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Cavitação em bombas centrífugas
A transferência de energia mecânica por parte da bomba, resulta no
aumento da pressão do fluido e tem como causa inevitável a queda de
pressão localizada, no interior do impulsor. Imediatamente após a entrada do impulsor, a pressão do fluido cai abaixo da pressão Po (pressão
à entrada do impulsor), até atingir um valor mínimo (Pmin.).
João Leite
(Engº Mecânico, IST) KSB, Bombas e Válvulas, SA.
Figura 1. Vistas em corte e de topo do impulsor
Figura 3. Evolução das pressões numa pá, para diferentes pressões à entrada
Com base em estudos já realizados, é possível fazer uma representação gráfica da evolução das pressões ao longo da pá do impulsor, mais
concretamente do lado de aspiração (SS) e do lado de compressão (DS),
da pá do impulsor (ver fig. 2).
Se a pressão na entrada do impulsor for ainda mais baixa, a zona ocupada por bolhas irá aumentar (fig.3c). Como a pressão não pode baixar
mais que a pressão de vaporização, o volume de bolhas aumenta, aumentando a distribuição das mesmas ao longo do lado de aspiração
das pás do impulsor. De notar que existem dois tipos de cavitação: o
fenómeno de que temos vindo a falar, conhecido como “cavitação por
vapor” e outro, diferente, chamado “cavitação por gás”. Na “cavitação por
gás”, a origem das bolhas está dentro do próprio fluido, pois este terá
uma mistura de gases e vapor.
Figura 2. Representação gráfica da evolução das pressões numa pá do impulsor
Se a pressão mínima (Pmin) ocorrida no interior do impulsor, tiver um valor superior à pressão de vaporização do fluido (PD) à temperatura a que
este se encontra, não haverá formação de bolhas de vapor (fig.3a).
Se noutra situação, Pmin for igual a PD, iremos ter o desenvolvimento de
bolhas de vapor a partir do ponto em que a pressão do fluido igualar
a pressão de vaporização. As bolhas voltam a desaparecer quando o
escoamento atingir uma zona de pressão mais elevada.
Este fenómeno de formação de bolhas de vapor numa área onde a
pressão do fluido desce até à pressão de vaporização e o subsequente
desaparecimento das mesmas numa zona de pressões mais elevadas,
é chamado cavitação.
Ao processo, tal como podemos ver na fig. 3b, em que Pmin= PD num
único ponto, chamamos “cavitação incipiente” e corresponde ao início
da cavitação.
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A influência do caudal
Nas bombas centrífugas existem impulsores de diferentes tipos e tamanhos. Para cada impulsor existe um valor de caudal ótimo (Qopt): o
caudal para o qual o impulsor foi desenhado, o caudal para o qual o seu
rendimento é máximo. Variações deste caudal, tanto para valores mais
altos como para mais baixos, alteram a direção de entrada do escoamento no impulsor (fig.4), influenciando a evolução da distribuição de
pressões ao longo das pás do impulsor.
Figura 4. Entrada do escoamento no impulsor, em função do caudal, face ao caudal
óptimo
Para uma pressão constante à entrada do impulsor (P 0=const.), a pressão mínima (Pmin) e/ou a queda de Pressão (P 0 –Pmin) no interior do impulsor, são dependentes do ponto de funcionamento.
A queda de pressão (P 0 –Pmin), é inferior na gama de funcionamento do
caudal ótimo (Qopt).
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Para valores de caudal superiores ao caudal ótimo, os pontos de menor
pressão passam do lado da descarga para o lado da aspiração (fig.5).
Mas a pressão mais baixa (Pmin) ocorre no lado da descarga.
da pressão de vaporização é atingido no ponto de pressão mais baixa (Pmin) e que marca o início de cavitação, é a referência a considerar.
Como tal, normalmente, as curvas de NPSH, marcam o início de cavitação, dando o valor do NPSHreq em função do caudal. Como margem de
segurança, a este valor devemos adicionar 0,5 m, salvo outra indicação
do construtor.
