Cavitação em Sistemas Hidráulicos: Definições e Condições

Hidráulica CAVITAÇÃO E NPSH Albanise Barbosa Marinho Agosto de 2023 Universidade Federal da Paraíba Centro de Tecnologia Departamento de Engenharia Civil e Ambiental Disciplina Hidráulica 1 CAVITAÇÃO Fenômeno que ocorre com a formação de bolhas ou cavidades no fluido circulante da tubulação de sucção prejudiciais ao funcionamento e à vida útil da bomba hidráulica Fenômeno é observado somente em líquidos não ocorrendo sob quaisquer condições normais em sólidos ou gases 2 CAVITAÇÃO O aparecimento de uma pressão local na entrada da bomba menor ou igual a pressão de vapor do líquido na temperatura em que este se encontra poderá ocorrer quando o líquido que a bomba está succionando está muito longe ou profundo causando um aquecimento do liquido e formação de bolhas Pode ocasionar os seguintes efeitos Se a pressão do líquido na entrada da bomba for menor ou igual à pressão de vapor e se ela a pressão se estender a toda a seção do escoamento poderá formarse uma bolha de vapor capaz de interromper o escoamento Se esta pressão for localizada a alguns pontos da entrada da bomba as bolhas de vapor liberadas serão levadas pelo escoamento para regiões de altas pressões região de saída do rotor 3 CAVITAÇÃO Em um sistema de bombeamento o processo de vaporização será iniciado quando o líquido no trecho da sucção atingir a pressão de vapor para aquela temperatura formando pequenas bolsas bolhas ou cavidades no interior das quais o líquido se vaporiza 4 Em seguida as bolhas são conduzidas pela corrente líquida provocada pelo movimento do rotorimpulsor atingem regiões de elevada pressão dentro da bomba onde se processa o colapso implosão destas bolhas com a condensação do vapor e o retorno ao estado líquido Condições de cavitação Para que uma bomba trabalhe sem ter problemas de cavitação é necessário que em todos os pontos do percurso do fluido a pressão seja sempre superior à pressão de vapor à temperatura em que funciona a instalação 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 da tubulação de sucção das perdas de carga contínua e localizadas ao longo da tubulação de sucção A cavitação geralmente acontece quando há falta de fornecimento de líquido e a bomba trabalha com uma vazão menor daquela para a qual foi projetada 6 CAVITAÇÃO Queda de rendimento da bomba hidráulica Destruição das paredes da carcaça ou difusor ou voluta Destruição das palhetas do rotor Com as implosões das bolhas são liberados íons livres de oxigênio que atacam as superfícies metálicas corrosão química dessas superfícies Gera vibração mecânica e ruído Efeitos da cavitação 7 Medidas destinadas a minimizar o aparecimento de cavitação Trabalhar sempre com líquidos frios T Pv Reduzir as perdas de carga na sucção eliminando conexões ou aumentando o diâmetro da tubulação Elevar o nível do líquido no tanque de sucção Tornar a linha de sucção a mais curta e reta possível para diminuir a perda de carga Selecionar o diâmetro da tubulação de sucção de modo que a velocidade não ultrapasse 2 ms Usar redução excêntrica na entrada da bomba para evitar a formação de bolsas de ar Instalar a válvula de pé de forma a evitar a sucção de ar 10 11 Altura máxima de sucção das bombas Altura geométrica de Sucção das Bombas Para que uma bomba trabalhe sem cavitar tornase necessário que a pressão do líquido na entrada da bomba seja superior à pressão de vapor à uma dada temperatura de escoamento do líquido Considerandose a pressão absoluta e aplicandose o Teorema de Bernoulli ao sistema esquematizado a seguir com plano de referência passando pelo nível da água no reservatório temse 𝑃𝑎𝑡𝑚 𝛾 0 0 𝑃2 𝛾 𝑉2 2𝑔 ℎ𝑔𝑠 ℎ𝑓12 1 ℎ𝑔𝑠 𝑃𝑎𝑡𝑚 𝛾 𝑃2 𝛾 𝑉2 2𝑔 ℎ𝑓12 12 Como os termos entre parênteses são maiores que zero a altura geométrica de sucção é menor que o valor da pressão atmosférica local Altura geométrica de Sucção das Bombas ℎ𝑔𝑠 𝑃𝑎𝑡𝑚 𝛾 𝑃2 𝛾 𝑉2 2𝑔 ℎ𝑓12 Considerandose também que na passagem do fluido pelo interior da bomba ocorre perda de carga hf2a3 a equação 1 modificase para 𝑃𝑎𝑡𝑚 𝛾 𝑃2 𝛾 𝑉2 2𝑔 ℎ𝑔𝑠 ℎ𝑓12 1 𝑃𝑎𝑡𝑚 𝛾 𝑃2 𝛾 𝑉2 2𝑔 ℎ𝑔𝑠 ℎ𝑓12 ℎ𝑓23 13 Altura geométrica de Sucção das Bombas Considerandose ainda que não deve ocorrer vaporização da água o limite mínimo de pressão na entrada da bomba P2γ é a pressão de vapor Assim organizandose a equação anterior temse 𝑃𝑎𝑡𝑚 𝛾 𝑃2 𝛾 𝑉2 2𝑔 ℎ𝑔𝑠 ℎ𝑓12 ℎ𝑓23 𝑃𝑎𝑡𝑚 𝛾 𝑃𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝛾 ℎ𝑔𝑠 ℎ𝑓𝑠 𝑉2 2𝑔 ℎ𝑓23 𝑃𝑎𝑡𝑚 𝛾 𝑃𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝛾 𝐻𝑠 𝑉2 2𝑔 ℎ𝑓23 14 Altura estática de sucção Altura geométrica de Sucção das Bombas Cada lado desta igualdade é chamado de NPSH net positive suction head