ATPS de Fluidomecânicos

7/28/2019 ATPS de Fluidomecnicos

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1 INTRODUO

A cavitao em bombas centrfugas o resultado da formao de bolhas

de vapor do fluido bombeado na regio de suco do equipamento. Essas

bolhas de vapor formadas entraro, posteriormente, em colapso, ocasionando

na remoo de pedaos de alguns componentes, especialmente, o rotor,

corroso, queda de desempenho, vibraes, rudo excessivo, enfim, pode-se

diagnosticar que os efeitos da cavitao so visveis, mensurveis e, at

mesmo, audveis.

Neste trabalho, alm de analisar o fenmeno da cavitao, tambm

sero apresentados os aspectos de funcionamento, classificao e

caractersticas construtivas das bombas centrfugas.

1.1 Justificativa

Este tema foi escolhido, principalmente, pelo fato da cavitao tratar-se

de um fenmeno importante cientificamente, tecnicamente e economicamente.

Cientificamente interessante, pois envolve processos de mudana de fase de

um fluido. Tecnicamente importante, porque o escoamento do fluido com

cavitao provoca alteraes nos parmetros hidrulicos e dinmicos da

bomba. Economicamente custoso, porque a cavitao proporciona perda de

eficincia dos equipamentos e, consequentemente, aumento de custos na

produo dos itens.

Um dos fatores que tornaram a realizao dessa atividade vivel, sem

dvida, foi o vnculo formal que um dos integrantes do grupo possui com uma

empresa fornecedora de sistemas de bombeamento industriais. Isso facilitou,

consideravelmente, a coleta de informaes, que trouxeram mais confiabilidade

ao estudo.

Basicamente, este trabalho torna-se original e diferenciado dos demais

por apresentar, de maneira simples e clara, um estudo criterioso sobre o

fenmeno da cavitao em bombas centrfugas.


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1.2 Objetivo

Constitui como objetivo geral deste trabalho a anlise do processo de

cavitao em bombas centrfugas. J os objetivos especficos podem ser

representados como a definio do fenmeno da cavitao, a verificao de

suas consequncias no sistema de bombeamento e tambm a apresentao

dos mtodos para amenizar ou ainda prevenir seus efeitos.

2 FUNDAMENTAO TERICA

Para uma perfeita compreenso desse trabalho, indispensvel que

seja apresentado, inicialmente, alguns conceitos bsicos sobre bombas

centrfugas.

2.1 Bombas centrfugas

As bombas centrfugas so equipamentos hidrulicos que tm como

princpio de funcionamento a fora centrfuga atravs de palhetas e impulsores

que giram no interior de uma carcaa estanque, jogando o fluido do centro para

a periferia do conjunto girante (API, 1995).

Graas sua flexibilidade operacional so usadas em inmeras

aplicaes, como: abastecimento de gua, sistemas de irrigao, centrais

termoeltricas, industriais (petroqumicas, minerao, txtil, papel e celulose,

siderurgia, entre outros), estaes de tratamento, sistemas de drenagem,

centrais de refrigerao e sistemas de combate incndio.

2.2 Peas e componentes

Os componentes que formam uma bomba centrfuga podem ser

subdivididos em trs grandes grupos: estacionrios, rotativos e auxiliares.


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Figura 1: Bomba centrfuga em corte

2.2.1 Componentes estacionrios

Descrevemos a seguir os principais elementos estacionrios de uma

bomba, como a carcaa, os bocais de suco e descarga, a cmara de

vedao e os mancais.

2.2.1.1 Carcaa

A principal funo de uma carcaa a de conter o fluido. Existem dois

tipos de carcaa: em voluta e circular. A voluta um funil encurvado que

aumenta a rea no ponto de descarga. Como a rea da seo transversal

aumenta, a voluta reduz a velocidade do lquido e aumenta a sua presso. J a

carcaa circular tem palhetas defletoras estacionrias, em volta do rotor, que

permitem a converso da energia cintica em energia de presso.

