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