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CENTRO UNIVERSITÁRIO DIN MICA DAS CATARATAS MISSÃO: FORMAR PROFISSIONAIS CAPACITADOS, SOCIALMENTE RESPONSÁVEIS E APTOS A PROMOVEREM AS TRANSFORMAÇÕES FUTURAS Classificação e Descrição de Máquinas Hidráulicas Aula 02 Prof. Dr. Ricardo Menon 6º Período de Engenharia Mecânica

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: São as Bombas -WB< 0 : Máquinas Motrizes -WB> 0 : Máquinas Operatrizes

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.

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: A. Bombas Centrífugas ou Turbobombas, também conhecidas como Bombas Hidro ou Rotodinâmicas; B. Bombas Volumétricas, também conhecidas como de Bombas Deslocamento Positivo.

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

BOMBA CENTRÍFUGA OU TURBOBOMBAS 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

BOMBA CENTRÍFUGA OU TURBOBOMBAS No início da operação, é necessário que a carcaça e a linha de sucção estejam cheias de água para que as turbobombas operarem adequadamente. ESCORVA: Ato de encher a carcaça de turbobombas com líquido.

CLASSIFICAÇÃO DAS TURBO-BOMBAS Conforme as posições relativas do movimento geral do líquido eixo de rotação do rotor, pode-se distinguir três tipos fundamentais de turbobombas: 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 90 o e 180 o);

Relação força e ângulo de fluxo na bomba FC - Energia fornecida devido à força centrífuga; FA - Energia fornecida devido à força de arrasto. a íd Sa FC Entrada FA

CLASSIFICAÇÃO DAS TURBOBOMBAS Exemplos de rotores utilizados em cada classe

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

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

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

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 - alternativas êmbolo diafragma - rotativas engrenagem lóbulo parafuso peristáltica

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.

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

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

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. Muito usada para líquidos viscosos, mas não serve para suspensões Sucção Líquidos corrosivos recomenda-se engrenagem de plástico Descarte O fluido é empurrado pelos dentes e forçado a sair pela tubulação da direita const →Q const P

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.

BOMBAS ROTATIVAS Bomba de engrenagem Bomba de lóbulos

BOMBAS ROTATIVAS Bomba de engrenagem interna Bomba peristáltica

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

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)

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

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

BOMBAS CENTRÍFUGAS

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.

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

DESCRIÇÃO E ANÁLISE DOS COMPONENTES Visão Geral dos Principais componentes

Impelidor ou Rotor O ROTOR pode ser de um dos seguintes tipos: fechado, semi-fechado ou aberto Aberto Semi-fechado 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).

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

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:

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. O empuxo resultante de pequenos desvios é absorvido pelo mancal de escora. Simples sucção → distribuição assimétrica de pressão → empuxo axial resultante na direção da sucção. Bomba pequena: o empuxo é absorvido pelo mancal. Demais Bombas: atenuado por furos de balanceamento ou pás na parte posterior do impelidor.

Selecionamento do tipo de rotor:

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

Bombas centrífugas verticais

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. Tipo de bomba Vazão (m 3/h) Carga (m de água) Aplicações horizontais, sucção axial: 1000 200/220 serviços gerais abastecimento de água; 130/150 recirculação de água de resfriament horizontais, dupla sucção radial: 1300 voluta simples 1500 voluta dupla horizontais, múltiplos estágio: 600 1000/1200 vertical, múltiplos estágio: 30000 400 vertical, simples estágio: 30000 400 alimentação de caldeiras; Serviços de alta pressão. extração de água de poços profundos. Esgotamento de tanques abertos, condições de baixo NPSH disponível

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 área crescente nos 360 o da a) Carcaça em voluta: são as mais utilizadas para bombas de simples estágio devido a sua boa eficiência, baixo custo e simplicidade mecânica. À medida que nos afastamos da vazão de projeto, aparece um desequilíbrio de pressões que gera o empuxo radial. A 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. Velocidade e Pressão constante ao longo da voluta garantindo o equilíbrio de forças radiais no entorno da voluta.

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. A zona de alta pressão criada na periferia é responsável pelo transporte do fluido.

Carcaça (Continuação) b) Carcaça com pás difusoras: São as preferidas para bombas de multiestágios. 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, processandose, 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.

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. 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 180 o 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. e) Carcaça mista: Eventualmente, podem ser encontradas bombas que usam uma combinação de pás difusoras e voluta.

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 Detalhe da luva de eixo

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.

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: a) Mancais de esferas: São os mais usados para bombas de grande porte. b) Mancais de rolos: São usados para diâmetros muito grande de eixo e suportam apenas esforços radiais. 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.

PAR METROS IMPORTANTES DE DESEMPENHO Os parâmetros chave de desempenho de bombas centrífugas são: 1. Capacidade 2. Carga 3. Potência da bomba 4. Ponto de melhor eficiência 5. Velocidade específica

Capacidade (Q) É a vazão volumétrica com que o líquido é movido ou é empurrado pela bomba ao ponto desejado no processo. 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

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

Curva Característica da Bomba Curva de Eficiência Curva de Potência Vazão Volumétrica, Q Potência - CV Carga da Bomba, H Eficiência % Curva Característica

Fatores que modificam as curvas características Os principais fatores são: · efeito da mudança da rotação nas curvas características. · efeito da mudança de diâmetro do impelidor nas curvas características. · efeito da natureza do líquido nas curvas características. · efeito de alterações na geometria do impelidor nas curvas características. · efeito do tempo de serviço nas curvas características. Este é um problema clássico de análise dimensional e semelhança física, pois queremos determinar a influência das variáveis N (Rotação), D (diâmetro externo do impelidor), (massa específica do fluido) e (viscosidade do fluido) nas características de desempenho: Q (vazão), H (carga) e Pot (potência).

