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Capítulo 8: Conceitos de Cavitação Conceitos de Cavitação Capítulo 8: Conceitos de Cavitação Introdução Os fluidos podem passar do estado líquido para o gasoso dependendo das condições de pressão e temperatura a que estão submetidos. A pressão na qual se da este processo é denominada pressão de vapor ou de vaporização (Pv). A Fig. 8.1 mostra a pressão de vaporização da água em função da temperatura. Sabemos que, a pressão atmosférica, a água vaporiza (ferve) quando a temperatura atinge em torno de 1000C. Nestas condições a pressão de vaporização da água é 101,33kPa. Observamos no gráfico que pode-se obter vaporização do fluido para pressões inferiores a pressão atmosférica. Por ex. água a 600C pode vaporizar quando a pressão de vapor é de 20kPa. Pressão de vapor (pvap) • Propriedade do fluido que varia com a temperatura, aumentando com a elevação da mesma. 0 20 40 60 80 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Temperatura (oC) Pr es sã o de Va po r de Ág u a (kP a) Figura 8.1 Pressão de vapor de água (kPa) em função da temperatura (oC) As bombas em operação aspiram o fluido, e nesse processo, a pressão diminui até atingir um valor mínimo na boca de entrada da bomba. Se esta pressão atinge a pressão de vapor do fluido, o fluido vaporiza e inicia um processo de formação de bolhas as quais são arrastadas no interior da bomba, provocando dados irreparáveis. Desta forma o estudo de cavitação permite avaliar, se nas condições de operação do sistema, a pressão na boca de entrada da bomba pode atingir pressões inferiores à pressão de vaporização. Cavitação: Processo de vaporização do fluido quando a pressão absoluta baixa até alcançar a pressão de vapor (pvap) do líquido na temperatura em que se encontra. O fenômeno de cavitação provoca: • Corrosão. • Remoção de pedaços de rotor e tubulação junto à entrada da bomba. • Afeta o rendimento. • Provoca trepidação e vibração máquina • Presença de ruídos e implosão. • No caso da água, a cavitação tem maiores efeitos para acima dos 450C. Materiais que resistem à corrosão por cavitação: • Ferro Fundido, Alumínio, Bronze, Aço Fundido, Aço doce laminado. Figura 8.2 Cavitação em bomba centrífuga Sistemas Fluidomecânicos A Fig.8.3 mostra claramente o efeito causado pelo fenômeno de cavitação principalmente na região de entrada das pás. Figura 8.3 Exemplos de rotores de bombas deteriorados pelo fenômeno de cavitação A Figura 8.4 mostra que a cavitação ocorre quando a pressão na entrada do rotor é inferior a pressão de vapor do fluido. Desta forma no caso da figura a direita o fluido vaporiza dentro do rotor. Figura 8.4 Gráfico esquemático mostrando a cavitação de bombas Capítulo 8: Conceitos de Cavitação 8.1 Determinação do NPSH (Net Positive Suction Head) Disponível Para analisar o fenômeno de cavitação utilizamos o esquema representado na Fig. 8.5. Para não ocorrer cavitação a energia total na entrada na bomba deve ser maior que a energia de vaporização. Define- se a energia disponível pelo sistema como sendo a diferença entre a energia total absoluta e a energia da pressão de vapor do líquido. Esta energia disponível pelo sistema é conhecida como NPSH (Net Positive Suction Head), que representa a altura positiva líquida de aspiração. Figura 8.5 Alturas características para analisar a cavitação em bombas. Aplicando a Eq. da energia a superfície livre do líquido no reservatório de captação (plano 0-0) e na boca de entrada da bomba (plano 1-1). 