bombas 2011

MECATRÔNICA

MÁQUINAS TÉRMICAS E DE FLUXO

“BOMBAS”

CEFET-MG CAMPUS VIII

Professor: Dagoberto C. da Silva

Material compilado de várias apostilas disponibilizadas na

internet e de livros e apostilas impressos.

Bombas Hidráulicas

• Definição:

A bomba hidráulica é um transformador de energia.

Recebe energia mecânica que pode proceder de um

motor elétrico, motor térmico, etc. e a converte, nos

fluidos bombeados, em energia de posição, de pressão e

de velocidade. Por isso são denominadas máquinas

geradoras ou movidas ou ainda operatrizes. Portanto, o

uso de bombas hidráulicas ocorre sempre que há a

necessidade de aumentar-se a pressão de trabalho de

uma substância líquida contida em um sistema, a

Bombas Hidráulicas

Recebe energia mecânica fornecida por outra máquina e a transforma em energia hidráulica

E mecânica BOMBA E hidráulica

Comunica ao fluido um acréscimo de energia com a finalidade de transportá-lo de uma posição de menor energia potencial para outra de maior energia potencial.





Tipos de Bombas Hidráulicas

As bombas hidráulicas são classificadas de acordo com o mecanismo de transferência de energia em:

-BOMBAS DE DESLOCAMENTO POSITIVO (VOLUMÉTRICA) -BOMBAS HIDRODINÂMICAS OU TURBOBOMBAS

-BOMBAS ESPECIAIS

A transferência de energia pode se dar por:

E mecânica E pressão

E mecânica E cinética E pressão



Bombas Especiais

Geralmente devem ser fabricadas com materiais especiais para cada tipo de aplicação.

•Exemplo: bomba peristáltica

•Aplicação da bomba peristáltica: dosadores de substâncias químicas que não podem entrar em contato com metais ou lubrificantes usados nas bombas.

Bombas de Deslocamento Positivo

O escoamento do fluido é causado pelo aumento de pressão comunicado pela bomba através de elementos com movimento alternativo ou rotativo.

•Exemplos de BOMBAS ALTERNATIVAS: bombas de pistão, ou êmbolo, e bombas de diafragma.

•Exemplos de BOMBAS ROTATIVAS: A denominação genérica Bomba Rotativa designa uma série de bombas volumétricas

comandadas por um movimento de rotação, daí a origem do nome. As bombas rotativas podem ser de Engrenagens, Lóbulos ou

Palhetas.

•Aplicação das bombas de deslocamento positivo: casos onde é

necessário uma vazão constante independente de variação da carga sobre a bomba, e também quando o volume deve ser medido com

Bombas Alternativas

Nas bombas de êmbolo, o órgão que produz o movimento do fluido é um pistão que, em movimentos alternativos aspira e expulsa o fluido bombeado.

Esquema de bombas alternativas. (a) de êmbolo, (b) de diafragma.

“Bombas Hidrodinâmicas ou Turbobombas”

Conhecidas também como Bombas Hidráulicas de Fluxo.

• Nestas o intercâmbio de energia depende das forças dinâmicas originadas pelas diferenças de velocidades entre o fluido escoante e as partes móveis da máquina.

Órgãos Fundamentais

Basicamente qualquer turbobomba é construída de dois órgãos fundamentais:

- Rotor: órgão móvel que energiza o fluido, criando uma depressão em seu centro para aspirá-la e uma sobrepressão na periferia para recalcá-la. É acionada através de um eixo que lhe transmite o

movimento de rotação, graças à energia de uma fonte externa.

- Voluta ou carcaça: canal de seção crescente a quem compete coletar o fluido expelido pelo rotor e encaminhá-lo à tubulação de recalque. Por ser de seção crescente, ele diminui a velocidade e

aumenta a pressão do fluido. Pode ser de simples voluta ou de dupla voluta.

Rotor Voluta

Classificação das turbobombas quanto à

trajetória do fluido dentro do rotor.

• Bombas radiais ou centrífugas: o fluido penetra axialmente no rotor, sendo sua trajetória bruscamente desviada para a direção radial. Usadas para pequenas vazões e grandes alturas.

• Bombas axiais (helicoidais): a trajetória do fluido se desenvolve, com relação ao rotor, em direção

preponderantemente axial. Empregam-se para o recalque de altas vazões em pequenas alturas.

• Bombas diagonais ou de fluxo misto: constitui um caso intermediário entre as radiais e as axiais. Operam médias vazões e médias alturas.

