T1 - cavitação em bombas

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UNIVERSIDADE DO VALE DO TAQUARI 
CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO 
 
 
 
 
 
 
 
 
FENÔMENO DA CAVITAÇÃO EM BOMBAS HIDRÁULICAS 
 
 
Matheus George Abel 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Lajeado, junho de 2019 
 
 
 
 
 
 
 
LISTA DE FIGURAS 
 
Figura 1 – Tipos de rotores .......................................................................5 
Figura 2 – Gráfico de pressão durante o colapso de uma bolha de água.7 
Figura 3 – Esquemas de colapso de uma bolha .......................................7 
Figura 4 – Esquema da patente para controle de cavitação ................... 12 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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SUMÁRIO 
 
1 - REFERENCIAL TEÓRICO .................................................................................... 4 
1.1 Bombas hidráulicas ............................................................................................ 4 
1.2 Fenômeno da cavitação ...................................................................................... 5 
1.2.1 Processo de formação ..................................................................................... 6 
1.2.2 Classificação da cavitação .............................................................................. 8 
1.2.3 Quantificação da erosão por cavitação .......................................................... 9 
1.2.3.1 Deteccção da erosão ................................................................................... 10 
1.3 Prevenção da cavitação .................................................................................... 10 
1.3.1 Controle e bomba para evitar a cavitação .................................................... 11 
2 – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................... 12 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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1 - REFERENCIAL TEÓRICO 
 
 
1.1 Bombas hidráulicas 
Bombas hidráulicas são equipamentos que tem a capacidade de produzir um 
fluxo em um fluído líquido, sendo responsáveis então pela origem da energia 
hidráulica. Existem dois grandes grupos de bombas hidráulicas, segundo o ANSI 
(Insituto Americano de Padronização), são eles as bombas cinéticas (podem ser 
encontradas como hidrodinâmicas ou turbobobmbas) e bombas volumétricas que 
podem ser encontradas na bibliografia como bombas de deslocamento positivo 
(ANSI, 1990). 
Estas duas classificações existem, justamente porque há diferenças grandes 
entre elas, principalmente o princípio de funcionamento e a faixa de operação. Uma 
turbobomba tem como característica principal a presença de um rotor, que por sua 
vez também pode ser classificado quanto a sua abertura (aberto, semi-aberto ou 
fechado), que rege a característica de vazão e resistência oferecidas ao escoamento 
(altura manométrica de recalque). As bombas volumétricas são classificadas em 
função do movimento do ciclo do trabalho. 
 
 
 
 
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Figura 1 – Tipos de rotores 
Adaptado de: Catálogo técnico de Bombas Schneider. 
 
A hidrodinâmica de bombas é baseado no princípio de conservação de energia, 
que diz que em um regime permanente a energia deve ser conservada. “O somatório 
das energias cinética (velocidade) e potencial (ou pressão) é mantigo ao longo do 
circuito de movimentação do fluido, somando algumas perdas para energias térmicas 
e sonoras.” (LINHARES, 2011). 
A partir deste princípio, pode-se concluir que onde há maior velocidade também 
há maior energia cinética e por consequência a pressão neste ponto é menor, o 
contrário também é valido, como por exemplo em um ponto de estrangulamento que 
possui alta pressão e baixa velocidade. 
Linhares (2011) expõe em sua pesquisa que a pressão deve ser interpretada 
como a resistência oferecida ao fluxo. Ainda coloca que a soma de todas as 
resistências ao longo do fluido, necessárias para atravessar válvulas, acessórios, 
vencer a resistência originada pelas rugosidades, desníveis e carga para 
movimentação de atuadores dão origem as pressões de succção e recalce, que são 
interpretadas como altura manométrica da instalação. 
 
1.2 Fenômeno da cavitação 
Cavitação pode ser definida como a formação de bolhas de vapor em um líquido 
quando ele atinge a sua pressão de vapor à temperatura de trabalho. É comum a sua 
aparição em processos de bombeamento, surtindo efeito principalmente em válvulas 
e bombas. As bolhas de vapor passam por fases de nucleação e colapso, que podem 
provocar desprendimento de materiais do rotor, tampas e carcaças, este efeito é 
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conhecido como erosão por cavitação (LINHARES, 2011). É importante salientar que 
a cavitação por si só não deve ser associada a erosão ou ruído, geralmente fala-se 
em cavitação já associando-a ao seu efeito, o que pode tornar o entendimento um 
pouco confuso. Neste sentido é preciso saber que a cavitação nem sempre é erosiva. 
Coelho (2006), por sua vez, expõe outra face a respeito do fenômeno. Existem 
casos em que a cavitação pode ser aproveitada, como por exemplo no processo de 
homogeneização do leite ou para limpeza de superfícies sólidas. Outra aplicação 
mencionada por Coelho é a formação intencional de cavitação em conjunto com 
radiação ultravioleta para tratamento de água. 
 
