastes prematuros em bombas. Succionar líquidos de tanques subterrâneos, bombear líquidos altamente viscosos por longas distancias, ou líquidos altamente voláteis como gás ou álcool são alguns exemplos de aplicações que podem impor risco máximo para o técnico que não entende o conceito de NPSH.

4.0 Causas da formação da Cavitação.

A melhor indicação de que a cavitação está ocorrendo é o ruído. O colapso

simultâneo das cavidades causa vibrações de alta amplitude e são transmitidas por todo

o sistema provocando ruídos estridentes gerados na bomba. Durante a cavitação ocorre

também uma diminuição na taxa de fluxo da bomba, porque as câmaras da bomba não

ficam completamente cheias de líquido e a pressão do sistema se desequilibra. As

cavidades formam-se no interior do líquido porque o líquido evapora. A evaporação,

nesse caso, não é causada por aquecimento, mas ocorre porque o líquido alcançou uma

pressão atmosférica absoluta muito baixa.

Causas:

Dimensionamento incorreto da tubulação de sucção;

Filtro ou linha de sucção obstruída; Reservatórios "despressurizados";

Filtro de ar obstruído ou dimensionamento incorreto;

Óleo hidráulico de baixa qualidade;

Procedimentos incorretos na partida a frio;

Óleo de alta viscosidade;

Excessiva rotação da bomba;

Conexão de entrada da bomba muito alta em relação ao nível de óleo no

reservatório.

4.1 Especificações de Cavitação.

A cavitação é muito prejudicial tanto para a bomba como para o sistema. Por essa razão os fabricantes especificam as limitações dos seus produtos.

Os fabricantes de bombas de deslocamento positivo geralmente especificam a pressão menor que a atmosférica, que deve ocorrer à entrada da bomba para encher o mecanismo de bombeamento. Contudo, as especificações para essas pressões não são dadas em termos da escala de pressão absoluta, mas em termos da escala de pressão do vácuo.

4.2 Colapso da Cavidade.

Conforme as cavidades são expostas à alta pressão na saída da bomba, as

paredes das cavidades se rompem e geram toneladas de força por centímetro quadrado.

O desprendimento da energia gerada pelo colapso das cavidades desgasta as

superfícies do metal. Se a cavitação continuar, a vida da bomba será bastante reduzida

e os cavacos desta migrarão para as outras áreas do sistema, prejudicando os outros

componentes.

Figura 4 - Imagens de Rotores bomba cavitada

5.0 Referências.

https://www.rzrbombas.com.br/suporte/entenda-o-que-e-npsh-e-como-evitar-a-cavitacao/

http://www.tetralon.com.br/ruido-estranho-na-bomba-pode-ser-cavitacao/

MECANICA DOS FLUIDOS, 6ª ed, Porto Alegre, Framk M. White, 2011

ELEMENTOS DE MAQUINAS DE SHIGLEY, 10ª ed, São Paulo, 2016