Aula 8A - Bombas.pdf

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Professores:

Edson Romano, Nilo Índio e Ricardo Pinto

Projetos de Processos II

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(3)

Bombas e Compressores 3

(4)

1. Dinâmicas ou Turbo-bombas:

A movimentação do líquido é produzida por forças que se desenvolvem na massa líquida, em consequência da rotação de um impelidor com um certo número de pás especiais. Estas se dividem nos seguintes tipos:

a) Bombas Centrífugas – são aquelas em que a energia fornecida ao líquido é

primordialmente do tipo cinética, sendo posteriormente convertida em grande parte em energia de pressão. Nas bombas centrífugas a movimentação do

líquido é produzida por forças desenvolvidas na massa líquida de um rotor. Estas bombas caracterizam-se por operarem com altas vazões, pressões moderadas e fluxo contínuo. As bombas centrífugas se dividem em dois tipos:

(5)

Bomba Centrífuga Estágio Simples:

(6)

(7)

Bomba Centrífuga Múltiplos Estágios:

(8)

b) Bombas de Fluxo Axial – neste tipo de bombas, o impelidor transfere energia ao fluido promovendo um movimento axial (em relação ao eixo motriz) do mesmo. Impelidores tipo hélice de navio são característicos deste tipo de bomba.

c) Bombas de fluxo misto – neste caso, a geometria do impelidor é tal que tem-se

um escoamento misto (axial + radial) no interior da bomba.

d) Bombas periféricas ou regenerativas– Neste tipo de bomba, o fluido é

(9)

2. Bombas de Deslocamento Positivo

O volume de líquido remetido está diretamente relacionado com o deslocamento do elemento pistão e, portanto, aumenta diretamente com a velocidade e não é

sensivelmente afetado pela pressão. São usadas para bombeamento contra altas pressões e quando requerem vazões de saída quase constantes. As bombas de deslocamento positivo se dividem em dois tipos:

 Alternativas – A taxa de fornecimento do líquido é uma função do volume varrido

pelo pistão no cilindro e do número de golpes do pistão.

 Rotativa – O rotor da bomba provoca uma pressão reduzida do lado da entrada, o

que possibilita a admissão do líquido à bomba, pelo efeito da pressão externa. À medida que o elemento gira o líquido fica retido entre os componentes do rotor e a carcaça da bomba, depois de uma determinada rotação, o líquido é ejetado pelo lado da descarga da bomba.

(10)

2.1. Alternativas:

a) Pistão ou Êmbolo – O princípio de funcionamento é o mesmo em ambos os

(11)

Bombas e Compressores 11

(12)

b) Bomba Diafragma – A energia é transmitida ao fluido por meio de uma

membrana acoplada a uma haste com movimento alternativo. A vazão é variada através da variação do curso da haste ou da frequência do movimento. São

(13)

2.2. Rotativas:

a) Engrenagem – é constituída por duas engrenagens girando em sentido

contrários e com pequena folga entre elas e a carcaça, de forma que o líquido aprisionado entre a folga dos dentes e a carcaça é forçado para fora da bomba. A vazão, para uma dada bomba, será dada pela rotação da engrenagens.

(14)

(15)

c) Bomba Tipo Parafuso – Neste modelo o fluido é movimentado através de dois parafusos em movimento sincronizado, onde o fluido é admitido nas

extremidades e dirigido para a região central. Os parafusos não se tocam mas têm folgas muito pequenas. São recomendados para o bombeamento de fluidos muito viscosos.

(16)

(17)

d) Bomba de Palhetas – Estas bombas são constituídas de um rotor cujo eixo de rotação é excêntrico em relação à carcaça. O rotor possui ranhuras radiais dentro das quais deslizam paletas rígidas que ficam em contato com as paredes da

carcaça. São comumente empregadas para a movimentação de óleos.

