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Características, aplicações e princípio de funcionamento das bombas centríguas
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BOMBAS
Salvador-BA
Dez/2011
ÍNDICE
1. Introdução.............................................................................................................. 04
2. Classificação das bombas……………….............................................................. 04
2.1 Classificação quanto ao deslocamento............................................................ 07
2.1.1 Bombas de Deslocamento Positivo ou Volumétricas.......................... 07
2.1.2 Bombas de Deslocamento Não-Positivo ou Dinâmicas....................... 10
2.1.2.1 Bombas centrífugas..................................................................... 10
2.1.2.2 Vantagens e Desvantagens das Bombas Centrífugas.................... 16
3. Componentes de uma Bomba Centrífuga............................................................. 17
3.1 Mancais........................................................................................................... 17
3.2 Anel de Desgaste ………………………................................................ 17
3.3 Luva protetora de eixo.............................................................................. 18
3.4 Anel Cadeado............................................................................................ 18
4. Selagem da Bomba............. …………………................................................ 19
4.1 Selagem por gaxetas.................................................................................. 19
4.2 Selo Mecânico........................................................................................... 20
5. Funcionamento de uma Bomba Centrífuga.................................................... 23
5.1 Cavitação.................................................................................................. 23
5.2 Verificação pelo NPSH............................................................................ 24
6. Curvas Características.................................................................................... 27
7. Relações Fundamentais das bombas.............................................................. 30
8. Associação de Bombas.................................................................................. 32
8.1 Bombas Associadas em Série................................................................... 32
8.2 Bombas Associadas em Paralelo............................................................... 33
9. Performance da Bomba com líquidos viscosos.............................................. 35
10. Referências Bibliográficas............................................................................. 36
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1. Introdução Todos os processos industriais que sustentam nossa civilização incluem a
transferência de líquido a partir de um nível de pressão ou energia estática para
outro e, como resultado, as bombas se tornaram uma parte essencial de todos os
processos industriais. Assim, o presente trabalho tem como proposta a análise de
bombas, tipos, características de desempenho e acionamento, com ênfase nas
bombas centrífugas.
As bombas são máquinas geratrizes, que transformam energia mecânica em
energia hidráulica. As bombas hidráulicas realizam esse tipo de serviço acionadas
por motores elétricos, estacionários, cujo rotor converte a energia mecânica,
fornecendo-a ao fluido, a fim de recalcá-lo.
No mercado podemos encontrar uma grande variedade de bombas, devido à
grande variação de processos e os requisitos distintos de cada aplicação. Sendo
os tipos mais básicos relatados abaixo, embora existam muitas variações destes
tipos básicos.
2. Classificação das Bombas
Quanto à trajetória do fluido
a) Bombas centrífugas ou radiais : trabalham com pequenas vazões a
grandes alturas. Neste tipo, o líquido penetra no rotor axialmente, e a
pressão é comunicada pela força centrífuga e pela ação de “sustentação”
das pás.
Corte esquemático de uma bomba centrífuga típica
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b) Bombas axiais: trabalham com grandes vazões a pequenas alturas.
Normalmente só possuem um estágio. As trajetórias das partículas líquidas
começam paralelamente ao eixo e se transformam em hélices cilíndricas.
c) Bombas de fluxo misto: quando a direção do fluido bombeado é, em geral,
inclinada em relação ao eixo de rotação, caracterizadas por trabalhar com
médias vazões a médias alturas. Foram desenvolvidas para as aplicações
que requerem rotações específicas intermediárias (entre as das bombas
centrífugas e das de fluxo axial).
Quanto ao posicionamento do eixo
a) Bomba de eixo horizontal: mais utilizado
b) Bomba de eixo vertical (para espaços horizontais restritos e/ou sujeitos a
inundações e bombas submersas em geral).
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Quanto à posição do eixo da bomba em relação ao nível da água
a) Bomba de sucção positiva: quando o eixo da bomba situa-se acima do
nível do reservatório.
b) Bomba de sucção negativa (“afogada”): quando o eixo da bomba situa-
se abaixo do nível do reservatório
2.1 Quanto ao DeslocamentoAs bombas podem ser de :
Deslocamento positivo
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Deslocamento não-positivo
2.1.1 Bombas de Deslocamento Positivo
Bombas de Deslocamento Positivo ou Volumétricas: São bombas normalmente
utilizadas em circuitos hidráulicos que acionam atuadores lineares ou rotativos
(cilindros ou motores hidráulicos) para movimentação de carga.
