Máquinas Hidráulicas_Bombas Centrífugas - UFCG

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Tipos de máquinas hidráulicas

Transcript of Máquinas Hidráulicas_Bombas Centrífugas - UFCG

  • UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE

    MQUINAS HIDRULICAS Bomba Centrfuga

    Prof. Carlos Fernandes

  • SUMRIO

    1 MQUINAS HIDRULICAS ...................................................................................... 4

    1.1 DEFINIO ........................................................................................................... 4

    1.2 CLASSIFICAO ................................................................................................. 4

    2 BOMBAS ....................................................................................................................... 4

    2.1 DEFINIO ........................................................................................................... 4

    2.2 CLASSIFICAO ................................................................................................. 4

    2.3 BOMBAS CENTRFUGAS ................................................................................... 5

    2.3.1 Definio .......................................................................................................... 5

    2.3.2 Descrio .......................................................................................................... 5

    2.3.3 Classificao .................................................................................................... 7

    2.3.4 Grandezas caractersticas ............................................................................... 11

    2.3.5 Altura manomtrica ou Carga - H .................................................................. 11

    2.3.6 Rendimentos ................................................................................................... 12

    2.3.7 Potncia solicitada pela bomba - Pb ............................................................... 14

    2.3.8. Curvas caractersticas da bomba ................................................................... 14

    2.3.9 Associao de bombas ................................................................................... 16

    2.3.10 Srie homloga............................................................................................. 21

    2.3.11 Velocidade especfica................................................................................... 22

    2.4. CAVITAO ...................................................................................................... 22

    2.4.1 Descrio do fenmeno .................................................................................. 22

    2.4.2 NPSH ............................................................................................................. 23

    2.4.3 Altura de suco ............................................................................................. 24

    2.4.4 Vrtice ............................................................................................................ 24

    2.4.5 Escorvamento ................................................................................................. 25

    2.4.6 Precaues contra o aparecimento de cavitao ............................................ 25

    3 OPERACIONALIDADE DAS BOMBAS CENTRFUGAS...................................... 28

  • 3.1 OCORRNCIAS .................................................................................................. 28

    3.2 PROCEDIMENTOS DE MANUTENO PREVENTIVA ............................... 28

    4 INFORMAES COMPLEMENTARES .................................................................. 29

    4.1 NMERO DE CONJUNTOS ............................................................................... 29

    4.2 SELEO ............................................................................................................. 29

    4.3 MANUAL DE INSTRUES ............................................................................. 29

    4.4 CASA DE BOMBAS ............................................................................................ 30

    4.5 ACESSRIOS E DISPOSITIVOS COMPLEMENTARES ................................ 30

  • 1 MQUINAS HIDRULICAS

    1.1 DEFINIO

    Mquinas Hidrulicas so mquinas que trabalham fornecendo, retirando ou modificando a

    energia do lquido em escoamento.

    1.2 CLASSIFICAO

    As mquinas hidrulicas podem ser classificadas em:

    Mquinas operatrizes - introduzem no lquido em escoamento a energia externa, ou

    seja, transformam energia mecnica fornecida por uma fonte (um motor eltrico, por

    exemplo) em energia hidrulica sob a forma de presso e velocidade (exemplo:

    bombas hidrulicas);

    Mquinas motrizes - transformam energia do lquido e a transferem para o exterior,

    isto , transformam energia hidrulica em outra forma de energia (exemplos: turbinas,

    motores hidrulicos, rodas dgua); Mistas - mquinas que modificam o estado da energia que o lquido possui (exemplos:

    os ejetores e carneiros hidrulicos).

    2 BOMBAS

    2.1 DEFINIO

    Bombas so mquinas operatrizes hidrulicas que fornecem energia ao lquido com a

    finalidade de transport-lo de um ponto a outro. Normalmente recebem energia mecnica e a

    transformam em energia de presso e cintica ou em ambas.

    2.2 CLASSIFICAO

    As bombas podem ser classificadas em duas categorias, a saber:

    Turbo-Bombas, Hidrodinmicas ou Rotodinmicas - so mquinas nas quais a

    movimentao do lquido desenvolvida por foras que se desenvolvem na massa

    lquida em consequncia da rotao de uma pea interna (ou conjunto dessas peas)

    dotada de ps ou aletas chamada de roto;

    Volumtricas ou de Deslocamento Positivo - so aquelas em que a movimentao do

    lquido causada diretamente pela movimentao de um dispositivo mecnico da

    bomba, que induz ao lquido um movimento na direo do deslocamento do citado

    dispositivo, em quantidades intermitentes, de acordo com a capacidade de

    armazenamento da bomba, promovendo enchimentos e esvaziamentos sucessivos,

    provocando, assim, o deslocamento do lquido no sentido previsto.

    So exemplos de bombas rotodinmicas as conhecidssimas bombas centrfugas e de bombas

    volumtricas as de mbolo ou alternativas e as rotativas (Figura VI.1).

  • Figura 1 - Esquemas de bombas volumtricas

    2.3 BOMBAS CENTRFUGAS

    2.3.1 Definio

    Bombas Centrfugas so bombas hidrulicas que tm como princpio de funcionamento a

    fora centrfuga atravs de palhetas e impulsores que giram no interior de uma carcaa

    estanque, jogando lquido do centro para a periferia do conjunto girante.

    2.3.2 Descrio

    Constam de uma cmara fechada, carcaa, dentro da qual gira uma pea, o rotor, que um

    conjunto de palhetas que impulsionam o lquido atravs da voluta (Figura VI.2). O rotor

    fixado no eixo da bomba, este contnuo ao transmissor de energia mecnica do motor.

    A carcaa a parte da bomba onde, no seu interior, a energia de velocidade transformada

    em energia de presso, o que possibilita o lquido alcanar o ponto final do recalque. no seu

    interior que est instalado o conjunto girante (eixo-rotor) que torna possvel a impulso do

    lquido.

