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Departamento de Engenharia Química e Engenharia de Alimentos
EQA 5313 - Operações Unitárias de Transferência de Quantidade de Movimento
Prof. Regina de Fátima Peralta Muniz Moreira e José Luciano Soares


 Bombas

ÍNDICE

Tipos de bombas
  Bombas de Deslocamento Positivo
        Bombas Alternativas
        Bombas Rotativas
  Bombas Centrífugas
Curvas características
Variação das curvas características
Curva característica do sistema
NPSH
Links interessantes
Questões Provão

BOMBAS

    Para deslocar um fluido ou mantê-lo em escoamento é necessário adicionarmos energia,  o equipamento capaz de fornecer essa energia ao escoamento do fluido é  denominamos de Bomba. 

ENERGIA ELÉTRICA Þ ENERGIA MECÂNICA Þ ESCOAMENTO

A energia adicionada:

- compensa perdas por atrito;
- contribui para aumento da velocidade, pressão ou altura do fluido.

Esta energia depende:

- da altura que o fluido é elevado (D Z);
- do comprimento da tubulação (L);
- do diâmetro da tubulação (D);
- da vazão (Q);
- propriedades físicas do fluido ( m , r ).

E = f(D Z,L,D,Q, m , r )

As bombas, compressores e ventiladores são avaliados em função de quatro características:
 

  1. Capacidade : quantidade de fluido descarregado por unidade de tempo, vazão-Q.
  2. Pressão : freqüentemente expressa em altura (H = D P/r g ).
  3. Potência : energia consumida por unidade de tempo, R .
  4. Eficiência : h = energia suprida ao fluido / energia absorvida pela bomba

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1. TIPOS DE BOMBAS.

 Bombas de deslocamento positivo: - alternativas (» 20 rpm);
                                                        - rotativas (» 100-150 rpm).

  Bombas centrífugas.
 

1.1. Bombas de Deslocamento Positivo.

- Impelem uma quantidade definida de fluido em cada golpe ou volta do positivo.
- Volume do fluido é proporcional velocidade.
 

1.1.a. Bombas Alternativas.

- Envolvem um movimento de vai-e-vem de um pistão num cilindro. Resulta num escoamento intermitente.
- Para cada golpe do pistão, um volume fixo do líquido é descarregado na bomba.
- A taxa de fornecimento do líquido é função do volume varrido pelo pistão no cilindro e o número de golpes do pistão por unidade do tempo.

 Ex: Bombas pistão e êmbolo ( alta pressão ).
 
 

Eficiência Volumétrica (hv):

h v =           volume deslocado         
                 volume total do cilindro

 volume real < volume total Þ devido a vazamentos ou enchimento incompleto do cilindro.

 h v > 95% para bombas bem ajustadas.
 
 

Eficiência Mecânica (hm):

h m =           Energia suprida ao fluido         
                 Energia suprida à bomba

 h m = < 100% , devido a perdas por atrito mecânico e atrito ao fluido.

* Podem ser :         -duplex, triplex, etc Þ O número de cilindro.

- simples ou duplo efeito ÞQuando utiliza um ou dois lados de seu volume para impelir o fluido.

 Do gráfico, tem-se as linhas correspondentes:

- Primeira: simplex, simples efeito;
- Segunda: simplex, duplo efeito;
- Terceira: duplex, duplo efeito.
 

Aplicações:

- bombeamento de água de alimentação de caldeiras, óleos e de lamas;
- imprimem as pressões mais elevadas dentre as bombas;
- pequena capacidade;
- podem ser usadas para vazões moderadas.

 

Vantagens:

  - podem operar com líquidos voláteis e muito viscosos
- capaz de produzir pressão muito alta.
 

Desvantagens:

 - produz fluxo pulsante;
- capacidade: intervalo limitado;
- opera com baixa velocidade;
- precisa de mais manutenção;

 

1.2.b. Bombas Rotativas.