CARGA REQUERIDA PELO SISTEMA Quando se deseja selecionar uma bomba para efetuar determinado serviço, aplica-se a Equação de Bernoulli e calcula-se a carga requerida para a vazão de fluido que se deseja passar pelo sistema. 2 1 l íve s s pre m nte co e n n i a o m d i r u e Fl ep m i g Re Função de Re Aplicando-se a equação acima para diferentes condições de vazão, obtêm-se a curva do sistema. Esta curva fornece a carga requerida para se fazer passar dada vazão pelo sistema.

Fatores que modificam a curva do sistema Função de Re Os principais fatores são: · natureza do líquido bombeado; · temperatura do líquido bombeado; · influência do nível de líquido – alturas estáticas de sucção e descarga; · pressões dos reservatórios de sucção e descarga; · características das tubulações e acessórios das linhas de sucção e descarga. As demais alterações possíveis no sistema não são encaradas como fator de controle de vazão, como por exemplo: mudança de diâmetro das linhas; mudança na elevação do reservatório de sucção ou descarga; inclusão ou exclusão de acessórios na linha; modificação de lay-out das linhas. Para estas situações, a recomendação seria tratar o problema como um novo projeto.

CARGA DA BOMBA x CURVA CARACTERÍSTICA Cargas da Bomba, H, e Requerida, WB Plotando-se, em um mesmo gráfico, a Curva Característica da Bomba e a Curva do Sistema obtém-se, na intersecção, o ponto de trabalho que informa a vazão com que o sistema irá operar quando a ele for conectado aquela bomba. Ponto de Vazão Nula Ponto de Operação: H=WB WB Curva Característica da Bomba H Altura manométrica de trabalho Curva do Sistema Vazão de trabalho Vazão Volumétrica, Q

PERDAS E RENDIMENTOS EM UMA BOMBA CENTRÍFUGA O esquema abaixo ilustra o processo de transferência de energia para o fluido de trabalho, em uma bomba: Processo de transferência de energia para um fluido de trabalho Em [HP]

ALTERAÇÕES DO PONTO DE TRABALHO Para alterar-se o ponto de trabalho, basta modificar-se a curva do sistema ou a curva característica da bomba. A curva do sistema pode ser alterada por: • fechamento parcial de uma válvula; • alteração nas pressões dos reservatórios; • mudança do diâmetro das linhas; • alteração nas cotas dos níveis de líquido nos reservatórios; ou • mudança no traçado das linhas. onde:

CAVITAÇÃO (Conceituação Clássica) Se a pressão em qualquer ponto de um sistema de bombeamento de um líquido cair abaixo de sua pressão de vapor, na temperatura de bombeamento, parte deste liquido se vaporizará. Estas bolhas de vapor formadas, ao atingirem regiões de maior pressão, sofrerão um colapso repentino, retornando à fase líquida. Este colapso repentino provoca o aparecimento de ondas de choque, gerando o fenômeno conhecido como: CAVITAÇÃO

O que acarreta o fenômeno de Cavitação? • Como a pressão de saída da bomba é, em geral, maior que a pressão atmosférica, podemos afirmar que haverá a condensação do fluido que foi convertido para vapor em sua entrada. Portanto, teremos um aumento na energia dissipada e, como potência é energia por unidade de tempo, haverá um aumento na potência dissipada, o que irá provocar uma DIMINUIÇÃO DO RENDIMENTO DA BOMBA!! • Poderemos ter, ainda, uma diminuição do tempo vida da máquina, isto devido a eventual EROSÃO dos materiais que constituem a bomba. • Surgem também BARULHO E VIBRAÇÕES INDESEJÁVEIS!!

Locais mais prováveis de ocorrer de Cavitação A probabilidade de ocorrer CAVITAÇÃO é maior nos locais onde há um aumento de velocidade do líquido, uma vez que isto acarreta uma diminuição da pressão local. • Restrições de área; • Turbinas; • Agitadores mecânicos; • Hélices de embarcações; • etc; Em bombas centrífugas, a cavitação normalmente ocorre na entrada (olho) do impelidor, porque, neste ponto, o fluido possui energia mínima, já o mesmo não recebeu ainda energia do impelidor e está com sua energia reduzida devido à perda de carga na linha de sucção e na entrada da bomba.

Evitando a Cavitação na Entrada de Bombas A e Ze = 0 e Necessariamente: Pe > Pvapor logo, poderemos evitar a cavitação se trabalharmos com o maior Pe possível. Para isso: 1. Diminuir a perda de carga antes da bomba: • aumentar o diâmetro de sucção (afeta também f e v); • diminuir o comprimento equivalente da tubulação antes da bomba (por exemplo, melhorar o traçado, reduzindo os acidentes); • diminuir a vazão (nem sempre possível, por razões de processo); • aumentar a pressão no tanque. 2. Aumentar o nível de líquido no tanque.

NPSH - APLS NPSH (Net Positive Suction Head) ou APLS (Altura Positiva Líquida de Sucção) NPSHrequerido É a quantidade mínima de energia que deve existir no flange de sucção da bomba, acima da pressão de vapor, para que não ocorra cavitação. (fornecido pelo fabricante) NPSHdisponível É a energia disponível no flange de sucção de uma bomba instalada em um dado sistema, acima da pressão de vapor do líquido bombeado. (calculado pelo projetista )

CONDIÇÃO PARA QUE NÃO OCORRA CAVITAÇÃO: NPSHdisponível > NPSHrequerido Na prática, faz-se: NPSHdisponível NPSHrequerido + 0, 61 m