UNIPAC - LAFAIETE MÁQUINAS DE FLUXO
Engenharia Engenharia Industrial Mecânica Prof.: Edilberto
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1. Introdução Afinal, onde estão instaladas as máquinas de fluxo? As máquinas de fluxo estão nas indústrias i ndústrias militar, aeronáutica, aeroespacial, automotiva, naval e de geração de energia com alta eficiência. Atualmente existe a preocupação no grande aumento de consumo de energi a elétrica no Brasil (necessidade de expansão de hidrelétricas, termelétricas com ciclo combinado e ciclo híbrido, eólica, energia nuclear, célula combustível, micro geradores,...).
Máquina de Fluxo (turbomachine) pode ser definida como co mo um transformador de energia (sendo necessariamente o trabalho mecânico uma das formas de energia) no qual o meio operante é um fluido que, em sua passagem pela máquina, interage com um elemento rotativo, não se encontrando, em qualquer instante, confinado.
Todas as máquinas de fluxo funcionam teoricamente, segundo os mesmos princípios, o que traz a possibilidade de utilização do mesmo mesmo método de cálculo. De fato, esta consideração é plenamente válida apenas quando o fluido de trabalho é um fluido ideal, já que, na realidade, 2
1. Introdução Afinal, onde estão instaladas as máquinas de fluxo? As máquinas de fluxo estão nas indústrias i ndústrias militar, aeronáutica, aeroespacial, automotiva, naval e de geração de energia com alta eficiência. Atualmente existe a preocupação no grande aumento de consumo de energi a elétrica no Brasil (necessidade de expansão de hidrelétricas, termelétricas com ciclo combinado e ciclo híbrido, eólica, energia nuclear, célula combustível, micro geradores,...).
Máquina de Fluxo (turbomachine) pode ser definida como co mo um transformador de energia (sendo necessariamente o trabalho mecânico uma das formas de energia) no qual o meio operante é um fluido que, em sua passagem pela máquina, interage com um elemento rotativo, não se encontrando, em qualquer instante, confinado.
Todas as máquinas de fluxo funcionam teoricamente, segundo os mesmos princípios, o que traz a possibilidade de utilização do mesmo mesmo método de cálculo. De fato, esta consideração é plenamente válida apenas quando o fluido de trabalho é um fluido ideal, já que, na realidade, 2
propriedades do fluido, tais como volume específico e viscosidade, podem variar diferentemente de fluido para fluido e, assim, influir i nfluir consideravelmente nas características construtivas dos diferentes tipos de máquinas.
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Como exemplos de máquinas de fluxo, citam-se: as turbinas hidráulicas (hydraulic turbines), os ventiladores (fans), as bombas centrífugas (centrifugal pumps), as turbinas a vapor (steam turbines), os turbocompressores , as turbinas a gás (gas turbines).
Este capítulo, além de apresentar a definição e os o s elementos construtivos fundamentais de uma máquina de fluxo, fornece alguns critérios de classificação dessas máquinas, objetivando estabelecer uma linguagem comum para a sua abordagem abordag em e proporcionar meios de identificação dos seus diferentes tipos.
1.2 Elementos construtivos Não haverá aqui a preocupação de relacionar, r elacionar, exaustivamente, todas as partes que compõem as máquinas de fluxo, tais como, seu corpo corp o ou carcaça, o eixo, os mancais, os elementos de vedação, o sistema de lubrificação, etc., mas a intenção de caracterizar os elementos construtivos fundamentais, nos quais acontecem os fenômenos fluidodinâmicos essenciais para o funcionamento da máquina: o rotor (impeller ou runner) e o sistema diretor (stationary guide casing). O rotor (Figura 1.1), onde acontece a transformação transformação de energia mecânica em energia de fluido, ou de energia de fluido fluido em energia mecânica, é o órgão principal de uma máquina de fluxo. É constituído por um certo número de pás giratórias (runner blades) que dividem o espaço espaço ocupado em canais por onde circula o fluido de trabalho.
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Figura 1.1: Rotor Já o sistema diretor tem como finalidade coletar o fluido e dirigi-lo para um caminho determinado. Esta função de direcionador de fluxo, muitas vezes, é acompanhada por outra de transformador de energia. Assim, por exemplo, numa bomba centrífuga (Figura 1.2), o sistema diretor de saída é fundamentalmente um difusor (diffuser) que transforma parte da energia de velocidade do líquido que é expelido pelo rotor em energia de pressão. Enquanto isto, numa turbina hidráulica do tipo Pelton, o sistema diretor (Figura 1.3) é, em última análise, um injetor (nozzle) que transforma a energia de pressão do fluido em energia de velocidade que será fornecida ao rotor através de jatos convenientemente orientados. Em alguns tipos de máquinas o sistema diretor não se faz presente, como nos ventiladores axiais de uso doméstico. A existência do rotor, no entanto, é imprescindível para a caracterização de uma máquina de fluxo.
Figura 1.2: Sistema diretor de uma bomba centrífuga.
