Engenharia electromecnica 2 ano - 2012Fenmeno de cavitao em bombas, causas e solues 1 Indice Engenharia electromecnica 2 ano - 2012Fenmeno de cavitao em bombas, causas e solues 2 Prefcio Paraquetodososelementosouequipamentostenhamumalongavidatil, precisamdevriasoperaesdemanuteno.Manutenoestaqueindispensveis masnoanicaopoparamanterumdeterminadoequipamentoemfuncionamento pois existem factores que devem ser previamente analisados. Otemadestetrabalhodeinvestigaoofenmenodecavitaoembombas, suas causas e solues.Paraquenosejamnecessriasvriasoperaesdemanuteno,correctivas principalmentesoindispensveisasobservaesdevriasmedidasnomomentoque antecedeamontagemdoconjuntodesdeopontodesucoatazonadechegadado fluido.Opresentetrabalho,contemapenasprincpiosbsicosnoquetocaacavitao embombas,porisso,nofinaldesteresumimosalgumasrefernciasbibliogrficasque seroteisaaquelesquequeiramaperfeioarseusconhecimentosacercadotemaj referidotalcomotambmpoderoadquirirbasessustentveisquelhespermitirodar sequncia a este tema que apenas comeamos. Engenharia electromecnica 2 ano - 2012Fenmeno de cavitao em bombas, causas e solues 3 Introduo Antesdecomearmosafalardecavitaonecessrioterumconhecimento bsicosobreumdosprincipaiselementosondesedacavitao,oelementooqual faremos estudo sobre cavitao a bomba. Definio de Bombas: Somquinashidrulicasquetransferemenergiaaofluidocomafinalidadede transport-los de um ponto ao outro. Classificao das bombas: Asbombassoclassificadasbasicamenteemdoistipos:hidrostticase hidrodinmicas. Engenharia electromecnica 2 ano - 2012Fenmeno de cavitao em bombas, causas e solues 4 Bombas hidrostticas So bombas de deslocamento positivo, que fornecem determinada quantidade de fluido a cada rotao ou ciclo. So bombas utilizadas para transmitir fora hidrulica em um equipamento industrial. Exemplos: Fig.1-Bomba de mbolo Onde: 1 - Vlvula de Admisso 2 - Vlvula de Descarga 3 - Movimento de Aspirao 4 - Movimento de Descarga Fig.2-Bombas rotativas de engrenagensFig.3-Bombas rotativas de lbulos Engenharia electromecnica 2 ano - 2012Fenmeno de cavitao em bombas, causas e solues 5 Fig.4-Bombas rotativas de palheta Bombashidrostticasproduzemfluxodeformapulsativa,pormsemvariao de presso no sistema. Bombas hidrodinmicas Sobombasdedeslocamentonopositivo,usadasparatransferirfluidosecuja nicaresistnciaacriadapelopesodofluidoepeloatrito.Essasbombasraramente sousadasemsistemashidrulicos,porqueseupoderdedeslocamentoreduzquando aumentaaresistnciaetambmpossvelbloquearcompletamenteoseurecalqueem plenoregimedefuncionamentodabomba.Asbombascentrfugassobombas hidrodinmicas. Bombas Centrfugas: So as mais utilizadas pela indstria em geral. Quaisquer processos que exigem movimentaodefluidos,essamovimentaosofeitosgeralmenteporumabomba centrfuga.Soclassificadasdeacordocomsuaconfiguraomecnica,tiposde rotores, montagem e quantidades de estgios, etc., que no aprofundaremos pois no o temaprincipalmasdesalientarqueacavitaod-semaisembombas hidrodinmicas, e tomaremos como exemplo uma bomba centrfuga. Engenharia electromecnica 2 ano - 2012Fenmeno de cavitao em bombas, causas e solues 6 Cavitao Acavitaopodeocorreremmaioroumenorintensidade.Quandoocorreem pequenaintensidadeseusefeitossoquaseimperceptveis.Jemgrandeintensidade, ocorrem vibraes que comprometem a vida dos componentes mecnicos. Ciclospodemchegara25.000/sepresseslocalizadasnaspartesmetlicasna ordem de 1.000 atm (ou 1.000 bar ou 10.000 mca). Sintomas da cavitao: -Rudo Caracterstico: Acavitao produz um rudo semelhante dedegros de areia ou pequenas pedras. -VibraoCaracterstica:Ocolapsoproduzexcitaesdenominadasaleatrias, que se caracterizam por excitar frequncias naturais (ressonncias). -Alteraesnaperformance:Dependendodaintensidadepode-seobservar variaes na presso de descarga, visto pela oscilao do Manmetro, perdendo at mesmo a vazo. -OscilaesnasIndicaesdaCorrente:umaconsequnciadirectadas alteraes na performance, tendo em vista que a potncia consumida funo da presso (AMT) e da Vazo, que variam em uma condio de cavitao. Consequncias da cavitao: Os efeitos da cavitao dependem do tempo de durao, intensidade da cavitao, propriedade do lquido e resistncia do material eroso por cavitao. As consequncias mais notrias so: -Barulho.