EQ701 - Laboratório de Engenharia Química II - Bombas Responsáveis: Profas. Katia Tannous/ Patrícia F.M. Martinez

1º semestre de 2017

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BOMBA CENTRÍFUGA E SUA CURVA CARACTERÍSTICA 1. OBJETIVOS

O experimento tem por objetivos a determinação da curva característica de uma bomba centrífuga e a verificação experimental do fenômeno da cavitação através de uma montagem simples. 2. TEORIA Bombas são máquinas operatrizes cuja finalidade é realizar o escoamento de um líquido de um lugar ou recipiente a outro em uma planta doméstica ou industrial. São aquelas que transformam energia mecânica fornecida por uma fonte (um motor elétrico) em energia hidráulica sob a forma de energia potencial, de pressão e cinética.

O princípio de funcionamento das bombas centrífugas consiste em um eixo do rotor que funciona como um impulsor do fluido que é lançado para a periferia pela ação da força centrífuga. O rotor é em essência um disco ou uma peça de formato cônico dotado de pás. O rotor pode operar aberto ou fechado, com ou sem espaçamentos e formato de pás. O rotor aberto é recomendado para baixas pressões, pequenas vazões e líquidos com partículas suspensas em geral, pastas, lama e areia. O rotor fechado é recomendado para altas pressões e líquidos limpos. E o rotor semifechado é aplicado em operações gerais. A energia cinética do fluido aumenta do centro do rotor para a ponta das pás (palhetas ou hélice), que é transformada em energia de pressão, quando o fluido sai do rotor e entra na carcaça (voluta ou espiral) ou difusor (dispositivo).

No difusor, também chamado recuperador, é feita a transformação da maior parte da elevada energia cinética com que o líquido sai do rotor, em energia de pressão. Deste modo ao atingir a boca de saída da bomba, o líquido é capaz de escoar com velocidade razoável ao sair da bomba. Um difusor gradativamente aberto diminui a velocidade do líquido proveniente do rotor. A descarga líquida depende das características da bomba, número de rotações e características do sistema de transporte.

Figura 1: Tipos de rotores de bombas centrífugas Figura 2: Carcaça de bomba centrífuga com difusor (redutor de velocidade)

Fonte: http://www.ocw.unicamp.br/fileadmin/user_upload/cursos/EQ651/Capitulo_I.pdf

A bomba pode ter um único estágio (um rotor e um difusor) ou múltiplo composto por dois ou mais rotores em série em um único eixo.

A escolha do tipo de bomba é influenciada pelos seguintes fatores:

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• Vazão (quantidade de líquido a bombear): determina o tamanho e o número de bombas •

• Carga a ser vencida (HB) • Natureza do fluido (viscosidade, corrosividade e presença de sólidos em suspensão)

As bombas centrífugas podem ser classificadas mediante escoamento radial (padrão),

misto (turbina) e axial (rotor helicoidal). Cada uma possui suas particularidades, desde sua carga, vazão e tipo de fluido que o opera (sujos e límpidos, com elevado teor de sólidos e abrasivos, respectivamente). Uma observação a ser feita é que nenhuma dela possui controle de vazão.

Estas máquinas são mais usadas na indústria química por ser um modelo simplificado, baixo custo, manutenção barata, flexível para aplicação (ampla faixa de pressão e vazão), peso reduzido e de fácil controle de descarga. Nos modelos usuais necessita ser previamente preenchida com o líquido a ser bombeado (folgas entre o rotor e o restante da carcaça). 3. CURVAS CARACTERÍSTICAS

A melhor forma de descrever as características operacionais das bombas é pela utilização de suas curvas características. Para traçarmos a curva característica de uma bomba, partimos do balanço de energia (ou equação de Bernoulli modificada) aplicada no ponto de sucção (1) e da descarga (2), mediante Equação 1:

���.� � ��

� � �� � �� � ��.� � ��

� � �� � ���� � ���� (1)

onde: P1,2 = pressão de entrada e saída da bomba, vS,D = velocidade de sucção e descarga, yS,D = altura de sucção e descarga, hLS e hLD = perda de carga referente a sucção e descarga, HB = altura manométrica ou carga da bomba (= energia por unidade de peso do fluido que deve ser fornecida ao sistema).