Figura 1.3: Sistema diretor de turbina hidráulica do tipo Pelton.
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1.3) Classificação das máquinas de fluxo Entre os diferentes critérios que podem ser utilizados para classificar as máquinas de fluxo, pode-se citar os seguintes: - segundo a direção da conversão de energia; - segundo a forma dos canais entre as pás do rotor; - segundo a trajetória do fluido no rotor. 1.3.1) Segundo a direção da conversão de energia Segundo a direção da conversão de energia as máquinas de fluxo classificam-se em motoras e geradoras. Máquina de fluxo motora (motriz) é a que transforma energia de fluido em trabalho mecânico, enquanto máquina de fluxo geradora (operatriz) é a que recebe trabalho mecânico e o transforma em energia de fluido. No primeiro tipo a energia do fluido diminui na sua passagem pela máquina, no segundo, a energia do fluido aumenta. Como exemplos de máquinas de fluxo motoras, citam-se as turbinas hidráulicas (Figura 1.3) e as turbinas a vapor (Figura 1.4). Entre as máquinas de fluxo geradoras encontram-se os ventiladores (Figura 1.5) e as bombas centrifugas (Figura 1.6).
Figura 1.4: Turbina Vapor
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Figura 1.6: Bomba Centrífuga. Algumas máquinas podem funcionar tanto como motores quanto geradores de fluxo, como é o caso das bombas-turbinas reversíveis (reversible pump-turbines) que, dependendo do sentido do fluxo através do rotor, funcionam como bombas, girando num sentido, ou como Turbinas, girando em sentido contrário. Também é comum encontrar uma máquina de fluxo motora (turbina a gás) acionando uma máquina de fluxo geradora (turbocompressor), montadas num mesmo ei xo, como acontece nas turbinas de aviação e nos turboalimentadores (turbochargers) de motores de combustão interna a pistão (Figura 1.7).
Figura 1.7: Turboalimentador e motor a pistão. 6
Figura 1.7.1: Turboalimentador e motor a pistão. 1.3.2) Segundo a forma dos canais entre as pás do rotor Quanto à forma dos canais entre a pás do rotor, as máquinas de fluxo classificam-se em máquinas de ação e em máquinas de reação. Nas máquinas de fluxo de ação (impulse turbomachines), os canais do rotor constituem simples desviadores de fluxo, não havendo aumento ou diminuição da pressão do fluido que passa através do rotor. Nas máquinas de fluxo de reação (reaction turbornachines), os canais constituídos pelas pás móveis do rotor têm a forma de injetores (nas turbinas) ou a forma de difusores (nas bombas e nos super-ventiladores), havendo redução, no primeiro caso (turbinas), ou aumento, no seg undo caso (bombas e super-ventiladores), da pressão do fluido que passa através do rotor. São exemplos de máquinas de fluxo de ação: a turbina hidráulica do tipo Pelton (Figura 1.3) e a turbina a vapor (Figura 1.4). Como exemplos de máquinas de fluxo de reação podem ser citados: as bombas centrifugas (Figura 1.6), os ventiladores (Figura 1.5) e as turbinas hidráulicas do tipo Francis (Figura 1.8).
Figura 1.8: Turbina Hidráulica Francis. 7
1.3.3) Segundo a trajetória do fluido no rotor Finalmente, segundo a trajetória do fluido no rotor, as máquinas de fluxo classificam-se em: radiais, axiais, diagonais ou de fluxo misto (ou ainda, semiaxial) e tangenciais. Nas máquinas de fluxo radiais (radial flow turbomachines), o escoamento do fluido através do rotor percorre uma trajetória predominantemente radial (perpendicular ao eixo do rotor). Como exemplos de máquinas radiais, citam-se as bombas centrífugas (Figura 1.6), os ventiladores centrífugos (Figura 2.5) e a turbina Francis lenta (Figura 1.8). Já, nas máquinas de fluxo axiais (axial flow turbomachines), o escoamento através do rotor acontece numa direção paralela ao eixo do rotor ou axial. Como exemplos de máquinas axiais citam-se os ventiladores axiais, as bombas axiais (Figura 1.9) e as turbinas hidráulicas do tipo Hélice e Kaplan. Quando o escoamento não é radial nem axial, a máquina é denominada máquina de fluxo misto (mixed flow turbomachine), diagonal, ou, ainda, semi-axial , com as partículas de fluido percorrendo o rotor numa trajetória situada sobre uma superfície aproximadamente cônica. Entre as máquinas diagonais ou de fluxo misto encontram-se as bombas semi-axiais (Figura 1.10), a turbina Francis rápida e a turbina hidráulica Dériaz.
Figura 1.9- Bomba axial
Figura 1.10: Bomba semi-axial ou de fluxo misto. 8
2 BOMBAS Introdução Bombas são máquinas operatrizes hidráulicas que conferem energia ao l íquido com a finalidade de transportá-lo de um ponto para outro obedecendo às condições de processo. Elas recebem energia de uma fonte motora qualquer e cedem parte dessa energia ao fluido sob forma de energia de pressão, cinética ou ambas.
