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Critérios para a escolha de uma turbobomba Critérios de escolha de uma turbobomba com enfoque na velocidade específica, cavitação e operação com fluidos especiais. Prof. Vitor da Silva Rosa 1. Itens iniciais Propósito Para a escolha correta de uma turbobomba, é essencial compreender os conceitos de velocidade específica, cavitação e viscosidade de fluido nos critérios de escolha de uma turbobomba. Preparação Antes de iniciar este conteúdo, tenha em mãos uma calculadora, também disponível em seu smartphone/ computador. Objetivos Calcular a velocidade específica de uma turbobomba. Analisar a cavitação em uma bomba. Reconhecer o efeito do fluido viscoso e fluido não newtoniano nas curvas de desempenho de uma bomba centrífuga. Introdução Olá! Antes de começarmos, assista ao vídeo e compreenda os critérios para escolha de uma turbobomba. Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. • • • 1. Aplicação de turbobombas Vamos começar! Velocidade específica de uma turbobomba Confira agora, de forma resumida, o conceito da velocidade específica para turbobombas, bem como um detalhamento das bombas axiais e o uso de turbobombas na indústria do petróleo. Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. Velocidade específica As turbobombas envolvem uma classificação de bombas radiais puras (centrífugas), bombas mistas e bombas axiais. Uma escolha preliminar é realizada em função da vazão volumétrica na descarga da bomba e na altura manométrica que ela deve proporcionar ao fluido. No entanto, uma vez que conhecemos a altura manométrica, a vazão volumétrica na descarga e o número de rotações do rotor, podemos escolher a turbobomba adequada com um método mais rigoroso. Imagine que uma bomba funcionando com um número N de rotações por minuto eleva uma vazão volumétrica Q a uma altura manométrica H em uma condição de rendimento máximo total η. Se modificarmos a rotação N para uma nova rotação N’, a nova vazão volumétrica será Q’, de modo que podemos aplicar as leis da afinidade: Se assumirmos que a altura manométrica H’ tenha o valor unitário, ou seja, 1 metro, logo, podemos escrever que: Isolando N’ na equação 2: Substituindo a equação 3 na equação 1 e isolando Q’: Eq. 1 Eq. 2 Eq. 3 Suponha agora que a altura manométrica H se conserve em 1 metro e a vazão volumétrica Q passe a ser de 0,075 . Comentário O valor de 0,075 foi escolhido uma vez que, para 75 litros de água serem elevadas a uma altura de 1 metro, é necessária uma potência de 1cv (cavalo vapor, no sistema inglês). Veja que para H se conservar com uma variação volumétrica na descarga da bomba, não deverá ocorrer uma variação na velocidade tangencial de saída do fluido em relação ao rotor da bomba. Essa condição é necessária, pois a altura manométrica varia proporcionalmente com essa velocidade. Porém, para essa velocidade não variar, mantendo a altura manométrica como 1 metro, devemos variar o diâmetro do rotor e a rotação dele. Logo, D será o diâmetro correspondente às grandezas unitárias e Ds será o diâmetro correspondente nas novas condições, ou seja, com H igual a 1 metro e Q igual a 0,075 . Se a energia útil fornecida ao fluido for mantida constante, os diagramas de velocidade não irão se alterar, de modo que as velocidades na entrada e na saída e as áreas das seções transversal do escoamento deverão variar proporcionalmente com a vazão volumétrica na descarga. A vazão volumétrica na descarga, devido à igualdade de velocidades, é proporcional à seção do escoamento, logo, ao quadrado das dimensões lineares. Porém, Q’ é igual a 0,075 . Portanto: Extraindo a raiz do membro esquerdo da equação 7 e acoplando a equação 5 ao resultado final: Eq. 4 Eq. 5 Eq. 6 Eq. 7 Substituindo as equações 3 e 4 na equação 9 e após algumas manipulações matemáticas, chegamos a: A equação 10 representa a velocidade específica da bomba (NS) para N em rotações por minuto, Q em e H em metros. A equação 10 é adimensional. Com a vazão Q em , a equação 10 é escrita como: A importância da determinação da velocidade específica reside no fato: De ela fornecer um termo de comparação entre as diversas bombas sob o ponto de vista da velocidade; De ser o seu valor decisivo na determinação do formato do rotor a se empregar para atender a uma dada rotação N, vazão Q e altura manométrica H. Baseados em experimentos, os fabricantes de bombas elaboraram tabelas e gráficos, delimitando o campo de uso de cada tipo de bomba, conforme a velocidade específica, de modo a proceder a uma escolha que atenda às exigências de bom rendimento e baixo custo. No gráfico a seguir, estão apresentadas as tendências de eficiência correspondentes para bombas típicas, mostrando que a capacidade da bomba em geral aumenta com a velocidade específica. Gráfico: Eficiências médias de bombas comerciais em função da velocidade específica e tamanho de bomba. Eq. 8 Eq. 9 Eq. 10 Eq. 11 • • Bomba axial. No gráfico, também percebemos que, para qualquer velocidade específica dada, a eficiência é maior para bombas grandes do que para pequenas. Fisicamente, esse efeito de escala significa que as perdas viscosas se tornam menos importantes à medida que o tamanho da bomba aumenta. Bombas axiais As bombas axiais possuem o rotor com aspecto de hélice de propulsão, dotada de reduzido número de pás, variando entre 2 e 8, conforme é possível observar na imagem a seguir: Rotor de bomba axial. As bombas axiais são destinadas a serviços que envolvem grandes descargas de vazão volumétrica para pequenas alturas manométricas. As pás do rotor podem ser fixas, fundidas com o núcleo de fixação ou soldadas. Um sistema de comando automático comunica às pás a inclinação adequada à descarga com a qual a bomba deverá funcionar. Assim, evita-se, com a bomba de passo regulável, que o rendimento sofra acentuadas variações quando a vazão volumétrica se afasta do rendimento máximo, pois, no caso das pás fixas, variando a vazão, o ângulo de incidência se altera e o líquido tende a um choque mais abrupto com as pás do rotor, reduzindo o rendimento. As bombas axiais com pás de passo variável são conhecidas