Apostila de bombas
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Unidade 2
Bombas energi a mecânica de uma fonte moSão máquinas acionadas que recebem energia tora (máquina acionadora) e a transformam em energia cinética (movimento), ou energia de pressão (força), ou ambas, e as transmitem ao líquido. O uso de bombas hidráulicas ocorre sempre que se necessita aumentar a pressão de trabalho de um líquido, para transportá-lo pela tubulação, de um ponto a outro da planta, obedecendo obedecendo às condições de vazão e pressão requeridas pelo processo. Existem diversos tipos diferentes de bombas, cada um adequado a uma determinada necessidade necessidade ou exigência do processo. Veja no lembrete abaixo.
LEMBRE-SE DISSO ✔ Vazão do líquido ✔ Diferencial de pressão necessária (carga) ✔ Características do líquido (viscosidade, densidade, contaminantes etc.)
✔ Condições de temperatura e pressão ✔ Regime de funcionamento ✔ Flexibilidade operacional desejada
Vamos apresentar os diferentes tipos, tipos , com suas características básicas, básic as, vantagens e desvantagens, com maior atenção para as bombas dinâmicas centrífugas, que são as mais utilizadas em refinarias. ..........
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CLASSIFICAÇÃO DAS BOMBA BOMBAS S
Quanto aos tipos BOMBAS
Dinâmicas ou turbobombas
Volumétricas ou de deslocamento positivo
CENTRÍFUGAS
ALTERNATIVAS
ROTATIVAS
DE FLUXO AXIAL
Pistão
Engrenagens
DE FLUXO MISTO
Êmbolo
Lóbulos
PERIFÉRICAS
Diafragma
Parafusos
Palhetas deslizantes
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Bombas volumétricas ou de deslocamento positivo
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Nestas, a movimentação movimentação de uma peça da bomba força o líquido a executar o mesmo movimento. O líquido sucessivamente preenche e é expulso de um volume no interior da bomba. Logo, existe uma proporcionalidade entre a vazão de líquido e a velocidade da bomba. Bombas alternativas A peça que impelirá o fluido possui movimento alternativo. Utilizadas para baixas vazões e elevado diferencial de pressão. Observe a Figura 16 e leia a seguir as características características das principais partes desse tipo de bomba.
P ISTÃO O impelidor é um pistão que se desloca dentro de um cilindro. No movimento de aspiração diminui a pressão na câmara, abrese a válvula direcional de entrada e o líquido é admitido. Em seguida, pelo movimento de recalque do pistão, a pressão aumenta, abre-se a válvula direcional de saída e o líquido é expulso do cilindro.
FIGURA 16
BOMBA ALTERNATIVA
e d
TAMPA
e l o r t n o c
BIELA ARTICULADA
PISTÃO
COROA DENTADA ÁRVORE DE ARRASTE
e
ANEL INTERMEDIÁRIO PRESSIONADOR CAIXA ROTOR COROA DENTADA
Ê MBOLO
CAIXA CABEÇA DA BIELA
Ele tem o mesmo princípio de funcionamento da bomba de pistão, sendo que nesta o impelidor é um êmbolo que admite e expulsa o líquido, ocupando e desocupando um determinado volume dentro da câmara. Indicada para pressões mais altas.
D IAFRAGMA O líquido é impelido por uma membrana, que por sua vez é acionada por uma haste com movimento alternativo. Quando puxada, a membrana di..........
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minui a pressão na câmara, abre-se a válvula direcional de entrada e o líquido é admitido. Quando empurrada, a pressão aumenta, abre-se a válvula direcional de saída e o líquido é expulso da câmara. Muito encontradas com duplo diafragma e acionamento por ar comprimido. Utilizadas como bombas dosadoras.
Bombas rotativas As peças que impelirão o fluido possuem movimento rotativo. São utilizadas para elevado diferencial de pressão com vazões mais altas que as alternativas. Observe a Figura 17 e leia a seguir as características das principais partes desse tipo de bomba.
E NGRENAGENS Consiste em duas engrenagens montadas em uma carcaça com pouquíssima folga. Com engrenagens lado a lado, no bocal de admissão, o fluido é forçado a percorrer as laterais da carcaça pela rotação das engrenagens, nos espaços entre os seus FIGURA 17 BOMBA DE ENGRENAGENS dentes. Na descarga o fechamento dos dentes for ÁRVORE DE CAIXA DA ARRASTE BOMBA ça a saída do líquido. AsENGRENAGEM sim, sucessivamente, os MOVIDA dentes se abrem, admitindo o líquido, o carregam e o expulsam ao se fecharem. Com velocidade fixa, a vazão é fixa. Com engrenagem interna e coroa externa excêntricas, o funcionamento é parecido com os de palhetas deslizantes.
LÓBULOS É o mesmo princípio das bombas anteriores, só que ao invés de engrenagens são montadas as peças denominadas lóbulos. Observe na página ao lado a Figura 18. ..........
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FIGURA 18
BOMBA DE PALHETAS DESLIZANTES PALHETA
ROTOR
2
CAIXA DE BOMBA
ÁRVORE DE ARRASTE
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P ARAFUSOS Consistem em dois parafusos de acionamento, montados dentro de uma carcaça com pouquíssima folga e sem contato entre os filetes, sincronizados por engrenagens. O líquido é admitido e os filetes o expulsam pelo bocal de saída. Indicadas para fluidos de viscosidade elevada.