A relação entre a energia cedida pela bomba ao líquido e a energia que foi recebida da fonte motora, fornece o rendimento da bomba. As bombas são geralmente classificadas segundo o modo pelo qual é feita a transformação do trabalho em energia hidráulica ou seja, pelo recurso utilizado para ceder energia ao líquido. A classificação mais usual é a seguinte: a) Turbobombas, bombas rotodinâmicas ou centrífugas; b) Bombas de deslocamento positivo ou volumétricas.
Figura 1.11: Classificação dos tipos de bombas. 2.1 Bombas Centrífugas ou Turbobombas: São máquinas nas quais a movimentação do líquido é produzida por forças que se desenvolvem na massa líquida, em conseqüência da rotação deum órgão ro tativo dotado de pás chamado rotor. Nas turbobombas a finalidade do rotor, também chamado impulsor ou impelidor é comunicar à massa líquida aceleração, para que esta adquira energia cinética. O rotor é em essência um disco ou uma peça de formato cônico dotado de pás. O rotor pode ser fechado, usado para líquidos sem partículas em suspensão, ou aberto, usado para pastas, lamas, areia e líquidos com partículas suspensas em geral.
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As turbo bombas necessitam de outro dispositivo, o di fusor, também chamado recuperador, onde é feita a transformação da maior parte da elevada energia cinética com que o líquido sai do rotor, em energia de pressão. Deste modo ao atingir a boca de saída da bomba, o líquido é capaz de escoar com velocidade razoável ao sair da mesma. Este tipo de bomba geralmente é classificado em função da forma como o impelidor cede energia ao fluido, bem como pela orientação do fluido ao sair do impelidor.
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Características gerais: • Podem ser acionadas diretamente por motor elétrico sem necessidade de
modificadores de velocidade; • trabalham em regime permanente, o que é de fundamental importância em
grande números de aplicações; • fornecem boa flexibilidade operacional, pois a vazão pode ser modificada por
recirculação, fechamento parcial da válvula na tubulação de descarga ou por mudança de rotação ou de diâmetro externo do impelidor; • cobrem uma ampla faixa de vazão, desde vazões moderadas até altas vazões; • permitem bombear líquidos com sólidos em suspensão.
A ação de bombeamento produz, quando a máquina impulsiona o líquido transportado, simultaneamente, a circulação do fluido através da bomba, originando uma redução ou sucção no lado de admissão.
Trata-se de uma classe importante de bombas e com características bem diferentes, já que a vazão depende da temperatura e da descarga; a característica de funcionamento depende da forma do rotor, bem como do tamanho e velocidade da bomba. Todo o acima exposto reflete na subdivisão por tipos principais, baseada na natureza do fluxo a través da bomba. As bombas centrífugas propriamente ditas têm um rotor cuja forma obriga ao líquido deslocar-se radialmente. Outras possuem rotores que deslocam o líquido axialmente. Entre ambos os tipos de rotores, existem os que deslocam o líquido mediante componentes axiais e radiais de velocidade, ou seja, da bomba que seria denominada de fluxo misto. Geralmente, os sub-tipos “centrífugo”, de “fluxo misto”, e de “fluxo axial ” são aceitos na classificação de bombas de turboação. Da mesma forma que o grupo das centrífugas, as de fluxo axial e as de fluxo misto, derivam da classificação conforme a direção do fluxo. Pelo exposto, é lógico que qualquer outra subdivisão deve estar baseada no mesmo conceito. Como a direção está perfeitamente determinada, seja nas centrífugas como nas axiais, as únicas que admitem uma subdivisão são as de fluxo misto. Se tanto o fluxo radial quanto o axial derivam de um rotor que apresenta as bordas de entrada e saída ambas inclinadas, com respeito ao eixo, e descarregando em um invólucro, a 11
bomba poderá ser classificada como do tipo helicoidal. Se o rotor for de forma simil ar, ou seja, gerador de fluxo misto, porém com palhetas diretrizes, colocadas a continuação, que modificam a direção do fluxo, a bomba poderá ser classificada do tipo diagonal. Assim, uma sub-classificação básica e lógica, das bombas rotodinâmicas é: • Bombas centrífugas • Fluxo misto
1. Helicoidais 2. Diagonais • Fluxo axial
Princípio de operação de uma bomba centrífuga A bomba centrífuga converte a energia mecânica fornecida por um elemento acionador, como por exemplo, um motor elétrico, Diesel, turbina a vapor ou gás, em energia cinética cedida ao líquido que deve ser bombeado. Esta energia, agora existente no interior do líquido é transformada em energia potencial, ou seja, devido à pressão (energia de pressão), constituindo esta sua característica principal.
