Escoamento de Fluidos e Máquinas de Fluxo

1. Escoamento de Fluidos e Máquinas de Fluxo BOMBAS INDUSTRIAIS

2. UM POUCO DE HISTÓRIA Arquimedes: Matemático grego, viveu entre 298 AC e 212 AC. Considerado o maior matemático dos tempos antigos. Inventou a catapulta e também a bomba mostrada na figura ao lado, quando estava no Egito. Arquimedes fez contribuições originais à geometria, no cálculo das áreas de figuras planas, e no cálculo das áreas e volumes de superfícies curvas. Ele fez uma aproximação para o número Pi, entre 310/71 e 31/7. Na Mecânica Teórica Arquimedes é responsável por teoremas fundamentais sobre o centro de gravidade de corpos. Tornou-se famoso também por ter ununciado o Princípio de Arquimedes. Bomba de Arquimedes (bomba de parafuso)

3. BOMBA DE ARQUIMEDES OU BOMBA PARAFUSO Ainda hoje utilizada na indústria moderna

4. São as Bombas -WB< 0 : Máquinas Motrizes -WB> 0: Máquinas Operatrizes 4.1. INTRODUÇÃO MÁQUINAS HIDRÁULICAS As máquinas hidráulicas podem ser de duas classes: Máquinas Motrizes: são aquelas que retiram a energia do líquido transferindo-a para o exterior (ex.: turbinas); Máquinas Operatrizes: são aquelas que introduzem, na corrente líquida, a energia que recebem do exterior:

5. BOMBAS HIDRÁLICAS DEFINIÇÃO, CLASSIFICAÇÃO E CARACTERÍSTICA GERAL DEFINIÇÃO: São máquinas operatrizes hidráulicas que conferem energia ao líquido com a finalidade de transportá-lo de um ponto a outro. Bombas recebem energia de uma fonte motora qualquer e cedem parte dessa energia ao fluido na forma de energia de pressão (aumentam a pressão do líquido), cinética (aumentam a velocidade do líquido) ou ambas. BOMBEAR: ação de adicionar energia a um líquido para movê-lo de um ponto a outro.

6. CLASSIFICAÇÃO • As bombas podem ser classificadas: • pela sua aplicação; ou • pela forma com que a energia é cedida ao fluido. Devido a grande diversidade das bombas existentes, adotaremos uma classificação resumida, dividindo-as em dois grandes grupos: • Bombas Centrífugas ou Turbo-Bombas, também conhecidas como Bombas Hidro ou Rotodinâmicas; • B.Bombas Volumétricas, também conhecidas como de BombasDeslocamento Positivo.

7. CLASSIFICAÇÃO Bombas Centrífugas Bombas de Deslocamento Positivo rotor aberto pistão sucção simples rotor semi-fechado êmbolo - de fluxo radial - alternativas rotor fechado (centrífugas) diafragma sucção dupla engrenagem lóbulo - de fluxo axial - rotativas parafuso peristáltica - de fluxo misto

8. Este tipo de bomba tem por princípio de funcionamento a transferência de energia mecânica para o fluido, por meio de um rotor, também chamado de impelidor, que gira no interior de uma carcaça. Descarga Carcaça Eixo Rotor Alimentação TURBO-BOMBAS

9. TURBO-BOMBAS No início da operação, é necessário que a carcaça e a linha de sucção estejam cheias de água para que as turbo-bombas operarem adequadamente. ESCORVA: Ato de encher a carcaça de turbo-bombas com líquido.

