Cavitação - NPSH

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  • CAVITAO / NPSHCURSO: Engenharia MecnicaDISCIPLINA: Mquinas Hidrulicas

  • CAVITAODefinio Clssica: Se a presso absoluta em qualquer ponto de um sistema de bombeamento atingir valor igual ou inferior presso de vapor do lquido, na temperatura do bombeamento, parte deste lquido vaporizar, formando bolhas no lquido bombeado, assim quando as bolhas alcanar a regio de maior presso absoluta, haver colapso delas proporcionando o aparecimento de ondas de choque, que levaram ao desgaste ou/e rompimento do equipamento.

  • CAVITAODefinio moderna: O inicio da cavitao o aparecimento de bolhas macroscpicas a partir de bolhas microscpicas ou ncleos existentes como impurezas no seio do lquido quando a presso atinge um valor crtico.

  • CAVITAOEm bombas centrifugas a regio de mnima presso, crtica para o efeito da anlise da cavitao a entrada (olho) do impelidor, devido a que o lquido ainda no recebeu energia suficiente para o aumento de presso ou velocidadeCavitao e vaporizao: Na vaporizao o aparecimento de bolhas devido ao aumento de temperatura a presso constante, enquanto na cavitao ocorre com a reduo da presso a temperatura constante.

  • INCONVENIENTES DA CAVITAO Barulho e vibrao; provocados pela instabilidade gerada pelo colapso das bolhas.Os efeitos da cavitao dependem:do tempo de durao;da intensidade da cavitao;da propriedade do lquido eresistncia do material eroso por cavitao. INCONVENIENTES

  • INCONVENIENTES DA CAVITAO Alterao das curvas caractersticas; devido diferena de voluma especfico entre o lquido e o vapor, bem pela turbulncia gerada pelo fenmeno da cavitao.

  • INCONVENIENTES DA CAVITAO Danificao do material; devido ao choque continuo das bolhas contra as ps do impelidor, desgastando o material e assim alterando as condiciones normais de operao especificada pelo fabricante.

    Segundo vrios estudos experimentais, a freqncia do ciclo de choque de 25000 ciclos por segundo, ou em funo de grandeza de 1000 atmosfera de presso contra o impelidor.

  • CAVITAO / NPSHCAVITAO:Uma intensa formao de bolhas de vapor na zona de baixa presso da bomba e posterior colapso destas bolhas na regio de alta presso; NPSH: a presso mnima em termos absolutos, em metros de coluna de gua, acima da presso de vapor do produto , a fim de evitar a formao de bolhas de vapor.

  • CAVITAO / NPSHPRESSO DE VAPOR: presso de vapor de um lquido a uma dada temperatura aquela qual o lquido coexiste em sua fase lquida e vapor.

  • EQUACIONAMENTO DA CAVITAO EM BOMBASEspecfico do fabricante. BombaObtido para o sistema em estudo

  • EQUACIONAMENTO DA CAVITAO EM BOMBASEspecfico do fabricante. BombaPerda de carga entre o flange de suco e o olho do impelidorVelocidade absoluta no olho do impelidorCaracterstica da bombaVelocidade relativa no olho do impelidor

  • CAVITAO, EROSO E CORROSOEROSO: decorre da ao das partculas slidas em suspenso sendo deslocadas com velocidade.

    CORROSO: decorre normalmente da incompatibilidade do material com o lquido, propiciando reao qumica destrutiva, ou da utilizao de materiais muito afastados da tabela de potencial, em presena de um lquido que aja como eletrlito, propiciando a oportunidade para uma reao galvnica.

  • CAVITAO / NPSH

  • NPSH (Net Positive Suction Head)Representa a disponibilidade de energia com que o lquido penetra na boca de entrada da bomba.

    Alguns autores utilizam o termo APLS, Altura Positiva Lquida de Suco ou Altura de Suco Absoluta.

    Para efeito de estudo e definio, o NPSH pode ser dividido conforme segue:

  • NPSH (Net Positive Suction Head)NPSH REQUERIDO: uma caracterstica da bomba e a presso absoluta mnima por unidade de peso, a qual dever ser superior a presso de vapor do fluido bombeado na suco da bomba (entrada do rotor) para que no haja cavitao.