Figura 1.12: Exemplo de um sistema constituindo um motor e uma bomba. O elemento rotatório da bomba centrífuga, acionado pelo propulsor, é denominado de rotor, sendo o dispositivo acionado responsável pela transformação acima explicada. Vejamos o princípio de operação deste rotor de uma forma mais simples, imaginando um destes elementos. Considerando-o em estado de repouso, figura 1.13, vejamos um fluido preenchendo totalmente os espaços existentes entre suas palhetas, pois para o funcionamento é necessário que a carcaça esteja completamente cheia de líquido, e portanto, que o impelidor esteja mergulhado no líquido.
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Figura 1.13: Rotor em estado de repouso. Façamos agora girar o rotor conforme a direção indicada pela seta, figura 1.14.
Figura 1.14: Rotor em funcionamento, completamente preenchido por líquido. A água começará a girar acompanhando primeiramente o movimento das palhetas e, posteriormente, se deslocando para o exterior destas, devido a forças centrífugas ( daí a denominação destas bombas), saindo, se houver, por uma passagem para um lugar fora do diâmetro externo do rotor, e adotando um movimento como mostrado na figura 1.15
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Figura 1.15: Movimento adotado pela água acompanhando o movimento das palhetas. Voltando ao rotor da figura 1.13, observamos que se mais fluido for deixado entrar no centro deste, será também deslocado na forma explicada. O centro do rotor irá constituir não somente o ponto de menor pressão como também o local de entrada do líquido que está sendo movimentado ou bombeado. Uma vez que o líquido está sendo forçado a sair do rotor, este poderá ser guiado para seu destino. Colocando o rotor no interior de uma carcaça, poderá ser realizado, sobre o líquido impelido, um movimento que será controlado, adotando a direção desejada. O resultado, portanto, é o de fornecer energia à um líquido, em um determinado ponto, para que este se movimente para um outro estabelecido. O movimento do rotor, está constituído por dois componentes, um deles é um movimento de direção radial dirigido para a parte externa do centro e causado pela força centrífuga. A tendência do fluido do rotor é movimentar-se em direção perpendicular ao raio, formando o que se denomina de componente tangencial. O movimento real ou final do líquido está constituído pela resultante das duas forças mencionadas. O fator mais importante que tem contribuído a generalização do uso das bombas centrífugas é o advento da eletricidade, que substituiu neste século a energia proporcionada pelo vapor, embora este seja usado amplamente em determinadas atividades industriais. Outro motivo foi o fato de que a bomba centrífuga proporcionava um fluxo constante e de pressão uniforme. Os fabricantes de bombas centrífugas, aprimorando seus estudos e experiências neste tipo de equipamento, bem como aproveitando dos efetuados pelos fabricantes de motores elétricos, aumentaram as velocidades de rotação e elevação dos fluidos transportados. Em uma bomba centrífuga o fluido é forçado, seja pela pressão atmosférica ou por outro tipo de forma, a penetrar em um sistema de palhetas rotativas, constituindo estas um propulsor q ue descarrega um fluido na sua periferia, sob elevada velocidade. Esta velocidade transforma-se em pressão devido a energia impartida sobre o fluido, mediante uma voluta ou espiral, figura 1.16. 14
Figura 1.16: Exemplo de uma voluta ou espiral. Vejamos agora o que acontece quando o fluido é descarregado pelo rotor. Se adotarmos como exemplo uma bomba de voluta, típica de uma bomba centrífuga, poderemos observar que o fluido é descarregado de todos os pontos ao redor da circunferência do rotor, movimentando-se para o interior deste, ao mesmo tempo que circula ao redor do próprio rotor. A carcaça da bomba tem como finalidade guiar o escoamento até o bocal de saída, podendo continuar a transformação da energia cinética em energia de pressão. A carcaça é projetada de forma tal, para que um determinado ponto da sua parede tenha uma folga mínima entre ela e a parte externa do diâmetro do rotor. A folga mínima acima mencionada é denominada de várias formas, adotando-se no texto o de lingüeta. Entre a lingüeta propriamente dita e um ponto localizado ligeiramente á esquerda, uma determinada quantidade de líquido é descarregada pelo rotor. Este líquido poderá acompanhar a rotação do rotor até ser finalmente descarregado através do bocal da bomba. Uma quantidade adicional de líquido é descarregado pelo rotor em vários pontos ao redor da carcaça, acompanhando o movimento deste e descarregando também pelo bocal da bomba. Permanece, ao redor da carcaça, uma maior quantidade de fluido, que vai se acumulando e deslocando-se entre a parede da carcaça e a borda externa do rotor. De forma a manter a velocidade praticamente constante, embora o volume de líquido aumente, a área entre a extremidade do rotor e a parede da carcaça aumenta gradualmente a partir da lingüeta até o bocal de saída da bomba. Num ponto antes da lingüeta, todo o fluido descarregado pelo rotor é coletado. Este líquido agora será conduzido para a tubulação de descarga. Em determinados casos, este líquido possui uma elevada velocidade, o que significa uma grande perda devida a fricção na tubulação de descarga. A velocidade normalmente diminui no difusor da bomba, devido ao aumento de sua área e, dessa forma, parte da energia cinética transforma-se em energia devido a pressão. Se a bomba possui um único rotor e sua altura de líquido é impulsionada unicamente por este, denomina-se de bomba de simples estágio. Às vezes, a altura necessária exige o uso de dois rotores trabalhando em série, succionando um destes da descarga do precedente. Para efetuar este processo podem ser conectadas em série duas bombas de um estágio cada, ou os dois estágios incorporados em uma única carcaça, denominando-se este arranjo de bomba de múltiplo estágio. Nos projetos antigos, para obter maiores alturas de líquido quando necessárias, foram projetadas bombas de dois ou mais rotores. 15
O projeto mecânico da carcaça da bomba permite uma classificação quanto ao posicionamento do seu eixo, como: horizontal, vertical ou inclinado, embora as classificações mais utilizadas sejam as de horizontal ou vertical. Aplicação das bombas centrífugas: Bombas de água de circulação As bombas de água de circulação são de três tipos: (1) centrífuga de voluta, (2) de fluxo misto e (3) rotatória de hélice. Estas bombas trabalham transportando grandes volumes de água contra pequenas altu ras manométricas. Na figura 1.17 pode ser vista uma bomba para bombeamento de água e de líquidos limpos, do tipo horizontal, um estágio, sucção simples horizontal e recalque vertical para cima.
