UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSACENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE TECNOLOGIA DE ALIMENTOS

TAL 475 - Operações Unitárias

Deslocamento de Fluidos Deslocamento de Fluidos Deslocamento de Fluidos Deslocamento de Fluidos

–– Bombas Bombas --

Bombas

Máquinas que realizam trabalho sobre um fluido com afinalidade de deslocá-lo. Quando o fluido está noestado gasoso estas máquinas recebem nome comoventiladores, sopradores e compressores.

Classificação das BombasClassificação das Bombas

Dividem-se em 2 grandes grupos de acordo a forma como a energia é fornecida ao fluido.

Bombas cinéticas (centrífugas)Bombas cinéticas (centrífugas)

Bombas de deslocamento positivo

Bombas Centrífugas

Convertem a energia mecânica fornecida continuamentepor um rotor, em energia cinética cedida ao líquido aser bombeado. Esta energia é posteriormentetransformada em energia de pressão (potencial).

Aplicações

Usadas para instalações residenciais, alimentação decaldeiras, química,petroquímica, efluentes, etc.

Na Indústria de Alimentos é usada para transporte decaldo de cana, sucos, óleos, purês, etc.

As transformações de energia acontecem em virtude de duas partes principais da bomba: o impulsor e a voluta,

ou difusor .O impulsor é a parte giratória principal que converte a

energia do motor em energia cinética. Fornece a

Componentes da Bomba Centrífuga

energia do motor em energia cinética. Fornece a aceleração centrífuga para o fluido.

A voluta ou difusor, é a parte estacionária que converte a energia cinética em energia de pressão.

Obs:Todas as formas de energia envolvidas em um sistema de fluxode líquido, são expressas em termos de altura de coluna dolíquido, isto é, carga.

Componentes Gerais de uma Bomba Centrífuga

Feita geralmente em ferro fundido abriga o rotor em seu interior.Alimentos, fármacos, cosméticos: aço inox ou material sanitário.

As carcaças das bombas de escoamento radial podem seapresentar como CARACOL (voluta ou espiral) ou turbina (circular) e paraas bombas de escoamento axial e misto, o formato é geralmentecilíndrico. Transforma energia cinética em energia de pressão com

CARCAÇA OU CORPO DA BOMBA

Componentes da Bomba Centrífuga

cilíndrico. Transforma energia cinética em energia de pressão compequena perda por turbulência.

Componentes da Bomba Centrífuga

Bombas Centrífugas

Princípio de funcionamento

Descarga

CarcaçaO fluido entra axialmente e circularadialmente. O impulsor girarapidamente dentro da carcaça e seumovimento produz uma zona de vácuo

SucçãoSucção Voluta

Pás

Rotor

movimento produz uma zona de vácuo(no centro) e outra de alta pressão (naperiferia). O fluido é lançado pelas pásdo rotor e pela ação da forçacentrífuga para a periferia da bomba e,daí, para o tubo de elevação.

A voluta é tipo um funil encurvado que aumenta a área no ponto dedescarga. Como a área da seção transversal aumenta, a voluta reduz avel. do líquido, convertendo a Ec em outras formas de E (Eg, Ep,...).

O fluido entra no centro da carcaça devido ao vácuo e é aceleradopelas pás do rotor que gira a alta velocidade. Pela ação da forçacentrífuga, o fluido é descarregado na voluta ou no difusor, onde édesacelerado devido à expansão da seção de escoamento. AEcinética é convertida em, outras formas de E, como Epressão.

Bombas Centrífugas

BOMBA CENTRÍFUGA EM CORTE

Tipos de escoamento:

Axial : Descarrega o fluido na periferia axialmente (adequado para altas vazões, mas desenvolve baixas pressões)

Radial : Descarrega o fluido na periferia radialmente (desenvolve altas

Bombas Centrífugas

pressões, mas só é adequado para baixas vazões)

Bomba centrífuga de fluxo radial

ROTOR ou IMPULSOR : Pode ser de ferro fundido, bronze ou inox, dependendo das condições de emprego.

As bombas podem ter rotores do tipo aberto, semi-aberto efechado.

Tipos de rotores:

Para líquidos que não contém substâncias em suspensão.

O rotor fechado tem as pás compreendidas entre doisdiscos paralelos, podendo ter entrada de um só lado (sucçãosimples) ou de ambos os lados .

Tipos de Rotores

ROTOR FECHADO

simples) ou de ambos os lados .