Outro tipo de critério, é a determinação do valor de NPSH onde ocorre
o colapso total do fluxo NPSHtot, ou seja, a cavitação atinge um ponto
tal que a altura manométrica é nula. Existem ainda outros critérios em
função da forma como os valores de NPSH intermédios influenciam as
condições de funcionamento. Os diferentes tipos de critérios de determinação do NPSH podem então, ser listados do seguinte modo:
Figura 5. Distribuição das pressões numa pá do impulsor, em função do caudal, face
ao caudal óptimo
NPSH (Altura de Aspiração Positiva – Net Positive Suction Head)
O NPSH é um importante conceito que permite avaliar as condições de
aspiração de uma bomba centrífuga e fazer uma previsão da margem
de segurança contra os efeitos da cavitação, durante o funcionamento
da bomba.
Até agora temos escolhido como pressão de referência, a pressão à entrada do impulsor (P 0). No entanto, e de um modo geral, não é financeiramente viável fazer a leitura desta pressão na secção critica (à entrada
do impulsor). Assim, a leitura na tubagem de aspiração da bomba, de
acordo com as especificações das normas, torna-se mais fácil.
Visto que a secção de medição varia de sistema para sistema e que
regra geral difere da secção critica, existe a necessidade de definir uma
variável de referência: o NPSH, ou seja, a diferença entre a energia total
da secção (Ps,Tot), incluindo a energia cinética, e a pressão de vaporização
do fluido (PD).
NPSH = (Ps,Tot - PD) / (r . g)
NPSH requerido (NPSHreq): Uma bomba centrífuga só irá trabalhar satisfatoriamente se não existir formação de vapor no seu interior. Para
tal, a pressão do fluido deverá ser sempre superior a sua pressão de
vaporização. Então, o NPSHreq é o valor mínimo requerido pela bomba
para que não ocorra cavitação.
NPSH disponível (NPSHav): Corresponde ao valor de NPSH disponível
na instalação, na zona da aspiração da bomba. Este valor deverá ser
sempre superior ao NPSHreq, por forma a assegurar a inexistência de
cavitação na bomba.
O valor do NPSHreq determina-se através da equação:
NPSHreq = (P – PD)/(r.g) + v2/(2.g) + Hp ± Hgeo
No entanto, o valor de NPSH de uma bomba não tem qualquer significado se não definirmos o critério com que foi determinado.
Critérios de determinação do NPSH
O estado de cavitação incipiente, denominado por NPSHi, onde o valor
- Cavitação incipiente, inicio da cavitação
è
NPSHi
- Decréscimo da altura manométrica,
numa certa percentagem
è 0%NPSH0
1%NPSH1
2%NPSH2
--- ------
x%NPSHx
- Decréscimo do rendimento, num certo valor
è
NPSHDh
- Evolução da cavitação ao longo das pás do impulsor, num determinado
comprimento Dx (mm):
è
x1 = 5 mm
èNPSHx1
è
x2 = 10 mm
èNPSHx2
è
x1 = 15 mm
èNPSHx3
por exemplo
Dx = 5 mm
- Destruir uma quantidade especifica de material, numa unidade de
tempo:
NPSHDm
- Exceder um determinado nível de ruído: NPSHPhon
- Exceder um determinado nível de vibração:
NPSHVibr.
- Cavitação total, colapso do fluxo:
NPSHTot.
Consequências da cavitação
Queda da pressão e aumento da área exposta à cavitação
O NPSH disponível (NPSHav) numa instalação é o fator que mais diretamente influência a ocorrência, ou não, da cavitação. Assim, podemos
ver a evolução da altura manométrica (fig. 6) e do comprimento da zona
ocupada por bolhas, em função do NPSHav.
Quando o NPSH disponível começa a descer, as primeiras bolhas de vapor desenvolvem-se quando é atingido o valor de NPSHi, ou seja o valor
de NPSH para que se dê a cavitação incipiente. No entanto para estes
valores de NPSH, a altura manométrica ainda não sofre alterações.
