08.01 - Bombas (ESTUDO)

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE TECNOLOGIA DE ALIMENTOS

TAL 475 - Operações Unitárias

Deslocamento de Fluidos – Bombas -

Bombas Máquinas que realizam trabalho sobre um fluido com a finalidade de deslocá-lo. Quando o fluido está no estado gasoso estas máquinas recebem nome como ventiladores, sopradores e compressores.

Classificação das Bombas Dividem-se em 2 grandes grupos de acordo a forma como a energia é fornecida ao fluido.

Bombas cinéticas (centrífugas)

Bombas de deslocamento positivo

Bombas Centrífugas Convertem a energia mecânica fornecida continuamente por um rotor, em energia cinética cedida ao líquido a ser bombeado. Esta energia é posteriormente transformada em energia de pressão (potencial). Aplicações Usadas para instalações residenciais, alimentação de caldeiras, química,petroquímica, efluentes, etc. Na Indústria de Alimentos é usada para transporte de caldo de cana, sucos, óleos, purês, etc.

Componentes da Bomba Centrífuga As transformações de energia acontecem em virtude de duas partes principais da bomba: o impulsor e a voluta, ou difusor. O impulsor é a parte giratória principal que converte a energia do motor em energia cinética. Fornece a aceleração centrífuga para o fluido. A voluta ou difusor, é a parte estacionária que converte a energia cinética em energia de pressão. Obs: Todas as formas de energia envolvidas em um sistema de fluxo de líquido, são expressas em termos de altura de coluna do líquido, isto é, carga.

Componentes Gerais de uma Bomba Centrífuga

Componentes da Bomba Centrífuga CARCAÇA OU CORPO DA BOMBA Feita geralmente em ferro fundido abriga o rotor em seu interior. Alimentos, fármacos, cosméticos: aço inox ou material sanitário. As carcaças das bombas de escoamento radial podem se apresentar como CARACOL (voluta ou espiral) ou turbina (circular) e para as bombas de escoamento axial e misto, o formato é geralmente cilíndrico. Transforma energia cinética em energia de pressão com pequena perda por turbulência.

Componentes da Bomba Centrífuga

Bombas Centrífugas Princípio de funcionamento Descarga O fluido entra axialmente e circula radialmente. O impulsor gira rapidamente dentro da carcaça e seu movimento produz uma zona de vácuo (no centro) e outra de alta pressão (na periferia). O fluido é lançado pelas pás do rotor e pela ação da força centrífuga para a periferia da bomba e, daí, para o tubo de elevação.

Carcaça

Sucção

Voluta

Pás

Rotor

A voluta é tipo um funil encurvado que aumenta a área no ponto de descarga. Como a área da seção transversal aumenta, a voluta reduz a vel. do líquido, convertendo a Ec em outras formas de E (Eg, Ep,...).

Bombas Centrífugas O fluido entra no centro da carcaça devido ao vácuo e é acelerado pelas pás do rotor que gira a alta velocidade. Pela ação da força centrífuga, o fluido é descarregado na voluta ou no difusor, onde é desacelerado devido à expansão da seção de escoamento. A Ecinética é convertida em, outras formas de E, como Epressão.

BOMBA CENTRÍFUGA EM CORTE

Bombas Centrífugas Tipos de escoamento: Axial: Descarrega o fluido na periferia axialmente (adequado para altas vazões, mas desenvolve baixas pressões)

Radial: Descarrega o fluido na periferia radialmente (desenvolve altas pressões, mas só é adequado para baixas vazões)

Bomba centrífuga de fluxo radial ROTOR ou IMPULSOR: Pode ser de ferro fundido, bronze ou inox, dependendo das condições de emprego. As bombas podem ter rotores do tipo aberto, semi-aberto e fechado.

Tipos de rotores:

Tipos de Rotores ROTOR FECHADO

Para líquidos que não contém substâncias em suspensão. O rotor fechado tem as pás compreendidas entre dois discos paralelos, podendo ter entrada de um só lado (sucção simples) ou de ambos os lados. É mais eficiente que os outros tipos, porém é recomendado para água limpa.

