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Bombas Centrífugas Operando com Escoamento Monofásico Viscoso Por definição, todo fluido possui viscosidade No entanto, neste trabalho será

SUMÁRIO

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA E DE CONCEITOS

2.2 Revisão Bibliográfica

2.2.1 Bombas Centrífugas Operando com Escoamento Monofásico Viscoso Por definição, todo fluido possui viscosidade No entanto, neste trabalho será

utilizado o termo viscoso para mencionar fluidos com viscosidade maior que 1 mPa.s (1 cP). A seguir, são apresentadas as principais referências disponíveis na literatura que abordam o desempenho de bombas centrífugas e BCSs operando com fluido viscoso.

Stepanoff (1949) realizou um amplo estudo experimental para verificar a influência da viscosidade no desempenho de bombas centrífugas. Para abordar o problema, o autor utilizou dezesseis bombas centrífugas convencionais com diâmetro do flange de descarga de ¾” (19 mm) a 8” (200 mm). Os testes foram realizados com água e onze tipos de óleos, com viscosidades variando entre 1 a 2020 cSt (1 a 1900 mPa).

Stepanoff verificou que, para uma rotação 𝜔 constante, a capacidade de elevação e a vazão da bomba diminuem com o aumento da viscosidade, de tal maneira que a velocidade específica 𝑁𝑆 permanece constante no ponto de melhor eficiência. Assim:

𝑁𝑆 = 𝜔 √𝑞𝑤,𝑏𝑒𝑝

(𝐻𝑤,𝑏𝑒𝑝)3/4

= 𝜔 √𝑞𝑣𝑖𝑠,𝑏𝑒𝑝

(𝐻𝑣𝑖𝑠,𝑏𝑒𝑝)3/4 (2.70)

onde 𝑁𝑆 é a velocidade específica, 𝜔 é a rotação em rpm, 𝑞𝑤,𝑏𝑒𝑝 e 𝑞𝑣𝑖𝑠,𝑏𝑒𝑝 são as vazões de água e de fluidos viscoso no BEP em gpm, 𝐻𝑤,𝑏𝑒𝑝 e 𝐻𝑣𝑖𝑠,𝑏𝑒𝑝 as alturas de elevação de água e fluidos viscoso no BEP em ft.

Para uma rotação constante a Equação (2.70) pode ser reescrita como: 𝑞𝑣𝑖𝑠,𝑏𝑒𝑝 𝑞𝑤,𝑏𝑒𝑝 = (𝐻𝑣𝑖𝑠,𝑏𝑒𝑝 𝐻𝑤,𝑏𝑒𝑝 ) 1,5 (2.71)

Os coeficientes de correção viscosos no BEP, para a vazão 𝐶𝑞,𝑏𝑒𝑝, elevação 𝐶𝐻,𝑏𝑒𝑝 e eficiência 𝐶𝜂,𝑏𝑒𝑝 são definidos, respectivamente, como:

𝐶𝑞,𝑏𝑒𝑝 = 𝑞𝑣𝑖𝑠,𝑏𝑒𝑝 𝑞𝑤,𝑏𝑒𝑝 (2.72) 𝐶𝐻,𝑏𝑒𝑝 =𝐻𝑣𝑖𝑠,𝑏𝑒𝑝 𝐻𝑤,𝑏𝑒𝑝 (2.73) 𝐶𝜂,𝑏𝑒𝑝 = 𝜂𝑣𝑖𝑠,𝑏𝑒𝑝 𝜂𝑤,𝑏𝑒𝑝 (2.74)

onde 𝜂𝑤,𝑏𝑒𝑝 e 𝜂𝑣𝑖𝑠,𝑏𝑒𝑝 são as eficiências máximas na operação com água e fluido viscoso, respectivamente.

Reescrevendo a Equação (2.71), tem-se:

𝐶𝑞,𝑏𝑒𝑝 = 𝐶𝐻,𝑏𝑒𝑝

1,5

(2.75) Portanto, se o desempenho com água é conhecido, é necessário, apenas, um fator de correção para obter-se o desempenho com fluido viscoso.

