TA 631 – OPERAÇÕES UNITÁRIAS I (Transferência de quantidade de movimento) Aula 10: Bombas

As bombas são equipamentos mecânicos que fornecem energia mecânica a um fluido incompressível. No caso de fluidos compressíveis são denominados compressores e ventiladores. 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

Princípio de funcionamento Carcaça 10.1. Bombas centrífugas: A energia é fornecida continuamente ao fluido por um rotor, que gira a alta velocidade aumentando a energia cinética que depois é transformada em energia de pressão. Princípio de funcionamento Carcaça Descarga O líquido é succionado pela ação de um impulsor que gira rapidamente dentro da carcaça. O movimento produz uma zona de vácuo (no centro) e outra de alta pressão (na periferia). Voluta Sucção Pás Rotor

Bomba com Difusor: o fluido escoa através de uma série de palhetas fixas que formam um anel difusor. Isso aumenta a conversão da energia cinética em energia de pressão (mais do que na bomba de voluta simples). Figura 9.2. Escoamento dentro de uma bomba centrífuga. a) Bomba de voluta simples; b) Bomba com difusor.

O fluido é descarregado na voluta ou no difusor, onde é desacelerado O fluido é descarregado na voluta ou no difusor, onde é desacelerado. A energia cinética é convertida em energia de pressão. Quanto maior é o número de palhetas menor é a perda por turbulência.

Escoamento Axial: Descarrega o fluido axialmente (é adequado para altas vazões e baixas pressões) Escoamento Radial: Descarrega o fluido na periferia radialmente (desenvolve altas pressões, adequado para baixas vazões) Misto

Tipos de rotores: Fechado: Para líquidos sem partículas em suspensão Semi-aberto: Incorpora uma parede no rotor para prevenir que matéria estranha se aloje no rotor e interfira na operação. Aberto: Palhetas montadas sobre o eixo. Vantagem: líquidos com sólidos em suspensão. Desvantagem: sofrer maior desgaste.

Impulsor de uma bomba com sucção dupla Tipos de entrada: Simples: Utilizada em pequenas unidades Dupla: Quando há entradas simétricas em ambos os lados do impulsor. Nesse caso há melhor distribuição dos esforços mecânicos, além de proporcionar uma área de sucção maior, o que permite trabalhar com uma menor altura positiva na sucção (NPSH; Net Positive Suction Head) e diminui a possibilidade de cavitação. Impulsor de uma bomba com sucção dupla

Número de rotores: Um rotor: Simples estágio Vários rotores: Múltiplos estágios (vários rotores operando em série) que permitem o desenvolvimento de altas pressões

Bomba auto-escorvante 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. Dois tipos de escorva Bomba auto-escorvante

As bombas centrífugas podem ser : - Fluxo axial: simples ou múltiplo estágio rotor aberto/fechado - Fluxo misto entrada simples auto-escorvante estágio simples - Fluxo radial entrada dupla não-escorvante múltiplo estágio Nos dois últimos casos, o rotor pode ser aberto, semi-aberto ou fechado.

Vantagens das bombas centrífugas: Construção simples e baixo custo b) Fluido é descarregado a uma pressão uniforme, sem pulsações c) A linha de descarga pode ser estrangulada (parcialmente fechada) ou completamente fechada sem danificar a bomba d) Permite bombear líquidos com sólidos e) Pode ser acoplada diretamente a motores Não há válvulas envolvidas na operação de bombeamento Menores custos de manutenção que outros tipos de bombas Operação silenciosa (depende da rotação)

Desvantagens das bombas centrífugas: 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 consegue bombear líquidos muito viscosos (limite 40 cp)

Bomba de turbina regenerativa Também chamada de bomba cinética, ela gera maior pressão que as bombas centrifugas

10.2. Bombas de deslocamento positivo A energia é fornecida periodicamente, mediante superfícies sólidas móveis, que deslocam porções de fluido desde a sucção até a linha de descarga. A pressão de saída é regulada através de válvulas de descarga unidireccionais. Princípio de funcionamento As bombas de deslocamento positivo liberam um determinado volume de fluido de acordo com a velocidade do sistema. Quando a saída se fecha a pressão aumenta e o fluxo da bomba deve ser dirigido para outro lugar, de maneira que se evite a sobre-pressurização.