Classificação das turbobombas quanto à

trajetória do fluido dentro do rotor.

Outras classificações das turbobombas

Quanto ao número de bocas de sucção do rotor: · Bombas de simples sucção: o rotor possui uma

única boca de sucção.

· Bombas de dupla sucção: o líquido penetra no rotor pelos dois lados, havendo, portanto, duas bocas de sucção (rotor gêmeo).

Outras classificações das turbobombas

· Bomba unicelular ou de simples estágio: a bomba possui um único rotor dentro da carcaça.

· Bomba multicelular ou de vários estágios: a bomba possui dois ou mais rotores dentro da carcaça. (usada para se conseguir maiores alturas manométricas)

Rotores

Saída

Entrada

Rotor radial, simples sucção e eixo horizontal

Bomba centrífuga de quatro (04) estágios, simples sucção e eixo horizontal.

Outras classificações das turbobombas

Quanto ao posicionamento do eixo:

· Bombas de eixo horizontal: é a concepção construtiva mais comum e na qual os eixos da bomba e do rotor

estão na posição horizontal.

· Bombas de eixo vertical: concepção menos comum e que visa o atendimento de uma condição especial de

bombeamento. (bomba vertical de eixo prolongado,

Outras classificações das turbobombas

· Bomba de baixa pressão: até 15 m, aproximadamente. · Bomba de média pressão: acima de 15 m a 50 m,aprox. · Bomba de alta pressão: acima de 50 m.

Tipos de rotores

Rotor fechado: são usados normalmente no bombeamento

de líquidos limpos.

Rotor semi-aberto: possui apenas um disco ou parede

traseira onde se fixam as pás.

Rotor aberto: as pás são presas no próprio cubo do rotor.

Usado em bombas pequenas ou em bombas que recalcam líquidos abrasivos ou em suspensão.

Detalhe dos triângulos de velocidade num rotor

de bomba centrífuga

Rotação específica – n

(técnico)

A rotação específica “nq” é um índice do tipo de bomba para a vazão e altura manométrica referidas ao ponto de máxima eficiência. É definida como sendo a rotação de bomba semelhante, posta a operar à vazão de 1,00 m3/s, em instalação com altura manométrica de 1 m. O

tipo de rotor da bomba pode ser escolhido em função da rotação específica. 1/ 2 3/ 4 q man

Q

n

n

H



Componentes principais - Bomba de dupla

sucção

Componentes principais - Bomba de

simples sucção

Bomba Centrífuga de Dupla Sucção

Bomba bipartida axialmente de dupla sucção tipo SMN – SULZER BOMBAS. Fonte: Catálogo Sulzer. 1- eixo extra-pesado, 2- carcaça bipartida axialmente, 3- rotor de dupla sucção, 4- vedação do eixo, 5- mancais extra-pesados, 6- anéis de desgaste substituíveis, 7- caixa espiral, 8- geometria hidráulica otimizada

Escorva da Bomba

Entende-se por escorva de uma bomba ao ato de

encher a carcaça da mesma e a tubulação de sucção do líquido a ser bombeado, antes do acionamento do motor, sem o que não conseguem as bombas comuns retirar o ar do seu interior e iniciar a operação de

Processos de prévia escorva

Além da escorva manual através do cálice, existem vários processos que permitem o escorvamento

automático das bombas, como: · By-pass

· Reservatório auxiliar

· Escorva com conjunto ejetor . Bomba auto-escorvante

Seleção de Bombas

Basicamente, a especificação de uma bomba para uma certa instalação de elevação é função do conhecimento de duas grandezas:

- vazão a ser bombeada “Q”

- altura manométrica da instalação “Hm”

Com o valor das duas grandezas entramos nos campos básicos de funcionamento das bombas (apresentados em catálogos dos

fabricantes) e selecionamos duas ou mais, procurando aquela que apresenta a menor potência absorvida para as condições dadas. A especificação final ficará em função do rendimento desenvolvido

pela

bomba, custos de investimento e operação, e de uma adequação entre o material da bomba e do fluido a ser bombeado.

Altura manométrica - H

A altura manométrica pode ser calculada pela seguinte fórmula:

onde:

Hman = altura monométrica, em m;

Hgeo = desnível geométrico, em m;

PRR = pressão no reservatório de recalque, em kgf/cm2;

PRS = pressão no reservatório de sucção, em kgf/cm2;

 = peso específico do fluido, em kgf/m3;





_.10

1,15.

