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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS – UFAL
UNIDADE ACADÊMICA DO CENTRO DE TECNOLOGIA – CTEC
ENGENHARIA QUÍMICA
OPERAÇÕES UNITÁRIAS I
(Bombas e Compressores)
Aluna: Magda Correia dos Santos
Professora: Lindáurea Dantas
MACEIÓ/AL
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Bombas e compressores, Notas de estudo de Engenharia Química
Trabalho de operações unitárias I, tudo sobre Bombas e Compressores.
Tipologia: Notas de estudo
Antes de 2010
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS – UFAL
UNIDADE ACADÊMICA DO CENTRO DE TECNOLOGIA – CTEC
ENGENHARIA QUÍMICA
OPERAÇÕES UNITÁRIAS I
(Bombas e Compressores)
Aluna: Magda Correia dos Santos Professora: Lindáurea Dantas
MACEIÓ/AL
BOMBAS
Definição
Bombas são máquinas operatrizes hidráulicas que fornecem energia ao líquido com a finalidade de transportá-lo de um ponto a outro. Normalmente recebem energia mecânica e a transformam em energia de pressão e cinética ou em ambas.
Classificação
As bombas podem ser classificadas em duas categorias, a saber:
- Turbo-Bombas, Hidrodinâmicas ou Rotodinâmicas - são máquinas nas quais a movimentação do líquido é desenvolvida por forças que se desenvolvem na massa líquida em conseqüência da rotação de uma peça interna (ou conjunto dessas peças) dotada de pás ou aletas chamada de roto ;
- Volumétricas ou de Deslocamento Positivo - são aquelas em que a movimentação do líquido é causada diretamente pela movimentação de um dispositivo mecânico da bomba, que induz ao líquido um movimento na direção do deslocamento do citado dispositivo, em quantidades intermitentes, de acordo com a capacidade de armazenamento da bomba, promovendo enchimentos e esvaziamentos sucessivos, provocando, assim, o deslocamento do líquido no sentido previsto.
São exemplos de bombas rotodinâmicas as conhecidíssimas bombas centrífugas e de bombas volumétricas as de êmbolo ou alternativas e as rotativas (Figura 1).
Figura 1 - Esquemas de bombas volumétricas
maior diâmetro no rotor. Outra providência para minimizar este empuxo radial é a construção de bombas com voluta dupla , que consiste em se colocar uma divisória dentro da própria voluta, dividindo-a em dois condutos a partir do início da segunda metade desta, ou seja, a 180o^ do início da "voluta externa", de modo a tentar equilibrar estas reações duas a duas, ou minimizar seus efeitos.
Figura 3 - Voluta dupla
Para vazões médias e grandes alguns fabricantes optam por bombas de entrada bilateral para equilíbrio do empuxo axial e dupla voluta para minimizar o desequilíbrio do empuxo radial. A carcaça tipo difusor não apresenta força radial, mas seu emprego é limitado a bombas verticais tipo turbina, bombas submersas ou horizontais de múltiplos estágios e axiais de grandes vazões. A carcaça tipo difusor limita o corte do rotor de modo que sua faixa operacional com bom rendimento torna-se reduzida.
Classificação
A literatura técnica sobre classificação de bombas é muito variada, havendo diferentes interpretações conceituais. Aqui apresentamos uma classificação geral que traduz, a partir de pesquisas bibliográficas e textos comerciais, nossa visão sobre o assunto.
- Quanto à altura manométrica (para recalque de água limpa):
o baixa pressão (H £ 15 mca); o média pressão (15 < H < 50 mca); o alta pressão (H ³ 50 mca).
(OBS: Para recalques de esgotos sanitários, por exemplo, os limites superiores podem ser significativamente menores).
- Quanto à vazão de recalque:
- pequena (Q £ 50 m^3 /hora);
- média ( 50 < Q < 500 m^3 /hora);
- grande (Q ³ 500 m^3 /hora).
- Quanto à direção do escoamento do líquido no interior da bomba:
o radial ou centrífuga pura , quando o movimento do líquido é na direção normal ao eixo da bomba (empregadas para pequenas e médias descargas e para qualquer altura manométrica, porém caem de rendimento para grandes vazões e pequenas alturas além de serem de grandes dimensões nestas condições); o diagonal ou de fluxo misto , quando o movimento do líquido é na direção inclinada em relação ao eixo da bomba (empregadas em grandes vazões e pequenas e médias alturas, estruturalmente caracterizam-se por serem bombas de fabricação muito complexa); o axial ou helicoidais , quando o escoamento desenvolve-se de forma paralela ao eixo e são especificadas para grandes vazões - dezenas de m^3 /s - e médias alturas - até 40 m (Figura 4);
Figura 4 - Bomba axial: cortes
- Quanto à estrutura do rotor (Figura 5):
o aberto (para bombeamentos de águas residuárias ou bruta de má qualidade);
o de topo (pequenas e médias); o lateral (grandes vazões) o inclinada (situações especiais). o vertical (situações especiais).