Baseado nos resultados experimentais, o autor propôs um diagrama, Figura 2.4, para os fatores de correção de elevação e eficiência, válidos para o BEP, em função do número de Reynolds de Stepanoff. O número de Reynolds de Stepanoff é definido pela Equação (2.76).

𝑅𝑒𝑠𝑡𝑒𝑝𝑎𝑛𝑜𝑓𝑓 =

𝜔 𝑞𝑣𝑖𝑠

𝜈√𝐻𝑤,𝑏𝑒𝑝 (2.76)

onde 𝜔 é a rotação em rpm, 𝑞𝑣𝑖𝑠𝑐 é a vazão de fluido viscoso em ft3/s, 𝜈 é a viscosidade cinemática do fluido em ft2/s e 𝐻𝑤,𝑏𝑒𝑝 é a altura de elevação com água em ft.

O número de Reynolds de Stepanoff é função da vazão de fluido viscoso, que é geralmente desconhecida, tornando o procedimento de correção iterativo. Assim, conhecido os dados de desempenho com água no BEP, o procedimento de correção inicia-se com uma

estimativa da vazão de fluido viscoso. Com a vazão estimada, calcula-se o número de Reynolds de Stepanoff através da Equação (2.76) e obtém-se graficamente o fator de correção da vazão através da Figura 2.4. Calcula-se a vazão de fluido viscoso por meio do fator de correção dado pela Equação (2.72) e então esse valor é comparado com a estimativa inicial da vazão. O procedimento é repetido até a convergência. Após a convergência, calcula-se a altura de carga corrigida para o fluido viscoso dado pela Equação (2.75).

Figura 2.4 – Fatores de correção de elevação e eficiência no ponto do BEP (Stepanoff, 1982).

TUALP (2006, apud Solano, 2009) propôs alterações na metodologia de correção de desempenho de Stepanoff (1949), visando tornar o procedimento de cálculo direto. A metodologia modificada baseia-se em um número de Reynolds que é função, apenas, do desempenho da bomba operando com água, o 𝑅𝑒𝑒𝑣𝑑𝑜𝑐𝑖𝑎, definido por:

𝑅𝑒𝑒𝑣𝑑𝑜𝑐𝑖𝑎= 𝑅𝑒𝑠𝑡𝑒𝑝𝑎𝑛𝑜𝑓𝑓

𝑞𝑤,𝑏𝑒𝑝

𝑞𝑣𝑖𝑠,𝑏𝑒𝑝 (2.77)

onde 𝑅𝑒𝑠𝑡𝑒𝑝𝑎𝑛𝑜𝑓𝑓 é definido pela Equação (2.76), porém em um sistema de unidades diferente. Substituindo a Equação (2.76) na Equação (2.77), tem-se:

𝑅𝑒𝑒𝑣𝑑𝑜𝑐𝑖𝑎 = 6,0345

𝜔 𝑞𝑤,𝑏𝑒𝑝

𝜈√𝐻𝑤,𝑏𝑒𝑝 (2.78)

onde 𝜔 é a rotação em rpm, 𝑞𝑤,𝑏𝑒𝑝 é a vazão de água no BEP em bdp, 𝜈 é a viscosidade cinemática do fluido em cSt e 𝐻𝑤,𝑏𝑒𝑝 é a altura de elevação com água no BEP em ft.

Utilizando o número de Reynolds modificado, os autores reconstruíram o diagrama de Stepanoff (1949) e forneceram uma expressão analítica para o cálculo do coeficiente de correção para a elevação, Equação (2.79).

𝐶𝐻,𝑏𝑒𝑝 = 1 − 𝑒(−0,033823 𝑅𝑒𝑒𝑣𝑑𝑜𝑐𝑖𝑎

0,36769)

(2.79) Uma vez que o 𝑅𝑒𝑒𝑣𝑑𝑜𝑐𝑖𝑎 é função apenas do desempenho com água, que é geralmente conhecido, o procedimento de correção torna-se direto. Calculado o coeficiente de correção de elevação, o coeficiente de correção para a vazão pode ser calculado conforme definido por Stepanoff, Equação (2.75). O desempenho corrigido para o fluido viscoso é calculado pelas Equações (2.72) e (2.73).

