MÁQUINAS HIDRÁULICAS

Cavitação

Nesta unidade, apresentamos o fenômeno de cavitação observado em instalações de bombeamento. Para que possamos compreender o fenômeno de cavitação, consideramos um trecho de uma dada instalação de bombeamento representado pela figura 7.2, onde calculamos a pressão na entrada da bomba.

                                                                                                                     

Aplicando a equação da energia de (0) a (e),temos:                                                  

                                                                                                          Através da temperatura de escoamento do fluido, com auxílio de um manual de termodinâmica, podemos determinar a pressão de vapor - pvapor (tensão de vapor), que representa a pressão que para a temperatura de escoamento, teríamos a mudança de líquido para vapor em um processo isobárico. Se a peabs (pe + patm local ) for menor ou igual a pvapor, temos o fenômeno de evaporação à temperatura de escoamento, que é denominado de cavitação.Notas: 1 → O fenômeno de cavitação observado na entrada da bomba (peabs  < pvapor) é denominado geralmente de supercavitação e é considerado um erro grosseiro do projetista.

Ao considerar as figuras 7.3.a e 7.3.b, verificamos que a bolha de vapor ao ser lançada na direção do difusor da bomba, onde a energia total é maior e a pressão maior que a pressão atmosfera, esta irá sofrer a condensação repentina com grande liberação de energia, ocorrendo a penetração do fluido nos espaços vazios do material (função do tamanho dos grãos) do rotor, podendo promover o "arrancamento” de grãos.

2 → A pressão na entrada da bomba não representa o ponto de menor pressão do escoamento, este ocorre no interior do corpo da bomba, o que equivale a dizer que o fato de não ocorrer o fenômeno de cavitação na entrada da bomba não garante que o mesmo não ocorra em seu interior.

Nota: (1) – carcaça da bomba e (2) é o seu rotor.

O fenômeno de cavitação, geralmente propicia os seguintes problemas:

1º → erosão 2º → vibrações

3º → diminuição do rendimento 4o → diminuição do tempo vida da bomba ...

As figuras 7.4 e 7.5 mostram rotores de turbina e de bomba, respectivamente, que foram submetidos ao fenômeno de cavitação durante um dado período

Pelo fato do fenômeno de cavitação poder comprometer todo o projeto de uma instalação de bombeamento alguns cuidados preliminares devem ser tomados para evitá-lo, cuidados estes baseados na equação 7.6, onde objetiva-se trazer a pe o mais perto possível da patm, ou até mesmo superior a ela.

Os cuidados adotados para procurar-se evitar o fenômeno de cavitação são: 1º → a bomba deve ser instalada o mais perto possível do nível de captação com a finalidade de diminuir Ze, ou, se possível, a bomba deve ser instalada abaixo do nível de captação (bomba “afogada”) com isto Ze< 0 . 2º → a tubulação de sucção deve ser a menor possível com a finalidade de diminuir a Hpsucção. 3º → na tubulação de sucção devem ser usados os acessórios estritamente necessários com a finalidade de diminuir a Hpsucção.4º → o diâmetro de sucção deve ser um diâmetro superior ao diâmetro de recalque com a finalidade, tanto de diminuir a carga cinética de entrada da bomba, quanto diminuir Hpsucção.  5º → o ponto de trabalho da bomba deve estar o mais próximo do ponto de rendimento máximo.

7.9 Verificação do Fenômeno de Cavitação

Como mencionado no item anterior a condição de peabs  > pvapor não é suficiente para garantir a não existência fenômeno de cavitação. Por este motivo, introduzi-se um novo parâmetro denominado de N P S H ® Net Positive Suction Head, ou A P L S ® Altura Positiva Líquida de Sucção, ou Altura de Sucção Absoluta; e que representa a disponibilidade de energia que o líquido penetra na boca de entrada da bomba e que lhe permitirá atingir o bordo da pá do rotor.  Existem dois NPSH, um fornecido pelo fabricante que é denominado de NPSHrequerido e o calculado pelo projetista que é o NPSHdisponível. Para a verificação do fenômeno, devemos lembrar que: 1º → O NPSH da figura 7.6 representa o NPSHrequerido 2º → A equação 7.7 possibilita o calculo do NPSHdisponível, onde a condição necessária e suficiente para que não ocorra o fenômeno de cavitação é: NPSHdisponível   >  NPSHrequerido, ou reserva contra a cavitação.