Nessas bombas existe uma vedação mecânica separando a entrada da saída e
isso acaba impedindo ou dificultando o vazamento interno, que é a possibilidade
de recirculação interna do fluido.
As bombas de deslocamento positivo são divididas em dois tipos: alternativas e
rotativas e podem ser de deslocamento fixo (Q=cte) ou de deslocamento variável.
Ex.: Bombas alternativas (êmbolo, pistão, diafragma); Bombas Rotativas
(engrenagens, palhetas, pistões radiais, pistões axiais, rotores lobulares), sendo
as mais utilizadas.
Bombas alternativas
Nas bombas alternativas o líquido recebe a ação das forças de um pistão ou
êmbolo ou de um diafragma. No curso da aspiração , o movimento do êmbolo
tende a produzir o vácuo no interior da bomba, provocando o escoamento do
líquido. É a diferença de pressões que provoca a abertura de uma válvula de
aspiração e mantém fechada a de recalque. No curso de descarga, o êmbolo
exerce forças sobre o líquido, impelindo-o para o tubo de recalque, provocando a
abertura da válvula de recalque e mantendo fechada a de aspiração. Estas
bombas são auto-escorvantes e podem funcionar como bombas de ar, fazendo
vácuo se não houver líquido a aspirar. Dentre outras vantagens estão: sucção
mais fácil, mais adequadas para altas pressões e baixas vazões, para fluidos
muitos viscosos etc. Porém operam com baixa velocidade e precisam de mais
manutenção.
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Bomba de palhetas
A bomba de palhetas normalmente é constituída de uma carcaça que define o
estator e de um rotor excêntrico em relação à carcaça. No rotor existem ranhuras
onde se alojam as palhetas. Quando a bomba é acionada, as palhetas são
lançadas ao encontro do estator por ação de pressão de fluido e por forças
centrífugas formando câmaras crescentes na sucção e decrescentes no recalque.
Nesse tipo de bomba temos o aparecimento inconveniente de uma força radial
denominada desbalanceadora, pois do lado do recalque a pressão do sistema é
alta e na superfície oposta a pressão de sucção é baixa. Além disto, podem ser de
descarga constante (mais comuns) e de descarga variável ,e a vazão depende
das dimensões, da excentricidade e da rotação.
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Bombas rotativas de engrenagens
Essas bombas apresentam rodas dentadas, sendo uma motriz, acionada pelo
eixo, que impulsiona a outra, existindo folgas axial e radial vedadas pela própria
viscosidade do óleo. Ao entrar, o fluido consegue alcançar a seção de saída da
bomba e segue pelos vãos entre os dentes das engrenagens. O engrenamento
deveria impedir o retorno do fluido, no entanto, devido à pressão e à pequena
folga existente, há o retorno de uma quantidade mínima de fluido que recircula
pela bomba. Esse vazamento interno acaba sendo benéfico, pois lubrifica o
engrenamento, evitando o desgaste prematuro das peças. À medida que a
pressão vai aumentando, vai aumentando também a quantidade de fluido que
recircula, diminuindo a vazão efetiva fornecida pela bomba.
Esquema de uma bomba de engrenamento externo.
Características das Bombas Rotativas
- eficientes para fluidos viscosos
- fornecem vazões quase constantes
- operam em faixas moderadas de pressão
- capacidade pequena e média
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2.1.2 Bombas de Deslocamento Não-Positivo
Bombas de Deslocamento Não-Positivo ou Dinâmicas
São bombas normalmente utilizadas nas instalações hidráulicas para o
transporte de fluidos. Diante disso a importância da vazão aumenta e reduz a
pressão em relação às bombas de deslocamento positivo. Exemplos: centrífuga
radial, centrífuga helicoidal, centrífuga diagonal, axial.
2.1.2.1 Bombas Centrífugas
As primeiras bombas centrífugas foram desenvolvidas por volta de 1600. No
entanto, a utilização desta bombas só se tornou comum nos últimos 80 anos.
Antes disto, era mais comum o uso de bombas volumétricas.
Com o desenvolvimento de motores de combustão interna e elétricas de alta
velocidade, tornou-se possível a maior utilização de bombas centrífugas. Seu
rendimento também foi melhorado, sendo comum encontrarmos, hoje, bombas
centrífugas de grande capacidade com rendimento próximo a 90%.
