Cavitação

Cavitação – Definição

Cavitação é o termo usado para descrever a formação de bolhas no fluxo de líquido quando a pressão local cai para cerca da pressão de vapor.

De acordo com o significado de Cavitação “É um processo no qual a pressão estática do líquido cai abaixo de sua pressão de vapor, resultando na criação de pequenas cavidades cheias de vapor no líquido”.

Essas cavidades, conhecidas como “bolhas” ou “vazios”, colapsam sob pressão mais alta e podem produzir ondas de choque que podem danificar o maquinário.

Essas ondas de choque são poderosas quando estão perto da bolha implodida, mas enfraquecem rapidamente à medida que se afastam dela.

Cavitação – O que é

A cavitação ocorre em líquidos quando bolhas se formam e implodem em sistemas de bombas ou em torno de hélices. As bombas colocam o líquido sob pressão, mas se a pressão da substância cair ou sua temperatura aumentar, ela começa a vaporizar, como a água fervente. Em um sistema pequeno e sensível, no entanto, as bolhas não conseguem escapar e implodem, causando danos físicos às peças da bomba ou da hélice.

Uma combinação de restrições de temperatura e pressão resultará em cavitação em qualquer sistema. Nenhum fabricante ou técnico industrial deseja operar bombas que continuam sendo afetadas por esse problema, pois isso danificará permanentemente as câmaras do dispositivo.

A vaporização na verdade causa um ruído alto e rochoso porque as bolhas estão implodindo e fazendo o líquido se mover mais rápido que a velocidade do som.

Dentro de cada bomba, há uma hélice que puxa o líquido de um lado da câmara para o outro. O líquido normalmente sai por uma válvula para que possa fazer outro trabalho em uma parte diferente da máquina.

Às vezes, esse dispositivo é chamado de impulsor. Embora a câmara total permaneça sob a mesma pressão e os materiais sejam regulados por temperatura, a cavitação consegue ocorrer bem próximo à superfície da hélice.

Uma hélice gira através de um líquido e na verdade cria diferenças localizadas de pressão ao longo das pás. Isso pode até ocorrer debaixo d’água em um submarino ou na hélice de um navio. Bolhas aparecem em áreas de baixa pressão, mas imediatamente querem implodir com tanta força que fazem mossas e buracos no metal. Uma hélice exposta a essas bolhas se assemelha à superfície da lua, com minúsculas crateras espalhadas.

Existem dois tipos de fenômenos que podem ocorrer nas diferentes etapas do bombeamento, mas ambos são resultados do mesmo fenômeno.

A sucção ou cavitação clássica ocorre ao redor do impulsor enquanto ele puxa o líquido pela câmara. O movimento da hélice cria as mudanças de pressão necessárias para a vaporização.

Cavitação de descarga ou recirculação é o resultado da mudança de pressão no ponto de saída, a válvula de descarga. A válvula não é capaz de deixar todo o líquido passar tão rápido quanto deveria, então as diferentes velocidades das correntes criam pequenas mudanças na pressão uniforme. Mesmo essas pequenas variações são suficientes para criar as circunstâncias ideais para esse problema.

Cavitação – Física

Cavitação

Na Física existem duas cavitações: cavitação inercial e cavitação não inercial.

De acordo com o significado de Cavitação causado devido à inércia, “O fenômeno de um vazio ou bolha em um líquido rapidamente colapsando e criando uma onda de choque é conhecido como cavitação inercial”.

A cavitação inercial ocorre quando o diâmetro da bolha se expande para pelo menos duas vezes o seu diâmetro original durante um único período de pressão acústica. A bolha então explode violentamente devido à inércia do fluido, fragmentando-se potencialmente em várias bolhas menores.

A deposição local de energia, como um intenso pulso de laser centrado ou uma descarga elétrica através de uma faísca, é outra forma de gerar vazios de cavitação inercial.

Os gases de vapor do meio circundante evaporam na cavidade, resultando em uma bolha de vapor de baixa pressão em vez de um vácuo.

Se as condições que causaram a formação da bolha não existirem mais, como quando a bolha viaja a jusante, o líquido circundante começa a implodir devido à sua pressão mais alta, acumulando inércia à medida que se move para dentro.

À medida que a bolha finalmente estoura, a inércia do líquido circundante faz com que a pressão e a temperatura do vapor subam drasticamente.

A bolha colapsa gradualmente para uma fração de seu tamanho original, ponto em que o gás dentro se dissipa no líquido circundante, liberando uma grande quantidade de energia na forma de uma onda de choque acústica e luz visível.

A temperatura do vapor dentro da bolha pode ser de vários milhares de kelvins e a pressão de várias centenas de atmosferas no ponto de colapso completo.

