Bombas - Apostilas - Engenharia_Parte1, Notas de estudo de Engenharia Química. Universidade Estadual do Norte Fluminense (UENF)
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GloboTV7 de Março de 2013

Bombas - Apostilas - Engenharia_Parte1, Notas de estudo de Engenharia Química. Universidade Estadual do Norte Fluminense (UENF)

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Apostilas de Engenharia Química e de Alimentos sobre o estudo da Bombas, classificação, seleção do tipo e tamanho da bomba, termos técnicos.
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Microsoft Word - BOMBAS.doc

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UFSC – Universidade Federal de Santa Catarina

Depto De Eng. Química e de Eng. De Alimentos

EQA 5313 – Turma 645 – Op. Unit. de Quantidade de Movimento

BOMBAS

Podemos definir bombas como máquinas geratrizes, cuja finalidade é deslocar líquidos por escoamento. Uma maquina geratriz, transforma trabalho mecânico que recebe de um motor em energia hidráulica sob as formas que o líquido pode absorver, isto é, energia potencial de pressão e energia cinética.

Nas indústrias de processamento de alimentos e de produtos químicos, nos sistemas de irrigação para fins agrícolas, nas redes de abastecimento público, assim como nos sistemas de tratamento de resíduos, os sistemas de transporte de fluidos são fundamentais.

Desta forma faz-se necessária a avaliação energética do sistema para efetuar a escolha do dispositivo motriz para satisfazer as condições do processo, uma vez que as características dos equipamentos disponíveis se superpõem parcialmente.

CLASSIFICAÇÃO DAS BOMBAS

É comum a classificar as bombas segundo o modo pelo qual é realizada a transformação do trabalho mecânico em energia hidráulica, assim como o modo de cedê-la ao líquido, aumentado a pressão e (ou) sua velocidade. Desta forma são classificadas como:

- Bombas de deslocamento positivo ou volumétricas (Figura 1)

- Turbobombas ou hidrodinâmicas, ou rotodinâmicas ou bombas de fluxo.

- Bombas especiais: Ex: Carneiro hidráulico, ejetores, bombas eletromagnéticas.

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Alternativas - Pistão ou êmbolo Duplo efeito : Simplex ou Duplex Simples efeito : Simplex,

Duplex, Triplex, Multiplex.

- Diafragma Simplex Duplex

Rotativas - Um só rotor Palhetas – vane pump Pistão rotativo – rotary- piston pump Elemento flexível – peristaltic pump Parafuso - screw pump - Múltiplos rotores: Engrenagem – rotary-gear pump Lobos – lobe pump Parafuso – screw pump

Figura 1 : Classificação das bombas de deslocamento positivo ou volumétricas. - Bombas de deslocamento positivo As bombas de deslocamento positivo impelem uma quantidade definida de líquido a cada golpe ou volta do dispositivo. Uma porção de fluido é presa numa câmara, e pela ação de um pistão ou de peças rotativas é impulsionada para fora. O escoamento pode ser intermitente ou contínuo. - Bombas alternativas Nestas bombas o fluido recebe a ação das forças diretamente de um pistão ou êmbolo ou de uma membrana flexível. As bombas alternativas não têm limites de pressões. São construídas para pressões de 1.000 atm ou mais. Apesar de imprimirem ao fluido as pressões mais elevadas entre todos os tipos de bombas, possuem capacidade relativamente pequena. São recomendadas para o bombeamento de óleos, água de alimentação de caldeira e fluidos em geral que não contenham sólidos abrasivos (podem danificar as superfícies torneadas do cilindro e do pistão). Em virtude de suas características de deslocamento positivo é também pratico seu uso com bombas dosadoras e medidoras de vazões moderadas.

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A bomba de diafragma é outro tipo de bomba de deslocamento positivo que depende do movimento de um diafragma para conseguir o deslocamento do fluido. O movimento para frente e para trás, imposto ao diafragma, atribui ao escoamento a pulsação típica de uma bomba alternativa. As bombas de diafragma são usadas para bombear suspensões abrasivas e líquidos muito viscosos. - Bombas rotativas Nas bombas rotativas (ou rotatórias) o líquido retido no espaço entre os dentes ou palhetas é deslocado de modo contínuo pelo movimento de rotação desde a entrada até a saída da bomba. As bombas rotativas são usadas com líquidos de quaisquer viscosidades, desde que não contenham sólidos abrasivos. Alguns modelos trabalham a 200 atm. A descarga e a pressão do líquido bombeado sofrem pequenas variações quando a rotação é constante. As bombas rotativas são usadas para bombear óleos (mineral, vegetal ou animal), gorduras, glicose, melaço, ketchup, maionese, salmoura entre outros materiais.