P ALHETAS
FIGURA 19
BOMBA DE PARAFUSOS
CAIXA DA BOMBA
PARAFUSO
ÁRVORE DE ARRASTE
e l o r t n o c e
DESLIZANTES
Consistem em um cilindro montado excêntrico na câmara da carcaça, possuindo cavidades radiais no seu entorno, onde são montadas palhetas retráteis. O líquido é admitido no lado de maior folga da excentricidade, sendo levado pelas palhetas e expulso à medida que a folga diminui. ..........
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Bombas dinâmicas ou turbobombas A energia é transferida para o líquido pela rotação de um eixo onde é montado um disco, com um certo número de palhetas ou pás, chamadas de rotor ou impelidor. O que caracteriza os diferentes tipos de turbobombas é a geometria do impelidor e suas palhetas, o que vai influenciar a forma como a energia é transferida para o fluido e sua direção na saída do impelidor. A vazão bombeada depende da construção da bomba e das características do sistema em que está operando. Observe a Figura 20 abaixo e a Figura 21 na página ao lado. Leia a seguir as características dos principais tipos de turbobombas. FIGURA 20
PEÇAS DAS TURBOBOMBAS
Bombas centrífugas O líquido entra na bomba e é acelerado radialmente pelo impelidor, sendo a direção de saída do líquido perpendicular ao eixo. Usadas para diferenciais de pressão elevados com cargas relativamente baixas. Bombas de fluxo axial O líquido entra na bomba e é acelerado por arrasto pelo impelidor, sendo a direção de saída do líquido paralela ao eixo. Bombas de fluxo misto Seu impelidor é uma composição dos dois tipos anteriores, sendo a direção de saída do líquido inclinada ao eixo. Bombas periféricas O impelidor com palhetas na periferia arrasta o fluido. ..........
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FUNCIONAMENTO DAS BOMBAS CENTRÍFUGAS PARTES FUNDAMENTAIS IMPELIDOR OU ROTOR – Impulsiona o líquido CARCAÇA – Contém o líquido, envolvendo o impelidor, e dispõe dos bocais de entrada (sucção) e saída (descarga). Podem ser do tipo carcaça em voluta com região difusora ou do tipo carcaça com pás difusoras, entre outras EIXO – Atravessa a carcaça e se conecta ao impelidor, provendo movimento rotativo FIGURA 21
PARTES DA BOMBA CENTRÍFUGA FIXAÇÃO DO ROTOR
VEDAÇÃO DOS MANCAIS
MANCAL AXIAL E RADIAL DE ALTA PERFORMANCE
TAMPA DA CARCAÇA ANÉIS DE DESGASTE SUBSTITUÍVEIS
REFRIGERAÇÃO DOS MANCAIS
EIXO RÍGIDO
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PALHETA ROTOR
SELO MECÂNICO TIPO CARTUCHO CÂMARA DE VEDAÇÃO
DOIS ANÉIS PESCADORES
FURO DE DRENO FURO DE CARCAÇA
PRINCÍPIOS As bombas centrífugas têm como princípio de funcionamento a criação de duas zonas de pressão: uma de baixa pressão na sucção e outra de alta pressão na descarga (recalque). Na partida é necessário que a carcaça da bomba e a tubulação de sucção estejam totalmente preenchidas com o fluido a ser bombeado (escorva). O movimento rotativo do impelidor faz com que as partículas de líquido sejam impulsionadas para fora. Esse movimento de centrifugação cria um “vazio” na entrada (baixa pressão) e um “acúmulo” na saída (alta pressão) pela redução da velocidade com o aumento de volume na carcaça (no difusor ou nas pás difusoras). A baixa pressão succiona novas partículas vindas da tubulação, estabelecendo um fluxo contínuo de líquido. A alta pressão permite que o fluxo de líquido vença as perdas impostas pela tubulação e seus acessórios na descarga.
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CURVAS DE CARGA (H) X VAZÃO (Q) Teoricamente, carga de uma bomba é definida como a energia por unidade de massa que a bomba tem condições de fornecer ao líquido, para uma determinada vazão. No campo prático, é definida como a energia por unidade de peso (força) que a bomba tem condições de fornecer ao líquido, para uma determinada vazão. Assim, as curvas “cargas x vazão” fornecidas pelos fabricantes normalmente apresentam a carga com uma das seguintes unidades:
kgf . m/kgf = m
lbf . ft/lbf = ft
ou
Diz-se então que é a altura de coluna de líquido (m ou ft) equivalente ao diferencial de pressão que a bomba fornece, para aquela vazão. Ou a altura manométrica que a bomba consegue vencer naquela vazão. Como a energia fornecida pelo eixo é constante, quanto maior a vazão, maior a distribuição de energia pela massa de fluido e menor a carga, ou diferencial de pressão, conseguida. Porém, a carga fornecida ao líquido não varia de maneira linear com a vazão (curva teórica), pois existem diversas perdas hidráulicas no processo (Ph) , devido ao comportamento do líquido em relação ao impelidor e carcaça não ser ideal (escorregamento, atrito interno, choques e turbulência), fazendo com que a variação da “carga x vazão” tenha diferentes curvas (curvas reais). Com base no que você acabou de ler, procure analisar a Figura 22. FIGURA 22
CURVAS DE CARGA (H) X VAZÃO (Q)
Q
ESCORREGAMENTO E NÃO-UNIFORMIDADE CHOQUES E TURBULÊNCIA ATRITO INTERNO CURVA REAL
H ..........