É mais eficiente que os outros tipos, porém é recomendadopara água limpa.

Rotor aberto e semi- aberto

No rotor semi-aberto, as pás são fixadas de um lado num mesmo disco,

ficando o outro lado livre.

Estes dois tipos de rotores destinam-se a bombear líquidos viscosos ou

sujos (com partículas sólidas em suspensão), pois dificilmente são

Tipos de Rotores

sujos (com partículas sólidas em suspensão), pois dificilmente são

obstruídos. Ex: pastas, produtos arenosos, lamas, esgotos sanitários, etc.

Desvantagem: sofrer maior desgaste.

A bomba centrífuga deve ser escorvada antes de funcionar (a linha de sucção

Bombas Centrífugas

funcionar (a linha de sucção deve estar cheia de líquido). Quando a bomba tem ar, a pressão desenvolvida é muito pequena devido à baixa densidade do ar.

Bomba auto-escorvante

Vantagens :

a) Construção simples

b) Baixo custo

c) Fluido é descarregado a uma pressão uniforme, sem pulsações

Bombas Centrífugas

d) Permite bombear líquidos com sólidos

f) Pode ser acoplada diretamente a motores

g) Não há válvulas envolvidas na operação de bombeamento

h) Menores custos de manutenção que outros tipos de bombas

i) Operação silenciosa (depende da rotação)

Obs: Na IA é usada para alimentos com baixo teor de sólidos comocaldo de cana, sucos de uva, óleos, azeites, leite, etc.

Desvantagens :

a) Não servem para altas pressões

Bombas Centrífugas

b) Sujeitas à incorporação de ar, precisam ser escorvadas

c) A máxima eficiência da bomba ocorre dentro de umcurto intervalo de condições

d) Não bombeia eficientemente líquidos muito viscosos

A energia é fornecida periodicamente, mediantesuperfícies sólidas móveis, que deslocam porções defluído desde a sucção até a linha de descarga. A pressãode saída é regulada por válvulas de descargaunidirecionais.

Bombas de Deslocamento Positivo

unidirecionais.

Princípio de funcionamento

As bombas de deslocamento positivo liberam umdeterminado volume de fluido de acordo com a velocidadedo sistema. Impelem uma quantidade definida de fluidoem cada golpe ou volta do positivo.

Bombas alternativas de pistão e êmbolo são usadas paradeslocamento de fluidos clarificados e limpos, não são usadas paralíquidos abrasivos. São utilizadas para altas pressões. A maioraplicação das bombas alternativas é a dosificação de produtosquímicos, mediante as chamadas “bombas dosificadoras”.

Bombas de Deslocamento Positivo

Aplicações

químicos, mediante as chamadas “bombas dosificadoras”.

Bombas alternativas de diafragma são usadas para líquidosviscosos, soluções alcalinas, polpas, etc.

Bombas rotativas usadas principalmente no bombeamento delíquidos pastosos ou muito viscosos, mas não abrasivos ebombeamento de óleo combustível para queima de caldeiras, fornos,etc.IA: Purês de frutas, chocolate, geléias.

Envolvem um movimento de vai-e-vem de um pistão numcilindro. Para cada golpe do pistão, um volume fixo do líquido édescarregado na bomba. A taxa de fornecimento do líquido éfunção do volume varrido pelo pistão no cilindro e o número degolpes do pistão por unidade do tempo.

Bombas Alternativas de PistãoBombas Alternativas de Pistão

golpes do pistão por unidade do tempo.

� imprimem as pressões mais elevadas dentre as bombas; � podem ser usadas para vazões moderadas; � podem operar com líquidos voláteis e muito viscosos; � capaz de produzir pressão muito alta; � opera com baixa velocidade; � precisa de mais manutenção.

Quando o pistão se desloca para a esquerda, a pressão no cilindro sereduz, a válvula de retenção na linha de sucção se abre e o líquidoentra. Quando o pistão chega ao final do cilindro, o movimento seinverte e o pistão se desloca para a direita. Aumenta a pressão nocilindro e a válvula de admissão fecha. A válvula de descarga se abre eo líquido sai pressurizado.

Bombas Alternativas de PistãoBombas Alternativas de Pistão

o líquido sai pressurizado.

Linha de descarga

Válvulas de retenção

Linha de sucção

Pistão

cilindro

Bombas de DiafragmaBombas de Diafragma

Funcionam como bombas de pistão. O movimentoé alternativo e provocado por um elemento flexívelde metal, borracha ou plástico. É adequada parafluídos tóxicos e corrosivos pois se elimina ofluídos tóxicos e corrosivos pois se elimina ocontato do líquido com os selos mecânicos.

