Nocoes de Bombas

NOÇÕES DE BOMBAS Autores: Achilles Silva Júnior Geovannio Allan da Cruz Santos Co-Autor: Marco Antônio Simões

NOÇÕES DE BOMBAS

Este é um material de uso restrito aos empregados da PETROBRAS que atuam no E&P. É terminantemente proibida a utilização do mesmo por prestadores de serviço ou fora do ambiente PETROBRAS. Este material foi classificado como INFORMAÇÃO RESERVADA e deve possuir o tratamento especial descrito na norma corporativa PB-PO-0V4-00005“TRATAMENTO DE INFORMAÇÕES RESERVADAS". Órgão gestor: E&P-CORP/RH

NOÇÕES DE BOMBAS

Autores: Achilles Silva Júnior Geovannio Allan da Cruz Santos Co-Autor: Marco Antônio Simões Ao final desse estudo, o treinando poderá: • Reconhecer os princípios de funcionamento das bombas; • Diferenciar bomba centrífuga e bomba volumétrica; • Reconhecer os principais componentes e funções desses equipamentos.

Programa Alta Competência

Este material é o resultado do trabalho conjunto de muitos técnicos da área de Exploração & Produção da Petrobras. Ele se estende para além dessas páginas, uma vez que traduz, de forma estruturada, a experiência de anos de dedicação e aprendizado no exercício das atividades profissionais na Companhia. É com tal experiência, refletida nas competências do seu corpo de empregados, que a Petrobras conta para enfrentar os crescentes desafios com os quais ela se depara no Brasil e no mundo. Nesse contexto, o E&P criou o Programa Alta Competência, visando prover os meios para adequar quantitativa e qualitativamente a força de trabalho às estratégias do negócio E&P. Realizado em diferentes fases, o Alta Competência tem como premissa a participação ativa dos técnicos na estruturação e detalhamento das competências necessárias para explorar e produzir energia. O objetivo deste material é contribuir para a disseminação das competências, de modo a facilitar a formação de novos empregados e a reciclagem de antigos. Trabalhar com o bem mais precioso que temos – as pessoas – é algo que exige sabedoria e dedicação. Este material é um suporte para esse rico processo, que se concretiza no envolvimento de todos os que têm contribuído para tornar a Petrobras a empresa mundial de sucesso que ela é. Programa Alta Competência

Como utilizar esta apostila

Esta seção tem o objetivo de apresentar como esta apostila está organizada e assim facilitar seu uso. No início deste material é apresentado o objetivo geral, o qual representa as metas de aprendizagem a serem atingidas.

ATERRAMENTO DE SEGURANÇA

Autor

Ao final desse estudo, o treinando poderá: • Identificar procedimentos adequados ao aterramento e à manutenção da segurança nas instalações elétricas; • Reconhecer os riscos de acidentes relacionados ao aterramento de segurança; • Relacionar os principais tipos de sistemas de aterramento de segurança e sua aplicabilidade nas instalações elétricas.

Objetivo Geral

O material está dividido em capítulos. No início de cada capítulo são apresentados os objetivos específicos de aprendizagem, que devem ser utilizados como orientadores ao longo do estudo.

Capítulo 1

48

Riscos elétricos e o aterramento de segurança

Ao final desse capítulo, o treinando poderá:

• Reconhecer os tipos de riscos elétricos decorrentes do uso de equipamentos e sistemas elétricos; • Relacionar os principais tipos de sistemas de aterramento de segurança e sua aplicabilidade nas instalações elétricas.

No final de cada capítulo encontram-se os exercícios, que visam avaliar o alcance dos objetivos de aprendizagem. Os gabaritos dos exercícios estão nas últimas páginas do capítulo em questão.

a maior fonte sária, além das ole, a obediência nça.

Capítulo 1. Riscos elétricos e o aterramento de segurança

Alta Competência

mo está relacionada a

e do tipo de es durante toda na maioria das mantê-los sob is, materiais ou

Objetivo Específico

• Estabelecer a relação entre aterramento de segurança e riscos elétricos;

1.6. Bibliografi a Exercícios 1.4.

1.7. Gabarito

CARDOSO ALVES, Paulo Alberto e VIANA, Ronaldo Sá. Aterramento de sistemas 1) Que relação podemos estabelecer entre elétricos - inspeção e medição da resistência de aterramento. UN-BC/ST/EMI – aterramento de segurança? Elétrica, 2007.

1) Que relação podemos estabelecer entre riscos elétricos e aterramento de segurança?

riscos elétricos e

O aterramento de segurança é uma das formas de minimizar os riscos decorrentes do uso de equipamentos e sistemas elétricos.

_______________________________________________________________ COELHO FILHO, Roberto Ferreira. Riscos em instalações e serviços com eletricidade. _______________________________________________________________ Curso técnico de segurança do trabalho, 2005.

2) Apresentamos, a seguir, trechos de Normas Técnicas que abordam os cuidados e critérios relacionados a riscos elétricos. Correlacione-os aos tipos de riscos, marcando A ou B, conforme, o caso:

Apresentamos, seguir, trechos de Normas Técnicas que Norma Petrobras N-2222. 2) Projeto de aterramentoa de segurança em unidades marítimas. Comissão de abordam Normas Técnicas - CONTEC, 2005. os cuidados e critérios relacionados a riscos elétricos.

A) Risco de incêndio e explosão

Correlacione-os aos tipos de riscos, marcando A ou B, conforme,

Norma Brasileira ABNT NBR-5410. Instalações elétricas de baixa tensão. Associação o caso: Brasileira de Normas Técnicas, 2005.

A) Risco Proteção de incêndio e explosão B) Risco Norma Brasileira ABNT NBR-5419. de estruturas contra descargas atmosféricas. Associação Brasileira de Normas Técnicas, 2005. ( )

24

Capítulo 1. Riscos elétricos e o aterramento de segurança

de contato

“Todas as partes das instalações elétricas devem ser projetadas e executadas de modo que seja possível prevenir, por meios seguros, os perigos de choque elétrico e todos os outros tipos de acidentes.”

(A)

“Nas instalações elétricas de áreas classificadas (...) devem ser adotados dispositivos de proteção, como alarme e seccionamento automático para prevenir sobretensões, sobrecorrentes, falhas de isolamento, aquecimentos ou outras condições anormais de operação.”

(B)

“Nas partes das instalações elétricas sob tensão, (...) durante os trabalhos de reparação, ou sempre que for julgado necessário à segurança, devem ser colocadas placas de aviso, inscrições de advertência, bandeirolas e demais meios de sinalização que chamem a atenção quanto ao risco.”

(A)

“Os materiais, peças, dispositivos, equipamentos e sistemas destinados à aplicação em instalações elétricas (...) devem ser avaliados quanto à sua conformidade, no âmbito do Sistema Brasileiro de Certificação.”

“Todas as partes das instalações elétricas devem ser

Norma Regulamentadora NR-10. Segurança em instalações e serviços em projetadas e executadas de modo que seja possível eletricidade. Ministério do Trabalho e Emprego, 2004. Disponível em: - Acesso em: 14 mar. 2008. elétrico e todos os outros tipos de acidentes.” NFPA 780. Standard for the Installation Protection Systems. National ( ) of Lightining “Nas instalações elétricas de Fire Protection Association, 2004.

áreas classificadas (...) devem ser adotados dispositivos de proteção,

como alarme e seccionamento automático para Manuais de Cardiologia. Disponível em: - Acesso em: 20 mai.sobretensões, 2008. prevenir sobrecorrentes, falhas de

B) Risco de contato

(B)

21

Para a clara compreensão dos termos técnicos, as suas

isolamento, aquecimentos ou Mundo Educação. Disponível em: - Acessoanormais em: 20 mai. 2008. de operação.”

outras condições

( ) “Nas partes das instalações elétricas Mundo Ciência. Disponível em: - Acesso em: 20 mai. 2008.

( )

3) Marque V para verdadeiro e F para falso nas alternativas a seguir:

sob tensão, (...) durante os trabalhos de reparação, ou sempre que for julgado necessário à segurança, devem ser colocadas placas de aviso, inscrições de advertência, bandeirolas e demais meios de sinalização que chamem a atenção quanto ao risco.”

(V)

O contato direto ocorre quando a pessoa toca as partes normalmente energizadas da instalação elétrica.

(F)

Apenas as partes energizadas de um equipamento podem oferecer riscos de choques elétricos.

(V)

Se uma pessoa tocar a parte metálica, não energizada, de um equipamento não aterrado, poderá receber uma descarga elétrica, se houver falha no isolamento desse equipamento.

“Os materiais, peças, dispositivos, equipamentos e sistemas destinados à aplicação em instalações elétricas

(V)

Em um choque elétrico, o corpo da pessoa pode atuar como um “fio terra”.

25

3. Problemas operacionais, riscos e cuidados com aterramento de segurança

T

odas as Unidades de Exploração e Produção possuem um plano de manutenção preventiva de equipamentos elétricos (motores, geradores, painéis elétricos, transformadores e outros).

A cada intervenção nestes equipamentos e dispositivos, os Para a clara compreensão dos termos técnicos, as suas mantenedores avaliam a necessidade ou não da realização de inspeção definos nições disponíveis glossário. sistemasestão de aterramento envolvidosno nestes equipamentos.Ao longo dos textos do capítulo, esses termos podem ser facilmente Para que o aterramento de segurança possa cumprir corretamente o identifi cados, pois estão em destaque. seu papel, precisa ser bem projetado e construído. Além disso, deve ser mantido em perfeitas condições de funcionamento.

Nesse processo, o operador tem importante papel, pois, ao interagir diariamente com os equipamentos elétricos, pode detectar imediatamente alguns tipos de anormalidades, antecipando problemas e, principalmente, diminuindo os riscos de choque elétrico por contato indireto e de incêndio e explosão.

49

3.1. Problemas operacionais Os principais problemas operacionais verificados em qualquer tipo de aterramento são: • Falta de continuidade; e • Elevada resistência elétrica de contato. É importante lembrar que Norma Petrobras N-2222 define o valor de 1Ohm, medido com multímetro DC (ohmímetro), como o máximo admissível para resistência de contato.

Alta Competência

Capítulo 3. Problemas operaciona

3.4. Glossário

3.5. Bibliografia

Choque elétrico – conjunto de perturbações de natureza e efeitos diversos, que se manifesta no organismo humano ou animal, quando este é percorrido por uma corrente elétrica.

CARDOSO ALVES, Paulo Alberto e VIAN elétricos - inspeção e medição da re Elétrica, 2007.

Ohm – unidade de medida padronizada pelo SI para medir a resistência elétrica.

COELHO FILHO, Roberto Ferreira. Riscos – Curso técnico de segurança do trab

Ohmímetro – instrumento que mede a resistência elétrica em Ohm.

NFPA 780. Standard for the Installation Fire Protection Association, 2004.

Norma Petrobras N-2222. Projeto de marítimas. Comissão de Normas Técn

Norma Brasileira ABNT NBR-5410. Instala Brasileira de Normas Técnicas, 2005.

56

Norma Brasileira ABNT NBR-5419. Pr atmosféricas. Associação Brasileira d

Norma Regulamentadora NR-10. Seg eletricidade. Ministério do Trabalho www.mte.gov.br/legislacao/normas_ em: 14 mar. 2008.

86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 98 100 102 104 105 106 108 110 112 114 115

Caso sinta necessidade de saber de onde foram retirados os insumos para o desenvolvimento do conteúdo desta apostila, ou tenha interesse em se aprofundar em determinados temas, basta consultar a Bibliografia ao final de cada capítulo.

Alta Competência

NÍVEL DE RUÍDO DB (A)

1.6. Bibliografia

1.7. Gabarito

CARDOSO ALVES, Paulo Alberto e VIANA, Ronaldo Sá. Aterramento de sistemas elétricos - inspeção e medição da resistência de aterramento. UN-BC/ST/EMI – Elétrica, 2007.

1) Que relação podemos estabelecer entre riscos elétricos e aterramento de segurança?

COELHO FILHO, Roberto Ferreira. Riscos em instalações e serviços com eletricidade. Curso técnico de segurança do trabalho, 2005.

2) Apresentamos, a seguir, trechos de Normas Técnicas que abordam os cuidados e critérios relacionados a riscos elétricos. Correlacione-os aos tipos de riscos, marcando A ou B, conforme, o caso:

Norma Petrobras N-2222. Projeto de aterramento de segurança em unidades marítimas. Comissão de Normas Técnicas - CONTEC, 2005. Norma Brasileira ABNT NBR-5410. Instalações elétricas de baixa tensão. Associação Brasileira de Normas Técnicas, 2005. Norma Brasileira ABNT NBR-5419. Proteção de estruturas contra descargas atmosféricas. Associação Brasileira de Normas Técnicas, 2005.

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Capítulo 1. Riscos elétricos e o aterramento de segurança

Norma Regulamentadora NR-10. Segurança em instalações e serviços em eletricidade. Ministério do Trabalho e Emprego, 2004. Disponível em: - Acesso em: 14 mar. 2008.

O aterramento de segurança é uma das formas de minimizar os riscos decorrentes do uso de equipamentos e sistemas elétricos.

A) Risco de incêndio e explosão

B) Risco de contato

(B)

“Todas as partes das instalações elétricas devem ser projetadas e executadas de modo que seja possível prevenir, por meios seguros, os perigos de choque elétrico e todos os outros tipos de acidentes.”

(A)

“Nas instalações elétricas de áreas classificadas (...) devem ser adotados dispositivos de proteção, como alarme e seccionamento automático para prevenir sobretensões, sobrecorrentes, falhas de isolamento, aquecimentos ou outras condições anormais de operação.”

(B)

“Nas partes das instalações elétricas sob tensão, (...) durante os trabalhos de reparação, ou sempre que for julgado necessário à segurança, devem ser colocadas placas de aviso, inscrições de advertência, bandeirolas e demais meios de sinalização que chamem a atenção quanto ao risco.”

NFPA 780. Standard for the Installation of Lightining Protection Systems. National Fire Protection Association, 2004.

Ao longo de todo o material, caixas de destaque estão presentes. Cada uma delas tem objetivos distintos. Manuais de Cardiologia. Disponível em: - Acesso em: 20 mai. 2008. Mundo Educação. Disponível em: - Acesso em: 20 mai. 2008. Mundo Ciência. Disponível em: - Acesso em: 20 mai. 2008.

(A)

“Os materiais, peças, dispositivos, equipamentos e sistemas destinados à aplicação em instalações elétricas (...) devem ser avaliados quanto à sua conformidade, no âmbito do Sistema Brasileiro de Certificação.”

3) Marque V para verdadeiro e F para falso nas alternativas a seguir: (V)

O contato direto ocorre quando a pessoa toca as partes normalmente energizadas da instalação elétrica.

(F)

Apenas as partes energizadas de um equipamento podem oferecer riscos de choques elétricos.

(V)

Se uma pessoa tocar a parte metálica, não energizada, de um equipamento não aterrado, poderá receber uma descarga elétrica, se houver falha no isolamento desse equipamento.

(V)

Em um choque elétrico, o corpo da pessoa pode atuar como um “fio terra”.

(F)

A queimadura é o principal efeito fisiológico associado à passagem da corrente elétrica pelo corpo humano.

A caixa “Você Sabia” traz curiosidades a respeito do conteúdo abordado Alta deCompetência um determinado item do capítulo.

É atribuído a Tales de Mileto (624 - 556 a.C.) a primeira observação de um fenômeno relacionado com a eletricidade estática. Ele teria esfregado um fragmento de âmbar com um tecido seco e obtido um comportamento inusitado – o âmbar era capaz de atrair pequenos pedaços de palha. O âmbar é o nome dado à resina produzida por pinheiros que protege a árvore de agressões externas. Após sofrer um processo semelhante à fossilização, ela se torna um material duro e resistente.

?

Os riscos VoCÊ elétricosSaBIa? de uma instalação são divididos em dois grupos principais:

14

MÁXIMA EXPOSIÇÃO DIÁRIA PERMISSÍVEL 8 horas 7 horas 6 horas 5 horas 4 horas e 30 minutos 4 horas 3 horas e 30 minutos 3 horas 2 horas e 40 minutos 2 horas e 15 minutos 2 horas 1 hora e 45 minutos 1 hora e 15 minutos 1 hora 45 minutos 35 minutos 30 minutos 25 minutos 20 minutos 15 minutos 10 minutos 8 minutos 7 minutos

Uma das principais substâncias removidas em poços de

petróleo pelo pig de limpeza é adas parafina. questões Devido às “Importante” é um lembrete essenciais do baixas temperaturas do oceano, a parafina se acumula nas paredes da tubulação. Com o tempo, a massa pode conteúdo tratadovirno capítulo. a bloquear o fluxo de óleo, em um processo similar

85 86 87 88 89 90 91 92 93 25 94 95 96 98 100 102 104 105 106 108 110 112 114 115

Capítulo 1. Riscos elét

Trazendo este conhecimento para a realid observar alguns pontos que garantirão o incêndio e explosão nos níveis definidos pela durante o projeto da instalação, como por ex

• A escolha do tipo de aterramento fu ao ambiente;

• A seleção dos dispositivos de proteção

• A correta manutenção do sistema elét

O aterramento funcional do sist como função permitir o funcion e eficiente dos dispositivos de pro sensibilização dos relés de proteçã uma circulação de corrente para a por anormalidades no sistema elétr

ao da arteriosclerose.

Observe no diagrama a seguir os principais ris à ocorrência de incêndio e explosão:

1.1. Riscos de incêndio e explosão Importante! Podemos definir os riscos de incêndio e explosão da seguinte forma: É muito importante que você conheça os tipos de pig de limpeza e de pig instrumentado mais utilizados na Situações associadas à presença de sobretensões, sobrecorrentes, sua Unidade. Informe-se junto a ela! fogo no ambiente elétrico e possibilidade de ignição de atmosfera potencialmente explosiva por descarga descontrolada de eletricidade estática.

atenÇÃo Os riscos de incêndio e explosão estão presentes em qualquer instalaçãoÉ e muito seu descontrole se traduz em os danos importante que principalmente você conheça específicosoperacional. para passagem de pig pessoais, procedimentos materiais e de continuidade em poços na sua Unidade. Informe-se e saiba quais são eles.

reSUmInDo...

Recomendações gerais • Antes do carregamento do pig, inspecione o interior do lançador; • Após a retirada de um pig, inspecione internamente o recebedor de pigs; • Lançadores e recebedores deverão ter suas

7 horas 6 horas 5 horas 4 horas e 30 minutos 4 horas 3 horas e 30 minutos 3 horas 2 horas e 40 minutos 2 horas e 15 minutos 2 horas 1 hora e 45 minutos 1 hora e 15 minutos 1 hora 45 minutos 35 minutos 30 minutos 25 minutos 20 minutos 15 minutos 10 minutos 8 minutos 7 minutos

ao da arteriosclerose.

Importante! É muito importante que você conheça os tipos de pig de limpeza e de pig instrumentado mais utilizados na sua Unidade. Informe-se junto a ela!

atenÇÃo

Já a caixa de destaque é uma É muito “Resumindo” importante que você conheça os versão compacta procedimentos específicos para passagem de pig dos principais pontos no capítulo. em poços abordados na sua Unidade. Informe-se e saiba quais são eles.

reSUmInDo...

?

MÁXIMA EXPOSIÇÃO DIÁRIA PERMISSÍVEL 8 horas 7 horas 6 horas 5 horas 4 horas e 30 minutos 4 horas 3 horas e 30 minutos 3 horas 2 horas e 40 minutos 2 horas e 15 minutos 2 horas 1 hora e 45 minutos 1 hora e 15 minutos 1 hora 45 minutos 35 minutos 30 minutos 25 minutos 20 minutos 15 minutos 10 minutos tricos e o aterramento de segurança 8 minutos 7 minutos

de limpeza e de pig instrumentado mais utilizados na sua Unidade. Informe-se junto a ela!

atenÇÃo É muito importante que você conheça os procedimentos específicos para passagem de pig em poços na sua Unidade. Informe-se e saiba quais são eles.

reSUmInDo...

Recomendações gerais

• Após a retirada de um pig, inspecione internamente o recebedor de pigs;

uncional mais adequado

• Lançadores e recebedores deverão ter suas

Aproveite este material para o seu desenvolvimento profissional!

o e controle;

trico.

scos elétricos associados

Em “Atenção” estão destacadas as informações que não Importante! devem ser esquecidas. É muito importante que você conheça os tipos de pig

Todos os recursos• Antes didáticos presentes nesta apostila têm do carregamento do pig, inspecione o interior do lançador; como objetivo facilitar o aprendizado de seu conteúdo.

dade do E&P, podemos controle dos riscos de as normas de segurança xemplo:

tema elétrico tem namento confiável oteção, através da ão, quando existe a terra, provocada rico.

Recomendações gerais • Antes do carregamento do pig, inspecione o VoCÊ SaBIa? interior do lançador; Uma das principais substâncias removidas em poços de • Apóspelo a retirada um pig, inspecione internamente petróleo pig dede limpeza é a parafina. Devido às baixas temperaturas do oceano, a parafina se acumula o recebedor de pigs; nas paredes da tubulação. Com o tempo, a massa pode • Lançadores e recebedores deverão ter suas vir a bloquear o fluxo de óleo, em um processo similar ao da arteriosclerose.

15

Sumário Introdução

19

Capítulo 1 - Conceitos básicos Objetivo 1. Conceitos básicos 1.1. Propriedades dos Líquidos 1.1.1. Massa Específica 1.1.3. Densidade 1.1.4. Viscosidade

1.2. Pressão 1.2.1 Lei de Pascal 1.2.2. Teorema de Stevin 1.2.3. Pressão atmosférica (Patm) 1.2.4. Pressão manométrica (Pman) 1.2.5. Pressão absoluta (Pabs) 1.2.6. Pressão de vapor (Pv)

1.3. Escoamento 1.3.1. Regime laminar 1.3.2. Regime turbulento 1.3.3. Experiência de Reynolds

1.4. Vazão e velocidade 1.4.1. Velocidade

1.5. Equação da continuidade 1.6. Carga total ou altura manométrica total 1.6.1. Carga geométrica (Hg) 1.6.2. Carga de pressão (Hp) 1.6.3. Carga de velocidade (Hv)

1.7. Teorema de Bernoulli 1.7.1. Teorema de Bernoulli para líquidos reais

1.8. Perda de cargas em tubulações 1.8.1. Tipos de perda de carga

1.9. Exercícios 1.10. Glossário 1.11. Bibliografia 1.12. Gabarito

21 23 23 23 24 24

26 26 27 28 31 31 32

33 33 33 34

35 36

36 37 37 38 39

39 40

41 41

45 46 47 48

Capítulo 2 - Bombas centrífugas Objetivos 2. Bombas centrífugas 2.1. A física Newtoniana e as bombas centrífugas 2.2. Conceito de força 2.3. Inércia, força centrífuga e força centrípeta 2.4. Aceleração e aceleração centrífuga 2.5. Aceleração centrífuga e bomba centrífuga 2.6. Etapas de funcionamento das bombas centrífugas

49 51 51 51 52 56 58 61

2.6.1. Exemplo prático da variação da velocidade e trajetória de uma partícula do líquido no interior de uma bomba

62

2.7. Componentes da bomba centrífuga 2.8. Classificação das bombas centrifugas 2.9. Tipos construtivos, características e campos de aplicação

64 73 77

2.9.1. Bombas horizontais 2.9.2. Bombas verticais

2.10. Exercícios 2.11. Glossário 2.12. Bibliografia 2.13. Gabarito

77 79

83 86 87 88

Capítulo 3 - Bombas volumétricas Objetivos 3. Bombas volumétricas 3.1. Princípio de funcionamento das bombas volumétricas 3.2. Classificação das bombas volumétricas 3.2.1. Bombas alternativas 3.2.2. Tipos e componentes das bombas alternativas 3.2.3. Classificação das bombas alternativas 3.2.4. Campo de aplicação das bombas alternativas 3.2.5. Características básicas das bombas alternativas

3.3. Bombas rotativas 3.3.1. Tipos, componentes e classificação das bombas rotativas

3.4. Principais diferenças entre bombas centrífugas e bombas volumétricas 3.5. Exercícios 3.6. Glossário 3.7. Bibliografia 3.8. Gabarito

91 93 93 93 94 95 101 104 104

105 105

114 115 117 118 119

Capítulo 4 - Curvas de Performance ou Curvas Características Objetivos 4. Curvas de Performance ou Curvas Características 4.1. Curvas características das bombas (altura manométrica total, potência, rendimento e vazão).

121 123

4.1.1. Obtenção da curva característica de uma bomba

123

123

4.2. Tipos de curvas características das bombas 4.3. Curva de potência consumida pela bomba

126 128

4.3.1. Tipos de curvas de potência consumida

129

4.4. Cálculo da potência consumida pela bomba 4.4.1. Potência hidráulica 4.4.2. Potência consumida pela bomba

4.5. Rendimento 4.5.2. Curvas de isorendimento

4.6. Curva de NPSH (Net Positive Suction Head) 4.7. Ponto de trabalho 4.7.1. Fatores que modificam o ponto de trabalho

4.8. Cálculo do diâmetro do impelidor 4.9. Definição das faixas de vazão recomendadas pela norma API 610 4.10. Problemas dinâmicos e hidráulicos relacionados à operação fora dos limites recomendados 4.10.1. Cargas radiais em bombas com voluta 4.10.2. Operação com vazão reduzida 4.10.3. Vazão mínima de uma bomba centrifuga 4.10.4. Recirculação interna e turbulência no impelidor

4.11. Exercícios 4.12. Glossário 4.13. Bibliografia 4.14. Gabarito

130 130 131

131 133

135 136 138

143 144 146 146 148 149 149

151 152 153 154

Capítulo 5 - Cavitação e NPSH Objetivos 5. Cavitação e NPSH 5.1. Pressão de vapor 5.2. O fenômeno da cavitação 5.3. Comportamento da pressão na sucção da bomba 5.4. Definição de NPSH - Net Positive Suction Head 5.5. Conseqüências da Cavitação 5.6. Fatores que alteram o NPSHD 5.7. Fatores que alteram o NPSHR 5.8. Cavitação em condições anormais de operação

155 157 157 158 159 162 170 172 172 173

5.8.1. Obstrução nas linhas de sucção/filtro entre o flange de sucção e o “olho” do impelidor 174 5.8.2. Vazamento excessivo pelos anéis de desgaste 174 5.8.3. Operação em vazões abaixo ou acima dos limites recomendados 175

5.9. Exercícios 5.10. Glossário 5.11. Bibliografia 5.12. Gabarito

178 180 181 182

Capítulo 6 - Associação de bombas em série e em paralelo Objetivos 6. Associação de bombas em série e em paralelo 6.1. Associação de bombas em série 6.2. Associação de bombas em paralelo 6.2.1. Associação em paralelo de bombas com curvas iguais 6.2.2. Associação em paralelo de bombas com curvas diferentes e estáveis 6.2.3 Cuidados operacionais ao associar bombas em paralelo.

6.3. Exercícios 6.4. Glossário 6.5. Bibliografia 6.6. Gabarito

185 187 187 188 189 192 194

196 198 199 200

Capítulo 7 - Vedações Objetivo 7. Vedações 7.1. Selo mecânico

201 203 204

7.1.1. Componentes do selo mecânico 7.1.2. Princípio de funcionamento 7.1.3. Tipos de selos mecânicos

205 207 208

7.2. Projetos básicos de selos mecânicos

211

7.2.1. Selos Mecânicos Internos 7.2.2. Selos mecânicos externos. 7.2.3. Selos mecânicos duplos

211 212 213

7.3. Normas e planos de injeção 7.4. Gaxetas

214 217

7.4.1. Classificação das gaxetas

7.5. Exercícios 7.6. Glossário 7.7. Bibliografia 7.8. Gabarito

218

221 222 223 224

Capítulo 8 - Lubrificação Objetivos 8. Lubrificação 8.1. Lubrificantes

225 227 228

8.1.1. Óleos lubrificantes 8.1.2. Graxas

229 230

8.2. Aditivos 8.3. Tipos de lubrificação

232 233

8.3.1. Lubrificação por nível de óleo 8.3.2. Lubrificação forçada 8.3.3. Lubrificação por anel pescador 8.3.4. Lubrificação por salpico 8.3.5. Lubrificação com graxa 8.3.6. Lubrificação por névoa de óleo

8.4. Cuidados na lubrificação 8.5. Exercícios 8.6. Glossário 8.7. Bibliografia 8.8. Gabarito

233 235 236 237 237 238

239 241 242 243 244

Capítulo 9 - Proteções de bombas Objetivo 9. Proteções de bombas 9.1. Vazão 9.2. Pressão 9.3. Temperatura 9.4. Elétrica 9.5. Vibração 9.6. Exercícios 9.7. Glossário 9.8. Bibliografia 9.9. Gabarito

247 249 249 253 255 257 259 265 266 267 268

Capítulo 10 - Problemas e possíveis causas Objetivos 10. Problemas e possíveis causas 10.1. Escorva 10.2. Procedimentos de partida 10.3. Procedimentos de parada 10.4. Itens de inspeção 10.5. Correlações entre sintomas versus possíveis causas 10.5.1. Sistema de engaxetamento vazando excessivamente 10.5.2. Selo mecânico vazando 10.5.3. Problemas mecânicos nos mancais 10.5.4. Bomba perde escorva após a partida 10.5.5. Vazão insuficiente

10.6. Exercícios 10.7. Glossário 10.8. Bibliografia 10.9. Gabarito

269 271 271 271 273 274 275 276 276 277 277 278

279 280 281 282

Introdução

E

sta apostila tem a intenção de sistematizar o conhecimento sobre bombas e sua adequada operação, tornando-o um conteúdo acessível aos empregados responsáveis por essas tarefas.

As bombas são equipamentos fundamentais nos processos de exploração e produção de petróleo. São elas que fornecem a energia necessária para o deslocamento dos líquidos. Diariamente, técnicos de operação trabalham com as bombas, operando os sistemas nos quais estas estão inseridas, conforme a necessidade de vazão e pressão dos processos. O acionamento e a parada desses equipamentos podem ser realizados tanto na própria área em que estão localizados, como também, por acionamento remoto da sala de controle. Entretanto, a presença do técnico de operação durante esses momentos, bem como após o inicio de operação, é fundamental para garantir a segurança e desempenho dos sistemas antes, durante e depois dos processos de operação. Portanto, é imprescindível a compreensão do funcionamento da tecnologia envolvida nessas tarefas, de modo que os técnicos de operação tenham clara a dimensão dos efeitos que suas decisões poderão imprimir ao processo de exploração e produção de petróleo. Espera-se, portanto, que, a partir desse estudo, os técnicos envolvidos possam integrar a compreensão do funcionamento dos equipamentos, a identificação de problemas, suas possíveis causas, contribuindo, assim, para a tomada de decisão mais adequada em situações em que isso se faça necessário.

RESERVADO

19

RESERVADO

Capítulo 1 Conceitos básicos

Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Enumerar as propriedades e os conceitos fundamentais da mecânica dos líquidos.

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Alta Competência

22

RESERVADO

Capítulo 1. Conceitos básicos

1. Conceitos básicos

T

oda vez que trabalhamos com uma determinadas bomba, se faz necessário conhecer as propriedades do fluido de trabalho para que possamos operá-la de forma segura. Desta forma devemos ter uma base sólida de conhecimento sobre as propriedades dos líquidos para que possamos atuar nos sistemas de bombeamento com bastante segurança. A mecânica dos fluidos é a ciência que estuda o comportamento dos líquidos, subdividida em duas áreas básicas: a hidrostática que estuda os líquidos em equilíbrio estático, ou seja, em repouso e a hidrodinâmica que estuda os líquidos em movimento.

1.1. Propriedades dos Líquidos 23 Fluido é qualquer substância não sólida, capaz de escoar e assumir a forma do recipiente que o contém. Os fluidos podem ser divididos em líquidos e gases. As bombas centrífugas e volumétricas, temas dessa apostila, são usadas no bombeamento de líquidos. Portanto, abordaremos brevemente a algumas das principais propriedades envolvidas no estudo desse tipo de sistemas de bombeamento como: peso específico, a massa específica, a densidade, a pressão e a viscosidade. 1.1.1. Massa Específica É dada pela relação entre a massa de uma determinada substância e o volume ocupado pela mesma. É representada por ρ (Rô). A massa específica deve ser sempre referenciada a uma determinada temperatura em função da dilatação ocorrida nos materiais quando aquecidos, alterando sua massa específica.

massa ρ = _______ volume

RESERVADO

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A massa específica de uma substância é dimensional, ou seja, uma grandeza que precisa ser expressa com a sua unidade (kg/m3, kg/ dm3 etc...) e não deve ser confundida com a densidade que é uma grandeza adimensional, ou seja, que não pode ser expressa por uma unidade de medida. 1.1.2. Peso Específico Peso especifico é dado pela relação entre o peso de uma determinada massa e o volume ocupada pela mesma. É representada por γ (gama). As unidades mais usuais são N/m 3, kgf/m 3 e kgf/dm3. =

24

peso volume

Esta propriedade também pode ser obtida através do produto entre a massa especifica (ρ) de uma substância e a aceleração da gravidade (g).  = ρ.g 1.1.3. Densidade A densidade de uma substância é a razão entre a massa específica ou peso específico dessa substância e a massa específica ou peso específico de uma substância de referência em condições padrão. Normalmente a substância padrão utilizada para sólidos e líquidos é a água sob determinada temperatura. A densidade é uma propriedade adimensional. ρ fluido Υ fluido d = _________ ou d = _________ ρ fluido padrão Υ fluido padrão 1.1.4. Viscosidade A viscosidade é a propriedade física de um líquido que exprime sua resistência ao cisalhamento interno isto é, a qualquer força que tenda a produzir o escoamento entre camadas do liquido.

