CAPÍTULO VI

BOMBAS CENTRÍFUGAS (06/08)
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VI. 2.4. Cavitação

VI. 2.4.1. Descrição do fenômeno

Como qualquer outro líquido, a água também tem a propriedade de vaporizar-se em determinadas condições de temperatura e pressão. E assim sendo temos, por exemplo, entra em ebulição sob a pressão atmosférica local a uma determinada temperatura, por exemplo, a nível do mar (pressão atmosférica normal) a ebulição acontece a 100oC. A medida que a pressão diminui a temperatura de ebulição também se reduz. Por exemplo, quanto maior a altitude do local menor será a temperatura de ebulição (V. Tabela 4). Em consequência desta propriedade pode ocorrer o fenômeno da cavitação nos escoamentos hidráulicos.

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).

VI. 2.4.2. NPSH

Em qualquer cálculo de altura de sucção de bombas tem de ser levada em consideração que não deve ocorrer o fenômeno da cavitação e, para que possamos garantir boas condições de aspiração na mesma, é necessário que conheçamos o valor do NPSH (net positive suction head). O termo NPSH (algo como altura livre positiva de sucção) comumente utilizado entre os fornecedores, fabricantes e usuários de bombas pode ser dividido em dois tipos: o requerido (NPSHr) e o disponível (NPSHd).

O NPSHr é uma característica da bomba e pode ser determinado por testes de laboratório ou cálculo hidráulico, devendo ser informado pelo fabricante do equipamento. Podemos dizer que NPSHr é a energia necessária para o líquido ir da entrada da bomba e, vencendo as perdas dentro desta, atingir a borda da pá do rotor, ponto onde vai receber a energia de recalque, ou seja, é a energia necessária para vencer as perdas de carga desde o flange de sucção até as pás do rotor, no ponto onde o líquido recebe o incremento de velocida-de. Em resumo NPSHré a energia do líquido que a bomba necessita para seu funcionamento interno. Normalmente, o NPSHr é fornecido em metros de coluna de água (mca).

O NPSHr pode ser calculado através da expressão:

NPSHr = s . Hman                                                                                                    Eq. VI.8

onde o coeficiente de cavitaçãos pode ser determinado pela expressão j .( Ns )4/3, sendo j um  fator de cavitação que corresponde aos seguintes valores:

    • para bombas radiais Þ 0,0011;
    • diagonais Þ 0,0013;
    • axiais Þ 0,00145.
O NPSHd é uma característica do sistema e define-se como sendo a disponibilidade de energia que um líquido possui, num ponto imediatamente anterior ao flange de sucção da bomba, acima de sua tensão de vapor. Pode ser calculado através da expressão:

NPSHd = ± hs + [(Patm - hv) / g ] - hfs                                                                   Eq. VI.9

Em resumo, o NPSHd é a energia disponível que possui o líquido na entrada de sucção da bomba. Portanto os fatores que influenciam diretamente o NPSH são a altura estática de sucção, o local de instalação, a temperatura de bombeamento e o peso específico, além do tipo de entrada, diâmetro, comprimento e acessórios na linha de sucção que vão influenciar nas perdas de carga na sucção.

Para que não ocorra o fenômeno da cavitação, é necessário que a energia que o líquido dispõe na chegada ao flange de sucção, seja maior que a que ele vai consumir no interior da bomba, isto é, que o NPSH disponível seja maior que o NPSH requerido, NPSHd ³ NPSHr. Teoricamente é recomendado uma folga mínima de 5%, ou seja, NPSHd ³ 1,05 x NPSHr, sendo esta folga limitada a um mínimo de 0,30m, isto é, 1,05 x NPSHr ³ NPSHr + 0,30m.