(18)

(19)

(20)

(21)

 Possuem elementos rotativos (impelidores) cujo formato confere alta velocidade na sucção, que se transforma em alta pressão na descarga  A vazão é dependente da pressão na descarga da bomba

Características positivas

 construção simples / baratas / disponíveis em diversos materiais de construção  baixo custo de manutenção / operam a altas velocidades

Características negativas

 bombas de um estágio não são projetadas para altas pressões

 bombas multiestágio para altas pressões são caras, principalmente em

materiais resistentes a corrosão / eficiência decresce rapidamente para vazões diferentes daquela para a qual foi projetada / sua performance não é muito boa para altas viscosidades

Bombas e Compressores

(22)

Características positivas

 Imprimem pressões mais elevadas aos fluidos entre todos os tipos de bombas  Podem ser utilizadas com líquidos de quaisquer viscosidades

Características negativas

 Capacidade relativamente pequenas

 Líquidos com sólidos em suspensão podem danificar as superfícies torneadas do cilindro e do pistão

(23)

(24)

Seu princípio de funcionamento é converter a energia de uma fonte motriz (um motor elétrico ou turbina), a princípio, em velocidade ou energia cinética, e então, em energia de pressão do fluido que está sendo bombeado. As transformações de energia acontecem em virtude de duas partes principais da bomba: o impulsor e a voluta, ou difusor.

 O impulsor ou impelidor é a parte giratória que converte a energia do motor em

energia cinética.

(25)

(26)

Parâmetros informados pelo fornecedor

 Curva característica

 Head (H) x Vazão (Q)

 Potência absorvida (P_abs) x Vazão (Q)

 Rendimento total () x Vazão (Q)

 Head (H) - Altura manométrica total

 Potência absorvida - É a requerida do acionador (motor elétrico ou turbina)

(27)

27 Curvas de Isoeficiência

(28)

(29)

29 O Controle de Vazão de um Sistema é obtido pela alteração do Ponto de

Operação (PO) da bomba neste sistema. A alteração do PO pode ser obtido através da:

 Alteração da Curva do Sistema;

 Alteração da Curva da Bomba;

(30)

1 1’ 1’’ H (m) Ho

Mudança da Curva Sistema pelo estrangulamento da

Válvula de Descarga

Curva da Bomba @ Rotação Nominal

Ponto de Operação se move ao longo da Curva do Sistema

Mudança Simultanea na Válvula e na Rotação

Mudando a Curva da Bomba através da Variação de Rotação

Ponto de Operação se move ao longo da Curva da Bomba

(31)

(32)

Volume de Controle

W

_e

Q

m

1

2 z

₁

z

₂

(33)

 energia interna (U)

 energia cinética (Ec)

 energia potencial (Ep)

 energia de pressão (Epv)

 trabalho de eixo (We)

 trabalho fornecido ao fluido: convenção We < 0 (Bomba)

 trabalho cedido pelo fluido: convenção We > 0 (Turbina)

 energia de calor trocada com o meio externo (Q)

(34)



energia interna (U)

Forma de energia intrínseca ao fluido, incluindo todo tipo de energia peculiar ao mesmo. Pode ser resumida a seguinte expressão:

Para fluidos incompressíveis:

Assim:

dV

P

dV

P

TdS

U













2 1 2 1 2 1

0 )

(

)

(

(35)



energia cinética (Ec)

Forma de energia devido ao movimento do fluido:

2

1 mv

Ec





 = fator de correção da energia cinética em função do número de Reynolds.

Escoamento laminar =>  = 0,5

Escoamento turbulento =>  se aproxima de 1,0

(36)



energia potencial (Ep)

Forma de energia devido à posição relativa do fluido em relação a um plano de referência arbitrário:

mgz

Ep



W

Q

m

1

2 z

₁

z

₂

(37)



energia de pressão (Epv)

Esta energia é a força exercida pelo fluido imediatamente atrás do ponto de

entrada ou sofrida pelo fluido imediatamente em frente ao ponto de saída vezes a distância na qual ela age:

V

P

A

V

A

P

Epv

d

F

Epv

.



(38)



trabalho de eixo (We)

Trabalho fornecido ou retirado do fluido pelo meio externo. Por convenção o trabalho é positivo se cedido pelo fluido ao meio externo.



energia de calor (Q)

Calor absorvido ou retirado do fluido por um processo reversível pelo meio externo durante o seu escoamento.

Não está incluído o calor gerado pelo atrito.