O Hydraulic Institute-USA (1955) investigou, experimentalmente, o desempenho de bombas centrífugas convencionais de simples estágio operando com óleos derivados de petróleo. Foram utilizadas bombas centrífugas de 1 a 8” (25 a 200 mm) de diâmetro de flange de descarga, vazões de 3400 a 340000 bpd (540 a 540000 m3/h), altura de elevação variando entre 6 a 600 ft (1,8 a 183 m) e viscosidade cinemática entre 4 a 3300 cSt. Com base nesses resultados experimentais foram propostos dois ábacos, um para as bombas de 2 até 8” e outro para bombas de 1” de diâmetro de flange de descarga. Esses ábacos fornecem os fatores de correção de vazão 𝐶𝑞, altura de elevação 𝐶𝐻 e eficiência 𝐶𝜂, que são utilizados na correção da curva de desempenho da bomba operando com fluido viscoso. Os fatores de correção são definidos como: 𝐶𝑞= 𝑞𝑣𝑖𝑠 𝑞𝑤 (2.80) 𝐶𝐻 = 𝐻𝑣𝑖𝑠 𝐻𝑤 (2.81)

𝐶𝜂= 𝜂𝑣𝑖𝑠

𝜂𝑤 (2.82)

onde 𝑞 é a vazão, 𝐻 é a elevação e 𝜂 é a eficiência. Os subíndices 𝑤 e 𝑣𝑖𝑠 representam a operação com água e fluido viscoso, respectivamente.

O ábaco proposto para as bombas de 2 até 8” é mostrado na Figura 2.5. Os fatores de correção são obtidos, diretamente, da leitura do ábaco. Para uma determinada vazão de água no BEP (𝑞𝑤,𝑏𝑒𝑝), eixo das abcissas, é traçada uma linha vertical até a curva correspondente a elevação com água no BEP (𝐻𝑤,𝑏𝑒𝑝). A partir desse ponto, é traçada uma linha horizontal até a viscosidade que se deseja realizar a correção. Então, é traçada uma nova linha vertical até os fatores de correção.

Figura 2.5 – Ábaco para correção de desempenho de bombas centrífugas de 2 a 8” operando com fluido viscoso (Hydraulic Institute, 1983).

Os fatores de correção 𝐶𝑞 e 𝐶𝜂 são independentes da vazão de água. No entanto, o fator de correção 𝐶𝐻 varia com a vazão e o ábaco fornece esse fator para quatro vazões diferentes, que são 0,6, 0,8, 1 e 1,2 vezes a vazão do ponto e melhor eficiência.

Diferentemente do procedimento proposto por Stepanoff (1949) que apresenta os fatores de correção, apenas, no BEP, o procedimento do Hydraulic Institute-USA (1955) corrige em sua totalidade a curva de desempenho da bomba quando operando com fluido viscoso.

Turzo et al. (2000) digitalizou os ábacos do Hydraulic Institute-USA (1955) e por meio da regressão dos dados ajustou equações analíticas para cada curva proposta. Segundo o autor, os fatores de correção são função da vazão de líquido corrigida 𝑄∗, definida por:

𝑄∗= 𝑒𝑥𝑝 [39,5276 + 26,5605 𝑙𝑛(𝜈) − 𝛾

51,6565 ] (2.83)

sendo:

𝛾 = −7,5946 + 6,6504 𝑙𝑛(𝐻𝑤,𝑏𝑒𝑝) + 12,8429 𝑙𝑛 (𝑞𝑤,𝑏𝑒𝑝) (2.84)

onde 𝑞𝑤,𝑏𝑒𝑝 é vazão de água no BEP em 102.gpm, 𝐻𝑤,𝑏𝑒𝑝 é a elevação no BEP em ft e 𝜈 é a viscosidade cinemática do fluido viscoso em cSt.