  • Figura 2 - Voluta em caracol

    A carcaa pode ser do tipo voluta ou do tipo difusor. A de voluta a mais comum podendo

    ser simples ou dupla (Figura 3). Como as reas na voluta no so simetricamente distribudas

    em torno do rotor, ocorre uma distribuio desigual de presses ao longo da mesma. Isto d

    origem a uma reao perpendicular ao eixo que pode ser insignificante quando a bomba

    trabalhar no ponto de melhor rendimento, mas que se acentua a medida que a mquina sofra

    reduo de vazes, baixando seu rendimento. Como consequncia deste fenmeno, tem-se

    para pequenas vazes, eixos de maior dimetro no rotor. Outra providncia para minimizar

    este empuxo radial a construo de bombas com voluta dupla, que consiste em se colocar

    uma divisria dentro da prpria voluta, dividindo-a em dois condutos a partir do incio da

    segunda metade desta, ou seja, a 180o do incio da "voluta externa", de modo a tentar

    equilibrar estas reaes duas a duas, ou minimizar seus efeitos.

    Figura 3 - Voluta dupla

  • Para vazes mdias e grandes alguns fabricantes optam por bombas de entrada bilateral para

    equilbrio do empuxo axial e dupla voluta para minimizar o desequilbrio do empuxo radial. A

    carcaa tipo difusor no apresenta fora radial, mas seu emprego limitado a bombas

    verticais tipo turbina, bombas submersas ou horizontais de mltiplos estgios e axiais de

    grandes vazes. A carcaa tipo difusor limita o corte do rotor de modo que sua faixa

    operacional com bom rendimento torna-se reduzida.

    2.3.3 Classificao

    A literatura tcnica sobre classificao de bombas muito variada, havendo diferentes

    interpretaes conceituais. Aqui apresentada uma classificao geral que traduz, a partir de

    pesquisas bibliogrficas e textos comerciais, nossa viso sobre o assunto.

    Quanto a altura manomtrica (para recalque de gua limpa):

    o baixa presso (H 15 mca);

    o mdia presso (15 < H < 50 mca);

    o alta presso (H 50 mca).

    OBS: Para recalques de esgotos sanitrios, por exemplo, os limites superiores podem ser

    significativamente menores.

    Quanto a vazo de recalque:

    pequena (Q 50 m3/hora);

    mdia ( 50 < Q < 500 m3/hora);

    grande (Q 500 m3/hora).

    Quanto direo do escoamento do lquido no interior da bomba:

    o radial ou centrfuga pura, quando o movimento do lquido na direo normal

    ao eixo da bomba (empregadas para pequenas e mdias descargas e para

    qualquer altura manomtrica, porm caem de rendimento para grandes vazes

    e pequenas alturas alm de serem de grandes dimenses nestas condies);

    o diagonal ou de fluxo misto, quando o movimento do lquido na direo

    inclinada em relao ao eixo da bomba (empregadas em grandes vazes e

    pequenas e mdias alturas, estruturalmente caracterizam-se por serem bombas

    de fabricao muito complexa);

    o axial ou helicoidais, quando o escoamento desenvolve-se de forma paralela ao

    eixo e so especificadas para grandes vazes - dezenas de m3/s - e mdias

    alturas - at 40 m (Figura 4);

  • Figura 4 - Bomba axial: cortes

    Quanto estrutura do rotor (Figura 5):

    o aberto (para bombeamentos de guas residurias ou bruta de m qualidade);

    o semi-aberto ou semi-fechado (para recalques de gua bruta sedimentada);

    o fechado (para gua tratada ou potvel) .

    Figura 5 - Tipos de rotores

  • Quanto ao nmero de rotores:

    o estgio nico;

    o mltiplos estgios (este recurso reduz as dimenses e melhora o rendimento,

    sendo empregadas para mdias e grandes alturas manomtricas como, por

    exemplo, na alimentao de caldeiras e na captao em poos profundos de

    guas e de petrleo, podendo trabalhar at com presses superiores a 200

    kg/cm2, de acordo com a quantidade de estgios da bomba.

    Quanto ao nmero de entradas:

    o suco nica, aspirao simples ou unilateral (mais comuns);

    o suco dupla, aspirao dupla ou bilateral (para mdias e grandes vazes).

    Quanto admisso do lquido:

    o suco axial (maioria das bombas de baixa e mdia capacidades);

    o suco lateral (bombas de mdia e alta capacidades);

    o suco de topo (situaes especiais);

    o suco inferior (bombas especiais).

    Quanto posio de sada:

    o de topo (pequenas e mdias);

    o lateral (grandes vazes)

    o inclinada (situaes especiais).

    o vertical (situaes especiais).

    Quanto velocidade de rotao:

    o baixa rotao ( N < 500rpm);

    o mdia ( 500 N 1800rpm);

    o alta ( N > 1800rpm).

    OBS: As velocidades de rotao tendem a serem menores com o crescimento das vazes de

    projeto, em funo do peso do lquido a ser deslocado na unidade de tempo. Pequenos

    equipamentos, trabalhando com gua limpa, tm velocidades da ordem de 3200rpm. Para

    recalques de esgotos sanitrios, por exemplo, em virtude da sujeira abrasiva na massa lquida,

    os limites superiores podem ser significativamente menores: N < 1200rpm.

    Quanto posio na captao (Figura 6):

    o submersas (em geral empregadas onde h limitaes no espao fsico - em

    poos profundos por exemplo);

    o afogadas (mais frequentes para recalques superiores a 100 l/s);

    o altura positiva (pequenas vazes de recalque).

    Quanto posio do eixo (Figura 6)

    o :eixo horizontal (mais comuns em captaes superficiais);

  • o eixo vertical (para espaos horizontais restritos e/ou sujeitos a inundaes e

    bombas submersas em geral).

    Figura 6 - Bomba de eixo vertical submersa

    Quanto ao tipo de carcaa:

    o compacta;

    o bipartida (composta de duas sees separadas, na maioria das situaes,

    horizontalmente a meia altura e aparafusadas entre si);

    A Figura 7 mostra um corte esquemtico de uma bomba centrfuga tpica de mdia presso

    para pequenas vazes e para funcionamento afogado ou com altura positiva, eixo horizontal e

    carcaa compacta, fluxo radial com rotor fechado em monoestgio de alta rotao, suco

    nica, entrada axial e sada de topo.

