Teoria

Introdução à Cavitação

A gente viu no tópico anterior que bombas fornecem energia em forma de pressão a um líquido, mas NÃO necessariamente aumentam a velocidade do fluido. Isso é sim verdade de um ponto de vista global, vendo-se antes e depois da bomba. Mas para falar de cavitação, precisamos olhar pra dentro da bomba.

O fluido é sugado pra dentro da bomba e acelerado localmente. A entrada é perpendicular ao rotor e depois ele fica em um movimento circular em direção à saída, bocal de recalque. Esse aumento de velocidade contribui pra maior queda de pressão do fluido.

Dentro da bomba, a pressão do fluido pode diminuir até sua pressão de vapor p = p s a t e aí ocorre a ebulição do líquido e formação de bolhas. Só que essa queda de pressão é local; depois, essas bolhas são transportadas para regiões com p > p s a t .

Quando chega em uma região em que p > p s a t , essas bolhas colapsam, isto é, voltam a líquido, liberando energia. Esse fenômeno é denominado CAVITAÇÃO e gera ruído, vibrações, erosão nos equipamentos e modificação da curva característica da bomba.

“Equacionando” a Cavitação

A gente já viu que, nem tudo são flores; antes de ganhar pressão na bomba, o líquido perde pressão e, para não cavitar, tem que p > p s a t sempre. Então é razoável dizer que tem uma condição mínima que o líquido precisa ter ao chegar na bomba, certo?

Um ponto muitooo importante quando se fala em cavitação é o “olho” do impelidor, que é o ponto em que o líquido (que entra perpendicular ao impelidor) “dá de cara” com o impelidor.

Esse é o ponto mais crítico, o que o líquido fica com menor pressão. Bora fazer um balanço de energia entre a entrada da bomba (bocal de sucção) e o olho:

W S + p 1 ρ + α 1 V 1 2 2 + g z 1 - p 2 ρ + α 2 V 2 2 2 + λ V - r 2 2 + g z 2 = h L T 12

Mas a entre 1 e 2 a bomba ainda não deu nenhuma carga então W S = 0 ; além disso, z 1 = z 2 . Daí:

p 1 ρ + α 1 V 1 2 2 - p 2 ρ + α 2 V 2 2 2 + λ V - r 2 2 = h L T 12

E repara que surgiu um termo novo: λ V - r 2 2 . Esse termo é referente ao sistema rotativo ao qual o fluido está submetido no olho do impelidor.

λ : p a r â m e t r o   d a   b o m b a   r e l a c i o n a d o   c o m   a   e n e r g i a   c i n é t i c a   d e   r o t a ç ã o V r - : é   a   v e l o c i d a d e   r e l a t i v a   e n t r e   o   f l u i d o   e   o   i m p e l i d o r

Mas não se preocupa com esse termo não; já te explico o porquê haha Bora lá; o que queremos é que p 2 > p s a t , mas, no limite, p 2 = p s a t . Fazendo isso, dividindo tudo por g e rearranjando:

Primeiro, eu considerei que α 1 ≈ 1 e α 2 ≈ 1 , isto é, regime turbulento, o que é bem razoável. Além disso, esses termos não estão coloridos à toa: eles são o NPSHD e NPSHR, respectivamente.

E, antes de continuar falando de cavitação, precisamos parar e falar desses dois caras aí.

NPSH

Antes de qualquer coisa, o que significa NPSH? Isso é uma sigla em inglês para “net positive suction head”, que em português é “carga de sucção líquida positiva”. E vimos que tem NPSHD e NPSHR, que são:

N P S H D   é   o   N P S H   D i s p o n í v e l N P S H R   é   o   N P S H   R e q u e r i d o

  • O NPSH Disponível depende do fluido e do sistema em questão, já que depende da pressão em 1, da p s a t do líquido e da velocidade em 1.
  • N P S H D :   p 1 ρ g + V 1 2 2 g - p s a t ρ g

  • Já o NPSH Requerido depende da bomba e é medido pelo fabricante! Daí o não precisar se preocupar com aquele termo com λ .
  • N P S H R :   h L T 12 g + V 2 2 2 g + λ V - r 2 2 g

    Algo que precisamos entender, também, é o comportamento desses dois NPSH com o aumento da vazão Q :

  • Aumentando Q , NPSHD diminui porque, embora V 1 aumente, as perdas de carga antes da sucção aumentam muito e fazem p 1 cair muito, mais do que o aumento de V 1 .
  • Aumentando Q , NPSHR aumenta porque aumenta V 2 .
  • Evitando Cavitação

    Agora que já entendemos o que são esses NPSH, bora voltar para aquele equacionamento de cavitação. Chegamos, no limite de cavitação, em:

    Para que NÃO haja cavitação, o NPSH Disponível tem que ser MAIOR que o Requerido. Desta forma, o líquido tem energia suficiente para garantir que p > p s a t sempre.

    P a r a   N Ã O O O   c a v i t a r :     N P S H D > N P S H R

    Medidas para evitar cavitação

    Já vimos que para não cavitar, N P S H D > N P S H R .

    Ok, mas você vai chegar pro líquido e falar: “Fica com o NPSHD maior que o NPSHR, hein” ? Precisamos dar soluções palpáveis e vou listar algumas aqui:

  • Diminuir a vazão Q (olha o gráfico aí em cima). Ao fazer isso, o NPSHD aumenta porque diminuem as perdas de carga ( h L T )
  • Diminuir a temperatura. Isso vai diminuir a p s a t e, como ela está multiplicada por ( - 1 ) no NPSHD, o NPSHD vai ficar maior.
  • Aumentar z 1 em relação ao reservatório porque aí o líquido chega com p 1 maior.
  • Diminuir L porque aí diminui-se a perda de carga e aumenta a pressão com que o líquido chega na entrada da bomba, p 1 .
  • Aumentar o diâmetro da tubulação, assim diminui-se a perda de carga e, por consequência, aumenta p 1 .

“Equacionando” a Cavitação

NPSH

Evitando Cavitação

Medidas para evitar cavitação

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