Os fatores de correção para vazão e eficiência são definidos pelas Equações (2.85) e (2.86), sendo válidos para toda curva de desempenho.

𝐶𝑞= 1,0 − 4,0327.10−3𝑄− 1,724.10−4(𝑄)2

(2.85)

𝐶𝜂= 1,0 − 3,3075.10−2𝑄∗− 2,8875−4(𝑄∗)2

(2.86) O fator de correção de elevação é função da vazão. As Equações (2.87) a (2.90) fornecem os fatores de correção para elevação para quatro vazões diferentes, que são 0,6, 0,8, 1 e 1,2 vezes a vazão do ponto e melhor eficiência.

𝐶𝐻,0,6= 1,0 − 3,68.10−3𝑄∗− 4,36.10−5(𝑄∗)2 (2.87)

𝐶𝐻,0,8= 1,0 − 4,4723.10−3𝑄− 4,18.10−5(𝑄)2

(2.88)

𝐶𝐻,1,0= 1,0 − 7,00763.10−3𝑄∗− 1,41.10−5(𝑄∗)2

𝐶𝐻,1,2= 1,0 − 9,01.10−3𝑄∗− 1,31.10−5(𝑄∗)2

(2.90) Uma vez que os fatores de correção são determinados, o desempenho corrigido é calculado pelas Equações (2.80) a (2.82).

Gülich (1999) propôs um modelo semiempírico de correção de desempenho viscoso baseado na análise da dissipação de energia no interior da bomba. O autor afirma que o atrito de disco e as dissipações viscosas, devido ao atrito nos canais do impelidor, são as principais causas da degradação do desempenho da bomba quando operando com fluidos viscosos.

A perda por atrito de disco foi modelada empiricamente, sendo considerado também o efeito térmico. A energia dissipada na forma de calor aquece o fluido entre o impelidor e a carcaça da bomba, reduzindo, localmente, a viscosidade e consequentemente, reduzindo a perda por atrito de disco. Baseado em resultados experimentais, o autor concluiu que, para viscosidades acima de 4.10-4 m2/s, o aquecimento do fluido é considerável devido à dissipação causada pela tensão de cisalhamento. Com base nessas observações, foi proposto um fator empírico que permite estimar o quanto o fator de atrito de disco se reduz devido ao efeito térmico.

As perdas devido ao atrito nos canais da bomba, também, foram modeladas empiricamente. Segundo proposto pelo autor, essa perda é função do fator de atrito, do número de Reynolds e da velocidade específica.

O modelo proposto para a correção de desempenho foi comparado com dados de testes disponíveis na literatura para bombas de voluta, com simples estágio e velocidade específica entre 600 e 2400, com unidades da Equação (2.70). Embora as características geométricas dessas bombas não fossem totalmente conhecidas, o modelo apresentou bons resultados. A principal vantagem do método de correção baseado na análise de perdas, é que a metodologia pode ser aplicada em qualquer tipo de bomba e permite levar em consideração as características específicas da bomba em questão.

Amaral (2007) desenvolveu um trabalho teórico-experimental que teve como objetivo estudar a influência da viscosidade no desempenho de bombas centrífugas. Nesse trabalho, o autor propôs uma modelo para previsão de desempenho viscoso e realizou sua validação por meio de dados experimentais.

Para os testes experimentais, foram utilizadas três bombas centrífugas, sendo uma bomba radial de voluta e duas BCSs. As BCSs escolhidas foram os modelos GN700 de 3

estágios (𝑞𝑤,𝑏𝑒𝑝 = 46,3 𝑚3/ℎ) e J350N de 2 estágios (𝑞𝑤,𝑏𝑒𝑝 = 82,8 𝑚3/ℎ), ambas de fluxo misto. A BCS GN7000 teve seu estágio intermediário instrumentado, possibilitando a medição da variação de pressão no estator e no impelidor. Os testes foram realizados com água e glicerina nas viscosidades de 60 cP, 270 cP, 720 cP e 1020 cP, e rotações de 1800 a 3500 rpm.

