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 se deve bombear o líquido. A natureza do líquido a bombear. A natureza da fonte de energia. Se a bomba é utilizada intermitentemente ou não.

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) expressa 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 centrífugas ou cinéticas (ou turbobombas ou hidrodinâmicas ou rotodinâmicas ou bombas de fluxo) Fluxo radial Fluxo axial Fluxo misto

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 membrana 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 escoamento do fluído é uma função do volume varrido pelo pistão no cilindro e do número de golpes do pistão por unidade de tempo. 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 Fluxo médio válvula de entrada ciclo Geometria Ação Força devido a pistão: Modo Duplex (ação dupla) O fluxo médio é maior que o do caso Simplex Fluxo médio 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 diafragma: 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 diafragma: 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 fluído que está sendo bombeado. Partes responsáveis pelas transferências de energia: Impulsor ou impelidor (rotor) 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 Tamanho e forma das cavidades entre as palhetas Velocidade de rotação do impulsor (RPM) Condições de temperatura e pressão da sucção e descarga Para dado impulsor com certa velocidade movendo um líquido, 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 Equação da Bernoulli: p P1 v1 P2 v2 Mgz 1 + W + M = Mgz2 + W + M γ 2 γ 2 v 1 p 2 Onde: z 1 M Massa Seção 1 v 2 W Peso (obs. Não é vazão mássica) z2 Seção 2 γ Peso específico do fluído g Aceleração da gravidade P 1 e P 2 Pressões no fluído nas seções 1 e 2 v 1 e v 2 Velocidades do fluído nas seções 1 e 2 Equação de Bernoulli para fluídos perfeitos em regime permanente 2 P1 v1 P2 z + + = z2 + γ 2g γ v2 2g 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 a linha central da bomba e o ponto de descarga livre, ou a superfície do líquido no tanque de descarga.

15 Condições (especificações) de carga: h d Carga estática de sucção (h S ) e carga estática de descarga (h d ) h S > 0 h d h S < 0 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.

16 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. Condições (especificações) de carga: Para água ao nível do mar 1 Torr = 1 mmhg

17 Condições (especificações) de carga: Carga de Pressão (h p ) A carga de pressão é considerada quando um sistema de bombeamento começa, ou termina, em um tanque que está sob alguma pressão diferente da atmosférica. A pressão em tal tanque deve ser convertida a metros de líquido. A carga de pressão se refere à pressão absoluta na superfície do líquido no reservatório, convertida a metros de líquido. Se o sistema é aberto, h p é igual a carga de pressão atmosférica. Condições (especificações) de carga: Carga de Velocidade (h v ) Se refere à energia cinética de um líquido como resultado de seu movimento a certa velocidade. É a carga, em metros, equivalente a altura pela qual a água teria que cair para adquirir a mesma velocidade, ou em outras palavras, é a carga necessária para acelerar a água.

18 Condições (especificações) de carga: (obs. considerar S sucção e d descarga) Carga de Sucção Total (H S ) É a carga de pressão no reservatório de sucção (h ps ) mais a carga estática de sucção (h S ) mais a carga de velocidade na flange de sucção da bomba (h vs ) menos a carga de fricção na linha de sucção (h fs ). H S = h ps + h S + h vs h fs A carga de sucção total é a leitura da medida manométrica no flange de sucção, convertida a metros de líquido. Condições (especificações) de carga: (obs. considerar S sucção e d descarga) Carga Total de Descarga (H d ) É a carga de pressão de descarga no reservatório de saída (h pd ), mais a carga estática de descarga (h d ) mais a carga de velocidade no flange de descarga da bomba (h vd ) mais a carga de fricção total na linha de descarga (h fd ). A carga total de descarga é a leitura de um manômetro no flange de descarga, convertida a metros de líquido. H d = h pd + h d + h vd + h fd

