Apostila Bombas

Profs. Vera Rodrigues e Vandr Brio

BOMBAS E VENTILADORES 1. BOMBAS So equipamentos destinados a deslocar fluidos incompressveis atravs da transformao da energia eltrica em energia mecnica, cintica e presso. So mquinas geratrizes tambm denominadas de maquinas de fluxo. Dentro da Engenharia de Alimentos h uma ampla aplicao, desde o deslocamento de gua de um reservatrio para um tanque, de um tanque para a canalizao, ou de um tanque para o caminho tanque. Exemplos disso o deslocamento de leos, vinhos, sucos, leite, soro, transporte de fluidos viscosos como leite condensado e extrato de tomate dos tanques at o envase final, e muitos outros. No caso de fluidos compressveis so denominados compressores e ventiladores. Classificao das Bombas As bombas podem ser bombas de deslocamento positivo e cinticas ou dinmicas (centrifugas).

a)Bombas de Deslocamento Positivos: so bombas que movimentam quantidades constantes de fluido, podendo-se obter altas presses. As superfcies slidas e moveis deslocam o lquido desde a suco at a descarga. As bombas de deslocamento positivo podem ser de dois tipos: alternativas e rotativas. Pisto ou mbolo (fluidos clarificados, viscosos, no abrasivos) Alternativas s Diafragma (c/vlvula de suco e descarga,para pastas viscosas com slidos no abrasivos) Palhetas ( as palhetas, turbulncia) 1 s rotor : (liq viscosos,abrasivos,suspenso) Parafusos Engrenagens Rotor ou lbulos (para sucos concentrados) Rotativas Peristltica (o fluido escoa num tubo flexvel rotores multiplos: (no para suspenso abrasivas)e o deslocamen dado pela ao conjunta dos rotores to que estrangulam o tubo. Este deve ter paredes grossas e material resistente). a.1) Bombas Alternativas de Pisto ou Embolo: Funcionam como uma seringa apresentando uma vlvula na suco e na descarga (Figura 1). So usadas em equipamentos como HPLC, em caldeiras de leos e lamas, obtendo-se altas presses com vazes pequenas. O volume de lquido movimentado funo do volume do cilindro ou do pisto. importante o conceito de eficincia volumtrica ( v ):

volume liquido deslocado (1) volume pisto Para bombas bem ajustadas a eficincia volumtrica chega a 95%. A eficincia mecnica definida como a razo entre a energia suprida ao fluido e a energia fornecida a bomba. energia fornecida ao fluido (2) = energia suprida bomba v =


Figura 1. Princpio de uma bomba positiva alternativa de pisto A eficincia mecnica sempre menor que 100% pois ocorrem perdas de energia devido ao atrito mecnico e atrito no fluido. a.2) Bombas Alternativas de Diafragma: Existem as bombas de diafragma, utilizadas geralmente como bombas dosadoras, para solues pastosas, ou com slidos suspensos,. O pisto atua sobre um diafragma flexvel, que separa o fluido do ar comprimido e provoca o deslocamento do fluido. a.3) Bombas Rotativas: So utilizadas em casos onde se devem manter as vazes constantes, independentes da perda de carga na linha de bombeamento. Exemplos em leos, graxas, melados, tintas e materiais destinados e envases ou em reaes qumicas. As mais usadas nas industrias de alimentos so as bombas de lbulos (Figura 2) e as bombas helicoidais.

Figura 2. Bomba de engrenagem b) Bombas Centrfugas: muito usadas nas industrias de alimentos para o transporte de matriasprimas e produtos acabados. So as bombas usadas para transportar gua limpa, condensados e fluidos com baixa viscosidade. Apresentam-se numa faixa ampla de vazo e presso. O principio de funcionamento consiste em transformar a energia eltrica do motor em energia cintica, que transferida ao fluido, sendo posteriormente esta energia convertida em energia de presso, pois a rea de escoamento final sofre uma reduo.


