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Este documento explica o funcionamento de bombas centrífugas, incluindo a importância da eficiência mecânica e custo, como o rotor, pressão, capacidade, e curvas de bomba. Além disso, discute a importância de equilibrar a pressão hidráulica no eixo da bomba e proteger a bomba contra vazamentos. O documento também aborda a importância de considerar o número de impulsores, tamanho e idade da bomba, e as pressões de entrada e saída.
Tipologia: Esquemas
Compartilhado em 01/12/2020
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b) Bombas Centrífugas - são aquelas em que a energia fornecida ao líquido é primordialmente do tipo cinética, sendo posteriormente convertida em grande parte em energia de pressão. Nas bombas centrífugas a movimentação do líquido é produzida por forças desenvolvidas na massa líquida de um rotor. Estas bombas caracterizam-se por operarem com altas vazões, pressões moderadas e fluxo contínuo. As bombas centrífugas se dividem em dois tipos:
Bombas são equipamentos que conferem energia de pressão aos líquidos com a finalidade de transportá-los de um ponto para outro. Nas bombas centrífugas, a movimentação do líquido é produzida por forças desenvolvidas na massa líquida pela rotação de um rotor. Este rotor é essencialmente um conjunto de palhetas ou de pás que impulsionam o líquido. O rotor pode ser aberto, fechado ou semi aberto. A escolha do tipo de rotor depende das características do bombeamento. Para fluidos muito viscosos ou sujos usam-se, preferencialmente, os rotores abertos ou semi abertos. Nestes casos, os rotores fechados não são recomendados devido ao risco de obstrução. Para uma bomba centrífuga funcionar é preciso que a carcaça esteja completamente cheia de líquido que, recebendo através das pás o movimento de rotação do impelidor, fica sujeito à força centrífuga que faz com que o líquido se desloque para a periferia do rotor causando uma baixa pressão no centro o que faz com que mais líquido seja admitido na bomba. O fluido a alta velocidade (energia cinética elevada) é lançado para a periferia do impelidor onde o aumento progressivo da área de escoamento faz com que a velocidade diminua, transformando energia cinética em energia de pressão. As bombas centrífugas caracterizam-se por operarem com vazões elevadas, pressões moderadas e fluxo contínuo.
1.4 Introdução Os principais requisitos para que uma bomba centrífuga tenha um desempenho satisfatório, sem apresentar nenhum problema,são:
Ilustração 1 - Trajetória do fluxo de líquido dentro de uma bomba centrífuga 1.5.2 Conversão da Energia Cinética em Energia de Pressão A energia criada pela força centrífuga, é energia cinética. A quantidade de energia fornecida ao líquido é proporcional à velocidade na extremidade, ou periferia, da hélice do impulsor. Quanto mais rápido o impulsor move-se, ou quanto maior é o impulsor, maior será a velocidade do líquido na hélice, e tanto maior será a energia fornecida ao líquido. Esta energia cinética do líquido, ganha no impulsor, tende a diminuir pelas resistências que se opõem ao fluxo. A primeira resistência é criada pela carcaça da bomba, que reduz a velocidade do líquido. No bocal de descarga, o líquido sofre desaceleração e sua velocidade é convertida a pressão, de acordo com o princípio de Bernoulli. Então, a carga desenvolvida (pressão, em termos de altura de líquido) é aproximadamente igual à energia de velocidade na periferia do impulsor. Esta carga pode ser calculada por leitura nos medidores de pressão, presos às linhas de sucção e de descarga. As curvas das bombas relacionam a vazão e a pressão (carga) desenvolvida pela bomba, para diferentes tamanhos de impulsor e velocidades de rotação. A operação da bomba centrífuga deveria estar sempre em conformidade com a curva da bomba fornecida pelo fabricante. Observação: Um fato deve ser sempre lembrado: uma bomba não cria pressão, ela só fornece fluxo. A pressão é justamente uma indicação da quantidade de resistência ao escoamento. 1.6 Partes de uma Bomba Centrífuga As bombas industriais são compostas de três grandes grupos de partes que se subdividem em estacionários, rotativos e auxiliares, mostrados na Ilustração 2 e detalhados a seguir.