1.2.1 Processo de formação 
A cavitação é formada quando a pressão de vapor do fluido fica abaixo do ponto 
de saturação em uma determinada temperatura, ou seja, atinge-se a pressão 
necessária para que ocorra mudança de fase do meio líquido porém não há 
temperatura suficiente (LINHARES, 2011). 
Quando isso ocorre, parte da massa líquida evapora nucleando (formando) 
bolhas, que crescem e entram em colapso. Ao colidirem contra paredes das 
superfícies próximas, podem provocar erosão, indesejável em máquinas de fluxo. O 
colapso das bolhas em superfícies da tubulação ou do rotor de bombas é brusco e 
portanto é causador de um ruído facilmente detectável. Dito isso, sensores de ruídos 
instalados em bombas são boas alternativas para análise do comportamento do 
escoamento (LINHARES, 2011). 
A Figura abaixo apresenta uma série de medições de pressão de uma bolha de 
água em colapso próxima a uma superfície sólida de um rotor de aço inox. Os picos 
de pressão registrados correspondem ao valor mínimo de volume da bolha, quando 
ocorrem os chamados jatos de pressão devido ao colapso (LINHARES, 2011). 
 
 
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Figura 2 – Gráfico de pressão durante o colapso de uma bolha de água. 
Fonte: Oxford University Press. 1995. 
A Figura 3 mostra um passo a passo do colapso da bolha e a formação do jato 
de pressão em três situações possíveis em uma tubulação: bolha presa em superfície, 
afastada e próxima a superfície. 
Figura 3 – Esquemas de colapso de uma bolha. 
Fonte: COELHO, 2006. 
 
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1.2.2 Classificação da cavitação 
O fenômeto pode ser classificado em quatro níveis distindos conforme sua 
intensidade. Linhares em 2011, descreveu os níveis como segue: 
a) Cavitação incipiente: início da cavitação, instantes em que os efeitos 
começam a ser perceptíveis, com ruído leve. Este tipo de cavitação em geral 
não é prejudicial aos sistemas. 
b) Cavitação crítica: neste período os efeitos podem ser considerados 
constantes e produzem ruído continuo (parecido com chiado de fritura). Os 
efeitos neste nível são observados após longos períodos somente, a 
vibração é razoável e o ruído é aceitável. 
c) Cavitação com perigo incipiente: neste nível os ruídos são altos e as 
vibrações já produzem danos físicos mínimos. 
d) Cavitação plenamente estabelecida: nesta etapa de cavitação, a pressão à 
jusante de uma bomba, por exemplo, alcança o valor da pressão de vapor 
líquido. O volume de vibração é ruído é alto e a operação de sistemas sob 
esta condição exige cuidados especiais. 
Linhares destaca também que em bombas que operam a baixas vazões, abaixo
de 50% da vazão nominal, ocorre a chamada cavitação pulsante, descrita como 
“potencialmente destrutiva e economicamente ruinosa”. A cavitação pulsante ocorre 
“a partir de um significativo desalinhamento angular entre a trajetória do líquido que 
chega na entrada da bomba e as pás do rotor” (LINHARES, 2011). Este 
desalinhamento ocorre pois com um fluxo baixo há oportunidade do líquido tentar 
voltar justamente porque a pressão não é tão grande á montante na bomba, isso é 
suprimido rapidamente, porém torna-se periódico o que ocasiona vibração intensa na 
tubulação. 
A cavitação em uma máquina hidráulica está relacionada com as 
características da mesma, como desenho do rotor e condições operacionais como 
altura de succção, perda de cargas, pressão atmosférica no local e temperatura do 
fluído. A avaliação da condição operacional para verificar a ocorrência da cavitação é 
9 
 
