A pulsação de pressão cria desafios significativos em várias aplicações industriais. Se não forem controladas, estas oscilações podem levar a vibrações excessivas, ruído, eficiência reduzida e até mesmo a uma falha catastrófica do equipamento.
Neste guia abrangente, vamos mergulhar fundo nas causas e consequências da pulsação de pressão na indústria de máquinas. Em seguida, exploraremos as soluções comprovadas e as melhores práticas para atenuar estes problemas, ajudando-o a otimizar os seus sistemas para um desempenho e fiabilidade máximos.
O que é a pulsação de pressão
A pulsação de pressão é uma flutuação periódica na pressão que ocorre em sistemas de fluidos, particularmente aqueles com bombas, compressores ou turbinas. Estas variações de pressão são sobrepostas à pressão de funcionamento constante do sistema e podem variar entre alguns milibares e vários bares em amplitude.
As pulsações de pressão são distintas das alterações de pressão em estado estacionário ou dos picos de pressão. As alterações de estado estacionário são variações relativamente lentas e graduais na pressão global do sistema. Os picos de pressão, por outro lado, são picos repentinos e de alta amplitude causados por eventos como o fecho de válvulas ou o arranque de bombas. Enquanto os picos são eventos transitórios, as pulsações são oscilações contínuas que persistem enquanto o mecanismo causador (por exemplo, uma bomba) estiver a funcionar.
Causas da pulsação de pressão
Bombas e compressores alternativos
Uma das causas mais comuns de pulsação de pressão é a utilização de bombas e compressores alternativos. Estes dispositivos funcionam deslocando o fluido através do movimento cíclico de pistões ou êmbolos. À medida que o pistão se move para a frente e para trás, cria fases alternadas de sucção e descarga, levando a flutuações inerentes no caudal e na pressão.
Bombas de deslocamento positivo
Bombas de deslocamento positivo, incluindo bombas de engrenagem, bombas de parafuso e bombas de palhetas, também podem contribuir para a pulsação de pressão. Estas bombas capturam e movem volumes discretos de fluido, o que pode resultar em ondulações de fluxo e variações de pressão, especialmente na descarga da bomba.
Disposição dos tubos
Alterações bruscas no diâmetro da tubagem, como expansões ou contracções, podem causar perturbações no fluxo e flutuações de pressão. Tubos longos e rectos podem permitir que as pulsações se propaguem e amplifiquem, enquanto que as curvas e os cotovelos podem refletir as ondas de pressão, levando a padrões de interferência. A localização e o espaçamento dos suportes e âncoras dos tubos também podem afetar a resposta do sistema à pulsação.
Recipientes sob pressão e tanques
Os recipientes sob pressão e os tanques do sistema podem interagir com o fluxo pulsante, amplificando ou atenuando as pulsações. Quando a frequência de pulsação coincide com a frequência natural do recipiente ou tanque, pode ocorrer ressonância, levando a vibração excessiva e danos potenciais.
Turbulência e derramamento de vórtices
À medida que o fluido passa por obstruções ou através de geometrias complexas, pode criar redemoinhos e vórtices localizados que se desprendem periodicamente. Estas instabilidades do escoamento geram forças flutuantes nas paredes da tubagem, conduzindo a pulsações de pressão.
Martelo de água (fecho rápido da válvula)
O fecho rápido de uma válvula ou o arranque/desligamento de uma bomba pode desencadear um fenómeno conhecido como golpe de aríete. Quando um fluido em movimento é subitamente forçado a parar ou a mudar de direção, cria uma onda de pressão que viaja através do sistema à velocidade do som. Este pico de pressão pode ser várias vezes superior à pressão normal de funcionamento, podendo causar danos graves em tubagens, válvulas e outros componentes.
