Cavitação em valvulas de controle - Fenômeno cavitação

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CAVITAÇÃO EM VÁLVULAS DE CONTROLE

Cavitação:

Formação de cavidades com vapor do próprio liquido, provocada pelo efeito do aumento

velocidade de escoamento do fluido ao passar por um orifício de passagem reduzido. Com o aumento

da velocidade a pressão diminui, como comprova o teorema de Bernoulli. Em determinadas situações,

esta pressão fica a baixo da pressão de vapor do fluido para a temperatura de trabalho, provocando a

cavitação. Logo apos passar pela região de vena contracta (menor pressão) a pressão tende a recuperar,

é quando estas cavidades são implodidas.

E muito importante lembrar que um fluido não precisa estar aquecido para cavitar, isto

depende da temperatura de formação de vapor do fluido para determinada pressão , velocidade e do

fator de recuperação de pressão da válvula de controle utilizada. Fotos mostram de experimento em

laboratório onde uma hélice cavitando ao girar a 3500 rpm imersa em água a 20 graus Celsius em um

Becker.

Estas cavidades não causam nenhum efeito maléfico à válvula, o grande problema são as

sucessivas implosões destas bolhas que dissipam uma grande quantidade de energia (ondas de choque

localizadas que podem chegar a 10.000 PSI) causando corrosão muito peculiar fig. 1 (pitins profundos,

ásperos e porosos muito conhecido visualmente). Danificando não somente os internos como também

o corpo da válvula, este fenômeno ocorre também em bombas e rotores de turbinas hidroelétricas.

Os danos provocados pela cavitação dependem da intensidade da cavitação, ao tempo de

exposição à cavitação, da dureza do material utilizado e do tipo de válvula.

As válvulas de controle de deslocamento rotativo como borboleta, esfera, esfera segmentada

possuem um alto fator recuperação de pressão e por conseqüência um baixo coeficiente de cavitação

Kc (resistência a cavitação), Já as válvulas tipo globo possuem um Kc mais elevado , logo estão

menos sujeitas a cavitação.

COEFICIENTES DE CAVITAÇÃO Kc

ESFERA BORBOLETA OBTURADOR EXCENTRICO GLOBO Conv GLOBO Gaiola

0,28 90

0,31 0,37 fluxo fecha 0,68 fluxo fecha 0,63 fluxo fecha

0,30 0,61 fluxo abre 0,65 fluxo abre 0,65 fluxo abre

0,80 obturad em V

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CAVITAÇÃO EM VÁLVULAS DE CONTROLE

Cavitação : Formação de cavidades com vapor do próprio liquido, provocada pelo efeito do aumento velocidade de escoamento do fluido ao passar por um orifício de passagem reduzido. Com o aumento da velocidade a pressão diminui, como comprova o teorema de Bernoulli. Em determinadas situações, esta pressão fica a baixo da pressão de vapor do fluido para a temperatura de trabalho, provocando a cavitação. Logo apos passar pela região de vena contracta (menor pressão) a pressão tende a recuperar, é quando estas cavidades são implodidas. E muito importante lembrar que um fluido não precisa estar aquecido para cavitar, isto depende da temperatura de formação de vapor do fluido para determinada pressão , velocidade e do fator de recuperação de pressão da válvula de controle utilizada. Fotos mostram de experimento em laboratório onde uma hélice cavitando ao girar a 3500 rpm imersa em água a 20 graus Celsius em um Becker.

Estas cavidades não causam nenhum efeito maléfico à válvula, o grande problema são as sucessivas implosões destas bolhas que dissipam uma grande quantidade de energia (ondas de choque localizadas que podem chegar a 10.000 PSI) causando corrosão muito peculiar fig. 1 (pitins profundos, ásperos e porosos muito conhecido visualmente). Danificando não somente os internos como também o corpo da válvula, este fenômeno ocorre também em bombas e rotores de turbinas hidroelétricas.