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As curvas reais dependem dos detalhes construtivos das bombas e podem ser estáveis – para cada carga apenas uma vazão – ou instáveis:
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Planas (flat) Inclinadas Ascendentes/descendentes (instáveis) Descendentes FIGURA 23
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CURVAS REAIS
H
H
H
H
e d
Q
Q
Q
CURVAS DE POTÊNCIA ABSORVIDA (Pot abs ) X VAZÃO (Q)
A potência realmente absorvida pelo líquido, potência útil (Potu), pode ser definida também em função da massa ou do peso.
Pot u = . Q . H H
Em energia Massa
Pot u = . Q . H H
Em energia Peso
= massa específica = peso específico ..........
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A potência absorvida pelo conjunto da bomba (Potabs) é igual à potência útil somada a todas as perdas de energia no conjunto da bomba. Além das perdas hidráulicas (Ph) , devemos considerar ainda:
P ERDAS VOLUMÉTRICAS (Pv) Uma parte da energia cedida ao líquido é perdida com a recirculação do líquido entre as partes da bomba
P ERDAS MECÂNICAS (Pm) Uma parte da energia se perde no atrito entre as partes em movimento, nos mancais e sistema de vedação. Logo:
Pot abs = Pot u + Ph + Pv + Pm
Não se faz o cálculo exato das diferentes perdas; a curva de Potabs é medida em bancadas de prova e fornecida pelo fabricante do equipamento
ATENÇÃO
CURVAS DE RENDIMENTO TOTAL
( ) X Vazão (Q) Mostram o rendimento total da bomba em função da vazão, contabilizados os rendimentos hidráulico, volumétrico e mecânico:
=
h
. v .
m
Na prática é calculada pela relação entre a potência útil e a potência absorvida:
Potu h = Potabs ..........
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FATORES QUE ALTERAM AS CURVAS CARACTERÍSTICAS DAS BOMBAS São alterações na geometria da bomba, no acionamento ou no fluido que alteram seu desempenho e conseqüentemente suas curvas características, passando de uma condição atual (1) para uma nova condição depois das mudanças (2).
Variação do diâmetro do impelidor (D) Refere-se à troca de impelidores ou à sua usinagem para a redução do diâmetro, sendo limitados pelo tamanho da carcaça e pela baixa eficiência para rotores pequenos (folga muito grande entre rotor e carcaça; logo, muita recirculação):
Q2 D2 = Q1 D1
(
2
(
H2 D2 = H1 D1
(
Pot2 D2 = Pot1 D1
3
(
Outras mudanças geométricas no impelidor têm influência mais complexa nas curvas e devem ser estudadas com o fabricante. O desgaste devido ao tempo de vida da bomba reduz sua eficiência.
Variação da rotação do impelidor (N) Refere-se a variações no acionamento. Às vezes são utilizados variadores de velocidade nos motores para controlar o desempenho da bomba no sistema:
Q2 N2 = Q1 N1
(
(
2
H2 N2 = H1 N1
Pot2 = Pot1
3
N2 N1
Variações nas propriedades dos líquidos A variação da massa específica não altera a carga da bomba, ou seja, a energia cedida por unidade de massa de fluido continuará a mesma. Porém, a potência absorvida pela bomba é diretamente proporcional:
Pot u = ..........
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.Q . H
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Com fluidos muito viscosos as bombas centrífugas aumentam bastante a potência absorvida, reduzem a carga e diminuem um pouco a vazão bombeada. Existem cartas de correção das curvas para uso das bombas centrífugas com fluidos muito viscosos. APRESENTAÇÃO DAS CURVAS CARACTERÍSTICAS DAS BOMBAS CENTRÍFUGAS As curvas de carga (H) x vazão (Q), potência absorvida (Potabs) x vazão (Q) e rendimento total () x vazão (Q) são normalmente fornecidas pelo fabricante da bomba em um único gráfico, em relação a um único eixo de vazão, com valores para diversos tamanhos de rotor e FIGURA 24 CURVAS DAS BOMBAS CENTRÍFUGAS ainda com a curva de NPSH H (m) Ø648 60 70 75 80 150 (Net Positive Suction Head) 85 87 88 Ø630 87 requerido, que será visto 85 Ø570 adiante. Em alguns casos a 80 100 potência e o rendimento são Ø500 75 apresentados em um conjun50 to de linhas que marcam as faixas de valores (linhas de isopotência e isorrendimen0 Q min to). Observe a Figura 24. NPSH (m) Ø648
14
CURVA DO SISTEMA Ø500 10 Temos de determinar a ener6 gia por unidade de peso, 2 que o sistema solicitará de P (kW) uma bomba em função da 1500 vazão de bombeamento. É Ø648 Ø630 1000 denominada carga do sisteØ570 ma (H) ou altura manométri500 Ø500 ca do sistema (AMT). Ela varia em função da 0 0 500 1000 1000 1500 2000 2500 3000 3500 diferença de elevação entre Q (m /h) os reservatórios de sucção e descarga; da diferença de pressões entre os reservatórios de sucção e descarga; e das perdas de carga existentes na tubulação, devido às perdas por atrito e restrições. 3
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São estas diferenças e perdas que a bomba deve compensar. Várias mudanças no sistema podem mudar sua curva característica: Mudanças nas propriedades dos fluidos: diminuição da densidade reduz o peso das colunas de líquido e altera os valores da perda de carga. Aumento na viscosidade também aumenta a perda de carga etc. Variações de níveis nos vasos de sucção e descarga Variações de pressão nos vasos de sucção e descarga Alterações nas linhas: aumento ou redução de restrição à passagem do líquido, principalmente por válvulas de controle, aumenta ou reduz a perda de carga
CAVITAÇÃO E NPSH (Net Positive Suction Head ou Pressão Líquida Positiva na Sucção) Em linhas gerais, o processo da cavitação pode ser definido da seguinte maneira:
Todos os fluidos processados na indústria, por mais “puros” que sejam, sempre possuem uma pequena quantidade de impurezas e gases dissolvidos. Essas impurezas e gases (núcleos) quebram a resistência do líquido à formação de bolhas maiores, notadamente abaixo de um determinado valor de pressão, chamada de pressão crítica. Esta pressão crítica normalmente fica em torno da pressão de vapor do líquido à temperatura de operação. Quando há uma redução da pressão do líquido até a pressão crítica, é facilitada a formação de macrobolhas a partir das microbolhas de gases existentes. Então, na veia líquida começam a aparecer mais e mais macrobolhas à medida que a pressão cai. Se a pressão é levada novamente a valores acima da pressão crítica, as bolhas geradas entram em colapso, implodem. O líquido ao redor ocupa o espaço deixado instantaneamente pelo gás, gerando ondas de choque e microjatos de fluido. Quando este fenômeno ocorre na proximidade de paredes metálicas, gera vibração, ruído e erosão nas peças envolvidas. Quanto maior a intensidade da cavitação, maiores a vibração e o ruído, e mais severa será a erosão. ..........