como bombas Kaplan, por serem análogas às turbinas hidráulicas do modelo Kaplan. Em bombas menos aperfeiçoadas, as pás podem ser apenas ajustadas em um ângulo adequado ao funcionamento para condições médias desejadas. O rotor é colocado no interior de um tubo, de modo que o motor que o aciona fique acima do tubo. As bombas axiais só podem trabalhar se o rotor estiver imerso no líquido, ou seja, na condição afogada. Ao longo do século XX, as bombas axiais foram calculadas considerando um escoamento unidimensional do líquido, com complementos empíricos advindos de experimentos em unidades de laboratório. Com o avanço da mecânica dos fluidos e das técnicas de solução numéricas para equações diferenciais, a teoria utilizada para descrever o campo de velocidades e pressão em asas de avião tem sido utilizada para a descrição dos mesmos campos nas pás dos rotores de bombas axiais. Bombas na indústria do petróleo A indústria do petróleo utiliza diferentes tipos de bombas em função do tipo de operação desejada. Por exemplo, as bombas são usadas nas etapas de perfuração de poços em terra e marítimos, produção dos poços, escoamento do petróleo, fracionamento do petróleo, recuperação de óleo derramado no mar e bombeamento de combustíveis. Para retirar o óleo dos poços, podemos utilizar um sistema com bomba centrífuga submersa, no qual são empregadas bombas multiestágio com motor blindado, preso na parte inferior delas, para poços não muito profundos, com cerca de 300 a 500 metros. A seguir, temos um exemplo de uma bomba multiestágio e a visualização dos rotores associados em série. Bomba multiestágio. Bomba centrífuga com entrada bilateral e carcaça bipartida. Corte de uma bomba multiestágio com a exposição dos rotores em série. Bomba multiestágio consiste em uma carcaça contendo vários rotores em série, com o objetivo deaumentar a eficiência na conversão de energia cinética em energia de pressão ao fluido. As bombas são de rotores hélico-centrífugos e possuem pás diretrizes para aumento da eficiência na operação. Essas bombas suportam vazões de até 20 a 15000 barris por dia, com um rendimento médio de 50%. Para o bombeamento do petróleo e seus derivados a grandes distâncias, são utilizados os oleodutos. Além das bombas próximas aos grandes tanques de armazenamento, intercalam-se estações intermediárias para o fornecimento da energia necessária à compensação da energia perdida ao longo das tubulações de descarga, mantendo a velocidade do escoamento dentro dos limites estabelecidos no projeto. As bombas centrífugas são amplamente utilizadas nesses serviços, de modo que a necessidade de variar a vazão e de atender à variação na viscosidade, devido a mudanças de temperaturas, requer a possibilidade da associação das bombas em série ou utilizá-las com variação de velocidade. A maior parte dessas bombas possui rotor de entrada bilateral e carcaça bipartida horizontalmente, visando à possibilidade de reparos e substituições rápidas. Nas refinarias, as bombas obedecem a rigorosas exigências do American Petroleum Institute (API), dadas as características próprias os produtos bombeados, que requerem precauções capazes de oferecer uma excelente segurança. Há produtos de destilação com densidade relativa igual a 0,60 e há outros produtos de densidade muito maior que a água. A viscosidade varia muito bruscamente, desde níveis baixos, como a água, até níveis muito elevados, como óleo combustível. Saiba mais Quando a viscosidade é muito elevada, cerca de 1000 vezes a da água, as bombas centrífugas não são indicadas. Neste caso, recomenda-se a utilização de bombas de deslocamento positiva rotativas, as quais trabalham com pressões ilimitadas. Vem que eu te explico! Os vídeos a seguir abordam os assuntos mais relevantes do conteúdo que você acabou de estudar. Bombas radiais e bombas axiais Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. Rotor com passo regulável Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. Bomba multiestágio Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. Verificando o aprendizado Questão 1 Uma bomba centrífuga será instalada em uma unidade industrial para o escoamento de água de processo. Nas condições de projeto, calculou-se que a velocidade específica é igual a 2000. Utilizando o gráfico a seguir, determine a eficiência da bomba para uma vazão volumétrica de 200 . A 70% B 75% C 78% D 82% E 85% A alternativa B está correta. Na imagem, entramos com a velocidade específica igual a 2000 e subimos até a curva referente à vazão volumétrica, conforme apresentado: Assim, temos que a eficiência lida é de 75%. Questão 2 Avalie as afirmativas a seguir sobre bombas axiais. I – Bombas axiais multiestágio possuem apenas um rotor na carcaça. II – Bombas axiais são empregadas para grandes vazões volumétricas e pequenas alturas manométricas. III – Algumas bombas axiais possuem um dispositivo que permite modificar o ângulo das pás do rotor. Estão corretas apenas as afirmativas: A I B II C III D I e II E II e III A alternativa E está correta. A alternativa I está incorreta, uma vez que a principal característica de uma bomba multiestágio é possuir múltiplos rotores associados em série dentro da carcaça. Isso é realizado para maximizar a eficiência na conversão da energia cinética em energia de pressão para o fluido. A alternativa II está correta, pois, devido ao rotor ser do tipo propulsor, essas bombas possuem a habilidade de deslocar grandes vazões de líquidos, como em uma hélice de um navio. No entanto, pelo fato de o fluido não estar completamente confinado, a altura manométrica produzida é pequena. A alternativa III está correta porque esse dispositivo mecânico permite modificar o ângulo das pás visando buscar aproveitar ao máximo a forma como o líquido está escoando e incidindo sobre pás, melhorando, assim, a eficiência da bomba, a qual não é muito elevada em bombas axiais. 2. Cavitação Vamos começar! Cavitação em uma bomba Entenda agora, de forma resumida, a introdução a cavitação, o conceito de NPSH, o fator de cavitação, bem como as formas de eliminar a cavitação em sistemas instalados. Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. Introdução à cavitação A cavitação pode ser definida por um grupo tecnicamente importante de fenômenos que ocorrem no interior de sistemas hidráulicos, com o aparecimento de bolhas de vapor. Esses fenômenos acontecem sempre em locais no interior dos sistemas onde é alcançada a pressão de saturação do líquido. Pressão de saturação A pressão na qual o líquido passa para a fase vapor. Quando essa pressão é atingida, começam a ser produzidas bolhas de vapor, que, então, são arrastadas pelo líquido até os lugares de maior pressão, onde se condensam violentamente. O desaparecimento das bolhas abre espaço para que o líquido neles seja impelido. Os choques contra as paredes causam a degradação do material, provocando a denominada erosão cavital. Este material arrastado e os gases livres podem produzir reações químicas, aumentando o efeito destrutivo. Além disso, a cavitação é acompanhada de vibrações e ruídos, sendo violenta a queda das características da máquina. As imagens a seguir apresentam os efeitos da erosão cavital em rotores de turbobombas: Assim, por exemplo, na presença de cavitação, uma bomba hidráulica não pode aumentar a sua vazão, mesmo que seja dada maior abertura na válvula de saída da bomba. Esta queda das características se dá pelo grande aumento das perdas, uma vez que a corrente já não se comporta de maneira prevista para funcionamento isento de cavitação. Além de provocar corrosão, desagastando, removendo partículas e destruindo pedaços dos rotores e dos tubos de sucção na entrada da bomba, a cavitação pode produzir: Queda de rendimento; Trepidação e vibração da máquina devido ao desbalanceamento de forças; Ruído provocado pela implosão das bolhas. Isso ocorre de forma aleatória, sendo impossível prever todas as características com que o fenômeno irá se desenvolver. A cavitação, além de ocorrer no rotor, pode manifestar-se nas pás do difusor quando a bomba opera fora da descarga normal, devido à divergência entre o ângulo de saída dos filetes do rotor e de entrada no difusor. Pode acontecer na voluta também. A ocorrência de uma corrosão química ou eletrolítica pela liberação do oxigênio da água, simultaneamente com a ação mecânica na cavitação, parece improvável, uma vez que não ocorre libertação de oxigênio capaz de provocar reações químicas. Atenção A corrosão por cavitação pode, porém, aumentar por efeito de uma corrosão química simultânea se o líquido bombeado possuir afinidade química com o material constituinte da bomba. No caso da água, a corrosão por cavitação varia com a temperatura, atingindo maior intensidade para temperatura na faixa de 45 a 55°C. • • • A escolha do material a ser empregado na fabricação da bomba precisa de cuidados importantes, uma vez que alguns materiais podem resistir à corrosão por cavitação. Em ordem crescente de resistência ao fenômeno citado, podemos colocar o ferro fundido, alumínio, bronze, aço fundido, aço laminado, bronze fosforoso, aço cromo e aços inoxidáveis especiais. A resistência de materiais à corrosão por cavitação é determinada em ensaios de laboratório, quando os corpos de prova, pesados inicialmente, são colocados em um difusor para medir a pressão e a velocidade da água. Após um certo tempo de ensaio (geralmente 150 horas), mede-se a perda de material por diferença na pesagem do corpo de prova. Esta perda define a resistência ao desgaste por cavitação. Em bombas radiais, podemos evitar a cavitação com algumas precauções: Primeiro Providenciar uma sucção curta, ou seja, a bomba deve estar o mais próximo possível da fonte de captaçãode líquido. Segundo Evitar colocar válvulas e conexões desnecessárias na sucção da bomba, uma vez que a pressão de sucção (negativa) tende a aumentar e se aproximar da pressão de saturação do líquido. Terceiro Colocar a bomba afogada, ou seja, abaixo do receptor de líquido, uma vez que esse procedimento evita um esforço da bomba para succionar o líquido e, por consequência, não há um aumento da pressão de sucção. Quarto Trabalhar com o líquido em temperaturas próximas à ambiente (20 a 25°C), uma vez que, em temperaturas maiores, há um favorecimento de nos aproximarmos da pressão de saturação. NPSH Visando obter um parâmetro quantitativo que nos permita verificar se ocorrerá cavitação ou não em uma turbobomba, há uma grandeza denominada Net Positive Succion Head (NPSH), ou em português, a altura positiva líquida de sucção. O NPSH com um valor acima da pressão de saturação do líquido na temperatura do bombeamento é a pressão absoluta disponível no flange de sucção da bomba, de modo que é uma consideração importante na seleção de uma bomba que possa escoar líquidos perto dos seus pontos de ebulição, ou líquido com elevadas pressões de saturação, como, por exemplo, a gasolina e o etanol. O NPSH garante uma carga de líquido suficiente na entrada do rotor da bomba para superar o fluxo interno de perdas da bomba. Isso permite que o impulsor da bomba funcione com uma “mordida” completa de líquido essencialmente livre de bolhas intermitentes de vapor devido à ação de ebulição do fluido. A pressão em qualquer ponto da linha de sucção nunca deve ser reduzida à pressão de saturação do líquido. As bombas centrífugas não podem bombear qualquer quantidade de vapor, exceto possivelmente algum vapor arrastado ou absorvido no líquido. Veja que o líquido ou seus gases não devem vaporizar na entrada do rotor, uma vez que esse é o local de menor pressão no impulsor. Ilustração do flange na sucção de uma bomba centrífuga. A cavitação de uma bomba centrífuga, ou qualquer bomba, se desenvolve quando há NPSH insuficiente para que o líquido possa escoar para a entrada da bomba, permitindo a formação de bolhas no sistema de sucção e na entrada da bomba. Comentário Cada projeto de bomba requer um valor a cavitação e a perda mínimo específico do NPSH para operar satisfatoriamente sem a formação dessas bolhas, de modo a evitar a cavitação e perda de vazão volumétrica de líquido na sucção da bomba. Sob condições de cavitação, uma bomba funcionará abaixo da sua curva de desempenho de carga em qualquer