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Sistemas Hidro-Pneumáticos
II - Bombas
1. Definição
• São máquinas geratrizes cuja finalidade é deslocar um líquido por escoamento.
• Recebem trabalho mecânico de uma máquina motriz e transformam-no em energia hidráulica acrescentando ao líquido energia cinética e de pressão.
• Transporta o fluido de uma posição de menor energia potencial para outra de maior energia potencial.
2. Classificação Geral
Bombas
Deslocamento Positivo
(Volumétricas)
Dinâmicas (de Fluxo)
DeslocamentoPositivo
Alternativas(Descarga
Intermitente)
Rotativas(Descarga Contínua)
Pistão Diafragma
Simples efeito
Duplo efeito
Rotor Simples Rotor Múltiplo
Palhetas deslizantes
Pistão rotativo
Elemento flexível
Parafuso
Engrenagem
Lóbulos
Pistões oscilatórios
Fusos
Dinâmicas
EspeciaisRotodinâmicas(Turbobombas)
Injetora
Ar comprimido(air-lift)
CarneiroHidráulico
Radiais(Centrífugas
Puras)
Diagonais(fluxo misto)
Axiais(propulsoras)
As bombas de diafragma funcionam como bombas de pistão. O movimento é alternativo e provocado por um elemento flexível de metal, borracha ou plástico. É adequada para fluídos tóxicos e corrosivos pois se elimina o contato do líquido com os selos mecânicos.
Bombas de diafragmaBombas de diafragma
Exemplos de bombas rotativas
• Carneiro hidráulico utiliza o princípio do golpe de aríete (apenas a força da água transformando energia cinética em potencial) para bombear água. Usado para abastecer pequenas caixas e cisternas em sítios, fazendas e chácaras.
Modelos industrializados Modelo que pode ser construído em casa com garrafa pet
Aplicação dosadores de substancias químicas que não podem entrar em contato com metais ou lubrificantes usados nas bombas, como: líquidos biológicos (sangue), polpas, soluções alcalinas, líquidos corrosivos.
3. Classificação das Turbobombas
Segundo a trajetória do líquido no rotor
Bomba centrífuga pura ou radial
Bomba de fluxo misto ou diagonal
Bomba axial ou propulsora
Bomba hélico-centrífuga
Bomba helicoidal
4. Princípio de Funcionamento das Turbobombas
a) Bomba centrífuga pura ou radial
- descarrega o fluido na periferia radialmente
- Para: ↑H e ↓Q
b) Bomba diagonal hélico-centrífuga
- descarrega o fluido, devido ao formato das pás, a 90º do eixo de rotação
c) Bomba diagonal helicoidal- com pás em dupla curvatura, faz o fluido percorrer trajetória em hélice cônica e descarrega-o em direção inclinada ao eixo.
d) Bomba axial ou propulsora- em trajetória de hélice cilíndrica, o fluido é descarregado na periferia axialmente- As hélices dão o escoamento axial e não a força centrífuga como nas demais- Chamadas bombas verticais de coluna, são adequadas para: ↑Q e ↓H
5. Componentes de uma Turbobombaa) Rotor ou Impelidor transmite aceleração ao
fluido. Pode ser:• Fechado: Para líquidos que não contém
substâncias em suspensão. Disco e coroa circular fixam-se às pás.
• Semi-aberto: Incorpora uma parede no rotor para prevenir que matéria estranha se aloje no rotor e interfira na operação.
• Aberto: Palhetas montadas sobre o eixo. Vantagem: líquidos com sólidos em suspensão. Desvantagem: sofre maior desgaste.
Tipos de rotores:
Conforme o número de rotores:
• Bombas de simples estágio com 1 só rotor p/ aplicações mais simples
• Bombas de múltiplos estágios
- com 2 ou mais rotores
- altura total de recalque = Hparciais
- p/ instalações de alta pressão: caldeiras com p > 250 kgf/cm2, poços profundos de água, pressurização de poços de petróleo.