P

P

H

H

H













Diâmetros de sucção e recalque

A fórmula de Bresse (para funcionamento contínuo) pode ser usada para cálculo do diâmetro de recalque econômico:

onde:

DR = diâmetro da tubulação de recalque, em m;

Q = vazão, em m3/s.

Para a linha de sucção, adota-se o diâmetro comercial imediatamente superior. Quando o funcionamento da bomba é de forma intermitente deve-se utilizar a fórmula da ABNT:



0,9 1, 2 .



Diâmetros de sucção e recalque

onde:

DR = diâmetro da tubulação de recalque, em m;

T = jornada de trabalho, em horas; Q = vazão, em m3/s.

A vazão a ser recalcada depende normalmente do consumo diário da instalação, jornada de trabalho e número de bombas em

operação para o caso de associação em paralelo.

0,25

0,587.

.

R

Perdas de carga (Darcy W.)

onde:

f = fator de atrito (é função do número de Reynolds e da rugosidade relativa);

LT = Comprimento total (comprimento equivalente + comprimento

do trecho reto), em m;

D = Diâmetro da tubulação considerada, em m; v = Velocidade do fluido, em m/s; g = Aceleração da gravidade, em m/s2. 2 . . 2 T L v H f D g  

Reynolds e rugosidade relativa



V = Velocidade média de escoamento, em m/s; D = Diâmetro da Tubulação, em metros;

υ = Viscosidade cinemática do Líquido, em m2 _/s;

Para a água doce, ao nível do mar e a temperatura de 25ºC, a viscosidade cinemática (υ) é igual a 10-6 _m²/s;

O escoamento será: Laminar : Re < 2.000 Turbulento : Re > 4.000

Entre 2.000 e 4.000, o regime de escoamento é considerado crítico.

Perda de Carga pela expressão de H-W

Existem vários métodos para o cálculo da perda de carga unitária, entre esses, destaca-se pela simplicidade e facilidade de uso, o Método de Hazen-Williams, que é calculado através da seguinte expressão:

Sendo: Q= vazão (m3/s);

C = constante adimensional de Hazen-Williams (Tabelado); D= diâmetro interno da tubulação (m);

E então: 1,852 2,63 4. 0,355. . . Q J C D        

.

H

J L

 

Perda de Carga pela expressão de H-W

Tabela dos valores de C para diversos

materiais

Conceito do comprimento equivalente para

a perda de carga em singularidades

Comprimento equivalente em nº de

diâmetros da tubulação

Potência necessária ao acionamento da bomba

A potência de acionamento pode ser calculada pela fórmula:

onde:

Pt = potência de acionamento, em cv;

 = peso específico do fluido, em kgf/m3;

Q = vazão, em m3/s;

Hman = altura manométrica, em m;

_g = rendimento global da bomba (_g = _h x _v x _m), [0,60 a 0,85].

. . 75. man t g Q H P   

Potência instalada

A potência instalada pode ser calculada pela fórmula: Pinst = (1+Ms/100) x Pt

onde:

Ms = margem de segurança (Tabela 2); Pt = potência de acionamento, em cv.

Margem de segurança para motores

elétricos “Ms”

NPSH

A sigla NPSH, vem da expressão Net Positive Suction Head, a qual sua tradução literal para o Português não expressa clara e

tecnicamente o que significa na prática. No entanto, é de vital

importância para fabricantes e usuários de bombas o conhecimento do comportamento desta variável, para que a bomba tenha um

desempenho satisfatório, principalmente em sistemas onde coexistam as duas situações descritas abaixo:

• Bomba trabalhando no inicio da faixa, com baixa pressão e alta

vazão;

Quanto à posição do eixo da bomba em

relação ao nível da água.

Cálculo do NPSH disponível

NPSHd (disponível) = Ho – [Hv +( h) + hs]

Onde:

Ho = Pressão atmosférica local, em mca (Tabela 4);

h = altura de sucção; é negativa quando a bomba está afogada, e positiva quando estiver acima do nível d'água (m);

hs = Perdas de carga no escoamento pela tubulação de sucção, em m;

Cálculo do NPSH disponível

Ou pela expressão:

Onde:

vs = velocidade do fluido na flange de sucção, em m/s;

 = peso específico do fluido, em kgf/dm3;

Psucção = pressão no flange de sucção da bomba, em kgf/cm2;

Pvapor = pressão de vapor do fluido à temperatura de bombeamento, em

kgf/cm2;

P = pressão atmosférica, em kgf/cm2.