As bombas rotativas podem ser: de engrenagens; de rotores lobulares, bastante usada na indústria de alimentos; de parafusos helicoidais; de palhetas, para fluidos pouco viscosos; e peristálticas, usada para pequenas vazões (permite o transporte asséptico).

Turbobombas As turbobombas são caracterizadas por possuírem um órgão rotatório

dotado de pás, chamado rotor (ou impulsor ou impelidor), que comunica aceleração a massa líquida, transformando a energia mecânica de que está dotado, em energia cinética. Essa aceleração, ao contrário do que se verifica nas bombas de deslocamento positivo, não possui a mesma direção e o mesmo sentido do movimento do líquido em contato com as pás.

O rotor pode ter o eixo da rotação horizontal ou vertical, de modo a adaptar-se ao trabalho a ser executado. Os rotores fechados são geralmente mais eficientes. Os do tipo aberto e semi-aberto são usados para líquidos viscosos ou líquidos que contém materiais sólidos, e em bombas pequenas.

As turbobombas necessitam de outro órgão, o difusor, também chamado de recuperador, onde é feita a transformação da maior parte da elevada energia cinética com que o líquido sai do rotor, em energia de pressão. Deste modo, ao atingir a boca de saída da bomba, o líquido é capaz de escoar com velocidade razoável, equilibrando a pressão que se opõe ao seu escoamento. Essa transformação é operada de acordo com o teorema de Bernoulli, pois o difusor sendo de seção gradativamente crescente, realiza uma progressiva diminuição da velocidade do líquido que por ele escoa, com o simultâneo aumento de pressão, de modo que esta tenha um valor elevado e a velocidade seja reduzida na ligação da bomba ao encanamento

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de recalque. Esse aumento progressivo da área na carcaça pode ser obtido utilizando-se a carcaça em voluta (também chamado de coletor caracol) ou utilizando-se a carcaça com difusores.

Pode-se classificar as turbobombas com relação a posição relativa do líquido e do eixo de rotação do rotor em: i) centrifugas puras (radiais), ii) axiais (ou propulsoras ou helicoidadiais) e iii) diagonal (fluxo misto. As turbobombas são também classificadas de acordo com a velocidade de rotação específica que relaciona três dos principais fatores característicos: vazão, altura manométrica e a rotação. Seleção do tipo e tamanho da bomba. A escolha do tipo da bomba (se centrifuga, ou axial ou rotativa, ou alternativa) para preencher os requisitos operacionais do sistema requer a análise das características de funcionamento de cada uma dessas máquinas geratrizes. Quando mais de um tipo preencher esses requisitos um estudo técnico-economico se faz necessário. Em muitos casos, a prática consagrou certos tipos de bombas para determinadas aplicações. Podemos citar como exemplo: - Dosagem de flúor em água de abastecimento – usa-se bombas dosadoras de deslocamento positivo. - Bombeamento de água de um rio para um reservatório – usa-se bombas centrifugas. - Transporte de óleos viscosos, melaços e tintas – usa-se bombas rotativas. Para se determinar o tamanho da bomba e confirmar a escolha do tipo é necessário entrar com os valores de altura manométrica (H) ou pressão (p) e da vazão (Q) em catálogos fornecidos por fabricantes. As bombas de deslocamento positivo são selecionadas por meio de gráficos que fornecem entre outros dados, a pressão máxima e as vazões máximas alcançadas pelo modelo. A escolha de turbobombas é feita em catálogos que fornecem as principais características das bombas. Os catálogos apresentam em geral, um gráfico de altura manométrica (H) em função da vazão (Q), que permite “enquadrar” a bomba em um modelo padronizado. Termos técnicos: As bombas se caracterizam por seus parâmetros de desempenho: capacidade, pressão desenvolvida, potência e rendimento. A capacidade é a vazão volumétrica que a bomba consegue propiciar, que é melhor quantificada em termos de vazão mássica (m& ) em kg/s ou vazão volumétrica (Q) em m3/s ou m3/h. A diferença de pressão propiciada pela bomba entre seus bocais de entrada e saída é tradicionalmente expressa em metros de coluna de líquido que corresponde a esta pressão (mCL). Essa coluna de liquido é a altura representada por H.