Partindo-se das equações de conservação de massa e quantidade de movimento, na forma unidimensional, aplicadas aos canais do impelidor, o autor propôs um modelo dito generalista para previsão do desempenho de bombas centrífugas operando com fluidos viscosos. Em relação ao desenvolvimento do modelo, destacam-se dois termos que foram ajustados através dos ensaios experimentais, que são o fator cinemático 𝑓𝑐 e a constante empírica 𝑘 referente a geometria da bomba. O fator cinemático refere-se à redução da transferência de quantidade de movimento para o fluido devido aos efeitos bidimensionais do campo de velocidades e, também, do afastamento da velocidade média em relação a velocidade teórica. Esses efeitos são causados por recirculações, obstruções devido as pás na entrada do impelidor, e a ação da força de Coriolis entre outros fatores, sendo modelados empiricamente. Já a constante 𝑘 é um fator de escala adimensional que representa a dissipação de energia devido ao choque na entrada da bomba quando a vazão é diferente daquela do BEP.

Os dados experimentais obtidos por Amaral (2007) foram utilizados para ajustar e validar o modelo proposto. Os resultados experimentais obtidos para as BCSs e os obtidos com a aplicação do modelo, foram também comparados com os valores fornecidos pelos ábacos do

Hydraulic Institute-USA (1955). Os resultados mostraram que para a altura de elevação os

desvios não excedem 5%, porém para a vazão chegam a 28% e variam entre -25% a 17% para a eficiência.

Gülich (2008) propôs um modelo empírico para correção do desempenho viscoso baseado em resultados de testes disponível na literatura e em seu modelo de perdas (Gülich, 1999). As Figura 2.6 e Figura 2.7 mostram os fatores de correção de eficiência e elevação para os resultados dos testes experimentais e os previstos pela análise de perdas.

Para investigar a influência do número de Reynolds, do tipo de bomba (sucção simples ou dupla) e da velocidade específica, os fatores de correção foram plotados em relação ao número de Reynolds modificado 𝑅𝑒𝑚𝑜𝑑, definido pela Equação (2.91).

sendo:

𝑅𝑒 = 𝜔 𝑟2 2

𝜈 (2.92)

onde 𝑅𝑒 é o número de Reynolds, 𝜔𝑠 é a velocidade específica adimensional, 𝑓𝑞 = 1 para bombas de sucção simples ou 𝑓𝑞 = 2 para bombas de sucção dupla, 𝜔 é a rotação da bomba em rad/s, 𝑟2 é o raio externo do impelidor em m, 𝜈 é a viscosidade cinemática em m2/s, 𝑞

𝑤,𝑏𝑒𝑝 é a

vazão de água no BEP em m3/s e 𝐻𝑤,𝑏𝑒𝑝 é a altura de elevação em m.

Figura 2.6 – Fator de correção da eficiência, comparação do modelo de perdas e resultados de testes experimentais (Gülich, 2008).

Figura 2.7 – Fator de correção da elevação, comparação do modelo de perdas e resultados de testes experimentais (Gülich, 2008).

Os resultados dos testes mostrados nessas figuras abrangem as seguintes condições operacionais: 250 < 𝑅𝑒𝑚𝑜𝑑 < 107 ou 1500 < 𝑅𝑒 < 108; 0,140 < 𝑑

2 < 0,510 m; 1 < 𝜈 < 3000.10−6 m2/s; 310 < 𝑁

𝑠 < 2300 em unidades da Equação (2.70).

Baseado nos resultados dos testes experimentais e os previstos pela análise de perdas, o autor propôs correlações para os fatores de correção em função do número de Reynolds modificado. As correlações para o fator de correção de eficiência e elevação no BEP são definidas pelas Equações (2.93) e (2.94), respectivamente.

