Bombas Centrifugas MODIFICANDO R T

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Bombas centrífugas Fenômenos de tran

UFPE - Universidade Federal de PernambucoCentro de Tecnologia e Geociências

Departamento de Engenharia QuímicaCurso de Química Industrial

Disciplina: Análise Instrumental

BOMBAS

CENTRÍFUGAS

Turma de Química Industrial

Recife, Outubro de 2010

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CONTEÚDO1. INTRODUÇÃO..............................................................................................................2

2. BOMBAS CENTRÍFUGAS............................................................................................2

2.1 Conceito...........................................................................................................2

2.2 Príncípio e funcionamento...............................................................................22.3 Vantagens ......................................................................................................42.4 Classificação ..................................................................................................42.5 Conversão da energia cinética em energia de pressão..................................5

3. COMPONENTES DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA...................................................6

3. COMPONENTES ESTACIONÁRIOS................................................................63.1.1 Carcaça.............................................................................................63.1.2 Bocais de sucção lateral...................................................................7

3.1.3 Câmara de vedação e caixa de enchimento.....................................83.2 COMPONENTES ROTATIVOS.......................................................................93.2.1 Impulsor ...........................................................................................93.2.2 Eixo...................................................................................................10

3.3 COMPONENTES AUXILIARES.....................................................................11

4.PARÂMETROS DE CONTROLE E DESEMPENHO...................................................11

4.1 Capacidade....................................................................................................114.2 Carga..............................................................................................................124.3 Cavitação........................................................................................................15

4.4 NPSH..............................................................................................................164.5 Potência e eficiência.......................................................................................194.6 Velocidade específica.....................................................................................234.7 Leis de afinidade.............................................................................................24

5. CURVAS DE DESEMPENHO......................................................................................256. BIBLIOGRAFIA............................................................................................................29

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1.Introdução

Com a evolução dos processos produtivos agrícolas, demonstrada principalmentepela presença cada vez maior da irrigação e a crescente demanda por água,acompanhada pela sua escassez (distâncias cada vez maiores), há necessidade deprojetar instalações que possam proporcionar fornecimento de água com maior rapidez e

eficiência. Sendo assim, a presença de bombas hidráulicas num projeto de irrigação ouabastecimento de água para pequenas comunidades, é de suma importância, e oconhecimento das partes fundamentais ao seu bom funcionamento merece a devidaatenção e cuidado. Bombas hidráulicas são máquinas de fluxo, cuja função é fornecer energia para a água, a fim de recalcá-la (elevá-la), através da conversão de energiamecânica de seu rotor proveniente de um motor a combustão ou de um motor elétrico.Desta forma, as bombas hidráulicas são tidas como máquinas hidráulicas geradoras.

As bombas de uma maneira geral devem apresentar as seguintes característicasprincipais:

a) Resistência: estruturalmente adequadas para resistir aos esforços provenientes daoperação(pressão, erosão , mecânicos).b) Facilidade de operação: adaptáveis as mais usuais fontes de energia e que

apresentem manutenção simplificada.c) Alto rendimento: transforme a energia com o mínimo de perdas.d) Economia: custos de aquisição e operação compatíveis com as condições de

mercado.

2. Bomba Centrífuga2.1 Conceito

A bomba centrífuga desenvolve a transformação de energia através do empregode forças centrifugas. As bombas centrífugas possuem pás cilíndricas, comgeratrizes paralelas ao eixo de rotação, sendo essas pás fixadas a um disco e a umacoroa circular, compondo o rotor da bomba.

2.2 Princípio e Funcionamento

Uma fonte externa à bomba, como um motor elétrico, motor a diesel, etc., gira umou mais rotores dentro do corpo da bomba, movimentando o líquido e criando a força centrífuga que se transforma em energia de pressão.

A entrada do líquido na bomba é chamada de sucção, onde a pressão pode ser inferior à atmosférica (vácuo) ou superior. O local de saída do líquido da bomba éconhecido como de recalque. A diferença de pressão na sucção e no recalque da bombaé conhecida com altura manométrica total (Hman) e que determina a capacidade dabomba em transferir líquido, em função das pressões que deverá vencer expressa emenergia de pressão.

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http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_el%C3%A9trico

http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_a_diesel

http://pt.wikipedia.org/wiki/Rotor

http://pt.wikipedia.org/wiki/For%C3%A7a_centr%C3%ADfuga


http://pt.wikipedia.org/wiki/V%C3%A1cuo

http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_el%C3%A9trico

http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_a_diesel

http://pt.wikipedia.org/wiki/Rotor



http://pt.wikipedia.org/wiki/V%C3%A1cuo




2.3 Vantagens das Bombas Centrífugas

a) Maior flexibilidade de operaçãoUma única bomba pode abranger uma grande faixa de trabalho (variando a rotação e odiâmetro do rotor).

b) Pressão máximaNão existe perigo de se ultrapassar, em uma instalação qualquer, a pressão máxima(Shutt-off ) da bomba quando em operação .

c) Pressão Uniforme

Se não houver alteração de vazão a pressão se mantém praticamente constante.

d) Baixo custoSão bombas que apresentam bom rendimento e construção relativamente simples.

