atps de fluidomecânicos
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1 INTRODUO
A cavitao em bombas centrfugas o resultado da formao de bolhas
de vapor do fluido bombeado na regio de suco do equipamento. Essas
bolhas de vapor formadas entraro, posteriormente, em colapso, ocasionando
na remoo de pedaos de alguns componentes, especialmente, o rotor,
corroso, queda de desempenho, vibraes, rudo excessivo, enfim, pode-se
diagnosticar que os efeitos da cavitao so visveis, mensurveis e, at
mesmo, audveis.
Neste trabalho, alm de analisar o fenmeno da cavitao, tambm
sero apresentados os aspectos de funcionamento, classificao e
caractersticas construtivas das bombas centrfugas.
1.1 Justificativa
Este tema foi escolhido, principalmente, pelo fato da cavitao tratar-se
de um fenmeno importante cientificamente, tecnicamente e economicamente.
Cientificamente interessante, pois envolve processos de mudana de fase de
um fluido. Tecnicamente importante, porque o escoamento do fluido com
cavitao provoca alteraes nos parmetros hidrulicos e dinmicos da
bomba. Economicamente custoso, porque a cavitao proporciona perda de
eficincia dos equipamentos e, consequentemente, aumento de custos na
produo dos itens.
Um dos fatores que tornaram a realizao dessa atividade vivel, sem
dvida, foi o vnculo formal que um dos integrantes do grupo possui com uma
empresa fornecedora de sistemas de bombeamento industriais. Isso facilitou,
consideravelmente, a coleta de informaes, que trouxeram mais confiabilidade
ao estudo.
Basicamente, este trabalho torna-se original e diferenciado dos demais
por apresentar, de maneira simples e clara, um estudo criterioso sobre o
fenmeno da cavitao em bombas centrfugas.
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1.2 Objetivo
Constitui como objetivo geral deste trabalho a anlise do processo de
cavitao em bombas centrfugas. J os objetivos especficos podem ser
representados como a definio do fenmeno da cavitao, a verificao de
suas consequncias no sistema de bombeamento e tambm a apresentao
dos mtodos para amenizar ou ainda prevenir seus efeitos.
2 FUNDAMENTAO TERICA
Para uma perfeita compreenso desse trabalho, indispensvel que
seja apresentado, inicialmente, alguns conceitos bsicos sobre bombas
centrfugas.
2.1 Bombas centrfugas
As bombas centrfugas so equipamentos hidrulicos que tm como
princpio de funcionamento a fora centrfuga atravs de palhetas e impulsores
que giram no interior de uma carcaa estanque, jogando o fluido do centro para
a periferia do conjunto girante (API, 1995).
Graas sua flexibilidade operacional so usadas em inmeras
aplicaes, como: abastecimento de gua, sistemas de irrigao, centrais
termoeltricas, industriais (petroqumicas, minerao, txtil, papel e celulose,
siderurgia, entre outros), estaes de tratamento, sistemas de drenagem,
centrais de refrigerao e sistemas de combate incndio.
2.2 Peas e componentes
Os componentes que formam uma bomba centrfuga podem ser
subdivididos em trs grandes grupos: estacionrios, rotativos e auxiliares.
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Figura 1: Bomba centrfuga em corte
2.2.1 Componentes estacionrios
Descrevemos a seguir os principais elementos estacionrios de uma
bomba, como a carcaa, os bocais de suco e descarga, a cmara de
vedao e os mancais.
2.2.1.1 Carcaa
A principal funo de uma carcaa a de conter o fluido. Existem dois
tipos de carcaa: em voluta e circular. A voluta um funil encurvado que
aumenta a rea no ponto de descarga. Como a rea da seo transversal
aumenta, a voluta reduz a velocidade do lquido e aumenta a sua presso. J a
carcaa circular tem palhetas defletoras estacionrias, em volta do rotor, que
permitem a converso da energia cintica em energia de presso.
As carcaas tambm podem ser classificadas como slidas ou
bipartidas. A carcaa slida implica que toda a carcaa, incluindo o bocal de
descarga, compe uma nica pea, fundida ou usinada. J a carcaa com
partio pode ser denominada como bipartida axialmente (diviso no plano
horizontal) ou radialmente (diviso no plano vertical).
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2.2.1.2 Bocais de suco e de descarga
Os bocais de suco e de descarga (tambm conhecido como bocal de
recalque) representam, respectivamente, a entrada e a sada do fluido na
bomba.
2.2.1.3 Cmara de vedao
A cmara de vedao tem a funo primria de evitar vazamentos no
ponto onde o eixo atravessa a carcaa da bomba. Essa vedao pode ser feita
atravs de um selo mecnico (cmara de selo) ou um conjunto de gaxetas
(cmara de recheio).