10. CLASSIFICAÇÃO DAS TURBO-BOMBAS Conforme as posições relativas do movimento geral do líquido e do eixo de rotação do rotor, pode-se distinguir três tipos fundamentais de turbo-bombas: A. Centrífugas puras ou radiais: toda a energia cinética é obtida através do desenvolvimento de forças puramente centrífugas na massa líquida. A movimentação do fluido dá-se do centro para a periferia do rotor, no sentido perpendicular ao eixo de rotação; Obs.: São empregadas quando se deseja fornecer uma carga elevada ao fluido e as vazões são relativamente baixas. B. Fluxo Axial (helicoidais): Toda energia cinética é transferida à massa líquida por forças puramente de arrasto. O movimento do fluido ocorre paralelo ao eixo de rotação; Obs.: São empregadas quando se deseja vazão elevada e as cargas a serem fornecidas ao fluido são pequenas. C. Fluxo Misto (hélico-centrífugas): Parte da energia é fornecida devido à força centrífuga e parte devido ao arrasto. O movimento do fluído ocorre na direção inclinada (diagonal) ao eixo de rotação (entre 90o e 180o);

11. Relação força e ângulo de fluxo na bomba FC - Energia fornecida devido à força centrífuga; FA - Energia fornecida devido à força de arrasto. FC Saída  Entrada FA

12. CLASSIFICAÇÃO DAS TURBO-BOMBAS Exemplos de rotores utilizados em cada classe

13. A. CENTRÍFUGAS PURAS OU RADIAIS Perfil de Pressão Corte da bomba Usada para vencer grandes cargas manométricas. Pode bombear suspensão ou líquidos corrosivos.

14. B. CENTRÍFUGAS DE FLUXO MISTO (HÉLICO-CENTRÍFUGAS) Usada para vazões e cargas manométricas moderadas.

15. C. CENTRÍFUGAS DE FLUXO AXIAL (HELICOIDAIS) Usada para grandes vazões e baixas cargas manométricas.

16. BOMBAS VOLUMÉTRICAS OU DE DESLOCAMENTO POSITIVO O líquido sucessivamente enche e depois é expulso de espaços com volume determinado no interior da bomba, por isso são chamadas de BOMBAS VOLUMÉTRICAS. Este tipo de máquina tem por característica de funcionamento a transferência direta da energia mecânica cedida pela fonte motora para o fluido. Esta transferência é obtida pela movimentação de um dispositivo mecânico da bomba, que obriga o fluido a executar o mesmo movimento do qual ele está animado. Bombas de Deslocamento Positivo pistão êmbolo - alternativas diafragma engrenagem lóbulo - rotativas parafuso peristáltica

17. BOMBAS DE PISTÃO Princípio de Funcionamento: a) No curso da aspiração (3), o movimento do pistão tende a produzir vácuo. A pressão do líquido no lado da aspiração (maior que a pressão interna) faz com que a válvula de descarga (2) se feche e que a de admissão (1) se abra e o cilindro encha de líquido; b) No curso de recalque (4), o pistão força o líquido a sair do cilindro, através da válvula de recalque (2), enquanto que a válvula de admissão (1) permanece fechada devido à diferença de pressão.

18. BOMBAS DE ÊMBOLO OU ALTERNATIVAS Bomba de êmbolo ou alternativa Bomba de duplo êmbolo São recomendadas para serviços de pressões mais elevadas quando comparadas aquelas recomendadas para a bomba de pistão. Conseqüentemente exige que o órgão de movimentação do líquido seja mais resistente.

19. BOMBAS DE DIAFRAGMA Nessas bombas, o órgão que fornece a energia para o líquido é uma membrana acionada por uma haste com movimento alternativo. Essas bombas são usadas principalmente para serviços de dosagem de produtos, já que, ao ser variado o curso da haste, varia-se o volume admitido. Ex.: Bomba de gasolina

20. Descarte O fluido é empurrado pelos dentes e forçado a sair pela tubulação da direita Sucção BOMBAS ROTATIVAS Bomba rotativa é um nome genérico para designar uma variedade de bombas comandadas por um movimento de rotação. Um dos tipos mais comuns desse tipo de bomba é a bomba de engrenagem, que consiste em duas rodas dentadas trabalhando dentro de uma caixa com folgas muito pequenas em volta e dos lados das rodas. Líquidos corrosivos recomenda-se engrenagem de plástico Muito usada para líquidos viscosos, mas não serve para suspensões  const →Q const  P

21. BOMBAS ROTATIVAS Bomba de Lóbulos Bomba de Engrenagem interna Bomba Peristáltica Nesta bomba, o líquido não entra em contato direto com o equipamento, indicada para fluidos biológicos.

