Baixe bomb. centrifugas e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Mecânica, somente na Docsity!
Hidráulica Básica e Máquinas de Fluxo
3. BOMBAS - CLASSIFICAÇÃO E DESCRIÇÃO
3.1. Instalação de Bombeamento Típica
As instalações de bombeamento podem apresentar em sua forma, dependendo de seu objetivo e importância, variações as mais diversas.
Contudo e visando, principalmente, um estudo sistematizado das mesmas, apresentamos, com a respectiva nomenclatura, o esquema de uma simples e típica instalação de bombeamento (Fig. 3.1).
Figura 3.1 – Esquema de uma instalação de bombeamento típica.
No esquema da Fig. (3.1):
(1) Casa das Bombas (M) – Motor de acionamento; (B) – Bomba. (2) Poço, manancial ou reservatório de sucção
Hidráulica Básica e Máquinas de Fluxo
(3) Linha de sucção (VPC) – Válvula de pé com crivo; (CL) – Curva longa de 90°; (RE) – Redução excêntrica.
(4) Linha de recalque (VR) – Válvula de retenção; (R) – Registro; (C) – Curvas ou joelhos (ou cotovelos). (5) Reservatório de recalque
Superficialmente, visando uma boa concepção preliminar do todo e mesmo porque estes assuntos voltarão a ser abordados, com maiores detalhes, nos capítulos seguintes:
Casa das bombas ( 1 ): edificações próprias destinadas a abrigar o conjunto motor- bomba.
Motor de acionamento (M): órgão encarregado do acionamento da bomba, podendo ser:
- Um motor elétrico;
- Um motor de combustão interna (a gasolina ou diesel);
- Uma turbina hidráulica ou a gás;
- Uma tomada de força qualquer (de tratores, por exemplo).
A escolha do órgão de acionamento depende de vários fatores, conforme veremos, em maiores detalhes, oportunamente. A guisa de informação, entre outros, podemos citar:
- A disponibilidade e o custo da energia;
- O grau de mobilidade desejado;
- Segurança e comodidade operacional.
Em linhas gerais, contudo, a conjugação ou soma dos principais fatores provocam, na maioria dos casos, uma tendência para o uso dos motores elétricos. São causas desta tendência, entre outras:
- A vida mais longa dos motores elétricos;
- A maior segurança e comodidade operacional (os motores elétricos não provocam poluição local);
- Custo de manutenção mais baixo. Bomba (B): Órgão encarregado de succionar o fluido, retirando-o do reservatório de sucção e energizando-o através de seu rotor o que impulsiona-o para o reservatório de recalque.
Válvula de pé com crivo (VPC): Instalada junto ao pé da tubulação de sucção, é uma válvula unidirecional que só permite a passagem do fluido no sentido ascendente e que, com o desligamento do motor de acionamento, mantém a carcaça da bomba e a tubulação de sucção cheia do fluido recalcado, impedindo o seu retorno ao reservatório de sucção. Diz-se, nestas circunstâncias, que a válvula de pé com crivo mantém a bomba escorvada (carcaça da bomba e tubulação de sucção cheia de fluido).
Hidráulica Básica e Máquinas de Fluxo
3.2. Classificação das Máquinas Geratrizes (Bombas)
São aquelas que recebem trabalho mecânico, geralmente fornecido por uma máquina motriz, e o transforma em energia hidráulica, comunicando ao líquido um acréscimo de energia sob as formas de energia potencial e cinética. Pertencem a esta categoria de máquinas todas as bombas hidráulicas.
Definição Bombas são máquinas geratrizes cuja finalidade é realizar o deslocamento de um líquido por escoamento. Sendo uma máquina geratriz, ela transforma o trabalho mecânico que recebe para seu funcionamento em energia, que é comunicado ao líquido sob as formas de energia de pressão e cinética. Alguns autores chamam-nas de máquinas operatrizes hidráulicas , porque realizam um trabalho útil específico ao deslocarem um líquido. O modo pelo qual é feita a transformação do trabalho em energia hidráulica e o recurso para cedê-la ao líquido aumentando sua pressão e/ou sua velocidade permitem classificar as bombas em dois grandes grupos apresentados pelo “Hydraulic Institute” (Fig. 3.3): Bombas de deslocamento positivo, hidrostáticas ou volumógenas (volumétricas); Turbobombas chamadas também hidrodinâmicas ou rotodinâmicas ou simplesmente dinâmicas.
