Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva 1 Máquinas de Fluxo Prof. Dr. Emílio Carlos Nelli Silva Escola Politécnica da USP Departamento de Engenharia Mecatrônica e Sistemas Mecânicos Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva 2 • Introdução Cavitação • Estudo da cavitação: • Fenomenológico: identificação e combate à cavitação e seus efeitos • Teórico: equacionamento do fenômeno visando a sua quantificação: condições de equilíbrio, desenvolvimento e colapso de bolhas • Aqui: análise da cavitação = fenomenológica • Cavitação: limitada a líquidos • Conseqüências desastrosas para o escoamento e para as regiões sólidas em contato com o mesmo • Ocorrem em regiões de baixa pressão: faces de sucção de máquinas, condutos de sucção, faces de jusante de válvulas, etc. Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva 3 • Conceituação Cavitação • Cavitação: formação de uma fase de vapor líquido em regiões submetidas a pressões reduzidas • Cavitação e Ebulição: processos termodinamicamente semelhantes • Ebulição: elevação de temperatura com pressão constante • Cavitação: redução de pressão, temperatura constante • Processo: longe do equilíbrio termodinâmico pressões locais inferiores às de vaporização (pressão de vapor do líquido), assim como a presença de gás área de cavitação bolhas Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva 4 • Conceituação Cavitação • Diagrama de fase T-p da água, com as condições de cavitação e de ebulição • Obs.: retorno do vapor à fase líquida = condensação, em qualquer caso • 293,3K pressão de vapor da água: pv=2,37 10 3 Pa • vapor: v=57,8m3/kg ρv=0,017kg/ m 3 • água líquida: ρl=998,3kg/m 3 • Trabalho realizado para mudança de fase permite avaliar o nível de energia envolvido no processo Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva 5 • Ocorrência de cavitação Cavitação • Presença de núcleos livres de gás no meio fluido = indutores da vaporização nas regiões submetidas a pressões de vapor do líquido • Cavitação irá ocorrer apenas se os núcleos se tornarem instáveis • Micro-bolhas de vapor e gás formadas: implodem em campos de pressão mais elevada • Conseqüências: • Formação e colapso das bolhas: vibrações em amplo espectro de freqüências elevadas • Implosão: micro-jatos = erosão Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva 6 • Ocorrência de cavitação Cavitação • Esforços sobre a bolha • Pressão externa à bolha, mostrando regiões de estabilidade e instabilidade • Pa: pressão externa à bolha • Pv: pressão de vapor do líquido • Pg: pressão do gás • R: raio da bolha • γ: Tensão superficial do líquido Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva 7 • Ocorrência de cavitação • Identificação da ocorrência de cavitação Cavitação • Cavitação: comportamentos e ruídos muito característicos • deterioração do escoamento local • erosão das partes sólidas: percebida após longo período de ataque devido às reduzidas dimensões dos micro-jatos • Indicações: • Ruído típico: freqüências de formação e colapso de bolhas na faixa audível – “esfregar de areia contra as paredes” (obs.: início da cavitação = inaudível) • Queda de desempenho: bloqueio parcial do escoamento pelas bolhas de vapor e gás formadas, seguida da redução da altura manométrica (cavitação plena) • Descolamento do escoamento: induz a operação instável da máquina: evidencia-se em vibrações das partes girantes • Bloqueio da vazão em válvulas: velocidades locais induzem baixas pressões Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva 8 • Ocorrência de cavitação • Combate à cavitação Cavitação • Procedimentos de combate: • Aumento da pressão estática local: na maioria das vezes = alteração na instalação • Alteração na forma dos perfis alteração dos campos de velocidade e de pressões = campos de pressões mais elevadas: • medida tomada após confecção = caro • Escolha de material resistente: Ex: ligas de aço inoxidável (Cr-Ni) • Injeção de ar comprimido: aumento localizado de pressão + colchão de ar protetor • Perfis supercavitantes • problema: impõem elevada dissipação ao escoamento Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva 9 • Parâmetros de cavitação Cavitação • Identificação da sensibilidade de máquinas e instalações à cavitação: parâmetros numéricos dados por expressões matemáticas (empíricas ou não) • NPSH: aplicação limitada a bombas hidráulicas • Número de cavitação σ = coeficiente de Thoma: todos os demais casos Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva 10 • Parâmetros de cavitação • NPSH (Net Positive Suction