NPSH e Cavitação
Este artigo aborda a Cabeça de Sucção Positiva Líquida (NPSH) e a Cavitação. Se você deseja aprender mais sobre bombas centrífugas, consulte nosso principal artigo sobre Bombas Centrífugas.
NPSHA
A Cabeça de Sucção Positiva Líquida ou NPSH é um parâmetro crucial para determinar se uma bomba pode operar adequadamente sob baixa pressão na entrada de sucção. Imagine uma bomba conectada a um tanque de sucção com nível de líquido decrescente (Figura 1). O nível desce até que o líquido apenas cubra o tubo de sucção e a bomba ainda funcione normalmente (B). Se o nível cair ainda mais, como quando uma bomba acima do solo está conectada a um poço (C), a pressão na sucção será inferior à atmosférica. Eventualmente, se o nível continuar a cair, a bomba não conseguirá operar corretamente, resultando em redução do fluxo e da pressão de descarga (D). Em algum ponto, a bomba começará a cavitar.
Figura 1 Condições de Sucção da Bomba
Nota: uma bomba operando em configuração de poço requer uma válvula de pé (válvula de retenção) para manter o líquido no tubo de sucção e evitar a necessidade de re-cebar a bomba após parada.
Pressão Relativa e Absoluta
A pressão na sucção da bomba está diretamente relacionada ao NPSHA. É comum utilizar a escala de pressão absoluta (Figura 2). A cabeça é convertida em pressão absoluta pela seguinte relação:
Onde h: altura em pés ou metros
SG: gravidade específica, densidade do líquido em relação à água;
p: pressão em kPa ou psi;
h: cabeça estática em pés ou metros.
As escalas de pressão relativa e absoluta são essencialmente a mesma, mas deslocadas por 14,7 psi (1 bar). Na escala imperial, zero psi na escala relativa corresponde a 14,7 psi na escala de pressão absoluta (Figura 2). Como os problemas com NPSH ocorrem em pressões abaixo da atmosférica, é útil usar a escala de pressão absoluta.
Figura 2 Escalas de Pressão Relativa e Absoluta
NPSHA
NPSHA é um conceito que muitos acham difícil de entender, em parte porque em algumas indústrias o NPSHA raramente é um problema, e as pessoas não sabem qual valor ele deve ter. Antes de discutirmos valores e a definição exata de NPSHA, vamos obter uma compreensão intuitiva do NPSHA. NPSHA é uma medida da energia específica de pressão presente na sucção da bomba. Quanto maior a pressão, maior o NPSHA e melhor a bomba funcionará.
Cabeça
Cabeça é medida em pés na América do Norte e em metros em quase todos os outros lugares. Um valor muito baixo de NPSHA seria de 3-4 pés (1 m). Um valor típico seria em torno de 36 pés (11 m). Começamos a nos preocupar em torno de 20 pés (6 m). Por preocupar, quero dizer que precisamos verificar a recomendação de NPSHR (NPSH Requerido) do fabricante para essa bomba em nossa taxa de fluxo específica para garantir que estamos acima de sua recomendação. A fórmula para NPSHA é uma definição estipulada por aquelas organizações que publicam padrões de bombas, como o Instituto Hidráulico nos EUA (http://www.pumps.org/). Em relação aos padrões europeus ou de outros países, cada país tem seus próprios padrões e eu recomendo ao leitor:
https://www.pumpsandsystems.com/understand-european-pump-standards-organizations-processes Os fabricantes que são membros do Instituto Hidráulico concordaram em seguir esta definição:
NPSHA = h - hf + ha - hva (1.2)
Onde:
h : a cabeça estática de sucção em pés ou metros;
Ha: a pressão atmosférica em pés ou metros;
Hf: : a perda de cabeça por fricção em pés ou metros;
Hva : a pressão de vapor em pés ou metros.
É uma definição lógica que inclui todos os fatores que afetam a pressão no bocal de sucção da bomba:
- A cabeça estática (h) - positiva ou negativa.
- A perda por fricção (hf) no tubo de sucção (negativa).
- A pressão atmosférica (ha), que é aditiva.
- A pressão de vapor (hva) (negativa), que depende da natureza do fluido e da temperatura (a pressão de vapor será discutida mais adiante no artigo).
Se o tanque de sucção estiver pressurizado, ou seja, operar acima da pressão atmosférica, então a cabeça de pressão adicional terá que ser adicionada à cabeça estática de sucção.
NPSHA = hpr + h - hf + ha - hva (1.3)
(se o tanque de sucção estiver pressurizado)
Onde hpr é a cabeça de pressão adicional na superfície do líquido no tanque de sucção.
Figura 3 Componentes do NPSHA em Sistemas de Bombas
Por que a pressão atmosférica ou barométrica é incluída na definição de NPSH?