Os danos provocados pela cavitação dependem da intensidade da cavitação, ao tempo de exposição à cavitação, da dureza do material utilizado e do tipo de válvula. As válvulas de controle de deslocamento rotativo como borboleta, esfera, esfera segmentada possuem um alto fator recuperação de pressão e por conseqüência um baixo coeficiente de cavitação Kc (resistência a cavitação), Já as válvulas tipo globo possuem um Kc mais elevado , logo estão menos sujeitas a cavitação.

COEFICIENTES DE CAVITAÇÃO Kc ESFERA BORBOLETA OBTURADOR EXCENTRICO GLOBO Conv GLOBO Gaiola 0,28 900 0,31 0,37 fluxo fecha 0,68 fluxo fecha 0,63 fluxo fecha 700 0,30 0,61 fluxo abre 0,65 fluxo abre 0,65 fluxo abre 0,80 obturad em V

Um outro problema provocado pela cavitação em válvulas e o ruído hidrodinâmico e vibrações que além de tornar o ambiente de trabalho degradante, atrapalha o desempenho do controle do processo. Flashing: Quando a pressão a jusante não recupera a um ponto acima da formação de vapor, o fluido permanece no estado gasoso, dando origem ao fenômeno flashing. A corrosão provocada pelo flashing tem uma outra aparência, obturador fica totalmente polido com rasgo ou sulco provocado por erosão aerodinâmica. Apesar de os danos provocados por flashing ser relativamente menores do que o pela cavitação este é também e muito mais difícil de ser evitado.

Como Evitar a cavitação: 1- O Primeiro passo especificar uma válvula com coeficiente de cavitação Kc maior. (maior oposição a cavitação). 2- Uma maneira muito simples de se evitar à cavitação é a instalação de um orifício de restrição calibrado a jusante da válvula de controle. Porém esta medida dependendo da intensidade da cavitação e em baixas vazões, quando a área de passagem da válvula fica menor que a área do orifício, este não consegue cumprir a sua função que é a de aumentar a pressão na região de vena contracta da válvula (nas proximidades da sede) evitando a cavitação. 3- Outra alternativa além a de utilizar materiais mais duros e a de utilização de válvulas com bitola maior com internos reduzidos, com o objetivo de distanciar as implosões do corpo da válvula. 4- A utilização de internos especiais. Existem diversos tipos de internos adequados para a mais diversa condição de cavitação, desde a que utiliza uma gaiola de um único estagio com múltiplos orifícios, a gaiolas que utilizam dois ou mais estágios de múltiplos orifícios, com um espaço para expansão entre os estágios. Casos mais severos internos especiais que utilizam corpos de válvulas mais altos para permitir internos com a combinação de expansão maiores seguidas de orifícios.. 5- Para que não haja cavitação o coeficiente de cavitação do processo Kcp deve ser menor que o coeficiente de cavitação da válvula Kc. A comparação destes coeficientes ( Kcp e Kc) determina a medida ou o conjunto de medidas a serem tomadas para se evitar ou contornar os efeitos provocados pela cavitação. Existem casos que é necessário, a associação de dois ou mais métodos descritos para se evitar a cavitação. NOTA: Embora a norma ISA S39 ou suas sucessoras não tenham regulamentado o uso do coeficiente de cavitação da válvula Kc. A sua utilização de maneira “análoga” ao coeficiente de Thoma (utilizado para determinação do NPSH requerido para bombas), tem se mostrado um método simples e eficiente ao mostrar o inicio da cavitação, e determinar o tipo de válvula a ser especificada para se evitar a cavitação.

Autor: Fernando Souza Sampaio E-mail: fernando@dhmautomacao.com.br

Bibliografia: Introdução à Mecânica dos Fluidos- Robert W. Fox & Alan T. McDonald Manual Hidráulica - Azevedo Neto. J.M. Elementos Mecânica Fluidos - Garcez, L. N. Curso Hidráulica Geral - Pimenta. C. F. Apostila - Roberto Luiz Barallobre. Manual e catálogos de Fabricantes de válvulas de controle.

Anexo: Fotos de casos críticos onde internos mesmo sendo anti cavitante, ou indicados para altas quedas de pressão, mostram corrosão por cavitação.

Cavitação em valvulas de controle, Notas de estudo de Mecatrônica

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