As carcaas tambm podem ser classificadas como slidas ou

bipartidas. A carcaa slida implica que toda a carcaa, incluindo o bocal de

descarga, compe uma nica pea, fundida ou usinada. J a carcaa com

partio pode ser denominada como bipartida axialmente (diviso no plano

horizontal) ou radialmente (diviso no plano vertical).


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2.2.1.2 Bocais de suco e de descarga

Os bocais de suco e de descarga (tambm conhecido como bocal de

recalque) representam, respectivamente, a entrada e a sada do fluido na

bomba.

2.2.1.3 Cmara de vedao

A cmara de vedao tem a funo primria de evitar vazamentos no

ponto onde o eixo atravessa a carcaa da bomba. Essa vedao pode ser feita

atravs de um selo mecnico (cmara de selo) ou um conjunto de gaxetas

(cmara de recheio).

2.2.1.4 Mancais

Sua funo a de sustentar o eixo, gerando pouco atrito. A maioria das

bombas utiliza mancais de rolamentos, quando as condies operacionais

acarretam uma vida curta dos rolamentos, os projetistas os substituem por

mancais de deslizamento (metal patente).

2.2.2 Componentes rotativos

Abaixo, esto as descries dos componentes rotativos (rotor e eixo).

2.2.2.1 Rotor (Impelidor)

O rotor a parte giratria principal, que fornece energia ao fluido sob a

forma de presso e de velocidade. Segundo Digenes Ganghis (2004), o rotor

de uma bomba centrfuga pode ser classificado de diferentes formas:

a) Baseado na direo principal do fluxo em relao ao eixo de rotao

Fluxo axial: quando a direo do fluido bombeado paralela aoeixo de rotao.


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Fluxo radial: quando a direo do fluido bombeado

perpendicular ao eixo de rotao.

Fluxo misto: quando a direo do fluido bombeado inclinado ao

eixo de rotao.

b) Baseado no tipo de suco

Suco simples: entrada do fluido em um lado.

Dupla suco: entrada do fluido em ambos os lados.

c) Baseado na construo mecnica

Fechado: suas palhetas ficam enclausuradas entre duas paredes,

o tipo mais utilizado e apresenta melhor rendimento do que os

demais.

Aberto: no possui paredes laterais e usado, normalmente, para

bombeio de produtos viscosos.

Semiaberto: no possui parede frontal e, tipicamente, usado

para fluidos sujos ou com elevada quantidade de slidos em

suspenso.

Figura 2: Tipos de rotor baseado na construo mecnica


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2.2.2.2 Eixo

O propsito bsico do eixo transmitir o torque do acionador ao rotor, o

qual lhe fixado. Geralmente, o eixo de uma bomba centrfuga protegido por

luvas renovveis resistentes ao desgaste, corroso e eroso.

2.2.3 Componentes auxiliares

Os componentes auxiliares incluem tubulaes, vlvulas, medidores de

temperatura e presso, indicadores de fluxo e sistemas de lubrificao e

refrigerao da bomba.

2.3 Classificao

As bombas centrfugas podem ser classificadas, basicamente, de acordo

com as seguintes caractersticas:

a) Posio da linha de centro do eixo em relao ao solo

Horizontal

Vertical

b) Tipo de carcaa

Voluta

Circular

c) Tipo de rotor

Aberto

Semiaberto

Fechado

d) Nmero de estgios

Simples-estgio: possui um nico rotor.

Multi-estgios: possui mais de um rotor.


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2.4 Princpio de funcionamento

De acordo com Jairo Torres da Silva (2008), a denominao bomba

centrfuga caracteriza o movimento de centrifugao do fluido pelo(s) rotor(es).