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Em um sistema de bombeamento (Figura 2) que possui tanto o reservatório de sucção como o reservatório de recalque pressurizados, podemos escrever as seguintes relações para os balanços de energia mecânica para as respectivas seções:

Figura 2: Cargas em um sistema de bombeamento (Fonte: Gomide)

XS = altura geométrica de sucção (mCL) XR = altura geométrica de recalque (mCL) Ps = pressão manométrica no tanque de sucção (Pa) PR= pressão manométrica no tanque de recalque (Pa) Pa = pressão atmosférica local (Pa) hRS = perda de carga total na sucção (mCL)

hRR = perda de carga total no recalque (mCL) hR = perda de carga total na linha = hRS + hRR VS = velocidade no tanque de sucção (m/s) VR = velocidade no tanque de recalque (m/s)

Uma análise aplicada para a seção de sucção, entre a superfície do líquido do tanque de alimentação e a seção de entrada da bomba, onde a pressão manométrica é P1, permite escrever a expressão na qual todos os termos são alturas de coluna de líquido:

Rs aS

S aS h

g VX

g PP

g VX

g PP

+++ +

=++ +

22

2 1

1 1

2

ρρ

A altura ou carga total na sucção (Hs) é:

Rs S

S aSa

S hg VX

g PP

g VX

g PPH −+++=+++=

22

22 1

1 1

ρρ

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Adotando o eixo da bomba como referencia (X1=0), temos:

g V

g PPh

g VX

g PPHs aRsSSaS 22

2 11

2

+ +

=−++ +

= ρρ

De forma análoga, para a seção de recalque a altura total de recalque (HR)pode ser escrita como:

RR

R R

aR R hg

VX g PPH ++++=

2

2

ρ

A diferença a ser vencida pela bomba é a altura total (H = HR-HS) em mCL:

)( 2

)( 22

RRRs SR

SR SR hh

g VVXX

g PPH ++−+−+−=

ρ

ou RS hg V

X g PH +

∆ +∆+

∆ =

2

2

ρ

que corresponde a energia fornecida pela bomba à unidade de peso de fluido em escoamento.

g WH −= (mCL = J /N)

A altura total H corresponde ao trabalho necessário para comprimir, elevar, acelerar e vencer as perdas da unidade de peso do fluido em escoamento.

Multiplicando este valor pela vazão em peso (kg/s) e pela aceleração da gravidade (m/s2) temos a potencia útil necessária, também denominada potencia consumida ou líquida. gHQgHmW ρ==− && (W) m& = vazão em massa (kg/s) Q = vazão volumétrica (m3/s) ρ = densidade (kg/m3) H = altura a ser vencida pela bomba (mCL) A altura total é frequentemente expressa em termos de coluna da água.

HHa ⋅= 1000 ρ

O rendimento )(η mede o aproveitamento de energia total fornecida pelo acionamento ao eixo da bomba. As perdas por atrito, vazamento,

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reciclagem, etc.; fazem com que a potência real a ser fornecida no eixo seja maior que a potência útil especificada anteriormente.

EW W &

& =η

Cálculo da perda de carga. A perda de carga, ou energia, resulta do atrito interno do líquido, isto é, da sua viscosidade, da resistência oferecida pelas paredes em virtude da rugosidade e das alterações nas trajetórias das partículas líquidas impostas pelas peças intercaladas nos encanamentos. As fórmulas para o calculo da perda de carga são do tipo em que o expoente da velocidade é 2 e o do diâmetro é 1. A expressão conhecida como fórmula de Darcy é valida para qualquer líquido e denominada de formula universal ou racional.

gD VLfhR 2

2

⋅ ⋅

⋅=

O comprimento (L) é dado em metros, a velocidade (V) é a velocidade

média do fluido (m/s), D o diâmetro da canalização (m), g a constante da aceleração da gravidade (9,8 m/s2), f o fator de atrito ou coeficiente de atrito. Desta forma a perda de carga é determinada em metros. Para estimar o fator de atrito (f) existem inúmeras correlações propostas. Uma solução rápida e com relativa precisão para o calculo do coeficiente de atrito é o uso de diagramas. Os mais difundidos são o diagrama de Moody e o diagrama de Hunter Rouse. No diagrama de Moody (log-log), entrando-se com o valor do número de Reynolds na abscissa e a rugosidade relativa (ε/D) na ordenada direita, obtêm-se o coeficiente de atrito na ordenada esquerda. O cálculo da perda de carga pela formula universal tende a se generalizar, uma vez que é válida para qualquer fluido, qualquer região de escoamento e qualquer tipo de canalização. É importante estar atento também à forma de cálculo do fator de ficção, uma vez que pode estar reportado ao Fator de fricção de Fanning (usado na resolução do exemplo adiante). O valor do coeficiente neste caso é quatro vezes menor e a equação utilizada é;