(39)

Volume de Controle

(Energia que entra no sistema) = (Energia que sai do sistema)

2

1

W

Q

E



_e





39

W

_e

Q

m

1

2 z

₁

z

₂

(40)

2 2 2 2 2 2 1 1 2 1 1 1

2

2 P

V

mv

mgz

U

W

Q

V

P

mv

mgz

U





_s







w h Q TdS

U   





2

1

Como:

A equação pode ser simplificada conforme a seguir:

2 2 2 2 2 1 1 2 1 1

2

2 P

V

mv

mgz

W

h

V

P

mv

mgz





_w



_s







O termo h_w representa a energia mecânica desperdiçada pelo atrito sob a

(41)

O balanço de energia pode ainda ser escrito em outras formas:

• Energia específica

• Energia por unidade de peso

Balanço de energia na forma de energia por unidade de peso:

41 Onde o termo W_s é denominado Head da bomba ou Altura Manométrica Total que corresponde a energia por unidade de peso fornecida pela bomba ao fluido.

Nesta fórmula, h_ws e h_wd correspondem às perdas de energia (por unidade de peso) por atrito ao longo do escoamento na sucção e descarga, respectivamente.













2 2 2 2 1 2 1 1

2

2 P

g

v

z

W

h

P

g

v

(42)

A equação anterior pode ser rescrita conforme a seguir: wd ws h P g v z Head h P g v

z        

    2 2 2 2 1 2 1 1 2 2

Cálculo da Altura Manométrica da Sucção (H_s):

ws s h P g v z

H    





1 2 1 1 2

Cálculo da Altura Manométrica da Sucção (H_d):

wd d h P g v z

H    

(43)

43

Alternativa

Cálculo da Pressão de Sucção (P_s):

s

s P

v gz

P

P    





2 2 1 1 1

Cálculo da Pressão de Sucção (H_d):

d

d P

v gz

P

P    





2 2 2 2 2

Cálculo do Head em termos de pressão:

s d P

P Head  

Cálculo do Head (energia por unidade de peso):



) (P_d P_s Head  

Onde:

P_s: Pressão na Sucção da Bomba

P_d : Pressão na Descarga da Bomba

P₁: Pressão no reserv. de Sucção

P₂ : Pressão no reserv. de Descarga

P_s : Perda de carga na Sucção

(44)

(45)

Dois tipos de força atuando em um fluido:

• Corpo (como um todo)

–

gravitacional

–

Eletrostática

• Superfície

–

Pressão

–

Viscosas

(46)

l

_l g h _{p -}__p p

t















0 

A

p

S

l

p

A

t

l

S

p

A





t



l

S

p

A





t

A d e S d

onde



_  4 : 2

dl

dp

d

4 



t

Direção do escoamento

F

A

(47)

 O Fator de fricção (ou fator de atrito) f é uma grandeza empírica adimensional,

definida como sendo a razão entre :

 Tensão de cisalhamento nas paredes do tubo

 Energia cinética por unidade de volume

2

v

f



t



(48)

 Gradiente de pressão (ou perda de carga específica): Combinando-se a expressão da tensão de cisalhamento com a do fator de fricção tem-se

 Equação de Fanning. Experimentalmente Darcy-Weisbach obtiveram a mesma equação, sendo que f_D = 4f_F.

2

4

2

v

dl

dp

d

f





d

v

f

dl

dp

2 

2

(49)

Equação de Darcy sob a forma de energia por unidade de peso

49

g

v

D

L

f

p

h

_w

2









(50)

Experiência de Reynolds:

Padrões de escoamento:

• Regime Laminar

• Regime de transição

(51)

 Regime laminar:

 Regime de transição:

(52)

(53)





Dv

Fv

Fi

_

• No escoamento laminar predominam as forças viscosas (vD). No

escoamento turbulento as forças de inércia (v2_D2_{) são as que exercem maior} influência.

• A relação forças de inércia / forças viscosas estabelece um parâmetro adimensional que após simplificações se reduz a:

• Esse agrupamento adimensional recebeu o nome de Número de Reynolds:





Dv



Re

(54)

A experiência mostra que:

• Regime Laminar Re < 2000

• Regime de transição 2000 < Re < 4000

• Regime turbulento Re > 4000

(55)

Como determinar então o Fator de Atrito?