A figura abaixo é um diagrama simplificado de uma bomba centrífuga típica que
mostra os locais da sucção da bomba, rotor, voluta e descarga. As bombas
centrífugas consistem basicamente de uma câmara fechada, carcaça, dentro da
qual gira uma peça, o rotor, que possui um conjunto de palhetas que impulsionam
o líquido através da voluta. O fluido entra nas vizinhanças do eixo do rotor e é
lançado para a periferia pela ação centrífuga. A carcaça é a parte da bomba onde,
no seu interior, ocorre a conversão de energia cinética em energia de pressão. A
voluta é tipo um funil encurvado, carcaças desse tipo proporcionam uma carga
mais alta, como aumenta a área no ponto de descarga, a voluta reduz a
velocidade do líquido e aumenta sua pressão. Um dos principais propósitos de
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uma carcaça em voluta é ajudar a equilibrar a pressão hidráulica no eixo da
bomba. O líquido é então descarregado a partir da bomba através da conexão de
descarga.
Bomba Centrífuga
Bombas centrífugas também podem ser construídas de uma forma que resulta
em duas volutas distintas. As bombas deste tipo são chamadas de bombas de
dupla voluta. Consiste em se colocar uma divisória dentro da própria voluta,
dividindo-a em dois condutos a partir de 180º do início da voluta externa. Em
algumas aplicações a dupla voluta minimiza forças radiais transmitidas ao eixo
devido a desequilíbrios na pressão ao redor do rotor. Bombas de simples e dupla
voluta são mostradas na figura abaixo.
Voluta simples e dupla
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Algumas bombas centrífugas contém difusores. Um difusor é um conjunto de
palhetas estacionárias que envolvem o impulsor. Essas pás conduzem o líquido
em canais com sessões gradativamente crescentes até chegar ao bocal de
descarga com energia cinética transformada em energia de pressão. Esse tipo de
carcaça tem a desvantagem de trabalhar com vazão permanente.
Bomba centrífuga difusora
As bombas centrífugas podem ter um rotor ou vários rotores. Quanto ao
número de rotores, as bombas podem ser de estágio único ou de múltiplos
estágios, esta é utilizada para médias e grandes alturas manométricas, reduz as
dimensões e melhora a eficiência. As bombas centrífugas de simples estágio por
conter apenas um rotor, o fornecimento de energia ao líquido é feito em um único
estágio (constituído por um rotor e um difusor). Apresentam como desvantagens
dimensões excessivas e correspondente custo elevado, e baixo rendimento.
Bomba centrífuga de simples estágio.
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Bomba centrífuga de multiestágios.
Podem ainda ser de simples sucção (utilizada em pequenas unidade) ou dupla
sucção (rotor gêmeo), este proporciona uma área de sucção maior, o que permite
trabalhar com uma menor altura positiva na sucção; rotor fechado, semi-aberto ou
aberto, eixo horizontal ou vertical. Os rotores fechado, aberto e semi-aberto são
utilizados em função da viscosidade ou do tipo do líquido. No rotor fechado as pás
são protegidas, há uma tampa dianteira e uma tampa traseira, é normalmente
usado para líquidos sem partículas em suspensão. Já o rotor aberto tem a
vantagem de trabalhar com líquidos com sólidos em suspensão, porém, sofre
maior desgaste. Enquanto que, no semi-aberto, uma parede no rotor preveni que
matéria estranha se aloje no rotor e prejudique a operação. O rotor fechado é o
melhor, pois as tampas dificultam a recirculação, que indo do bordo de saída das
pás em direção à entrada do rotor, aumenta com o desgaste das peças e
prejudica o rendimento volumétrico das bombas. As figuras abaixo ilustram
rotores de simples sucção e dupla sucção, e exemplos de rotores fechado, semi-
aberto e aberto.
Rotores Radiais de simples sucção e dupla sucção.
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Rotores fechado, semi-aberto e aberto.
Quanto ao formato das pás, existem 3 tipos, caracterizados pelo ângulo de saídas
das pás β2.
Formato das pás.
Quando β2<90 º são os rotores com pás voltadas para trás, β2=90 º são os rotores
com pás radiais e β2<90 º são os rotores com pás voltadas para frente.