Tipos de Rotores Rotor aberto e semi- aberto No rotor semi-aberto, as pás são fixadas de um lado num mesmo disco, ficando o outro lado livre. Estes dois tipos de rotores destinam-se a bombear líquidos viscosos ou sujos (com partículas sólidas em suspensão), pois dificilmente são obstruídos. Ex: pastas, produtos arenosos, lamas, esgotos sanitários, etc. Desvantagem: sofrer maior desgaste.

Bombas Centrífugas

A bomba centrífuga deve ser escorvada antes de funcionar (a linha de sucção deve estar cheia de líquido). Quando a bomba tem ar, a pressão desenvolvida é muito pequena devido à baixa densidade do ar. Bomba auto-escorvante

Bombas Centrífugas Vantagens : a) Construção simples b) Baixo custo c) Fluido é descarregado a uma pressão uniforme, sem pulsações d) Permite bombear líquidos com sólidos f) Pode ser acoplada diretamente a motores g) Não há válvulas envolvidas na operação de bombeamento h) Menores custos de manutenção que outros tipos de bombas i) Operação silenciosa (depende da rotação) Obs: Na IA é usada para alimentos com baixo teor de sólidos como caldo de cana, sucos de uva, óleos, azeites, leite, etc.

Bombas Centrífugas

Desvantagens :

a) Não servem para altas pressões b) Sujeitas à incorporação de ar, precisam ser escorvadas c) A máxima eficiência da bomba ocorre dentro de um curto intervalo de condições d) Não bombeia eficientemente líquidos muito viscosos

Bombas de Deslocamento Positivo A energia é fornecida periodicamente, mediante superfícies sólidas móveis, que deslocam porções de fluído desde a sucção até a linha de descarga. A pressão de saída é regulada por válvulas de descarga unidirecionais. Princípio de funcionamento As bombas de deslocamento positivo liberam um determinado volume de fluido de acordo com a velocidade do sistema. Impelem uma quantidade definida de fluido em cada golpe ou volta do positivo.

Bombas de Deslocamento Positivo Aplicações Bombas alternativas de pistão e êmbolo são usadas para deslocamento de fluidos clarificados e limpos, não são usadas para líquidos abrasivos. São utilizadas para altas pressões. A maior aplicação das bombas alternativas é a dosificação de produtos químicos, mediante as chamadas “bombas dosificadoras”. Bombas alternativas de diafragma são usadas para líquidos viscosos, soluções alcalinas, polpas, etc. Bombas rotativas usadas principalmente no bombeamento de líquidos pastosos ou muito viscosos, mas não abrasivos e bombeamento de óleo combustível para queima de caldeiras, fornos, etc. IA: Purês de frutas, chocolate, geléias.

Bombas Alternativas de Pistão Envolvem um movimento de vai-e-vem de um pistão num cilindro. Para cada golpe do pistão, um volume fixo do líquido é descarregado na bomba. A taxa de fornecimento do líquido é função do volume varrido pelo pistão no cilindro e o número de golpes do pistão por unidade do tempo. imprimem as pressões mais elevadas dentre as bombas;
podem ser usadas para vazões moderadas;
podem operar com líquidos voláteis e muito viscosos;
capaz de produzir pressão muito alta;
opera com baixa velocidade;
precisa de mais manutenção.


Bombas Alternativas de Pistão Quando o pistão se desloca para a esquerda, a pressão no cilindro se reduz, a válvula de retenção na linha de sucção se abre e o líquido entra. Quando o pistão chega ao final do cilindro, o movimento se inverte e o pistão se desloca para a direita. Aumenta a pressão no cilindro e a válvula de admissão fecha. A válvula de descarga se abre e o líquido sai pressurizado. Linha de descarga Pistão

Válvulas de retenção cilindro

Linha de sucção

Bombas de Diafragma

Funcionam como bombas de pistão. O movimento é alternativo e provocado por um elemento flexível de metal, borracha ou plástico. É adequada para fluídos tóxicos e corrosivos pois se elimina o contato do líquido com os selos mecânicos.

Bombas Rotativas O deslocamento mecânico do líquido é produzido é produzido pela rotação de um ou mais elementos (lóbulos, palhetas, engrenagens) dentro de uma câmara. Dentre as bombas rotativas, a de lóbulos é a mais amplamente usada na indústria de alimentos.