 Regime Laminar

 Regime Turbulento

• Fator de atrito é obtido por equações empíricas que correlacionam o fator com variáveis relacionadas às propriedades do fluido, características do tubo e o movimento relativo (velocidade de escoamento).

Re

64 

D

f

(56)

Exemplo de equações empíricas para o Fator de Atrito:

• H. Blasius (1911) 3.000 < Re < 100.000

• Colebrook (1939) Re > 2.100

• Chen (1979) Qualquer Re e

qualquer /D

Re

3164

,

0 

D

f

)

.

Re

51 ,

2

7 ,

3 /

log(

.

2

1

) 2 / 1 ( 2 / 1

f

D

f





















_





D

A

f

Re

.

log

(57)

57

Diagramas de

Fator de Atrito

Ex.: Ábaco de

(58)

Diagramas de

Fator de Atrito

Ex.: Diagrama de

(59)

É função do diâmetro, material e tempo de uso da tubulação.

d



(60)

• As perdas por atrito podem ser divididas em dois segmentos: perdas em trechos retos (perdas distribuídas) ou em acidentes de tubulação (perdas localizadas).

• A perda de carga total de um trecho de tubulação é a soma das perdas localizadas e distribuídas naquele trecho.

Perdas de Carga Localizadas:

• Métodos mais comuns para determinação dessas perdas adicionais:

– Através do conceito de coeficiente de resistência (K).

(61)

Método do coeficiente de resistência (k):

• Neste método a perda de carga específica devida ao acidente é determinada através da seguinte relação:

• O coeficiente k é determinado experimentalmente, considerando-se o regime plenamente turbulento, isto é, f_D=(/D), em função da geometria do

acidente.

g

kv

P

2







(62)

Método do coeficiente de

(63)

Método do comprimento equivalente (Leq):

• Este método consiste em determinar o comprimento de tubo reto, de

diâmetro idêntico ao do acidente, que produz a mesma perda de carga para o mesmo regime de escoamento.

• Então a equação de Darcy passa a:

g

v

D

Leq

f

P

2







(64)

Método do comprimento

(65)

Exercício Proposto:

• A tubulação de aço comercial da figura abaixo tem diâmetro nominal de 3 in sch 40, os

joelhos são do tipo standard 90° rosqueados e a válvula é do tipo gaveta de 3 in rosqueada e totalmente aberta. Considere as seguintes propriedades da água: Massa específica: 1000 kg/m3_{e viscosidade 1,0 cP.}

A

B

L = 24 m L = 9 m

L = 30 m L = 15 m L = 36 m

L = 60 m

L = 15 m Bombas e Compressores

(66)

Exercício Proposto (cont.):

• Calcular:

a) o comprimento equivalente

b) o somatório dos K dos acidentes

c) a perda de carga e a vazão, considerando que o fluido é água e os dados de energia do

fluido são os da tabela a seguir.

Variável Ponto A Ponto B

v (m/s) 0 0

P manométrica (Pa) 0 0

(67)

No caso das velocidades e perdas de carga específica, as limitações existentes nas tubulações, decorrem dos seguintes aspectos:

 Ocorrência de erosão

 Balanço econômico entre custo da tubulação e custo do equipamento pois o fator de atrito aumenta rapidamente com a velocidade

Como parâmetros utilizados em projetos, temos como exemplo as

recomendações apresentadas na figura a seguir para a determinação de diâmetro econômico.

(68)

(69)

 Cavitação - Decorrente da baixa pressão na sucção em função da elevada capacidade de bombeio (não só no olho do impelidor mas também nas pontas das palhetas) Quando esta pressão fica abaixo da pressão de vapor existe a vaporização (ocorrências da bolhas) as quais se deslocam para uma região de maior pressão e desaparecem (fenômeno da cavitação) -

Problemas: Vibração, ruído, perda de sucção. Soluções: Redução da rotação,

elevação da pressão de sução

 NPSH (Requerido) - parâmetro informado pelo fornecedor, indicando as

condições mínimas na sucção da bomba

 NPSH (Disponível) - parâmetro calculado em função do posicionamento da

bomba na unidade

É necessário que (NPSH)_D > (NPSH)_R

Critério usual: (NPSH)_D = (NPSH)_R + 2ft liq.