2.2.1.4 Mancais
Sua funo a de sustentar o eixo, gerando pouco atrito. A maioria das
bombas utiliza mancais de rolamentos, quando as condies operacionais
acarretam uma vida curta dos rolamentos, os projetistas os substituem por
mancais de deslizamento (metal patente).
2.2.2 Componentes rotativos
Abaixo, esto as descries dos componentes rotativos (rotor e eixo).
2.2.2.1 Rotor (Impelidor)
O rotor a parte giratria principal, que fornece energia ao fluido sob a
forma de presso e de velocidade. Segundo Digenes Ganghis (2004), o rotor
de uma bomba centrfuga pode ser classificado de diferentes formas:
a) Baseado na direo principal do fluxo em relao ao eixo de rotao
Fluxo axial: quando a direo do fluido bombeado paralela aoeixo de rotao.
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Fluxo radial: quando a direo do fluido bombeado
perpendicular ao eixo de rotao.
Fluxo misto: quando a direo do fluido bombeado inclinado ao
eixo de rotao.
b) Baseado no tipo de suco
Suco simples: entrada do fluido em um lado.
Dupla suco: entrada do fluido em ambos os lados.
c) Baseado na construo mecnica
Fechado: suas palhetas ficam enclausuradas entre duas paredes,
o tipo mais utilizado e apresenta melhor rendimento do que os
demais.
Aberto: no possui paredes laterais e usado, normalmente, para
bombeio de produtos viscosos.
Semiaberto: no possui parede frontal e, tipicamente, usado
para fluidos sujos ou com elevada quantidade de slidos em
suspenso.
Figura 2: Tipos de rotor baseado na construo mecnica
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2.2.2.2 Eixo
O propsito bsico do eixo transmitir o torque do acionador ao rotor, o
qual lhe fixado. Geralmente, o eixo de uma bomba centrfuga protegido por
luvas renovveis resistentes ao desgaste, corroso e eroso.
2.2.3 Componentes auxiliares
Os componentes auxiliares incluem tubulaes, vlvulas, medidores de
temperatura e presso, indicadores de fluxo e sistemas de lubrificao e
refrigerao da bomba.
2.3 Classificao
As bombas centrfugas podem ser classificadas, basicamente, de acordo
com as seguintes caractersticas:
a) Posio da linha de centro do eixo em relao ao solo
Horizontal
Vertical
b) Tipo de carcaa
Voluta
Circular
c) Tipo de rotor
Aberto
Semiaberto
Fechado
d) Nmero de estgios
Simples-estgio: possui um nico rotor.
Multi-estgios: possui mais de um rotor.
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2.4 Princpio de funcionamento
De acordo com Jairo Torres da Silva (2008), a denominao bomba
centrfuga caracteriza o movimento de centrifugao do fluido pelo(s) rotor(es).
Acionada mecanicamente por um eixo rotativo acoplado bomba, a rotao do
rotor transfere energia cintica para o fluido. Com o escoamento do fluido no
interior da carcaa, a energia cintica novamente convertida em energia
potencial de presso no bocal de descarga da bomba. Estas aes empregam
os conceitos de conservao de energia para os fluidos (Princpio de Bernoulli).
2.5 Grandezas caractersticas
Uma bomba destina-se a elevar um volume de fluido a uma determinada
altura, em um certo intervalo de tempo, consumindo energia para desenvolver
este trabalho, assim implicando em um rendimento caracterstico. Portanto,
estas so as grandezas caractersticas das bombas centrfugas, ou seja, vazo
(Q), altura manomtrica (H), rendimento () e potncia (P).
2.5.1 Vazo volumtrica (Q)
Segundo Rogrio Campos (2006, p.28) a vazo volumtrica o volume
de fluido que passa numa determinada seo do tubo na unidade de tempo.
A vazo tambm pode ser calculada ao multiplicar a velocidade mdia
de escoamento do fluido pela rea da seo transversal da tubulao.
Geralmente, expressa em gales por minuto (gpm) ou metros cbicos por
hora (m3/h). A vazo de uma bomba centrfuga depende de fatores como:
caractersticas do fluido em processo, dimenses do rotor e dos bocais de
entrada e sada, velocidade de rotao do rotor e presso de trabalho.
2.5.2 Altura manomtrica (H)
A altura manomtrica (H) tambm conhecida como carga da bomba,head (em ingls), ou ainda MCL (metros de coluna de lquido). Normalmente,
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definida como a energia cedida pela bomba por unidade de peso, sendo
representada por uma unidade de comprimento. A altura manomtrica, em um
determinado ponto da tubulao, formada pela soma de energia de trs
parcelas: energia de presso, energia cintica e energia potencial. Manoel
Simes (2008) define, de forma simplificada, a altura manomtrica pela
frmula:
H = { [ 10.(Pd-Ps) ] / }
Onde:
Pd Presso de descarga
Ps Presso de suco
Peso especfico do fluido
2.5.3 Rendimento ()
O rendimento a relao entre a potncia fornecida pela bomba ao
fluido (potncia til) e a potncia cedida bomba pelo acionador (potncia
motriz). A bomba centrfuga recebe energia mecnica atravs de um eixo
rotativo, porm uma parcela desta energia dissipada por perdas internas,
dessa forma, apenas uma poro da energia recebida do acionador
convertida, efetivamente, em energia hidrulica til.
