7.8 Cavitação

Nesta unidade, apresentamos o fenômeno de cavitação observado em instalações de bombeamento.

Para que possamos compreender o fenômeno de cavitação, consideramos um trecho de uma dada instalação de bombeamento representado pela figura 7.2, onde calculamos a pressão na entrada da bomba.

Aplicando a equação da energia de (0) a (e),temos:

Através da temperatura de escoamento do fluido, com auxílio de um manual de termodinâmica, podemos determinar a pressão de vapor - p_vapor (tensão de vapor), que representa a pressão que para a temperatura de escoamento, teríamos a mudança de líquido para vapor em um processo isobárico.

Se a p_eabs (p_e + p_{atm local} ) for menor ou igual a p_vapor, temos o fenômeno de evaporação à temperatura de escoamento, que é denominado de cavitação.

Notas:

1 → O fenômeno de cavitação observado na entrada da bomba (p_eabs  < p_vapor) é denominado geralmente de supercavitação e é considerado um erro grosseiro do projetista.

2 → A pressão na entrada da bomba não representa o ponto de menor pressão do escoamento, este ocorre no interior do corpo da bomba, o que equivale a dizer que o fato de não ocorrer o fenômeno de cavitação na entrada da bomba não garante que o mesmo não ocorra em seu interior.

Ao considerar as figuras 7.3.a e 7.3.b, verificamos que a bolha de vapor ao ser lançada na direção do difusor da bomba, onde a energia total é maior e a pressão maior que a pressão atmosfera, esta irá sofrer a condensação repentina com grande liberação de energia, ocorrendo a penetração do fluido nos espaços vazios do material (função do tamanho dos grãos) do rotor, podendo promover o "arrancamento” de grãos.

Nota: (1) – carcaça da bomba e (2) é o seu rotor.

O fenômeno de cavitação, geralmente propicia os seguintes problemas:

1º → erosão

2º → vibrações

3º → diminuição do rendimento

4^o → diminuição do tempo vida da bomba ...

As figuras 7.4 e 7.5 mostram rotores de turbina e de bomba, respectivamente, que foram submetidos ao fenômeno de cavitação durante um dado período.

Pelo fato do fenômeno de cavitação poder comprometer todo o projeto de uma instalação de bombeamento alguns cuidados preliminares devem ser tomados para evitá-lo, cuidados estes baseados na equação 7.6, onde objetiva-se trazer a p_e o mais perto possível da p_atm, ou até mesmo superior a ela.

Nota: O gráfico (extraído do livro Bombas e Instalações de Bombeamento - página 198) a seguir fornece as pressões de vapor, na escala absoluta, para a água em temperaturas de 0° C a 100°C

Os cuidados adotados para procurar-se evitar o fenômeno de cavitação são:

1º → a bomba deve ser instalada o mais perto possível do nível de captação com a finalidade de diminuir Z_e, ou, se possível, a bomba deve ser instalada abaixo do nível de captação (bomba “afogada”) com isto Z_e< 0 .

2º → a tubulação de sucção deve ser a menor possível com a finalidade de diminuir a H_psucção.

3º → na tubulação de sucção devem ser usados os acessórios estritamente necessários com a finalidade de diminuir a H_psucção.

4º → o diâmetro de sucção deve ser um diâmetro superior ao diâmetro de recalque com a finalidade, tanto de diminuir a carga cinética de entrada da bomba, quanto diminuir H_psucção. 

5º → o ponto de trabalho da bomba deve estar o mais próximo do ponto de rendimento máximo.

Nota: Por questão de economia, sempre que possível, não se considera o cuidado 4º mencionado acima, já que quanto maior o diâmetro maior o custo da tubulação.

7.9 Verificação do Fenômeno de Cavitação

Como mencionado no item anterior a condição de p_eabs  > p_vapor não é suficiente para garantir a não existência fenômeno de cavitação. Por este motivo, introduzi-se um novo parâmetro denominado de N P S H ® Net Positive Suction Head, ou A P L S ® Altura Positiva Líquida de Sucção, ou Altura de Sucção Absoluta; e que representa a disponibilidade de energia que o líquido penetra na boca de entrada da bomba e que lhe permitirá atingir o bordo da pá do rotor. 

Existem dois NPSH, um fornecido pelo fabricante que é denominado de NPSH_requerido e o calculado pelo projetista que é o NPSH_disponível.

Para a verificação do fenômeno, devemos lembrar que:

1º → O NPSH da figura 7.6 representa o NPSH_requerido

2º → A equação 7.7 possibilita o calculo do NPSH_disponível, onde a condição necessária e suficiente para que não ocorra o fenômeno de cavitação é: NPSH_disponível   >  NPSH_requerido, ou reserva contra a cavitação.

onde: Z₀ → obtido com o PHR adotado no eixo da bomba: v_S → velocidade média de sucção obtida com a vazão do ponto de trabalho.

Notas:

1ª → Não é nosso objetivo “esgotar” o assunto sobre cavitação, mesmo porque este texto é básico.

2ª → Existem fórmulas especificas dos fabricantes para a determinação do NPSH_requerido para exemplificar este fato fornecemos a fórmula comumente utilizada pela Sulzer:

3ª → Mencionamos a seguir alguns materiais que na ordem crescente resistem ao fenômeno de cavitação: FºFº → Alumínio → bronze → aço fundido → aço doce laminado → bronze fosforoso → bronze manganês → aço-cromo → ligas de aço inoxidável especiais.

4ª → Atualmente recorre-se a elastômeros (neoprene, poliuretano), que são aplicados na forma líquida, aderindo ao metal e aumentando sua resistência a cavitação. Alguns podem, até ser usados na recuperação de rotores cavitados, outro método é através da solda elétrica e em seguida esmerilha-se o rotor.

Nota: Existem situações onde não temos o NPSH_requerido, que é um parâmetro fundamental para verificarmos o fenômeno de cavitação, nestas situações pode-se recorrer ao fator de cavitação , que também é denominado de fator de cavitação de Thoma (Homenagem ao pesquisador Dieter Thoma) - s ou q - e através dele determina-se o , já que:

O fator de cavitação de Thoma pode-se ser determinado em função da rotação específica  (um excelente parâmetro para se especificar o tipo de rotor que propicia um bom rendimento, para tal consulte o livro Bombas e Instalações de Bombeamento – página 171 a 183):

Com a rotação específica na figura 7.7 (gráfico de Stepanof  - livro Bombas e Instalações de Bombeamento – página193 ), obtemos o fator de cavitação de Thoma e com ele podemos determinar o NPSH_requerido pela equação 7.8.

É importante salientar que existem outras maneiras de determinarmos o fator de cavitação de Thoma e uma excelente fonte de consulta é o livro Bombas e Instalações de Bombeamento – páginas 192 a 194.

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