RESERVADO

Capítulo 1. Conceitos básicos

A viscosidade tem uma importante influencia no fenômeno do escoamento, notadamente nas perdas de pressão dos líquidos. A magnitude do efeito depende principalmente da temperatura e da natureza do líquido. Assim, qualquer valor indicado de viscosidade deve sempre informar a temperatura, bem como a sua unidade. O conceito de viscosidade foi definido por Isaac Newton a partir das tensões de cisalhamanto provocadas pela movimentação de uma camada de líquido sobre a outra, ou seja pelas forças internas de atrito. Newton descobriu que em muitos líquidos, a tensão de cisalhamento é proporcional ao gradiente de velocidade, chegando a seguinte formulação:  =  dv dy Onde:

25 t = tensão de cisalhamento (N/m ); 2

µ = coeficiente de proporcionalidade(N.s/m2); = gradiente de velocidade (m/s)/m. Os líquidos que obedecem esta lei, são os chamados líquidos Newtonianos e os que não obedecem são os Não-Newtonianos. A maioria dos líquidos que são de nosso interesse, tais como água, vários óleos, etc comportam-se de forma a obedecer esta lei. a) Viscosidade absoluta ou dinâmica A viscosidade absoluta ou dinâmica exprime a medida das forças de atrito e é justamente o coeficiente de proporcionalidade entre a tensão de cisalhamento (τ) e o gradiente de velocidade (dv/dy) da Lei de Newton. A viscosidade é representada pela letra µ (mu). A unidade do sistema internacional para a viscosidade absoluta é o Pa.s (Pascal . segundo), apesar disso, os fabricantes continuam adotando, usualmente, o P (Poise), sendo o cP (centiPoise) seu submúltiplo mais usado.

RESERVADO

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b) Viscosidade cinemática A viscosidade cinemática é a relação entre a viscosidade absoluta e a sua massa específica. Ela é representada pela letra “ν” (nu).  =  A unidade de viscosidade cinemática do sistema internacional é o m2/s (metro quadrado por segundo), entretanto, no estudo de bombas é usual a utilização do Stoke (1St = 1 cm2/s). Na prática, o mais utilizado é o seu submúltiplo, o centiStoke (cSt = 1 mm2/s). A viscosidade cinemática de uma substância ν, dada em cSt, pode ser obtida através da sua viscosidade absoluta µ, em cP, e da sua densidade d, na temperatura em questão, de acordo com a relação:

26

=

 d

1.2. Pressão A pressão é definida como a razão entre a força exercida sobre uma superfície e a área dessa superfície. Pressão =

força área

A unidade do sistema internacional é o Pa(Pascal), enquanto algumas das mais usuais são: kgf/cm 2; bar; atm; psi. 1.2.1 Lei de Pascal A lei de Pascal estabelece que a pressão aplicada sobre um líquido contido em um recipiente fechado age igualmente em todas as direções do líquido e perpendicularmente às paredes do recipiente.

RESERVADO

Capítulo 1. Conceitos básicos

1.2.2. Teorema de Stevin Intuitivamente, podemos observar que, quanto mais fundo mergulharmos, em um líquido qualquer, maior será a massa de líquido acima de nós e, portanto, maior o peso desse líquido sobre a superfície do nosso corpo. Isso indica que maior será a pressão exercida pelo líquido sobre nós. A relação entre pressão do líquido e profundidade é determinada pelo Princípio Fundamental da Hidrostática (Lei de Stevin), segundo a qual, a pressão hidrostática em um ponto qualquer no interior de um líquido, é proporcional à massa específica (ρ) do líquido, à aceleração da gravidade local (g) e à altura (h) da coluna de líquido acima do ponto considerado (vide ponto A na ilustração a seguir). Essa relação é expressa através da equação: Ph = ρ.g.h

27

É importante perceber que essa equação refere-se apenas à coluna de líquido, mas não se pode esquecer que acima da superfície do líquido poderá estar agindo a pressão atmosférica ou outra pressão relativa qualquer. Dessa forma, se estivermos trabalhando com pressões manométricas, referenciadas à pressão atmosférica local, elas já expressam diretamente a pressão manométrica naquela profundidade. Mas, se a intenção for encontrar a pressão absoluta, em uma determinada profundidade de líquido, será necessário somar a pressão atmosférica local, alterando a expressão para: Patm

h A

P =P A

atm

+ ρ.g.h

RESERVADO

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Uma vez que as pressões dependem somente de altura da coluna de líquido, pode-se concluir facilmente que as pressões em qualquer ponto no interior do líquido não dependem do formato ou do volume do reservatório, como pode ser observado no esquema a seguir:

1m 1m 1m 1m 1m 1m

Pressão kgf/m2 mca 0 0 1000 1 2000 2 3000 3 4000 4 5000 5 6000 6

1.2.3. Pressão atmosférica (Patm)

28

Vivemos, sobre a superfície do planeta, imersos em um oceano de ar. O peso do ar exerce pressão sobre a superfície terrestre, que denominamos pressão atmosférica. O ar, por ter peso, exerce uma pressão semelhante à exercida pela água. Entretanto, o ar, diferentemente da água, se torna cada vez menos denso à medida que se afasta da superfície da terra. Assim, a pressão por ele exercida não pode ser medida simplesmente em termos da altura a "coluna de

Capítulo 1. Conceitos básicos

Considere o exemplo do caso de um tubo “U” com um pouco de água apresentado nas duas situações (A e B) a seguir.

P

P atm

P atm

γ.h

x

Situação A

P atm

Situação B

29

Na situação A, o nível nos dois “braços” do tubo em “U” será o mesmo porque a pressão do ar exercerá o mesmo “peso” sobre as duas superfícies da água, considerando que o lado esquerdo do tubo está aberto para a atmosfera. Assim, a pressão atmosférica (Patm) no lado esquerdo será igual à pressão atmosférica no lado direito do tubo, uma vez que a atmosfera é a mesma. A situação B mostra o comportamento do fenômeno quando um pouco de ar é aspirado no lado esquerdo do tubo, reduzindo a pressão nele. A pressão atmosférica, maior no lado direito do tubo, forçará a água para baixo, fazendo-a subir no lado esquerdo até as pressões se igualarem novamente (ponto x). Neste ponto a pressão hidrostática (Ph) se iguala com a pressão atmosférica, ou seja: Ph = (y.h) + P = Patm. O mesmo fenômeno pode ser observado quando alguém toma um suco com um canudo. A sucção na ponta do canudo gera uma área de baixa pressão (P) em relação a pressão atmosférica (Patm). Portanto esta pressão, exercida sobre a superfície do suco, força a subida do líquido pelo canudo.

RESERVADO

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P Pa

30

Acontece exatamente a mesma coisa com a aspiração de uma bomba centrífuga. O movimento de rotação da bomba em funcionamento gera no bocal de sucção (P) uma zona de baixa pressão. A diminuição da pressão no bocal em relação à pressão atmosférica, obriga a água a subir pela tubulação de sucção. Para tal, em bombas convencionais, a linha de sucção (da válvula de retenção ate o bocal de sucção inclusive) deve estar totalmente preenchida com o liquido. Descarga

P Pa

Bomba centrífuga

Válvula de retenção

Temos vácuo quando a pressão é inferior à atmosférica, ou seja, pressões efetivas negativas. Nos exemplos do tubo “U”, do canudo e da bomba centrífuga há formação de vácuo parcial onde há sucção.

RESERVADO

Capítulo 1. Conceitos básicos

1.2.4. Pressão manométrica (Pman) A Pressão efetiva, manométrica ou relativa é simplesmente o valor da pressão causada pela altura da coluna de líquido, sendo uma indicação de quanto a pressão no ponto é maior do que a pressão atmosférica. É também chamada manométrica, pois é a indicada pelos manômetros. Existem três tipos básicos de manômetros: Existem três tipos básicos de manômetros: • Manômetro: registra valores de pressão manométrica positiva; • Vacuômetro: registra valores de pressão manométrica negativa; • Manovacuômetro: registra valores de pressão manométrica positiva e negativa. Esses instrumentos sempre registram zero quando abertos para atmosfera. Assim, sempre têm como referência (zero da escala) a pressão atmosférica local. 1.2.5. Pressão absoluta (Pabs) A pressão absoluta é a pressão total em um ponto qualquer no interior do líquido, sendo, portanto, igual à pressão da altura da coluna de líquido somada à pressão atmosférica local.

Pabs = Patm + Pman

RESERVADO

31

Alta Competência

A

Pressão relativa correspondente ao ponto A

Pressão relativa positiva correspondente ao ponto A Pressão atm local

Pressão relativa correspondente ao ponto B Hb = 10,33 mca

Pressão absoluta correspondente ao ponto A Pressão relativa negativa correspondente ao ponto B

Erro desprezível

10 mca

Pressão absoluta correspondente ao ponto B

B

Linha de pressão nula

Pressão atm local

0 % de atmosferas

1.2.6. Pressão de vapor (Pv)

32

Pressão

A pressão de vapor de um líquido, a uma determinada temperatura, é aquela na qual coexistem as fases líquido-vapor. Nessa mesma temperatura, quando tivermos uma pressão maior que a pressão de vapor, haverá somente a fase liquida e quando tivermos uma pressão menor que a pressão de vapor, iniciar-se-á a vaporização. Este conceito será bastante importante quando o fenômeno da cavitação for abordado.

T = temperatura

uid

Líq o

Líquido + vapor

T5 T4 T3 Va T po 2 r T1 T0 Volume

T5 > T4 > T3 > T2 > T1 > T0 Gráfico tridimensional P x V x T

RESERVADO

Capítulo 1. Conceitos básicos

É possível notar, no gráfico anterior, que à medida que a temperatura aumenta, indo de T0 para T5, a pressão de vapor aumenta.

1.3. Escoamento Diz-se que um escoamento se dá em regime permanente, quando as propriedades do líquido, tais como temperatura, peso específico, velocidade, pressão, etc. são invariáveis em relação ao tempo. 1.3.1. Regime laminar É aquele no qual os filetes líquidos são paralelos entre si e as velocidades em cada ponto de um filete são constantes em módulo e direção.

33

Linhas de fluxo paralelas entre si

1.3.2. Regime turbulento É aquele no qual as partículas apresentam movimentos variáveis, com diferentes velocidades em módulo e direção de um ponto para outro no mesmo filete o que acarreta filetes não mais paralelos.

Fluxo turbulento

RESERVADO

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1.3.3. Experiência de Reynolds Osborne Reynolds realizou, em 1833, diversas experiências, onde pode visualizar os diferentes tipos de escoamentos. Deixando a água escorrer pelo tubo transparente juntamente com o líquido colorido, formou-se um filete nesse líquido. O movimento da água está em regime laminar. Aumentando a vazão da água, abrindo-se a válvula, nota-se que o filete vai se alterando podendo chegar a difundir-se na massa líquida, nesse caso, o movimento esta em regime turbulento. Líquido colorido

Água Válvula

34

Filete do líquido colorido

Tubo transparente

Esses regimes foram identificados por um número adimensional.

Onde: Re = número de Reynolds; V = velocidade média de escoamento do líquido; D = diâmetro interno da tubulação; µ = viscosidade cinemática do líquido.

RESERVADO

Capítulo 1. Conceitos básicos

Limites do número de Reynolds para tubos Re < 2000 escoamento laminar 2000 < Re < 4000 escoamento transitório Re > 4000 escoamento turbulento

Pode-se notar que o número de Reynolds é um número adimensional, independendo, portanto do sistema de unidades adotado, desde que ele seja coerente. De uma forma geral, na prática, o escoamento se dá em regime turbulento. A exceção pode ser encontrada nos escoamentos com velocidades muito reduzidas ou com líquidos em alta viscosidade.

1.4. Vazão e velocidade A vazão volumétrica (Q) de um líquido pode ser definida como o volume de líquido que escoa, por uma unidade de tempo, ou seja: volume Q = _________ tempo Essa mesma vazão pode ser determinada pela seguinte relação: Q = A •V Onde: A = área da seção reta da tubulação; V = velocidade na seção. O sistema internacional adota o m3/s. Contudo, em geral, são usadas as seguintes unidades: m3/h, l/mim, gpm (galões por minuto).

RESERVADO

35

Alta Competência

1.4.1. Velocidade Embutido no conceito de vazão encontra-se a definição de velocidade. Se um líquido está escoando, suas partículas estão em movimento e possuem velocidade. Considere que uma seção reta de área A de um duto qualquer (por onde escoa um líquido). Pode-se considerar que a velocidade média do líquido corresponde à razão entre a vazão e a área da seção transversal atravessada pelo líquido. O Sistema Internacional adota o m/s que é comumente utilizado no cálculo de vazões, na determinação do número de Reynolds etc. V=

Q A

. 2 A= D 4

36 Velocidade

Diâmetro

Área

1.5. Equação da continuidade Consideremos o seguinte trecho da tubulação: A2

V2 Q2

A1

Q1 V1 Trecho da tubulação

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Capítulo 1. Conceitos básicos

A1 = área da seção 1; A2 = área da seção 2; V1 = velocidade na seção 1; V2 = velocidade na seção 2. 1 V1 A 1   2 V2 A 2 Se tivermos um líquido incompressível, a vazão volumétrica que entra na seção 1 também será igual à vazão que sai na seção 2, ou seja: V1 A 1  V2 A 2 Essa equação é valida para qualquer seção do escoamento, resultando assim numa expressão geral que é a equação da continuidade para líquidos incompressíveis: Q  V1 A 1  V2 A 2  cte Pela equação anterior, nota-se que para uma determinada vazão escoando através de uma tubulação, uma redução de área acarretará um aumento de velocidade e vice-versa.

1.6. Carga total ou altura manométrica total A carga total é definida pelo somatório das cargas geométrica de pressão e de velocidade. 1.6.1. Carga geométrica (Hg) A carga geométrica é definida pelo quociente entre a energia potencial de uma coluna de líquido e o seu peso. Considerando o sistema internacional onde a energia potencial é dada pelo Joule e o peso é definido por Newton, podemos concluir que:

RESERVADO

37

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Carga geométrica = Joule/ Newton

Hg =

.

Joule N m = =m Newton N

Na equação anterior o Newton, simbolizado pela letra N (unidade de medida de força), do numerador será reduzido com o termo “N” no denominador resultando na distância em metros, como uma medida de carga geométrica. Sendo o Joule medido em N.m, podemos deduzir que a carga geométrica, por simplificação será obtida pela medida da cota (Z) de um ponto em relação a um determinado plano de referência. No sistema internacional adota o metro(m).

38

1.6.2. Carga de pressão (Hp) A carga de pressão é definida pela relação entre a pressão estática (P) de um líquido e o seu peso específico (γ): P Hp =  Considerando o sistema internacional, cuja pressão é definida por Pascal (N/m2) e o peso específico por N/m3, podemos concluir que: Hp=

N . m3 =m N m2

Da mesma forma que na carga geométrica, a carga de pressão é expressa por uma medida linear em metro.

RESERVADO

Capítulo 1. Conceitos básicos

1.6.3. Carga de velocidade (Hv) A carga de velocidade é definida pela relação entre a energia cinética de um líquido (m.v2/2) e o seu peso. 2 HV= V 2g

Onde: V = velocidade média do líquido no ponto em questão; g = aceleração da gravidade. Da mesma forma que nos casos anteriores, a carga de velocidade é também expressa em metro.

1.7. Teorema de Bernoulli O teorema de Bernoulli é um dos mais importantes da mecânica dos líquidos e representa um caso particular da principio da conservação da energia. Considerando-se como hipótese um escoamento permanente (propriedades não variam com o tempo) de um líquido, sem receber ou fornecer energia e sem troca de calor, a energia total por unidade de peso, que é a soma da carga de pressão (Hp), carga geométrica(Hg) e a carga de velocidade(Hv) em qualquer ponto do líquido é constante, ou seja: Hg + Hp+ Hv = constante Essa relação pode ser expressa considerando que: p + __ V2 = constante z + __  2g

RESERVADO

39

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Considerando a ilustração a seguir: Plano de carga total

V1 2g

2

Linha piezom

2g

étrica

V1

p2 

Tubu la

ção

A1

A2

Z1

V2

Carga total

p1 

V22

Z2

Plano de referência

A linha piezométrica é determinada pela soma dos termos para cada seção:

40

P1 + ___ V21 Z1 + ___  2g

(

P2 + ___ V21 Z2 + ___  2g

)=(

)

1.7.1. Teorema de Bernoulli para líquidos reais No item anterior, consideramos a hipótese de um líquido perfeito, não levando em conta o efeito das perdas de energia por atrito do líquido que variam com a tubulação, viscosidade, etc. Considerandose líquidos reais, faz-se necessária a adaptação do Teorema de Bernoulli, introduzindo-se uma parcela representativa destas perdas, como mostrado a seguir: Plano de carga total

V12 2g

e carga

Hp

total

V22

Linha piezom

étrica

2g V1 A1

p2 

Tubu la

ção

A1

Z1

V2

Carga total

p1 

Linha d

Z2

Plano de referência

RESERVADO

Capítulo 1. Conceitos básicos

P1

P2

V V Z + ___ + ___ (Z + ___ + ___ 2g ) + H 2g ) = ( 1



2

1

2



2

2

p

O termo Hp é a energia perdida pelo líquido, por unidade de peso, no escoamento do ponto (1) ao ponto (2).

1.8. Perda de cargas em tubulações A perda de carga no escoamento em uma tubulação ocorre devido ao atrito entre as partículas fluidas com as paredes do tubo e mesmo devido ao atrito entre as próprias partículas desse líquido. Em outras palavras, é uma perda de energia ou de pressão entre dois pontos de uma tubulação. A ilustração a seguir apresenta uma tubulação onde um líquido circula do ponto 1 para o ponto 2. Os dois manômetros permitem perceber que há uma perda de carga. O manômetro P1 registra uma pressão maior que o manômetro P2. Essa diferença corresponde a perda de carga. P1

1

P1 > P2

P2

2

1.8.1. Tipos de perda de carga Basicamente as perdas de carga podem ser classificadas em: a) Perdas distribuídas; b) Perdas localizadas.

RESERVADO

41

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As perdas de carga distribuídas são aquelas que ocorrem em trechos retos de tubulações. As perdas de carga distribuídas no escoamento em tubulações podem ser determinadas através das medidas de pressão. Por outro lado, estas perdas podem ser calculadas através de fórmulas experimentais ou empíricas, conhecendo-se as dimensões da tubulação, características do líquido, conexões etc. Para a determinação da perda de carga distribuída para um líquido incompressível devem ser consideradas as seguintes variáveis: • Perda de carga distribuída; • Comprimento do trecho reto do tubo;

42

• Diâmetro interno da tubulação; • Velocidade média do escoamento; • Coeficiente de atrito; • Aceleração da gravidade. O coeficiente de atrito f é um coeficiente adimensional, que é função do Número de Reynolds e da rugosidade relativa. A rugosidade relativa é definida como a relação entre a rugosidade do material e o diâmetro interno da tubulação. As perdas localizadas são perdas de pressão ocasionadas pelos acessorios e singularidades ao longo da tubulação, tais como curvas, válvulas, derivações, reduções, expansões etc.

RESERVADO

Capítulo 1. Conceitos básicos

P1

P2

P1 > P2

1

2

Perda de carga em um acessório

De um modo geral, todas as perdas de carga localizadas podem ser expressas sob a forma: 2 hp = k . V 2.g

43 O coeficiente de perda de carga K é obtido experimentalmente. Existem tabelas que fornecem estes valores padronizados conforme o tipo de acessório utilizado. A seguir apresentamos uma tabela com alguns exemplos de valores de perda de carga (K) considerando o tipo de peça ou singularidade na tubulação. Tipo de curva ou peça Ampliação gradual Bocais Comporta aberta Controlador de vazão Cotovelo de 90º Cotovelo de 45º Crivo Curva de 90º Curva de 45º Curva de 22,5º Entrada normal em canalização Entrada de borda Pequena derivação

K 0,30 2,75 2,50 2,50 0,90 0,75 0,40 0,40 0,20 0,10 0,50 1,00 0,03

Tipo de curva ou peça Junção Medidor Venturi Redução gradual Registro de ângulo aberto Registro de Gaveta aberto Registro de Globo aberto Tê, passagem direta Tê, passagem de lado Tê, saída de lado Tê, saída bilateral Válvula de pé Válvula de retenção Velocidade

K 0,40 2,50 0,15 5,00 0,20 10,0 0,60 1,30 1,30 1,80 1,75 2,50 1,00

RESERVADO

Alta Competência

V

Reentrante ou de borda k = 1,0

V

Normal k = 0,5 V

V

Forma de sino k = 0,05

Redução k = 0,10

Tipos de saída de tanque e seus respectivos valores para k

44

A soma das perdas de carga distribuídas em todos os trechos retos da tubulação e as perdas de carga localizadas em todas as curvas, válvulas, junções etc. são chamadas de perdas de carga Total. Esta última é de fundamental importância para a determinação da curva do sistema que retrata a quantidade de energia por unidade de peso requerida pelo sistema para cada vazão.

RESERVADO

Capítulo 1. Conceitos básicos

1.9. Exercícios 1) Cite três propriedades envolvidas no estudo de sistemas de bombeamento. _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ ________________________________________________________________ 2) Descreva o princípio estabelecido pela equação da continuidade. _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ ________________________________________________________________ 3) Explique por que ocorre a perda de carga em uma tubulação e indique os dois tipos fundamentais desse fenômeno. _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ ________________________________________________________________ 4) Assinale a opção que contém o parâmetro correto para o número de Reynolds (Re) em tubulações. Escoamento laminar

transitório

turbulento

( )

Re < 2000

2000 < Re < 4000

Re > 4000

( )

Re > 200

200 < Re < 400

Re < 400

( )

Re > 2000

2000 > Re > 4000

Re > 4000

( )

Re < 200

200 < Re < 400

Re > 400

RESERVADO

45

Alta Competência

1.10. Glossário Adimensional - parâmetro que não necessita de uma unidade de medida para poder oferecer uma avaliação. Cavitação - formação de bolhas de vapor ou de um gás em um líquido por efeito de forças de natureza mecânica. Cisalhamento - tipo de tensão gerada por forças aplicadas em sentidos opostos em relação a um fluido ou sólido. Linha piezométrica - lugar geométrico que representa a soma da carga de pressão e da carga potencial. Módulo - intensidade de uma grandeza acompanhada da unidade de medida correspondente.

46

RESERVADO

Capítulo 1. Conceitos básicos

1.11. Bibliografia LIMA, Epaminondas Pio Correia. A mecânica das bombas. Gráfica Universitária. MACKAY, Ross. The Pratical Pumping Handbook. Elsevier Advanced Technology. MATTOS, Edson Ezequiel de; FALCO, Reinaldo de. Bombas Industriais. 2ª edição. Rio de Janeiro: Interciência, 1998. SILVA, Marcos Antonio da. Manual de Treinamento da KSB Bombas Hidráulicas S/A. 4ª ed. SULZER PUMPS LTDA. Suzer centrifugal Pump Handbook. 2th ed. Elsevier.

47

RESERVADO

Alta Competência

1.12. Gabarito 1) Cite três propriedades envolvidas no estudo de sistemas de bombeamento. • Massa específica; • Peso específico; • Densidade; • Viscosidade; • Pressão; • Escoamento; • Vazão e velocidade. 2) Descreva o princípio estabelecido pela equação da continuidade. Um líquido incompressível escoando em uma tubulação tem a sua vazão volumétrica constante em qualquer seção desta tubulação. Ou seja:

48

3) Explique por que ocorre a perda de carga em uma tubulação e indique os dois tipos fundamentais desse fenômeno. A perda de carga no escoamento de um líquido por uma tubulação ocorre devido ao atrito entre as partículas fluidas com as paredes do tubo e mesmo devido ao atrito entre as próprias partículas desse líquido. Em outras palavras, é uma perda de energia ou de pressão entre dois pontos de uma tubulação. Existem dois tipos básicos de perdas de carga: • Perdas distribuídas; • Perdas localizadas. 4) Assinale a opção que contém o parâmetro correto para o número de Reynolds (Re) em tubulações. Escoamento laminar

transitório

turbulento

(X)

Re < 2000

2000 < Re < 4000

Re > 4000

(

)

Re > 200

200 < Re < 400

Re < 400

(

)

Re > 2000

2000 > Re > 4000

Re > 4000

(

)

Re < 200

200 < Re < 400

Re > 400

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Capítulo 2 Bombas centrífugas

Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Identificar os conceitos de força centrífuga e força centrípeta; • Identificar o princípio de funcionamento das bombas centrífugas, seus principais componentes, tipos construtivos e respectivos campos de aplicação.

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50

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Capítulo 2. Bombas centrífugas

2. Bombas centrífugas

A

s bombas centrífugas são um dos tipos mais comuns de equipamentos em instalações industriais, sendo amplamente usadas em diversas aplicações. As bombas d’água, usadas em residências e prédios para elevar a água até as caixas d’água, são um exemplo cotidiano de bombas centrífugas. As bombas centrífugas trabalham, em geral, combinadas com um motor elétrico ou a diesel. O estudo das bombas centrífugas exige alguns conceitos básicos da mecânica que servirão como subsídios para o entendimento do funcionamento desses equipamentos.

2.1. A física Newtoniana e as bombas centrífugas 51 Todas as máquinas e equipamentos mecânicos que envolvem rotação, movimento e contato, estão relacionados também com forças inerciais, gravitacionais, centrífugas, centrípetas, de atrito, de compressão e etc. Essa parte da física, conhecida como mecânica, começou a ser desvendada pelos estudos pioneiros de Galileu, mas esses princípios foram definitivamente explicados, por volta do século XVII, graças a Isaac Newton.

2.2. Conceito de força Na física clássica uma força é uma entidade física capaz de alterar o estado de repouso ou movimento de um corpo ou mesmo promover a sua deformação. Uma força pode agir por contato ou através de um campo, ou seja, à distância. Newton percebeu que havia uma íntima relação entre força e movimento e propôs três leis fundamentais do movimento, também chamadas leis fundamentais da Dinâmica. Dentre essas leis está o “princípio da inércia” que interfere diretamente no conceito de forças centrífugas e centrípetas, necessários para a compreensão das bombas centrífugas − objeto desse estudo.

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2.3. Inércia, força centrífuga e força centrípeta Em nosso cotidiano, a partir da observação empírica dos fenômenos, acabamos formando a percepção de que as forças tendem a “enfraquecer” até parar. Temos essa idéia observando uma bola lançada em um campo que gradualmente vai “perdendo força” até interromper o seu movimento. Isaac Newton, contudo, descobriu que essa percepção estava relacionada a ação do atrito exercido pelas superfícies de contato com os objetos e corpos. A partir disso teorizou que se não houvesse atrito e resistência do ar a energia transferida para o corpo em movimento tende a ser constante, mantendo o corpo em movimento retilíneo uniforme (constante). A partir dessa idéia ele formulou o seguinte conceito para a inércia:

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Importante! Um corpo em movimento tende a se deslocar em linha reta e com velocidade constante, sempre que forças externas não atuem fazendo-o mudar de direção. Entretanto, da mesma forma, os corpos tenderão a manter o seu estado de repouso, caso não haja interferência por forças acessórias. Imagine, por exemplo, uma bola rolando pela calçada e se aproximando da esquina. Quando ela chegar à esquina, tenderá a seguir em linha reta e não fará a curva automaticamente. Para alterar-lhe a trajetória, de tal forma que ela contorne a esquina, será necessária a aplicação uma força como, por exemplo, um chute. Entretanto, se nenhuma força é aplicada, a bola continuará se deslocando em linha reta, sem alterações. Esta força que tende a manter a bola em movimento retilíneo é denominada inércia.

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Capítulo 2. Bombas centrífugas

A força centrífuga, na verdade, é apenas a manifestação da força inercial quando observamos o fenômeno a partir da modificação da trajetória pela força aplicada. Desse ponto de vista, a inércia parece uma força que tenta “arremessar” o corpo em movimento para fora. A manifestação da inércia pode ser observada na ilustração a seguir no qual uma bola (representando um corpo móvel) tem a sua trajetória desviada para a esquerda. Nesse esquema a seqüência de círculos representa a trajetória retilínea típica dos fenômenos inerciais. A inércia de um corpo em movimento Trajetória inércial do corpo,caso Trajetória nenhuma inércial do outra força seja aplicada corpo,caso nenhuma outra força seja aplicada Força aplicada Força aplicada

a

a ad adlic licap apa a rç rçFo

Fo

Força inicial que gera o Força estado de movimento inicial que gera o estado de movimento

SeSe o mesmo for o mesmofenômeno fenômeno for observado do do novo ponto de de vista, a observado novo ponto vista, SeSe o mesmo fenômeno for o mesmo fenômeno for inércia parecerá “arremessar” o aobservado inércia parecerá “arremessar” observado do novo ponto de de vista, a do novo ponto corpo para fora resultando na vista, o corpo fora“arremessar” resultandoo inérciapara parecerá a percepção inércia parecerá da força “arremessar” centrífuga. corpo parada resultando na na percepção força centrífuga. o corpo parafora fora resultando percepção da força centrífuga.

na percepção da força centrífuga.

O fenômeno observado do ponto de vista anterior a mudança na trajetória indicando a manifestação inercial

O mesmo fenômeno observado do ponto de vista posterior a mudança na trajetória indicando a manifestação da força centrífuga

Agora, imagine que a bola está se deslocando em um círculo em torno de um ponto fixo. A bola ainda se moverá em linha reta, a menos que seja aplicada uma força que mude sua direção. Deslocarse em um círculo é como virar a esquina constantemente, portanto, uma força tem que ser aplicada constantemente na bola para mantêla mudando de direção. A força que aplicamos para manter a bola mudando constantemente de direção é denominada força centrípeta. A força centrípeta “empurra” a bola em direção ao centro de um percurso circular.

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53

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Força centrípeta agindo sobre um corpo em movimento

Trajetória inercial da bola se nenhuma força externa atuasse (força centrífuga)

54

Força centrípeta

Nova trajetória resultante da ação da força centrípeta

Na ilustração anterior, as setas largas representam a trajetória retilínea da bola que precisa ser constantemente atualizada através da interferência da aplicação de forças (força centrípeta) que ajudam o corpo móvel a descrever um movimento curvilíneo. Obviamente, por uma questão de simplicidade de representação foram apontados no esquema apenas seis (6) eventos pontuais de aplicação de força centrípeta, contudo, em um objeto que gira em torno do próprio eixo precisa sofrer constantemente a ação de forças centrípetas. Quando a força externa (centrípeta) é retirada, a bola passa a se deslocar novamente em movimento retilíneo, devido à inércia. Observe a ilustração, a seguir, que representa o fenômeno em questão.

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Capítulo 2. Bombas centrífugas

Força centrípeta e força centrífuga (inércia) A inércia tenderá a manter o corpo em movimento retilíneo

Força aplicada A Força aplicada

Força aplicada B

A partir desse ponto a força centrípeda para de ser exercida sobre a bola.

Força aplicada E

C

Força aplicada D Força aplicada

O esquema anterior demonstra a ação da força centrípeta (força aplicada) sobre um corpo em movimento até o instante E. Nesse ponto a força centrípeta, ao deixar de contrapor à inércia, permite que ela se manifeste, fazendo que o corpo assuma o movimento retilíneo. Um bom exemplo da relação entre as forças centrífuga e centrípeta é o esporte olímpico denominado lançamento do martelo. Nessa prova de atletismo, o atleta segura uma empunhadura presa por um arame a uma bola de ferro. Durante o arremesso, gira a bola e solta a alça, em determinado momento, permitindo que o martelo seja lançado. Relação entre as forças centrípeta e centrífuga no lançamento do martelo

B

A Ponto fixo de rotação

Ponto fixo de rotação

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55

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No esquema anterior o cabo que está preso à bola representa a força centrípeta (seta pontilhada) e mantém a bola constantemente mudando de direção e se movendo em círculo. Quando o atleta (ponto fixo de rotação) solta a alça, a força centrípeta (resistência do cabo) deixa de atuar, permitindo que a força de arremesso (força centrífuga) aja sobre a bola. A partir do ponto do lançamento, o martelo descreve uma trajetória ascendente devido à ação da inércia. A ilustração A representa uma situação de equilíbrio entre a manifestação das forças centrípeta representada pelo cabo e a força centrífuga representada pelo movimento de giro do atleta. A ilustração B representa uma situação de desequilíbrio na qual a força centrípeta é eliminada, pela liberação da alça, e a força centrífuga se manifesta na forma de inércia lançando o martelo à grande distância.

56

ATENÇÃO Pela lei da inércia, um objeto sempre tende a se deslocar em uma linha reta. Para que esta trajetória mude, como uma bola em um círculo, é preciso uma força que mude a direção agindo constantemente sobre a bola. Se em algum momento a força que age sobre a bola for removida, a bola passará a se deslocar em uma linha reta para fora do centro de sua rotação. A força que faz com que a bola se desloque em uma linha reta para fora de um ponto fixo de rotação é denominada força centrífuga (inércia).

2.4. Aceleração e aceleração centrífuga O conceito de aceleração também é um pré-requisito importante para a compreensão do funcionamento das bombas centrífugas. O conceito físico de aceleração define que: A aceleração pode ser compreendida como a variação positiva ou negativa da velocidade de um corpo em movimento.