2.5.4 Potncia (P)
Denomina-se de potncia motriz aquela fornecida pelo acionador para
que a bomba eleve uma vazo Q de um determinado fluido a uma altura H.
Assim, Aparecido (2000) estabelece a seguinte frmula:
P = (. Q. H) /
Onde:
Peso especfico do fluidoQ Vazo
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H Altura manomtrica
Rendimento
Em bombas, comum expressar a potncia em HP (horse-power), W
(watt), ou ainda em CV (cavalo-vapor).
2.6 Curvas caractersticas da bomba
As curvas caractersticas traduzem atravs de grficos o funcionamento
mdio de uma bomba e a relao entre as diversas grandezas operacionais.
Elas so fundamentais para a seleo do equipamento adequado para um
determinado sistema e so fornecidas pelos fabricantes de bombas, aps
vrios ensaios nas bancadas de teste. Os principais grficos apresentados so:
H Q: Variao da altura manomtrica (H) em funo da vazo (Q).
Q: Variao do rendimento da bomba () em funo da vazo (Q).
P Q: Relao entre a potncia requerida no acionamento (P) e a vazo
(Q).
NPSHr Q: Variao do NPSHr e a vazo (Q).
O fabricante pode fornecer essas informaes numa curva nica, como est
representado na figura 6.
Figura 3: Curvas caractersticas de uma bomba centrfuga
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2.7 Curva caracterstica da instalao (CCI) ou curva do sistema (CS)
A curva caracterstica de uma instalao representa a altura geomtrica
do sistema, considerando as perdas de carga, em funo da vazo desejada,
de tal forma que o fluido possa escoar nessa instalao, em regime
permanente.
O ponto de operao (PO) de uma bomba num sistema, normalmente,
obtido por via grfica, sobrepondo-se a curva caracterstica da instalao
curva caracterstica da bomba. Assim, o ponto de cruzamento das duas curvas
representa o ponto de funcionamento, podendo-se obter nos respectivos eixos,
os valores operacionais da altura manomtrica e da vazo. Portanto, as
bombas centrfugas devem ser selecionadas para operao nas instalaes, de
tal forma que o ponto de trabalho, na medida do possvel, corresponda ao
ponto de mximo rendimento da bomba.
Figura 4: Ponto de operao da bomba
3 DESCRIO DE CASO
Os fluidos podem passar do estado lquido para o gasoso, dependendo
das condies de presso e temperatura a que esto submetidos. A presso
na qual ocorre essa mudana de estado conhecida como presso de vapor
(Pv).
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Nos sistemas de bombeamento, sabe-se que a presso absoluta diminui
at alcanar um valor mnimo no bocal de entrada da bomba. Se esta presso
atingir a presso de vapor do fluido, inicia-se o processo de vaporizao e,
consequentemente, a formao de bolhas de vapor, que so arrastadas para o
interior da bomba, provocando danos irreparveis ao equipamento. Esse
fenmeno chama-se cavitao e encontrado, frequentemente, nos sistemas
hidrulicos. Devido a sua importncia e complexidade, a cavitao tem sido
alvo de vrias anlises tericas e experimentais.
Figura 5: Cavitao em bomba centrfuga
Um dos parmetros fundamentais envolvidos no processo de cavitao
o NPSH, que pode ser descrito, simplificadamente, como a presso mnima
acima da presso de vapor do fluido necessria para evitar o incio do processo
de vaporizao.
3.1 NPSH (Net Positive Suction Head)
O NPSH representa a energia necessria para que o fluido penetre no
bocal de suco da bomba e que o permitir alcanar o rotor. Em se tratando
de NPSH, deve-se sempre indicar se est se referindo ao disponvel (NPSHd)
ou ao requerido (NPSHr).
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Segundo Jairo Torres da Silva (2008), o NPSHd depende,
exclusivamente, da instalao e das condies de suco da bomba, sendo
calculado pela seguinte expresso:
Onde:
Po Presso manomtrica no reservatrio de suco
Patm Presso atmosfrica
Pv Presso de vapor do fluido na temperatura de bombeamento
Zs Altura da coluna lquida (depende da coluna estar acima (+) ou abaixo (-)
da linha de centro da bomba)
Vo Velocidade do fluido no bocal de suco
Peso especfico do fluido
g 9,81 m/s2
hfs Perda de carga na linha de suco
J o NPSHr depende do projeto e da rotao de trabalho da bomba,
podendo ser entendido como a energia perdida pelo fluido ao passar do bocal
de suco at atingir a entrada do rotor. Para o Hydraulic Institute (1983), no
projeto de uma instalao e na seleo da bomba, deve-se obedecer a
seguinte regra:
NPSHd > NPSHr + 1,5m
Caso a relao acima no seja atendida, certamente, ir ocorrer a
cavitao.
