Cavitação em Fluidos

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Atividade 1 - Fenômenos de Transporte 
Moacir Domingos da Silva Junior Matrícula: 2019200649 
 
O que é cavitação e como ela pode ser controlada? 
A palavra cavitação tem origem do latim “cavus” que significa buraco ou cavidade e é 
utilizada para descrever o processo de nucleação, crescimento e colapso das bolhas de vapor 
em um fluido. 
Existem duas formas de transformar água em vapor, uma é aumentando a 
temperatura e a outra é diminuindo a pressão ambiente. 
A cavitação é um fenômeno que ocorre quando bolhas ou bolsas de vapor, ou de gás, 
se formam em um escoamento líquido, como consequência de reduções pressão no local, 
como por exemplo nas extremidades das hélices de bomba centrífuga, bombas hidráulicas ou 
turbinas. Em termos náuticos a cavitação pode ser descrita como o fenômeno provocado pela 
ação da hélice na água, gerando espaços de vácuo que causam uma redução no rendimento da 
ação propulsora e o aparecimento de fortes vibrações, quando a velocidade de rotação da 
hélice ultrapassa certo limite. 
Dependendo do número e da distribuição de partículas no líquido às quais pequenas 
bolhas de gás ou ar não dissolvido podem se agregar, a pressão no local de início da cavitação 
pode ser igual ou menor do que a pressão de vapor do líquido. 
 
Medidas que podem ser feitas para evitar o surgimento da cavitação: 
• Elevar o nível do líquido no tanque de sucção; 
• Baixar o ponto de sucção; 
• Manter a tubulação sempre cheia; 
• Dimensionar o sistema para que a bomba fique afogada; 
• Diminuir a temperatura do fluido; 
• Diminuir a velocidade de escoamento; 
• Selecionar um tipo de válvula que tenha uma queda de pressão menor. 
 
 
Atividade 1 - Fenômenos de Transporte 
Moacir Domingos da Silva Junior Matrícula: 2019200649 
 
Como esse fenômeno prejudica as instalações de água nas residências e prédios e no sistema 
de tratamento de água das cidades? 
Essas partículas agem como locais de nucleação para iniciar a vaporização. A pressão 
de vapor de um líquido é a pressão parcial do vapor em contato com o líquido saturado a uma 
dada temperatura. Quando a pressão em um líquido é reduzida abaixo da pressão de vapor, o 
líquido pode passar abruptamente para a fase vapor, em um fenômeno que lembra o soar 
como estalo do “flash” de uma máquina fotográfica. 
As bolhas de vapor em um escoamento de líquido podem alterar substancialmente a 
geometria do campo de escoamento. O crescimento e o colapso ou implosão de bolhas de 
vapor em regiões adjacentes a superfícies sólidas podem causar sérios danos por erosão das 
superfícies do material. 
Quando a cavitação ocorre, ela pode trazer consequências bastante negativas para a 
produtividade de sistemas hidráulicos. 
Primeiramente, caso não seja detectada a tempo, a erosão causada pela explosão das 
bolhas de ar pode causar danos irreversíveis no rotor de bombas hidráulicas, prejudicando o 
impulsionamento do líquido. A gravidade desses danos é tal que, muitas vezes, as peças da 
bomba sofrem danos irreversíveis e precisam ser substituídas, gerando custos 
 
Este é um fenômeno físico molecular que se dissemina e tende a aumentar com o 
tempo, causando a ruína dos rotores, válvulas, tubulações, propulsores e vários outros 
componentes de um sistema hidráulico. 
A cavitação é comum em bombas de água e de óleo, válvulas, turbinas hidráulicas, 
propulsores navais, pistões de automóveis e até em canais de concreto com altas velocidades, 
como em vertedores de barragens. 
Ela deve ser sempre evitada por causa dos prejuízos financeiros que causa devido a 
erosão associada, seja nas pás de turbinas, de bombas, em pistões, válvulas ou em canais. 
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Moacir Domingos da Silva Junior Matrícula: 2019200649 
 
