Cavitação: Definições e Características

Cavitação 1 Cavitação Consiste na formação e subsequente colapso no seio de um líquido em movimento de bolhas ou cavidade preenchidas em grande parte por vapor do líquido Canavelis 1967 propõem como definição mais geral de cavitação a formação de cavidades macroscópicas em um líquido a partir de núcleos gasosos microscópicos Cavitação 2 Uma região afetada pela cavitação assemelhase à superfície porosa de uma esponja Principais erros na identificação de ocorrência de cavitação Confundir com deterioração através de particulados areia etc Confundir com má qualidade de fabricação do componente Cavitação Cavitação Vídeo httpswwwyoutubecomwatchvgRsvO4Gpnf0 5 Cavitação 6 Uma característica importante para identificação do acontecimento de cavitação é o ruído gerado pelo rompimento implosão das bolhas O rompimento das bolhas gera um impacto que cria uma variação de pressão no local que varia entre 60 a 200 MPa Cavitação 7 Cavitação O crescimento desses núcleos microscópicos acontece por vaporização Isto acontece sempre que a pressão em um ponto qualquer do escoamento atingir valores iguais ou inferiores à pressão de vaporização do líquido na temperatura em que ele se encontra Cavitação 8 Cavitação Cavitação 9 Cavitação Zonas de baixa pressão próxima as arestas de saída devido à sobrevelocidade da corrente Formase bolhas de vapor contendo gases não dissolvidos na água ou vapor dágua A partir que essas bolhas são arrastadas crescem de tamanho até a pressão retorne acima da pv Neste ponto o vapor contido no interior das bolhas condensase bruscamente deixando espaço vazio implosão das bolhas O choque entre as partículas que ocupam o espaço deixado gera uma onda de choquem surgindo altos picos de pressão Cavitação 10 Cavitação As sobrepressões se propagam em todas as direções com velocidade equivalente à do som na água ruído As superfícies métalicas próximas da zona de colapso das bolhas serão atingidas por golpes altamente concentrados e repetidos causando a erosão por cavitação O acontecimento de cavitação resulta em diminuição da potência gerada e do rendimento do mecanismo Cavitação O acontecimento de cavitação resulta em diminuição da potência gerada e do rendimento do mecanismo 11 Perfil exterior de uma pá de máquina de fluxo axial 12 Cavitação pe pressão de estagnação pr pressão de referência do fluido pv pressão de vaporização 13 Cavitação Cavitação Cavitação 15 Cavitação Cavitação 16 A cavitação pode ocorrer até mesmo nos melhores projetos Soluções Injeção de ar nas zonas de baixa pressão do rotor Grandes alturas de elevação maior custo Materiais mais resistentes a cavitação seleção de materiais Cavitação 17 Velocidade de erosão Aço inoxidável é mais recomendado quando comparado ao ferro fundido Materiais com maior elasticidade tenacidade demoram mais para sofrer erosão Cavitação Coeficiente de Cavitação 18 Vários parâmetros são utilizados para caracterizar o início da cavitação Quando a cavitação é provocada por singularidades que originam redução local da pressão tubos de venturi diafragmas curvas etc o coeficiente de cavitação é definido como σ pr pv ρ c2Τ2 Cavitação Coeficiente de Cavitação 19 σ pr pv ρ c2Τ2 Cavitação 20 Coeficiente de Cavitação Nas máquinas de fluxo substituise este coeficiente por um que considera grandezas diretamente ligadas à estrutura da instalação designado por coeficiente de Thoma definido como σ Ys Y ou σ ps γ H onde Ys é a energia específica correspondente à depressão devido à sobrevelocidade Y é o salto energético específico correspondente à altura de queda ou altura de elevação Cavitação 21 Coeficiente de Cavitação Esse coeficiente depende da forma do rotor ou seja da velocidade específica O coeficiente é considerado como uma medida de sensibilidade de uma máquina a cavitação Com base em dados experimentais e protótipos sugerese curvas ou equações desse coeficiente em função da velocidade específica Cavitação 22 qA q Coeficiente de Cavitação Ao valor particular deste coeficiente correspondente à situação para a qual tem início a cavitação designase por σmin Para turbinas de reação de eixo vertical σmin 24 105 n164 Para turbinas Francis