BOMBAS CENTRÍFUGAS RADIAIS

BOMBAS CENTRÍFUGAS RADIAIS - Tipos de rotor -Funcionamento -Curvas características -Pontos de interesse em uma curva característica -Fenômenos de Cavitação

INTRODUÇÃO As bombas centrífugas radiais, de baixas ou médias potências, são máquinas que normalmente operam acopladas diretamente aos motores de acionamento, formando o grupo motor-bomba. Alguns modelos compactos são fabricados integrando-se o motor ao corpo da própria bomba obtendo-se dessa maneira uma redução das dimensões e do peso do conjunto. Os fabricantes em geral, utilizam motores elétricos de indução de 2, 4 ou 6 pólos, que trabalham nas rotações padronizadas de 3500 rpm, 1750 rpm e 1120 rpm e estas são utilizadas nos ensaios para o levantamento das curvas características de desempenho H(Q), P(Q) e NPSH(Q), respectivamente a altura manométrica, a potência no eixo da máquina e o NPSH em função da vazão. Geralmente, o acionamento das bombas é realizado com uma rotação não padronizada (motores a combustão interna, turbinas hidráulicas ou a vap)

 Rotor  Curva característica

Bombas Centrífugas Radiais São o tipo mais simples e mais empregado das turbobombas. Nelas, a energia fornecida ao líquido é primordialmente do tipo cinética, sendo posteriormente convertida em grande parte em energia de pressão. A energia cinética pode ter origem puramente centrífuga ou de arrasto, ou mesmo uma combinação das duas, dependendo da forma do impelidor. A conversão de grande parte da energia cinética em energia de pressão é realizada fazendo com que o fluido que sai do impelidor passe em um conduto de área crescente. As bombas deste tipo possuem pás cilíndricas (simples curvatura), com geratrizes paralelas ao eixo de rotação, sendo estas pás fixadas a um disco e a uma coroa circular (rotor fechado) ou a um disco apenas (rotor aberto, para bombas de água suja, na indústria de papel, etc.), conforme é mostrado na figuras. O uso normal das bombas centrífugas é feito sob pressões de até 16 kgf/cm² e temperaturas de até 140°C. Entretanto, existem bombas para água quente até 300°C e  prassões de até 25kgf/cm² (bombas centrífugas de voluta). É o caso das bombas CZ da Sulzer-Weiser, mostrada à esquerda.

Tipos de bombas centrífugas  Bomba Centrífuga Radial: nas centrífugas radiais, toda a energia cinética é obtida

através do desenvolvimento de forças puramente centrífugas na massa líquida devido à rotação de um impelidor de característica especiais. Bombas desse tipo são empregadas quando se deseja fornecer uma carga elevada ao fluido e as vazões são relativamente  baixas. A direção de saída do fluido é normal ao eixo e por isso essas bombas são chamadas também de centrifugas puras.  Bomba Centrífuga Tipo Francis: existe uma bomba centrífuga radial que usa um

impelidor com palhetas chamadas Francis, daí o nome de bomba tipo Francis. A

característica deste impelidor é que suas palhetas possuem curvaturas em dois planos. Essa particularidade aproxima o desempenho dessa bomba ao de uma bomba de fluxo misto, embora tenha aplicação específica.

Funcionamento de uma bomba centrífuga Ela não é auto-aspirante . Ao ser ligada, a força centrífuga decorrente do movimento do rotor e do líquido nos canais das pás cria uma zona de maior pressão na periferia do rotor e uma de baixa pressão na sua entrada, produzindo o deslocamento do líquido em direção à saída dos canais do rotor e à boca de recalque da bomba. Como, em geral, as  bocas de aspiração e de recalque estão ligadas à tubulações que levam a reservatórios em diferentes níveis, essa diferença de pressão que se estabelece no interior da bomba faz com que surja um trajeto do líquido do reservatório inferior (ligado à boca de aspiração) para o superior (ligado à boca de recalque) através da tubulação de aspiração, dos canais do rotor e difusor, e da tubulação de recalque, respectivamente. É na  passagem pelo rotor que se processa a transformação da energia mecânica nas energias de pressão e cinética.