  • Figura VI.7 - Corte esquemtico de uma bomba centrfuga tpica

    2.3.4 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 e para seu prprio

    movimento, implicando, pois, em um rendimento caracterstico. Estas, ento, so as

    chamadas grandezas caractersticas das bombas, isto , Vazo Q, Altura

    manomtrica H, Rendimento h e Potncia P.

    2.3.5 Altura manomtrica ou Carga - H

    Altura manomtrica de uma bomba a carga total de elevao que a bomba trabalha. dada

    pela expresso

    H = hs + hfs + hr + hfr + (vr2/2g) Eq. 1

    onde:

    H = altura manomtrica total;

    hs= altura esttica de suco;

    hfs= perda de carga na suco (inclusive NPSHr);

    hr = altura esttica de recalque;

    hfr = perda de carga na linha do recalque;

    vr2/2g = parcela de energia cintica no recalque (normalmente desprezvel em virtude das

    aproximaes feitas no clculo da potncia dos conjuntos elevatrios (Figura 8).

  • Figura 8 - Elementos da altura manomtrica

    2.3.6 Rendimentos

    2.3.6.1 Perdas de Energia

    A quantidade de energia eltrica a ser fornecida para que o conjunto motor-bomba execute o

    recalque, no totalmente aproveitada para elevao do lquido, tendo em vista que no

    possvel a existncia de mquinas que transformem energia sem consumo nesta

    transformao. Como toda mquina consume energia para seu funcionamento, ento, haver

    consumo no motor, na transformao da energia eltrica em mecnica e na bomba na

    transformao desta energia mecnica em hidrulica (Figura 9)

    2.3.6.2 Rendimentos da bomba - hb

    Rendimento de uma bomba a relao entre a potncia fornecida pela bomba ao lquido

    (potncia til) e a cedida a bomba pelo eixo girante do motor (potncia motriz). Uma bomba

    recebe energia mecnica atravs de um eixo e consume parcela desta energia no

    funcionamento de suas engrenagens, alm do que parte da energia cedida pelo rotor ao lquido

    perde-se no interior da prpria bomba em conseqncia das perdas hidrulicas diversas, da

    recirculao e dos vazamentos, de modo que s parte da energia recebida do motor

    convertida em energia hidrulica til.

  • Figura 9 - Esquema das demandas de energia nos conjuntos

    A relao entre a energia til, ou seja, aproveitada pelo fluido para seu escoamento fora da

    bomba (que resulta na potncia til) e a energia cedida pelo rotor denominada

    de rendimento hidrulico interno da bomba. A relao entre a energia cedida ao rotor e a

    recebida pelo eixo da bomba denominada de rendimento mecnicoda bomba. A relao

    entre a energia til, ou seja, aproveitada pelo fluido para seu escoamento fora da bomba

    (potncia til) e a energia inicialmente cedida ao eixo da bomba denominada rendimento

    hidrulicototal da bomba e simbolizada por hb(Tabela VI.1).

    Tabela 1 - Rendimentos hidrulicos aproximados das bombas centrfugas

    Q (l/s) 5,0 7,5 10 15 20 25 30 40 50 80 100 200

    hb(%) 55 61 64 68 72 76 80 83 85 86 87 88

    A relao entre a energia cedida pelo eixo do motor ao da bomba (que resulta na potncia

    motriz) e a fornecida inicialmente ao motor denominada de rendimento mecnicodo

    motor, hm(Tabela VI.2). A relao entre a energia cedida pelo rotor ao lquido (que resulta na

    potncia de elevao) e a fornecida inicialmente ao motor chamada de rendimento total. o

    produto hb. hm= h. Este rendimento tanto maior quanto maior for a vazo de recalque para

    um mesmo tipo de bomba.

    Tabela 2 - Rendimentos mecnicos mdios

    CV 1 2 3 5 6 7,5 10 15

    % 72 75 77 81 82 83 84 85

    CV 20 30 40 60 80 100 150 250

    % 86 87 88 89 89 90 91 92

  • 2.3.7 Potncia solicitada pela bomba - Pb

    Denomina-se de potncia motriz (tambm chamada de potncia do conjunto motor-bomba) a

    potncia fornecida pelo motor para que a bomba eleve uma vazo Q a uma altura H. Nestes

    termos tem-se:

    Pb= (g . Q . H) / h). , onde Eq. 2

    Pb = potncia em Kgm/s,

    g = peso especfico do lquido.

    Q = vazo em m3/s,

    H = altura manomtrica,

    h = rendimento total ( = hb.hm ).

    Se quisermos expressar em cavalos-vapor - CV (unidade alem)

    Pb = (g . Q . H) / (75 . h)., Eq. 3

    ou em horse-power - HP (unidade inglesa)

    . Eq. 4

    Pb = (g . Q . H) / (76 . h).

    Nota: Embora sendo 1CV 0,986HP, esta diferena no to significativa, pois a folga final

    dada ao motor e o arredondamento para valores comerciais de potncia praticamente anulam a

    preocupao de se trabalhar com CV ou HP. Como g aproximadamente igual 1000

    Kg/m3para gua, ento se pode empregar:

    Pb = (Q . H) / (75 . h) , Eq. 5

    para Q em litros por segundo.

    2.3.8. Curvas caractersticas da bomba

    a representao grfica em um eixo cartesiano da variao das grandezas caractersticas

    (Figura 10).

  • Figura 10 - Representao grfica de uma curva caracterstica

    De acordo com o traado de H x Q as curvas caractersticas podem ser classificadas como:

    flat - altura manomtrica variando muito pouco com a variao de vazo;

    drooping - para uma mesma altura manomtrica pode ocorrer vazes diferentes;

    steep - grande diferena entre alturas na vazo de projeto e a na vazo zero (ponto

    de shut off );

    rising - altura decrescendo continuamente com o crescimento da vazo.

