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Este manual técnico aborda de forma clara e concisa os princípios de dimensionamento e funcionamento de sistemas de bombeamento, com foco em bombas centrífugas. Diferentes tipos de bombas, suas características e aplicações, além de fornecer informações sobre a influência da viscosidade do fluido no desempenho da bomba. O manual também discute o controle de velocidade de bombas e suas vantagens em diferentes sistemas de bombeamento.
Tipologia: Esquemas
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Capítulo 3 Sistema hidráulico .....................................................
Seção 3.1 Características do sistema ...................................... 3.1.1 Resistências únicas .............................................................. 3.1.2 Sistemas abertos e fechados ...........................................
Seção 3.2 Bombas conectadas em série e paralelas........... 3.2.1 Bombas em paralelo ......................................................... 3.2.2 Bombas conectadas em série .......................................
Capítulo 4 Ajuste do desempenho das bombas .....................................................................................
Seção 4.1 Ajuste do desempenho das bombas ................ 4.1.1 Controle por estrangulamento................................... 4.1.2 Controle de desvio............................................................ 4.1.3 Modificação do diâmetro do rotor............................ 4.1.4 Controle de velocidade................................................... 4.1.5 Comparação dos métodos de ajuste........................ 4.1.6 Eficiência geral do sistema da bomba..................... 4.1.7 Exemplo: Consumo de energia relativo quando o fluxo é reduzido em 20%..........................
Seção 4.2 Soluções para bomba com velocidade controlada .................................................. 4.2.1 Controle de pressão constante ................................... 4.2.2 Controle de temperatura constante......................... 4.2.3 Pressão do diferencial constante em um sistema de circulação ............................................. 4.2.4 Controle da pressão diferencial com compensada por fluxo ........................................
Seção 4.3 Vantagens do controle de velocidade......................................................................
Seção 4.4 Vantagens das bombas com conversor de frequência integrado ......................... 118 4.4.1 Curvas de desempenho de bombas com velocidade controlada .................................................... 4.4.2 Bombas com velocidade controlada em diferentes sistemas .........................................................
Seção 4.5 Conversor de frequência....................................... 4.5.1 Funções e características básicas ................................ 4.5.2 Componentes do conversor de frequência ..................................................................... 4.5.3 Condições especiais referentes aos conversores de frequência............................................
Capítulo 5 Cálculo dos custos do ciclo de vida ..............................................................................
Seção 5.1 Equação de custos do ciclo de vida ................... 5.1.1 Custos iniciais, preço de compra (Cic) ......................... 5.1.2 Custos de Instalação e comissionamento (Cin).................................................... 5.1.3 Custos de energia (Ce)....................................................... 5.1.4 Custos operacionais (Co) .................................................. 5.1.5 Custos ambientais (Cenv) .................................................. 5.1.6 Custos de manutenção e reparos (Cm) ..................... 5.1.7 Custos de tempo de parada, perda de produção (Cs) .................................................. 5.1.8 Custos de desmantelamento e descarte (Co).....................................................................
Seção 5.2 Cálculo dos custos do ciclo de vida – um exemplo ..................................
Apêndice ...........................................................................................
A) Notações e unidades....................................................... B) Tabelas de conversão de unidades ............................ C) Prefixos SI e alfabeto grego.......................................... D) Pressão do vapor e densidade da água em diferentes temperaturas........................................ E) Orifício ................................................................................ F) Mudança na pressão estática devido à mudança do diâmetro do cano............................... G) Injetores................................................................................ H) Nomograma para perdas de carga em curvas e válvulas........................................... I) Nomograma para perda do tubo de água limpa a 20˚C............................................................ J) Sistema periódico ............................................................. K) Padrões de bombas ......................................................... L) Viscosidade para líquidos diferentes como função da temperatura do líquido ...............
Índice remissivo ............................................................................
Em 1689, o físico Denis Papin inventou a bomba centrífuga e este tipo de bomba é o mais usado ao redor do mundo. A bomba centrífuga é construída sobre um princípio simples: O líquido é levado até o cubo do rotor e, através da força centrífuga, ele é lançado na direção da periferia dos rotores. A construção é razoavelmente barata, robusta e simples e sua alta velocidade possibilita conectar a bomba diretamente a um motor assíncrono. A bomba centrífuga oferece um fluxo de líquido uniforme e pode facilmente ser acelerado sem causar danos a bomba.
Agora, vamos observar a figura 1.1.1, que mostra o fluxo do líquido através da bomba. A entrada da bomba leva o líquido para o centro do rotor giratório de onde é lançado para a periferia. Esta construção oferece alta eficiência e é apropriada para lidar com líquidos puros. As bombas, que têm que lidar com líquidos impuros, como bombas de efluentes, são equipadas com um rotor que é construído especialmente para evitar que objetos fiquem armazenados no interior da bomba, consulte a seção 1.2.5. Se ocorrer diferença de pressão no sistema enquanto a bomba centrífuga não estiver funcionando, o líquido ainda consegue passar através da mesma devido ao seu desenho aberto. Como se pode ver na figura 1.1.2, a bomba centrífuga pode ser classificada em diferentes grupos: Bombas de fluxo radial, bombas de fluxo misto e bombas de fluxo axial. As bombas de fluxos radial e as bombas de fluxo misto são os tipos mais comuns utilizados. Portanto, iremos nos concentrar somente nestes tipos de bombas nas próximas páginas.
Entretanto, apresentaremos brevemente a bomba de deslocamento positivo na seção 1.2.8.
As diferentes exigências de desempenho das bombas centrífugas, especialmente em relação à altura manométrica total, fluxo e instalação, junto com as exigências de operação econômica, são somente algumas das razões porque existem tantos tipos de bombas. A Figura 1.1.3 mostra os diferentes tipos de bombas em relação ao fluxo e pressão.
Fig. 1.1.2: Diferentes tipos de bombas centrífugas
Fig. 1.1.1: O fluxo do líquido através da bomba
Bomba de fluxo radial Bomba de fluxo misto^ Bomba de fluxo axial
Fig. 1.1.3: Fluxo e altura manométrica total para diferentes tipos de bombas centrífugas
1 2
2 4
4
6
6
10
10
2
46
100
2
46
1000
2
4 6
10000
H [m]
Q [m^3 /h]
2 4 6 100 2 4 6 1000 2 4 6 10000 100000
Bombas de fluxo radial multiestágios
Bombas de fluxo radial monoestágios
Bombas de fluxo misto
Bombas de fluxo axial
Antes de aprofundarmos no mundo da construção e tipos de bombas apresentaremos as características básicas das curvas de desempenho das bombas. O desempenho de uma bomba centrífuga é mostrado por um conjunto de curvas de desempenho. As curvas de desempenho para uma bomba centrífuga são mostradas na figura 1.1.4. Altura manométrica total, consumo de energia, eficiência de consumo e NPSH são mostrados como uma função no fluxo.
Normalmente, as curvas das bombas nas apostilas de dados cobrem somente a parte da bomba. Portanto, o consumo de energia, o valor P 2 que também está listado nas apostilas de dados, cobre somente a energia que entra na bomba – consulte a figura 1.1.4. O mesmo vale para o valor eficiência, que cobre somente a parte da bomba (η = ηP).
Em alguns tipos de bombas com motor integrado e conversor de frequência possivelmente integrado, por exemplo, bombas com motor blindado (consulte a seção 1.2.3), a curva de consumo de energia e a curva η cobrem o motor e a bomba. Neste caso, é o valor P 1 que deve ser levado em consideração.
No geral, as curvss das bombas são projetadas de acordo com o ISO 9906 Anexo A, que especifica as tolerâncias das curvas:
- Q +/- 9%, - H +/-7%, - P +9% - -7%.
Mostramos a seguir uma breve apresentação das diferentes curvas de desempenho de bombas.
Altura manométrica total, a curva QH A curva QH mostra a altura manométrica total, que a bomba é capaz de executar em um determinado fluxo. A altura manométrica total é medida em metros de coluna de líquido/metros [mLC]; normalmente a unidade metro [m] é aplicada. A vantagem de se usar a unidade [m] como unidade de medida da altura manométrica total da bomba é que a curva QH não é afetada pelo tipo de líquido que bomba tem que manejar, consulte a seção 2.2 para mais informações.
[m]^ H^ η [%] 50 40 70 Eficiência (^6050) 40 20 10
2
12
4
6
8
10
0
30
30 20 10 0
10
0 2
4
6
8
P^0 10 20 30 40 50 60 70 Q [m^3 /h] [kW]^2 N PSH(m) Consum o de energia
N PSH
Fig. 1.1.4: Curvas de desempenho típicas para uma bomba centrífuga. Altura manométrica total, consumo de energia, eficiência e NPSH são mostrados como uma função do fluxo
Fig. 1.1.5: As curvas para consumo de energia e eficiência normalmente cobrem somente a parte da bomba da unidade – i.e. P 2 e ηP
ηM ηP
[m]^ H
50
60
40 30 20 10 (^00 10 20 30 40 50 60 70 ) Q [m^3 /h Fig. 1.1.6: Curva QH típica para uma bomba centrífuga; fluxo baixo resulta em altura manométrica total alta e fluxo alto resulta em altura manométrica total baixa
A bomba centrífuga possui várias características e as mais importantes serão apresentadas nesta seção. Mais adiante neste capítulo forneceremos uma descrição mais detalhada dos diferentes tipos de bombas.
- Número de fases Dependendo do número de rotores na bomba, uma bomba centrífuga pode ser uma bomba monoestágio ou uma bomba multiestágio. - Posição do eixo da bomba As bombas monoestágio e multiestágio são produzidas com eixos de bomba verticais ou horizontais. Estas bombas normalmente são normalmente designadas como bombas horizontais ou verticais. Para mais informações, vá para seção 1.1.4. - Rotores de sucção simples ou de sucção dupla Dependendo da construção do rotor, uma bomba pode ser equipada com um rotor de sucção simples ou rotor de sucção dupla. Para mais informações, vá para a seção 1.1.5. - Acoplamento de estágios Os estágios da bomba podem ser arranjados de duas maneiras diferentes: em série e em paralelo, consulte a figura 1.1.10. - Construção da carcaça da bomba Diferenciamos entre dois tipos de carcaça de bomba: Carcaça Voluta e carcaça de canal de retorno com palhetas guia. Para mais informações, vá para a seção 1.1.6.
Fig 1.1.10: Bomba dupla com rotores acoplados em paralelo
Bomba de sucção axial = O líquido entra diretamente no rotor. A entrada e a saída possuem um ângulo de 90°. Consulte a seção 1.1.
Bomba em linha = O líquido passa diretamente pela bomba em linha. O cano de sucção e o cano de descarga são colocados opostos um ao outro e podem ser montados diretamente no sistema de encanamento
Bomba com carcaça bipartida = Bomba com carcaça dividida axialmente. Consulte a seção 1.2.
Bomba horizontal = Bomba com eixo horizontal
Bomba vertical = Bomba com eixo vertical
Bomba monoestágio = Bomba com rotor único. Consulte a seção 1.1.
Bomba multiestágio = Bomba com vários rotores acoplados em série. Consulte a seção 1.1.
Bomba com acoplamento longo = Bomba conectada ao motor através de um acoplamento flexível. O motor e a bomba possuem construções de rolamentos separados. Consulte a seção 1.1.
Bomba com acoplamento curto = bomba conectada ao motor através de um acoplamento rígido. Consulte a seção 1.1.
A bomba centrífuga gera pressão que exerce forças sobre as peças fixas e giratórias da bomba. As peças das bombas são feitas para suportar essas forças. Se as forças axiais e radiais não forem contrabalanceadas na bomba, as forças devem ser consideradas ao selecionar o sistema de acionamento da bomba (rolamento de contato angular no motor). Em bombas equipadas com rotor de sucção simples, podem ocorrer grandes forças axiais, figuras 1.1.11 e 1.1.12. Estas forças são balanceadas em uma das seguintes formas:
Fig. 1.1.13: Balanceando as forças axiais em uma bomba centrífuga monoestágio com orifícios de balanceamento somente
Fig. 1.1.14: Balanceando as forças axiais em uma bomba centrífuga monoestágio com lacuna de vedação no lado de descarga e orifícios de balanceamento
Fig. 1.1.15: Balanceando as forças axiais em uma bomba centrífuga monoestágio com lâminas na traseira dos rotores
Fig. 1.1.16: Balanceando as forças axiais em um sistema de rotor de sucção duplo
Fig. 1.1.11: : Rotor de sucção simples
Fig. 1.1.12: Bomba padrão com rotor de sucção simples
Forças Axiais
As forças radiais resultam da pressão estática na carcaça. Portanto, podem ocorrer deflexões axiais que levam à interferência entre o rotor e a carcaça. A magnitude e a direção da força radial dependem da taxa do fluxo e altura manométrica total.
Ao projetar a carcaça da bomba, é possível controlar as forças radiais hidráulicas. Vale a pena mencionar dois tipos de carcaças: a carcaça voluta simples e a carcaça voluta dupla. Como se pode observar na figura 1.1.18, as duas carcaças têm o formato de voluta. A diferença entre as duas é que a voluta dupla possui uma palheta guia.
A bomba de voluta simples é caracterizada por uma pressão simétrica na voluta no ponto de eficiência ótimo, que leva à carga radial zero. Em todos os outros pontos, a pressão ao redor do rotor não é regular e consequentemente há presença de força radial.
Como se pode observar na figura 1.1.19, a carcaça voluta dupla desenvolve uma força de reação radial baixa constante em qualquer capacidade.
Os canais de retorno (figura 1.1.20) são usados em bombas multiestágio e têm a mesma função básica que as carcaças volutas. O líquido é levado de um rotor para o outro ao mesmo tempo, a rotação da água é reduzida e a pressão dinâmica é transformada em pressão estática. Devido ao projeto circular da carcaça do canal, não há forças radiais presentes.
Geralmente, as bombas monoestágio são usadas em aplicações que não exigem uma altura manométrica total de mais de 150 m. Normalmente, as bombas monoestágio operam no intervalo de 2-100 m.
As bombas monoestágio são caracterizadas por fornecer uma altura manométrica baixa em relação ao fluxo, consulte a figura 1.1.3. A bomba monoestágio é produzida no desenho vertical e horizontal, consulte as figuras 1.1.21 e 1.1.22.
1.0 Q /Q opt
Carcaça Voluta
Carduplacaça voluta
Força Radi
al
Carcaça voluta dupla
Fig. 1.1.17: Rotor de Forças radiais sucção simples
Fig. 1.1.19: Força radial para carcaça voluta simples e dupla
Fig. 1.1.22: Bomba com acoplamento curto em linha monoestágio vertical
Fig. 1.1.21: Bomba com acoplamento curto de sucção axial monoestágio
Fig. 1.1.20: Bomba em linha multiestágio vertical com carcaça de canal de retorno
Canal de retorno
Fig. 1.1.18: Carcaça voluta simples
Fig. 1.2.1:Bomba padrão com acoplamento longo
Fig. 1.2.2: Bomba padrão com eixo simples
Fig. 1.2.3: Bomba com carcaça bipartida com acoplamento longo
Fig. 1.2.4: Bomba com carcaça bipartida com rotor de sucção dupla
Poucas normas internacionais tratam de bombas centrífugas. Na verdade, muitos países possuem seus próprios padrões, que mais ou menos sobrepõem uns aos outros. Uma bomba padrão é aquela compatível com as regulamentações oficiais, como, por exemplo, o ponto de operação da bomba. Relacionamos abaixo alguns exemplos de padrões internacionais para bombas:
As normas mencionadas acima cobrem as dimensões de instalação e os pontos de operação de diferentes tipos de bombas. Quanto às peças hidráulicas destas bombas, elas variam de acordo com o fabricante - deste modo, não há padrões internacionais determinados para estas peças.
Bombas, que são projetadas de acordo com os padrões, oferecem vantagens ao usuário final relacionadas à instalação, assim como serviço, peças de reposição e manutenção.
Uma bomba com carcaça bipartida é uma bomba cuja carcaça é dividida axialmente em duas partes. A Figura 1.2.4 mostra uma bomba monoestágio com carcaça bipartida com rotor de sucção dupla. A construção com entrada dupla elimina as forças axiais e assegura uma expectativa de vida útil mais longa dos rolamentos. Geralmente, as bombas com carcaça bipartida são mais eficientes, tem manutenção mais fácil e uma faixa de desempenho ampla.
Seção 1.
Tipos de bomba
Não é de surpreender que a guia de entrada do eixo da bomba deve ser selada. Geralmente, isto é feito através de um retentor mecânico do eixo, consulte a figura 1.2.5. A desvantagem do retentor mecânico do eixo são suas propriedades deficientes quando se trata de manipulação líquidos tóxicos e agressivos, que, consequentemente, levam a vazamento. Até certo ponto estes problemas podem ser resolvidos usando um retentor mecânico duplo do eixo. Outra solução para estes problemas é usar uma bomba hermeticamente selada.