onde: Z0 → obtido com o PHR adotado no eixo da bomba: Vs → velocidade média de sucção obtida com a vazão do ponto de trabalho

Existem fórmulas especificas dos fabricantes para a determinação do NPSHrequerido para exemplificar este fato fornecemos a fórmula comumente utilizada pela Sulzer:

→ Mencionamos a seguir alguns materiais que na ordem crescente resistem ao fenômeno de cavitação: FºFº → Alumínio → bronze → aço fundido → aço doce laminado → bronze fosforoso → bronze manganês → aço-cromo → ligas de aço inoxidável especiais. → Atualmente recorre-se a elastômeros (neoprene, poliuretano), que são aplicados na forma líquida, aderindo ao metal e aumentando sua resistência a cavitação. Alguns podem, até ser usados na recuperação de rotores cavitados, outro método é através da solda elétrica e em seguida esmerilha-se o rotor.

Nota: Existem situações onde não temos o NPSHrequerido, que é um parâmetro fundamental para verificarmos o fenômeno de cavitação, nestas situações pode-se recorrer ao fator de cavitação , que também é denominado de fator de cavitação de Thoma (Homenagem ao pesquisador Dieter Thoma) - s ou q - e através dele determina-se o , já que:

O fator de cavitação de Thoma pode-se ser determinado em função da rotação específica  (um excelente parâmetro para se especificar o tipo de rotor que propicia um bom rendimento, para tal consulte o livro Bombas e Instalações de Bombeamento – página 171 a 183):

Com a rotação específica na figura 7.7 (gráfico de Stepanof  - livro Bombas e Instalações de Bombeamento – página193 ), obtemos o fator de cavitação de Thoma e com ele podemos determinar o NPSHrequerido pela equação 7.8.

NPSH e Cavitação

1. DEFINIÇÃO: A sigla NPSH, vem da expressão Net Positive Suction Head, a qual sua tradução literal para o Português não expressa clara e tecnicamente o que significa na prática. No entanto, é de vital importância para fabricantes e usuários de bombas o conhecimento do comportamento desta variável, para que a bomba tenha um desempenho satisfatório, principalmente em sistemas onde coexistam as duas situações descritas abaixo:

Bomba trabalhando no inicio da faixa, com baixa pressão e alta vazão;Existência de altura negativa de sucção;

Quanto maior for a vazão da bomba e a altura de sucção negativa, maior será a possibilidade da bomba cavitar em função do NPSH. Em termos técnicos, o NPSH define-se como a altura total de sucção referida a pressão atmosférica local existente no centro da conexão de sucção, menos a pressão de vapor do líquido.

NPSH = (Ho - h - hs - R) - Hv Onde: Ho = Pressão atmosférica local , em mca (tabela 1);h = Altura de sucção, em metros (dado da instalação);hs = Perdas de carga no escoamento pela tubulação de sucção, em metros; R = Perdas de carga no escoamento interno da bomba, em metros (dados do fabricante);Hv = Pressão de vapor do fluído escoado, em metros (tabela 2);Para que o NPSH proporcione uma sucção satisfatória à bomba, é necessário que a pressão em qualquer ponto da linha nunca venha reduzir-se à pressão de vapor do fluído bombeado. Isto é evitado tomando-se providências na instalação de sucção para que a pressão realmente útil para a movimentação do fluído, seja sempre maior que a soma das perdas de carga na tubulação com a altura de sucção, mais as perdas internas na bomba, portanto:

Ho - Hv > hs + h + R

2. NPSH DA BOMBA E NPSH DA INSTALAÇÃO:

Para que se possa estabelecer, comparar e alterar os dados da instalação, se necessário, é usual desmembrar-se os termos da fórmula anterior, a fim de obter-se os dois valores característicos (instalação e bomba), sendo: Ho - Hv - h - hs = NPSHd (disponível), que é 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;

R = NPSHr (requerido), é uma característica da bomba, determinada em seu projeto de fábrica, através de cálculos e ensaios de laboratório. Tecnicamente, é a energia necessária para vencer as perdas de carga entre a conexão de sucção da bomba e as pás do rotor, bem como criar a velocidade desejada no fluído nestas pás. Este dado deve ser obrigatoriamente fornecido pelo fabricante através das curvas características das bombas (curva de NPSH);