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Capítulo 2. Bombas centrífugas

Quando traduzimos esse conceito para a linguagem cotidiana dizemos que a aceleração existe sempre que um corpo ou objeto em movimento aumenta ou diminui sua velocidade. Pode parecer estranho ao senso comum, mas a redução da velocidade é um tipo de aceleração − a aceleração negativa. Da mesma forma podemos afirmar que a aceleração centrífuga é a variação da velocidade de um objeto quando este, ao girar em torno de um ponto fixo, se desloca para perto ou para longe dele. O exemplo do lançamento do martelo pode ser usado também para ilustrar o conceito de aceleração centrífuga. Imagine que o atleta mantém a bola girando em torno de si mesmo, com velocidade equivalente a 1(uma) rotação por segundo. Lembre que a velocidade corresponde à distância percorrida em um determinado período de tempo. Logo, a velocidade da bola será igual à distância percorrida por ela e dividida pelo tempo de deslocamento. Observe a ilustração a seguir e leia os comentários Suponha que a bola do martelo descreva uma circunferência de 1m ao final do giro. Considere, hipoteticamente, que a bola complete cada volta em um tempo de 1 segundo. Portanto, poderemos concluir que a velocidade de giro do martelo é 1 metro por segundo (1m/s).

1m

A

Circunferência = 1m

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Considere que o atleta trocou de martelo e que o cabo permita agora que a bola descreva uma circunferência de 3m. Imagine que, apesar do círculo ser maior, que o atleta consiga manter o tempo de 1 segundo. Nessa situação podemos concluir que a velocidade de giro do martelo é 3 metros por segundo (3m/s).

58

3m B

Circunferência = 3m

A partir dos exemplos descritos, podemos perceber que a bola mantém um ciclo constante de rotações por segundo. Contudo, na ilustração B a bola se afastou do ponto fixo, aumentou a distância percorrida, percorrendo uma distancia três vezes maior do que no primeiro exemplo, entretanto, o faz no mesmo intervalo de tempo. Portanto, sua velocidade é três vezes maior do que no exemplo A. Assim, dizemos que houve uma aceleração positiva da velocidade, ou seja, um aumento.

2.5. Aceleração centrífuga e bomba centrífuga É necessário estabelecer, agora, algumas correlações desses fenômenos físicos com o tema dessa apostila, tentando contextualizar os conceitos desenvolvidos até aqui. Uma bomba centrífuga é um equipamento mecânico que usa o princípio da força centrífuga para transformar energia mecânica (do eixo) em energia cinética e em energia de pressão, posteriormente, a parcela cinética é transformada em pressão internamente na voluta. Assim, em uma bomba centrífuga, da mesma forma que no exemplo da bola, o líquido entra no centro (“olho”) de um conjunto de pás giratórias (impelidor). Este impelidor está fixado a um eixo, que por sua vez é acionado, normalmente, por motor.

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Capítulo 2. Bombas centrífugas

Visão em corte de uma bomba centrífuga saída “olho” de sucção do impelidor

Pás ou palhetas do impelidor

Carcaça da bomba (voluta)

Impelidor ou impulsionador

59 O esquema anterior apresenta as partes internas básicas de uma bomba centrífuga: a carcaça (estrutura), o impelidor com suas pás ou palhetas e o “olho” de sucção do líquido. Imagine agora que o motor é o atleta do nosso exemplo do arremesso do martelo. O motor mantém o impelidor e suas pás curvas girando a uma quantidade constante de rotações por segundo. O impelidor, alimentado pelo motor, faz girar o líquido da mesma forma que o cabo do martelo faz a bola girar movido pela força do atleta. Esse movimento de rotação produz uma força centrífuga sobre o liquido, acelerando-o continuamente desde o olho (raio menor) ate às extremidades das pás (maior raio) onde finalmente atingem a carcaça. Os líquidos, de forma semelhante à bola do martelo, também se deslocam em uma determinada direção, a menos que alguma força atue sobre eles. Se um líquido estiver fluindo em torno de um ponto fixo, ele tenderá a se deslocar para fora impulsionado pela força centrífuga.

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Esquema mostrando o interior de uma bomba centrífuga Saída A rotação das pás inicia o processo de centrifugação gerando uma região de baixa pressão no olho do impelidor.

A água é “lançada para fora” pela força centrífuga

Impelidor

60

Capítulo 2. Bombas centrífugas

Conversão da energia cinética em pressão na descarga da bomba Saída

61

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1º Etapa

Ao ser ligada a bomba, a rotação cria, inicialmente, uma zona de baixa pressão devido à centrifugação do líquido na região central do impelidor (“olho”).

2º Etapa

O líquido centrifugado deixa a sua posição “vazia”. Imediatamente outra porção ocupa sua posição e é centrifugada. A sucessão desses eventos cria um fluxo continuo pela bomba.

3º Etapa

O líquido centrifugado caminha para as extremidades do impelidor, ganhando energia de pressão e energia cinética.

4º Etapa

O líquido, após a saída do impelidor, entra na voluta onde há uma moderada transformação da parcela de energia cinética em energia de pressão.

5º Etapa

Por fim, na região difusora, o restante da energia cinética é quase totalmente transformada em energia de pressão. Na maioria das bombas a maior transformação é obtida nesta etapa.

Esquema mostrando o interior de uma bomba centrífuga

62 3ª Etapa 1ª Etapa

5ª Etapa

4ª Etapa 2ª Etapa

2.6.1. Exemplo prático da variação da velocidade e trajetória de uma partícula do líquido no interior de uma bomba A ilustração a seguir representa a trajetória da partícula do líquido do ponto 1 (“olho” do impelidor) ao ponto 4 (descarga). A linha assinalada representa a trajetória da partícula ao longo do seu deslocamento. Para efeito de simplificação adotamos uma partícula para representar o comportamento do líquido como um todo.

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Capítulo 2. Bombas centrífugas

À medida que a partícula se desloca do início das pás (1) para a extremidade das pás (2), a sua velocidade aumenta. Da extremidade da pá (2) até garganta (3) ocorre uma redução parcial da velocidade com uma conseqüente conversão em energia de pressão. Do ponto (3) ao ponto (4) ocorre uma acentuada conversão de velocidade em energia de pressão. É nesse último estágio que a pressão de descarga atinge o valor necessário para o deslocamento do líquido na vazão requerida pelo sistema. O esquema a seguir traduz o comportamento da velocidade de uma partícula de um líquido ao longo da sua trajetória no interior de uma bomba. Os pontos 0, 1, 2, 3 e 4 representam, respectivamente: 0) Partícula no (flange de sucção); 1) Entrada no impelidor;

63 2) Entrada na voluta ; 3) Entrada do difusor (garganta da voluta); 4) Saída da partícula (flange de descarga). 4

Corte transversal típico de uma bomba centrífuga

1 Voluta 0 3 2 Impelidor

Corte da voluta mostrando a trajetória da partícula do líquido

Os pontos identificados no esquema anterior aparecem no gráfico a seguir demonstrando o comportamento da velocidade do líquido durante sua trajetória na bomba.

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Velocidade absoluta (m/s)

Saída do impelidor)

20 15

2

Garganta da voluta

Entrada no impelidor

3

10 5

1

Flange de sucção

4

Flange de descarga

Perfil de velocidade ao longo do interior de uma bomba

64

O gráfico acima, ao utilizar os mesmos pontos indicados na ilustração anterior, permite estabelecer correlações entre a velocidade do líquido na bomba (representado pela partícula-ponto) em cada uma das regiões (0, 1, 2, 3 e 4), com a conversão de energia cinética em energia de pressão. O líquido ao entrar do flange de sucção apresenta uma baixa velocidade. Com a rotação do impelidor a partícula vai ganhando velocidade representada pela curva ascendente (1- 2). A partir da saída do líquido do impelidor (ponto 2) a energia cinética começa a ser convertida em energia de pressão. Essa conversão é gradualmente maior até a saída do líquido da bomba no flange de descarga. Nesse ponto (4) grande parte da energia cinética foi convertida em energia de pressão.

2.7. Componentes da bomba centrífuga Existe uma grande diversidade de bombas centrífugas. Entretanto, alguns componentes são comuns à grande maioria de modelos de tipo. A seguir apresentaremos, a título de exemplificação, uma visão em corte de uma bomba centrífuga de simples estágio (um único impelidor) e seus principais componentes.

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Capítulo 2. Bombas centrífugas

Principais componentes de uma bomba centrífuga (em corte) Luva protetora de eixo

Descarga Tampa de pressão

Preme gaxeta

Anel de desgaste

Rolamento

Bucha de garganta Eixo Sucção

Carcaça

Impelidor

Mancal

Gaxeta Anel defletor Anel de lanterna

65

A) Carcaça A carcaça é responsável pela contenção do volume crescente do líquido oriundo do impelidor e pela transformação de parte da energia cinética em energia de pressão durante a condução do líquido até o canal divergente da descarga (difusor). A taxa de crescimento da área de passagem do líquido na carcaça é proporcional à quantidade de líquido recebido da periferia do impelidor. Favor copiar a figura abaixo exatamente como está. Componentes da carcaça

Estrutura básica da carcaça Voluta

• Flange de sucçao; • Voluta; • Flange de descarga.

Flange de descarga

Flange de sucção

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A voluta em destaque A voluta aumenta a área de seção transversal na direção da descarga

O diâmetro da voluta aumenta gradativamente em direção ao bocal de descarga. O líquido entra na voluta em alta velocidade e uma certa pressão. O líquido sai da voluta e entra no oleoduto a uma velocidade baixa e sob uma pressão mais alta.

Sentido de rotação

Impelidor Carcaça de voluta

Descarga

Os principais tipos de carcaça existentes são:

66

Tipo de carcaça

Estrutura básica

Carcaça em voluta simples

Carcaça em dupla voluta

10º

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Capítulo 2. Bombas centrífugas

Tipo de carcaça

Estrutura básica

Carcaça com pás difusoras

B) Impelidor Os impelidores, também chamados de rotores, são responsáveis por ceder energia ao líquido, seguindo padrões que estão relacionados com o perfil hidráulico construtivo.

67 Componentes do impelidor Capa

Pás do Impelidor

Olho

Eixo

Os impelidores em uma bomba de múltiplos estágios poderão estar dispostos nos arranjos das pás no tipo tandem ou back-to-back ilustrados a seguir.

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Sucção da bomba

2

1

Arranjo back-to-back

6

3

5

4

Descarga da bomba

Descarga Sucção

Sucção da bomba

1

2

3

4

5

6

Arranjo em Tandem

Descarga

68

Sucção

C) Eixo O eixo é o elemento estrutural que sustenta o(s) impelidores. Ele é responsável pela transmissão de potência do acionador para o(s) impelidor(es). D) Mancais Os mancais são os elementos que sustentam o eixo e o(s) impelidor(es), permitindo que a transmissão de torque se estabeleça em níveis mínimos de atrito. Podem ser de rolamentos ou de deslizamento. Suas velocidades devem ser estabelecidas dentro de critérios definidos nas normas técnicas (por exemplo, API 610 - American Petroleum Institute). A escolha e combinação é função basicamente da velocidade tangencial do eixo, das cargas (vida do rolamento) e da densidade de energia, dada pelo produto entre a potência e a rotação da bomba.

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Capítulo 2. Bombas centrífugas

Esquema de um rolamento em corte Largura

Anel de trava Anel de trava

Blindagem

Largura

Elementos de um rolamento externo AnelAnel externo

Blindagem selagem OuOu selagem

SeloSelo

Gaiolaou ou Gaiola Espaçador Espaçador

Anel interno Anel interno

Dia. Externo

Dia. Externo

Dia. Médio

Dia. Médio

Anel Anelinterno interno

Dia. Inteiro

Esfera Esfera

Dia. Inteiro

Rebite Rebite

AnelAnel guiaguia

Espaçador Espaçador

Elementos rolantes Elementos rolantes

Pista Pistainterna interna Pista Pistaexterna externa Anel externo

Anel externo

Chanfro

Chanfro

Mancal

69

Movimento do ramo do óleo

Mancal de deslizamento

E) Vedação A vedação serve para manter vazamentos mínimos ou, em alguns casos, estanqueidade entre o líquido de processo e a atmosfera. A definição do tipo de vedação (gaxeta ou selo mecânico) e os materiais empregados dependem de uma análise da bomba, do líquido e da interação destes e do processo de bombeamento.

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F) Preme-gaxeta Também conhecida como “sobreposta”, a preme-gaxeta é responsável pelo ajuste das gaxetas (elemento de vedação mais usual nestes tipos de bombas) quando as mesmas começam a se desgastar. É através dela que se regula o aperto das gaxetas. Este ajuste pode ser feito com a bomba em funcionamento e não deverá ser em demasia a ponto de vedar completamente o vazamento do líquido. G) Anéis de desgaste Os impelidores não podem tocar na carcaça, mas em contrapartida há um compromisso em manter uma folga controlada entre o “olho” do impelidor e a carcaça.

70

Os anéis de desgaste consistem de anéis bipartidos ou não, instalados no impelidor e/ou na carcaça, e que atuam como peças de sacrifício com o objetivo de reduzir a recirculação entre impelidores adjacentes contribuindo para a manutenção da eficiência da bomba, bem como evitando problemas na sucção. A partir do momento que essas folgas aumentam, eles deverão ser substituídos. Recirculação de líquido pela folga entre o impelidor e a carcaça.

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Capítulo 2. Bombas centrífugas

Detalhe sem anel de desgaste Impelidor Impelidor

Carcaça Carcaça

Detalhe com anel de desgaste Impelidor Impelidor

Carcaça Carcaça

Anel de Anel de desgaste desgaste

H) Bucha de garganta A bucha de garganta, também denominada de “bucha de fundo”, fica localizada no fundo da caixa de selagem. Sua função é reduzir a pressão na caixa de selagem, vinda da parte traseira do impelidor. Esse componente atua restringindo o fluxo nesta região e, consequentemente, reduz a exposição da caixa aos efeitos abrasivos de líquidos contendo sólidos em suspensão. I) Anel de Lanterna O anel de lanterna consiste de um anel bipartido instalado na caixa de selagem com o objetivo de permitir a injeção de líquido para selagem e refrigeração da região de vedação, e evitar a entrada de ar para o interior da bomba para aquelas que operam pressão negativa na sucção. Ele evita o desgaste prematuro do eixo/luva na região de selagem quando o líquido bombeado contém sólidos em suspensão. Anel de lanterna

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J) Difusor Grande parte das bombas de simples estágio utiliza carcaça em voluta, principalmente devido a sua boa eficiência, baixo custo e simplicidade. Os difusores são responsáveis em receber o líquido na periferia do impelidor e através de um canal divergente (seção crescente) formado por pás difusoras fixadas na carcaça e converter parte da energia cinética em energia de pressão. Em bombas de múltiplos estágios, as pás difusoras exercem um papel secundário, porém não menos importante, de separar os estágios (impelidores) e reorientar o fluxo da descarga de um impelidor para o “olho” do estágio seguinte.

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K) Luvas As luvas de eixo têm por função básica proteger o eixo de erosão, corrosão e desgaste. O mais comum é proteger o eixo na região da caixa de selagem. As luvas que possuem outras funções recebem nomes especiais, como por exemplo, “luvas espaçadoras” ou “luvas de estágio” que são usadas em bombas de múltiplos estágios com o objetivo de espaçá-los e mantê-los na posição corretas.

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Capítulo 2. Bombas centrífugas

Veja na ilustração a seguir, uma bomba de múltiplos estágios: Principais componentes de uma bomba de múltiplos estágios Flange de descarga Luva de estágio

Difusor Carcaça

Anel de desgaste

Rolamento

Eixo

Luva protetora do eixo

Suporte de mancal

Impelidores Corpos de estágio

73 2.8. Classificação das bombas centrifugas As bombas podem ser classificadas quanto: • A direção do fluxo em relação ao eixo; • A posição de trabalho; • Ao número de estágios; • Ao tipo de sucção do primeiro estágio; • A partição da carcaça. A seguir apresentaremos de forma bastante objetiva alguns exemplos de desenhos básicos de cada tipo:

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a) A direção do fluxo em relação ao eixo: radial, misto e axial; Quanto à direção do Fluxo

Fluxo misto

74

Fluxo radial

Fluxo axial

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Capítulo 2. Bombas centrífugas

b) A posição de trabalho: horizontais ou verticais; Quanto à posição de trabalho

Bomba centrifuga horizontal

75 Bomba centrifuga vertical

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c) Ao número de estágios: único estágio (impelidor) ou múltiplos estágios; Quanto ao número de estágios ou impelidores

Único estágio

76 Múltiplos estágios (quatro impelidores)

d) Ao tipo de sucção do primeiro estágio: sucção simples ou dupla sucção; Quanto ao tipo de sucção do primeiro estágio Sucção simples

Dupla sucção

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Capítulo 2. Bombas centrífugas

e) A partição da carcaça: axialmente bipartida e radialmente bipartida; Quanto à partição da carcaça

Carcaça axialmente bipartida

Carcaça radialmente bipartida

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2.9. Tipos construtivos, características e campos de aplicação Apresentaremos, a seguir, objetivamente, os principais tipos construtivos de bombas centrífugas, bem como os seus respectivos campos de aplicação e características dentro de dois grandes grupos de bombas: as bombas horizontais e as verticais. 2.9.1. Bombas horizontais As bombas de eixo horizontal, sucção horizontal e recalque vertical são as unidades mais utilizadas nas execuções de bombeamentos.

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Bombas horizontais, radialmente bipartidas, com impelidor em balanço

Campo de aplicação:

Normalmente encontradas nos sistemas transferência de óleo, sistema de injeção de água (bomba booster), circulação de água quente, sistema de combate a incêndio etc.; Bombas horizontais, radialmente bipartidas, com único impelidor entre mancais com sucção dupla.

78 Campo de aplicação:

São encontradas em sistemas de transferência de óleo.

Bombas horizontais, axialmente bipartidas, com único impelidor entre mancais com sucção dupla

Campo de aplicação:

Encontradas no sistema de captação de água, sistema de offloading, sistema de combate a incêndio etc.

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Capítulo 2. Bombas centrífugas

Bombas horizontais, radialmente bipartidas, com múltiplos impelidores (estágios) entre mancais com sucção dupla ou simples no primeiro estágio

Campo de aplicação:

Encontradas nos sistemas transferência de óleo e de injeção;

Bombas horizontais, axialmente bipartidas, de múltiplos impelidores (estágios) entre mancais com sucção dupla ou simples no primeiro estagio

Campo de aplicação:

Aplicadas em sistemas de transferência de óleo e injeção de água;

2.9.2. Bombas verticais As bombas de eixo vertical, sucção horizontal e recalque vertical são montadas em mancais de apoio e utilizadas na maioria dos casos de captação de água.

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79

Alta Competência

Bombas verticais, radialmente bipartidas, com impelidor em balanço

Campo de aplicação:

São encontradas como bombas booster do sistema de injeção, nos sistemas de água quente e de captação;

80

Bombas verticais, axialmente bipartidas, com único impelidor entre mancais com sucção dupla

Campo de aplicação:

• Aplicações em sistemas de captação de água, sistema de offloading, sistema de combate a incêndio etc. Geralmente utilizada quando o espaço de montagem para o conjunto é reduzido.

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Capítulo 2. Bombas centrífugas

Bombas verticais, com eixo prolongado, radialmente bipartidas, com único impelidor de sucção simples ou dupla

Campo de aplicação:

• Aplicações em sistemas de captação de água, sistema de offloading, sistema de combate a incêndio etc.

81 Bombas verticais, com eixos prolongados, radialmente bipartidas, com múltiplos estágios (impelidores) com sucção simples

Campo de aplicação:

• Utilizada em Slop, sistema de combate a incêndio, sistema de captação de água e sistema de transferência de óleo;

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Alta Competência

Bombas verticais, com motores elétricos submersos, radialmente bipartidas, com único impelidor ou múltiplos estágios com sucção simples

Campo de aplicação:

Captação de água do mar e elevação artificial - BCS

Impelidores da bomba

Motor da bomba

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Capítulo 2. Bombas centrífugas

2.10. Exercícios 1) Complemente as lacunas das frases, a seguir, identificando se dizem respeito ao conceito de força centrífuga ou centrípeta: a) A força inercial que faz com que um objeto em movimento giratório se desloque para fora do seu centro de rotação é denominada força ___________. b) A força que puxa ou empurra um objeto em direção ao centro de um percurso circular é denominada força ______________. c) Um líquido que flui em torno de um ponto fixo tende a se deslocar para fora do ponto fixo devido à força ____________. d) Para manter um objeto que circula em torno de um ponto fixo em constante mudança de direção aplica-se uma força ______________. 2) Marque com um X a afirmativa que descreve o princípio de funcionamento da bomba centrífuga: ( ) equipamento eletrônico que usa o principio da força centrífuga para transformar energia cinética em energia de energia mecânica. ( ) equipamento mecânico que usa o principio da força centrífuga para transformar energia mecânica em energia de pressão e energia cinética. ( ) equipamento mecânico que usa o principio da força centrífuga para transformar energia cinética em energia estática e energia elétrica.

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3) Complemente a representação esquemática de uma bomba centrifuga, a seguir, preenchendo os quadros deixados em branco:

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RESERVADO

Capítulo 2. Bombas centrífugas

4) Correlacione os principais tipos construtivos de bombas centrífugas e respectivas aplicações, numerando, adequadamente, a coluna da direita: ( 1 ) Bombas horizontais, radial- ( ) Usadas onde não é possível instalar bombas mente bipartidas, com único convencionais. impelidor entre mancais com sucção dupla. ( 2 ) Bombas horizontais, axial- ( ) Usadas principalmente em sistemas transferênmente bipartidas, de múltiplos cia de óleo. impelidores (estágios) entre mancais com sucção dupla ou simples no primeiro estagio. ( 3 ) Bombas verticais, com eixos ( ) usadas na captação de água do mar e elevação prolongados, radialmente biartificial - BCS partidas, com único impelidor de sucção simples ou dupla. ( 4 ) Bombas verticais, com eixos ( ) Usadas em sistemas de captação de água, sisteprolongados, radialmente bima de offloading, sistepartidas com múltiplos estáma de combate a incêngios (impelidores) com sucção dio etc. simples. ( 5 ) Bombas verticais, com mo- ( ) Usadas em sistemas de transferência de óleo e tores elétricos submersos, injeção de água. radialmente bipartidas, com único impelidor ou múltiplos estágios com sucção simples.

RESERVADO

85

Alta Competência

2.11. Glossário Anel bipartido - anel de desgaste usado na vedação entre partes do motor. Axialmente bipartida - partida no sentido do eixo. BCS - Bomba Centrífuga Submersível Estanqueidade - capacidade de conter, de impedir que um líquido escoe, estancar, parar, interromper.

de

Gaxeta - elementos de vedação usualmente utilizados em bombas mais simples. Impelidor - também chamado de rotor. É constituído de um disco provido de pás (palhetas) que através do movimento de rotação, promovido por ação de um motor, é capaz de impulsionar um líquido;

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Inércia - princípio físico geral, descoberto por Isaac Newton, que diz que o estado de repouso ou movimento de um corpo não pode ser alterado a menos que outras forças ajam sobre o corpo. Offloading - operações de escoamento do petróleo produzido e/ou armazenado nas unidades de produção e terminais oceânicos (FPSOs e FSOs) na qual ele é transferido para navios aliviadores. Atualmente, cerca de 82% da produção da Bacia de Campos é escoada dessa forma. Pás difusoras - elementos internos à carcaça em bombas que utilizam-na para desaceleração do fluido e conversão de energia cinética em energia de pressao. Peças de sacrifício - peças submetidas ao atrito destinadas ao desgaste mais rápido do que outras. Radialmente bipartida - partida no sentido do raio do impelidor. Slop - resíduo. Torque - força que tende a rodar ou virar objetos. Voluta - tipo de carcaça de bomba em forma de um funil encurvado.

RESERVADO

Capítulo 2. Bombas centrífugas

2.12. Bibliografia MATTOS, Edson Ezequiel de; Falco, Reinaldo de. Bombas Industriais 2ª edição. Rio de Janeiro: Interciência, 1998. 474p. LIMA, Epaminondas Pio Correia. A mecânica das bombas. Gráfica Universitária. SILVA, Marcos Antonio da. Manual de Treinamento da KSB Bombas Hidráulicas S/A. 4ª ed. MACKAY, Ross. The Pratical Pumping Handbook. Elsevier Advanced Technology. Sulzer Pumps ltda. Suzer centrifugal Pump Handbook. 2th ed. Elsevier

87

RESERVADO

Alta Competência

2.13. Gabarito 1) Complemente as lacunas das frases, a seguir, identificando se dizem respeito ao conceito de força centrífuga ou centrípeta: a) A força inercial que faz com que um objeto em movimento giratório se desloque para fora do seu centro de rotação é denominada força centrífuga. b) A força que puxa ou empurra um objeto em direção ao centro de um percurso circular é denominada força centrípeta. c) Um líquido que flui em torno de um ponto fixo tende a se deslocar para fora do ponto fixo devido à força centrífuga. d) Para manter um objeto que circula em torno de um ponto fixo em constante mudança de direção aplica-se uma força centrípeta. 2) Marque com um X a afirmativa que descreve o princípio de funcionamento da bomba centrífuga: (

88

)

equipamento eletrônico que usa o principio da força centrífuga para transformar energia cinética em energia de energia mecânica.

(X)

equipamento mecânico que usa o principio da força centrífuga para transformar energia mecânica em energia de pressão e energia cinética.

(

equipamento mecânico que usa o principio da força centrífuga para transformar energia cinética em energia estática e energia elétrica.

)

3.Complemente a representação esquemática de uma bomba centrifuga, a seguir, preenchendo os quadros deixados em branco:

Preme gaxeta Bucha de garganta

Rolamento

Eixo

Carcaça

Impelidor

Anel de lanterna

Gaxeta

Anel defletor

RESERVADO

Capítulo 2. Bombas centrífugas

4) Correlacione os principais tipos construtivos de bombas centrífugas e respectivas aplicações, numerando, adequadamente, a coluna da direita: ( 1 ) Bombas horizontais, radialmente bipar- ( 4 ) tidas, com único impelidor entre mancais com sucção dupla.

Usadas onde não é possível instalar bombas convencionais.

( 2 ) Bombas horizontais, axialmente biparti- ( 1 ) das, de múltiplos impelidores (estágios) entre mancais com sucção dupla ou simples no primeiro estagio.

Usadas principalmente em sistemas transferência de óleo.

( 3 ) Bombas verticais, com eixos prolonga- ( 5 ) dos, radialmente bipartidas, com único impelidor de sucção simples ou dupla.

usadas na captação de água do mar e elevação artificial - BCS

( 4 ) Bombas verticais, com eixos prolonga- ( 3 ) dos, radialmente bipartidas com múltiplos estágios (impelidores) com sucção simples.

Usadas em sistemas de captação de água, sistema de offloading, sistema de combate a incêndio etc.

( 5 ) Bombas verticais, com motores elétricos ( 2 ) submersos, radialmente bipartidas, com único impelidor ou múltiplos estágios com sucção simples.

Usadas em sistemas de transferência de óleo e injeção de água.

RESERVADO

89

RESERVADO

Capítulo 3 Bombas volumétricas

Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Identificar o princípio de funcionamento das bombas volumétricas; • Caracterizar bomba volumétrica, seus tipos construtivos e seus respectivos campos de aplicação.

RESERVADO

Alta Competência

92

RESERVADO

Capítulo 3. Bombas volumétricas

3. Bombas volumétricas

A

s bombas volumétricas, também conhecidas como bombas de deslocamento positivo, são equipamentos mecânicos utilizados para o transporte de um líquido, de um ponto de menor energia para outro de maior energia. Isto acontece através de um mecanismo da bomba que induz o deslocamento do líquido em uma determinada direção. A quantidade necessária de pressão deve ser suficiente para vencer os efeitos combinados de atrito, pressão e gravidade.

3.1. Princípio de funcionamento das bombas volumétricas As bombas volumétricas ou de deslocamento positivo são aquelas onde a energia é fornecida ao líquido diretamente sob forma de pressão, unicamente. Não há transformação de energia de velocidade em pressão, como nas bombas centrífugas. A movimentação do líquido é diretamente causada pela movimentação do elemento bombeador (pistão, êmbolo ou diafragma) que tem a função de “empurrar” o líquido. Certo volume de líquido preenche, sucessivamente, o espaço criado pelo elemento bombeador, no interior da bomba, sendo depois expulso. A denominação desse tipo de bomba − volumétrica − se deve a esse aspecto. Uma característica importante deste tipo de bomba decorre do fato da vazão média permanecer praticamente constante, independente da contrapressão, desde que a rotação seja mantida constante.

3.2. Classificação das bombas volumétricas As bombas volumétricas podem ser divididas em dois grandes grupos: • Bombas alternativas; • Bombas rotativas.

RESERVADO

93

Alta Competência

Bomba volumétrica alternativa

Bomba volumétrica rotativa

3.2.1. Bombas alternativas As bombas alternativas envolvem um movimento intermitente de um pistão no interior de um cilindro. Isso resulta no escoamento de um volume fixo a cada golpe do pistão.

94 1

Movimento do pistão no recalque

2 1 - Válvula de admissão 2 - Válvula de descarga

Principio de funcionamento da Bomba alternativa de pistão

O fluxo de aspiração, nas bombas alternativas, é produzido pelo movimento do elemento bombeador. O movimento de admissão produz uma depressão no interior do cilindro, em função de da aceleração do fluido e das perdas de carga na válvula. Com isso a válvula de admissão (1) se abre, permitindo o enchimento do cilindro pelo líquido que se encontra a uma pressão maior. Durante esse movimento, a válvula de descarga (2) permanece fechada pela diferença de pressão.

RESERVADO

Capítulo 3. Bombas volumétricas

No curso do movimento de descarga, o elemento bombeador (pistão ou êmbolo) empurra o líquido para fora do cilindro através da válvula de descarga (2), enquanto a válvula de admissão (1) mantémse fechada. É importante ressaltar que as válvulas de admissão e descarga são atuadas pela diferença de pressão entre a linha de processo e o interior da bomba. 3.2.2. Tipos e componentes das bombas alternativas Em função do elemento bombeador, existem três tipos básicos de bombas alternativas: • Bombas de pistão;

95

• Bombas de êmbolo; • Bombas de diafragma. A) Bombas alternativas de pistão As bombas do tipo pistão usam um plug ou pistão para forçar o líquido a se deslocar da entrada até a descarga da bomba. É o tipo de construção mais usada. Vejamos na ilustração a seguir os seus principais componentes.

RESERVADO

Alta Competência

Amortecedor de pulsação

Válv. sucção

Cruzeta

Válv. descarga

Gaxetas

Girabrequim

Biela Engrenagem

Pistão

Camisa

Principais componentes da bomba alternativa tipo pistão

96

Detalhe do girabrequim

B) Bombas alternativas de êmbolo A diferença fundamental entre um pistão e um êmbolo está na relação entre o comprimento e a área da seção transversal do elemento bombeador. No êmbolo, esta relação é maior que a do pistão. Além disso, os pistões são dotados de ranhuras para instalação de elementos de vedação. Normalmente estas bombas são utilizadas para pressões maiores que a faixa (range) coberta pelas bombas de pistão.

RESERVADO

Capítulo 3. Bombas volumétricas

Descarga

Gaxeta

Biela

Manivela Acionador

Êmbolo

Válvula retenção

Sucção

Flange Componentes da bomba alternativa tipo êmbolo

97

Êmbolo

Cabeçote

RESERVADO

Alta Competência

Biela / Cruzeta / Haste

98

Com exceção do elemento bombeador, as bombas alternativas de pistão e de êmbolo compartilham dos componentes virabrequim e biela, peças fundamentais da bomba, responsáveis em transformar o movimento rotativo do acionador em movimento alternativo para a cruzeta. Um virabrequim poderá ter tantas bielas quantos forem os números de cilindros que compõem a bomba. • Cruzeta A cruzeta é o elemento de ligação entre a biela e a haste. • Cilindros Os cilindros constituem a parte mais volumosa das bombas alternativas, onde o pistão/embola está alojado e executa o seu movimento alternativo. São peças fundidas. • Válvulas As válvulas são responsáveis por permitir a entrada e a descarga de líquido conforme o curso da haste e o diferencial de pressão entre a linha de processo e o interior da bomba.

RESERVADO

Capítulo 3. Bombas volumétricas

• Caixa de vedação A função da caixa de vedação é manter vazamentos mínimos ou em alguns casos, estanqueidade entre o líquido de processo e a atmosfera. A gaxeta é o tipo de elemento de vedação mais usual nestes tipos de bombas. Fazem parte deste o preme-gaxeta e o anel de lanterna. O preme-gaxeta, também conhecido, como “sobreposta” é responsável pelo ajuste das gaxetas, quando as mesmas começam a se desgastarem. É através da sobreposta que se regula o aperto das gaxetas. Este ajuste não deverá ser em demasia a ponto de vedar completamente o vazamento do líquido. O anel de lanterna consiste de um anel bipartido instalado na caixa de selagem como o objetivo de permitir a injeção de líquido para selagem e refrigeração da região de vedação, e evitar a entrada de ar para o interior da bomba para aquelas que operam pressão negativa na sucção. C) Bombas alternativas de diafragma Uma bomba do tipo diafragma pode ser comparada a uma bomba do tipo pistão, exceto em relação ao elemento proporcionador do deslocamento, que está em contato com o líquido que é um diafragma. Esta membrana pode ser fabricada em borracha sintética, teflon, aços inox, titânio etc. Pequenos modelos deste tipo de bomba são usados como bombas dosadoras de produtos químicos onde há necessidade de bombear uma quantidade constante de um determinado produto químico no processo. O diafragma evita que o líquido bombeado entre em contato com as partes internas do cilindro em função da agressividade do mesmo. Estas bombas não requerem nenhum tipo de selagem.

