98 3.8. Verificação do fenômeno de cavitação 3.8.1.Entendendo o fenômeno de supercavitação Inicia-se com uma reflexão da influência da temperatura na viscosidade dos fluidos e a influência desta na perda de carga ao longo do escoamento. Sabe-se que ao aquecer um líquido, o mesmo se expande, o que equivale a dizer que ocorrerá uma diminuição da força de atração das moléculas e como a viscosidade para líquidos é diretamente proporcional à força de atração das moléculas, conclui-se que haverá uma diminuição da viscosidade do líquido e em consequência uma diminuição da perda de carga, já que a viscosidade está diretamente ligada com a perda de carga. Para os gases, como a viscosidade é diretamente proporcional à energia cinética das moléculas, tanto o comportamento como as consequências seriam justamente opostas às observadas nos líquidos. Diante das considerações anteriores surge a proposta de uma nova reflexão: será sempre conveniente aquecer e resfriar, respectivamente os líquidos e os gases, em instalações hidráulicas? Ou existem limites para isto? Evocando que a engenheira e o engenheiro são pessoas aptas a solucionar problemas, é fundamental que tanto saibam responder aos questionamentos anteriores, como a outros, como, por exemplo: o que as questões anteriores tem a ver com o fenômeno de supercavitação? o que vem a ser o fenômeno de supercavitação?
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3.8. Verificação do fenômeno de cavitaçãoescoladavida.eng.br/mecfluquimica/livro_do_semestre...103 um projeto básico de uma instalação de bombeamento na tentativa de se evitar
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3.8. Verificação do fenômeno de cavitação
3.8.1.Entendendo o fenômeno de supercavitação
Inicia-se com uma reflexão da influência da temperatura na viscosidade
dos fluidos e a influência desta na perda de carga ao longo do
escoamento.
Sabe-se que ao aquecer um líquido, o mesmo se expande, o que
equivale a dizer que ocorrerá uma diminuição da força de atração das
moléculas e como a viscosidade para líquidos é diretamente
proporcional à força de atração das moléculas, conclui-se que haverá
uma diminuição da viscosidade do líquido e em consequência uma
diminuição da perda de carga, já que a viscosidade está diretamente
ligada com a perda de carga.
Para os gases, como a viscosidade é diretamente proporcional à energia
cinética das moléculas, tanto o comportamento como as consequências
seriam justamente opostas às observadas nos líquidos.
Diante das considerações anteriores surge a proposta de uma nova
reflexão: será sempre conveniente aquecer e resfriar, respectivamente
os líquidos e os gases, em instalações hidráulicas? Ou existem limites
para isto?
Evocando que a engenheira e o engenheiro são pessoas aptas a
solucionar problemas, é fundamental que tanto saibam responder aos
questionamentos anteriores, como a outros, como, por exemplo:
o que as questões anteriores tem a ver com o fenômeno de
supercavitação?
o que vem a ser o fenômeno de supercavitação?
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por que ele é indesejável?
quando ocorre?
quais os cuidados preliminares a serem adotados na
execução de um projeto para evitá-lo?
Será objetivo deste item, desenvolver conhecimentos que permitam
responder as questões anteriores.
Deve-se lembrar que é sempre interessante se ter menor perda de
carga ao longo do escoamento, portanto pensando em relação à perda
de carga é interessante aquecer os líquidos e resfriar os gases, porém
dentro de certos limites, isto para não se ter o fenômeno de
supercavitação.
Para se entender o fenômeno de supercavitação deve-se calcular a
pressão na entrada da bomba.
Considerando a tubulação de sucção (tubulação antes da bomba em
uma instalação de recalque, ou seja, aquela onde o fluido é
transportado de um nível inferior para um nível superior com o auxílio
de uma bomba hidráulica) esquematizada na figura 17, objetiva-se
determinar a pressão de entrada da bomba (pe).