2.4 Classificação das Bombas Centrifugas

Existem várias formas de classificação das bombas centrífugas, simplificadamente,utilizaremos somente a classificação segundo o angulo que a direção do líquido ao sair do rotor forma com a direção do eixo, as bombas se classificam em:

a) de fluxo radial: centrifuga propriamente dita. O liquido sai do rotor radialmente adireção do eixo. São as mais difundidas. A potência consumida cresce com oaumento da vazão.

b) de fluxo axial: propulsora. A água sai do rotor com a direção aproximadamenteaxial com relação ao eixo. Neste tipo de bomba o rotor é também chamado dehélice. A potência consumida, ao contrário da centrífuga é maior quando a sua

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saída se acha bloqueada. É indicada para grandes vazões e baixas alturasmanométricas.

c) de fluxo misto: centrifugo-propulsora. O liquido sai do rotor com direçãoinclinada com relação ao eixo. Atende a faixa intermediária entre a centrifuga ea axial A direita do ponto de melhor rendimento a vazão aumenta com

decréscimo da altura manometrica, mas a potência consumida diminuiligeiramente. Para a esquerda a altura manometrica cresce com a diminuiçãoda vazão, enquanto que a potência consumida cresce ligeiramente de inicio eem seguida decresce.

2.5 Conversão da Energia Cinética em Energia de Pressão

A energia criada pela força centrífuga, é energia cinética. A quantidade de energiafornecida ao líquido é proporcional à velocidade na extremidade, ou periferia, da hélicedo 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 aolíquido.

Esta energia cinética do líquido, ganha no impulsor, tende a diminuir pelas resistênciasque se opõem ao fluxo. A primeira resistência é criada pela carcaça da bomba, quereduz a velocidade do líquido. No bocal de descarga, o líquido sofre desaceleração esua velocidade é convertida a pressão, de acordo com o princípio de Bernoulli. Então, acarga desenvolvida (pressão, em termos de altura de líquido) é aproximadamente igualà energia de velocidade na periferia do impulsor, expressa pela bem conhecida fórmula:

Uma fórmula simples para a velocidade periférica, é:

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Esta carga pode ser calculada por leitura nos medidores de pressão, presos às linhasde sucção e de descarga. As curvas das bombas relacionam a vazão e a pressão(carga) desenvolvida pela bomba, para diferentes tamanhos de impulsor e velocidadesde rotação. A operação da bomba centrífuga deveria estar sempre em conformidade

com a curva da bomba fornecida pelo fabricante.

. 3. COMPONENTES DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA

3.1 Componentes estacionários

3.1.1 Carcaças

A carcaça corresponde ao componente físico que envolve o rotor, envolve osimpulsores Apresenta aberturas para entrada do liquido até ao centro do rotor e saída domesmo para a tubulação de descarga.

Fundido juntamente, ou a ela preso mecanicamente, tem a câmara (ou câmaras) devedação e a caixa (ou caixas) de mancal.Possui na sua parte superior, uma abertura(suspiro) para ventagem e escorva; e na parte inferior, uma outra para drenagem.

Nas bombas de maior porte, tem ainda as conexões para as tubulações de líquidode selagem e liquido de refrigeração.

O bocal (flange) de entrada do fluido na carcaça recebe o nome de sucção da bomba e ode saída de descarga da bomba.

Os materiais geralmente utilizados na fabricação da carcaça são: ferro fundido, açofundido, bronze e aços liga.

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Geralmente são de dois tipos: em voluta e circular. estão contidos dentro dascarcaças.Carcaças em voluta: proporcionam uma carga mais alta.A voluta é tipo um funil encurvado que aumenta a área no ponto de descarga, reduz avelocidade do líquido e aumenta a sua pressão.Um dos principais propósitos de uma carcaça em voluta é ajudar a equilibrar a pressãohidráulica no eixo da bomba, a mesma opera melhor com a capacidade recomendadapelo fabricante. Para vazões reduzidas são usadas carcaças em dupla volutas paraevitar os problemas como desgastes e gotejamento nos lacre, mancais e no próprio

eixo.

Carcaças circulares: são usadas para baixa carga e capacidade alta.A carcaça circular tem palhetas defletoras estacionárias, em volta do impulsor, queconvertem a energia de velocidade em energia de pressão.As carcaças podem ser projetadas como carcaças sólidas ou carcaças bipartidas. Acarcaça sólida implica que toda a carcaça, inclusive o bocal de descarga. Numa carcaçafendida, duas ou mais partes são firmadas juntas, quando a divisão é no plano verticalperpendicular ao eixo de rotação, a carcaça é descrita como bipartida. Os anéis dedesgaste da carcaça atuam como um selo entre a carcaça e o impulsor.

3.1.2 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.

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3. 1.3.Câmara de vedação e Caixa de Enchimento

Câmara de lacre e caixa de enchimento, referem-se ambos a uma câmara, acoplada ouseparada 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, acâmara 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, têm a função primária de proteger abomba contra vazamentos no ponto onde o eixo atravessa a carcaça da bomba sobpressão. Quando a pressão no fundo da câmara é abaixo da atmosférica, previnevazamento de ar na bomba. Quando a pressão é acima da atmosférica, as câmarasprevinem o vazamento de líquido para fora da bomba.

