DEPARATMENTO DE ENERGIA LABORATÓRIO DE HIDRÁULIA GERAL ENSAIO DE CAVITAÇÃO

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1 unesp DEPARATMENTO DE ENERGIA LABORATÓRIO DE HIDRÁULIA GERAL ENSAIO DE CAVITAÇÃO. OBJETIVOS..Objetivo geral Conhecer e compreender o fenômeno de cavitação, assim como também os parâmetros envolvidos na sua análises...objetivo específico Conhecer o procedimento para a determinação da cavitação num tubo de Venturi.. INTRODUÇÃO TEÓRICA. Introdução Estudos clássicos de cavitação explicam que este é um fenômeno que se produz sempre que a pressão num ponto do escoamento de um líquido diminui abaixo da pressão de vaporização do líquido na temperatura do escoamento. Nesta condição o líquido evapora-se originando no seu interior cavidades de vapor, daí o seu nome de cavitação, ver Fig.. Estas cavidades ou borbulhas de vapor arrastadas pelo escoamento chegam a regiões em que a pressão está muito acima da pressão de vaporização, produzindo ali uma condensação violenta das borbulhas, também chamada de implosão. Como o volume específico do liquido é inferior ao volume específico do vapor, o colapso das bolhas implicará na existência de um vazio, proporcionando o aparecimento de ondas de choque. na realidade conforme pode-se observar na Fig. a depressão originada pela deformação da bolha produz um micro jato. O efeito é mais severo quando o colapso ocorre junto ou perto as paredes solidas. Neste caso o micro jato incide directamente sobre as paredes, entanto que, no caso das bolhas que implodem na corrente líquida, o impacto é transmitida por ondas de choque.

2 Figura. Cavitação em uma Hélice Figura. Processo do fenómeno cavitação em três situações características. Estudos mais recentes explicam que, para que uma cavidade possa ser criada há a necessidade de ruptura do liquido e esta ação não é medida pela pressão de vapor e sim pela resistência à tensão, correlacionada com a tensão superficial do liquido na temperatura de operação. Líquidos puros e homogéneos podem resistir a valores bastante altos de pressão negativa ou tensão, sem cavitar. A análise do fenómeno levou à conclusão de que impurezas devem estar presentes no liquido ocasionando a diminuição de sua resistência á tensão. Então, quando a pressão atinge um valor critico, próximo à pressão de vapor, o que realmente acontece é a oportunidade para o crescimento de bolhas já existentes no seio do líquido. Assim sendo, o início da cavitação seria mais bem definido como sendo o aparecimento de bolhas macroscópicas a partir de bolhas microscópicas ou núcleos existentes como impureza no seio do liquido quando a pressão atinge um valor crítico. As conseqüências que acarreta o fenômeno de cavitação são: danos ao material das paredes sólidas próximas ás implosões, As peças que sofrem o efeito da cavitação apresentam um aspecto poroso, como se apresenta na Fig.. Aparecem barulhos, vibrações, e as curvas características dos equipamento apresentam uma alteração considerável.

3 Figura. Rotor de uma bomba danificada pelo efeito da cavitação A prevenção da cavitação se realiza por duas formas: * Mediante o desenho dos equipamentos, se projeta máquinas ou as instalações de tal forma que não se apresente este fenómeno. * Mediante a selecção dos materiais, que sejam resistentes a cavitação, se no projeto se tolera a ocorrência deste fenómeno. O Fenômeno de cavitação pode acontecer em aparelhos hidráulicos estáticos como: tubo de Venturi, ou em máquinas hidráulicas como: bombas, turbinas, hélices, entre outras... Cavitação em tubo de Venturi Na Figura 4 se apresenta um tubo de Venturi, onde se mostra a distribuição de pressão em função da distância x, pode-se observar também que a pressão mínima é na garganta, e é neste ponto onde se tem perigo de que ocorra a cavitação. Figura 4. Distribuição de pressão e cavitação numa tubulação com diâmetro variável

