Cavitação em bombas centrífugas

Como acontece a cavitação ?

No gráfico da Fig. 1 está representada a evolução da pressão do fluido bombeado ao longo de um canal do impulsor, limitado pelo lado de aspiração (SS) e pelo lado de compressão (DS) das pás do impulsor, numa bomba a funcionar na zona de caudal óptimo da sua curva.

A queda pontual da pressão estática deve-se ao aumento repentino da velocidade absoluta do fluido à entrada do impulsor. Após esta queda de pressão à entrada do impulsor, a pressão estática volta a subir acima da pressão de vaporização do fluido e as bolhas de vapor condensam bruscamente. 

Quanto mais baixo é o valor da pressão à entrada do impulsor (p₀),mais baixa será também a pressão mínima (p_min) atingida no interior do impulsor e, consequentemente, mais facilmente poderá ser atingida a pressão de vaporização do fluido (p_D). 

Na Fig. 2 estão representadas, comparativamente, as consequências da descida da pressão à entrada do impulsor. Se a pressão for suficientemente baixa (p_0II), a pressão mínima (p_min) iguala a pressão de vaporização (p_D) pontualmente e ocorrerá a formação das primeiras bolhas de vapor. A esta situação de fronteira, chama-se Cavitação Incipiente. Com uma diminuição mais acentuada da pressão à entrada do impulsor (P_0III), uma determinada extensão do impulsor será ocupada com bolhas de vapor (desenho por cima do gráfico).

As bolhas de vapor formam-se se a pressão estática numa determinada zona do impulsor igualar a pressão de vaporização do fluido. Depois, quando as bolhas de vapor são transportadas para uma zona de pressão mais elevada (p > p_D), colapsam  e precipitam-se violentamente sobre as pás do impulsor sob a forma de jactos microscópicos, atingindo-as com uma velocidade muito elevada.

Consequências no desempenho da bomba 

Este fenómeno manifesta-se de diversas formas no desempenho de uma bomba:

•  A implosão das bolhas de vapor e o impacto dos jactos microscópicos no impulsor dão origem a um ruído que é facilmente detectável. Se o nível de cavitação for significativo, o ruído fará parecer que existe gravilha misturada com o fluido bombeado.
• Quando as bolhas de vapor existem em número elevado, formam um agrupamento que irá obstruir parcialmente o canal do impulsor, afectando a altura manométrica gerada pela bomba e a sua eficiência.
• Sob efeito da cavitação, o fluxo de caudal através do impulsor é turbulento, resultando no aumento das vibrações na bomba. 
• O impacto dos jactos microscópicos na superfície do material é suficientemente forte para danificar a sua estrutura e provocar erosão. Estima-se que no ponto de impacto dos jactos microscópicos, a pressão localizada deverá rondar 10⁵ bar. Por efeito da erosão, o material vai ficar sem a protecção superficial, aumentando substancialmente a sua degradação devido à acção conjugada de corrosão e erosão. 

A Fig. 3 representa a evolução das bolhas de vapor, desde a formação até à sua precipitação, sob a forma de jacto microscópico. Em investigações recentes, utilizando imagens em câmara lenta com aproximadamente 9x10⁵ imagens por segundo, foi possível visualizar o fenómeno e verificar que durante o colapso das bolhas forma-se um jacto microscópico que perfura a extremidade oposta da bolha, precipitando-se sempre na direcção do material com umaenorme violência.

Critérios para aplicação prática

Para evitar as consequências da cavitação, é necessário garantir uma determinada margem de segurança entre a pressão registada à entrada do impulsor e a pressão de vaporização do fluido. À diferença entre a pressão à entrada do impulsor e a pressão de vaporização do fluido, é chamado NPSH (Net Positive Suction Head).

O NPSH é um valor neutro que só ganha significado quando definido o contexto em que ele se aplica.

O NPSH de uma bomba (NPSH_p ou NPSH_r) é a pressão mínima requerida à entrada do impulsor para que não ocorra cavitação.

Na prática é extremamente complicado definir o valor exacto do NPSH_r, pois isso implicaria a instalação de sistemas de monitorização no interior do impulsor da bomba, a fim de determinar o preciso momento do início da cavitação. O NPSH da bomba é normalmente determinado por via experimental, mediante a estipulação prévia de determinados critérios. Tendo em conta que o início do desenvolvimento de bolhas de vapor ocorre bastante antes da performance da bomba ser afectada pela cavitação, é usual definir critérios de níveis de cavitação admissíveis.