Figura 1.17: KSB Bombas Hidráulicas S/A. A vazão do tipo em tratamento é de até 700m3 /h com elevação de até 140m, temperatura de 105ºC e velocidade de até 3500rpm. O acionamento pode ser do motor elétrico, de combustão interna, turbina, etc. Na Volkswagen é utilizada a bomba KSB Meganorm para o bombeamento de água gelada para o resfriamento dos compressores e chiller, e o bombeamento de água quente para abastecimento das caldeiras em aproximadamente 80º C, figura 1.18.
Figura 1.18: Bomba KSB Meganorm utilizada na Volkswagem.
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2. 2 Bombas Volumétricas ou de deslocamento positivo As bombas volumétricas ou de deslocamento positivo são aquelas em que a energia é fornecida ao líquido sob a forma de pressão, não havendo, portanto a necessidade de transformação, como no caso das bombas centrífugas. Assim sendo, a movimentação do líquido é diretamente causada por um órgão mecânico da bomba, que obriga o líquido a executar o mesmo movimento de que ele está animado. O líquido, sucessivamente, enche, e depois é expulso, de espaços com volume determinado, no interior da bomba -daí o nome de bombas volumétricas.
As bombas de deslocamento positivo podem ser: alternativas e rotativas. Nas bombas alternativas o líquido recebe a ação das forças diretamente de um pistão ou êmbolo (pistão alongado), ou de uma membrana flexível (diafragma). Nas bombas rotativas, por sua vez, o líquido recebe a ação de forças provenientes de uma ou mais peças dotadas de movimento de rotação, que comunicam energia de pressão, provocando escoamento. Os tipos mais comuns de bombas de deslocamento positivo rotativas são: bomba de engrenagens, bomba helicoidal, de palhetas e pistão giratório. A característica principal desta classe de bombas é que uma partícula líquida, em contato com o órgão que comunica a energia, tem aproximadamente a mesma trajetória que a do ponto do órgão com o qual está tem contato.
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2.2.1 Bombas Rotativas A bomba é primordialmente utilizada para o fornecimento de energia ao fluido nos sistemas hidráulicos. Ela é largamente empregada nas máquinas operatrizes, aviões, automóveis, prensas, transmissões e em equipamentos móveis. A bomba alternativa colhe continuamente o líquido da câmara, enquanto que a bomba centrífuga provê velocidade à corrente fluida. Bombas rotativas é um nome para designar uma grande variedade de bombas, todas elas volumétricas e comandadas por um movimento de rotação, daí a origem do nome. Os tipos mais comuns de bombas de deslocamento positivo rotativas são: bomba de engrenagens, lóbulos, parafusos e palhetas. A característica principal desta classe de bombas é que uma partícula líquida em contato com o órgão que comunica a energia tem aproximadamente a mesma trajetória que a do ponto do órgão com o qual está tem contato. Provocam uma pressão reduzida na entrada (efeito da pressão atmosférica), e com a rotação, empurram o fluido pela saída. A vazão do fluido é função do tamanho da bomba e velocidade de rotação, ligeiramente dependente da pressão de descarga. Fornecem vazões quase constantes. Eficientes para fluidos viscosos, graxas, melados e tintas. Operam em faixas moderadas de pressão. Capacidade pequena e média. Utilizadas para medir "volumes líquidos".
Figura 1.27: Bomba de pistões rotativos.
