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CONTEÚDO
1. CAVITAÇÃO.............................................................................................................................
1.1 Pressão de Vapor.......................................................................................................... 1.2 Conceito de Cavitação................................................................................................... 4 1.3 Região Principal de Cavitação....................................................................................... 1.4 NPSH – Net Positive Suction Head,……………………..……….......……......………….. 5
1.5 Análise da Faixa de Operação de uma Bomba em um Ssistema..................................
2. BOMBAS CENTRIFUGAS......................................................................................................
2.1 Conceito de Bomba...................................................................................................... 10 2.2 – Conceito de Bomba Centrífuga................................................................................. 10 2.3 – Principio e Funcionamento........................................................................................ 10 2.4 Principais Componentes.............................................................................................. 11 2.5 - Vantagens Das Bombas Centrífugas......................................................................... 12 2.6 - Classificação das Bombas Centrifugas..................................................................... 13 2.7 Seleção de Bombas Centrífugas................................................................................. 14 2.8 Curvas Características de Bombas Centrífugas.......................................................... 15
3 - CURVA CARACTERÍSTICA DA INSTALAÇÃO (CCI).........................................................
3.1 Obtenção da CCI ........................................................................................................ 3.2 Ponto de Trabalho de uma Bomba Centrífuga numa Instalação (PT)......................... 4 - ASSOCIAÇÃO DE BOMBAS CENTRÍFUGAS..................................................................... 4.1- Associação de Bombas em Paralelo.......................................................................... 30
mas: V 1 = V 2 e Z 1 = Z (^2)
Então:
E portanto:
Se a pressão absoluta do líquido, em qualquer ponto do sistema de bombeamento, for reduzida (ou igualada) abaixo da pressão de vapor, na temperatura de bombeamento; parte deste líquido se vaporizará, formando “cavidades” no interior da massa líquida. Estará aí iniciado o processo de cavitação. As bolhas de vapor assim formadas são conduzidas pelo fluxo do líquido até atingirem pressões mais elevadas que a pressão de vapor ( normalmente na região do rotor), onde então ocorre a implosão (colapso) destas bolhas, com a condensação do vapor e o retorno à fase líquida. Tal fenômeno é conhecido como CAVITAÇÃO. Normalmente a cavitação é acompanhada por ruídos, vibrações e com possível erosão das superfícies sólidas (pitting). Deve-se salientar, que a erosão por cavitação não ocorre no local onde as bolhas se formam, mas sim onde as mesmas implodem. Os efeitos da cavitação dependem do tempo de sua duração, da sua intensidade, das propriedades do líquido e da resistência do material à erosão por cavitação. A cavitação, naturalmente, apresenta um barulho característico, acompanhado de redução na altura manométrica e no rendimento. Se de grande intensidade, aparecerá vibração, que comprometerá o comportamento mecânico da bomba. Em resumo, são os seguintes, os inconvenientes da cavitação: a) Barulho e vibração. b) Alteração das curvas características. c) Erosão - remoção de partículas metálicas - pitting.
1.3 Região Principal de Cavitação
Pelo que foi exposto, concluímos que a região que está susceptível à cavitação é a sucção da bomba, pois é onde o sistema de bombeamento apresenta a menor pressão absoluta. Portanto o ponto crítico para a cavitação é a entrada do rotor. Nesta região a quantidade de energia é mínima, pois o líquido ainda não recebeu nenhuma energia por parte do rotor.
Assim, a cavitação, normalmente, inicia-se nesse ponto, em seguida, as cavidades são conduzidas pela corrente líquida provocada pelo movimento do rotor, alcançando regiões de pressão superior à de vapor do fluído, onde se processa a implosão das cavidades (bolhas).
1.4 NPSH – Net Positive Suction Head
O NPSH é um conceito oriundo da escola americana, que predominou entre os fabricantes instalados no país e na norma da ABNT que trata de ensaios de cavitação em bombas. A condição Pe (^) abs F 0 3 E P (^) v é necessária mas não suficiente, pois pôr detalhes construtivos poderá ocorrer cavitação no interior da própria máquina. Em termos práticos, o procedimento usual para analisarmos a operação de determinada bomba num sistema, é através do conceito de NPSH (^) REQ. e NPSH (^) DISP. O NPSH representa a “Energia Absoluta” no flange de sucção, acima da pressão de vapor do fluído naquela temperatura.