As bombas são utilizadas nos circuitos hidráulicos, para converter energia mecânica em energia hidráulica. A ação mecânica cria um vácuo parcial na entrada da bomba, o que permite que a pressão atmosférica force o fluido do tanque, através da linha de sucção, a penetrar na bomba.
A bomba passará o fluido para a abertura de descarga, forçando-o através do sistema hidráulico.
Figura 3.3 – Classificação dos tipos de bombas.
As bombas hidráulicas são classificadas como positivas (fluxo pulsante) e não-positivas fluxo contínuo).
Hidráulica Básica e Máquinas de Fluxo
Especificação de Bombas: As bombas são, geralmente, especificadas pela capacidade de pressão máxima de operação e pelo seu deslocamento, em litros por minuto, em uma determinada rotação por minuto.
Relações de Pressão: A faixa de pressão de uma bomba é determinada pelo fabricante, baseada na vida útil da bomba.
Obs.: Se uma bomba for operada com pressões superiores às estipuladas pelo fabricante, sua vida útil será reduzida.
Bombas Volumétricas (Hidrostáticas), ou de Deslocamento Positivo
Fornecem determinada quantidade de fluido a cada rotação ou ciclo. A movimentação do fluído é causada diretamente pela ação do órgão de impulsão da bomba que obriga o fluído a executar o mesmo movimento a que está sujeito este impulsor (êmbolo, engrenagens, lóbulos, palhetas). Dá-se o nome de volumétrica porque o fluído, de forma sucessiva, ocupa e desocupa espaços no interior da bomba, com volumes conhecidos, sendo que o movimento geral deste fluído dá-se na mesma direção das forças a ele transmitidas, por isso a chamamos de deslocamento positivo. As Bombas Volumétricas dividem-se em: ( a ) Êmbolo ou Alternativas (pistão, diafragma, membrana); ( b ) Rotativas (engrenagens, lóbulos, palhetas, helicoidais, fusos, parafusos, peristálticas).
Bombas Hidrodinâmicas (Turbobombas)
São bombas de deslocamento não-positivo, usadas para transferir fluidos e cuja única resistência é a criada pelo peso do fluido e pelo atrito (Fig. 3.4).
Figura 3.4 – Características construtivas das turbobombas.
Hidráulica Básica e Máquinas de Fluxo
Assim, por exemplo, na bomba de êmbolo aspirante-premente, representada pela Fig. (3.5), a partícula líquida a tem a mesma trajetória retilínea do ponto b do pistão, exceto nos trechos de concordância inicial e final 0- c e c -1. Na bomba de engrenagem (Fig. 3.6), a partícula líquida a tem aproximadamente a mesma trajetória circular que a do ponto b do dente da engrenagem, exceto nos trechos de concordância na entrada e na saída do corpo da bomba.
Figura 3.6 – Esquema de bomba rotativa de engrenagem.
As bombas de deslocamento positivo podem ser:
Nas bombas volumógenas existe uma relação constante entre a descarga e a velocidade do órgão propulsor da bomba.
Nas bombas alternativas, o líquido recebe a ação das forças diretamente de um pistão ou êmbolo (pistão alongado) ou de uma membrana flexível (diafragma).
Hidráulica Básica e Máquinas de Fluxo
Podem ser de:
Simples efeito – quando apenas uma face do êmbolo atua sobre o líquido (Fig. 3.7). Duplo efeito – quando as duas faces atuam.
Chamam-se ainda:
Simplex – quando existe apenas uma câmara com pistão ou êmbolo. Duplex – quando são dois os pistões ou êmbolos. Triplex – quando são três os pistões ou êmbolos. Multiplex – quando são quatro ou mais pistões ou êmbolos.
Figura 3.7 – Bomba de êmbolo de simples efeito.
