Cavitação em Bombas de Incêndio: O que é e como evitar?

Um dos equipamentos mais importantes nos sistemas de controle e prevenção de incêndios são as bombas de incêndio. Os sistemas de pressurização podem operar de três formas: por gravidade, por bombas ou por tanque de pressão. Eles têm a função de fornecer energia para o transporte de água e ainda atingir o material em combustão a uma determinada distância, com vazão e pressão adequada à extinção do fogo.

Os sistemas operados por bombas são compostos por bomba principal ou bomba de incêndio, bomba de pressurização ou bomba jockey. A bomba de incêndio tem a finalidade de recalcar a água do reservatório para os equipamentos de combate. Deve possuir motor elétrico ou à explosão. Quando a bomba principal fornece água aos hidrantes mais desfavoráveis hidraulicamente, no caso de não poderem ser abastecidos pelo reservatório elevado, ela recebe o nome de bomba de reforço. A bomba de pressurização ou bomba jockey tem a função de manter o sistema pressurizado em uma faixa preestabelecida e de compensar pequenas perdas de pressão.

O que é cavitação?

A cavitação é um fenômeno físico que ocorre em bombas centrífugas no momento em que o fluido succionado por ela tem sua pressão reduzida, atingindo valores iguais ou inferiores à sua pressão de vapor. Com isto, formam-se bolhas que são conduzidas pelo deslocamento do fluido até o rotor, onde implodem ao atingirem novamente pressões elevadas.

A pressão de vapor de um líquido a uma determinada temperatura, é aquela na qual o líquido coexiste nas duas fases: líquida e vapor. Para uma dada temperatura, se a pressão à qual o líquido estiver submetido for maior que a pressão do vapor do líquido, haverá somente fase líquida. No caso contrário, se a pressão for menor, haverá somente fase vapor. Quando a pressão deste fluido for igual à pressão de vaporização, ocorrerão as fases líquida e de vapor. Veja no gráfico abaixo:

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A formação das bolhas ocorre se numa determinada zona de sucção a pressão estática do fluido se igualar à sua pressão de vaporização. Quando as bolhas são transportadas para uma zona de pressão mais elevada, elas colapsam e precipitam-se violentamente sobre as pás do impulsor da bomba com elevadas velocidades.

Quais são as consequências da cavitação?

Um dos sinais mais frequentes que se pode observar durante a ocorrência do fenômeno cavitação, está na presença de um ruído característico. Este ruído é causado devido às vibrações provocadas pelas forças aplicadas e também pelo material que vem sendo arrancado internamente. O barulho é semelhante à lenha seca quando está queimando ou ainda ao de uma betoneira quando realizada mistura de concreto.

Por meio de um exame de vibração no mancal da bomba, pode-se identificar sinais randômicos (sem origem ou definição exata) em regiões de baixa frequência (80 a 200 Hz) nos espectros de velocidade e em alta frequência nos espectros de aceleração. Por isto, deve-se dar a devida importância às manutenções, principalmente as preditivas e detectivas.

A cavitação também pode influenciar negativamente o rendimento da bomba. Quando as bolhas de vapor existem em número elevado, formam um agrupamento que irá obstruir parcialmente o canal do impulsor, afetando a altura manométrica gerada pela bomba e a sua eficiência. Conforme já mencionado, as bolhas estouram em altas velocidades nas regiões de pressão elevada, como nos rotores das bombas. Nestes componentes observa-se erosão do material constituinte. Importante que este fenômeno não deve ser confundido com a corrosão, já que este é um fenômeno químico.

Como evitar a cavitação?

Para evitar a ocorrência da cavitação, a principal ação a ser tomada está em proporcionar ao sistema o chamado NPSH – Net Positive Suction Head adequado. Apesar de não existir tradução literal para o Português, seria definir o “Valor Positivo da Carga de Sucção”. O NPSH é a diferença entre a pressão à entrada do impulsor e a pressão de vaporização do fluido. Neste caso, é garantir uma determinada margem de segurança entre a pressão registrada à entrada do impulsor e a pressão de vaporização do fluido.

É de vital importância para fabricantes e usuários de bombas o conhecimento do comportamento desta variável, para que a bomba tenha um desempenho satisfatório, principalmente em sistemas nos quais o equipamento opere no início da faixa com baixa pressão e alta vazão e exista altura negativa de sucção. Quanto maior for a vazão da bomba e a altura de sucção negativa, maior será a possibilidade de a bomba “cavitar” em função do NPSH.

Sendo assim, precisamos definir primeiramente, qual o NPSH disponível (NPSH_d) e o NPSH requerido (NPSH_r) que é dado pelo fabricante da bomba. O NPSH_d é calculado conforme as características da instalação. Após encontrar o valor do NPSH_d, ele deve ser comparado ao NPSH_r. Este valor é encontrado utilizando as curvas características da bomba, por meio de gráfico fornecido pelo fabricante. No gráfico abaixo, devemos ter em mãos a vazão necessária e qual a altura cujo o fluido será bombeado. Após isto, levaremos esta intersecção até o NPSH_r do gráfico. Este deverá ser menor que o NPSH_d.

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Alguns fabricantes sempre sugerem que se use uma margem de segurança para estes casos, de forma que os valores não estejam muito aproximados, conforme cada tipo de projeto. Além disto, outros fatores devem ser evitados como o aumento da vazão, aumento do nível de captação e o aumento da temperatura da água.

Caso o problema já esteja ocorrendo, outras medidas podem ser tomadas como a aproximação da bomba do local de captação, reduzindo, assim, a altura de sucção e o comprimento desta tubulação. Pode-se ainda aumentar o diâmetro das tubulações reduzindo perda de carga na sucção e o mais adequado, refazer todo o cálculo de dimensionamento, prevendo inclusive a mudança de modelo do equipamento.

Importante mencionar que a NFPA 20 – Standard for the Installation of Stationary Pumps for Fire Protection, para bombas com capacidade nominal de 2.000 gpm (7,570 L/min) ou superior é necessário submersão adicional para impedir a formação de vórtices e para fornecer o NPSH requerido, a fim de evitar a excessiva cavitação. Ela também recomenda que a interligação da tubulação de entrada da bomba não deverá ser lateral, a fim de evitar a ocorrência do problema.

Conclusões importantes

Os critérios escolhidos para o projeto da bomba devem ser minimamente analisados, a fim de evitar a ocorrência da cavitação. A definição dos pontos de captação (tanques aéreos, subterrâneos, uso de mananciais) devem ser escolhidos com critério, respeitando as reservas mínimas de combate a incêndio definidas pelos Códigos de Segurança Contra Incêndio e Pânico (COSCIP), pelas normas específicas sobre o assunto, como também pelas recomendações dos fabricantes dos equipamentos.

Em alguns projetos, principalmente os industriais que requerem altas vazões de água para o combate a incêndios, a possibilidade de ocorrência de cavitação torna-se maior. A falha no sistema pode comprometer seu funcionamento, podendo colaborar para o insucesso nas operações de mitigação de sinistros. Por isto, realizar adequadamente as manutenções, respeitando os prazos estabelecidos para inspeção, teste e demais intervenções devem ser religiosamente respeitados, mantendo a confiabilidade do sistema.

Para os projetos já executados nos quais os problemas passaram a surgir, a organização deverá prever sua modificação, atentando inclusive para a modificação na localização e especificação de equipamentos. Em alguns casos, os projetos deverão ser revistos visando sanar as lacunas referentes ao surgimento do fenômeno cavitação.

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