    Este valor depende das caractersticas da bomba e deve ser fornecido pelo fabricante da mesma.

  • NPSH (Net Positive Suction Head)Pode-se calcular o NPSH requerido atravs de frmulas empricas, quando no houver registro das caractersticas da bomba.

  • REPRESENTAO GRFICA DO NPSH REQUERIDO

  • REPRESENTAO GRFICA DO NPSH REQUERIDO

  • NPSH DISPONVEL: uma caracterstica da instalao em que a bomba opera, e da presso disponvel do lquido no lado de suco da bomba.NPSH (Net Positive Suction Head)

  • O NPSH disponvel pode ser calculado atravs de duas frmulas:NPSH disponvel na fase de projeto:

    Prs presso no reservatrio de suco (kgf/cm)Patm presso atmosfrica local (kgf/cm)Pv presso de vapor do lquido na temperatura de bombeamento (kgf/cm)Hgeos altura geomtrica de suco (positiva ou negativa) (m)Hp perdas de carga na suco(m) peso especfico do fluido na temperatura de bombeamento (kgf/dm)

    NPSH (Net Positive Suction Head)

  • O NPSH disponvel pode ser calculado atravs de duas frmulas:NPSH disponvel na fase de operao:

    Prs presso no reservatrio de suco (kgf/cm)Patm presso atmosfrica local (kgf/cm)Pv presso de vapor do lquido na temperatura de bombeamento (kgf/cm)Vs velocidade do fluxo no flange de suco (m/s)Zs distncia entre as linhas de centro da bomba e do manmetro (m)g acelerao da gravidade peso especfico do fluido na temperatura de bombeamento (kgf/dm)

    NPSH (Net Positive Suction Head)

  • Critrios de avaliao das condies de cavitao Clculo da vazo mxima permissvel de uma bomba em um sistema;

  • Critrios de avaliao das condies de cavitao Altura mxima de suco;

  • NPSH (Net Positive Suction Head)SE:

    NPSHd < NPSHr VAI OCORRER CAVITAO!

    SE:

    NPSHd NPSHrNO VAI OCORRER CAVITAO.

    NPSH(disponvel): preocupao do projetista ou usurioNPSH(requerido): dado pelo fabricante

  • NPSH (Net Positive Suction Head)Utiliza-se na prtica, que a margem entre o NPSHr e o NPSHd, deve ser no mnimo de 10 a 15%, porm no inferior que 0.5m.(recomendao KSB)(recomendao SCHNEIDER)

    Assim sendo, os valores de NPSHr informados pelo fabricante, so baseados no seguinte:

    Na queda de presso, desde o flange de suco at a p do rotor.Na linha de centro da bomba.

  • LINHAS DE REFERNCIA PARA MEDIES HIDRULICAS

  • LINHAS DE REFERNCIA PARA MEDIES HIDRULICAS

  • LINHAS DE REFERNCIA PARA MEDIES HIDRULICAS

  • FATORES QUE MODIFICAM O NPSH DISPONVELComo vimos anteriormente, nota-se que quanto maior for o valor do NPSHd numa instalao, mais afastado o perigo da bomba entrar em regime de cavitao.

    Sendo assim, para obtermos valores elevados de NPSHd, devemos considerar os seguintes critrios:

  • FATORES QUE MODIFICAM O NPSH DISPONVELCondies mnimas de NPSHd, considera-se uma altura esttica mnima do caso de (+Zs ) e uma altura esttica mxima no caso de (-Zs );Minimizar as perdas de carga;Tipo de fluido bombeado. (Diferentes fluidos, mesmos sistema);Verificar o valor da presso atmosfrica local;Variando a temperatura de bombeamento;Alterando-se a vazo de operao;Alterando-se a presso no reservatrio de suco;Considerar as condies mnimas de NPSH

  • FATORES QUE MODIFICAM O NPSH REQUERIDOPossibilidade de reduo da perda de carga na entrada da bomba; efetuada por mdio de um canal de entrada hidrodinamicamente com um timo grau de acabamento. (menor atrito, ou seja, menor perda de carga da bomba). Diminuio do NPSH requerido. Possibilidade de reduo das velocidades absoluta e relativa no olho do impelidor;Mediante a reduo da rea de entrada do impelidor.