realizada através do NPSHr (Required Net Positive Suction Head), que pode ser 
traduzido como carga líquida positiva de succção requerida, ou seja, a energia medida 
em pressão absoluta disponível na entrada de succção de uma bomba. A cavitação 
ocorre então quando o NPSH disponível em relação ao NPSH requerido é insuficiente. 
As curvas de valores de NPSH das bombas são obtidas através de testes de bancadas 
normatizados e são fornecidas pelos fabricantes (LINHARES, 2011). 
Também é possível medir a cavitação através do Fator de Cavitação de Thoma 
(σ), que é um número característico admensional para cavitação. Este fator relaciona 
NPSHr e a altura manométrica da instalação, então quanto maior o Fator de Thoma, 
menor será a altura máxima de instalação da bomba em relação ao nível da succção 
para surgimento de cavitação. O calculo deste fator relaciona então a rotação da 
bomba, sua vazão, a altura manométrica e um fator tabelado chamado de rotação 
específica. 
1.2.3 Quantificação da erosão por cavitação 
Linhares (2011), comenta que existem diversos estudos que visam o 
desenvolvimento de equipamentos e técnicas para a medição de erosão por 
cavitação, mas ressalta que “nenhum consegue exprimir exatamente o que ocorre 
num componente mecânico real exposto ao fenômeno”. Isso ocorre pois diversos 
fatores interagem com a cavitação, como a corrosão formada pelo próprio fluido, 
solicitações mecânicas variáveis e variação de temperatura do fluido. 
Dentre os equipamentos utilizados, o dispositivo vibratório ultrassônico é o mais 
utilizado, pois sua operação é simples e reduz o tempo de ensaio. Para que se realize 
um teste de cavitação, há uma normativa da ASTM (American Society for Testing and 
Materials) que estabelece as condições de teste. 
O dispositivo é um gerador ultrassônico de vibração que submete o corpo de 
prova à vibração de alta frquência (cerca de 20kHz) imerso em água, esta vibração 
gera pressão negativa que por sua vez possibilita o surgimento e crescimento de 
bolhas no líquido que geram então pressão positiva, propiciando o colapso no corpo 
de prova. 
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Porém, este tipo de equipamento, como mencionado, não é capaz de simular 
todas as variáveis no escoamento em bombas, por exemplo, uma vez que o corpo de 
prova permace parado enquanto que nas bombas o rotor está constantemente em 
movimento. 
1.2.3.1 Deteccção da erosão 
A detecção da cavitação em bombas ou turbinas pode ser realizada 
principalmente através de ruído, vibração no sistema e pela perda de rendimento 
hidráulico. O Hydraulic Institute considera que a cavitação é prejudicial ao sistema 
quando para uma determinada vazão, há queda de 3% na altura manométrica de 
recalque. 
 Um ponto importante, já mencionado, é que nem toda cavitação gera erosão, 
esta dependerá da resistência do material e da intensidade do colapso das bolhas. 
Com isso, mesmo que o fenômeno seja observável, não foi possivel ainda estabelecer 
uma taxa de perda de material ou de rendimento hidráulico. 
 Uma das ferramentas utilizadas para detecctar a erosão é de ensaios por 
emissão acustíca, princiapalmente para turbinas hidráulicas. Este teste consiste na 
medição da diferença de ruído produzido pelo material quando testado e quando novo, 
desta forma os resultados são qualitativos. 
1.3 Prevenção da cavitação 
Uma bomba será submetida a cavitação se a pressão na succção cair ao nível 
de pressão de vapor do fluído que passa por ela, por isso, pode-se dizer que as 
regições de baixa pressão são mais suscetíveis ao fenômeno, como por exemplo o 
canald o rotor. 
Diante disto, é possível previnir a cavitação em bombas garantindo sempre a 
existência de energia suficiente no flange de succção da bomba, para que o fluído 
consiga atingir as pás do rotor sem que ocorra vaporização e então quando o líquido 
fluir para o interior do rotor sua pressão será aumentada, conseguindo-se que a 
bomba opere sem o efeito de cavitação. 
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1.3.1 Controle e bomba para evitar a cavitação 
 Uma patente registrada sob o numero 6,663,349 B1, do ano de 2003 prevê um 
método para controle de cavitação e bloqueio de bombas hidráulicas. 
Seu conceito básico é um controlador que provê sinal ao inversor de frequência 
da bomba relacionado ao setpoint de pressão desejado e a medição de cavitação 
realizada pelo controlador na planta. Caso o controlador receba um sinal de suspeita 
de cavitação, ele atua para reduzir ou eliminar a condição de cavitação antes de voltar 
atuar para manter o setpoint inicial. 
Figura 4 – Esquema da patente para controle de cavitação 
Fonte: United States Patent US 6663349B1. 
Conforme a patente, a detecção da cavitação pelo controlador é feita através 
dó calculo do NPSH disponível utilizando sensores de pressão, vazão e temperatura 
na linha. Com a curva do NPSH requerido da bomba, adquire-se o sinal de cavitação 
gerado na linha e compara-se com o nível limite de cavitação aceito. De posse do 
“erro” do sistema, o controlador atua para mitigar o efeito de cavitação ou caso ele 
não exista, atua como um controlador PID para o setpoint de pressão da linha. 
 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS. PTC 8.2: Centrifugal 
pumps, performance test codes. New York, 1990. 
SCHNEIDER MOTOBOMBAS. Considerações gerais sobre bombas 
hidráulicas. Disponível em: <http://www.schneider.ind.br/>. Acesso em 18 mai. 2019. 
LINHARES, Alexandre Dias. Observação do fenômeno da cavitação e do 
desgaste de rotores de latão de bombas centrífugas em instalação experimental. 
Ouro Preto: Redemat, 2011. 
COELHO, Welington Ricardo. Análise do fenômeno de cavitação em bomba 
centrífuga. Ilha Solteira: UNESP, 2006. Disponível em: < repositorio.unesp.br >. 
Acesso em 18 mai. 2019. 
DISCENZO, F. et al.; Reliance Electric Technologies, LLC. System and 
method for controlling pump cavitation and blockage. United States patent 
6663349B1 2003 Aug. 16. Disponível em: < https://patentimages.storage.googleapis. 
com/85/be/a4/e11df6428ca6e5/US6663349.pdf >. Acesso em 18 mai. 2019.