Acionada mecanicamente por um eixo rotativo acoplado bomba, a rotao do

rotor transfere energia cintica para o fluido. Com o escoamento do fluido no

interior da carcaa, a energia cintica novamente convertida em energia

potencial de presso no bocal de descarga da bomba. Estas aes empregam

os conceitos de conservao de energia para os fluidos (Princpio de Bernoulli).

2.5 Grandezas caractersticas

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, assim implicando em um rendimento caracterstico. Portanto,

estas so as grandezas caractersticas das bombas centrfugas, ou seja, vazo

(Q), altura manomtrica (H), rendimento () e potncia (P).

2.5.1 Vazo volumtrica (Q)

Segundo Rogrio Campos (2006, p.28) a vazo volumtrica o volume

de fluido que passa numa determinada seo do tubo na unidade de tempo.

A vazo tambm pode ser calculada ao multiplicar a velocidade mdia

de escoamento do fluido pela rea da seo transversal da tubulao.

Geralmente, expressa em gales por minuto (gpm) ou metros cbicos por

hora (m3/h). A vazo de uma bomba centrfuga depende de fatores como:

caractersticas do fluido em processo, dimenses do rotor e dos bocais de

entrada e sada, velocidade de rotao do rotor e presso de trabalho.

2.5.2 Altura manomtrica (H)

A altura manomtrica (H) tambm conhecida como carga da bomba,head (em ingls), ou ainda MCL (metros de coluna de lquido). Normalmente,


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definida como a energia cedida pela bomba por unidade de peso, sendo

representada por uma unidade de comprimento. A altura manomtrica, em um

determinado ponto da tubulao, formada pela soma de energia de trs

parcelas: energia de presso, energia cintica e energia potencial. Manoel

Simes (2008) define, de forma simplificada, a altura manomtrica pela

frmula:

H = { [ 10.(Pd-Ps) ] / }

Onde:

Pd Presso de descarga

Ps Presso de suco

Peso especfico do fluido

2.5.3 Rendimento ()

O rendimento a relao entre a potncia fornecida pela bomba ao

fluido (potncia til) e a potncia cedida bomba pelo acionador (potncia

motriz). A bomba centrfuga recebe energia mecnica atravs de um eixo

rotativo, porm uma parcela desta energia dissipada por perdas internas,

dessa forma, apenas uma poro da energia recebida do acionador

convertida, efetivamente, em energia hidrulica til.

2.5.4 Potncia (P)

Denomina-se de potncia motriz aquela fornecida pelo acionador para

que a bomba eleve uma vazo Q de um determinado fluido a uma altura H.

Assim, Aparecido (2000) estabelece a seguinte frmula:

P = (. Q. H) /

Onde:

Peso especfico do fluidoQ Vazo


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H Altura manomtrica

Rendimento

Em bombas, comum expressar a potncia em HP (horse-power), W

(watt), ou ainda em CV (cavalo-vapor).

2.6 Curvas caractersticas da bomba

As curvas caractersticas traduzem atravs de grficos o funcionamento

mdio de uma bomba e a relao entre as diversas grandezas operacionais.

Elas so fundamentais para a seleo do equipamento adequado para um

determinado sistema e so fornecidas pelos fabricantes de bombas, aps

vrios ensaios nas bancadas de teste. Os principais grficos apresentados so:

H Q: Variao da altura manomtrica (H) em funo da vazo (Q).

Q: Variao do rendimento da bomba () em funo da vazo (Q).

P Q: Relao entre a potncia requerida no acionamento (P) e a vazo

(Q).

NPSHr Q: Variao do NPSHr e a vazo (Q).

O fabricante pode fornecer essas informaes numa curva nica, como est

representado na figura 6.

Figura 3: Curvas caractersticas de uma bomba centrfuga


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2.7 Curva caracterstica da instalao (CCI) ou curva do sistema (CS)

A curva caracterstica de uma instalao representa a altura geomtrica

do sistema, considerando as perdas de carga, em funo da vazo desejada,

de tal forma que o fluido possa escoar nessa instalao, em regime

permanente.