    As curvas tipo drooping so ditas instveis e so prprias de algumas bombas centrfugas de

    alta rotao e para tubulaes e situaes especiais, principalmente em sistemas com curvas

    de encanamento acentuadamente inclinadas. As demais so consideradas estveis, visto que

    para cada altura corresponde h s uma vazo, sendo a rising a de melhor trabalhabilidade

    (Figura 11).

  • Figura 11 - Tipos de curvas caractersticas

    2.3.9 Associao de bombas

    A) Associaes tpicas

    Dependendo da necessidade fsica ou da versatilidade desejada nas instalaes elevatrias o

    projetista pode optar por conjuntos de bombas em srie ou em paralelo. Quando o problema

    de altura elevada geralmente a soluo o emprego de bombas em srie e quando tem-se que

    trabalhar com maiores vazes a associao em paralelo a mais provvel. Teoricamente,

    bombas em srie somam alturas e bombas em paralelo somam vazes. Na prtica, nos

    sistemas de recalque, isto depender do comportamento da curva caracterstica da bomba e da

    curva do encanamento, como ser visto adiante.

    Para obtermos a curva caracterstica de uma associao de bombas em srie so somadas as

    ordenadas de cada uma das curvas correspondentes. Exemplo: se quisermos a curva de duas

    bombas iguais dobram-se estas ordenadas correspondentes a mesma vazo. Quando a

  • associao em paralelo somam-se as abcissas referentes a mesma altura manomtrica. Nesta

    situao para duas bombas iguais dobram-se as vazes correspondentes (Figura VI.12).

    Figura 12 - Curvas caractersticas de associaes de duas bombas iguais

    B) Bombas em paralelo

    comum em sistemas de abastecimento de gua, esgotamento ou servios industriais, a

    instalao de bombas em paralelo, principalmente com capacidades idnticas, porm no

    exclusivas. Esta soluo torna-se mais vivel quando a vazo de projeto for muito elevada ou

    no caso em que a variao de vazo for perfeitamente predeterminada em funo das

    necessidades de servio.

    No primeiro caso o emprego de bombas em paralelo permitir a vantagem operacional de que

    havendo falha no funcionamento em uma das bombas, no acontecer a interrupo completa

    e, sim, apenas uma reduo da vazo bombeada pelo sistema. No caso de apenas uma bomba

    aconteceria a interrupo total, pelo menos temporria, no fornecimento.

    Na segunda situao a associao em paralelo possibilitar uma flexibilizao operacional no

    sistema, pois como a vazo varivel ser possvel retirar ou colocar bombas em

    funcionamento em funo das necessidades e sem prejuzo da vazo requerida.

    A associao de bombas em paralelo, no entanto requer precaues especiais por parte do

    projetista. Algumas "lembranas" so bsicas para se realizar uma boa anlise da situao,

    como por exemplo, quando do emprego de bombas iguais com curvas estveis:

  • Vazo - uma bomba isolada sempre fornecer mais vazo do que esta mesma bomba

    associada em paralelo com outra igual porque a variao na perda de carga no

    recalque diferente (estudo de curvas do sistema);

    NPSHr- este ser maior com uma s bomba em funcionamento, pois neste caso a

    vazo de contribuio de cada bomba ser maior que se a mesma estiver funcionando

    em paralelo;

    Potncia consumida - este item depender do tipo de fluxo nas bombas, onde tem-se

    para o caso de fluxo radial potncia maior com uma bomba, fluxo axial potncia maior

    com a associao em completo funcionamento e, no caso de fluxo misto, ser

    necessrio calcularmos para as diversas situaes para podermos indicar o motor mais

    adequado.

    Para outras situaes, como nos casos de associao com bombas diferentes, sistemas com

    curvas variveis, bombas com curva drooping, por exemplo, as anlises tornam-se mais

    complexas, mas no muito difceis de serem desenvolvidas.

    C) Bombas em srie

    Quando a altura manomtrica for muito elevada, deve-se analisar a possibilidade do emprego

    de bombas em srie, pois esta soluo poder ser mais vivel, tanto em termos tcnicos como

    econmicos. Como principal precauo neste tipo de associao, deve-se verificar se cada

    bomba a jusante tem capacidade de suporte das presses de montante na entrada e de jusante

    no interior da sua prpria carcaa. Para melhor operacionalidade do sistema aconselhvel a

    associao de bombas idnticas, pois este procedimento flexibiliza a manuteno e reposio

    de peas.

    D) Concluses

    Diante da exposio anterior pode-se concluir que:

    o na associao em paralelo deve-se trabalhar com bombas com caractersticas

    estveis, que o dimetro de recalque seja adequado para no gerar perdas de

    carga excessivas e que a altura manomtrica final do sistema nunca ultrapasse

    a vazo zero de qualquer uma das bombas associadas (curvas do sistema);

    o na associao em srie selecionar bombas de acordo com as presses

    envolvidas;

    e, no geral,

    o selecionar bombas iguais para facilitar a manuteno;

    o indicar motores com capacidade de atender todos pontos de trabalho do

    sistema;

    o no caso de ampliaes, conhecimento prvio das curvas das bombas e do

    sistema em funcionamento.

    E) Recomendaes tcnicas especiais

    Para projetos de elevatrias recomenda-se que, no caso de associaes em paralelo, o nmero

    fique limitado a trs bombas com curvas iguais e estveis. Se houver necessidade do emprego

    de um nmero maior ou de conjuntos diferentes, deve-se desenvolver um estudo dos pontos

  • de operao, tanto nas suces como no ponto (ou nos pontos!) de reunio no recalque,

    principalmente para que no haja desnveis manomtricos que prejudiquem as hipteses

    operacionais inicialmente previstas.

    Quanto ao posicionamento das suces, so apresentadas, na Figura 13, algumas situaes

    recomendadas para instalaes bem como outras no recomendadas, mas que frequentemente

    so encontradas por falta de uma orientao tcnica conveniente.

    Figura 13 - Arranjos de suces

    Exemplo 1

    Dado que a equao hipottica de uma bomba centrfuga "A" H = 70,00 - 0,00625 x

    Q2

    desenhar as curvas (a) caracterstica da bomba A, (b) de duas bombas A em srie e (c) de

    duas bombas A em paralelo.