As curvas em conjunto bomba-sistema mostrará a viabilidade de utilização da bomba e o ponto de operação. A Figura 3 mostra um exemplo dos conjuntos possíveis entre HB (bomba) e HB (sistema) em função da vazão do escoamento.

Figura 3: Esquema da operacionalidade da bomba x sistema

Se a pressão em algum ponto cair ao valor da pressão de vapor saturado do fluido

que está sendo transportado, ocorrerá um fenômeno chamado "cavitação". Nesse fenômeno ocorre à formação de uma mistura líquido-vapor, composta de vapor do fluido transportado (ex.:ar e gases) que ao ser comprimidos no rotor da bomba, condensam, dando grandes variações de volume, provocando choques mecânicos que causam danos

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severos ao rotor e aos rolamentos da bomba. Um reconhecimento da cavitação durante a operação da bomba é mediante a queda de rendimento, vibração e diferente ruído.

Para caracterização das condições ótimas de aspiração do líquido, os fabricantes introduziram um valor conhecido internacionalmente como NPSH (Net position suction head). O NPSH representa a disponibilidade de energia com que o líquido penetra no bocal de entrada da bomba (sucção) e é calculada como a diferença entre a “energia total absoluta” e a pressão de vapor do líquido a temperatura de bombeamento.

������������ ! � � " ��� " �#�$

% (2)

Onde:

S – altura de sucção P – pressão absoluta Pv – pressão de vapor à T bombeamento[ hLS

– perda de carga na linha de sucção

γ = ρ.g – peso específico ρ − massa específica do fluido g – aceleração da gravidade

Para evitar a cavitação, a carga disponível pelo sistema (NPSHdisponivel) deve ser

maior ou igual a a carga requerida pela bomba (NPSHrequerido). Para um líquido livre de gases dissolvidos, o aumento da pressão ao passar por uma bomba é função da vazão (Q), de sua massa específica (ρ), de sua viscosidade (µ), da velocidade de rotação (N), diâmetro (D) do rotor, carga manométrica (H) e aceleração da gravidade (g), ou seja: HB = f (Q, ρ, µ, N, D, g) Sabendo-se as variáveis envolvidas no bombeamento de um fluido através de um sistema qualquer e aplicando o teorema de Buckingham (determinação de grupos adimensionais), temos que acima de certo número de Reynolds (alta turbulência), a razão entre os adimensionais de carga e vazão são:

&'.�(� � ) * +

(�,- (3)

Desta maneira, a curva característica da bomba, HB x Q é única desde que N e D sejam mantidas constantes.

O NPSHrequerido depende destes parâmetros, sendo estes: características de fabricação da bomba, velocidade do rotor e tipo de rotor da própria bomba.

As ligas metálicas são recomendáveis a fim de evitar a corrosão por cavitação para o uso no rotor. Segue em ordem crescente: ferro fundido, alumínio, bronze, aço fundido, aço doce laminado, bronze fosforoso, bronze-manganês, aço-níquel, ligas especiais de aço inox, revestimento com elastômeros (neoprene, poliuretano).

4. PERDA DE CARGA EM ACIDENTES

Em instalações industriais, em geral, existem um considerável número de válvulas e conexões, levando a um considerável de perda de energia ao longo do processo. Esses acidentes produzem um atrito que deve ser adicionado ao atrito decorrente do escoamento apenas nas tubulações. Desse modo pode-se então prever a carga total associada ao sistema de escoamento. A perda de carga através de válvulas e conexões pode ser prevista pelas Equações 4 ou 5:

g

v

D

Lfh DL

2

2

= (4) g

vKhL

2

2

= (5)

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Sabendo que : D - diâmetro do tubo, (L) g - aceleração da gravidade, (L/t

fD - coeficiente de atrito de Darcy, (adimensional)hL - perda de carga, (L)K - coeficiente de resistência, (adimensional)v - velocidade média, (L/t)

5. EQUIPAMENTOS E MATERIAIS

Bomba centrífuga da marca Dancor (modelointermediária em liga especial de alumíniooxidante. O rotor (D = 10 cm) reforçado com fibra e vidro. O rotor é rosqueado diretamente na ponta do eixo (aço inoxidável) do motor (monofásico). O motor monofásico (110V/60 HZ), com potência de 1/3 CV, 3420 rpm. A bomba possui adaptação para tubulações de entrada (sucção) e saída (elevação) de ¾”, altura manométrica máxima de 20 metro105 Pa ou 1,935 atm) e vazão consta de um manômetro 0-Bourdon), válvulas esfera (vvários cotovelos de 90º, expansões e reduções, termômetro.

