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Cavitação em Bombas Centrífugas

Principais locais onde a cavitação ocorre são em bombas, em turbinas ou hélices . Nas bombas centrífugas, a cavitação resulta de uma redução na pressão de sucção , um aumento na temperatura de sucção ou um aumento na vazão acima daquela para a qual a bomba foi projetada.

Veja também: Cavitação por sucção

Veja também: Cavitação de descarga

Danos por cavitação

A cavitação é, em muitos casos, uma ocorrência indesejável. Nas bombas centrífugas, a cavitação causa danos aos componentes (erosão do material), vibrações, ruídos e perda de eficiência.

Talvez o problema de engenharia mais importante causado pela cavitação seja o dano material que as bolhas de cavitação podem causar quando colapsam nas proximidades de uma superfície sólida. O colapso das bolhas de cavitação é um processo violento que gera ondas de choque e microjatos altamente localizados . Eles forçam o líquido energético em volumes muito pequenos, criando pontos de alta temperatura e esses distúrbios intensos geram tensões superficiais transitórias e altamente localizadas em uma superfície sólida. Os sinais de erosão aparecerão como pontilhados devido à ação de golpe de água das bolhas de vapor em colapso. Verificou-se que as taxas de danos por cavitação aumentam rapidamente com o aumento da vazão do volume.

Materiais mais macios podem ser danificados mesmo pela ocorrência de cavitação a curto prazo . Pontuações individuais podem ser observadas após um único colapso da bolha. Portanto, materiais mais duros são usados ​​para bombas centrífugas . Porém, com os materiais mais duros usados ​​na maioria das aplicações, o estresse cíclico devido a colapsos repetidos pode causar falha na fadiga da superfície local . Assim, os danos causados ​​pela cavitação aos metais geralmente têm a aparência de falha por fadiga .

Quando as bolhas de cavitação colapsam, elas forçam o líquido energético a volumes muito pequenos, criando pontos de alta temperatura e emitindo ondas de choque, as quais são uma fonte de ruído. Embora o colapso de uma pequena cavidade seja um evento de energia relativamente baixa, colapsos altamente localizados podem corroer metais, como o aço, ao longo do tempo. A picada causada pelo colapso das cavidades produz um grande desgaste dos componentes e pode reduzir drasticamente a vida útil da hélice ou da bomba.

A cavitação é geralmente acompanhada também por:

• Ruído. O ruído típico é causado por cavidades em colapso. O nível do ruído resultante da cavitação é uma medida da gravidade da cavitação.
• Vibração . As vibrações da bomba devido à cavitação são caracteristicamente baixas vibrações de frequência, geralmente encontradas na faixa de 0 a 10 Hz.
• Redução na eficiência da bomba . Uma diminuição na eficiência da bomba é um sinal mais confiável de cavitação.

Cavitação em Bombas Centrífugas

Principais locais onde a cavitação ocorre são em bombas, em turbinas ou hélices . Nas bombas centrífugas, a cavitação resulta de uma redução na pressão de sucção , um aumento na temperatura de sucção ou um aumento na vazão acima daquela para a qual a bomba foi projetada.

Número de cavitação

O número de cavitação (Ca) ou o parâmetro de cavitação é um número sem dimensão usado nos cálculos de fluxo. É convencional caracterizar a proximidade da pressão no fluxo do líquido com a pressão do vapor (e, portanto, o potencial de cavitação) por meio do número da cavitação.

O número da cavitação pode ser expresso como:

Onde

CA = número de cavitação

p = pressão local (Pa)

p _v = pressão de vapor do fluido (Pa)

ρ = densidade do fluido (kg / m ³ )

v = velocidade do fluido (m / s)

Cavitação de descarga

A cavitação da descarga ocorre quando a pressão de descarga da bomba é extremamente alta ou quando o fluxo de descarga é restrito e não pode sair da bomba (por exemplo, causada por uma válvula de saída fechada). Uma pressão de descarga extremamente alta resulta na maioria do fluido bombeado circulando dentro da bomba .

Este tipo de cavitação se origina de duas fontes. Primeiro, essa circulação interna (das zonas de alta pressão para as zonas de baixa pressão) é forçada através da folga entre o impulsor e o compartimento da bomba em alta velocidade, resultando na formação de uma região de baixa pressão (como resultado do princípio de Bernoulli ). qual cavitação pode ocorrer. Segundo, o líquido está circulando dentro da voluta da bomba e superaquece rapidamente.

Nos dois casos, a cavitação tem consequências semelhantes. A implosão de bolhas aciona intensas ondas de choque, causando desgaste prematuro das pontas do impulsor e da carcaça da bomba. Em casos extremos, a cavitação de descarga pode causar a quebra do eixo do impulsor.

