UNIVERSIDADE TECNICA DE ANGOLAFACULDADE DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENSINO E INVESTIGAÇÃO DE CIÊNCIAS DA TERRA

Docente: Engª Odayla Duvergel Pérez

Curso: Engenharia de Geologia e Minas.

Turma: EMT 3.1

Grupo Nº 1

Outobro de 2012.

UNIVERSIDADE TECNICA DE ANGOLAFACULDADE DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENSINO E INVESTIGAÇÃO DE CIÊNCIAS DA TERRA

TEMA: BOMBAS HIDRÁULICAS.

CLASSIFICAÇÃO DAS BOMBAS HIDRÁULICAS.

PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO.

CURVAS CARACTERÍSTICAS

E O FENÓMENO DE CATIVAÇÃO

Outobro de 2012.

LISTA DOS PARTICIPANTES

ADRIANO XAVIER – Nº 6746

ANA RAQUEL LOBITO MARQUES – Nº 6357

ANDRE SIMÃO - Nº6534

CESAR PAZ - Nº6049

CONSTÂNCIA CAMILO - Nº6264

CONSTANTINO COSTA - Nº5683

DORIVALDO ABEL - Nº6742

GILSON RAMOS - Nº 7218Nº

IVETE LUIANA ANDRADE DOMINGOS – Nº 6860

JONHSMAN DO ROSARIO DANGE CAJIZA – Nº 6270

OLIVALDO MAGNO VIEGAS – Nº 6601

RAFAEL JONH – Nº 6346

ÍNDICE

Resumo Pág. Nº 5

Abstract Pág. Nº 6

Introdução Pág. Nº 7

Objectivos Pág. Nº 8Estrutura do trabalho Pág. Nº 8

1- Bombas hidráulicas Pág. Nº 91.1- Conceito Pág. Nº 91.2 Classificação das Bombas Hidráulicas Pág. Nº 9

1.2.1- Principais Componentes

de uma Bomba Hidrodinâmica Pág. Nº 9

1.2.2- Classificação das Turbobomba Pág. Nº 10

1.3-Princípio de funcionamentos das bombas hidráulicas Pág. Nº 13

1.4- Curvas Características das Bombas Pág. Nº 141.4.1- Algumas conclusões tiradas das curvas características das bombas Pág. Nº 141.4.2- Curvas Características do Sistema ou da Tubulação Pág. Nº 151.4.3- Ponto de Operação do Sistema Pág. Nº 161.4.4- Variação das Curvas Caracte-

rísticas das Bombas Pág. Nº 16

1.5- Cavitação Pág. Nº 1715.1- O fenômeno Pág. Nº 181.5.2- Mecanismo Pág. Nº 191.5.3- Características Pág. Nº191.5.4- Condições de cavitação Pág. Nº 21

1.5.5- Medidas destinadas a diminuir ou atenuar o aparecimento da cavitação Pág. Nº24 1.5.6- Efeitos negativos Pág. Nº 25

Conclusões Pág. Nº 27Recomendações Pág. Nº 28Anexos Pág. Nº 29

Referências Bibliográficas Pág. Nº 30

Resumo

Para deslocar um fluido ou mantê-lo em escoamento é necessário adicionarmos energia, o equipamento capaz de fornecer essa energia ao escoamento do fluido é denominamos de Bomba. As bombas são utilizadas, nos circuitos hidráulicos, para converter energia mecânica em hidráulica.

Bombas hidráulicas: são máquinas de fluxo, cuja função é fornecer energia para a água, a fim de recalcá-la (elevá-la), através da conversão de energia mecânica de seu rotor proveniente de um motor a combustão ou de um motor elétrico. Desta forma, as bombas hidráulicas são tidas como máquinas hidráulicas geradoras e classificam-se em:

- Bombas volumétricas: o órgão fornece energia ao fluido em forma de pressão. São as bombas de êmbulo ou pistão e as bombas diafragma. O intercâmbio de energia é estático e o movimento é alternativo.

- TurboBombas ou Bombas Hidrodinâmicas: o órgão (rotor) fornece energia ao fluido em forma de energia cinética. O rotor se move sempre com movimento rotativo.

Portanto, o uso de bombas hidráulicas ocorre sempre que há a necessidade de aumentar-se a pressão de trabalho de uma substância líquida contida em um sistema, a velocidade de escoamento, ou ambas.

O aspecto achatado das curvas de rendimento das bombas centrífugas mostra que tal tipo de bomba é mais adequado onde há necessidade de variar vazão. A vazão pode ser variada sem afetar significativamente o rendimento da bomba. Pode-se dizer que as curvas características constituem-se no retrato de funcionamento das bombas nas mais diversas situações.

A Pressão Atmosférica é a responsável pela entrada do fluído na sucção da bomba. Quando a altura de sucção for superior a 8 metros (ao nível do mar), a Pressão Atmosférica deixa de fazer efeito sobre a lâmina d’água restando tecnicamente, nestes casos, o uso de outro tipo de bomba centrífuga, as Injetoras.