Na maioria dos casos utiliza-se centrífuga com ângulo de saída da palheta β2<90 º
, dessa forma energizam o líquido mais sob forma de pressão que de velocidade,
apresentam um bom rendimento, porque as perdas por atrito são pequenas.
Ângulo de saída igual a 90º utiliza-se em poucos casos práticos, pois não são
ideias sob o ponto de vista de rendimento, apesar de serem fáceis de construir.
Quanto à trajetória do fluido, a bombas centrífugas podem ser classificadas em:
bombas centrífugas de fluxo axial, nelas toda energia cinética é transmitida à
massa líquida por forças puramente de arrasto. Embora conhecidas como
bombas centrífugas, no seu princípio de funcionamento não se verifica o efeito da
ação centrífuga. As de fluxo radial toda energia cinética é obtida através do
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desenvolvimento de forças puramente centrífugas e quanto as bombas
centrífugas de fluxo misto, parte da energia fornecida à massa líquida é de origem
centrífuga e parte devido à força de arrasto. O ângulo de saída, em relação à
entrada, é entre 90º e 180º.
2.1.2.2 Vantagens e Desvantagens das Bombas Centrífugas
Vantagens:
Ausência de válvulas
Construção simples
Baixo custo
Permite bombear líquidos com sólidos
Ausência de ponto morto
Operação silenciosa (depende da rotação)
Vazão uniforme
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Desvantagens:
Não servem para altas pressões
Necessidade de escorva
Aspiração difícil
A máxima eficiência da bomba ocorre dentro de um curto intervalo de
condições
3. Componentes da Bomba centrífuga
As bombas centrífugas variam em projeto e construção de bombas simples,
com poucas peças para as bombas com centenas de peças individuais. Alguns
dos mais comuns componentes encontrados em bombas centrífugas além dos já
citados como rotor e difusor, são: mancais, anéis de desgaste, caixa de selagem
(gaxetas ou selos mecânicos), luva protetora de eixo, anel cadeado ou anel de
lanterna etc.
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3.1 Mancais
Os mancais tem a função de suportar o peso do conjunto girante, forças radiais e
axiais que ocorrem durante a operação. Os mancais radiais suportam as forças
radiais, enquanto os mancais axiais suportam as forças axiais.
3.2 Anel de Desgaste ou de Vedação
Num rotor fechado, o fluido que entra na bomba passa pelos canais do rotor e é
lançado no caracol. No entanto, devido ao aumento da pressão na saída do rotor,
o fluido buscará outras opções de saída.
Aproveitando a folga existente entre o rotor e a carcaça, uma parte do fluido
acaba passando por fora do rotor, ou seja, entre a tampa dianteira do rotor e a
carcaça e, se não for impedido, acaba entrando novamente no rotor. Essa
recirculação é prejudicial, pois o rotor acaba fornecendo energia para uma vazão
um pouco maior que a vazão recalcada, prejudicando o rendimento volumétrico
da bomba. Assim, coloca-se um anel de desgaste que minimiza esta recirculação.
Vale ressaltar que os rotores semi-abertos e abertos não utilizam anéis de
desgaste, pois a recirculação é livre, entretanto, o rendimento da bomba diminui.
3.3 Luva Protetora de Eixo
A luva protetora de eixo tem como função proteger o eixo do desgaste que
representa a selagem por gaxetas, assim, depois de certo tempo, troca-se a luva
e não o eixo. Para que a luva fique solidária ao eixo ela é travada numa
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extremidade pela ponta da chaveta e para que não passe fluido por dentro é feita
a vedação através de um anel tipo “o-ring”.
3.4 Anel Cadeado
É um anel que possui furações que permitem que o fluido seja conduzido. O anel
é ligado a um canal na parte de pressão da bomba por onde o fluido passa e é
distribuído, tanto para lado da gaxeta quanto para o lado do rotor, mantendo
assim a lubrificação das gaxetas.
4. Selagem da Bomba
Para o bom funcionamento de uma bomba um componente fundamental é a
selagem, que pode ser feita de várias formas.
Quando uma bomba opera, o líquido pode vazar para fora da bomba ,o fluido
que passa pela folga entre a carcaça e o rotor, migrando para a parte traseira do
rotor, tentará escapar aproveitando a rotação do eixo que liga o rotor ao motor
elétrico. Para evitar a saída do fluido é feita a selagem da bomba. A selagem pode
ser feita tradicionalmente por gaxetas ou por selo mecânico.