carga líquida de sucção positiva e representa a energia disponível na sucção ou seja carga positiva e efetiva na sucção Do lado esquerdo significa o saldo de energia disponível NPSH disponível para a água entrar na bomba ainda no estado líquido Do lado direito a soma significa a energia exigidarequerida NPSH requerido para a água passar pela bomba com determinada velocidade e perda de carga É a energia que deve estar disponível no interior da bomba para evitar a cavitação 𝑃𝑎𝑡𝑚 𝛾 𝑃𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝛾 ℎ𝑔𝑠 ℎ𝑓𝑠 𝑉2 2𝑔 ℎ𝑓23 15 Altura geométrica de Sucção das Bombas 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑 𝑃𝑎𝑡𝑚 𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙 𝛾 𝑃𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝛾 ℎ𝑔𝑠 ℎ𝑓𝑠 Concluise que os únicos termos em que é possível modicar são hgs e hfs hfs é função do material e do comprimento da tubulação de sucção hgs é o desnível da água à sucção da bomba NPSHd disponível disponibilidade de energia com que o líquido entra na bomba Depende das condições locais Característica da instalação da bomba 16 Se a bomba estiver afogada ou seja se seu eixo estiver abaixo do nível dágua do reservatório inferior a expressão de NPSH disponível fica Para uma instalação não afogada 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑 𝑃𝑎 𝛾 𝑃𝑣 𝛾 ℎ𝑔𝑠 ℎ𝑓𝑠 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑 𝑃𝑎 𝛾 𝑃𝑣 𝛾 ℎ𝑔𝑠 ℎ𝑓𝑠 hs 17 NPSH requerido É uma característica da bomba fornecida pelo fabricante definida como a energia requerida pelo líquido para chegar ao ponto onde ganhará energia e será recalcado a partir do flange de sucção e vencendo as perdas de carga Depende dos elementos do projeto da bomba diâmetro do rotor rotação Em geral é fornecido por meio de um gráfico 18 Altura máxima de sucção ℎ𝑔𝑠 p𝑎𝑡𝑚 γ 𝑝𝑣 γ ℎ𝑓𝑠 NPSH 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑 𝑃𝑎𝑡𝑚 𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙 𝛾 𝑃𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝛾 ℎ𝑔𝑠 ℎ𝑓𝑠 A pressão atmosférica varia com a altitude e com as condições climáticas Até 2000 m de altitude pode ser calculada pela fórmula p𝑎𝑡𝑚 γ 136 760 0081 ℎ 1000 19 NPSHdisponível NPSHrequerido 20 Condição para funcionamento da bomba sem cavitação Na prática Folga mínima 05 m ou 20 melhor acima 15 m ou 35 Pressão de vapor em função da temperatura Temperatura ºC Pressão de vapor mca Temperatura ºC Pressão de vapor mca Temperatura ºC Pressão de vapor mca 0 0611 40 0750 80 4828 5 0872 45 0974 85 5894 10 0123 50 1255 90 7149 15 0172 55 1602 95 8620 20 0238 60 2028 100 10333 25 0322 65 2547 105 12320 30 0433 70 3175 115 17260 35 0572 75 3929 120 20270 21 Exercícios 1 Uma bomba hidráulica centrífuga será instalada em um local a 550 m de altitude onde recalcará água à temperatura de 30C A perda de carga total no sistema é da ordem de 06 mca enquanto o fabricante estipula que o NPSHr pelo equipamento de 47 mca Sabendose que o equipamento operará na condição não afogada determinar a altura estática de sucção máxima possível nestas condições de projeto 𝑃𝑣 𝛾 𝑇 30𝑜𝐶 0433 23 Temperatura ºC Pressão de vapor mca 0 0611 5 0872 10 0123 15 0172 20 0238 25 0322 30 0433 35 0572 Exercícios 2 Calcular a máxima altura estática de aspiração de uma bomba para elevar 80 L s1 de água a uma altura manométrica de 20 m Sabese também que para esta vazão o NPSHR é de 169 m temperatura da água 20 ºC altitude local 175 m rotação da bomba 1150 rpm perda de carga na sucção 13 m 24 Exercícios 3 Dados Altitude 900 m Líquido água a 30oC Sucção hgs 4 m Q 35 m3h hfs 1 mca NPSHr 6 mca catálogo da bomba Pedese a O NPSHd b Verificar se haverá cavitação c Determinar a máxima altura geométrica de sucção para evitar a cavitação 25 Exemplo 4 56 Porto Hidráulica Básica A Bomba mostrada na Figura abaixo deverá recalcar uma vazão de 30 m3 h1 com uma rotação de 1750 rpm e para esta vazão o NPSH requerido é de 250 m A instalação da bomba está na cota 83450 m e a temperatura média da água é de 20C Determinar o valor do comprimento X para que a folga entre o NPSH disponível e requerido seja de 380 m 26 Dados Diâmetro da tubulação de 3 material da tubulação de PVC rígido coeficiente de rugosidade da fórmula de HazenWilliams C 150 Na sucção existe uma válvula de pé com crivo e um joelho de 90 Exercício 5 Desejase elevar água do reservatório A para o reservatório B Sabe se que a vazão é igual a 4 ls e dados Determine a Velocidade da água na tubulação de sucção b Velocidade da água na tubulação de recalque c Potência da bomba d Tempo para encher o reservatório B Peso específico 10000 Nm³ Dsucção 10 cm Drecalque 5 cm Vb 10m³ Hb 222 m Rendimento 70 27