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Nas bombas centrífugas, se a pressão na sucção chegar a níveis abaixo da pressão crítica do líquido, serão formadas as bolhas e, ao entrarem no impelidor, serão subitamente pressurizadas, implodindo. Diz-se então que a bomba está “cavitando”, com ruído, vibração, erosão severa e perda de eficiência. A cavitação é um fenômeno indesejável e deve ser equacionado. Para isto devemos garantir que a pressão do líquido na entrada do impelidor (Pi) esteja acima da pressão crítica. Tomamos a pressão de vapor do fluido na temperatura de operação (Pv) como referência para a pressão crítica, pois esta não é determinada para as condições práticas. Logo, Pi deve estar acima da Pv , considerando ainda uma folga. Os fabricantes testam e calculam as perdas de carga da entrada da bomba até o impelidor, informando aos consumidores o NPSH requerido, ou seja, o mínimo de carga que deve haver acima da Pv no bocal de sucção para que não se inicie a cavitação. Este valor depende unicamente da geometria da entrada da bomba e da vazão, sendo indicado no gráfico da bomba como uma curva NPSHr x Q. Quem seleciona a bomba deve calcular o NPSH disponível, ou seja, o valor de carga acima da Pv existente no bocal de sucção. Este valor depende unicamente do sistema: pressão e elevação do vaso de sucção, temperatura do fluido, perdas de carga na linha de sucção etc. Como também varia com a vazão, pode ser indicado em um gráfico NPSHd x Q.
DETERMINAÇÃO DO PONTO DE TRABALHO E SELEÇÃO DA BOMBA Podemos representar FIGURA 25 CURVAS DA BOMBA E DO SISTEMA no mesmo gráfico as curvas características H x Q sistema t da bomba e do sistema. O ponto de trabalho xQ Ht será determinado na Pot x Q interseção entre a curPot va de carga da bomba HxQ e a curva de carga do sistema. Observe a FiQt Q gura 25. ..........
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Este ponto indica a AMT fornecida pela bomba e a vazão de operação. Traçando uma reta vertical, identificamos o rendimento e a potência absorvida. A reta vertical também cruza as curvas de NPSH requerido e disponível e verificamos a folga (f) entre os valores:
f = NPSHd - NPSHr f > 0,6 m (2ft) é aceitável Quando há problemas em selecionar bombas com boa folga, pode-se aumentar o NPSHd, modificando o projeto do sistema na sucção, ou reduzir o NPSH requerido, optando pelo uso de indutores (peças semelhantes a rotores axiais ou mistos, instaladas à frente do rotor da bomba), ou reduzindo-se a rotação (só em casos especiais como bombas de condensado). No projeto, determina-se a curva do sistema que atende às exigências do processo e procura-se escolher nos catálogos dos fabricantes, do tipo de bomba adequado ao serviço, o modelo cujas curvas atendam às necessidades, na região de alta eficiência e com boa folga (f). Para aplicações fora das soluções usuais oferecidas no mercado, “de prateleira”, deve-se estudar cuidadosamente as alternativas. Como comentado anteriormente, existem várias maneiras de modificar as curvas da bomba e do sistema, visando adequá-las às exigências do processo.
ASSOCIAÇÃO DE BOMBAS CENTRÍFUGAS As bombas podem ser associadas em série ou em paralelo.
Associação em série: opção quando a altura manométrica é muito elevada para a vazão requerida, acima dos limites alcançados por uma única bomba disponível no mercado. A curva H x Q do conjunto corresponde ao somatório do head das bombas para as mesmas vazões Associação em paralelo: opção quando a vazão é muito elevada para a altura manométrica requerida, ou varia de forma definida, acima dos limites ..........
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alcançados por uma única bomba disponível no mercado, oferecendo ainda flexibilidade e segurança operacional. A curva H x Q do conjunto corresponde ao somatório da vazão das duas bombas para os mesmos heads.
