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TA 631 – OPERAÇÕES UNITÁRIAS I
Aula 11: 19/04/2012
BOMBAS
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As bombas são equipamentos que fornecem
energia mecânica a um fluido incompressível.
No caso de fluidos compressíveis, esses
equipamentos, são denominados ventiladores e
compressores (outras operações unitárias).
Classificação das bombas
Dividem-se em 2 grandes grupos de acordo a forma
como a energia é fornecida ao fluido.
1. Bombas cinéticas (centrífugas)
2. Bombas de deslocamento positivo
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1. Bombas centrífugas:
A energia é fornecida continuamente ao fluido por um rotor,
que gira a alta velocidade fornecendo a energia cinética ao
fluido que depois é transformada em energia de pressão.
Carcaça
Descarga
Voluta
Sucção
Pás
Rotor
O movimento do rotor produz uma
zona de vácuo (no centro) e outra
de alta pressão (na periferia).
O líquido é aspirado pela ação do
rotor que gira rapidamente dentro
da carcaça.
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Corte lateral
Corte frontal
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Ação radial
Ação axial
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DESCARGA
RADIAL
ROTOR
VOLUTA
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ESTA BOMBA É
AXIAL
OU
RADIAL?
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Bomba com difusor:
Figura 10.2. Escoamento dentro de uma bomba centrífuga.
a) Bomba de voluta simples; b) Bomba com difusor.
Após ser impulsionado pelo rotor o fluido escoa através
de um conjunto de palhetas fixas (um anel difusor).
Aumenta a conversão da energia cinética em energia de
pressão (mais do que na bomba de voluta simples).
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O fluido é descarregado na voluta (difusor), onde é
desacelerado. A energia cinética é convertida em energia
de pressão. Quanto maior for o número de palhetas
menor é a perda por correntes de Eddy (turbulência).
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Escoamento Radial: Descarrega o fluido radialmente
(para baixas vazões e altas pressões,)
Escoamento Axial: Descarrega o fluido axialmente
(é adequado para altas vazões e baixas pressões)
Misto
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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: Vantagem: bombear líquidos com sólidos em
suspensão. Desvantagem: desgaste.
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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
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Número de rotores:
 Um rotor: Simples estágio
Vários rotores: Múltiplos estágios (vários rotores operando em
série) que permitem o desenvolvimento de altas pressões
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A bomba centrífuga deve ser escorvada antes de funcionar.
A linha de sucção deve estar cheia de líquido, pois quando tem ar,
a pressão desenvolvida é mínima devido à baixa densidade do ar.
Dois tipos de escorva
Bomba auto-escorvante
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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
múltiplo estágio
não-escorvante
Nos dois últimos casos, o rotor pode ser:
aberto,
semi-aberto ou
fechado.
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Vantagens das bombas centrífugas:
a) 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
f) Não há válvulas envolvidas na operação de bombeamento
g) Menor custo de manutenção que outros tipos de bombas
h) Operação silenciosa (depende da taxa de rotação, de não ter
sólidos em suspensão e de não cavitar)
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Desvantagens das bombas centrífugas:
a) Não servem para pressões muito altas
b) Sujeitas à incorporação de ar
precisam ser escorvadas
c) A máxima eficiência da bomba ocorre dentro de um curto
intervalo de vazões
d) Não consegue bombear líquidos viscosos (limite 40 cP)
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Bomba de turbina regenerativa
Também chamada de
bomba cinética,
ela gera maior pressão
que as bombas
centrifugas
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2. Bombas de deslocamento positivo
A energia é fornecida a intervalos, 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 unidirecionais.
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.
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Para proteger a bomba, o fluido deve ser desviado por um
by-pass, ou por meio da circulação dentro da própria bomba
(enviando o fluido da zona de alta pressão (da descarga) para
a de baixas pressões ( a 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
então o fluido se dirige internamente para a zona de sucção.
Dessa forma se evita o excesso de pressão que pode
danificar a bomba e da tubulação e dos acessórios.
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Alívio externo e válvulas de by-pass:
No projeto de um sistema de escoamento, quando se
utilizam bombas de deslocamento positivo e existe o risco de
queda de vazão, é necessário considerar um arranjo de
by-pass externo que devolva o líquido para a sucção.
Válvula reguladora
de pressão
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.
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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
Cavitação em uma
bomba de deslocamento até o ponto de evaporação na zona de
positivo com dispositivo baixas pressões. Quando há
cavitação na zona de baixas pressões
de segurança
pode ocorrer a destruição da bomba.
temporário.
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A cavitação é uma situação que pode ocorrer em qualquer
tipo de bomba. Geralmente acontece quando há falta de
fornecimento de líquido e a bomba trabalha com uma
vazão menor daquela para a qual foi projetada.
A cavitação diminui a eficiência, desgasta os metais das
pás do rotor, gera vibração mecânica e ruído.
As causas comuns da cavitação são a diminuição da
pressão de sucção, ou operação a velocidades muito altas.
Geralmente o ponto crítico depende da velocidade do rotor.
Devem-se consultar os catálogos dos fabricantes para obter
esse valor (NPSH). Isso será visto em uma próxima aula.
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2.1. Bombas alternativas
2.1.1. Bombas tipo pistão, com válvulas de retenção
Linha de descarga
Pistão
Válvulas de retenção
cilindro
Linha de sucção
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.
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2.1.2. 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.
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Bombas de diafragma
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2.1.3. 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
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Exemplos de bombas rotativas
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Bombas sanitárias
As bombas sanitárias são especificamente projetadas para
manusear alimentos. Consequentemente devem preencher
uma série de requisitos para serem adequadas:
•
•
•
•
•
•
Acabamento liso.
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
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O desenho mecânico das superfícies deve apresentar
curvas suaves, sem espaços mortos, nos quais o
alimento possa acumular-se.
Bomba de lóbulos sanitária.
O sistema de selo mecânico deve vedar a carcaça.
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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. Mas a faixa de operação de uma bomba
é estreita. As pressões de descarga podem atingir até
dezenas de mca. Elas trabalham com líquidos límpidos,
líquidos com sólidos inclusive abrasivos e corrosivos ou
frágeis, desde que o líquido não seja muito viscoso
(40 cP ou 400 centiStokes de viscosidade cinemática).
1 Stoke = 100 centiStokes = 1 cm2/s = 0.0001 m2/s).
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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, dosagem de volumes, etc..
As bombas rotativas são especificamente indicadas para
fluidos viscosos, porém não abrasivos. Por isso são usadas,
especialmente, com sucos concentrados, chocolate e geléias.
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Algumas características das bombas:
Bombas Centrifuga
radial
Centrifuga
axial
Pouco viscosos
Características
Rotatória,
Alternativas
parafuso,
engrenagens
Vazão na
descarga
Estacionária
Estacionária
Estacionária
Pulsante
NPSH: altura
de sucção
máxima
permitida
5m
5m
6,5 m
6,5 m
Líquidos
Claros, limpos Abrasivos,
partículas
solidas
Viscosos
não abrasivos
Limpos e
claros
Faixa de
pressão
Baixa, média Baixa
e pouco alta
Baixa- Média Baixa até
máxima
Faixa de vazão Pequena máxima
Pequena máxima
Pequena média
Pequena
40
Em caso de dúvidas consulte aos
fornecedores ou aos fabricantes
Procure e use
os catálogos.
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