Cavitação

Matéria:

Ocorrência de cavitação em turbomáquinas com líquidos: filme Examples of Cavitation

Efeitos da cavitação no funcionamento das turbomáquinas

Altura de aspiração disponível

Altura de aspiração crítica

Velocidade específica de aspiração.

Coeficiente de Thoma.

Exercícios

Cavitação

Cavitação: vaporização, seguida de

condensação (quase instantânea)

Detecção da cavitação:

Alteração das curvas de funcionamento

Observação visual de formação de bolhas

Detecção de ruído e vibrações

Efeitos da cavitação:

Ruído, vibrações

Erosão do material

Redução do desempenho (rendimento, etc.)

Ocorrência de cavitação em bombas

Na situação da figura p1 é inferior à pressão atmosférica

se p1 < pvap (T) vaporização

Contudo a pressão mínima ocorre no interior da bomba

pmin < pvap (T) vaporização cavitação

Ocorrência de cavitação em bombas

vappppp 1min

para não ocorrer cavitação

Ocorrência de cavitação em bombas

Para que não ocorra cavitação:

vapppp 1ppp vap 1

g

V

g

p

g

p

g

V

g

p vap

22

2

1

2

11

Instalação (Hs) Bomba (Hsi)

po

asps Zeg

V

g

p

g

p

2

2

101

g

pZe

g

p vap

asps

0

Hs > Hsi

Ocorrência de cavitação em bombas

Altura de aspiração disponível:

só depende da instalação g

p

g

V

g

pH

vap

s

2

2

11

Altura de aspiração crítica:

só depende da bomba g

V

g

pH si

2

2

1

Curvas de Hsi são fornecidas pelo fabricante:

Hsi = F(Q,N,D,,, parâmetros geométricos)

Ocorrência de cavitação em bombas

Altura de aspiração

crítica (NPSH) - Hsi

(só depende da bomba)

NPSH – Net Positive

Suction Head

g

V

g

pH si

2

2

1

Curvas de H, e Hsi para o

diâmetro original (260 mm) e

após torneamento

Ocorrência de cavitação em turbinas

A diferença é que na definição da altura de aspiração disponível se incluem as perdas de carga no difusor (parte integrante do fornecimento)

Não há cavitação se

Hs > Hsi

Ocorrência de cavitação

Altura de aspiração crítica:

só depende da turbomáquina g

V

g

pH si

2

2

1

Hsi = F(Q,N,D,,, parâmetros geométricos)

Aplicando a análise dimensional:

2

3,ND

ND

Qf

H

H sii

Re desprezável Coeficiente de

Thoma crítico

Não há cavitação se: > i

Coeficiente de Thoma = Hs/H só depende da instalação

Ocorrência de cavitação

Velocidade específica de aspiração:

43

sgH

QNS

Velocidade específica de aspiração crítica:

343ND

QF

gH

QNS

si

i

Não há cavitação se S < Si

É indiferente utilizar Si ou i

Ocorrência de cavitação

Velocidade específica de aspiração crítica:

3ND

Qf

H

H sii

Mesma família de máquinas geometricamente

semelhantes tem mesmo (Si)max e (i )max

Coeficiente de Thoma crítico:

343ND

QF

gH

QNS

si

i

Ocorrência de cavitação

Valores típicos:

Bombas: 2,5 < (Si)max = F() < 3,5 (Si)max = 3

Turbinas: 3,5 < (Si)max = F() < 5,2 (Si)max = 4

Ocorrência de

cavitação

Exercício 5 e 8

Qual a altura máxima a que pode colocar a bomba para que não ocorra

cavitação em cada caso? (Zasp=0,5 m; pvap=2,45 kPa; patm=101,3 kPa)

Problemas 5 e8 A bomba com curvas de funcionamento anexas e D=265 mm rotor, fornece um

caudal de 260 m3/h numa instalação de bombagem com reservatórios abertos

para a atmosfera e um desnível de 12 m.

Pretende-se reduzir o caudal para 180 m3/h por uma das 4 vias seguintes:

a) Fecho parcial da válvula na conduta de descarga;

b) Alteração da velocidade de rotação;

c) Ajuste do diâmetro do rotor por torneamento (use as curvas de funcionamento

fornecidas para rotores com menos de 265 mm);

d) Instalando uma recirculação (ligando a saída da bomba à sua entrada) e

controlando aí o caudal para que na conduta principal passem os 180 m3/h

pretendidos.

Admita escoamento completamente turbulento na conduta. Calcule a potência

consumida pela bomba e a altura máxima a que a pode colocar acima da

superfície livre do reservatório de montante para cada uma das possíveis vias de

controlo de caudal. Tome Zasp=0,5 m (para 180 m3/h), pvap=2,45 kPa e patm=101,3

kPa.

Problemas 5 e 8 – Curva da instalação

0 17

pump

Curva da instalação:

𝐻 = 12 + 𝑘𝑄2

𝑘 = 7.4 × 10−5𝑚 𝑚3 ℎ 2

Problemas 5 e8 a) – Fecho da válvula

1

pump

Potência: 𝑃 = 𝜌𝑔𝑄𝐻 𝜂 = 13646 𝑊

Altura máxima:

𝑒𝑠 ≤ 9.59 − 𝐻𝑠𝑖 = 7.79𝑚 1.8

Problemas 5 e 8 b) – Ajustamento da

velocidade de rotação

2

3 Ponto de funcionamento (2):

𝑄 = 180𝑚3 ℎ

𝐻 = 14,4 𝑚

Rendimento do ponto 2?

𝜂 = 80%

𝐻 = 4.44 × 10−4𝑄2

Potência : 𝑃 = 𝜌𝑔𝑄𝐻 𝜂 = 8820 𝑊

Altura máxima:

𝑒𝑠 ≤ 9.59 − 𝐻𝑠𝑖 = 8.12𝑚

𝐻𝑠𝑖 = 1.47 𝑚

Calculado por igualdade do

coeficente de Thoma nos

pontos 2 e 3

Problemas 5 e8 c)– Torneamento do rotor

2

Ponto de funcionamento (2):

𝑄 = 180𝑚3 ℎ

𝐻 = 14,4 𝑚

Rendimento do ponto 2?

𝜂 = 75%

Potência : 𝑃 = 𝜌𝑔𝑄𝐻 𝜂 = 9408 𝑊

Altura máxima:

𝑒𝑠 ≤ 9.59 − 𝐻𝑠𝑖 = 8.12𝑚

𝐻𝑠𝑖 = 1.8 𝑚

Problemas 5 e8 d) – Recirculação

4

recirculação

Ponto de funcionamento(4)?

𝑄 = 280𝑚3 ℎ 𝐻 = 14,4 𝑚

𝜂 = 68%

Potência: 𝑃 = 𝜌𝑔𝑄𝐻 𝜂 = 16142 𝑊

Altura máxima:

𝑒𝑠 ≤ 9.59 − 𝐻𝑠𝑖 = 8.12𝑚

𝐻𝑠𝑖 = 3.5 𝑚