Bombas - Apostilas - Engenharia_Parte2, Notas de estudo de Engenharia Química. Universidade Estadual do Norte Fluminense (UENF)
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GloboTV7 de Março de 2013

Bombas - Apostilas - Engenharia_Parte2, 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, curva característica do sistema, ponto de operação.
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Microsoft Word - BOMBAS.doc

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WW 470,1 367

)978,17(30 ==− &

Comprimentos equivalentes para válvulas e acessórios (pg. 634, Foust) Ex : Para - Tê L/D = 20 ; considerando o diâmetro de 0,05232 m temos que Leq = 20 * 0,05232 = 1,05 m - Válvula gaveta completamente aberta L/D = 13 Leq = 13 * 0,05232 = 0,68 - Válvula de retenção, L/D = 135 Leq = 135 * 0,05232 = 7,06

CURVAS CARACTERÍSTICAS

A curva característica de desempenho de uma bomba mostra a variação da altura manométrica com a vazão. São também usualmente apresentadas as curvas relativas ao rendimento, a potência de eixo, NPSHN, a velocidade (em rpm), e outras informações como o tamanho da bomba e o tipo, tamanho do impulsor, etc. As curvas são construídas para uma velocidade constante (rpm) e um determinado diâmetro de impulsor (ou série de diâmetros). Toda curva característica é feita para bombear água fria limpa e não se aplica necessariamente ao bombeamento de outros líquidos. No caso de líquidos viscosos a localização da curva característica, assim como a curva de rendimento sofrem alterações. A seleção é feita de modo que o funcionamento esteja próximo à situação de melhor rendimento. De uma forma geral as curvas características servem para descrever as condições operacionais de uma bomba e permitem relacionar a variação de altura manométrica com a vazão a uma velocidade constante.

Altura Manométrica (Hm): é uma medida de altura de uma coluna de líquido que a bomba poderia criar resultante da energia cinética que a bomba dá ao fluido.

A principal razão para usar altura ao invés de pressão para medir a energia de uma bomba centrífuga é que a pressão variará dependendo da densidade do fluido do fluido, mas a altura permanecerá a mesma.

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- Aumentando Q, aumenta Potência; - Aumentando Q, aumenta η até um ponto máximo, após o qual acontece o escorregamento do fluido; - Aumentando Q, diminui Hm que se consegue bombear. Curvas características do sistema

A curva de resistência do sistema ou curva de carga do sistema, é a variação no fluxo relacionada à carga do sistema. Ela deve ser desenvolvida pelo usuário com base nas condições de serviço. Estas condições incluem o lay-out físico, as condições de processo, e as características do fluido.

A curva de carga do sistema representa a relação entre a vazão e as perdas hidráulicas. Como as perdas por fricção variam com o quadrado da taxa de fluxo, a curva do sistema tem a forma parabólica. As perdas hidráulicas em sistemas de tubulação são compostas de perdas por fricção no tubo, válvulas, cotovelos e outros acessórios, perdas de entrada e saída, e perdas por mudanças na dimensão do tubo, em conseqüência de amplificação ou redução do diâmetro.

A curva característica do sistema é obtida da equação da altura manométrica, na qual a parcela relativa às perdas de carga é calculada para diversos valores de vazão.

Hm = Hg + ∆ h

Hm = altura manométrica de elevação. Hg = altura geométrica ou estática de elevação. h = soma das perdas de carga verificadas na tubulação.

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1.Altura Geométrica.

Hg = Hr - Hs

Hr = altura estática de recalque.

Hs = altura estática de sucção;

Quando o nível de aspiração está abaixo do eixo da bomba, temos - Hs

2.Perda de Carga

∆ h = ∆ hs + ∆ hr

hs = perda de carga na sucção; hr = perda de carga no recalque.

3. Curva característica do sistema:

- Vazões Q : abcissa; Hm: ordenada.

a)Altura Geométrica Nula (Hg = 0):

Hg = 0 ( Hs = 0, Hr = 0)

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b)Curva Típica (Hg > 0)

c) Sistema por Gravidade (Hg < 0)

Obtém-se vazões até o valor Qg. Para maiores vazões deve-se instalar uma bomba para vencer as perdas de carga adicionais.

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Ponto de operação

Para toda bomba que opera segundo sua curva característica, os pontos sobre a curva representam condições reais de operação.

A altura manométrica em Q=0 é igual a Hm. As bombas trabalham com as suas rotações nominais, mas com o registro de recalque fechados a perda de carga é nula. Abrindo gradualmente o registro o líquido começa a escoar. A altura que se consegue bombear vai diminuindo progressivamente até o ponto de trabalho PT. O ponto de cruzamento das duas curvas define o ponto de operação da bomba, conforme indicado abaixo.