- Dependem de um movimento de rotação.
- Resulta em escoamento contínuo.
 
 * O rotor da bomba provoca uma pressão reduzida no lado da entrada, o que possibilita a admissão do líquido à bomba, pelo efeito da pressão externa. À medida que o elemento gira, o líquido fica retido entre os componentes do rotor e a carcaça da bomba.
 
 Características:

- Provocam uma pressão reduzida na entrada (efeito da pressão atmosférica), e com a rotação, o fluido  escoa pela saída;
- Vazão do fluido: função do tamanho da bomba e velocidade de rotação, ligeiramente dependente da pressão de descarga;
- Fornecem vazões quase constantes;
- Eficientes para fluidos viscosos, graxas, melados e tintas;
- Operam em faixas moderadas de pressão;
- Capacidade pequena e média;
- Utilizadas para medir "volumes líquidos".
  

Tipos:

- Engrenagens ( para óleos);
- atuada externamente ( as 2 engrenagens giram em sentidos opostos);
- atuada internamente ( só um rotor motriz );
- Rotores lobulares: bastante usada em alimentos;
- Parafusos helicoidais ( maiores pressões);
- Palhetas: fluidos pouco viscosos e lubrificantes;
- Peristáltica: pequenas vazões, permite transporte asséptico.
  

Usos:

- Nas indústrias farmacêuticas, de alimentos e de petróleo.

1.2. Bombas Centrífugas.
 

Características:

- Opera com vazão constante;
- Simplicidade de modelo;
- Muito utilizadas na indústria: p
equeno custo inicial,manutenção barata e flexibilidade de aplicação;
- Permite bombear líquidos com sólidos em suspensão;

- Vazão desde 1 gal/min até milhares galões/min, e centenas psi;
- Constitui em duas partes : carcaça e rotor;
- O fluido entra nas vizinhanças do eixo do rotor e é lançado para a periferia pela ação centrífuga.
 

Energia Cinética : Aumenta do centro para a periferia do rotor ( ponta das palhetas propulsoras). Esta energia cinética é então convertida em pressão quando o fluido sai do rotor para a carcaça espiral ( voluta ou difusor ).
 

Þ Bomba centrífuga : Converte energia mecânica em energia cinética.

Rotor : É o coração da bomba. É constituído de diversas palhetas ou lâminas conformadas de modo a proporcionarem um escoamento suave do fluido em cada uma delas.

Carcaça : Transforma energia cinética em energia de pressão com pequena perda por turbulência

- serve de contentor para o fluido.
- oferece entrada e saída.

 

Tipos:

Voluta : o rotor descarrega fluido num canal de área de seção reta contínua e crescente. Aumentando a área, a velocidade diminui, reduzindo assim a formação de turbilhões.

Difusor : são aletas estacionárias que oferecem ao fluido um canal de área crescente desde o rotor até a carcaça.

Operação : a bomba centrífuga geralmente opera a velocidade constante e a capacidade da bomba depende somente da pressão total do projeto e das condições de sucção.

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2. CURVAS CARACTERÍSTICAS DE BOMBAS.
 

- Servem para descrever as características operacionais de um bomba.

- Permitem relacionar:

    - pressão descarga ( Hm, altura manométrica)
    - capacidade, Q.
    - eficiência, h .
    - potência, P.

Altura Manométrica: 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 um bomba centrífuga é que a pressão variará dependendo do r do fluido, mas a altura permanecerá a mesma.
 

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

     Para uma mesma carcaça, a intensidade das forças centrífugas geradas no rotor varia com as dimensões, forma e número de giros do rotor.

    Para determinado rotor, com forma, diâmetro e rotação definidos, a curva característica da bomba não muda, qualquer que seja o fluido bombeado.
 

