Aula 3 de Operações Unitárias I -...

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Aula 3 de Operações Unitárias I Prof. Geronimo

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  • Aula 3 de Operaes Unitrias I

    Prof. Geronimo

  • CAVITAO

    Cavitao um fenmeno de ocorrncia limitada a

    lquidos, com consequncias danosas para o

    escoamento e para as regies slidas onde a mesma

    ocorre.

    O estudo da cavitao pode ser dividido em duas partes:

    o fenomenolgico, que corresponde identificao e

    combate cavitao e seus efeitos; e o terico, onde

    interessa o equacionamento do fenmeno, visando a

    sua quantificao no que se refere s condies de

    equilbrio, desenvolvimento e colapso das bolhas.

    Para o perfeito entendimento da cavitao, torna-se

    necessrio abordar o conceito de presso de vapor.

  • Presso de Vapor

    Presso de vapor de um lquido a uma determinada temperatura aquela na qual o fluido coexiste em suas fases lquido e vapor.

    Em uma mesma temperatura, quando tivermos uma presso maior que a presso de vapor, haver somente a fase lquida e quando tivermos uma presso menor, haver somente a fase vapor.

  • Presso de Vapor

    Observa-se, que a presso de vapor de um lquido cresce com o aumento da

    temperatura. Analisando a curva de presso de vapor, verifica-se que pode-

    se passar de uma fase para outra, de varias maneiras, por exemplo:

    1. mantendo a presso constante e variando a temperatura.

    2. mantendo a temperatura constante e variando a presso.

    3. variando presso e temperatura.

    Assim, mantendo-se a presso de um lquido constante, (por ex. presso

    atmosfrica) e aumentando-se a temperatura, chega-se at um ponto em

    que a temperatura corresponde presso de vapor e passa-se a ter a

    ebulio.

    (1)

    (2)

    (3)

  • Conceito de Cavitao

    Pelo conceito de presso de vapor, vimos que mantendo-se um fluido a uma

    temperatura constante e diminuindo-se a presso, o mesmo ao alcanar a presso

    de vapor, comear a vaporizar.

    Este fenmeno ocorre nas bombas centrifugas, pois o fluido perde presso ao longo

    do escoamento na tubulao de suco.

    O esquema abaixo representa duas sees (1) e (2), quaisquer, no sistema de

    escoamento na suco de uma bomba

    21,21 HHPH

    2

    2

    221,21

    2

    11 Z2g

    V

    PHPZ

    2g

    V

    P

    PHP

    P 21,2

    1 1,212 HP

    P

    P

    mas: V1 = V2 e Z1 = Z2

  • Conceito de Cavitao

    Se a presso absoluta do lquido, em qualquer ponto do sistema de

    bombeamento, for reduzida (ou igualada) abaixo da presso de

    vapor, na temperatura de bombeamento; parte deste lquido se

    vaporizar, formando cavidades no interior da massa lquida.

    Estar a iniciado o processo de cavitao.

    As bolhas de vapor assim formadas so conduzidas pelo fluxo do

    lquido at atingirem presses mais elevadas que a presso de

    vapor (normalmente na regio do rotor), onde ento ocorre a

    imploso (colapso) destas bolhas, com a condensao do vapor e

    o retorno fase lquida. Tal fenmeno conhecido como

    CAVITAO.

    Normalmente a cavitao acompanhada por rudos, vibraes e

    com possvel eroso das superfcies slidas (pitting).

    Deve-se salientar, que a eroso por cavitao no ocorre no local

    onde as bolhas se formam, mas sim onde as mesmas implodem.

  • Conceito de Cavitao

    Os efeitos da cavitao dependem do tempo de sua durao, da sua intensidade, das propriedades do lquido e da resistncia do material eroso por cavitao.

    A cavitao, naturalmente, apresenta um barulho caracterstico, acompanhado de reduo na altura manomtrica e no rendimento. Se de grande intensidade, aparecer vibrao, que comprometer o comportamento mecnico da bomba.

    Em resumo, so os seguintes, os inconvenientes da cavitao:

    a) Barulho e vibrao.

    b) Alterao das curvas caractersticas.

    c) Eroso - remoo de partculas metlicas - pitting.

    O ponto crtico para a cavitao a entrada do rotor. Nesta regio a quantidade de energia mnima, pois o lquido ainda no recebeu nenhuma energia por parte do rotor.

    A cavitao, normalmente, inicia-se nesse ponto, em seguida, as cavidades so conduzidas pela corrente lquida provocada pelo movimento do rotor, alcanando regies de presso superior de vapor do fludo, onde se processa a imploso das cavidades (bolhas).

  • NPSH Net Positive Suction Head

    O NPSH um conceito oriundo da escola americana, que

    predominou entre os fabricantes instalados no pas e na norma da

    ABNT que trata de ensaios de cavitao em bombas.

    A condio Peabs Pv necessria mas no suficiente, pois pr

    detalhes construtivos poder ocorrer cavitao no interior da prpria

    mquina.

    Em termos prticos, o procedimento usual para analisarmos a

    operao de determinada bomba num sistema, atravs do

    conceito de NPSHREQ. e NPSHDISP.