4.1 Selagem por Gaxetas
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É o método mais antigo para controlar este tipo de vazamento. Caracteriza-se
por ser um elemento flexível, elástico e macio, com boa resistência mecânica. São
comercializadas em rolos, e devem ser posicionadas em um alojamento na
carcaça denominado caixa de gaxetas, que são prensadas pelo prensa-gaxeta. É
conveniente que a gaxeta seja de medida ligeiramente inferior à folga, pois ao
apertar o prensa-gaxetas, esta se ajustará perfeitamente.
As gaxetas asfixiam os fluidos. Maiores os apertos nas gaxetas, menores são
os vazamentos, mas sempre devem ser permitidos vazamentos visíveis, parar
que as gaxetas não se queimem e não gastem excessivamente os eixos, ou luvas
protetoras dos eixos.
As gaxetas podem trabalhar com todos os tipos de fluidos, tais como: água,
vapor, ácidos cáusticos, óleos, solventes, gases, gasolina etc, em amplas faixas
de pressões e temperaturas. Elas podem ser fabricadas de várias formas:
retorcidas (conjunto de fios retorcidos), capa sobre alma (capa trança sobre alma
de fios torcidos), entrelaçadas etc.
Gaxetas alojadas entre um eixo e um mancal e a sobreposta.
4.2 Selo mecânico
Uma método comum alternativo para vedação é a selagem mecânica. Os selos
mecânicos são dispositivos mecânicos de forma cilíndrica, de alta tecnologia que
elimina e previne vazamentos de fluidos sob pressão na caixa de selagem, de
bombas centrífugas, bombas hidráulicas. Consistem de duas partes básicas, um
elemento rotativo ligado ao eixo da bomba e um elemento estacionário ligado ao
corpo da bomba, geralmente chamadas de sede e anel de selagem. Cada um
destes elementos tem uma superfície de vedação altamente polido. As faces
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polidas dos elementos rotativos e fixos entram em contato para formar uma
vedação que impede o vazamento ao longo do eixo.
Quanto à posição em relação à caixa de selagem, o selo mecânico pode ser
interno ou externo. O selo mecânico interno é montado dentro da caixa de
selagem, ao passo que o externo é montado fora da mesma. Os selos mecânicos
internos são vantajosos porque a hidráulica mantém todos os seus componentes
em compressão e não em tensão, facilitando a lubrificação e aumentando a vida
útil. O selo mecânico externo é de fácil montagem, não há necessidade de abrir a
caixa de selagem para remover ou ajustar o selo, uma vez que o mesmo fica
completamente exposto à atmosfera, porém a hidráulica o mantém sob tensão,
dificultando a lubrificação.
Temos ainda os selos mecânicos balanceados e os não balanceados. Os
balanceados geralmente requerem degraus no eixo/luva, além de componentes
mais complicados. O selo mecânico balanceado permite um gradiente de pressão
hidráulica através das faces de contato, o que anula uma parte da carga facial.
Sua aplicação é recomendada quando a combinação fluido, velocidade,
temperatura e pressão acarreta numa lubrificação pobre. Por outro lado, se as
características térmicas permitem uma boa lubrificação entre as faces de contato,
é mais prático o uso de um selo mecânico não balanceado.
Os selos mecânicos são utilizados com vantagens em relação às gaxetas, entre
elas estão: não permitem vazamentos, podem trabalhar sob pressões e
temperaturas elevadas e grandes velocidades, manutenção mínima, além de
permitir a vedação de produtos tóxicos e inflamáveis. Porém seu custo de
instalação é relativamente alto.
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Selo mecânico
Comparação entre Gaxeta (convencional) e Selo Mecânico:
- a gaxeta restringe o vazamento, enquanto que o selo mecânico elimina o
vazamento;
- custo inicial – gaxetas: baixo, selo: alto;
- trocas estimadas – gaxetas: 3 meses, selos: 12 meses;
- água de selagem (média) – gaxetas: 0,3m³/h, selos (vaporização): 0,03m³/h;
- mão de obra especializada – gaxetas: não, selos: sim;
Conforme estudos realizados pela API (American Petrol Institute) em 1970,
comprovou-se definitivamente ser o selo mecânico muito mais vantajoso que a
gaxeta, sob todos os aspectos, como mostrado abaixo:
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5. Funcionamento da Bomba Centrífuga
A operação incorreta de bombas centrífugas pode resultar em danos à bomba e
perdas significativas no sistema o qual a bomba foi instalada.