A cavitação é um fenômeno observável em líquidos, não ocorrendo sob quaisquer condições normais em sólidos ou gases. É provocada quando, por algum motivo, gera-se uma zona de depressão, ou pressão negativa. Quando isso ocorre, o fluido tende a vaporizar formando bolhas de ar. Das causas da cavitação destacam-se: Filtro da linha de sucção saturado; Respiro do reservatório fechado ou entupido; Linha de sucção muito longa; Muitas curvas na linha de sucção (perdas de cargas);Estrangulamento na linha de sucção; Altura

estática da linha de sucção, etc.Exemplo de defeito provocado pela cavitação: Corrosão das palhetas da bomba. Características de uma bomba em cavitação: Queda de rendimento; Marcha irregular ;Vibração provocada pelo desbalanceamento; Ruído provocado pela implosão

das bolhas. Para evitar a cavitação, primeiramente, elaborando-se um bom projeto para a linha de sucção. Segundo, aplicando-se uma manutenção preventiva. Ela deve ser sempre evitada por causa dos prejuízos financeiros que causa devido a erosão associada, seja nas pás de turbinas, de bombas, em pistões, válvulas ou em canais.

Obs: NPSHdisp ≥ NPSHreq*Condição para não ocorrer o processo de cavitação

Palavras Chave: Bomba hidráulica, máquina, cativação

Abstract

To move a fluid or keep it is necessary to add power outlets, equipment capable of delivering this energy to the fluid flow is called Pump. The pumps are used in hydraulic circuits to convert mechanical energy into hydraulic.

Hydraulic pumps: they flow machines, whose function is to supply energy to the water in order to repress them (raising it), by converting mechanical energy of the rotor coming from a combustion engine or an electric motor. Thus, the hydraulic pumps are taken as hydraulic generators and classified into:

- Positive displacement pumps: the body provides energy to the fluid in the form of pressure. Are piston or plunger pumps and diaphragm pumps. The exchange of energy is static and movement is alternative.

- Turbo pumps or hydrodynamic means the Board (rotor) provides energy to the fluid in the form of kinetic energy. The rotor always moves with rotary motion.

Therefore, the use of hydraulic pumps occurs whenever there is a need to increase pressure of a liquid contained in a system, the flow rate or both.

The appearance of flat yield curves of centrifugal pumps shows that this type of pump is most suitable where there is a need to vary flow. The flow rate can be varied without significantly affecting the pump performance. You could say that the curves are in the picture pump operating in different situations.

Atmospheric pressure is responsible for entry of the fluid in the pump. When the suction head is greater than 8 meters (at sea level), atmospheric pressure ceases to have an effect on the water depth remaining technically these cases the use of another type of centrifugal pump, the injectors.

Cavitation is a phenomenon observable in liquids does not occur under any normal conditions in solids or gases. It is caused when, for some reason, it generates a zone of depression, or negative pressure. When this occurs, the fluid tends to vaporize forming air bubbles. The causes of cavitation are: Filter the saturated suction line; breathe reservoir closed or clogged; Suction line too long; Many curves in the suction line (load losses); Strangulation in the suction line; Height static line suction etc.Exemplo defect caused by cavitation: Corrosion of the vanes of the pump. Characteristics of a pump cavitation: Fall of income; March irregular vibration caused by unbalance, noise caused by the implosion of bubbles. To avoid cavitation, first elaborating a good project for the suction line. Second, applying a preventive maintenance. It should always be avoided because they cause financial losses due to erosion associated, or in turbine blades, pumps, on pistons, valves or channels.

Note: NPSHdisp ≥ NPSHreq

* Condition not to occur the cavitation process

Keywords: Hydraulic pump, machine, cavitation

Introdução

O presente trabalho realizado no âmbito da Disciplina de Hidráulica, tem como tema‘‘ BOMBAS HIDRÁULICAS, CLASSIFICAÇÃO, PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO, CURVAS, CARACTERÍSTICAS E, O FENÓMENO DA CATIVAÇÃO (condições para que não exista cativação, como diminuir ou atenuar este fenómeno e, os efeitos negativos)”, o mesmo, é de grande benefício para o desenvolvimento nos estudantes às habilidades de pesquisa e interesse pela profissão.

Para deslocar um fluido ou mantê-lo em escoamento é necessário adicionarmos energia, o equipamento capaz de fornecer essa energia ao escoamento do fluido é denominamos de Bomba.

A primeira razão para o ser humano necessitar de uma bomba foi a agricultura. Embora a agricultura esteja em prática há mais de 10000 anos, os primeiros registros que temos de irrigação são devidos aos egípcios. Inicialmente transportavam a água em potes, mas cerca de 1500 a.C. apareceu a primeira máquina de elevação de água, a picota. Posteriormente apareceram o sarilho, usado para elevar um balde, a nora e a roda persa. Todas estas máquinas eram movidas por trabalho humano ou animal. O sarilho é empregado ainda hoje no abastecimento de água.

Um dos tipos mais antigos de bomba foi o Parafuso de Arquimedes, empregado

por Senaquerib, Rei da Assíria, para a irrigação dos Jardins Suspensos da

Babilônia e Nínive, no século VII a.C. e posteriormente descritas em maior detalhe

por Arquimedes no século III a.C. As bombas alternativas a pistão ou êmbolo já eram

do conhecimento dos gregos e dos romanos. Ctesibius, por volta de 250 a.C., inventou

uma bomba alternativa movida por uma roda d’água, construída por seu discípulo Hero

de Alexandria. No Museu Arqueológico Nacional de Espanha, em Madri, há uma

bomba alternativa duplex, de acionamento manual, fabricada entre os séculos I e II d.C.