Ilustração 2 - Componente gerais de uma Bomba Centrífuga 1.6.1 Componentes Estacionários 1.6.1.1 Carcaça As Carcaças geralmente são de dois tipos: em voluta e circular. Os impulsores estão contidos dentro das carcaças. a) Carcaças em voluta proporcionam uma carga mais alta; carcaças circulares são usadas para baixa carga e capacidade alta.
Ilustração 4 – Detalhe da Carcaça Circular e Localização dos Bocais de Sucção e Descarga 1.6.1.2 Bocais de Sucção lateral / Descarga lateral Os bocais de sucção e de descarga são localizados nos lados da carcaça perpendicular ao eixo. A bomba pode ter carcaça bipartida axialmente ou radialmente. 1.6.1.3 Câmara de vedação e Caixa de Enchimento Os termos câmara de lacre e caixa de enchimento, referem-se ambos a uma câmara acoplada ou separada da carcaça da bomba, que forma a região entre o eixo e a carcaça onde o meio de vedação é instalado. Quando o lacre é feito por meio de um selo mecânico, a câmara normalmente é chamada câmara de selo. Quando o lacre é obtido por empacotamento, a câmara é chamada caixa de recheio. Tanto a câmara de selo como a caixa de recheio, tem a função primária de proteger a bomba contra vazamentos no ponto onde o eixo atravessa a carcaça da bomba sob pressão. Quando a pressão no fundo da câmara é abaixo da atmosférica, previne vazamento de ar na bomba. Quando a pressão é acima da atmosférica, as câmaras previnem o vazamento de líquido para fora da bomba. As Câmaras de vedação e caixas de enchimento também podem ser disponíveis com arranjos de resfriamento ou aquecimento para controle da temperatura. A Ilustração 5 abaixo descreve uma câmara de selagem montada externamente, e suas diversas partes. Ilustração 5 - Partes de uma câmara de selagem simples a) Glândula: A glândula é uma parte muito importante da câmara de selo ou da caixa de recheio. Ela dá o empacotamento ou o ajuste desejado do selo mecânico na manga do eixo. Pode ser ajustada facilmente na direção axial. A
glândula consiste do selo, refrigeração, dreno, e portas da conexão do suspiro conforme os códigos de padronização. b) Bucha: O fundo, ou extremo interno da câmara, é provido com um dispositivo estacionário chamado bucha da garganta que forma uma liberação íntima restritiva ao redor da manga (ou eixo) entre o selo e o impulsor. c) Bucha do regulador de pressão é um dispositivo que restringe a liberação ao redor da manga (ou eixo), na extremidade externa de uma glândula do selo mecânica. d) Dispositivo circulante interno é um dispositivo localizado na câmara de selo para circular fluido da câmara de selo para um refrigerador ou um reservatório fluido. Normalmente é conhecido como anel de bombeamento. e) Selo mecânico: As características de um selo mecânico serão discutidas posteriormente f) Alojamento do mancal abriga os mancais montados no eixo. Os mancais mantêm o eixo ou rotor em alinhamento correto com as partes estacionárias sob ação de cargas radiais e transversais. O compartimento do mancal também inclui um reservatório de óleo para lubrificação, nível constante de óleo, e camisa para refrigeração por circulação de água. 1.6.2 Componentes Rotativos 1.6.2.1 Impulsor O impulsor é a parte giratória principal, que fornece a aceleração centrífuga para o fluido, ver Ilustração 6. Ilustração 6 - Tipos de Impulsores
1.6.2.2 Eixo O propósito básico do eixo de uma bomba centrífuga, é transmitir o torque de partida e durante a operação, enquanto apóia o impulsor e outras partes giratórias. Ele tem que fazer este trabalho com uma deflexão menor que a liberação mínima entre as partes giratórias e estacionárias. a) Luva do eixo: O eixo das bombas normalmente são protegidas de erosão, corrosão, e desgaste nas câmaras de selo, articulações de vazamento, mancais internos, e nas vias fluviais através de mangas renováveis. A menos que seja especificado o contrário, a manga de proteção do eixo é construída de material resistente a desgaste, corrosão, e erosão. A manga é lacrada em uma extremidade. O alojamento da manga do eixo se estende além da face exterior do prato da glândula de selo. (um vazamento entre o eixo e a manga não deverá ser confundido com vazamento pelo selo mecânico). Ilustração 7 - Uma visão de uma manga de eixo b) Junções: as junções podem compensar o crescimento axial do eixo e podem transmitir torque ao impulsor. Elas são classificadas, de modo geral, em dois grupos: rígidas e flexíveis. As junções rígidas são usadas em aplicações onde não há absolutamente nenhuma possibilidade ou espaço para qualquer desalinhamento. Junções de eixo flexíveis são mais propensas a erros de seleção, instalação e de manutenção. As junções flexíveis podem ser divididas em dois grupos básicos: elastoméricas e não-elastoméricas
