Cavitação em Sistemas Hidráulicos: Erosão, Causas e Prevenção - Guia Completo

CAVITAÇÃO Instrutor MSc Roberto Macedo de Souza SENAI CIMATEC CENTRO UNIVERSITÁRIO 1 É a erosão dos componentes de um sistema hidráulico Rarefação e vaporização do líquido Colapso da bolha quando em contato com regiões de alta pressão Causa da erosão por cavitação Definição É o efeito da rarefação do líquido provocadas pelo efeito do movimento das pás ou deslocamento dos pistões Se a pressão absoluta do produto baixar até atingir a pressão de vapor do líquido na temperatura em que se encontra iniciase um processo de vaporização do mesmo formando bolhas ou cavidades cavitação no interior das quais o líquido se evapora Em seguida conduzida pelo movimento da corrente líquida atingem regiões de elevada pressão onde se 2 processa seu colapso com a condensação do vapor e o retorno ao estado líquido Quando as bolhas entram em contato com a área de alta pressão elas explodem produzindo uma alteração significativa na velocidade e pressão do líquido As superfícies metálicas onde se chocam as diminutas partículas resultantes do processo produzem percussões desagregando elementos de materiais de menor coesão formam pequenos orifícios erosão denominados de erosão por cavitação 2 Pressão de vapor É a pressão de equilíbrio da fase líquidogás em uma determinada temperatura A temperatura tem influência direta na Pv P Pv Líquido P Pv Gás P Pv Líquido Gás 3 Seção Cabeçalho O processo de ocorrência do fenômeno se dá da seguinte forma Pressão absoluta do Fluido Pvapor Vaporização do fluido bombeado As bolhas atingem a região de pressão do rotor Colapso das bolhas geradas na sucção Volume líquido Volume gás Colapso ocasiona onda de choque Obstrução da passagem do líquido 4 Onda de choque provoca danos nas partes metálicas da bomba Bombas Formação de bolhas olhal sucção Colapso das bolhas no rotor ou entrada da voluta 4 Corrosão desgaste remoção de partículas destruição dos rotores Queda de rendimentos Marcha irregular trepidação e vibração da máquina Oscilação de pressão de descarga e perda de vazão Efeitos Provoca corrosão desgaste remoção de partículas destruição dos rotores e dos tubos de aspiração Queda de rendimentos Em uma cavitação incipiente paradoxalmente o rendimento melhora um pouco aumentando a cavitação cai bruscamente Marcha irregular trepidação e vibração da máquina Ruídos 5 Oscilação de pressão de descarga e perda de vazão 5 Precauções Bombas radias Pequeno valor da relação entre os diâmetros de entrada e saída das pás Número suficientemente grande de pás Pequeno valor para a velocidade meridiana Vm Nas bombas de múltiplos estágios pequeno valor para a altura de elevação a cargo de cada rotor Bombas axiais Grande comprimento axial e das pás em relação ao raio Grande valor da velocidade periférica Seta curva ligeira com preenchimento sólido Seta curva ligeira com preenchimento sólido 6 Vídeo Parte 1 Parte 2 Seta curva ligeira com preenchimento sólido Seta curva ligeira com preenchimento sólido Seta curva ligeira com preenchimento sólido Seta curva ligeira com preenchimento sólido Seta curva ligeira com preenchimento sólido Parte 3 Parte 4 Parte 5 7 NPSH Net Positive Suction Head É a grandeza que representa