ATENÇÃO!!! Curva Característica: depende somente da forma, diâmetro e velocidade de rotação (rpm), e independo do fluido. Para uma bomba operando com um fluido incompressível, sem cavitação, onde a geometria da bomba é específica, o aumento da pressão pode ser expressa como:

 D P = D P ( Qa, m b, rc, Nd, De )

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3. VARIAÇÃO DAS CURVAS CARACTERÍSTICAS.
 

a) Diâmetro do rotor (D) : forma e velocidade de rotação constantes ( rpm )

Q2 / Q1 » D2 / D1 Þ ­ D , ­ Q
H2 / H1 » (D2 / D1)2 Þ ­ D, ­ ­ H
P2 / P1 » (D2 / D1)3 Þ ­ D, ­ ­ ­ P

 

b) Rotação:

Q2 / Q1 » N2 / N1 Þ ­N, ­ Q
H2 / H1 » (N2 / N1)2 Þ ­ N, ­ ­ H
P2 / P1 » (N2 / N1)3 Þ ­ N, ­ ­ ­ P
 

 c) Forma do rotor :
Bombas para grandes alturas e pequenas vazões: rotores grandes mas aletas estreitas. Bombas para pequenas alturas e grandes vazões: rotores pequenos e aletas longas.
 

Exemplo 01 : Uma bomba com as características dadas na Fig. 21.17 (Foust) é usada para dar uma vazão de 350 gal/min a uma pressão de 80 ft. Qual o diâmetro do rotor que se deve usar? Qual a potência dissipada? (Pág. 521, Foust Fig. 21.17)

 Resolução :

diâmetro do rotor: entre 9 e 10 in.

rotor de 1750 rpm

d = 10" Þ válvula de controle para dissipar o excesso de energia injetado no sistema.

Potência = 11 Hp
 
h  = 67%

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4. CURVA CARACTERÍSTICA DO SISTEMA.
 

    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 + D h
 

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

Observações:

1.Altura Geométrica.

      Hg = Hs + Hr

Hs = altura estática de sucção;
Hr = altura estática de recalque.

2.Perda de Carga

D h = D hs + D hr

D hs = perda de carga na sucção;
D 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)
 

 

b) Curva Típica (Hg > 0)
 

 

  

c) Sistema por Gravidade (Hg < 0)
 

 

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

d) Tubulações em Série:

- A vazão é a mesma em todo percurso;
- As curvas são traçadas separadamente;
- A perda de carga total do sistema Þ somatório das perdas de carga para cada tubo de diâmetro Di.

 

 

 

e) Tubulações em Paralelo:
 

- Vazão total = S i.Qi
 

 

Q3 = Q1 + Q2
  

Ponto de Trabalho:
 

        Hm em Q=0, isto é, as bombas trabalham com as suas rotações nominais, mas com registros de recalques fechados ( perda de carga nula ).

        Abrindo gradualmente o registro a água começa a escoar ® acontece a perda de carga ( D h ) na altura manométrica ® logo a altura que se consegue bombear vai diminuindo progressivamente até o ponto de equilíbrio PT.

    Q Þ de 0 até Qt

    H Þ Hg até o valor de regime.
 

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5.  NPSH ( NET POSITIVE SUCTION HEAD) - Saldo Positivo de Carga de Sucção.
 

 Cavitação:

        Nas tubulações de sucção para elevar água a alturas manométricas de sucção positivas (Hs> 0) Þ funcionam com Poperação<Patm.

        Se na entrada da bomba P< Pvapor do líquido circulante, acontecem fenômenos prejudiciais ao funcionamento e à vida útil da máquina. Poderá formar "bolhas de vapor", capaz de interromper a circulação do fluido.

        As bolhas são arrastadas em direção à saída do rotor, ocorrendo violentas implosões que provocam ruídos desagradáveis (golpes ou marteladas), que destroem as paredes da carcaça e as paletas do rotor. Provocando queda acentuada do rendimento da bomba.

