CAVITAÇÃO INTRODUÇÃO: É um fenômeno físico que ocorre principalmente no interior de sistemas hidráulicos e que consiste na. transportado.

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1 Universidade Federal do Paraná Curso de Engenharia Industrial Madeireira MÁQUINAS HIDRÁULICAS AT-087 Dr. Alan Sulato de Andrade

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3 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.

4 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.

5 INTRODUÇÃO: Bolhas de vapor Redução da pressão na linha de aspiração Pressão atmosférica

6 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.

7 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.

8 MECANISMO CAVITAÇÃO

9 MECANISMO Não ocorrerá Cavitação Ocorrerá Cavitação

10 MECANISMO CAVITAÇÃO

11 MECANISMO Processo de cavitação

12 MECANISMO Processo de cavitação

13 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.

14 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.

15 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.

16 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.

17 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.

18 CARACTERÍSTICAS Materiais resistentes e modificações que dificultam o processo de cavitação

19 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 β 1 das pás,

20 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.

21 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.

22 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.

23 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.

24 CONDIÇÕES DE CAVITAÇÃO

25 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.

26 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

27 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.

28 NPSH requerido e NPSH disponível NPSHdisp NPSHreq Condição para não ocorrer o processo de cavitação

29 NPSH requerido e NPSH disponível NPSHdisp = (Patm/γ) + ha - Ja - (h vapor /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 = [(V 2 ²-V 1 ²)/2g] + J bomba

30 NPSH requerido e NPSH disponível NPSHreq, segundo a função de Sulzer *: Onde: NPSHreq=(Fsulzer).N.(Q 1/2 ) Fsulzer=Fator Sulzer - 0,3 a 0,5 N=Rotação - rps Q=Vazão volumétrica - m³/s * Sulzer empresa fabricante de unidades de bombeamneto.

31 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.

32 NPSH requerido e NPSH disponível O valor da pressão de vapor em KPa (h vapor ) depende da temperatura, seu valor pode ser obtido por meio de tabelas ou gráficos.

33 NPSH requerido e NPSH disponível O valor das propriedades da água. Temperatura - T Massa Específica -ρ Peso Específico - γ Viscosidade Absoluta -µ Viscosidade Cinemática ν ⁰C kg/m³ N/m³ (10-3 ) kg/m.s (10-6 ) m²/s 0 999, ,781 1, , ,558 1, , ,518 1, , ,307 1, , ,139 1, , ,002 1, , ,890 0, , ,798 0, , ,653 0, , ,547 0, , ,466 0, , ,404 0, , ,354 0, , ,315 0, , ,282 0,294

34 NPSH requerido e NPSH disponível J bomba corresponde a perda de carga interna da bomba, relacionada à sua geometria e ao tipo de rotor. J bomba =σh Onde σ corresponde ao fator de cavitação (número de Thoma), que mede a sensibilidade da bomba à cavitação.

35 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:

36 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.

37 NPSH requerido e NPSH disponível Lembrando que a rotação específica é: Onde a rotação específica (n q ), em rpm; n=rotação nominal da bomba, em rpm; Q=vazão, em m³/s e H=altura manométrica, em m.

38 NPSH requerido e NPSH disponível Segundo Stepanoff, nas proximidades do ponto de maior rendimento, pode-se utilizar a seguinte equação:

39 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

40 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.

41 NPSH requerido e NPSH disponível Valores fornecidos pelos fabricantes através das cartas de operação

42 NPSH requerido e NPSH disponível Valores fornecidos pelos fabricantes através das cartas de operação

43 MEDIDAS DESTINADAS A DIFICULTAR O APARECIMENTO DA CAVITAÇÃO 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

44 MEDIDAS DESTINADAS A DIFICULTAR O APARECIMENTO DA CAVITAÇÃO 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.

45 MEDIDAS DESTINADAS A DIFICULTAR O APARECIMENTO DA CAVITAÇÃO 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.

46 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 - (h vapor /γ) = [(V 2 ²-V 1 ²)/2g] + J bomba Podemos isolar ha: ha = - (Patm/γ) + Ja + (h vapor /γ) + [(V 2 ²-V 1 ²)/2g] + J bomba

47 EXERCÍCIO Avalie o sistema proposto, onde água (Q v =0,0314m³/s) a 25ºC (h vapor =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, g=9,8m/s², γ=10000n/m³. Considere que a Bomba centrífuga opere a N=1500 rpm, ϕ=0,0011 6m

48 EXERCÍCIO NPSHdisp >NPSHreq NPSHdisp = (Patm/γ) + ha - Ja - (h vapor /γ) NPSHreq = [(V 2 ²-V 1 ²)/2g] + J bomba H=Ha+Hr Ha=-ha+Va²/2g+Ja Hr=hr+Jr J bomba =σh

49 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.