A medida que o NPSH continua a baixar, aumenta o comprimento da zona
ocupada por bolhas e, ao atingir um determinado valor (NPSH0), o escoamento nas pás é afetado e a altura manométrica começa a descer.
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O nível de ruído aumenta à medida que o NPSHav baixa, baixando novamente na situação de cavitação total, porque o impulsor está totalmente preenchido com vapor (ver figura 8).
Figura 8. nível de ruído à medida que o NPSH disponível dminui
Figura 6. evolução da altura manométrica e do comprimento da zona afectada por
bolhas, em função do NPSH disponível
Tal como vimos para os critérios de determinação do NPSH, a uma queda da altura manométrica de 0% (DH = 0%) corresponde a designação
NPSH0; assim como para DH = 3% corresponde NPSH3.
Erosão
Uma das consequências mais indesejáveis da cavitação, tem a ver com
a situação que ocorre quando as bolhas de vapor voltam a entrar numa
zona de pressão superior à pressão de vapor. Ao contrário do que se
poderia supor, o tamanho das bolhas não diminui até ao seu total desaparecimento. As bolhas assumem uma forma de rim, acabando por
implodir violentamente de encontra às pás do impulsor, sob a forma de
jatos microscópicos (ver figura 7).
Os jatos microscópicos vão gradualmente causar fadiga na superfície
do material e, como consequência, a matéria começa a desagregar-se
devido às pressões pontuais, da ordem dos 10 5 bar !!
Figura 7. evolução das bolhas de vapor à medida que a pressão aumenta
Os danos causados pela erosão devido à cavitação, tal como a profundidade da erosão ou a perda de massa, estão diretamente relacionados
com, pelo menos, quatro fatores:
– tempo de exposição à cavitação;
– intensidade da cavitação;
– propriedades do fluido;
– resistência do material à erosão por cavitação.
Ruído
O ruído típico que se ouve quando as bolhas se desintegram durante
a bombagem, assemelha-se à bombagem de cascalho, com mudança
dos níveis de pressão sonora, de algumas centenas de Hz para níveis
ultrasónicos (100kHz).
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Vibração
A vibração resultante da cavitação, é devida à combinação de três fatores:
- Como a região preenchida com bolhas varia de pá para pá, num mesmo impulsor, a passagem do escoamento em redor dessas regiões
também varia, afetando o equilíbrio desse impulsor;
- Cada região preenchida com bolhas também sofre variações de dimensão, podendo daí resultar vibrações com frequências não constantes;
- Se as regiões ocupadas por bolhas forem muito extensas, causam
uma queda de pressão a jusante do impulsor, resultando na saída
separada e irregular do escoamento de cada canal, desequilibrando
o impulsor.
Quebra de rendimento
De um modo geral, a curva de quebra de rendimento em função do NPSH,
é similar à da altura manométrica, com a particularidade de, por vezes, o
rendimento aumentar significativamente, antes do colapso total.
Soluções para a cavitação
Sem duvida que a melhor solução para evitar os efeitos da cavitação,
começa pela sua prevenção desde o início do projeto da instalação. Uma
instalação adequada às características da bomba e do fluido evitará a
ocorrência deste fenómeno e as suas consequências.
Podemos então sugerir algumas soluções para evitar, ou minimizar, os
efeitos da cavitação:
– Correto desenho da instalação, tendo em conta o NPSHreq, o NPSHav
e as características do fluido;
– Montagem de uma bomba pressurizadora a montante do grupo sob
efeito de cavitação, de modo a aumentar a pressão na aspiração
desse grupo;
– Montagem de um impulsor adicional na aspiração da bomba, para
que os valores da pressão à entrada do impulsor principal sejam
mais elevados;
– Utilização de materiais com boas características mecânicas, nomeadamente com boa resistência à erosão: não evita a cavitação, mas
reduz drasticamente a erosão do impulsor, evitando os problemas
dai resultantes.