Aula 01- ERA-SISHP-CAP03-Cavitação

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Disciplina: Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos

Página 58 de 78 12- Estimar a vazão na tubulação esquematizada abaixo, utilizando o método dos

comprimentos virtuais para o cálculo da perda de carga localizada e a fórmula de Hazen-Williams para o cálculo da perda de carga normal.

Dados:

- Material = ferro fundido novo (C=130) - Diâmetro = 50mm

- Peças especiais

1 entrada de Borda

3 curvas de 90 graus raio longo 2 curvas de 45 graus

1 registro de gaveta aberto 1 saída de tubulação

Resposta: 7,4 L/s

13- Calcular o diâmetro da tubulação esquematizada abaixo, utilizando a expressão hfl = K.V2/2.g para o cálculo da perda de carga localizada e a ‘formula de Hazen-Williams para o cálculo da perda de carga normal.

Dados:

- material = ferro fundido usado (C = 100) - vazão = 6 l/s

- peças especiais:

1 entrada normal (K = 0,5)

3 curvas de 90° raio curto (K = 1,2) 2 curvas de 45° (K = 0,2)

1 registro de gaveta aberto (K = 0,2) 1 saída de tubulação (K = 1,0)

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Página 59 de 78 Capítulo

3 CAVITAÇÃO

Material de autoria do Professor Micelli Rodrigues Camargo, Anhanguera Educacional S.A., Centro Universitário – UNIBERO, São Paulo.

3.1 Conceito de Pressão e Vapor

Pressão de vapor é a pressão exercida por um vapor quando este está em equilíbrio dinâmico com o líquido que lhe deu origem, ou seja, a quantidade de líquido (solução) que evapora é a mesma que se condensa. A pressão de vapor é uma medida da tendência de evaporação de um líquido. Quanto maior for a sua pressão de vapor, mais volátil será o líquido, e menor será sua temperatura de ebulição relativamente a temperatura de referência outros líquidos com menor pressão de vapor à mesma

A pressão de vapor é uma propriedade física que depende intimamente do valor da temperatura. Qualquer que seja a temperatura, a tendência é de o líquido se vaporizar até atingir equilíbrio termodinâmico com o vapor; em termos cinéticos, esse equilíbrio se manifesta quando a taxa de líquido vaporizado é igual à taxa de vapor condensado. Uma substância líquida entra em ebulição quando a pressão do sistema ao qual faz parte atinge a pressão de vapor dessa substância. Esse ponto recebe o nome de ponto de ebulição ou temperatura de ebulição. O ponto de ebulição normal é a temperatura de ebulição da substância à atmosfera.

Em locais com maior altitude, onde a pressão atmosférica é menor, a temperatura de ebulição das substâncias líquidas são mais baixas já que sua pressão de já que sua pressão de vapor precisa se igualar a um valor menor (considerando que o sistema é aberto).

Esboço do equilíbrio líquido-vapor da água ao nível do mar. O aumento da temperatura aumenta a taxa de vaporização, mas, enquanto a pressão parcial exercida pelo vapor da água for menor do que a pressão total, a taxa de condensação aumenta de forma compensatória, de maneira que se restabelece o equilíbrio dinâmico. Quando a temperatura atinge 100 graus Celsius (temperatura de ebulição da água no nível do mar), a taxa de vaporização vence a taxa de condensação: ocorre assim a mudança de fase da água.

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3.2 O Fenômeno da Cavitação

Do Teorema de Bernoulli, num escoamento de um liquido sempre que a velocidade aumenta a pressão cai, para que a

pressão atingi o valor igual ou menor da pressão de vapor do liquido ocorre uma vaporização local do fluido, formando bolhas de vapor. A este fenômeno costuma

cavitação (formação de cavidades dentro da massa líquida). A bombas de água e de óleo, válvulas, turbinas hidráulicas,

de concreto com altas velocidades, como em vertedores de barragens.

3.3 Características e Inconvenientes da Cavitação

Ela deve ser sempre evitada por causa dos prejuízos financeiros q erosão associada, seja nas pás de turbinas, de bombas, em pistões ou em canais.