    Soluo:

    (a)

    Arma-se uma tabela com os diversos valores de H encontrados a partir da equao H = 70,00

    - 0,00625 x Q2, correspondentes aos valores de Q variando de 10 em 10 l/s (Q de 10 a 100 l/s)

    organizando a tabela mostrada a seguir (Tabela 3). Estes valores so dispostos em um grfico

    plano de H em funo de Q, como na figura esquematizada abaixo da tabela.

  • Tabela 3 Vazo vs. Altura

    Vazo Q (l/s) Altura H (m)

    0 70,00

    10 69,38

    20 67,50

    30 64,38

    40 60,00

    50 54,38

    60 47,50

    70 39,38

    80 30,00

    90 19,38

    100 7,50

    Curva da bomba A

    (b)

    Idem para a equao H = 2 x (70,00 - 0,00625 x Q2);

  • (c) Idem para H = 70,00 - 0,00625 x (Q/2)2 com Q variando de 10 a 200l/s.

    Curva das associaes das bombas A + A e A//A

    2.3.10 Srie homloga

    o conjunto de bombas de tamanhos diferentes, porm com as mesmas propores,

    geometricamente semelhantes. Em uma srie desta natureza tem-se:

    . Eqs. 6

    onde:

  • D = dimetro do rotor,

    H = altura manomtrica,

    N = velocidade de rotao,

    P = potncia,

    Q = vazo.

    Estas expresses indicam que um acrscimo no dimetro, mantendo-se a velocidade

    constante, elevar a altura na razo do quadrado dessa variao, a vazo no cubo e a potncia

    requerida na quinta, o que pode trazer problemas para o motor caso o mesmo no tenha

    nominalmente capacidade suficiente. De modo anlogo variaes na velocidade de rotao

    alteram linearmente a vazo, a altura na razo do quadrado do produto N x D e a potncia

    exigida no cubo daquela variao.

    2.3.11 Velocidade especfica

    aquela que uma srie homloga teria para elevar na unidade de tempo, a uma altura unitria,

    um volume unitrio de gua com o mximo rendimento:

    ou

    Eq. 7

    Se a bomba for de aspirao dupla e "i" estgios.

    Se Ns< 80 radial;

    Se 80 Ns 150 diagonal;

    Se Ns> 150 axial.

    Observa-se, pois, que a determinao da velocidade especfica permite a identificao da

    bomba quanto ao escoamento interno e que uma grandeza muito importante para o

    fabricante deste tipo de equipamento. Ser visto tambm, que ela significativa no estudo da

    cavitao.

    2.4. CAVITAO

    2.4.1 Descrio do fenmeno

    Como qualquer outro lquido, a gua tambm tem a propriedade de vaporizar-se em

    determinadas condies de temperatura e presso. E assim sendo tem-se, por exemplo, entra

    em ebulio sob a presso atmosfrica local a uma determinada temperatura, por exemplo, no

    nvel do mar (presso atmosfrica normal) a ebulio acontece a 100C. medida que a

    presso diminui a temperatura de ebulio tambm se reduz. Por exemplo, quanto maior a

    altitude do local menor ser a temperatura de ebulio (Tabela 6). Em consequncia desta

    propriedade pode ocorrer o fenmeno da cavitao nos escoamentos hidrulicos.

  • Chama-se de cavitao o fenmeno que decorre, nos casos em estudo, da ebulio da gua no

    interior dos condutos, quando as condies de presso caem a valores inferiores a presso de

    vaporizao. No interior das bombas, no deslocamento das ps, ocorrem inevitavelmente

    rarefaes no lquido, isto , presses reduzidas devidas prpria natureza do escoamento ou

    ao movimento de impulso recebido pelo lquido, tornando possvel a ocorrncia do

    fenmeno e, isto acontecendo, formar-se-o bolhas de vapor prejudiciais ao seu

    funcionamento, caso a presso do lquido na linha de suco caia abaixo da presso de vapor

    (ou tenso de vapor) originando bolsas de ar que so arrastadas pelo fluxo. Estas bolhas de ar

    desaparecem bruscamente condensando-se, quando alcanam zonas de altas presses em seu

    caminho atravs da bomba. Como esta passagem gs-lquido brusca, o lquido alcana a

    superfcie do rotor em alta velocidade, produzindo ondas de alta presso em reas reduzidas.

    Estas presses podem ultrapassar a resistncia trao do metal e arrancar progressivamente

    partculas superficiais do rotor, inutilizando-o com o tempo.

    Quando ocorre a cavitao so ouvidos rudos e vibraes caractersticas e quanto maior for a

    bomba, maiores sero estes efeitos. Alm de provocar o desgaste progressivo at a

    deformao irreversvel dos rotores e das paredes internas da bomba, simultaneamente esta

    apresentar uma progressiva queda de rendimento, caso o problema no seja corrigido. Nas

    bombas a cavitao geralmente ocorre por altura inadequada da suco (problema

    geomtrico), por velocidades de escoamento excessivas (problema hidrulico) ou por

    escorvamento incorreto (problema operacional).

    2.4.2 NPSH

    Em qualquer clculo de altura de suco de bombas tem de ser levada em considerao que

    no deve ocorrer o fenmeno da cavitao e, para que se possa garantir boas condies de

    aspirao na mesma, necessrio que se conhea o valor do NPSH (net positive suction

    head). O termo NPSH (algo como altura livre positiva de suco) comumente utilizado entre

    os fornecedores, fabricantes e usurios de bombas pode ser dividido em dois tipos:

    o requerido (NPSHr) e o disponvel (NPSHd).

    O NPSHr uma caracterstica da bomba e pode ser determinado por testes de laboratrio ou

    clculo hidrulico, devendo ser informado pelo fabricante do equipamento. Pode-se dizer

    que NPSHr a energia necessria para o lquido ir da entrada da bomba e, vencendo as perdas

    dentro desta, atingir a borda da p do rotor, ponto onde vai receber a energia de recalque, ou

    seja, a energia necessria para vencer as perdas de carga desde o flange de suco at as ps

    do rotor, no ponto onde o lquido recebe o incremento de velocidade. Em resumo NPSHr a

    energia do lquido que a bomba necessita para seu funcionamento interno. Normalmente, o

    NPSHr fornecido em metros de coluna de gua (mca).