taxa de fluxo específica. Apesar da bomba poder operar sob condições de cavitação, muitas vezes será barulhento por causa de bolhas de vapor em colapso e corrosão severa, e a erosão resultante do impulsor. Esse dano pode se tornar tão severo a ponto de destruir completamente o impulsor e criar buracos na carcaça da bomba. O fabricante das bombas realiza ensaios em laboratório para determinar o valor mínimo que o NPSH deve ter, de forma que este é denominado NPSH requerido ou simplesmente NPSHR. O NPSHR deve ser comparado com o NPSH disponível (NPSHD) obtido a partir do cálculo referente às condições do projeto da bomba. Se o valor disponível for maior que o requerido, a bomba não irá cavitar. O NPSH disponível pode ser calculada a partir da equação 1: Em que: : a pressão de sucção, em Pascal; : o peso específico do líquido (N/m3) na temperatura do bombeamento; Eq. 1 • • Z: a altura da sucção da bomba ou altura estática de aspiração (m); : a perda de carga na sucção da bomba (m); : a pressão de saturação do líquido (Pascal) na temperatura do bombeamento. Observe, na equação 1, que a altura da sucção da bomba (Z) pode ter uma contribuição positiva ou negativa no valor do NPSH disponível. Quando a bomba está abaixo do nível do líquido (condição afogada), a altura Z será positiva, uma vez que está favorecendo o escoamento do líquido. Porém, se a bomba estiver acima do nível de líquido, a altura Z será negativa, pois irá impor uma resistência ao escoamento do líquido pela bomba. Fator de cavitação Considere a unidade de bombeamento apresentada na imagem a seguir: Unidade de bombeamento com a bomba afogada. Veja que, para não ocorrer cavitação no sistema apresentado na imagem anterior, temos que: O termo representa a velocidade média do líquido escoando na sucção da bomba. O termo é chamado de altura diferencial de pressão, o qual representa a seguinte parcela: Dividindo pela altura manométrica H, temos a inserção do fator de cavitação de Thoma ( ): • • • Eq. 2 Eq. 3 Substituindo a equação 3 na 4: O fator de cavitação de Thoma também é chamado de número característico adimensional para a cavitação ou simplesmente fator de cavitação. O fator de cavitação é uma grandeza que depende da velocidade específica ( ), de modo que, quanto maior for o valor de , maior será o valor de , e portanto, menor será o valor da altura estática de aspiração . Assim, reorganizado a equação 5 em termos de uma desigualdade: Com a equação 6, é possível saber a altura que a bomba pode ser colocada acima do nível de líquido em um reservatório. Se Z for negativo, a bomba deverá trabalhar abaixo do nível de líquido, ou seja, na condição afogada, como apresentado na imagem da unidade de bombeamento com a bomba afogada. Após diversos experimentos realizados por pesquisadores, o fator de cavitação pode ser determinado empiricamente em função da velocidade específica da bomba: O parâmetro é um fator que depende da própria velocidade específica. Por exemplo, para bombas: Centrífugas radiais, lentas e normais é igual a 0,0011. Helicoidais e hélico-axiais é igual a 0,0013. Axiais é igual a 0,00145. Como aumenta com a velocidade específica, bombas com elevados valores de exigem alturas de aspiração na sucção (Z) reduzidas, ou na maioria dos casos (e mais indicado), em condições negativas (bomba afogada). Com bombas axiais, é indispensável que seja negativo! Há outras equações empíricas para o cálculo do fator de cavitação, como a equação de Wislicenus (equação 8), equação de Cardinal von Widdern (equação 9) e a fornecida pelo Hydraulic Institute (equação 10): Eq. 4 Eq. 5 Eq. 6 Eq. 7 Hydraulic Institute Organização sem fins lucrativos que desenvolve e publica normas e padrões de bombas. Um detalhe importante: o NPSH requerido é igual à altura diferencial de pressão , de modo que é preciso saber o valor de h para obter esse valor. Na equação 11, temos o método de Pfleiderer para o cálculo de : Em que: N: a rotação do rotor da bomba em rpm; Q: a vazão volumétrica em ; H: a altura manométrica em metros; k: o coeficiente de redução da seção de entrada do rotor (equação 12); K: um coeficiente adimensional, o qual vale 2,6 para bombas radiais; 2,9 para bombas helicoidais e 2,4 para bombas axiais. Agora, observe: Sendo o diâmetro de entrada do rotor e o diâmetro de entrada da sucção da bomba. Eliminação da cavitação em sistemas já instalados Eq. 8 Eq. 9 Eq. 10 Eq.11 • • • • • Eq. 12 Em uma instalação já montada e com problemas de cavitação, algumas medidas podem ser tomadas. Vamos conhecê-las! Instalação com bomba centrífuga ou radial Diminuir a vazão estrangulando uma ou mais válvulas na descarga da bomba. Diminuir a rotação do rotor da bomba (se possível). Instalação com bomba axial Aumentar a vazão volumétrica. Aumentar a rotação do rotor da bomba. Instalação em geral Retirar acessórios com elevada perda de carga, que muitas vezes são desnecessários na sucção. Por exemplo, válvula de pé com crivo. Substituir alguns acessórios da tubulação de sucção por outros de menor perda de carga. Por exemplo, substituir um cotovelo de 90° de raio curto por um cotovelo de 90° de raio longo. Distanciar a tubulação de sucção do fundo do tanque. Eliminar possível entrada de ar na tubulação ou na caixa de gaxetas. Se a redução na entrada da bomba for concêntrica, substituir por uma redução excêntrica, para evitar formação de bolhas de ar, queda de pressãolocal e início de cavitação. Fazer com que a tubulação, após a curva de 90° suba gradualmente até a entrada da bomba (se o trecho de entrada for horizontal pode estar havendo a formação e bolhas de ar). Aumentar o diâmetro da linha se sucção com tubo de baixo fator de atrito. Se possível, diminuir a temperatura do fluido. Aumentar a pressão no tanque de sucção (se este for pressurizado). Diminuir a altura estática de aspiração Z entre a linha de centro da bomba e o nível do líquido no reservatório de sucção quando a bomba estiver acima do nível de líquido. Aumentar a altura estática de aspiração Z entre a linha de centro da bomba e o nível de líquido do reservatório quando a bomba estiver afogada. Demonstração Uma fábrica