Estas bolhas de vapor que se formaram no escoamento

serão carregadas e podem chegar a uma região em que a pressão cresça novamente a um valor superior à Pv. Então ocorrerá a "implosão" dessas bolhas. Se a região de colapso das bolhas for próxima a uma superfície sólida, as ondas de

sucessivas das bolhas podem

irão crescer e provocar o descolamento de material da superfície, originando uma cavidade de erosão localizada. Este é um

aumentar com o tempo causando a ruína dos rotores.

Figura

3.4 Estudo da Cavitação em bombas Centrífugas: NPSH

requerido e NPSH

DEFINIÇÃO: A sigla NPSH vem da expressão literal para o português seria

Este parâmetro é de vital importância um desempenho satisfatório,

descritas a seguir.

• Bomba trabalhando no início da faixa, com baixa pressão e alta vazão; • Existência de altura negativa de sucção;

Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos

O Fenômeno da Cavitação

Bernoulli, num escoamento de um liquido sempre que a velocidade pressão cai, para que a energia mecânica permaneça constante. Quando esta

l ou menor da pressão de vapor do liquido ocorre uma vaporização local do fluido, formando bolhas de vapor. A este fenômeno costuma-se

(formação de cavidades dentro da massa líquida). A cavitação é comum em de óleo, válvulas, turbinas hidráulicas, propulsores navais e até em canais de concreto com altas velocidades, como em vertedores de barragens.

Características e Inconvenientes da Cavitação

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 ou em canais.

Estas bolhas de vapor que se formaram no escoamento devido à baixa

serão carregadas e podem chegar a uma região em que a pressão cresça novamente a um valor superior à Pv. Então ocorrerá a "implosão" dessas bolhas. Se a região de colapso das bolhas for próxima a uma superfície sólida, as ondas de choque geradas

sucessivas das bolhas podem provocar trincas microscópicas no material, que com o tempo irão crescer e provocar o descolamento de material da superfície, originando uma cavidade de erosão localizada. Este é um fenômeno físico molecular e que se dissemina e tende a

causando a ruína dos rotores.

Figura 3.1 – Fotos de rotores que sofrem cavitação.

Estudo da Cavitação em bombas Centrífugas: NPSH

requerido e NPSH disponível

A sigla NPSH vem da expressão Net Positive Suction Head o português seria Altura Líquida Positiva de Sucção (ALPS).

Este parâmetro é de vital importância, pois ele auxilia para que as bombas

um desempenho satisfatório, principalmente em sistemas onde coexistam as duas situações

Bomba trabalhando no início da faixa, com baixa pressão e alta vazão; Existência de altura negativa de sucção;

Página 60 de 78 Bernoulli, num escoamento de um liquido sempre que a velocidade energia mecânica permaneça constante. Quando esta l ou menor da pressão de vapor do liquido ocorre uma vaporização dar o nome de cavitação é comum em propulsores navais e até em canais

ue causa devido a erosão associada, seja nas pás de turbinas, de bombas, em pistões ou em canais.

devido à baixa pressão, serão carregadas e podem chegar a uma região em que a pressão cresça novamente a um valor superior à Pv. Então ocorrerá a "implosão" dessas bolhas. Se a região de colapso das

choque geradas pelas implosões microscópicas no material, que com o tempo irão crescer e provocar o descolamento de material da superfície, originando uma cavidade e se dissemina e tende a

Estudo da Cavitação em bombas Centrífugas: NPSH

Net Positive Suction Head, cuja tradução

que as bombas tenham principalmente em sistemas onde coexistam as duas situações

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Página 61 de 78 Quanto maior for a vazão da bomba e a altura de sucção negativa, maior será a possibilidade da bomba cavitar em função do NPSH.

Em termos técnicos, o NPSH define-se como a altura total de sucção referida a pressão atmosférica local existente no centro da conexão de sucção, menos a pressão de vapor do líquido.