Para proteger a bomba, o fluido deve ser desviado por um by-pass, ou por meio da recirculação dentro da própria bomba (enviando o fluido da zona de alta pressão (descarga) para a de baixas pressões (sucção)). Válvulas de alívio internas: Muitos fabricantes fornecem bombas que incorporam válvulas de alívio internas. Quando uma válvula de alívio interna se aproxima do valor máximo de pressão permitido, se abre e o fluido é dirigido internamente para a zona de sucção. Dessa forma se evita a possibilidade de destruição da bomba e da tubulação e dos acessórios.

Alívio externo e válvulas de by-pass: No projeto do sistema de escoamento, quando se utilizam bombas de deslocamento positivo e o risco de queda de vazão existe, é necessário considerar um arranjo de by-pass externo que devolva o líquido para a sucção. A válvula do by-pass abrirá a uma pressão pré-determinada, permitindo que a pressão interna não exceda níveis muito altos e evitando também que a bomba cavite. Válvula reguladora de pressão

As válvulas de alívio internas são projetadas para proteger o sistema por períodos curtos de tempo. Quando o fluido recircula dentro da bomba, a potência introduzida pela bomba se dissipa na forma de calor, aumentando a temperatura do produto. Mesmo se o período de tempo é curto, a temperatura do produto pode subir até o ponto de evaporação na zona de baixas pressões. Quando há cavitação na zona de baixas pressões pode ocorrer a destruição da bomba. Cavitação em uma bomba de deslocamento positivo com dispositivo de segurança temporário.

A cavitação é uma situação que pode ocorrer em qualquer tipo de bomba. Acontece quando há falta de fornecimento de líquido e a bomba trabalha com uma vazão menor daquela para a qual foi projetada. As causas comuns da cavitação são a diminuição da pressão de sucção, NPSH insuficiente, ou operação a velocidades muito altas. A cavitação diminui a eficiência, desgasta os metais das pás do rotor, gera vibração mecânica e ruído. O NPSH do sistema também depende da velocidade do rotor.

10.3.1. Bombas tipo pistão, com válvulas de retenção 10.3. Bombas alternativas 10.3.1. Bombas tipo pistão, com válvulas de retenção 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 pressão aumenta e a válvula de descarga se abre e o líquido sai pressurizado. Linha de descarga Válvulas de retenção Linha de sucção Pistão cilindro

10.3.2. 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 de diafragma

10.3.3. Bombas rotativas Na figura abaixo pode-se observar o princípio de funcionamento das bombas rotativas. Dentre as bombas rotativas, a de lóbulos é a mais amplamente usada na indústria de alimentos. a) b) c) Posição 0º: O fluido escoa através do lóbulo superior. O selo é no lóbulo inferior. Posição 90º: O fluido escoa através do lóbulo inferior. O selo é no lóbulo superior. Movimento reverso

Exemplos de bombas rotativas

10.3.4. 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

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 Bomba de lóbulos sanitária.

10.4. 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 sólidos abrasivos ou ainda, com alto conteúdo de sólidos, desde que o líquido não seja muito viscoso (500 centi-Stokes de viscosidade cinemática). 1 Stoke = 100 centistokes = 1 cm2/s = 0.0001 m2/s).

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 e as peristálticas 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.

Algumas características das bombas: Centrifuga radial Centrifuga axial Rotatória, parafuso, engrenagens Alternativas Vazão na descarga Estacionária Pulsante NPSH: altura de sucção máxima permitida 5 m 6,5 m Líquidos Claros, limpos Abrasivos, sujos Viscosos não abrasivos Limpos e claros Faixa de pressão Baixa - alta Baixa Baixa- Média Baixa até máxima Faixa de vazão Pequena - máxima Pequena - média Pequena