Operações Unitárias. Transporte de fluidos Bombas. Colégio Técnico de Lorena - COTEL. Prof. Lucrécio Fábio. Departamento de Engenharia Química

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1 Colégio Técnico de Lorena - COTEL Operações Unitárias Transporte de fluidos Bombas Prof. Lucrécio Fábio Departamento de Engenharia Química Atenção: Este roteiro destina-e exclusivamente a servir como base de estudo. Figuras e tabelas de outras fontes foram reproduzidas estritamente com fins didáticos.

2 Transporte de fluidos Bombas Deslocamento positivo ou volumétricas (pistão) Turbobombas ou dinâmicas (rotor) Válvulas Tubulações Medidores de Vazão Compressores Ventiladores 2

3 Aplicações da mecânica dos fluidos CONCEITOS O transporte de fluidos está relacionado com a Mecânica dos Fluidos que é a ciência que estuda o comportamento físico dos fluidos, assim como as leis que regem esse comportamento. Ação de fluidos sobre superfícies submersas (barragens); Equilíbrio de corpos flutuantes (embarcações); Ação do vento sobre construções civis; Estudos de lubrificação; 3

4 Aplicações da mecânica dos fluidos Transporte de sólidos por via pneumática ou hidráulica (elevadores); Cálculo de instalações hidráulicas (instalação de recalque em edifícios); Cálculo de instalações hidráulicas (bombas e turbinas); Instalações de geração de vapor (caldeiras); 4

5 Mas, 5

6 Então, Fluido é uma substância que não tem forma própria, e que, se estiver em repouso, não resiste a tensões de cisalhamento. Quando submetido a tensões de cisalhamento (tangenciais), por pequenas que sejam, deforma-se continuamente. Tendem a escoar (ou fluir) e os sólidos tendem a se deformar ou dobrar quando interagimos com eles. Os fluidos compreendem as fases líquidas e gasosas (ou de vapor). 6

7 Características importantes dos fluidos para o dimensionamento de equipamentos e processos: Viscosidade: Viscosidade é a propriedade física que caracteriza a resistência de um fluido ao escoamento Geralmente a viscosidade decresce com o aumento da temperatura. A viscosidade dos líquidos tende a aumentar a potência requerida por uma bomba. Pode reduzir a eficiência, a carga e a capacidade da bomba e aumentar o atrito nos encanamentos. Pressão: Carga de atrito requerida para vencer a resistência ao escoamento em tubulações e acessórios. 7

8 Fluido ideal Fluido ideal é aquele cuja viscosidade é nula. Por esta definição, conclui-se que é um fluido que escoa sem perdas de energia por atrito. É claro que nenhum fluido possui essa propriedade, entretanto, em algumas situações será interessante admitir essa hipótese por razões didáticas ou pelo fato de a viscosidade ser um efeito secundário do fenômeno. 8

9 Transporte de fluidos As primeiras máquinas de fluxo desenvolvidas foram rodas de conchas e bombas parafuso para elevar a água. Conhecida como parafuso de Arquimedes, constitui-se de eixo tubular, hélices, além de unidade motriz. 9

10 Aplicações bombas parafuso 10

11 Transporte de fluidos As primeiras máquinas de fluxo desenvolvidas foram rodas de conchas e bombas de parafuso para elevar a água. 11

12 Bombas Bombas são dispositivos fluidodinâmicos que fornecem energia mecânica a um fluido para transportá-lo de um lugar ao outro. São máquinas geratrizes e sua finalidade é deslocar líquidos por escoamento. Uma máquina geratriz transforma o trabalho mecânico que recebe de um motor (em geral elétrico, a vapor ou de combustão interna) em energia hidráulica sob as formas que o líquido é capaz de absorver, isto é, energia cinética (movimento) e de pressão (força). 12

13 Classificação das Bombas É comum a classificação de bombas segundo o modo pelo qual é realizada a transformação do trabalho mecânico em energia hidráulica, assim como o modo de cedê-la ao líquido, aumentando a sua pressão e/ou sua velocidade. Dois tipos principais: Turbobombas (hidrodinâmicas ou rotodinâmicas ou simplesmente dinâmicas) Deslocamento positivo (hidrostáticas ou volumétricas) 13