Muitas bombas centrífugas são projetadas de forma a operar continuamente
por meses ou até anos. Estas bombas dependem do líquido bombeado
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( viscosidade, temperatura, densidade), da altura manométrica total e das
condições de sucção. Se o fluxo através da bomba é interrompido enquanto a
bomba ainda está em funcionamento, a bomba pode rapidamente danificar-se.
Portanto, é essencial o conhecimento desse fenômeno, principalmente suas
causas, efeitos e meios de previsão e controle.
5.1 Cavitação
O fenômeno da cavitação consiste na vaporização do fluido que acontece
quando a pressão de um escoamento diminui, por qualquer motivo, e alcança a
pressão de vapor, correspondente a sua temperatura. As bolhas provenientes da
vaporização quando são levadas para uma região de maior pressão colapsam
abruptamente, gerando inconvenientes como ruído e vibrações, alteração das
curvas características devido à diferença de volume específico entre o líquido e o
vapor, além da retirada de material da superfície onde ocorrem as implosões,
causando principalmente, dependendo da duração e intensidade, a erosão do
rotor. Se uma bomba opera sob condições de cavitação por um longo período de
tempo, o desgaste resultante pode assumir proporções tais que partículas de
metal soltam-se do seu rotor, conforme pode se observar na figura abaixo.
Rotor de bomba centrífuga danificado pela cavitação
Métodos para evitar a cavitação serão apresentados nos parágrafos seguintes.
A proteção contra a cavitação deve começar pelo projeto hidráulico do sistema
a fim de evitar, se possível, baixas pressões. Se isto não for possível, o emprego
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de materiais resistentes à cavitação ou de revestimentos especiais pode ser uma
medida eficaz. A resistência de materiais à corrosão por cavitação é determinada
em ensaios de laboratório, quando os corpos de prova, pesados inicialmente, são
colocados num difusor onde se medem a pressão e a velocidade da água.
Decorrido certo tempo, mede-se a perda de material por diferença na pesagem do
corpo de prova. Esta perda define a resistência ao desgaste por cavitação.
Pequenas quantidades de ar injetadas em sistemas hidráulicos tem reduzido
bastante os efeitos da cavitação e estudos recentes indicam que a proteção
catódica é útil.
5.2 Verificação pelo “NPSH”
Existe um método seguro para verificarmos se uma bomba cavitará ou não. Tal
método conta com a colaboração do fabricante, que, através do ensaio da bomba,
indica quanta energia o fluido deve ter na entrada e chegar ao rotor sem ter
cavitado no caminho. Para tanto, utiliza uma grandeza denominada “NPSH”. As
causas da cavitação estão ligadas ao mau dimensionamento da linha de sucção e
do NPSH requerido pelo sistema.
NPSH = “Net Positive Suction Head” = Valor positivo da carga de sucção.
Assim, temos:
- NPSHr => requerido pela bomba e fornecido pelo fabricante
- NPSHd => disponível da instalação e calculado pelo projetista
- Teoricamente, se NPSHd ≥ NPSHr, não haverá cavitação.
Apesar de que a igualdade entre os dois, definida teoricamente, não é
considerada como cavitação, na prática, para evitar erros, recomenda-se que
exista uma diferença de pelo menos 0,5 m. Assim, se NPSHd≥ NPSHr + 0,5 m, a
não cavitação é mais garantida.
O NPSH é a carga positiva, retirada a condição limite (pv/γ ) que o fluido tem na
seção de entrada de uma bomba, para enfrentar todas as dificuldades no caminho
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entre o flange da bomba e a entrada das pás, atingindo este local sem ter
cavitado. Se haverá cavitação ou não dependerá da exigência da bomba, pois o
NPSHr representa a mínima carga positiva necessária, retirando o mesmo limite
(pv/γ ¿, ou o “tamanho do prejuízo” (em “m”) que acontece no bocal. Assim, se o
valor do “saldo” é maior do que o do “débito”, o fluido passa com folga, mas caso
não seja maior, cavitará no meio do caminho.
O NPSHd é uma característica do sistema o qual a bomba opera, e da pressão
disponível do líquido no flange de sucção da bomba.
Representação gráfica do NPSHr
Potência
A energia hidráulica fornecida pela bomba é a potência da bomba transmitida pelo
líquido bombeado, função da altura manométrica total e do peso específico do
líquido bombeado num certo perpiodo de tempo.