Causas típicas da cavitação de descarga:

• A bomba está funcionando muito à esquerda na curva da bomba
• Bloqueio no tubo no lado da descarga
• Filtros ou filtros entupidos
• Projeto de tubulação inadequado

Cavitação por sucção

A cavitação por sucção , ou também a cavitação clássica , ocorre quando uma bomba está sob baixa pressão ou condições de alto vácuo. Quando o líquido sendo bombeado entra no olho de uma bomba centrífuga , a pressão é significativamente reduzida . Em alguns casos, a queda de pressão é grande o suficiente para fazer com que o líquido pisque ao vapor quando a pressão local cai abaixo da pressão de saturação do fluido que está sendo bombeado. Bolhas ou cavidades se formarão no olho do impulsor e subseqüentemente as bolhas de vapor formadas se moverão para regiões de pressão mais alta à medida que viajam em direção à descarga da bomba. Na região de maior pressão, abolhas de vapor colapsam repentinamente nas partes externas do impulsor. Isso pode causar danos significativos a todas as partes móveis de uma bomba centrífuga.

Causas típicas da cavitação por sucção:

• A bomba está funcionando muito longe na curva da bomba
• Más condições de sucção ( requisitos NPSH )
• Bloqueio no tubo no lado de sucção
• Projeto de tubulação inadequado
• Filtros ou filtros entupidos

Para evitar esse tipo de cavitação, a Cabeça de Sucção Positiva Líquida disponível (NPSHa) no sistema deve ser maior que o NPSH necessário da bomba. Esse problema é típico da cavitação por sucção e, portanto, esse tipo de cavitação também é chamado de cavitação NPSHa inadequada .

Além da troca da bomba, os problemas com a cavitação por sucção também podem ser resolvidos por:

1. Baixando a temperatura
2. Redução da rotação do motor, se possível
3. Aumento do diâmetro do olho do impulsor
4. Uso de um indutor de impulsor.
5. Uso de duas bombas paralelas com menor capacidade.
6. Uso de uma bomba auxiliar para alimentar a bomba principal.

Caso especial de cavitação ocorre no lado da sucção como resultado de tubulação inadequada na linha de sucção. O uso de restrições, cotovelos afiados e outros equipamentos hidráulicos podem turbulizar o fluxo, o que pode contribuir para a formação de cavitação.

Embalagem – Volute

Cada bomba centrífuga é composta por centenas de peças. Existem alguns componentes que praticamente todas as bombas centrífugas têm em comum. Esses componentes podem ser subdivididos na extremidade úmida e na extremidade mecânica .

A extremidade úmida da bomba inclui as peças que determinam o desempenho hidráulico da bomba . As duas extremidades úmidas primárias são o rotor e a carcaça . Em alguns casos, o primeiro rolamento radial pode ser lubrificado com água. Neste caso, também a lata de rolamentos pertence a extremidades úmidas.

A extremidade mecânica inclui as peças que suportam o impulsor dentro da carcaça . A extremidade mecânica da bomba inclui o eixo , a vedação, os rolamentos e a luva do eixo .

Invólucro

O invólucro contém o líquido e atua como um recipiente de contenção de pressão que direciona o fluxo de líquido para dentro e para fora da bomba centrífuga. A voluta é um funil curvo que aumenta de área à medida que se aproxima da porta de descarga. A voluta de uma bomba centrífuga é a caixa que recebe o fluido sendo bombeado pelo impulsor, diminuindo a taxa de fluxo do fluido. Portanto, de acordo com o princípio de Bernoulli, a voluta converte energia cinética em pressão, reduzindo a velocidade e aumentando a pressão. Algumas bombas centrífugas contêm difusores. Um difusor é um conjunto de pás estacionárias que circundam o impulsor. O difusor direciona o fluxo, permite uma expansão mais gradual e, portanto, aumenta a eficiência da bomba centrífuga.

Sistema Aberto – Sistema Fechado – Sistema Isolado

Sistema Aberto – Sistema Fechado – Sistema Isolado

Calor e / ou trabalho podem ser direcionados para dentro ou fora do volume de controle . Mas, por conveniência e como convenção padrão, a troca de energia líquida é apresentada aqui com a troca de calor líquida presumida como estando no sistema e o trabalho líquido assumido como estando fora do sistema. Se nenhuma massa cruza a fronteira , mas o trabalho e / ou o calor o fazem, então o sistema é referido como um sistema “fechado” . Se massa, trabalho e calor não cruzam a fronteira (ou seja, as únicas trocas de energia que ocorrem estão dentro do sistema), o sistema é chamado de sistema isolado . Sistemas isolados e fechados nada mais são do que casos especializados do sistema aberto .

Curva de vapor de saturação

Veja também: Steam

Como pode ser visto no diagrama de fases da água, nas regiões bifásicas (por exemplo, na fronteira das fases vapor / líquido), a especificação da temperatura sozinha definirá a pressão e a pressão especificada definirá a temperatura.

• A curva de vapor de saturação é a curva que separa o estado de duas fases e o estado de vapor superaquecido no diagrama Ts.
• A curva líquida saturada é a curva que separa o estado líquido sub-resfriado e o estado de duas fases no diagrama Ts.

