CAVITAÇÃO Máquinas de Fluxo

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CAVITAÇÃO
Introdução
Antes de abordarmos sobre o assunto de cavitação, precisamos definir o que é Pressão de vapor (Pv).
	A pressão de vapor é a pressão no qual um liquido em certa temperatura começa a vaporizar, mudando do estado liquido para vapor, o exemplo mais comum é a fervura da água que acontece a aproximadamente 100ºC.
	
A pressão de vapor está relacionada diretamente com a temperatura, a pressão de vapor indica a volatilidade do liquido, quanto mais fácil o liquido se transforma em vapor maior é a volatilidade. Assim como o alccol, éter e etc, quando comparado com a água.
	Em sistemas industriais é comum encontrar líquidos com alta volatilidade, podemos citar a condição num sistema hidráulico, onde a água se encontra a 10ºC na pressão de 10 kpa (pressão absoluta), inicia-se a vaporização da água. Ao contrário do aquecimento forçado, a vaporização neste caso é espontâneo. No processo contínuo de escoamento, a pressão irá decrescer durante o tempo.
A Cavitação é o fenômeno que ocorre quando a pressão do escoamento atinge a pressão de vapor gerando bolhas de vapor dentro do escoamento, estas bolhas ao entrarem na região de maior pressão implodem, causando vibração e erosão nos componentes dos equipamentos.
Normalmente ocorrem em:
Bombas Hidraúlicas
Vávulas
Rotores de turbinas
Hélices marítimas
Pouco antes da entrada do fluido, tendo sua pressão de vapor reduzida e ao entrarem contato com a pá atinge o ponto de maior pressão do sistema ou seja, sai de uma pressão muito baixa para uma pressão muito alta ocasionando a implosão das bolhas com alto impacto sobre as paredes dos equipamentos fazendo que ocorra remoção de material (Pitting), a erosão que ocorre por cativação difere da erosão que ocorre por corrosão.
Como há bastante remoção de material, geralmente é necessário a substituição dos componentes, em turbinas hidrelétricas o reparo é realizado com a parada do sistema geral e a soldagem das pás afim de repor material perdido no fenômeno da cativação.
Como ocorre a cavitação
No gráfico abaixo está representado a evolução da pressão do fluido bombeado ao longo de um canal do impulsor, limitado pelo lado de aspiração (SS) e pelo lado de compressão (DS) das pás do impulsor, numa bomba que funciona na zona de caudal da sua curva.
 
A queda pontual da pressão estática deve-se ao aumento repentino da velocidade absoluta do fluido à entrada do impulsor. Após esta queda de pressão na entrada do impulsor, a pressão estática volta a subir acima da pressão de vaporização do fluido e as bolhas de vapor condensam bruscamente. 
Quanto mais baixo é o valor da pressão na entrada do impulsor (p0), mais baixa será 
também a pressão mínima (pmin) atingida no interior do impulsor e, consequentemente, mais facilmente poderá ser atingida a pressão de vaporização do fluido (pD). 
 
No gráfico seguinte estão representadas, comparativamente, as consequências da descida da pressão à entrada do impulsor. Se a pressão for suficientemente baixa (p0II), a pressão mínima (pmin) iguala a pressão de vaporização (pD) pontualmente e ocorrerá a formação das primeiras bolhas de vapor. 
Para esta situação na fronteira, chama-se Cavitação Incipiente. Com uma diminuição mais acentuada da pressão na entrada do impulsor (P0III), uma determinada extensão do impulsor será ocupada com bolhas de vapor (desenho por cima do gráfico).
 
O colapso das bolhas dentro da bomba causa a retirada do material da superfície, fenômeno conhecido como pitting. Além dos danos ao rotor, a cavitação causa a instabilidade da tubulação, vibrações e defeitos mecânicos.
Efeitos da cavitação
Critérios para aplicação 
Para evitar as consequências da cavitação, é necessário garantir uma determinada margem de segurança entre a pressão registrada na entrada do impulsor e a pressão de vaporização do fluido. À diferença entre a pressão à entrada do impulsor e a pressão de vaporização do fluido, é chamado NPSH (Net Positive Suction Head).
O NPSH é um valor neutro que só ganha significado quando definido o contexto em que ele se aplica. Neste estudo exemplificaremos uma bomba, mas pode ser aplicado para outras máquinas de fluxo que tenha finalidade propulsora.
(NPSHp ou NPSHr) é a pressão mínima requerida à entrada do impulsor para que não ocorra cavitação. Na prática é extremamente complicado definir o valor do NPSHr, isso implicaria a instalação de sistemas de monitorização no interior do impulsor da bomba, a fim de determinar o exato momento do início da cavitação. 
O NPSH da bomba é normalmente determinado por via experimental, mediante a estipulação prévia de determinados critérios. Tendo em conta que o início do desenvolvimento de bolhas de vapor ocorre bastante antes da performance da bomba ser afetada pela cavitação, é usual definir critérios de níveis de cavitação admissíveis.
Na prática, são aplicados diferentes tipos de critérios:
NPSHi: Cavitação incipiente;
Redução da altura manométrica numa determinada percentagem
0%       NPHS0 (= inicio redução altura devido cavitação)
1%       NPSH1
2%       NPSH2
3%       NPHS3
X%      NPSHx
NPSHfull:   Cavitação total (equipamento não gera caudal);
NPSHDh:    Queda da eficiência num determinado valor;
NPSHm:     Erosão de uma determinada quantidade de material, num determinado intervalo de tempo;
NPSHPhon:Limite de um determinado nível sonoro;
NPSHVibr:  Limite de um determinado nível de vibração;
De um modo geral, os fabricantes usam o critério de redução da altura manométrica em 3% para determinar o valor de NPSH representado nas suas curvas. 
Geralmente recomenda-se uma margem de segurança (≥0,5 m) para adicionar ao NPSHr, que varia para cada tipo de bomba e construção
 