Sistemas de bombas operam globalmente. A pressão atmosférica atua sobre a superfície do líquido no tanque de sucção, fornecendo energia à sucção da bomba. No entanto, como a pressão atmosférica varia conforme a localização, precisamos considerá-la em nossos cálculos de NPSHA. A pressão atmosférica varia com a altitude. Por exemplo, Joanesburgo está a 5.200 pés (1.585 m) de altitude com uma pressão atmosférica de 12 psia (83 kPaa), e a Cidade do México está a 8.500 pés (2.590 m) com 10,8 psig (74,5 kPaa) de pressão atmosférica. Essas diferenças podem ser significativas em algumas aplicações críticas (veja o apêndice para dados sobre pressão barométrica vs. elevação).
Por que a pressão atmosférica é incluída na definição de um sistema de bomba com um tanque de sucção pressurizado?
Quando o tanque é pressurizado inicialmente, ele começa a zero pressão ou à pressão atmosférica local. Portanto, ainda precisamos incluir a pressão atmosférica local para levar em conta a elevação da bomba.
A Figura 4 mostra o tamanho relativo dos valores dos componentes do NPSHA em uma situação típica onde a pressão de vapor é pequena.
Figura 4 NPSHA – O Tamanho Relativo dos Vários Parâmetros do NPSHA
Em muitas aplicações, a cabeça de pressão de vapor (hva) é pequena em relação a outros termos do NPSHA, mas nem sempre é o caso. A perda por fricção (hf) é geralmente pequena porque a linha de sucção é normalmente curta e generosamente dimensionada. O maior componente é tipicamente a pressão atmosférica (ha) (34 pés ou 10,4 metros), que é adicionada à cabeça estática de sucção, o outro maior componente.
A combinação de cabeça estática e perda por fricção é um dos principais componentes do NPSHA. Podemos calcular esses termos, ou podemos medir a pressão na sucção da bomba, que combinará os efeitos de ambos os valores. Mas primeiro uma digressão para explicar o que a medição de pressão que fazemos significará.
O que acontece com o fluxo e a pressão dentro da bomba após o ponto de medição?
A Figura 5 mostra que a pressão cai consideravelmente à medida que o fluido entra no olho do impulsor da bomba. Isso acontece por várias razões:
- Velocidade à medida que o fluido se aproxima do olho aumenta, à medida que a área de fluxo aumenta, o que causa uma diminuição na pressão (princípio de Bernoulli),
- Fricção diminui a pressão.
- Turbulência do fluxo diminui ainda mais a pressão.
Figura 5 Variação de Pressão em Vários Pontos ao Longo do Caminho do Líquido
É possível que a pressão local possa ser baixa o suficiente para que o líquido ferva, ou evapore, no “Ponto de Baixa Pressão” (D).
O líquido vai ferver a baixa pressão?
Existem duas maneiras de ferver um líquido. Uma maneira é aumentar a temperatura enquanto mantém a pressão constante até que a temperatura seja alta o suficiente para produzir bolhas de vapor. Na Figura 6, é isso que acontece se você pegar um ponto na fase líquida e mover horizontalmente (ou seja, a pressão constante) aumentando a temperatura. Eventualmente, você atinge a linha de vaporização do fluido em particular e o fluido começa a ferver, ou produzir bolhas de vapor. Fazemos o mesmo todos os dias quando fervemos água em uma panela. Para saber mais sobre a relação de volume e temperatura a pressão constante, por favor veja Lei de Charles.
Figura 6 Pressão de Vapor vs Temperatura
A outra maneira de ferver um líquido é diminuir a pressão. Se você mantiver a temperatura constante e diminuir a pressão, o líquido ferverá como mostrado na linha tracejada vertical na Figura 6. Na Figura 6, é isso que acontece se você pegar um ponto na fase líquida e mover verticalmente (ou seja, a temperatura constante) diminuindo a pressão. Novamente, à medida que você atinge a linha de vaporização do fluido em particular, o fluido começa a ferver ou produzir bolhas de vapor. E, claro, você pode cruzar a linha de pressão de vapor diminuindo a pressão e aumentando a temperatura simultaneamente. Para saber mais sobre a relação de volume e pressão a temperatura constante, por favor veja Lei de Boyle.
Se a panela estivesse coberta e você tivesse uma fonte de vácuo (veja a Figura 7), então, ao diminuir a pressão na panela, você seria capaz de fazer a água ferver a uma temperatura mais baixa. Quando a pressão é 7,5 psia (52 kPaa) ou (14,7 – 7,5 = 7,2) ou 7,2 psi (50 kPa) menor que a pressão atmosférica, a água ferverá a uma temperatura de 180 °F (82 °C) e quando a pressão é 1,5 psia (10,3 kPaa) a água ferverá a 120 °F (49 °C). Isso é o que acontece na sucção da bomba quando a pressão é baixa o suficiente para fazer o líquido vaporizar.