    O NPSHr pode ser calculado atravs da expresso:

    NPSHr = Ns . Hman Eq. 8

    Onde: o coeficiente de cavitao pode ser determinado pela expresso j *(Ns )4/3

    ,

    sendo j um fator de cavitao que corresponde aos seguintes valores:

    o para bombas radiais 0,0011;

    o diagonais 0,0013;

    o axiais 0,00145.

  • O NPSHd uma caracterstica do sistema e define-se como sendo a disponibilidade de

    energia que um lquido possui, num ponto imediatamente anterior ao flange de suco da

    bomba, acima de sua tenso de vapor. Pode ser calculado atravs da expresso:

    NPSHd = hs + [(Patm - hv) / g ] - hfs Eq. 9

    Em resumo, o NPSHd a energia disponvel que possui o lquido na entrada de suco da

    bomba. Portanto os fatores que influenciam diretamente o NPSH so a altura esttica de

    suco, o local de instalao, a temperatura de bombeamento e o peso especfico, alm do tipo

    de entrada, dimetro, comprimento e acessrios na linha de suco que vo influenciar nas

    perdas de carga na suco.

    Para que no ocorra o fenmeno da cavitao, necessrio que a energia que o lquido dispe

    na chegada ao flange de suco, seja maior que a que ele vai consumir no interior da bomba,

    isto , que o NPSH disponvel seja maior que o NPSH requerido, NPSHd NPSHr.

    Teoricamente, recomendada uma folga mnima de 5%, ou seja, NPSHd 1,05 x NPSHr,

    sendo esta folga limitada a um mnimo de 0,30m, isto , 1,05 x NPSHr NPSHr + 0,30m.

    2.4.3 Altura de suco

    Chama-se de altura de suco a diferena entre as cotas do eixo da bomba e o nvel da

    superfcie livre da gua a ser elevada, quando a gua na captao est submetida a presso

    atmosfrica. Neste caso funo da presso atmosfrica do local (Tabela 3). Na realidade a

    altura de suco no limitada somente pela presso atmosfrica local, mas, tambm, pelas

    perdas de carga pelo atrito e pela turbulncia ao longo da suco e no interior da bomba at

    que o lquido receba a energia do rotor e, alm disso, pela necessidade de evitar a cavitao.

    Como as condies de presso atmosfrica variam de acordo com a altitude do local e as de

    presso de vapor com a temperatura do fluido a recalcar, os fabricantes no tm condies de

    fornecer a altura de suco da bomba, mas devem apresentar a curva de variao do NPSHr,

    determinada nos laboratrios da indstria (Exemplo de clculo na pgina seguinte).

    2.4.4 Vrtice

    Denomina-se de vrtice o movimento em espiral gerado a partir da superfcie livre de um

    lquido quando este escoa por um orifcio, quando este orifcio encontra-se a uma

    profundidade inferior a um determinado limite. Como a entrada de gua na suco de um

    bombeamento assemelha-se a situao descrita, caso no sejam tomadas precaues, poder

    haver condies favorveis ao aparecimento do problema. O crescimento contnuo do vrtice

    pode dar origem a entrada de ar no interior da bomba, provocando cavitao no interior da

    mesma. Portanto, o dimensionamento poos de suco deve ser efetuado de modo a impedir a

    entrada de ar nas instalaes. Algumas recomendaes so bsicas para se evitar o fenmeno,

    a saber:

    o o bocal de entrada da tubulao de suco deve distar das paredes pelo menos

    duas vezes o dimetro e submerso em pelo menos trs vezes (mnimo de

    0,50m);

    o o bocal deve ter forma alargada (boca de sino) quando no existir vlvula de

    ou crivo e folga mnima para o fundo do poo de 0,5 a 1,5 vezes dimetro da

    suco;

  • o a largura (ou dimetro) do poo de suco multiplicada pela profundidade do

    lquido acima do bocal equiavala a uma rea, no mnimo, 10 vezes maior que a

    seo horizontal do mesmo poo;

    o a velocidade de aspirao seja inferior as da Tabela VI.5.

    2.4.5 Escorvamento

    Escorvar uma bomba encher de lquido sua carcaa e toda a tubulao de suco, de modo

    que ela entre em funcionamento sem possibilidade de bolhas de ar em seu interior. No caso de

    bombas com suco positiva este escorvamento mantido com a utilizao das vlvulas de

    p, principalmente em suces com dimetros inferiores a 400 mm, sendo o enchimento

    executado atravs do copo de enchimento para pequenas bombas e de by-pass na vlvula de

    reteno no recalque. Para grandes instalaes recorrem-se s bombas de vcuo ou ejetores.

    Para grandes valores de NPSHr utilizam-se instalaes com bombas afogadas ou submersas,

    onde ocorre o chamado auto-escorvamento .

    2.4.6 Precaues contra o aparecimento de cavitao

    Para evitar que ocorra cavitao nas instalaes de bombeamento, alguns procedimentos so

    elementares, tanto na fase de projetos como na de operao, a saber:

    o tubulao de suco a mais curta possvel;

    o escorvamento completo;

    o NPSHd NPSHr + 0,30m;

    o medidas antivrtices;

    o limitao da velocidade mxima de aspirao em funo do dimetro (Tabela

    4);

    o indicao clara da posio de abertura e de fechamento das peas especiais;

    o ligeira inclinao ascendente em direo entrada da bomba nos trechos

    horizontalizados (para facilitar o deslocamento das bolhas de ar na fase de

    escorvamento);

    o conexo da suco com a entrada da bomba atravs de uma reduo excntrica

    (tambm para facilitar o escorvamento);

    o no projetar registros nas suces positivas;

    o emprego de crivos ou telas na entrada da suco e;

    o emprego de vlvula de reteno nas suces positivas.