4 Aplicando um balanço de energia entre a entrada () e a garganta () e a garganta do Venturi temos: P V P V + + Z = + + Z + Δhr () γ. g γ. g Isolando P temos: P P V V = + + ( Z Z ) + Δh () γ γ. g Como Z = Z e Δh =0, a Eq. fica como: P P V V = + γ γ. g () Na Eq. () o termo da energia cinética é um termo negativo, igualmente, em conseqüência, o valor da pressão na garganta P é menor que o valor da pressão P. Ademais, por ser a velocidade máxima na garganta neste posição é que se encontra a pressão mínima no Venturi, e é nesta localização que existe o maior risco de que ocorra a cavitação, isto verifica o observado na Fig. (4).... Cálculo da cavitação num tubo de Venturi A cavitação num tubo de Venturi pode ser calculada com o coeficiente de cavitação ou coeficiente de Thomas como também se conhece o qual se calcula da seguinte maneira: p p σ = v (4) ρ. V g Onde: Q V g = Ag (5) σ : Coeficiente de cavitação. P : Pressão na saída do Venturi (Pa) P v : Pressão de vaporização da água na temperatura ambiente (Pa) ρ : Massa especifica do líquido (kg/m ) V g : Velocidade na garganta (m/s) A g : Área da garganta (m/s) Q : Vazão (/m /s).. Medida da vazão com vertedores Os vertedores são medidores que servem para medir vazão. Eles podem ter diferentes geometrias: podem ser horizontais de largura plena, horizontais de largura parcial e em v. Na presente experiência será utilizado um vertedor horizontal de largura plena como o apresentado na Fig. (6).

5 Figura 6. Vertedor A vazão medida com um vertedor pode ser obtida com as seguinte formulas. Onde: / Q =.g.c d.l. h e (7) h C d = 0,60 + 0,075 (8) p h e = h + 0,0 (9) C d L h e h p : Coeficiente de descarga : Largura do vertedor [m] : Altura da lamina de água corrigida [m] : Altura da lamina de água [m] : Altura do vertedor [m]. PARTE EXPERIMENTAL. Descrição dos equipamentos Os equipamentos utilizados na determinação do coeficiente de cavitação, utilizamos os seguintes equipes e acessórios: uma bomba centrifuga, um tubo de Venturi, um manômetro de mercúrio, um manômetro de Bourdon, duas válvulas gavetas, um vertedor e um sistema de tubulações, como indicados na Fig. 7.

6 .. Procedimento Figura 7. Bancada para teste de cavitação Liga-se a bomba e espera até a estabilização do fluxo, após isso, deve-se anotar as medidas das Pressões na saída do Venturi P, a vazão Q e a altura da lamina de água h no vertedor. Estes valores são lidos primeiro variando a abertura da válvula Va, depois variando a rotação da bomba... Tabela de medidas.4. Cálculos Dados: Leitura Variando abertura válvula 4 Variando as r.p.m da bomba 4 P [kgf/cm ] h [mm] Diâmetro da garganta D g = mm Diâmetro da tubulação D t = 78mm Altura do vertedor p = 0,56 m Largura do vertedor L = 0,9 m Realizar todos os cálculos no sistema internacional Calcular a vazão com as equações (7) (8) e (9).

7 Calcular a área da garganta A g Calcular a velocidade na garganta como: V g = Q / A g Com a Eq. (4) calcular o coeficiente de cavitação de Thoma..5. Tabela de resultados Leitura P [Pa] h [m] Q [m /s] V g [m/s] P [Pa] σ Gráfico Com os valores obtidos, plotar o gráfico σxq, para cada uma das variações.7. COMENTÁRIOS E CONCLUSÕES Fazer os respectivos comentários sobre os gráficos. Falar como vc evitaria o fenômeno da cavitação..8. SUGESTÕES.9. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS FOX, R. W. Introdução á Mecânica dos Fluidos. Rio de Janeiro: LTC, p. MATAIX, C. Mecânica de Fluidos y Maquinas Hidráulicas. México: Harla, p. MUNSON, B. R., YOUNG, D. F., OKIISHI, T. H. Fundamento da Mecânica dos Fluidos. São Paulo: Edgard Blücher, p. VENNARD, J. K., STREET, R. L Elementos de Mecânica dos Fluidos. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 5 ed., p. MATTOS, E. E., FALCO, R. Bombas Industriais. da Edição.