RESERVADO

99

Alta Competência

Alem do acionamento mecânico ou por pressão hidráulica, o tipo mais comum deste tipo de bomba é aquele acionado por ar comprimido. Essas bombas são basicamente constituídas por um sistema de duas bombas que trabalham combinadas em uma. Enquanto uma delas está no ciclo de sucção a outra está no ciclo de descarga. As válvulas de ar atuam automaticamente pressurizando um dos lados da câmara do diafragma enquanto a outra câmara do diafragma é ventada. Diafragma acionado mecanicamente

100

Acionamento do diafragma

RESERVADO

Capítulo 3. Bombas volumétricas

Acionamento por ar comprimido

Acionamento hidráulico

101

Acionamento hidráulico

3.2.3. Classificação das bombas alternativas As bombas alternativas podem ser classificadas em relação: A) A posição dos cilindros; B) Ao número de cilindros; C) À ação de bombeamento; D) À possibilidade de variação do curso do bombeador.

RESERVADO

Alta Competência

A) Com relação à posição dos cilindros, as bombas alternativas são classificadas em horizontais e verticais.

Bombas alternativas vertical

102

Bombas alternativas horizontal

B) Em relação ao número de cilindros, elas são classificadas em:

RESERVADO

Capítulo 3. Bombas volumétricas

Simplex (um cilindro)

Duplex (dois cilindros)

103

Triplex (três cilindros)

Multiplex (Mais de três cilindros)

C) Em relação à ação de bombeamento, as bombas alternativas são classificadas em: Simples efeito Duplo efeito

A sucção e a descarga são feitas somente em um dos lados. A sucção e a descarga são feitos em ambos os lados. Enquanto um lado succiona o outro lado descarrega o líquido e vice-versa.

D) Com relação à possibilidade de variação do curso do bombeador, temos a seguinte classificação: Curso constante Curso variável

Mais usuais. Proporciona variar a vazão, daí serem denominadas dosadoras.

RESERVADO

Alta Competência

Controle de vazão (curso variável)

3.2.4. Campo de aplicação das bombas alternativas

104

As bombas alternativas podem ser utilizadas na indústria química no processo de dosagem, no bombeamento de água para caldeiras, pois utilizam o próprio vapor da caldeira para movimentá-las e no acionamento de prensas na indústria metal-mecânica 3.2.5. Características básicas das bombas alternativas Vejamos a seguir, um conjunto de informações, bem como algumas de suas características: Utilizadas para altas pressões (70 a 200 kgf/cm2) e extrema pressão, aproximadamente 10.000 PSI, podendo chegar até 100.000 PSI para aplicações de corte de materiais; Vazões baixas – (Por exemplo: 3,6 m3/h - Sistema de Glicol); Vazões precisas – bombas dosadoras; Líquidos com alto teor de sólidos em suspensão; Podem ser utilizadas com líquidos viscosos; Onde a porcentagem de gás dissolvida no líquido seja elevada; Pode ser utilizado variador de freqüência para controle da vazão de bombas alternativas convencionais ou variação do curso do bombeador nas dosadoras; Fácil aspiração, melhor eficiência (95%), conseguem altas pressões; Sistemas onde uma vazão pulsátil seja tolerável (normalmente necessitam amortecedor de pulsação); Ocupam grande espaço; Vibram muito; Apresentam custos de aquisição e manutenção elevados; Não há necessidade de escorva da bomba.

RESERVADO

Capítulo 3. Bombas volumétricas

3.3. Bombas rotativas Nas bombas rotativas, o transporte do líquido é comandado pelo movimento de rotação de um elemento bombeador (parafuso, engrenagens, palhetas, lóbulos).

105 Estrutura básica de uma bomba rotativa

3.3.1. Tipos, componentes e classificação das bombas rotativas Os tipos de bombas rotativas mais usuais em unidades de produção são: A) Bombas rotativas tipo engrenagens; B) Bombas rotativas tipo parafuso (Duplo Parafuso ou 3 parafusos); C) Bombas rotativas tipo helicoidais ou cavidades progressivas (BCP). A seguir apresentaremos algumas informações básicas sobre cada um dos principais tipos.

RESERVADO

Alta Competência

A) Bombas rotativas tipo engrenagens As bombas rotativas de engrenagens externas são bombas que funcionam pela ação de duas engrenagens trabalhando dentro da carcaça da bomba com folgas bastante reduzidas. Com o movimento rotativo, um vácuo parcial é formado durante o desengrenamento do par de engrenagens, no lado da sucção, quando então o líquido é aspirado para o interior da bomba. O líquido, aprisionado entre os dentes das engrenagens e a carcaça, é conduzido para o bocal de descarga da bomba onde o engrenamento dos dentes provoca a sua saída através do bocal de descarga. É importante lembrar que o sentido de rotação das bombas determina quais serão os bocais de sucção de descarga.

106

Nos modelos de bombas onde uma engrenagem aciona a outra, a engrenagem movida normalmente gira apoiada sobre mancais do tipo bucha. Nestes casos, os mancais alojados na carcaça são banhados com o líquido bombeado. Conseqüentemente, estes mancais e as engrenagens são dependentes da qualidade lubrificante do líquido bombeado. Em outros modelos de bombas rotativas, as engrenagens não se tocam e ambas são acionadas através de um par de engrenagens sincronizadoras do lado externo da bomba. Ambos os eixos atravessam a carcaça da bomba necessitando de um sistema de vedação nos referidos pontos. Este tipo de bomba é muito utilizado em sistemas de lubrificação, abrangendo uma faixa (range) de pressão de 1 até 200 bar.

aPrincipio de funcionamento b c d das bombas rotativas de engrenagens

RESERVADO

Capítulo 3. Bombas volumétricas

Selo

Engrenagem motriz Junta da tampa

Sucção Eixo de acionamento Flange Descarga Mancais Engrenagem movida

Componentes de uma bomba de engrenagem

Os principais tipos de engrenagens são classificados em: • Engrenagem de dentes retos;

107

• Engrenagem de dentes helicoidais; • Engrenagem de dentes em espinha de peixe.

Dentes retos: Apresentam muito ruído e baixa eficiência.

Dentes helicoidais: Apresentam um engrenamento mais suave. Não há retenção de líquido entre os dentes, conseqüentemente possui uma boa eficiência.

Dentes em espinha de peixe: Componentes axial e radial são anuladas. Muito silenciosas. Maior Eficiência Volumétrica.

RESERVADO

Alta Competência

B) Bombas rotativas tipo parafuso As bombas rotativas tipo parafuso são normalmente dotadas de dois parafusos, que têm movimentos sincronizados através de um par de engrenagens sincronizadoras. Os filetes dos parafusos não mantêm contato entre si, porém as folgas são bastante reduzidas, pois o rendimento volumétrico da bomba depende, dentre outros fatores, destas folgas. Essas bombas são bastante utilizadas para o transporte de líquidos de viscosidade elevada.

108

Para viscosidades na faixa de 100 a 500 cSt (centistokes), normalmente é recomendável realizar uma análise comparativa entre a viabilidade de usar bombas centrifugas ou de deslocamento positivo. Porém, acima de 500 cSt a tendência é utilizar este tipo de bomba. As bombas tipo parafuso podem apresentar 2 ou 3 parafusos. Estas bombas apresentam como características principais: • Vazão uniforme; • Boa tolerância à presença de ar e gás; • São bastante compactas; • Baixa vibração. Em contrapartida, são bastante sensíveis à presença de material abrasivo e a variação da viscosidade, fazendo com que a sua eficiência volumétrica caia com o aumento das folgas e/ou queda da viscosidade. Elas também apresentam alto custo devido a folgas e tolerâncias de usinagem e necessitam de maiores cuidados nos ajustes de manutenção. A ilustração a seguir mostra os principais componentes de uma bomba rotativa tipo parafuso:

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Capítulo 3. Bombas volumétricas

Camisa interna (liner)

Corpo da bomba

Engrenagens de sincronização

Rolamentos Selo mecânico ou gaxetas Fusos

Componentes de uma bomba tipo parafuso

Quando a bomba é projetada para serviços pesados, projeta-se um conjunto de engrenagens instaladas na parte externa da carcaça para a transmissão do torque do eixo motriz para o eixo acionado. Este conjunto de engrenagens é chamado de engrenagens de sincronização.

Bombas de parafusos com destaque para engrenagens de sincronização

Engrenagens de sincronização

RESERVADO

109

Alta Competência

Par de Parafusos

110

As bombas rotativas do tipo Parafuso podem ser classificadas, conforme o sentido de escoamento de líquido no interior da carcaça em: • Fluxo unidirecional; • Fluxo reverso; • Fluxo em contracorrente.

Fluxo unidirecional

Fluxo reverso

RESERVADO

Capítulo 3. Bombas volumétricas

Fluxo em contracorrente

Quanto ao número de parafusos, estas bombas podem ter 2 ou 3 parafusos.

Sucção Carcaça

Parafuso acionado

Parafuso acionador

Bomba com 3 parafusos

Parafuso acionado Descarga

Acionador (motriz é o eixo que está para fora da carcaça da bomba)

B

Parafuso acionado (movido)

Bomba com 2 parafusos

RESERVADO

111

Alta Competência

C) Bombas rotativas tipo helicoidais ou de cavidades progressivas (BCP) As bombas helicoidais ou bombas de cavidades progressivas (BCP) são também conhecidas por monofuso ou bombas nemo. Nesse tipo de bomba, devido à geometria das roscas do estator e impelidor, formase uma seqüência de cavidades entre a sucção e a descarga. Com o movimento oscilatório do parafuso, as cavidades abrem e fecham de maneira progressiva e ininterrupta, conduzindo o líquido até a descarga, conseguindo, deste modo, um escoamento sem pulsação. A pressão de descarga é uma função do comprimento e passo do conjunto impelidor-estator. Principio de funcionamento de uma BCP

112

(a)

(a)

O esquema ao lado representa estágios do ciclo de funcionamento da bomba de cavidade progressiva.

(b)

(a)

(b) (c)

(c)

(d)

(c)

(d) RESERVADO

Capítulo 3. Bombas volumétricas

Os principais componentes deste tipo de equipamento são: • Carcaça - Estrutura em ferro fundido; • Impelidor - Parafuso em aço tratado termicamente ou com aplicação de cromo duro. É resistente à abrasão e corrosão, sendo usinado com alta precisão; • Estator - Elastômero com perfil de rosca interna helicoidal de dupla entrada (Passo do estator é o dobro do passo do impelidor). Fabricado em material Buna-N ou Viton, variando a dureza, e a folga entre estator e impelidor. O estator é vulcanizado no interior da carcaça.

Flange de sucção

Vedação do eixo

Estator

Impelidor (parafuso)

Eixo acionamento

113

Articulação

Mancais

Bomba de Cavidades Progressivas em corte

As Bombas de Cavidade Progressiva ainda apresentam as seguintes características: • Estator confeccionado em elastômero; • Escoamento sem pulsação; • Baixa pressão, baixa vazão; • Não tolera trabalho a seco; • Rendimento independe da Viscosidade (interferência);

RESERVADO

Alta Competência

• Grande range de viscosidades; • Boa tolerância a abrasivos podendo chegar a 80% de material abrasivo; • Boa tolerância a gás. Os campos de aplicação das Bombas de Cavidades Progressivas são: • Fluxos multifásicos, como óleo, água com adição de areia; Exemplos: slop tank, caisson de produção; • Petróleo de alta viscosidade; • Indústria alimentícia;

114 • Condensado de gás.

3.4. Principais diferenças entre bombas centrífugas e bombas volumétricas Vejamos no quadro a seguir, um resumo das principais diferenças entre as bombas volumétricas e as bombas centrifugas: Bombas centrífugas H = a - b.Q Há movimento relativo; Energia transferida sob a forma cinética e de pressão; Maior range de vazão com pressões limitadas em baixas vazões; Restrições que devem ser analisadas para líquidos de alta viscosidade; Vazão depende da contrapressão do sistema Melhor tolerância a abrasivos quando previstos no projeto.

Bombas volumétricas Q = k.rpm Líquido com mesmo movimento do órgão mecânico; Transferência de energia diretamente na forma de pressão; Alta pressão em baixas vazões; Opera bem com líquidos viscosos Vazão independe da contrapressão do sistema; Baixa tolerância a líquidos abrasivos.

RESERVADO

Capítulo 3. Bombas volumétricas

3.5. Exercícios 1) Identifique e utilize, a partir dos conceitos apresentados, uma das opções apresentadas para completar adequadamente as frases referentes ao princípio de funcionamento das bombas volumétricas: a) As bombas volumétricas ou de deslocamento positivo são aquelas nas quais a energia é fornecida ao líquido diretamente e unicamente ____________________. (sob a forma de movimento) / (sob a forma de expansão) (sob forma de pressão) b) Em oposição ao que acontece com as bombas centrífugas, no caso das bombas volumétricas não há transformação de _________________________. (energia de velocidade em pressão) / (energia elétrica em movimento) (energia mecânica em elétrica). 2) Marque com um X as opções que constituam características próprias das bombas volumétricas: Nas bombas volumétricas: ( ) a energia estática se transforma em energia de velocidade. ( ) o incremento da quantidade de pressão permite vencer os efeitos combinados de atrito, pressão e gravidade. ( ) a movimentação do líquido é diretamente causada pela movimentação do elemento bombeador. ( ) a vazão média permanece praticamente constante, independente da contrapres são, desde que a rotação seja mantida constante.

RESERVADO

115

Alta Competência

3) Relacione os principais tipos construtivos de bombas volumétricas as respectivas aplicações, numerando, adequadamente, a coluna da direita:

116

1. Bombas alternativas de pistão

( )

São bombas bastante utilizadas para o transporte de líquidos de viscosidade elevada.

2. Bombas alternativas de êmbolo

( )

Constituem o tipo de construção de bmba de maior aplicação.

3. Bombas alternativas de diafragma

( )

São usadas em sistemas de lubrificação, abrangendo um range de pressão de 1 até 200bar.

4. Bombas rotativas tipo parafuso

( )

São usados como bombas dosadoras de produtos químicos quando há necessidade de bombear uma quantidade constante de produto químico no processo

5. Bombas rotativas tipo helicoidais ou cavidades progressivas (BCP)

( )

São usadas para pressões maiores que o range coberto pelas bombas de pistão.

6. Bombas rotativas tipo engrenagens

( )

São aplicáveis a fluxos multifásicos, petróleo de alta viscosidade, em condensado de gás e na Indústria alimentícia.

RESERVADO

Capítulo 3. Bombas volumétricas

3.6. Glossário Anel bipartido - anel de desgaste usado na vedação entre partes do motor. BCP - Bomba de Cavidade Progressiva. Biela - componente de uma máquina capaz de transformar um movimento retilíneo alternativo em um movimento circular contínuo. Bomba rotativa - nome genérico que designa uma gama de variedades de bombas. Contrapressão - pressão exercida no sentido contrário ao do fluxo principal de um fluido, provocada pela formação de recirculação ou de turbilhonamento. Escorva - retirada de ar de um sistema de bombeamento. Estanqueidade - capacidade de conter, de impedir que um líquido escoe, de estancar, parar, interromper.

117

Estator - camisa de vedação da bomba de cavidade progressiva. Fluxo multifásico - escoamento de uma mistura complexa contendo óleo, água e gás. Impelidor - também chamado de rotor. É constituído de um disco provido de pás (palhetas) que através do movimento de rotação, promovido por ação de um motor, é capaz de impulsionar um líquido; Range - faixa, alcance. Recalque - sinônimo de descarga. Local por onde sai o fluxo de líquido após ser impulsionado pela bomba. Torque - força que tende a rodar ou virar objetos Virabrequim - eixo presentes em motores e bombas que tem a função de transformar o movimento alternativo (de sobe e desce) dos pistões em movimento contínuo de rotação.

RESERVADO

Alta Competência

3.7. Bibliografia MATTOS, Edson Ezequiel de; Falco, Reinaldo de. Bombas Industriais 2ª edição. Rio de Janeiro: Interciência, 1998. 474p. LIMA, Epaminondas Pio Correia. A mecânica das bombas. Gráfica Universitária.

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RESERVADO

Capítulo 3. Bombas volumétricas

3.8. Gabarito 1) Identifique e utilize, a partir dos conceitos apresentados, uma das opções apresentadas para completar adequadamente as frases referentes ao princípio de funcionamento das bombas volumétricas: a) As bombas volumétricas ou de deslocamento positivo são aquelas nas quais a energia é fornecida ao líquido diretamente e unicamente sob forma de pressão. (sob a forma de movimento)/ (sob a forma de expansão)/ (sob forma de pressão) b) Em oposição ao que acontece com as bombas centrífugas, no caso das bombas volumétricas não há transformação de energia de velocidade em pressão. (energia de velocidade em pressão)/ (energia elétrica em movimento)/(energia mecânica em elétrica). 2) Marque com um X as opções que constituam características próprias das bombas volumétricas: Nas bombas volumétricas: ( ) a energia estática se transforma em energia. de velocidade (X) o incremento da quantidade de pressão permite vencer os efeitos combinados de atrito, pressão e gravidade. (X) a movimentação do líquido é diretamente causada pela movimentação do elemento bombeador. (X) a vazão média permanece praticamente constante, independente da contrapressão, desde que a rotação seja mantida constante. 3) Relacione os principais tipos construtivos de bombas volumétricas as respectivas aplicações, numerando, adequadamente, a coluna da direita: 1. Bombas alternativas ( 5 ) de pistão

São bombas bastante utilizadas para o transporte de líquidos de viscosidade elevada.

2. Bombas alternativas ( 1 ) de êmbolo

Constituem o tipo de construção de bmba de maior aplicação.

3. Bombas alternativas ( 6 ) de diafragma

São usadas em sistemas de lubrificação, abrangendo um range de pressão de 1 até 200bar.

4. Bombas rotativas tipo ( 3 ) parafuso

São usados como bombas dosadoras de produtos químicos quando há necessidade de bombear uma quantidade constante de produto químico no processo

5. Bombas rotativas tipo ( 2 ) helicoidais ou cavidades progressivas (BCP)

São usadas para pressões maiores que o range coberto pelas bombas de pistão.

6. Bombas rotativas tipo ( 4 ) engrenagens

São aplicáveis a fluxos multifásicos, petróleo de alta viscosidade, em condensado de gás e na Indústria alimentícia.

RESERVADO

119

RESERVADO

Capítulo 4

Curvas de Performance ou Curvas Características Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Identificar as curvas características de uma bomba centrífuga; • Reconhecer os fenômenos hidráulicos que acontecem com a bomba quando operada fora dos limites aceitáveis.

RESERVADO

Alta Competência

122

RESERVADO

Capítulo 4. Curvas de performance ou curvas características

4. Curvas de Performance ou Curvas Características

A

s “curvas características” fornecem informações importantes para a escolha e utilização das bombas.

4.1. Curvas características das bombas (altura manométrica total, potência, rendimento e vazão). Curvas características das bombas são representações gráficas que traduzem o funcionamento da bomba, obtidas através de experiências do fabricante, que fazem a bomba vencer diversas alturas manométricas com diversas vazões, verificando também a potência absorvida e a eficiência da bomba. 4.1.1. Obtenção da curva característica de uma bomba O levantamento das curvas características das bombas é realizado pelo fabricante do equipamento, em bancos de prova equipados para tal serviço. A seguir está representado um esquema para ajudar a compreender melhor esse quesito Medidor de vazão Reservatório de água a temperatura ambiente

Manômetros Ps

Pd

Válvula

Bomba

RESERVADO

123

Alta Competência

Considerando-se que: • Ps seja a pressão de sucção no flange de sucção da bomba; • Pd seja a pressão de descarga no flange de descarga da bomba; • A bomba em questão esteja com um diâmetro de impelidor conhecido; • Exista uma válvula situada logo após a flange de descarga (bocal de recalque) da bomba, com a finalidade de controle de vazão;

124

• Exista um medidor de vazão, seja ele qual for, para obtermos os valores da vazão em cada instante. De uma maneira simplificada, as curvas características são traçadas da seguinte forma, conforme as etapas a seguir: 1º) Coloca-se a bomba em funcionamento, com a válvula de descarga totalmente fechada (Q = 0). A pressão desenvolvida pela bomba será igual a pressão de descarga (Pd) menos a pressão de sucção (Ps). Com a pressão diferencial, obtém-se a altura manométrica (H) desenvolvida pela bomba, através da fórmula:

γ Vd - velocidade do liquido na descarga da bomba. Corresponde à vazão dividida pela área da seção transversal da tubulação correspondente ao ponto de instalação do manômetro de descarga. Vs - velocidade do liquido na sucção da bomba. Corresponde à vazão dividida pela área da seção transversal da tubulação correspondente ao ponto de instalação do manômetro de sucção,

RESERVADO

Capítulo 4. Curvas de performance ou curvas características

Essa altura é normalmente conhecida como altura shut-off( H0), ou seja, altura desenvolvida pela bomba correspondente a vazão zero, a qual chamaremos de H0. 2º) Abre-se parcialmente a válvula, obtendo-se assim uma nova vazão, determinada pelo medidor de vazão, a qual chamaremos de Q1 e procede-se de maneira análoga a anterior, para determinarmos a nova altura desenvolvida pela bomba nesta nova condição, a qual chamaremos de H1. 3º) Abre-se um pouco mais a válvula, obtendo-se assim uma vazão Q2 e uma altura H2, da mesma forma que anteriormente descritas. 4º) Continuando o processo algumas vezes, obtemos outras relações entre a vazão e altura. Esses valores podem ser plotados em um gráfico, onde no eixo das abscissas (eixo horizontal) indica os valores das vazões e no eixo das ordenadas (vertical) estão os valores das alturas manométricas. H H0 H1

H2

Vazão (Q)

Altura (H)

Q0

H0

Q1

H1

Q2

H2

Q3

H3

Vazão (Q)

Q0

Q1

Q2

Q3

Q

Altura (H)

Q0

H0

Q1

H1

Q2

H2

Q3

H3

Gráfico: vazão x altura manométrica

H3

Normalmente, os fabricantes alteram diâmetros de impelidores para um mesmo equipamento, obtendo-se assim a curva da bomba com uma família de diâmetros de impelidores, como mostrado a seguir.

RESERVADO

125

Alta Competência

H

D1 D2 D3 D4 D5

D1 > D2 >D3 > D4 >D5

Q

Gráfico: altura manométrica x vazão

126

Onde: H - altura manométrica; Q - vazão; D - diâmetro do rotor.

4.2. Tipos de curvas características das bombas As curvas características das bombas, também chamadas de curvas características do impelidor podem apresentar gráficos típicos, dependendo do tipo de bomba, da largura dos impelidores, da quantidade de pás dos impelidores, do ângulo de inclinação destas pás, A seguir estão relacionados algumas dessas curvas:

RESERVADO

Capítulo 4. Curvas de performance ou curvas características

Curva tipo Estável ou tipo Rising H

Neste tipo de curva, a altura aumenta continuamente com a diminuição da vazão. A altura correspondente da vazão nula é cerca de 10% a 20% maior que a altura para o ponto de maior eficiência. Q

Curva tipo Instável ou tipo Drooping H

Nesta curva, a altura produzida com a vazão zero é menor do que as outras correspondentes a algumas vazões. Neste tipo de curva, verifica-se que para alturas superiores ao shut-off, dispomos de duas vazões diferentes, para uma mesma altura.

127

Q

Curva tipo Inclinado ou tipo Steep H

É uma curva do tipo estável, em que existe uma grande diferença entre a altura desenvolvida na vazão zero shut-off e a desenvolvida na vazão projeto, ou seja, cerca de 40% e 50%. Q

RESERVADO

Alta Competência

Curva tipo Plana ou tipo flat H

Nesta curva, a altura varia muito pouco com a vazão, desde o shut-off até o ponto de projeto.

Q

Curva tipo Instável H

128

É a curva na qual para uma mesma altura, corresponde duas ou mais vazões num certo trecho de instabilidade. É semelhante a curva drooping. Q1

Q2

Q3

Q

4.3. Curva de potência consumida pela bomba Na bomba, que está sendo testada, estão instalados instrumentos de medições elétricas, como por exemplo, watímetros, amperímetros, voltímetros etc, que fornecem dados para podermos traçar as curvas de potência consumida versus vazão (P x Q) a partir das características elétricas do motor. Os dados necessários para o levantamento das curvas PxQ são coletados durante o teste de bancada. Essas curvas são plotadas em um gráfico, onde no eixo das abscissas ou eixo horizontal, temos valores de vazão (Q) e no eixo das ordenadas ou eixo vertical os valores de potência consumida (P).

RESERVADO

Capítulo 4. Curvas de performance ou curvas características

4.3.1. Tipos de curvas de potência consumida As curvas de potência versus vazão também possuem características específicas de acordo com a forma que apresentam. As bombas centrífugas se subdividem em três tipos de fluxo: • Fluxo radial; • Fluxo axial; • Fluxo misto. Para cada tipo de fluxo, podemos identificar a existência de uma curva típica de potência consumida diferente. A seguir apresentamos os gráficos de referência. Curva de potência de uma bomba de fluxo misto ou semi-axial

P Neste tipo de curva, a potência consumida aumenta até certo ponto, mantendo-se quase constante com o aumento da vazão. Esta curva tem a vantagem de não apresentar grande variação da potencia com o acréscimo da vazão. Estas curvas são chamadas de “no over loading”.

Q

RESERVADO

129

Alta Competência

Curva de potência de uma bomba de fluxo radial Neste tipo de curva, a potência aumenta continuamente com a vazão ate um limite que esta relacionado com as condições hidráulicas da bomba. O motor deve ser dimensionado de modo que sua potência cubra todos os pontos de operação. Nos sistemas com alturas variáveis, é necessário verificar as alturas que poderão ocorrer, para se evitar a sobrecarga do motor. Estas curvas são chamadas “over loading”.

P

Q

Curva de potência de uma bomba de fluxo axial

P

130 Neste tipo de curva, a potência consumida decresce com o aumento da vazão. Portanto a partida da bomba com a válvula de descarga fechada, ao contrario das outras bombas, inflige a maior carga sobre o motor.

Q

4.4. Cálculo da potência consumida pela bomba O cálculo tem como finalidade a seleção da bomba que será usada no trabalho. Todos os dados utilizados no cálculo devem ser reais. 4.4.1. Potência hidráulica O trabalho útil realizado por uma bomba centrífuga é, naturalmente, o produto do peso do líquido deslocado pela altura desenvolvida. Se considerarmos este trabalho na unidade de tempo, temos potência hidráulica, que é expressa pela fórmula:

RESERVADO

Capítulo 4. Curvas de performance ou curvas características

Onde: Ph = Potência hidráulica (cv);

γ = Peso específico do líquido (kgf/dm³); Q = Vazão (m³/h); H = Altura manométrica (m); 270 = Fator de conversão de unidade para cavalo-vapor (cv). 4.4.2. Potência consumida pela bomba Para calcularmos a potência consumida pela bomba, basta utilizarmos o valor do rendimento da bomba, pois a potência hidráulica não é igual à potência consumida, pois existem perdas por atrito e recirculação interna de liquido na bomba.

4.5. Rendimento Chamamos de rendimento (η) a relação entre potência hidráulica (Ph) e potência consumida (P) pela bomba.

Então:

RESERVADO

131

Alta Competência

Da mesma forma é possível calcular a potência consumida a partir da seguinte fórmula:

Onde: P = Potência consumida pela bomba(cv); γ = Peso específico do líquido (kgf/dm³); Q = Vazão (m³/h);

132

H = Altura manométrica (m); η = Rendimento, lido na curva da bomba; 270 = Fator de conversão de unidade para cavalo-vapor(cv). 4.5.1. Curvas de rendimento O rendimento pode ser representado graficamente através do gráfico a seguir:

η

Q ótimo

Q

Gráfico: rendimento x vazão

RESERVADO

Capítulo 4. Curvas de performance ou curvas características

A vazão ótima, também definida pelo valor Q ótimo corresponde ao ponto de melhor eficiência da bomba considerando um determinado diâmetro do impelidor. 22

266

20 247

18 16

234

14 P (CV)

220

12 10 8 6 4 0

20

40

60

80

100 120 140 Q (m3/h)

160 180 200 220

240

Exemplo de P (potencia consumida) x Q para diâmetros diferentes pertencente ao modelo MEGANORM 80-250 do fabricante KSB.

4.5.2. Curvas de isorendimento Toda bomba apresenta limitação de impelidores, ou seja, a família de impelidores em uma curva característica vai desde um diâmetro máximo até um diâmetro mínimo. O diâmetro máximo é conseqüência do espaço físico existente no interior da bomba e o diâmetro mínimo é limitado hidraulicamente, ou seja, se utilizarmos diâmetros menores dos que indicados nas curvas das bombas, teríamos problemas de funcionamento da bomba, baixos valores de vazão, baixas alturas manométricas, baixos rendimentos etc. As curvas de rendimento das bombas, encontradas em catálogos técnicos dos fabricantes, se apresentam, em alguns casos, plotadas isoladamente, ou seja, o redimento obtido para cada diâmetro de impelidor em função da vazão. Em outros, que é o mais comum, apresentam-se plotadas sobre as curvas dos diâmetros dos impelidores. Esta nova representação baseia-se em plotar sobre a curva Q x H de cada impelidor, o valor do rendimento comum para todos os demais. Posteriormente unem-se os pontos de mesmo rendimento, formando as curvas de rendimento das bombas.

RESERVADO

133

Alta Competência

Essas curvas são também chamadas de curvas de isorendimento. A seguir apresentamos um exemplo de uma dessa representação: H

70%

80%

85% 86%

85% 80% 70% D1 D2

η (%)

D3

86 85 80 70

134

D3 D2

D1

Q Gráfico: altura manométrica x vazão x rendimento para cada diâmetro do rotor

KSB Meganorm 80 - 250 - IV pólos (1750 rpm) 40 41

35

51 56

61

66

68,5

71 71,5% 71

30

68,5 66

H (m) 25

266 20

247 234 63,5

15 10

0

20

40

60

80

220

100 120 140 160 180 200 220 240 Q (m3/h)

Exemplo de curva HxQ com as curvas de isorendimento para diâmetros diferentes pertencente ao modelo MEGANORM 80-250 do fabricante KSB.

RESERVADO

Capítulo 4. Curvas de performance ou curvas características

4.6. Curva de NPSH (Net Positive Suction Head) Atualmente, toda curva característica de uma bomba, inclui a curva do NPSH requerido (NPSHr) em função da vazão. Esta curva representa a energia mínima necessária que o líquido deve ter, em unidades absolutas, no flange de sucção da bomba, para garantir seu perfeito funcionamento. Essas curvas características são normalmente apresentadas pelos fabricantes de bombas centrifugas sendo levantadas em bancada de teste utilizando-se a água como fluido de trabalho. Esses testes são regulamentados por entidades normativas especificas que definem detalhadamente equipamentos, limites, critérios, conversões etc. NPSHr

135

Q Curva típica do NPSH requerido de uma bomba centrifuga

266

4,5 3,5

NPSH (m) 2,5 1,5 0,5 0

20

40

60

80

100 120 140

160

180 200

220 240

Q (m /h) 3

Exemplo de curva NPSHr x Q para impelidor de Maximo diamentro do modelo MEGANORM 80-250 do fabricante KSB.

RESERVADO

Alta Competência

4.7. Ponto de trabalho Quando movimentamos liquido de um ponto ao outro numa tubulação, as parcelas Hg, Hp e Hv se alteram. Para manter a soma dessas parcelas constante entre dois pontos foi necessário introduzir o conceito de perda de carga. Portanto quando necessitamos escoar uma determinada vazão de liquido do ponto 1 ao 2, a diferença entre as parcelas : (Hg+Hp+Hv)2 - (Hg+Hp+Hv)1 + (as perdas de carga por fricção na tubulação do ponto 1 ate a sucção da bomba) + (as perdas de carga da descarga ate o ponto 2), representam a energia por unidade de peso que a bomba terá que fornecer ao liquido para que o mesmo saia do ponto 1 e atinja o ponto 2. Hp2 Hp1 Hv2

136 Hv1 Hg2 Hg1 s

d

Logo para traçarmos a curva do sistema devemos calcular essas parcelas variando-se a vazão de zero ate um determinada vazão definida pelo projetista. Como podemos identificar na figura abaixo a curva é composta de uma parcela estática que representa as cargas que independem da vazão e uma parcela dinâmica que varia com a vazão do sistema.

RESERVADO

Capítulo 4. Curvas de performance ou curvas características

H

Dinâmica Estática Q Se plotarmos a curva do sistema no mesmo gráfico onde estão as curvas características das bombas, obteremos o ponto normal de trabalho na intersecção dessas curvas. H P η

Curva do sistema

ηt Ponto de trabalho

Ht

Curva de potência consumida

Pt

Curva de rendimento Curva da bomba

Qt

Q

A curva anterior mostra que esta bomba teria como ponto normal de trabalho:

RESERVADO

137

Alta Competência

• Vazão ótima(Qt); • Altura (Ht); • Potência consumida (Pt); • Rendimento no ponto de trabalho (ηt). 4.7.1. Fatores que modificam o ponto de trabalho Existem diversas maneiras de modificar o ponto de trabalho e deslocar o ponto de encontro das curvas da bomba e do sistema. Estas maneiras consistem em modificar a curva do sistema ou a curva da bomba ou ambas.