tipo do tubo, quantidade e tipos de acessórios, vazão, e natureza do líquido. d) Carga de Pressão de vapor (hvp): Pressão de vapor é a pressão na qual um líquido e seu vapor coexistem em equilíbrio, a uma determinada temperatura. A pressão de vapor de líquidos pode ser obtido de tabelas de pressão de vapor. Quando a essa pressão é convertida para carga, ela é chamada carga de pressão de vapor, hvp. O valor de hvp de um líquido aumenta com o aumento da temperatura e, em efeito, opõe-se a pressão na superfície do líquido, a força positiva que tende a causar fluxo do líquido na sucção da bomba, isto é, reduz a carga de pressão de sucção e) Carga de Pressão (hp): A carga de pressão deve ser considerada quando um sistema de bombeamento começa, ou termina, em um tanque que está sob alguma pressão diferente da atmosférica. A pressão em tal tanque deve ser primeiro convertida a pés de líquido. Denotada como hp, a carga de pressão se refere a pressão absoluta na superfície do líquido no reservatório que fornece a sucção da bomba, convertida a pés de carga. Se o sistema é aberto, hp é igual a carga de pressão atmosférica. f) Carga de Velocidade (hv): Se refere à energia de um líquido como resultado de seu movimento a certa velocidade ' v '. É a carga, em pés, equivalente a altura pela qual a água teria que cair para adquirir a mesma velocidade, ou em outras palavras, é a carga necessária para acelerar a água. A carga de velocidade normalmente é insignificante e pode ser ignorada em sistemas de cargas mais altas. Porém, pode ser um fator grande e deve ser considerada em sistemas de cargas baixas. g) Carga de Sucção Total (HS): É a carga de pressão no reservatório de sucção (hpS) mais a carga estática de sucção (hS) mais a carga de velocidade na flange de sucção da bomba (hVS) menos a carga de fricção na linha de sucção (hfS). HS = hpS + hS + hvS – hfS h) A carga de sucção total é a leitura da medida manométrica no flange de sucção, convertida a pés de líquido. i) Carga Total de Descarga (Hd): É a carga de pressão de descarga no reservatório (hpd), mais a carga estática de descarga (hd) mais a carga de velocidade no flange de descarga da bomba (hvd) mais a carga de fricção total na linha de descarga (hfd). A carga de descarga total é a leitura de um manômetro no flange de descarga, convertida a pés de líquido Hd = hpd + hd + hvd + hfd j) Carga Diferencial Total (HT) É a carga de descarga total menos a carga de sucção total. HT = Hd + HS (quando o nível de aspiração abaixo está do eixo da bomba) HT = Hd HS
(com uma carga de sucção, i.e., nível acima do eixo) 1.7.3 NPSH Deve-se Ter sempre em mente que, em operações de bombeamento, a pressão em qualquer ponto da linha de sucção nunca deve ser menor que a pressão de vapor Pv do líquido bombeado na temperatura de trabalho, caso contrário haveria vaporização do líquido, com conseqüente redução da eficiência de bombeio. Neste caso, ocorreria cavitação no rotor da bomba pela implosão das bolhas de vapor. Este processo é acompanhado por elevado nível de ruído e vibração, e violenta corrosão das partes internas da bomba. Deste modo, para evitar estes efeitos negativos, a energia disponível para levar o fluido do reservatório até o bocal de sucção da bomba deverá ser a altura estática de sucção hs menos a pressão de vapor (expressa como coluna líquida) do líquido na temperatura de bombeio. Esta energia disponível é chamada Saldo de Carga de Sucção (em inglês, Net Positive Suction Head - NPSH). É necessário estabelecer uma diferença entre NPSH disponível (NPSHd) e NPSH requerido (NPSHr); o primeiro é característica do sistema no qual a bomba opera, enquanto que o NPSH requerido é função da bomba em si, representando a energia mínima que deve existir entre a carga de sucção e a pressão de vapor do líquido para que a