Esta bomba foi encontrada na mina de Sotiel-Coronada

en Calañas, Andaluzia, Espanha. No século XIII d.C., al-Jazari descreveu e ilustrou

diversos tipos de bombas, entre outras, a bomba alternativa, o burrinho a vapor, a

bomba de sucção e a bomba de pistão.

As bombas cinéticas, embora fruto de conceitos muito antigos, só vieram a ser

construídas para uso real no início do século XIX. O inventor francês Denis Papin

construiu uma "bomba de ar" em fins do século XVII, mas carecia de um acionador

adequado. O nome deste aparelho, fole de Hesse, é uma homenagem ao patrono de

Papin à época, o príncipe de Hesse. No estudo das máquinas hidráulicas, que foi

abordado ao analisarmos o Teorema de Bernoulli, verificamos que existem três tipos de

máquinas hidráulicas:

1. Máquinas Motrizes: que transformam energia hidráulica em energia mecânica (turbinas);

2. Máquinas Geratrizes: que convertem energia mecânica em energia hidráulica (bombas);

3. Máquinas Mistas: que convertem a forma da energia hidráulica disponível (carneiro hidráulico, ejetores etc).

Objectivos

Neste trabalho, objetiva-se estabelecer uma linha de raciocínio para o conceito de bombas hidráulicas, em relação sua classificação, curvas características, fenómeno de cativação, etc.

Para tal, mostra-se necessária uma descrição segundo os trabalhos académicos, visam

alcançar objectivos e estes podem ser gerais e específicos. Com o presente, construir-se-ão objectivos gerais e específicos os seguintes enunciados:

1- Objectivos Gerais:

Desenvolver nos estudantes as habilidades de pesquisa e interesse pela profissão

Conhecer, analisar e descrever as bombas hidráulicas (sua classificação princípio de funcionamento, curvas características e o fenómeno de cativação).

2- Objectivos Específicos:

Conhecer e descrever as condições para que não exista cativação, como diminuir ou atenuar este fenómeno e, os efeitos negativo, sua importância no estudo da mesma tanto para o curso de Engenharia de Geologia e Minas como também a sociedade de modo geral.

Adquirir e criar habilidades que possam sustentar o tema supra descrito.

Estrutura do trabalho

O trabalho que nos propusemos desenvolver, é resultado de um esforço cujo fim é de grande importancia para a sociedade académica de um modo geral e em particular para os estudantes do curso de Engenharia de Geologia e Minas do 3º ano, e o mesmo encontra-se dividido em três subdivisões.

Na primeira subdivisão, apresentamos um breve historial da sobre o tema, objetivos, sua importância, passando assim para a segunda, onde abordamos os aspectos a que propusemos desenvolver.

Por fim, na última subdivisão onde contém as conclusões e as referidas sugestões.

1- Bombas hidráulicas 1.2- Conceito

Máquina: É um transformador de energia (absorve energia em uma forma e restitui em outra).

Entre os diversos tipos de máquinas, as máquinas fluidas são aquelas que promovem um intercâmbio entre a energia do fluido e a energia mecânica. Dentre elas, as máquinas hidráulicas se classificam em motora e geradora.

Máquina hidráulica motora: transforma a energia hidráulica em energia mecânica (ex.: turbinas hidráulicas e rodas d’água);

Máquina hidráulica geradora: transforma a energia mecânica em energia hidráulica

Bombas hidráulicas: são máquinas de fluxo, cuja função é fornecer energia para a água, a fim de recalcá-la (elevá-la), através da conversão de energia mecânica de seu rotor proveniente de um motor a combustão ou de um motor elétrico. Desta forma, as bombas hidráulicas são tidas como máquinas hidráulicas geradoras.

As bombas são utilizadas, nos circuitos hidráulicos, para converter energia mecânica em hidráulica.

A ação mecânica cria um vácuo parcial na entrada da bomba, o que permite que a pressão atmosférica force o fluido do tanque, através da linha de sucção, a penetrar na bomba..

1.3- Classificação das Bombas Hidráulicas

- Bombas volumétricas: o órgão fornece energia ao fluido em forma de pressão. São as bombas de êmbulo ou pistão e as bombas diafragma. O intercâmbio de energia é estático e o movimento é alternativo.

- TurboBombas ou Bombas Hidrodinâmicas: o órgão (rotor) fornece energia ao fluido em forma de energia cinética. O rotor se move sempre com movimento rotativo.

1.2.1- Principais Componentes de uma Bomba Hidrodinâmica

Rotor: órgão móvel que fornece energia ao fluido. É responsável pela formação de uma depressão no seu centro para aspirar o fluido e de uma sobrepressão na periferia para recalcá-lo (Figura 1).

Difusor: canal de seção crescente que recebe o fluido vindo do rotor e o encaminha à tubulação de recalque. Possui seção crescente no sentido do escoamento com a finalidade de transformar a energia cinética em energia de pressão (Figura 1).

Figura 1- corte do rotor e difusor

1.2.2- Classificação das Turbobomba

Quanto à trajetória do fluido dentro do rotor

a) Bombas radiais ou centrífugas: o fluido entra no rotor na direção axial e sai na direção radial. Caracterizam-se pelo recalque de pequenas vazões em grandes alturas. A força predominante é a centrífuga. Pelo fato das bombas centrífugas serem as mais utilizadas, será abordado, neste material, todo o seu princípio de funcionamento e critérios de seleção (Figura 2a).

b) Bombas Axiais: o fluido entra no rotor na direção axial e sai também na direção axial. Caracterizam-se pelo recalque de grandes vazões em pequenas alturas. A força predominante é a de sustentação (Figuras 2b e 3).