Características gerais das turbobombas ANÉIS DE DESGASTE
FIGURA 26
ANÉIS DE DESGASTE ANÉIS DE DESGASTE ANÉIS DE DESGASTE
ANÉIS DE DESGASTE ANÉIS DE DESGASTE
Este grupo de bombas responde pela maioria das aplicações, notadamente as bombas centrífugas. Nesta Unidade será dada ênfase às bombas centrífugas por serem maioria na instalação de refinarias. Ver a Figura 26. Vantagens
São acionadas por motores elétricos sem modificadores de velocidade Trabalham em regime permanente Apresentam flexibilidade operacional devido às modificações que podem ser feitas para que se adaptem às novas condições: restrição de válvula na descarga, mudança do impelidor, variação de velocidade Requerem menor manutenção do que as bombas alternativas Cobrem ampla faixa de vazões Apresentam relação de custo favorável ..........
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Desvantagens
Baixa eficiência para vazões muito baixas e diferenciais de pressão muito altos Baixa eficiência para altas viscosidades Redução da sua capacidade pelos gases dissolvidos no líquido Erosão acelerada causada pelos sólidos em suspensão Inadequada quando se deseja vazão constante, independente de alterações no sistema
DETALHES CONSTRUTIVOS DAS TURBOBOMBAS
Quanto à posição, podem ser: Horizontais Verticais
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Quanto ao número de impelidores, as bombas podem ser de: Simples estágio Múltiplos estágios FIGURA 27
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DETALHE DE UMA TURBOBOMBA
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Impelidor Já foi vista sua classificação em centrífugos, axiais ou mistos. Os impelidores podem ser:
FIGURA 28
IMPELIDOR DE DUPLA SUCÇÃO
Abertos Semi-abertos Fechados E ainda: Sucção simples Dupla sucção
Carcaça Os tipos construtivos são os seguintes:
E M VOLUTA São as mais utilizadas pela eficiência, baixo custo e simplicidade mecânica, predominantemente para bombas de simples estágio. Devido aos esforços radiais gerados por vazões diferentes da vazão de projeto, a vazão mínima para bombas com voluta é limitada em torno de 25% a 50% da vazão de projeto.
C OM
PÁ S DIFUSORAS
Possui pás difusoras fixas à carcaça, formando canais difusores para o líquido que sai do rotor. Mais utilizadas em bombas de múltiplos estágios, onde ainda possui uma parte chamada diafragma, para separar os estágios e redirecionar o líquido.
C ONCÊNTRICAS São baratas porém menos eficientes que as de voluta e com maiores esforços radiais.
E M DUPLA VOLUTA Possui uma chicana intermediária, formando duas volutas defasadas de 180°. ..........
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M ISTA
FIGURA 29
É uma combinação de voluta com pás difusoras.
CARCAÇA Partida axialmente
Podem ser ainda: Partidas axialmente Partidas radialmente
Eixo O eixo transmite o movimento do acionador para o(s) impelidor(es), suportando todas as partes rotativas da bomba. O eixo se conecta ao acionador por meio de um acoplamento e é suportado por mancais. Como atravessa a carcaça para conectar-se ao(s) impelidor(es), necessita de um sistema de vedação que evite o vazamento do fluido da carcaça. Ver Figura 29. Luvas de eixo Têm o objetivo de proteger o eixo de corrosão, erosão ou desgaste, principalmente em caixas de gaxetas onde há atrito com as gaxetas na presença do fluido bombeado ou de selagem. As luvas podem ter outros ob jetivos, como por exemplo atuar como espaçadores na montagem de vários impelidores em bombas de múltiplos estágios. Anéis de desgaste São “peças de sacrifício” colocadas nas extremidades que sofrem muito desgaste por erosão nas carcaças e nos impelidores. O aumento da folga entre carcaça e impelidor permite maior recirculação, reduzindo o rendimento da bomba. A colocação dos anéis torna mais simples e barata a manutenção.
Vedação por gaxetas Sua função é evitar o vazamento do líquido bombeado (ou no caso de operação com pressão, sucção inferior à pressão atmosférica, evitar a admissão de ar). Composta por: ..........
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C AIXA
DE GAXETAS
FIGURA 30
CAIXA DE GAXETAS
Acomoda os anéis de gaxetas na parte posterior da carcaça SOBREPOSTA
A NÉIS DE
GAXETAS
Elementos de vedação de seção quadrada, que envolvem o eixo ou luva de eixo dentro da caixa de gaxetas
GAXETAS
S OBREPOSTA Atravessada pelo eixo e montada ao final da caixa de gaxetas, comprime as gaxetas para dar o ajuste necessário. O aperto de ajuste na sobreposta é feito de tal forma que permita um vazamento de 30 a 60 gotas de líquido por minuto, fazendo a lubrificação e refrigeração no contato gaxeta/eixo E em determinados casos ainda pode possuir:
B UCHA
DE GARGANTA OU DE FUNDO
Montada no fundo da caixa de gaxetas, próxima ao impelidor, restringe a passagem do líquido bombeado
C ONEXÃO
PARA LÍQUIDO DE SELAGEM
Usa-se líquido de selagem quando a pressão interna na carcaça é negativa, quando o fluido é abrasivo ou contém sólidos em suspensão, ou quando o vazamento do fluido bombeado é indesejável (líquidos inflamáveis, tóxicos, corrosivos etc.). Pode ser o próprio fluido bombeado, no caso de água fria ou produto limpo (com conexões na própria bomba), ou um fluido disponível adequado para este fim (água ou óleo de selagem).
A NEL
DE LANTERNA
O anel bipartido perfurado, que distribui o líquido de selagem de maneira uniforme no entorno do eixo, pode ser montado entre as gaxetas, próximo ao rotor (evitando a passagem de sólidos e impurezas), ou próximo à sobreposta para reduzir a diluição do fluido bombeado. ..........
