palestra brantis solucoes sobre bombas industriais: seleção e aplicação

29 de Abril de 2016

Bombas Industriais: Seleção e

Aplicação

Alexandre de Aguiar BrantisEng. Mecânico

Departamento de Engenharia Civil

Desde 1990, atuando nas áreas de Engenharia de

Projetos, Obras e Manutenção (Rhodia e Shell).

A partir de 2010, estive Gerente de Vendas e Aplicações na

John Zink, ocupei posição Diretor de Projetos e Comercial.

Atualmente sócio Diretor da Brantis Soluções.

Currículo resumido de Alexandre Brantis

Formações:

MBA em Gestão de Projetos pela FGV/Prominp,

Gestão Empresarial pela FGV

Especialização em Qualidade Industrial na UNICAMP

Graduado em Engenharia Mecânica pela UNESP - Ilha

Solteira.

Índice

1. Mecânica dos Fluídos

2. Tipos de sucção e classificação

3. Bombas de deslocamento positivo

4. Bombas centrífugas

5. Bombas centrífugas – dimensionamento da altura manométrica (H)

6. Cáculo da potência motriz

7. Curva do sistema

8. Curva de performance da bomba

9. Rendimento

10. Pontos de operação

11. Efeitos das variações RPM, D & H e P

12. Pressão de Vapor

13. A vazão mínima

14. Faixa segura de Operação

15. Fenômenos – corrosão e cavitação

16. NPSH disponível (cálculo), e o requerido (fabricante)

17. Associações em série ou paralelo

18. Tipos de selagens

Mecânica dos Fluídos - conceitos

Pressão: é um tipo de energia potencial pela relação entre

força e área.

Para bombas centrífugas (representada pela letra “H”) e pressão de

descarga para bombas alternativas e positivas.

Unidades: PSI, bar, Kgf/cm2, mCA ,entre outras.

Perdas de Carga: é a energia perdida na tubulação por onde o

fluido passa, é basicamente causada por atrito entre as camadas do

próprio fluído, bem como pelo atrito entre o fluído e a parede da

tubulação. Depende também da vazão, viscosidade do fluido e diâmetro

da tubulação.

Altura Manométrica: é a diferença de altura entre os

referenciais adotados (Bomba – Tanque).

Vazão: é a medição de quantidade de fluido movimentado, essa medição deve ser feita usando o valor do volume de fluido deslocado em uma faixa de tempo.

Representada pela letra “Q”. Unidades: GPM, l/min, m³/h.

Temperatura: º C ou F

Densidade: massa/volume [kg/m3]. A referência é a água que possui densidade relativa = 1.

Viscosidade: nível de resistência a movimentação de um fluido. A referencia é a água que possui viscosidade = 1.

Unidades: cST, cP, SSU.

Mecânica dos Fluídos - conceitos

Imagens cedidas pela FLowex do Brasil

Abrasividade: fluídos que contém sólidos podem ser abrasivos. A abrasão pode causar sérios danos aos componentes da bomba.

Corrosão: causada pela incompatibilidade química entre o fluido e os materiais do corpo da bomba.

Cavitação: é a erosão dos componentes de um sistema hidráulico ( rotores, tubulação de sucção), causados pelo colapso de pequenas bolhas de vapor do fluído, formadas nas zonas de baixa pressão contra a superfície destes componentes. A ser mais abordada adiante.

Característica dos Fluídos e consequências

Bombas – tipos de sucção

Bombas - classificação

• Bombas, podem ser classificadas :

a) Deslocamento positivo

b) Bombas centrífugas

c) Bombas especiais

Transferem volumes definidos através das cavidades de bombeamento, levando o fluído da sucção para a descarga do equipamento.

Possuem folgas estreitas o que garante uma alta eficiência volumétrica, mesmo com pressões de descarga mais elevadas.