bomba possa operar satisfatoriamente. Tanto o NPSH disponível quanto o requerido variam com a vazão do líquido; o NPSH disponível é reduzido com o aumento de vazão, devido ao aumento da perda de carga por atrito. O NPSH requerido, sendo função da velocidade do fluido no interior da bomba, aumenta com a vazão. Pelo que foi dito acerca do NPSH disponível e requerido, ficou claro que a bomba opera satisfatoriamente se: NPSHd NPSHr A NPSH disponível deve sempre ser maior que a NPSH requerida, para a bomba operar corretamente. É prática normal ter pelo menos 2 a 3 pés extras de NPSH disponível no flange de sucção, para evitar qualquer problema no ponto de interesse. 1.7.4 Potência e Eficiência
5 2 1 2 1 2 2 1 2 1 3 2 1 2 1 ^ ^ D D P P D D H H D D Q Q quando a única variação ocorre no diâmetro do impelidor e se estas variações são pequenas valem as seguintes relações: 5 1 1 2 1 1 1 1 ^ D D P P D D H H D D Q Q Natureza do fluido – as curvas fornecidas pelos fabricantes referem-se à operação com água. Ao operar com fluidos mais viscosos, as curvas sofrem alteração no sentido de um aumento da potência absorvida e uma redução de H. a eficiência também sofre alteração. Tamanho e idade da bomba – bombas geometricamente semelhantes também são teoricamente semelhantes. Numa série de bombas semelhantes, as menores são menos eficientes devido o aumento relativo das rugosidades e das folgas e imperfeições. A idade provoca desgastes nas bombas alterando as suas curvas características. 1.8 Curvas Características de uma Bomba Centrífuga: A capacidade e a pressão necessária de qualquer sistema, podem ser definidas com a ajuda de um gráfico chamado Curva do Sistema. Semelhantemente o gráfico de variação da capacidade com a pressão para uma bomba particular, define a curva característica de desempenho da bomba. Os fabricantes de bombas tentam adequar a curva do sistema, fornecida pelo usuário, com a curva de uma bomba que satisfaça estas necessidades tão proximamente quanto possível. Um sistema de bombeamento opera no ponto de interseção da curva da bomba com a curva de resistência do sistema. A interseção das duas curvas define o ponto operacional de ambos, bomba e processo. Porém, é impossível que um ponto operacional atenda todas as condições operacionais desejadas. Por exemplo, quando a válvula de descarga é estrangulada, a curva de resistência do sistema desloca-se para a esquerda, sendo acompanhada pelo deslocamento do ponto operacional.
Ilustração 8 - Curvas típicas do sistema e de eficiência da bomba. Construindo a curva do sistema: A curva de resistência do sistema ou curva de carga do sistema, é a variação no fluxo relacionada a 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. Representa a relação entre a vazão e as perdas hidráulicas em um sistema, na forma gráfica e, 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 outro acessórios, perdas de entrada e saída, e perdas por mudanças na dimensão do tubo, em conseqüência de amplificação ou redução do diâmetro. Desenvolvendo a curva de desempenho da Bomba: O desempenho de uma bomba é mostrado pela sua curva característica de desempenho, onde sua capacidade, i.e. a vazão volumétrica, é plotada contra a carga desenvolvida. A curva de desempenho da bomba também mostra sua eficiência (PME), a potência de entrada requerida (em HP), NPSHr, a velocidade (em rpm), e outras informações como o tamanho da bomba e o tipo, tamanho do impulsor, etc. Esta curva é construída para uma velocidade constante (rpm) e um determinado diâmetro de impulsor (ou série de diâmetros). Faixa Operacional Normal: Uma curva de desempenho típica é um gráfico da Carga Total versus Vazão volumétrica, para um diâmetro específico de impulsor. O gráfico começa com fluxo zero. A carga corresponde neste momento ao ponto de carga da bomba desligada. A curva então decresce até um ponto onde o fluxo é máximo e a carga mínima. Este ponto às vezes é chamado de ponto de esgotamento. A curva da bomba é relativamente plana e a carga diminui gradualmente conforme o fluxo aumenta. Este padrão é comum para bombas de fluxo radiais. Além do ponto de esgotamento, a bomba não pode operar. A faixa de operação da bomba é do ponto de carga desligado ao ponto de esgotamento. A tentativa de operar uma bomba