produtora de bombas centrífugas desenvolveu uma nova linha de bombas radiais. Para lançá-las no mercado, é preciso preparar os catálogos com as informações construtivas e de desempenho. Nesse primeiro momento, o engenheiro responsável resolveu iniciar a construção da curva do NPSH requerido em função da vazão volumétrica. Em um primeiro ensaio, a vazão volumétrica na descarga da bomba é de 100 para uma rotação de 3000 rpm do rotor. O coeficiente de redução dessa bomba (k) é igual a 0,70. A altura manométrica H nessa condição é de 13 metros. Podemos calcular o NPSHR, pela equação proposta pelo Hydraulic Institute, para determinar fator de cavitação Onde: Com os dados do enunciado, conseguimos determinar o valor de NS, mas primeiro, precisamos colocar o Q em unidades de , para isso vamos fazer uma conversão: Sabemos que uma hora possui 3600 s, logo fazemos a conversão da seguinte maneira: Agora sim, com esse valor de Q, podemos calcular NS, substituindo dados, na equação (2), vamos lá: Substituindo agora o valor de Ns na equação (1), vamos obter o valor de , vamos lá: Eq. 1 Eq. 2 Eq. 3 Eq. 4 Eq. 5 Eq. 6 Agora que temos o valor de , podemos calcular o valor de NPSHR, da seguinte maneira: Com esse resultado, chegamos à conclusão de que o NPSHR requerido é de 8,19 metros. Mão na massa Questão 01 Em uma unidade de bombeamento, temos uma bomba radial que deve escoar 0,08 m3/s de água a uma altura manométrica de 20 metros. A pressão atmosférica local é de 9,97 metros de coluna de água (mca), a pressão de saturação do líquido é 2,35 mca, a altura representativa da velocidade é de 0,12mca e a perda de carga na sucção é de 1,30mca. O fator de cavitação é dado por e a rotação do rotor é de 1150 rpm. Nessas condições, a máxima altura estática de elevação que a bomba poderá ser colocada é: A 1,62 metros abaixo do nível de líquido. B 1,62 metros acima do nível de líquido. C 3,53 metros abaixo do nível de líquido. D 3,53 metros acima do nível de líquido. E 4,53 metros abaixo do nível de líquido. A alternativa B está correta. A máxima altura estática de elevação Z é calculada por: Precisamos calcular o fator de cavitação: Eq. 7 Substituindo os valores numéricos na equação A: Como o valor de Z foi positivo, isso significa que a bomba pode ser colocada no máximo a 1,62 metros acima do nível de líquido para não ocorrer cavitação. Questão 2 Uma bomba centrífuga é colocada a 2 metros acima do nível de líquido . Sabendo que a perda de carga na sucção é de 1,2 metros, a pressão absoluta na sucção são 2kgf/cm2 e a pressão de saturação é de 0,4kgf/cm2, o NPSHD, em metros de coluna de líquido é: A 16,8m B 17,8m C 18,8m D 19,8m E 20,8m A alternativa A está correta. O NPSH D é calculado por: Como a bomba está acima do nível de líquido, a cota z1 será negativa. Questão 3 A cavitação é um fenômeno que pode ser evitado com algumas medidas básicas, como por exemplo, colocar a bomba afogada em relação ao tanque de sucção, aumentar o diâmetro da tubulação e reduzir a quantidade de acessórios e válvulas na sucção. Mas, em relação à bomba estar na condição afogada, reduz, e muito, a possibilidade de ocorrer cavitação. Suponha que uma bomba está colocada 3 metros abaixo do nível do líquido, com o tanque submetido de sucção submetido a pressão atmosférica absoluta de 2kgf/cm2, perda de carga na sucção de 1 metro e pressão de saturação do líquido de 0,4kgf/cm². O peso específico do líquido é de 9000 N/m3. Se o NPSH requerido for de 3 metros, calcule o NPSH. A 14,78m B 15,78m C 17,78 D 19,78m E 20,78m A alternativa D está correta. Vejamos: NPSHD = 19,78m Questão 4 Uma bomba axial está sendo empregada para abastecer uma indústria petroquímica com água de processo. Sabe-se que o fator φ é igual a 0,00145 e que a bomba opera a uma rotação de 2000rpm com uma vazão volumétrica de 0,139 m3/s. O fator de cavitação para essa bomba operando com uma altura manométrica de 15 metros é: A 0,454 B 0.554 C 0,654 D 0,754 E 0,854 A alternativa C está correta. O fator de cavitação é obtido a partir da velocidade específica da bomba: Questão 5 Uma bomba axial possui um fator de cavitação igual a 0,825 e um fator igual a 0,00145. Em uma dada condição do processo, essa bomba opera com um altura manométrica de 25 metros e rotação de 1800 rpm. Nessas condições, a vazão volumétrica na descarga em m3/h é: A 1582, 8m3 /h B 1682, 8m3 /h C 1782, 8m3 /h D 1882, 8m3 /h E 1982, 8m3 /h A alternativa D está correta. Confira, no vídeo a seguir, a resolução da questão: Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. Questão 6 Uma bomba radial possui um fator de cavitação igual a 0,325 e um fator igual a 0,0011. Em uma dada condição do processo, essa bomba opera com uma vazão volumétrica de 0,11 m3/s e rotação de 3000rpm. Nessas condições, a altura manométrica em metros é: A 31,6 m B 33,6 m C 35,6 m D 37,5 m E 39,6 m A alternativa B está correta. Veja que o fator de cavitação é dado por: Isolando a altura manométrica em A: Teoria na prática Em uma fábrica, o engenheiro observou que uma das bombas centrífugas costuma sofrer cavitação com uma grande frequência. Ele verificou os seguintes parâmetros do bombeamento: a altura manométrica correspondente é de 25 metros, a pressão atmosférica local é de 9,97 metros de coluna de água (mca), a pressão de saturação do líquido é 2,15 mca, a altura representativa da velocidade é de 0,22 mca, perda de carga na sucção é de 2,45 mca, rotação do rotor de 1500 rpm, vazão volumétrica de 0,12 e altura estática de elevação na sucção de 3,45 metros abaixo do nível de líquido. O engenheiro resolver calcular o fator de cavitação dessa unidade com a seguinte expressão: Chave de resposta Abrindo o termo referente à velocidade específica: Com o fator de cavitação, ele verificou a altura estática de sucção máxima dessa bomba: Substituindo os valores numéricos na equação anterior: Veja que essa bomba deve ser colocada no mínimo a 3,48 metros abaixo do nível de líquido para evitar o fenômeno da cavitação, uma vez que o valor deu negativo. Na situação real, a bomba foi instalada a 3,45 metros do nível de líquido, o que é praticamente o limite permitido. Por