    Tabela 4 - Mximas velocidades de suco

    Dimetro (mm) Velocidade mxima (m/s)

    50 0,75

    75 1,10

    100 1,30

    150 1,45

  • 200 1,60

    250 1,60

    300 1,70

    400 1,80

    Exemplo 2 (adaptado de Macintyre)

    Calcular a mxima altura esttica de aspirao de uma bomba com rotor de entrada bilateral,

    com dois estgios, a 1150 rpm, devendo elevar 80 l/s de gua a 60oC, a 40m de altura

    manomtrica. So, ainda, conhecidos as seguintes informaes:

    o presso atmosfrica local, Patm = 0,98kgf/cm2;

    o energia cintica, v2/ 2g = 0,12m;

    o perda de carga na suco, hfs = 1,30 mca.

    Soluo:

    a) dados pesquisados para gua a 60oC

    o presso de vapor, hv, 60= 0,203 kgf/cm2,

    o peso especfico g = 983 kgf/m3

    \ hv= (0,203 kgf.cm-2

    / 983 kgf.m-3

    ) x 10 000 = 2,07 mca e Patm = (0,98 / 983) x 10 000 = 9,97

    mca;

    b) expresso para clculo

    hs,mx = Patm - (hfs + v2/2g + hv + NPSHr )

    c) definio do NPSHr

    o rotao especfica Ns = 1 150 x [ (0,08 / 2)1/2

    / (40 / 2)3/4

    ] = 25,5 bomba

    radial;

    o coeficiente de cavitao = j .( Ns)4/3

    , onde j o fator de cavitao que

    correspondente ao valor para uma bomba radial j = 0,0011

    \s = j . ( Ns )4/3

    = 0,0011 x 25,54/3

    = 0,0825;

    o altura diferencial de presso NPSHr = s . H = 0,0825 x 40 = 3,30 mca.

    d) mxima altura esttica de aspirao

    hs,mx = 9,97- (1,30 + 0,12 + 2,07+ 3,30) = 3,18 m.

  • Tabela 5 - Presso atmosfrica em funo da altitude

    Altitude

    local (m)

    Coluna de gua

    equivalente a

    presso

    atmosfrica (m)

    -500 10,960

    0 10,332

    500 9,734

    1000 9,165

    1500 8,623

    2000 8,107

    2500 7,616

    3000 7,150

    3500 6,708

    4000 6,288

    4500 5,889

    5000 5,511

    Tabela 6 - Tenso de vapor e densidade da gua com temperatura

    Tenso de vapor

    Temperatura

    (C)

    mm Hg kg/cm2 Densidade

    0 4,56 0,0062 0,9998

    5 6,50 0,0084 1,0000

    10 9,19 0,0125 0,9997

    15 12,7 0,0174 0,9991

    20 17,4 0,0238 0,9982

    25 23,6 0,0322 0,9970

    30 31,5 0,0429 0,9967

    35 41,8 0,0572 0,994

    40 54,9 0,0750 0,9922

    45 71,4 0,0974 0,9901

    50 92,0 0,1255 0,9880

    55 117,5 0,1602 0,9867

    60 148,8 0,2028 0,9832

    65 186,9 0,2547 0,9811

    70 233,1 0,3175 0,9788

    75 288,5 0,3929 0,9759

    80 354,6 0,4828 0,9728

  • 85 433,0 0,5894 0,9693

    90 525,4 0,7149 0,9653

    95 633,7 0,8620 0,9619

    100 760,0 1,0333 0,9584

    105 906,0 1,2320 0,9549

    110 1075,0 1,4609 0,9515

    115 1269,0 1,7260 0,9474

    120 1491,0 2,0270 0,9430

    3 OPERACIONALIDADE DAS BOMBAS CENTRFUGAS

    3.1 OCORRNCIAS

    As bombas centrfugas so equipamentos mecnicos e, portanto, esto sujeitas a problemas

    operacionais que vo desde uma simples reduo de vazo at o no funcionamento

    generalizado ou colapso completo. Mesmo que o equipamento tenha sido bem projetado,

    instalado e operado, mesmo assim estar sujeito a desgastes fsicos e mecnicos com o tempo.

    Os problemas operacionais podem surgir das mais diversas origens como imperfeies no

    alinhamento motor-bomba, falta de lubrificao ou lubrificao insuficiente ou qualidade

    inadequada do lubrificante, etc., colocao e aperto das gaxetas, localizao do equipamento,

    dimensionamento das instalaes de suco e recalque, bem como suas prprias instalaes,

    fundaes e apoios na casa de bombas, qualidade da energia fornecida, etc.

    Entrada de ar, sentido de rotao incorreta do rotor e entrada de slidos no interior das

    bombas tambm no so ocorrncias raras de acontecerem, principalmente nas fases iniciais

    de operao do bombeamento.

    De um modo geral operar uma bomba com vazo reduzida implica em aumento do empuxo

    radial e da temperatura do lquido bombeado, alm de gerar um retorno de fluxo,

    extremamente prejudicial a estrutura do rotor. Por outro lado vazes excessivas provocam

    aumento do NPSHr e reduo do NPSHd e, consequentemente, aumentando a possibilidade

    de surgimento de cavitao. Tambm o excesso de vazo aumentar a potncia requerida

    podendo, com isso, causar danos significativos ao sistema de fornecimento de energia

    mecnica (motor).

    Os principais defeitos que ocorrem em bombas centrfugas so descarga insuficiente ou nula,

    presso deficiente, perca da escorva aps partida, consumo excessivo de energia, rpidos

    desgastes dos rolamentos e gaxetas, aquecimentos, vibraes e rudos. E as principais causas

    so presena de ar ou vapor dgua dentro do sistema, vlvulas pequenas ou inadequadamente abertas, submergncia insuficiente, corpos estranhos no rotor, problemas mecnicos,

    refrigerao inadequada, lubrificao m executada, desgaste dos componentes, desvios de

    projeto e erros de montagem.

    3.2 PROCEDIMENTOS DE MANUTENO PREVENTIVA

    Em um programa de manuteno na operao de uma estao elevatria, indispensvel que

    sejam feitas observaes e inspees dirias, mensais, semestrais e anuais, em todas as

    instalaes eletromecnicas.