Bombas RotativasBombas Rotativas

O deslocamento mecânico do líquido é produzido éproduzido pela rotação de um ou mais elementos(lóbulos , palhetas, engrenagens ) dentro de uma câmara.

Dentre as bombas rotativas, a de lóbulos é a mais amplamente usadana indústria de alimentos.na indústria de alimentos.

Bombas RotativasBombas Rotativas

Tipos: - Engrenagens ( para óleos); - 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.

Engrenagens: o fluído é retido entre osdentes da engrenagem e levado por suamovimentação até a descarga. Fluidosviscosos e não abrasivos, purês, geléias,chocolates.

Bombas Sanitárias

As bombas sanitárias são especificamente projetadaspara manusear alimentos. Conseqüentemente devempreencher uma série de requisitos para seremadequadas:

� Altamente resistentes à corrosão;

� Facilmente desmontáveis para limpeza;

� Não provocam a formação de espuma;

� O sistema de lubrificação não deve contaminar o alimento;

� O atrito entre as partes internas deve ser mínimo para não haver

incorporação de elementos metálicos no alimento.

• O desenho mecânico das superfícies deve apresentarcurvas suaves, sem espaços mortos, nos quais oalimento possa acumular-se.

• O sistema de gaxetas ou o selo mecânico deve vedarperfeitamente a carcaça.

Bombas Sanitárias

perfeitamente a carcaça.

Condições Ótimas de Utilização das BombasCondições Ótimas de Utilização das Bombas

Todas as bombas têm condições ótimas de utilização, ouseja, são mais adequadas para um determinado tipo defluido, em uma faixa de pressão e a uma dada vazãovolumétrica.

As bombas centrífugas são construídas de modo afornecerem uma ampla faixa de vazões, desde unspoucos L/min até 3.104 L/min. As pressões de descargapodem atingir algumas centenas de atmosferas. Elastrabalham com líquidos límpidos, líquidos com baixo teorde sólidos e que não seja muito viscoso (500 centi-Stokes).

As bombas alternativas de pistão só podem ser utilizadaspara deslocamento de fluidos clarificados e limpos, nãopodendo manusear fluidos abrasivos. São utilizadas paraaltas pressões, que somente são alcançadas para essestipos de bombas, porém fornecem baixas vazões.

Condições Ótimas de Utilização das BombasCondições Ótimas de Utilização das Bombas

tipos de bombas, porém fornecem baixas vazões.

Por outro lado, as bombas de diafragma são específicaspara líquidos corrosivos, soluções alcalinas, polpas, líquidosbiológicos, etc.

As bombas rotativas são especificamente indicadas parafluidos viscosos, porém não abrasivos. Por isso são usadas,especialmente, com sucos concentrados, chocolate egeléias.

Fatores que influenciam a Escolha da Bomba

a) Vazão volumétrica do fluido a ser transferido

b) Energia a ser vencida no sistema: cinética + potencial + pressão + atrito

c) Propriedades do fluido:

• Temperatura• Deformação devido ao cisalhamento• Densidade• Natureza corrosiva ou erosiva do líquido• Necessidades higiênicas: limpeza e agentes esterilizantes

� As bombas cinéticas para operarem satisfatoriamente, requeremlíquidos livres de vapor na linha de sucção, à entrada do rotor. Se apressão dentro da bomba cai abaixo da pressão de vapor do líquido,haverá a formação de bolhas de vapor nesse local.

Definições

� Este fenômeno é chamado cavitação e pode reduzir a eficiênciada bomba causando ruído, vibrações, fratura do rotor, da carcaça,etc.

� Para evitar a cavitação as bombas necessitam de uma certaquantidade de energia no sistema de sucção, conhecido comoNPSH (altura de sucção líquida positiva ou pressão na região desucção).

NPSH (Net Positive Sucction Head): pressão residual comque o fluido chega na entrada da bomba que vai fazer comque a pressão do fluido no interior da bomba não atinja apressão de vapor do fluido.NPSHrequerido: pressão requerida pela bomba para que a

Definições

NPSHrequerido: pressão requerida pela bomba para que amesma funcione.NPSHdisponível: pressão com que o fluido chega até a entradada bomba (energia que o tipo de instalação fornece aofluido).

Obs.: para que a bomba funcione sem cavitação é necessárioque o NPSHdisponível seja 10% maior que o NPSHrequerido.

