O que é cavitação e como se evita?

Passo 1

O enunciado faz duas perguntas claras: (1) “O que é cavitação?” e (2) “Como se evita?”\n
Informações fornecidas: apenas essas perguntas; não há dados numéricos, figura ou condição adicional no enunciado.\n
Objetivo da resolução: explicar de forma didática e passo a passo o fenômeno da cavitação, as causas físicas, consequências práticas e as medidas — de projeto e de operação — para evitar cavitação.

Passo 2

Definição física e imagem mental: cavitação é a formação de bolhas (ou cavidades) de vapor dentro de um líquido quando a pressão local do líquido cai abaixo da pressão de vapor do próprio líquido. Essas bolhas se formam em regiões de baixa pressão e, quando são levadas para regiões de pressão mais alta, elas implodem (colapsam). Esse colapso cria ondas de choque locais, estrondo, vibração e pode arrancar material das superfícies próximas.\n
Resumo: formação de vapor + transporte para zona de pressão maior + colapso violento = problema.

Passo 3

Por que a pressão cai? Use a ideia básica de conservação de energia no escoamento: quando a velocidade do fluido aumenta, a pressão estática pode diminuir. Uma forma simples de escrever isso é a equação de Bernoulli (na forma qualitativa que vamos usar aqui):
p + \tfrac{1}{2}\rho v^{2} + \rho g z = \text{constante}
onde p = pressão estática do fluido, \rho = densidade, v = velocidade local, g = aceleração da gravidade e z = elevação.\n
Assim, num afunilamento de canal, ou na entrada de uma hélice/impulsor, a velocidade v sobe e a pressão p pode cair. Se p ficar menor que a pressão de vapor p_{v} do líquido (que depende da temperatura), surgem bolhas de vapor.

Passo 4

Explique a pressão de vapor: a pressão de vapor p_{v} é a pressão na qual o líquido e o vapor estão em equilíbrio àquela temperatura. Quanto maior a temperatura do líquido, maior p_{v}. Por exemplo, para água: a 20^\circ\text{C} p_{v} é muito menor do que a 80^\circ\text{C}. Portanto, aumentar a temperatura do líquido facilita cavitação (porque p_{v} sobe e fica mais fácil p < p_{v}).\n
Conclusão física importante: cavitação ocorre quando p_{\text{local}} \le p_{v}.

Passo 5

Consequências práticas da cavitação (por que a gente tem medo dela):\n
  • Erosão/descamação das superfícies (hélices, palhetas, corpos de bomba), reduzindo vida útil.\n
  • Ruído intenso e vibração, que comprometem equipamentos e estruturas.\n
  • Queda de desempenho hidráulico (queda de vazão e rendimento), instabilidade no funcionamento.\n
  • Em casos extremos, falha mecânica ou aumento de manutenção.

Passo 6

Causas comuns em sistemas reais (lista direta, para identificar no projeto ou operação):\n
  • Pressão de sucção muito baixa (por exemplo bomba elevada muito acima da superfície do líquido ou sucção com grande perda de carga).\n
  • Altas velocidades locais (tubulações estreitas, mudanças bruscas de seção, entradas de impulsor).\n
  • Temperatura do fluido elevada (aumenta p_{v}).\n
  • Bolhas de vapor pré-existentes ou gases dissolvidos que se liberam (degaseificação local).\n
  • Mau dimensionamento ou escolha errada da bomba: funcionamento com NPSH insuficiente.\n
  • Turbulência excessiva e padrões de escoamento com separação que geram recirculação e depressões locais.

Passo 7

Conceito-chave para engenharia: NPSH (Net Positive Suction Head).\n
Explique o que é e por que é útil: os fabricantes de bombas dão um valor chamado NPSH_{R} (NPSH requerido) que é o mínimo de altura de sucção positiva líquida necessária para evitar cavitação no impulsor. O projeto/instalação deve prover NPSH_{A} (NPSH disponível) maior que NPSH_{R} com uma margem de segurança.\n
Fórmula prática (forma comum usada em bombas):\n
NPSH_{A} = \frac{p_{suc} - p_{v}}{\rho g} + \frac{v_{suc}^{2}}{2g} - h_{f}
onde:\n
  • p_{suc} = pressão absoluta na superfície de sucção ou pressão no ponto de referência de sucção (Pa);\n
  • p_{v} = pressão de vapor do líquido à temperatura de operação (Pa);\n
  • \rho = densidade do líquido (kg/m³);\n
  • g = 9{,}81\\ \text{m/s}^2;\n
  • v_{suc} = velocidade média do fluido na tubulação de sucção (m/s); o termo \tfrac{v^{2}}{2g} é a cabeça de velocidade;\n
  • h_{f} = perdas de carga na linha de sucção desde a superfície do líquido até a entrada da bomba (em metros de coluna de fluido).\n
    Interpretação: para aumentar NPSH_{A} você pode aumentar p_{suc}, diminuir p_{v}, diminuir perdas h_{f} ou reduzir a velocidade v_{suc}.

Passo 8

Medidas de prevenção — ações de projeto (o que fazer antes de instalar):\n
  • Garantir margem de NPSH: calcular NPSH_{A} e comparar com NPSH_{R} do fabricante; projetar para NPSH_{A} > NPSH_{R} + \text{margem}.\n
  • Reduzir perdas na sucção: usar tubulação mais larga, curvas suaves, poucas conexões e válvulas na sucção; posicionar a bomba o mais perto possível da fonte de líquido.\n
  • Evitar elevação (sucção a vácuo) excessiva: preferir bombeamento com sucção submersa ou com reservatório pressurizado se possível.\n
  • Selecionar bomba apropriada: escolher bomba cujo ponto de operação no eixo Q- H garanta baixo risco de cavitação; em aplicações críticas, usar inducer (pequena hélice anterior ao impulsor) que aumenta pressão de entrada ao impulsor.\n
  • Reduzir temperatura do fluido quando possível (diminuir p_{v}).\n
  • Evitar entradas abruptas e dispositivos que causem separação de fluxo antes da bomba.

Passo 9

Medidas de prevenção — ações de operação e manutenção (o que fazer no dia a dia):\n
  • Manter reservatórios de sucção devidamente cheios e ventilados (evitar que o nível caia abaixo do projetado).\n
  • Evitar funcionamento fora do ponto de projeto (por exemplo estrangular a descarga para forçar vazão muito baixa ou muito alta — preferir controlar pela velocidade ou por válvula na descarga com cautela).\n
  • Eliminar ar acumulado: instalar purgadores ou linhas de ventilação onde há tendência de acúmulo de gases.\n
  • Fiscalizar temperatura do fluido; se subir, aumentar NPSH_{A} ou reduzir carga.\n
  • Manutenção preventiva: eliminar obstruções, verificar alinhamento e estado do impulsor (danos anteriores aumentam chance de cavitação).

Passo 10

Como diagnosticar rapidamente se há cavitação (sinais práticos):\n
  • Ruído parecido com pedras chiando ou som de cascalho (frequentemente descrito como “pinging” ou “grit”).\n
  • Vibração aumentada e instabilidade na leitura de pressão/ vazão.\n- Queda no desempenho (vazão e pressão menores que o esperado).\n- Danos visíveis no impulsor (pectorais de pitting) após inspeção.\n
    Ao identificar estes sinais, reduzir imediatamente a carga ou parar a bomba para evitar danos e investigar NPSH, nível de sucção e presença de ar.

Passo 11

Dicas práticas e “receitas” rápidas (coisas que você pode tentar em prova ou na prática com pouco tempo):\n
  • Se numa bomba ocorre cavitação em teste, uma ação rápida: aumentar ligeiramente a pressão na sucção (ex.: fechar parcialmente a válvula de descarga às vezes reduz vazão e pode piorar; prefira elevar o nível do reservatório ou pressurizar a linha de sucção).\n
  • Diminuir temperatura do fluido se possível (mesmo alguns graus ajudam porque reduzem p_{v}).\n
  • Aumentar diâmetro da tubulação de sucção para reduzir v e perdas.\n
  • Verificar o manual do fabricante e comparar NPSH_{A} calculado com NPSH_{R}.

Resposta

Cavitação é a formação e colapso de bolhas de vapor em um líquido quando a pressão local cai abaixo da pressão de vapor do líquido, causando ruído, vibração, erosão e perda de desempenho.
Evita-se cavitação projetando e operando o sistema para que o NPSH_{A} (disponível) seja maior que o NPSH_{R} (requerido) — isto é conseguido aumentando a pressão de sucção, reduzindo perdas e velocidade na sucção, diminuindo a temperatura do líquido, usando tubulações e entradas suaves, escolhendo bomba/impulsor adequados (ou inducer) e eliminando ar/gases dissolvidos.

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