Nas bombas rotativas , o líquido recebe a ação de forças provenientes de uma ou mais peças dotadas de movimento de rotação que, comunicando energia de pressão, provocam seu escoamento. A ação das forças se faz segundo a direção que é praticamente a do próprio movimento de escoamento do líquido. A descarga e a pressão do líquido bombeado sofrem pequenas variações quando a rotação é constante. Podem ser de um ou mais rotores.
As bombas alternativas e rotativas são usadas para pressões elevadas e descargas relativamente pequenas, conforme se pode observar na Fig. (3.8).
Figura 3.8 – Campo de emprego das bombas.
Hidráulica Básica e Máquinas de Fluxo
Bomba de Engrenagem
A bomba de engrenagem consiste basicamente de uma carcaça com orifícios de entrada e de saída, e de um mecanismo de bombeamento composto de duas engrenagens.
Uma das engrenagens, a engrenagem motora, é ligada a um eixo que é conectado a um elemento acionador principal. A outra engrenagem é a engrenagem movida.
No lado da entrada, os dentes das engrenagens desengrenam, o fluido entra na bomba, sendo conduzido pelo espaço existente entre os dentes e a carcaça, para o lado da saída onde os dentes das engrenagens engrenam e forçam o fluido para fora do sistema.
Uma vedação positiva neste tipo de bomba é realizada entre os dentes e a carcaça, e entre os próprios dentes de engrenamento. As bombas de engrenagem têm geralmente um projeto não compensado.
A bomba de engrenagem que foi descrita acima é uma bomba de engrenagem externa, isto é, ambas as engrenagens têm dentes em suas circunferências externas, conforme apresentado na Fig. (3.10).
Figura 3.10 – Exemplo de uma bomba de engrenagem externa.
Vantagens ( 1 ) Eficiente, projeto simples; ( 2 ) Excepcionalmente compacta e leve para sua capacidade; ( 3 ) Eficiente à alta pressão de operação; ( 4 ) Resistente aos efeitos de cavitação; ( 5 ) Alta tolerância à contaminação dos sistemas; ( 6 ) Resistente em operações à baixas temperaturas; ( 7 ) Construída com mancal de apoio no eixo; ( 8 ) Campatibilidade com vários fluidos.
Hidráulica Básica e Máquinas de Fluxo
Bomba de Palheta
As bombas de palheta produzem uma ação de bombeamento fazendo com que as palhetas acompanhem o contorno de um anel ou carcaça. O mecanismo de bombeamento de uma bomba de palheta consiste de: rotor, palhetas, anel e uma placa de orifício com aberturas de entrada e saída.
O rotor de uma bomba de palheta suporta as palhetas e é ligado a um eixo que é conectado a um acionador principal. À medida que o rotor é girado, as palhetas são “expulsas” por inércia e acompanham o contorno do cilindro (o anel não gira). Quando as palhetas fazem contato com o anel, é formada uma vedação positiva entre o topo da palheta e o anel.
O rotor é posicionado fora do centro do anel. Quando o rotor é girado, um volume crescente e decrescente é formado dentro do anel. Não havendo abertura no anel, uma placa de entrada é usada para separar o fluido que entra do fluido que sai. A placa de entrada se encaixa sobre o anel, o rotor e as palhetas. A abertura de entrada da placa de orifício está localizada onde o volume crescente é formado. O orifício de saída da placa de orifício está localizado onde o volume decrescente é gerado.
Todo o fluído entra e sai do mecanismo de bombeamento através da placa de orifício (as aberturas de entrada e de saída na placa de orifício são conectadas respectivamente às aberturas de entrada e de saída na carcaça das bombas).
Figura 3.11 – Exemplo de uma bomba de palheta.
Vantagens ( 1 ) Baixo nível de ruído; ( 2 ) Fornece uma vazão mais uniforme de óleo que minimizando as oscilações nas linhas dos sistemas hidráulicos; ( 3 ) Grande tolerância à contaminação do sistema.
Hidráulica Básica e Máquinas de Fluxo
Figura 3.13 – Princípio de funcionamento de uma bomba de pistão.
Quando um tambor de cilindro gira, a sapata do pistão segue a superfície da placa de deslizamento (a placa de deslizamento não gira). Uma vez que a placa de deslizamento está a um dado ângulo o pistão alterna dentro do cilindro. Em uma das metades do ciclo de rotação, o pistão sai do bloco do cilindro e gera um volume crescente. Na outra metade do ciclo de rotação, este pistão entra no bloco e gera um volume decrescente.