1.4.1 NPSH Requerido (NPSH (^) REQ)
Cada bomba, em função de seu tamanho, características construtivas, etc..., necessita de uma determinada energia absoluta (acima da pressão de vapor) em seu flange de sucção, de tal modo que a perda de carga que ocorrerá até à entrada do rotor não seja suficiente para acarretar cavitação, quando operada naquelas condições de vazão. A esta energia denominamos NPSH REQUERIDO. Os fabricantes de bombas fornecem o NPSH requerido, através de uma curva NPSHreq x VAZÃO, para cada bomba de sua linha de fabricação, conforme padrão abaixo:
Esta curva é uma característica própria da bomba, sendo obtida experimentalmente, através de testes de cavitação em bancadas do fabricante, com água fria a 20 o^ C.
Analisando-se esta expressão do NPSH (^) DISP , verificamos que para obtermos valores elevados, devemos tomar as seguintes providencias: a) diminuir a altura geométrica de sucção negativa (-Z SUC ), ou aumentar a altura geométrica de sucção positiva (+Z (^) SUC ), b) diminuir a perda de carga na sucção. Para tal recomenda-se:
- utilizar tubulações curtas.
- baixar a velocidade do fluído na sucção, aumentando-se o seu diâmetro.
- reduzido número de acessórios (curvas, válvulas, etc...). c) diminuir a temperatura do fluído bombeado, para diminuir a pressão de vapor do mesmo.
1.4.2.2 NPSH (^) DISP – Fase de Operação
Como vimos:
E portanto:
ONDE:
P (^) e - pressão na entrada da bomba, isto é, no flange de sucção (manométrica). P (^) ATM - pressão atmosférica local. P (^) v - pressão de vapor do líquido à temperatura de bombeamento. V (^) e - velocidade do fluxo na sucção da bomba (local da tomada de pressão).
Z (^) e - distancia entre a linha de centro da bomba e do manômetro.
1.5 Análise da Faixa de Operação de uma Bomba em um Sistema
Esta análise pode ser feita colocando-se num mesmo gráfico as curvas do NPSH (^) REQ e a do NPSH (^) DISP. À direita do ponto de encontro das duas curvas observa-se a zona de cavitação.
Para não ocorrer cavitação, devemos ter: NPSHDISP ≥ NPSHREQ Na prática utilizamos: NPSHDISP ≥ 1,20 NPSH (^) REQ No mínimo: NPSHDISP ≥ (NPSHREQ + 1,0) m
1.6 Pressão Atmosférica em Função da Altitude
Altitude(m) Patm (mca) 0 10, 300 9, 600 9, 900 9, 1200 8, 1500 8, 1800 8, 2100 7, 2400 7, 2700 7, 3000 7,
A pressão atmosférica pode ser obtida através da expressão dada a seguir, que apresenta precisão para a maioria das aplicações:
P ATM = 760 – 0,081h (mm de Hg)
onde:
P (^) ATM = Pressão atmosférica local em [mmHg]; h = a altitude do local em metros.
2. BOMBAS CENTRIFUGAS
2.1 Conceito de Bomba
Bomba é um equipamento que transfere energia de uma determinada fonte para um liquido, em conseqüência do que, este liquido pode deslocar-se de um ponto para outro, inclusive vencer desnível. As bombas de uma maneira geral devem apresentar as seguintes características principais: a) Resistência: estruturalmente adequadas para resistir aos esforços provenientes da operação(pressão, erosão , mecânicos). b) Facilidade de operação: adaptáveis as mais usuais fontes de energia e que apresentem manutenção simplificada. c) Alto rendimento: transforme a energia com o mínimo de perdas. d) Economia: custos de aquisição e operação compatíveis com as condições de mercado.
2.2 – Conceito de Bomba Centrífuga
É aquela que desenvolve a transformação de energia através do emprego de forças centrifugas. As bombas centrífugas possuem pás cilíndricas, com geratrizes paralelas ao eixo de rotação, sendo essas pás fixadas a um disco e auma coroa circular, compondo o rotor da bomba.