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C ÂMARA
PARA REFRIGERAÇÃO
São caixas de gaxetas com câmaras para passagem de fluido de refrigeração, usadas quando se deseja uma refrigeração mais eficiente do con junto de vedação. São indicadas para: Produtos limpos ou que não oferecem restrições ao vazamento (não perigosos) Condições de operação suaves ou moderadas Velocidades superficiais inferiores a 900 ft/min Líquido com boas propriedades lubrificantes Alta deflexão do eixo na caixa de gaxetas Alta vibração Serviço intermitente com produtos que se solidificam ou formam depósitos As gaxetas podem ser fabricadas de diversos materiais, tais como juta, linho, algodão, borracha natural, neoprene, silicone, teflon, amianto, cobre, alumínio, ente outros. Sua escolha depende da compatibilidade com o fluido bombeado e seus contaminantes, além das condições de bombeamento. Vedação por selo mecânico É aplicada em condições de bombeamento em que as deficiências das caixas de gaxetas são excessivas. Em linhas gerais, os selos mecânicos consistem em duas superfícies adjacentes (sedes), polidas, montadas em posição perpendicular ao eixo, uma na parte estacionária da bomba e outra no eixo, girando com ele. O contato contínuo entre as partes é garantido por molas, sendo mantido um selo fluido entre elas, com atrito e vazamento mínimos. Veja a Figura 31. ..........
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FIGURA 31
VEDAÇÃO
Por selo mecânico
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Compostos basicamente por:
C AIXA
DE SELAGEM
Acomoda o selo mecânico.
S EDE ESTACIONÁRIA Peça montada na sobreposta que possui a face polida estacionária.
S EDE ROTATIVA Peça montada no eixo que possui a face polida rotativa.
M OL A Mantém as sedes em contato. Pode ser montada mais de uma mola.
S OBREPOSTA Atravessada pelo eixo e montada ao final da caixa de selagem, recebe a sede estacionária. Nos selos mecânicos existem três áreas que necessitam de selagem (ver Figuras 32 e 33, na página ao lado).
E NTRE A
SEDE ESTACIONÁRIA E A CARCAÇA ( SELO SECUNDÁRIO ESTÁTICO )
Usam-se juntas convencionais ou anéis tipo o-ring.
E NTRE A
SEDE ROTATIVA E O EIXO ( SELO SECUNDÁRIO DINÂMICO )
Usam-se anéis tipo o-ring, cunha, anéis em “V” ou fole de borracha ou elastômero.
E NTRE AS
DUAS SUPERFÍCIES DE SELAGEM EM MOVIMENTO
É garantido por um filme lubrificante líquido formado entre as superfícies polidas. Tipos básicos de montagem:
I NTERNA A sede rotativa é montada dentro da caixa de selagem, ficando em contato com o fluido, com melhor refrigeração e menor vazamento. ..........
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E XTERNA
FIGURA 32
SELOS DE AÇÃO SIMPLES
A sede rotativa é montada fora da caixa de selagem, não tendo contato com o fluido, de fácil instalação e inspeção.
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Tipo de selagem externa:
S IMPLES Um único selo mecânico montado.
DUPLO A montagem é feita com dois selos mecânicos para fluidos que não podem passar para a atmosfera. Podem ser montados face a face, costa a costa ou em série (tandem), possuindo fluido de barreira entre eles, injetado para evitar o vazamento do fluido bombeado.
N ÃO
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BALANCEADOS
Quando toda a pressão interna atua no sentido de juntar as faces. Para fluidos de boas propriedades lubrificantes e baixas pressões.
e d e l o r t n o c e
B ALANCEADOS
FIGURA 33
Quando a força de fechamento é diminuída pela redução da área efetiva exposta à pressão interna que atua no sentido de juntar as faces. Pode possuir ainda:
C ONEXÕES PARA LÍQUIDO DE SELAGEM , REFRIGERAÇÃO , LAVAGEM , DRENO E RESPIRO Usam-se para fazer lubrificação, limpeza e refrigeração das faces de selagem com fluidos externos. ..........
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SELOS DE AÇÃO DUPLA
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C ÂMARAS
PARA REFRIGERAÇÃO
Caixas de selagem, sobreposta ou sede estacionária, com câmaras para passagem de fluido de refrigeração. São usadas quando se deseja uma refrigeração mais eficiente do conjunto de vedação. São indicados para: Produtos perigosos Produtos caros Líquidos com baixas propriedades lubrificantes Gaxetas que gerariam alto atrito, consumindo potência Altas temperaturas que inibem o uso de gaxetas Condições de operação cíclicas
Mancais Apóiam o eixo e suportam os esforços radiais e axiais que atuam sobre con junto rotativo. Garantem também as folgas entre as partes móveis e estacionárias. Podem ser mancais radiais (de apoio), axiais (de escora) ou mistos (combinação apoio e escora). Os mancais de rolamentos são os mais usados para bombas centrífugas comuns, quando a combinação de carregamentos elevados e velocidade não é muito severa. São muito empregados rolamentos de esferas e cilindros, de pistas simples e duplas e também os autocompensadores. Os mancais de deslizamento são utilizados nas condições em que os de rolamentos não são aconselhados e também em casos em que se emprega o fluido bombeado para lubrificação.
Operação de bombas centrífugas A operação de uma bomba centrífuga depende do tipo de bomba e do serviço para o qual ela foi selecionada, bem como do sistema no qual ela está instalada. Deve-se observar cuidadosamente os dados e procedimentos definidos no manual de instalação, operação e manutenção fornecido pelo fabricante, assim como nos manuais de operação da unidade. Serão apresentados aqui passos básicos para uma visão global da operação de bombas centrífugas. ..........