Figura 3.14 – Mecanismo de bombeamento da bomba de pistão.
Na prática, o tambor do cilindro é adaptado com muitos pistões. As sapatas dos pistões são forçadas contra a superfície da placa de deslizamento pela sapata e pela mola. Para separar o fluido que entra do fluido que sai, uma placa de orifício é colocada na extremidade do bloco do cilindro, que fica do lado oposto ao da placa de deslizamento.
Um eixo é ligado ao tambor do cilindro, que o conecta ao elemento acionado. Este eixo pode ficar localizado na extremidade do bloco, onde há fluxo, ou, como acontece mais comumente, ele pode ser posicionado na extremidade da placa de deslizamento. Neste caso, a placa de deslizamento e a sapata têm um furo nos seus centros para receber o eixo. Se o eixo estiver posicionado na outra extremidade, a placa de orifício tem o furo do eixo.
A bomba de pistão que foi descrita acima é conhecida como uma bomba de pistão em linha ou axial, isto é, os pistões giram em torno do eixo, que é coaxial com o eixo da bomba.
Hidráulica Básica e Máquinas de Fluxo
As bombas de pistão axial são as bombas de pistão mais populares em aplicações industriais. Outros tipos de bombas de pistão são as bombas de eixo inclinado e as de pistão radial.
Figura 3.15 – Exemplo de uma bomba de pistão axial.
3.2.2. Bombas Centrífugas (Turbobombas)
As turbobombas, também chamadas bombas rotodinâmicas e kinetic pumps pelo Hydraulic Institute, são caracterizadas por possuírem um órgão rotatório dotado de pás, chamado rotor, que exerce sobre o líquido forças que resultam da aceleração que lhe imprime. 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. As forças geradas são as de inércia e do tipo μ v , já vistas. A
descarga gerada depende das características da bomba, do número de rotações e das características do sistema de encanamentos ao qual estiver ligada:
A finalidade do rotor, também chamado “impulsor” ou “impelidor”, é comunicar à massa líquida aceleração, para que adquira energia cinética e se realize assim a transformação da energia mecânica de que está dotado, É, em essência, um disco ou uma peça de formato cônico dotada de pás. O rotor pode ser.
fechado (Fig. 3.16 a ) quando, além do disco onde se fixam as pás, existe uma coroa circular também presa às pás. Pela abertura dessa coroa, o líquido penetra no rotor. Usa-se para líquidos sem substâncias em suspensão e nas condições que veremos adiante;
Semi-aberto (Fig. 3.16 b ) quando existe apenas um disco onde se fixam as pás do rotor; aberto quando não existe essa coroa circular anterior. Usa-se para líquidos contendo pastas, lamas, areia, esgotos sanitários e para outras condições que estudaremos (Fig. 3.16 c ).
Hidráulica Básica e Máquinas de Fluxo
Entre a saída do rotor e o caracol, em certas bombas, colocam-se palhetas devidamente orientadas, as pás guias, para que o líquido que sai do rotor seja conduzido ao coletor com velocidade, direção e sentido tais que a transformação da energia cinética em energia potencial de pressão se processe com um mínimo de perdas por atrito ou turbulências. Muitos fabricantes europeus usam o difusor de pás, enquanto os americanos, em geral, preferem o difusor-coletor em caracol, sem pás. Nas bombas de múltiplos estágios, as pás guias ou diretrizes são necessárias.
Figura 3.18 – Bomba centrífuga com pás guias.
Classificação das Turbobombas
Há várias maneiras de fazer a classificação das turbobombas. Vejamos as principais.
Classificação segundo a trajetória do líquido no rotor:
a) Bomba centrífuga pura ou radial
O líquido penetra no rotor paralelamente ao eixo, sendo dirigido pelas pás para a periferia, segundo trajetórias contidas em planos normais ao eixo. As trajetórias são, portanto, curvas praticamente planas contidas em planos radiais.
Obs.: Este tipo de bomba hidráulica é o mais usado no mundo, principalmente para o transporte de água.
