Cavitação: o que é isto?

 

A bomba tá cavitando! E agora?

 

Bom, agora a gente vai ter que achar um jeito para contornar esse problema!

 

Mas, fisicamente, o que está acontecendo?

 

O que é cavitação?

 

É a formação de cavidades no interior da água!

 

Tem um outro post aqui no blog, chamado O que é pressão de vapor. Se você não sabe, vá até lá e descubra o que é isso.

 

Mas, basicamente, é o seguinte: a água permanece no estado líquido enquanto ela estiver em um ambiente no qual a pressão reinante é superior à sua pressão de vapor.

 

Se, por alguma razão, a pressão reinante se tornar igual à pressão de vapor da água líquida, ela vai querer passar para o estado gasoso. Aí, cavidades de vapor vão se formar, como ocorre quando a água está fervendo. E a cavitação vai ocorrer.

 

 

No exemplo da chaleira, as cavidades de vapor surgiram porque aumentamos a pressão de vapor da água através do aumento da temperatura da água. Quando essa pressão atingiu a pressão reinante sobre a água (que, nesse caso, é a pressão atmosférica), a água ferveu.

 

Mas poderia ter sido ao contrário! Imagine a situação mostrada na próxima figura.

 

 

A gente coloca água num recipiente fechado e, em vez de aumentar a pressão de vapor da água, diminui a pressão reinante sobre ela. Para isso, ligamos uma bomba de vácuo.

 

Quando a pressão reinante atingir a pressão de vapor da água na temperatura em que se encontra, a água irá ferver!

 

Em que situações práticas da engenharia a cavitação poderá ocorrer?

 

A situação que mais salta aos olhos é a do bombeamento.

 

 

Veja na figura (a) a seguir. A altura de sucção da bomba é H. Isto significa que a pressão da água ao chegar à bomba será igual à pressão atmosférica reinante sobre o nível d’água menos a redução de pressão correspondente, ou seja:

 

$p_B^{abs}=p_{atm}^{abs}-γ⋅H$

 

Mas não é só o desnível geométrico que reduz a pressão. As perdas de carga na tubulação também devem ser consideradas, veja na figura (b):

 

$p_B^{abs}=p_{Batm}^{abs}-γ⋅H-γ⋅h$

 

Existe ainda uma terceira parcela a ser considerada, que diz respeito às perdas de carga que ocorrem dentro da bomba, veja na figura (c). Seu valor somente o fabricante conhece, embora ele possa ser estimado através de fórmulas empíricas. Então, a pressão absoluta dentro da bomba será:

 

$p_B^{abs}=p_{atm}^{abs}-γ⋅H-γ⋅h-γ⋅h^*$

 

Depois que a gente subtrair todas essas alturas e perdas de carga, a pressão que sobra dentro da bomba ainda tem que ser superior à pressão de apor da água na temperatura em que ela se encontra, caso contrário a cavitação ocorrerá, veja na figura (d).

 

A cavitação ocorre em bombas e onde mais?

 

Pelo que a gente viu, em qualquer situação em que a pressão da água cai muito, a cavitação poderá ocorrer!

 

Se nos lembrarmos da equação de Bernoulli, veremos que a pressão diminuirá quando aumentarmos a velocidade de escoamento da água.

 

Então podemos citar, como locais em que a cavitação pode preocupar: válvulas semiabertas...

 

 

turbinas...

 

 

hélices de embarcações...

 

 

vertedouros de barragens...

 

 

Mas então, vamos começar pelas bombas. O que devemos fazer?

 

A gente já viu que a pressão da água no interior da bomba pode ser encontrada através da expressão:

 

$p_B^{abs}=p_{atm}^{abs}-γ⋅H-γ⋅h-γ⋅h^*$

 

e que essa pressão deverá ser superior à pressão de vapor da água, na temperatura em que se encontra, para que a cavitação não ocorra.

 

O valor dessa pressão em função da temperatura a gente encontra neste link:

 

https://voimatoolbox.com/pt-br/calculations/pressao-de-vapor-da-agua

 

Então, vamos reescrever essa expressão:

 

$p_v^{abs}<p_{atm}^{abs}-γ⋅H-γ⋅h-γ⋅h^*$

 

$p_{atm}^{abs}-p_v^{abs}-γ⋅H-γ⋅h>γ⋅h^*$

 

$( p_{atm}^{abs}-p_v^{abs})/γ-H-h>h^*$

 

E, no final das contas, a gente escreve assim:

 

$NPSH_d>NPSH_r$

 

onde:

 

$NPSH_d=(p_{atm}^{abs}-p_v^{abs})/γ-H-h$

 

e:

 

$NPSH_d=h^*$

 

O termo NPSH vem do inglês net positive suction head, que quer dizer: saldo positivo da carga de sucção.

 

O d designa disponível. (em inglês é $NPSH_a$, de available). Ele pode ser calculado por nós.

 

O r designa requerido (em inglês é required). Ele precisa ser fornecido pelo fabricante da bomba.

 

Na figura abaixo mostramos o exemplo de uma bomba imaginária para a qual a curva NPSHr x Q é fornecida.

 

 

E se eu não tiver essa curva? Dá para estimar?

 

Dá sim! Mas este assunto é um pouco extenso, vamos deixar para uma próxima publicação!