Figura 2- bombas com rotores radial (a) e axial (b)

figura 3- Bomba axial utilizada no bombeamento de água para irrigação de arroz

Quanto ao número de entradas para a aspiração e sucção

a) Bombas de sucção simples ou de entrada unilateral: a entrada do líquido se faz através de uma única boca de sucção.

b) Bombas de dupla sucção: a entrada do líquido se faz por duas bocas de sucção, paralelamente ao eixo de rotação. Esta configuração equivale a dois rotores simples montados em paralelo. O rotor de dupla sucção apresenta a vantagem de proporcionar o equilíbrio dos empuxos axiais, o que acarreta uma melhoria no rendimento da bomba, eliminando a necessidade de rolamento de grandes dimensões para suporte axial sobre o eixo.

Quanto ao número de rotores dentro da carcaça

a) Bombas de simples estágio ou unicelular: a bomba possui um único rotor dentro da carcaça. Teoricamente é possível projetar uma bomba com um único estágio para qualquer situação de altura manométrica e de vazão. As dimensões excessivas e o baixo rendimento fazem com que os fabricantes limitem a altura manométrica para 100 m.

figura 4- corte de uma bomba monoestágio

b) Bombas de múltiplo estágio: a bomba possui dois ou mais rotores dentro da carcaça. É o resultado da associação de rotores em série dentro da carcaça. Essa associação permite a elevação do líquido a grandes alturas (> 100 m), sendo o rotor radial o indicado para esta associação.

figura 5- corte de uma bomba múltiplo estágio

Quanto ao posicionamento do eixo

a) Bomba de eixo horizontal: é a concepção construtiva mais comum.

figura 6- bomba de eixo horizontal

b) Bomba de eixo vertical: usada na extração de água de poços profundos.

figura 7- corte de uma bomba de eixo vertical

Quanto ao tipo de rotor

a) Rotor aberto: usada para bombas de pequenas dimensões. Possui pequena resistência estrutural. Baixo rendimento. Dificulta o entupimento, podendo ser usado para bombeamento de líquidos sujos.

b) Rotor semi-aberto ou semi-fechado: possui apenas um disco onde são afixadas as palhetas.

c) Rotor fechado: usado no bombeamento de líquidos limpos. Possui discos dianteiros com as palhetas fixas em ambos. Evita a recirculação da água, ou seja, o retorno da água à boca de sucção.

Figura 8 – Esquemas de rotores fechado (a), semi-aberto (b) e aberto (c).

Quanto à posição do eixo da bomba em relação ao nível da água.

a) Bomba de sucção positiva: o eixo da bomba situa-se acima do nível d’água do reservatório de sucção (Figura 9a).

b) Bomba de sucção negativa ou afogada: o eixo da bomba situa-se abaixo do nível d’água do reservatório de sucção (Figura 9b).

Figura 9 – Instalação com bomba de sucção positiva (a) e afogada (b).

1.4- Princípio de funcionamentos das bombas hidráulicas

Se imaginarmos um vaso cilíndrico aberto, parcialmente cheio de água e submetido a uma força externa que promova o seu giro em torno do eixo de simetria, teremos uma situação mostrada na Figura 10.

Figura 10- Vaso girante e o paraboloide de revolução

Atingido o equilíbrio, a água sobe pelas pareces do vaso, compondo uma superfície livre chamada de parabolóide de revolução. No plano cartesiano, um ponto M (x,y) obedece a equação:

y=h0w2 . x2

2 gsendo “w” a velocidade angular do vaso. Atingido o equilíbrio dinâmico, a pressão em pontos situados junto ao fundo do vaso será dada por:

p = po + g.y

Quando a velocidade angular for suficientemente grande, a água subirá nas paredes do vaso a ponto de descobrir sua região central (Figura 11).

A experiência revela que:

-Há sobreposição junto à periferia do vaso (pontos para os quais y é grande porque o

termo w2 . x2

2 gé grande;

- Há depressão junto ao centro do vaso (pontos para os quais y é negativo porque ho é

negativo e w2 . x2

2 g é pequeno.

Figura 11-depressão e sobrepressão de um vaso girante

Assim, consideremos um vaso cilíndrico fechado e totalmente cheio de água, e interligado por tubulações a dois reservatórios: um inferior e ao qual se liga pelo centro, e outro superior e ao qual se liga pela periferia. Ao ser acionado o rotor, a depressão central aspira o fluido que, sob ação da força centrífuga, ganha na periferia a sobreposição que o recalca para o reservatório superior (Figura 12). Dessa forma, terá sido criada uma bomba centrífuga.

Figura 12- principio de funcionamento de uma bomba centrifuga

1.5- Curvas Características das Bombas

Constituem-se numa relação entre a vazão recalcada com a altura manométrica, com a potência absorvida, com o rendimento e às vezes com a altura máxima de sucção. Pode-se dizer que as curvas características constituem-se no retrato de funcionamento das bombas nas mais diversas situações.

Estas curvas (Figura 105) são obtidas nas bancadas de ensaio dos fabricantes. As mais comuns são: Hm = f (Q); Pot = f (Q); h = f (Q).