NPSH = (po - ZS – hS - R) – PV

Onde:

patm: Pressão atmosférica local, em m.c.a. (metros de coluna d’água). (tabela 3.1);

ZS: Altura de sucção, em metros (dado da instalação);

hs: Perdas de carga no escoamento pela tubulação de sucção, em metros;

R: Perdas de carga no escoamento interno da bomba, em metros (dados do fabricante); PV: Pressão de vapor do fluído escoado, em metros (tabela 3.2);

Para que o NPSH proporcione uma sucção satisfatória à bomba, é necessário que a pressão em qualquer ponto da linha nunca venha reduzir-se à pressão de vapor do fluído bombeado. Isto é evitado tomando-se providências na instalação de sucção para que a pressão realmente útil para a movimentação do fluído seja sempre maior que a soma das perdas de carga na tubulação com a altura de sucção, mais as perdas internas na bomba, portanto:

patm - PV > hs ± ZS + R

NPSH DA BOMBA E NPSH DA INSTALAÇÃO: Para que se possa estabelecer, comparar e alterar os dados da instalação, se necessário, é usual desmembrar-se os termos da fórmula anterior, a fim de se obter os dois valores característicos (instalação e bomba), sendo:

• patm - PV ± ZS - hs = NPSHd (disponível), que é uma característica da instalação

hidráulica. É a energia que o fluído possui, num ponto imediatamente anterior ao flange de sucção da bomba, acima da sua pressão de vapor. Esta variável deve ser calculada por quem dimensiona o sistema, utilizando-se de coeficientes tabelados e dados da instalação;

• R = NPSHr (requerido), é uma característica da bomba, determinada em seu projeto de fábrica, através de cálculos e ensaios de laboratório. Tecnicamente, é a energia necessária para vencer as perdas de carga entre a conexão de sucção da bomba e as pás do rotor, bem como criar a velocidade desejada no fluído nestas pás. Este dado deve ser obrigatoriamente fornecido pelo fabricante através das curvas características das bombas (curva de NPSH);

Assim, para um bom desempenho da bomba, deve-se sempre garantir a situação: NPSHd > NPSHr + CS

Na prática, se aceita:

CS = 0,6 (coeficiente de segurança)

Altura máxima de sucção

Pode-se determinar a altura máxima de sucção para uma dada através da expressão:

Zs = P0 – PV – NPSHr - hs

Onde: Po: pressão no ponto o (igual a pressão atmosférica para reservatório aberto);

PV: pressão de vapor de liquido a uma dada temperatura;

NPSHr – requerido;

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Tabela 3.1

Tabela 3.2

3.5 Faixa de operação da bomba num sistema

As bombas são projetadas para trabalhar com vazões e altura manométricas em faixas definidas pelas suas características de funcionamento. Através de ensaios verifica-se que as bombas são capazes de atender outros valores e alturas manométricas, além dos pontos para os quais elas foram projetadas. O conjunto de pontos em que a bomba é capaz de operar constitui a faixa de operação da bomba.

As curvas características de bombas centrífugas traduzem através de gráficos o seu funcionamento, bem como, a interdependência entre as diversas grandezas operacionais. As curvas são obtidas em laboratório e são fornecidas pelos fabricantes, para cada modelo disponível.

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3.6 Bibliografia

4. CAMARGO, Micelli Rodrigues (2011). Material de Apoio para a Disciplina Sistemas de Fluido-mecânicos. Anhanguera Educacional S.A., Centro Universitário – UNIBERO, São Paulo. Disponível em: http://pt.scribd.com/doc/44196738/Material-de-Apoio-Sistemas-Fluidomecanicos. Acessado em: Fevereiro/2012.

3.7 Apêndice

3.7.1 Plano de Estudo para o Capítulo

Para as seções descritas nesse capítulo use como referência o material de autoria do Professor Micelli Rodrigues Camargo, Anhanguera Educacional S.A., Centro Universitário – UNIBERO, São Paulo.

3. ESTUDO DA CAVITAÇÃO

3.1. Conceito de Pressão de Vapor 3.2. O Fenômeno da Cavitação

3.3. Características e Inconvenientes da Cavitação

3.4. Estudo da Cavitação em bombas Centrífugas: NPSH requerido e NPSH disponível 3.5. Faixa de operação da bomba num sistema.

3.8 Exercícios

EXERCÍCIO 01: Defina o que é cavitação?

EXERCÍCIO 02: Defina NPSHd (disponível) e NPSHr (requerido). EXERCÍCIO 03: Com relação a NPSH, pede-se:

Dados:

Catálogo: Q = 35m3/h; HmT = 40 mca; NPSHreq = 6mca

Altitude local = 900 m; Fluído: Água (30o C); HgS = 4m; HfS = 1m

a) NPSH disponível b) Haverá cavitação?