VI. 2.4.3. Altura de sucção

Chama-se de altura de sucção a diferença entre as cotas do eixo da bomba e o nível da superfície livre da água a ser elevada, quando a água na captação está submetida a pressão atmosférica. Neste caso é função da pressão atmosférica do local (Tabela 3). Na realidade a altura de sucção não é limitada somente pela pressão atmosférica local, mas, também, pelas perdas de carga pelo atrito e pela turbulência ao longo da sucção e no interior da bomba até que o líquido receba a energia do rotor e, além disso, pela necessidade de evitar a cavitação. Como as condições de pressão atmosférica variam de acordo com a altitude do local e as de pressão de vapor com a temperatura do fluido a recalcar, os fabricantes não têm condições de fornecer a altura de sucção da bomba, mas devem apresentar a curva de variação do NPSHr, determinada nos laboratórios da indústria (V. Exemplo de cálculo na página seguinte).

VI. 2.4.4. Vórtice

Denomina-se de vórtice o movimento em espiral gerado a partir da superfície livre de um líquido quando este escoa por um orifício, quando este orifício encontra-se a uma profundidade inferior a um determinado limite. Como a entrada de água na sucção de um bombeamento assemelha-se a situação descrita, caso não sejam tomadas precauções, poderá haver condições favoráveis ao aparecimento do problema. O crescimento contínuo do vórtice pode dar origem a entrada de ar no interior da bomba provocando cavitação no interior da mesma. Portanto o dimensionamento poços de sucção deve ser efetuado de modo a impedir a entrada de ar nas instalações. Algumas recomendações são básicas para se evitar o fenômeno, a saber:

    • o bocal de entrada da tubulação de sucção deve distar das paredes pelo menos duas vezes o diâmetro e submerso em pelo menos três vezes (mínimo de 0,50m);
    • o bocal deve ter forma alargada (boca de sino) quando não existir válvula de ou crivo e folga mínima para o fundo do poço de 0,5 a 1,5 vezes diâmetro da sucção;
    • a largura (ou diâmetro) do poço de sucção multiplicada pela profundidade do líquido acima do bocal equiavala a uma área, no mínimo, 10 vezes maior que a seção horizontal do mesmo poço;
    • a velocidade de aspiração seja inferior as da Tabela VI.5.
VI. 2.4.5. Escorvamento

Escorvar uma bomba é encher de líquido sua carcaça e toda a tubulação de sucção, de modo que ela entre em funcionamento sem possibilidade de bolhas de ar em seu interior. No caso de bombas com sucção positiva este escorvamento é mantido com a utilização das válvulas de pé, principalmente em sucções com diâmetros inferiores a 400mm, sendo o enchimento executado através do copo de enchimento para pequenas bombas e de by pass na válvula de retenção no recalque. Para grandes instalações recorrem-se às bombas de vácuo ou ejetores. Para grandes valores de NPSHr utilizam-se instalações com bombas afogadas ou submersas, onde temos o chamado auto-escorvamento .

VI.2.4.6. Precauções contra o aparecimento de cavitação

Para evitar que aconteça cavitações nas instalações de bombeamento alguns procedimentos são elementares, tanto na fase de projetos como na de operação, a saber:

    • tubulação de sucção a mais curta possível;
    • escorvamento completo;
    • NPSHd³ NPSHr + 0,30m;
    • medidas antivórtices;
    • limitação da velocidade máximade aspiração em função do diâmetro (Tabela VI.5);
    • indicação clara da posição de abertura e de fechamento das peças especiais;
    • ligeira inclinação ascendente em direção à entrada da bomba nos trechos horizontalizados (para facilitar o deslocamento das bolhas de ar na fase de escorvamento);
    • conecção da sucção com a entrada da bomba através de uma redução excêntrica (também para facilitar o escorvamento);
    • não projetar registros nas sucções positivas;
    • emprego de crivos ou telas na entrada da sucção;
    • emprego de válvula de retenção nas sucções positivas;
Tabela VI.5 - Máximas velocidades de sucção

 
Diâmetro (mm)
Velocidade máxima (m/s)
50
0,75
75
1,10
100
1,30
150
1,45
200
1,60
250
1,60
300
1,70
³ 400
1,80