Bombas tipo deslocamento positivo

Bombas tipo Deslocamento positivo Tipo Motriz

Pistão Duplo

Simples Efeito

Vapor, Motor C. Interna ou Elétrico

Diafragma Simplex ou

Duplex

Operação por fluído, mecanicamente

ou Motor elétrico

Um só rotor Palhetas

Peristálticas

Deslizantes

Oscilantes

Flexíveis

Motor elétrico

Pistão rotativo

Elemento flexível

Parafusos

Motor elétrico

Rotores

Múltiplos

Engrenagens

Rotor Lobular

Pistões oscilatórios

Motor elétrico

Parafusos Duplos

Múltiplos

Motor elétrico

Bomba de pistõesEsquema básico de uma bomba

de deslocamento positivo

Bomba de diafragmas: transferem volumes definidos através

das câmaras de bombeamento, levando o fluído da sucção para

a descarga do equipamento.

De duplo diafragma

Bomba de palhetas

Bomba peristáltica

Bomba de fuso

Bombas Centrífugas

As bombas centrífugas utilizam a energia gerada pela alta velocidade de rotação (cinética) do rotor dentro da câmara de bombeamento, para impulsionar o fluído que entra pela sucção contra a voluta (carcaça ou câmara de bombeamento), sendo expulso pelo bocal de descarga (potencial).

Níveis de Pressão em um Rotor de Bomba Centrífuga

Bombas tipo Centrífugas

Possuem um rotor com pás que imprimem uma aceleração ao líquido

Bombas tipo Centrífuga Tipo Motriz

Rotor em

Balanço

Monobloco Sucção frontal

Descarga vertical

Em linha

Vapor, Motor Diesel/Gasol ou Elétrico

Bomba e rotor separado Em linha

Montada em linha

de centro

Bomba de poço

Operação por fluído, mecanicamente

ou Motor elétrico

Rotor entre

Mancais

Simples ou Multiplos

Estágios

Rotor recuado

Bipartida radiais

ou axiais Motor Diesel/Gasol ou Elétrico

Tipo turbina Verticais

Simples e Multi estágios

Para poços

profundos

(submersíveis)

Motor elétrico

Rotores Axiais ou Fluxo

Motor elétrico

Alturas : as energias envolvidas na operação das

turbobombas são expressas em Alturas (vide figura):

• Alturas estáticas ou desníveis;

• Altura estática de aspiração ha : é a diferença de

cota entre o centro da bomba e a altura de

aspiração;

• Altura estática de recalque hr : é a diferença de

cota entre o centro da bomba e o nível onde o

líquido é abandonado pela tubulação;

• Altura total de elevação : he=ha+hr

Bombas Centrífugas – dimensionamento da

altura manométrica

Bombas Centrífugas - dimensionamento

ha : é a diferença de

cota entre o centro

da bomba e a altura

de aspiração;

hr: é a diferença de cota entre o centro da

bomba e o nível onde o líquido é

abandonado pela tubulação;

Ha: diferença entre as

alturas representativas

da pressão atmosférica

local mais a perda de

carga na aspiração (Ja)

Hr : é a diferença entre as alturas

representativas da pressão atmosférica local

mais a perda de carga no recalque (Jr ).

2. Alturas totais ou dinâmicas :

a)-Altura total de aspiração (Ha) : é a diferença entre

as alturas representativas da pressão atmosférica

local mais a perda de carga na aspiração (Ja ).

b)-Altura total de recalque (Hr) : é a diferença entre

as alturas representativas da pressão atmosférica

local mais a perda de carga no recalque (Jr ).