       Para evitar cavitação: todos os pontos do fluido Pvapor < P ou P > Pvapor.

        Reduzir ou eliminar cavitação: diminuir a velocidade da bomba.

 Balanço de Energia Mecânica : 
 

Se : u0 = 0
P0 = Patm
Z0 = 0
Z1 = Hs
DZ = Hs ( altura estática de sucção )
 

Seja :

lwf Þ Dhs = perda de carga por atrito na sucção;
D h* = perda ligada à geometria e tipo de rotor.
 

No lado da sucção:

m.g.Z0 .+m. u02 + m.Patm=m.g. Z1 +   m. u12+ m.P1 +D h
              2           r                            2           r 

Dividindo por mg:

 Z0 .+u02 + Patm= Z1  u12+   P1 + D h
         2      r .g            2.g      rg

Se  u0=0; z0=0; z1=HsDh=+Dhs

  1. P1-Patm + Hs 1. u12 + Dhs+ Dh*= 0
r.g                       2 .g         
 

 1 .P1 + 1. u12 Patm - Hs - Dhs - D h*    (1)
r.g      2.g         r.g

 

Definindo:

NPSH : diferença entre a carga estática na sucção e a carga correspondente à pressão de vapor do líquido na entrada da bomba.

NPSH disponível : (na instalação) é a carga residual disponível na instalação para sucção do fluido.
NPSH requerido : (pela bomba) é a carga exigida pela bomba para aspirar o fluido do poço de sucção Þ dado do fabricante.

NPSH = P1  u12 - Pv                                 ( 2 )
              r.g     2g     r.g 

 NPSH = P0 - ( hs + Pv + D hs + D h* )        ( 3 )
                r.g            r.g

 (NPSH)d = P0 - (hs + Pv + D hs )             ( 4 )
                    r.g            r.g

(NPSH)r = P0 - (hs + Pv + D h* )                ( 5 )
               r.g
         r.g

 (NPSH)d - Dh* = (NPSH)r - Dhs

Normalmente : Dh* >Dhs

Então : (NPSH)d > (NPSH)r

 Altura máxima de sucção :

 Da equação (1):

 hs = P atm -   (P1  u12+ lwf )                       ( 6 )
         r.g          r.g    2g

hsP atm -   (P1u12+ D hs + D h* )         ( 7 )
         r.g          r.g    2g

 Se P1 = Pv Þ hs máximo

hs máximo =  P atm - (Pv + u12+ lwf )            ( 8 )
                       r.g        r.g   2g

Portanto:

hs máximo = P0 - Pv - NPSH - Dhs          ( 9 )
                    r.g 

Exemplo 02 :       Calcular a altura máxima de sucção para bombear água. Desprezar as perdas de carga na sucção e a elevação da energia cinética.

Se desprezarmos: - perda de carga lwf = Dhs + D h*;

                                 - elevação de energia cinética.

 

Pv (30° C) = 0,031x105 N/m2
P atm = 1.013x105 N/m2
r água= 1000 kg/m3

hs máx = P0 - Pv ( u12- u02 ) - Dhs - Dh*
                 
r.g      2g

 hs máx = 1.013x105 - 0,031x105 = 10,01 m
                        9.81 x 1000

 Na prática hs máx = 6,00 m no máximo; pois, lwf e u1são diferentes de 0 (zero).
 
 

Exemplo 03 : Calcular a altura máxima de sucção para uma bomba acima do nível do mar ( Patm = 700mmHg = 9,5 m ) alimentando uma caldeira e recebendo água a 90° C de um pré-aquecedor. O fabricante indica NPSH = 5,5 m. Admitindo que  Dhs=1,2 m e Q = 9 L/s a pressão de vapor da água nas condições de sucção é 7,15 m.

 hs = P0 - Pv - NPSH - Dhs
              

hs = 9,5 - 7,15 - 5,5 - 1,2

hs = - 4,35 m Þ AFOGADA


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