138 A) Alteração do ponto de trabalho atuando no sistema Alterar a curva do sistema consiste basicamente em manipular as variáveis de um sistema (para o qual foi levantada a curva). Isso pode ser feito de inúmeras formas. A alteração mais usual da curva do sistema é realizada através do fechamento parcial da válvula de descarga, com isto, aumenta-se a perda de carga, fazendo com que a curva do sistema seja deslocada para a esquerda. Desta forma, obteremos para uma bomba com curva estável, um decréscimo de vazão.

RESERVADO

Capítulo 4. Curvas de performance ou curvas características

Novo ponto de trabalho H

Válvula parcialmente aberta Válvula aberta

Ponto de trabalho inicial

Curva da bomba

Q

É importante ressaltar que o mesmo efeito seria obtido com o fechamento parcial da válvula de sucção. Entretanto, este procedimento não é usado pela influência indesejável nas condições de sucção. Outras formas existentes alteram substancialmente o sistema e não seria propriamente uma variação no ponto de trabalho do sistema anterior e sim do ponto de trabalho de um novo sistema. Estas alterações seriam, por exemplo: • Variação nas pressões dos reservatórios; • Mudança no diâmetro das linhas; • Inclusão ou exclusão de acessórios na linha; • Modificação do desenho (lay-out) das linhas; • Mudança das cotas dos líquidos.

RESERVADO

139

Alta Competência

B) Alteração do ponto de trabalho atuando na bomba As maneiras mais usuais de modificar a curva característica de uma bomba são de variar a rotação da bomba ou variar o diâmetro do impelidor da bomba. • Variação da rotação da bomba. Ponto de trabalho 2 Ponto de trabalho 1

H

Curva da bomba

Rotação 1 > rotação 2

Rotação 1

140

Rotação 2 Qt2

Qt1

• Variação do diâmetro do impelidor da bomba Ponto de trabalho 2 H

Ponto de trabalho 1 Curva da bomba

Rotação 1 > rotação 2

Diâmetro 1 Diâmetro 2 Qt2

Qt1

RESERVADO

Capítulo 4. Curvas de performance ou curvas características

C) Efeito da mudança de rotação nas curvas características Existe uma proporcionalidade entre os valores de vazão (Q), altura (H) e potência (P) com a rotação. Assim sendo, sempre que alterarmos a rotação de uma bomba haverá, em conseqüência, alteração nas curvas características, sendo a correção para a nova rotação feita a partir das seguintes proporções: • A vazão é proporcional à rotação. Q = Vazão na rotação conhecida Q1= Vazão na nova rotação N = Rotação conhecida N1 = Nova rotação • A altura manométrica varia com o quadrado da rotação. H = Altura na rotação conhecida H1= Altura na nova rotação N = Rotação conhecida N1 = Nova rotação

P = Potência na rotação conhecida P1= Potência na nova rotação N = Rotação conhecida N1 = Nova rotação Ou seja:

RESERVADO

141

Alta Competência

Assim sendo, sempre que alterarmos a rotação deve ser feita a correção das curvas características através das relações anteriormente apresentadas para a determinação do novo ponto de trabalho. As relações vistas anteriormente também são chamadas de leis de semelhança ou leis de similaridade. D) Efeito da variação do diâmetro do impelidor nas curvas características Se reduzirmos o diâmetro de um impelidor radial de uma bomba, mantendo a mesma rotação, a curva característica da bomba se altera aproximadamente de acordo com as seguintes equações: Q = vazão no diâmetro conhecido Q1 = vazão no novo diâmetro D = diâmetro conhecido

142

D1 = novo diâmetro

H = altura no diâmetro conhecido H1 = altura no novo diâmetro D = diâmetro conhecido D1 = novo diâmetro

Q = potência no diâmetro conhecido Q1 = potência no novo diâmetro D = diâmetro conhecido D1 = novo diâmetro Ou seja:

RESERVADO

Capítulo 4. Curvas de performance ou curvas características

O procedimento para levantamento das curvas características para um novo diâmetro, em função das curvas características fornecidas pelo fabricante para o diâmetro original, é análogo ao levantamento das curvas feitas para variação da rotação, como visto no item anterior. De uma forma geral, a redução máxima permitida é de cerca de 20% do diâmetro original. Esta redução é aproximada, visto que existem impelidores que podem ser reduzidos em um percentual maior, enquanto que outros não permitem redução além de pequenas margens, sem sofrer efeitos adversos. Na realidade, essas reduções só são permitidas em bombas centrífugas radiais; nas bombas centrífugas de fluxo misto e, principalmente nas axiais, a diminuição do diâmetro do impelidor pode alterar substancialmente o projeto inicial, devido às variações nos ângulos e projetos das pás.

4.8. Cálculo do diâmetro do impelidor

143

Uma maneira de calcular o diâmetro do impelidor, quando o ponto de operação está fora de um diâmetro conhecido na curva característica da bomba, é o seguinte: 1º) Da origem do plano cartesiano, traça-se uma reta até o ponto de operação desejado (H,Q). Caso o plano cartesiano não apresente a origem, ou seja, altura manométrica zero (H=0), basta prolongálo até encontrarmos sua origem, usando a mesma escala utilizada no plano. 2º) A reta traçada deverá cortar a curva conhecida mais próxima ao ponto de operação desejado, encontrando uma nova vazão Q1, e uma nova altura H1, referente à curva com o impelidor D1. 3º) Através das fórmulas a seguir, encontra-se o valor do diâmetro (D) desejado.

ou

RESERVADO

Alta Competência

4º) É interessante utilizar as duas fórmulas para cálculo. Caso os diâmetros encontrados sejam diferentes, optar pelo maior valor. Por exemplo, para uma vazão de 110 m3/h e uma altura manométrica de 25 m, o ponto de trabalho não está em nenhuma curva padrão. 40 41

35

51 56

61

66

68,5

diâmetro D = ?

71 71,5% 71

30

68,5 66

H (m) 25

266 20

247 234 D1 63,5

15

144

10

220

Q1 20

40

60

80

100 120 140 160 180 200 220 240 Q (m3/h)

4.9. Definição das faixas de vazão recomendadas pela norma API 610 A vibração de uma bomba centrifuga varia em função da vazão. Quando a vazão de uma bomba está próxima do ponto de melhor eficiência (BEP – Best Efficiency Point) a sua vibração é mínima. À medida que nos afastamos da mesma a vibração aumenta. A taxa de variação da vibração com a vazão a partir do ponto de melhor eficiência varia em função da densidade de energia da bomba (relação potência x rotação), da sua velocidade específica e da velocidade específica de sucção. Em geral, as variações da vibração com a vazão são maiores à medida que aumentamos a densidade de energia, para velocidades específicas alta e alta velocidade específica de sucção.

RESERVADO

Capítulo 4. Curvas de performance ou curvas características

Com estas características gerais, o range de vazão de operação de uma bomba centrifuga pode ser dividido em duas regiões: uma denominada “melhor região de operaçao”, e a outra, “região recomendada” de operação. A “melhor região de operaçao” corresponde a faixa de vazão entre 80% e 110% do ponto de melhor eficiência (QBEP) e ao longo da qual a bomba exibe baixos valores de vibração. Logo é fortemente recomendável que a bomba selecionada no projeto atenda a esse requisito. A outra, chamada “região recomendada” de operação, corresponde à faixa de vazão entre 70% e 120% do ponto de melhor eficiência (QBEP) na qual a vibração atinge valores ainda aceitáveis. Fatores outros tais como taxa de elevação da temperatura e/ou o aumento do NPSH requerido com a redução da vazão, podem ditar uma região recomendada de operação mais estreita.

Região operacional permitida

Não recomendada

Região operacional recomendada

Vibração

 Head

145

Limite de vibração 0,7 QBEP

0,8 QBEP

QBEP

1,1 QBEP

1,2 QBEP

Vazão (Q)

Regiões de operação recomendadas.

Região Operacional não recomendada (área listrada) corresponde à faixa de vazão abaixo de 70% (0,7 QBEP) e acima de 120% (1,2 QBEP) da vazão associada ao ponto de melhor eficiência (QBEP). A despeito da vazão mínima estável geralmente se encontrar abaixo de 70% do BEP, a mesma ainda faz parte da região permitida de operação da bomba. Entretanto, por razoes técnicas e econômicas, não é recomendável a seleção de uma bomba que atenda o ponto de projeto nesta região.

RESERVADO

Alta Competência

Região Operacional recomendada corresponde a faixa de vazão entre 70% (0,7 QBEP) e 120% da vazão (1,2 QBEP) associada ao ponto de melhor eficiência (QBEP) Melhor região de operação corresponde a faixa de vazão entre 80% (0,8 QBEP) e 110% (1,1 QBEP) da vazão associada ao ponto de melhor eficiência.

4.10. Problemas dinâmicos e hidráulicos relacionados à operação fora dos limites recomendados

146

É de fundamental importância que o técnico de operação saiba quais os fenômenos hidráulicos que ocorrem no interior da bomba a partir do momento que uma manobra operacional leve a bomba a operar fora dos limites recomendados. O pleno conhecimento de “sintomas” do equipamento decorrentes das suas ações determinará a “saúde” do equipamento ao longo da sua vida. 4.10.1. Cargas radiais em bombas com voluta Vejamos, agora, como se comportam as cargas hidráulicas radiais que atuam sobre o eixo da bomba, com carcaça em voluta, à medida que variamos a sua vazão em torno do ponto de melhor eficiência. O gráfico a seguir mostra como a magnitude da carga radial varia em função da vazão. Infelizmente, a carga radial sofrida pelo impelidor é próximo de zero somente nas proximidades do ponto de melhor eficiência. ER

QBEP

Q

Empuxo radial x vazão Empuxo radial x vazão carcaça em voluta carcaça em voluta

RESERVADO

Capítulo 4. Curvas de performance ou curvas características

Durante as operações com vazões mais altas e mais baixas do que ponto de melhor eficiência (BEP), a intensidade e sentido do empuxo radial variam proporcionalmente a distância entre a vazão instantânea e a vazão correspondente ao ponto de melhor eficiência. Observando o gráfico anterior, verificamos também que a carga radial é máxima quando a bomba está no shut-off, ou seja, vazão nula, é praticamente nula nas proximidades da vazão de projeto e torna a crescer à medida que nos afastamos dela. Considerando que este empuxo será transmitido ao eixo e, conseqüentemente, aos mancais e sistema de vedação, torna-se extremamente importante que durante a operação das bombas os técnicos de operação tenham plena consciência dos fenômenos hidráulicos que por hora estão impondo ao equipamento. A operação em demasia, seja em tempo e/ou freqüência, ao longo da curva da bomba e distante do BEP podem levar o equipamento à uma falha prematura. Como forma de reduzir esta carga em altas vazões e heads, algumas bombas são dotadas de carcaça em dupla voluta. Este efeito é alcançado pelo auto-balanceamento das cargas produzidas pelas volutas individualmente, ou seja, são cargas de mesma magnitude e direção, porém em sentidos opostos. Entretanto, o custo dessa redução dos esforços sobre o impelidor é uma ligeira diminuição na eficiência da bomba, mas o balanço final é favorável à obtenção de uma bomba com uma maior confiabilidade. FR

0

Q

BEP

Carga radial x Vazão - Carcaça em dupla voluta

RESERVADO

147

Alta Competência

4.10.2. Operação com vazão reduzida As bombas centrífugas são selecionadas para uma dada vazão e altura manométrica total, na velocidade nominal, de forma que as mesmas operem a maior parte do tempo nestas condições. Nestas condições, a eficiência deverá ser máxima também. Freqüentemente, entretanto, necessita-se que a bomba opere com vazões e altura manométrica total que diferem consideravelmente das condições de projeto. Este problema é grave para bombas operando com vazões reduzidas, principalmente aquelas de alta densidade de energia.

148

A diferença entre a potência consumida e a potência útil entregue ao líquido representa a perda de potência dentro da bomba, exceto um pequeno valor de energia associada às perdas nos mancais. Esta perda de potência é convertida em calor e transferida para o líquido. Se a bomba estiver operando em shut-off, a potência correspondente é utilizada para aquecer a pequena quantidade de líquido no interior da bomba. Enquanto este processo ocorre, a carcaça se aquece e parte do calor é dissipado para a atmosfera circulante. Assim, a taxa de elevação da temperatura no tempo poderia, de forma simplificada, ser calculada através da seguinte expressão:

Onde: ∆T/t = aumento de temperatura em função do tempo; Pot. (shut-off) = Potência consumida no shut-off; ml = massa de líquido no interior da bomba; cl = calor específico do líquido no interior da bomba.

RESERVADO

Capítulo 4. Curvas de performance ou curvas características

Logo, conhecendo o valor da temperatura máxima admissível temos a possibilidade de fazer uma estimativa do tempo máximo permissível de operação com vazão nula. 4.10.3. Vazão mínima de uma bomba centrifuga Em uma bomba centrífuga apenas uma parte da energia, entregue ao eixo, é convertida em energia hidráulica. Parte dela é passada ao líquido na forma de calor devido às fricções internas. Esta perda de energia depende muito da vazão da bomba, como mostrado na ilustração a seguir: HP 

H

149 P



Perdas internas Q

Perdas internas de energia

4.10.4. Recirculação interna e turbulência no impelidor Como vimos no item anterior, o aumento da temperatura, ou seja, fator térmico não é o único critério para a determinação da vazão mínima. Quando a bomba está operando significativamente distante do ponto de melhor eficiência, as linhas de fluxo no interior da bomba mudam consideravelmente quando comparadas com as linhas no ponto de melhor eficiência. Nesta condição é muito comum surgir um turbilhonamento do fluxo na sucção ou na descarga do impelidor. Este fenômeno é classicamente conhecido como “recirculação interna”.

RESERVADO

Alta Competência

Como conseqüência, temos a criação de zonas de baixa pressão que para a respectiva temperatura operação promovem a vaporização do líquido bombeado. As bolhas de vapor oriundas deste processo ao atingirem zonas de alta pressão são colapsadas no interior da massa líquida ou nas proximidades das paredes do impelidor. Este fenômeno é denominado de “cavitação por recirculação”. Esse tipo de cavitação induz erosão e vibração excessiva na bomba e na tubulação a qual ela está ligada. Descarga do impelidor

Recirculação

150

Turbulência

Sucção do impelidor

Recirculação no impelidor

Assim, estas bombas requerem vazões mínimas mais altas que as vazões mínimas impostas por questões térmicas. Em média, a vazão mínima hidráulica gira em torno de 25% a 35% da vazão correspondente ao ponto de melhor eficiência.

RESERVADO

Capítulo 4. Curvas de performance ou curvas características

4.11. Exercícios 1) Classifique as curvas características das bombas com os seus respectivos tipos: a) Tipo Estável ou tipo Rising

b) Tipo Instável ou tipo Drooping

c) Tipo Inclinado ou tipo Steep

d) Tipo Plana ou tipo flat H

H

( )

( ) Q

Q

H

H

( )

151

( )

Q

Q

RESERVADO

Alta Competência

4.12. Glossário BEP - também simbolizado por QBEP. Corresponde ao ponto de trabalho no qual uma bomba desempenha sua função com maior eficiência. Cavitação - formação de bolhas de vapor ou de um gás em um líquido por efeito de forças de natureza mecânica. Head - altura manométrica total do sistema. Impelidor - também chamado de rotor. É constituído de um disco provido de pás (palhetas) que através do movimento de rotação, promovido por ação de um motor, é capaz de impulsionar um líquido. QBEP - também simbolizado por BEP. Corresponde ao ponto de trabalho no qual uma bomba desempenha sua função com maior eficiência. Shut-off - altura desenvolvida correspondente à vazão "ø".

152

Vórtice - turbilhonamento ou redemoinho formado pela circulação de um fluido.

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Capítulo 4. Curvas de performance ou curvas características

4.13. Bibliografia MATTOS, Edson Ezequiel de; Falco, Reinaldo de. Bombas Industriais 2ª edição. Rio de Janeiro: Interciência, 1998. 474p. SILVA, Marcos Antonio da. Manual de Treinamento da KSB Bombas Hidráulicas S/A. 4ª ed. MACKAY, Ross. The Pratical Pumping Handbook. Elsevier Advanced Technology. SULZER PUMPS LTDA. Suzer centrifugal Pump Handbook. 2th ed. Elsevier

153

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Alta Competência

4.14. Gabarito 1) Classifique as curvas características das bombas com os seus respectivos tipos: a) Tipo Estável ou tipo Rising

b) Tipo Instável ou tipo Drooping

c) Tipo Inclinado ou tipo Steep

d) Tipo Plana ou tipo flat H

H

(c)

(a) Q

Q

H

154

H

(d)

(b)

Q

Q

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Capítulo 5 Cavitação e NPSH

Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Identificar o conceito de cavitação em uma bomba centrifuga e suas conseqüências; • Identificar os conceitos de NPSH, NPSH requerido e NPSH disponível; • Citar as principais conseqüências da cavitação.

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Alta Competência

156

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Capítulo 5. Cavitação e NPSH

5. Cavitação e NPSH

C

avitação e NPSH são tópicos muito importantes no estudo de bombas. Esta importância se reflete não só na necessidade de um entendimento adequado destes conceitos para execução de projeto ou seleção do equipamento, como também para a solução de diversos problemas operacionais dele decorrentes. A cavitação, de forma bem simplificada, é um fenômeno associado à formação de bolhas de vapor numa região da bomba onde a pressão é menor que a pressão de vapor do líquido bombeado (na temperatura de bombeio) e posterior colapso destas bolhas na região de alta pressão. O NPSH (Net Positive Suction Head) é a energia mínima em termos absolutos, em metros de coluna de água, acima da pressão de vapor do produto, a fim de evitar a formação destas bolhas de vapor. Nesse estudo consideraremos a água como o líquido de trabalho, pois representa uma substância pura, sendo o líquido mais comumente utilizado em processos de bombeamento no mundo. Além disso, suas propriedades são amplamente conhecidas, fato que leva os fabricantes a usá-la como líquido para os testes de performance de bombas, realizados para levantamento das curvas características do equipamento.

5.1. Pressão de vapor Um dos conceitos fundamentais para o entendimento da cavitação é a pressão de vapor. A curva do gráfico a seguir ilustra este conceito: para cada temperatura existe somente uma pressão na qual a presença do líquido e vapor coexistem. Esta pressão é denominada “pressão de vapor” do líquido. Ou seja, para uma determinada temperatura (T1), à medida que a pressão é reduzida de P1 para P2, atinge-se um ponto (bola preta) em que o líquido inicia um processo de vaporização.

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157

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Pressão

P1

Linha de vaporização Vapor

P2

T1

158

Temperatura

Uma mistura de hidrocarbonetos, como o petróleo, apresenta, quando comparado com uma substância pura, um comportamento diferente em relação à temperatura. Cada componente desta mistura, para uma dada temperatura, terá pressões de vapor em diferentes patamares. Ou seja, para certa temperatura e pressão, os componentes mais pesados estariam em solução na fase líquida, e os mais leves, na forma gasosa, fora da solução.

5.2. O fenômeno da cavitação A palavra cavitação vem do inglês “cavitation” e está associada à palavra “cavity”, que significa “cavidade”, em português. Portanto, a cavitação é um fenômeno associado a processos que envolvem algum tipo de deterioração das superfícies do impelidor e da carcaça. Além disso, ela exerce forte degradação da performance da bomba. É fato aceito tradicionalmente, que se a pressão absoluta, em qualquer ponto de um sistema de bombeamento, atingir valor igual ou inferior à pressão de vapor do líquido na temperatura de bombeamento, parte deste líquido se vaporizará. Nas regiões mais rarefeitas, formam-se pequenas bolsas, bolhas ou cavidades, no interior dos quais o líquido se vaporiza. Nestas condições, quando esta mistura atingir alguma região onde a pressão absoluta for novamente superior à pressão de vapor do líquido na temperatura de bombeamento, haverá o colapso das bolhas com retorno à fase líquida.

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Capítulo 5. Cavitação e NPSH

Na realidade, a penetração de líquido na depressão originada pela deformação da bolha produz microjatos na ocasião do colapso. Desta forma, o efeito é mais severo quando o colapso ocorre em local junto ou próximo à superfície metálica. Neste caso, os microjatos incidem diretamente sobre a superfície, enquanto no caso de bolhas que colapsam na corrente líquida, o impacto é transmitido através de ondas de choque. No caso particular das bombas centrífugas, a região crítica para efeito de análise de cavitação é a entrada no “olho” do impelidor. Neste ponto, a pressão é mínima. Então, considerando que as bombas foram construídas para operação com líquidos, a queda de pressão em níveis iguais ou inferiores à pressão de vapor na temperatura de bombeamento, pode acarretar sérios danos. Direção do fluxo

Depressão

Forma original

Forma esférica original

Forma original de bolha

Deformação no lado da alta pressão

Depressão no lafo oposto á parede metálica

Depressão crescendo no lado da alta pressão

Entrada de líquido na depressão

Jato atinge a superfície metálica

Jato na direção da baixa pressão

Formação do jato

Colapso das bolhas

5.3. Comportamento da pressão na sucção da bomba O esquema a seguir associa uma ilustração em corte mostrando parte de uma bomba (onde são numeradas algumas regiões internas) com um gráfico mostrando o comportamento da pressão nos diversos trechos numerados.

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159

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Flange de sucção

Pá do impelidor (saída)

“olho” do impelidor

Tubulação

5 1

2

4

3

Fenômeno da cavitação

Pá do impelidor (entrada)

Pressão

160 Pressão mínima na bomba 1

2

3

4

5

Regiões de transição

O gráfico relaciona a variação de pressão com a posição ao longo da linha de sucção até a descarga do impelidor (identificadas pela numeração 1, 2, 3, 4 e 5), como forma de explicar o fenômeno da cavitação. Região 1-2 2-3 3-4 4 4-5

Fenômenos Perda de entrada (mudança de secção = atrito + turbulência); Perdas internas por fricção Choques, turbulência e aceleração do líquido. Pressão mínima menor ou igual a pressão de vapor (formação das bolhas). Região de implosão das bolhas = microjatos danos no impelidor

Nos gráficos a seguir podemos detalhar um pouco mais o que ocorre na região 3-5 (canais entre as palhetas do impelidor). Para uma dada vazão, próxima ao ponto de melhor eficiência, a distribuição da pressão ao longo do canal comporta-se conforme as ilustrações a seguir:

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Capítulo 5. Cavitação e NPSH

5

5

Dorso da

xx

3

Dorso da palheta palheta

33

3

5

Rotor

5

Rotor

3 = “Olho” do impelidor; 5 = Descarga do impelidor;

161

P3 = Pressão a montante do “olho” do impelidor; P5 = Pressão de descarga do impelidor; Pmin = Pressão estática mínima atingida no impelidor; Pvapor = Pressão bombeamento.

de

vapor

do

fluido

na

Situação A P

temperatura

de

Situação B

Dorso da palheta

P5

P Dorso da palheta

Pmin > Pvapor

P5

Pmin < Pvapor

P3 Pmin

P3 Pmin

Pvapor

3

3

Posição 3

Pvapor 5 Posição

Cavitação

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É importante ressaltar que o perfil de distribuição de pressão ao longo das palhetas também sofre influência da vazão de trabalho. Operando-se no BEP, por exemplo, verificamos a menor diferença de pressão entre P3 e Pmin. Na situação A é demonstrado que a pressão P3, a montante do “olho” do impelidor, é suficientemente alta para que Pmin, no “olho” do impelidor, continue acima da pressão de vapor na temperatura de bombeamento, então não ocorrerá o fenômeno da cavitação. Na situação B, para a mesma vazão, demonstra-se que nas ocasiões em que P3, pressão à montante do “olho” do impelidor, for suficientemente baixa ao ponto da pressão mínima atingida no “olho” do impelidor cair a valores menores que a pressão de vapor Pvapor do líquido na temperatura de bombeamento, ocorrerá o fenômeno da cavitação.

162

ATENÇÃO É interessante observar que, na vaporização convencional, o aparecimento de bolhas é resultante de aumento de temperatura com a pressão mantida constante, enquanto na cavitação o mesmo fato ocorre com redução de pressão, mantendo a temperatura constante.

5.4. Definição de NPSH - Net Positive Suction Head Um dos mais polêmicos termos associados às bombas é o NPSH. A fim de caracterizar as condições para que ocorra boa "aspiração", foi introduzido o conceito de NPSH. Esta grandeza quando associada ao sistema (instalação) é chamada de NPSHD (disponível) e quando à bomba de NPSHR (requerido). De forma bastante simplificada, podemos considerar que o NPSHD (disponível) do sistema em que a bomba está instalada corresponde a energia existente no flange de sucção da bomba, em termos absolutos, acima da pressão de vapor do líquido na temperatura de bombeamento.

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Capítulo 5. Cavitação e NPSH

Vejamos o exemplo de uma instalação onde uma bomba esta succionando um líquido de um tanque atmosférico, com altura geométrica Z entre a superfície livre do líquido e a linha de referência. Na sucção está instalado um indicador de pressão (Ps).

Indicador de pressão

z

PS

Linha de referência

Se a vazão da bomba for nula, a pressão na sucção da bomba Ps será correspondente a pressão absoluta exercida pela coluna Z de líquido, que chamaremos de Ps0, como indicado no gráfico a seguir.

163 A medida que a vazão Q aumenta, a pressão absoluta de sucção Ps vai diminuindo em função da transformação da pressão em velocidade e do aumento das perdas de carga ΔP entre a saída do tanque e a sucção da bomba.

Q5 >Q4 >Q3 >Q2 >Q1

ΔP5 > ΔP4 >ΔP3 >ΔP2 >ΔP1

A conseqüência deste comportamento é a seguinte distribuição de pressão na sucção da bomba: Ps0 >Ps1 >Ps2 >Ps3 >Ps4 >Ps5

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PS

Ps0

ΔP 1

ΔP 2

ΔP 3

ΔP 4

Q1

Q2

Q3

Q4

ΔP 5

Ps 1 Ps 2 Ps 3 Ps 4 Ps 5

Pv

164

Q0

Vazão (Q) Q5

Tomando como referência o bocal de sucção da bomba, somando a energia de pressão, em termos absolutos, a energia de velocidade e desta parcela subtrairmos a energia de pressão correspondente à pressão de vapor na temperatura de bombeamento, teremos o NPSHD disponível do sistema. NPSH D

Q0

Q1

Q2

Q3

2

Q4

2

2

Q5

2

Vazão (Q)

2

V 1 ; V2 ; V3 ; V4 ; V5 2g 2g 2g 2g 2g P P P P P Energia de pressão - S1  S2  S3  S4  S5 Energia de velocidade -

Equacionando tudo que analisamos até aqui, o NPSHD disponível do sistema pode ser expresso pela seguinte equação:

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Capítulo 5. Cavitação e NPSH

Onde: PS = pressão absoluta na sucção da bomba; PV = pressão de vapor do líquido na temperatura de bombeamento; V = velocidade do fluido no flange de sucção da bomba; γ = peso específico do líquido na temperatura de bombeio. A seguir, podemos ver uma curva típica do NPSH disponível do sistema em função da vazão. Gráfico NPSHD x vazão

NPSHD (m)

165

Vazão (Q) Uma vez definido o parâmetro NPSHD que depende exclusivamente do sistema (linhas, válvulas, acessórios etc.), agora podemos conceituar o NPSH requerido da bomba. O NPSH requerido representa a energia requerida pela bomba no flange de sucção, em valores absolutos, acima da pressão de vapor para que ela esteja na iminência de cavitar. Esta grandeza é representada por NPSHR.

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O NPSHR está relacionado com o projeto da bomba. Quanto maior a vazão, maiores serão as perdas internas entre o flange de sucção e o “olho” do impelidor e conseqüentemente, maiores serão as pressões de sucção exigidas pela bomba a fim de evitar o fenômeno da cavitação. Na iminência da cavitação, temos: Ps V2 + 2g  

   



NPSHR = NPSHD = 

Pv 

Para compreendermos melhor o conceito de NPSH requerido pela bomba, vamos observar o gráfico a seguir: Pressão

Ps1 Ps2

166 P1

P1

P2

Q1 Q2

Pvapor A

Q2 > Q1

B

Posição

Onde: A = flange de sucção; B = “olho” do impelidor; Q1 = vazão 1; Q2 = vazão 2; Ps = pressão no flange de sucção;

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Capítulo 5. Cavitação e NPSH

P1 = pressão no “olho” do impelidor para vazão Q1; P2 = pressão no “olho” do impelidor para vazão Q2; ∆P1 = queda de pressão (Ps1 - P1) devido às perdas por atrito na vazão Q1; ∆P2 = queda de pressão (Ps2 – P2) devido às perdas por atrito na vazão Q2. Se plotarmos no gráfico todas as perdas de cargas e as suas respectivas vazões tomando como referência a pressão de vapor, teremos o seguinte comportamento: Ps

167

Ps 6 Ps 5

P6

Ps 4 Ps 3 Ps 2 Ps 1 Pv

P5

P1

Q1

P2

Q2

P3

Q3

P4

Q4

Q5

Q6

Vazão

Para a vazão Q1, temos associada uma perda de carga ∆P1 e, para que a pressão no “olho” do impelidor não atinja a pressão de vapor correspondente à temperatura de bombeamento, é necessário que a pressão no flange de sucção PS seja maior que Ps1. O mesmo raciocínio é aplicado para as demais vazões. Portanto, quanto maior a vazão maior será o valor da pressão de sucção necessário para evitar o aparecimento de uma pressão mínima de operação igual ou menor a pressão de vapor (Pv).

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Na realidade outros fatores como choques e turbulências, bem como características hidráulicas inerentes ao projeto hidráulico (diâmetro do “olho” do impelidor, número de pás, formato das pás, rotação, velocidades na entrada no rotor), influenciam na queda de pressão entre o flange de sucção e o “olho” do impelidor e conseqüentemente no NPSH requerido. Quanto maior for a vazão, maiores serão as perdas internas e maior será o NPSHR pela bomba. É um parâmetro que está relacionado exclusivamente com o projeto da bomba (características hidráulicas), portanto, não depende do sistema. A ilustração a seguir representa algumas curvas típicas da variação do NPSHR em função da vazão (Q) fornecida pelos fabricantes.

168

NPSHR

Vazão (Q)

Importante! Essas curvas são determinadas em bancada de teste do fabricante que utilizam normas específicas. Estas normas definem os critérios e procedimentos para os testes. Logo, podemos inferir que para cada vazão Q fornecida segundo a curva H (head) x Q de uma bomba, temos um valor de pressão sucção associada ao inicio do processo de cavitação, ou seja, à medida que as condições na tubulação se alteram existirá uma condição que para aquela vazão, as curvas de performance sofrerão uma queda conforme apresentado no gráfico a seguir (queda do head e do rendimento da bomba).

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Capítulo 5. Cavitação e NPSH

Head (H)

Rendimento (n)

Q1

Q2

Q3

Q4

Q5

Vazão (Q)

Neste momento é interessante notar que na fase de projeto de um sistema de bombeamento, o NPSHD deve ser maior que o NPSHR na vazão de projeto (QP). Por outro lado, ao plotarmos a curva de NPSHD contra o NPSHR no mesmo gráfico veremos que existe uma vazão Qmax que acima desta a bomba cavitará. NPSH NPSHD

NPSHR

Qp

Q max

Vazão (Q)

As condições exigidas pela bomba e as disponibilizadas pelo sistema constituem uma verdadeira queda de braço. De um lado temos o sistema fornecendo cada vez menos energia de pressão a medida que aumentamos a vazão e do outro lado temos a bomba exigindo cada vez mais energia de pressão do fluido a medida que a vazão aumenta. Em linhas gerais, para efeito de raciocínio, quanto maior a vazão, menor será a pressão disponível no flange de sucção em função das perdas na tubulação de sucção, portanto menor o NPSHD, além disso, maior será a pressão necessária no flange de sucção da bomba, NPSHR ,para evitar-se o inicio do processo de cavitação.

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169

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NPSHR NPSHD sistema Cavitação

5.5. Conseqüências da Cavitação As principais conseqüências da cavitação são: • Barulho e vibração;

170

• Alteração das curvas características; • Danos ao material da bomba. a) Barulho e vibração Estes dois inconvenientes são provocados, fundamentalmente, pela instabilidade gerada pelo colapso das bolhas. Esses fenômenos degradam a vida útil do equipamento, provocam falhas prematuras no sistema de selagem e mancais. Além do desconforto acústico para os técnicos de operação. b) Alteração das curvas características (rendimento e altura manométrica) A alteração no desempenho é causada pela diferença de volume específico entre o líquido e o vapor, bem como a turbulência gerada pelo colapso das bolhas. Esta alteração das curvas características é mais drástica nas bombas centrífugas, visto que o canal de passagem do líquido é mais restrito e a presença de bolhas influencia consideravelmente o desempenho do equipamento.

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Capítulo 5. Cavitação e NPSH

Desta forma, supondo que uma determinada bomba centrífuga, instalada em um sistema, esteja cavitando, as suas curvas características fogem do comportamento normal, conforme ilustrado na ilustração a seguir. Queda nas curvas características de uma bomba centrífuga Altura manométrica H total

Rendimento () Curva da bomba

Curva do rendimento 1 1

Cavitação Curva do sistema

2

2 Q2

Q1

171

Vazão (Q)

Em uma situação normal, o ponto de operação estaria operando com vazão Q1 e rendimento η1 (correspondente ao ponto 1). Entretanto, caso a bomba comece a cavitar, ponto real de operação corresponderá à vazão Q2. No ponto 2, a bomba operará com uma vazão, altura manométrica e eficiência reduzidas. c) Danificação do material É fato conhecido que, quando uma bomba opera por certo tempo cavitando, haverá danos ao material adjacente à zona de colapso das bolhas em decorrência dos microjatos ou ondas de pressão, sendo a quantidade de material perdido dependente das características do material e da severidade da cavitação e do tempo de exposição ao fenômeno. O mecanismo envolvido nesse processo merece uma análise adicional.