A vazão Q varia de 0 até Qt

A altura Hm varia de Hg até o valor de regime. NPSH As bombas cinéticas para operarem satisfatoriamente, requerem líquidos livres de vapor na linha de sucção, à entrada do rotor. Se a pressão dentro da bomba cai abaixo da pressão de vapor do líquido, haverá a formação de bolhas de vapor nesse local. Por causa do rápido aumento da pressão dentro da bomba, as bolhas se fundem em uma dada zona com ausência de líquido. Este fenômeno é chamado cavitação (de cavidades) e pode reduzir a eficiência da bomba causando ruído, vibrações, fratura do rotor, da carcaça, etc. Para evitar a cavitação as bombas necessitam de uma certa quantidade de energia no sistema de sucção, conhecido como NPSH (Net Positive Sucion Head). O NPSH é a carga total no bocal de sucção da bomba, menos a pressão de vapor do líquido à temperatura de bombeamento.

g PHNPSH o

S ρ −=

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Ignorando o efeito cinético e considerando o sistema aberto para a atmosfera e admitindo Pa e P1 as pressões no tanque de sucção e na entrada da bomba, podemos calcular a carga positiva líquida disponível na sucção.

g PhX

g PHs RsSa ρρ

1=−+=

Então temos que:

g P

g PNPSH

o

D ρρ −= 1)(

A curva característica fornece o valor do (NPSH)N, para cada ponto da operação e que constitui o valor mínimo necessário para não haver problemas na sucção. A bomba a ser selecionada deverá necessitar um valor de (NPSH)N menor ou, na pior das hipóteses, igual a este a fim de evitar que a vaporização ocorra, desta forma: ND NPSHNPSH )()( ≥ A igualdade entre o (NPSH)D e o (NPSH)N, indica uma situação limite, com início de cavitação. É comum adicionar-se, por motivo de segurança 0,5 a 1,0 mCL ao (NPSH)N. Altura Máxima de sucção A altura máxima de sucção (zm) pode ser determinada a partir da análise de um sistema de recalque onde o fluido deve ser captado em um reservatório que está situado abaixo do eixo da bomba. Para que não ocorra o problema da vaporização do fluido podemos determiná-la a partir da equação de cálculo do NPSHD. Considerando o sistema operando a pressão atmosférica e definindo Xs = - zm; temos:

g Phz

g PNPSH

o

Rsm a

D ρρ −−−=

Considerando a igualdade entre o (NPSH)D e o (NPSH)N (situação limite) temos que a altura máxima de sucção é:

RsN

o a

m hNPSHg PPz −−−= ρ

A partir do valor calculado de zm é possível verificar se o sistema irá operar com ou sem cavitação. A cavitação deve ser evitada aproximando-se a bomba da captação ou modificando o sistema de bombeamento (bomba e tubulações).

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Na tabela abaixo são apresentados valores de pressão de vapor da água em função da temperatura. Temperatura vs Pressão de vapor da água T(oC) 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Pressão (mca)

0,09 0,12 0,24 0,43 0,75 1,25 2,02 2,17 4,82 7,14 10,33

Aplicação 2. Um poço fornecerá água a 20 oC a uma vazão de 15 m3/h contra uma altura de 13,3 mCL, com um desnível de 6,40 m entre a borda do poço e o nível da água. As perdas na sucção somam 2,26 mCL e o NPSH fornecido pelo fabricante é 0,7 mCL. Determine se é possível fazer o deslocamento do fluido. Considere o sistema operando ao nível do mar. Solução: Pa = 10,333 mca e Pv (20 oC)= 0,24 Logo zm = (10,333-0,24) – 0,7 - 2,26 = 7,13 m Considerando que a água está a 6,40m de profundidade é possível fazer este deslocamento. Funcionamento ideal de bombas

As bombas centrífugas são extremamente simples. Em geral, há duas exigências básicas que sempre têm que ser satisfeitas para se ter uma operação livre de dificuldades e uma vida útil mais longa para bombas centrífugas.

1. A primeira exigência é que nenhuma cavitação ocorra ao longo da grande faixa operacional da bomba

2. A segunda exigência é que um fluxo contínuo mínimo seja sempre mantido, durante a operação.

A compreensão clara do conceito de cavitação, seus sintomas, suas causas, e suas conseqüências são essenciais na análise efetiva e prevenção do problema de cavitação.

Como há muitas formas de cavitação, cada uma exigindo uma solução diferente, há várias condições desfavoráveis que podem acontecer separadamente ou simultaneamente, quando a bomba é operada a baixas vazões. Entre elas se incluem:

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• Grandes vazamentos na carcaça, no lacre, e na caixa de recheio

• Deflexão e cisalhamento de eixos

• Travamento do mecanismo interno da bomba

• Cavitação

• Degradação da qualidade do produto

• Estocadas hidráulicas excessivas

• Quebra prematura de mancais

Cada condição pode ditar uma exigência de baixo fluxo mínimo diferente. A decisão final sobre o fluxo mínimo recomendado é tomada após cuidadosa análise "tecno-econômica" pelo usuário da bomba e o fabricante. As conseqüências de condições prolongadas de operação com cavitação e baixo fluxo podem ser desastrosos para a bomba e para o processo. Tais falhas, quando se opera com hidrocarbonetos, freqüentemente causam fogos prejudiciais que resultam em perda da máquina, da produção, e pior de tudo, de vidas humanas. Assim, tais situações devem ser evitadas a todo custo, seja envolvendo modificações na bomba e sua tubulação ou alterando as condições operacionais. A seleção e o dimensionamento correto da bomba e da tubulação associada, não só eliminam as chances de cavitação e operação a baixa vazão, mas também diminuem significativamente os seus efeitos prejudiciais.

É importante lembrar que o dimensionamento do diâmetro das tubulações deve ser feito considerando valores de velocidade consagrados pela prática, como por exemplo, 1,0 a 2,5 m/s para sucção de água em bombas e de 2,0 a 3,0 m/s em instalações industriais.

Referências consultadas

Foust et. al. Princípios das operações Unitárias Gomide, R. Operações unitárias Moraes Junior, D. Transporte de Líquidos e Gases http://www.enq.ufsc.br/disci/eqa5313/ http://www.enq.ufsc.br/muller/

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