Glândula: A glândula é uma parte muito importante da câmara de selo ou da caixa derecheio. Ela dá o empacotamento ou o ajuste desejado do selo mecânico na manga doeixo.Bucha: Dispositivo estacionário chamado bucha da garganta que forma uma liberaçãoíntima restritiva ao redor da manga (ou eixo) entre o selo e o impulsor.Bucha do regulador de pressão: é um dispositivo que restringe a liberação ao redor damanga (ou eixo), na extremidade externa de uma glândula do selo mecânica.Dispositivo circulante interno: localizado na câmara de selo para circular fluido dacâmara de selo para um refrigerador ou um reservatório fluido. Normalmente éconhecido como anel de bombeamento.Selo mecânico: As características de um selo mecânico serão discutidas

posteriormente. Alojamento do mancal : abriga os mancais montados no eixo. Os mancais mantêm oeixo ou rotor em alinhamento correto com as partes estacionárias sob ação de cargasradiais e transversais.

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3.2 Componentes Rotativos

3.2.1. Impulsor

Componente que faz uso da força transmitida por motor elétrico ou diesel, conforme adisponibilidade, resultando em baixo consumo de energia e maior rendimento do

sistema graças ao conjunto compacto e robusto aplicado ao rotor, o que confere a eleum sistema confiável e de alto rendimento para o bombeamento de água com altovolume de transporte e baixa pressão. Atualmente, na inundação de plantações, énecessário o uso de bombas para o transporte de água de dos e ribeirões até a áreacultivada.

O impulsor é a parte giratória principal, que fornece a aceleração centrífuga para ofluido. Eles são classificados em muitas formas:

Baseado na direção principal do fluxo em relação ao eixo de rotação :

- Fluxo radial- Fluxo axial- Fluxo misto

Baseado no tipo de sucção :

- Sucção simples: entrada do líquido em um lado.- Dupla-sucção: entrada do líquido simetricamente ao impulsor, de ambos os lados.

Baseado na construção mecânica:

- Fechado: coberturas ou paredes laterais que protegem as palhetas.- Aberto: nenhuma cobertura ou parede para enclausurar as palhetas.- Semi-aberto ou do tipo em vórtice.

Os impulsores fechados necessitam de anéis de desgaste. Impulsores abertos e semi-abertos têm menos probabilidade de entupir, mas necessitam ajuste manual da volutaou placa traseira. Impulsores das bombas de vórtice são muito bons para sólidos e"materiais viscosos", mas eles são até 50% menos eficientes em projetosconvencionais.

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O número de impulsores determina o número de estágios da bomba: uma bomba de umúnico estágio só tem um impulsor e é melhor para serviços de baixa carga. Uma bombade dois estágios tem dois impulsores em série, para serviços de carga média.Uma bomba de multi-estágios tem três ou mais impulsoras em série, para serviços decarga alta.Anéis de desgaste: O anel de desgaste permite uma articulação fácil e economicamente

renovável anti-vazamentos entre o impulsor e a carcaça. Se a liberação (espaço vazioentre as duas peças) ficar muito grande, a eficiência de bomba diminuirá.

3.2.2. Eixo

O propósito básico do eixo de uma bomba centrífuga é transmitir o torque de partida edurante a operação, enquanto apóia o impulsor e outras partes giratórias. Ele tem quefazer este trabalho com uma deflexão menor que a liberação mínima entre as partes

giratórias e estacionárias.

- Luva do eixo: O eixo das bombas normalmente são protegidos de erosão, corrosão, edesgaste nas câmaras de selo, articulações de vazamento, mancais internos, e nas viasfluviais através de mangas renováveis. A manga é lacrada em uma extremidade. Oalojamento da manga do eixo se estende além da face exterior do prato da glândula deselo.- Junções: as junções podem compensar o crescimento axial do eixo e podemtransmitir 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 demanutenção.

As junções flexíveis podem ser divididas em dois grupos básicos: elastoméricas enão-elastoméricas* Junções elastoméricas usam borracha, ou elementos poliméricos para ganhar flexibilidade. Pneus e luvas de borracha são exemplos de junções elastoméricas sob

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cisalhamento; mandíbulas, pinos e revestimento de mancais são exemplos de junçõesem compressão.* Junções não-elastoméricas usam elementos metálicos para obter flexibilidade. Elaspodem ser de dois tipos: lubrificadas ou não-lubrificadas. As lubrificadas acomodamdesalinhamento pela ação corrediça dos seus componentes. As não lubrificadasacomodam desalinhamento por flexão. Junções de engrenagem, de grelhas e de

cadeias são exemplos de junções lubrificadas não elastoméricas. Junções de discos ede diafragma são não-elastoméricas e não lubrificadas.

3.3 Componentes Auxiliares

Os componentes auxiliares geralmente incluem os seguintes sistemas, para osseguintes serviços:- Sistemas de descarga do lacre, refrigeração e afogamento- Dreno do lacre e suspiros- Sistemas de lubrificação dos mancais e de refrigeração

- Sistemas de resfriamento da câmara de enchimento e selagem e sistemas deaquecimento- Sistema de refrigeração do pedestal da bomba

Os sistemas auxiliares incluem tubulação, válvulas de isolamento, válvulas de controle,válvulas de alívio, medidores de temperatura e termopares, medidores de pressão,indicadores de fluxo, orifícios, refrigeradores do selo, reservatórios dos fluidos dodique/defletor do selo, e todas as aberturas e drenos relacionados.

4. PARÂMETROS DE CONTROLE E DESEMPENHO DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA

Os parâmetros chaves de desempenho de bombas centrífugas são capacidade, carga,BHP (potência de freio), BEP (ponto de melhor eficiência) e velocidade específica. Ascurvas de bomba provêem a janela operacional dentro da qual estes parâmetros podemser variados para operação satisfatória da bomba.