Curvas características As grandezas Q (vazão ou descarga), H e (altura de elevação), n (número de rotações) e n (rendimento) foram chamadas de   grandezas características do funcionamento de uma turbobomba. A bomba pode ser projetada para atender a um valor prefixado do número n de rotações. Nesse caso, com esse valor de n, ela operará com uma descarga Q, uma altura de elevação H e, proporcionando um rendimento máximo n máx. Pode-se, entretanto, desejar que a bomba funcione com outros valores de Q ou de He, e uma das soluções consiste em variar o número de rotações. É o que acontece em elevatórias de água ou de esgotos em que a descarga depende da hora e do dia da semana. Dentro de certos limites da variação do número de rotações, o rendimento baixa a valores ainda aceitáveis. A partir da equação de Euler chega-se a uma série de relações entre essas e outras grandezas (peso específico, velocidade do líquido no rotor, potência, etc.)  permitindo, assim, que se possam traçar curvas características de algumas dessas variáveis em relação a outra (que se deseja manter praticamente constante). Na prática,

ensaiam-se as bombas nos laboratórios, quando possível, para um traçado mais exato dessas curvas.

A figura acima mostra curvas normalmente obtidas ensaiando-se as bombas centrífugas com variação do número n de rpm. Essa curva poderia ser usada, no caso citado acima, para análise do rendimento em função de uma pequena variação na rotação. Sendo a descarga a grandeza que mais facilmente pode ser variada, é do maior  interesse saber como variam as grandezas características em relação à mesma,  principalmente a variação de H. Por essa razão a curva que traduz a função (H,Q) para um valor constante do número de rotações chama-se curva característica principal  da  bomba ou curva da carga (H) em função da vazão (Q). Essa curva pode se apresentar de 4 diferentes formas: inclinada, ascendente/descendente, altamente descendente e plana. As curvas "carga x vazão", "potência x vazão" e "rendimento x vazão" são normalmente fornecidas em conjunto, conforme é mostrado abaixo:

A partir de um estudo teórico que leva em consideração o ângulo da pá na saída ,  para um número de pás infinitas e sem espessuras, obtemos três retas, como mostra o gráfico. Essas curvas, na realidade, não são retas conforme mostra a teoria, já que ná  prática há influência do número de pás e das perdas por atritos, de choques e fugas de líquidos, etc. Assim, as curvas reais passam a ser as mostradas abaixo :

A Tabela 8 mostra os resultados para cada modelo de bomba utilizada neste trabalho, do fator de deficiência de potência μ, do fator de estrangulamento τ 2, do rendimento volumétrico Rv, do rendimento hidráulico Rh, do rendimento mecânico Rm e do rendimento global Rg 0 obtidos pelo método proposto. Verifica-se pela Tabela 8, que o valor médio do coeficiente de deficiência de  potência é igual a 0.758. Esse valor é aproximadamente 5 % maior que o valor 0.725, citado por Stepanoff (1957) e aproximadamente 8 % maior que o valor 0.700, citado por  Mattos & Falco (1998). O fator de estrangulamento varia entre 0.885 e 0.941, com um valor médio de 0.919. O rendimento volumétrico variou entre 94.4 % e 97.3 %, com valor médio de 95.5 %. Esses valores são bastante próximos dos valores citados por   Nekrassov (1996), Cherkassky (1985) e se situam no intervalo citado por Henn (2001). O rendimento hidráulico variou entre 70.5 e 79.2 % e apresentou um valor médio de 73 %. Esse valor se situa fora do intervalo de Rh (80 a 85 %), conforme Cherkassky (1985), mas dentro do intervalo, citado por Henn (2001), que varia entre 60 a 93 %. O rendimento mecânico variou entre 97.6 e 97.9 %, com valor médio de 97.7 %. Esses valores são maiores que os valores citados por Cherkassky (1985), que variam entre 92 e 95 %, mas se enquadram no intervalo de 96 a 99 %, citados por Henn (2001). O rendimento global varia entre 65 e 75.4 %, com um valor médio de 68.2 %. Esse valor se situa fora do intervalo de 75 a 92 %, segundo Cherkassky (1985), mas dentro do intervalo de 60 a 93 %, citado por Henn (2001).