14 Turbobombas No caso das turbobombas, fornece-se energia ao líquido por meio de um impelidor (impulsor ou rotor) de modo a aumentar sua energia cinética que, por sua vez, é transformada em energia de pressão. As turbobombas são caracterizadas por possuírem um sistema rotatório dotado de pás (rotor ou impulsor ou impelidor) que, devido a sua aceleração, exerce forças sobre o líquido. O acesso do líquido no interior da carcaça da bomba dá-se de modo axial para, em seguida, dirigir-se em movimento radial em direção à saída do equipamento. 14

15 Turbobombas As turbobombas são dotadas de um rotor e um difusor. Rotor: Também chamado impulsor ou impelidor, é um disco dotado de palhetas fixado a um eixo que propicia o movimento de rotação. O líquido entra nas vizinhanças do eixo, no centro do rotor e é lançado para a periferia. O aumento de energia cinética se dá, do centro do rotor até as extremidades da palheta. As palhetas são desenhadas para promover o escoamento suave do líquido entre elas. 15

16 Turbobombas Difusor : O líquido que sai do rotor apresenta uma elevada energia cinética, que é transformada em energia de pressão em outro ponto denominado difusor. O difusor consiste de um canal de área de seção reta continuamente crescente que faz a transformação da maior parte da elevada energia cinética com que o liquido sai do rotor, em energia de pressão, realiza uma contínua e progressiva diminuição da velocidade do liquido que por ele escoa, com o simultâneo aumento da pressão, de modo a que esta tenha valor elevado e a velocidade seja reduzida na ligação da bomba ao encanamento de recalque. 16

17 Turbobombas Bombas centrífugas (pura ou radial): a energia cinética advém somente de forças centrífugas que atuam no líquido (fluxo perpendicular ao eixo) A Bomba Centrífuga tem como base de funcionamento a criação de duas zonas de pressão diferenciadas, uma de baixa pressão (sucção) e outra de alta pressão (descarga ou recalque). Para que ocorra a formação destas duas zonas distintas de pressão, é necessário existir no interior da bomba a transformação da energia mecânica (de potência), que é fornecida pela máquina motriz (motor ou turbina), inicialmente em energia cinética, a qual irá deslocar o fluido, e posteriormente, em maior escala, em energia de pressão, a qual irá adicionar carga ao fluido para que ele vença as alturas de deslocamento. Essas bombas são usadas no bombeamento de água limpa, água do mar, 17

18 Turbobombas Bombas de fluxo axial: a energia cinética transferida para o líquido é por meio da ação de forças de arraste Opera a altas vazões e, por consequência, opera a baixas pressões Bombas de fluxo misto: a energia cinética é transferida para o líquido tanto por meio de forças centrífugas quanto por ação de forças de arraste 18

19 Turbobombas 19

20 Bombas de deslocamento positivo A diferença fundamental é que nestas não é necessária a transformação de energia cinética em energia de pressão. Neste caso, a pressão fornecida ao líquido é proveniente da variação de volume do fluido contido na própria bomba Possuem uma ou mais câmaras, em cujo interior o movimento de um órgão propulsor comunica energia de pressão ao líquido, provocando o seu escoamento. São bombas de deslocamento positivo porque exercem forças na direção do próprio movimento do líquido. 20

21 Tipos de bombas de deslocamento positivo Bombas de Deslocamento Positivo Bombas Alternativas Bombas Rotativas Alternativas de Pistão Alternativas de Êmbolo Alternativas de Diafragma Rotativas de Palhetas Deslizantes Rotativas de Engrenagem Rotativas de Parafuso 21

22 Bombas Alternativas de Diafragma Bombas Alternativas de Êmbolo Bomba Alternativa de Pistão 22

23 Bombas Rotativas As bombas rotativas são caracterizadas por receber o líquido e descarregá-lo com base no movimento rotacional de dispositivos no interior da carcaça da bomba. O líquido recebe a ação de forças provenientes de uma ou mais peças dotadas de movimento de rotação que, comunicando energia de pressão, provocam seu escoamento. A ação das forças se faz segundo a direção que é praticamente a do próprio movimento de escoamento do líquido. Nas bombas rotativas ou rotatórias o líquido retido no espaço entre os dentes ou entre palhetas deslizantes é deslocado de modo contínuo pelo movimento de rotação desde a entrada até a saída da bomba. 23