a disponibilidade de energia com que o líquido penetra na sucção da bomba e que permitirá atingir o bordo da pá do rotor Conforme foi explanado nos slides referente ao cálculo das grandezas 16 Bombas Grandezas 𝐻𝑏 ℎ𝑎 𝐽𝑎 𝑝0 𝛾 𝑉0 2 2𝑔 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑 𝑝0 𝛾 𝐻𝑏 ℎ𝑎 𝐽𝑎 ℎ𝑣 ℎ𝑣 Pressão de vapor NPSH Disponível 9 𝜑 É a máxima diferença de cota admissível entre a bomba e o nível do líquido na sucção de modo a não haver cavitação ℎ𝑎 𝐻𝑏 𝐽𝑎 ℎ𝑣 𝑣0 2 2𝑔 𝜎𝐻 𝜎 Fator de cavitação de Thoma 𝜎 𝜑 Ω𝑠 43 ℎ𝑎 𝐻𝑏 𝑣0 2 2𝑔 ℎ𝑣 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑟 ℎ𝑎 1034 𝐴 900 𝐽1 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑟 Máxima altura de aspiração 𝝋 é um fator que depende da própria velocidade específica Ω𝑠 Para bombas centrífugas lentas e normais 𝜑 00011 Para bombas helicoidais e hélicoaxiais𝜑 00013 Para bombas axiais 𝜑 000145 10 É a perda de energia entre a sucção e o rotor da bomba Para evitar a ocorrência de cavitação NPSHd NPSHreq Margem 06 a 15 m É calculado e fornecido pelo fabricante NPSH Requerido 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑅𝑒𝑞 Δℎ 𝑣𝑜2 2𝑔 Δℎ É a energia que deve ser fornecida a bomba 11 Curva característica completa Fonte Silva 2008 12 Exercício Uma bomba centrífuga conforme gráfico ao lado deverá trabalhar em uma instalação que exige H15 m e Q 50 m3h Sendo o líquido a ser bombeado água a 20C e a altitude do local é 900 m determine a altura estática de aspiração máxima ha para o bom funcionamento da bomba Dado Perda de carga na sucção igual a 10 mCA ℎ𝑎 1034 𝐴 900 𝐽1 𝑁𝑃𝑆𝐻 13 Resolução ℎ𝑎 1034 𝐴 900 𝐽1 𝑁𝑃𝑆𝐻 ℎ𝑎 1034 900 900 1 11 ℎ𝑎 266 𝑚 Obs A altura de aspiração negativa significa que o nível livre está 266 m abaixo da bomba 14 Exercício Os gráficos fornecido pelo fabricante Sulzer apresentam em seus catálogos numa mesma figura as curvas H fQ as de igual rendimento e as de igual potência bem como as curvas que traduzem a dependência entre o NPSHreq da bomba e a descarga Qual o NPSH requerido pela bomba da Sulzer de 1750 rpm com rotor de 259mm de diâmetro para uma descarga de 220 m3h Com que valores de H N e η irá a bomba funcionar NPSH para rotor de 259 mm igual a 8m H para diâmetro de 259 mm igual a 24 m N para diâmetro de 259 mm 27 HP η 73 15 Exercício Uma bomba conforme curva no slide seguinte está instalada em uma indústria fornecendo uma vazão Q1 20 m3h e uma altura de elevação H1 275 mCA Desejase modificar a tubulação de recalque desta bomba de modo que esta passe a bombear água para um reservatório mais próximo que o anterior Nesta nova situação teremos a vazão igual a Q2 30 m3h e a altura de elevação será H2 24 mCA Verifique para os dois casos se haverá ou não cavitação na bomba Outros dados Altitude do local 1000 m Perda de carga na sucção J1 002 Q2 Qls ℎ𝑎 1034 𝐴 900 𝐽1 𝑁𝑃𝑆𝐻 16 Exercício Resolução ℎ𝑎 1034 𝐴 900 𝐽1 𝑁𝑃𝑆𝐻 ℎ𝑎 1034 1000 900 𝐽1 𝑁𝑃𝑆𝐻 ℎ𝑎 919 002𝑄2 𝑁𝑃𝑆𝐻 Instalação original ℎ𝑎 919 002𝑄2 𝑁𝑃𝑆𝐻 ℎ𝑎 919 002 20 36 2 2 ℎ𝑎 25 657 Alteração ℎ𝑎 919 002𝑄2 𝑁𝑃𝑆𝐻 ℎ𝑎 919 002 30 36 2 3 ℎ𝑎 25 48 Resposta Nas duas condições não haverá cavitação da bomba pois a altura solicitada pelo fabricante NPSHreq25 mCA é MENOR que a altura de sucção fornecida pelo sistema requerida NPSHDisp nas condições estudadas 18