24
P=Q .Hm.γ367
Onde,
Q = Vazão, em m³/h.
Hm = Altura manométrica, em metros.
P = Potência, em kW.
γ = Peso específico, em Kg/L.
Potência absorvida. Se o desempenho da bomba, incluindo as perdas de energia
for conhecido, a potência absorvida ou potência no eixo consumida pela bomba
em um ponto de operação pode ser encontrada através da seguinte fórmula:
Pab=Q .Hm.γ
367 .η , onde η é o rendimento, em %.
Nas bombas centrífugas, o rendimento varia com a vazão e com a altura de
elevação.
6. Curvas Características
Curvas de Desempenho
A vazão e a pressão necessária de qualquer instalação podem ser definidas
com o axulío da curva do sistema. Os fabricantes de bombas tentam adequar a
curva do sistema, fornecida pelo usuário, com a eficiência de uma bomba que
atenda estas necessidades mais próximas possível. Um sistema de
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bombeamento opera no ponto de intersecção da curva da bomba com a curva do
sistema. Tal ponto é denominado ponto de operação ou de trabalho da bomba.
Vários fatores podem alterar esse ponto operacional, como abrir ou fechar
parcialmente a válvula de descarga, variar a pressão nos reservatórios, alterar a
cota dos líquidos ou mudar o diâmetro das linhas.
Para uma bomba centrífuga executada a uma velocidade constante, a altura, a
potência absorvida, e, portanto, o rendimento, assim como o NPSHr , são funções
da vazão. Dessa forma essas curvas servem para descrever as características
operacionais de uma bomba, relacionando as variáveis citadas acima.
No catálogo de um fabricante, para cada bomba é fornecido um conjunto de
curvas características. Entretanto, a característica principal é a variação da carga
em relação à vazão.
Representação gráfica de uma curva característica da bomba
De acordo com o traçado H x Q as curvas características podem ser classificadas
em:
Flat – altura manométrica mantém-se constante para uma grande faixa da vazão;
Steep – curva íngreme, head reduz-se bruscamente com o aumento da vazão;
Rising – decaimento constante, head reduz-se continuamente com o aumento da
vazão;
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Tipos de curvas característica.
Abaixo a figura mostra as curvas do sistema e da bomba.
Em relação à curva da instalação, para a vazão nula (Q=0), temos a mínima
carga necessária representada pela altura estática de elevação. À medida que a
vazão aumenta, aumenta a necessidade de carga. Enquanto que, na curva da
bomba. À medida que dificultamos o caminho do fluido, seja com o fechamento
parcial de uma válvula, ou com uma tubulação muito extensa, ou ainda com várias
singularidades, a quantidade de fluido que consegue passar pela instalação
diminui (Q diminui), sendo necessária uma maior força de pressão para empurrá-
lo (HB aumenta) a fim de vencer os obstáculos. Se dificultarmos ao máximo este
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caminho fechando totalmente uma válvula, por exemplo, a pressão vai aumentar,
a bomba fará o máximo esforço para empurrar o fluido e não conseguirá,
atingindo então o ponto de pressão máxima, que é o ponto de “shut-off” e o fluido
ficará recirculando dentro da bomba graças ao vazamento interno.
7. Relações Fundamentais das bombas centrífugas
Leis de Semelhança
O traçado das curvas características depende do raio do rotor (impulsor) e da
velocidade de rotação deste. A alteração destes dois parâmetros provoca
alterações nas curvas características. Na prática, existem muitas bombas
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centrífugas com velocidade de rotação variável, elas possuem um mecanismo do
tipo, variador de frequências, que permite alterar a velocidade de rotação do seu
impulsor. Este procedimento é muito comum, pois é necessário, em muitos casos,
encontrar a vazão desejada ou os parâmetros de dimensionamento adequados.
Abaixo algumas relações com o diâmetro constante:
A vazão é diretamente proporcional à variação de velocidade.
Q2=Q1 .( n2
n1)
A altura manométrica é proporcional ao quadrado da mudança de velocidade.