O ponto de operao (PO) de uma bomba num sistema, normalmente,

obtido por via grfica, sobrepondo-se a curva caracterstica da instalao

curva caracterstica da bomba. Assim, o ponto de cruzamento das duas curvas

representa o ponto de funcionamento, podendo-se obter nos respectivos eixos,

os valores operacionais da altura manomtrica e da vazo. Portanto, as

bombas centrfugas devem ser selecionadas para operao nas instalaes, de

tal forma que o ponto de trabalho, na medida do possvel, corresponda ao

ponto de mximo rendimento da bomba.

Figura 4: Ponto de operao da bomba

3 DESCRIO DE CASO

Os fluidos podem passar do estado lquido para o gasoso, dependendo

das condies de presso e temperatura a que esto submetidos. A presso

na qual ocorre essa mudana de estado conhecida como presso de vapor

(Pv).
http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Ficheiro:Bomba_x_Sistema1.svg&page=1


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Nos sistemas de bombeamento, sabe-se que a presso absoluta diminui

at alcanar um valor mnimo no bocal de entrada da bomba. Se esta presso

atingir a presso de vapor do fluido, inicia-se o processo de vaporizao e,

consequentemente, a formao de bolhas de vapor, que so arrastadas para o

interior da bomba, provocando danos irreparveis ao equipamento. Esse

fenmeno chama-se cavitao e encontrado, frequentemente, nos sistemas

hidrulicos. Devido a sua importncia e complexidade, a cavitao tem sido

alvo de vrias anlises tericas e experimentais.

Figura 5: Cavitao em bomba centrfuga

Um dos parmetros fundamentais envolvidos no processo de cavitao

o NPSH, que pode ser descrito, simplificadamente, como a presso mnima

acima da presso de vapor do fluido necessria para evitar o incio do processo

de vaporizao.

3.1 NPSH (Net Positive Suction Head)

O NPSH representa a energia necessria para que o fluido penetre no

bocal de suco da bomba e que o permitir alcanar o rotor. Em se tratando

de NPSH, deve-se sempre indicar se est se referindo ao disponvel (NPSHd)

ou ao requerido (NPSHr).


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Segundo Jairo Torres da Silva (2008), o NPSHd depende,

exclusivamente, da instalao e das condies de suco da bomba, sendo

calculado pela seguinte expresso:

Onde:

Po Presso manomtrica no reservatrio de suco

Patm Presso atmosfrica

Pv Presso de vapor do fluido na temperatura de bombeamento

Zs Altura da coluna lquida (depende da coluna estar acima (+) ou abaixo (-)

da linha de centro da bomba)

Vo Velocidade do fluido no bocal de suco

Peso especfico do fluido

g 9,81 m/s2

hfs Perda de carga na linha de suco

J o NPSHr depende do projeto e da rotao de trabalho da bomba,

podendo ser entendido como a energia perdida pelo fluido ao passar do bocal

de suco at atingir a entrada do rotor. Para o Hydraulic Institute (1983), no

projeto de uma instalao e na seleo da bomba, deve-se obedecer a

seguinte regra:

NPSHd > NPSHr + 1,5m

Caso a relao acima no seja atendida, certamente, ir ocorrer a

cavitao.

3.2 Consequncias da cavitao

Os efeitos da cavitao dependem do tempo a que o equipamento estsob a ao do fenmeno, da intensidade da cavitao, das propriedades do


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fluido bombeado e tambm da capacidade de resistncia do material da bomba

e de seus componentes eroso por cavitao.

Normalmente, a cavitao causa rudo, vibrao excessiva, alteraes

no desempenho da bomba e danificaes severas em alguns componentes. O

rudo e a vibrao so provocados, principalmente, pela instabilidade gerada

pelo colapso das bolhas de vapor. A alterao no desempenho da bomba

devido diferena de volume especfico do fluido em suas fases lquida e

gasosa. J a danificao de material, geralmente, ocorre no rotor, podendo

tambm provocar danos em outras reas prximas regio de suco da

bomba e favorecendo o surgimento de corroso.