𝐶𝜂= 𝑓𝜂 = 𝑅𝑒𝑚𝑜𝑑−𝑦 (2.93) 𝐶𝐻,𝑏𝑒𝑝 = 𝑓𝐻,𝑜𝑝𝑡 = 𝑅𝑒𝑚𝑜𝑑−𝑥 (2.94) onde: 𝑦 = 19 𝑅𝑒𝑚𝑜𝑑0,705 (2.95) 𝑥 = 6,7 𝑅𝑒𝑚𝑜𝑑0,735 (2.96)

Para a operação em uma vazão fora do BEP, o coeficiente de correção é fornecido por:

𝑓𝐻 = 𝐶𝐻 = 1 − (1 − 𝑓𝐻,𝑜𝑝𝑡) ( 𝑞 𝑞𝑏𝑒𝑝)

0,75

(2.97)

O fator de correção da vazão é igual ao fator de correção de elevação no BEP. Portanto:

𝑓𝑄 = 𝐶𝑄 = 𝑓𝐻,𝑜𝑝𝑡

(2.98) Segundo o autor, essa metodologia de correção é válida para viscosidades até 4000.106 m2/s e velocidade específica entre 360 e 2580, em unidades da Equação (2.70).

A metodologia proposta por Gülich (2008) é bastante simplificada quando comparada com o modelo de perdas apresentado por Gülich (1999). O modelo baseado nas perdas viscosas requer um considerável detalhamento das características geométrico do impelidor da bomba, tais como diâmetros e ângulos de entrada e saída, folgas internas e

rugosidades superficiais. Dessa forma, a previsão de desempenho viscoso baseado na análise de perdas fica limita aos casos onde a geometria do equipamento é totalmente conhecida. Em casos contrários, em que apenas o desempenho com água é disponível, a previsão do desempenho viscoso pode ser calculada pela metodologia empírica proposta por Gülich (2008), porém com incertezas superiores em relação a abordagem semiempírica da análise de perdas.

Solano (2009) estudou o efeito da viscosidade no desempenho de uma BCS de 7 estágios amplamente utilizada na produção de petróleo. A BCS selecionada para os testes foi o modelo DN1750, que possui vazão de água no BEP de 11,6 m3/h. Com base na análise das equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia aplicadas ao impelidor da bomba, o autor verificou que o desempenho da bomba pode ser descrito pelos quatro grupos adimensionais tradicionais de turbomáquinas, conforme mostrado na Equação (2.99).

𝛹 = 𝑓(𝑅𝑒, 𝛷) = 𝑔(𝑅𝑒, 𝜔𝑠)

(2.99) onde 𝛹 é o coeficiente de elevação, 𝛷 é o coeficiente de vazão, 𝑅𝑒 é o número de Reynolds e 𝜔𝑠 é a velocidade específica.

Os resultados experimentais obtidos foram utilizados para estabelecer a relação funcional entre esses adimensionais. Os experimentos foram realizados para três valores diferentes de velocidade específica, sendo uma no BEP e as outras duas nos limites operacionais especificados pelo fabricante. Para cada velocidade específica foram testadas diferentes viscosidades e rotações.

O autor afirma que, para uma determinada velocidade específica, existe uma relação funcional constante entre o coeficiente de vazão e o coeficiente de elevação. Essa relação permanece inalterada independente da rotação e da viscosidade. Esses resultados mostram que o uso da análise dimensional é um procedimento adequado para determinar o desempenho da bomba operando com fluido. Os resultados experimentais, também, validam o procedimento proposto por Stepanoff (1949), inclusive para velocidades específicas diferentes do BEP.

A norma ANSI-HI 9.6.7 (2010) é o procedimento mais recente fornecido pelo

Hydraulic Institute para correção do desempenho de bombas centrífugas operando com fluido

viscoso. A metodologia proposta consiste de um modelo empírico baseado em um extenso banco de dados fornecido por diferentes fabricantes. Esse banco de dados compreende testes de bombas de simples e múltiplos estágios, com impelidores fechados e semiabertos, vazão no

BEP com água de 3 a 410 m3/h, elevação por estágio no BEP com água de 6 a 130 m e viscosidade cinemática de 1 a 3000 cSt.