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5.6. Fatores que alteram o NPSHD Analogamente às preocupações do projetista, o operador deve estar atento aos fatores que alteram o NPSH disponível do sistema e principalmente aqueles que estão relacionados com o seu cotidiano. Por exemplo: • Filtro de sucção obstruído; • Operação da bomba fora do ponto de projeto; • Válvulas parcialmente abertas na sucção; • Incrustações nas linhas de sucção;

172

• Sistema de controle de vazão, pressão e nível deficientes; • Altura estática de sucção; • Pressão atmosférica local; • Variação da temperatura e pressão do fluido bombeado; • Propriedades do líquido bombeado (ex.: viscosidade); • Diâmetro, comprimento e acessórios (válvulas, curvas, reduções etc.) da linha de sucção.

5.7. Fatores que alteram o NPSHR Se por um lado, busca-se aumentar o valor do NPSH disponível numa instalação, por outro, procura-se selecionar equipamentos com NPSH requerido reduzido que garanta uma margem de segurança satisfatória. Todavia existem fatores inerentes ao projeto hidráulico dos equipamentos que limitam os valores mínimos desse parâmetro. Da mesma forma algumas variáveis operacionais interferem no NPSH da bomba.

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Capítulo 5. Cavitação e NPSH

• Algumas alterações no projeto de sucção da maquina afetam o NPSH. Por exemplo: Aumento do diâmetro do olho do impelidor, melhoramento configuração interna da carcaça, acabamento superficial e otimização do perfil hidráulico das pás, acarretam uma diminuição deste parâmetro. Entretanto, o aumento do olho do impelidor deve ser cuidadosamente analisado, pois a alteração dessa dimensão, acima de limites recomendados, interfere negativamente na estabilidade hidráulica da bomba, estreitando a faixa recomendada de vazões operacionais; • Variação da rotação altera o NPSHR, ou seja, quanto maior a rotação maior o NPSHR, sendo a recíproca verdadeira; • A temperatura da água e o tipo de líquido (por exemplo: hidrocarbonetos) alteram os valores do NPSH requerido levantados em teste com água;

173 • Sabe-se também que a viscosidade dos hidrocarbonetos pode ser um fator atenuante dos efeitos da cavitação relacionados às ondas de choque. No entanto, acima de certos valores, a viscosidade aumenta o NPSH em função do aumento das perdas por atrito. Da mesma forma, a presença de gases não condensáveis no líquido pode atuar de forma adversa; • O aumento das folgas dos anéis de desgaste ao longo do tempo, aumentam a recirculação da região de descarga do impelidor para a sucção. Portanto a vazão real que passa pelo olho do impelidor é a soma da vazão bombeada mais a vazão recirculada. Logo o NPSH nessas condições aumenta.

5.8. Cavitação em condições anormais de operação O técnico de operação deve compreender que existem situações em que, mesmo quando o projeto atende às condições especificadas de operação, a cavitação pode ocorrer, em função de desvios entre as condições especificadas e aquelas realmente vividas no contexto operacional. Tais desvios geralmente propiciam o aparecimento de

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Entre os desvios possíveis de ocorrer destacam-se: • Obstrução nas linhas de sucção e/ou filtro, e/ou entre o flange de sucção e o “olho” do impelidor; • Vazamento excessivo pelos anéis de desgaste; • Operação em vazões abaixo ou acima dos limites recomendados. 5.8.1. Obstrução nas linhas de sucção/filtro entre o flange de sucção e o “olho” do impelidor

174

Distúrbios ou bloqueios parciais na linha de sucção provocam perda de carga localizada e diminuição do valor esperado do NPSH disponível, possibilitando o aparecimento de cavitação. Como exemplo destas condições anormais, poderíamos citar o depósito de matérias estranhas na linha de sucção ou em filtro de sucção e o fechamento parcial de válvula na linha de sucção. Por outro lado, se estes distúrbios ou bloqueios parciais ocorrerem na entrada da bomba o efeito será o “aumento aparente” do NPSH requerido acima dos valores normais obtidos nas curvas NPSH requerido versus vazão, possibilitando, da mesma forma, o aparecimento de cavitação. 5.8.2. Vazamento excessivo pelos anéis de desgaste Com o objetivo de limitar o vazamento entre a descarga do impelidor e a região de baixa pressão na sua entrada, a folga entre o impelidor e a carcaça é mantida sob controle com valores previamente especificados em função do diâmetro do impelidor. Entretanto, se a bomba estiver operando com folgas maiores que as recomendadas, seja por erro de fabricação, manutenção ou por desgaste natural, a recirculação poderá gerar vórtices na entrada da bomba e propiciar o aparecimento de cavitação.

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Capítulo 5. Cavitação e NPSH

Efeito do jato proveniente de recirculação na entrada da bomba Pressão de descarga Pressão de sucção

Fluxo normal

Área de distúrbios locais devidos a vazamento excessivo.

5.8.3. Operação em vazões abaixo ou acima dos limites recomendados A operação fora dos pontos de melhor eficiência da bomba resulta em instabilidade que pode causar cavitação em algumas partes internas do equipamento. Dentro desse contexto, podem ser destacados alguns componentes da bomba passíveis de serem impactados pela cavitação. • Voluta É realmente difícil imaginar cavitação originada em qualquer parte da voluta, pois esta é uma região de alta pressão. Entretanto, na lingüeta da voluta, que é uma pá guia localizada numa zona de alta velocidade, quando operando fora da faixa de operação normal, pode experimentar turbulências oriundas do ângulo de incidência inadequado, propiciando o aparecimento de cavitação.

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Lingueta da voluta

Fluxo no interior da voluta

• Pás difusoras

176

Pás difusoras são pás guias na saída do impelidor. Desta forma, a possibilidade de cavitação em uma dessas pás é ainda maior que no caso anterior de cavitação na voluta. Isto acontece porque a perfeita adequação entre a orientação do fluxo saindo do impelidor e entrando nos canais formados pelas pás difusoras só acontece na vazão de projeto. À medida que nos afastamos desta vazão, fluxos provenientes de diferentes canais de passagem do impelidor incidem nas pás guias em ângulos inadequados podendo provocar excessiva turbulência e propiciar o aparecimento da cavitação.

Cavitação nas pás do difusor

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Capítulo 5. Cavitação e NPSH

Além dos componentes mencionados anteriormente, em alguns casos as pás de entrada do impelidor sofrem danos devido ao fluxo no sentido inverso na tubulação de sucção. Devido à rotação do “olho” do impelidor, existe uma tendência nas bombas para a criação de um fluxo partindo da entrada do impelidor para a sucção se superpondo ao fluxo principal. Esta tendência é marcante em vazões bem abaixo da de projeto, em que o fluxo inverso torna o aspecto ilustrado como na ilustração a seguir.

Fluxo normal

177 Fluxo em sentido inverso

Fluxo em sentido inverso na entrada de sucção para vazões bem inferiores à de projeto

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5.9. Exercícios 1) Complete as lacunas das afirmações a seguir referentes ao conceito de cavitação: a) Cavitação, do inglês “cavitation”, associada a “cavity”, cavidade, em português, é um fenômeno classicamente associado a processos de ________________ sujeitas a condições que favoreçam o aparecimento deste fenômeno. b) O início da cavitação depende das condições de sucção do sistema: quanto menor for a altura ________________maior a probabilidade de aparecimento de pressão P igual ou menor que a ________________na temperatura de bombeamento no olho do impelidor.

178

c) Considerando que a velocidade de entrada do líquido e a perda de carga entre o ___________ e o olho do impelidor aumentam com a vazão, podemos concluir que o início da ____________ e a conseqüente queda nas curvas características ocorrerão em vazões menores à medida que _______ diminui. 2) Relacione as descrições da coluna da direita com o fenômeno que descrevem, numerando-as de acordo com a coluna da esquerda: I.

NPSH

( ) Representa a energia requerida pela bomba no flange de sucção, em valores absolutos, acima da pressão de vapor para que ela esteja na iminência de cavitar.

II.

NPSHr (requerido)

( ) É a energia mínima em termos absolutos, em metros de coluna de água, acima da pressão de vapor do produto, a fim de evitar a formação destas bolhas de vapor.

III. NPSHd (disponível) ( ) Corresponde a energia existente no flange de sucção da bomba, em termos absolutos, acima da pressão de vapor do líquido na temperatura de bombeamento.

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Capítulo 5. Cavitação e NPSH

3) Quais as principais conseqüências da cavitação? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ ________________________________________________________________ 4) Marque a opção que completa adequadamente as afirmações a seguir: a) Quando o NPSHd é maior do que o NPSHr, em geral, o fenômeno da cavitação__________________________________: ( ) provavelmente ocorre ( ) ocorre ( ) não ocorre b) O NPSHr é interpretado fisicamente como sendo a quantidade mínima de energia absoluta por unidade de peso acima da pressão de vapor que deve existir no flange de sucção para que_____ ____________________________: ( ) não haja vaporização ( ) não haja entupimento ( ) não haja cavitação c) Na prática, para o entendimento do processo clássico de cavitação em sistemas de bombeamento, torna-se necessário saber qual o NPSHd para o ponto de operação da bomba e compará-lo com o____________________: ( ) NPSHr ( ) NPSH ( ) NPSHs

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179

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5.10. Glossário BEP - também simbolizado por QBEP. Corresponde ao ponto de trabalho no qual uma bomba desempenha sua função com maior eficiência. Cavitação - formação de bolhas de vapor ou de um gás em um líquido por efeito de forças de natureza mecânica. Head - altura manométrica total do sistema. Impelidor - também chamado de rotor. É constituído de um disco provido de pás (palhetas) que através do movimento de rotação, promovido por ação de um motor, é capaz de impulsionar um líquido; QBEP - também simbolizado por BEP. Corresponde ao ponto de trabalho no qual uma bomba desempenha sua função com maior eficiência. Voluta - tipo de carcaça de bomba em forma de um funil encurvado.

180

Vórtice - turbilhonamento ou redemoinho formado pela circulação de um fluido.

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Capítulo 5. Cavitação e NPSH

5.11. Bibliografia MATTOS, Edson Ezequiel de; Falco, Reinaldo de. Bombas Industriais 2ª edição. Rio de Janeiro: Interciência, 1998. 474p. SULZER PUMPS LTDA. Suzer centrifugal Pump Handbook. 2th ed. Elsevier HERGT, Peter. Cavitation in Centrifugal Pumps – Definitions, criteria and their importance. 4th edição. Germany: KSB Frankenthal, 2005.

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5.12. Gabarito 1) Complete as lacunas das afirmações a seguir referentes ao conceito de cavitação: a) Cavitação, do inglês “cavitation”, associada a “cavity”, cavidade, em português, é um fenômeno classicamente associado a processos de deterioração das superfícies sujeitas a condições que favoreçam o aparecimento deste fenômeno. b) O início da cavitação depende das condições de sucção do sistema: quanto menor for a altura manométrica de sucção (hs), maior a probabilidade de aparecimento de pressão P igual ou menor que a pressão de vapor (Pv) na temperatura de bombeamento no olho do impelidor. c) Considerando que a velocidade de entrada do líquido e a perda de carga entre o flange de sucção e o olho do impelidor aumentam com a vazão, podemos concluir que o inicio da cavitação e conseqüente queda nas curvas características ocorrerão em vazões menores à medida que hs diminui. 2) Relacione as descrições da coluna da direita com o fenômeno que descrevem, numerando-as de acordo com a coluna da esquerda:

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I.

NPSH

( II )

Representa a energia requerida pela bomba no flange de sucção, em valores absolutos, acima da pressão de vapor para que ela esteja na iminência de cavitar.

II.

NPSHr (requerido)

(I)

É a energia mínima em termos absolutos, em metros de coluna de água, acima da pressão de vapor do produto, a fim de evitar a formação destas bolhas de vapor.

III.

NPSHd (disponível)

( III ) Corresponde a energia existente no flange de sucção da bomba, em termos absolutos, acima da pressão de vapor do líquido na temperatura de bombeamento.

3) Quais as principais conseqüências da cavitação? • Barulho e vibração; • Alteração das curvas características; • Danos ao material da bomba. 4) Marque com X a opção que completa adequadamente as afirmações a seguir: a) Quando o NPSHd é maior do que o NPSHr, em geral, o fenômeno da cavitação ______________________: (

) provavelmente ocorre

(

) ocorre

( X ) não ocorre

RESERVADO

Capítulo 5. Cavitação e NPSH

b) O NPSHr é interpretado fisicamente como sendo a quantidade mínima de energia absoluta por unidade de peso acima da pressão de vapor que deve existir no flange de sucção para que _____________________: (

) não haja vaporização

(

) não haja entupimento

( X ) não haja cavitação c) Na prática, para o entendimento do processo clássico de cavitação em sistemas de bombeamento, torna-se necessário saber qual o NPSHd para o ponto de operação da bomba e compará-lo com o_______________________: ( X ) NPSHr (

) NPSH

(

) NPSHs

183

RESERVADO

RESERVADO

Capítulo 6

Associação de bombas em série e em paralelo

Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Identificar as formas de associação das bombas centrífugas e a aplicabilidade de cada tipo; • Reconhecer os campos de aplicação de cada tipo de associação e seus benefícios, e os fenômenos hidráulicos inerentes aos tipos de associação.

RESERVADO

Alta Competência

186

RESERVADO

Capítulo 6. Associação de bombas em série e em paralelo

6. Associação de bombas em série e em paralelo

N

as unidades operacionais é muito comum encontrarmos bombas centrifugas associadas em série e/ou em paralelo. A associação de bombas em série é uma opção quando uma dada altura manométrica exigida pelo sistema é muito elevada, ficando acima dos limites alcançados por uma única bomba. A associação em paralelo é fundamentalmente utilizada quando a vazão desejada excede os limites de capacidade das bombas quando operadas sozinha.

6.1. Associação de bombas em série Como vimos anteriormente, quando a altura manométrica for muito elevada, deve-se examinar a possibilidade de utilizar a associação de bombas em série. Normalmente esta solução é utilizada quando o valor da altura manométrica ultrapassa os valores alcançados pelas bombas de múltiplos estágios. Também há casos em que a pressão de sucção de uma bomba precisa ser elevada devido à exigência de um NPSHr mais alto. Nessas associações a descarga de cada bomba é conectada à sucção da bomba seguinte de modo que a vazão será a mesma em todas as bombas, enquanto que a pressão final será a soma das parcelas fornecidas por cada bomba individualmente. Vale à pena lembrar que uma bomba de múltiplos estágios nada mais é que uma associação em série de impelidores. Esquematicamente, a associação de bombas em série se apresenta da seguinte forma:

Bombas associadas em série

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187

Alta Competência

Para se obter a curva característica resultante de duas ou mais bombas em série, iguais ou diferentes, basta somar as alturas manométricas totais de cada bomba, correspondentes aos mesmos valores de vazão. Associação em série de 2 bombas iguais H 2H

O gráfico ao lado apresenta a associação de duas bombas que possuem uma altura manométrica com o valor H. Quando ambas estão em série, a pressão final é igual a 2H.

2H1 2H2

H

2H3 H1 H2 H3

Q1

Q

188

Q2

Q3

Q

Associação em série de 2 bombas diferentes H H + H’ H1 + H’1 H2 + H`2 BA

M

BO 1/

H` H`2

BA 2

H

OM

H`1

/B

O gráfico apresenta a associação de duas bombas que possuem uma altura manométrica de valor H e H’, respectivamente. Quando ambas estão em série, a pressão final é igual a H + H’

H1

BO

M

H2 BO

BA

2

M

Q

Q1

BA

1

Q2

Q

6.2. Associação de bombas em paralelo Este tipo de associação é utilizado quando a vazão exigida pelo processo for muito elevada ou quando a vazão exigida pelo sistema variar de forma definida.

RESERVADO

Capítulo 6. Associação de bombas em série e em paralelo

No primeiro caso, vazão muito elevada, o uso de bombas em paralelo fornece como vantagem adicional e segurança operacional, pois, no caso de falha de uma bomba, teoricamente, haveria apenas uma diminuição da vazão fornecida, mas não um colapso total no fornecimento. No segundo caso, vazão exigida variável, este tipo de associação dará flexibilidade operacional, mediante a partida e parada das bombas conseguiremos as vazões exigidas com as bombas operando com eficiência desejada. Isto não aconteceria com uma única bomba que para atender as diferentes vazões fatalmente teria que trabalhar em pontos de baixa eficiência. Esquematicamente, a associação de bombas em paralelo se apresenta da seguinte forma:

189

Bombas associadas em paralelo

Duas ou mais bombas estão operando em paralelo quando descarregam para uma única tubulação, de modo que cada uma contribua com uma parcela para a vazão total. Além disso, quando operando em paralelo todas as bombas terão a mesma altura manométrica total, ou em outras palavras: para uma mesma altura manométrica as vazões correspondentes se somam. 6.2.1. Associação em paralelo de bombas com curvas iguais Para exemplificar, tomaremos como exemplo o esquema a seguir, onde temos duas bombas iguais operando em paralelo, descarregando para uma única linha, levando o líquido do reservatório de sucção para o reservatório de descarga.

RESERVADO

Alta Competência

Gráfico da associação em paralelo de 2 bombas iguais H Curva do sistema

A

H1

C

H1A = AC

B

H1’

2 Bombas em paralelo 1 Bomba

Q1

190

Q1’

Q2

Q

Quando apenas uma só bomba opera, Quando as duas bombas estão operando, a a altura manométrica total diminui, vazão do sistema é Q2 e cada bomba recalca passando para H1´ (H1´< H1) e para uma uma vazão Q1, de tal forma que Q2 = 2xQ1. vazão Q1´, de tal forma que Q1 < Q1´ < Q2 Podemos notar ainda que as duas bombas operarão com a mesma altura manométrica total H1.

Assim, do exemplo apresentado, podemos tirar algumas conclusões: 1) A vazão total do sistema é menor que a soma das vazões das bombas operando isoladamente; 2) Quando as bombas estão operando em paralelo, há um deslocamento do ponto de operação de cada bomba para a esquerda da curva (ponto A). Isso se acentua à medida que aumentamos o número de bombas associadas; 3) Se uma bomba sair de operação, a unidade que continuar em funcionamento passará do ponto A para o ponto B.

Importante! No ponto de operação B, teremos um NPSH requerido e uma potência consumida maior que no ponto A.

RESERVADO

Capítulo 6. Associação de bombas em série e em paralelo

Tomemos outro exemplo de construção da curva resultante da associação de 3 bombas iguais em paralelo e com curvais estáveis. Esquematicamente, a associação de 3 bombas em paralelo se apresenta da seguinte forma:

Associação em paralelo de 3 bombas iguais e curvas estáveis

H H3 H2 A H1

191

Curva do sistema

B

C

2

3 D

1 3 Bombas 1 Bomba

Q’3

Q’2

Q’1

2 Bombas

Q2 Q3

Q

Gráfico da associação em paralelo de 3 bombas iguais e curvas estáveis

A vazão total que as três bombas recalcam é: Q3 = 3 x Q´3 Na relação anterior podemos inferir que cada bomba fornecerá 1/3 da vazão total e a altura manométrica total será a mesma para as três bombas.

RESERVADO

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Podemos, então, tirar algumas conclusões dessa associação: • AB = BC = CD = Q3/3; • Q1 = vazão de uma só bomba operando no sistema; • Q´2 = vazão de cada bomba com duas operando no sistema; • Q´3 = vazão de cada bomba com três operando no sistema; • Q1 > Q2´ > Q´3. Importante!

192

A operação em um ponto muito a esquerda do ponto de projeto traz sérios inconvenientes, como por exemplo: • Vibração; • Recirculação hidráulica; • Aquecimento; • Esforços elevados nos mancais; • Desperdício de energia (bomba operando com baixa eficiência).

6.2.2. Associação em paralelo de bombas com curvas diferentes e estáveis Duas ou mais bombas com curvas diferentes podem trabalhar em paralelo. Esta diferença pode ter sido prevista durante o projeto e mais comumente em decorrência do desgaste diferenciado de bombas com curvas iguais operando em paralelo.

RESERVADO

Capítulo 6. Associação de bombas em série e em paralelo

Bomba 1

Bomba 2

Associação em paralelo de 2 bombas com curvas diferentes

Traçando a curva resultante do esquema anterior, teremos o seguinte gráfico: H

193

H2 H1 A

B

C

D

Curva do sistema

Bomba 1 Bomba 1 + 2

Bomba 2

Q2

Q1

Q1+2

Q

Gráfico da associação em paralelo de 2 bombas com curvas diferentes

Devemos notar que:

AB+AC=AD, isto é, Q1 + Q2 = Q1 + 2 Para a vazão nula, a bomba 2 opera com altura manométrica total H2 maior que a bomba 1, isto é H2 > H1. Assim a bomba 1 irá descarregar somente para alturas manométricas menores que H1. Em outras palavras, para alturas manométricas do sistema superiores a H1, a vazão da bomba 1 será nula (bomba em shutoff).

RESERVADO

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6.2.3 Cuidados operacionais ao associar bombas em paralelo. Caso haja a retirada de uma bomba de operação, a bomba que permanecer em operação irá operar a direita do ponto de projeto, isto é, com vazão excessiva. Neste caso a bomba estará sujeita às seguintes situações: • O NPSH disponível pode ser insuficiente (NPSH disponível menor NPSH requerido) podendo levar a bomba a uma cavitação; • Queda da eficiência da bomba; • Esforços radiais elevados sobre o eixo;

194

• Aumento da potência consumida e conseqüentemente da corrente do motor elétrico. A vazão excessiva poderá ser controlada pela válvula de descarga (restringindo-a) ou quando possível reduzindo a rotação da bomba. Por outro lado o número excessivo de bombas associadas em paralelo, leva cada uma delas a operar à esquerda do seu ponto de projeto, como vimos anteriormente, isto é, com vazão reduzida o que pode acarretar problemas tais como: • Queda da eficiência da bomba; • Esforços radiais excessivos; • Aquecimento do líquido bombeado. Se a operação for continua, a bomba estará submetida a condições desfavoráveis a vida útil dos selos e dos mancais; • Aumento dos esforços axiais para bombas que possuem dispositivos de balanceamento do empuxo hidráulico; • Problemas de recirculação;

RESERVADO

Capítulo 6. Associação de bombas em série e em paralelo

• Nas bombas axiais, a operação em vazões reduzidas demanda uma potência consumida elevada; • Ruído excessivo; • Vibração excessiva.

Importante! É importante observar que todas as bombas tem uma vazão mínima continua que deve ser respeitada. Nesses casos sistemas de recirculação devem ser previstos e particularmente tornam-se mais críticos quando as bombas operam em paralelo. Portanto a atuação desses sistemas devem ser cuidadosamente analisados durante a fase de projeto e mantidos operacionais ao longo da vida útil da unidade de bombeamento.

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195

Alta Competência

6.3. Exercícios 1) Complete, adequadamente, as afirmações a seguir: a) Nas unidades operacionais é muito comum encontrarmos bombas centrifugas associadas _________________ e/ou _________________. b) Quando uma dada altura manométrica exigida pelo sistema é muito elevada, ficando acima dos limites alcançados por uma única bomba, a melhor opção é a associação de bombas em _________________. c) Quando a vazão desejada excede os limites de capacidade das bombas operadas individualmente, em geral é utilizada a associação em _________________.

196

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Capítulo 6. Associação de bombas em série e em paralelo

2) Organize as afirmações, a seguir, classificando o tipo de associação de bombas a que elas se referem. Utilize para isso a seguinte codificação: A) Associação de bombas em série B) Associação de bombas em paralelo ( )

Quando a vazão é muito elevada, esse tipo de associação de bombas fornece como vantagem adicional segurança operacional, pois no caso de falha de uma bomba haveria apenas diminuição da vazão fornecida, mas não um colapso total no fornecimento.

( )

Quando o valor da altura manométrica ultrapassa os valores alcançados pelas bombas de múltiplos estágios, esse tipo de associação costuma ser utilizado.

( )

Quando é exigida vazão variável, esse tipo de associação oferece flexibilidade operacional, pois através da partida e da parada das bombas conseguiremos as vazões exigidas com as bombas operando com eficiência desejada, o que não aconteceria com uma única bomba.

( )

Quando associadas dessa forma, todas as bombas terão a mesma altura manométrica total, ou em outras palavras: para uma mesma altura manométrica as vazões correspondentes se somam.

( )

Como nesse tipo de associação a descarga de cada bomba é conectada à sucção da bomba seguinte, a vazão será a mesma em todas as bombas, enquanto que a pressão final será a soma das parcelas fornecidas por cada bomba individualmente.

RESERVADO

197

Alta Competência

6.4. Glossário Cavitação - formação de bolhas de vapor ou de um gás em um líquido por efeito de forças de natureza mecânica. Estanqueidade - capacidade de conter, de impedir que um líquido escoe, de estancar, parar, interromper. Impelidor - também chamado de rotor. Constitui um disco provido de pás (palhetas) que através do movimento de rotação, promovido por ação de uma motor, é capaz de impulsionar um líquido.

198

RESERVADO

Capítulo 6. Associação de bombas em série e em paralelo

6.5. Bibliografia MATTOS, Edson Ezequiel de; Falco, Reinaldo de. Bombas Industriais 2ª edição. Rio de Janeiro: Interciência, 1998. 474p. SILVA, Marcos Antonio da. Manual de Treinamento da KSB Bombas Hidráulicas S/A. 4ª ed. SULZER PUMPS LTDA. Suzer centrifugal Pump Handbook. 2th ed. Elsevier

199

RESERVADO

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6.6. Gabarito 1) Complete, adequadamente, as afirmações a seguir: a) Nas unidades operacionais é muito comum encontrarmos bombas centrifugas associadas em série e/ou em paralelo. b) Quando uma dada altura manométrica exigida pelo sistema é muito elevada, ficando acima dos limites alcançados por uma única bomba, a melhor opção é a associação de bombas em série. c) Quando a vazão desejada excede os limites de capacidade das bombas operadas individualmente, em geral é utilizada a associação em paralelo. 2) Organize as afirmações, a seguir, classificando o tipo de associação de bombas a que elas se referem. Utilize para isso a seguinte codificação: a) Associação de bombas em série b) Associação de bombas em paralelo

200

( b ) Quando a vazão é muito elevada, esse tipo de associação de bombas fornece como vantagem adicional segurança operacional, pois no caso de falha de uma bomba haveria apenas diminuição da vazão fornecida, mas não um colapso total no fornecimento. (a)

Quando o valor da altura manométrica ultrapassa os valores alcançados pelas bombas de múltiplos estágios, esse tipo de associação costuma ser utilizado.

( b ) Quando é exigida vazão variável, esse tipo de associação oferece flexibilidade operacional, pois através da partida e da parada das bombas conseguiremos as vazões exigidas com as bombas operando com eficiência desejada, o que não aconteceria com uma única bomba. ( b ) Quando associadas dessa forma, todas as bombas terão a mesma altura manométrica total, ou em outras palavras: para uma mesma altura manométrica as vazões correspondentes se somam. (a)

Como nesse tipo de associação a descarga de cada bomba é conectada à sucção da bomba seguinte, a vazão será a mesma em todas as bombas, enquanto que a pressão final será a soma das parcelas fornecidas por cada bomba individualmente.

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Capítulo 7 Vedações

Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Identificar as características dos processos mais comuns de vedação, sua aplicabilidade e os principais tipos de dispositivos utilizados.

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Alta Competência

202

RESERVADO

Capítulo 7. Vedações

7. Vedações

O

s sistemas de vedação em bombas tem como objetivo impedir, ou minimizar ao máximo, a passagem de fluidos (líquidos ou gases), sólidos particulados (pó) e substancias de alta viscosidade de uma região à outra conforme definido no projeto do equipamento. As vedações podem ser estáticas ou dinâmicas. A seguir alguns exemplos de elementos de vedação.

Selo mecânico

203

Gaxetas

Retentores Improseal

Selos de mancal

Juntas

RESERVADO

Alta Competência

O´rings

Anéis

204

Juntas

Colas e vedantes

• Vedações estáticas são utilizadas onde não há movimento relativo na junção a ser vedada. As juntas e anéis "O" são vedações estáticas típicas. • As vedações dinâmicas são utilizadas quando uma superfície se move em relação à outra. Utiliza-se uma vedação dinâmica, por exemplo, quando uma haste com movimento alternativo ou um eixo rotativo, transmite, respectivamente, força ou torque através da parede de um reservatório. Por exemplo: Em bombas centrifugas podemos utilizar selos mecânicos ou gaxetas entre o meio externo e a caixa de vedação. Em bombas alternativas gaxetas.

7.1. Selo mecânico São dispositivos dinâmicos que tem a finalidade de impedir a passagem de um líquido do interior de um equipamento rotativo para atmosfera, evitando com isto, contaminação do meio ambiente, perda do produto bombeado e acidentes.

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Capítulo 7. Vedações

Selos mecânicos

A escolha de um método de selagem tem de ser cuidadosamente analisada para cada aplicação. Deve-se levar em consideração: os requisitos de instalação, a manutenção, o consumo de energia, a perda de produto e os custos de tratamentos de efluentes. O selo mecânico foi desenvolvido para eliminar as desvantagens das gaxetas de compressão. O vazamento pode ser reduzido a um nível que atenda às normas vigentes e ao custo de manutenção. Comparação de vazamentos entre gaxetas e selos mecânicos Gotas em média

Por minuto

Por hora

Por dia

Por ano

Gaxetas

90 gotas

5.400 gotas

8,6 litros

3,153 litros

Selos Mecânicos

Desprezível

5 gotas

120 gotas

2.9 litros

Considerando que 5.400 gotas são perdidas nas gaxetas por hora e que apenas 5 gotas vazam nos selos mecânicos no mesmo tempo temos uma razão de 1080. Isso significa que as gaxetas são 1080 vezes menos eficientes que os selos mecânicos.

7.1.1. Componentes do selo mecânico Os selos mecânicos podem ser classificados por projeto e por disposição. Todos os selos mecânicos são constituídos de três conjuntos básicos de peças. Como mostra a ilustração a seguir:

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205

Alta Competência

A) Um par de faces ou vedaçoes primárias: uma rotativa(4) e outra estacionária(5)

1 4 2 5

B) Vedações secundárias: O’ring de vedação do eixo (3), O’ring de vedação da sede estacioaria (2), O’ring ou junta pode ser tilizado como vedação da sobreposta (1).

3

Pinos

C) Peças do selo mecânico incluindo sobreposta (cinza escuro), colar, anel de compressão (em verde), pinos, molas e parafuso (cinza claro).

206

Todos os selos mecânicos partilham da mesma tecnologia básica. Isto é, ter duas faces extremamente lisas e planas em contato. Uma girando com o eixo enquanto a outra permanece estacionária com a caixa. As faces dos selos são seladas aos seus suportes apropriados através do uso de vedações secundárias (Ex.: O'Rings). As faces são mecanicamente comprimidas pelas molas ou foles (metálicos ou não) e flexíveis, afim de que possam ser postas em contato e moverse para compensar desalinhamentos estáticos e dinâmicos, como também o desgaste.

RESERVADO

Capítulo 7. Vedações

7.1.2. Princípio de funcionamento

(1) representa as partes de metal que posiciona e faz o selo girar com o eixo da bomba. Elas contêm molas que comprimem e empurram a face rotativa (2) contra a face estacionária (3). (4) sobreposta

2

1 3

4

Estas partes são flexíveis para que possam compensar desalinhamentos estáticos causados por tolerância de fabricação e montagem do equipamento, tensão da tubulação, deformação térmica e mecânica do equipamento. O número (2) representa a face rotativa do selo. As molas e a pressão hidráulica na caixa de selagem comprimem a mesma contra a face estacionária. O número (3) representa a face estacionária e é mantida normalmente na sobreposta e permanece estacionária em operação. Algumas faces estacionárias não possuem pinos anti-rotação. Todas têm alguma forma de vedação secundária para interromper o fluxo do líquido entre ela e o seu suporte (sobreposta).

Com relação à lubrificação das faces de vedação, pode-se dizer que as mesmas são lubrificadas por uma película de líquido entre elas. Ao projetar selos mecânicos os níveis desejados de vazamento são confrontados com a durabilidade esperada, consumo de energia e estabilidade da película de lubrificação que está fortemente correlacionada, dentre outros fatores, com a temperatura da superfície de contato entre as faces. Portanto a forma pela qual as faces serão refrigeradas torna-se um outro ponto crítico na fase de seleção do sistema de selagem. Para escolher o tipo ideal de selo mecânico, é necessário conhecer precisamente as condições de operação e o líquido a ser selado. A obtenção dessas informações conseqüentemente resultará numa vida útil satisfatória.

RESERVADO

207

Alta Competência

Há quatro pontos principais de vedação num selo mecânico axial. Veja a Ilustração a seguir.

1 2

3

4

208

A vedação primária é entre as faces de selagem (4) (designer, a seta 4 está apontada para o espaço entre o amarelo e o laranja). O caminho de vazamento no ponto 3 é bloqueado por um anel "O", "V" ou em cunha. Os caminhos de vazamento nos pontos 1 e 2 são bloqueados por juntas ou anéis O.

7.1.3. Tipos de selos mecânicos Os tipos de selos mecânicos mais usuais nas nossas unidades de produção são: a) Selos mecânicos de mola única; b) Selos mecânicos de molas múltiplas; c) Selos mecânicos com fole metálico; d) Selos mecânicos com fole de elastômero.