Bombas Rotativas Tipos: - Engrenagens ( para óleos); - Rotores lobulares: bastante usada em alimentos; - Parafusos helicoidais ( maiores pressões); - Palhetas: fluidos pouco viscosos e lubrificantes; - Peristáltica: pequenas vazões, permite transporte asséptico. Usos: Nas indústrias farmacêuticas, de alimentos e de petróleo. Engrenagens: o fluído é retido entre os dentes da engrenagem e levado por sua movimentação até a descarga. Fluidos viscosos e não abrasivos, purês, geléias, chocolates.

Bombas Sanitárias As bombas sanitárias são especificamente projetadas para manusear alimentos. Conseqüentemente devem preencher uma série de requisitos para serem adequadas:
Altamente resistentes à corrosão;
Facilmente desmontáveis para limpeza;
Não provocam a formação de espuma;
O sistema de lubrificação não deve contaminar o alimento;
O atrito entre as partes internas deve ser mínimo para não haver

incorporação de elementos metálicos no alimento.

Bombas Sanitárias • O desenho mecânico das superfícies deve apresentar curvas suaves, sem espaços mortos, nos quais o alimento possa acumular-se. • O sistema de gaxetas ou o selo mecânico deve vedar perfeitamente a carcaça.

Condições Ótimas de Utilização das Bombas

Todas as bombas têm condições ótimas de utilização, ou seja, são mais adequadas para um determinado tipo de fluido, em uma faixa de pressão e a uma dada vazão volumétrica. As bombas centrífugas são construídas de modo a fornecerem uma ampla faixa de vazões, desde uns poucos L/min até 3.104 L/min. As pressões de descarga podem atingir algumas centenas de atmosferas. Elas trabalham com líquidos límpidos, líquidos com baixo teor de sólidos e que não seja muito viscoso (500 centiStokes).

Condições Ótimas de Utilização das Bombas

As bombas alternativas de pistão só podem ser utilizadas para deslocamento de fluidos clarificados e limpos, não podendo manusear fluidos abrasivos. São utilizadas para altas pressões, que somente são alcançadas para esses tipos de bombas, porém fornecem baixas vazões. Por outro lado, as bombas de diafragma são específicas para líquidos corrosivos, soluções alcalinas, polpas, líquidos biológicos, etc. As bombas rotativas são especificamente indicadas para fluidos viscosos, porém não abrasivos. Por isso são usadas, especialmente, com sucos concentrados, chocolate e geléias.

Fatores que influenciam a Escolha da Bomba

a) Vazão volumétrica do fluido a ser transferido b) Energia a ser vencida no sistema: cinética + potencial + pressão + atrito c) Propriedades do fluido: • Temperatura • Deformação devido ao cisalhamento • Densidade • Natureza corrosiva ou erosiva do líquido • Necessidades higiênicas: limpeza e agentes esterilizantes

Definições
As bombas cinéticas para operarem satisfatoriamente, requerem

líquidos livres de vapor na linha de sucção, à entrada do rotor. Se a pressão dentro da bomba cai abaixo da pressão de vapor do líquido, haverá a formação de bolhas de vapor nesse local.


Este fenômeno é chamado cavitação e pode reduzir a eficiência

da bomba causando ruído, vibrações, fratura do rotor, da carcaça, etc.
Para evitar a cavitação as bombas necessitam de uma certa

quantidade de energia no sistema de sucção, conhecido como NPSH (altura de sucção líquida positiva ou pressão na região de sucção).

Definições NPSH (Net Positive Sucction Head): pressão residual com que o fluido chega na entrada da bomba que vai fazer com que a pressão do fluido no interior da bomba não atinja a pressão de vapor do fluido. NPSHrequerido: pressão requerida pela bomba para que a mesma funcione. NPSHdisponível: pressão com que o fluido chega até a entrada da bomba (energia que o tipo de instalação fornece ao fluido). Obs.: para que a bomba funcione sem cavitação é necessário que o NPSHdisponível seja 10% maior que o NPSHrequerido.