As principais partes que constituem a bomba centrfuga so a carcaa e o rotor (Figura 3). A voluta parte da carcaa que contem o rotor, apresentando uma curvatura que envolve todo o rotor. O rotor tem a funo de imprimir energia cintica ao fluido, um elemento circular com diversas paletas ou laminas que podem ser curvas ou retas. O rotor pode ou no apresentar um difusor que uma srie de palhetas fixas formando um anel difusor. Bombas com difusor apresentam maior eficincia. A bomba tem outras partes segundarias como: selo mecnico e gaxetas, mancais de rolamentos e eixos acoplados ao motor (Figura 4).

Figura 3. Carcaa e rotor de uma bomba centrfuga Na carcaa: onde ocorre a converso da energia cintica em energia presso e onde ocorre suco e descarga do fluido. A carcaa usualmente fundida e bipartida. O lquido entra axial ao rotor na regio de suco, no centro do rotor. O impulsor gira dentro da carcaa produzindo no interior uma regio de vcuo que puxa o lquido para dentro da bomba ( acelerado pelas ps que giram a alta velocidade) e outra de alta presso, na periferia onde o lquido atirado e descarregado para fora da voluta sendo ento desacelerado devido expanso da seo de escoamento.

Figura 4. Esquema das partes de uma bomba centrfuga O rendimento de uma bomba centrfuga determinado pelo tipo de rotor. Rotores abertos fornecem altos rendimentos para grandes vazes de fluidos e, pequenas cargas. Ideal para irrigao, drenagem e tanques de gua. Rotores fechados garantem operao com plena capacidade e alto rendimento. O rotor pode ser simples ou com um difusor que permite maior eficincia na converso da energia cintica eme energia de presso. A altura manomtrica desenvolvida por uma bomba varia com a vazo volumtrica de descarga. A altura mxima dada pela mnima vazo, com o aumento da vazo, a presso desenvolvida reduzida. Esta vazo pode ser regulada por uma vlvula que fica na linha de descarga.


O tipo de escoamento pode ser axial e radial. O escoamento axial a descarga do fluido axialmente na periferia, produzindo altas vazes e baixas presses. E o escoamento radial descarrega o lquido radialmente na periferia. A entrada de lquido poder ser simples ou dupla. A entrada dupla ocorre em ambos os lados do impulsor (maior rea de suco, e menor cavitao). Os rotores podem ser fechados (lquidos lmpidos), semi-abertos (parede no fundo do rotor para impedir que material estranho se aloje no fundo do rotor) e abertos onde s palhetas esto sobre o eixo (lquidos com slidos em suspenso, onde o desgaste maior). Uma bomba centrifuga no pode funcionar enquanto estiver vazia, isto , ela precisa estar cheia de fluido, ou escorvada. Quando a bomba esta cheia de ar, a presso desenvolvida muito pequena, devido baixa densidade do ar, mas a altura desenvolvida pelo fluido a mesma, independente do fluido, embora a presso no. Por isso se a bomba estiver vazia poder danificar as partes internas devido formao de uma regio de gs. (3) P =gH Sendo que: P = presso manomtrica = densidade do fluido g = acelerao da gravidade H = altura manomtrica. As bombas centrfugas possuem baixo custo de operao e de manuteno, construo simples, a descarga uniforme sem pulsos e nem choques, pode manusear lquidos com presena de slidos, acoplada diretamente ao motor e no exige vlvulas para a operao. Tem a desvantagem de no operar altas presses, permitir a entrada de ar o que exige ser escorvada, e no opera eficientemente lquidos altamente viscosos. As bombas usadas especificamente para manusear alimentos so denominadas sanitrias e so devidamente projetadas para obedecer alguns critrios: ser altamente resistente corroso, facilmente desmontvel para facilitar a limpeza, no formar artefatos quando em contato com o alimento, o sistema de lubrificao no entrar me contato com o alimento, no provocar atrito interno de forma a liberar metal para o alimento, gaxetas devem vedar a carcaa, no espaos mortos no interior para no provocar acmulo de alimento. Ex.: bomba de lbulos sanitria. As bombas centrfugas possuem curvas caractersticas, fornecidas pelos fabricantes, com informaes importantes sobre a bomba. Curvas de altura manomtrica e vazo, rendimento, NPSH so exemplos destas caractersticas. 2. VENTILADORES Ventiladores so amplamente utilizados para a captao, movimentao e exausto de ar, muitas vezes carregando finos particulados. Geralmente operam a baixas presses, sendo desprezada a compressibilidade dos gases. Operam a altas vazes, embora com presso baixa na descarga. Podem ser de fluxo radial ou axial. Os ventiladores de fluxo axial so utilizados para a exausto de ar diretamente de cmaras de captao para o exterior. Exemplos tpicos so exaustores de laboratrio. Os ventiladores de fluxo radial so ventiladores centrfugos, possuindo o mesmo princpio das bombas centrfugas. A seleo de ventiladores depende da instalao e condies de operao de cada ventilador. Tambm apresentam curvas caractersticas, como as bombas. 3. SELEO DE BOMBAS E VENTILADORES Selecionar um equipamento para deslocar um fluido significa escolher um modelo adequado para a instalao em questo, otimizando o consumo de energia e minimizando os gastos com manuteno. Se


