Capítulo 4. Elementos finais de controle

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1 Capítulo 4 Elementos finais de controle Bombas Máquinas geratrizes, cuja finalidade é deslocar líquidos por escoamento. Ela transforma o trabalho mecânico que recebe de um motor em energia hidráulica sob as formas que o líquido pode absorver, ou seja, energia potencial de pressão e energia cinética de escoamento. Existe uma grande variedade de equipamentos de bombeamento, devido ao fato de que fluídos usados na indústria diferem consideravelmente em propriedades físicas e químicas. Critérios (fatores) a serem considerados na escolha de bombas. A quantidade de líquido a transportar. A carga contra a qual há que bombear o líquido. A natureza do líquido a bombear. A natureza da fonte de energia. Se a bomba é utilizada apenas intermitentemente.

2 Parâmetros de desempenho que caracterizam as bombas Capacidade - Vazão de fluído que a bomba impõe. Pode ser: Mássica (dm/dt) expressa em Kg/s Volumétrica (Q) em m 3 /s ou m 3 /h Pressão desenvolvida - Diferença de pressão imposta pela bomba entre seus bocais de entrada e saída. Tradicionalmente expressa em metros de coluna de líquido (mcl). Potência - A potência absorvida pela bomba é a potência cedida ao seu eixo. A potência cedida pela bomba é a potência absorvida pelo fluído. Normalmente expressa em hp. Rendimento Razão entre a potência cedida pela bomba e a potência absorvida pela mesma. É um valor adimensional e menor que a unidade devido às perdas de energia na própria bomba. Classificação das bombas A classificação é baseada na forma com que a energia mecânica é transferida para o fluído, ou seja, em como é feita a transformação do trabalho mecânico em energia hidráulica, assim como o modo de cedê-la ao líquido (aumentado sua pressão e/ou sua velocidade). Classificação: Bombas de deslocamento positivo Alternativas (ou alternadas) Rotativas Bombas cinéticas ou centrífugas (ou turbobombas ou hidrodinâmicas ou rotodinâmicas ou bombas de fluxo) Fluxo radial Fluxo axial

3 Bombas de deslocamento positivo Bombas que impelem uma quantidade definida de líquido a cada golpe ou volta de um dispositivo. Uma porção de fluído é presa em uma câmara, e pela ação de um pistão ou peças rotativas é impulsionada para fora. O escoamento pode ser intermitente ou contínuo. Dois tipos: Alternativas e rotativas. Bombas Alternativas: O fluido recebe diretamente a ação de forças de um pistão ou êmbolo ou membrana flexível. A taxa de fornecimento do fluído é uma função do volume varrido pelo pistão no cilindro e do número de golpes do pistão. Imprimem ao fluído as pressões mais elevadas entre todos os tipos de bombas. Possuem capacidade relativamente pequena. Recomendadas para o bombeamento de óleos, água de alimentação de caldeira e fluídos em geral que não contenham sólidos abrasivos (danos ao cilindro ou ao pistão) Podem ser usadas como bombas dosadoras e medidoras de vazões moderadas.

4 Força devido a pistão: Modo Simplex (ação simples) válvula de saída expele carrega cilindro Vazão de saída válvula de entrada ciclo Geometria Ação Força devido a pistão: Modo Duplex (ação dupla) lado 2 lado 1 Geometria Ação

5 Força devido a pistão: A descarga é intermitente. As pressões variam periodicamente Válvulas tipo esfera Máquina motriz Conversão de movimento de rotação em movimento de translação Força devido a diagrama: Um diafragma ou dois diafragmas. válvula de saída Força diafragma válvula de entrada Válvulas tipo esfera saída diafragmas Baixa pressão Alta pressão Um diafragma modo 1 modo 2 entrada Dois diafragmas

6 Força devido a diagrama: Com dois diafragmas Bombas Rotativas: O fluído é retido no espaço entre aletas, dentes ou palhetas e em seguida deslocado de modo contínuo pelo movimento de rotação desde a entrada até a saída da bomba. São usadas com líquidos de quaisquer viscosidades, desde que não contenham sólidos abrasivos. A descarga e a pressão do fluído bombeado sofrem pequenas variações quando a rotação é constante. Podem ser: de engrenagens; de rotores lobulares, de parafusos helicoidais; e peristálticas.

7 Com ventoinha (vane): As aletas são retráteis. câmara entrada saída O fluído é empurrado pelas aletas (vanes) Com rotores lobulares : Lóbulos duplos. Fases Tipos de lóbulos O fluído é empurrado pelos lóbulos

8 Com rodas dentadas: Duas rodas. O fluído é empurrado pelos dentes Bomba peristáltica: Não há contato com o fluído ( é uma bomba asséptica).