2.3 – Principio e Funcionamento
O funcionamento da bomba centrífuga baseia-se, praticamente, na criação de uma zona de baixa pressão e de uma zona de alta pressão. Para o funcionamento, é necessário que a carcaça esteja completamente cheia de liquido e portanto, que o rotor esteja mergulhado no liquido. Devido à rotação do rotor, comunicada por uma fonte externa de energia(geralmente um motor elétrico), o liquido que se encontra entre as palhetas no interior do rotor é arrastado do centro para a periferia pelo efeito da força centrífuga. Produz-se assim uma depressão interna ao rotor, o que acarreta um fluxo vindo através da conexão de sucção. O liquido impulsionado sai do rotor pela sua periferia, em alta velocidade e é lançado na carcaça que contorna o rotor. Na carcaça grande parte da energia cinética do liquido (energia de velocidade) é transformada em energia de pressão durante a sua trajetória para a boca de recalque. Faz-se necessária essa transformação de energia porque as velocidades do liquido na saída do rotor, seriam prejudiciais às tubulações de recalque e também porque a energia de velocidade pode ser facilmente dissipada por choques nas conexões e peças das canalizações de recalque.
2.4 Principais Componentes A bomba centrifuga e constituída essencialmente de duas partes: a) uma parte móvel: rotor solidário a um eixo (denominado conjunto girante) b) uma parte estacionaria carcaça(com os elementos complementares: caixa de gaxetas, mancais, suportes estruturais, adaptações para montagens etc,.).
2.4.1 Rotor
É a peça fundamental de uma bomba centrífuga, a qual tem a incumbência de receber o líquido e fornecer-lhe energia. Do seu formato e dimensões relativas vão depender as características de funcionamento da bomba.
2.4.2 Carcaça
É o componente fixo que envolve o rotor. Apresenta aberturas para entrada do liquido até ao centro do rotor e saída do mesmo para a tubulação de descarga. Fundido juntamente, ou a ela preso mecanicamente, tem a câmara (ou câmaras) de vedação e a caixa (ou caixas) de mancal. Possui na sua parte superior, uma abertura (suspiro) para ventagem e escorva; e na parte inferior, uma outra para drenagem. Nas bombas de maior porte, tem ainda as conexões para as tubulações de “líquido de selagem” e “liquido de refrigeração”. O bocal (flange) de entrada do fluido na carcaça recebe o nome de “sucção da bomba” e o de saída de “descarga da bomba”. Os materiais geralmente utilizados na fabricação da carcaça são: ferro fundido, aço fundido, bronze e aços liga.
2.5 - Vantagens Das Bombas Centrífugas
a) Maior flexibilidade de operação Uma única bomba pode abranger uma grande faixa de trabalho (variando a rotação e o diâmetro do rotor).
b) Pressão máxima
Não abordaremos em nosso estudo, o processo de seleção do tipo de bomba, isto é, se volumétrica ou turbobomba. Como a maioria das bombas utilizadas em instalações hidráulicas e prediais são do tipo centrifuga; nosso estudo abordará o processo de seleção do modelo de bomba centrifuga.
2.7.1 Processo de Seleção
a) Definir ou calcular a vazão necessária (Q),
b) Determinar a altura manométrica da bomba - H B,
c) Entrar com a altura manométrica (H B) e a vazão (Q) em um diagrama de blocos de um
catálogo de fornecedor de bombas, selecionando modelos adequados à aplicação em questão (verificar as diversas rotações),
A figura anterior apresenta um gráfico de pré-seleção de bombas de um determinado fabricante, a partir do qual o usuário tem uma idéia de quais catálogos consultar a respeito da seleção propriamente dita, locando o ponto de trabalho neste gráfico e determinando qual a "família" ideal de bombas.
d) Com os modelos selecionados, obter as curvas características da bomba, geralmente
no próprio catálogo,
e) Construir a curva característica da instalação – CCI,
f) Determinar as grandezas relativas ao ponto de trabalho para os diversos modelos
selecionados (Q, H (^) B, F 06 8 B, NPSH (^) REQ, NB )
g) Verificar o rendimento da bomba para cada modelo selecionado,
h) Analisar as condições de cavitação para cada modelo selecionado,
i) Determinar a potência necessária no eixo de cada modelo selecionado,
j) Em função da avaliação do rendimento, NPSH REQ, potência e custo, selecionar a bomba
adequada à instalação.