  • FATORES QUE MODIFICAM O NPSH REQUERIDOPossibilidade de reduo das velocidades absoluta e relativa no olho do impelidor;

  • FATORES QUE MODIFICAM O NPSH REQUERIDOPossibilidade de reduo das velocidades absoluta e relativa no olho do impelidor;Pr-rotao no olho do impelidor. (utilizao de ps guias na entrada do impelidor)Pr-rotao no olho do impelidor

  • Diminuio da capacidade de transferncia de energia da bombaFATORES QUE MODIFICAM O NPSH REQUERIDOVelocidades absoluta perifrica na entrada e sada do impelidor devido pr-rotao

  • FATORES QUE MODIFICAM O NPSH REQUERIDOPossibilidade do uso de indutor;Consiste na incluso de um rotor axial ou misto colocado na frente do impelidor, que funciona como mecanismo auxiliar ao impelidor e diminui o NPSH requerido.

  • FATORES QUE MODIFICAM O NPSH REQUERIDOPossibilidade da variao de rotao; Na determinao do NPSH requerido necessrio levar em considerao a vazo (Q) e as rotaes (N) do rotor; Como regra geral, a vazo (Q) funo da rotao (N), e a altura (H) funo do quadrado da rotao (N2), prefervel usar rotaes altas, pois para o mesmo ponto de operao, conduzem a bombas menores, levando a menores custo de operao e investimento; Considerando que o NPSH e a altura (H) so proporcionais ao quadrado da rotao, possvel usar o parmetro adimensional Thoma, definido como:

  • COEFICIENTE DE CAVITAO/NMERO DE THOMAUm mtodo terico para avaliao do NPSHr pode ser obtido atravs do nmero de Thoma (), tambm conhecido como coeficiente ou fator de cavitao.

  • COEFICIENTE DE CAVITAO/NMERO DE THOMAO nmero de Thoma obtido atravs de grficos em funo da rotao especfica , que pode ser obtida conforme indicado.

  • COEFICIENTE DE CAVITAO/NMERO DE THOMA

  • VELOCIDADE ESPECFICA DE SUCOVimos anteriormente que o coeficiente de cavitao ou nmero de Thoma() depende da velocidade especfica da bomba.

    Estabeleceu-se a dependncia entre essas duas grandezas atravs de um parmetro denominado velocidade especfica de suco, representado pela letra S.Svelocidade especfica de sucon rotao (rpm)Q vazo (m/h)

  • VELOCIDADE ESPECFICA DE SUCO E COEFICINTE DE THOMANo h cavitao se: > iNo h cavitao se S < Si indiferente utilizar Si ou i Coeficiente crtico de ThomaVelocidade especifica de suco crtica

  • COMPORTAMENTO DOS MATERIAIS CAVITAO Limite de escoamento; Capacidade de deformao; limite de resistncia; resistncia fadiga; encruamento (trabalho a frio); tamanho, contorno e forma dos gros; composio qumica; distribuio dos elementos de liga; impurezas; propriedades cristalogrficas.

  • COMPORTAMENTO DOS MATERIAIS CAVITAOInfluncia da composio qumica; Chumbo; Ferro fundido; Bronze; Alumnio; Ao; Ao inoxidvel; Ao cromo/vandio.Influncia alta resistncia corroso, superfcie lisa, e baixa irregularidade, estes fatores aumentam a resistncia cavitao;

  • COMPORTAMENTO DOS MATERIAIS CAVITAOInfluncia das caractersticas metalrgicas;

    AumentamDiminuemGros finosGros grossosMatriz austenticaMicro estrutura ferrticaHomogeneidadeHeterogeneidadeEstrutura lamelarEstrutura dentrtica e fundida

  • COMPORTAMENTO DOS MATERIAIS CAVITAOInfluncia da composio qumica;

    AumentamDiminuemMaior durezaBaixa durezaMaior tenacidadeFragilidadeMaior dutilidadeBaixa dutilidadeExistncia de tenses residuais de compressoExistncia de tenses residuais de trao

  • FASES DE DANIFICAO DO MATERIAL DEVIDO CAVITAO Incubao; no existe perda, revela deformao plstica, Acelerao; rpido crescimento da taxa de desgaste, Retardamento; desgaste substancial, apresentando uma superfcie rugosa, Estabilidade; a perda de peso permanece constante em funo do tempo.

