TA 631 – OPERAÇÕES
UNITÁRIAS I
(Transferência de
quantidade de movimento)
Aula 10: Bombas
As bombas são equipamentos mecânicos que fornecem
energia mecânica a um fluido incompressível.
No caso de fluidos compressíveis são denominados
compressores e ventiladores.
Classificação das bombas
Dividem-se em 2 grandes grupos de acordo a forma
como a energia é fornecida ao fluido.
Bombas cinéticas (centrífugas)
Bombas de deslocamento positivo
10.1. Bombas centrífugas:
A energia é fornecida continuamente ao fluido por um rotor,
que gira a alta velocidade aumentando a energia cinética que
depois é transformada em energia de pressão.
Princípio de funcionamento
Carcaça
Descarga
Voluta
Sucção
Pás
Rotor
O líquido é succionado pela ação
de um impulsor que gira
rapidamente dentro da carcaça.
O movimento produz uma zona
de vácuo (no centro) e outra de
alta pressão (na periferia).
Bomba com Difusor: o fluido escoa através de uma
série de palhetas fixas que formam um anel difusor. Isso
aumenta a conversão da energia cinética em energia de
pressão (mais do que na bomba de voluta simples).
Figura 9.2. Escoamento dentro de uma bomba centrífuga.
a) Bomba de voluta simples; b) Bomba com difusor.
O fluido é descarregado na voluta ou no difusor, onde é
desacelerado. A energia cinética é convertida em
energia de pressão. Quanto maior é o número de
palhetas menor é a perda por turbulência.
Escoamento Axial: Descarrega o fluido axialmente (é
adequado para altas vazões e baixas pressões)
Escoamento Radial: Descarrega o fluido na periferia
radialmente (desenvolve altas pressões, adequado
para baixas vazões)
Misto
Tipos de rotores:
Fechado: Para líquidos sem partículas em suspensão
Semi-aberto: Incorpora uma parede no rotor para prevenir que
matéria estranha se aloje no rotor e interfira na operação.
Aberto: Palhetas montadas sobre o eixo. Vantagem: líquidos com
sólidos em suspensão. Desvantagem: sofrer maior desgaste.
Tipos de entrada:
Simples: Utilizada em pequenas
unidades
Dupla: Quando há entradas
simétricas em ambos os lados do
impulsor. Nesse caso há melhor
distribuição dos esforços mecânicos,
além de proporcionar uma área de
sucção maior, o que permite
trabalhar com uma menor altura
positiva na sucção (NPSH;
Net Positive Suction Head) e Impulsor de uma bomba
com sucção dupla
diminui a possibilidade de cavitação.
Número de rotores:
Um rotor: Simples estágio
Vários rotores: Múltiplos estágios (vários rotores operando em
série) que permitem o desenvolvimento de altas pressões
A bomba centrífuga deve ser escorvada antes de funcionar (a
linha de sucção deve estar cheia de líquido). Quando a bomba
tem ar, a pressão desenvolvida é muito pequena devido à baixa
densidade do ar.
Dois tipos de escorva
Bomba auto-escorvante
As bombas centrífugas podem ser :
- Fluxo axial: simples ou múltiplo estágio rotor aberto/fechado
- Fluxo misto entrada simples auto-escorvante
estágio simples
- Fluxo radial entrada dupla
múltiplo estágio
não-escorvante
Nos dois últimos casos, o rotor pode ser aberto, semi-aberto ou
fechado.
Vantagens das bombas centrífugas:
a) Construção simples e baixo custo
b) Fluido é descarregado a uma pressão uniforme, sem pulsações
c) A linha de descarga pode ser estrangulada (parcialmente
fechada) ou completamente fechada sem danificar a bomba
d) Permite bombear líquidos com sólidos
e) Pode ser acoplada diretamente a motores
f) Não há válvulas envolvidas na operação de bombeamento
g) Menores custos de manutenção que outros tipos de bombas
h) Operação silenciosa (depende da rotação)
Desvantagens das bombas centrífugas:
a) Não servem para altas pressões
b) Sujeitas à incorporação de ar precisam ser escorvadas
c) A máxima eficiência da bomba ocorre dentro de um curto
intervalo de condições
d) Não consegue bombear líquidos muito viscosos
(limite 40 cp)
Bomba de turbina regenerativa
Também
chamada de
bomba cinética,
ela gera maior
pressão que as
bombas
centrifugas
10.2. Bombas de deslocamento positivo
A energia é fornecida periodicamente, mediante
superfícies sólidas móveis, que deslocam porções de
fluido desde a sucção até a linha de descarga.
A pressão de saída é regulada através de válvulas de
descarga unidireccionais.
Princípio de funcionamento
As bombas de deslocamento positivo liberam um determinado
volume de fluido de acordo com a velocidade do sistema.
Quando a saída se fecha a pressão aumenta e o fluxo da
bomba deve ser dirigido para outro lugar, de maneira que se
evite a sobre-pressurização.
Para proteger a bomba, o fluido deve ser desviado por um
by-pass, ou por meio da recirculação dentro da própria bomba
(enviando o fluido da zona de alta pressão (descarga) para a
de baixas pressões (sucção)).