2.2.2 Bomba de Engrenagem Bombas de engrenagem, cujos elementos rotativos têm a forma de rodas trabalhadas como engrenagens, com duas configurações possíveis: (a) de engrenagens exteriores (dentes exteriores), nas quais ambas as rodas têm a mesma forma, igual diâmetro e engrenagens montadas sobre eixos paralelos. Só uma das engrenagens é propulsada. (b) de engrenagens interiores (dentado interior), em que uma roda menor é montada excêntrica e interiormente a uma roda não comandada, situada no interior de um carter cilíndrico. 18
As duas engrenagens são montadas próximo da parede interna da carcaça; o óleo é arrastado em torno da periferia das duas engrenagens, e então forçado através da abertura da saída, pelo contato das duas engrenagens no seu ponto de tangência. As bombas de engrenagem podem ser fornecidas para uma larga faixa de pressões. Nestas bombas, quando a velocidade é constante, a vazão é constante, a menos que seja considerado um fator de perda devido ao rendimento volumétrico, isto é, a relação entre o volume efetivamente bombeado e o volume dado pelas características geométricas da bomba.
Figura 1.28: Bomba de engrenagens com camisa de aquecimento à vapor. 2.2.3 Bombas de Lóbulos O princípio de funcionamento das bombas de lóbulos é similar ao da bomba de engrenagens, exceto em que os elementos giratórios, que engrenam, são rotores em forma de lóbulos e não em rodas dentadas. Ambos os rotores são propulsados, sincronizados por engrenagens ou correntes de distribuição, girando em sentidos opostos, apresentando uma pequena folga efetiva. 19
Da mesma forma que as bombas de engrenagens, podem ser subdivididas em: (a) bombas de rotores lobulares exteriores; (b) bombas de rotores lobulares interiores, Também são diferenciadas conforme a quantidade de lóbulos: dois, três ou mais.
Figura 1.29: Bombas de dois e três lóbulos respectivamente.
Figura 1.30: Bomba de lóbulos.
2.2.4 Bomba de Parafusos São bombas compostas por dois parafusos que tem movimentos sincronizados através de engrenagens. O fluido é admitido pelas extremidades e, devido ao movimento de rotação e aos filetes dos parafusos, é empurrado para a parte central onde é descarregado. Os filetes dos parafusos não têm contato entre si, porém, mantém folgas muito pequenas, das quais depende o rendimento volumétrico. Essas bombas são muito utilizadas para o transporte de produtos de viscosidade elevada. Há projetos de bombas com uma camisa envolvendo os parafusos, por onde circula vapor, com o objetivo de reduzir a viscosidade do produto. Há casos em que essas bombas possuem três parafusos e os filetes estão em contato entre si, além de um caso particular em que há apenas um parafuso.
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Figura 2.32: Bomba de parafuso único ou de cavidades progressivas.
Figura 2.32: Bomba de parafuso único ou de cavidades progressivas. 2.2.5 Bombas de Palhetas: A quantidade de palhetas é variável, conforme o fabricante. Conforme a forma da caixa, subdividem-se em bombas de câmara, simples, dupla ou tripla. A maioria das bombas de palhetas deslizantes são de uma câmara (mononucleares). Como estas máquinas são de grande velocidade, de capacidades pequenas ou moderadas, sendo usadas com fluidos pouco viscosos, justifica-se a seguinte classificação: (a) bombas de palhetas deslizantes, situadas em um rotor ranhurado; (b) bomba pesada de palheta deslizante, com só uma palheta que abrange a totalidade do diâmetro. Trata-se de uma bomba essencialmente lenta, para líquidos muito viscosos; (c) bombas de palhetas oscilantes, cujas palhetas articulam no rotor. É outro dos tipos pesados de bomba de palheta; (d) bomba de palheta rotativas, com ranhuras de pouca profundidade no rotor, para alojar elementos cilíndricos de elastômero em lugar de palhetas. 21
Este tipo de bomba leva vantagem sobre a bomba de engrenagem por que o rotor pode equilibrar-se hidraulicamente, o que minimiza as cargas nos mancais. São muito utilizadas em sistemas de média e baixa pressão, que requerem uma bomba compacta de preço baixo, e nos sistemas hidráulicos de máquinas-ferramentas.
Figura 1.33: Bomba de palhetas.
Figura 1.33.1: Bomba de palhetas.