isso, a bomba sofre cavitação de forma constante. Como não é possível alterar a bomba de lugar para colocá-la a uma altura maior do reservatório de sucção, o engenheiro resolveu trocar a tubulação de sucção por uma com um diâmetro maior. Nessa situação, a perda de carga na sucção foi reduzida de 2,15 metros para 1,03 metros. Assim, recalculando a altura Z: Agora a altura mínima que a bomba deve ter na condição afogada é pelo menos de 1,98 metros. Como a altura de instalação está em 3,45 metros, temos uma boa folga para evitar a cavitação. Assim, essa bomba não sofrerá mais cavitação e o engenheiro resolveu um grande problema com uma modificação simples! Verificando o aprendizado Questão 1 Uma bomba radial possui um fator de cavitação igual a 0,325 e um fator igual a 0,0011. Em uma dada condição do processo, essa bomba opera com uma vazão volumétrica de 0,11 e altura manométrica de 30 metros. Nessas condições, a rotação em rpm é: A 2754,31 rpm B 2854,31 rpm C 2954,31 rpm D 3054,31 rpm E 3154,31rpm A alternativa A está correta. Veja que o fator de cavitação é dado por: Isolando a rotação em A: Questão 2 Uma bomba centrífuga possui um NPSH disponível de 12 metros. A carga de pressão atmosférica na sucção é de 10 metros de coluna d’água (mca), a perda de carga na sucção é de 1,2 mca e a carga de pressão de saturação é de 2,5 mca. Nessas condições, a altura estática na sucção é A 1,7m B 2,7m C 3,7m D 4,7m E 5,7m A alternativa E está correta. O NPSHD é calculado por: Isolando a altura Z: metros 3. Operações de turbobombas com fluidos especiais Vamos começar! O efeito do fluido viscoso e fluido não newtoniano nas curvas de desempenho de uma bomba centrífuga Assista agora a um resumo sobre o bombeamento com fluidos viscosos e fluidos não newtonianos. Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. Operação com fluido viscoso Quando líquidos viscosos são manuseados em bombas centrífugas, a potência requerida pelo motor aumenta, a altura manométrica reduz e a capacidade de bombeamento é reduzida quando comparada a uma operação com água. As correções podem ser desprezíveis para viscosidades na mesma ordem de grandeza que a água, mas tornam-se significativas para valores acima de 10cP para fluidos mais pesados. Quando se conhece o desempenho de uma bomba com água, as seguintes relações são usadas para determinar o desempenho com líquidos viscosos: Agora, entenda cada uma das equações apresentadas: Eq. 1 Eq. 2 Eq. 3 Equação 1 Temos a correção para a vazão volumétrica do líquido viscoso em função do coeficiente de correção para a vazão e da vazão volumétrica da água . Equação 2 Temos a correção para a altura manométrica do líquido viscoso em função do coeficiente de correção para a altura e da altura manométrica com a água . Equação 3 Temos a correção para o rendimento da bomba com líquido viscoso ( ) em função do coeficiente de correção para o rendimento e do rendimento da bomba operando com água . A determinação dos coeficientes de correção é obtida graficamente com o uso dos gráficos a seguir. Gráfico: Carta de correção para bombeamento de fluido viscoso para bombas pequenas. Válido apenas para bombas centrífugas e fluidos newtonianos. Não deve ser extrapolado. Gráfico: Carta de correção para bombeamento de fluido viscoso para bombas grandes. Válido apenas para bombas centrífugas e fluidos newtonianos. Não deve ser extrapolado. A carta de correção apresentada na imagem anterior é válida para bombas centrífugas de pequeno tamanho. A utilização dos gráficos deve ser executada do seguinte modo: 1 Passo 1 Com o balanço de energia mecânica, você deve calcular a altura manométrica para o fluido viscoso ( ) em metros em função da vazão volumétrica dele ( ) em . 2 Passo 2 A vazão volumétrica do líquido viscoso deve ser transformada para GPM (galão americano por minuto) com a seguinte transformação: 3 Passo 3 Se a vazão em GPM for menor que 100, utilize o primeiro gráfico apresentado. Caso seja maior que 100 GPM, utilize o segundo gráfico apresentado. 4 Passo 4 A altura manométrica em metros deve ser transformada para pés com a seguinte transformação: 1 pé é igual a 0,3048 metros. 5 Passo 5 A viscosidade cinemática do líquido viscoso deve ser transformada de para centiStokes (cSt), com a seguinte transformação: é igual a . 6 Passo 6 Entre com a vazão em GPM no gráfico e trace uma reta vertical paralela ao eixo da ordenada até a reta correspondente à altura manométrica em pés. Marque o ponto. 7 Passo 7 Do ponto marcado na etapa anterior, trace uma reta paralela ao eixo a partir desse ponto até a reta referente à viscosidade cinemática do líquido viscoso. Marque o ponto. 8 Passo 8 Do ponto marcado na etapa anterior, trace uma reta vertical paralela à ordenada até alcançar as curvas dos coeficientes e . Marque os três pontos. 9 Passo 9 Leitura de Do ponto marcado na etapa anterior, trace uma reta paralela ao eixo na direção da ordenada. Onde a reta tocar é o valor do coeficiente. 10 Passo 10 Leitura de Do ponto marcado na etapa anterior, trace uma reta paralela ao eixo na direção da ordenada. Onde a reta tocar é o valor do coeficiente. Fluido não newtoniano. 11Passo 11 Leitura de No caso do primeiro gráfico, o ponto marcado na etapa anterior, trace uma reta paralela ao eixo x na direção da ordenada. Onde a reta tocar é o valor do coeficiente. No caso do segundo gráfico, a quatro curvas para o coeficiente , as quais são referenciadas por . . Você deve escolher a curva 1,0 . , por ser uma condição padrão. Com os coeficientes calculados, é possível converter a altura manométrica, vazão volumétrica e rendimento do fluido viscoso para o equivalente em água. Isso nos permite utilizar os catálogos de fabricantes para a água na escolha de uma bomba para fluido viscoso. Operação com fluido não newtoniano Os fluidos não newtonianos apresentam uma viscosidade dependente da taxa de cisalhamento, ou seja, para cada velocidade imposta no escoamento, teremos uma viscosidade “aparente”. Exemplos desses fluidos são as tintas, polpas, soluções, pastas, resinas, óleos etc. O tipo de bomba mais comum usado na indústria petroquímica é a