2

.10 2

sucção atm vapor _s

d P P P _v NPSH h g       _{ }    

NPSH

• Para uma boa performance da bomba, deve-se sempre garantir a seguinte situação:

Exemplo de cálculo do NPSH

Suponhamos que uma bomba de modelo hipotético seja colocada para operar com altura manométrica de 35 m , vazão de 32,5 m3/h, altura de sucção de 2,0 m e perda por

atrito na sucção de 1,5 m. A altura em relação ao nível do mar onde a mesma será instalada é de aproximadamente 600 m, e a temperatura da água é de 30ºC. A curva característica da bomba é fornecida no slide seguinte.

Cavitação

Cavitação é um termo usado para descrever o fenômeno que ocorre numa bomba quando existe insuficiente NPSH

disponível em relação ao NPSH requerido. Quando a pressão do líquido é reduzida a um valor igual ou abaixo de sua

pressão de vapor, começam a formar pequenas bolhas ou bolsas de vapor. Como estas bolhas se movem à frente das pás do rotor para uma zona de pressão mais alta, elas

implodem rapidamente.

A implosão é tão brusca que gera um ruído violento, como se a bomba estivesse bombeando cascalho. Por isso, a maneira mais fácil de reconhecer que a bomba está cavitando é

Cavitação

Outra conseqüência do colapso das bolhas é a retirada de material da superfície (pitting) devido as grandes ondas de pressão, causando principalmente, dependendo da

intensidade e duração, a erosão do rotor. Além de danos no rotor, a cavitação normalmente resulta em redução da

capacidade da bomba devido ao vapor presente, redução e instabilidade da altura manométrica, vibração e defeitos mecânicos.

Combate a Cavitação

• Aumento da pressão estática local; • Alteração na forma dos perfis;

• Escolha de material resistente; • Injeção de ar comprimido;

Exercício: Dimensionamento do conjunto

moto-bomba de uma instalação de elevação

Dimensionar uma instalação de bombeamento, para atender a demanda de 200m3/h de vazão durante 24 h/dia, recalcando a

uma

altura de 26m. A composição das linhas de sucção e recalque é a seguinte:

Solução

• Cálculo dos diâmetros de sucção e de recalque • Pela fórmula de Bresse, obtemos:

DR = 1,0 x (200/3600)1/2

DR = 0,236 m

Da Tabela 1: 200 < 236 < 250

Solução

• Comprimentos equivalentes e equivalente total na

Solução

• Comprimentos equivalentes e equivalente total no

Solução

• Cálculo da perda de carga na linha de sucção:

• Cálculo da perda de carga na linha de recalque:

m x x H_S 0,393 130 3600 / 200 250 , 0 1 , 75 643 , 10 1,852 87 , 4 _        1,852 4,87 10,643 1036,3 200 / 3600 16,1 0, 200 130 R x H x  m   _{ }   

Solução

• Cálculo da altura manométrica da bomba:

m

H



0

,

393



16

,

1



16

,

5



(2 26) 1,15 16,5 47

H







x



m

Solução

Do campo básico de funcionamento das bombas EHF (rotor fechado), retiramos:

Bomba: 100-40

Rotação: 1750 rpm; Bomba: 80-20

Solução

Das curvas de performance, tem-se (80-20):

• Diâmetro do rotor: 190 mm

• Rendimento: 76,5 %

• Bocal de sucção: 125 mm

• Bocal de descarga: 80 mm

• NPSH

: mcl

• Potência de eixo: 50 cv

Curvas Características de Bombas Centrífugas

Quando se trabalha com estas curvas, têm-se graficamente as variáveis altura manométrica (Hm), rendimento (), NPSHR em

função da vazão. As curvas de rendimento e altura manométrica podem ser criadas em gráficos separados ou em um único gráfico, dependendo do fabricante. Essas três variáveis caracterizam as condições de funcionamento de uma bomba.

Tais gráficos são plotados pelos fabricantes e publicados na forma de catálogos, utilizando-se resultados de testes realizados em

laboratório. Para bombas centrífugas, estes gráficos possuem a seguinte forma:

Curva Característica do Sistema - CCS

É obtida a partir da expressão:

Em um projeto de instalação elevatória ou de abastecimento, tem-se o conhecimento da vazão necessária e da altura manométrica (altura

geométrica mais perdas de carga); a altura geométrica é a soma da altura de sucção com a altura de recalque. Assim, basta substituir esses pontos conhecidos, na expressão acima, para encontrar K, completando a

expressão.

Definida a expressão, constrói-se a curva do sistema, criando uma tabela de valores de vazão pela altura manométrica. Em seguida, plota-se os valores no gráfico Hm x Q e unindo-os, tem-se a curva característica do

sistema ou instalação.