  • Diariamente o operador dever anotar, caso ocorram, variaes de corrente, temperaturas

    excessivas nos mancais da caixa de gaxetas, vibraes anormais e rudos estranhos. O

    surgimento de alteraes como estas, indicam a necessidade imediata de inspees corretivas.

    Como procedimentos preventivos, mensalmente devero ser verificados o alinhamento do

    conjunto motor-bomba, a lubrificao das gaxetas, a temperatura dos mancais e os nveis do

    leo e corrigi-los, se necessrio.

    Semestralmente o pessoal da manuteno dever substituir o engaxetamento, verificar o

    estado do eixo e das buchas quanto a presena de estrias e, atravs da caixa de gaxetas,

    examinar o alinhamento e nivelamento dos conjuntos motor-bombas e verificar se as

    tubulaes de suco ou de recalque esto forando indevidamente alguma das bombas e,

    finalmente, medir as presses nas entradas e sadas das bombas.

    Independentemente de correes eventuais, anualmente deve ser providenciada uma reviso

    geral no conjunto girante, no rotor e no interior da carcaa, verificar os intervalos entre os

    anis, medir a folga do acoplamento, substituir as gaxetas, trocar o leo e lubrificar os

    mancais. claro que esse acompanhamento sistemtico no d garantias que no ocorrer

    situaes emergenciais, mas a certeza que este tipo de ocorrncia ser muito mais raro

    inquestionvel.

    4 INFORMAES COMPLEMENTARES

    4.1 NMERO DE CONJUNTOS

    Um sistema de abastecimento da gua no pode sofrer solues de continuidade sob pena de

    ter sua eficincia, medida pelo binmio quantidade e qualidade, comprometida.

    tecnicamente inadmissvel que em linhas por recalque o bombeamento seja interrompido por

    falta de funcionamento dos equipamentos de pressurizao em decorrncia de problemas

    mecnicos normais, de manuteno preventiva, etc.

    Para que tal situao no ocorra as estaes elevatrias so dimensionadas com conjuntos de

    reserva de modo que sempre que ocorrer impossibilidade de funcionamento de alguma

    mquina, esta seja substituda por entre outra de igual capacidade para manter o pleno

    funcionamento da linha. O nmero de conjuntos de reserva deve ser compatvel com as

    condies operacionais e deve ser de, pelo menos, um conjunto de reserva.

    4.2 SELEO

    So condies fundamentais para seleo das bombas, as hidrulicas do escoamento, ou seja,

    o ponto de funcionamento do sistema, a natureza do projeto, as caractersticas da gua a ser

    recalcada, os equipamentos existentes no mercado e a similaridade com os j instalados e em

    operao para flexibilizar a reposio de peas defeituosas ou desgastadas. Alm disso,

    tambm deve ser elaborado um estudo intensivo da dimenso da obra e etapas de construo,

    e um programa de que facilite a operao e manuteno dos servios.

    4.3 MANUAL DE INSTRUES

    Seguir as instrues recomendadas pelos fabricantes dos equipamentos quanta a sua

    instalao, operao e manuteno essencial para um bom desempenho e garantia tcnica

    dos conjuntos. Para grandes mquinas os fabricantes, geralmente, alm de fornecerem os

  • manuais acompanham supervisionando toda a montagem e o funcionamento inicial visando

    corrigir eventuais problemas na montagem, tais como desalinhamentos, fundaes, apoios, e

    chumbagens, conexes com as tubulaes, operaes de partida e manobras das vlvulas e

    parada, etc.

    4.4 CASA DE BOMBAS

    As bombas devero est alojadas em uma edificao denominada de casa de bombas. Este

    edifcio dever ter dimenses tais que tenham espaos suficientes para permitirem com certa

    comodidade montagens e desmontagens dos equipamentos e circulao de pessoal de

    operao e manuteno, de acordo com as normas tcnicas em vigor e com as recomendaes

    dos fabricantes. Por exemplo, um espao mnimo de 1,50m entre cada conjunto. Tambm

    deve ter espao e estrutura para instalao de equipamentos de manuteno e servio tais

    como vigas (para instalao de pontes rolantes, roldanas, etc.), prticos (para passagens

    livres) e aberturas em pisos e paredes.

    Estudos sobre a disposio dos equipamentos, drenagem dos pisos so essenciais. Na

    elaborao de projeto arquitetnico importante o estudo da iluminao, ventilao e

    acstica. O emprego de degraus deve ser restrito, mas sempre que for necessrio no podero

    ser economizados corrimos.

    4.5 ACESSRIOS E DISPOSITIVOS COMPLEMENTARES

    So procedimentos convencionais o emprego de registro nas suces afogadas (nunca nas

    acima do nvel da gua) e somente em casos justificados podero no ser indicados registros

    de manobras e vlvulas de reteno aps bomba.

    Nas suces positivas torna-se obrigatrio o emprego de vlvulas de p (inteis no caso de

    bombas afogadas) para manuteno do escorvamento. Qualquer que seja a situao deve-se

    instalar crivos ou telas na entrada da suco. Instalaes de manmetros na entrada da bomba

    e na sada tambm so muito importantes nas tarefas de inspeo do equipamento.

    A conexo da tubulao horizontal de suco, quando existir, dever ser conectada a entrada

    da bomba atravs de uma reduo excntrica voltada para cima de modo a facilitar o

    escorvamento do trecho a montante.

    Todas as tubulaes devero ser dispostas de maneira que possam permitir reparos e

    manuteno das peas especiais e conexes com um mnimo de perturbaes no sistema,

    principalmente sem provocar tracionamentos nas demais peas. As aparentes devero ser em

    ferro fundido flangeado (juntas rgidas) e com juntas de dilatao e de fcil desmontagem

    (juntas gibault, por exemplo) visto que estas tubulaes esto sujeitas as intempries,

    vibraes e choques acidentais no dia a dia operacional. Em tubulaes com dimetros

    inferiores a 100mm podero ser empregados galvanizados rosqueveis, por questes

    econmicas e, normalmente serem instalaes mais simples. O projeto das tubulaes deve

    evitar ao mximo alargamento ou redues bruscas na continuidade das sees