-Vibrao. -Alterao das curvas caractersticas. -Danificao ou "pitting" do material. -Baixo rendimento da bomba. O barulho e vibrao so provocados principalmente pela instabilidade gerada pelo colapso das bolhas. Causas da cavitao: As causas da cavitao esto ligadas a: -Mau dimensionamento da linha de suco. -Existncia de altura negativa de suco. -Bomba trabalhando no inicio de faixa, com baixa presso e alta vazo. -NPSH requerido pelo sistema. Engenharia electromecnica 2 ano - 2012Fenmeno de cavitao em bombas, causas e solues 7 NPSH Net Positive Suction Head (Energia Positiva de Suco). um dos mais polmicos termos associado a bombas, porm sua compreenso essencialparaobomfuncionamento.AssimdevemosentenderosconceitosdeNPSH disponvel e requerido. O NPSH disponvel deve ser sempre maior que o NPSH requerido.Quanto maior for a vazo da bomba e a altura de suco negativa, maior ser a possibilidade da bomba cavitar em funo do NPSH. Em termos tcnicos, o NPSH define-se como a altura total de suco referida a presso atmosfrica local existente no centro da conexo de suco, menos a presso de vapor do lquido. NPSH = (Ho - h - hs - R) - Hv Onde: Ho = Presso atmosfrica local , em mca (tabela 1); h = Altura de suco, em metros (dado da instalao); hs = Perdas de carga no escoamento pela tubulao de suco, em metros; R = Perdas de carga no escoamento interno da bomba, em metros (dados do fabricante); Hv = Presso de vapor do fludo escoado, em metros (tabela 2); Para que o NPSH proporcione uma suco satisfatria bomba, necessrio que a presso em qualquer ponto da linha nunca venha reduzir-se presso de vapor do fludo bombeado. Isto evitado tomando-se providncias na instalao de suco para que a presso realmente til para a movimentao do fludo, seja sempre maior que a soma das perdas de carga na tubulao com a altura de suco, mais as perdas internas na bomba, portanto: Ho - Hv > hs + h + R NPSH da bomba e NPSH da instalao:Para que se possa estabelecer, comparar e alterar os dados da instalao, se necessrio, usual desmembrar-se os termos da frmula anterior, a fim de obter-se os dois valores caractersticos (instalao e bomba), sendo: Ho - Hv - h - hs = NPSHd (disponvel), que uma caracterstica da instalao hidrulica. a energia que o fludo possui, num ponto imediatamente anterior ao flange de suco da bomba, acima da sua presso de vapor. Esta varivel deve ser calculada por quem dimensionar o sistema, utilizando-se de coeficientes tabelados e dados da instalao; Engenharia electromecnica 2 ano - 2012Fenmeno de cavitao em bombas, causas e solues 8 R = NPSHr (requerido), uma caracterstica da bomba, determinada em seu projeto de fbrica, atravs de clculos e ensaios de laboratrio. Tecnicamente, a energia necessria para vencer as perdas de carga entre a conexo de suco da bomba e as ps do rotor, bem como criar a velocidade desejada no fludo nestas ps. Este dado deve ser obrigatoriamente fornecido pelo fabricante atravs das curvas caractersticas das bombas (curva de NPSH); Assim, para uma boa performance da bomba, deve-se sempre garantir a seguinte situao: NPSHd > NPSHr EXEMPLO: Suponhamos que uma bomba de modelo hipottico Ex.1 seja colocada para operar com 35 mca de AMT, vazo de 32,5 m3 /h, altura de suco de 2,5 metros e perda por atrito na suco de 1,6 mca. A altura em relao ao nvel do mar onde a mesma ser instalada de aproximadamente 600 metros, e a temperatura da gua de 30C, verificaremos: Verificao do NPSHr: Conforme curva caracterstica do exemplo citado, para os dados de altura (mca) e vazo (m/h) indicados, o NPSHr da bomba 4,75 mca, confira a seguir. Clculo do NPSHd: Sabendo-se que: NPSHd = Ho - Hv - h - hs Engenharia electromecnica 2 ano - 2012Fenmeno de cavitao em bombas, causas e solues 9 Onde: Ho = 9,58 (tabela 1) Hv = 0,433 (tabela 2) h = 2,5 metros (altura suco) hs = 1,60 metros (perda calculada para o atrito na suco) Temos que: NPSHd = 9,58 - 0,433 - 2,5 - 1,60 NPSHd = 5,04 mca Analisando-se a curva caracterstica abaixo, temos um NPSHr de 4,95 mca. Fig.5- curva de vazo, altura e NPSH Portanto: 5,04 > 4,95 Ento NPSHd > NPSHr A bomba nestas condies funcionar normalmente, porm, deve-se evitar: -Aumento da vazo; -Aumento do nvel dinmico da captao; -Aumento da temperatura da gua. Havendo alterao destas variveis, o NPSHd poder igualar-se ou adquirir valores inferiores ao NPSHr , ocorrendo assim a cavitao. Engenharia electromecnica 2 ano - 2012Fenmeno de cavitao em bombas, causas e solues 10 Cavitao:QuandoacondioNPSHd>NPSHrnogarantidapelosistema, ocorreofenmenodenominadocavitao.Estefenmenod-sequandoapressodo fludo na linha de suco adquire valores inferiores ao da presso de vapor do mesmo, formando-sebolhasdear,isto,ararefaodofludo(quebradacolunadegua) causada pelo deslocamento das ps do rotor, natureza do escoamento e/ou pelo prprio movimentodeimpulsodofludo.Estasbolhasdearsoarrastadaspelofluxoe condensam-sevoltandoaoestadolquidobruscamentequandopassampelointeriordo rotorealcanamzonasdealtapresso.Nomomentodestatrocadeestado,ofludoj estemaltavelocidadedentrodorotor,oqueprovocaondasdepressodetal intensidadequesuperamaresistnciatraodomaterialdorotor,podendoarrancar partculasdocorpo,daspsedasparedesdabomba,inutilizando-acompoucotempo deuso,porconseqentequedaderendimentodamesma.Orudodeumabomba cavitandodiferentedorudodeoperaonormaldamesma,poisdaimpressode queelaestbombeandoareia,pedregulhosououtromaterialquecauseimpacto.Na verdade, so as bolhas de ar "implodindo" dentro do rotor.Medidas para evitar a cavitao Para evitar-se a cavitao de uma bomba, dependendo da situao, deve-se adoptar