RESERVADO

Capítulo 7. Vedações

A seguir serão apresentadas algumas informações básicas de cada desses selos: A) Selos mecânicos de mola única Os selos mecânicos de mola única têm uma grande variedade de aplicações. Seu projeto não é complexo, tendo uma mola de grande área de secção, que resiste a corrosão e incrustações . Suas principais limitações são: • Tendência á distorções com altas velocidades periféricas; • Necessidade de espaço amplo, tanto na direção radial como axial; • Necessidade de se estocar um tamanho de mola para cada tamanho de selo mecânico. Mola única

Selo mecânico de fole com mola única

B) Selos mecânicos de molas múltiplas Algumas aplicações que envolvem alta rotação acabam por impedir o uso dos selos de mola única. A ilustração a seguir mostra um selo mecânico que utiliza várias molas helicoidais, pequenas e espaçadas em torno da unidade rotativa. Estas molas menores não são tão sensíveis à distorção em altas rotações quanto as molas únicas maiores e, conseqüentemente, exercem uma pressão de fechamento constante sobre o anel de vedação. Além disso, o mesmo tamanho de mola pode ser usado para selos mecânicos em diversos tamanhos de eixos.

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209

Alta Competência

Molas múltiplas

Selo mecânico de molas múltiplas

210

C) Selos mecânicos com fole metálico No selo mecânico de fole metálico soldado, o próprio fole proporciona a força necessária para manter o contato entre as faces de vedação. Uma vez que o fole é uma peça inteiriça, apoiada tanto em toda circunferência como ao longo de seu cumprimento, ele aplica uma pressão uniforme em todos os pontos do anel de vedação. É utilizado em altas temperaturas e não necessita o o’ring da sede rotativa que faz vedação entre esta e a luva do selo. Logo o numero de vedações estáticas diminui.

Fole metálico Selo mecânico com fole metálico

RESERVADO

Capítulo 7. Vedações

D) Selos mecânicos com fole de elastômero O selo mecânico com fole de elastômeros é acionado por uma mola helicoidal, montada sobre o eixo ou luva e o fole. Este modelo oferece as mesmas vantagens do selo mecânico de fole metálico, mas têm as mesmas limitações de velocidade do selo mecânico de mola simples, bem como de temperatura devido as características do elastômero.

211

Fole de borracha

7.2. Projetos básicos de selos mecânicos Todos os tipos básicos de selos mecânicos podem ser modificados para atender requisitos específicos da aplicação. Há diversas variações de projeto que cobrem os requisitos ditados pelas condições operacionais e limitações ambientais específicas. 7.2.1. Selos Mecânicos Internos A ilustração a seguir ilustra um selo mecânico interno simples, o tipo mais comum de selo mecânico.

RESERVADO

Alta Competência

Selo mecânico interno

212

Os materiais construtivos para selos mecânicos internos são escolhidos a fim suportar a presença de líquidos corrosivos na caixa de vedação. Estes selos mecânicos são facilmente modificados para atender diversas condições operacionais, mantendo padrões de emissões aceitáveis num amplo espectro de aplicações, suportando pressões elevadas na caixa vedação. 7.2.2. Selos mecânicos externos. Se um líquido extremamente corrosivo tiver propriedades lubrificantes satisfatórias, um selo mecânico externo poderá oferecer uma solução mais econômica que a complexa metalurgia de um selo mecânico interno resistente à corrosão. A ilustração a seguir demonstra a disposição típica de um selo mecânico externo, na qual somente a sede, o anel de vedação e as vedações secundárias são expostos ao produto. Todos esses componentes podem ser nãometálicos. As peças metálicas da unidade rotativa são expostas à atmosfera.

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Capítulo 7. Vedações

Selo externo

Disposição típica de um selo mecânico externo

213

Os selos mecânicos externos também podem ser usados em equipamentos cujas caixas de vedação não comportem selos mecânicos internos e são de acesso mais fácil para ajuste e manutenção. Entretanto, o selo mecânico externo tem suas desvantagens ficando exposto e vulnerável a impactos. Mais importante, porém, é o limite de pressão do selo mecânico externo. A pressão hidráulica agindo sobre a sede rotativa na figura anterior tende a separar e não a fechar as faces de selagem. Sendo assim, este selo mecânico depende das molas para manter as faces em contato. 7.2.3. Selos mecânicos duplos Alguns produtos não podem ser vedados com um único selo mecânico. Por exemplo, se há líquidos tóxicos cuja liberação ao meio ambiente seria nociva, líquidos cujas películas abrasivas em suspensão desgastariam rapidamente as faces de selagem ou líquidos corrosivos que exigiriam materiais de vedação muito dispendiosos, uma solução mais econômica e segura é a aplicação de selos mecânicos duplos.

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Alta Competência

Selo mecânico duplo

7.3. Normas e planos de injeção

214

Os materiais e formas construtivas dos selos de bombas de processo devem atender a API 682 (American Petroleun Institute 682). Esta norma especifica sistemas de selagem para bombas centrífugas e bombas volumétricas rotativas. Para manter o ambiente adequado aos selos mecânicos, evitando com isso presença de sólidos e mantendo a temperatura e a lubrificação em valores recomendados é necessária a injeção de um líquido na caixa de selagem com vazão suficiente. Existem vários planos de injeção (lubrificação e refrigeração) das faces de selagem que dependem principalmente das condições operacionais, forma construtiva da bomba e periculosidade do líquido de processo. Para cada condição operacional é recomendável consultar a norma API 682 para selecionar o plano mais apropriado à aplicação.

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Capítulo 7. Vedações

Vejamos alguns exemplos de planos de injeção: Plano API 11

Definição Descrição

Aplicação Condições Características

• Plano de Flush padrão para selos. • Flush do selo saindo da descarga da bomba passando por uma placa de orifício, entrando na sobreposta. Normalmente o liquido passa pela bucha de garganta da caixa de selagem seguindo para o ollho do impelidor (região de baixa pressão em relação à caixa) através dos furos de balanceamento do impelidor. Estes furos não estão representados na figura. • Bombas horizontais e verticais. • Fluído limpo, não polimerizável e com temperatura moderada. • Remoção de calor da caixa de selagem. • Escorva da caixa de selagem em bombas horizontais. • Permite aumentar a pressão na caixa através do projeto da bucha de garganta e furos de balanceamentos a fim de garantir uma pressão ligeiramente acima da pressão de vapor do liquido à temperatura interna da caixa .

RESERVADO

215

Alta Competência

Plano API 14

Definição Descrição Aplicação Condições

216 Características

• Combinação dos Planos 11 e 13. • Linha de Flush saindo da linha de descarga e circulação para a linha de sucção com placas de orifício. • Bombas horizontais e verticais. • Fluído limpo, não polimerizável e com temperatura moderada. • Remoção de calor da caixa de selagem. • Escorvamento contínuo da caixa de selagem em bombas verticais. • Permite aumentar a pressão na caixa através do projeto de orifícios calibrados, a fim de garantir uma pressão ligeiramente acima da pressão de vapor do liquido à temperatura interna da caixa.

RESERVADO

Capítulo 7. Vedações

Plano API 31

Definição Descrição Aplicação Condições Características

• Flush do selo saindo da descarga da bomba e passando por um separador de ciclone. • Os sólidos centrifugados são enviados de volta para a sucção da bomba. • Bombas horizontais e verticais. • Fluidos sujos ou contaminados, água com áreia ou escória na tubulação. • Fluidos não polimerizantes. • Remoção de calor da caixa de selagem. • Remoção de sólidos do flush e da caixa de selagem.

7.4. Gaxetas O controle das perdas de líquidos é essencial para o bom funcionamento de equipamentos mecânicos. O mais antigo dentre os dispositivos de selagem, é a gaxeta. As gaxetas são comercializadas em rolos e são elementos macios, flexíveis e elásticos que podem ser usados tanto para aplicações estáticas quanto para situações em que as peças estão em movimento. As gaxetas podem trabalhar com diversos tipos de líquidos, incluindose ar quente, água, vapor, ácidos, cáusticos, óleos, solventes, gases, gasolina e outros produtos químicos em amplas faixas de temperaturas e pressões.

RESERVADO

217

Alta Competência

7.4.1. Classificação das gaxetas

218 As gaxetas podem, em relação as características básicas de aplicação, ser classificadas de acordo com: Ao tipo de gaxeta: • Gaxetas secas (sem compostos anti-fricção) São aquelas destinadas somente para vedação de calor e isolamento térmico. • Gaxetas impregnadas (com compostos anti-fricção) São aquelas destinadas à vedação de eixo de bombas e hastes de válvulas. Ao tipo de aplicação: • Estática

RESERVADO

Capítulo 7. Vedações

Neste caso, a gaxeta funciona como elemento de selagem e vedação. Não pode ocorrer vazamento visual. Exemplo: válvulas.

Haste

Anéis de gaxeta

Sobreposta Caixa de gaxetas

219 Entrada

Saída

• Dinâmica Neste caso, a gaxeta funciona como elemento controlador de vazamento. Necessariamente deverá ocorrer gotejamento. Exemplo: Bombas e eixos rotativos.

RESERVADO

Alta Competência

Saída

Sobreposta Caixa de gaxetas

Entrada

Anéis de gaxetas

220

RESERVADO

Capítulo 7. Vedações

7.5. Exercícios 1) Complete o quadro a seguir, de modo a construir uma síntese dos processos de vedação: Processo de vedação

Caracterização e vantagens

Tipos

Aplicação

221

RESERVADO

Alta Competência

7.6. Glossário Cavitação - formação de bolhas de vapor ou de um gás em um líquido por efeito de forças de natureza mecânica. Impelidor - também chamado de rotor. É constituído de um disco provido de pás (palhetas) que através do movimento de rotação, promovido por ação de um motor, é capaz de impulsionar um líquido. Placas de orifício - são elementos primários usados em sistemas de medição de vazão de fluidos que geram em uma tubulação um diferencial de pressão entre a montante e a jusante. Uma vez medido este diferencial é possível medir, totalizar, programar e controlar a vazão do fluido.

222

RESERVADO

Capítulo 7. Vedações

7.7. Bibliografia NÓBREGA, Paulo Roberto Leite. Treinamento sobre Selagem em Equipamentos Rotativos. Apostila. Petrobras. Rio de Janeiro: 2005.

223

RESERVADO

Alta Competência

7.8. Gabarito 1) Complete o quadro a seguir, de modo a construir uma síntese dos processos de vedação: Processo de vedação

Caracterização e vantagens Dispositivo dinâmico que impede a passagem de um líquido do interior de um equipamento rotativo para atmosfera.

1- Selo mecânico

224

Evita a contaminação do meio ambiente, perda do produto bombeado e acidentes.

Tipos Selos Mecânicos: • de mola única; • de várias molas; • com fole metálico; e • com fole de elastômero.

Apresenta 1080 vezes menos vazamentos do que as gaxetas.

2- Gaxeta

É o mais antigo Gaxeta: dispositivo de selagem utilizado • seca, para o controle de • impregnada, perda de líquidos. • estática e É essencial para o bom • dinâmica funcionamento de equipamentos mecânicos.

Aplicação Em especial, situações que envolvam risco de acidentes ou contaminação do meio ambiente . A escolha do método de selagem precisa ser analisada para cada aplicação, quanto aos requisitos de instalação, manutenção, consumo de energia, perda de produto e custos de tratamentos de efluentes. Líquidos como ar quente, água, vapor, ácidos, cáusticos, óleos, solventes, gases, gasolina e produtos químicos em amplas faixas de temperatura e pressão.

RESERVADO

Capítulo 8 Lubrificação

Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Identificar o conceito de lubrificação; • Distinguir os tipos de lubrificação, aplicações e cuidados.

RESERVADO

Alta Competência

226

RESERVADO

Capítulo 8. Lubrificação

8. Lubrificação

L

ubrificação é uma operação que consiste em introduzir uma substância apropriada entre superfícies sólidas que estejam em contato entre si e que executam movimentos relativos.

Essa substância apropriada normalmente é um óleo ou uma graxa que irá impedir o contato direto entre as superfícies sólidas. Quando recobertos por um lubrificante, os pontos de atrito das superfícies sólidas fazem com que o atrito sólido seja substituído pelo atrito líquido, ou seja, por atrito entre uma superfície sólida e um líquido. Nessas condições, o desgaste entre as superfícies será bastante reduzido, como representado nas ilustrações abaixo.

227

Superfície 1

Superfície 2

Lubrificante Atrito líquido entre as superfícies

Além dessa redução do atrito, outros objetivos são alcançados com a lubrificação, se a substância lubrificante for selecionada corretamente:

RESERVADO

Alta Competência

Funções dos lubrificantes Resfriamento Evitar o contato metal-metal (Desgaste)

Diminuir o atrito (economizar energia)

Selagem

Controlar a formação de depósitos

Óleo Lubrificante

Proteger contra a corrosão

Transmitir forla

Retirar contaminantes de sistema

Resistir à própria degradação (oxidação)

Quadro resumo das funções da lubrificação

228

8.1. Lubrificantes Os lubrificantes mais práticos e de uso diário são os líquidos e os semi-sólidos, isto é, os óleos e as graxas. Quanto à origem, os óleos podem ser classificados em quatro categorias: • Óleos minerais; • Óleos vegetais; • Óleos animais; • Óleos sintéticos.

RESERVADO

Capítulo 8. Lubrificação

Óleos minerais

São substâncias obtidas a partir do petróleo.

Óleos vegetais

São extraídos de sementes: soja, girassol, milho, algodão, mamona etc.

Óleos animais

São extraídos de animais como a baleia, o bacalhau, a capivara etc.

Óleos sintéticos

São produzidos em indústrias químicas que utilizam substâncias orgânicas e inorgânicas para fabricá-los. Estas substâncias podem ser silicones, ésteres, resinas, glicerinas etc.

São os mais utilizados nos mecanismos industriais, sendo obtidos em larga escala a partir do petróleo. Raramente são usados isoladamente como lubrificantes, por causa da sua baixa resistência à oxidação, quando comparados a outros tipos de lubrificantes. Possuem maior custo, mas são utilizados nos casos em que outros tipos de substâncias não têm atuação eficiente. Apresentam melhor resistência ao envelhecimento e maior proteção ao equipamento e maior limpeza

Vejamos algumas aplicações dos lubrificantes: 8.1.1. Óleos lubrificantes Os óleos lubrificantes, antes de serem colocados à venda pelo fabricante, são submetidos a ensaios físicos padronizados que, além de controlarem a qualidade do produto, servem como parâmetros para os usuários. Os principais ensaios físicos padronizados para os óleos lubrificantes encontram-se resumidos na tabela a seguir. Tipo de ensaio

Viscosidade

O que determina o ensaio Resistência ao escoamento oferecida pelo óleo. A viscosidade é inversamente proporcional à temperatura. O ensaio é efetuado em aparelhos denominados viscosímetros. Os viscosímetros mais utilizados são o Saybolt, o Engler, o Redwood e o Ostwald.

RESERVADO

229

Alta Competência

Tipo de ensaio

230

O que determina o ensaio

Índice de viscosidade

Mostra como varia a viscosidade de um óleo conforme as variações de temperatura.

Densidade relativa

Relação entre a densidade do óleo a 20°C e a densidade da água a 4°C ou a relação entre a densidade do óleo a 60°F e a densidade da água a 60°F.

Ponto de fulgor (flash point)

Temperatura mínima à qual pode inflamar se o vapor de óleo, no mínimo, durante 5 segundos. O ponto de fulgor é um dado importante quando se lida com óleos que trabalham em altas temperaturas.

Ponto de combustão

Temperatura mínima em que se sustenta a queima do óleo.

Ponto de mínima fluidez

Temperatura mínima em que ocorre o escoamento do óleo por gravidade. O ponto de mínima fluidez é um dado importante quando se lida com óleos que trabalham em baixas temperaturas.

Podemos citar como vantagens da lubrificação de rolamentos a óleo: • Maior penetração - o óleo pode fluir por gravidade ou ser pulverizado numa nuvem, fazendo dos métodos de lubrificação por névoa e do tipo ar-óleo os mais eficientes; • Melhor refrigeração. 8.1.2. Graxas As graxas são compostas de lubrificantes semi-sólidos. Estes lubrificantes semi-sólidos são constituídos por uma mistura de óleo, aditivos e agentes engrossantes chamados sabões metálicos, à base de alumínio, cálcio, sódio, lítio e bário. As graxas são utilizadas onde o uso de óleos não é recomendado e nos seguintes casos: • Baixas velocidade e pressões elevadas; • Folgas muito grande;

RESERVADO

Capítulo 8. Lubrificação

• Sistemas sujeitos a choques e trepidação; • Selagem de sistemas sujeitos a contaminação; • Locais onde se deseja uma película resistente e permanente.

ATENÇÃO As graxas também passam por ensaios físicos padronizados. A consistência ou penetração é a característica da graxa em resistir à deformação plástica. É a propriedade mais importante das graxas, podendo ser comparada à viscosidade dos óleos. Vantagens sobre o óleo:

231 • Instalação mais fácil; • Instalação menos dispendiosa; • Requer menos espaço na caixa de mancal; • Melhor aderência; • Melhor proteção contra umidade e contaminantes. Formas de aplicação: • Manual; • Bomba de graxa; • Para maioria das aplicações de rolamentos, utiliza-se graxa de sabão de lítio.

RESERVADO

Alta Competência

8.2. Aditivos Aditivos são substâncias que entram na formulação de óleos e graxas para conferir-lhes certas propriedades. A presença de aditivos em lubrificantes tem os objetivos de proteger o óleo contra envelhecimento, acidez, espuma, congelamento e resistência à temperatura. Além disso, os aditivos proporcionam proteção ao equipamento contra o desgaste, corrosão, sujeira, contaminações e aquecimento. Vejamos alguns tipos de aditivos usados:

232

Antioxidantes

Aumentam a resistência dos óleos à oxidação, quando expostos ao ar. À altas temperaturas a oxidação ocorre rapidamente, formando contaminantes ácidos.

Antiferrugem

Protege peças metálicas da ação da umidade.

Anticorrosivos

Formam uma película protetora sobre as superfícies metálicas, protegendo-as da ação dos contaminantes ácidos.

Antidesgaste

Reagem com o material formando compostos que agem como lubrificante sólido, reduzindo o desgaste. Muito importante para reduzir desgaste na partida do equipamento.

Dispersantes/ detergentes

Dispersam partículas de contaminantes no óleo, evitando entupimentos e depósitos em peças.

Melhorador do índice de viscosidade

Reduzem a variação da viscosidade com a temperatura.

Abaixadores de ponto de fluidez

Indicados para baixas temperaturas.

Agentes de adesividade

Aumentam a oleosidade sem elevar demasiadamente a viscosidade.

Extrema pressão

Fornecem ao óleo a característica de evitar o contato entre as superfícies em movimento, sob condições de altas pressões, mesmo após rompimento da película de lubrificante.

RESERVADO

Capítulo 8. Lubrificação

Óleo lubrificante

=

Óleo básicos

+

Aditivos

Formulação do óleo lubrificante

A Viscosidade do óleo lubrificante é responsável pela espessura do filme lubrificante e possuem as seguintes características: • Inversamente proporcional à temperatura; • Sempre deve ser reportada em relação a uma temperatura; • Unidade usual SI: cSt (mm2/s) – viscosímetro cinemático.

8.3. Tipos de lubrificação A lubrificação adequada em uma bomba é crítica para o funcionamento e para a longevidade dos componentes. Pontoschave para a obtenção de uma lubrificação apropriada incluem fundamentos de lubrificação, como a bomba foi desenvolvida para fornecer lubrificante ao rolamento e o ambiente ao redor. 8.3.1. Lubrificação por nível de óleo O óleo é colocado na caixa de mancal até o nível atingir a metade ou 1/3 da esfera ou rolo inferior do rolamento, conforme mostra a ilustração anterior.

RESERVADO

233

Alta Competência

Nível de óleo

d 1/2 d

1/3 d

Nível de óleo na caixa de mancal

Visor de nível instalado na caixa de mancal

O óleo é colocado na caixa de mancal até o nível atingir a metade ou 1/3 da esfera ou rolo inferior do rolamento, conforme mostra a ilustração anterior.

234

Nível de óleo Engrenagem

Copo nivelador (reservatório de óleo)

Detalhe do nível do óleo e copo nivelador

RESERVADO

Capítulo 8. Lubrificação

Importante! É importante que se mantenha o nível de óleo na posição correta, pois o nível elevado provocará aquecimento e formação de espuma enquanto que o nível baixo proporcionará uma lubrificação deficiente e desgaste prematuro. Por isso instala-se nas caixas de mancais um visor de nível e um dispositivo chamado ”copo nivelador”. Trata-se de um copo cheio de óleo em comunicação com o reservatório de óleo com a finalidade de manter o nível constante. 8.3.2. Lubrificação forçada

235

É usada geralmente com mancais de deslizamento. O sistema de lubrificação forçada é constituído principalmente por: • Um reservatório de óleo; • Bombas de lubrificação: a bomba principal normalmente está acoplada ao eixo da bomba e uma bomba reserva com acionamento independente (normalmente acionada por motor elétrico); • Trocador de calor utilizado para remoção de calor do óleo lubrificante. (em alguns sistemas existem trocador de calor reserva.); • Filtros de óleo; • Válvulas reguladoras de pressão de fornecimento de óleo; • Válvulas de equipamento;

alivio

de

pressão

para

segurança

do

RESERVADO

Alta Competência

• Instrumentos (indicadores de pressão, temperatura, vazão, pressão diferencial); • Alarmes e/ou cortes para proteção.

Óleo p/mancais

Filtro Bomba Retorno de óleo

Tanque

Resfriador de óleo

Exemplo de um circuito de lubrificação forçada

236

A bomba principal de óleo aspira óleo do tanque (reservatório) e envia-o com pressão aos pontos de lubrificação. Neste caminho o óleo é resfriado até a temperatura adequada de lubrificação e filtrado. A pressão de óleo para os mancais é controlada através de uma válvula reguladora de pressão que a mantém em torno de 1 a 2 kgf/cm2. 8.3.3. Lubrificação por anel pescador

2

3 E 1 5 OIL LEVEL

Anel pescador

Detalhe do anel pescador

Um anel de diâmetro maior que o eixo fica apoiado sobre o mesmo e com a parte inferior mergulhado no óleo. Com o eixo em rotação, o anel é arrastado de forma a girar com velocidade menor que a do eixo. Este movimento produz o arraste do óleo do reservatório para o mancal.

RESERVADO

Capítulo 8. Lubrificação

8.3.4. Lubrificação por salpico

Section b - b

237

A

Oil collector

B

F

4

E 4

4

F

6

Bearing frame top view

Section a - a

7

G

G

B

A

Na lubrificação por salpico, no lugar do anel pescador é instalado um anel que é fixado ao eixo e fica parcialmente imerso no óleo. Quando o eixo gira, o anel gira com ele, na mesma velocidade, provocando o salpico do óleo em toda caixa do mancal.

Detalhe do anel salpicador

8.3.5. Lubrificação com graxa O método de aplicação mais usual é através da pistola graxeira.

Pistola graxeira

RESERVADO

Alta Competência

Nunca se deve encher completamente a caixa de mancal com graxa além dos 2/3 do volume da caixa, pois o excesso de graxa produzirá superaquecimento e deterioração do produto. O espaço deixado na caixa de mancal serve para a graxa se expandir e se movimentar pelos elementos rolantes do mancal. Durante a lubrificação, abra o dreno da caixa de mancais e certifiquese de que está ocorrendo a saída da graxa velha. 8.3.6. Lubrificação por névoa de óleo Pode ser definida como um tipo de processo de lubrificação centralizada que utiliza “nuvem” de óleo.

238

O vapor de óleo é formado quando o ar comprimido passa por um orifício, reduzindo a pressão. Isso faz o óleo ser extraído de um reservatório e ir para um fluxo de ar. O vapor resultante é distribuído através de linhas de alimentação para vários pontos de aplicação.

Ar seco, filtrado e preaquecido Névoa de defletor

Câmara de vortex

Defletor Nível de óleo

RESERVADO

Capítulo 8. Lubrificação

Injetores de óleo

Coletor de óleo Caixa do mancal onde o óleo é pulverizado

239

8.4. Cuidados na lubrificação Para termos uma idéia da importância da lubrificação, segundo um grande fabricante de rolamentos as grandes parte das falhas em equipamentos são causados por deficiência de lubrificação. Cerca de 50% dos rolamentos falham por deficiência de lubrificação e aproximadamente 25% dos custos de manutenção estão associados a falhas de lubrificação. Além disso, as falhas causadas por falta de lubrificação, normalmente são bastante aceleradas, gerando perdas de produção e manutenção em caráter de emergência (alto custo), os custos dos lubrificantes correspondem apenas a aproximadamente 2% do custo total da manutenção e sempre existe uma maneira de se aumentar o tempo médio entre falhas de um equipamento através de melhoramentos na sua lubrificação. As principais causas de falhas em rolamentos são a presença de contaminantes no lubrificante como: sujeira, água e vapor condensado.

RESERVADO

Alta Competência

Oxidação do rolamento por presença de água no óleo

% de Água no Óleo Mineral Básico

Redução vida do rolamento por fadiga

0,002 %

48 %

6%

83 %

240 250%

% Of rated bearing life

200% 25ppm = 0.0025% 100ppm = 0.010% 1000ppm = 0.10% 2500ppm = 0.25% 5000ppm = 0.50%

150%

100%

50%

0% 0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

4.000

4.500

5.000

Ppm water in oil (based on 100% life at 100 ppm water in oil)

Redução da vida do rolamento devido teor de água no óleo

RESERVADO

Capítulo 8. Lubrificação

8.5. Exercícios 1) A necessidade de lubrificar peças e equipamentos faz parte do senso comum. Agora, a partir do que você estudou, elabore um conceito de lubrificação. _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ ________________________________________________________________ 2) A seguir você encontra um quadro-resumo sobre tipos de lubrificação, com algumas lacunas. Complete-as a partir do que você estudou: Tipos de lubrificação

Características Aplicabilidade

Vantagens

241

Óleos lubrificantes

Graxas

.

Lubrificantes sólidos

RESERVADO

Alta Competência

8.6. Glossário Cavitação - formação de bolhas de vapor ou de um gás em um líquido por efeito de forças de natureza mecânica. Ensaio físico - teste para o controle da qualidade do produto e que serve como parâmetro para os usuários.

242

RESERVADO

Capítulo 8. Lubrificação

8.7. Bibliografia JUNIOR SILVA, Achilles. Material de Treinamento da UN-BC/ENGP/EMI treinamento do curso de formação de engenheiros de equipamentos / Elétrica. 2007. MATTOS, Edson Ezequiel de; Falco, Reinaldo de. Bombas Industriais 2ª edição. Rio de Janeiro: Interciência, 1998. 474p.

243

RESERVADO

Alta Competência

8.8. Gabarito 1) A necessidade de lubrificar peças e equipamentos faz parte do senso comum. Agora, a partir do que você estudou, elabore um conceito de lubrificação. Lubrificação é uma operação que consiste em introduzir uma substância apropriada, em geral óleo ou graxa, entre superfícies sólidas que estejam em contato entre si e que executam movimentos relativos. 2) A seguir você encontra um quadro-resumo sobre tipos de lubrificação, com algumas lacunas. Complete-as a partir do que você estudou: Tipos de lubrificação

244

Óleos lubrificantes

Graxas

Características

Aplicabilidade

• Apresentam maior penetração: o óleo pode fluir por gravidade ou ser vaporizado numa nuvem, fazendo dos métodos de lubrificação por névoa e do tipo ar-óleo os mais eficientes; • Proporcionam melhor refrigeração.

• Viscosidade é a propriedade mais importante.

• São compostos lubrificantes semi-sólidos, mistura de óleo, aditivos e agentes engrossantes chamados sabões metálicos, à base de alumínio, cálcio, sódio, lítio e bário; • Consistência ou penetração é a propriedade mais importante.

Vantagens

Principalmente nas seguintes situações: • Baixas velocidades e pressões elevadas; • Folgas muito grandes; • Sistemas sujeitos a choques e trepidação; Selagem de sistemas sujeitos a contaminação; • Locais onde se deseja uma película resistente e permanente.

• Instalação mais fácil que o óleo; Instalação menos dispendiosa; • Requerem menos espaço na caixa de mancal; • Melhor aderência; Melhor proteção contra umidade e contaminantes.

RESERVADO

Capítulo 8. Lubrificação

Tipos de lubrificação

Lubrificantes sólidos

Características

Aplicabilidade

• Baixa resistência ao cisalhamento; • Estabilidade em temperaturas elevadas; • Elevado limite de elasticidade; • Alto índice de transmissão de calor; • Alto índice de adesividade; Ausência de impurezas abrasivas.

Principalmente em partes submetidas a: • Altas pressões temperaturas elevadas; • Cargas intermitentes • Meios agressivos, comuns em refinarias de petróleo e indústrias químicas e petroquímicas.

Vantagens

245

RESERVADO

RESERVADO

Capítulo 9 Proteções de bombas

Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Identificar as principais variáveis a serem controladas e suas funções na proteção de bombas.

RESERVADO

Alta Competência

248

RESERVADO

Capítulo 9. Proteções de bombas

9. Proteções de bombas

E

xistem sistemas de proteção que promovem a parada automática da bomba que devem atuar somente quando as variáveis monitoradas atingirem valores acima daqueles definidos, o que, em ultima analise, exporia o equipamento, pessoas e a unidade de produção a danos potenciais. Para as bombas centrífugas, de modo geral, as principais proteções utilizadas na garantia da integridade das instalações e das pessoas envolvidas nas atividades industriais estão relacionadas a: • Vazão; • Pressão;

249

• Temperatura; • Parâmetros elétricos; • Vibração.

9.1. Vazão O controle de vazão bomba é de fundamental importância para o bom desempenho do equipamento face aos problemas hidráulicos impostos ao mesmo em decorrência da sua operação fora dos limites recomendados por norma. Problemas relacionados à baixa vazão ocorrem quando as bombas operam continuamente ou repetidamente em ciclos dentro da região de vazão significativamente abaixo do ponto melhor eficiência (BEP), por exemplo, 50% do BEP. Nesta região, os componentes da bomba e do sistema têm seu desempenho adversamente afetado. Os problemas relacionados à baixa vazão são os piores enfrentados pelas bombas de alta densidade de energia (segundo American Petroleum Institute, bombas com mais de 200 m de head e 225 kW por estágio), bombas que trabalham com fluido quente, com partículas sólidas e gases dissolvidos no liquido.

RESERVADO

Alta Competência

Assim, um dos principais problemas encontrados é a garantia de que a bomba venha operar acima da vazão mínima. Entende-se como vazão mínima de uma bomba centrífuga a mais baixa vazão entregue pela bomba ao sistema, de forma contínua, sem que a mesma sofra algum tipo de dano. Um dos sistemas de proteção contra baixa vazão é o sistema continuo de by-pass ou recirculação contínua. Este sistema fornece uma vazão de recirculação continua ou by-pass independente da demanda do processo. A ilustração a seguir ilustra um sistema simples de recirculação contínua.

Processo

250

Orifícfio calibrado

Reservatório de sucção

Válvula de retenção Tubulação de descarga

Tubulação de sucção Bomba

Sistema de recirculação contínua

A ilustração mostra uma linha de by-pass derivando da descarga da bomba contendo um orifício de restrição (OR) ou orifício calibrado, dimensionado para uma dada vazão (vazão mínima da bomba). A linha de by-pass descarrega para o interior do vaso de sucção da bomba, que está a uma pressão mais baixa que descarga da bomba. O inconveniente desta solução é que obriga um superdimensionamento da bomba e do motor, pois ocorre uma recirculação pelo by-pass, mesmo em condições normais, quando a vazão demandada pelo processo já seria suficiente para manter a bomba em uma condição segura com relação à vazão mínima.

RESERVADO

Capítulo 9. Proteções de bombas

Outro sistema de proteção contra baixa vazão é o sistema de recirculação automático que controla a vazão de recirculação em função da vazão de demanda do processo. A soma da vazão de processo e da recirculação sempre excederá a vazão mínima especificada pelo fabricante da bomba. Neste sistema dois elementos são fundamentais: controlador de vazão para o processo e a válvula de controle de vazão de recirculação. OR - Orifício de restrição Válvula de controle

Processo Controlador de vazão

251

Sistema de recirculação automático

Uma derivação deste sistema utiliza uma única válvula, chamada de ARC Valve – Válvula de Controle Automático de Recirculação que é instalada na descarga e que reúne em uma só estrutura o medidor de vazão, válvula de retenção, válvula controladora de vazão e orifício de redução de pressão. Durante a operação com vazão reduzida, a válvula de vazão mínima abre um by-pass, protegendo desta maneira a bomba. Durante a operação normal, sempre que a vazão for maior que a mínima, linha de by-pass permanece fechada.

RESERVADO

Alta Competência

Descarga

3

3 4

Sucção

3 2

2 PI

1

252

1

Bomba

P/ vaso de sucção

1 - Válvula de recirculação automática; 2 - Válvula de retenção; 3/4 - Válvulas controladoras de vazão.

Motor

Fluxograma de uma instalação com válvulas de controle de vazão

A ilustração anterior apresenta um sistema de proteção contra vazão baixa utilizando uma válvula de recirculação automática. Já a ilustração a seguir mostra detalhes dos internos da válvula de controle de recirculação automática.