- Quanto à velocidade de rotação:
o baixa rotação ( N < 500rpm); o média ( 500 £ N £ 1800rpm); o alta ( N > 1800rpm).
OBS: As velocidades de rotação tendem a serem menores com o crescimento das vazões de projeto, em função do peso do líquido a ser deslocado na unidade de tempo. Pequenos equipamentos, trabalhando com água limpa, têm velocidades da ordem de 3200rpm. Para recalques de esgotos sanitários, por exemplo, em virtude da sujeira abrasiva na massa líquida, os limites superiores podem ser significativamente menores: N < 1200rpm.
- Quanto à posição na captação (Figura 6):
o submersas (em geral empregadas onde há limitações no espaço físico - em poços profundos por exemplo); o afogadas (mais frequentes para recalques superiores a 100 l/s); o altura positiva (pequenas vazões de recalque).
- Quanto à posição do eixo (Figura 6)
o : eixo horizontal (mais comuns em captações superficiais); o eixo vertical (para espaços horizontais restritos e/ou sujeitos a inundações e bombas submersas em geral).
Figura 6 - Bomba de eixo vertical submersa
- Quanto ao tipo de carcaça:
o compacta ; o bipartida (composta de duas seções separadas, na maioria das situações, horizontalmente a meia altura e aparafusadas entre si);
A Figura 7 mostra um corte esquemático de uma bomba centrífuga típica de média pressão para pequenas vazões e para funcionamento afogado ou com altura positiva, eixo horizontal e carcaça compacta, fluxo radial com rotor fechado em monoestágio de alta rotação, sucção única, entrada axial e saída de topo.
Figura 7 - Corte esquemático de uma bomba centrífuga típica
Grandezas características
Uma bomba destina-se a elevar um volume de fluido a uma determinada altura, em um certo intervalo de tempo, consumindo energia para desenvolver este trabalho e para seu próprio movimento, implicando, pois, em um rendimento característico. Estas,
funcionamento, então, haverá consumo no motor, na transformação da energia elétrica em mecânica e na bomba na transformação desta energia mecânica em hidráulica (Figura 9).
Rendimentos da bomba - hb
Rendimento de uma bomba é a relação entre a potência fornecida pela bomba ao líquido ( potência útil ) e a cedida à bomba pelo eixo girante do motor ( potência motriz ). Uma bomba recebe energia mecânica através de um eixo e consume parcela desta energia no funcionamento de suas engrenagens, além do que parte da energia cedida pelo rotor ao líquido perde-se no interior da própria bomba em conseqüência das perdas hidráulicas diversas, da recirculação e dos vazamentos, de modo que só parte da energia recebida do motor é convertida em energia hidráulica útil.
Figura 9 - Esquema das demandas de energia nos conjuntos
A relação entre a energia útil, ou seja, aproveitada pelo fluido para seu escoamento fora da bomba (que resulta na potência útil) e a energia cedida pelo rotor é denominada de rendimento hidráulico interno da bomba. A relação entre a energia cedida ao rotor e a recebida pelo eixo da bomba é denominada de rendimento mecânico da bomba. A relação entre a energia útil, ou seja, aproveitada pelo fluido para seu escoamento fora da bomba (potência útil) e a energia inicialmente cedida ao eixo da bomba é denominada rendimento hidráulico total da bomba e é simbolizada por hb.
A relação entre a energia cedida pelo eixo do motor ao da bomba (que resulta na potência motriz) e a fornecida inicialmente ao motor é denominada de rendimento mecânico do motor , hm. A relação entre a energia cedida pelo rotor ao líquido (que resulta na potência de elevação) e a fornecida inicialmente ao motor é chamada de rendimento total. É o produto hb. hm= h. Este rendimento é tanto maior quanto maior for a vazão de recalque para um mesmo tipo de bomba.