A correção do desempenho viscoso é realizada por meio dos coeficientes 𝐶𝑞, 𝐶𝐻 e 𝐶𝜂, definidos nas Equações (2.80) a (2.82). Os coeficientes de correção são função do parâmetro B, definido por: 𝐵 = 16,5.𝜈 0,50 (𝐻 𝑤,𝑏𝑒𝑝) 0,0625 (𝑞𝑤,𝑏𝑒𝑝)0,375 𝜔0,25 (2.100)

onde 𝜈 é a viscosidade cinemática em cSt, 𝐻𝑤,𝑏𝑒𝑝 é a altura de elevação com água no BEP em metros, 𝑞𝑤,𝑏𝑒𝑝 é a vazão de água no BEP em m3/h e 𝜔 é a rotação em rpm.

Se 1,0 < 𝐵 < 40, o coeficiente de correção de vazão 𝐶𝑞, que é igual ao coeficiente de correção de elevação no BEP 𝐶𝐻,𝑏𝑒𝑝, é definido por:

𝐶𝑞 = 𝐶𝐻,𝑏𝑒𝑝 = 2,71−0,165.(𝑙𝑜𝑔10𝐵)

3,15

(2.101) Para o restante da curva, exceto o BEP, o coeficiente de correção de elevação é definido por:

𝐶𝐻 = 1 − [(1 − 𝐶𝐻,𝑏𝑒𝑝). ( 𝑞𝑤

𝑞𝑤,𝑏𝑒𝑝)

0,75

] (2.102)

O coeficiente de correção para a eficiência, válido para a toda curva de desempenho, é definido pela Equação (2.103).

𝐶𝜂= 𝐵−(0,0547.𝐵

0,69)

(2.103) Caso 𝐵 < 1, os fatores de correção são unitários e caso 𝐵 > 40, a aplicação está além do escopo do procedimento.

O procedimento de correção proposto pela ANSI-HI 9.6.7 (2010) é recomendado para bombas centrífugas de velocidade específica 𝑁𝑆 ≤ 3000, em unidades da Equação (2.70), fluidos Newtonianos e viscosidade cinemática de até 4000 cSt. Esse intervalo de velocidade específica é característico de bombas radiais. Portanto, para a correção do desempenho de BCSs, a norma fica restrita a apenas alguns modelos, pois a maioria das BCSs possuem geometria de fluxo misto e apresentam velocidade específica 𝑁𝑆 > 3000. Além disso, as BCSs

são bombas de múltiplos estágios, possuem difusores e geralmente são limitadas a pequenos diâmetros externos. Essas características geométricas são bastantes distintas das bombas centrífugas utilizadas como referência para a norma, que são bombas de um ou poucos estágios, possuem voluta e diâmetros externos convencionais. Todos esses fatores causam discrepâncias consideráveis entre o desempenho viscoso real e o previsto pela correção, limitando assim, sua aplicação.

Recentemente, os avanços computacionais têm tornado significativos os trabalhos utilizando Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) para simular o desempenho de bombas centrífugas operando com fluidos viscosos. Autores como Segala (2010), Sirino (2013) e Ofuchi (2015) são exemplos de estudos numéricos do desempenho de bombas centrífugas operando na presença de fluidos viscoso, sendo os trabalhos de Sirino (2013) e Ofuchi (2015) voltados para BCSs utilizadas na indústria de petróleo.

Ofuchi (2015) destaca-se entre esses trabalhos, pois simulou numericamente a BCS GN 5200 de 3 estágios, um dos modelos de bomba estudados experimentalmente no presente trabalho. As equações transientes de conservação de massa e do balanço de quantidade de movimento, que modelam o escoamento nas BCSs, foram resolvidas numericamente utilizando o programa computacional comercial Ansys-CFX. Além da BCS GN5200, o modelo GN7000 também foi estudado numericamente. As simulações foram realizadas para rotações variando entre 1800 a 3500 rpm, viscosidades de 1 até 3580 cSt e vazões desde zero até a vazão máxima em cada condição operacional.