σmin 395 106 n2 Cavitação 23 qA qA Coeficiente de Cavitação Ao valor particular deste coeficiente correspondente à situação para a qual tem início a cavitação designase por σmin Para turbinas Hélice ou Kaplan σmin 028 2124 109 n3 Para bombas hidráulicas σmin 29 104 n4Τ3 NPSH e altura de sucção máxima 24 3 A pressão na linha de sucção nunca deve ser inferior à pressão do vapor do líquido A energia disponível para conduzir o líquido sem risco de cavitação é definida como a energia total na sucção menos a energia correspondente à pressão de vapor do líquido Essa medida de energia é denominada NPSH Net positive Suction Head 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑 𝑝3 γ 𝑐2 2𝑔 𝑝𝑣 γ NPSH e altura de sucção máxima 25 3 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑 𝑝3 γ 𝑐2 2𝑔 𝑝𝑣 γ NPSH e altura de sucção máxima 26 2 Buscando uma equação mais prática para o cálculo do NPSHd para uma bomba centrífuga 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑 𝑝2 γ 𝑝𝑣 γ 𝐻𝑠𝑔 𝐻𝑝𝑠 𝑐2 2𝑔 NPSH e altura de sucção máxima 27 Cada bomba exige uma certa quantidade de NPSHb para que não haja cavitação Essa energia é chamado de NPSH requerido pela bomba ou energia de segurança à cavitação Esse parâmetro depende das características construtivas da máquina e propriedades do fluido A determinação do NPSHb é feita experimentalmente e como apresenta dificuldades conta com ajuda de coeficientes NPSH e altura de sucção máxima 28 3 3 O NPSHb é expresso como 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑏 𝜆1 𝑤2 2𝑔 𝜆 𝑐2 2 2𝑔 Nas bombas existentes no mercado assumese 𝜆103 e 𝜆2 12 NPSH e altura de sucção máxima 29 Como NPSHb é em função da velocidade absoluta e relativa NPSH fQ Por esse motivo geralmente o NPSH é obtido a partir de uma curva em função da vazão Para o projeto da linha de sucção de uma bomba para a evitar a cavitação implica que 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑏 NPSH disponível NPSH requerido informação do fabricante NPSH e altura de sucção máxima 30 Cuidado em utilizar os valores de pressão de vaporização coerentes com a temperatura de trabalho NPSH e altura de sucção máxima 31 3 6 O máximo valor de altura de sucção geométrica 𝑯𝒔𝒈𝒎á𝒙 é alcançado quando a pressão absoluta diminui até o valor da pressão de vaporização em um ponto X Para bombas centrífugas 𝐻𝑠𝑔𝑚á𝑥 𝑝2 γ 𝑝𝑣 γ 𝜎𝑚𝑖𝑛 𝐻 𝐻𝑝𝑠 𝑐2 2𝑔 Para turbinas hidráulicas 𝐻𝑠𝑔𝑚á𝑥 𝑝7 γ 𝑝𝑣 γ 𝜎𝑚𝑖𝑛 𝐻 𝐻𝑝𝑠 𝑐2 2𝑔 NPSH e altura de sucção máxima 32 3 6 Para bombas centrífugas 𝐻𝑠𝑔𝑚á𝑥 𝑝2 γ 𝑝𝑣 γ 𝜎𝑚𝑖𝑛 𝐻 𝐻𝑝𝑠 𝑐2 2𝑔 Para turbinas hidráulicas 𝐻𝑠𝑔𝑚á𝑥 𝑝7 γ 𝑝𝑣 γ 𝜎𝑚𝑖𝑛 𝐻 𝐻𝑝𝑠 𝑐2 2𝑔 NPSH e altura de sucção máxima 33 Para bombas semelhantes operando em pontos correspondentes ou para uma mesma bomba em diferente velocidade temos σ𝑚𝑖𝑛 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑏 H constante Essa equação vale somente como uma aproximação já que as leis de semelhança não são amplamente satisfeitas quando tem o início da cavitação Cavitação Altura geométrica de sucção Hsg 10 m 34 Exemplo 1 O teste de uma bomba girando na sua velocidade de projeto n3500 rpm e operando com água de massa específica de 1000 kgm³ revelou os seguintes dados para o ponto de melhor rendimento Pressão manométrica na descarga da bomba pd 360 kPa Pressão manométrica na admissão pa 40 kPa Velocidade de admissão 4 ms Vazão Q 80 ls Torque Me 14 Nm Cavitação 35 Exemplo 1 Sabendo que os manômetros encontramse instalados na admissão e descarga da bomba nivelados e em pontos onde as canalizações possuem o mesmo diâmetro determinar a Altura de elevação da bomba b O seu tipo c O seu rendimento total d O NPSH requerido e Perda de carga na sucção considerando que o reservatório encontrase aberto Cavitação 36 Exemplo 1 Cavitação Utilizar Tabela da Fig 68 37 Exemplo 2 Calcular o diâmetro comercial mínimo para que não ocorra a cavitação de uma canalização de sucção de uma bomba cujo NPSHb 20 m O fluido bombeado é agua a 75 C e as características da instalação são as seguintes Comprimento equivalente total da canalização de sucção 85 m Nível do líquido no reservatório de sucção aberto à atm 25 m abaixo do eixo da bomba Q 45 m³h Altitude do local de instalação nível do mar Cavitação Exemplo 2 38