4.1 Capacidade

Capacidade significa a taxa de fluxo (vazão volumétrica) com que o líquido é movidoou é empurrado pela bomba ao ponto desejado no processo. È medida comumente

em galões por minuto (gpm) ou metros cúbicos por hora (m³ /h). A capacidadenormalmente muda com as mudanças na operação do processo. Por exemplo, abomba de alimentação de uma caldeira precisa de pressão constante comcapacidades variadas, para satisfazer uma demanda variável de vapor.

A capacidade depende de vários fatores como:

- Característica do líquido de processo, isto é, densidade, viscosidade, etc.

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- Tamanho da bomba e de suas seções de entrada e de saída.- Tamanho de impulsor.- Velocidade de rotação do impulsor RPM.- Condições de temperatura e pressão da sucção e descarga.

Para uma bomba com um impulsor particular movendo um líquido a uma certa

velocidade, os únicos itens na lista acima que podem mudar a quantia que flui pelabomba são as pressões na entrada e nas saídas da bomba. O efeito no fluxo causadopor mudanças na pressão de saída de uma bomba é plotado em um gráfico,resultando a curva característica da bomba.

Como os líquidos são essencialmente incompressíveis, a capacidade está diretamenterelacionada com a velocidade de fluxo no tubo de sucção. Esta relação é dada abaixo:

Q= 449 x V x A

Q= capacidade (GPM)V= velocidade. ft/sA= área do tubo. ft2

4.2 Carga

Significado de usar o termo “carga” ao invés do termo “pressão”

A pressão em um ponto qualquer de um líquido pode ser imaginada como sendocausada pelo peso de uma coluna vertical do líquido. A altura desta coluna é chamadade carga estática e é expressa em termos de pés de líquido.

O mesmo termo carga é usado para medir a energia cinética criada pela bomba. Emoutras palavras, carga é uma medida da altura de uma coluna líquida que a bombapoderia criar da energia cinética transferida ao líquido. Imagine um tubo que atira um

jato de água diretamente para cima, no ar; a altura ascendente que a água atinge,seria a carga.

A carga não é equivalente a pressão. Carga é um termo que tem unidade de umcomprimento, ou metros, e pressão tem unidades de força por unidade de área, oukilograma força por centímetro quadrado. A principal razão para usar a carga em vez

da pressão, para medir a energia de uma bomba centrífuga, é que a pressão de umabomba mudará se o peso específico do líquido mudar, mas a carga não mudará.Considerando que qualquer bomba centrífuga pode mover muitos fluídos diferentes,com pesos específicos diferentes, é mais simples levarmos em conta a carga dabomba e esquecermos a pressão.

Assim o desempenho de uma bomba centrífuga em qualquer fluído Newtoniano, sejapesado (como o ácido Sulfúrico) ou leve (como a gasolina), é descrito em termos da ‘

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carga’. As curvas de desempenho da bomba relacionam, principalmente, a carga e avazão.

Conversão de pressão para carga

A carga estática, corresponde a qualquer pressão específica, é dependente do peso

do líquido de acordo com a seguinte fórmula:

H= v²2g

Onde:H = Carga Total desenvolvida, ftv = velocidade na periferia do impulsor, ft/sg = Aceleração da gravidade = 32,2 ft/s ²

Líquidos Newtonianos têm massas específicas que variam tipicamente de 0,5 (leves,como os hidrocarbonetos leves) a 1,8 (pesado, como ácido Sulfúrico concentrado).A água é um padrão de referência e tem uma massa específica de 1,0.

Esta fórmula ajuda na conversão de pressões manométricas da bomba, para leituradas curvas de bomba. As várias condições da carga são discutidas abaixo. Osubscrito ‘s’ se refere a condições de sucção e ‘d’ se refere a condições dedescarga.- Carga estática de sucção, hs- Carga estática de descarga, hd- Carga de Fricção, hf - Carga de pressão de vapor, hvp- Carga de Pressão, hp- Carga de velocidade, hv- Carga Total de Sucção, Hs- Carga Total de Descarga, Hd- Carga Diferencial Total, HT- Carga de Sucção Positiva Líquida Requerida NPSHr - Carga de Sucção Positiva Líquida Disponível NPSHd

a) Carga Estática de Sucção (hs)

É a carga que resulta da elevação do líquido em relação à linha central de bomba.Se o nível do líquido está acima da linha central da bomba, hs é positivo. Se o níveldo líquido está abaixo da linha da bomba, hs é negativo. A condição de hs negativoé denotada comumente como uma “altura de sucção”.

b) Carga Estática de Descarga (hd):

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É a distância vertical, em pés, entre o centro da bomba e o ponto descarga livre, oua superfície do líquido no tanque de descarga.

c) Carga de Fricção (hf):

É a carga exigida para superar a resistência ao escoamento na tubulação eacessórios. Depende do tamanho, condição e tipo do tubo, quantidade e tipos deacessórios, 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 emequilíbrio, 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 paracarga, 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 nasuperfície do líquido, a força positiva que tende a causar fluxo do líquido na sucçãoda 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 bombeamentocomeça, ou termina, em um tanque que está sob alguma pressão diferente daatmosférica. 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 superfíciedo 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 uma certavelocidade ‘v’. É a carga. Em pés, equivalente a altura pela qual a água teria quecair para adquirir a mesma velocidade, ou em outras palavras, é a carga necessáriapara 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 edeve 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 desucção (hs) mais a carga de velocidade na flange de sucção da bomba (hvs) menosa carga de fricção na linha de sucção (hfs)

Hs = hps + hs + hvs– hfs

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A carga de sucção total é a leitura da medida manométrica na flange de sucção,convertida a pés de líquido.

h) 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).