Alterações na direção/velocidade do fluxo
Qualquer mudança abrupta na direção ou velocidade do fluxo pode gerar pulsações de pressão. Isso pode ocorrer em curvas de tubulação, tês ou redutores onde o fluido é forçado a alterar seu curso ou velocidade. Os distúrbios de fluxo resultantes criam flutuações de pressão localizadas que podem se propagar pelo sistema.
Ressonância
A ressonância ocorre quando a frequência das pulsações de pressão coincide com a frequência natural do sistema de tubagem ou dos seus componentes. Em condições de ressonância, as pulsações podem ser amplificadas significativamente, levando a vibração excessiva, ruído e potenciais danos estruturais. O risco de ressonância é maior em sistemas com tubagens longas e sem suporte, baixo amortecimento ou uma coincidência entre a frequência de excitação e as frequências naturais acústicas ou estruturais.
Propriedades dos fluidos
As propriedades do fluido que está a ser transportado também podem influenciar o comportamento da pulsação de pressão. As principais caraterísticas do fluido incluem:
- Densidade: Os fluidos de maior densidade têm maior inércia, o que pode resultar em flutuações de pressão mais pronunciadas quando sujeitos a perturbações do fluxo.
- Viscosidade: Os fluidos de alta viscosidade tendem a amortecer as pulsações de pressão devido à sua maior resistência ao fluxo e à sua capacidade de dissipar energia.
- Compressibilidade: Os fluidos compressíveis, como os gases, são mais susceptíveis a pulsações de pressão do que os líquidos incompressíveis. A compressibilidade permite que as ondas de pressão se propaguem mais facilmente e pode levar a maiores amplitudes de pulsação.
Consequências de uma pulsação de pressão não controlada
Vibração
A vibração excessiva é um dos resultados mais comuns da pulsação de pressão não controlada. As ondas de pressão flutuantes podem induzir vibrações mecânicas em tubos, válvulas e outros componentes. Estas vibrações não só contribuem para aumentar o desgaste do equipamento, como também representam riscos para a integridade estrutural do sistema.
Ruído
A pulsação de pressão manifesta-se frequentemente como ruído audível, particularmente em sistemas com velocidades de caudal elevadas ou mudanças rápidas de pressão. A turbulência e a cavitação geradas pelo caudal pulsante podem criar uma gama de frequências de ruído, desde os roncos baixos até aos assobios agudos.
Perda de eficiência
A energia associada ao caudal pulsante é essencialmente desperdiçada, uma vez que não contribui para a transferência de fluido desejada. Esta perda de energia manifesta-se como um aumento do consumo de energia por parte das bombas e compressores, levando a custos de funcionamento mais elevados. Além disso, a turbulência e as perturbações do caudal causadas pela pulsação podem reduzir a eficácia dos permutadores de calor, filtros e outros equipamentos de processo, comprometendo ainda mais a eficiência do sistema.
Danos no equipamento
Talvez a consequência mais grave da pulsação descontrolada da pressão seja o potencial de danos no equipamento. Os repetidos ciclos de tensão impostos pela pressão flutuante podem levar a um desgaste acelerado e à falha prematura de vários componentes:
- Vedantes, juntas e medidores: A carga cíclica pode fazer com que os vedantes e as juntas se degradem mais rapidamente, resultando em fugas e perda de integridade do sistema. Os manómetros e outros instrumentos também podem sofrer danos devido à pressão pulsante, levando a leituras imprecisas ou a uma falha completa.
- Erosão: Os padrões de fluxo turbulento associados à pulsação de pressão podem acelerar a erosão, particularmente em áreas com mudanças súbitas na direção ou velocidade do fluxo. Com o tempo, esta erosão pode afinar as paredes dos tubos, criar fugas e até levar a rupturas.
- Cavitação: Em casos graves de pulsação de pressão, as quedas de pressão localizadas podem causar a formação e o colapso de bolhas de vapor, conhecidas como cavitação. A implosão destas bolhas gera ondas de choque de alta intensidade que podem corroer e perfurar superfícies, causando danos significativos em impulsores, válvulas e outros componentes.