Bomba de múltiplo estágio
b) Difusor ou carcaça ou recuperador
- faz a contenção do fluido bombeado
- transforma: Ecinética (v2/2g) → Epressão (P/ץ)
→ Teorema de Bernoulli
Sucção
Voluta
Descarga
Rotor
Pás
Carcaça
O fluido entra no centro da carcaça devido ao vácuo e é acelerado pelas pás do rotor que gira a alta velocidade. Pela ação da força centrífuga, o fluido é descarregado na voluta ou no difusor, onde é desacelerado devido à expansão da seção de escoamento. A energia cinética é convertida em energia de pressão. Quanto maior é o número de palhetas menor é a perda por turbulência.
Tipos de Carcaça:- Em voluta ou voluta simples
- boa eficiência
- ↓custo
- simplicidade mecânica
- mais usual, principalmente em bbas simples estágio- Com pás difusoras
- mais eficiente que a em voluta (conversão +eficiente de Ecinética em Epressão
- mais usual em bbas multiestágio
- fluido sai de cada rotor e penetra no canal das pás difusoras fixas à carcaça.
c) Eixo e luva de eixo- Eixo:
- Transmitir torque na partida e operação
- Suportar rotor e outras partes rotativas
- Conforme posição do eixo: bbas horizontais e verticais
- Luva de eixo:
- proteger eixo de erosão, corrosão e desgaste
Bomba vertical (poço de petróleo)
d) Caixa de gaxetas- Uma das partes +importantes das bbas
centrífugas- De forma cilíndrica, acomoda várias
gaxetas- Ajuste ideal permite vazamento de 30-60
gotas/min p/ possibilitar lubrificação e arrefecimento das gaxetas
- Gaxetas são anéis (em geral de amianto grafitado) cuja função é proteger a bba contra vazamentos nos pontos onde o eixo passa através da carcaça
6. Vantagens e Desvantagens das Bombas Centrífugas
• Vantagens:a) Construção simplesb) Baixo custoc) Fluido é descarregado a uma pressão uniforme, sem pulsaçõesd) A linha de descarga pode ser estrangulada (parcialmente fechada) ou completamente fechada sem danificar a bombae) Permite bombear líquidos com sólidosf) Pode ser acoplada diretamente a motoresg) Não há válvulas envolvidas na operação de bombeamentoh) Menores custos de manutenção que outros tipos de bombasi) Operação silenciosa (depende da rotação)
• Desvantagens:
a) Não servem para altas pressões
b) Sujeitas à incorporação de ar precisam ser escorvadas
c) A máxima eficiência da bomba ocorre dentro de um curto intervalo de condições
d) Não bombeia eficientemente líquidos muito viscosos
7. Escorva de uma bomba• Consiste no prévio enchimento da bomba ou
da linha de aspiração com o líquido a bombear.• Em geral a bomba centrífuga deve ser
escorvada antes de funcionar (a linha de sucção deve estar cheia de líquido). Quando a bomba tem ar, a pressão desenvolvida é muito pequena devido à baixa densidade do ar.
• Bomba “afogada” qdo o nível de água no reservatório inferior é suficiente p/ manter a bomba “escorvada”. Válvula de pé dispensável e mantém só o crivo.
Bomba auto-escorvante
Dois tipos de escorva:
a) Bomba “afogada”
b) Com válvula de pé
8. Partida e parada de bombas• Na partida atenção para bba escorvada ou não,
ligações elétricas, conexões, vazamentos.
• Na parada de uma bomba centrífuga, uma das sequências é:a) Abertura da válvula de recirculaçãob) Fechamento parcial da válvula de descarga, seguido do desligamento do motor e fechamento rápido da válvula de descargac) Fechamento do sistema de suprimento de água de refrigeraçãod) Fechamento do sistema de líquido de selageme) Fechamento da válvula de sucçãof) Parada da bomba de óleo
9. Princípio de Funcionamento das Bombas de Deslocamento Positivo
• Com uma ou mais câmara, o movimento de um órgão propulsor no seu interior comunica energia de pressão ao fluido, provocando seu escoamento.