Hd = hpd + hd +hvd +hfdA carga de descarga total é a leitura de um manômetro no flange de descarga,convertida a pés de líquido.

i) Carga Diferencial (HT)

É a carga de descarga total menos a carga de sucção total, ou

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):

4.3 CavitaçãoPelo conceito de pressão de vapor, mantendo-se um fluido a uma temperaturaconstante e diminuindo-se a pressão, o mesmo ao alcançar a pressão de vapor,começará a vaporizar.Este fenômeno ocorre nas bombas centrifugas, pois o fluido perde pressão ao longodo escoamento na tubulação de sucção.

Se a pressão absoluta do líquido, em qualquer ponto do sistema de bombeamento, for reduzida (ou igualada) abaixo da pressão de vapor, na temperatura de bombeamento;parte deste líquido se vaporizará, formando “cavidades” no interior da massa líquida.Estará aí iniciado o processo de cavitação.As bolhas de vapor assim formadas são conduzidas pelo fluxo do líquido até atingirempressões mais elevadas que a pressão de vapor ( normalmente na região do rotor),onde então ocorre a implosão (colapso) destas bolhas, com a condensação do vapor e o retorno à fase líquida. Tal fenômeno é conhecido como CAVITAÇÃO.Normalmente a cavitação é acompanhada por ruídos, vibrações e com possível

erosão das superfícies sólidas (pitting).Deve-se salientar, que a erosão por cavitação não ocorre no local onde as bolhas seformam, mas sim onde as mesmas implodem.Os efeitos da cavitação dependem do tempo de sua duração, da sua intensidade, daspropriedades do líquido e da resistência do material à erosão por cavitação.A cavitação, naturalmente, apresenta um barulho característico, acompanhado deredução na altura manométrica e no rendimento. Se de grande intensidade,aparecerá vibração, que comprometerá o comportamento mecânico da bomba.

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Em resumo, são os seguintes, os inconvenientes da cavitação:a) Barulho e vibração.b) Alteração das curvas características.c) Erosão - remoção de partículas metálicas - pitting.

Pelo exposto, concluímos que a região que está susceptível à cavitação é a sucção da

bomba, pois é onde o sistema de bombeamento apresenta a menor pressão absoluta.Portanto o ponto crítico para a cavitação é a entrada do rotor. Nesta região aquantidade de energia é mínima, pois o líquido ainda não recebeu nenhuma energiapor parte do rotor.Assim, a cavitação, normalmente, inicia-se nesse ponto, em seguida, as cavidadessão conduzidas pela corrente líquida provocada pelo movimento do rotor, alcançandoregiões de pressão superior à de vapor do fluído, onde se processa a implosão dascavidades (bolhas).

4.4 NPSH – Net Positive Suction head ( Carga líquida positiva de sucção)

Para evitar a cavitação as bombas necessitam de uma certa quantidade de energia nosistema de sucção, conhecido como NPSH (Net Positive Suction Head). O NHSHpode ser requerido (NPSHr) ou disponível (NPSHd). Estes são os dois termos decarga mais importantes na discussão de bombas centrífugas. Bombas só podembombear líquidos, não vapores

Aumento na temperatura e diminuição na pressão induzem à vaporização

A vaporização começa quando a pressão de vapor do líquido, à temperaturaoperacional, se iguala a pressão externa do sistema que, em um sistema aberto,

sempre é igual a pressão atmosférica. Qualquer diminuição na pressão externa ouaumento na temperatura operacional pode induzir à vaporização e a bomba deixa debombear. Assim, a bomba precisa sempre ter uma quantidade suficiente de carga desucção presente, para prevenir esta vaporização no ponto de pressão mais baixo, nabomba.

NPSH como medida para prevenir vaporização do líquido

O fabricante normalmente testa a bomba com água a diferentes capacidades, criadasestrangulando o lado de sucção. Quando os primeiros sinais de cavitação por

vaporização induzida acontecem, a pressão de sucção é anotada. Esta pressão éconvertida em carga e o valor é assinalado na curva da bomba, sendo referido como"carga líquida positiva de sucção requerida (NPSHr)" ou, às vezes resumidamentecomo o NPSH. Assim a Carga Líquida Positiva de Sucção (NPSH) é a carga total naflange de sucção da bomba menos a pressão de vapor, convertida a altura de colunade líquido.

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NPSH Requerido (NPSHREQ)

Cada bomba, em função de seu tamanho, características construtivas, etc..., necessitade uma determinada energia absoluta (acima da pressão de vapor) em seu flange desucção, de tal modo que a perda de carga que ocorrerá até à entrada do rotor nãoseja suficiente para acarretar cavitação, quando operada naquelas condições de

vazão. A esta energia denominamos NPSH REQUERIDO.Os fabricantes de bombas fornecem o NPSH requerido, através de uma curvaNPSHreq x VAZÃO, para cada bomba de sua linha de fabricação, conforme padrãoabaixo:

Esta curva é uma característica própria da bomba, sendo obtida experimentalmente,através de testes de cavitação em bancadas do fabricante, com água fria a 20o C.Assim, em resumo, o NPSH requerido, representa a energia absoluta do líquido,acima de sua pressão de vapor, necessária no flange de sucção da bomba, de talforma que garante a não ocorrência de cavitação na mesma.

