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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)