Assim, para uma boa performance da bomba, deve-se sempre garantir a seguinte situação: NPSHd > NPSHr

3. EXEMPLO:

Suponhamos que uma bomba de modelo hipotético Ex.1 seja colocada para operar com 35 mca de AMT, vazão de 32,5 m3 /h, altura de sucção de 2,5 metros e perda por atrito na sucção de 1,6 mca. A altura em relação ao nível do mar onde a mesma será instalada é de aproximadamente 600 metros, e a temperatura da água é de 30ºC, verificaremos:

A. VERIFICAÇÃO DO NPSHr:

Conforme curva característica do exemplo citado, para os dados de altura (mca) e vazão (m³/h) indicados, o NPSHr da bomba é 4,75 mca, confira:

B. CÁLCULO DO NPSHd:

Sabendo-se que:

NPSHd = Ho - Hv - h - hs Onde: Ho=9,58(tabela1)

Hv = 0,433 (tabela 2) h = 2,5 metros (altura sucção)

hs = 1,60 metros (perda calculada para o atrito na sucção)

Temos que:

NPSHd = 9,58 - 0,433 - 2,5 - 1,60 NPSHd = 5,04 mca

Analisando-se a curva característica abaixo, temos um NPSHr de 4,95 mca.

Portanto: 5,04 > 4,95

Então NPSHd > NPSHr

A bomba nestas condições funcionará normalmente, porém, deve-se evitar:

1. Aumento da vazão;2. Aumento do nível dinâmico da captação;3. Aumento da temperatura da água.

Havendo alteração destas variáveis, o NPSHd poderá igualar-se ou adquirir valores inferiores ao NPSHr , ocorrendo assim a cavitação

4. CAVITAÇÃO: Quando a condição NPSHd > NPSHr não é garantida pelo sistema, ocorre o fenômeno denominado cavitação. Este fenômeno dá-se quando a pressão do fluído na linha de sucção adquire valores inferiores ao da pressão de vapor do mesmo, formando-se bolhas de ar, isto é, a rarefação do fluído (quebra da coluna de água) causada pelo deslocamento das pás do rotor, natureza do escoamento e/ou pelo próprio movimento de impulsão do fluído. Estas bolhas de ar são arrastadas pelo fluxo e condensam-se voltando ao estado líquido bruscamente quando passam pelo interior do rotor e alcançam zonas de alta pressão. No momento desta troca de estado, o fluído já está em alta velocidade dentro do rotor, o que provoca ondas de pressão de tal intensidade que superam a resistência à tração do material do rotor, podendo arrancar partículas do corpo, das pás e das paredes da bomba, inutilizando-a com pouco tempo de uso, por conseqüente queda de rendimento da mesma. O ruído de uma bomba cavitando é diferente do ruído de operação normal da mesma, pois dá a impressão de que ela está bombeando areia, pedregulhos ou outro material que cause impacto. Na verdade, são as bolhas de ar "implodindo" dentro do rotor.

A. Reduzir-se a altura de sucção e o comprimento desta tubulação, aproximando-se ao máximo a bomba da captação;B. Reduzir-se as perdas de carga na sucção, com o aumento do diâmetro dos tubos e conexões; C. Refazer todo o cálculo do sistema e a verificação do modelo da bomba;D. Quando possível, sem prejudicar a vazão e/ou a pressão final requeridas no sistema, pode-se eliminar a cavitação trabalhando-se com registro na saída da bomba "estrangulado", ou, alterando-se o(s) diâmetro(s) do(s) rotor(es) da bomba. Estas porém são providências que só devem ser adotadas em último caso, pois podem alterar substancialmente o rendimento hidráulico do conjunto.

Para evitar-se a cavitação de uma bomba, dependendo da situação, deve-se adotar as seguintes providências:

5. CONCLUSÃO:

A Pressão Atmosférica é a responsável pela entrada do fluído na sucção da bomba. Quando a altura de sucção for superior a 8 metros (ao nível do mar), a Pressão Atmosférica deixa de fazer efeito sobre a lâmina d'água restando tecnicamente, nestes casos, , o uso de outro tipo de bomba centrífuga, as Injetoras, como veremos nos exemplos seguintes.