2.8 Curvas Características de Bombas Centrífugas
As curvas características de bombas centrífugas traduzem através de gráficos o seu funcionamento, bem como, a interdependência entre as diversas grandezas operacionais. As curvas características são função, principalmente, do tipo de bomba, do tipo de rotor, das dimensões da bomba, da rotação do acionador e da rugosidade interna da carcaça e do rotor. As curvas características são fornecidas pelos fabricantes das bombas, através de gráficos cartesianos, os quais podem representar o funcionamento médio de um modelo fabricado em série, bem como, o funcionamento de uma bomba específica, cujas curvas foram levantadas em laboratório.
Estas curvas podem ser apresentadas em um, ou mais de um gráfico e representam a performance das bombas operando com água fria, a 20o^ C. Para fluidos com outras viscosidades e peso específico, devem-se efetuar as devidas correções nas mesmas. Apresentamos a seguir os diversos tipos de curvas características das bombas centrífugas.
2.8.1 Altura Manométrica X Vazão ( H (^) B X Q )
A carga de uma bomba, ou altura manométrica (HB ) é definida como a “Energia por Unidade de Peso” que a bomba fornece ao fluido em escoamento através da mesma; sendo função do tipo de pás do rotor, gerando vários tipos de curvas, as quais recebem diferentes designações, de acordo com a forma que apresentam.
Estas curvas, fornecidas pelos fabricantes, são obtidas através de testes em laboratórios; com água fria a 20 ºC; entretanto as mesmas podem ser reproduzidas em uma instalação hidráulica existente, de acordo com o fluido em operação. Seja a instalação esquematizada abaixo:
Aplicando a Equação da Energia entre a entrada e saída da bomba (local de instalação dos manômetros), tem-se:
F 0 D E
Portanto: Operando a bomba com diversas vazões (por volta de 7), desde vazão zero até à vazão máxima operacional, é possível obter-se para cada uma dessas vazões, a correspondente altura manométrica e então a partir destes pontos, traçar a curva H X Q.
PONTO VAZÃO PRESSÕES VELOCIDADES COTAS HB Pe P (^) s Ve Vs (^1) Zero (^) Ze Zs
H (^) B
(^2) Q 2 H (^) B (^3) Q 3 H (^) B (^4) Q 4 H (^) B (^5) Q 5 H (^) B (^6) Q 6 H (^) B
Partida de Bombas Centrífugas Analisando a curva de potência x vazão, podemos notar que a potência é mínima para a vazão zero (Q = 0), ou seja, quando a válvula de descarga da bomba está fechada. Nesta condição a bomba consome potência apenas para seus atritos internos e para as perdas de atrito do rotor girando na massa fluida. Por esta razão deve-se partir as bombas centrífugas com a válvula de descarga fechada. A situação de uma bomba operando com vazão zero (Q = 0) denomina-se “Shut-off” e é importante se conhecer o valor de H (^) B para Shut-off. As bombas hélico-centrífugas e as
axiais não devem ser partidas com a válvula de descarga bloqueada, pois nesta condição a potência é, consideravelmente, maior do que para a descarga normal.
Sobrecarga da Bomba
Quando um liquido mais viscoso que a água começa a ser bombeado, normalmente ocorre aumento de pressão, elevando-se, em conseqüência, a corrente do motor elétrico, ocorrendo a possibilidade de haver desligamento do mesmo. Os danos causados por se sobrecarregar um motor nem sempre aparecem de imediato. O superaquecimento momentâneo, causa apenas um desligamento. Após um certo período, no entanto, o isolamento dos enrolamentos irá se deteriorar (devido ao calor), correndo o risco de queimar o motor, caso o motor não tenha proteção adequada, tendo que ser enrolado de novo.
Fator de Serviço do Motor Elétrico
O fator de serviço é a margem de segurança inerente ao motor elétrico, em relação a sua potência nominal. A medida que aumenta a vazão , o motor tende a, continuamente, puxar mais corrente elétrica. Quando a potência consumida ultrapassar o limite do fator de serviço, o motor costuma ser desligado automaticamente.