Normalmente, a maioria das usinas nucleares  opera turbinas a vapor de condensação de vários estágios . Nessas turbinas, o estágio de alta pressão recebe vapor (esse vapor é quase o vapor saturado – x = 0,995 – ponto C na figura) de um gerador de vapor e o esgota no separador-reaquecedor de umidade (ponto D). O vapor deve ser reaquecido ou superaquecidopara evitar danos que possam ser causados ​​às pás da turbina a vapor por vapor de baixa qualidade. O alto conteúdo de gotículas de água pode causar o rápido impacto e a erosão das pás, o que ocorre quando a água condensada é jateada sobre as pás. Para evitar isso, drenos de condensação são instalados na tubulação de vapor que leva à turbina. O reaquecedor aquece o vapor (ponto D) e, em seguida, o vapor é direcionado para o estágio de baixa pressão da turbina a vapor, onde se expande (pontos E a F). O vapor esgotado está a uma pressão bem abaixo da atmosférica e está em um estado parcialmente condensado (ponto F), tipicamente com uma qualidade próxima a 90%.

Mesas de vapor

Água e vapor são um fluido comum usado para a troca de calor no circuito primário (da superfície das barras de combustível ao fluxo do líquido de refrigeração) e no circuito secundário. É utilizado devido à sua disponibilidade e alta capacidade de calor, tanto para refrigeração quanto para aquecimento. É especialmente eficaz para transportar calor através da vaporização e condensação da água devido ao seu calor latente muito grande de vaporização .

Veja também: Propriedades do Steam

Uma desvantagem é que os reatores moderados a água precisam usar o circuito primário de alta pressão para manter a água no estado líquido e para obter eficiência termodinâmica suficiente. Água e vapor também reagem com metais comumente encontrados em indústrias como aço e cobre, que são oxidados mais rapidamente por água e vapor não tratados. Em quase todas as centrais térmicas (carvão, gás, nuclear), a água é usada como fluido de trabalho (usado em um circuito fechado entre caldeira, turbina a vapor e condensador) e o líquido de arrefecimento (usado para trocar o calor residual por um corpo de água) ou transportá-lo por evaporação em uma torre de resfriamento).

Água e vapor são um meio comum, porque suas propriedades são muito conhecidas . Suas propriedades estão tabuladas nas chamadas ” Tabelas Steam “. Nessas tabelas, as propriedades básicas e principais, como pressão, temperatura, entalpia, densidade e calor específico, são tabuladas ao longo da curva de saturação vapor-líquido em função da temperatura e da pressão. As propriedades também são tabuladas para estados monofásicos ( água compactada ou vapor superaquecido ) em uma grade de temperaturas e pressões que se estendem a 2000 ºC e 1000 MPa.

Outros dados oficiais abrangentes podem ser encontrados na página do NIST Webbook sobre propriedades termofísicas de fluidos.

Referência especial: Allan H. Harvey. Propriedades termodinâmicas da água, NISTIR 5078. Recuperado em https://www.nist.gov/sites/default/files/documents/srd/NISTIR5078.htm

Água como fluido de refrigeração do reator

Água e vapor são um fluido comum usado para a troca de calor no circuito primário (da superfície das barras de combustível ao fluxo do líquido refrigerante) e no circuito secundário. É utilizado devido à sua disponibilidade e alta capacidade de calor, tanto para refrigeração quanto para aquecimento. É especialmente eficaz para transportar calor através da vaporização e condensação da água devido ao seu calor latente muito grande de vaporização .

Uma desvantagem é que os reatores moderados a água precisam usar o circuito primário de alta pressão para manter a água no estado líquido e para obter eficiência termodinâmica suficiente. Água e vapor também reagem com metais comumente encontrados em indústrias como aço e cobre, que são oxidados mais rapidamente por água e vapor não tratados. Em quase todas as centrais térmicas (carvão, gás, nuclear), a água é usada como fluido de trabalho (usado em um circuito fechado entre caldeira, turbina a vapor e condensador) e o líquido de arrefecimento (usado para trocar o calor residual por um corpo de água) ou transportá-lo por evaporação em uma torre de resfriamento).

Água e vapor são um meio comum, porque suas propriedades são muito conhecidas . Suas propriedades estão tabuladas nas chamadas ” Tabelas Steam “. Nessas tabelas, as propriedades básicas e principais, como pressão, temperatura, entalpia, densidade e calor específico, são tabuladas ao longo da curva de saturação vapor-líquido em função da temperatura e da pressão. As propriedades também são tabuladas para estados monofásicos ( água compactada ou vapor superaquecido ) em uma grade de temperaturas e pressões que se estendem a 2000 ºC e 1000 MPa.

Outros dados oficiais abrangentes podem ser encontrados na página do NIST Webbook sobre propriedades termofísicas de fluidos.

Veja também: Tabelas Steam