Definições A cavitação é uma situação que pode ocorrer em qualquer tipo de bomba. As causas comuns da cavitação são: a diminuição da pressão de sucção, NPSH insuficiente, ou operação a velocidades muito altas. O líquido a bombear poderá ser vaporizado se atingir uma região onde a pressão é menor que a sua pressão de vapor. Se esta região existir no interior (rotor) da bomba ocorrerá o consumo de energia para a vaporização do líquido e a conseqüente liberação desta energia será na periferia da bomba ( ou região de elevada pressão). Neste local haverá a implosão das bolhas provocando desgaste (erosão) e ruídos (martelamento) na carcaça. Pode ocorrer a quebra do rotor. A cavitação diminui a eficiência, desgasta os metais das pás do rotor, gera vibração mecânica e ruído.

Altura de Sucção Disponível (NPSH) O NPSH é definido como:

NPSH disponível

Pa − Pv ΣFsucção sucção = − − ∆z sucção ρg g

Pa = pressão na região de sucção, Pv = pressão de vapor do líquido, ΣF = perdas de carga na sucção, ∆z = diferença entre o nível do reservatório e o nível de sucção da bomba.

Altura de Sucção Disponível (NPSH) Considerando a bomba, observa-se que abaixo de um certo valor de NPSH ela começa a cavitar. Os fabricantes fornecem este valor de NPSH requerido pela bomba, em função da vazão. Assim, a cavitação ocorre quando: NPSH disponível no sistema ≤ NPSH requerido pela bomba Portanto, deve-se operar o sistema a uma altura de sucção disponível maior que a requerida pela bomba. NPSH disponível no sistema > NPSH requerido pela bomba (mínimo 10%).

Exercício Bombeia-se água a 60°C numa tubulação de ferro galvanizado d e 1½ in de diâmetro, série 40, a uma vazão de 1,5 L/s. o fabricante informa que o NPSH da bomba é de 3 m, para essa vazão. A pressão do local de bombeamento é 710 mmHg. A pressão de vapor é de 1,98x104 N/m2. As perdas friccionais na tubulação na secção de sucção são de 11,56 J/kg. Ocorrerá cavitação? (2) 1m

3m (1)

1m

6m 5m 2m

Conceitos: Altura de Projeto Para se dimensionar uma bomba aplica-se o balanço de energia mecânica entre dois pontos do sistema de escoamento. 2 1

Balanço de energia mecânica:

- Ws = (P2-P1)/ )/ρ ρ + (v22-v12)/2 )/2α α + (Z2 – Z1)g + ΣF Ou ainda:

P2 v22 P1 v12 - Ws = ( ---- + ---- + g Z2 ) – ( ---- + ---- + g Z1 ) + ΣF ρ 2α ρ 2α

Conceitos: Altura de Projeto

Dividindo por g, temos:

2   2   P2 v2 P1 v1 ΣF W + z2 + + z1 + =−  − + 2αg   ρg 2αg  g g  ρg

Na equação final, cada um dos termos tem dimensão de altura (comprimento). É usual encontrar o balanço de energia expresso dessa forma na literatura sobre bombas. W/g = altura de projeto da bomba. Energia total a ser fornecida pela bomba, em termos de comprimento, ou seja, de caminho a percorrer pelo fluido.

Conceitos: Altura de Projeto

A altura de projeto é o trabalho que deve ser fornecido ao fluido para obter-se a vazão de projeto. É interessante avaliar como varia a altura de projeto em função da vazão para diversos tipos de sistemas.

Conceitos: Altura de Projeto Assim é comum cada um dos termos ser considerado como altura (energia é expressa em termos de unidades de comprimento). Portanto, P/ρg é a altura de pressão, v2/2αg é a altura de velocidade, z é a altura de posição, -W/g é a altura total a ser fornecida pela bomba e Ef /g é a altura de atrito. Pode-se então definir: Altura na descarga (m):

P2 v2 2 + z2 + H2 = ρg 2αg 2

Altura na sucção (m):

P1 v1 H1 = + z1 + ρg 2αg

Conceitos: Altura de Projeto Substituindo as expressões na equação do balanço de energia mecânica obtém-se: Altura de projeto: -W/g = H pro H pro = (H2 - H1) + ΣF /g A altura de projeto é o trabalho (em unidade de comprimento) que deve ser fornecido ao fluido para obter-se a vazão de projeto. É interessante avaliar como varia a altura de projeto em função da vazão para diversos tipos de sistemas.