Figura 13– Curvas características de bombas centrífuga (a) e axial (b).

O aspecto destas curvas depende do tipo de rotor.

Obs: o aspecto das curvas Hm = f (Q) e Pot = f (Q) refere-se apenas à região de rendimento aceitável (h > 40%).

1.4.1- Algumas conclusões tiradas das curvas características das bombas.

a) O aspecto achatado das curvas de rendimento das bombas centrífugas mostra que tal tipo de bomba é mais adequado onde há necessidade de variar vazão. A vazão pode ser variada sem afetar significativamente o rendimento da bomba.

b) A potência necessária ao funcionamento das bombas centrífugas cresce com o aumento da vazão e decresce nas axiais. Isto mostra que, as bombas radiais devem ser ligadas com a válvula de gaveta fechada, pois nesta situação, a potência necessária para acioná-las é mínima. O contrário ocorre com as bombas axiais.

c) Para bombas radiais, o crescimento da altura manométrica não causa sobrecarga no motor; especial atenção deve ser dada quando a altura manométrica diminui. Quando Hm diminui, aumenta a vazão, o que poderá causar sobrecarga no motor.

É muito comum o erro de se multiplicar a altura manométrica calculada por um valor (1,5 por exemplo) e, com isso, selecionar o motor para trabalhar com bastante “folga”. Pela figura a seguir, vejamos o que acontece no caso de bombas centrífugas ou radiais:

1.4.2- Curvas Características do Sistema ou da Tubulação

A segunda expressão da altura manométrica fornece:

Hm = HG + ht (para reservatórios abertos)ht = hf + ha

As perdas de carga acidentais podem ser incluídas nas perdas de carga distribuídas, desde que se use o método dos comprimentos equivalentes (Le). Então, pode-se escrever que:

ht=fLvD

16 Q2

π 22. g . D4 =K . Q2em que Lv é o comprimento normal da canalização mais o

comprimento correspondente às peças especiais.

K= Lv . f .16

π2 2. g . D5=constante para uma determinada instalação.

Se fosse utilizada a equação de Hazen-Williams, teríamos:

Então, Hm do sistema é:

Essas equações, quando representadas graficamente, tem o seguinte aspecto:

Figura 14 – Curva característica da tubulação.

1.4.3- Ponto de Operação do Sistema

A curva característica da bomba associada à curva característica do sistema temo aspecto ilustrado na Figura 107. A intersecção das duas curvas define o ponto de trabalho ou ponto de operação da bomba, ou seja: para a vazão de projeto da bomba,a altura manométrica da bomba é igual àquela exigida pelo sistema.

Figura 15 – Ponto de funcionamento do sistema.

1.4.4- Variação das Curvas Características das Bombas

As curvas características das bombas podem variar:

a) Variando a rotação do rotor (para um mesmo diâmetro)

b) Variando o diâmetro do rotor (para uma mesma rotação)

c) Variando a forma do rotor (competência do próprio fabricante)

d) Com o tempo de uso.

Os recursos “a” e “b” são muito utilizados na prática para evitar sobrecarga nomotor.

a) Variação da rotação do rotor: Nesses caso o diâmetro é mantido constante e o rendimento deverá ser mantido o mesmo para ambas as rotações (a rotação especificada e a requerida).

As equações utilizadas são:

Estas fórmulas foram originadas da semelhança geométrica de bombas. Como os pontos pertencentes às curvas de mesmo rendimento (curvas de isso eficiência) obedecem às equações anteriores, combinando-as tem-se:

Esta equação é chamada de parábola de iso-eficiência ou iso-rendimento e é usada para obter os chamados pontos homólogos (pontos de mesmo rendimento).

b) Variação do diâmetro do rotor

Nesse caso a rotação é mantida constante. Esta é uma operação mais indicada para bombas centrífugas, já que as faces do rotor são praticamente paralelas. A operação consiste na usinagem (raspagem) do rotor até um valor correspondente a 20% no máximo do diâmetro original sem afetar sensivelmente o seu rendimento.

As equações utilizadas mantendo-se constantes a rotação e o rendimento, são:

Observação: o corte no rotor afasta um pouco a hipótese de semelhança geométrica entre o rotor original e o usinado; daí as expressões Q = f(D), Hm = f(D) e Pot = f(D) não obedecem a lei de semelhança geométrica.

1.6- Cavitação

Para melhor entendimento iremos descrever o fenómeno “Cavitação”.

Convém salientar que a cavitação é um fenômeno observável em líquidos, não ocorrendo sob quaisquer condições normais em sólidos ou gases; Ou ainda é o nome que se dá ao fenômeno de vaporização de um líquido pela redução da pressão, durante seu movimento.

Pode-se comparativamente associar a cavitação à ebulição em um líquido:

Ebulição: um líquido "ferve" ao elevar-se a sua temperatura, com a pressão sendo mantida constante. Sob condições normais de pressão (760 mmHg), a água ferve a l00oc.

Cavitação: um líquido "ferve" ao diminuir sua pressão, com a temperatura sendo mantida constante. À temperatura de 20oC a água “ferve” à pressão absoluta de 0,24 mca = 17,4 mmHg. A pressão com que o líquido começa a “ferver” chama-se pressão de vapor ou tensão de vapor. A tensão de vapor é função da temperatura (diminuí com a diminuição da temperatura).