bomba centrífuga, embora seu desempenho se deteriore rapidamente com o aumento da viscosidade do fluido, mesmo com fluidos newtonianos. O princípio subjacente é a conversão de energia cinética em energia de pressão. Para uma bomba deste tipo, a distribuição de cisalhamento dentro da bomba irá variar com o rendimento. Considere as imagens a seguir, na qual a descarga está completamente fechada, o maior cisalhamento no fluido ocorre no espaço entre o rotor e o casco, ou seja, no ponto B. Zonas de cisalhamento em uma bomba centrífuga. Circulação de fluido dentro do impulsor. Se o fluido estiver escoando pela bomba, ainda haverá diferenças entre essas taxas de cisalhamento, mas elas serão mais brandas. Para um fluido pseudoplástico (diminuição da viscosidade conforme aumento do cisalhamento), a viscosidade irá variar nessas diferentes regiões, sendo menor em B do que em A e em C, enquanto na região B haverá um aumento do espessamento do fluido. Em condições estáveis, a pressão desenvolvida no rotor produz um fluxo uniforme através da bomba. No entanto, é possível que haja problemas na partida, quando as viscosidades aparentes muito elevadas do fluido (devido ao repouso) gerarem sobrecarga no motor. Nessas condições, a bomba deve ser iniciada com uma rotação lenta e aumentando gradualmente até que o fluido esteja em pleno escoamento, evitando danos ao motor. Em relação à eficiência, potência e altura manométrica, são poucos os gráficos que fornecem curvas da bomba para fluidos não newtonianos. Walker e Douglas (1984) estudaram o bombeamento de polpas homogêneas de carvão e caulim em diversas concentrações com água. Todas as soluções possuem um comportamento pseudoplástico. Nos gráficps a seguir, vemos as curvas de desempenho dessas bombas para as soluções citadas: Gráfico: Curvas características da bomba com escoamento de polpa de carvão e rotação de 1200 rpm. Gráfico: Curvas características da bomba com escoamento de polpa de caulim e rotação de 1200 rpm. As bombas centrífugas são quase exclusivamente utilizadas no escoamento de polpas minerais. Com base em extensa experiência prática com diversos fluidos e com diâmetros de rotor de até 380mm, acredita-se que o fator de redução para a altura manométrica por bombas centrifugas é na ordem de 10%, enquanto o fator correspondente para a eficiência da bomba pode chegar a 25%, dependendo do grau de afinamento ou do valor da tensão em que a polpa está sendo bombeada. Saiba mais Essas comparações são mediante a operações com água. Demonstração Uma bomba centrífuga deverá bombear um óleo com viscosidade cinemática de 132 cSt com vazão de 200 galões por minuto e altura manométrica de 80 pés. Especifique uma bomba centrífuga adequada para essa operação. Coeficientes de correção paralíquido viscoso Fique agora com a resolução da demonstração, de modo detalhado: Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. Mão na massa Questão 1 Uma bomba centrífuga está transportando um óleo viscoso com massa específica de 830kg/ m3. A altura manométrica correspondente para a água é de 50 metros e a vazão volumétrica é de m3/h. A bomba escolhida possui um rendimento de 0,75 quando operada com água. Os coeficientes de correção para a vazão, altura manométrica e rendimento são 0,88, 0,92 e 0,62, respectivamente. Nessas condições, a potência total que o motor deve fornecer, em hp, é? A 6hp B 8hp C 10hp D 12hp E 14hp A alternativa B está correta. Confira no vídeo a seguir a resolução da questão: Conteúdo interativo Acesse a versão digital para assistir ao vídeo. Questão 2 Uma bomba centrífuga transporta 20 m3/h de um óleo viscoso. Sabendo que o coeficiente de correção para vazão é igual a 0,85, a vazão equivalente em água é: A 15,5 m3/h B 18,5 m3/h C 21,5 m3/h D 23,5 m3/h E 25,5 m3/h A alternativa D está correta. A vazão volumétrica equivalente em água é calculada por: Questão 3 A altura manométrica produzida por uma bomba centrífuga no escoamento de um óleo mineral é de 55 metros. Sabendo que o coeficiente de correção para esse parâmetro é de 0,88, a altura manométrica corresponde em água é: A 62,5m B 65,5m C 70,5 D 72,5m E 74,5m A alternativa A está correta. A vazão volumétrica equivalente em água é calculada por: Questão 4 O rendimento de uma bomba centrífuga operando com água é de 0,72. Se essa bomba for escoar um óleo mineral, verificou-se que o coeficiente de correção para o rendimento é de 0,58. Qual é o rendimento da bomba operando com o líquido viscoso? A 0,40 B 0,42 C 0,44 D 0,46 E 0,48 A alternativa B está correta. O rendimento da bomba com o líquido viscoso é calculado por: Questão 5 Uma polpa homogênea não newtoniana contendo carvão e água apresenta uma densidade relativa de 1,139. Uma bomba centrífuga deverá bombear 12 litros por segundo dessa polpa. Utilizando a imagem a seguir, determine a eficiência da bomba. A 30% B 32% C 36% D 40% E 42% A alternativa D está correta. Com a vazão volumétrica de 12 litros por segundo, entramos no gráfico e marcamos um ponto na curva correspondente à solução com a densidade relativa de 1,139 e realizamos a leitura da eficiência diretamente no eixo y. Note que a eficiência para esse bombeamento é de 40%. Questão 6 Uma polpa homogênea de caulim (não newtoniana) com densidade relativa de 1,126 será bombeada por uma bomba centrífuga com uma vazão de 8 litros por segundo. Utilizando a imagem a seguir, determine a potência consumida e a altura manométrica. A P = 2 kW e H = 16 metros B P = 3 kW e H = 18 metros C P = 5 kW e H = 20 metros D P = 6 kW e H = 22 metros E P = 8 kW e H = 26 metros A alternativa E está correta. Com a vazão volumétrica de 8 litros por segundo, entramos na imagem e projetamos uma reta vertical ao eixo y passando pelas curvas referentes à potência e à altura manométrica para a polpa com densidade relativa de 1,126. Note que a potência requerida é de 8kW e a altura manométrica de 26 metros. Teoria na prática Um engenheiro está selecionando uma bomba para o escoamento de um óleo com massa específica de 880kg/m3. Para isso, ele resolveu selecionar uma bomba do fabricante Peerless. No gráfico a seguir, está o catálogo dessa