(Parte 1 de 3)

1 CONTEÚDO

1. CAVITAÇÃO3
1.1 Pressão de Vapor3
1.2 Conceito de Cavitação4
1.3 Região Principal de Cavitação5
1.4 NPSH – Net Positive Suction Head,……………………..……………......…………..5
1.5 Análise da Faixa de Operação de uma Bomba em um Ssistema9
2. BOMBAS CENTRIFUGAS10
2.1 Conceito de Bomba10
2.2 – Conceito de Bomba Centrífuga10
2.3 – Principio e Funcionamento10
2.4 Principais Componentes1
2.5 - Vantagens Das Bombas Centrífugas12
2.6 - Classificação das Bombas Centrifugas13
2.7 Seleção de Bombas Centrífugas14
2.8 Curvas Características de Bombas Centrífugas15
3 - CURVA CARACTERÍSTICA DA INSTALAÇÃO (CCI)26
3.1 Obtenção da CCI28
3.2 Ponto de Trabalho de uma Bomba Centrífuga numa Instalação (PT)28
4 - ASSOCIAÇÃO DE BOMBAS CENTRÍFUGAS29
4.1- Associação de Bombas em Paralelo30
4.2 - Associação de Bombas em Série com Características Diferentes3

4.3 – Definição do Número Adequado de Bombas na Associação em Paralelo...............34

1. CAVITAÇÃO Cavitação é um fenômeno de ocorrência limitada a líquidos, com conseqüências danosas para o escoamento e para as regiões sólidas onde a mesma ocorre. O estudo da cavitação pode ser dividido em duas partes: o fenomenológico, que corresponde à identificação e combate à cavitação e seus efeitos; e o teórico, onde interessa o equacionamento do fenômeno, visando a sua quantificação no que se refere às condições de equilíbrio, desenvolvimento e colapso das bolhas. Para o perfeito entendimento da cavitação, torna-se necessário abordar o conceito de pressão de vapor.

1.1 Pressão de Vapor Pressão de vapor de um líquido a uma determinada temperatura é aquela na qual o fluido coexiste em suas fases líquido e vapor.

Nessa mesma temperatura, quando tivermos uma pressão maior que a pressão de vapor, haverá somente a fase líquida e quando tivermos uma pressão menor, haverá somente a fase vapor. Observa-se, que a pressão de vapor de um líquido cresce com o aumento da temperatura. Analisando a curva de pressão de vapor, verificamos que podemos passar de uma fase para outra, de varias maneiras, por exemplo: mantendo a pressão constante e variando a temperatura. mantendo a temperatura constante e variando a pressão. variando pressão e temperatura.

Assim, mantendo-se a pressão de um líquido constante, (por ex. pressão atmosférica) e aumentando-se a temperatura, chegaremos até um ponto em que a temperatura corresponde à pressão de vapor e passamos a ter a ebulição.

3 1.2 Conceito de Cavitação

Pelo conceito de pressão de vapor, vimos que mantendo-se um fluido a uma temperatura constante e diminuindo-se a pressão, o mesmo ao alcançar a pressão de vapor, começará a vaporizar. Este fenômeno ocorre nas bombas centrifugas, pois o fluido perde pressão ao longo do escoamento na tubulação de sucção. O esquema abaixo representa duas seções (1) e (2), quaisquer, no sistema de escoamento na sucção de uma bomba.

21,21HHPH

2gVγ P

mas: V1 = V2e Z1 = Z2
Então:γ
P21,21
E portanto:1,2

Se a pressão absoluta do líquido, em qualquer ponto do sistema de bombeamento, for reduzida (ou igualada) abaixo da pressão de vapor, na temperatura de bombeamento; parte deste líquido se vaporizará, formando “cavidades” no interior da massa líquida. Estará aí iniciado o processo de cavitação. As bolhas de vapor assim formadas são conduzidas pelo fluxo do líquido até atingirem pressões mais elevadas que a pressão de vapor ( normalmente na região do rotor), onde então ocorre a implosão (colapso) destas bolhas, com a condensação do vapor e o retorno à fase líquida. Tal fenômeno é conhecido como CAVITAÇÃO.