Na presença de um campo acústico, também pode ocorrer cavitação inercial. Devido a um campo acústico aplicado, bolhas de gás microscópicas comumente encontradas em líquidos seriam forçadas a oscilar.

Se a intensidade acústica for alta o suficiente, as bolhas podem aumentar de tamanho antes de colapsar rapidamente. Como resultado, mesmo que a rarefação no líquido seja inadequada para a formação de um vazio do tipo Rayleigh, ocorrerá cavitação inercial.

Para o tratamento de superfícies, líquidos e pastas, o ultrassom de alta potência geralmente depende da cavitação inercial de bolhas de vácuo microscópicas.

O mecanismo físico que causa a formação da cavitação é próximo ao da ebulição. Os caminhos termodinâmicos que precedem a criação do vapor são a diferença mais significativa entre os dois.

A ebulição ocorre quando a temperatura local do líquido se aproxima da saturação e calor adicional é aplicado para permitir que o líquido mude de fase o suficiente para um gás.

A cavitação começa quando a pressão local cai o suficiente abaixo da pressão de vapor saturado, que é determinada pela resistência à tração do líquido a uma determinada temperatura.

A cavitação não inercial ocorre quando pequenas bolhas em um líquido são induzidas a oscilar na presença de um campo acústico quando a amplitude do campo acústico é inadequada para induzir o colapso completo da bolha. Essa forma de cavitação causa muito menos erosão do que a cavitação inercial e é frequentemente usada para limpar materiais frágeis como pastilhas de silício.

Cavitação – Mecânica dos Fluidos

Cavitação

A cavitação na mecânica dos fluidos é conhecida como cavitação hidrodinâmica.

O processo de vaporização, formação de bolhas e implosão de bolhas que ocorre em um líquido fluindo como resultado de uma diminuição e subseqüente aumento da pressão local é conhecido como cavitação hidrodinâmica.

A cavitação hidrodinâmica ocorre apenas quando a pressão local cai abaixo da pressão de vapor saturado do líquido e depois sobe acima dela.

Diz-se que o flashing aconteceu quando a pressão de recuperação não excede a pressão de vapor.

A cavitação hidrodinâmica geralmente ocorre em sistemas de tubulação como resultado de um aumento na energia cinética ou um aumento na elevação do tubo.

A passagem de um líquido através de um canal restrito a uma determinada velocidade de fluxo ou rotação mecânica de um objeto através de um líquido também pode causar cavitação hidrodinâmica.

A combinação de pressão e energia cinética criará a caverna de cavitação hidrodinâmica a jusante da constrição local, criando bolhas de cavitação de alta energia, no caso do canal constrito e com base na geometria particular ou especial do sistema.

À medida que um fluxo de cavitação hidrodinâmica progride, vários padrões de fluxo são detectados: início, fluxo desenvolvido, supercavitação e fluxo sufocado.

A primeira vez que a fase gasosa ocorre no sistema é chamada de iniciação. Este é o fluxo de cavitação mais fraco do sistema, que corresponde ao maior valor de cavitação.

O fluxo estabelecido é registrado conforme as cavidades no orifício ou nas estruturas venturi se expandem e se tornam maiores em tamanho.

A supercavitação é o fluxo de cavitação mais extremo, no qual toda a região do bocal de um orifício é potencialmente preenchida com bolhas de gás.

O menor número de cavitação em um sistema corresponde a este regime de fluxo.

O sistema não é mais capaz de passar mais fluxo após a supercavitação. Como resultado, a velocidade não muda à medida que a pressão a montante aumenta. Isso resultará em um número de cavitação mais alto, indicando que ocorreu um fluxo sufocado.

Por um breve período de tempo, o processo de geração de bolhas, seguido pelo crescimento e colapso das bolhas de cavitação, resulta em densidades de energia extremamente altas, bem como temperaturas e pressões locais extremamente altas na superfície das bolhas. Como resultado, o meio ambiente líquido total permanece em níveis ambientes.

A cavitação é prejudicial quando não é controlada, mas ao regular o fluxo da cavitação, a energia pode ser aproveitada e os danos evitados.

Como os radicais livres são formados à medida que os vapores presos nas bolhas cavitantes se dissociam, a cavitação controlada pode ser usada para aumentar as reações químicas ou propagar algumas reações inesperadas.

A cavitação é amplamente produzida usando orifícios e medidores de venturi. Por causa de suas partes convergentes e divergentes suaves, um medidor de venturi tem uma vantagem inerente sobre um orifício, pois pode produzir uma velocidade de fluxo mais alta na garganta para uma determinada queda de pressão através dela. Um orifício, por outro lado, tem a vantagem de poder acomodar um maior número de furos em uma determinada seção transversal do tubo.