22. Bomba de lóbulos Bomba de engrenagem BOMBAS ROTATIVAS Bombas rotativas:

23. Bomba de engrenagem interna Bomba peristáltica BOMBAS ROTATIVAS Bombas rotativas:

24. BOMBA DE ARQUIMEDES OU BOMBA PARAFUSO Essas bombas são muito utilizadas para o transporte de produtos de viscosidade elevada.

25. Mono Pump Um sem-fim metálico helicoidal, de configuração especial, gira dentro de uma peça fixa feita de borracha, forçando o líquido através do espaço entre a peça e o sem-fim. Bomba de cavidade progressiva (Mono Pump)

26. COMPARAÇÃO ENTRE BOMBAS VOLUMÉTRICAS E TURBO-BOMBAS • A vazão, Q, bombeada depende das características do projeto da bomba, da rotação e das características do sistema em que ela está operando. • Relação constante entre descarga e velocidade da bomba, de modo que a vazão, Q, bombeada independe da altura e/ou pressão a serem vencidas. • Podem iniciar sua operação com presença de ar no seu interior . • Algumas produzem vazão constante e outras vazão variável (pulsante). • A energia é cedida ao líquido sob a forma de energia de pressão. • Devem iniciar sua operação com a bomba cheia de líquido. • Produzem vazão constante. • A energia é cedida ao líquido sob a forma de energia cinética e de pressão. Bombas Volumétricas Turbo-Bombas

27. Gráfico para a escolha do tipo de bomba (Fairbanks, Morse & Co.)

28. BOMBAS CENTRÍFUGAS

29. BOMBAS CENTRÍFUGAS • Possui elementos rotativos (impelidores) cujo formato confere alta velocidade na sucção, que se transforma em alta pressão na descarga e a vazão é dependente da pressão na descarga da bomba. • Características positivas • construção simples • baratas • disponíveis em diversos materiais de construção • baixo custo de manutenção • operam a altas velocidades, isto é, podem ser acionadas diretamente por motores elétricos • Características negativas • bombas de um estágio não são projetadas para altas pressões • bombas multiestágio para altas pressões são caras, principalmente em materiais resistentes a corrosão • sua eficiência decresce rapidamente para vazões diferentes daquela para a qual foi projetada • sua performance não é muito boa para altas viscosidades

30. Flange de Descarte Linha de corrente Linha de corrente Flange de Sucção Impelidor Linhas de Fluxo Partes Fundamentais Bomba Centrífuga Impelidor Corte de bomba mostrando a linha de corrente de líquido

31. DESCRIÇÃO E ANÁLISE DOS COMPONENTES Visão Geral dos Principais componentes

32. Impelidor ou Rotor O ROTOR pode ser de um dos seguintes tipos: fechado, semi-fechado ou aberto Semi-fechado ou Semi-aberto Aberto Fechado O rotor fechado é usado sempre que possível, devido à sua maior eficiência quando comparado aos demais. Porém, na presença de sólidos finos em suspensão, em porcentagem maior de 3 a 5%, é usual a utilização do rotor semi-fechado, devido a sua menor tendência a entupimento. O rotor aberto é utilizado no bombeamento de esgotos, efluentes e de água com areia ou pedregulho em suspensão (as chamadas bombas de dragagem).