Exercício Um fluido alimentício a 100°F é transportado por uma linha de processamento de um tanque1 de grandes dimensões para um tanque2 a 40 gal/min. A pressão manométrica na linha de descarga é de 50 lbf/in2. O ponto de descarga está a 10 ft acima do nível do líquido no reservatório1. A bomba está localizada a 4 ft acima do nível do líquido no reservatório1. A tubulação da linha de descarga é de 11/2 in, série 40. As perdas por fricção na seção de sucção são de 0,5 lbf/in2 e na linha de descarga são de 5,5 lbf/in2. A eficiência da bomba é n = 60%. A ρ fluido é de 54 lbm/ft3 e a pressão de vapor é de 3,8 lbf/in2 a 100°F. O NPSH requerido é 10 ft. a) A altura de projeto da bomba (H); H = -Ws/g; b) A potência da bomba; P = Wp.m; Wp=-Ws/(eficiência da bomba); c) A bomba é adequada para o serviço? Comparar NPSH disp. e req.

Resolução v22 − v12 P2 − P1 g + ( z 2 − z1 ) + + ΣF = −Ws ρ 2αg c gc Sistema Inglês: todos os termos em lbf.ft/lbm g c = 32 ,174

lbm. ft lbf .s 2

1 lbf / in 2 = 144 lbf / ft 2

P1 = Patm = Pa = 14 ,7 lbf / in 2 = 2116 ,8 lbf / ft 2

P2 = ( 50 + 14 ,7 ) lbf / in 2 = 9316 ,8 lbf / ft 2

P2 − P1

ρ

3  9316 ,8 − 2116 ,8  lbf . ft = = 133 ,33 lbf . ft / lbm  2 54   ft .lbm

Resolução V& = 40 gal / min = 0 ,0891 ft 3 / s

v1 = 0

A = 0 ,01414 ft 2 V& v2 = = 6 ,3 ft / s A

v22 6 ,3 2 ft 2 lbf .s 2 = = 0 ,6168lbf . ft / lbm 2 2αg c 2.32 ,174 s lbm. ft g 32 ,174 ft lbf .s 2 ( z 2 − z1 ) = .10 ft = 10lbf . ft / lbm 2 gc 32 ,174 s lbm. ft

Perdas de carga = ( 0 ,5 + 5 ,5 )lbf / in 2 = 864 lbf / ft 2

Resolução 864 lbf ft 3 ΣF = = 16 lbf . ft / lbm 2 54 ft lbm

Ws = −0 ,6168 − 10 − 133,33 − 16 = −159 ,95 lbf . ft / lbm a)

Wp =

− Ws

η

−Ws .g c H = = 159 ,4 ft g

159 ,95 lbf . ft = = 265 ,72lbf . ft / lbm 0 ,6 lbm

lbf . ft & P = W p .m& = W p .V .ρ = 265 ,72.0 ,0891.54 = 1278 ,5 s

Resolução

b)

1hp = 550 ft .lbf / s 1278 ,5 P= = 2 ,32hp 550

NPSH disp

( Pa − Pv ) g c ΣFsucção = − .g c − ∆z sucção g g ρ

( Pa − Pv ) g c ( 2116 ,8 − 547 ,2 ) lbf ft 3 32 ,174 lbm. ft s 2 = = 29 ,0667 ft 2 2 ρ g 54 ft lbm 32 ,174 lbf .s ft

Resolução ΣFsucção = 0 ,5 lbf / in = 72 lbf / ft 2

ΣFsucção g

c)

2

72 lbf ft 3 ft .lbf = 1 , 333 54 ft 2 lbm lbm

ft .lbf 32 ,174 lbm. ft s 2 .g c = 1,333 = 1,333 ft 2 lbm 32 ,174 lbf .s ft

NPSH disp = 29 ,0667 − 1,333 − 4 = 23 ,73 ft

Assim, não ocorrerá cavitação. A bomba é adequada para o serviço.