(70)

 Fatores que influenciam o (NPSH)_D

 Altura estática de sucção

 Altitude da instalação

 Pressão no reservatório de sucção

 Temperatura de bombeio

 Peso específico do líquido

(71)

Determinação do NPSH (Net Positive Suction Head - Saldo positivo de Carga de Sucção) Disponível



s ws v

s D

P

-h

-z

P

NPSH





71 onde:

P_s: Pressão no Reservatório de Sucção (abs.) z_s: Altura de Líquido na Sucção

h_ws: Perda de Carga por Atrito na Sucção P_v: Pressão de Vapor do Líquido Bombeado

(72)

Potência Útil (P_u) é a potência cedida ao fluido e a Potência Absorvida (P_abs) é a potência que a bomba recebe ou absorve do acionador (motor, turbina, etc.) pode ser calculada conforme a seguir:

Q

Head

P

_u









onde:

P_u: Potência Útil (W)

Head: Altura Manométrica Total (m)

: Peso Específico (N/m3₎





Q

Head

(73)

A Eficiência da Bomba () é uma função da sua capacidade. Para bombas centrífugas, uma primeira estimativa da eficiência pode ser obtida a partir da seguinte equação proposta por Robin Smith (Chemical Process Design and Integration, John Wiley & Sons Ltd, England, 2005)

onde:

: Eficiência ou Rendimento da Bomba

Q: Vazão Volumétrica (m3/h)

 



ln



0 .

15 ln

 

0 .

3

01 .

0 

2











Q



(74)

A Pressão de Sucção Máxima (P_{sucção máx.}) deve ser calculada considerando-se a pressão de projeto do reservatório de sucção.

onde:

A Pressão de Descarga Máxima (P_{desc. máx.}) pode-se adotar o maior valor entre

os critérios abaixo:

máx sucção

máx.

desc.

P

Head

P





Head

P





NLL @ suc. estática suc. reserv. máx. máx.

suc.

P





(75)

Definição do C_V da Válvula:

Característica da Válvula (C_V) – Quantidade de galões por minuto de água que passam através da válvula completamente aberta, com uma pressão diferencial de 1 psi.

(76)

Critérios para Determinação do P da Válvula de Controle:

Para garantir boa controlabilidade, a perda de carga na válvula de controle deve ser o maior valor dentre os critérios apresentados a seguir:

. .

20 ,

0

_atritovazmáx

válv.

P







normal vaz

atrito

válv.

P



0 ,

25 



.



io reservatór absoluta

P







P

_válv.

0 ,

10 normal

vazão

cm

kgf

P

_válv.



1 ,

05 /

2

@



máxima

vazão

cm

kgf

P



0 ,

70 /

2

@

(77)

Característica de Vazão Requerida:

A característica de uma válvula de controle é a relação existente entre o percentual de vazão que passa através da válvula e o percentual de abertura, quando o mesmo é variado de 0 a 100% para um Pv constante.

As curvas características são obtidas através da forma da válvula em relação ao plug e a sede.

Característica Inerente - É a obtida em laboratório, para um Pv constante em

todas as aberturas e vazões de teste da válvula.

Característica Efetiva - É a apresentada pela válvula quando instalada no sistema.

(78)

(79)

79

A característica de vazão deve ser escolhida de acordo com o seguinte critério: X = (P)/(P_s)

onde:

P é o diferencial de pressão na válvula na condição de vazão normal de operação;

P_s é o diferencial de pressão dinâmico total do sistema em que a válvula está inserida, incluindo o próprio P da válvula, na vazão normal de operação.

