N P S H e CAVITAÇÃO
1. DEFINIÇÃO: A sigla NPSH, vem da expressão Net Positive Suction
Head, a qual sua tradução literal para o Português não expressa clara e
tecnicamente o que significa na prática. No entanto, é de vital importância
para fabricantes e usuários de bombas o conhecimento do comportamento desta
variável, para que a bomba tenha um desempenho satisfatório, principalmente em
sistemas onde coexistam as duas situações descritas abaixo:
. Bomba trabalhando no inicio da faixa, com baixa pressão e alta
vazão;
. Existência de altura negativa de sucção.
Quanto maior for a vazão da bomba
e a altura de sucção negativa, maior será a possibilidade da bomba cavitar em
função do NPSH.
Em termos técnicos, o NPSH
define-se como a altura total de sucção referida a pressão atmosférica local
existente no centro da conexão de sucção, menos a pressão de vapor do líquido.
NPSH = (Ho - AS - hfs - R) - Hv
Onde: Ho = Pressão atmosférica local, em mca (Tabela 1);
AS = Altura de
sucção, em metros (dado da instalação);
hfs = Perdas de carga
no escoamento pela tubulação de sucção, em metros;
R = Perdas de
carga no escoamento interno da bomba, em metros (dados do fabricante);
Hv = Pressão de
vapor do fluido escoado, em metros (Tabela 2).
Para que o NPSH proporcione uma
sucção satisfatória à bomba, é necessário que a pressão em qualquer ponto da
linha nunca venha reduzir-se à pressão de vapor do fluido bombeado. Isto é
evitado tomando-se providências na instalação de sucção para que a pressão
realmente útil para a movimentação do fluido seja sempre maior que a soma das
perdas de carga na tubulação com a altura de sucção, mais as perdas internas na
bomba, portanto:
Ho - Hv > hfs + AS + R
2. NPSH DA BOMBA E NPSH DA INSTALAÇÃO: Para que se possa
estabelecer, comparar e alterar os dados da instalação, se necessário, é usual
desmembrar- se os termos da fórmula anterior, a fim de obter os dois valores
característicos (instalação e bomba), sendo:
Ho - Hv - AS - hfs = NPSHd (disponível),
que é uma característica da instalação hidráulica. É a energia que o fluido
possui, num ponto imediatamente anterior ao flange de sucção da bomba, acima da
sua pressão de vapor. Esta variável deve ser calculada por quem dimensionar o
sistema, utilizando-se de coeficientes tabelados e dados da instalação;
R = NPSHr (requerido),
é uma característica da bomba, determinada em seu projeto de fábrica, através
de cálculos e ensaios de laboratório. Tecnicamente, é a energia necessária para
vencer as perdas de carga entre a conexão de sucção da bomba e as pás do rotor,
bem como criar a velocidade desejada no fluido nestas pás. Este dado deve ser
obrigatoriamente fornecido pelo fabricante através das curvas características
das bombas (curva de NPSH);
Assim, para uma bom desempenho da
bomba, deve-se sempre garantir a seguinte situação:
NPSHd > NPSHr
3. EXEMPLO: Suponhamos que uma bomba de modelo hipotético seja
colocada para operar com 35 mca de AMT, vazão de 32,5 m3/h, altura de sucção de
2,0 metros e perda por atrito na sucção de 1,6 mca. A altura em relação ao
nível do mar onde a mesma será instalada é de aproximadamente 150 metros, e a temperatura
da água é de 30ºC, verificaremos:
A. VERIFICAÇÃO DO NPSHr:
Conforme curva característica do
exemplo citado, para os dados de altura (mca) e vazão (m³/h) indicados, o NPSHr
da bomba é 4,95 mca, confira:
B. CÁLCULO DO NPSHd:
Sabendo-se que:
NPSHd = Ho - Hv – AS - hfs
Onde:
Ho = 10,16 (Tabela 1);
Hv = 0,433 (Tabela 2);
AS = 2,0 metros (altura sucção);
hfs = 1,60 metros (perda calculada para o atrito na sucção).
Temos que:
NPSHd = 10,16 - 0,433 - 2,0 - 1,60 => NPSHd = 6,127 mca
Analisando-se a curva
característica abaixo, temos um NPSHr de aproximadamente 5 mca.
Então NPSHd > NPSHr
1. Aumento da vazão;
2. Aumento do nível dinâmico da
captação;
3. Aumento da temperatura da
água.
Havendo alteração destas variáveis,
o NPSHd poderá igualar-se ou adquirir valores inferiores ao NPSHr , ocorrendo
assim a cavitação.
OBS:
A existência de uma margem entre
o NPSHd e o NPSHr visa garantir que não ocorrerá cavitação.
Hoje, após experimentos de vários
autores e consultores, verificou-se que na maioria dos casos, uma margem segura
para o NPSH é: NPSHd > NPSHr + 1,5
mca
4. CAVITAÇÃO: Quando a condição NPSHd > NPSHr não é garantida pelo sistema, ocorre o fenômeno
denominado cavitação. Este fenômeno dá-se quando a pressão do fluido na linha
de sucção adquire valores inferiores ao da pressão de vapor do mesmo,
formando-se bolhas de ar, isto é, a rarefação do fluido (quebra da coluna de
água) causada pelo deslocamento das pás do rotor, natureza do escoamento e/ou
pelo próprio movimento de impulsão do fluido.
Estas bolhas de ar são arrastadas
pelo fluxo e condensam-se voltando ao estado líquido bruscamente quando passam
pelo interior do rotor e alcançam zonas de alta pressão. No momento desta troca
de estado, o fluido já está em alta velocidade dentro do rotor, o que provoca
ondas de pressão de tal intensidade que superam a resistência à tração do
material do rotor, podendo arrancar partículas do corpo, das pás e das paredes
da bomba, inutilizando-a com pouco tempo de uso, por consequente queda de
rendimento da mesma. O ruído de uma bomba cavitando é diferente do ruído de
operação normal da mesma, pois dá a impressão de que ela está bombeando areia,
pedregulhos ou outro material que cause impacto. Na verdade, são as bolhas de
ar “implodindo” dentro do rotor. Para evitar-se a cavitação de uma bomba,
dependendo da situação, deve-se adotar as seguintes providências:
A. Reduzir-se a altura de sucção e o comprimento desta tubulação,
aproximando-se ao máximo a bomba da captação;
B. Reduzir-se as perdas de carga na sucção, com o aumento do
diâmetro dos tubos e conexões;
C. Refazer todo o cálculo do sistema e a verificação do modelo da
bomba;
D. Quando possível, sem prejudicar a vazão e/ou a pressão final
requeridas no sistema, pode-se eliminar a cavitação trabalhando-se com registro
na saída da bomba ”estrangulado”, ou, alterando-se o(s) diâmetro(s) do(s)
rotor(es) da bomba. Estas porém são providências que só devem ser adotadas em
último caso, pois podem alterar substancialmente o rendimento hidráulico do
conjunto.
5. CONCLUSÃO:
A Pressão Atmosférica é a responsável pela entrada do fluido na sucção da
bomba. Quando a altura de sucção for superior a 8 metros (ao nível do mar), a
Pressão Atmosférica deixa de fazer efeito sobre a lâmina d’água restando
tecnicamente, nestes casos, o uso de outro tipo de bomba centrífuga, as
Injetoras, como veremos nos exemplos seguintes.
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