33. O que aconteceria se alterássemos o movimento do rotor? Movimento do rotor

34. Ainda quanto a construção ... • Impelidor de simples sucção; e • Impelidor de dupla sucção O impelidor de simples sucção, succiona por apenas um dos lados do impelidor: O impelidor de dupla sucção, succiona por ambos os lados do impelidor, ou seja é praticamente a junção de dois impelidores de simples sucção voltados costa com costa:

35. O empuxo resultante de pequenos desvios é absorvido pelo mancal de escora. Bomba pequena: o empuxo é absorvido pelo mancal. Demais Bombas: atenuado por furos de balanceamento ou pás na parte posterior do impelidor. Esforço axial As pressões geradas pelas bombas centrífugas exercem forças, tanto nas partes móveis quanto nas partes estacionárias. O projeto dessas partes balanceia algumas destas forças. O ESFORÇO AXIAL HIDRÁULICO é o somatório das forças não balanceadas agindo na direção axial do impelidor. dupla sucção → distribuição simétrica de pressão → forças axiais de um lado são contrabalançadas pelas do outro. simples sucção → distribuição assimétrica de pressão → empuxo axial resultante na direção da sucção.

36. Selecionamento do tipo de rotor:

37. Finalmente, quanto ao número de impelidores: Bombas de simples estágio Bombas de múltiplos estágios. Bombas de múltiplos estágios são empregadas quando se deseja vencer grandes alturas manométricas (H > 1000 m).

38. Bombas centrífugas verticais

39. Faixas de operação de alguns tipos mais usuais de bombas centrífugas Neste momento, as bombas serão analisadas quando ao tipo e o número de impelidores. Carga (m de água) Vazão (m3/h) Tipo de bomba Aplicações horizontais, sucção axial: 200/220 1000 serviços gerais abastecimento de água; recirculação de água de resfriamento. 1300 voluta simples 1500 voluta dupla horizontais, dupla sucção radial: 130/150 horizontais, múltiplos estágio: alimentação de caldeiras; Serviços de alta pressão. 1000/1200 600 extração de água de poços profundos. vertical, múltiplos estágio: 400 30000 Esgotamento de tanques abertos, condições de baixo NPSH disponível vertical, simples estágio: 400 30000

40. A área crescente nos 360oda voluta objetiva a coleta e acomodação da crescente quantidade de líquido, posto que na seção A, por exemplo, precisamos acomodar o fluido coletado anteriormente e o fluido que estará saindo da periferia do impelidor nesta seção. À medida que nos afastamos da vazão de projeto, aparece um desequilíbrio de pressões que gera o empuxo radial. Velocidade e Pressão constante ao longo da voluta garantindo o equilíbrio de forças radiais no entorno da voluta. Carcaça A carcaça é o componente responsável pela contenção do fluido bombeado bem como, sob certo aspecto, provê as condições para a conversão de energia cinética do fluido em energia de pressão, passo fundamental ao bombeamento. Tipos de Carcaça: a) Carcaça em voluta: são as mais utilizadas para bombas de simples estágio devido a sua boa eficiência, baixo custo e simplicidade mecânica. A

41. A zona de alta pressão criada na periferia é responsável pelo transporte do fluido. Princípio de Funcionamento As pás do impelidor imprimem um movimento de rotação no líquido que faz com que o mesmo se desloque em direção à periferia do impelidor. Este movimento do impelidor gera um gradiente de pressão radial no interior da bomba.

42. Carcaça (Continuação) b) Carcaça com pás difusoras: São as preferidas para bombas de multiestágio. Possuem eficiência ligeiramente superior, mas são mais caras e de mecânica mais complexa. O fluido, ao sair do impelidor, penetra em um canal de seção crescente formado por pás difusoras fixas à carcaça, processando-se, assim, a conversão necessária de energia cinética em energia de pressão. Devido a simetria de construção da carcaça com pás difusoras, o empuxo radial é considerado desprezível.

43. d) Carcaça em dupla voluta: Eventualmente, em bombas de grande porte, particularmente no que concerne à vazão, utiliza-se, como artifício para atenuar o empuxo radial. Este projeto consiste da simulação de duas volutas simples, defasadas de 180o mediante um chincana intermediária. Neste caso, parte do líquido flui pelo canal interno e parte pelo canal externo numa tentativa de balanceamento do empuxo radial. Carcaça (continuação) c) Carcaça concêntrica: A carcaça concêntrica apresenta formato circular. Apesar de seu baixo custo de fabricação, tem aplicação reduzida em virtude de possibilitarem menor eficiência que as carcaças em voluta. e) Carcaça mista: Eventualmente, podem ser encontradas bombas que usam uma combinação de pás difusoras e voluta.