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2.2.6 Bombas de Pistão As bombas de pistão geram uma ação de bombeamento, fazendo com que os pistões se alterem dentro de um tambor cilíndrico. O mecanismo de bombeamento de uma bomba de pistão consiste basicamente de um tambor de cilindro, pistões com sapatas, placa de deslizamento, sapata, mola de sapata e placa de orifício. Como funciona uma Bomba de Pistão
No exemplo da ilustração anterior, um tambor de cilindro com um cilindro é adaptado com um pistão. A placa de deslizamento é posicionada a um certo ângulo. A sapata do pistão corre na superfície da placa de deslizamento. Quando um tambor de cilindro gira, a sapata do pistão segue a superfície da placa de deslizamento (a placa de deslizamento não gira). Uma vez que a placa de deslizamento está a um dado ângulo o pistão alterna dentro do cilindro. Em uma das metades do ciclo de rotação, o pistão sai do bloco do cilindro e gera um volume crescente. Na outra metade do ciclo de rotação, este pistão entra no bloco e gera um volume decrescente. Na prática, o tambor do cilindro é adaptado com muitos pistões. As sapatas dos pistões são forçadas contra a superfície da placa de deslizamento pela sapata e pela mola. Para separar o fluido que entra do fluido que sai, uma placa de orifício é colocada na extremidade do bloco do cilindro, que fica do lado oposto ao da placa de deslizamento. Um eixo é ligado ao tambor do cilindro, que o conecta ao elemento acionado. Este eixo pode ficar localizado na extremidade do bloco, onde há fluxo, ou, como acontece mais comumente, ele pode ser posicionado na extremidade da placa de deslizamento. Neste caso, a placa de deslizamento e a sapata têm um furo nos seus centros para receber o eixo. Se o eixo estiver posicionado na outra extremidade, a placa de orifício tem o furo do eixo. A bomba de pistão que foi descrita acima é conhecida como uma bomba de pistão em linha ou axial, isto é, os pistões giram em torno do eixo, que é coaxial com o eixo da bomba. As bombas de 23
pistão axial são as bombas de pistão mais populares em aplicações industriais. Outros tipos de bombas de pistão são as bombas de eixo inclinado e as de pistão radial.
2.3 Aplicações Não existe um critério único que conduza claramente a um tipo de bomba. Na verdade, devemos analisar os diversos parâmetros ou critérios de seleção e escolher aquele tipo que melhor atenda aos requisitos mais importantes do sistema em consideração. Características do líquido • Líquidos com sólidos em suspensão ou substâncias pastosas operando com bombas centrífugas
normalmente exigem rotores abertos. • As bombas centrífugas são limitadas à aplicações com no máximo 5 % de gás em volume, enquanto que as axiais podem chegar a 10%. Comportamento quanto à vazão • Turbobombas operam em regime permanente sendo por isto as preferidas em operações de
processamento nas indústrias de petróleo e petroquímica. Sua vazão pode ser alterada mediante mudanças como fechamento parcial de válvula de descarga. • Rotativas operam em regime praticamente permanente. • Alternativas operam com vazões
pulsáteis. Características do sistema • Algumas características do sistema podem levar à utilização de determinado tipo de bombas.
São exemplos disto as limitações de espaço ou restrições quanto à sucção, favorecendo o uso de bombas verticais.
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Tipo de aplicação e experiências anteriores • Em algumas situações a escolha da bomba já é consolidada pela experiência de casos anteriores. São exemplos disso a utilização de bombas centrífugas nas instalações de bombeamento d’água e
derivados claros de petróleo, de bombas de engrenagem no sistema de lubrificação de grandes máquinas, de bombas de engrenagens ou de parafusos em bases de transporte de produto viscoso e de bombas alternativas em campos de produção de petróleo. Características gerais - bombas rotativas: • provocam uma pressão reduzida na entrada e, com a rotação, empurram o fluido pela saída; • a vazão do fluido é dada em função do tamanho da bomba e velocidade de rotação, ligeiramente
dependente da pressão de descarga; • fornecem vazões quase constantes; • são eficientes para fluidos viscosos, graxas, melados e tintas; • operam em faixas moderadas de
pressão; • capacidade pequena e média.
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2.2.2 Bombas alternativas Nas bombas alternativas o líquido recebe a ação das forças diretamente de um pistão ou êmbolo (pistão alongado), ou de uma membrana flexível (diafragma). Descreve-se uma bomba alternativa como sendo uma bomba que tem movim ento de vai e vem. Seu movimento para frente e para trás, ou para cima e para baixo distingui-se das bombas centrífugas e rotativas, que possuem movimento de rotação, além de serem especificadas para serviços onde se requer cargas elevadas e vazões baixas. As bombas motorizadas são acopladas a um motor, independentes, e as alternativas derivam normalmente do movimento de um virabrequim. Neste caso, a descarga é por pulsações sinusoidais. A descarga do líquido pode-se converter em contínua, caso bombas duplex (dois cilindros) ou triplex (três cilindros). As bombas alternativas podem ser divididas em bombas de sucção e de recalque, as quais, por sua vez, podem ser de simples e duplo efeito. A bomba de recalque é na realidade uma extensão da bomba de sucção, pois ela simultaneamente succiona e recalca água contra uma pressão externa. O princípio básico de funcionamento da bomba de recalque, consiste no fato dela forçar a água acima da pressão atmosférica, o que distingue da bomba de sucção, a qual eleva a água para que esta escoe segundo um jorro. Bomba de Pistão A bomba de pistão envolve um movimento de vai-e-vem de um pistão num cilindro. Resultando num escoamento intermitente. 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. A bomba alternativa de pistão (Figura 1.19) pode ser de simples ou duplo efeito, dependendo se o pistão possui um ou dois cursos ativos.