2.8.3 Curva de Rendimento X Vazão ( F 06 8B X Q )
O rendimento da bomba é definido como a relação entre a potência fornecida ao fluido e aquela fornecida pelo motor elétrico à bomba. É fornecida pelo fabricante, conforme curva abaixo, ou calculada conforme formula:
A Curva F 06 8B X Q representa a variação da potência necessária no eixo de uma bomba centrifuga em função da vazão, para uma rotação constante. A curva de eficiência (x) vazão é a indicação da energia perdida na bomba. Quanto menores as perdas, mais elevada será a eficiência. Esta curva permite ao operador observar a vazão em que a bomba melhor opera. As bombas devem ser operadas eficientemente para se controlar o custo da energia consumida e para se utilizar as bombas adequadamente. A curva (H x Q) não indica as perdas internas na bomba, as quais são consideradas na curva de eficiência. A eficiência, para cada ponto na curva, relaciona a energia transmitida para o líquido, com a energia suprida pelo eixo da bomba, conforme fórmula anterior.
2.8.4 Curva de NPSHREQ X Vazão (NPSH (^) REQ X Q)
O NPSH requerido (NPSHreq ) representa a energia absoluta necessária no flange de sucção das bombas, de tal forma que haja a garantia de que não ocorrerá cavitação na bomba. É função das características de projeto e construtivas da bomba, do tamanho da bomba, do diâmetro e largura do rotor, diâmetro da sucção, rotação, vazão, etc.. O valor do NPSH requerido é normalmente obtido pelos fabricantes de bombas através de testes de cavitação em laboratórios e fornecido pelos mesmos, para cada uma das bombas de sua linha de produção, através de curvas NPSHreq X Q.
2.8.5 Curvas de Fabricantes
Todas as curvas anteriores costumam ser fornecidas pelos fabricantes de bombas num único gráfico. Eis aqui um exemplo gráfico completo das curvas de um fabricante de bomba. Analisar essas curvas ajuda o operador a determinar se a bomba está operando dentro das tolerâncias normais e está mantendo seu alto nível de eficiência.
Curvas Características fornecidas por fabricantes de bombas:
2.8.6 Fatores que Influenciam nas Curvas Características das Bombas Centrífugas
2.8.6.1 Rotação da Bomba ( n )
b) Segundo caso: refere-se a bombas cuja única variação ocorre no diâmetro do rotor, permanecendo as demais grandezas físicas constantes. É o caso das bombas que tem o rotor substituído por outro de dimensões diferentes, ou então o rotor é usinado, reduzindo-se-lhe o diâmetro.
Neste caso para pequenas variações do diâmetro, as seguintes relações são válidas:
Devemos observar que o diâmetro do rotor deve ser diminuído, no máximo em até 10%; pois a partir daí varia muito o ângulo das pás, alterando completamente as relações apresentadas anteriormente. Estes cortes somente são permitidos nas bombas centrifugas radiais (puras), pois nas demais altera-se, substancialmente, o projeto, ainda que com pequenas variações no diâmetro.
As Curvas a seguir, apresentam variações nas curvas características.
3 - CURVA CARACTERÍSTICA DA INSTALAÇÃO (CCI) OU CURVA DO SISTEMA (CS)
A curva característica de uma instalação representa a energia por unidade de peso que deve ser fornecida ao fluido, em função da vazão desejada, de tal forma que o mesmo possa escoar nessa instalação, em regime permanente. Para uma instalação de bombeamento a CCI é representada por H (^) S = f (Q). Isto é, H (^) S representa a energia que deve ser fornecida ao fluido, para cada vazão de escoamento. Seja a instalação representada abaixo:
Aplicando a equação da energia, tem-se:
; que após desenvolvida com as três parcelas de energia: ; sendo V 1 = V 2 = 0; e reagrupando as parcelas, tem-se:
Analisando as parcelas, verificamos que as pressões, o peso especifico e o desnível
mantém-se constantes para todas as vazões no sistema, o que não ocorre com a perda de
carga, que é função da vazão.
Assim podemos fazer:
e
E então genericamente, podemos escrever:
e pode ser representado graficamente, como:
3.1 Obtenção da CCI
A construção da curva característica da instalação pode ser feita da seguinte maneira: a) Fixam-se várias vazões (em torno de 7), estando entre elas a vazão zero e a provável vazão da instalação, b) Calculam-se as alturas manométricas H (^) S para cada uma das vazões estabelecidas no item anterior, conforme tabela abaixo:
