OPERAÇÕES UNITÁRIAS I Transferência de quantidade de movimento

Aula 5 Bombas

Bombas

•O que é uma bomba??? Máquina geratriz

Trabalho Mecânico

Energia de Pressão

Energia Cinética

Bomba Fluido Transporte de líquidos

–deslocamento dos líquidos por escoamento

Classificação das Bombas

•Modo como o trabalho mecânico é transformado em energia •Modo como a energia é transmitida ao fluido

•Bomba de deslocamento positivo

Alternativa Rotativa •Bomba centrífuga

Bombas de Deslocamento

Positivo

•Impelem uma quantidade definida de fluido independente da pressão na saída da bomba

•Órgão propulsor que transmite energia de pressão ao fluido provocando o escoamento

•Uma ou duas câmaras

•Fluido passa pela câmara e é impulsionado para fora

Bombas de Deslocamento Positivo - Alternativas

•Pistão ou Êmbolo

•Diafragma

Bombas de Deslocamento Positivo -Rotativas

•Um motor Palhetas

Peristáltica Parafuso

Bombas de Deslocamento Positivo –Rotativas

•Múltiplos motores Engrenagens

Lóbulos Parafusos

Bombas Centrífugas

•Órgão rotatório com pás que acelera o líquido

Construção simples Baixo custo Pressão uniforme na descarga Sem válvulas Presença de sólidos no líquido

Bombas Centrífugas

•Desvantagens Não opera em altas pressões

Incorporação de ar causa problemas (Escorva) Eficiência diminui com líquidos viscosos

Bombas Sanitárias

•Projetadas para manipular alimentos

Resistentes à corrosão Desmontáveis para limpeza Evitar a formação de espuma Sistema de lubrificação adequado Minimização do atrito (incorporação de metal) Desenho para evitar o acúmulo

Bombas Sanitárias

•Projetadas para manipular alimentos

Resistentes à corrosão Desmontáveis para limpeza Evitar a formação de espuma Sistema de lubrificação adequado Minimização do atrito (incorporação de metal) Desenho para evitar o acúmulo Vedação perfeita (gaxetas)

Seleção de Bombas

•Requisitos operacionais do sistema •Tipo de fluido

Temperatura Viscosidade Densidade Cargas de sucção e recalque Faixa de pressão Vazão volumétrica

Seleção de Bombas

•Bombas centrífugas

Ampla faixa de vazões (até 3 x 104L/min) Fluidos com ou sem sólidos Baixa viscosidade (< 500 centiStokes)

Aplicação: Bombeamento de água para estação de tratamento

Seleção de Bombas

•Bombas alternativas de pistão

Fluidos clarificados e limpos (não abrasivos) Altas pressões Baixas vazões

Aplicação: Bomba dosadora, Indústria farmacêutica

Seleção de Bombas

•Bombas de diafragma

Fluidos corrosivos Altas pressões Baixas vazões Aplicação: Soluções alcalinas, polpas, etc.

Seleção de Bombas

•Bombas rotativas

Fluidos viscosos Não abrasivos

Aplicação: sucos concentrados, chocolate, geleia, óleos, melaço, indústria de alimentos

Trabalho da bomba:

Capacidade •Altura desenvolvida pela bomba:

Trabalho por unidade de peso do fluido, que a bomba fornece ao fluido que escoa numa determinada vazão.

Calculada pelo balanço de energia mecânica aplicado entre a sucção e o recalque da bomba:

H =Altura desenvolvida pela bomba = Trabalho por unidade de massa fornecido pela bomba g vvg

PPg hhhg

•A altura total desenvolvida pela bomba é proporcional à diferença de pressão entre a boca de recalque e a boca de sucção

•Determinada experimentalmente pelos fabricantes e fornecida em catálogos como curva característica da bomba

•A vazão volumétrica de trabalho de uma bomba é denominada de capacidade da bomba em m3 /h

Curva Característica da Bomba

PPg WH ρ−

Curva característica da bomba

Curva de altura de projeto do sistema de escoamento

Vazão desejada

Altura de Projeto do

Sistema •Altura de projeto do sistema

Trabalho por unidade de peso do fluido, que efetivamente chega ao fluido

Necessária para se obter a vazão desejada g vvg

PPg hhhg

Altura de Projeto do

Sistema •Relação entre altura de projeto e vazão

Sistema só com perdas por atrito

gvD

Lfg WH 2

HProj

DQ gD Lfg

D Qv

Q v pi pi

& HProj

Altura de Projeto do

Sistema Sistema com acréscimo de energia potencial gvD Lfg

DQ gD Lfg

Altura de Projeto do

Sistema Sistema com decréscimo de energia potencial

DQ gD Lfg

2 HProj

A ação da gravidade, sem a ajuda da bomba, fornece uma vazãoQ

Para obter Q> Q0a bomba deve fornecer o trabalho adicional requerido

Para obter Q< Q0deve-se extrair trabalho do sistema

Sucção PositivaSucção Negativa (afogada)

Potência útil e potência do eixo: Eficiência

Define-se como potência útil, a potência fornecida ao fluido na vazão mássica desejada:

•Potência fornecida pelo motor (no eixo () ou no freio) > potência útil transmitida ao fluido

•Perdas por atrito nos diversos componentes das bombas, fugas internas de líquido da zona de alta pressão à de baixa, etc.

ssuWQWmgHmW&&&&&ρ==== útil Potência eW&

Relação entre a energia ou trabalho útil produzido por um sistema e o trabalho consumido por ele é chamado eficiência:

Potência útil e potência do eixo: Eficiência euW

WEficiência &

No caso das bombas tem-se vários tipos de eficiência: I.Bombas centrífugas

(a)Eficiência da bomba ou eficiência mecânica (b) Eficiência elétrica (c) Eficiência global

Potência útil e potência do eixo: EficiênciaII.Bombas rotativas (a) Eficiência da bomba ou eficiência mecânica

(b) Eficiência do redutor (c) Eficiência elétrica (d) Eficiência global (e) Eficiência volumétrica

I.Bombas alternativas

(a) Eficiência da bomba ou eficiência mecânica (b) Eficiência elétrica (c) Eficiência global (d) Eficiência volumétrica

Determinação das eficiências:

Potência elétrica

Motor elétrico Bomba

Potência no eixo

Potência útil

Fluido pressurizado

Eficiência da bomba ou mecânica: Eficiência elétrica: Eficiência global:

elW& eW& uW& u mec W& el eel W& u elmecg W& mec el 75 QHW η

Eficiência volumétrica:

As eficiências dos motores elétricos são altas, geralmente em torno de 95%

As eficiências volumétricas para as bombas de deslocamento positivo variam entre 90 e 100%

A eficiência mecânica das bombas de deslocamento positivo varia de 40 a 50% em bombas pequenas e de 70 a 90% em bombas maiores

As bombas centrífugas apresentam uma eficiência mecânica entre 30 e 50% para fluidos de processo e de até 75% para água succionado volume dodescarrega volume =vη

Altura de sucção

Disponível (NPSH) NPSH –Net Positive SuctionHead

•Condições que permitam boa “aspiração” do líquido

•Energia que o fluido tem ao entrar na bomba e atingir a pá do rotor

•Limite de pressão de vácuo que pode se atingir na sucção de uma bomba

•Caso a bomba trabalhe abaixo desse limite, ocorrerá um fenômeno denominado CAVITAÇÃO

Cavitação

•Numa determinada pressão de vácuo, dependendo da temperatura e volatilidade do líquido pode ocorrer a ebulição

•Bolhas de vapor que viajam da zona de baixa pressão na bomba (sucção) até a zona de alta pressão (saída do impulsor)

•Neste ponto colapsam, produzindo fortes correntes de líquido que provocam erosão nas partes metálicas da bomba

•Durante a cavitação gasta-se energia para acelerar o fluido, o que resulta em uma perda de eficiência da bomba

Em que:

Psuc= pressão absoluta na sucção Pv= pressão de vapor do líquido à temperatura de sucção

vsuc= velocidade na sucção α= fator de correção de energia cinética

Altura de sucção Disponível (NPSH)

PPNPSH sucvsuc αρ

NPSH disponível para o sistema será:

Altura de sucção Disponível (NPSH)

PPNPSH sucvsuc αρ

•Abaixo de um certo valor de NPSH a bomba começa a cavitar

•O valor de NPSH requerido pela bomba, em função da vazão é fornecido pelo fabricante em função da vazão

NPSH disponível no sistema ≤≤≤≤NPSH requerido pela bomba -Cavitação

O sistema deve operar a uma altura de sucção disponível maior que a requerida pela bomba

Altura de sucção Disponível (NPSH)

E z

PPNPSH fv

NPSH disponível no sistema > NPSH requerido pela bomba

NPSH de um sistema decresce com: • a altura a que se deve elevar o fluido

• com o aumento da pressão de vapor no equilíbrio (temperatura)

• com o aumento das perdas por atrito na tubulação

A altura de líquido que uma bomba pode sugar em um determinado sistema sem que haja cavitação é fixada pelo NPSH requerido

Altura de sucção Disponível (NPSH)

Exemplo

JRC 2 m JRC

Dados: Água 60 °C tubulação ferro galvanizado Φ= diâmetro da sucção = 1 1/2” Sch 40 Vazão = 1,5 L/s NPSH requerido = 3 m P atm = 710 mmHg Ocorrerá cavitação?