- Rutura de tubagem: Em cenários extremos, os efeitos combinados de vibração, erosão e fadiga induzidos por pulsações de pressão podem levar a rupturas na tubagem.
Soluções
Amortecedores de Pulsação
Os amortecedores de pulsação são dispositivos concebidos para reduzir as flutuações de pressão em sistemas de fluidos. Normalmente, consistem numa bexiga ou diafragma carregado de gás dentro de um recipiente sob pressão. À medida que a pressão do fluido aumenta, o gás comprime-se, absorvendo o pico de pressão. Quando a pressão cai, o gás expande-se, mantendo uma pressão a jusante mais constante.
Os amortecedores de pulsação são instalados perto da fonte de pulsação, como a descarga de uma bomba ou perto de uma válvula, para minimizar a transmissão de pulsações através do sistema.
Supressores de picos de tensão
Os supressores de picos de pressão, também conhecidos como para-choques ou pára-golpes de aríete, são concebidos para absorver picos de pressão súbitos associados a eventos de golpe de aríete. Durante um fecho rápido da válvula, o supressor permite um fluxo limitado de fluido para uma câmara de expansão, amortecendo o pico de pressão.
Os supressores de picos de tensão são normalmente instalados nos pontos finais da tubagem e perto de válvulas de fecho rápido.
Impulsores de palhetas escalonadas
Para bombas centrífugas, a utilização de impulsores com palhetas escalonadas pode ajudar a reduzir as pulsações de pressão. Num impulsor convencional, as palhetas estão uniformemente espaçadas, causando impulsos de pressão quando cada palheta passa pela lingueta da voluta. Ao escalonar as palhetas em intervalos irregulares, os pulsos de pressão são distribuídos de forma mais uniforme, reduzindo a amplitude geral da pulsação.
Os impulsores de palhetas escalonadas são mais eficazes na redução das pulsações na frequência de passagem das pás da bomba. Não eliminam totalmente as pulsações, mas podem reduzir significativamente os problemas de vibração e ruído.
Conceção da bomba
As bombas sobredimensionadas que operam longe do seu ponto de melhor eficiência (BEP) são mais propensas a instabilidades de fluxo e pulsações. A seleção de uma bomba que funcione perto do seu BEP com o caudal pretendido pode ajudar a reduzir as pulsações.
Para bombas de deslocamento positivo, o uso de várias bombas menores em paralelo, em vez de uma única bomba grande, pode ajudar a reduzir a amplitude da pulsação. As bombas triplex tendem a ter uma pulsação mais baixa do que os modelos simplex ou duplex devido a um fluxo mais suave.
Abordagens alternativas
Em alguns casos, a pulsação pode ser atenuada através de simples alterações no sistema de tubagem:
- Placas de orifício: A instalação de uma placa de orifício a jusante da fonte de pulsação introduz uma queda de pressão que pode ajudar a dissipar a energia de pulsação.
- Mangueiras flexíveis e juntas de dilatação: A utilização de ligações flexíveis perto da fonte de pulsação pode ajudar a isolar as vibrações do resto do sistema de tubagem. As juntas de expansão acomodam o movimento da tubagem e o crescimento térmico que, de outra forma, poderiam conduzir a tensões elevadas e falhas.
Ajustes operacionais
Para além das soluções de hardware, o ajuste do funcionamento do sistema pode ajudar a gerir as pulsações de pressão:
- Controlo da velocidade da bomba: O funcionamento das bombas a velocidades mais baixas reduz a frequência e a amplitude das pulsações. As unidades de frequência variável permitem que as bombas funcionem a velocidades reduzidas durante os períodos de baixa procura.
- Faseamento de várias bombas: Para instalações com várias bombas, o ajuste do ângulo de fase entre as bombas, de modo a que as suas pulsações não estejam sincronizadas, pode ajudar a minimizar a pulsação a jusante.