Normalmente a cavitação é acompanhada por ruídos, vibrações e com possível erosão das superfícies sólidas (pitting). Deve-se salientar, que a erosão por cavitação não ocorre no local onde as bolhas se formam, mas sim onde as mesmas implodem. Os efeitos da cavitação dependem do tempo de sua duração, da sua intensidade, das propriedades do líquido e da resistência do material à erosão por cavitação. A cavitação, naturalmente, apresenta um barulho característico, acompanhado de redução na altura manométrica e no rendimento. Se de grande intensidade, aparecerá vibração, que comprometerá o comportamento mecânico da bomba. Em resumo, são os seguintes, os inconvenientes da cavitação: a) Barulho e vibração. b) Alteração das curvas características. c) Erosão - remoção de partículas metálicas - pitting.

1.3 Região Principal de Cavitação

Pelo que foi exposto, concluímos que a região que está susceptível à cavitação é a sucção da bomba, pois é onde o sistema de bombeamento apresenta a menor pressão absoluta. Portanto o ponto crítico para a cavitação é a entrada do rotor. Nesta região a quantidade de energia é mínima, pois o líquido ainda não recebeu nenhuma energia por parte do rotor. Assim, a cavitação, normalmente, inicia-se nesse ponto, em seguida, as cavidades são conduzidas pela corrente líquida provocada pelo movimento do rotor, alcançando regiões de pressão superior à de vapor do fluído, onde se processa a implosão das cavidades (bolhas).

1.4 NPSH – Net Positive Suction Head

O NPSH é um conceito oriundo da escola americana, que predominou entre os fabricantes instalados no país e na norma da ABNT que trata de ensaios de cavitação em bombas.

A condição Peabs Pv é necessária mas não suficiente, pois pôr detalhes construtivos poderá ocorrer cavitação no interior da própria máquina.

Em termos práticos, o procedimento usual para analisarmos a operação de determinada bomba num sistema, é através do conceito de NPSHREQ. e NPSHDISP. O NPSH representa a “Energia Absoluta” no flange de sucção, acima da pressão de vapor do fluído naquela temperatura.

γP abs

V abs

1.4.1 NPSH Requerido (NPSHREQ)

Cada bomba, em função de seu tamanho, características construtivas, etc..., necessita de uma determinada energia absoluta (acima da pressão de vapor) em seu flange de sucção, de tal modo que a perda de carga que ocorrerá até à entrada do rotor não seja suficiente para acarretar cavitação, quando operada naquelas condições de vazão. A esta energia denominamos NPSH REQUERIDO. Os fabricantes de bombas fornecem o NPSH requerido, através de uma curva NPSHreq x VAZÃO, para cada bomba de sua linha de fabricação, conforme padrão abaixo:

Esta curva é uma característica própria da bomba, sendo obtida experimentalmente, através de testes de cavitação em bancadas do fabricante, com água fria a 20o C. Assim, em resumo, o NPSH requerido, representa a energia absoluta do líquido, acima de sua pressão de vapor, necessária no flange de sucção da bomba, de tal forma que garante a não ocorrência de cavitação na mesma.

Para definição do NPSHREQ de uma bomba, é utilizado como critério, a ocorrência de uma queda de 3% na altura manométrica para uma determinada vazão. Este critério é adotado pelo

Hydraulic Institute Standards e American Petroleum Institute (API-610).

1.4.2 NPSH Disponível (NPSHDISP) O NPSH disponível é uma característica do sistema e representa, ou define, a quantidade de energia absoluta disponível no flange de sucção da bomba, acima da pressão de vapor do fluído naquela temperatura. O NPSH disponível pode ser calculado de duas formas: fase de projeto fase de operação

1.4.2.1 NPSHDISP - Fase de Projeto

O esquema abaixo representa duas situações de instalações hidráulicas, a primeira com a bomba succionando de um reservatório cujo nível está acima da linha de centro da bomba (bomba afogada) e a segunda com a bomba succionando de um reservatório com cota inferior à linha de centro da bomba.

Pela definição: γ

Temos que:ABSSUCABSHeHPHo

0ATMO HeHPZ 2gVγ

Então:

2gVγ

E tem-se:SUCSUC

7 VATMODISP HPZ

updated( Vo = 0 )

Po - pressão manométrica no reservatório de sucção. PATM - pressão atmosférica local. PV - pressão de vapor do fluído à temperatura de bombeamento. HPSUC - perda de carga total na sucção. ZSUC - cota da superfície do nível do reservatório de sucção.

Analisando-se esta expressão do NPSHDISP, verificamos que para obtermos valores elevados, devemos tomar as seguintes providencias:

a) diminuir a altura geométrica de sucção negativa (-ZSUC), ou aumentar a altura geométrica de sucção positiva (+ZSUC), b) diminuir a perda de carga na sucção. Para tal recomenda-se:

baixar a velocidade do fluído na sucção, aumentando-se o seu

utilizar tubulações curtas. diâmetro. reduzido número de acessórios (curvas, válvulas, etc...). c) diminuir a temperatura do fluído bombeado, para diminuir a pressão de vapor do mesmo.

1.4.2.2 NPSHDISP – Fase de Operação Como vimos:

2gVγ

PPNPSH V e updated

E portanto:

updated e eVATMeDISP Z 2gVγ

Pe- pressão na entrada da bomba, isto é, no flange de sucção (manométrica).
Pv- pressão de vapor do líquido à temperatura de bombeamento.
Ve- velocidade do fluxo na sucção da bomba (local da tomada de pressão).

ONDE: PATM - pressão atmosférica local. Ze - distancia entre a linha de centro da bomba e do manômetro.

1.5 Análise da Faixa de Operação de uma Bomba em um Sistema

Esta análise pode ser feita colocando-se num mesmo gráfico as curvas do NPSHREQ e a do

NPSHDISP . À direita do ponto de encontro das duas curvas observa-se a zona de cavitação.

Para não ocorrer cavitação, devemos ter: NPSHDISP ≥ NPSHREQ

Na prática utilizamos: NPSHDISP ≥ 1,20 NPSHREQ No mínimo: NPSHDISP ≥ (NPSHREQ + 1,0) m

9 1.6 Pressão Atmosférica em Função da Altitude

A pressão atmosférica pode ser obtida através da expressão dada a seguir, que apresenta precisão para a maioria das aplicações:

PATM = Pressão atmosférica local em [mmHg]; h = a altitude do local em metros.

10 1.7 Pressão de Vapor e Peso Específico da Água

1 2. BOMBAS CENTRIFUGAS

2.1 Conceito de Bomba

Bomba é um equipamento que transfere energia de uma determinada fonte para um liquido, em conseqüência do que, este liquido pode deslocar-se de um ponto para outro, inclusive vencer desnível. As bombas de uma maneira geral devem apresentar as seguintes características principais: a) Resistência: estruturalmente adequadas para resistir aos esforços provenientes da operação(pressão, erosão , mecânicos). b) Facilidade de operação: adaptáveis as mais usuais fontes de energia e que apresentem manutenção simplificada. c) Alto rendimento: transforme a energia com o mínimo de perdas. d) Economia: custos de aquisição e operação compatíveis com as condições de mercado.

2.2 – Conceito de Bomba Centrífuga

É aquela que desenvolve a transformação de energia através do emprego de forças centrifugas. As bombas centrífugas possuem pás cilíndricas, com geratrizes paralelas ao eixo de rotação, sendo essas pás fixadas a um disco e auma coroa circular, compondo o rotor da bomba.

2.3 – Principio e Funcionamento

O funcionamento da bomba centrífuga baseia-se, praticamente, na criação de uma zona de baixa pressão e de uma zona de alta pressão. Para o funcionamento, é necessário que a carcaça esteja completamente cheia de liquido e portanto, que o rotor esteja mergulhado no liquido. Devido à rotação do rotor, comunicada por uma fonte externa de energia(geralmente um motor elétrico), o liquido que se encontra entre as palhetas no interior do rotor é arrastado do centro para a periferia pelo efeito da força centrífuga. Produz-se assim uma depressão interna ao rotor, o que acarreta um fluxo vindo através da conexão de sucção. O liquido impulsionado sai do rotor pela sua periferia, em alta velocidade e é lançado na carcaça que contorna o rotor. Na carcaça grande parte da energia cinética do liquido (energia de velocidade) é transformada em energia de pressão durante a sua trajetória para a boca de recalque. Faz-se necessária essa transformação de energia porque as velocidades do liquido na saída do rotor, seriam prejudiciais às tubulações de recalque e também porque a energia de velocidade pode ser facilmente dissipada por choques nas conexões e peças das canalizações de recalque.

2.4 Principais Componentes

A bomba centrifuga e constituída essencialmente de duas partes: a) uma parte móvel: rotor solidário a um eixo (denominado conjunto girante) b) uma parte estacionaria carcaça(com os elementos complementares: caixa de gaxetas, mancais, suportes estruturais, adaptações para montagens etc,.).

características de funcionamento da bomba

É a peça fundamental de uma bomba centrífuga, a qual tem a incumbência de receber o líquido e fornecer-lhe energia. Do seu formato e dimensões relativas vão depender as 2.4.2 Carcaça

É o componente fixo que envolve o rotor. Apresenta aberturas para entrada do liquido até ao centro do rotor e saída do mesmo para a tubulação de descarga. Fundido juntamente, ou a ela preso mecanicamente, tem a câmara (ou câmaras) de vedação e a caixa (ou caixas) de mancal. Possui na sua parte superior, uma abertura (suspiro) para ventagem e escorva; e na parte inferior, uma outra para drenagem. Nas bombas de maior porte, tem ainda as conexões para as tubulações de “líquido de selagem” e “liquido de refrigeração”. O bocal (flange) de entrada do fluido na carcaça recebe o nome de “sucção da bomba” e o de saída de “descarga da bomba”. Os materiais geralmente utilizados na fabricação da carcaça são: ferro fundido, aço fundido, bronze e aços liga.

2.5 - Vantagens Das Bombas Centrífugas a) Maior flexibilidade de operação Uma única bomba pode abranger uma grande faixa de trabalho (variando a rotação e o diâmetro do rotor).

b) Pressão máxima Não existe perigo de se ultrapassar, em uma instalação qualquer , a pressão máxima(Shuttoff) da bomba quando em operação .

c) Pressão Uniforme Se não houver alteração de vazão a pressão se mantém praticamente constante.

d) Baixo custo São bombas que apresentam bom rendimento e construção relativamente simples.

14 2.6 - Classificação das Bombas Centrifugas.

Existem várias formas de classificação das bombas centrífugas, simplificadamente, utilizaremos somente a classificação segundo o angulo que a direção do líquido ao sair do rotor forma com a direção do eixo, as bombas se classificam em:

a) de fluxo radial: centrifuga propriamente dita. O liquido sai do rotor radialmente a direção do eixo. São as mais difundidas. A potência consumida cresce com o aumento da vazão.

b) de fluxo axial: propulsora. A água sai do rotor com a direção aproximadamente axial com relação ao eixo. Neste tipo de bomba o rotor é também chamado de hélice. A potência consumida, ao contrário da centrífuga é maior quando a sua saída se acha bloqueada. É indicada para grandes vazões e baixas alturas manométricas.

c) de fluxo misto: centrifugo-propulsora. O liquido sai do rotor com direção inclinada com relação ao eixo. Atende a faixa intermediária entre a centrifuga e a axial A direita do ponto de melhor rendimento a vazão aumenta com decréscimo da altura manometrica, mas a potência consumida diminui ligeiramente. Para a esquerda a altura manometrica cresce com a diminuição da vazão, enquanto que a potência consumida cresce ligeiramente de inicio e em seguida decresce.

Tipos de Rotores

De acordo com o projeto do rotor em, os mesmos são considerados: a) rotor fechado para água limpa e fluido com pequena viscosidade. b) rotor semi-aberto para líquidos viscosos ou sujos; c) rotor aberto para líquidos sujos e muito viscosos.

2.7 Seleção de Bombas Centrífugas

Não abordaremos em nosso estudo, o processo de seleção do tipo de bomba, isto é, se volumétrica ou turbobomba. Como a maioria das bombas utilizadas em instalações hidráulicas e prediais são do tipo centrifuga; nosso estudo abordará o processo de seleção do modelo de bomba centrifuga.

2.7.1 Processo de Seleção a) Definir ou calcular a vazão necessária (Q), b) Determinar a altura manométrica da bomba - HB, c) Entrar com a altura manométrica (HB) e a vazão (Q) em um diagrama de blocos de um catálogo de fornecedor de bombas, selecionando modelos adequados à aplicação em questão (verificar as diversas rotações),

A figura anterior apresenta um gráfico de pré-seleção de bombas de um determinado fabricante, a partir do qual o usuário tem uma idéia de quais catálogos consultar a respeito da seleção propriamente dita, locando o ponto de trabalho neste gráfico e determinando qual a "família" ideal de bombas.

d) Com os modelos selecionados, obter as curvas características da bomba, geralmente no próprio catálogo, e) Construir a curva característica da instalação – CCI, f) Determinar as grandezas relativas ao ponto de trabalho para os diversos modelos selecionados (Q, HB, B, NPSHREQ, NB) g) Verificar o rendimento da bomba para cada modelo selecionado, h) Analisar as condições de cavitação para cada modelo selecionado, i) Determinar a potência necessária no eixo de cada modelo selecionado, j) Em função da avaliação do rendimento, NPSHREQ, potência e custo, selecionar a bomba adequada à instalação.

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