as seguintes providncias: -Reduzir-se a altura de suco e o comprimento desta tubulao, aproximando-se ao mximo a bomba da captao; -Reduzir-se as perdas de carga na suco, com o aumento do dimetro dos tubos e conexes; -Refazer todo o clculo do sistema e a verificao do modelo da bomba; Quandopossvel,semprejudicaravazoe/ouapressofinalrequeridasno sistema,pode-seeliminaracavitaotrabalhando-secomregistronasadadabomba "estrangulado", ou, alterando-se o(s) dimetro(s) do(s) rotor(es) da bomba. Estas porm soprovidnciasquesdevemseradotadasemltimocaso,poispodemalterar substancialmente o rendimento hidrulico do conjunto. APressoAtmosfricaaresponsvelpelaentradadofludonasucoda bomba. Quando a altura de suco for superior a 8 metros (ao nvel do mar), a Presso Atmosfricadeixadefazerefeitosobrealminad'guarestandotecnicamente,nestes casos, o uso de outro tipo de bomba centrfuga, as Injetoras por exemplo. Engenharia electromecnica 2 ano - 2012Fenmeno de cavitao em bombas, causas e solues 11 Regio principal de cavitao Pelo que foi exposto, conclumos que a regio que est susceptvel cavitao a suco da bomba, pois onde o sistema de bombeamento apresenta a menor presso absoluta. Portantoopontocrticoparaacavitaoaentradadorotor.Nestaregioa quantidade de energia mnima, pois o lquido ainda no recebeu nenhuma energia por parte do rotor. Assim,acavitao,normalmente,inicia-senesseponto,emseguida,as cavidadessoconduzidaspelacorrentelquidaprovocadapelomovimentodorotor, alcanandoregiesdepressosuperiordevapordofludo,ondeseprocessaa imploso das cavidades (bolhas). Engenharia electromecnica 2 ano - 2012Fenmeno de cavitao em bombas, causas e solues 12 Concluso Peloquefoiexposto,podemosconcluirqueobomfuncionamentodeuma bombanodependenicaeexclusivamentedeumaboamanuteno.Depende tambmdevriosfactorestaiscomoascaracteristicasdabomba,alturadesuco negativa,vazodabomba,caracteristicasdastubulaes(atrito,tipodematerial, contornos, diametro,etc.), vlvulas, o tipo de fluido,etc. Acavitaoumfenmenmofisicoquedanifcicabombas,emboloseoutros elementos,possivelevitarmosestefenmenoseobservamostodaasmedidasj descritas e aconselhamos tambm a se refazerem os calculos depois de algum tempo de funcionamentodoconjunto,poisodesgasteealgunsoutrosfactorespodemcausar algumas variaes sobre os materiais e consequentemente sobre o sistema. Engenharia electromecnica 2 ano - 2012Fenmeno de cavitao em bombas, causas e solues 13 Referencias bilbliogrficas www.google.com www.wikipedia.com Engenharia electromecnica 2 ano - 2012Fenmeno de cavitao em bombas, causas e solues 14 Engenharia electromecnica 2 ano - 2012Fenmeno de cavitao em bombas, causas e solues 15 Outro exemplo que demostra o clculo de NPSH NPSH Net Positive Suction Head ONPSHumconceitooriundodaescolaamericana,quepredominouentreos fabricantes instalados no pas e na norma da ABNT que trata de ensaios de cavitao em bombas. AcondioPeabs>Pvnecessriamasnosuficiente,poisprdetalhes construtivos poder ocorrer cavitao no interior da prpria mquina. Emtermosprticos,oprocedimentousualparaanalisarmosaoperaode 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. PabsHe NPSHVAPOR = PNPSH HeVabs= VabsPHe NPSH = Engenharia electromecnica 2 ano - 2012Fenmeno de cavitao em bombas, causas e solues 16 NPSH Requerido (NPSHREQ) Cadabomba,emfunodeseutamanho,caractersticasconstrutivas,etc..., necessitadeumadeterminadaenergiaabsoluta(acimadapressodevapor)emseu flange de suco, de tal modo que a perdade carga que ocorrer at entrada do rotor nosejasuficienteparaacarretarcavitao,quandooperadanaquelascondiesde 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 o padro a baixo: Estacurvaumacaractersticaprpriadabomba,sendoobtida experimentalmente, atravs de testes de cavitao em bancadas do fabricante, com gua fria a 20o C. Assim, em resumo, o NPSH requerido, representa a energia absoluta do lquido, acima de sua presso devapor, necessria noflange de suco da bomba,de tal forma que garante a no ocorrncia de cavitao na mesma. ParadefiniodoNPSHREQ deumabomba,utilizadocomocritrio,a ocorrnciadeumaquedade3%naalturamanomtricaparaumadeterminadavazo. EstecritrioadoptadopeloHydraulicInstituteStandardseAmericanPetroleum Institute (API-610). Engenharia electromecnica 2 ano - 2012Fenmeno de cavitao em bombas, causas e solues 17 NPSH Disponvel (NPSHDISP) 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 projecto -Fase de operao NPSHDISP- Fase de Projecto O esquema abaixo representa duas situaes de instalaes hidrulicas, a primeira com a bomba succionando de um reservatrio cujo nvel est acima da linha de centro da bomba (bomba afogada) e a segunda com a bomba succionando de um reservatrio com cota inferior linha de centro da bomba. Pela definio:PHe NPSHVABS DISP = Temos que:ABS SUC ABSHe HP Ho = Engenharia electromecnica 2 ano - 2012Fenmeno de cavitao em bombas, causas e solues 18 ABS SUC SUC20 ATM OHe HP Z2gVP P= +||.|