A validação do modelo numérico utilizado por Ofuchi (2015) foi feita utilizando dados experimentais de Amaral (2007) que realizou ensaios experimentais com a BCS GN7000, também de 3 estágios. As simulações feitas para o modelo GN5200 foram comparadas apenas com os dados de catálogo do fabricante, que valem para a operação com água, devido à falta de dados experimentais disponíveis na literatura. Baseado nas simulações numéricas o autor propôs uma metodologia de correção de desempenho similar a proposta por Gülich (2008), Equação (2.94), entretanto com a formulação diferente do número de Reynolds e dos coeficientes.

Vieira (2015) realizou um estudo analítico sobre as dissipações de energia e os efeitos viscosos no desempenho de bombas centrífugas. O trabalho é baseado em uma ampla pesquisa bibliográfica, onde a autora revisa os diversos modelos de perda disponíveis na literatura. As perdas foram divididas como internas e externas ao impelidor. As perdas internas

são classificadas como perdas por atrito ℎ𝑎𝑡𝑟𝑖𝑡𝑜, perdas por choque ℎ𝑐ℎ𝑜𝑞𝑢𝑒 e perdas por recirculação ℎ𝑟𝑒𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑙𝑎çã𝑜. As perdas externas são as perdas no difusor ℎ𝑑𝑖𝑓𝑢𝑠𝑜𝑟 e as perdas de disco ℎ𝑑𝑖𝑠𝑐𝑜. A altura de elevação fornecida pela bomba centrífuga é obtida pela Equação (2.104).

𝐻 = 𝐻𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜− ℎ𝑎𝑡𝑟𝑖𝑡𝑜− ℎ𝑐ℎ𝑜𝑞𝑢𝑒 − ℎ𝑟𝑒𝑐𝑖𝑐𝑢𝑙𝑎çã𝑜− ℎ𝑑𝑖𝑓𝑢𝑠𝑜𝑟 − ℎ𝑑𝑖𝑠𝑐𝑜 (2.104)

onde 𝐻𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 é a elevação prevista pela equação de Euler, considerando o número finito de pás do impelidor, a pré-rotação do fluido e a não uniformidade nos perfis de velocidade.

Como resultado da revisão da literatura, Vieira (2015) obteve seis diferentes modelos para a elevação teórica, sete para a perda por choque, oito para a perda por recirculação, três para a perda no difusor e nove para as perdas de disco. Esses modelos foram implementados numericamente para calcular cada perda separadamente e, também, aplicados a Equação (2.104), resultando em 90720 combinações para o cálculo da elevação fornecida pela bomba. Baseado nessas diversas possibilidades, foi possível determinar qual combinação fornece a parametrização mais precisa em relação aos dados experimentais.

Baseado nos estudos apresentados nesta revisão bibliográfica sobre os efeitos viscosos no desempenho de bombas centrífugas, são feitas as seguintes conclusões:

 A maioria dos trabalhos propõem-se a investigar a influência da viscosidade no desempenho de bombas centrífugas por meio de abordagens empíricas, em que, baseado em resultados de testes experimentais, são propostas correlações para os coeficientes de correção. Embora a incerteza associada a essas correlações seja grande, esses procedimentos são os mais utilizados devido à praticidade e a não necessidade de maiores detalhamentos geométricos.

 As abordagens semiempíricas, baseadas nas dissipações de energia no interior da bomba, representam outra metodologia adotada para estudar os efeitos viscosos. Nessa metodologia os autores têm como base o desempenho teórico com água, dado pela equação de Euler de turbomáquinas. A partir do desempenho invíscido teórico são subtraídas as perdas de energia. A modelagem das diferentes perdas é, em sua maioria, relacionada às características geométricas do equipamento. Esse tipo de abordagem fornece bons resultados desde de que a geometria interna da bomba seja totalmente conhecida.

 Os estudos da degradação do desempenho de bombas operando com fluidos