3. Alturas manométrica total :

É a soma das alturas totais de aspiração e recalque :

H = Ha + Hr ou ainda

Bombas & influência da pressão de vapor

Pressão de vapor (hv): é a pressão a qual coexistem as fases líquido e

vapor, a mesma cresce à medida que a temperatura é elevada

Bombas – estudo do NPSH

NPSH : é altura positiva líquida de sucção ( Net Positive Suction Head ), é a altura

diretamente ligada ao estudo da cavitação. A determinação das condições de cavitação de

uma instalação de bombeamento dependem de dois fatores, o NPSH disponível ( que

depende da instalação) e o NPSH requerido ( característico da bomba )

Bombas – cálculo NPSH disponível

Onde :

Hb : pressão atmosférica absoluta

ha: altura estática de sucção

Ja : perda de carga na sucção

hv : pressão de vapor do líquido à

temperatura de operação da

instalaçao

Bombas – exemplo cálculo NPSH disponível

Imagens cedidas pela Sulzer do Brasil

Cálculo da Potência Motriz :

Onde :

Q : vazão em m3/s

H : altura manométrica em m

h : rendimento ( 85 % para grandes bombas, 75 %

para bombas médias e 60% para bombas pequenas )

Bombas Centrífugas – cálculo da potência

Bombas Centrífugas – curva do sistema

Curva do sistema : é uma curva onde são mostradas várias

combinações de vazão e altura manométrica, indicando o

comportamento do sistema a medida que estas grandezas variam

A curva de performance é, para a maioria

das aplicações, completamente definida

por cinco variáveis independentes:

• Altura manométrica – H

• Vazão – Q

• Rotação do eixo – n

• Net Positive Suction Head – NPSH

• Diâmetro externo do rotor - D

Bombas Centrífugas – curva de performance

Rendimento : é a relação entre a potência hidráulica e a potência

consumida

Onde : Potência

Hidráulica

Potência

consumida

Bombas Centrífugas – rendimento

Ponto de operação : quando colocamos no mesmo gráfico as curvas

da instalação, da bomba, e do rendimento, obtemos o ponto ótimo de

operação do sistema

Bombas Centrífugas – ponto de operação

Alteração do ponto de trabalho de uma bomba :

Bombas Centrífugas – ponto de operação (cont.)

- variação do diâmetro do rotor da bomba

Bombas Centrífugas – ponto de operação (cont.)

Efeitos da variação da rotação :

Bombas Centrífugas – variando a rotação

Efeitos da variação do diâmetro do rotor :

Bombas Centrífugas – variando diâmetro do rotor

Toda bomba possui um limite de vazão abaixo da qual ela não pode

operar continuamente.

Vazão Mínima Térmica: é a vazão necessária para dissipar o calor

gerado pelas perdas internas da bomba.

Vazão Mínima Estável: é a vazão acima da qual a recirculação não

prejudica a performance e a durabilidade da bomba.

Em quase 100% das bombas centrífugas a Vazão Mínima Estável é

muito maior que a Térmica, portanto é a mandatória.

Bombas – definição da sua vazão mínima

BEP: ponto de maior eficiência

Faixa de Operação das Bombas Centrífugas

A cavitação - definição

É a erosão dos componentes de

um sistema hidráulico ( rotores,

tubulação de sucção), causados

pelo colapso de pequenas bolhas

de vapor do fluído, formadas nas

zonas de baixa pressão contra a

superfície destes componentes.

Elas implodem na área da bomba

onde a pressão novamente excede

a pressão de vapor.

A implosão das bolhas causa picos

abruptos de pressão com valores

de milhares de bar! E com isso

ocorre o danos nas peças.

Mecanismo da cavitação :

No local onde as bolhas implodem é criado um "micro jato“:

Se as bolhas implodirem próximo ou diretamente sobre a

parede da carcaça, rotor ou mesmo sede de vávula, esse

componente sofrerá um impacto fortíssimo:

A cavitação - mecanismo

Imagens cedida pela Sulzer do Brasil

Quais são as causas de cavitação?

• Altas velocidades de vazão (peças em movimentos rápidos em

líquidos como rotores de bombas centrífugas, turbinas de água,

impulsores de barcos, etc).

• Aumento da temperatura do fluido bombeado.

• Redução da pressão de sucção.

A cavitação e suas causas

Bombas – cavitação ou corrosão ?