Para definição do NPSHREQ de uma bomba, é utilizado como critério, a ocorrênciade uma queda de 3% na altura manométrica para uma determinada vazão. Estecritério é adotado pelo Hydraulic Institute Standards e American Petroleum Institute(API-610).

NPSH Disponível (NPSHDISP)O NPSH disponível é uma característica do sistema e representa, ou define, aquantidade de energia absoluta disponível no flange de sucção da bomba, acima dapressão de vapor do fluído naquela temperatura.O NPSH disponível pode ser calculado de duas formas:- fase de projeto

- fase de operação

NPSHd é uma função de projeto do sistema

A Carga Líquida Positiva de Sucção Disponível é uma função do sistema no qual abomba opera. É o excesso de pressão do líquido que chega à sucção da bomba, empés absolutos, acima de sua pressão de vapor, para assegurar que a bomba

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selecionada não terá cavitação. É calculada com base nas condições do sistema oudo processo.

Cálculo de NPSHd

A fórmula para calcular a NPSHd é dada abaixo:

onde:

hpS = carga de pressão, i.e., a pressão barométrica do vaso de sucção, convertida acarga

hS = carga estática de sucção, i.e., a distância vertical entre a linha central doimpulsor do 1º estágio e o nível do líquido de sucção;

hvps = carga de pressão de vapor, ou seja, a [pressão de vapor do líquido à suatemperatura máxima de bombeamento, convertida a carga.

hfS = carga de fricção, i.e., a perda de opressão na entrada e fricção na linha desucção, convertida a carga

Nota:

1. É importante corrigir a massa específica para a massa específica do líquido econverter todas os termos para a unidade de "pés absolutos" usando a fórmula.

2. Qualquer discussão de NPSH ou cavitação só é levada em conta no lado de sucçãoda bomba. Quase sempre há bastante pressão para impedir a vaporização do fluido,no lado de descarga da bomba.

Em resumo, a NPSH disponível é definida como:

NPSHd = [(Carga de pressão) + (Carga estática) - (Carga de pressão de vapor dolíquido) – (Perda de carga por fricção na tubulação, válvulas e conexões)].

Todas os termos em "pés absolutos"

Análise da Faixa de Operação de uma Bomba em um Sistema

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Esta análise pode ser feita colocando-se num mesmo gráfico as curvas do NPSHREQ ea do NPSHDISP .À direita do ponto de encontro das duas curvas observa-se a zona de cavitação.

Para não ocorrer cavitação, devemos ter: NPSHDISP ≥ NPSHREQ

Na prática utilizamos: NPSHDISP ≥ 1,20 NPSHREQ

No mínimo: NPSHDISP ≥ (NPSHREQ + 1,0) m

A NPSH disponível deve sempre ser maior que a NPSH requerida, para a bombaoperar corretamente. É prática normal ter pelo menos 2 a 3 pés extras de NPSHdisponível na flange de sucção, para evitar qualquer problema no ponto de interesse.

4.5 Potência do conjunto Motor-Bomba

Na instalação de uma bomba, deve-se Ter em mente que o motor a ser utilizadodeve ter uma potência suficiente para vencer as diferenças de nível (h), e as perdasde carga na sucção e no recalque (hf) e a dissipação de energia tanto no motor comona bomba. A dissipação de energia é na realidade, o rendimento do conjunto motor-bomba,

Para motores elétricos são tomados os seguintes rendimentos :N(HP) ½ ¾ 1 1 ½ 2 3 5 10 20 3

motor 64 67 72 73 75 77 81 84 86 8

Para as bombas centrífugas operando a 1750 rpm, são tomados os seguintesvalores :

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Q(l/seg) 5 7,5 10 15 20 25 30 40 50 1bomba

%52 61 66 68 71 75 80 84 85 8

Além disto, recomenda-se os seguintes acréscimos para a potência instalada:

Potência do motor (HP)

até 2 2 a5

5 a10

10 a20

acima de20

Acréscimo (%) 50 30 20 15 10Desta forma, a potência do conjunto motor-bomba pode ser dado pela seguinteequação :N=pQH T

75onde : = peso específico do líquido (kg/m3)

Q = vazão (m3/h)HT= altura manométrica total = rendimento do conj. motor-bomba

N = potência (HP ou CV)

Curva de Potência X Vazão ( NB X Q )

Esta curva representa a potência total necessária no eixo da bomba nas condições deoperação.

Esta potência é a soma da potência útil com a potência dissipada em perdas, inerentea todo processo de transferência de energia.