24 Bombas Rotativas As bombas rotativas são usadas com líquidos de qualquer viscosidade, desde que não contenham sólidos abrasivos. Existe uma grande variedade de bombas rotativas que encontram aplicação não apenas no bombeamento convencional, mas principalmente nos sistema de lubrificação, nos comandos, controles e transmissões hidráulicas e nos sistemas automáticos com válvulas de sequência. Palhetas Engrenagem Um único rotor Pistão rotativo Elemento Flexível Mais de um rotor Lóbulos Pistões Oscilatórios Parafuso Parafuso 24

25 Tipos de bombas Rotativas Bombas Rotativas Rotativas de palhetas deslizantes Rotativas de Engrenagem Rotativas de Parafuso Rotativas de Lóbulos 25

26 Rotativas de Palhetas Deslizantes Rotativas de Engrenagem Bombas Rotativas de Parafuso Rotativas de Lóbulos Lóbulo duplo Lóbulo triplo 26

27 Condições ótimas de operação Todas as bombas têm condições ótimas de utilização, ou seja, são mais adequadas para um determinado tipo de fluido, em uma faixa de pressão e a uma dada vazão volumétrica. As bombas centrífugas são construídas de modo a fornecerem uma ampla faixa de vazões, desde uns poucos L/min até L/min. As pressões de descarga podem atingir algumas centenas de atmosferas. Elas trabalham com líquidos límpidos, líquidos com sólidos abrasivos ou ainda, com alto conteúdo de sólidos, desde que o líquido não seja muito viscoso. 27

28 Condições ótimas de operação As bombas alternativas de pistão só podem ser utilizadas para deslocamento de fluidos clarificados e limpos, não podem operar comfluidos abrasivos. São utilizadas para altas pressões, que somente são alcançadas para esses tipos de bombas, porém fornecem baixas vazões. Por outro lado, as bombas de diafragma e as peristálticas são específicas para líquidos corrosivos, soluções alcalinas, polpas, líquidos biológicos, etc. As bombas rotativas são especificamente indicadas para fluidos viscosos, porém não abrasivos. Por isso são usadas, especialmente, com sucos concentrados, chocolate e geléias. 28

29 Condições de utilização de bombas As bombas serão adequadas para um determinado tipo de fluido, em uma faixa de pressão e a uma dada vazão volumétrica. Bombas centrífugas, por exemplo: são construídas para fornecer ampla faixa de vazões e de carga. Tais bombas trabalham com líquidos límpidos, sólidos abrasivos ou ainda com alto conteúdo de sólidos, desde que o líquido não seja muito viscoso As bombas de diafragma são recomendadas para líquidos corrosivos, soluções alcalinas, líquidos biológicos. 29

30 Perdas de cargas em uma bomba centrífuga A perda de carga é utilizada para o dimensionamento bomba. apropriado da Parte da energia fornecida pela bomba é gasta na forma de atrito, essa energia gasta é a chamada perda de carga. Abaixo estão descritos as causas mais comuns de perda de carga em um sistema de bombeamento: Mecânicas: devido a fricção nas partes moveis Escapes: devido a escapes do extremo do rotor, retorno entre o rotor e a carcaça, aspiração do rotor, são maiores com rotor aberto e em caso de que as empacotadoras são gastas. 30

31 Perdas de cargas em uma bomba centrífuga Recirculação: a velocidade de liquido entre duas palhetas adjacentes não é uniforme, o liquido adjacente à carga posterior de uma palheta tem uma velocidade menor que aquele líquido na casa anterior da palheta que lhe segue. A diferença de velocidade cria uma recirculação do líquido no espaço que consome potência que não se utiliza. Hidráulicas: fricção entre o líquido e a carcaça, entre o líquido e faces da palheta, e perdas por bruscas mudanças de direção e de seção reta quando o líquido sai do rotor e entra na carcaça. 31

32 Perdas em uma bomba centrífuga H B H B : perda distribuída H R : altura de recalque H S : altura de sucção Altura manométrica: altura total 32

33 NPSH de uma bomba NPSH sigla em inglês que significa Net Positive Suction Head ou Altura Livre Positiva de Sucção ou Carga Positiva de Sucção de Bomba (Energia disponível no líquido na entrada da bomba.) A linha de sucção de uma bomba pode variar em função de sua instalação bem como da pressão de trabalho, da pressão de vapor do líquido a bombear, da velocidade de circulação do líquido na linha de sucção e da altura da sucção. NPSH ou altura de sucção disponível ou saldo positivo de carga de sucção: Representa a condição ideal para que ocorra sucção minimamente recomendável do líquido. Altura máxima da bomba para que a pressão não abaixe excessivamente. 33