• O fluido confinado sofre ↑P e desloca-se de uma posição estática p/ outra +elevada
• A pressão de saída é regulada através de válvulas de descarga unidirecionais.
10. Curvas Características das Bombas• Servem para descrever as características
operacionais de uma bomba. • Permitem relacionar:
- pressão descarga (Hm = altura manométrica) - capacidade, Q. - eficiência, η - potência, P
• Atenção: Curva Característica depende somente da forma, diâmetro e velocidade de rotação (rpm), e independe do fluido
• - ↑ Q ↑ Potência; - ↑ Q ↑ η até um ponto máximo, após o qual acontece o escorregamento do fluido; - ↑ Q ↓ Hm que se consegue bombear.
Exemplo: Característica das bombas KSB A500 e A1000
Bomba KSB Meganorm 100-200
• Altura Manométrica Total (Hm ou AMT):
Representa a pressão de trabalho da bomba, dada em m.c. líquido bombeado.
AMT = DG + PC
onde:
- DG = DGS + DGR altura estática de elevação
- PC = PCL + PCa perda de carga
e
- AMT = AMTS + AMTR
- se LR > 4000D PCa,S = PCL,R = 0
• Altura Manométrica com Instrumentos
Hm = p´ + p´´ + m
Onde:
p´ = leitura no manômetro
p´´ = leitura no vacuômetro
m = diferença de cotas entre os centros destes instrumentos
• Potência no bombeamento:
Representa o trabalho realizado pela bomba ao deslocar o líquido entre 2 pontos.
N = . Q . AMT [W = Watts]
Devido às perdas do motor e da bomba, tem-se:
N = . Q . AMT
ηB . ηMηB = rendimento da bomba
ηM = rendimento do motor
• Nos catálogos de fabricantes (se líquido é água):
N (cv) = 1000 . Q . AMT
75 . ηM
onde:
= 1000 kgf/m3 Q m3/s
1 cv = 75 kgf.m/s AMT m
• Variação das Curvas Características com a Rotação (n):
- Q2 / Q1 = n2 / n1
- H2 / H1 = (n2 / n1)2
- N2 / N1 = (n2 / n1)3
• Variação das Curvas Características com o diâmetro do rotor(d) para bombas geometricamente semelhantes, temos:
- Q2 / Q1 = (d2 / d1)3
- H2 / H1 = (d2 / d1)2
- N2 / N1 = (d2 / d1)5
• Variação das Curvas Características com o diâmetro do rotor(d) e o número de rotações para bombas geometricamente semelhantes, temos:
- Q2 / Q1 = (n2 / n1) . (d2 / d1)3
- H2 / H1 = (n2 / n1)2 . (d2 / d1)2
- N2 / N1 = (n2 / n1)3 .(d2 / d1)5
11. Instalação de Bombeamento Típica• Bomba• Motor• Válvula de Retenção
- seu rápido fechamento protege a instalação do refluxo de água (golpe de aríete) qdo paralisada a bomba
- mantém a coluna d´água durante a parada
- instaladas no início da tubulação de recalque
• Válvula de Gaveta- Passagem totalmente desimpedida qdo aberta- Bloqueio qdo fechada- Aplicável em ampla faixa de P e T- Permite fluxo nos 2 sentidos- Não indicada p/ operações frequentes de abertura
e fechamento (manuseio +lento)
Válvula de gaveta com um by-pass p/ equalizar as pressões e facilitar o movimento de abertura
• Válvula de Pé
- válvula de retenção geralmente com crivo
- instalada no início da tubulação sucção
- p/ impedir a escorva da bomba
Válvula de pé com crivo roscável
Crivo colocado antes da válvula, evita a entrada de sólidos e outros materiais que possam afetar o funcionamento da bomba.