Potência solicitada pela bomba - Pb
Denomina-se de potência motriz (também chamada de potência do conjunto motor-bomba ) a potência fornecida pelo motor para que a bomba eleve uma vazão Q a uma altura H. Nestes termos temos:
Pb = ( g. Q. H ) / h ). , onde Eq. 2
Pb = potência em Kgm/s, g = peso específico do líquido. Q = vazão em m^3 /s, H = altura manométrica, h = rendimento total (= hb. hm ).
Associação de bombas
A) Associações típicas
Dependendo da necessidade física ou da versatilidade desejada nas instalações elevatórias o projetista pode optar por conjuntos de bombas em série ou em paralelo. Quando o problema é de altura elevada geralmente à solução é o emprego de bombas em série e quando temos que trabalhar com maiores vazões a associação em paralelo é a mais provável. Teoricamente temos que bombas em série somam alturas e bombas em paralelo somam vazões. Na prática, nos sistemas de recalque, isto dependerá do comportamento da curva característica da bomba e da curva do encanamento, como estudaremos adiante.
Para obtermos a curva característica de uma associação de bombas em série somamos as ordenadas de cada uma das curvas correspondentes. Exemplo: se quisermos a curva de duas bombas iguais dobram-se estas ordenadas correspondentes à mesma vazão. Quando a associação é em paralelo somam-se as abscissas referentes à mesma altura manométrica. Nesta situação para duas bombas iguais dobram-se as vazões correspondentes (Figura 12).
- Vazão – uma bomba isolada sempre fornecerá mais vazão do que esta mesma bomba associada em paralelo com outra igual porque a variação na perda de carga no recalque é diferente (V. estudo de curvas do sistema);
- NPSHr – este será maior com uma só bomba em funcionamento, pois neste caso a vazão de contribuição de cada bomba será maior que se a mesma estiver funcionando em paralelo;
- Potência consumida – este item dependerá do tipo de fluxo nas bombas, onde temos para o caso de fluxo radial potência maior com uma bomba, fluxo axial potência maior com a associação em completo funcionamento e, no caso de fluxo misto, será necessário calcularmos para as diversas situações para podermos indicar o motor mais adequado.
Para outras situações, como nos casos de associação com bombas diferentes, sistemas com curvas variáveis, bombas com curva drooping, por exemplo, as análises tornam-se mais complexas, mas não muito difíceis de serem desenvolvidas.
C) Bombas em série
Quando a altura manométrica for muito elevada, devemos analisar a possibilidade do emprego de bombas em série, pois esta solução poderá ser mais viável, tanto em termos técnicos como econômicos. Como principal precaução neste tipo de associação, devemos verificar se cada bomba a jusante tem capacidade de suporte das pressões de montante na entrada e de jusante no interior da sua própria carcaça. Para melhor operacionalidade do sistema é aconselhável a associação de bombas idênticas, pois este procedimento flexibiliza a manutenção e reposição de peças.
Cavitação
Descrição do fenômeno
Como qualquer outro líquido, a água também tem a propriedade de vaporizar-se em determinadas condições de temperatura e pressão. E assim sendo temos, por exemplo, entra em ebulição sob a pressão atmosférica local a uma determinada temperatura, por exemplo, no nível do mar (pressão atmosférica normal) a ebulição acontece a 100oC. À medida que a pressão diminui a temperatura de ebulição também se reduz. Por exemplo, quanto maior a altitude do local menor será a temperatura de
ebulição (Tabela 4). Em conseqüência desta propriedade pode ocorrer o fenômeno da cavitação nos escoamentos hidráulicos.
Chama-se de cavitação o fenômeno que decorre, nos casos em estudo, da ebulição da água no interior dos condutos, quando as condições de pressão caem a valores inferiores a pressão de vaporização. No interior das bombas, no deslocamento das pás, ocorrem inevitavelmente rarefações no líquido, isto é, pressões reduzidas devidas à própria natureza do escoamento ou ao movimento de impulsão recebido pelo líquido, tornando possível a ocorrência do fenômeno e, isto acontecendo, formar-se-ão bolhas de vapor prejudiciais ao seu funcionamento, caso a pressão do líquido na linha de sucção caia abaixo da pressão de vapor (ou tensão de vapor) originando bolsas de ar que são arrastadas pelo fluxo. Estas bolhas de ar desaparecem bruscamente condensando-se, quando alcançam zonas de altas pressões em seu caminho através da bomba. Como esta passagem gasoso-líquido é brusca, o líquido alcança a superfície do rotor em alta velocidade, produzindo ondas de alta pressão em áreas reduzidas. Estas pressões podem ultrapassar a resistência à tração do metal e arrancar progressivamente partículas superficiais do rotor, inutilizando-o com o tempo.