Válvulas de alívio internas:
Muitos fabricantes fornecem bombas que incorporam válvulas
de alívio internas. Quando uma válvula de alívio interna se
aproxima do valor máximo de pressão permitido, se abre e o
fluido é dirigido internamente para a zona de sucção. Dessa
forma se evita a possibilidade de destruição da bomba e da
tubulação e dos acessórios.
Alívio externo e válvulas de by-pass:
No projeto do sistema de escoamento, quando se utilizam
bombas de deslocamento positivo e o risco de queda de
vazão existe, é necessário considerar um arranjo de by-pass
externo que devolva o líquido para a sucção.
A válvula do by-pass abrirá a uma pressão pré-determinada,
permitindo que a pressão interna não exceda níveis muito
altos e evitando também que a bomba cavite.
Válvula reguladora
de pressão
As válvulas de alívio internas são
projetadas para proteger o sistema
por períodos curtos de tempo.
Quando o fluido recircula dentro da
bomba, a potência introduzida pela
bomba se dissipa na forma de calor,
aumentando a temperatura do produto.
Mesmo se o período de tempo é curto,
a temperatura do produto pode subir
Cavitação em uma
até o ponto de evaporação na zona de
bomba de deslocamento baixas pressões. Quando há
positivo com dispositivo cavitação na zona de baixas pressões
de segurança
pode ocorrer a destruição da bomba.
temporário.
A cavitação é uma situação que pode ocorrer em qualquer
tipo de bomba.
Acontece quando há falta de fornecimento de líquido e a
bomba trabalha com uma vazão menor daquela para a qual
foi projetada.
As causas comuns da cavitação são a diminuição da
pressão de sucção, NPSH insuficiente, ou operação a
velocidades muito altas.
A cavitação diminui a eficiência, desgasta os metais das pás
do rotor, gera vibração mecânica e ruído.
O NPSH do sistema também depende da velocidade do rotor.
10.3. Bombas alternativas
10.3.1. Bombas tipo pistão, com válvulas de retenção
Quando o pistão se desloca para a esquerda, a pressão no
cilindro se reduz, a válvula de retenção na linha de sucção se
abre e o líquido entra.
Quando o pistão chega ao final do cilindro, o movimento se
inverte e o pistão se desloca para a direita. Aumenta a pressão
no cilindro e a válvula de admissão fecha. A pressão aumenta
e a válvula de descarga se abre e o líquido sai pressurizado.
Linha de descarga
Pistão
Válvulas de retenção
cilindro
Linha de sucção
10.3.2. Bombas de diafragma
Funcionam como bombas de pistão. O movimento é alternativo
e provocado por um elemento flexível de metal, borracha ou
plástico. É adequada para fluídos tóxicos e corrosivos pois se
elimina o contato do líquido com os selos mecânicos.
Bombas de diafragma
10.3.3. Bombas rotativas
Na figura abaixo pode-se observar o princípio de funcionamento
das bombas rotativas. Dentre as bombas rotativas, a de lóbulos é
a mais amplamente usada na indústria de alimentos.
a)
b)
c)
Posição 0º: O fluido escoa através do lóbulo superior. O selo é
no lóbulo inferior. Posição 90º: O fluido escoa através do lóbulo
inferior. O selo é no lóbulo superior. Movimento reverso
Exemplos de bombas rotativas
10.3.4. Bombas sanitárias
As bombas sanitárias são especificamente projetadas para
manusear alimentos. Conseqüentemente devem preencher
uma série de requisitos para serem adequadas:
•
•
•
•
•
Altamente resistentes à corrosão
Facilmente desmontáveis para limpeza
Não provocam a formação de espuma
O sistema de lubrificação não deve contaminar o alimento
O atrito entre as partes internas deve ser mínimo para não
haver incorporação de elementos metálicos no alimento
• O desenho mecânico das superfícies deve apresentar
curvas suaves, sem espaços mortos, nos quais o alimento
possa acumular-se.
• O sistema de gaxetas ou o selo mecânico deve vedar
perfeitamente a carcaça
Bomba de lóbulos sanitária.
10.4. Condições ótimas de utilização das bombas
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 3.104 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 (500 centi-Stokes de viscosidade cinemática).
1 Stoke = 100 centistokes = 1 cm2/s = 0.0001 m2/s).
As bombas alternativas de pistão só podem ser utilizadas
para deslocamento de fluidos clarificados e limpos, não
podendo manusear fluidos 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.
Algumas características das bombas:
Bombas Centrifuga
radial
Centrifuga
axial
Rotatória,
Alternativas
parafuso,
engrenagens
Características
Vazão na
descarga
Estacionária
Estacionária
Estacionária
Pulsante
NPSH: altura
de sucção
máxima
permitida
5m
5m
6,5 m
6,5 m
Líquidos
Claros, limpos Abrasivos,
sujos
Viscosos não
abrasivos
Limpos e
claros
Faixa de
pressão
Baixa - alta
Baixa
Baixa- Média Baixa até
máxima
Pequena máxima
Pequena média
Faixa de vazão Pequena máxima
Pequena