34 NPSH de uma bomba Existe um limite de pressão de vácuo que se pode atingir na sucção de uma bomba, abaixo do qual haverá o fenômeno de cavitação. Este fenômeno está associado ao fato de o líquido ebulir sob determinadas condições de pressão de vácuo e de temperatura. Cavitação em Bombas A cavitação é a formação de cavidades (bolsas) de vapor de água ou de outros gases no seio de um fluido em movimentação. No interior de uma bomba centrífuga, quando o fluido escoa no conduto de aspiração, aumenta significativamente a velocidade, o que provoca uma diminuição da pressão no rotor da bomba. 34

35 Cavitação em Bombas No interior das bombas, no deslocamento das pás, as pressões são reduzidas devidas à própria natureza do escoamento ou ao movimento de impulsão recebido pelo líquido, tornando possível a ocorrência deste fenômeno. Isto acontecendo, ocorre a formação de bolhas de vapor prejudiciais ao seu funcionamento. Caso a pressão do líquido na linha de sucção caia abaixo da pressão de vapor, haverá formação de bolhas de ar que são arrastadas pelo fluxo. Estas bolhas de ar desaparecem bruscamente condensando-se, quando alcançam zonas de altas pressões em seu caminho através da bomba. A passagem do estado gasoso para líquido é brusca, o líquido alcança a superfície do rotor em alta velocidade, produzindo ondas de alta pressão em áreas reduzidas. Estas pressões podem ultrapassar a resistência à tração do metal e arrancar progressivamente partículas superficiais do rotor, inutilizando-o com o tempo 35

36 Cavitação em Bombas Se o fenômeno de cavitação é baixo, poderá verificar-se apenas um abaixamento do rendimento da bomba. Se for expressiva a cavitação, poderá verificar-se quebra do impulsor e outras partes da bomba. A cavitação geralmente ocorre por altura inadequada da sucção (problema geométrico), por velocidades de escoamento excessivas (problema hidráulico) 36

37 Cavitação em Bombas Problemas ocasionados por cavitação: erosão trepidação e desbalanceamento da máquina queda na vazão fornecida ou pode parar o bombeamento queda no rendimento ruídos Quanto maior o número específico de rotação, maior a probabilidade de cavitação A cavitação é tanto maior com a altura de instalação da bomba sobre o nível do liquido a bombear 37

38 Efeitos da Cavitação 38

39 Curvas características de bombas Servem para descrever as características operacionais de uma bomba. Permitem relacionar: - pressão descarga ( Hm, altura manométrica) - capacidade, Q. - eficiência, η. - potência, P. 39

40 Curvas características de altura manométrica total Altura Manométrica: é uma medida de altura de uma coluna de líquido que a bomba poderia criar resultante da energia cinética que a bomba dá ao fluido. Na aplicação de bombas centrífugas, empregamos essencialmente duas curvas características: a curva característica da bomba, representa a energia cedida pela bomba ao fluido em função da vazão bombeada; e a curva característica do sistema hidráulico, representa a energia requerida do fluido pelo sistema hidráulico - composto por desníveis, diferenças de pressão, canais, tubos, válvulas ou registros - em função da vazão que atravessa o sistema. A principal razão para usar altura ao invés de pressão para medir a energia de um bomba centrífuga é que a pressão variará dependendo da densidade (ρ) do fluido, mas a altura permanecerá a mesma. 40

41 Perda de carga Curva do sistema ou instalação A instalação pode ser representada matematicamente por uma curva envolvendo as perdas de pressão H (metros) e a vazão Q ( m 3 / hora ). 41

42 Curva do sistema ou instalação Observando a curva da instalação de bombeamento, podemos destacar duas medidas: A - Representa a altura estática ou localizada total (He), ou seja, os desníveis da sucção e elevação. Os desníveis, na verdade variam com os níveis dos reservatórios de sucção e de descarga. B - São as perdas dinâmicas ou distribuída (Hd). Isto é, as perdas de pressão ao longo da tubulação e seus acessórios ( Curvas, válvulas, etc.). São chamadas perdas dinâmicas por que variam com a vazão. 42