Um líquido ao atingir a pressão de vapor libera bolhas de ar (bolhas de vapor), dentro das quais o líquido se vaporiza.

Na engenharia hidráulica e na engenharia mecânica é grande a preocupação com a cavitação, assim como com a abrasão das areias e demais sedimentos transportados pela água no interior de bombas e turbinas, sobretudo devido aos prejuízos que podem causar nas estações elevatórias e nas turbinas e vertedores das usinas hidrelétricas.

Não se deve confundir o fenômeno químico da corrosão com os fenômenos físicos da cavitação e da abrasão, embora os efeitos nas pás de bombas e de turbinas sejam parecidos, assim como nas superfícies de concreto dos canais dos vertedores..

1.5.1- O fenômeno

É fato sabido e previsível - com a ajuda do Teorema de Bernoulli - que um fluido escoando, ao ser acelerado, tem uma redução da pressão para que a sua energia mecânica se mantenha constante.

Considere-se um fluido no estado líquido escoando com uma temperatura T0 e a uma pressão P0.

Em certos pontos devido a aceleração do fluido, como em um vertedor, em uma turbina hidráulica, em uma bomba hidráulica, em um bocal ou em uma válvula, a pressão pode cair a um valor menor que a pressão mínima em que ocorre a vaporização do fluido (Pv) na temperatura T0. Então ocorrerá uma vaporização local do fluido, formando bolhas de vapor. A este fenômeno costuma-se dar o nome de cavitação (formação de cavidades dentro da massa líquida).

A cavitação é comum em bombas de água e de óleo, válvulas, turbinas hidráulicas, propulsores navais, pistões de automóveis e até em canais de concreto com altas velocidades, como em vertedores de barragens. Ela deve ser sempre evitada por causa dos prejuízos financeiros que causa devido a erosão associada, seja nas pás de turbinas, de bombas, em pistões, válvulas ou em canais.

- A cavitação ocorre quando a pressão estática absoluta local cai abaixo da pressão de vapor do líquido e portanto causa a formação de bolhas de vapor no corpo do líquido, isto é, o líquido entra em ebulição.

- Quando líquido escoa através de uma bomba centrífuga ou axial, a pressão estática (pressão de sucção) no olho do rotor é reduzida e a velocidade do fluxo aumenta. Existe, desta forma, um perigo de que bolhas de cavitação possam se formar na entrada do rotor ou na tubulação de aspiração.

- Quando o fluido se move para uma região de mais alta pressão, as bolhas entram em colapso com uma força enorme, dando origem a pressões da ordem de 343MPa (≈3500 atmosferas). Neste momento pode ocorrer o desprendimento de material do rotor resultando no colapso de parte da superfície metálica. Desta forma sérios danos podem ocorrer desta prolongada erosão cavitacional. Ruído e trepidações são também gerados quando a cavitação ocorre.

1.5.2- Mecanismo

1.5.3- Características

Os efeitos da cavitação são visíveis a longo prazo e a curto prazo, sendo ambos mensuráveis. A longo prazo os rotores apresentam perdas consideráveis de massa, comprometendo a performance da bomba e podendo levar a sua ruptura. A curto prazo o fenômeno da cavitação compromete a performance da bomba com a queda de rendimento da bomba, vibração não característica da bomba e ruídos, esses provocados pela "implosão" do líquido.

A cavitação, além de ocorrer no rotor. pode-se manifestar na entrada bomba, na linha de aspiração, na voluta e nas pás diretrizes do difusor. Esse último é mais intenso quando a bomba opera fora da descarga nominal, devido à divergência entre os ângulos de saída do líquido no rotor e de entrada no difusor. Já foi observada a retirada de pedaços com

mais de 2 cm de espessura na tubulação de aspiração, quando estas são confeccionadas com aço doce.

As principais características de uma bomba em cavitação são: Queda do rendimento;

Necessidade de aumento da potência de eixo (bombas);

Queda da potência de eixo (turbinas);

Marcha irregular, trepidação e vibração das máquinas, pelo

Desbalanceamento que acarreta ruído, provocado pelo fenômeno de implosão das bolhas.

Após a identificação deste problema, algumas decisões devem ser tomadas, dentre as principais:

Troca do dispositivo,

Reparo quando possível do dispositivo,

Análise do sistema de bombeamento.

Uma das abordagens para se evitar a cavitação é a utilização de materiais resistentes à corrosão por cavitação como: ferro fundido: alumínio; bronze; aço fundido; aço doce laminado: bronze fosforoso; bronze manganês; aço níquel; aço cromo; ligas de aço inoxidável especiais. Contudo, a rigor não há nenhum material que não seja afetado pela cavitação. Outra solução é se revestir o rotor com materiais que absorvam impacto como os elastômeros (neoprene. poliuretano, estireno-butadieno ente outros) ou com materiais cerâmicos com elevada dureza.

Materiais resistentes e modificações que dificultam o processo de cavitação

Outra abordagem é construir as bombas com determinadas características que dificultam a vaporização do líquido. Nas bombas radias pode-se adotar os seguintes cuidados:

Pequeno valor da relação entre os diâmetros de entrada e saída das pás,

Número suficiente grande de pás,

Pequeno valor para a velocidade radial com pequenas aluíras de pás, se houver fortes curvaturas à entrada:

Pequeno valor para o ângulo β1 das pás,

Nas bombas de múltiplos estágios: Pequeno valor para a altura de elevação para cada rotor. Bombas axiais, os cuidados são os seguintes: Pequeno valor da relação entre o comprimento axial das pás e o raio das mesmas

(pás mais alongadas);

Velocidade periférica (U) elevada.