Alguns processos industriais se beneficiarão da cavitação hidrodinâmica. Em instalações de moagem a seco, por exemplo, a pasta de milho cavitada produz maiores rendimentos na produção de etanol do que a pasta de milho não cavitada.

Como os radicais livres são produzidos no processo devido à dissociação de vapores presos nas bolhas cavitantes, isso é frequentemente usado na mineralização de compostos biorrefratários que, de outra forma, exigiriam condições de temperatura e pressão extremamente altas. Isso resulta na intensificação da reação química ou na propagação de certas reações que, de outra forma, seriam impossíveis de se propagar.

Cavitação – Vantagens ou Aplicações

Cavitação

A cavitação é freqüentemente usada na fabricação para homogeneizar, ou misturar e quebrar, partículas suspensas em um composto líquido coloidal, como misturas de tinta ou leite.

Dispositivos de purificação de água por cavitação também foram desenvolvidos, permitindo que contaminantes e moléculas orgânicas sejam quebradas pelas condições extremas de cavitação.

Debaixo d’água, a cavitação atrai produtos químicos hidrofóbicos, forçando-os a se unir devido ao diferencial de pressão entre as bolhas e a água líquida. É possível que esse efeito ajude no dobramento de proteínas.

Na litotripsia por ondas de choque, a cavitação desempenha um papel significativo na destruição de cálculos renais.

A cavitação é útil para o fracionamento não térmico e não invasivo de tecidos no tratamento de várias doenças e também pode ser usada para abrir a barreira hematoencefálica e melhorar a absorção de drogas no cérebro.

O ultrassom focalizado de alta intensidade (HIFU), uma ferramenta térmica não invasiva de tratamento de câncer, também usa cavitação.

O ultrassom é frequentemente usado para promover a formação óssea.

Acredita-se que o colapso da cavitação no líquido sinovial dentro da articulação cause o estalo dos nós dos dedos.

A cavitação tem força suficiente em aplicações de limpeza industrial para resistir às forças de adesão da partícula ao substrato, soltando os poluentes.

A pasteurização de ovos foi feita usando cavitação. Um rotor com orifícios cria bolhas de cavitação, que aquecem o líquido por dentro. A força da cavitação pode ser modificada, permitindo que o processo seja ajustado para danos mínimos às proteínas.

Cavitação – Desvantagens

A cavitação é um fenômeno desagradável em muitas situações. A cavitação causa muito ruído, danos aos componentes, vibrações e perda de eficiência em dispositivos como hélices e bombas.

A cavitação na superfície das pás das turbinas de corrente de maré tem sido uma fonte de preocupação na indústria de energia renovável.

Quando as bolhas de cavitação estouram, elas comprimem o líquido energético em tamanhos muito pequenos, resultando em pontos quentes e ondas de choque, todos perturbadores.

O ruído de cavitação é um problema específico para submarinos militares porque aumenta a probabilidade de ser detectado por sonar passivo.

Apesar do colapso de uma pequena cavidade ser uma ocorrência de baixa energia, colapsos altamente localizados podem corroer metais como o aço ao longo do tempo.

A corrosão causada pelo colapso das cavidades causa muito desgaste nos componentes e pode reduzir drasticamente a vida útil de uma hélice ou bomba.

Quando uma superfície é afetada pela primeira vez pela cavitação, ela parece corroer em um ritmo mais rápido.

Os poços de cavitação aumentam a turbulência do fluido e criam fendas que servem como locais de nucleação para mais bolhas de cavitação. As cavidades também aumentam a área de superfície dos componentes e deixam tensões residuais para trás. Isso aumenta a suscetibilidade da superfície à corrosão sob tensão.

Quando a água flui sobre o vertedouro de uma barragem, os defeitos na superfície criam pequenas áreas de separação de fluxo em um fluxo de alta velocidade, diminuindo a pressão nessas áreas.

Se as velocidades de fluxo forem altas o suficiente, a pressão pode cair abaixo da pressão de vapor local da água, resultando na formação de bolhas de vapor.

Quando essas bolhas são transportadas a jusante para um ambiente de alta pressão, elas colapsam, resultando em altas pressões e na possibilidade de danos por cavitação.

Devido à alta compressão e às paredes dos cilindros subdimensionadas, a cavitação ocorre em alguns motores a diesel maiores.

As vibrações da parede do cilindro fazem com que o refrigerante contra a parede do cilindro tenha pressões baixas e altas alternadas. A corrosão da parede do cilindro ocorre como resultado disso, permitindo que o fluido refrigerante vaze para dentro do cilindro e os gases de combustão vazem para o líquido refrigerante.

Fonte: www.infobloom.com/www.sciencedirect.com/www.vedantu.com/i.ytimg.com