44. Detalhe da luva de eixo Eixo e Luva de Eixo A função básica do eixo é transmitir o torque na partida e durante a operação da bomba, assim como suportar o impelidor e outras partes rotativas. As luvas de eixo têm por função proteger o eixo de erosão, corrosão ou desgaste. Eixo e luva de eixo

45. Caixa de Gaxetas É uma das partes mais importantes da bomba centrífuga. Seu principal objetivo é proteger a bomba contra vazamentos nos pontos onde o eixo passa através da carcaça. Se sua pressão for menor que a atmosférica (bombas operando com altura manométrica de sucção negativa), sua função é impedir a entrada de ar e, caso contrário, impedir a saída de líquido. Tem a forma de uma caixa cilíndrica que acomoda um certo número de anéis de gaxeta em volta do eixo ou da luva de eixo, comprimidos para o ajuste desejado por uma peça denominada sobreposta. Este ajuste deve ser tal que haja um mínimo de vazamento da ordem de 30 a 60 gotas por minuto para possibilitar a lubrificação e auxiliar o arrefecimento das gaxetas.

46. Selos Mecânicos Nos casos cujas as pressões envolvidas são muito elevadas e o vazamento deve ser mínimo, a caixa de gaxetas não apresenta eficiência de vedação satisfatória. Nestes casos, sugere-se a utilização de selos mecânicos. Princípio dos selos mecânicos: As superfícies de selagem são localizadas em um plano perpendicular ao eixo e usualmente consiste de duas superfícies adjacentes altamente polidas; uma superfície ligada ao eixo e a outra à parte estacionária da bomba. Estas superfícies altamente polidas são mantidas em contato contínuo por molas formando um selo fluido entre as partes com perdas por atrito negligenciáveis. Naturalmente, algum desgaste sempre ocorre e, com o tempo, um pequeno vazamento pode aparecer.

47. b) Mancais de rolos: São usados para diâmetros muito grande de eixo e suportam apenas esforços radiais. a) Mancais de esferas: São os mais usados para para bombas de grande porte. Mancais de Deslizamento: são mais baratos e portanto indicados para bombas pequenas operando com líquidos limpos. São utilizados também quando os mancais de rolamento não são comumente disponíveis (bombas de alta pressão e de multiestágios). Finalmente, outra aplicação é para bombas verticais submersas nas quais o mancal é sujeito ao contato com a água. Mancais Os mancais têm por função manter o correto alinhamento do conjunto rotativo em relação às partes estacionárias, sob a ação de cargas radiais e axiais. Mancais de Rolamentos:

48. PARÂMETROS IMPORTANTES DE DESEMPENHO Os parâmetros chave de desempenho de bombas centrífugas são: • Capacidade • Carga • Potência da bomba • Ponto de melhor  eficiência • Velocidade específica

49. Capacidade (Q) É a vazão volumétrica com que o líquido é movido ou é empurrado pela bomba ao ponto desejado no processo [L3 T-1]. A capacidade normalmente muda com as mudanças na operação do processo. • A capacidade depende de vários fatores como: • Características do líquido de processo, isto é, densidade, viscosidade, etc. • Tamanho da bomba e de suas seções de entrada e de saída • Tamanho do impelidor • Velocidade de rotação do impelidor RPM • Tamanho e forma das cavidades entre as palhetas • Condições de temperatura e pressão da sucção e descarga

50. Carga da Bomba (H) É a quantidade de energia mecânica específica (potência útil por unidade de peso do fluido em escoamento) que a bomba transfere ao fluido de trabalho. Carga é uma medida da altura de uma coluna líquida que a bomba seria capaz de elevar (HEAD). Curva característica típica de uma bomba centrífuga