Antes do funcionamento, é necessário que a carcaça da bomba e a tubulação de sucção, estejam totalmente preenchidas com o fluído a ser bombeado.
Ao iniciar-se o processo de rotação, o rotor cede energia cinética à massa do fluído, deslocando suas partículas para a extremidade periférica do rotor. Isto ocorre pela ação da força centrífuga.
Hidráulica Básica e Máquinas de Fluxo
Com isso, inicia-se a formação das duas zonas de pressão (baixa e alta) necessárias para desenvolver o processo:
(A) Com o deslocamento da massa inicial do fluído do centro do rotor (Figs. 17 e 19 ) para sua extremidade, formar-se-á um vazio (vácuo), sendo este, o ponto de menor pressão da bomba. Obviamente, novas e sucessivas massas do fluído provenientes da captação ocuparão este espaço, pela ação da pressão atmosférica ou outra força qualquer;
(B) Paralelamente, a massa do fluído que é arrastada para a periferia do rotor, agora comprimida entre as pás e as faces internas do mesmo, recebe uma crescente energia de pressão, derivada da energia potencial e da energia cinética, anteriormente fornecidas ao sistema. O crescente alargamento da área de escoamento (Teorema de Bernoulli), assim como as características construtivas do interior da carcaça da bomba (voluta ou difusores) (Figs. 17 e 19 ) ocasionam a alta pressão na descarga da bomba, elevando o fluído a altura desejada.
Figura 3.19 – Bomba centrífuga com rotor radial.
As bombas do tipo radial, pela sua simplicidade, se prestam à fabricação em série, sendo generalizada sua construção e estendida sua utilização à grande maioria das instalações comuns de água limpa, descargas de 5 a 500 l s e até mais, e para pequenas, médias e grandes alturas de elevação.
Notemos que essas indicações são vagas e algo imprecisas, e que a escolha do tipo de rotor dependerá da noção de “velocidade específica” que será estudada adiante. Quando se trata de descargas grandes e pequenas alturas de elevação, o rendimento das bombas radiais torna-se baixo, e o seu custo se eleva em virtude das dimensões que assumem suas peças, tomando-se pouco conveniente empregá-las.
Hidráulica Básica e Máquinas de Fluxo
Figura 3.21 – Bomba centrífuga com rotor axial.
As bombas axiais são empregadas para grandes descargas (até várias dezenas de metros cúbicos por segundo) e alturas de elevação de até mais de 40 m.
Possuem difusor de pás guias, isto é, coletor troncônico com pás guias. O eixo em geral é vertical, e por isso são conhecidas como bombas verticais de coluna , porém existem modelos com o eixo inclinado e até mesmo horizontal.
Constroem-se bombas axiais com pás inclináveis (passo variável), podendo-se, por meio de um mecanismo localizado no interior da ogiva e comandado automaticamente por servomecanismos, dar às pás uma inclinação adequada a cada descarga desejada, para que o rendimento sofra pequena variação.
Classificação segundo o número de rotores empregados:
a) Bombas de simples estágio
Nela existe apenas um rotor e, portanto, o fornecimento da energia ao líquido é feito em um único estágio (constituído por um único rotor e um difusor, conforme apresentado na Fig. (3.22)). Teoricamente seria possível se projetar uma bomba com um estágio para quaisquer condições propostas.
Figura 3.22 – Bomba centrífuga de simples estágio.
Hidráulica Básica e Máquinas de Fluxo
Figura 3.23 – Vista explodida de bomba centrífuga de simples estágio, com seus respectivos componentes.
Figura 3.24 – Esquema de instalação com bomba centrífuga de simples estágio.
Razões óbvias, determinadas pelas dimensões excessivas e correspondente custo elevado, além do baixo rendimento, fazem com que os fabricantes não utilizem bombas de um estágio para alturas de elevação grandes. Esse limite pode variar de 50 a 100 m, conforme a bomba, mas há fabricantes que constroem bombas com um só estágio, para alturas bem maiores, usando rotores especiais de elevada rotação, como é o caso das bombas Sundyne, com rotações que vão de 3.600 a 24.700 rpm, usando engrenagens para conseguir rotações elevadas.