Todo o processo de manutenção para corrigir os danos causados pela cavitação 
envolvem a interrupção no abastecimento de água de uma residência, um edifício, complexo 
industrial ou mesmo uma cidade inteira. 
Como a cavitação presente em turbinas prejudica o funcionamento e o aproveitamento, no 
nível ótimo, da força hidráulica de usinas elétricas? 
Turbinas hidrelétricas são equipamentos projetados para gerar energia elétrica a partir 
da força das águas dos rios. Os modelos de turbinas existentes são do tipo Kaplan, Francis, 
Pelton e Bulbo. Elas são tradicionalmente fabricadas em aço do carbono ou aço inox. 
É constante, nas usinas hidrelétricas, a preocupação com o desgaste por cavitação e 
erosão gerados nessas peças. Esses problemas estão associados ao perfil hidráulico da turbina 
e à presença de partículas sólidas presentes na água. 
O desgaste por cavitação é a remoção de material da superfície de uma peça devido à 
ação de bolhas de pressão presentes num fluido, que escoam e colapsam na superfície. Já o 
desgaste por erosão é a remoção de material da superfície devido ao impacto de partículas 
sólidas presentes em um fluído. 
 Os desgastes por cavitação e erosão gerados nas turbinas hidrelétricas ocasionam 
problemas tais como: 
1 - Perda de eficiência dos equipamentos; 
2 - Paradas prolongadas de máquinas; 
3 - Danos que podem se tornar irreversíveis e resultar na necessidade de substituição das 
peças, com elevadíssimos custos de manutenção para as empresas geradoras de energia. 
Revestimentos contra desgastes, como o de Carboneto de Tungstênio Cromo, 
aplicados pelo processo de aspersão térmica, podem ser uma excelente alternativa para 
reduzir o desgaste de turbinas hidrelétricas por cavitação e erosão e aumentar 
significativamente a vida útil desses equipamentos. Esse material possui elevadíssima 
resistência ao desgaste erosivo devido a sua dureza de superior a 1200 HV. 
Usinas hidrelétricas que já possuem peças revestidas com esses materiais, aqui no 
Brasil, conseguiram aumentar a vida útil em mais de 400%. 
Quais os cuidados que se deve tomar com a manutenção destas instalações? 
Desde o início dos anos 80 diversos estudos sobre cavitação e métodos de detecção do 
fenômeno vêm sido realizados. Esses métodos sempre são relacionados à vibração, ruído, 
queda de performance, redução da pressão e ao coeficiente de cavitação. 
A vibração ocorre devido à formação das ondas de choque em contato com a estrutura 
dos hidrogeradores. É medido através de acelerômetros e de sensores de deslocamento, 
localizados nos mancais guias da turbina e do gerador. Sendo este último sensor não muito 
utilizado. Normalmente esses sensores são colocados ao redor do mancal com um ângulo de 
90º entre eles, para medição nas duas direções (horizontal e vertical). 
Estudos sobre ruídos mostram que o som associado ao processo de cavitação é em alta 
frequência e superior a 10KHz. Para fazer a medição é necessário sensores de emissão 
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acústica, localizados ao redor do duto, próximos à região da turbina ou microfones, localizados 
também próximos à turbina, porém dentro do duto. Embora este último não seja muito 
utilizado devido à intensidade do impacto do fluido no sensor, gerando manutenções 
excessivas, que necessitam da parada da máquina, além da manutenção ser mais complicada 
devido à dificuldade de acesso. Medição de cavitação através da emissão acústica é um dos 
métodos mais eficaz, pois consegue captar os sinais de todos os tipos de cavitação que 
ocorrem na turbina e o local aonde ocorre com mais intensidade. 
Referente a queda de performance, apesar de ser uma consequência da cavitação, 
estudos comprovam que ela só é percebida bem depois do início do fenômeno. Quando a 
queda de potência do hidrogerador passa a ser perceptível, o fenômenoda cavitação já está 
em um estado bem avançado. Por isso, este não é um indicador eficaz de cavitação. 
A medição da variação da pressão é feita através da colocação de transdutores de 
pressão no tubo de sucção. É utilizada para detecção de cavitação do tipo vórtice de núcleo, 
nas turbinas Francis, detectando variações abruptas de pressões. Nas turbinas Kaplan, em que 
este tipo de cavitação não ocorre, é um pouco diferente. 
Teoricamente, o fenômeno da cavitação ocorre quando o sensor detecta uma pressão 
menor que a de vaporização do fluido. Porém, antes de ser detectado esse nível de pressão 
através dos transdutores, podem acontecer as cavitações localizadas descritas anteriormente, 
que também precisam ser monitoradas. Com isso, os sensores de pressão não são utilizados 
exclusivamente para detectar a cavitação, e sim como um parâmetro a mais que merece 
destaque quando o fenômeno ocorre, seja aonde for a sua localização. 
No coeficiente de cavitação a detecção da cavitação é determinada pelo 
monitoramento da eficiência total e do coeficiente de cavitação no tubo de sucção. A detecção 
por esse método não é muito confiável porque o coeficiente de cavitação em turbinas não 
fornece uma exata informação das características do fluxo, já que este é muito complexo 
através da turbina (cavitação localizada) e no tubo de sucção devido à formação do vórtice de 
núcleo. 
Além disso, uma variação de eficiência só é notória em estados avançados de 
cavitação. Todos os sensores utilizados para detecção de cavitação nos hidrogeradores 
(acelerômetros, transdutores de pressão, sensores de emissão acústica) não estão livre de 
detectar outros sinais senão aqueles gerados pelo fenômeno da cavitação. Ruído de sinal, 
vibrações de outras partes da máquina, vibração causadas por outros fenômenos com o 
desbalanceamento do eixo também são detectadas.