Cuidados pois apesar de ter efeitos parecidos, os

fenômenos de corrosão eletrolítica e corrosão por abrasão

são diferentes entre sí e da cavitação, sendo o primeiro

causado por afinidade química entre o líquido transportado e

o material da bomba, e o segundo á causado pela abrasão

dos sólidos transportados junto do líquido.

Não geram ruído.

Esta observação é pertinente pois mesmo que estes efeitos

coexistam, as medidas para combatê-los são diferentes

Bombas e suas associações

Bombas em paralelo :

Observamos que quanto mais bombas operam em paralelo, mais a esquerda do

ponto de melhor rendimento (ponto de projeto) a bomba irá operar.

Assim: Q > Q’ >Q’’ .

A operação em um ponto muito a esquerda do ponto de projeto traz sérios

inconvenientes,

como por exemplo:

- vibração; - recirculação hidráulica;

- aquecimento; - esforços elevados nos mancais;

Bombas em série :

1- Quando associamos duas ou mais

bombas em série, para uma mesma vazão,

a pressão total (altura manométrica) será a

soma das pressões (altura) fornecida por

cada bomba.

2- Para se obter a curva característica

resultante de duas bombas em série, iguais

ou diferentes, basta somar as alturas

manométricas totais, correspondentes aos

mesmos

valores de vazão,emcada bomba.

Bombas e suas associações

Tipos de Selagem

•A vedação do eixo é feita para que o fluido que está na câmara de bombeamento não “vaze” para o meio externo.

A vedação pode ser feita por:

•Retentores

•Gaxetas

•Selo mecânico

•Acoplamento magnético

Tipos de Selagem - retentor e gaxeta

RETENTORES: São anéis feitos de

elastomeros que ficam presos a carcaça e

vedam o eixo através de uma mola interna.

GAXETAS: São tiras de

material enroladas em

volta do eixo, cuja tensão

é controlada por um

preme gaxeta.

Packing

Lantern Ring

Packing Retainer Washer

Packing Gland

Tipos de Selagem (cont.)

SELO MECÂNICO: É composto

por uma sede rotativa presa ao

eixo e uma sede estacionária

presa ao corpo. O fluido é

barrado pelas vedações

secundárias e pelo contato entre

as faces das sedes.

ACOPLAMENTO MAGNÉTICO: É

composto por um magneto interno

preso ao rotor, um magneto externo

preso ao eixo do motor e um copo. O

magneto externo transfere rotação

para o magneto interno que gira o

rotor, o copo tem como função barrar

a passagem do fluido.

Bombas – a pré-seleção pelos catálogos

Seleção de bombas a partir dos catálogos dos fabricantes:

1- Determinar a altura requerida (linha Horizontal )

2- Determinar a vazão requerida ( linha vertical )

3- Se o cruzamento acontecer na linha da curva, escolher a bomba imediatamente

superior.

Referência Bibliográfica

1.Bombas Industriais - Autor: Edson Ezequiel de Mathos e Reinaldo de

Falco, Editora Interciência, 2008.

2.Bombas E Instalaçoes Hidraulicas, Sérgio Lopes dos Santos, 1a. Edição,

Dúvidas

Para soluções em Engenharia:Inspeções em Caldeiras e Vasos (NR13 e ASME),

Tanques (API 653) e tubulações, elaboração de projetos

de alteração e reparo (PAR) e a sua execução.

Assessoria em Engenharia Mecânica e Elétrica

(NR 10, Pára Raios (SPDA) e NR 12) realizando projetos, laudos, os

relatórios e a execução.

Gestão de Projetos, Obras e Segurança em Obras.

Alexandre Brantis, email: brantis@uol.com.br

Tel: (19) 99512-7878

www.brantisolucoes.com.br

Obrigado pela presença de todos !

Agradecimentos aos parceiros:

Evandro Velo, email: evelo@flowex.com.br

Tel: (11) 4316-0900

www.FLOWEX.com.br

Leandro H. de Souza,

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Tel: (11) 4589-2452

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