19 Condições (especificações) de carga: Carga Diferencial Total (H T ) É a carga de descarga total menos a carga de sucção total: H T = H d H S Levar em consideração o sinal de h S, ou seja, se o nível de aspiração está abaixo ou acima do eixo da bomba. H T = H d H S = h pd + h d + h vd + h fd (h ps + h S + h vs h fs ) H T = (h pd - h ps ) + (h d - h S ) + (h vd - h vs ) + (h fd + h fs ) Condições (especificações) de carga: NPSH (Net Positive Suction Head) - Saldo de Carga de Sucção Em operações de bombeamento, a pressão em qualquer ponto da linha de sucção nunca deve ser menor que a pressão de vapor P v do líquido bombeado, na temperatura de trabalho. Caso contrário haverá vaporização do líquido, com consequente redução da eficiência de bombeamento. Ocorreria cavitação no rotor da bomba pela implosão das bolhas de vapor. Assim, a energia disponível para levar o fluído do reservatório até o bocal de sucção da bomba deverá ser a carga de sucção total H s menos a pressão de vapor (metros de líquido) do líquido na temperatura de bombeio. Esta energia disponível é chamada Saldo de Carga de Sucção (NPSH).

20 Condições (especificações) de carga: NPSH disponível (NPSH d ) - característica do sistema no qual a bomba opera. NPSH requerido (NPSH r ) - representa a energia mínima que deve existir entre a carga de sucção e a pressão de vapor do líquido. Deve-se ter: NPSH d > NPSH r É prática normal ter pelo menos 0,6 a 0,9m extras de NPSH disponível no flange de sucção. Potências Energias por unidade de tempo associadas à bomba. Potência de entrada da bomba ou potência de freio (BHP - Break Horse Power) - potência real entregue ao eixo da bomba. É função da carga diferencial total e do peso do líquido bombeado (em um determinado período de tempo). A BHP pode ser lida das curvas da bomba a qualquer taxa de fluxo.

21 Potências Energias por unidade de tempo associadas à bomba. Potência de produção da bomba ou potência hidráulica ou potência de água (WHP - Water Horse Power) - potência entregue pela bomba ao líquido. A potência de freio ou de entrada em uma bomba é maior que a potência hidráulica ou de produção, devido às perdas mecânicas e hidráulicas ocorridas na bomba. Eficiência ou rendimento da bomba relação entre potência hidráulica e potência de freio. η = WHP BHP A eficiência da bomba centrífuga é uma porcentagem e representa uma unidade de medida que descreve a conversão de energia cinética em energia de pressão. Ponto de Melhor Eficiência (BEP) capacidade na qual a eficiência é mais alta nas curvas da bomba. Posição na curva onde a conversão de energia cinética em energia de pressão, a uma determinada vazão, é ótima. É o ponto onde a bomba é mais eficiente. Velocidade específica (N s ) n N S = Q 3 4 H 3 onde : n (rpm), Q(m /h) e H(m) Índice adimensional que identifica a semelhança geométrica de bombas. É usada para classificar os impulsores de acordo com seus tipos e proporções. Bombas de mesmo N s, mas de tamanhos diferentes, são consideradas geometricamente semelhantes, sendo uma bomba um tamanho múltiplo da outra. Velocidade específica de sucção (N ss ) Índice adimensional que define as características de sucção de uma bomba. É calculado pela mesma fórmula de N s, substituindo H por NPSH r (saldo de carga de sução requerido). A velocidade específica de sucção é usada comumente como base para calcular a faixa operacional segura de capacidade para uma bomba. Os números variam entre e

22 Leis de afinidade expressões que definem mudanças na capacidade, carga, e BHP da bomba quando ocorrem mudanças na bomba em termos de velocidade, diâmetro do impulsor, ou ambos. Rotação do impelidor (n) ao alterar a rotação da bomba, a vazão, a altura manométrica desenvolvida e a potência absorvida variam de acordo com as relações: = = = n n P P n n H H n n Q Q Diâmetro do impelidor (D) - para as bombas geometricamente semelhantes, para a variação de D tem-se as relações: = = = D D P P D D H H D D Q Q Curvas características de bombas Gráfico de variação da capacidade (fluxo) da bomba em função da pressão (carga). Componentes de carga na sucção Obs. Pode-se considerar também a carga de velocidade, h vs h ps h fs h S h pv h fs -h S h ps h pv

23 Curvas características de bombas Componentes de carga na descarga h pd h d h fd hpv Curvas características de bombas As curvas mais importantes são: Altura Manométrica (carga) ( H ) x Vazão ( Q ) Potência Consumida ( P ) x Vazão ( Q ) Rendimento Total (η)xvazão ( Q ) NPSH requerido ( NPSH ) x Vazão ( Q ) Observação: As curvas são construídas para uma velocidade constante (rpm) e um determinado diâmetro de impulsor. Toda curva característica é feita para bombear água limpa e não se aplica necessariamente ao bombeamento de outros líquidos. No caso de usar outros líquidos ajustes devem ser feitos.

