Química

15 de março de 2010

Válvulas – Cavitação: um fenômeno que também afeta as válvulas

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Publicado por: Claudio Roberto de F. Pacheco
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    m algumas situações, o escoamento de líquidos nas tubulações se faz acompanhar de fenômenos que estão relacionados à mudança de estado do líquido, com sua transformação em vapor e desprendimento de gases nele dissolvidos. No caso das válvulas, o fenômeno da cavitação gera ruídos incômodos e vibrações na tubulação, podendo originar um processo erosivo que afete os tubos e também as próprias válvulas. Entender o fenômeno e como evitá-lo resulta no aumento da vida útil dos equipamentos e na redução de custos.

    Química e Derivados, Figura 1, Válvulas - Cavitação: um fenômeno que também afeta as válvulas

    Figura 1 – Dispositivo para observação do fenômeno de cavitação. Representa uma situação em que a pressão do escoamento na garganta do Venturi é inferior à pressão de vapor do líquido na temperatura do escoamento, gerando bolhas de vapor de líquido que podem ou não conter gases

    A Figura 1 mostra um dispositivo simples em que um tubo Venturi é acoplado a uma tubulação que possui uma válvula para regulagem de vazão. Este dispositivo se presta ao entendimento do fenômeno da cavitação. A equação de Bernoulli prevê que na garganta do Venturi a velocidade do escoamento será maior do que nas seções a montante. Como consequência, a pressão aí será menor do que naquelas seções. Se a pressão na garganta do Venturi diminuir, igualando-se à pressão de vapor do líquido na temperatura do escoamento, poderá ser observada uma ebulição local do líquido (que pode não ocorrer caso não haja um núcleo para ebulição, como uma rugosidade de parede ou gás dissolvido). Este fenômeno é denominado cavitação.

    A cavitação se faz acompanhar de um ruído característico e de uma vibração da tubulação que, se for de duração prolongada, provocará a erosão das paredes da tubulação e acessórios. Quando a seção transversal da tubulação volta a se alargar, a velocidade de escoamento diminui e, conforme a equação de Bernoulli, a pressão se eleva e as bolhas de vapor se condensam rapidamente, gerando o ruído típico. As partículas de líquido que vêm ocupar o espaço deixado pelas bolhas de vapor são aceleradas e freadas bruscamente, fato este que produz uma significativa sobrepressão naquele ponto, que se propaga como pulso de pressão por toda a tubulação à velocidade do som naquele líquido, fenômeno denominado golpe de aríete local. Uma consequência para o sistema é a erosão que ocorre nos locais onde as bolhas condensam e não onde elas se formam.

    A Cavitação promove um aumento significativo da resistência ao escoamento, diminuindo a capacidade de transporte da tubulação.
    A Cavitação pode se originar no interior de qualquer dispositivo onde o escoamento estiver sujeito a um estrangulamento local seguido de uma expansão posterior. Exemplos: válvulas, diafragmas, canais de rotores de bombas, seções de entrada de bombas.

    No caso do escoamento de um líquido por uma válvula, a velocidade do escoamento será máxima na região da sede da válvula. Como consequência, nesta região a pressão será a mais baixa da cercania. Se o valor da pressão do escoamento for inferior à pressão de vapor do fluido na temperatura do escoamento, o líquido sofrerá uma vaporização (flash) parcial, formando bolhas de vapor que, ao se dirigirem para regiões de maior pressão, sofrem colapso. A cavitação é razoavelmente barulhenta e violenta o suficiente para danificar válvulas, tubulações e equipamentos acoplados a elas, em face da ação periódica dos pulsos de pressão que se propagam a partir do local em que as bolhas colapsam. Além disso, a formação das bolhas em áreas de seção mínima impede o aumento significativo da vazão no sistema. Diz se que, nesta situação, o escoamento está “bloqueado”.

    O fenômeno de cavitação ganha complexidade com líquidos compostos por frações com diferentes pressões de vapor.
    A Figura 2 (a) mostra uma situação encontrada em um processo no qual a válvula de controle de vazão [C] apresentava cavitação, indicada por significativo ruído e vibração da tubulação.

    O conhecimento dos fundamentos do fenômeno permitiu sugerir que se passasse a válvula (C) para a configuração da Figura 2 (b). Na posição (a) o fluido (álcool etílico) ao passar pela válvula já havia sido aquecido no trocador de calor de 20°C para 78°C e portanto sua pressão de vapor era maior na posição (a) (1,0 kgf/cm² a 78°C) do que na posição (b) (0,05 kgf/cm² a 20°C) quando o fluido ainda estava frio. Mais ainda, na posição (b) a pressão do escoamento a montante da válvula (C) (1,16 kgf/cm²) era maior do que na mesma posição em (a) (1,08 kgf/cm²) de um valor igual à perda de carga do escoamento no trocador de calor. Na posição (a) o escoamento pela sede da válvula aumentava de velocidade e a pressão do fluido ficava menor do que a sua pressão de vapor, gerando bolhas de vapor e consequente cavitação.


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