1 2 11 )10(0 2 00 22 z g v g phz g v g p L ++=−++ − ρρ ( 1 ) O plano de referência (0-0) está na superfície livre do reservatório z0=0. Considerando o reservatório muito maior que o da tubulação de aspiração, a velocidade v0 é muito pequena e, portanto, o termo de energia da mesma é desprezível (v02/2g=0). Com tais simplificações a equação é descrita como: [ ] [ ] [ ] [ ]LaLatm hhzvpp =≅≅= − )10(000 0 0 No plano (1-1): [ ] 1 ahz = Laa atm hh g v g p g p +++= 2 2 11 ρρ ( 2 ) Da Eq. anterior explicitamos os termos que representam a pressão total na entrada da bomba: Sistemas Fluidomecânicos Laaatm hhHg v g P −−= + 2 2 11 ρ ( 3 ) A qual é agora definida como Energia total absoluta na entrada da bomba: += g v g p ET 2 2 11 1 ρ ( 4 ) Definimos também a energia de pressão de vapor como: = g p E vvap ρ ( 5 ) Para não ocorrer cavitação a energia total na entrada na bomba deve ser maior que a energia de vaporização, desta forma ET1 > Evap. Como segurança define-se a energia disponível pelo sistema como sendo a diferença entre a energia total absoluta e a energia da pressão de vapor do líquido. vapTDisp EEE −= 1 ( 6 ) Figura 8.6 Representação gráfica da energia disponível. Representa a disponibilidade da energia com que o líquido penetra na boca de entrada da bomba. Nos sistemas de bombeamento denomina-se Altura Positiva Líquida de Aspiração (NPSH) Disponível. Trata- se da energia de segurança do sistema para não ocorrer cavitação. vapDisp hg v g pNPSH − += 2 2 11 ρ ( 7 ) Em termos das variáveis do sistema é dado por: vapLaaatmDisp hhhHNPSH −−−= ( 8 ) Capítulo 8: Conceitos de Cavitação 8.1.1 Caso Geral de (NPSH) Disponível Num caso mais geral a pressão absoluta no reservatório de aspiração (H1=P/ρg) pode ser diferente da pressão atmosférica (Hatm), e a bomba pode estar cima ou abaixo do reservatório de aspiração. Neste caso a equação de NPSH disponível é dada por: vapLaa abs Disp hhhg p NPSH −−≥ m ρ ( 9 ) ha (-) Bomba acima do reservatório de aspiração. (Bomba instalada na forma normal) ha (+) Bomba abaixo do reservatório de aspiração. (Bomba instalada na forma afogada) No caso de sistemas com reservatório de aspiração aberto a atmosfera. vapLaaAtmDisp hhhHNPSH −−≥ m ( 10 ) Figura 8.7 Tipos de sistemas afogado e normal. Sistemas Fluidomecânicos 8.1.2 Casos Específicos de Sistemas para Determinar o NPSH Disponível A Fig.8.8 mostra quatro casos que podem ser considerados para determinar o NPSH disponível pelo sistema. No Caso 1 trata-se de um reservatório aberto sendo que a superfície livre da água no reservatório esta por baixo do centro da bomba. Observe-se que neste caso a pressão no reservatório é a pressão atmosférica (Hatm). No Caso 2 é semelhante ao caso 1, contudo a diferença esta em que o reservatóriofechado (pressurizado) e desta forma a pressão a ser considerada é a pressão absoluta dentro do reservatório (Habs). No Caso 3 trata-de de um reservatório aberto, contudo a superfície livre do líquido esta por cima da bomba tratando-se de uma bomba afogada pelo qual a altura estática de aspiração considera-se com sinal negativo dentro do equacionamento do NPSHD. O Caso 4 é semelhante ao Caso 3, já que é uma bomba afogada, contudo com reservatório fechado e, portanto deve ser considerada a pressão absoluta no reservatório (Habs). A Fig. 8.8 apresenta a seguinte nomenclatura: NPSHD: Altura positiva liquida de aspiração disponível ha: Altura estática de aspiração hLa: Perda de carga na tubulação de aspiração hvap: Altura equivalente a pressão de vapor Habs: Altura equivalente a pressão absoluta no reservatório fechado (pressurizado) HAtm: Altura equivalente a pressão atmosférica no reservatório aberto. Figura 8.8 Tipos de sistemas afogado e normal. Capítulo 8: Conceitos de Cavitação 8.2 Altura Positiva Líquida de Sucção (NPSH) Requerida pela Bomba Para definir NPSH requerido pela bomba devemos identificar as parcelas de energia envolvidas: g vhNPSH q 2 2 1 Re +∆= ( 11 ) onde ∆h é a parcela de energia necessária para vencer as perdas de energia provindas da variação da velocidade relativa (W1) e perdas de energia devido ao atrito e à turbulência do líquido entre a boca de entrada na bomba e a entrada das pás devido ao aumento de