 Tabela 8: com curva característica de um tipo determinado de bomba

Cavitação em bombas Quando o liquído em escoamento, passa por uma região de muita baixa pressão, chegando a atingir o nível correspondente à sua pressão de vaporização, formam-se bolhas que provocam , na verdade, apenas a diminuição da sua massa específica do líquido. Estas bolhas são levadas no centro do escoamento passam, a seguir, para uma uma região em que a pressão é muito maior. Esta variação que ocorre de maneira brusca provoca como que um colapso das bolhas por um processo chamado de implosão.  Todo esse processo de formação deste colapso dessas bolhas faz por surgir esse processo que designamos CAVITAÇÃO.Por outro lado o desaparecimento dessas bolhas que vão se formando no decorrer do processo de cavitação, junto às paredes das condutas e dos rotores das bombas centrífugas vai no decorrer do tempo provocando, pelo fato de estarmos falando de altas temperaturas, um processo natural de erosão do material das pás da turbina esse processo destrutivo só acaba quando as pás já não conseguem exercer sua função que é de bombear água. A partir do momento que a cavitação começa a se tornar demasiadamente grande vai aos poços acarretando uma queda de rendimento da mesma, começam a surgir ruídos, vibrações e a já comentada erosão, todas essas deteriorações vão fazendo com que em

pouco haja a quebra ou o colapso total do equipamento, gerando prejuízos consideráveis. Abaixo temos algumas fotos que representam bem o estrago que pode fazer o fenômeno da cavitação nos rotores ou em outros componentes de dentro da bomba:

Fotos de um rotor em processo de cavitação.

CONTROLE DA CAVITAÇÃO NPSH Por outro lado também é conveniente comentar que existem soluções possíveis e viáveis para esse processo degenerativo das bombas hidráulicas, ser desfeito, ou ao menos amenizado, chamamos de NPSH –

Net Positive Suction Head  na sigla em inglês, que significa:

Energia absoluta na aspiração da Bomba.  Trata-se de uma característica na instalação, definida como energia ou carga ( em termos de pressão absoluta) que o líquido possui à entrada da bomba, ou seja, na flange de aspiração da bomba, acima da sua pressão de vapor.

 Trocando em miúdos podemos dizer que a disponibilidade de energia que faz com que o líquido consiga alcançar as pás do rotor, uma informação importante que pode ajudar na prevenção da cavitação que se trata de uma informação que geralmente é fornecida pelo fabricante da bomba chamada de NPSH(R) Requerido, que nada mais é do que a energia necessária pelo liquido em questão para chegar, a partir da flange de aspiração e vence as perdas conseqüentes de carga no interior da bomba hidráulica, ao p onto onde começará efetivamente a ganhar energia para movimentação. Podemos dizer que o NPSH(R) Requerido depende de cada elemento que a bomba leva em sua fabricação, ou também podemos citar o diâmetro do rotor, a sua rotação específica, sendo todos esses dados fornecidos pelo fabricante das bombas adquiridas pelo consumidor. Portanto para que o fenômeno de cavitação não ocorra devemos chegar à seguinte condição:

NPSH (disponível) > NPSH (requerido) Para que de um modo efetivo a pressão que ocorre dentro da bomba hidráulica não desça até a pressão de vaporização do liquido, tanto pelo fato da perda de carga do liquido quanto pela perda de carga que naturalmente ocorre pela transformação de energia de pressão em energia cinética.

SINTOMAS DA CAVITAÇÃO Abaixo descrevemos algumas características que podem diagnosticar o possível surgimento da cavitação:

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Barulho: a cavitação acaba por produzir um ruído que se assemelha bastante a grãos de areia ou as vezes como bolas de gude no interior do sistema de bombas Vibração : o eminente colapso que ocorre por conta da cavitação faz também por produzir excitações denominadas aleatórias que tem por

característica a excitação das freqüências naturais ou ressonâncias. •

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 Alteração de performance : Dependendo da intensidade pode-se observar variações consideráveis na pressão da descarga, visto pela oscilação do manômetro, podendo ocorrer em diversas a perda da vazão nas bombas hidráulicas. Oscilações da corrente: Outro sintoma é a alteração potência consumida que acontece em função da pressão, pois perde-se pressão a bomba consome mais energia para suprir essa dispersão de pressão ocasionando evidentemente um aumento considerável na quantidade de energia necessário para o perfeito funcionamento da bomba hidráulica.

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 ANEXOS