1 mJRC

Exercício

JRC 2 m JRC

Dados: Água 25 °C tubulação ferro galvanizado Φ= diâmetro da sucção = 1 1/2” Sch 40 Vazão = 1,5 L/s NPSH requerido = 3 m P atm = 710 mmHg Ocorrerá cavitação?

1 mJRC

Curvas características de uma bomba centrífuga.

Sistemas em série

•Conexão de várias bombas sucessivamente em linha

•Fornecimento de alturas maiores do que forneceriam individualmente

•Operam à mesma vazão

•A altura fornecida = soma das alturas desenvolvidas por cada bomba

•Curvas características da instalação em série são obtidas pela adição das alturas de cada bomba para uma determinada vazão de processo

Instalação em série A+B

Para uma determinada vazão de trabalho tem-se:

Hsérie=HA +HB A eficiência do sistema em série pode calcular-se como:

Em queesão as potências no eixo gastas nas

bombas A e B respectivamente série W

QgH

Sistema em paralelo

•A adição de duas ou mais bombas em paralelo é útil nos sistemas em que se requer vazões variáveis

•As bombas ajustam suas vazões de tal maneira que mantém constante as diferenças de pressão entre os pontos 1 e 2

•As bombas devem fornecer alturas praticamente iguais

•As curvas características de um sistema em paralelo são obtidas adicionando as vazões das bombas para cada altura

•Para uma mesma altura desenvolvida pela bomba:

• BAparalelo Q +=

A eficiência do sistema em série pode calcular-se como:

Instalação em paralelo

Em queesão as potências no eixo gastas nas

bombas A e B respectivamente 1eW& 2eW& paralelo W

Influência da viscosidade

•As curvas características de uma bomba centrífuga são obtidas para água a temperatura ambiente (20 –25 °C)

•O desempenho da bomba muda com as características do fluido bombeado

•Para um fluido mais viscoso: (1) a bomba desenvolverá menor altura (2) a capacidade será reduzida (3) a potência requerida no eixo aumentará

Influência da viscosidade

•As curvas características para fluidos de viscosidade superior ou inferior à da água pode ser obtida a partir das curvas para água

•Gráfico pág. 82 da apostila

•Válido para bombas centrífugas convencionais

•Fluidos Newtonianos

Os dados de entradasão altura de projeto (head), vazão volumétrica e viscosidade cinemática. Os parâmetros de correção são:

CE: Fator de correção da eficiência

CQ: Fator de correção da vazão

CH: Fator de correção da altura de projeto

Exemplo

•Selecionar uma bomba para elevar óleo (Viscosidade = 1.0 SSU, peso específico (ρg) = 0,90) a uma vazão de 750 gpm a uma altura de 100 ft.

QV w C w C H =

QCVw

Bombas de deslocamento positivo

Influência da viscosidade

•O desempenho das bombas de deslocamento positivo é fortemente influenciado pela viscosidade

•As bombas rotativas são usadas para fluidos de média e alta viscosidade

•A capacidade de sucção destas bombas é pequena

•Líquidos muito viscosos podem limitar a capacidade da bomba a altas velocidades

•O líquido não flui suficientemente rápido para encher a carcaça da bomba totalmente

•As bombas trabalham muito abaixo da sua capacidade volumétrica

Redução de velocidade de bombas rotativas com a viscosidade cinemática

Viscosidade cinemática (cSt)% redução da velocidade de rotação

A tabela mostra a redução de velocidade aconselhada pelo fornecedor

•Uma bomba trabalha a 800 rpm, bombeando o fluido de calibração

•Se for utilizada no transporte de um líquido de 2.2 cSta velocidade de rotação deverá ser modificada para 400 rpm

•O aumento da viscosidade do líquido causa:

Aumento do consumo de potência Diminuição da eficiência da bomba De maneira semelhante ao que ocorre com as bombas centrífugas

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