Então:

a) para X ≥ 0,6 utilizar característica linear;

b) para 0,4 < X < 0,6 utilizar característica parabólica modificada ou igual percentagem; c) para 0,3 ≤ X ≤ 0,4 utilizar característica igual percentagem;

(80)

Curvas Características Típicas:

Para a construção de uma curva característica típica de uma válvula de controle, pode-se utilizar as pode-seguintes equações:

onde Cv_ESP é o Cv especificado;

Característica Linear:

Característica Igual a Percentagem:

(81)

Rangeabilidade e Seleção do C_V:

Quanto à rangeabilidade e à seleção do C_V a 100% de abertura, as válvula de controle devem atender os seguintes critérios:

a) o C_V calculado na condição máxima deve corresponder a uma abertura inferior a 90% do seu curso total;

b) o C_V calculado na condição mínima deve corresponder a uma abertura superior a 10% do seu curso total;

c) levando-se em consideração a vazão mínima, normal e máxima através da válvula, o C_V da válvula deve ser:

- (C_VMIN /C_V) > 0,10;

- 0,30 < (C_VNORMAL /C_V) < 0,70; - (C_VMAX/C_V) < 0,90;

d) caso não seja possível atender aos limites definidos acima com uma válvula de controle, utilizar duas válvulas de controle em paralelo.

(82)

(83)

83

(84)

Durante a fase de projeto básico de uma unidade nova, não se tem disponível o isométrico do sistema de bombeio para a determinação dos trechos retos de tubulação e dos acidentes. Neste caso, duas metodologias são propostas para a realização do dimensionamento da bomba:

 Determinação do comprimento equivalente de tubulação pelo método do fator de complexidade;

 Determinação do comprimento de trecho reto e dos acidentes de tubulação a partir de um isométrico estimado baseado nas posições relativas dos

equipamentos na planta de arranjo preliminar;

(85)

85

Ver aula de “Planta de Arranjo” para mais

(86)

(87)

87

(88)

 Elevação do bocal da bomba em relação ao piso:

 Definir schedule de tubulação conforme a tabela a seguir:

 Diâmetros comerciais (DN):

1”, 1 ½”, 2”, 3”, 4”, 6”, 8”, 10”, 12”, 14”, 16”, 18”, 20”, 22”, 24”, 26”, 28”, 30”,

(89)

• Uma bomba (B-05A/B) representada no esquema a seguir é requisitada para bombear uma

mistura de hidrocarbonetos para dois destinos simultaneamente. Os dados do fluido e do sistema são dados a seguir:

• Pede-se:

• a) Calcular o Head da bomba;

• b) Calcular o NPSH disponível;

• c) Se o NPSH requerido for igual a 3,2, qual(is) a(s) modificação(ões) necessária(s) no sistema?

• d) Calcular a pressão a montante e a jusante da válvula na vazão normal, mínima e máxima;

• e) Calcular o C_v da válvula;

• f) Calcular a pressão de projeto da sucção e descarga da bomba;

• g) Realizar pré-seleção da bomba;

• h) Realizar pré-seleção da válvula.

(90)

(91)

• Dados do fluido:

91 Fluido Hidrocarbonetos

 (kg/m³) 865

P_vapor (kgf/cm²) 3,033 Viscosidade (cP) 0,44

P_barométrica (kgf/cm²) 1,033 P_{limite de bateria} (kgf/cm² g) 4,6 P_{vaso V-01} (kgf/cm² g) 2,0 P_{torre T-01} (kgf/cm² g) 0,8 Elev._{limite de bateria} (m) 1,5 Elev._{vaso V-01} (m) 3,0 Elev._{bocal entrega T-01} (m) 10,5

P_trocador (kgf/cm²) 0,70

P_{placa de orifício} (kgf/cm²) 0,14

(92)

• Dados do sistema (cont.):

Trecho T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9

Comprimento reto (m) 11 22 16 16 35 8 27 21 19

Nº válvulas gaveta 1 1 1 1 - 1 1 1 2

Nº curvas 90° 5 4 2 2 8

Nº Tês vazão direta - - 1 1 - 1 1 1 1

Nº Tês vazão ramal 1 1 - - - 1 - 1 -

Nº válvulas de retenção - 1 - - - - 1 - 1

(93)

 Aplicações Práticas em Escoamento de Fluidos

Cálculo de Tubulações, Válvulas de Controle e Bombas Centrífugas

Autor: Oscar Rotava

LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora

 Flow of Fluids – Through Valves, Fittings and Pipings

Crane Co.

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Autores: Edson Ezequiel de Mattos e Reinaldo de Falco Editora Interciência

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