Universidade Federal do Paraná Curso de Engenharia Industrial Madeireira MÁQUINAS HIDRÁULICAS AT-087 Dr. Alan Sulato de Andrade alansulato@ufpr.br
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.
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.
INTRODUÇÃO: Bolhas de vapor Redução da pressão na linha de aspiração Pressão atmosférica
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.
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.
MECANISMO CAVITAÇÃO
MECANISMO Não ocorrerá Cavitação Ocorrerá Cavitação
MECANISMO CAVITAÇÃO
MECANISMO Processo de cavitação
MECANISMO Processo de 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.
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.
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.
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.
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.
CARACTERÍSTICAS Materiais resistentes e modificações que dificultam o processo de 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 β 1 das pás,
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.
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.
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.
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.
CONDIÇÕES DE 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.
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
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.
NPSH requerido e NPSH disponível NPSHdisp NPSHreq Condição para não ocorrer o processo de cavitação
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
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.
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.
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.
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 0 999,8 9998 1,781 1,781 4 1000,0 10000 1,558 1,558 5 999,9 9999 1,518 1,518 10 999,7 9997 1,307 1,307 15 999,1 9991 1,139 1,140 20 998,2 9982 1,002 1,004 25 997,0 9970 0,890 0,893 30 995,7 9957 0,798 0,801 40 992,2 9922 0,653 0,658 50 988,0 9880 0,547 0,554 60 983,2 9832 0,466 0,474 70 977,8 9778 0,404 0,413 80 971,8 9718 0,354 0,364 90 965,3 9653 0,315 0,326 100 958,4 9584 0,282 0,294
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.
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:
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.
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.
NPSH requerido e NPSH disponível Segundo Stepanoff, nas proximidades do ponto de maior rendimento, pode-se utilizar a seguinte equação:
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
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.
NPSH requerido e NPSH disponível Valores fornecidos pelos fabricantes através das cartas de operação
NPSH requerido e NPSH disponível Valores fornecidos pelos fabricantes através das cartas de operação
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
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.
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.
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
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
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
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.