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As perdas nas bombas incluem perdas hidráulicas, mecânicas, pelo atrito hidráulico, epor vazamentos. Diante disto, nem toda a potência é utilizada para gerar pressão efluxo. Uma parte da energia é transformada em calor (devido ao atrito) dentro dabomba. A energia pode também ser perdida em virtude da recirculação de fluido entreo rotor e a voluta.O esquema abaixo ilustra o processo de transferência de energia para o fluido de

trabalho, em uma bomba:

Bomba

potência dissipada em perdas viscosasno interior da bomba: perdas hidráulicasordinárias, perdas por choque, etc.

potência dissipada em perdas mecânicas:

atrito em mancais, gaxetas, selos de vedação,etc.

potência disponibilizada pelo motor (elétrico, comb.interna, etc)

potência dissipada em perdas volumétricas

potência útil (efetivamentetransferida ao fluido de trabalho)

Assim temos as seguintes potências envolvidas:

Potência entregue pela bomba ao fluido: BHQγ N ⋅⋅=

Potência fornecida pelo motor elétrico no eixo da bomba:

B

B

Bη

HQγ N

⋅⋅

=

Potência elétrica retirada da rede elétrica pelo motor elétrico:

elB

Bel

ηη

HQγ N

⋅

⋅⋅

=

A potência retirada da rede elétrica pode ser obtida, também, pela seguinte expressão:

ϕ cosIV3 Nel

⋅⋅⋅=

Onde:

3 ⇒ Para sistemas trifásicos

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V ⇒ Tensão entre fases (Volts)I ⇒ Corrente elétrica (Ampéres)ϕ cos ⇒ Fator de potência do motor elétrico

Curva de Rendimento X Vazão ( η B X Q )

O rendimento da bomba é definido como a relação entre a potência fornecida ao fluido

e aquela fornecida pelo motor elétrico à bomba. É fornecida pelo fabricante, conformecurva abaixo, ou calculada conforme formula:

acionador dorecebidaPotência

fluidoaofornecidaPotênciaηB =

A Curva η B X Q representa a variação da potência necessária no eixo de uma bombacentrifuga em função da vazão, para uma rotação constante.

A curva de eficiência (x) vazão é a indicação da energia perdida na bomba.Quanto menores as perdas, mais elevada será a eficiência. Esta curva permite aooperador observar a vazão em que a bomba melhor opera. As bombas devem ser operadas eficientemente para se controlar o custo da energia consumida e para seutilizar as bombas adequadamente.A curva (H x Q) não indica as perdas internas na bomba, as quais são consideradas nacurva de eficiência. A eficiência, para cada ponto na curva, relaciona a energia

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transmitida para o líquido, com a energia suprida pelo eixo da bomba, conformefórmula anterior.

Eficiência VolumétricaÉ definida como a razão entre o volume de fluido descarregado pela bomba e o volumepercorrido pelo pistão, ou seja, a razão entre a vazão prática e a teórica. Esta diferença

pode ocorrer devido a enchimento incompletoou vazamento do pistão. Quando a bomba está bem ajustada esta eficiência situa-seacima de 95%.

Eficiência MecânicaÉ a relação entre a energia fornecida ao fluido pela energia fornecida a bomba. Asperdas ocorridas é devido ao atrito mecânico da bomba e ao atrito do fluido. As bombasalternativas, geralmente apresenta eficiência mecânica superior às bombas centrífugas.

4.6 Velocidade Específica

Fator adimensional de projeto que identifica a semelhança geométrica de bombas. ANs é usada para classificar impulsores (ou rotores) de acordo com seus tipos eproporções. É fato conhecido que bombas geometricamente semelhantes sãoteoricamente semelhantes. Assim sendo, bombas geometricamente similares, possuemcurvas características similares.

N X Q0,5

Fórmula: NS= ______________

H0,75

Onde: Q= capacidade no ponto de eficiência máxima com o maior impulsor (GPM);H= carga no ponto de eficiência máxima, com o impulsor de maior diâmetro;N= velocidade da bomba.

A velocidade específica identifica aproximadamente a relação aceitável entre o diâmetrodo olho do impulsor (D1) e o diâmetro máximo do impulsor (D2) em um impulsor bemprojetado, conforme abaixo:

Ns de 500 a 5000; D1/D2 > 1,5 – bomba de fluxo radial;Ns de 5000 a 10000; D1/D2 < 1,5 – bomba de fluxo misto;

Ns de 10000 a 15000; D1/D2 = 1.0 – bomba de fluxo axial.

Também podemos utilizar a Ns no dimensionamento de uma bomba nova por ampliação de escala de uma bomba menor de mesma Ns. O desempenho da bombamenor será usado para predizer o desempenho da nova bomba.

Conforme mencionado o conhecimento das condições operacionais (Q,H, N), permite ocálculo da velocidade específica e de posse desta determinar o tipo de impulsor e a

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eficiência máxima esperada. Isso é possível através do uso do gráfico abaixo queapresenta valores médios de eficiência obtidos por um grande número de bombascomerciais em função da velocidade específica e da vazão.

4.7 Leis de AfinidadeSão relações matemáticas que definem mudanças na capacidade da bomba, carga

entre outros, quando ocorrem mudanças na velocidade da bomba, no diâmetro doimpulsor, ou ambos.

São elas:

A capacidade Q varia na proporção direta da relação do diâmetro do impulsor D, ou darelação de velocidade N:Q2= Q1 x [D2 / D1]Q2= Q1 x [N2 / N1]

A carga H, varia na proporção direta do quadrado da razão de diâmetros do impulsor, D,ou do quadrado da razão de velocidade N:H2= H1 x [D2 / D1]2H2= H1 x [N2 / N1]2

A potência varia na proporção direta do cubo da relação de diâmetros do impulsor, ou ocubo da relação de velocidades:P2= P1 x [D2 / D1]3

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P2= P1 x [N2 / N1]3

O subscrito 1 se refere a condição inicial e 2 a nova condição. Variando tanto o diâmetrodo impulsor como a velocidade da bomba, as equações se combinam para dar:

Q2= Q1 x (N2 / N1) (D2 / D1)3

H2= H1 x [(D2 / N2) (D1 / N1)2

P2= P1 x (N2 / N1) 3 (D2 / D1)5

OBS.: as leis de afinidade só são válidas sob condições de eficiência constante.