H 2=H 1 .( n2
n1)
2
Efeito da variação do diâmetro do rotor com velocidade de rotação do rotor
constante:
Vazão Q2
Q1
=D2
D1
Carga Hidrostática H2
H1
=(D2
D1)
2
Potência P2
P1
=( D2
D1)
2
Controle da vazão pela rotação da bomba
As modificações da curva da bomba são obtidas de dois modos mais usuais:
29
1. Variar a rotação da bomba (rpm);
2. Variar o diâmetro do rotor da bomba;
Na medida em que a rotação da bomba varia surge um conjunto de curvas
paralelas, que representam a operação da bomba para a velocidade resultante
daquela rotação. Isto em nada afeta a curva do sistema.
Redução da velocidade da bomba
Potência consumida pela bomba varia com o cubo da rotação:
PP1
=( NN1 )3
A potência consumida pela bomba varia com o cubo da rotação, afetando o
motor que aciona a bomba em seu rendimento. Quanto menor a rotação menor a
potência no eixo da bomba e menor a potência de saída do motor.
8. Associação de Bombas em série e paralelo
Em uma instalação elevatória que deva operar com uma ampla gama de
variações de descarga e de pressão, pode vir a ser vantajoso instalar várias
bombas idênticas na elevatória. Estas bombas poderão ser instaladas em série ou
em paralelo. Entre as razões para a associação de bombas podemos citar razões
técnicas: quando um desnível elevado acarretar em um rotor de grande diâmetro
e alta rotação, e com isso altas acelerações centrífugas e dificuldades na
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especificação de materiais. Razões econômicas: quando o custo de duas bombas
menores é inferior ao de uma bomba de maiores dimensões para fazer o mesmo
serviço.
8.1 Bombas Associadas em Série
A associação de bombas em série é utilizada quando desejamos uma carga
manométrica elevada e desproporcional em relação à vazão. Devemos, nesse
caso, verificar se a carcaça da última bomba é suficientemente resistente para
suportar a pressão desenvolvida pela associação.
Quando associamos duas ou mais bombas em série, para uma mesma vazão,
a carga manométrica será a soma da carga manométrica fornecida por cada
bomba.
Associação de duas bombas iguais associadas em série:
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Duas bombas diferentes associadas em série:
8.2 Bombas Associadas em Paralelo
A associação de bombas em paralelo é empregada quando a vazão desejada é
muito grande e desproporcional em relação à carga, ou, em alguns casos, onde a
vazão necessária para a instalação varia muito.
No caso de vazão elevada, a utilização de bombas em paralelo dá segurança ao
sistema, pois mesmo que surja um problema com uma das bombas, a instalação
pode operar com as outras e não há o corte do fornecimento. No caso da
instalação operar com várias vazões, a simples retirada de uma ou mais bombas
do sistema dá flexibilidade ao mesmo, garantindo uma boa performance das
bombas utilizadas. Se tivermos somente uma bomba operando numa instalação,
a vazão também pode ser alterada, contudo, há prejuízo no rendimento, pois ela
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não consegue trabalhar numa faixa muito ampla de vazões e manter bons
rendimentos.
Bombas iguais associadas em paralelo.
9. Performance da Bomba com líquidos viscosos
A performance de bombas centrífugas é afetada quando lidando com líquidos
viscosos. Aumento na potência, redução na altura e redução na vazão ocorrem
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com viscosidades moderadas e altas.
As equações abaixo são usadas para determinar a performance viscosa quando a
performance com água é conhecida.
Os coeficientes de correção adimensionais: CH, CQ e CN são utilizados para fazer
as correções da carga, da vazão e do rendimento. Os gráficos de correção podem
ser utilizados para bombas centrífugas, mas não devem ser utilizados para fluidos
não-newtonianos, ou seja, fluidos que não obedecem à “Lei de Newton da
Viscosidade”, tais como: esgotos, pastas de papel, leite etc.
10.REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Apostila de Manutenção e Operação de Bombas Centrífugas, curso de
Engenharia Mecânica - Universidade Paulista.
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AZEVEDO NETTO, J.M.; ALVAREZ, G. A. Manual de hidráulica. 7.ed. São
Paulo: E. Blücher, 1991.
Carnicer, Enrique. Bombas centrífugas, Espanha, 1996
Coelho, Welington Ricardo. Análise do fenômeno de cavitação em bomba
centrífuga, Ilha Solteira, 2006.
Lima, Epaminondas. Mecânica das Bombas, 2003.
Lopes, S. Bombas e Instalações hidráulicas, São Paulo, 2007.
Nogueira, Alex. Máquinas Termohidráulicas de Fluxo, Universidade de Itaúna,
2010.
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