Na prática, são aplicados diferentes tipos de critérios:

• NPSH_i: Cavitação incipiente;
• Redução da altura manométrica numa determinada percentagem
  • 0%       NPHS₀ (= inicio redução altura devido cavitação)
  • 1%       NPSH₁
  • 2%       NPSH₂
  • 3%       NPHS₃
  • X%      NPSH_x
• NPSH_full:   Cavitação total (bomba não gera caudal);
• NPSH_Dh:    Queda da eficiência da bomba num determinado valor;
• NPSH_m:     Erosão de uma determinada quantidade de material, num determinado intervalo de tempo;
• NPSH_Phon:Limite de um determinado nível sonoro;
• NPSH_Vibr:  Limite de um determinado nível de vibração; 

De um modo geral, os fabricantes de bombas usam o critério de redução da altura manométrica em 3% para determinar o valor de NPSH da bomba representado nas suas curvas (Fig. 4). Também é usual recomendar uma margem de segurança (≥0,5 m) a adicionar ao NPSHr, que varia consoante o tipo de bomba e seus materiais.

Ao valor NPSH₃ corresponde uma situação de existência de cavitação com uma intensidade normalmente considerada aceitável, mas outros critérios poderão ser utilizados.

Para assegurar o bom funcionamento da bomba numa determinada instalação, é fundamental calcular o NPSH da instalação e garantir que o NPSH_instalação > NPSH_r.

NPSH da instalação

O NPSH de uma instalação (NPSH_a) é a pressão do fluido subtraída da sua pressão de vaporização que, mediante as características do sistema, está disponível à entrada do impulsor. A sua fórmula de cálculo depende do tipo de instalação. Numa instalação com aspiração negativa ela é:

NPSH_a = (p_e + p_b – p_v)/(r. g) + v_e²/2g – H_L,s – H_sgeo ± s’ (Fig. 5a), 

onde p_e é a pressão no tanque de aspiração, p_b é pressão atmosférica, p_v é a pressão de vaporização do fluído, v_e é a velocidade de escoamento, H_L,s é a soma das perdas de carga na aspiração, H_sgeo é o desnível geométrico na aspiração, e s’ é a cota de referência da bomba quando a instalação é vertical, r é a densidade do fluído e g é a constante gravitacional.

Medidas correctivas

Para que não ocorra cavitação, a condição NPSH_a>NPSH_r tem de ser garantida em toda a gama de funcionamento, prevista para uma determinada bomba num determinado sistema. Se, após o arranque de uma instalação de bombagem, se verificar a ocorrência de cavitação, as medidas correctivas passam por aumentar o valor de NPSH_a ou baixar o valor de NPSH_r. Os valores de NPSH_a e NPSH_r de uma instalação têm por base a geometria fixa do sistema e da bomba. Isto leva a que a subsequente melhoria da condição NPSH_a>NPSH_r num sistema de bombagem, só poderá ser possível mediante acentuadas alterações no sistema ou da bomba, normalmente com elevados custos associados.

Para aumentar o valor de NPSH_a, as opções passam por aumentar o valor de H_{Z geo} (no caso de aspiração positiva) ou reduzir o valor de H_{S geo} (no caso de aspiração negativa), subindo o nível do reservatório de aspiração ou baixando a cota de instalação da bomba (Fig. 6). Ou reduzir as perdas de carga no troço de aspiração do sistema, substituindo a tubagem e válvulas por outras que representem menores perdas.

Para aumentar o valor de NPSH_r, as opções passam por substituir a bomba por outra que tenha um menor NPSH_r ou em certos casos, usar um impulsor especial de baixo NPSH_r no andar de aspiração em bombas multicelulares, ou instalar um indutor – consistindo num pequeno impulsor à frente do impulsor da bomba (Fig. 7 e Fig. 8). Qualquer uma destas soluções implica alterações significativas na construção da bomba pelo que, devido aos custos associados, só se torna viável em grandes bombas.

Em certos casos, quando a performance da bomba se mantém dentro de níveis aceitáveis, é possível reduzir substancialmente os efeitos de erosão provocada pela cavitação, usando impulsores em materiais com melhor qualidade. Os materiais com maior resistência ao efeito da cavitação são aqueles que apresentam uma boa resistência mecânica, combinada com elevada resistência à corrosão. Por exemplo, se atribuirmos ao ferro fundido cinzento (GG-25) um índice de perda de peso igual a 1.0 por efeito da cavitação, temos a seguinte graduação de outros materiais com melhor resistência:

Ferro fundido cinzento   GG-25                              índice 1.0

Aço vazado                      GS-C 25                          índice 0.8

Bronze                              G-CuSn 10                      índice 0.5

Aço crómio                      G-X 20 Cr 14                   índice 0.2

Liga de bronze                G-AlBz 10 Fe                   índice 0.1

Aço crómio-níquel          G-X 6 CrNi 18 9               índice 0.05

Noridur ®                         G-X 3 CrNiMoCu 24 6     índice 0.02    

Conclusão

A solução mais adequada e económica para o problema depende das características individuais de cada bomba e cada sistema. Mas, de um modo geral, não existem soluções simples e os seus custos são elevados. Por isso é recomendável que, durante o projecto e antes da aquisição das bombas, seja verificada e garantida a condição NPSH_a>NPSH_r.

Nuno Aleixo / Resp. Depto. Ambiente