Determinação experimental do NPSHr usando o critério de redução da altura (H) em 3%
Correlação entre nível de entrada de água – baixa e alta.
Ao valor NPSH3 corresponde uma situação de existência de cavitação com uma intensidade normalmente considerada aceitável, mas outros critérios poderão ser utilizados. Para assegurar o bom funcionamento da máquina numa determinada instalação, é fundamental calcular o NPSH da instalação e garantir que o NPSHinstalação > NPSHr.
NPSH da instalação
O NPSH de uma instalação (NPSHa) é a pressão do fluido subtraída da sua pressão de vaporização que, mediante as características do sistema, está disponível à entrada do impulsor. A sua fórmula de cálculo depende do tipo de instalação. 
Numa instalação com aspiração negativa ela é: 
NPSHa = (pe + pb – pv)/(r. g) + ve2/2g – HL,s – Hsgeo ± s’
Sendo pe, a pressão no tanque de aspiração, pb a pressão atmosférica, pv  a pressão de vaporização do fluído, ve a velocidade de escoamento, HL,s a soma das perdas de carga na aspiração, Hsgeo  o desnível geométrico na aspiração, e s’ a cota de referência da bomba quando a instalação é vertical, r é a densidade do fluído e g é a constante gravitacional.
Para instalação com aspiração negativa ela é: 
NPSHa = (pe + pb – pv)/(r. g) + ve2/2g – HL,s + Hz geo ± s’
Medidas para correção
Para não ocorrer a cavitação, temos que levar em condição que NPSHa>NPSHr  e tem de ser garantida em todo o funcionamento, após a instalação do equipamento verificar a ocorrência de cavitação, as medidas para correção passam a aumentar o valor de NPSHa ou baixar o valor de NPSHr. 
Os valores de NPSHa e NPSHrde uma instalação têm por base a geometria fixa do sistema. Levando para a melhoria da condição NPSHa>NPSHr num sistema de operação só poderá ser possível mediante acentuadas alterações o que normalmente implica com elevados custos.
Para aumentar o valor de NPSHa, as opções passam por aumentar o valor de 
HZ geo (aspiração positiva) ou reduzir o valor de HS geo (aspiração negativa), subindo o nível do reservatório de aspiração ou baixando a cota de instalação da bomba (Fig. 6). Ou reduzir as perdas decarga no troço de aspiração do sistema, substituindo a tubagem e válvulas por outras que representem menores perdas.
Com o aumento do valor de NPSHa da situação 1 para a situação 2, a bomba pode funcionar no ponto B, sem cavitação.
Para aumentar o valor de NPSHr, as opções são: substituir a bomba por uma outra que tenha um menor NPSHr ou em alguns casos usar um impulsor especial de baixo NPSHr no andar de aspiração em bombas multicelulares, ou instalar um induto dentro de um pequeno impulsor à frente do impulsor da bomba como mostra a figura.
 Qualquer uma destas soluções implica alterações significativas na construção da bomba como já mencionado, devido aos custos só se torna viável em grandes bombas. 
 
 Desenho de uma bomba com indutor
 
Em certos casos, quando a performance da máquina se mantém dentro de níveis aceitáveis, é possível reduzir substancialmente os efeitos de erosão provocada pela cavitação, usando impulsores em materiais com melhor qualidade. 
Os materiais com maior resistência ao efeito da cavitação são aqueles que apresentam uma boa resistência mecânica, combinada com elevada resistência à corrosão. 
Por exemplo, se atribuirmos ao ferro fundido cinzento (GG-25) um índice de perda de peso igual a 1.0 por efeito da cavitação, temos a seguinte graduação de outros materiais com melhor resistência:
Ferro fundido cinzento (GG-25) - índice 1.0
Aço vazado (GS-C-25) - índice 0.8
Bronze (G-CuSn-10) - índice 0.5
Aço crómio (G-X 20 Cr 14) - índice 0.2
Liga de bronze (G-AlBz 10 Fe) - índice 0.1
Aço crómio-níquel (G-X 6 CrNi 18 -9) - índice 0.05
Noridur ® (G-X 3 CrNiMoCu 24 6) - índice 0.02     
Conclusão
A resolução mais eficiente e viavelmente financeira vai de encontro com as especificações de cada equipamento. 
No contexto geral não há como resolver o problema de cativação com uma aplicação simples e sem envolver altos custos dependendo da máquina.
No entanto é recomendável uma análise mais profunda do projeto e que na compra da máquina seja conferida e garantida a condição NPSHa>NPSHr.
Fonte: Pesquisas on-line, you tube e sites como: KSB Global e Otto sistemas