Figura 6: Exemplo de rotor deteriorado pela cavitao

3.3 Preveno da cavitao

Para assegurar o bombeamento dos fluidos sem que ocorra cavitao,

deve sempre existir suficiente energia disponvel no flange de suco da

bomba, de forma que o fluido consiga atingir as ps do rotor sem se vaporizar.

Certamente, a melhor ao para garantir uma boa capacidade de suco da

bomba o desenvolvimento e a execuo criteriosa do projeto de

dimensionamento da instalao de bombeamento, buscando reduzir as perdas


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de carga no sistema em geral. Alm disso, tambm fundamental a atuao

dos operadores e mecnicos, realizando inspees constantes para verificao

de possveis alteraes de temperatura nos elementos, vibraes anormais e

rudos estranhos.

Outra medida interessante o uso de materiais com maior resistncia

aos efeitos da cavitao, como o ferro fundido, o alumnio, o bronze, o ao

fundido, o ao nquel e as ligas de ao inoxidvel. Recentemente, tambm tem-

se utilizado revestimentos com elastmeros, como por exemplo, o neoprene e

o poliuretano.

4 CONCLUSO

No decorrer da atividade, foi possvel concluir que o fenmeno da

cavitao trata-se de um processo de vaporizao do fluido, quando a presso

absoluta baixa at atingir a presso de vapor (Pv) do fluido na temperatura em

que se encontra.

Ao longo do tempo, a cavitao pode provocar vrios danos s bombas

centrfugas, como corroso, surgimento de eroso no rotor e em outros

componentes, alteraes significativas de rendimento, vibrao excessiva e

presena de rudo caracterstico.

Fundamentalmente, para no ocorrer cavitao a energia total na entrada

da bomba deve ser maior que a energia de vaporizao. Aps experincias e

testes, os fabricantes de bombas centrfugas passaram a adotar medidas para

dificultar o aparecimento da cavitao. Sem dvida, a ao mais importante

para preveno um dimensionamento detalhado da instalao de

bombeamento durante a etapa de projeto, buscando minimizar, ao mximo, as

perdas de carga na suco do fluido. Outra recomendao importante o uso

de materiais resistentes cavitao na fabricao das bombas, como ferro

fundido, alumnio, bronze e ao fundido.

Assim, a cavitao representa para os engenheiros um fenmeno

desafiador e complexo, tornando-se foco de estudos, que proporcionam

inovaes nos sistemas hidrulicos.


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5 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE. Centr i fugal Pumps for Petroleum,

Heavy Du ty Chemic al and Gs Indu stry Services. Norma Tcnica. API 610

8 edio Agosto/1995.

Silva, Jairo Torres. Bombas Centrfugas: Passo a Passo. So Paulo:

Turbotech, 3 ed., 2008.

Denculi, W. Bombas Hidrulicas. Viosa: UFV, 1993.

Campos, Rogrio. Manual de Manuteno de Bombas Centrfugas. Rio de

Janeiro: Petrobrs, 2006

Unianhanguera. Apostila de Bombas. Jundia: FAJ, 2008.


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6 ANEXOS

Anexo 1: Desenho de corte de bomba centrfuga

Anexo 2: Presso de vapor para diferentes fluidos em funo da temperatura

Anexo 3: Teste de performance de bomba centrfuga

Anexo 4: Curva de teste de performance de bomba centrfuga

Anexo 1: Desenho de corte de bomba centrfuga


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Anexo 2: Presso de vapor para diferentes fluidos em funo da temperatura


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Anexo 3: Teste de performance de bomba centrfuga


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Anexo 4: Curva de teste de performance de bomba centrfuga

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