VI. 2.4. Cavitação VI. 2.4.1. Descrição do fenômeno Como qualquer outro líquido, a água também tem a propriedade de vaporizar-se em determinadas condições de temperatura e pressão. E assim sendo temos, por exemplo, entra em ebulição sob a pressão atmosférica local a uma determinada temperatura, por exemplo, a nível do mar (pressão atmosférica normal) a ebulição acontece a 100oC. A medida que a pressão diminui a temperatura de ebulição também se reduz. Por exemplo, quanto maior a altitude do local menor será a temperatura de ebulição (V. Tabela 4). Em consequência desta propriedade pode ocorrer o fenômeno da cavitação nos escoamentos hidráulicos. Chama-se de cavitação o fenômeno que decorre, nos casos em estudo, da ebulição da água no interior dos condutos, quando as condições de pressão caem a valores inferiores a pressão de vaporização. No interior das bombas, no deslocamento das pás, ocorrem inevitavelmente rarefações no líquido, isto é, pressões reduzidas devidas à própria natureza do escoamento ou ao movimento de impulsão recebido pelo líquido, tornando possível a ocorrência do fenômeno e, isto acontecendo, formar-se-ão bolhas de vapor prejudiciais ao seu funcionamento, caso a pressão do líquido na linha de sucção caia abaixo da pressão de vapor (ou tensão de vapor) originando bolsas de ar que são arrastadas pelo fluxo. Estas bolhas de ar desaparecem bruscamente condensando-se, quando alcançam zonas de altas pressões em seu caminho através da bomba. Como esta passagem gasoso-líquido é brusca, o líquido alcança a superfície do rotor em alta velocidade, produzindo ondas de alta pressão em áreas reduzidas. Estas pressões podem ultrapassar a resistência à tração do metal e arrancar progressivamente partículas superficiais do rotor, inutilizando-o com o tempo.

Quando ocorre a cavitação são ouvidos ruídos e vibrações característicos e quanto maior for a bomba, maiores serão estes efeitos. Além de provocar o desgaste progressivo até a deformação irreversível dos rotores e das paredes internas da bomba, simultaneamente esta apresentará uma progressiva queda de rendimento, caso o problema não seja corrigido. Nas bombas a cavitação geralmente ocorre por altura inadequada da sucção (problema geométrico), por velocidades de escoamento excessivas (problema hidráulico) ou por escorvamento incorreto (problema operacional).

VI. 2.4.2. NPSH Em qualquer cálculo de altura de sucção de bombas tem de ser levada em consideração que não deve ocorrer o fenômeno da cavitação e, para que possamos garantir boas condições de aspiração na mesma, é necessário que conheçamos o valor do NPSH (net positive suction head). O termo NPSH (algo como altura livre positiva de sucção) comumente utilizado entre os fornecedores, fabricantes e usuários de bombas pode ser dividido em dois tipos: o requerido (NPSHr) e o disponível (NPSHd). O NPSHr é uma característica da bomba e pode ser determinado por testes de laboratório ou cálculo hidráulico, devendo ser informado pelo fabricante do equipamento. Podemos dizer que NPSHr é a energia necessária para o líquido ir da entrada da bomba e, vencendo as perdas dentro desta, atingir a borda da pá do rotor, ponto onde vai receber a energia de recalque, ou seja, é a energia necessária para vencer as perdas de carga desde o flange de sucção até as pás do rotor, no ponto onde o líquido recebe o incremento de velocida-de. Em resumo NPSHré a energia do líquido que a bomba necessita para seu funcionamento interno. Normalmente, o NPSHr é fornecido em metros de coluna de água (mca).

O NPSHr pode ser calculado através da expressão: NPSHr = s . Hman                                                                                                    Eq. VI.8 onde o coeficiente de cavitaçãos pode ser determinado pela expressão j .( Ns )4/3, sendo j um  fator de cavitação que corresponde aos seguintes valores:

para bombas radiais Þ 0,0011; diagonais Þ 0,0013; axiais Þ 0,00145.

O NPSHd é uma característica do sistema e define-se como sendo a disponibilidade de energia que um líquido possui, num ponto imediatamente anterior ao flange de sucção da bomba, acima de sua tensão de vapor. Pode ser calculado através da expressão: