Cavitação em bombas e NPSH estão diretamente relacionados à pressão do líquido na entrada do rotor.
A cavitação ocorre quando essa pressão cai abaixo da pressão de vapor, o que provoca a formação de bolhas.
Ao alcançar regiões de maior pressão, essas bolhas implodem e podem danificar os componentes da bomba.
O NPSH, sigla de Net Positive Suction Head (altura positiva líquida de sucção), é o parâmetro usado para avaliar esse risco.
Para evitar a cavitação, o NPSH disponível na instalação deve superar, com margem de segurança, o NPSH requerido pela bomba.
O problema não está necessariamente relacionado a defeitos de fabricação ou à potência do motor.
Na maioria dos casos, a origem está nas condições de sucção, como tubulação estreita ou obstruída, altura excessiva e líquido quente.
Por isso, substituir a bomba por outra igual raramente resolve a causa. As notas de aula sobre estações elevatórias da UFPR também apontam velocidade excessiva e escorva incorreta entre os fatores que favorecem a cavitação.
O que acontece dentro da bomba quando ela cavita?
Na entrada do rotor, o líquido acelera e a pressão atinge um dos menores valores de todo o percurso.
Se essa pressão ficar abaixo da pressão de vapor, parte do líquido se transforma em vapor e forma bolhas.
A pressão de vapor corresponde à pressão em que o líquido entra em ebulição naquela temperatura.
As bolhas seguem o fluxo até regiões próximas à entrada das pás, onde a pressão volta a subir.
Nesse ponto, elas implodem em frações de segundo e provocam impactos sobre as superfícies.
Por isso, a erosão aparece onde as bolhas implodem, e não necessariamente no local em que se formam.
Com o tempo, as pás apresentam desgaste e adquirem um aspecto esponjoso.
O processo também provoca ruído, vibração e redução da vazão e da altura manométrica entregue pela bomba.
O ruído é característico e lembra pedras ou areia dentro do equipamento, mesmo quando o líquido está limpo.
A vibração sobrecarrega rolamentos e selo mecânico, o que pode causar danos a vários componentes após longos períodos de operação.
A apostila de bombas da Escola de Engenharia de Lorena da USP associa a cavitação a ruído, vibração e erosão das superfícies.
O material também aponta alterações nas curvas características e no rendimento da bomba.
O que é NPSH?
NPSH é a sigla de “net positive suction head”, expressão que significa “altura positiva líquida de sucção”.
Esse valor representa a energia disponível no líquido, na entrada da bomba, acima da pressão de vapor. Existem dois parâmetros que precisam ser comparados.
O primeiro é o NPSH disponível, determinado pelas condições da instalação. O segundo é o NPSH requerido, informado pelo fabricante na curva da bomba.
Para evitar a cavitação, o NPSH disponível precisa superar o requerido, com uma margem de segurança adequada.
O NPSH disponível depende das características da instalação e deve ser calculado no projeto da linha de sucção.
O cálculo considera a pressão atmosférica local, convertida em metros de coluna do líquido, e a pressão de vapor na temperatura de trabalho.
Também considera a posição da bomba em relação ao nível do líquido e as perdas de carga da tubulação de sucção.
Quando a bomba está acima do reservatório, a altura de sucção é subtraída. Se estiver afogada, a diferença de nível contribui positivamente para o NPSH disponível.
A apostila da USP apresenta a fórmula completa, com a soma ou subtração dessas parcelas em metros de coluna do líquido.
Já o NPSH requerido é uma característica da bomba e aumenta conforme a vazão. Esse valor é obtido por ensaios do fabricante, geralmente pelo critério de queda de 3% na altura gerada, conforme explica a apostila.
Contudo, esse critério indica uma perda mensurável de desempenho, e não a ausência completa de bolhas. Por isso, os projetos precisam considerar uma margem de segurança.
Em estações de bombeamento de água, a referência de projeto é a ABNT NBR 12214:2020, que trata das estações de bombeamento ou elevatórias de água.
A apostila da USP recomenda, como referência prática, NPSH disponível pelo menos 20% superior ao requerido, com diferença mínima de 1 m.
Três fatores reduzem o NPSH disponível
O primeiro é a altitude. A pressão atmosférica diminui conforme a altitude aumenta, o que reduz o NPSH disponível na instalação.
Por isso, uma bomba que funciona no litoral pode apresentar cavitação no planalto, mesmo com as mesmas condições de sucção.
A apostila da USP mostra essa diferença. A pressão atmosférica equivale a 10,33 mca ao nível do mar, 9,22 mca a 900 m e 8,88 mca a 1.200 m de altitude.
Em uma instalação a 900 m, considere uma bomba posicionada 3 m acima da água fria, com perdas de 0,5 m na sucção.
Nesse caso, restam 5,72 m (9,22 − 3 − 0,5) antes de descontar a pressão de vapor, que é pequena em água fria.
O segundo é a temperatura. A pressão de vapor da água é baixa em temperatura ambiente, mas aumenta rapidamente com o aquecimento, conforme explica a apostila da USP.
Como esse valor é subtraído no cálculo do NPSH disponível, líquidos mais quentes elevam o risco de cavitação.
Portanto, aspirar água quente de um reservatório abaixo da bomba pode ser problemático.
Circuitos de água quente, condensado e fluidos de arrefecimento geralmente exigem sucção afogada, com o reservatório acima da bomba.
O terceiro é a perda de carga na sucção. Tubulações estreitas ou compridas, excesso de curvas, válvulas de pé com crivo sujo e registros parcialmente fechados reduzem a pressão que chega ao rotor.
Na prática, a tubulação de sucção deve ser curta, reta e ter diâmetro igual ou maior que o bocal da bomba. O registro da sucção também deve permanecer totalmente aberto durante a operação.
O cálculo dessas perdas segue o método apresentado no post sobre altura manométrica e perda de carga.
Como identificar e corrigir a cavitação?
Os principais sinais de cavitação são ruídos semelhantes a pedras dentro da bomba, vibração excessiva, oscilação na pressão de descarga e queda de vazão.
Um vacuômetro na sucção ajuda a avaliar as condições de entrada do líquido, enquanto a análise de vibração auxilia na investigação de outras falhas.
Entre elas estão o desalinhamento, o desbalanceamento e o desgaste dos rolamentos, abordados no post sobre análise de vibração industrial.
Na desmontagem, a presença de pequenas cavidades nas pás do rotor, principalmente próximas à entrada, é um forte indício de cavitação.
A correção segue a ordem inversa das causas. Primeiro, reduza as perdas na sucção. Limpe o crivo, abra completamente o registro e aumente o diâmetro do tubo, se necessário.
Depois, baixe a bomba ou eleve o nível do reservatório para diminuir a altura de sucção. Por fim, reduza a vazão ao ponto previsto, pois uma bomba que trabalha à direita da curva exige mais NPSH.
Quando nenhuma dessas medidas é possível, a solução pode ser uma bomba com NPSH requerido menor para a mesma vazão. Essa escolha deve passar pela avaliação do fabricante e do responsável técnico.
Mini bomba centrífuga também cavita?
Sim. A mini bomba centrífuga segue os mesmos princípios físicos dos equipamentos de maior porte e também pode sofrer cavitação.
O risco aumenta quando a bomba aspira líquido de um reservatório abaixo do eixo, trabalha com mangueiras estreitas ou recircula fluidos quentes.
Em circuitos de resfriamento de máquinas, é comum instalar a bomba abaixo do reservatório, o que garante a sucção afogada.
Entretanto, nem todos os catálogos de mini bombas apresentam a curva de NPSH requerido.
Por isso, peça essa informação ao fornecedor quando a sucção não for afogada ou o líquido atingir temperaturas entre 40 °C e 50 °C ou superiores.
O artigo sobre como funciona a mini bomba centrífuga explica a construção e as características desses equipamentos.
Já o portal Brasil Bombas apresenta modelos de maior porte nas páginas sobre bomba centrífuga e bomba centrífuga horizontal.
Ao solicitar propostas, informe a altitude do local, o tipo de líquido, a temperatura máxima e a vazão desejada.
Acrescente a posição da bomba em relação ao reservatório, além do comprimento e do diâmetro da tubulação de sucção.
Com essas informações, compare fornecedores de mini bomba centrífuga no Soluções Industriais e solicite a curva de NPSH requerido junto da proposta.
Em aplicações com vazões maiores, a categoria de bombas centrífugas reúne equipamentos industriais de diferentes capacidades.
