Universidade Federal do Paraná
Curso de Engenharia Industrial Madeireira
MÁQUINAS HIDRÁULICAS
ATAT-087
Dr. Alan Sulato de Andrade
[email protected]
CAVITAÇÃO
CAVITAÇÃO
INTRODUÇÃO:
É um fenômeno físico que ocorre principalmente no
interior de sistemas hidráulicos e que consiste na
formação de bolhas de vapor no meio fluido
transportado.
CAVITAÇÃO
INTRODUÇÃO:
Cavitação ocorre quando a pressão estática absoluta
local cai abaixo da pressão de vapor do líquido e
portanto causa a formação de bolhas de vapor no
corpo do líquido, isto é, o líquido entra em ebulição.
CAVITAÇÃO
INTRODUÇÃO:
Bolhas de vapor
Pressão atmosférica
Redução da pressão
na linha de aspiração
CAVITAÇÃO
INTRODUÇÃO:
Quando líquido escoa através de uma bomba
centrífuga ou axial, a pressão estática (pressão de
sucção) no olho do rotor é reduzida e a velocidade do
fluxo aumenta. Existe, desta forma, um perigo de que
bolhas de cavitação possam se formar na entrada do
rotor ou na tubulação de aspiração.
CAVITAÇÃO
INTRODUÇÃO:
Quando o fluido se move para uma região de mais
alta pressão, as bolhas entram em colapso com uma
força enorme, dando origem a pressões da ordem de
343MPa (≈3500 atmosferas). Neste momento pode
ocorrer o desprendimento de material do rotor
resultando no colapso de parte da superfície metálica.
Desta forma sérios danos podem ocorrer desta
prolongada erosão cavitacional. Ruído e trepidações
são também gerados quando a cavitação ocorre.
CAVITAÇÃO
MECANISMO
CAVITAÇÃO
MECANISMO
Não ocorrerá
Cavitação
Ocorrerá
Cavitação
CAVITAÇÃO
MECANISMO
CAVITAÇÃO
MECANISMO
Processo de cavitação
CAVITAÇÃO
MECANISMO
Processo de cavitação
CAVITAÇÃO
CARACTERÍSTICAS
Os efeitos da cavitação são visíveis a longo prazo e a
curto prazo, sendo ambos mensuráveis. A longo prazo
os rotores apresentam perdas consideráveis de
massa, comprometendo a performance da bomba e
podendo levar a sua ruptura. A curto prazo o
fenômeno da cavitação compromete a performance da
bomba com a queda de rendimento da bomba,
vibração não característica da bomba e ruídos, esses
provocados pela "implosão" do líquido.
CAVITAÇÃO
CARACTERÍSTICAS
A cavitação, além de ocorrer no rotor. pode-se
manifestar na entrada bomba, na linha de aspiração,
na voluta e nas pás diretrizes do difusor. Esse último é
mais intenso quando a bomba opera fora da descarga
nominal, devido à divergência entre os ângulos de
saída do líquido no rotor e de entrada no difusor. Já foi
observada a retirada de pedaços com mais de 2 cm de
espessura na tubulação de aspiração, quando estas
são confeccionadas com aço doce.
CAVITAÇÃO
CARACTERÍSTICAS
As principais características de uma bomba em
cavitação são:
queda do rendimento;
necessidade de aumento da potência de eixo
(bombas);
queda da potência de eixo (turbinas);
marcha irregular, trepidação e vibração das
máquinas, pelo
desbalanceamento que acarreta ruído, provocado
pelo fenômeno de implosão das bolhas.
CAVITAÇÃO
CARACTERÍSTICAS
Após a identificação deste problema, algumas
decisões devem ser tomadas, dentre as principais:
Troca do dispositivo,
Reparo quando possível do dispositivo,
Análise do sistema de bombeamento.
CAVITAÇÃO
CARACTERÍSTICAS
Uma das abordagens para se evitar a cavitação é a
utilização de materiais resistentes à corrosão por
cavitação como: ferro fundido: alumínio; bronze; aço
fundido; aço doce laminado: bronze fosforoso; bronze
manganês; aço níquel; aço cromo; ligas de aço
inoxidável especiais. Contudo, a rigor não há nenhum
material que não seja afetado pela cavitação. Outra
solução é se revestir o rotor com materiais que
absorvam impacto como os elastômeros (neoprene.
poliuretano, estireno-butadieno ente outros) ou com
materiais cerâmicos com elevada dureza.
CAVITAÇÃO
CARACTERÍSTICAS
Materiais resistentes e modificações que dificultam o processo de cavitação
CAVITAÇÃO
CARACTERÍSTICAS
Outra abordagem é construir as bombas com
determinadas características que dificultam a
vaporização do líquido. Nas bombas radias pode-se
adotar os seguintes cuidados:
pequeno valor da relação entre os diâmetros de entrada
e saída das pás,
Número suficiente grande de pás,
pequeno valor para a velocidade radial com pequenas
aluíras de pás, se houver fortes curvaturas à entrada:
pequeno valor para o ângulo β1 das pás,
CAVITAÇÃO
CARACTERÍSTICAS
Nas bombas de múltiplos estágios:
pequeno valor para a altura de elevação para cada
rotor.