Peso (kg)

9,0

Dados do fornecedor referente a

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diâmetro do tubo, (L) aceleração da gravidade, (L/t2) coeficiente de atrito de Darcy, (adimensional) perda de carga, (L) coeficiente de resistência, (adimensional) velocidade média, (L/t)

MATERIAIS centrífuga da marca Dancor (modelo série CAM 103),

intermediária em liga especial de alumínio-silício, de alta resistência à pressão e a ação (D = 10 cm) é do tipo fechado, injetado de termoplástico de engenharia e

reforçado com fibra e vidro. O rotor é rosqueado diretamente na ponta do eixo (aço inoxidável) do motor (monofásico). O motor monofásico (110V/60 HZ), com potência de 1/3

ssui adaptação para tubulações de entrada (sucção) e saída , altura manométrica máxima de 20 metros de coluna d´água

105 Pa ou 1,935 atm) e vazão volumétrica máxima de até 6 m³/h. Além disso, o sistema - 4kgf/cm2 (56,89 psi) e vacuômetro 0-760 mm Hg (ambos de

Bourdon), válvulas esfera (v1) e gaveta (v2), rotâmetros (0,040-0,4 l/s e expansões e reduções, tanque para circulação de água e

Dimensões (mm)A B C D

166 183 217 107

Dados do fornecedor referente a curva característica da bomba:

vazão (m3/h) Carga (mca)

0,0 22

1,7 20

3,1 18

3,8 16

4,5 14

5,2 12

5,8 10

6,0 8

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com carcaça e silício, de alta resistência à pressão e a ação

é do tipo fechado, injetado de termoplástico de engenharia e reforçado com fibra e vidro. O rotor é rosqueado diretamente na ponta do eixo (aço inoxidável) do motor (monofásico). O motor monofásico (110V/60 HZ), com potência de 1/3

ssui adaptação para tubulações de entrada (sucção) e saída de coluna d´água (mca) (1,961

Além disso, o sistema 760 mm Hg (ambos de

120-1200 ml/s), tanque para circulação de água e

Dimensões (mm) E F

55 89

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Abaixo segue a lista de acidentes do sistema adotado:

Acidentes na entrada da bomba (sucção) Acidentes na saída da bomba (descarga) Qtidades Tipo Qtidades Tipo

01 Saída do tanque ½” 01 Tê de ¾” 01 Tê de ½” 01 Válvula gaveta de ¾” 01 Expansor ½” p/ ¾” 01 Redutor de ¾” para ½” 01 Redutor de ¾” para ½” 01 Expansor ½” p/ ¾” 01 Expansor de ½” a ¾” 01 Redutor de ¾” para ½” 01 Válvula esfera de ¾” 01 Cotovelo 90º de ½” 01 Tê de ¾” 01 Rotâmetro de ½” (0,04-0,4 l/s) 01 Cotovelo 90º de ¾” 01 Cotovelo 90º de ½”

51,5 cm Tubo de comprimento linear de ¾” 01 Cotovelo 90º de ½” 01 Expansor de ½” a ¾” 01 Redutor de ¾” para ½” 01 Expansor de ½” a ¾”

01 Cotovelo 90º de ¾” 01 Cotovelo 90º de ¾” 01 Expansor de ¾” p/ 33,5 mm 01 Rotâmetro de ½” (120-1200 ml/s) 01 Redutor 33,5 mm p/ ¾” 01 Cotovelo 90º de ¾” 01 Redutor de ¾” para ½” 01 Expansor de ½” a ¾”

163 cm Tubo de comprimento linear de ¾”

6. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

a) Com a válvula de entrada V1, completamente aberta, variar a vazão através da válvula de saída V2. A pressão cairá um pouco na entrada da válvula V1, será elevada através da bomba e cairá à pressão atmosférica à saída da válvula V2. Atue sobre a válvula de saída desde totalmente fechada até totalmente aberta e para cada posição medir a vazão de fluido e as pressões na entrada e saída da bomba.