• Válvula de alívio
- P/ instalações onde golpe de aríete é elevado, protege de surtos de sobrepressão
- fixadas na tubulação após a válvula retenção
- devido à sobrepressão, a válvula se abre e descarrega água p/ reservatório inferior
• Manômetro instrumento que mede a pressão relativa na tubulação de recalque
• Vacuômetro instrumento que mede a pressão relativa na tubulação de aspiração
•
12. Cavitação
• Com Pint-bba < Pv-líq gera bolhas no líquido
• O líquido com bolhas succionado atinge zonas de ↑P na saída ocorre o colapso das bolhas
• Definição: é a evaporação de fluido a ↓P na linha de sucção
• Causas:
- diminuição da Psucção
- operação a velocidades muito altas
- NPSH insuficiente
• Consequências da cavitação:
- ↓ vida útil do equipamento
- gera vibração mecânica e ruído
- ↓η• Indicação de quando ocorre:
- ruído (similar ao crepitar de lenha seca ou martelamento com frequência elevada)
- desgaste do rotor (análise visual)
Cavitação de uma bomba de deslocamento positivo
13. NPSHd e NPSHr
• NPSH Net Positive Suction Head ou APSL Altura Positiva Líquida de Sucção (ou Altura de Sucção Absoluta)
• P/ garantir boas condições de aspiração do sistema precisa saber NPSH p/ saber se haverá cavitação
• NPSHd - é a disponibilidade de energia do líquido ao entrar na bomba - é característica do sistema depende de DGs, local de instalação, Tbombeamento, , PC (Ø, L, válvulas)
- NPSHd = Patm – Pv – DGs - PCs
• NPSHr
- é a energia do líquido p/ ir da entrada da bba, vencendo PC, até a pá do rotor, onde começa a receber energia de velocidade
- é característica da bomba, fornecido pelo fabricante e obtido através de ensaios de laboratório
- unidade m. c. a
- NPSHr = σ . AMT
- σ = φ . nq4/3
σ coef. de cavitação
Φ fator de cavitação, que é igual a:
* 0,0011 p/ bbas radiais
* 0,0013 p/ diagonais
* 0,00145 p/ axiais
• nq = n. Q1/2 . H-3/4
• Número característico de rotações por minuto ou rotação específica ou número específico de rotações é o número de rpm da bomba geometricamente semelhante à bomba considerada, capaz de elevar 1m3 de água por segundo à altura de 1m.
• De acordo com seu valor especificam-se as turbobombas (tamanho e formato do rotor), classificando-as em:– Lentas (nq < 25)– Normais (25 < nq < 36)– Rápidas (36 < nq < 60)– Extra-rápidas ou hélico-centrífugas (60 < nq < 120)– Helicoidais (120 < nq < 137) – Axiais (nq > 137)
• Para não haver cavitação a energia que o líquido dispõe na entrada da bomba deve ser maior que a energia que vai consumir no interior da bomba, ou seja
NPSHd > NPSHr
• Se NPSHd = NPSHr bomba está prestes a cavitar
• Na prática há folga de 10% a 15%, ou seja,
NPSHd ≥ 1,10 a 1,15.NPSHr
Pressão de vapor da água em função da temperaturaT (oC) Pv (m.c.a) T (oC) Pv (m.c.a)
0 0,062 25 0,323
2 0,072 30 0,433
4 0,083 40 0,752
6 0,095 50 1,258
8 0,109 60 2,031
10 0,125 80 4,827
15 0,174 100 10,332
20 0,238
• Exemplo: Calcular a máxima altura de aspiração de uma bomba, que deve elevar 80 l/s de água a uma altura manométrica de 20 m. Sabe-se que:– Pv = 0,231 kgf/cm2
= 983 kgf/m3
– Patm local = 0,98 kgf/cm2
– PCs = 1,3 m.c.a
– NPSHr = 1,65 m.c.a
14. Associação de Bombas
a) Em série
- p/ ↑H
- Hsérie = H1 + H2 (p/ mesma vazão)
- mais viável que usar bba muito grande e mais cara
b) Em paralelo
- p/ ↑Q
- Qparalelo = Q1 + Q2 (p/ mesma H)
- Se uma bba falhar, o sistema não pára (mas Q↓)
- flexibilidade do sistema (pára conforme Q hotel)
Bombas em Paralelo