  • NPSH PARA OUTROS LQUIDOSA experincia e ensaios tm revelado que as bombas que funcionam com gua quente ou com hidrocarbonetos lquidos no viscosos operam satisfatoriamente e com segurana utilizando um valor de NPSHr inferior ao que normalmente exigiria se operasse com gua fria.

  • NPSH PARA OUTROS LQUIDOS

    LquidoT (F)NPSHr (ft)Reduo (ft)gua7025030012,311,08,60,001,303,70Butano3555909,88,83,52,503,508,80Butano (3% de propano)3555909,57,81,62,84,510,7

  • NPSH PARA OUTROS LQUIDOSCaso seja necessrio, pode-se fazer a reduo do NPSHr, atravs de grficos.

    O uso destes grficos devem obedecer s seguintes limitaes:No utilizar se houver presena de ar ou gases no condensveis ou se a presso absoluta na entrada da bomba for to baixa que permita a liberao de no condensveis da soluo;A mxima reduo permissvel de 50% do NPSH requerido para gua;

  • NPSH PARA OUTROS LQUIDOS

    No utilizar em instalaes que tenham tendncia mudanas transientes de temperatura ou presso no sistema de suco. No caso de mistura de hidrocarbonetos, a presso de vapor deve ser determinada para o produto em questo e na temperatura real de operao;No aplicar o grfico para lquidos que no sejam gua e hidrocarbonetos.

  • Reduo do NPSH para a gua quente e hidrocarbonetos

  • NPSH PARA BOMBAS DE CONDENSADOA presso de suco igual presso de vapor, ento a altura esttica deve ser suficiente para vencer as perdas e proporcionar o NPSH disponvel.Nem sempre o NPSHd capaz de evitar a cavitao, o que resultaria num aumento da altura esttica, mas seria pouco vivel economicamente.Este tipo de situao inevitvel a cavitao, portanto necessrio de tomar certas medidas para reduzir ao mximo este efeito.

    Reduo das rotaes e materiais resistentes cavitao

  • CAVITAO EM CONDIES ANORMAIS DE OPERAO Bloqueios parciais na linha de suco ou entrada da bomba; Vazamento excessivo dos anis de desgaste; Cavitao da voluta; Cavitao nas ps difusoras; Efeito de impurezas no liquido bombeado; Recirculao do fluido bombeado.

  • CAVITAO EM CONDIES ANORMAIS DE OPERAOBloqueios parciais na linha de suco ou entrada da bomba; distrbios na linha de suco aumentam a perda de carga localizada e diminuem o NPSHd .

    Exemplos: depsitos de materiais em filtros, fechamento parcial da vlvula da suco, etc.

  • CAVITAO EM CONDIES ANORMAIS DE OPERAOVazamento excessivo dos anis de desgaste;

  • CAVITAO EM CONDIES ANORMAIS DE OPERAOCavitao na voluta;

  • CAVITAO EM CONDIES ANORMAIS DE OPERAOCavitao nas ps difusoras;

  • CAVITAO EM CONDIES ANORMAIS DE OPERAOFluxo inverso na tubulao de suco;

  • RECIRCULAO HIDRULICAAs bombas de porte mdio e grande que possuam rotores largos e operam com vazes reduzidas, podem ficar sujeitas ao problema da recirculao hidrulica.

  • RECIRCULAO HIDRULICAQuando a bomba opera nestas condies, parte do fluido que entra no rotor, retorna para a suco.As conseqncias so:Diminuio do rendimento;Aumento do empuxo radial;Aumento do empuxo axial;A recirculao provoca vibraes, rudos e danos ao rotor;Elevao da temperatura da bomba.

  • RECIRCULAO HIDRULICAPara impedir que ocorram estes inconvenientes, deve-se controlar a descarga mnima aceitvel, recorrendo-se a um sistema de controle de vazo mnima, como por exemplo:SISTEMA DE RECIRCULAO CONTNUA

  • RECIRCULAO HIDRULICAVLVULA DE VAZO MNIMA

  • RECIRCULAO HIDRULICAVLVULA DE VAZO MNIMA

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