1.5.4- Condições de cavitação

A queda de pressão desde a entrada do tubo de sucção até a entrada da bomba depende:

Da altura estática de sucção;

Do comprimento da tubulação de sucção

Da rugosidade das paredes dos tubos das perdas de cargas localizadas devidas às peças intercaladas nesta parte da instalação.

A presença de cavitação é evitada através do projeto adequado da linha de sucção minimizando o aparecimento de baixas pressões.

Normalmente, em bombas afogadas, ou seja, onde altura de aspiração está localizada acima do eixo da bomba, a cavitação praticamente é eliminada.

A linha de sucção de uma bomba é o local onde geralmente as pressões são baixas. Sendo assim, é exatamente na linha de aspiração ou sucção que se deve ter cuidado para que durante o bombeamento de líquidos, a pressão não atinja a pressão de vaporização na temperatura que o líquido se encontra.

A altura geométrica de aspiração ou sucção de uma bomba é definida como a distância vertical do centro do eixo da bomba e o nível do líquido no reservatório de sucção.

NPSH requerido e NPSH disponível

Para se evitar o fenômeno da cavitação, os fabricantes definem, em função da vazão, qual o valor da energia que deve existir na flange de sucção da bomba, para que na entrada do impelidor a pressão esteja ainda superior à da vaporização.

A este valor deu-se o nome de NPSH requerido (Net Positive Suction Head required) ou simplesmente NPSHr, que é fornecido pelos fabricantes juntamente com as curvas das bombas.

Pelo exposto, o NPSHr pode ser definido como a carga exigida pela bomba para aspirar o fluido do poço de sucção

NPSHdisp: representa a disponibilidade de pressão, ou energia, na instalação.

NPSHreq: representa a carga exigida pela bomba para poder succionar o fluido, nas condições apresentadas.

Obs: NPSHdisp ≥ NPSHreq*Condição para não ocorrer o processo de cavitação

NPSHdisp=( Patmy

)+ha−Ja−( hvapory

)

Existe diversas formas de se estimar o valor do NPSHreq, entre as mais práticas, este valor normalmente é obtido experimentalmente nas bancadas de testes dos fabricantes:

NPSHdisp=⌊(V 22−V 12

2 g)¿ ⌋+Jbomba

NPSHreq, segundo a função de Sulzer *:NPSHreq=(Fsulzer).N.(Q1/2)Onde:Fsulzer=Fator Sulzer - 0,3 a 0,5N=Rotação - rpsQ=Vazão volumétrica - m³/s

O valor da pressão atmosférica em KPa (Patm) depende da altitude local onde o sistema será instalado, seu valor pode ser obtido por meio de tabelas ou gráficos.

O valor da pressão de vapor em KPa (hvapor) depende da temperatura, seu valor pode ser obtido por meio de tabelas ou gráficos.

_________________________________* Sulzer – empresa fabricante de unidades de bombeamneto

O valor das propriedades da água

Jbomba corresponde a perda de carga interna da bomba, relacionada à sua geometria e ao tipo de rotor.

Jbomba=σHOndeσ corresponde ao fator de cavitação (número de Thoma), que mede a sensibilidade da bomba à cavitação.

H = Ha +Hr

O fator de cavitação σ é função da rotação específica da bomba e de um fator φ, que tem seus valores iguais a:

Valor de σ Tipo de bomba0,0011 Centrifugas radiais, lentes e normais0,0013 Helicoidais hélico-axiais0,00145 Axiais

O coeficiente de cavitação é obtido pela seguinte expressão matemática:

A rotação específica é um índice que relaciona a vazão e a altura manométrica referidas ao ponto de máxima eficiência.

Lembrando que a rotação específica é:

nq=n√QH3 /4

Onde a rotação específica (nq), em rpm; n=rotação nominal da bomba, em rpm; Q=vazão, em m³/s e H=altura manométrica, em m.

σ=0,0012. nq4/3

❑

Devemos sempre lembrar que em uma instalação de bombeamento, a bomba não cavitará quando:

NPSHdisp ≥ NPSHreq

*Na prática utiliza-se um fator de segurança entre 10% a 15%, assim:

NPSHdisp ≥ 1,10 a 1,15 NPSHreq

De maneira geral, o NPSHdisp é uma preocupação do usuário ou projetista do sistema, enquanto que o NPSHreq é uma informação fornecido pelo fabricante, porém possível de se estimar quanto esta não é fornecida.

1.5.5- Medidas destinadas a diminuir ou atenuar o aparecimento da cavitação

Quando a instalação apresenta um NPSH disponível insuficiente para uma seleção ótima da bomba, existem vários modos de se lidar com o problema. Podemos encontrar meios para aumentar o NPSH disponível:

Elevar o nível do líquido no tanque de sucção

Rebaixar o bocal da linha de aspiração, evitando assim o efeito sifão, porem existe a necessidade de tomar cuidado para que este não aspire partículas sólidas que ficam depositadas no fundo dos tanque.