Figura 1.19: Representação esquemática de uma bomba alternativa de pistão. Na bomba de recalque de duplo efeito, o pistão descarrega água por um dos seus lados, enquanto a água é puxada para dentro do cilindro pelo outro lado do pistão, não havendo tempo de 26
transferência. Dessa forma, a água é descarregada em qualquer tempo, ao i nvés de ser descarregada em tempos alternados, como nas bombas de simples efeito. Então, a vazão de uma bomba de simples efeito pode ser duplicada numa bomba de duplo efeito que possua cilindro de idêntico deslocamento, ou seja, comparando a bomba de duplo efeito com a de simples efeito, verificamos que o deslocamento de água é maior para um mesmo número de rotações.
Figura 1.20: Bomba de pistão, de potência, de duplo efeito.
Apresentamos abaixo um desenho ilustrativo que nos mostra os ciclos de trabalho da presente bomba:
Figura 1.21: Ciclo de trabalho de uma bomba de recalque de pistão de duplo efeito.
Conforme nos mostra a figura acima, verificamos que as principais partes que compõem a bomba de recalque de duplo efeito são: 27
• Tubulação de admissão • Válvulas de admissão • Pistão • Cilindro • Válvula de descarga • Tubulação de descarga
Resumindo, o movimento do líquido é efetivamente causado pelo movimento do pistão, sendo da mesma grandeza e tipo do movimento deste.
Figura 1.22: Bomba de pistão. Bomba de Êmbolo A operação deste tipo de bomba é idêntica a operação da bomba de recalque do tipo pistão de duplo efeito, trocando-se apenas o pistão pelo êmbolo.
Figura 1.23: Bomba de êmbolo, duplex, de ação direta. Com relação a localização da vedação, estas bombas podem ser de dois tipos: vedação interna e vedação externa. Na bomba de vedação interna, o cilindro é virtualmente dividido pela vedação em duas câmaras separadas. Nos movimentos de subida e descida, o êmbolo desl oca água 28
alternativamente nas duas câmaras. A desvantagem deste tipo de bomba reside no fato de ser necessário remover o cabeçote do cilindro para ajustar ou substituir a vedação. Além disso, não se consegue observar vazamento através da vedação enquanto a bomba estiver em operação. Estas desvantagens podem ser superadas na bomba de tipo êmbolo de vedação externa. Dois êmbolos que se encontram rigidamente unidos por placas e tirantes são necessárias nesse projeto. A vedação é externa, de fácil inspeção e reparo.
Figura 1.24: Ciclo de trabalho de uma bomba de êmbolo de vedação interna.
Figura 1.25: Ciclo de trabalho de uma bomba de êmbolo de vedação externa. Bomba de Diafragma
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A bomba de diafragma utiliza uma substância elástica (tal como uma borracha), ao invés de pistão ou êmbolo, para desenvolver operações de bombeamento. Os dois tipos básicos de bomba de diafragma são: aberto e fechado. As bombas de diafragma têm se mostrado eficientes para tarefas tais como: retirada de água de valas, fundações encharcadas, drenos e outras depressões encharcadas, nas quais há uma grande quantidade de barro ou areia na água. O movimento da membrana em um sentido diminui a pressão da câmara fazendo com que seja admitido um volume de líquido. Ao ser invertido o sentido do movimento da haste, esse volume é descarregado na linha de recalque. Utilizando o exemplo de uma bomba com duplo diafragma, descreveremos seu funcionamento. Pelo fornecimento de ar comprimido para a válvula de ar, o ar é passado através do pistão da válvula (na posição ascendente ou descendente) para o bloco central onde há duas portas direcionais de ar, para o lado esquerdo ou lado direito da bomba (dependendo da posição do pistão da válvula de ar). Quando na câmara de ar, a pressão de ar é aplicada no fundo do diafragma, que força o produto a sair pelo manifold de saída. Como os dois diafragmas estão conectados por um diafragma de ligação, ou eixo, o outro diafragma é puxado na direção do centro da bomba. Esta a ção faz o outro lado puxar produto na bomba pela sucção da mesma. Válvulas esferas abrem e fecham, alternadamente para encher as câmaras, esvaziar câmaras e bloquear o contra fluxo. No final do golpe do eixo, o mecanismo de ar (pistão válvula de ar) automaticamente desloca a pressão de ar (lado oposto) a ação reversa da bomba, simplesmente pondo uma razão da bomba de 1:1. A pressão de ar aplicada nesta bomba está diretamente relacionada à pressão de entrada e a saída do líquido. A bomba tem duas câmaras líquidas, duas câmaras de ar e dois diafragmas. Em cada par de câmaras, o líquido e as câmaras de ar são separadas por diafragmas flexíveis. Cada diafragma é preso por duas placas de suporte e parafusados a um eixo comum. Este conjunto, eixo-diafragmas, move-se para frente e para trás com o ar comprimido, direcionado pela válvula de ar, penetrando ou saindo pela câmara de ar esquerda ou direita. Cada câmara líquida é equipada com duas esferas tipo válvulas unidirecionais que automaticamente controlam o fluxo d o fluido através das câmaras da bomba.
Figura 2.26: Bombas com duplo diafragma.
Características gerais - bombas alternativas: 30