A cavitação é uma situação que pode ocorrer em qualquer tipo debomba. As causas comuns da cavitação são: a diminuição dapressão de sucção, NPSH insuficiente , ou operação a velocidadesmuito altas.

O líquido a bombear poderá ser vaporizado se atingir uma região ondea pressão é menor que a sua pressão de vapor. Se esta região existir

Definições

a pressão é menor que a sua pressão de vapor. Se esta região existirno interior (rotor) da bomba ocorrerá o consumo de energia para avaporização do líquido e a conseqüente liberação desta energia serána periferia da bomba ( ou região de elevada pressão). Neste localhaverá a implosão das bolhas provocando desgaste (erosão) e ruídos(martelamento) na carcaça. Pode ocorrer a quebra do rotor.

A cavitação diminui a eficiência, desgasta os metais das pás do rotor, geravibração mecânica e ruído.

Altura de Sucção Disponível (NPSH)

O NPSH é definido como:

sucçãosucçãova

disponível zg

F

g

PPNPSH ∆

Σρ

−−−

= sucção

Pa = pressão na região de sucção,Pv = pressão de vapor do líquido,ΣF = perdas de carga na sucção,∆z = diferença entre o nível do reservatório eo nível de sucção da bomba.

ggρ

Considerando a bomba, observa-se que abaixo de umcerto valor de NPSH ela começa a cavitar. Osfabricantes fornecem este valor de NPSH requerido pelabomba, em função da vazão. Assim, a cavitação ocorrequando:

Altura de Sucção Disponível (NPSH)

quando:

NPSH disponível no sistema ≤≤≤≤ NPSH requerido pelabomba

Portanto, deve-se operar o sistema a uma altura desucção disponível maior que a requerida pela bomba.

NPSH disponível no sistema > NPSH requerido pelabomba (mínimo 10%).

Exercício

Bombeia-se água a 60°C numa tubulação de ferro galvanizado d e1½ in de diâmetro, série 40, a uma vazão de 1,5 L/s. o fabricanteinforma que o NPSH da bomba é de 3 m, para essa vazão. Apressão do local de bombeamento é 710 mmHg. A pressão devapor é de 1,98x104 N/m2. As perdas friccionais na tubulação nasecção de sucção são de 11,56 J/kg. Ocorrerá cavitação?

(2)

(1)

5 m2 m

6 m

1 m

1 m

3 m

(2)

Conceitos: Altura de ProjetoConceitos: Altura de Projeto

Para se dimensionar uma bomba aplica-se o balanço de energiamecânica entre dois pontos do sistema de escoamento.

1

2

Balanço de energia mecânica:

-- Ws = (PWs = (P22--PP11)/)/ρρ + (v+ (v2222--vv11

22)/2)/2αα + + (Z(Z22 –– ZZ11)g)g ++ ΣF

Balanço de energia mecânica:

PP22 vv2222 PP11 vv1

2

-- Ws = ( Ws = ( -------- + + -------- + g Z+ g Z22 ) ) –– ( ( -------- + + -------- + g Z+ g Z11 ) + ) + ΣΣFFρρ 22α ρρ 22αα

Ou ainda:

Conceitos: Altura de ProjetoConceitos: Altura de Projeto

Dividindo por g, temos:

g

W

g

F

g2

vz

g

P

g2

vz

g

P 21

11

22

22 −=+

++−

++ Σ

αραρ

Na equação final, cada um dos termos tem dimensãode altura (comprimento). É usual encontrar o balanço deenergia expresso dessa forma na literatura sobre bombas.

W/g = altura de projeto da bomba. Energia total a serfornecida pela bomba, em termos de comprimento, ouseja, de caminho a percorrer pelo fluido.

Conceitos: Altura de ProjetoConceitos: Altura de Projeto

A altura de projeto é o trabalhoque deve ser fornecido ao fluidopara obter-se a vazão de projeto.

É interessante avaliar como variaÉ interessante avaliar como variaa altura de projeto em função davazão para diversos tipos desistemas.

Assim é comum cada um dos termos ser considerado como altura

(energia é expressa em termos de unidades de comprimento).

Portanto, P/ρg é a altura de pressão, v2/2αg é a altura de velocidade, z é

a altura de posição, -W/g é a altura total a ser fornecida pela bomba e

E /g é a altura de atrito.

Conceitos: Altura de ProjetoConceitos: Altura de Projeto

Ef /g é a altura de atrito.

