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Aula 3 de Operaes Unitrias I
Prof. Geronimo
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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.
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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.
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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)
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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
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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.
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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).
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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
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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.
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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
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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
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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.
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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.
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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
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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
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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