Head) Cavitação • Idéia: pressão utilizada (disponível) > pressão necessária (requerida) • Prática: Energia disponível > Energia requerida – fabricante • NPSH: definido no início do século – referência universal • NPSHd: carga absoluta líquida na face de sucção da máquina (flange) • Líquida = acima de pv g2 v g pp NPSH 2 FvF d • pF: pressão no flange • pv: pressão de vapor do líquido na temperatura de operação • vF: velocidade média na seção do flange Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva 11 • Parâmetros de cavitação • NPSH (Net Positive Suction Head) Cavitação • Como se calcula na prática: considerem-se as instalações: Bomba afogada Bomba não afogada Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva 12 • Parâmetros de cavitação • NPSH (Net Positive Suction Head) Cavitação ssFlangevelpatm entradaentradavel Flangevelpentradavelp hHHHH 0hH perdashHHhHH • Para a bomba não afogada: • Equilíbrio de energias: vFlangevelp 2 FvF hHH g2 v g pp NPSH • Mas: • Assim: atm v s s atm v s sH NPSH h H h NPSH H h H h • Afogada (exercício): ssvatm hHhHNPSH Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva 13 • Parâmetros de cavitação • NPSH (Net Positive Suction Head) Cavitação • O que temos: medida da energia para operar a instalação • Queremos: NPSHr: energia requerida pela bomba, no mesmo ponto de operação = mesma vazão • Lembrar: estamos na fase de projeto • NPSHrxQ: curva experimental (fabricante) – depende de modificações geométricas do rotor, na carcaça das bombas (ou na caixa espiral - turbinas) Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva 14 • Parâmetros de cavitação • NPSH (Net Positive Suction Head) Cavitação • Têm-se: • NPSHd<NPSHr Cavitação • NPSHd=NPSHr Cavitação (normalmente) • NPSHd>NPSHr Pode ou não haver Cavitação • Obs.1: NPSHr: fabricante pode oferecer carga de segurança a cavitação que, se somada ao NPSHr, garante a não cavitação • Obs.2: Cavitação ou não em erosão Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva 15 • Parâmetros de cavitação • Desenvolvimento de cavitação Cavitação • Desenvolvimento de cavitação será descrito a partir do ensaio mais comum para determinar o chamado NPSH3% de uma bomba hidráulica de fluxo • Bancada específica • Obs.: sucção não afogada mais conveniente: favorece cavitação (desejada no ensaio) Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva 16 • Parâmetros de cavitação • Desenvolvimento de cavitação Cavitação • Ensaio: reduz-se NPSH • Seqüência de eventos: • Obs.: norma: NPSH referência: NPSH para redução de carga de 3% na vazão de ensaio = NPSH3% • Grandezas representadas pela letra Y: • Taxa de formação de bolhas • nível de ruído • taxa de erosão • % de redução de carga Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva 17 • Parâmetros de cavitação• Desenvolvimento de cavitação Cavitação • Exemplos de gráfico de NPSH3% dado pelo fabricante, variando-se a vazão: • Obs.: nesse caso: NPSH3% = para o maior diâmetro à favor da segurança Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva 18 • Parâmetros de cavitação • Coeficiente de Thoma σ Cavitação H NPSH r • Definido por Dieter Thoma em 1925, num trabalho sobre cavitação em turbinas Kaplan • Parâmetro de referência em turbinas • Thoma visou adimensionalisar NPSH (altura de queda) NPSH e σ oferecem a mesma informação (σ: pode ser usado para caracterizar famílias de máquinas) • Obs.: qc q75,0 n n Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva 19 • Pré-avaliação dos parâmetros de cavitação Cavitação • Expressões empíricas = levantamentos estatísticos feitos com máquinas em operação • Valores devem ser tomados apenas como referência – valores definitivos = análises experimentais Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva 20 • Pré-avaliação dos parâmetros de cavitação • Turbina Cavitação • Coeficiente de Thoma mínimo • Francis: • Kaplan: • Obs.: nq = rotação específica 41,1 q 4 n10x68,4 46,1 q 4 n10x24,4 Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva 21 • Pré-avaliação dos parâmetros de cavitação • Bombas Cavitação • Devido à grande variedade de bombas, não é possível uma sistematização tão objetiva quanto a existente para turbinas indicação para o pré- cálculo do coeficiente de Thoma: 3/4 q 6 n10x42,1 Prof. Dr. Emilio C. Nelli Silva 22 • Pré-avaliação dos parâmetros de cavitação • Bombas Cavitação • Famílias de bombas identificadas pela rotação específica referida à cavitação • Obs.1: pequeno número de formas construtivas (custo elevado) • Obs.2: NPSH3% para o ponto de máx. rendimento n (min -1)
Compartilhar