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A operação compõe-se das fases de partida, acompanhamento e parada. Deve-se efetuar uma inspeção preliminar da bomba, observando: Limpeza Segurança Sentido de rotação do acionador Sistema de lubrificação Sistemas auxiliares (água de refrigeração, líquido de selagem, vapor de aquecimento etc.) Linhas de sucção e descarga e seus alinhamentos Escorva da sucção
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A partida pode ser manual ou automática. Para partida manual é necessário observar os principais passos:
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Fechar drenos Fechar válvula de descarga – lembrar que bombas axiais partem com a válvula de descarga aberta Abrir válvula de recirculação se necessário Abrir válvula de sucção Partir o acionador Abrir válvula de descarga vagarosamente após a bomba alcançar rotação normal Fechar válvula de recirculação se necessário Observar operação inicial do conjunto: vazamentos, temperatura, ruído, vibração, aquecimento ou qualquer comportamento anormal etc.
e l o r t n o c
No caso de partida automática tem-se apenas o passo partir, de forma remota. Porém, é necessário colocar a bomba em condição de partida automática e realizar os passos não-automatizados, pois é importante observar que na opção automático as válvulas sempre ficarão abertas, a menos que se tenham acionadores com comando remoto. O acompanhamento visa detectar anormalidades e evitar que uma condição operacional inadequada se torne uma falha mecânica, ou uma falha mecânica se agrave a ponto de danificar severamente o equipamento e/ou causar acidentes. Dá-se pela observação e intervenção do operador, com uso de instrumentos portáteis de monitoramento (como medidores de ..........
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vibração, medidores de temperatura, avaliadores de ruído e detectores de vazamentos) e de instrumentos residentes de monitoramento e proteção (sensores instalados no equipamento e cabos transmitindo os sinais até a estação de controle). As determinações de uso destes métodos são em função da importância do equipamento e da política de operação e automação da empresa. Os principais problemas que constituem falhas mecânicas são:
V AZAMENTOS Produto, lubrificante e água de refrigeração
V IBRAÇÃO Cavitação, carga excessiva, carga muito baixa, desbalanceamento, desalinhamento, folgas inadequadas etc.
E ROSÃO Cavitação, sólidos em suspensão
RUÍDO Danificação dos mancais, atrito entre as partes móveis, cavitação
A QUECIMENTO EXCESSIVO Falha na lubrificação, excesso de lubrificante nos mancais, falha na refrigeração, recirculação excessiva, bloqueio da descarga etc.
P ERDA
DE EFICIÊNCIA
Recirculação interna devido a desgaste dos anéis de desgaste, vazamento excessivo etc. A parada também pode ser manual ou automática. Na parada manual é necessário observar os passos da partida na seqüência inversa. Na parada automática é preciso apenas parar pelo sistema de comando remoto.
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RESUMO
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BOMBAS
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DEFINIÇÃO São máquinas acionadas que recebem energia mecânica de uma fonte motora (máquina acionadora) e a transformam em energia cinética (movimento), ou energia de pressão (força), ou ambas, e as transmitem ao líquido, para transportá-lo pela tubulação, de um ponto a outro da planta, obedecendo às condições de vazão e pressão requeridas pelo processo.
A energia é transferida para o líquido pela rotação de um eixo, onde é montado um impelidor.
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Pistão – O impelidor é um pistão que se desloca dentro de um cilindro
Centrífugas – O líquido é acelerado radialmente pelo impelidor, sendo a direção de saída perpendicular ao eixo
e d
Êmbolo – O impelidor é um êmbolo que admite e expulsa o líquido, ocupando e desocupando um determinado volume
De fluxo axial – O líquido é acelerado por arrasto pelo impelidor, sendo a direção de saída paralela ao eixo
Diafragma – O líquido é impelido por uma membrana, acionada por uma haste com movimento alternativo
De fluxo misto – Seu impelidor é uma composição dos dois tipos anteriores, sendo a direção de saída inclinada ao eixo
CLASSIFICAÇÃO DAS BOMBAS QUANTO AOS TIPOS
1 BOMBAS VOLUMÉTRICAS OU
2 BOMBAS DINÂMICAS OU TURBOBOMBAS
DE DESLOCAMENTO POSITIVO
BOMBAS ALTERNATIVAS
A peça que impelirá o fluido possui movimento alternativo.
Periféricas – O impelidor com palhetas na periferia arrasta o fluido
BOMBAS ROTATIVAS
As peças que impelirão o fluido possuem movimento rotativo.
3 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
Engrenagens – Consiste em duas engrenagens montadas em uma carcaça com pouquíssima folga. O fluido é forçado a percorrer as laterais da carcaça pela rotação das engrenagens, nos espaços entre os seus dentes
DAS BOMBAS CENTRÍFUGAS Impelidor – Impulsiona o líquido
Carcaça – Contém o líquido, envolvendo o impelidor, e dispõe dos bocais de entrada (sucção) e saída (descarga)
Lóbulos – Mesmo princípio das bombas anteriores, só que ao invés de engrenagens são montadas as peças denominadas lóbulos
Eixo – Atravessa a carcaça e se conecta ao impelidor, provendo movimento rotativo
Parafusos – Consiste em dois parafusos de acionamento montados em uma carcaça com pouquíssima folga, sincronizados. O líquido é admitido e os filetes o expulsam
Criação de duas zonas de pressão pelo movimento de centrifugação do impelidor: a de baixa pressão na entrada succiona novas partículas vindas da tubulação, e a de alta pressão na descarga permite que o fluxo de líquido vença as perdas na descarga.