Bombas axiais, os cuidados são os seguintes:
pequeno valor da relação entre o comprimento axial
das pás e o raio das mesmas (pás mais
alongadas);
velocidade periférica (U) elevada.
CAVITAÇÃO
CONDIÇÕES DE CAVITAÇÃO
A queda de pressão desde a entrada do tubo de
sucção até a entrada da bomba depende:
da altura estática de sucção;
do comprimento da tubulação de sucção
da rugosidade das paredes dos tubos das perdas de
cargas localizadas devidas às peças intercaladas nesta
parte da instalação.
CAVITAÇÃO
CONDIÇÕES DE CAVITAÇÃO
A presença de cavitação é evitada através do projeto
adequado da linha de sucção minimizando o
aparecimento de baixas pressões.
Normalmente, em bombas afogadas, ou seja, onde
altura de aspiração está localizada acima do eixo da
bomba, a cavitação praticamente é eliminada.
CAVITAÇÃO
CONDIÇÕES DE CAVITAÇÃO
A linha de sucção de uma bomba é o local onde
geralmente as pressões são baixas. Sendo assim, é
exatamente na linha de aspiração ou sucção que se
deve ter cuidado para que durante o bombeamento de
líquidos, a pressão não atinja a pressão de
vaporização na temperatura que o líquido se encontra.
A altura geométrica de aspiração ou sucção de uma
bomba é definida como a distância vertical do centro
do eixo da bomba e o nível do líquido no reservatório
de sucção.
CAVITAÇÃO
CONDIÇÕES DE CAVITAÇÃO
CAVITAÇÃO
NPSH requerido e NPSH disponível
Para se evitar o fenômeno da cavitação, os fabricantes
definem, em função da vazão, qual o valor da energia
que deve existir na flange de sucção da bomba, para
que na entrada do impelidor a pressão esteja ainda
superior à da vaporização.
CAVITAÇÃO
NPSH requerido e NPSH disponível
A este valor deu-se o nome de NPSH requerido (Net
Positive Suction Head required) ou simplesmente
NPSHr, que é fornecido pelos fabricantes juntamente
com as curvas das bombas.
Pelo exposto, o NPSHr pode ser definido como a carga
exigida pela bomba para aspirar o fluido do poço de
sucção
CAVITAÇÃO
NPSH requerido e NPSH disponível
NPSHdisp: representa a disponibilidade de pressão, ou
energia, na instalação.
NPSHreq: representa a carga exigida pela bomba para
poder succionar o fluido, nas condições apresentadas.
CAVITAÇÃO
NPSH requerido e NPSH disponível
NPSHdisp ≥ NPSHreq
Condição para não ocorrer o processo de cavitação
CAVITAÇÃO
NPSH requerido e NPSH disponível
NPSHdisp = (Patm/γ) + ha - Ja - (hvapor/γ)
Existe diversas formas de se estimar o valor do NPSHreq,
entre as mais práticas, este valor normalmente é obtido
experimentalmente nas bancadas de testes dos
fabricantes:
NPSHreq = [(V2²-V1²)/2g] + Jbomba
CAVITAÇÃO
NPSH requerido e NPSH disponível
NPSHreq, segundo a função de Sulzer *:
NPSHreq=(Fsulzer).N.(Q1/2)
Onde:
Fsulzer=Fator Sulzer - 0,3 a 0,5
N=Rotação - rps
Q=Vazão volumétrica - m³/s
* Sulzer – empresa fabricante de unidades de bombeamneto.
CAVITAÇÃO
NPSH requerido e NPSH disponível
O valor da pressão atmosférica em KPa (Patm)
depende da altitude local onde o sistema será
instalado, seu valor pode ser obtido por meio de
tabelas ou gráficos.
CAVITAÇÃO
NPSH requerido e NPSH disponível
O valor da pressão de vapor em KPa (hvapor) depende
da temperatura, seu valor pode ser obtido por meio de
tabelas ou gráficos.
CAVITAÇÃO
NPSH requerido e NPSH disponível
O valor das propriedades da água.
Temperatura - T Massa Específica - ρ Peso Específico - γ
⁰C
kg/m³
N/m³
0
999,8
9998
4
1000,0
10000
5
999,9
9999
10
999,7
9997
15
999,1
9991
20
998,2
9982
25
997,0
9970
30
995,7
9957
40
992,2
9922
50
988,0
9880
60
983,2
9832
70
977,8
9778
80
971,8
9718
90
965,3
9653
100
958,4
9584
Viscosidade Absoluta - µ
(10-3) kg/m.s
1,781
1,558
1,518
1,307
1,139
1,002
0,890
0,798
0,653
0,547
0,466
0,404
0,354
0,315
0,282
Viscosidade Cinemática – ν
(10-6) m²/s
1,781
1,558
1,518
1,307
1,140
1,004
0,893
0,801
0,658
0,554
0,474
0,413
0,364
0,326
0,294
CAVITAÇÃO
NPSH requerido e NPSH disponível
Jbomba corresponde a perda de carga interna da bomba,
relacionada à sua geometria e ao tipo de rotor.