5. CURVAS DE DESEMPENHO DE BOMBAS CENTRIFUGAS

A capacidade e a pressão necessária de qualquer sistema podem ser definidas com aajuda de um gráfico chamado Curva do Sistema. Semelhantemente ao gráfico devariação da capacidade com a pressão para uma bomba particular que define a curvacaracterística de desempenho da bomba.

Curvas típicas do sistema e de eficiência 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 quantopossíveis. Um sistema de bombeamento opera no ponto de interseção da curva dabomba com a curva de resistência do sistema. A interseção das duas curvas define oponto operacional de ambos, bomba e processo. Porém, é impossível que um ponto

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Ponto de operação

Ponto final de corrida

Carga total, HT

Vazão volumétrica,Q

Curva do sistema

Curva da bomba




operacional atenda todas as condições operacionais desejadas. Por exemplo, quando aválvula de descarga é estrangulada, a curva de resistência do sistema desloca-se paraa esquerda, sendo acompanhada pelo deslocamento do ponto operacional.

Construindo a curva do sistemaA curva de resistência do sistema ou curva de carga do sistema é a variação no fluxo

relacionada à carga do sistema. Ela deve ser desenvolvida pelo usuário com base nascondições de serviço. Estas condições incluem o lay-out físico, as condições deprocesso, e as características do fluido. E pode ser obtida pela equação da alturamanométrica:

Hm = HG + hf Hm= altura manométrica da instalação (m);HG= altura geométrica (m);hf= perda de carga total (m) .

Representação das alturas de sucção e recalque em uma instalação.

Faz-se Hm = f(Q);Hf = K.Q1,852;Sendo:

852,1

2,63DC0,355.

4Le.K

= π ;

Q= vazão (m3/s);C = constante adimensional de Hazen-Williams (Tabela 2);D= diâmetro interno da tubulação (m);

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Tabela - Valores de C ( Hazen-Williams) para diversos materiais.Tubos Valores de C

1 Aço corrugado 602 Aço com juntas "lock-bar", novos 1353 Aço galvanizado (novos e em uso) 1254 Aço rebitado, novos 1105 Aço rebitado, em uso 856 Aço soldado, novos 1207 Aço soldado, em uso 908 Aço soldado com revestimento especial (novos e em uso) 1309 Chumbo 13010 Cimento amianto 135

11 Cobre 13012 Concreto - acabamento liso 13013 Concreto - acabamento comum 12014 Ferro fundido, novos 13015 Ferro fundido, em uso 9016 Ferro fundido, tubos revestidos de cimento 11017 Grês cerâmico vidrado (manilhas) 11018 Latão 13019 Madeira, em aduelas 12020 Tijolos, condutos com revestimento de cimento alisado 10021 Vidro 140

Hm = HT;Então temos:HT=HG + K.Q1,852 ;A altura geométrica é a soma da altura de sucção com a altura de recalque. Assim, bastasubstituir esses pontos conhecidos, na equação acima, para encontrar k.

Desenvolvendo a curva de desempenho da BombaO desempenho de uma bomba é mostrado pela sua curva característica dedesempenho, onde sua capacidade, isto é 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 outrasinformações como o tamanho da bomba e o tipo, tamanho do impulsor, etc. Esta curvaé construída para uma velocidade constante (rpm) e um determinado diâmetro deimpulsor (ou série de diâmetros).

Ela é gerada por testes executados pelo fabricante da bomba. A curva de uma bombaespecífica é construída com base em um fluido de massa específica igual a 1.0 (água nasC.N.T.P.). Outras densidades devem ser consideradas pelo usuário.

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Faixa Operacional NormalUma curva de desempenho típica (Figura 01) é um gráfico da Carga Total versus Vazãovolumétrica, para um diâmetro específico de impulsor. O gráfico começa com fluxo zero. Acarga corresponde neste momento ao ponto de carga da bomba desligada. A curva entãodecresce 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 cargadiminui gradualmente conforme o fluxo aumenta. Este padrão é comum para bombas defluxo radiais. Além do ponto de esgotamento, a bomba não pode operar. A faixa deoperação da bomba é do ponto de carga desligado ao ponto de esgotamento. A tentativade operar uma bomba além do limite direito da curva resultará em cavitação e eventualdestruição da bomba.Em resumo, através do gráfico da "curva de carga x curva da bomba", você podedeterminar:1. Em que ponto da curva a bomba irá operar 2. Que mudanças acontecerão se a curva de carga do sistema ou a curva de

desempenho da bomba mudarem.

6.BIBLIOGRÁFIA

http://www.patentesonline.com.br/rotor-de-bomba-centrifuga-para-bombeamento-de-agua-para-inundacao-de-plantacoes-114435.html Acesso em 10 de outubro de 2010.

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http://www.patentesonline.com.br/rotor-de-bomba-centrifuga-para-bombeamento-de-agua-para-inundacao-de-plantacoes-114435.html




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