Química

Válvulas – Cavitação: um fenômeno que também afeta as válvulas

Claudio Roberto de F. Pacheco
15 de março de 2010
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    Válvulas - Cavitação: um fenômeno que também afeta as válvulas

    Figura 2 – Posicionamento de válvula de controle [C] na configuração (a) apresenta cavitação, na posição (b) não apresenta cavitação. (G) São válvulas gaveta.

    O resultado global do reposicionamento da válvula (C) na configuração (b) foi aumento da pressão total a montante da válvula de 1,08 kgf/cm² em (a) para 1,16 kgf/cm² em (b) e, quando do aumento da velocidade do escoamento ao passar pela sede da válvula e consequente redução da pressão do fluido, este, ainda frio, apresentava uma pressão de vapor bem inferior àquela reinante na sede da válvula, eliminando assim a cavitação comprovada pelo desaparecimento da vibração na tubulação e do ruído.

    Embora o exemplo anterior mencione uma ação relativamente simples para resolver uma questão envolvendo cavitação, na situação geral das instalações de transporte de fluidos, as implicações deste fenômeno são mais complexas.

    As sedes das válvulas, em geral, são o ponto de menor área de seção transversal do escoamento e consequentemente o local de sua maior velocidade. Além disso, as mudanças abruptas de direção que o escoamento sofre no interior da válvula, associado à sua geometria interna, geram vórtices que alteram o campo de pressões em seu interior.

    Uma forma que os fabricantes de válvulas utilizam, para lidar com esta questão, é realizar experimentos que lhes forneçam informações sobre a cavitação em suas válvulas. Os resultados destes experimentos são expressos em gráficos que correlacionam dois parâmetros adimensionais: o primeiro deles, denominado número de cavitação, reúne os valores das pressões a montante e a jusante da válvula e a pressão de vapor do fluido; e o segundo, o coeficiente de descarga da válvula que reúne a vazão do fluido, sua densidade e a perda de carga na válvula. As curvas são então parametrizadas pela fração de abertura das válvulas e o regime observado durante o ensaio: início de cavitação, cavitação severa, escoamento bloqueado ou outras situações.

    Para a seleção correta de uma válvula de controle de vazão, para um determinado serviço, é necessário considerar os seguintes aspectos para minimizar os efeitos da cavitação:

    a) A configuração da tubulação, em termos de linhas de pressão avaliadas para a vazão nominal de projeto. Em instalações de bombeamento podem existir trechos da aspiração em que a pressão fique abaixo da pressão atmosférica local e também posições com cotas elevadas, em que a pressão fique mais baixa do que aquela a jusante desse ponto;

    b) A curva característica da instalação (altura manométrica total X vazão) sem a válvula;

    c) A escolha de uma bomba de transferência, deixando uma folga de 10% a 15% da sua altura manométrica total para atuação da válvula de controle (porém não inferior a 7 m de coluna de fluido);

    d) Estimar os coeficientes de vazão da válvula e localizar alternativas nos catálogos dos fabricantes (lembrando que o tamanho da válvula não deve ser inferior à metade do diâmetro da tubulação);

    e) Construir as curvas características do sistema com a válvula para diferentes aberturas, verificando as vazões de operação;

    f) Construir a curva característica instalada da válvula, verificando seu comportamento na região de controle de vazão nominal;

    g) Calcular o ganho (variação porcentual da vazão com a abertura no ponto de operação) confrontando se a diferença entre o ganho superior e inferior é menor do que 50% do maior valor;

    h) Escolher um local para a instalação da válvula e verificar a possibilidade de cavitação a partir dos perfis de pressão do sistema e do cálculo do número de cavitação, coeficiente de vazão e abertura da válvula. Verificar, então, nas curvas de cavitação do fabricante qual a expectativa de cavitação na situação estudada. Não esquecer de avaliar a concentração de gases (em geral, ar) dissolvida no fluido que poderia gerar bolhas de gás na sede da válvula, diminuindo a performance da tubulação;

    i) Dependendo de condições específicas de operação e característica da instalação, analisar aspectos de bloqueio do escoamento e eventuais golpes de aríete.

    A verificação criteriosa destes aspectos conduzirá a um projeto que, implementado, terá uma operação eficaz de baixo custo. Lembrar, portanto, que a ocorrência de cavitação não é uma questão restrita apenas à válvula, mas também ao sistema de tubulação como um todo.

    Muito se tem estudado sobre cavitação em válvulas. Ao leitor que queira estudar um pouco mais, sugiro consultar Hydraulics of Pipelines, de J. Paul Tullis, ed. John Wiley & Sons.

    O AUTOR

    Válvulas - Cavitação: um fenômeno que também afeta as válvulas

    Cláudio Roberto de Freitas Pacheco é engenheiro mecânico e doutor em engenharia química, com quarenta anos de vida profissional e acadêmica, durante os quais foi pesquisador do Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT-SP), gerente de processos em indústria química e também professor de graduação e pós-graduação da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Atualmente, atua como mentor de engenheiros juniores e plenos, e presta consultoria nas áreas de secagem, evaporação, filtração, ventilação industrial e conservação de energia.
    Contatos: claudio.pacheco@grengenharia.com



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