Válvula redutora de pressão

Guia Disco Válvula de controle de vazão

Internos da válvula de recirculação automática

RESERVADO

Capítulo 9. Proteções de bombas

9.2. Pressão O controle e a monitoração da pressão nas bombas são de fundamental importância para o bom desempenho do equipamento face aos danos impostos ao mesmo em decorrência da sua operação fora dos limites recomendados. Para bombas de deslocamento positivo, alem de um pressostato e/ ou um transmissor de pressão que desligará a bomba ao atingir o limite máximo definido no projeto, é necessário por norma, uma PSV (válvula de segurança) calibrada para abrir acima dos valores dos pressostatos, entretanto abaixo da pressão definida pelo fabricante do equiipamento como a máxima permissível. Como sabemos, ao operararmos uma bomba de deslocamento positivo com a válvula de descarga fechada poderiamos causar uma grande avaria à bomba ou ao sistema ou às pessoas.

253 Tanto para bombas centrifugas como para bombas de deslocamento positivo o monitoramento da pressão de sucção, bem como a pressão diferencial no filtro de sucção, são vairaveis que devem ser consideradas no sistema de proteção do equipamento. Desvios desses parâmetros fora de limites estabelecidos pelo operador e fabricante podem levar a bomba à cavitação, aquecimento e um provável travamento entre as partes móveis e estacionárias. Outro parâmetro que pode ser introduzido no sistema de proteção é o diferencial de pressão entre a descarga e sucção. O aumento no diferencial indica que a bomba centrífuga esta perto da sua pressão de shut off ou operando abaixo da vazão mínima. Esta informação alerta o operador a tomar providencias com relação a este desvio. Da mesma forma um diferencial muito baixo pode indicar um aumento de vazão que pode estar relacionado com um vazamento na linha , abertura indevida de válvula etc. O transmissor de pressão da descarga também pode indicar em uma situação estática, bomba parada, se a mesma esta pressurizada ou não. Muitas vezes o vazamento de válvulas de retenção na descarga das bombas submetem-nas à pressão descarga das bombas que continuam operando em paralelo. Nesta situação a bomba parada e com a sucção eventualmente fechada é pressurizada, o que pode acarretar danos ao sistema de selagem, à integridade de componentes do lado de sucção e numa possível operação do conjunto girante no sentido inverso. Este último pode ocorrer no momento de uma próxima partida da bomba, quando ao abrir a válvula de sucção, RESERVADO

Alta Competência

ao depender no nível de vazamento da válvula de retenção, a pressão de descarga do ramal de descarga das bombas levaria a bomba a trabalhar como uma “turbina” impondo uma rotação contraria ao sentido normal de operação. Na ocorrência deste fato a falha atingiria grandes proporções nos mancais de bombas que possuem sistema de lubrificação forçada, pois os mesmos, normalmente, não estariam operando nesta situação. Na ilustração a seguir é possível observar uma unidade de lubrificação forçada (ULF), típica de bombas de grande porte. Neste sistema a indicação, controle e monitoramento de algumas variáveis de pressão são de fundamental importância. b Pressostato de pressão muito baixa

PSLL

PSL

Pressostato de Pressão de pressão alimentação PI baixa dos mancais

Bomba

254

PSV

a

TI Indicador de temperatura Indicador FI de fluxo

PDI

Pressão descarga das bombas PI

Carter Visor de Nível Moto-bomba Indicador de TI temperatura

PSV

Indicador de pressão diferencial

Filtros de óleo TI Válvula de controle de temperatura Trocador de calor

a) Alta pressão diferencial dos filtros de óleo b) Pressão baixa de óleo de alimentação dos mancais

Esquema simplificado de uma unidade de lubrificação forçada (ULF)

Normalmente os itens a, b são dotados de alarme a fim de fornecer uma indicação sonora de que a variável está fora dos limites ótimos de operação antes de parar a maquina ao atingirem os níveis de desligamento.

RESERVADO

Capítulo 9. Proteções de bombas

9.3. Temperatura Algumas bombas, como as de cavidades progressivas, são dotadas de sistemas de proteção contra trabalho a seco através do controle de temperatura do estator. Neste caso, o sensor de temperatura é instalado de forma a medir a temperatura do estator. Nas situações onde a temperatura medida atinge o valor pré-determinado como valor limite de segurança de operação do estator, ocorre o desarme do motor evitando assim o sobreaquecimento e conseqüentemente danos ao estator. Na ilustração a seguir podemos ver um elemento sensor de temperatura instalado no estator de uma bomba de cavidades progressivas bem como detalhes da degradação e extensão do dano provocado ao estator pela exposição à temperatura elevada.

255

Sensor de temperatura do estator em uma BCP

Degradação do estator por excesso de temperatura

RESERVADO

Alta Competência

Em uma bomba centrífuga apenas uma parte da energia entregue ao eixo é convertida em energia hidráulica. Parte dela é entregue ao fluido na forma de calor devido às fricções internas. Esta perda de energia depende muito da vazão da bomba. Quanto menor a vazão, menor será a eficiência da bomba e conseqüentemente maior será a parcela de energia convertida em calor. Assim para evitar o superaquecimento e a possibilidade de vaporização do líquido bombeado no interior da bomba, uma quantidade mínima de vazão, chamada de “vazão mínima” deve ser garantida. Neste caso, a vazão mínima esta relacionada aos efeitos térmicos. Como vimos anteriormente existem sistemas de proteção específicos que garantem a operação da bomba com vazões acima da mínima.

256

Existem sistemas de proteção que promovem a parada automática da bomba que são fornecidos como back-up dos sistemas de controle. Eles devem atuar quando houver uma falha do sistema de controle de recirculação ou mesmo devido ao fechamento acidental da válvula de descarga ou sucção da bomba. O sistema de proteção contra temperatura elevada basicamente é compreendido por sensores de temperatura instalados na carcaça ou próximo a descarga da bomba e que através de circuitos eletrônicos de medição contínua de temperatura, mede a temperatura nestes locais e comparando-as com uma temperatura pré-determinada, ativa um circuito de alarmes e de interrupção do funcionamento da bomba. Bocal de descarga

Sensores de temperatura

Flange de sucção

Sensores de temperatura

RESERVADO

Capítulo 9. Proteções de bombas

Outra proteção de grande importância esta relacionada às temperaturas dos mancais das bombas , motores eletricos e do óleo lubrificante. Esses limites são definidos em normas ou pelo fabricante. É importante que os operadores conheçam esses limites e fiquem atentos aos desvios. A calibração periódica dos sensores e transmissores de temperatura devem ser rigorosamente respeitada e a correta instalação deve ser feita, pois uma falha de mancal por alta temperatura pode ocasionar acidentes de grandes proporções.

257

Efeito da falta de atuação do transmissor de temperatura.

Falta de atuação do transmissor de temperatura e conseqüente falha por superaquecimento no mancal do lado não acoplado do motor elétrico de uma bomba de transferência de petróleo.

9.4. Elétrica Em alguns casos, durante a partida de uma bomba centrífuga, o head desenvolvido, bem como o torque requerido, atinge valores mais altos do que aqueles observados na vazão nominal. Esta situação não ocorre em bombas de fluxo radial e em algumas de fluxo misto, pois o head de shut-off nesses casos variam de 110% a 140% do head nominal. Já algumas bombas de fluxo misto e todas de fluxo axial possuem head e torque de shut-off bem mais alto que o nominal. Neste caso atenção especial deve ser dada durante a partida dos equipamentos. As curvas a seguir ilustram as situações anteriormente mencionadas.

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Curvas caracteristicas - potencia x vazão 300

250

250

% Potencia nominal

% Head nominal

Curvas caracteristicas - head x vazão 300

200 150 100

200 150 100 50

50

0

0 0

10

20

30

40

50

Bom bas de fluxo axial

70

80

90

0

100 110 120 130 140 150

10

% Vazão nominal Bom bas de fluxo radial

20

30

40

50

Bom bas de fluxo axial

60

70

80

90

100 110 120 130

140 150

% Vazão nominal Bom bas de fluxo radial

O gráfico a seguir ilustra a variação do torque de uma bomba centrifuga radial, que representa a maioria das bombas nos processos de refino e bombeamento de petróleo nas regiões de produção, em função da sua rotação para a situação em que temos a válvula de descarga fechada, ou seja, partida em shut-off. Observa-se que o torque de partida não é zero em função do atrito estático existente nos mancais, no sistema de selagem e em função do próprio fluido de processo. Este atrito é maior do que o atrito dinâmico existente na faixa dos 10% da rotação nominal. O gráfico também mostra a curva de torque x rotação típica de um motor de indução usual na indústria do petróleo. 220 200

rque

Motor to

160 140

% torque

258

60

120 100 80 60 40

Torque da bomba

20 0 0

10

20

30 40

50 60

70 80

90 100

% rotação nominal

Primeiramente, notamos que a diferença entre a curva de torque do motor e a curva de torque da bomba é o excesso de torque disponibilizado pelo motor a fim de promover a aceleração da bomba do repouso até a rotação nominal.

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Capítulo 9. Proteções de bombas

Percebemos que as bombas radiais requerem menos potência e torque no shut-off do que na condição nominal e usualmente devem ser colocadas em operação com a válvula de descarga bloqueada. Diferentemente, as bombas axiais requerem mais potência e torque no shut-off do que na condição nominal e normalmente não são colocadas em operação com a válvula de descarga fechada, pois exigirão acionadores de maior potência e mais caros. Além disso, estas bombas produzirão elevada pressão na descarga da bomba. Para o acionamento de bombas de deslocamento positivo (rotativas e alternativas) é necessária uma melhor avaliação dos transientes de partida pelo ponto de vista das cargas impostas pelo sistema ao equipamento. Sabe-se que o torque na bomba depende diretamente do diferencial de pressão entre descarga e sucção e praticamente independe da rotação. Logo em função das condições estáticas do sistema, o motor poderá ser submetido a condições criticas que devem ser consideradas no seu dimensionamento. Paralelamente, dispositivos de alívio (ex.: válvula de reciclo) podem ser previstos para auxiliar nas situações de partida do sistema. No contexto operacional as proteções elétricas para as bombas são efetivadas por dispositivos elétricos / eletrônicos que monitoram constantemente, por exemplo, os níveis de tensão, corrente, temperatura dos enrolamentos do motor etc. Os limites operacionais são definidos pelo fabricante do motor e ao atingi-los, ações de alarme e / ou desligamento da máquina são tomadas.

9.5. Vibração A monitoração e a análise da vibração apresentada pela bomba é uma excelente ferramenta para avaliar o estado da bomba e também para identificar qual o tipo de defeito existente, tais como: • Desbalanceamento; • Desalinhamento; • Falha de mancal; • Problemas hidráulicos.

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259

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De maneira elementar, vibração pode ser definida como sendo um movimento periódico, ou seja, que se repete em todas as suas particularidades, após certo intervalo de tempo denominado período. Ela é causada por uma força perturbadora podendo, no caso de máquinas, agir como fatores atenuantes o peso, a rigidez e a capacidade de amortecimento. Quanto menor a vibração de uma bomba, maior a probabilidade de termos campanhas prolongadas. Normalmente se monitora os seguintes parâmetros de vibração: • Deslocamento; • Velocidade; • Aceleração.

260

Os instrumentos utilizados para medição de vibração vão desde sensores sísmicos portáteis, usualmente capazes de medir velocidade e por integração, a amplitude de vibração, até equipamentos sofisticados como analisador de tempo real. Naturalmente equipamentos com maiores recursos são mais necessários para máquinas de grande porte, complexidade e importância. Vejamos os instrumentos mais encontrados: • Sensor sísmico ou de velocidade Muito usado como instrumento portátil. Seu princípio de funcionamento baseia-se em gerar uma tensão proporcional à velocidade de vibração do movimento relativo entre um imã permanente e uma bobina fixa a superfície vibrante.

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Capítulo 9. Proteções de bombas

Conector

Faixa de uso 10 a 1500Hz

Carcaça

Mola

Bobina

Imã permanente Fluido amortecedor

Sensor de velocidade

• Acelerômetro É o sensor mais usado atualmente. Os valores podem ser integrados para fornecer a vibração sob a forma de velocidade. Neste caso a tensão elétrica é proporcional à aceleração a que é submetida a pilha de cristais piezoelétricos. Carcaça Cristal piezoelétrico

+

0

Massa

0

-

+ Cizalhamento

Conector Acelerômetro de cizalhamento

Mola Cristal piezoelétrico

Carcaça

0

+

Massa

0

Compressão

+

Conector Acelerômetro de compressão

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261

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• Sensor de não-contato (proximitors) Tem seu funcionamento baseado nas perdas de corrente absorvidas por um metal em função da distancia entre o sensor e o alvo de medição. Usado somente em bombas muito importantes e de mancal de deslizamento. Uma das principais aplicações é a medição da posição relativa do eixo. Superfície metálica

Campo magnético Sensor

Cabo de extensão

Oscilador/Demodulador (proximitor) + 24 V DC Common Output

262

Sensores de não-contato do mancal de uma bomba de injeção de água

Os analisadores de tempo real são os mais sofisticados instrumentos e conseqüentemente os mais onerosos. Neste caso, obtém-se uma figura bidimensional que permite visualizar a amplitude de vibração versus a freqüência predominante ao longo do tempo.

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Capítulo 9. Proteções de bombas

Amplitude

0

Domínio da frequência Domínio do tempo

Espectro de vibração - amplitude versus freqüência

De uma forma geral procura-se instalar os sensores de vibração o mais próximo possível dos mancais onde as respostas dinâmicas da maquina permitem uma melhor avaliação das condições do equipamento. Por exemplo, em maçais de rolamento as medições permitem inferir sobre defeitos incipientes e a evolução dos mesmos ao longo do tempo. Vejamos na ilustração a seguir, exemplos de locais de medição de vibração em uma dada bomba horizontal. V

H

V

A

V

Onde:

H

A

V

A - Axial (direção paralela ao eixo da bomba);

V H H

V - Vertical (perpendicular ao eixo da bomba); H

A

Bombas horizontais - locais de medição de vibração

H - Horizontal (perpendicular ao eixo da bomba)

A medida com proximitors é bastante usada para máquinas de grande porte. Normalmente a máquina é permanentemente monitorada. A partir do tratamento dos sinais as condições dos mancais podem ser avaliadas.

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263

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Os valores das variáveis indicativas de vibração são informações valiosas para um diagnóstico da condição de uma bomba. A experiência acumulada pelos fabricantes de bombas e mancais levou a estabelecer correlações entre alguns tipos de falhas, suas possíveis causas e as respectivas freqüências de vibração.

264

Para que seja efetivo o acompanhamento das condições da máquina, as ações dele decorrentes devem ser pautadas na coleta de vibrações e analise. Nesta ultima toda a experiência acumulada dos técnicos, bem como os critérios de severidade e correlações entre vibrações e possíveis causas só surtirão efeito com a sistematização de coleta e gerenciamento dos dados. Em algumas máquinas este acompanhamento, como já dissemos, é permanente, mas em bombas isto não é usual; entretanto, um acompanhamento periódico, por exemplo, mensal, deve ser realizado para observarmos valores atuais, bem como a sua evolução ao longo do tempo e após ações de reparo. Em termos de proteção, os níveis de vibração de um equipamento podem ser monitorados para alarmar oU desligar a maquina em função de limites preestabelecidos. Em uma bomba centrifuga, por exemplo, a vibração em níveis elevados pode ocasionar avarias de grandes proporções. A seguir podemos listar alguns exemplos de problemas que são detectados por sensores de vibração. • Perda de material ou quebra de parte do impelidor; • Entrada de corpo estranho pela sucção e alojamento do mesmo nas partes internas do impelidor; • Falha súbita de mancal com posterior desalinhamento entre motor e bomba; • Quebra de parte da ventoinha do motor elétrico; • Cavitação em bombas de grande porte.

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Capítulo 9. Proteções de bombas

9.6. Exercícios 1) Correlacione os controles de variáveis da coluna da esquerda com suas respectivas funções de proteção de bombas, na coluna da direita: A - Controle de vazão B - Controle de pressão C - Controle de temperatura D - Controle elétrico E - Controle de vibração ( ) As pressões de sucção, de descarga e, em bombas de grande porte dotadas de dispositivos de balanceamento hidráulico, a pressão de balanceamento devem ser monitoradas a para antever e evitar a falha prematura da bomba. ( ) Os motores para acionamento de bombas, deverão ser projetados para que seu torque de partida permaneça acima da curva de torque da máquina acionada, no caso de ligação direta ou estrela-triângulo, mesmo durante uma queda momentânea de tensão para 80% da tensão nominal. ( ) Para evitar o superaquecimento e a possibilidade de vaporização do líquido bombeado no interior da bomba, uma quantidade mínima de vazão, chamada de “vazão mínima” deve ser garantida. ( ) Excelente ferramenta para manutenção preditiva, monitoração e análise de problemas como desbalanceamento, desalinhamento, falha do rolamento e roçamento, entre outros, em bombas. ( ) Visa garantir que a bomba venha operar acima da vazão mínima.

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265

Alta Competência

9.7. Glossário BEP - ponto de trabalho no qual uma bomba desempenha sua função com maior eficiência. Estator - camisa de vedação da bomba de cavidade progressiva. Head - altura manométrica total do sistema. Impelidor - também chamado de rotor. Constitui de um disco provido de pás (palhetas) que através do movimento de rotação, promovido por ação de um motor, é capaz de impulsionar um líquido; OR - orifício de restrição Shut-off - altura desenvolvida correspondente à vazão "ø". Torque - força que tende a rodar ou virar objetos.

266

ULF - Unidade de Lubrificação Forçada.

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Capítulo 9. Proteções de bombas

9.8. Bibliografia JUNIOR SILVA, Achilles. Material de Treinamento da UN-BC/ENGP/EMI treinamento do curso de formação de engenheiros de equipamentos / Elétrica. 2007. KARDEC, Alan; NASCIF, Júlio; BARONI, Tarcísio. Gestão Estratégica e Técnicas Preditivas. ABRAMAN – Qualitymark Rio de Janeiro. 2002 MACKAY, Ross. The Pratical Pumping Handbook. Elsevier Advanced Technology. 2004 MATTOS, Edson Ezequiel de; Falco, Reinaldo de. Bombas Industriais 2ª edição. Rio de Janeiro: Interciência, 1998. 474p. SILVA, Marcos Antonio da. Manual de Treinamento da KSB Bombas Hidráulicas S/A. 4ª ed. 2001 MESSINA J.P. PUMP SYSTEMS. Pump Handbook. 3ª edição. Ed. MacGran Hill.2001

267

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Alta Competência

9.9. Gabarito 1) Correlacione os controles de variáveis da coluna da esquerda com suas respectivas funções de proteção de bombas, na coluna da direita: A - Controle de vazão B - Controle de pressão C - Controle de temperatura D - Controle elétrico E - Controle de vibração (B)

As pressões de sucção, de descarga e, em bombas de grande porte dotadas de dispositivos de balanceamento hidráulico, a pressão de balanceamento devem ser monitoradas a para antever e evitar a falha prematura da bomba.

(D)

Os motores para acionamento de bombas, deverão ser projetados para que seu torque de partida permaneça acima da curva de torque da máquina acionada, no caso de ligação direta ou estrela-triângulo, mesmo durante uma queda momentânea de tensão para 80% da tensão nominal. Para evitar o superaquecimento e a possibilidade de vaporização do líquido bombeado no interior da bomba, uma quantidade mínima de vazão, chamada de “vazão mínima” deve ser garantida.

268 (C)

(E)

Excelente ferramenta para manutenção preditiva, monitoração e análise de problemas como desbalanceamento, desalinhamento, falha do rolamento e roçamento, entre outros, em bombas.

(A)

Visa garantir que a bomba venha operar acima da vazão mínima.

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Capítulo 10 Problemas e possíveis causas

Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Identificar os cuidados necessários ao procedimento de escorva das bombas; • Identificar os principais cuidados para efetuar a partida em uma bomba; • Identificar os cuidados necessários para efetuar a parada de uma bomba.

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270

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Capítulo 10. Problemas e possíveis causas

10. Problemas e possíveis causas

O

s procedimentos aplicáveis a operação e manutenção de determinada bomba são fornecidos pelos seus fabricantes. Entretanto, objetivando fornecer aos operadores uma visão geral sobre alguns aspectos relevantes à operação das bombas, falaremos sobre procedimentos de escorva, partida e parada bem como sugestões de itens a serem inspecionados durante as inspeções diárias da operação. Além disso, é importante ressaltar que um adequado trabalho de diagnose depende, fundamentalmente, de informações que permitam correlacionar o sintoma apresentado às suas causas. Dentro deste raciocínio informações relacionadas a esta investigação serão disponibilizadas através da correlação de sintomas versus possíveis causas.

271

10.1. Escorva As bombas centrífugas, embora possam succionar o fluido de um nível inferior ao seu bocal de sucção, necessitam serem inicialmente escorvadas. Entende-se por escorva um processo de preparação da bomba para o seu funcionamento, no qual o ar ou gases contidos no seu interior e na tubulação de sucção são extraídos e seu espaço é então ocupado pelo líquido a ser bombeado. Portanto, antes de começar a operar, a bomba, bem como a tubulação de sucção, devem estar cheias de líquido.

10.2. Procedimentos de partida Os passos necessários para a partida de uma bomba dependem do seu tipo. Assim sendo, os passos considerados como importantes em determinado conjunto sistema/bomba podem ser desnecessários em outro. Desta forma, a seqüência de procedimentos descritos a seguir deve ser considerada apenas como orientação. Em cada caso deve ser cuidadosamente observado o manual do fabricante da bomba. Vejamos os procedimentos gerais:

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a) Inspeção preliminar da bomba, acionador, tubulações e unidade de lubrificação forçada observando principalmente: • Limpeza; • Condições de segurança; • Sentido de rotação; • Nível de óleo e da unidade de lubrificação forçada; • Alinhamento dos instrumentos; • Alinhamento das válvulas.

272

b) Fechar todos os drenos; c) Restringir válvula de vent e abrir lentamente a válvula de sucção a fim de promover a escorva da bomba. Quando constatar a saída de líquido através da válvula de vent, a mesma deverá ser fechada e em seguida a válvula de sucção deverá ser aberta. A válvula de vent é utilizada para permitir que o ar ou gás contidos na bomba possam ser exauridos. Normalmente são instaladas na parte superior do equipamento visando a melhor eficiência na extração dos gases. d) Por questões de saúde, segurança e meio ambiente, o líquido ventado deverá ser direcionado para local apropriado (tambor, vaso de drenagem etc) bem como atentar para o uso de máscaras de segurança apropriadas ao produto manipulado; e) Confirmar o alinhamento da válvula de fluxo mínimo; f) Fechar válvula de descarga. Lembrar que bombas axiais e algumas de fluxo misto partem com válvula de descarga aberta devido às características das suas curvas de performance; g) Alinhar os sistemas de refrigeração para os mancais, caixa de selagem e sistema de lubrificação verificando a existência de vazamentos;

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Capítulo 10. Problemas e possíveis causas

h) Colocar a unidade de lubrificação forçada para funcionar, verificando o fluxo para os mancais bem como a existência de vazamentos. Verificar o diferencial de pressão do filtro de óleo lubrificante; i) Dar a partida no motor. Neste momento, por questões de segurança, é recomendável se afastar do conjunto rotativo; j) Tão logo a bomba alcance a rotação nominal, abrir lentamente a válvula de descarga; l) Observar a existência de possível vazamento através do sistema de selagem. O vazamento através dos selos mecânicos é praticamente imperceptível, para a nossa realidade, mas as gaxetas devem admitir um vazamento da ordem de 30 a 60 gotas por minuto para auxiliar a lubrificação. m) Checar a temperatura dos mancais. De um modo geral não devem exceder a 65 ºC. n) Observar a operação do sistema/bomba quanto a ruído, vibração, aquecimento, vazamentos nos sistemas periféricos ou qualquer outro comportamento anormal.

10.3. Procedimentos de parada Assim como na partida, na parada de uma bomba alguns passos podem ser considerados importantes enquanto que em outro conjunto sistema/bomba podem ser desnecessários. De qualquer forma listaremos uma seqüência usual devendo sempre para os casos particulares consultar os procedimentos específicos. Vejamos os procedimentos gerais: a) Certificar que a válvula de fluxo mínimo está alinhada; b) Para as bombas com unidade de lubrificação forçada, confirmar se a bomba de pós-lubrificação, quando utilizada, está em automático a fim de garantir a lubrificação e refrigeração dos mancais da bomba após a parada da bomba principal;

RESERVADO

273

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c) Fechar lentamente a válvula de descarga. Este procedimento visa evitar fluxo no sentido contrário devido a uma possível passagem pela válvula de retenção e atenuar os problemas de golpe hidráulico sobre o sistema/bomba; d) Parar o acionador; e) Confirmar a entrada em operação da bomba de pós-lubrificação; f) Observar a existência de possível vazamento através do sistema de selagem e sistema periféricos; g) Caso haja, abrir válvula de aquecimento;

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h) Colocar a botoeira da bomba em automático caso a bomba venha operar como reserva automática (stand-by); Caso a bomba venha ser liberada para manutenção, os procedimentos de bloquear (isolar),despressurizar, drenar e lavar a bomba deverão ser aplicados. Nesta fase, cuidados com aspectos de SMS (Segurança, Meio Ambiente e Saúde) deverão ser tomados a fim de garantir a liberação do equipamento com segurança para o homem quanto para o meio ambiente.

10.4. Itens de inspeção A rigor, o número de itens e a periodicidade com que a bomba é inspecionada não são, e nem poderiam ser, parâmetros invariáveis, uma vez que esse critério depende do porte, tipo e importância da bomba. Os manuais dos fabricantes sugerem os itens bem como a periodicidade das atividades relacionadas à operação e à manutenção. Os itens a seguir devem ser observados pelos operadores durante as suas inspeções de área bem como aquelas obtidas na sala de controle:

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Capítulo 10. Problemas e possíveis causas

• Familiarizar com os níveis de alerta e desarme (trip) do conjunto acionador/bomba; • Pressões de descarga e sucção; • Vazão, caso possua medidor individual; • Corrente do motor; • Alterações de ruídos e vibrações; • Vazamentos no sistema de selagem; • Acompanhamento das temperaturas dos mancais; • Leituras das pressões e temperaturas da unidade de lubrificação forçada; • Acompanhamento dos níveis de vibração dos mancais; • Verificação das condições e do nível de óleo dos mancais e da unidade de lubrificação forçada.

10.5. Correlações entre sintomas versus possíveis causas Os conhecimentos adquiridos pelos profissionais na área de bombas bem como a literatura é, felizmente, bastante vasta e, salvo pequenas exceções devido às particularidades de cada bomba e ou sistema, podemos correlacionar alguns problemas típicos encontrados, no diaa-dia, das instalações de bombeamento e as suas possíveis causas. Não é intenção desse conteúdo esgotar todas as falhas e suas respectivas causas, mas fornecer aos operadores uma trilha para que possam realizar uma análise preliminar das possíveis causas que estão comprometendo a performance do equipamento.

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10.5.1. Sistema de engaxetamento vazando excessivamente • Tubulação de líquido de selagem obstruída; • Líquido de selagem sujo ou com abrasivo, provocando erosão do eixo ou luva; • Preme gaxetas extremamente apertadas impedindo que as mesmas sejam lubrificadas; • Gaxetas instaladas inadequadamente; • Eixo ou a luva do eixo gasta ou arranhada na região de engaxetamento;

276

• Incorreta utilização de gaxetas para o serviço; • Folga excessiva no fundo da caixa de selagem permitindo que as gaxetas sejam extrudadas para o interior da bomba. 10.5.2. Selo mecânico vazando • Selo mecânico trabalhou a seco; • Abrasivos sólidos no líquido bombeado; • Erro de montagem do selo; • Eixo girando fora de centro devido a rolamentos gastos e desalinhamento provocado pela tubulação; • Vibração excessiva.

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Capítulo 10. Problemas e possíveis causas

10.5.3. Problemas mecânicos nos mancais • Acúmulo de impurezas nos rolamentos; • Contaminação do lubrificante devido a umidade ou água. Atenção redobrada durante a liberação de serviço de limpeza da área utilizando jato de água; • Utilização de graxa ou óleo fora das especificações; • Rolamentos com excesso de graxa ou óleo na caixa de mancal; • Falta de lubrificação; • Instalação inadequada dos mancais de rolamentos (montagem com folga ou interferência excessiva);

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• Esforço radial excessivo em volutas simples; • Esforço axial excessivo devido ao aumento das folgas entre os dispositivos de balanceamento do empuxo axial, como conseqüência dos desgastes internos. 10.5.4. Bomba perde escorva após a partida • Bomba não escorvada corretamente; • Bomba operando com a válvula de sucção fechada ou parcialmente fechada; • Filtro de sucção entupido (verificar o diferencial de pressão do filtro); • Bolsão de ar na linha de sucção; • Quantidade excessiva de gás ou ar no líquido; • Insuficiência de NPSH disponível; • Ar entrando pela linha de sucção; • Ar entrando pelas gaxetas;

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• Formação de vórtice no bocal de entrada da tubulação de sucção; • Obstrução na linha de sucção; • Impelidor parcialmente/totalmente entupido. 10.5.5. Vazão insuficiente • Bomba operando com rotação abaixo da nominal; • Bomba operando com sentido contrário de rotação; • Operação com válvulas de sucção ou descarga parcialmente abertas;

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• Operação com a válvula de fluxo mínimo ou by-pass dando passagem; • Viscosidade do fluido diferente daquela especificada em projeto; • Operação em paralelo com bombas inadequadas para este serviço; • Perda de carga na sucção fazendo com o NPSHd seja menor que o NPSHr; • Folga excessiva dos anéis de desgaste; • Variação na pressão de vapor do líquido bombeado produzindo cavitação; • Problemas mecânicos no impelidor (obstruções, quebra de pás); • Aumento das folgas internas pelo desgaste (presença de material particulado).

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Capítulo 10. Problemas e possíveis causas

10.6. Exercícios 1) Explique o que é o procedimento de “escorva” de uma bomba. _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ ________________________________________________________________ 2) Complete as lacunas em relação aos procedimentos gerais que devem ser atendidos para que seja dada a partida em uma bomba. a) Restringir válvula de vent e abrir lentamente a válvula de sucção a fim de promover a __________________ da bomba. b) Lembrar que bombas axiais e algumas de fluxo misto partem com __________________ devido às características das suas curvas de performance. c) Alinhar os sistemas de refrigeração para os mancais, caixa de selagem e sistema de lubrificação verificando a existência de __________________. d) Observar a existência de possível vazamento através do sistema de selagem. O vazamento através dos(as) __________________ é praticamente imperceptível, para a nossa realidade, mas as __________________ devem admitir um vazamento da ordem de 30 a 60 gotas por minuto para auxiliar a lubrificação. e) Checar a temperatura dos mancais. De um modo geral não devem exceder a temperatura de __________________ ºC. 3) Cite alguns dos procedimentos gerais que devem ser atendidos para que uma bomba possa ser parada. _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ ________________________________________________________________

RESERVADO

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Alta Competência

10.7. Glossário Escorva - retirada de ar de um sistema de bombeamento. Gaxeta - elementos de vedação usualmente utilizados em bombas. Impelidor - também chamado de rotor. É constituído de um disco provido de pás (palhetas) que através do movimento de rotação, promovido por ação de um motor, é capaz de impulsionar um líquido; Válvula de vent Voluta - tipo de carcaça de bomba em forma de um funil encurvado. Vórtice - turbilhonamento ou redemoinho formado pela circulação de um fluido.

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Capítulo 10. Problemas e possíveis causas

10.8. Bibliografia JUNIOR SILVA, Achilles. Material de Treinamento da UN-BC/ENGP/EMI treinamento do curso de formação de engenheiros de equipamentos / Elétrica. 2007. MATTOS, Edson Ezequiel de; Falco, Reinaldo de. Bombas Industriais. 2ª edição. Rio de Janeiro: Interciência, 1998. 474p.

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10.9. Gabarito 1) Explique o que é o procedimento de “Escorva”. Podemos entender o procedimento de escorva como o processo de preparação da bomba para o seu funcionamento. Nesse momento o ar ou os gases contidos no seu interior da bomba e da tubulação de sucção devem ser extraídos, sendo esse espaço preenchido pelo líquido a ser bombeado. 2) Complete as lacunas em relação aos procedimentos gerais que devem ser atendidos para que seja dada a partida em uma bomba. a) Restringir válvula de vent e abrir lentamente a válvula de sucção a fim de promover a escorva da bomba. b) Lembrar que bombas axiais e algumas de fluxo misto partem com válvula de descarga aberta devido às características das suas curvas de performance. c) Alinhar os sistemas de refrigeração para os mancais, caixa de selagem e sistema de lubrificação verificando a existência de vazamentos.

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d) Observar a existência de possível vazamento através do sistema de selagem. O vazamento através dos (as) selos mecânicos é praticamente imperceptível, para a nossa realidade, mas as gaxetas devem admitir um vazamento da ordem de 30 a 60 gotas por minuto para auxiliar a lubrificação. e) Checar a temperatura dos mancais. De um modo geral não devem exceder a temperatura de 65 ºC. 3) Cite alguns dos procedimentos gerais que devem ser atendidos para que uma bomba possa ser parada. • Se certificar que a válvula de fluxo mínimo está alinhada; • Para as bombas com unidade de lubrificação forçada, confirmar se a bomba de pós-lubrificação está em automático a fim de garantir a lubrificação e refrigeração os mancais da bomba após a parada da bomba principal; • Fechar lentamente a válvula de descarga; • Parar o acionador; • Confirmar a entrada em operação da bomba de pós-lubrificação; • Dentre outros...

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Anotações

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