100
Figura 15
Figura 17
(o) – nível do reservatório de captação
(1) – válvula de pé com crivo ou válvula de poço
(2) - joelho de 90º
(e) – seção de entrada da bomba
PHR – plano horizontal de referência
B – bomba
Ze – cota da seção de entrada da bomba em relação ao PHR
adotado
Aplicando-se a equação da energia entre o nível de captação e a seção
de entrada da bomba resulta:
(e)
(2)
PHR
B Ze
(0)
(1)
101
2aB
Ag2
2Q
HD
aBLeqL
aBf2aB
Ag2
2Qezep
ou
g2
2ev
HD
aBLeqL
aBfg2
2ev
ezep
g2
2ev
HD
aBLeqL
aBfg2
2evep
ezg2
20
v0p
0z
pHeH0H
aB
aB
aB
bombadaantes
A expressão para o cálculo da pressão de entrada da bomba (pe)
demonstra que ela é menor que a pressão atmosférica local e isto
implica que é mais fácil vaporizar o fluido nesta pressão do que na
pressão atmosférica, já que a mesma ocorreria a uma temperatura
menor.
Determinando para a temperatura de escoamento (um dos dados
iniciais de projeto) a pressão de vapor (pressão onde coexistem a fase
líquida e a fase vapor), pode-se compará-la com a pressão na entrada
da bomba na escala absoluta ( abarométricpepatmpepeplocalabs
).
Define-se o fenômeno de supercavitação21 como o fenômeno que surge
quando a pressão de entrada (peabs) é menor ou igual à pressão de
vapor (pvapor) do fluido que está sendo bombeado, ou seja, é o
fenômeno onde ocorre a vaporização (parcial ou total) do fluido na
seção de entrada da bomba.
Para aprimorar a compreensão do fenômeno de supercavitação
considera-se que a peabs < pvapor como mostra a figura 18 a seguir:
21
Que é fundamental para a compreensão do fenômeno de cavitação, já que a supercavitação é
o fenômeno de cavitação na seção de entrada da bomba.
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Figura 18
A figura 18 também nos auxilia a compreender que este fenômeno é
indesejável, já que na seção de saída da bomba sempre se tem a
pressão maior que a pressão atmosférica e isto implica na condensação
do vapor o que causa: um aumento da energia dissipada, uma
diminuição do rendimento da bomba, ruídos indesejáveis, diminuição do
tempo vida da bomba, etc.
3.8.2.Cuidados preliminares para se evitar o fenômeno de
cavitação
No caso da supercavitação para evitá-la, deve-se ter a pressão na
entrada da bomba na escala absoluta (peabs) maior que a pvapor, porém é
importante saber que esta condição não é suficiente para garantir que
não ocorra o fenômeno de cavitação em uma bomba hidráulica.
Apesar de não ser uma condição suficiente ela é fundamental para a
compreensão dos cuidados a serem adotados no desenvolvimento de
pressão atmosférica ao nível do mar
pressão de vapor
absep
t(ºC)
vapor superaquecido na temperatura de
escoamento devido a pressão ser menor que a
pressão de vapor
abssaídap
escoamentot
100ºC
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um projeto básico de uma instalação de bombeamento na tentativa de
se evitar o fenômeno de cavitação. Para compreendê-los se supõe que
esteja ocorrendo o fenômeno de supercavitação e que você foi
contratado para eliminá-lo, afinal uma de suas principais funções como
engenheira ou engenheiro será a de solucionar problemas.
Certamente você tomará medidas para aumentar a pressão na entrada
da bomba (pe) e poderá propor para isto os seguintes procedimentos:
dimensionar o diâmetro de recalque (após a bomba) e adotar para
a tubulação antes da bomba (aB) um diâmetro comercial
imediatamente superior, isto acarretará uma menor perda de
carga antes da bomba (este procedimento deve ser revisto no
final do projeto);
o comprimento da tubulação antes da bomba deve ser o menor
possível;
na tubulação antes da bomba utiliza-se as singularidades
estritamente necessárias o que garantirá que a somatória dos
comprimentos equivalentes seja a menor possível aBLeq ;
trabalhar com a cota da entrada (Ze) menor possível, inclusive
procurando trabalhar com a bomba afogada, que além de originar
uma cota negativa, acaba evitando o uso da válvula de pé com
crivo, ou válvula de poço, que é responsável por grande parte da
perda antes da bomba.
3.8.3.Testando o aprendizado
Como se deve ter a consciência que a transformação do estudante em
engenheiro não ocorre em um passe de mágica é fundamental que se
acompanhe e consolide o aprendizado, já que é ele o responsável pela
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construção de novos caminhos, neste intuito pede-se para refletir sobre
as perguntas abaixo e posteriormente se realizar o teste proposto no