\| + Ento: PHP Z2gVP PNPSHVSUC SUC2O ATM ODISP +||.|

\| += E tem-se: SUC SUCV ATM ODISPHP ZP P PNPSH ||.|

\| += ( Vo=0 ) ONDE: 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. Analisando-se esta expresso do NPSHDISP, verificamos que para obtermos valores elevados, devemos tomar as seguintes providncias: -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 seudimetro. Reduzido nmero de acessrios (curvas, vlvulas, etc.). Diminuir a temperatura do fludo bombeado, para diminuir a presso de vapor do mesmo. Engenharia electromecnica 2 ano - 2012Fenmeno de cavitao em bombas, causas e solues 19 NPSHDISP Fase de Operao Como vimos:

PHe NPSHVABS DISP =

PZ2gVP PNPSHVe2e ATM eDISP((

+ +||.|

\| += E portanto: ((

+ +||.|

\| +=e2e V ATM eDISPZ2gVP P PNPSH 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. Engenharia electromecnica 2 ano - 2012Fenmeno de cavitao em bombas, causas e solues 20 Anlise da Faixa de Operao de uma Bomba em um Sistema Esta anlise pode ser feita colocando-se num mesmo grfico as curvas do NPSHREQ e a do NPSHDISP . direita do ponto de encontro das duas curvas observa-se a zona de cavitao. Para no ocorrer cavitao, devemos ter: NPSHDISP NPSHREQ Na prtica utilizamos: NPSHDISP1,20NPSHREQ No mnimo: NPSHDISP (NPSHREQ+1,0) m