Pode-se então definir:

Altura na descarga (m):

Altura na sucção (m):

g2

vz

g

PH

22

22

2 αρ++=

g2

vz

g

PH

21

11

1 αρ++=

Substituindo as expressões na equação do balanço deenergia mecânica obtém-se:

Altura de projeto: -W/g = H pro

Conceitos: Altura de ProjetoConceitos: Altura de Projeto

A altura de projeto é o trabalho (em unidade decomprimento) que deve ser fornecido ao fluido paraobter-se a vazão de projeto. É interessante avaliar comovaria a altura de projeto em função da vazão paradiversos tipos de sistemas.

HH propro == (H(H22 -- HH11)) ++ ΣΣFF /g/g

Exercício

Um fluido alimentício a 100°F é transportado por uma linha deprocessamento de um tanque1 de grandes dimensões para umtanque2 a 40 gal/min. A pressão manométrica na linha de descarga éde 50 lbf/in2. O ponto de descarga está a 10 ft acima do nível dolíquido no reservatório1. A bomba está localizada a 4 ft acima do níveldo líquido no reservatório1. A tubulação da linha de descarga é de 11/2do líquido no reservatório1. A tubulação da linha de descarga é de 11/2in, série 40. As perdas por fricção na seção de sucção são de 0,5lbf/in2 e na linha de descarga são de 5,5 lbf/in2. A eficiência da bombaé n = 60%. A ρ fluido é de 54 lbm/ft3 e a pressão de vapor é de 3,8lbf/in2 a 100°F. O NPSH requerido é 10 ft.

a) A altura de projeto da bomba (H); H = -Ws/g;

b) A potência da bomba; P = Wp.m; Wp=-Ws/(eficiência da bomba);

c) A bomba é adequada para o serviço? Comparar NPSH disp. e req.

Resolução

s12

12cc

21

22 WF

PP)zz(

g

g

g2

vv −=+−+−+− Σρα

Sistema Inglês: todos os termos em lbf.ft/lbm

ft.lbm174,32g = 22 ft/lbf144in/lbf 1 =

2c s.lbf

ft.lbm174,32g = 22 ft/lbf144in/lbf 1 =

22aatm1 ft/lbf8,2116in/lbf7,14PPP ====

222 ft/lbf8,9316in/lbf)7,1450(P =+=

lbm/ft.lbf33,133lbm.ft

ft.lbf

54

8,21168,9316PP2

312 =

−=−ρ

Resolução

s/ft3,6A

Vv

ft01414,0A

s/ft0891,0min/gal40V

2

2

3

==

=

==

&

&

2222

0v1 =

lbm/ft.lbf6168,0ft.lbm

s.lbf

s

ft

174,32.2

3,6

g2

v 2

2

22

c

22 ==

α

lbm/ft.lbf10ft10.ft.lbm

s.lbf

s

ft

174,32

174,32)zz(

g

g 2

212c

==−

22 ft/lbf864in/lbf)5,55,0( carga de Perdas =+=

Resolução

lbm/ft.lbf16lbm

ft

ft

lbf

54

864 3

2 F ==Σ

lbm/ft.lbf95,1591633,133106168,0Ws −=−−−−=

a)

lbm/ft.lbf72,265lbm

ft.lbf

6,0

95,159WW s

p ==−

=η

s

ft.lbf5,127854.0891,0.72,265.V.Wm.WP pp ==== ρ&&

ft4,159g

g.WH cs =−=

Resolução

hp32,2550

5,1278P

s/lbf.ft550hp1

==

=b)

sucçãocsucçãocva

disp zg.g

F

g

g)PP(NPSH ∆

Σρ

−−−

=

ft0667,29ft

s

s.lbf

ft.lbm

174,32

174,32

lbm

ft

ft

lbf

54

)2,5478,2116(

g

g)PP( 2

2

3

2cva =−=

−ρ

Resolução

ft333,1sft.lbm174,32lbf.ft

333,1g.F 2

sucção ==Σ

22sucção ft/lbf72in/lbf5,0F ==Σ

lbm

lbf.ft333,1

lbm

ft

ft

lbf

54

72 3

2=

ft333,1ft

s

s.lbf

ft.lbm

174,32

174,32

lbm

lbf.ft333,1g.

g

F2c

sucção ==Σ

ft73,234333,10667,29NPSHdisp =−−=

Assim, não ocorrerá cavitação. A bomba é adequada para o serviço.

c)