bomba. Chave de resposta A vazão volumétrica do óleo é de 3,52 m3/ minuto para uma altura manométrica 27,6 metros. O engenheiro utilizou as cartas de correção para líquido viscoso e encontrou um coeficiente de correção para a vazão de 0,88, para a altura manométrica de 0,92 e para o rendimento de 0,64. Com os coeficientes de correção para a vazão e a altura manométrica, ele calculou os valores equivalentes em água. Entrando no catálogo do fabricante com a altura manométrica e vazão correspondente para a água, temos que: Observe que a bomba escolhida foi a 4AE11. Visando calcular o rendimento da bomba para o líquido viscoso, o engenheiro entrou no catálogo específico da bomba 4AE11 (gráfico a seguir). O diâmetro do rotor da bomba terá 285,8mm, enquanto o rendimento equivalente para água é de 50%. O rendimento para a operação com o líquido viscoso é dado por: Note que, na operação com o fluido viscoso, essa bomba terá uma eficiência de 32%. Por fim, o engenheiro calculou a potência total que o motor da bomba deve possuir para executar esse serviço: Não esqueça que a vazão volumétrica deve estar em m3/s, logo 3,52 m3/minuto é igual a 0,0587m³/s. Assim: Em hp, basta dividir o valor da equação F por 746, logo, esse motor deverá ter pelo menos uma potência de 60hp. Verificando o aprendizado Questão 1 Uma bomba centrífuga transporta 30 de água. Essa bomba será empregada para escoar um óleo de grande viscosidade. Se o fator de correção para a vazão é de 0,88, qual a vazão volumétrica do fluido viscoso? A 24,4 B 26,4 C 28,4 D 30,4 E 32,4 A alternativa B está correta. A vazão volumétrica do líquido viscoso é calculada por: Questão 2 Uma bomba centrífuga apresenta uma altura manométrica de 62 metros com o escoamento de água. Se essa bomba for empregada para transportar um fluido viscoso e se o fator de correção for igual a 0,86, a altura manométrica correspondente para o fluido viscoso é? A 47,5m B 49,5m C 51,5m D 53,3m E 55,3m A alternativa D está correta. A altura manométrica do líquido viscoso é calculada por: 4. Conclusão Considerações finais É de fundamental importância para o engenheiro conhecer, de forma detalhada, os critérios para escolha de uma turbobomba, visto que uma escolha errada impactará negativamente o projeto, além do ônus referente à parte econômica e de segurança. Iniciamos definindo o conceito de velocidade específica e como ela é importante na escolha de turbobombas. Posteriormente, apresentamos um detalhamento sobre as bombas axiais e usos de bombas na indústria do petróleo. Em seguida, avaliamos o importante e indesejado fenômeno da cavitação com a definição do NPSH, fator de cavitação e formas de evitar a cavitação em sistemas já operantes. Por fim, foi abordado como trabalhar com turbobombas envolvendo o escoamento de fluidos viscosos e não newtonianos, uma vez que esses fluidos estão presentes na maioria dos processos industriais. Podcast Para encerrar, ouça um resumo dos principais aspectos estudados anteriormente. Conteúdo interativo Acesse a versão digital para ouvir o áudio. Explore + Para entender melhor sobre critérios de escolhas de uma turbobomba, sugerimos que leia o artigo Avaliação de tanques de escorva utilizados em substituição à válvula-de-pé em instalações de bombeamento, disponível no portal SciELO. Sugerimos também a leitura do artigo Performance Characteristics of Centrifugal Pumps When Handling Non- Newtonian Homogeneous Slurries, de Walker e Gougas, para entender como eles realizaram a montagem das curvas de bomba para o bombeamento de polpas minerais homogêneas. Referências CHHABRA, R. P.; RICHARDSON, J. F. Non-Newtonian flow and applied rheology: engineering applications. Amsterdam: Elsevier, 2011. COKER, A. K. Ludwig’s Applied process design for chemical and petrochemical plants. 4. ed. Amsterdã: Elsevier, 2007. FOX, R. W.; MCDONALD, A. T.; PRITCHARD, P. J. Introdução à mecânica dos fluidos. 8. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2014. GREEN, D. W.; SOUTHARD, M. Z. Perry’s Chemical Engineer’s Handbook. 9. ed. New York: McGraw-Hill, 2018. MACYNTYRE, A. J. Bombas e instalações de bombeamento. 2. ed. Rio de Janeiro: LTC, 1997. MCCABE, W.; SMITH, J.; HARRIOT, P. Unit Operations for Chemical Engineering. 7. ed. New York: McGraw-Hill, 2004. WALKER, C. I.; GOULAS, A. Performance characteristics of centrifugal pumps when handling non-Newtonian homogeneous slurries. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Power and Process Engineering, v. 198, p. 41-49,1984. Critérios para a escolha de uma turbobomba 1. Itens iniciais Propósito Preparação Objetivos Introdução Conteúdo interativo 1. Aplicação de turbobombas Vamos começar! Velocidade específica de uma turbobomba Conteúdo interativo Velocidade específica Comentário Bombas axiais Bombas na indústria do petróleo Saiba mais Vem que eu te explico! Bombas radiais e bombas axiais Conteúdo interativo Rotor com passo regulável Conteúdo interativo Bomba multiestágio Conteúdo interativo Verificando o aprendizado Questão 1 2. Cavitação Vamos começar! Cavitação em uma bomba Conteúdo interativo Introdução à cavitação Atenção Primeiro Segundo Terceiro Quarto NPSH Comentário Fator de cavitação Centrífugas radiais, lentas e normais Helicoidais e hélico-axiais Axiais Eliminação da cavitação em sistemas já instalados Instalação com bomba centrífuga ou radial Instalação com bomba axial Instalação em geral Demonstração Mão na massa Conteúdo interativo Teoria na prática Verificando o aprendizado 3. Operações de turbobombas com fluidos especiais Vamos começar! O efeito do fluido viscoso e fluido não newtoniano nas curvas de desempenho de uma bomba centrífuga Conteúdo interativo Operação com fluido viscoso Equação 1 Equação 2 Equação 3 Passo 1 Passo 2 Passo 3 Passo 4 Passo 5 Passo 6 Passo 7 Passo 8 Passo 9 Passo 10 Passo 11 Operação com fluido não newtoniano Saiba mais Demonstração Coeficientes de correção para líquido viscoso Conteúdo interativo Mão na massa Conteúdo interativo Questão 5 Questão 6 Teoria na prática Verificando o aprendizado 4. Conclusão Considerações finais Podcast Conteúdo interativo Explore + Referências