Cavitação I

CAVITAÇÃO: O QUE É E COMO AFETA A PRODUTIVIDADE DA SUA PLANTA?

O que é cavitação?
A cavitação, um defeito muito comum em plantas industriais, trata-se da formação de bolhas de ar durante o transporte de líquidos em bombas. Como consequência, essas bolhas acabam erodindo o rotor da bomba, emitindo um som muito característico (o que é um perigo ao funcionamento do equipamento). Quando isto ocorre, a bomba precisa ser desligada, senão esta pode ser permanentemente danificada, reduzindo a produtividade da planta.

Desta forma, a cavitação pode, danificar um equipamento custoso, e inclusive, interromper uma produção inteira, caso existam poucas bombas reservas, gerando grande prejuízo financeiro. Portanto, é fundamental entender este fenômeno para evitá-lo e reduzir possíveis gastos desnecessários na sua planta.

Por que ela é gerada?
A cavitação é gerada devido à própria forma como bombas operam. Estas realizam a condução de líquidos e, neste processo, é criada uma diferença de pressão, dentro do equipamento. Naturalmente, esse fenômeno faz com que o líquido saia da zona de maior pressão para a de menor pressão, conduzindo o líquido ao longo da tubulação.

Acontece que, em determinados momentos, a zona de baixa pressão pode ser tão baixa que acaba gerando perda de carga, ou, em casos mais severos, quando a pressão atingida é igual à pressão de vapor do líquido, ocorre a cavitação. Isto acontece, pois, nesses casos, são formadas bolhas de ar ao longo do líquido e estas implodem, danificando a bomba ao erodi-la.



Como identificá-la
Quando ocorre a cavitação, a bomba passa a emitir um ruído muito característico e muito alto. Portanto, se, de repente, a sua bomba começar a emitir um som muito alto, sendo que ela nunca fez isso antes, provavelmente trata-se de cavitação. Além disso, se sua bomba não está tendo o mesmo desempenho usual, pode ser necessário atentar-se à possibilidade de que esse fenômeno esteja ocorrendo.

Consequências
Quando a cavitação ocorre, ela pode trazer consequências bastante negativas para a produtividade de uma planta química:

Primeiramente, caso não seja detectada a tempo, a erosão causada pela explosão das bolhas de ar pode causar danos irreversíveis no rotor da bomba, prejudicando o  impulsionamento do líquido. A gravidade desses danos é tal que, muitas vezes, as peças da bomba sofrem danos irreversíveis e precisam ser substituídas, aumentando os custos da planta. Além disso, as bolhas formadas podem gerar um desgaste mecânico, levando à corrosão do material. Veja abaixo uma comparação entre um rotor antes e depois de sofrer cavitação:



Imagem 2 (à esquerda) – Rotor da bomba não cavitado
Imagem 3 (à direita) – Rotor de uma bomba cavitado

Além disso, mesmo que a bomba seja desligada a tempo, isso pode causar outros prejuízos, uma vez que caso não haja bombas reservas, a planta ficará completamente parada. Portanto, a cavitação prejudica a produtividade de sua planta.

Mais:
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Cavitação II

Cavitação: Quando bolhas de ar destroem tubulações e hélices de navios

Redação do Site Inovação Tecnológica - 19/04/2021



Bolhas assassinas

Você certamente conhece a força gerada pela formação de bolhas em líquidos, suficiente para lançar ao ar todo o conteúdo de uma garrafa de refrigerante ou champanhe devidamente sacudidas.

Mas não é nada divertido quando bolhas se formam no interior de dutos e sistemas hidráulicos, sejam usados para transportar líquidos ou para levar água para as turbinas de hidroelétricas.

O fenômeno é conhecido como cavitação, ou a formação e colapso de bolhas, resultantes de mudanças rápidas de pressão em líquidos.

"O crescimento e o colapso das bolhas de cavitação são fascinantes," explica o professor Zhao Pan, da Universidade de Waterloo, no Canadá. "Elas geralmente são pequenas e rápidas, mas podem causar sérios danos até mesmo em superfícies como ligas duras e vidro."

O problema é que os cientistas até hoje não compreendem o que faz com que bolhas pequenas e inofensivas, que se formam o tempo todo nos líquidos em movimento, de repente se tornem grandes o suficiente para romper tubos feitos com os aços mais resistentes.

Origem da cavitação

A boa notícia é que o professor Zhao Pan e seus alunos acabam de desenvolver uma teoria capaz de explicar e prever a formação de bolhas grandes - incluindo os seus tamanhos -, que são particularmente prejudiciais.

A teoria, que se baseia na aceleração e na velocidade do fluxo do fluido, foi validada por experimentos usando fotografias de alta velocidade.

Os experimentos envolveram criar uma vibração na base de um tubo de ensaio cheio de água comum. Dependendo de sua frequência, a vibração causa uma aceleração do líquido em relação às paredes do tubo de vidro. Isso reduz a pressão do líquido no fundo, provocando a rápida formação de bolhas gasosas.

Quando essas bolhas entram em colapso, ou implodem, elas criam temporariamente altas temperaturas, microjatos de alta velocidade e ondas de choque. Esses efeitos foram fortes o suficiente para quebrar o vidro do tubo de ensaio.

Quebrar pedras nos rins

O fenômeno da cavitação é responsável por inúmeras rupturas em canos de água, mas é capaz de danificar até mesmo hélices de navios. Em casos mais extremos, a cavitação levou a falhas catastróficas de canos em usinas hidrelétricas.

"Por outro lado, o poder dessas bolhas também pode ser aproveitado para o bem," explicou Pan. "A cavitação pode ser usada para quebrar pedras nos rins, matar bactérias sem o uso de produtos químicos e até mesmo na produção de cerveja e chocolate."

Bibliografia:

Artigo: On the criteria of large cavitation bubbles in a tube during a transient process
Autores: Peng Xu, Shuhong Liu, Zhigang Zuo, Zhao Pan
Revista: Journal of Fluid Mechanics
DOI: 10.1017/jfm.2021.114

Cavitação III

Como nem tudo está explicado no fenômeno de cavitação, tenho algumas suspeitas as quais desejo compartilhar.

A cavitação pode ocorrer quando se aplica mais potência que uma bomba de água pode suportar.

Por mais adequado que seja o perfil de uma hélice, nada impede o choque frontal da borda de ataque das hélices da bomba com moléculas de água. Isso pode provocar um calor medonho.

A cavitação pode ser originada da formação de bolhas de vapor d'água quando há sobrecarga na bomba, ou seja, o motor impõe uma velocidade de vazão superior a que a bomba pode realizar.

As superfícies ásperas de origem de cavitação são semelhantes às que ocorrem em aviões, quando o ocorre choque frontal das moléculas do ar contra a borda de ataque das asas.

Primeiro, some a tinta das asas por atrito aerodinâmico. Depois, as bordas ficam porosas.

Há mais uma possível analogia entre o efeito no meio aquoso e gasoso.
É sabido que quando as pás do rotor do helicóptero ultrapassam a velocidade do som, forma-se vácuo na ponta das pás e o desagradável estampido ultra-sônico acontece, quando as camadas aéreas separadas pela hélice se reencontram. "Tuc-tuc-tuc..."

Imagino se alguma bomba impele a água acima da velocidade do som nesse meio líquido, algo parecido pode ocorrer.