Palhetas deslizantes – Consiste em um cilindro montado excêntrico na carcaça, com cavidades radiais, onde são montadas palhetas retráteis. O líquido é admitido no lado de maior folga, sendo levado pelas palhetas e expulso à medida que a folga diminui
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RESUMO
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BOMBAS
4 CURVAS
8 NPSH
CARACTERÍSTICAS DA BOMBA
REQUERIDO
Carga (H) x vazão (Q)
É o mínimo de carga que deve haver acima da Pv no bocal de sucção para que não se inicie a cavitação (gráfico NPSHr x Q)
Potência absorvida (Potabs) x vazão (Q) Rendimento total () x vazão (Q)
DISPONÍVEL
No sistema, é o valor de carga acima da Pv existente no bocal de sucção (gráfico NPSHd x Q)
5 FATORES QUE ALTERAM AS CURVAS CARACTERÍSTICAS DAS BOMBAS
DIÂMETRO DO IMPELIDOR
9 DETERMINAÇÃO DO
PONTO DE TRABALHO E SELEÇÃO DA BOMBA
VARIAÇÃO DA ROTAÇÃO (N)
Interseção entre as curvas de carga da bomba e do sistema. Uma reta vertical identifica o rendimento, a potência absorvida, NPSH requerido e disponível (folga > 0,6m = 2ft é aceitável). Escolher nos catálogos dos fabricantes o modelo cujas curvas atendam às necessidades, na região de alta eficiência e com boa folga (f).
VARIAÇÃO DA MASSA ESPECÍFICA
Potência absorvida diretamente proporcional FLUIDOS MUITO VISCOSOS
Aumentam muito a potência absorvida, reduzem a carga e a vazão bombeada
10 ASSOCIAÇÃO DE BOMBAS CENTRÍFUGAS
São normalmente fornecidas pelo fabricante em um único gráfico, em relação a um único eixo de vazão e ainda com a curva de NPSH requerido.
Em série
6 CURVA CARACTERÍSTICA
Em paralelo
11 CARACTERÍSTICAS GERAIS DAS TURBOBOMBAS
DO SISTEMA
CARGA (H OU AMT) x VAZÃO ( Q )
Responde pela maioria das aplicações, notadamente as bombas centrífugas
É função da diferença de elevação e diferença de pressões entre os reservatórios de sucção e descarga e das perdas de carga na tubulação.
VANTAGENS
São acionadas por motores elétricos sem modificadores de velocidade
7 CAVITAÇÃO
Trabalham em regime permanente Apresentam flexibilidade operacional devido às modificações que podem ser feitas para que se adaptem às novas condições: restrição de válvula na descarga, mudança do impelidor, variação de velocidade
A redução da pressão do líquido até a pressão crítica (próxima à pressão de vapor – Pv ) facilita a formação contínua de macrobolhas a partir das microbolhas de gases existentes. Se a pressão é levada novamente a valores acima da pressão crítica, as bolhas geradas entram em colapso, gerando ondas de choque e microjatos de fluido. Gera vibração, ruído e erosão na região do impelidor.
Requerem menor manutenção do que as bombas alternativas Cobrem ampla faixa de vazões Apresentam relação de custo favorável
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RESUMO
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BOMBAS
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15 VEDAÇÃO POR GAXETAS
12 CARACTERÍSTICAS GERAIS DAS TURBOBOMBAS
Caixa de gaxetas
DESVANTAGENS
Baixa eficiência para vazões muito baixas e diferenciais de pressão muito altos
Anéis de gaxetas Sobreposta
Baixa eficiência para altas viscosidades
Bucha de garganta ou de fundo
Redução da sua capacidade pelos gases dissolvidos no líquido
Conexão para líquido de selagem Anel de lanterna
Erosão acelerada causada pelos sólidos em suspensão
Câmara para refrigeração
Inadequada quando se deseja vazão constante, independente de alterações no sistema
São indicadas para: Produtos limpos ou que não oferecem restrições ao vazamento (não perigosos)
13 DETALHES CONSTRUTIVOS DAS TURBOBOMBAS
Condições de operação suaves ou moderadas Velocidades superficiais inferiores a 900 ft/min
Impelidor – Abertos; semi-abertos e fechados. De sucção simples e dupla sucção
Líquido com boas propriedades lubrificantes
Carcaça – Em voluta, com pás difusoras, concêntricas, em dupla voluta ou mista. Partidas axialmente ou radialmente
Alta deflexão do eixo na caixa de gaxetas
Eixo e luvas de eixo
Serviço intermitente com produtos que se solidificam ou formam depósitos
Alta vibração
Anéis de desgaste Quanto à posição – Horizontais e verticais
16 TIPOS BÁSICOS DE MONTAGEM
Quanto ao número de impelidores – Simples estágio e múltiplos estágios
Interna ou externa Simples ou duplo
14 VEDAÇÃO POR SELO MECÂNICO
Não-balanceados Balanceados
Caixa de selagem Sede estacionária
São indicadas para:
Sede rotativa
Produtos perigosos
Mola
Produtos caros
Sobreposta
Líquidos com baixas propriedades lubrificantes
Conexões para líquido de selagem, refrigeração, lavagem, dreno e respiro
Gaxetas que gerariam alto atrito, consumindo potência
Câmaras para refrigeração Selo secundário estático Selo secundário dinâmico
Altas temperaturas que inibem o uso de gaxetas
Filme lubrificante
Condições de operação cíclicas
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