O QUE É CAVITAÇÃO?

Uma característica comum entre empresas Químicas, Petroquímicas, Farmacêuticas, Alimentícias, entre outras, é o transporte de  um ou mais tipos de líquidos que são, muitas vezes, transformados em outros produtos por meio de uma reação química ou mistura. 

Por conta disso, para promover essa movimentação ou transformação de líquidos  é necessário uma grande quantidade de equipamentos como bombas, reatores, agitadores, de dezenas a milhares de máquinas, dependendo do porte da empresa.

Cavitação é um termo bastante comum nos departamentos de manutenção ou produção dessas empresas, seja por mecânicos, operadores ou engenheiros, no entanto, muitos sabem que a cavitação é prejudicial, mas não sabem o que ela é, nem porque ela ocorre.

Esse é o objetivo do presente artigo, desmiuçar o conceito de cavitação e seus efeitos.

Não é possível falar em cavitação sem antes falarmos de pressão de vapor.  

Na termodinâmica se estuda os chamados estados (ou fases) da matéria que são o sólido, o líquido e o gás ou vapor (*), sendo necessárias pelo menos duas propriedades termodinâmicas para podermos determinar um estado. Dentre as diversas propriedades, a pressão e a temperatura (**) são as escolhidas, numa primeira análise.

Numa dada temperatura a pressão de vapor  será a pressão em que ocorre a vaporização do líquido, ou seja, o líquido se transforma em vapor. Por exemplo, na pressão atmosférica (equivalente a 10.3 mca) a água ao nível do mar inicia a sua vaporização a 100 oC (graus celsius), ou seja, na temperatura de 100 oC a pressão de vapor é a pressão de 10.3 mca. 

Já, considerando a temperatura de 80 oC, a vaporização da água tem início quando a pressão atingi 4.8 mca, em outras palavras, 4.8 mca é a pressão de vapor da água, na temperatura de 80 oC.

Uma vez entendido o conceito de pressão de vapor, podemos adentrar no conceito de cavitação.

Para que exista um escoamento de um fluido é necessário haver um diferencial de pressão entre o ponto de origem e o ponto de destino deste fluido. Outro fenômeno que acontece num escoamento é a chamada "perda de carga", cuja principal consequência é a redução de pressão ao longo do escoamento. Pode acontecer, e é relativamente frequente, da pressão do escoamento atingir a pressão de vapor do líquido em escoamento. Quando isso acontece, tem-se início a geração de bolhas de vapor no escoamento. 

Na maioria dos caso, temos uma bomba promovendo o escoamento desse líquido, sendo o equipamento mais frequente a bomba centrífuga, mas qualquer equipamento ou dispositivo inserido num escoamento está sujeito ao efeito da cavitação. 

Bomba Centrífuga

Como exposto anteriormente, a medida que o escoamento vai acontecendo, a sua pressão vai diminuindo até chegar a entrada do rotor da bomba. Aqui temos o ponto de menor pressão do sistema (ponto roxo), mas ao adentrar o rotor, o líquido começa a adquirir energia, aumentando assim a sua pressão, chegando no ponto de pressão máxima, na saída do rotor (ponto vermelho). Em outras palavras, o escoamento sai de uma pressão muito baixa para uma pressão muito alta, num trecho muito curto, de tal sorte, que todas as bolhas de vapor contidas no escoamentos implodem, gerando micro vibrações e perturbações capazes de remover materiais dos componentes mecânicos próximos, ocasionando, literalmente, uma deterioração da máquina e dispositivos, reduzindo a eficiência da máquina e também sua resistência mecânica. (Veja imagens ilustrativas abaixo)

Rotores de Turbinas danificados por cavitação
Rotor Hélice (esquerda) | Rotor Francis (direita)

Existem casos, que a cavitação é tão severa, que gera uma vibração mecânica muito excessiva, de tal maneira, capaz de causar danos a elementos de máquinas mais sensíveis, como por exemplo, os selos mecânicos, vindo a falhar muito aquém da vida útil esperada. 

Bancada de Testes do IPT

Embora a explicação tenha sido feita usando o escoamento através de uma bomba, o fenômeno pode ocorrer em qualquer dispositivo ou ponto do escoamento onde a pressão do líquido atingir a pressão de vapor, seja numa válvula, instrumentos, ou até mesmo em propulsores de navios ou submarino, conforme ilustrado na figura ao lado (imagem do IPT). 

Existe uma outra situação que se assemelha a cavitação, que é a injeção de gases num escoamento. Esta situação pode acontecer em sistemas hidráulico e provoca os mesmos efeitos da cavitação, devendo portanto, ser evitada.

Finalizando, a cavitação é um fenômeno tão peculiar que gera ruídos muito característicos, muito similar a metal batendo contra metal. Para ouvir, assista o vídeo abaixo. 

Escrito por: Micelli Camargo

Engenheiro Mecânico pela Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI.

MBA Executivo em Marketing pela Fundação Getúlio Vargas - FGV

12 anos de experiência em vendas técnicas, sendo 6 numa multinacional do setor de vedações industriais.

Atua no atendimento de empresas químicas, petroquímicas, farmacêuticas, alimentícia, papel e celulose, entre outras.

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Glossário:

Cavitação: Fenômeno decorrente da implosão de bolhas de vapor geradas por pressão igual ou inferior a pressão de vapor quando o líquido volta a pressão superior a da cavitação.

Pressão de Vapor: Pressão na qual o líquido começa a se transformar em vapor numa dada temperatura.

Termodinâmica: Ciência que estuda as causas e os efeitos de mudanças na temperatura, pressão e volume, entre outras grandezas termodinâmicas. 

mca: Metro de coluna de água é uma unidade de pressão associada a carga de pressão de uma coluna de líquido estático.

Perda de Carga: São as perdas de energia mecânica em um escoamento decorrentes do atrito viscoso e/ou perturbações pontuais no escoamento.

Bomba: Bomba é todo equipamento que fornece energia a um líquido.

Bomba Centrífuga: Tipo de bomba que tem por característica um escoamento que entra pela região central do rotor e sai radialmente, do centro para fora. Faz parte das chamadas Máquinas de Fluxo.

Máquinas de Fluxo: é uma máquina que opera um fluido cujo escoamento flui continuamente através dela operando transformações do tipo: E_mecânica↔E_cinética ↔ E_pressão.

IPT: Instituto de Pesquisas Tecnológicas

Imagens: Internet e IPT

(*) Embora exista diferenças entre um gás e um vapor, não iremos abordar essa diferença nesse artigo.

(**) Para uma substância pura, não se pode considerar pressão e temperatura para se estabelecer o estado de uma substância pois a pressão e temperatura se mantém constantes durante a transformação.