Quando ocorre a cavitação são ouvidos ruídos e vibrações característicos e quanto maior for à bomba, maiores serão estes efeitos. Além de provocar o desgaste progressivo até a deformação irreversível dos rotores e das paredes internas da bomba, simultaneamente esta apresentará uma progressiva queda de rendimento, caso o problema não seja corrigido. Nas bombas a cavitação geralmente ocorre por altura inadequada da sucção (problema geométrico), por velocidades de escoamento excessivas (problema hidráulico) ou por escorvamento incorreto (problema operacional).
NPSH
Em qualquer cálculo de altura de sucção de bombas tem de ser levada em consideração que não deve ocorrer o fenômeno da cavitação e, para que possamos garantir boas condições de aspiração na mesma, é necessário que conheçamos o valor do NPSH ( net positive suction head ). O termo NPSH (algo como altura livre positiva de sucção ) comumente utilizado entre os fornecedores, fabricantes e usuários de bombas pode ser dividido em dois tipos: o requerido (NPSHr) e o disponível (NPSHd).
interior da bomba, isto é, que o NPSH disponível seja maior que o NPSH requerido, NPSHd^3 NPSHr. Teoricamente é recomendado uma folga mínima de 5%, ou seja, NPSHd^3 1,05 x NPSHr, sendo esta folga limitada a um mínimo de 0,30m, isto é, 1,05 x NPSHr^3 NPSHr + 0,30m.
Altura de sucção
Chama-se de altura de sucção a diferença entre as cotas do eixo da bomba e o nível da superfície livre da água a ser elevada, quando a água na captação está submetida à pressão atmosférica. Neste caso é função da pressão atmosférica do local (Tabela 3). Na realidade a altura de sucção não é limitada somente pela pressão atmosférica local, mas, também, pelas perdas de carga pelo atrito e pela turbulência ao longo da sucção e no interior da bomba até que o líquido receba a energia do rotor e, além disso, pela necessidade de evitar a cavitação. Como as condições de pressão atmosférica variam de acordo com a altitude do local e as de pressão de vapor com a temperatura do fluido a recalcar, os fabricantes não têm condições de fornecer a altura de sucção da bomba, mas devem apresentar a curva de variação do NPSHr, determinada nos laboratórios da indústria (V. Exemplo de cálculo na página seguinte).
Vórtice
Denomina-se de vórtice o movimento em espiral gerado a partir da superfície livre de um líquido quando este escoa por um orifício, quando este orifício encontra-se a uma profundidade inferior a um determinado limite. Como a entrada de água na sucção de um bombeamento assemelha-se a situação descrita, caso não sejam tomadas precauções, poderá haver condições favoráveis ao aparecimento do problema. O crescimento contínuo do vórtice pode dar origem a entrada de ar no interior da bomba provocando cavitação no interior da mesma. Portanto o dimensionamento poços de sucção deve ser efetuado de modo a impedir a entrada de ar nas instalações. Algumas recomendações são básicas para se evitar o fenômeno, a saber:
o o bocal de entrada da tubulação de sucção deve distar das paredes pelo menos duas vezes o diâmetro e submerso em pelo menos três vezes (mínimo de 0,50m); o o bocal deve ter forma alargada (boca de sino) quando não existir válvula de ou crivo e folga mínima para o fundo do poço de 0,5 a 1,5 vezes diâmetro da sucção;
o a largura (ou diâmetro) do poço de sucção multiplicada pela profundidade do líquido acima do bocal equivale a uma área, no mínimo, 10 vezes maior que a seção horizontal do mesmo poço; o a velocidade de aspiração seja inferior.
Escorvamento
Escorvar uma bomba é encher de líquido sua carcaça e toda a tubulação de sucção, de modo que ela entre em funcionamento sem possibilidade de bolhas de ar em seu interior. No caso de bombas com sucção positiva este escorvamento é mantido com a utilização das válvulas de pé, principalmente em sucções com diâmetros inferiores a 400mm, sendo o enchimento executado através do copo de enchimento para pequenas bombas e de by pass na válvula de retenção no recalque. Para grandes instalações recorrem-se às bombas de vácuo ou ejetores. Para grandes valores de NPSHr utilizam- se instalações com bombas afogadas ou submersas, onde temos o chamado auto- escorvamento.