b) Com a válvula de saída V2 completamente aberta, variar a vazão através da válvula de entrada V1. Atue sobre a válvula de entrada V1, desde totalmente aberta até totalmente fechada e para cada posição, medir a vazão e as pressões na entrada e saída da bomba. OBS.: Somente ligue a bomba após garantir que as válvulas estejam totalmente fechadas. O limite máximo a ser usado neste experimento é de 720 ml/s. Não esqueça de medir o nível da água do tanque (S).

7. RELATÓRIO

Os itens “c” a “k”, abaixo listados, devem ser realizados para os dois procedimentos indicados no item 6. As unidades utilizadas no relatório deverão ser no Sistema Internacional (SI). A memória de cálculo deverá ser inserida no item “Materiais e Métodos”. a) Faça um comparativo de bombas centrífugas com bombas de deslocamento positivo e

especiais, suas aplicações e limites. Considere pelo menos 2 tipos de cada uma; b) Apresentar um esquema da instalação experimental utilizada com uma legenda

representativa aos materiais utilizados; c) Traçar as curvas características da bomba (HB x Q), considerando as unidades de “m” e

“m3/h”, respectivamente;

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d) Compare a curva característica da bomba experimentalmente com aquela obtida pelo fornecedor. Discuta e justifique as diferenças;

e) Determine a curva característica do sistema usando os acidentes acima. Mas antes disso, verifique se estão de acordo com o esquema proposto no “item b”. Para o cálculo da perda de carga do sistema, considere tubulação sem rugosidade;

f) Determinar o ponto de operação da bomba no experimento; g) Determinar o NPSH requerido e disponível para verificação da capacidade da bomba.

Justifique a escolha das equações utilizadas; h) Determinar o rendimento ao longo do processo e o máximo de operação; i) Determinar a potência útil da bomba; j) Determinar a potência real da bomba; k) Comente e análise todos os resultados obtidos; l) Ao final do relatório apresente uma conclusão e faça sugestão de melhoria do

experimento. 8. BIBLIOGRAFIA

1. TANNOUS, K.; ROCHA, S.C.S., Bombas e Compressores. Capítulo I do Material didático EQ651 - Operações Unitárias I. Elaborado no 1º semestre de 2009. Disponível em: <http://www.ocw.unicamp.br/index.php?id=196>. Acesso em: 22/16/2016.

2. Empresa DANCOR, Disponível em: <http://www.dancor.com.br/produtos/centrifugas/ cam.php>. Acesso em: 27 Jan 2016.

3. MACINTYRE, A.J., Bombas e Instalações de Bombeamento. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, c1997.

4. PROCEL Indústria Edição seriada i Capítulo 9 Bombas – Guia Básico. Disponível em: <http://arquivos.portaldaindustria.com.br/app/conteudo_18/2014/04/22/6281/Bombas.pdf>.

5. DELMEÉ, G.J., Manual de medição de vazão. São Paulo, Edgard Blücher, 1982.

6. FOUST, A.S. WENZEL, L.A.; CLUMP, C.W.; MAUS, L.; ANDERSEN, L.B., Principles of unit operations. 2. ed., Nova Iorque: John Wiley, 1980.

7. ISMAIL, K.A.R., Técnicas de medidas e instrumentação em engenharia. Campinas, UNICAMP, 1986. Disponível em: <http://www.fem.unicamp.br/~instmed/Instrumentacao_ Medidas_Grandezas_Mecanicas.pdf>. Acessado em: 05 Fev 2016.

8. MCCABE, W.L.; SMITH, J.C., Unit operations of chemical engineering. 5. ed., Nova Iorque, McGraw-Hill, 1993.

9. WELTY, J.R.; WILSON, R.E; WICKS, C.E., Fundamentals of momentum, heat and mass transfer. 3. ed. Nova Iorque: John Wiley, 1984.

10. PERRY, R.H.; GREEN, D.W., Perry’s chemical engineers’ handbook. 6. ed., Nova Iorque: Mc-Graw-Hill, 1984.