    O NPSH representa a Energia Absoluta no flange de suco,

    acima da presso de vapor do fludo naquela temperatura.

    P

    absHeNPSH VAPOR

    PNPSHHe Vabs

    V

    abs

    PHeNPSH

  • NPSH Requerido

    Cada bomba, em funo de seu tamanho, caractersticas construtivas,

    etc..., necessita de uma determinada energia absoluta (acima da presso

    de vapor) em seu flange de suco, de tal modo que a perda de carga que

    ocorrer at entrada do rotor no seja suficiente para acarretar cavitao,

    quando operada naquelas condies de vazo. A esta energia

    denominamos NPSH REQUERIDO.

    Os fabricantes de bombas fornecem o NPSH requerido, atravs de uma

    curva NPSHreq x VAZO, para cada bomba de sua linha de fabricao,

    conforme padro abaixo:

    Esta curva uma caracterstica

    prpria da bomba, sendo obtida

    experimentalmente, atravs de

    testes de cavitao em bancadas

    do fabricante, com gua fria a 20o

    C. Portanto, o NPSH requerido,

    representa a energia absoluta do

    lquido, acima de sua presso de

    vapor, necessria no flange de

    suco da bomba, de tal forma que

    garante a no ocorrncia de

    cavitao na mesma.

  • NPSH Disponvel

    O NPSH disponvel uma caracterstica do sistema e

    representa, ou define, a quantidade de energia absoluta

    disponvel no flange de suco da bomba, acima da

    presso de vapor do fludo naquela temperatura.

    O NPSH disponvel pode ser calculado de duas formas:

    fase de projeto

    fase de operao

  • NPSHDISP - Fase de Projeto

    O esquema abaixo representa duas situaes de instalaes

    hidrulicas:

    Uma com a bomba succionando de um reservatrio cujo nvel est

    acima da linha de centro da bomba (bomba afogada)

    E outra com a bomba succionando de um reservatrio com cota

    inferior linha de centro da bomba.

    PHeNPSH VABSDISP

    Vamos aplicar o balano de

    energia na suco.

    Pela definio:

    ABSSUCABS HeHPHo

  • NPSHDISP - Fase de Projeto

    Ento temos:

    Substituindo o valor da energia absoluta de entrada em funo do

    NPSHdisp., temos:

    Para v0 = 0, ou seja nvel do

    reservatrio constante.

    ABSSUCSUC

    2

    0ATMO HeHPZ2g

    V

    PP

    PHPZ

    2g

    V

    PPNPSH VSUCSUC

    2

    OATMODISP

    SUCSUCVATMO

    DISP HPZ

    PPPNPSH

    Po - presso manomtrica no reservatrio de

    suco.

    PATM - presso atmosfrica local.

    PV - presso de vapor do fludo temperatura de

    bombeamento.

    HPSUC- perda de carga total na suco.

    ZSUC - cota da superfcie do nvel do reservatrio de

    suco.

  • NPSHDISP - Fase de Projeto

    Analisando-se a expresso do NPSHDISP, verifica-se que para obter

    valores elevados, deve-se tomar as seguintes providencias:

    diminuir a altura geomtrica de suco negativa (-ZSUC), ou

    aumentar a altura geomtrica de suco positiva (+ZSUC),

    diminuir a perda de carga na suco. Para tal recomenda-se:

    utilizar tubulaes curtas.

    baixar a velocidade do fludo na suco, aumentando-se o seu

    dimetro.

    reduzir nmero de acessrios (curvas, vlvulas, etc...).

    diminuir a temperatura do fludo bombeado, para diminuir a presso

    de vapor do mesmo.

  • NPSHDISP - Fase de Operao

    Do balano de energia na suco temos:

    ONDE:

    Pe - presso na entrada da bomba, isto , no flange de suco

    (manomtrica).

    PATM - presso atmosfrica local.

    Pv - presso de vapor do lquido temperatura de bombeamento.

    Ve - velocidade do fluxo na suco da bomba (local da tomada de presso).

    Ze - distancia entre a linha de centro da bomba e do manmetro.

    PHeNPSH VABSDISP

    PZ

    2g

    V

    PPNPSH Ve

    2

    eATMeDISP

    e

    2

    eVATMeDISP Z

    2g

    V

    PPPNPSH

  • NPSHDISP - Fase de Operao

    Dessa forma temos a curva.

    Analisando as curvas NPSHReq. E NPSHDisp.

    Para no ocorrer cavitao,

    devemos ter:

    NPSHDISP NPSHREQ

    Na prtica

    utilizamos: NPSHDISP 1,20 NPSHREQ

    No mnimo: NPSHDISP (NPSHREQ + 1,0) m

  • Exerccio.

    No esquema da figura abaixo, qual deve ser a mxima altura z para

    que no haja cavitao com a gua a 20 C? Dados: Q = 12 L/s; D

    = 10 cm; patm = 93,6 kPa; pvap = 2,46 kPa (abs); tubo de ao

    comercial. ( = 10-6 m2/s, = 104 N/m3).

    B

    (0)

    (1)

    (2) (3)

    1 m

    6 m

    Z

    Ks2 = 1

    Ks1 = 15