Não é incomum que processos industriais operem a temperaturas que estão próximas ou acima de 120 oF. Portanto, se a temperatura for alta e a pressão diminuir à medida que o fluido entra na bomba, aumentará a probabilidade de cavitação ocorrer devido à redução de pressão produzida dentro da bomba. Se a cavitação estiver ocorrendo ou for suspeita, duas soluções possíveis são:
- Aumentar a pressão na entrada da bomba (lado de sucção).
- Diminuir a temperatura do fluido.
Figura 7 Fervura de Líquidos a Baixa Temperatura
A pressão à qual um líquido vaporiza é conhecida como pressão de vapor e é sempre especificada para uma determinada temperatura e para um líquido específico (veja um gráfico de pressões de vapor para vários líquidos no apêndice). Se a temperatura mudar, a pressão de vapor muda.
Por que a pressão de vapor é importante?
Se a pressão no olho do impulsor da bomba cair abaixo da pressão de vapor do líquido, ocorrerá cavitação. A cavitação começa quando bolhas de vapor se formam no olho do impulsor devido a uma queda de pressão. As bolhas se formam na posição de menor pressão na entrada da bomba (veja a Figura 5), que é logo antes do fluido ser atuado pelas pás do impulsor. Então, quando as pás do impulsor começam a atuar sobre as bolhas com pressão, elas rapidamente implodem. A implosão das inúmeras bolhas de vapor produz pequenas ondas de choque que impactam a superfície do impulsor e corroem o metal. Com o tempo, o acúmulo de corrosão cria áreas erodidas que podem eventualmente levar a uma falha do impulsor.
Figura 8 Implosão de Bolhas de Vapor
O som da cavitação é muito característico e se assemelha ao som de cascalho em uma betoneira. Você pode ouvir esse som clicando neste link.
A Figura 9 mostra o dano que pode ocorrer a um propulsor ao longo do tempo durante a cavitação; o propulsor mostrado sofreu leve erosão devido à cavitação.
Figura 9 Impulsor Danificado por Cavitação
Como o nível do tanque de sucção pode estar em qualquer lugar em relação à sucção da bomba, é útil usar um plano de referência que esteja abaixo da sucção da bomba e até mesmo abaixo do nível de um poço. Desta forma, podemos usar a mesma definição para cabeça estática (h1 – hs) e ainda obter o valor positivo ou negativo apropriado para a cabeça estática na sucção da bomba.
NPSHA = h1-hs - hf + ha - hva (1.4)
Figura 10 Os componentes do NPSHA para Tanques de Sucção Acima e Abaixo do Solo
Esta é a fórmula geral para NPSHA com base em uma medição de pressão na sucção da bomba:
Onde:
g : a aceleração devido à gravidade, 32,17 ft/s2 em unidades imperiais ou 9,81 m/s2 em unidades métricas;
ps : a pressão de sucção em psia ou kPaa;
vs : a velocidade na sucção da bomba em ft/s ou m/s;
pa : a pressão atmosférica em psia ou kPaa;
pva : a pressão de vapor em psia ou kPaa.
Na parte 2, consideraremos como os fabricantes de bombas determinam o requisito de NPSH (NPSHR).
Importância do NPSH
NPSH é uma situação que muitos projetistas nunca terão que considerar porque muitos líquidos, como água ou similares, têm uma baixa pressão de vapor e a temperatura é baixa, por exemplo, abaixo de 110 oF. No entanto, no caso de um tanque de sucção abaixo do solo em conjunto com uma bomba acima do solo, a cabeça estática é baixa e o NPSHA deve ser cuidadosamente considerado. Qualquer pessoa nas indústrias de processamento de hidrocarbonetos ou químicas precisará considerar cuidadosamente o NPSH disponível, pois as propriedades dos produtos químicos e líquidos de hidrocarbonetos variam consideravelmente em comparação com a água.
Os fabricantes de bombas sempre solicitarão o NPSHA do seu sistema de bombas, não importa o caso (a menos que você esteja solicitando uma bomba submersa) como um meio de se proteger de potenciais problemas de cabeça de sucção em sua planta. O NPSHA é a última coisa que você verificará após projetar seu sistema de bombas e selecionar sua bomba.
Figura A1 Pressão Barométrica vs Elevação
Figura A2 Pressão de Vapor para Vários Líquidos
Recursos Adicionais
https://www.pumpsandsystems.com/topics/understanding-npsh-npsh-definitions
https://en.wikipedia.org/wiki/Net_positive_suction_head
https://www.sciencedirect.com/topics/agricultural-and-biological-sciences/centrifugal-pump