velocidade absoluta C1 ∆h W g C g = + λ λ1 1 2 2 1 2 2 2 ( 12 ) Onde λ1, λ2 são coeficientes empíricos (0,3 e 1,2 respectivamente). g v g C g WNPSH q 222 2 1 2 1 2 2 1 1Re + += λλ ( 13.1 ) Geralmente o termo g v 2 2 1 é pequeno e desta forma se adota a equação: += g C g WNPSH q 22 2 1 2 2 1 1Re λλ (13.2) Assim, o NPSHreq depende das características construtivas da bomba. O NPSHreq é dado graficamente pelo fabricante. Figura 8.9 Representação da curva do NPSH num gráfico de bomba comercial. Sistemas Fluidomecânicos 8.3 Limite da Altura Estática de Aspiração Para evitar a cavitação, a energia disponível pelo sistema deve ser maior que a energia requerida pela bomba: )()( Re bombaNPSHsistemaNPSH qDisp > ( 14 ) Ou também: Dispq NPSHNPSH <Re vapLaaatmq hhhHNPSH −−−<Re Desta forma podemos determinar altura estática de aspiração que deve ser colocada a bomba em relação ao nível do líquido para não ocorrer cavitação: ) 2 ( 2 req a vapLaatma NPSHg vhhHh +++−< ( 15 ) Para evitar que ocorra cavitação devemos colocar a bomba numa altura menor que o valor limite dado pela equação anterior. Como a dedução foi realizada para um sistema normal e não afogado, devemos observar que o resultado numérico de tal equação nos fornece a seguinte informação: • Se o valor de ha é positivo, (por ex. 3,0m) significa que a bomba deverá ser instalada acima do nível do líquido. Bomba com Aspiração Normal. • Se o valor de ha é negativo, (por ex. -3,0m) significa que a bomba deverá ser instalada abaixo do nível do líquido. Bomba Afogada. Observa-se que tal altura depende das seguintes variáveis: • Pressão atmosférica local. O valor de ha será maior em instalações a nível do mar. • Perda de carga na tubulação de aspiração. Maior perda de carga menor será o valor de ha. • Pressão dinâmica na boca de aspiração da bomba. Maior velocidade menor será ha • Pressão de vaporização do fluido. Quanto menor a temperatura do fluido menor será hv e assim maior o valor de ha. • Energia requerida pela bomba na boca de aspiração. Bombas com menor dissipação de energia interna apresentaram um menor valor o NPSH requerido permitindo um maior valor de ha Analisemos o caso de uma situação teórica: • Consideremos uma instalação de bombeamento a nível do mar (Hatm=10,33m). • O sistema não apresenta perda de carga (hLa0) • Velocidade muito baixa (v2/2g =0) • Temperatura muito baixa (hvap=0). • Utilizamos uma bomba ideal sem dissipação de energia interna (NPSHreq=0). • Nestas condições idealizadas, o limite teórico de ha será de 10,33m • A máxima altura de aspiração admissível de uma bomba diminui com ao aumento da temperatura. Capítulo 8: Conceitos de Cavitação 8.4 Determinação do Fator de Cavitação ou Fator de Thoma O Fator de Thoma é um número característico adimensional para cavitação definido como: σ = ∆h H Man ( 16 ) O valor de σ depende da rotação específica nq 3/4 4/3 3/4 )()( man q H Q nn φφσ == ( 17 ) Bombas Hélico-axiais. ϕ = 0,0013. Bombas Axiais. ϕ = 0,00145. Para bombas centrífugas em geral podemos utilizar: ϕ = 0,0011. 3/4 4/3 )(0011,0 manH Q n=σ Representada graficamente na Fig. 8.9. 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Rotação Específica - nq (rpm) Fa to r de Th o m a Figura 8.10 - Curva do fator de Thoma. Uma vez determinado o fator de Thoma podemos avaliar o NPSHReq pela relação: NPSHreq= ManHh σ=∆ onde Hman é altura manométrica do sistema. Também podemos determinar altura máxima de aspiração: ) 2 ( 2 man a vapLaatma Hg vhhHh σ+++−< ( 18 ) 8.4.1 Velocidade Específica de Aspiração A velocidade específica de aspiração (S) e utilizada para definir ou caracterizar as condições de aspiração de uma bomba e para estabelecer analogias de funcionamento de bombas semelhantes do ponto de vista da aspiração. A velocidade especifica de Aspiração é definida adimensionalmente como: 75,0NPSH QnS = ( 19 ) onde n é a