gD VLfhR ⋅ ⋅

⋅⋅= 2

2

Perdas de carga em acidentes de tubulação

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Os sistemas de bombeamento possuem, em geral, além dos tubos retos de seção circular constante, diversos acessórios como curvas, conexões, alargamentos, reduções, bifurcações e, muitas vezes equipamentos locados entre a tomada de sucção e a de descarga. Devido a turbulência, alteração de velocidade, mudança de direção e aumento de atrito que ocorre nos acessórios e equipamentos, parte da energia mecânica se disponível no fluido dissipa-se na forma de calor. Esta perda de energia é denominada perda de carga localizada, acidental ou singular e deve ser adicionada ao termo hR. Os principais métodos para calcular a perda de carga localizada são: i) o método dos comprimentos virtuais ou equivalentes e ii) o uso da equação para o cálculo da perda localizada. O método dos comprimentos equivalentes consiste em adicionar um comprimento real (L) que pode ser obtido a partir de tabelas de comprimento equivalente fornecidas pelo fabricante ou tabelas de L/D. O uso de Tabelas L/D é bastante prático, uma vez que para obter o comprimento equivalente por este método basta multiplicar o valor do diâmetro pelo valor fornecido pela tabela L/D. Tabela 1 : Comprimento equivalente expresso em número de diâmetros Peça L/D Peça L/D Ampliação gradual 12 Registro de gaveta aberto 13 Cotovelo 90º, raio longo 20 Registro globo aberto 350 Junta rosqueada 90º 50 Registro de ângulo aberto 180 Joelho padrão de 90º 30 Saída de canalização 32 Joelho padrão de 45º 16 Tê passagem direta 20 Entrada normal 17 Tê saída de lado 60 Entrada de borda 50 Tê saída bilateral 65 Aplicação 1 GOMIDE pg. 51 Uma bomba deve alimentar 30 m3/h de água a 22oC um tanque aberto para a atmosfera, situado 9,5 m acima do eixo da bomba a partir de um tanque de sucção, também aberto para a atmosfera e situado a 2m acima do eixo da bomba. O tubo de sucção é de aço carbono com costura, diâmetro nominal de 65 série 40 e tem 10 m de comprimento geométrico. O recalque também de aço carbono, diâmetro nominal 50, série 40, tem 16m de comprimento. Há um cotovelo na secção de sucção e dois na secção de recalque, havendo ainda, nesta tubulação, uma válvula de retenção e uma válvula gaveta de 50mm. Pedem-se as alturas de sucção, de recalque e total e a potência útil necessária. Rugosidade ε = 0,05mm Diâmetros internos: D1 (sucção) = 62,43mm e D2 (recalque) = 52,32 mm Áreas das secções transversais: A1 = 0,00306 m2; A2 = 0,00215m2 Densidade da água = 1000 kg/ m3; viscosidade 10-3 Pa.s Pressão atm = 10,333 mCA; vazão = 0,0083 m3/s.

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Cálculo de Hs: Comprimento = L + Le = 10 + 3,2 (saída) + 1,9 (cotovelo) = 15,1 m Vs = 0 V1 = 0,0083/0,00306 = 2,712 m/s Para o material temos E=0,05mm; como D = 62,43 temos: E/D= 0,0008 Re = 0,006423(2,712)1000/10-3 = 169310 Para estes valores temos que: f = 0,00512 hRs = 2 (0,00512)15,1(2,712)2 / 9,81(0,00623) Como Xs = 2,0; Ps = 0; Pa = 10,333 mCL: Hs = 10,333 + 2,0 + 0 – 1,857 = 10,476 mcL Cálculo de Hr: Comprimento = L + Le = 16 +1,3(entrada) +1,0 (tê) + 2(1,5)(cotovelos) + 0,4 (gaveta) + 6,8 (portinhola=válvula de retenção) = 28,5 m VR =0 V2 = 0,00083/0,0215 = 3,86 m/s Para E = 0,05 e D= 52,32 mm; temos E/D= 0,001 Re = 0,05232(3,86)1000 / 10-3 = 201955 Para estes valores f=0,00521 hRR = 2 (0,00521)28,5(3,86)2 / 9,81(0,05232) =8,621 mcL Hr = 10,333 + 9,5 + 0 + 8,621 = 28,454 m Altura dinâmica total (H) = Hr – Hs = 28,454 – 10,476 = 17,978mcL Potencia útil

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