Jbomba=σH
Onde σ corresponde ao fator de cavitação (número de
Thoma), que mede a sensibilidade da bomba à
cavitação.
CAVITAÇÃO
NPSH requerido e NPSH disponível
H = Ha +Hr
O fator de cavitação σ é função da rotação específica
da bomba e de um fator ϕ, que tem seus valores
iguais a:
CAVITAÇÃO
NPSH requerido e NPSH disponível
O coeficiente de cavitação é obtido pela seguinte
expressão matemática:
rotação específica
A rotação específica é um índice que relaciona a
vazão e a altura manométrica referidas ao ponto de
máxima eficiência.
CAVITAÇÃO
NPSH requerido e NPSH disponível
Lembrando que a rotação específica é:
Onde a rotação específica (nq), em rpm; n=rotação
nominal da bomba, em rpm; Q=vazão, em m³/s e
H=altura manométrica, em m.
CAVITAÇÃO
NPSH requerido e NPSH disponível
Segundo Stepanoff, nas proximidades do ponto de
maior rendimento, pode-se utilizar a seguinte equação:
CAVITAÇÃO
NPSH requerido e NPSH disponível
Devemos sempre lembrar que em uma instalação de
bombeamento, a bomba não cavitará quando:
NPSHdisp ≥ NPSHreq
Na prática utiliza-se um fator de segurança entre 10%
a 15%, assim:
NPSHdisp ≥ 1,10 a 1,15 NPSHreq
CAVITAÇÃO
NPSH requerido e NPSH disponível
De maneira geral, o NPSHdisp é uma preocupação do
usuário ou projetista do sistema, enquanto que o
NPSHreq é uma informação fornecido pelo fabricante,
porém possível de se estimar quanto esta não é
fornecida.
CAVITAÇÃO
NPSH requerido e NPSH disponível
Valores fornecidos pelos fabricantes através das cartas de operação
CAVITAÇÃO
NPSH requerido e NPSH disponível
Valores fornecidos pelos fabricantes através das cartas de operação
CAVITAÇÃO
MEDIDAS
DESTINADAS
A
DIFICULTAR
APARECIMENTO DA CAVITAÇÃO
O
Quando a instalação apresenta um NPSH disponível
insuficiente para uma seleção ótima da bomba,
existem vários modos de se lidar com o problema.
Podemos encontrar meios para aumentar o NPSH
disponível:
Elevar o nível do líquido no tanque de sucção
CAVITAÇÃO
MEDIDAS
DESTINADAS
A
DIFICULTAR
APARECIMENTO DA CAVITAÇÃO
O
Rebaixar o bocal da linha de aspiração, evitando
assim o efeito sifão, porem existe a necessidade de
tomar cuidado para que este não aspire partículas
sólidas que ficam depositadas no fundo dos tanque.
CAVITAÇÃO
MEDIDAS
DESTINADAS
A
DIFICULTAR
APARECIMENTO DA CAVITAÇÃO
O
Diminuir a cota da linha de aspiração (za). Se
possível criar a condição onde za fique positivo, ou
seja, dimensionar o sistema com a bomba afogada.
Reduzir as perdas na linha de sucção (Utilizar
materiais com baixa rugosidade)
Resfriar o líquido.
CAVITAÇÃO
ALTURA IDEAL
Podemos utilizar a relação para calcular a altura de
aspiração do sistema para que não ocorra a
cavitação.
Partindo da relação:
NPSHdisp ≥ NPSHreq
(Patm/γ) + ha - Ja - (hvapor/γ) = [(V2²-V1²)/2g] + Jbomba
Podemos isolar ha:
ha = - (Patm/γ) + Ja + (hvapor/γ) + [(V2²-V1²)/2g] + Jbomba
CAVITAÇÃO
EXERCÍCIO
Avalie o sistema proposto, onde água
(Qv=0,0314m³/s) a 25ºC (hvapor=2,9KPa)
é transferida para um tanque superior
onde à pressão atmosférica local é
96,1KPa.
Determine
se
nesta
configuração o sistema corre perigo
quanto ao aparecimento de cavitação.
Considere um fator de segurança de
15%
para
o
NPSH
requerido,
6m
g=9,8m/s², γ=10000N/m³. Considere
que a Bomba centrífuga opere a
N=1500 rpm, ϕ=0,0011
CAVITAÇÃO
EXERCÍCIO
NPSHdisp >NPSHreq
NPSHdisp = (Patm/γ) + ha - Ja - (hvapor/γ)
NPSHreq = [(V2²-V1²)/2g] + Jbomba
H=Ha+Hr
Ha=-ha+Va²/2g+Ja
Hr=hr+Jr
Jbomba=σH
CAVITAÇÃO
EXERCÍCIO
Utilize as informações do exercício anterior e calcule a
altura estática de aspiração (ha) ao saber que o
fabricante do equipamento informa que NPSHreq ideal
para este equipamento é de 6m.