rotação (rpm) Q a vazão (m3/s) e NPSH a altura positiva liquida de sução (m). Um valor típico da velocidade especifica de aspiração igual a S=174 pode ser encontrado em bombas de boa fabricação apresentam um ângulo da pá em torno de 170. Com aproximadamente 5 a 7 alabes. Bombas comerciais têm baixo S na faixa de 97 a 136. Por outro lado as bombas para alimentação de caldeiras, especialmente bombas de condensado requerem S maiores entre 232 a 348. Para alcançar tais valores o ângulo de fluxo é tomado tão baixo quanto 100 e o numero de pás é reduzido até 4. Um número pequeno de alabes com espessura fina são favoráveis já que diminuem o efeito de bloqueio. Sistemas Fluidomecânicos 8.4.2 Margem prática de segurança O NPHS disponível e requerido pode ser representado graficamente. Sabemos que para não ocorrer cavitação o NPSHDisp > NPSHReq. De forma prática adota-se uma margem entre ambos os valores: mNPSHNPSHemM qDisp 5,1arg Re ≥−= A margem prevista visa garantir que não ocorra cavitação no sistema evitando assim a vaporização do fluido no interior da bomba. Figura 8.11 – Representação do NPSH disponível e requerido 8.4.3 Variação de NPSH com a Rotação Se a bomba apresenta um determinado NPSH, este é válido para a rotação dada pelo fabricante. Se a bomba opera com uma nova rotação, o NPSHdeverá ser determinado utilizando as relações: 2 1 2 2 1 = n n NPSH NPSH ( 20 ) onde NPSH1 representa o valor de catálogo e NPSH2 representa o valor para a rotação desejada. Capítulo 8: Conceitos de Cavitação 8.5 Exemplos de Cavitação EXEMPLO–8.1 Na Fig. ao lado considere a bomba com uma vazão de 9,0 litros/s. O fluido é gasolina a 25oC. Do catalogo do fabricante se obtém que a bomba apresenta um NPSH igual a 1,9m. Considere um tubo de aço com rugosidade absoluta de 4,3x10-4m. Determinar (a) a altura máxima de aspiração (b) o NPSH do sistema verificando se existe risco de cavitação. Obs. Considere o coeficiente de perda de carga de cada curva de 900 igual a 0,4 e da válvula de pé igual a 1,75. Propriedades da gasolina a 25oC Peso especifico: 7800N/m3 Viscosidade cinemática: 6x10-6 m2/s. Pressão de vapor da gasolina: 32,5 kPa. Figura 8.12- Sistema de bombeamento Solução: Utilizando a Eq. de Bresse D=k Q1/2 com k=1,1 obtemos D=100mm. Com a vazão se acha v=1,15m/s. )(19167 6,0x10 1,015,1Re 6- turbulento xvD === ν ++= 3/16 Re 102000010055,0 D f ε 0334,0 109,1 10 1,0 103,42000010055,0 3/1 4 64 = ++= − x x xf g v D LfhLD 2 2 = onde L=59,5+2,3=61,8m ( ) m gg vhvel 067,02 15,1 2 22 === mxxxh g vkk D Lfh hhh La valvulacurvaLa LkLDLa 55,1067,019,23067,075,14,02 1,0 )8,61(0334,0 2 2 2 == ++= ++= += +++−< bomba o vapLaatma NPSHg vhhHh 2 2 max onde mca kPaxH atm 137800 100033,101 ≅= e mca kPaxhv 17,4 7800 10005,32 ≅= (a) ( ) mha 31,59,1067,017,455,113max =+++−< +++−= g vhhhaHNPSH vapLaatmDips 2 2 ( ) mNPSH Dips 61,4067,017,455,16,213 =+++−= ( b ) NPSHDisp (4,61m) > NPSHReq (1,9m) (portanto não ocorre cavitação) Sistemas Fluidomecânicos EXEMPLO–8.2 O sistema de bombeamento da Figura ao lado trabalha com a bomba de 2 HP de 3500 rpm e diâmetro do rotor 138mm (5 7/16”) representada na Figura abaixo. O sistema trabalha na interseção da curva da bomba com a curva do sistema no ponto de funcionamento para uma vazão de 100 litros/min. O reservatório é um tanque fechado com pressão absoluta igual a 80kPa contendo água a temperatura de 500C. O nível de água no tanque é 2,0m acima do centro do eixo da bomba. A tubulação de aspiração tem um diâmetro de 40mm. O coeficiente de perda de carga localizado do joelho é igual kac1=1,0 e o coeficiente de perda de carga da válvula de globo aberta é igual kac2= 7,0. Considere o fator de atrito da tubulação igual a 0,025. O comprimento da tubulação de aspiração é igual a 12m. A pressão atmosférica local é igual a 101 kPa. Figura 8.13 - Sistema de bombeamento Determinar: 1. A pressão relativa dentro do tanque. 