Operacionalidade das Bombas Centrífugas
Ocorrências
As bombas centrífugas são equipamentos mecânicos e, portanto, estão sujeitas a problemas operacionais que vão desde uma simples redução de vazão até o não funcionamento generalizado ou colapso completo. Mesmo que o equipamento tenha sido bem projetado, instalado e operado, mesmo assim estará sujeito a desgastes físicos e mecânicos com o tempo. Os problemas operacionais podem surgir das mais diversas origens como imperfeições no alinhamento motor-bomba, falta de lubrificação ou lubrificação insuficiente ou qualidade inadequada do lubrificante, etc, colocação e aperto das gaxetas, localização do equipamento, dimensiona-mento das instalações de sucção e recalque, bem como suas próprias instalações, fundações e apoios na casa de bombas, qualidade da energia fornecida, etc.
Entrada de ar, sentido de rotação incorreta do rotor e entrada de sólidos no interior das bombas também não são ocorrências raras de acontecerem, principalmente nas fases iniciais de operação do bombeamento.
Independente de correções eventuais, anualmente devem ser providenciadas uma revisão geral no conjunto girante, no rotor e no interior da carcaça, verificar os intervalos entre os anéis, medir a folga do acoplamento, substituir as gaxetas, trocar o óleo e relubrificar os mancais. É claro que esse acompanhamento sistemático não dá garantias que não ocorrerá situações emergenciais, mas a certeza que este tipo de ocorrência será muito mais raro é inquestionável.
COMPRESSORES
Compressores: são utilizados para proporcionar a elevação da pressão de um gás ou escoamento gasoso. Nos processos industriais, a elevação de pressão requerida pode variar desde cerca de 1,0 atm até centenas ou milhares de atmosferas.
Há quem utilize ainda a denominação "sopradores" para designar as máquinas que operam com elevação de pressão muito pequena, porém superior aos limites usuais dos ventiladores. Tais máquinas possuem características de funcionamento típicas dos compressores, mas incorporam simplificações de projeto compatíveis com a sua utilização.
Compressores – Classificação Quanto Às Aplicações
As características físicas dos compressores podem variar profundamente em função dos tipos de aplicações a que se destinam. Dessa forma, convém distinguir pelo menos as seguintes categorias de serviços:
a. Compressores de ar para serviços ordinários; b. Compressores de ar para serviços industriais; c. Compressores de gás ou de processo; d. Compressores de refrigeração; e. Compressores para serviços de vácuo.
Os compressores de ar para serviços ordinários são fabricados em série, visando baixo custo inicial. Destinam-se normalmente a serviços de jateamento, limpeza, pintura, acionamento de pequenas máquinas pneumáticas, etc.
Os compressores de ar para sistemas industriais destinam-se às centrais encarregadas do suprimento de ar em unidades industriais. Embora possam chegar a ser máquinas de grande porte e custo aquisitivo e operacional elevados, são oferecidos em padrões básicos pelos fabricantes. Isso é possível porque as condições de operação dessas máquinas costumam variar pouco de um sistema para outro, há exceção talvez da vazão.
Os compressores de gás ou de processo podem ser requeridos para as mais variadas condições de operação, de modo que toda a sua sistemática de especificação, projeto, operação, manutenção, etc. dependem fundamentalmente da aplicação. Incluem-se nessa categoria certos sistemas de compressão de ar com características anormais. Como exemplo, citamos o soprador de ar do forno de craqueamento catalítico das refinarias de petróleo ("blower do F.C.C."). Trata-se de uma máquina de enorme vazão e potência, que exige uma concepção análoga a de um compressor de gás.
Os compressores de refrigeração são máquinas desenvolvidas por certos fabricantes com vistas a essa aplicação. Operam com fluidos bastante específicos e em condições de sucção e descarga pouco variáveis, possibilitando a produção em série e até mesmo o fornecimento incluindo todos os demais equipamentos do sistema de refrigeração.
Há casos, entretanto, em que um compressor de refrigeração é tratado como um compressor de processo. Isso ocorre nos sistemas de grande porte, em que cada um dos componentes é individualmente projetado. É o caso, por exemplo, dos sistemas de refrigeração a propano, comuns em refinarias.
Os compressores para serviços de vácuo (ou bombas de vácuo) são máquinas que trabalham em condições bem peculiares. A pressão de sucção é subatmosférica, a pressão de descarga é quase sempre atmosférica e o fluido de trabalho normalmente e o ar. Face à anormalidade dessas condições de serviço, foi desenvolvida uma tecnologia toda própria, fazendo com que as máquinas pertencentes a essa categoria apresentem características bastante próprias. (Há mesmo alguns tipos de bombas de vácuo sem paralelo no campo dos compressores.)