9 Bombas cinéticas ou centrífugas A movimentação do líquido é produzida por forças desenvolvidas na massa líquida pela rotação de um rotor. O rotor é essencialmente um conjunto de palhetas ou de pás (impelidor) que impulsionam o fluído. Caracterizam-se por operarem com vazões elevadas, pressões moderadas e fluxo contínuo. O rotor pode ser aberto, fechado ou semiaberto. Transfere energia cinética de uma fonte motriz principal (um motor elétrico, por ex.), para energia cinética e depois energia potencial de pressão no fluido que está sendo bombeado. Partes responsáveis pelas transferências de energia: Impulsionador ou impelidor Parte giratória que converte energia cinética do motor em energia cinética do fluído (o fluído adquire velocidade). Voluta ou difusor Parte estacionária que converte a energia cinética do fluído em energia potencial de pressão do mesmo fluído.

10 Partes responsáveis pelas transferências de energia: Classificação das bombas cinéticas ou centrifugas: Baseada na direção principal do fluxo em relação ao eixo de rotação (principal classificação) Fluxo radial Fluxo axial Fluxo misto Baseada no tipo de sucção Sucção simples: entrada do líquido em um lado. Dupla sucção: entrada do líquido simetricamente ao impulsor, de ambos os lados. Baseada na construção mecânica do rotor Fechado: coberturas ou paredes laterais que protegem as palhetas. Aberto: nenhuma cobertura ou parede para enclausurar as palhetas. Semiaberto ou do tipo em vórtice.

11 Baseada na direção principal do fluxo em relação ao eixo de rotação (principal classificação) Fluxo radial (centrífuga propriamente dita) Fluxo axial (propulsão) Fluxo misto Baseada na construção mecânica do rotor ou impulsionador ou impelidor Fechado (vista lateral) Fechado Semiaberto Aberto Baseada no tipo de sucção Sucção simples Dupla sucção

12 Comparação entre bombas de deslocamento positivo e centrífugas: Característica Deslocamento positivo Cinética ou Centrífuga Vazão Baixa Alta Elevação de pressão Alta Baixa Corrente de saída Pulsante Contínua Trabalha com fluídos de alta viscosidade SIM NÃO Parâmetros de desempenho Capacidade, carga, BHP (potência de freio), rendimento e BEP (ponto de melhor eficiência). As curvas características de bombas permitem avaliar esses parâmetros. Capacidade - Vazão de fluído (fluxo) que a bomba impõe. Pode ser: Mássica (dm/dt) expressa em kg/s. Volumétrica (Q) em m 3 /s ou m 3 /h ou gpm.

13 A capacidade depende de Características do fluído (densidade, viscosidade, etc.) Tamanho da bomba e de suas seções de entrada e de saída Tamanho do impulsor Velocidade de rotação do impulsor (RPM) Tamanho e forma das cavidades entre as palhetas Condições de temperatura e pressão da sucção e descarga Para dado impulsor movendo um líquido a uma certa velocidade, apenas as pressões na entrada e na saída da bomba podem alterar o fluxo. A curva característica da bomba relaciona o fluxo com a pressão em sua saída. Como os líquidos são essencialmente incompressíveis, a capacidade está diretamente relacionada com o fluxo no tubo de sucção. Pressão desenvolvida - Diferença de pressão imposta pela bomba entre seus bocais de entrada e saída. Tradicionalmente expressa em metros de coluna de líquido (mcl). Carga é uma medida da altura de uma coluna líquida que a bomba poderia criar a partir da energia cinética transferida ao líquido. Usa-se carga e não pressão propriamente dita (N/m 2 ), pois a pressão de uma bomba mudará se o peso específico do líquido mudar, mas a carga não mudará.

14 Condições (especificações) de carga: Carga estática de sucção (h S ) Carga que resulta da elevação do líquido em relação à linha central de bomba. Nível do líquido acima da linha central da bomba, h S > 0. Nível do líquido abaixo da linha da bomba, h S < 0. h S < 0 é denotada como uma altura de sucção. Carga estática de descarga (h d ) Distância vertical entre o centro da bomba e o ponto de descarga livre, ou a superfície do líquido no tanque de descarga. Condições (especificações) de carga: h d h S > 0 h S < 0 h d

15 Condições (especificações) de carga: Carga de Fricção (h f ) Carga exigida para superar a resistência ao escoamento na tubulação e acessórios. Depende de: tamanho, condição e tipo de tubo; quantidade e tipos de acessórios; vazão; e natureza do líquido. Condições (especificações) de carga: Carga de Pressão de vapor (h vp ) Pressão de vapor é a pressão na qual um líquido e seu vapor coexistem em equilíbrio, a uma determinada temperatura. A pressão de vapor de líquidos pode ser obtida de tabelas de pressão de vapor. Quando essa pressão é convertida para carga, ela é chamada carga de pressão de vapor, h vp. O valor de h vp de um líquido aumenta com o aumento da temperatura e, em efeito, opõe-se a pressão na superfície do líquido, a força positiva que tende a causar fluxo do líquido na sucção da bomba, isto é, reduz a carga de pressão de sucção.