24 Curvas características de bombas Curvas características do sistema - É a variação no fluxo relacionada à carga do sistema. Ela deve ser desenvolvida pelo usuário com base nas condições de serviço: desenho físico; condições de processo; e características do fluído. A curva de carga do sistema representa a relação entre a vazão e as perdas hidráulicas. Como as perdas por fricção variam com o quadrado da vazão, a curva do sistema tem a forma parabólica. Perdas hidráulicas: fricção no tubo, válvulas, cotovelos e outros acessórios; perdas de entrada e saída, e perdas por mudanças na dimensão do tubo, em consequência de amplificação ou redução do diâmetro. Curvas características de bombas A curva característica do sistema é obtida da equação da altura manométrica, na qual a parcela relativa às perdas de carga é calculada para diversos valores de vazão. Onde H m = H + h H m = Altura manométrica de elevação H g = Altura geométrica ou estática de elevação h = Soma das perdas de carga observadas na tubulação g Altura Geométrica. H = H + H g r s Onde Perda de Carga Onde H r = altura estática de recalque (descarga). H s = altura estática de sucção; h = h s + h r h s = perda de carga na sucção; h r = perda de carga no recalque (descarga).

25 Curvas características de bombas Curva característica do sistema: Vazões Q (abcissa) versus H m (ordenada) Caso A - Altura Geométrica Nula (H g = 0): Curvas características de bombas Curva característica do sistema: Vazões Q (abcissa) versus H m (ordenada) Caso B - Curva Típica (H g > 0)

26 Curvas características de bombas Curva característica do sistema: Vazões Q (abcissa) versus H m (ordenada) Caso C - Sistema por Gravidade (H g < 0) Obs. Obtém-se vazões até o valor Q g. Para maiores vazões deve-se instalar uma bomba para vencer as perdas de carga adicionais. Curvas características de bombas Curvas características de bombas centrífugas Mostra o desempenho da bomba. Curvas características de desempenho: capacidade (vazão volumétrica) versus a carga desenvolvida. As curvas de desempenho também mostram: Eficiência (BEP) Potência de entrada requerida (BHP) NPSH r Velocidade (rpm) Outras informações (tamanho da bomba e o tipo, tamanho do impulsor, etc)

27 Curvas características de bombas Carga Curvas características de bombas Adequação da bomba ao sistema (processo) Um sistema de bombeamento opera no ponto de interseção da curva da bomba com a curva de resistência do sistema (curva característica do sistema). A interseção das duas curvas define o ponto operacional de ambos, bomba e processo. Porém, é impossível que um ponto operacional atenda todas as condições operacionais desejadas. Por exemplo, quando a válvula de descarga é estrangulada, a curva de resistência do sistema desloca-se para cima, sendo acompanhada pelo deslocamento do ponto operacional.

28 Curvas características de bombas Esgotamento Curvas características de bombas Faixa operacional da bomba Gráfico da Carga Total versus Vazão volumétrica, para um diâmetro específico de impulsor. O gráfico começa com fluxo zero. A carga corresponde neste caso ao ponto de carga da bomba desligada. A curva decresce até um ponto onde o fluxo é máximo e a carga mínima. Este ponto é chamado de ponto de esgotamento. A curva da bomba é relativamente plana e a carga diminui gradualmente conforme o fluxo aumenta. Este padrão é comum para bombas de fluxo radiais. Além do ponto de esgotamento, a bomba não pode operar. A faixa de operação da bomba é do ponto de carga desligado ao ponto de esgotamento. A tentativa de operar uma bomba além do limite direito da curva resultará em cavitação e eventual destruição da bomba.