Diferenciamos estes dois tipos de bombas hermeticamente seladas: Bombas com motor blindado e bombas com acionamento magnético. Informações adicionais sobre estas bombas são encontradas nos próximos parágrafos.
Uma bomba com motor blindado é uma bomba hermeticamente selada com o motor e a bomba integrados em uma unidade sem retentor, consulte as figuras 1.2.6 e 1.2.7. O líquido bombeado entra na câmara do rotor que é separado do estator por uma blindagem fina do rotor. O rotor pode servir como uma barreira hermeticamente selada entre o líquido e o motor. As bombas químicas são feitas de materiais como plástico ou aço inoxidável que podem suportar líquidos agressivos.
O tipo mais comum de motor blindado é a bomba circuladora. Este tipo de bomba é usado tipicamente em circuitos de aquecimento, pois sua construção produz baixo ruído e a operação é livre de manutenção.
Fig. 1.2.5: Exemplo de bomba padrão com retentor mecânico do eixo
Liquido
Atmosfera
Retentor
Fig. 1.2.7: Bomba circuladora com motor blindado
Blindagem do Motor
Fig. 1.2.6: Bomba química com motor blindado
Blindagem do motor
Fig. 1.2.10: Bomba sanitária
Fig.1.2.11: Bomba sanitária com canal lateral de auto-escorvamento
As bombas sanitárias são usadas principalmente por indústrias de alimentos, bebidas, farmacêuticas e de biotecnologia onde é muito importante que o líquido bombeado seja manipulado suavemente e que as bombas sejam fáceis de limpar.
Para atender as exigências de processamento destas indústrias, as bombas devem ter uma superfície áspera entre 3,2 e 0,4 μm Ra. Isto pode ser melhor obtido usando aço inoxidável forjado ou laminado rolado como materiais de construção, consulte a figura 1.2.12. Estes materiais possuem uma superfície compacta não porosa que pode ser facilmente trabalhada para atender os vários requisitos de acabamento de superfície.
As principais características das bombas sanitárias são facilidade de limpeza e de manutenção.
Os fabricantes líderes de bombas sanitárias projetaram suas bombas para atender os padrões a seguir:
EHEDG – [Grupo de Design de Equipamento Higiênico Europeu]
QHD – [Design Higiênico Qualificado]
3-A – Padrões Sanitários:
3A0/3A1: Padrão Industrial/Higiênico Ra ≤ 3.2 μm 3A2: Padrão Estéril Ra ≤ 0.8 μm 3A3: Padrão Estéril Ra ≤ 0.4 μm
Areia fundida
Fundição de precisão
Aço rolado
Fig.1.2.12: Aspereza da superfície do material
Fig. 1.2.14: Bomba de efluentes para instalações secas
Rotor de vórtice
Rotor de canal simples
Rotor de canal duplo
Fig.1.2.13: Detalhe de uma bomba de esgoto para instalações úmidas
Uma bomba de efluentes é um equipamento lacrado com uma bomba e um motor. Devido a sua construção, a bomba de efluentes é apropriada para instalação submersa em poços. Trilhos duplos com sistema de autoacoplamento normalmente são usados em instalações submersas. O sistema de autoacoplamento facilita a manutenção, reparo e substituição da bomba. Devido à construção da bomba, não é necessário entrar no poço para executar o serviço. Na verdade, é possível conectar e desconectar a bomba automaticamente de fora do poço. As bombas de efluentes também podem ser instaladas secas como bombas convencionais em instalações horizontais ou verticais. Da mesma forma, este tipo de instalação é de fácil manutenção e reparo e proporciona operação ininterrupta da bomba no caso de inundação da poço seco, consulte a figura 1.2.14.
Normalmente, as bombas de efluentes têm que ser capazes de manejar partículas grandes. Portanto, elas são equipadas com rotores especiais para evitar bloqueio e entupimento. Existem vários tipos de rotores: rotores de canal simples, rotores de canal duplo, rotores de três e quatro canais e rotores de vórtice. A Figura 1.2. mostra os diferentes desenhos de rotores.
As bombas de efluentes geralmente são produzidas com um motor seco, com proteção IP68 (para mais informações sobre classes de IP, vá para a seção 1.4.1). O motor e a bomba possuem um eixo estendido comum com um sistema de retentor mecânico duplo do eixo em uma câmara de óleo intermediária, consulte a figura 1.2.13. As bombas de efluentes podem operar intermitenteou continuamente de acordo com a instalação em questão.