Diminuir a cota da linha de aspiração (za). Se possível criar a condição onde za fique positivo, ou seja, dimensionar o sistema com a bomba afogada.

Reduzir as perdas na linha de sucção (Utilizar materiais com baixa rugosidade)

Resfriar o líquido.

Altura ideal

Podemos utilizar a relação para calcular a altura de aspiração do sistema para que não ocorra a cavitação.

1.5.6- Efeitos negativos

Chama-se de cavitação o fenômeno que decorre, nos casos em estudo, da ebulição da água no interior dos condutos, quando as condições de pressão caem a valores inferiores a pressão de vaporização. No interior das bombas, no deslocamento das pás, ocorrem inevitavelmente rarefações no líquido, isto é, pressões reduzidas devidas à própria natureza do escoamento ou ao movimento de impulsão recebido pelo líquido, tornando possível a ocorrência do fenômeno e, isto acontecendo, formar-se-ão bolhas de vapor prejudiciais ao seu funcionamento, caso a pressão do líquido na linha de sucção caia abaixo da pressão de vapor (ou tensão de vapor) originando bolsas de ar que são arrastadas pelo fluxo. Estas bolhas de ar desaparecem bruscamente condensando-se, quando alcançam zonas de altas pressões em seu caminho através da bomba. Como esta passagem gasoso-líquido é brusca, o líquido alcança a superfície do rotor em alta velocidade, produzindo ondas de alta pressão em áreas reduzidas. Estas pressões podem ultrapassar a resistência à tração do metal e arrancar progressivamente partículas superficiais do rotor, inutilizando-o com o tempo.

Quando ocorre a cavitação são ouvidos ruídos e vibrações característicos e quanto maior for a bomba, maiores serão estes efeitos. Além de provocar o desgaste progressivo até a deformação irreversível dos rotores e das paredes internas da bomba, simultaneamente esta apresentará uma progressiva queda de rendimento, caso o problema não seja corrigido. Nas bombas a cavitação geralmente ocorre por altura inadequada da sucção (problema geométrico), por velocidades de escoamento excessivas (problema hidráulico) ou por escorvamento incorreto (problema operacional).

Exemplo de defeito provocado pela cavitação: Corrosão das palhetas da bomba.

Geralmente numa bomba com cavitação (ocorrem simultaneamente esses efeitos):

a) Efeito químico - com as implosões das bolhas são liberados íons livres de oxigênio que atacam as superfícies metálicas (corrosão química dessas superfícies).

b) Efeito mecânico - atingindo a bolha região de alta pressão, seu diâmetro será reduzido (inicia-se o processo de condensação da bolha), sendo a água circundante acelerada no sentido centrípeto. Com o desaparecimento da bolha, ou seja: com a condensação da bolha as partículas de água aceleradas se chocam cortando umas o fluxo das outras isso provoca o chamado golpe de aríete e com ele uma sobre pressão que se propaga em sentido contrário, golpeando com violência as paredes mais próximas do rotor e da carcaça, danificando-as

efeito de cativação no interior da bomba

Rotor cativado de uma bomba centrífuga

Ela deve ser sempre evitada por causa dos prejuízos financeiros que causa devido a erosão associada, seja nas pás de turbinas, de bombas, em pistões ou em canais.

Conclusões

De uma forma geral este trabalho subordinou-se à cadeira de Hidráulica, e para desenvolvê-lo recorreu-se em algumas fontes quer directa como indirectamente visto que todo conhecimento é relativo e o mesmo carece de investigações.

Portanto concluiu-se que:

O aspecto achatado das curvas de rendimento das bombas centrífugas mostra que tal tipo de bomba é mais adequado onde há necessidade de variar vazão. A vazão pode ser variada sem afetar significativamente o rendimento da bomba.

Pode-se dizer que as curvas características constituem-se no retrato de funcionamento das bombas nas mais diversas situações.

A Pressão Atmosférica é a responsável pela entrada do fluído na sucção da bomba. Quando a altura de sucção for superior a 8 metros (ao nível do mar), a Pressão Atmosférica deixa de fazer efeito sobre a lâmina d’água restando tecnicamente, nestes casos, o uso de outro tipo de bomba centrífuga, as Injetoras.

A cavitação é comum em bombas de água e de óleo, válvulas, turbinas hidráulicas, propulsores navais, pistões de automóveis e até em canais de concreto com altas velocidades, como em vertedores de barragens. Ela deve ser sempre evitada por causa dos prejuízos financeiros que causa devido a erosão associada, seja nas pás de turbinas, de bombas, em pistões, válvulas ou em canais.

Os efeitos mecânicos, além do desgaste dos rotores, causam vibração que pode danificar totalmente o rotor da bomba e demais peças.

O intercâmbio de energia depende das forças dinâmicas originadas pelas diferenças de velocidade entre o líquido em escoamento e as partes.

Recomendações

Para casos em que ocorra o fenômeno de cavitação se faz necessário que sejam tomadas algumas medidas tais como:

• Deve-se garantir o valor da altura geométrica da bomba recomendada pelo fabricante em seus catalogos;

• Estudos e ensaios em laboratórios nos remetem a um valor de velocidade do fluido que não deve exceder a 3 m/s;

• Elevar o nível do liquido no tanque de sucção;

• Abaixar a bomba;

• Reduzir perdas na linha de sucção;

• Resfriar o liquido;

Anexos

danos causados por cavitação em uma Turbina Francis

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