43 Perdas de pressão numa instalação hidráulica de elevação Perdas estáticas ou localizadas (He): Compreende o desnível entre reservatórios, comprimento da tubulação, diâmetro, quantidade de curvas, joelhos e válvulas. O desnível entre os reservatórios recebe no nome de altura estática de elevação e sua unidade é o metro ( m). Representa a quantidade de energia por unidade de massa que a bomba precisa adicionar ao líquido para uma determinada vazão. Perdas dinâmicas ou distribuídas (H d ) - As perdas na tubulação, são proporcionais ao quadrado da vazão, sendo a sua unidade também o metro (m). É a energia, por unidade de massa, que o fluido necessita para vencer as resistências, permitindo, a vazão especificada. Perdas totais (H) - É a soma das perdas localizadas mais as perdas distribuídas, representa a altura total da instalação de recalque e depende, em parte, da vazão. H = He + Hd 43

44 Altura manométrica Curvas características da bomba A curva H x Q, da bomba, que descreve seu comportamento, para a vazão Q e a altura total H. A altura total H, é a carga total que a bomba precisa vencer para obter uma vazão Q. Os fabricantes fornecem as curvas envolvendo alturas, vazão e rendimento para facilitar a especificação da bomba adequada. A curva da bomba, mostra que a vazão e a perda de pressão são inversamente proporcionais. Na medida em que a bomba fornece ao fluido, mais energia para uma maior vazão, a perda de pressão ( altura H ) fica menor. Obs.: A bomba é capaz de fornecer uma altura manométrica específica para cada vazão. Para uma mesma bomba quanto maior a altura manométrica necessária, menor será a capacidade de vazão que a bomba é capaz de fornecer. Quanto maior a vazão que uma bomba trabalha menor é a altura manométrica que ela é capaz de fornecer,menor será a altura que a coluna de líquido poderá ser bombeada. 44

45 Eficiência da Bomba A bomba é um dispositivo que tem a função de transformar a energia mecânica no seu eixo (P) em energia hidráulica cedida ao fluido (Ph). Como todo o processo de transformação energética existem as perdas, ou seja nem toda energia mecânica é transformada em energia hidráulica. O rendimento da bomba é a relação entre a potência hidráulica (transmitida para o fluido na forma de energia cinética e de pressão ) e a potência mecânica, fornecida à bomba pelo motor. 45

46 Curva do rendimento da bomba A bomba transforma a energia mecânica no seu eixo em energia hidráulica cedida ao fluido. Mas, existem limites para esta transformação energética. O rendimento aumenta até atingir um ponto máximo, para uma vazão. Após essa vazão ótima, o rendimento da bomba decresce e temos perdas energéticas. 46

47 Ponto de operação da bomba e instalação No gráfico a curva característica da bomba (CCB) é apresentada em azul, enquanto a curva característica do sistema (CCS) é apresentada em vermelho. Considerando as características do sistema e da bomba, representadas por suas curvas, o ponto de operação do bombeamento será a interseção das duas curvas. Neste ponto a bomba cede energia ao fluido para vencer a altura H (m) com a vazão Q ( m 3 / h ). Para a bomba ser capaz de bombear a coluna de líquido para uma altura desejada é necessário que a altura manométrica da bomba seja maior que a perda de carga do sistema. 47

48 Empregam-se curvas características para as bombas porque o comportamento das bombas centrífugas é complexo e geralmente é representada sob a forma de uma curva que apresenta a altura manométrica total em função da vazão bombeada. Por vezes a curva característica da bomba é chamada de curva H-Q. Frequentemente é apresentada na forma gráfica pelos fabricantes, mas algumas vezes a relação é apresentada sob forma de uma tabela, que nada mais é que uma seleção de pontos sobre a curva característica da bomba. 48

49 Curvas características de bomba 49

50 Esquema de uma instalação elevatória típica Bomba Adiciona energia ao escoamento da água; Motor fornece energia mecânica à bomba Válvula de pé com crivo p/ bomba acima do nível do reservatório, ela impede o retorno do líquido quando a bomba é desligada. Tubulação e bomba sempre cheios; Crivo impede entrada de partículas sólidas; Redução excêntrica evita acúmulo de bolhas de ar na entrada da bomba; (elétrica ou combustão); Válvula de retenção protege a bomba contra o retorno da água; mantém a coluna líquida na parada do motor; Registro visa à manutenção da válvula de retenção e controle de vazão (gaveta); 50

51 Configurações típicas do sistema Bomba de sucção positiva: quando o eixo da bomba situa-se acima do nível do reservatório. Bomba de sucção negativa ("afogada"): quando o eixo da bomba situa-se abaixo do nível do reservatório. Principal característica: evita a cavitação no sistema. Sucção positiva Sucção negativa 51