3.2 Consequncias da cavitao
Os efeitos da cavitao dependem do tempo a que o equipamento estsob a ao do fenmeno, da intensidade da cavitao, das propriedades do
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fluido bombeado e tambm da capacidade de resistncia do material da bomba
e de seus componentes eroso por cavitao.
Normalmente, a cavitao causa rudo, vibrao excessiva, alteraes
no desempenho da bomba e danificaes severas em alguns componentes. O
rudo e a vibrao so provocados, principalmente, pela instabilidade gerada
pelo colapso das bolhas de vapor. A alterao no desempenho da bomba
devido diferena de volume especfico do fluido em suas fases lquida e
gasosa. J a danificao de material, geralmente, ocorre no rotor, podendo
tambm provocar danos em outras reas prximas regio de suco da
bomba e favorecendo o surgimento de corroso.
Figura 6: Exemplo de rotor deteriorado pela cavitao
3.3 Preveno da cavitao
Para assegurar o bombeamento dos fluidos sem que ocorra cavitao,
deve sempre existir suficiente energia disponvel no flange de suco da
bomba, de forma que o fluido consiga atingir as ps do rotor sem se vaporizar.
Certamente, a melhor ao para garantir uma boa capacidade de suco da
bomba o desenvolvimento e a execuo criteriosa do projeto de
dimensionamento da instalao de bombeamento, buscando reduzir as perdas
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de carga no sistema em geral. Alm disso, tambm fundamental a atuao
dos operadores e mecnicos, realizando inspees constantes para verificao
de possveis alteraes de temperatura nos elementos, vibraes anormais e
rudos estranhos.
Outra medida interessante o uso de materiais com maior resistncia
aos efeitos da cavitao, como o ferro fundido, o alumnio, o bronze, o ao
fundido, o ao nquel e as ligas de ao inoxidvel. Recentemente, tambm tem-
se utilizado revestimentos com elastmeros, como por exemplo, o neoprene e
o poliuretano.
4 CONCLUSO
No decorrer da atividade, foi possvel concluir que o fenmeno da
cavitao trata-se de um processo de vaporizao do fluido, quando a presso
absoluta baixa at atingir a presso de vapor (Pv) do fluido na temperatura em
que se encontra.
Ao longo do tempo, a cavitao pode provocar vrios danos s bombas
centrfugas, como corroso, surgimento de eroso no rotor e em outros
componentes, alteraes significativas de rendimento, vibrao excessiva e
presena de rudo caracterstico.
Fundamentalmente, para no ocorrer cavitao a energia total na entrada
da bomba deve ser maior que a energia de vaporizao. Aps experincias e
testes, os fabricantes de bombas centrfugas passaram a adotar medidas para
dificultar o aparecimento da cavitao. Sem dvida, a ao mais importante
para preveno um dimensionamento detalhado da instalao de
bombeamento durante a etapa de projeto, buscando minimizar, ao mximo, as
perdas de carga na suco do fluido. Outra recomendao importante o uso
de materiais resistentes cavitao na fabricao das bombas, como ferro
fundido, alumnio, bronze e ao fundido.
Assim, a cavitao representa para os engenheiros um fenmeno
desafiador e complexo, tornando-se foco de estudos, que proporcionam
inovaes nos sistemas hidrulicos.
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5 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS
AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE. Centr i fugal Pumps for Petroleum,
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Silva, Jairo Torres. Bombas Centrfugas: Passo a Passo. So Paulo:
Turbotech, 3 ed., 2008.
Denculi, W. Bombas Hidrulicas. Viosa: UFV, 1993.
Campos, Rogrio. Manual de Manuteno de Bombas Centrfugas. Rio de
Janeiro: Petrobrs, 2006
Unianhanguera. Apostila de Bombas. Jundia: FAJ, 2008.
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6 ANEXOS
Anexo 1: Desenho de corte de bomba centrfuga
Anexo 2: Presso de vapor para diferentes fluidos em funo da temperatura
Anexo 3: Teste de performance de bomba centrfuga
Anexo 4: Curva de teste de performance de bomba centrfuga
Anexo 1: Desenho de corte de bomba centrfuga
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Anexo 2: Presso de vapor para diferentes fluidos em funo da temperatura
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Anexo 3: Teste de performance de bomba centrfuga
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Anexo 4: Curva de teste de performance de bomba centrfuga