2. O NPSH disponível para o sistema. 3. Compare o NPSH disponível com o NPSH requerido e verifique se o sistema cavita. Figura 8.13 – Curva característica de bomba centrifuga comercial Capítulo 8: Conceitos de Cavitação Solução: (EXEMPLO–8.2) Q=100 litros/min ptanque=80kPa T=500C ha=205mca D=40mm kac1=1,0 kac2= 7,0. L=12m f=0,025 (a) Pressão relativa dentro do tanque m x x g p H queque 25,881,9988 100080tan tan === ρ Pressão relativa no tanque (101kPa – 80kPa = 21kPa) (b) NPSH disponível para o sistema. +++±−= g vhhha g p NPSH avapLa que Dips 2 2 tan ρ sm x x D Q va /32,104,0 001666,044 22 === pipi ( ) 0888,0 81,92 32,1 2 22 === xg vh avel com T=500C Pv=0,1255kgf/cm2 ρ=988kg/m3 kPa m cm x kgf N x cm kgfpvap 31,1210081,91255,0 2 2 2 2 == . mx x g p h vapvap 27,181,9988 100031,12 === ρ Perda de carga por tubulação e acessórios: ( ) mx g v g vk g vk g v D Lfh aaacaacaLa 38,10888,0715,720,7104,0 12025,0 222 22 2 2 1 2 =++= ++=++= Como a bomba está afogada ha é negativo. com H=8,25m ha=-2,0m hLa=1,38m hvap=1,27m +++−−= g vhhhaHNPSH avapLaqueDips 2 2 tan ( ) mNPSH Dips 5,70888,027,138,10,225,8 =+++−−= (c) Compare o NPSH disponível com o NPSH da bomba Com Q= 100 litro/min da Figura da bomba determinamos Hman= 35m 3/4 4/3 = manH Q nφσ A velocidade específica rpm H Q nn man s 1035 001666,03500 4/34/3 ≅== com φ=0,0011 ( ) 0235,0100011,0 3/4 ==σ mxHNPSH manq 82,0350235,0Re === σ Desta forma como NPSHReq < NPSHDisp a bomba não entrará em cavitação. Sistemas Fluidomecânicos EXEMPLO–8.3 O sistema da figura trabalha em operação de fluxo contínuo com vazão igual a 23,6 l/s. A perda de carga da tubulação e acessórios na aspiração é igual a 5m. A perda de carga da tubulação e acessórios de recalque é igual a 7,5m. Considere hvel=0. Com auxílio da curva da bomba fornecida: (a) Selecione o diâmetro do rotor da bomba apropriado para o sistema. (b) Determine a Eq. da curva característica do sistema e grafique a mesma. (c) Determine o NPSH do sistema considerando a temperatura máxima da água igual a 600C. (d) Determine o NPSH da bomba pelo fator de Thoma e o NPSH da bomba especificada pelo fabricante. Verifique se a bomba cavita. (e) Calcule a potência de acionamento da bomba nas condições de operação considerando o rendimento especificado pelo fabricante. Compare com a potência dada pelo fabricante. Obs. Considere a pressão atmosférica padrão. Para 600C massa específica da água igual a 984 kg/m3 Figura 8.14 - Sistema de bombeamento Figura 8.15 – Curva característica de bomba centrifuga comercial Capítulo 8: Conceitos de Cavitação Solução: (EXEMPLO–8.3) ( a ) Altura manométrica do sistema m g vJJhH rae 505,755,372 2 =++=+++= Com Q=23,6 l/s (85 m3/h) e H=50m no site: http://appserver.ittind.com/software/plus/Plusespl.htm Selecionamos a bomba centrífuga de diâmetro de 178mm maquinada para 175mm. (Fig. 8.12) ( b ) Grafique a curva característica do sistema mostrando o ponto de operação da bomba-sistema: Q=23,6 l/s (85 m3/h) Vazão: s mD vQ 32 0236,0 4 == pi ( ) 3,224430236,0 5,3750 22 1 2 = − = − = Q kHk Curva característica: 2221 3,224435,37 QQkkH +=+= ( c ) NPSH do sistema considerando a temperatura máxima da água igual a 600C. vapLaaatmDisp hhhHNPSPH −−−= Para T=600C ρ=984 kg/m3 e Pv=19,9 kPa. (equivalente a 2,06m) mNPSH Disp 77,006,255,233,10 =−−−= ( d ) NPSH da bomba determinado utilizando o fator de Thoma e o NPSH da bomba especificado pelo fabricante. n=3500rpm 096,0) 50 0236,03500(0011,0)( 3/44/33/44/3 === ManH Qnφσ mxH man 8,450096,0NPSH === σ do gráfico do fabricante com Q=85 m3/h e H=50m temos NPSHReq ≅ 7,0m. Como NPSHReq (7,0m) > NPSHDisp (0,77m) a bomba cavita. (e ) kWxxxQgHW G man ac 66,1479,0 0236,05081,91000 === η ρ & Obs. Continue o problema determinando a altura de aspiração limite para não existir cavitação.
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