2

.

m geo

Exercício Proposto

Determinar o NPSHd para os dados do exercício

resolvido e compará-lo ao NPSHR determinado. Admita

que o fluido esteja sendo succionado a 25 ºC e que a altitude local seja de 450 m.

Associação de Bombas Hidrodinâmicas

A associação em paralelo comparece com frequência no abastecimento de água de cidades, bem como em serviços industriais e tem sempre a finalidade de

aumentar a vazão recalcada e dar ao sistema uma maior flexibilidade em termos de atendimento da demanda, através da retirada ou colocação das unidades em funcionamento.

Associação de Bombas Hidrodinâmicas

relativamente elevadas, quando se torna, então

necessário o desenvolvimento de grandes pressões. Ou pode-se usar bomba de múltiplos estágios (melhor eficiência). A Figura a seguir mostra o esquema das associações em série e em paralelo.

Esquema de associação de bombas e

Curvas características

Exemplo – Bombas Conexão em Serie e em Paralelo

vazão da curva característica de uma bomba centrifuga. A partir destes dados tabele e grafique o resultado de 02

bombas iguais conectadas em serie e de 02 bombas iguais conectadas em paralelo.

Exemplo – Bombas Conexão em Serie e em Paralelo

e altura de 30,5m, temos Qs = Q = 80m3/h e para altura

Hs = 2H = 2 x 30,5m = 61m. No caso da conexão em paralelo a vazão é adicionada mantendo a mesma altura. Para o

mesmo exemplo Qp = 2 x Q = 2 x 80 =160 m3/h sendo que

HP = H = 30,5m. O mesmo pode ser realizado para os demais

pontos da tabela. O resultado gráfico mostra-se na figura abaixo.

Exemplo - Conexão Paralelo

Considere que a figura abaixo representa a curva característica resultante de duas bombas iguais conectadas em paralelo.

Grafique a curva característica de uma única bomba junto com a conexão das duas em paralelo.

Exemplo - Conexão Série

Na Figura abaixo se apresentam as curvas características de duas bombas. a) Graficar a curva resultante da conexão em série destas bombas. b) Determinar o rendimento global da conexão em série para uma vazão de 4,0 m3/s na qual o

Equações Especificas Para Corte de Rotores

opções de diâmetros do rotor mantendo o mesmo corpo da bomba. Com este procedimento é possível maior versatilidade e opções para ajustar-se a demandas especificas. Como vantagens o

procedimento permite economia no custo de fabricação, aumento da capacidade substituindo o rotor, padronizar a base da instalação. O procedimento do corte do rotor consiste em, a partir de um

determinado diâmetro realizar a redução do diâmetro externo numa operação de usinagem mecânica, sem alterar outros componentes da bomba (Fig.a).

Equações Especificas Para Corte de Rotores

centrifugas radiais, onde as fases laterais do rotor são paralelas. Existe um compromisso entre o percentual de

redução do rotor com o desempenho da bomba já que resulta numa queda no rendimento da bomba.

Existem vários métodos que permitem relacionar as

condições da máquina com o diâmetro original e o diâmetro após o corte do rotor. Quando o rotor possui um corte

menor que 20% podem ser utilizadas as leis de semelhança para levantar as novas condições de funcionamento.

Método Gráfico para Determinar novo Diâmetro

partir de uma bomba que possui um rotor com diâmetro D1 com

sua curva característica de altura x vazão conhecida. Deseja-se, portanto que a bomba opere no ponto 2 com uma vazão Q2 e

Método Gráfico para Determinar novo Diâmetro

altura manométrica. HA e QA. Se demarca uma linha reta

unindo os pontos A e 2 interceptando assim a curva com diâmetro D1 determinando-se a vazão Q1 e H1. Tendo os

valores de Q1 e H1 e os dados iniciais de Q2 e H2 determina-se

com as relações de semelhança o diâmetro D2 que deve ser

Correção do Diâmetro de Corte Calculado pelo

Método de Stepanoff

Outro exemplo

Uma bomba centrifuga apresenta as seguintes equações de características de altura manométrica e rendimento global:

Hman= 30 - 300Q2 e ηG = 10Q - 40 Q2 quando tem uma

rotação de 1750rpm. Determinar:

(a) Eq. Característica da Hman considerando duas bombas idênticas conectadas em paralelo;

(b) Eq. Característica da Hman considerando duas bombas idênticas conectadas em série;

(c) Eq. Característica da Hman e ηG da bomba quando a