deverem analisar trs aspectos que so: 1) as caractersticas do fluido; 2) a instalao; 3) a seleo do equipamento. 1) Caractersticas do fluido: necessrio considerar o tipo e as caractersticas do fluido tal como a viscosidade, massa especfica, a presena de fases distintas (slido-lquido), corrosividade do fluido e os custos. Fluidos com alta viscosidade devem ser transportados preferencialmente por bombas positivas. Lquidos com slidos presentes, no entanto, podem causar abraso de engrenagens e estatores de bombas helicoidais. O pH do lquido tambm importante, pois dependendo da faixa, ocasiona corroso e pode danificar peas como rotor e carcaa. 2) Avaliao da Instalao: Deve-se observar a vazo desejada e prever as perdas de carga na instalao. Avaliam-se tambm os problemas na aspirao ou suco e problemas de cavitao. A instalao das bombas basicamente composta de dois tipos: as bombas afogadas e no afogadas: a) Bombas no afogadas: so as bombas que se encontram acima do reservatrio de recalque, sendo a presso manomtrica na linha de suco negativa e, na linha de descarga positiva. b) Bombas afogadas: a bomba encontra-se abaixo do nvel do tanque de recalque sendo a presso na suco positiva. 2.1) Clculo da altura manomtrica A vazo desejada geralmente varivel primria da seleo. Entretanto, a presso necessria a ser imposta ao sistema, pela bomba, deve ser calculada para cada instalao. Esta presso chamada de altura manomtrica, sendo expressa em metros de coluna de fluido (gua) a ser deslocado. A altura desenvolvida pela bomba o trabalho efetuado por unidade de peso do fluido, fornecida ao fluido, em uma determinada vazo. Esta altura pode ser calculada pelo balano de energia aplicado entre o reservatrio de captao e o ponto de descarga da bomba, utilizando a equao de Bernoulli modificada, sob as consideraes de estado estacionrio, regime turbulento, unidirecional e o fluido incompressvel.2 p p1 v 2 v1 2 + 2 + g(Z 2 Z1 ) + F + Ws = 0 2

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Na equao (4), o primeiro termo se refere energia cintica segundo termo a energia de presso terceiro termo a energia potencial F representa as perdas de energia por atrito na tubulao (distribuda) e localizada (acessrios). Ws o trabalho de eixo, ou seja, a energia a ser imposta pela bomba, ou altura manomtrica. Na maioria dos casos a energia cintica e potencial so pequenos em relao presso, no volume de controle considerado. Ou seja, a altura desenvolvida pela bomba proporcional diferena de presso entre a suco e o recalque. O valor da altura desenvolvida pela bomba determinado experimentalmente pelo fabricante e fornecida como curva caracterstica do equipamento.


2.2) Avaliao do NPSH (Net Positive Suction Head), ou Altura de suco:

Cavitao Ocorre em qualquer tipo de bomba, reduzindo seu rendimento. Acontece quando a bomba descarrega menos lquido que sua capacidade de suco, devido a pouco lquido dentro da bomba, por entrada de ar, elevada presso na suco, bombeamento de lquidos quentes (maior presso de vapor) ou com elevada presso de vapor (alguns orgnicos), altura de suco com valor negativo (NPSH) e alta velocidade de operao. Pode levar a uma eroso do metal, ou mesmo a ruptura do metal, provoca vibrao e rudos causados pela cavitao da bomba. Estes problemas podem ser severos ou moderados, mas todos danificam a bomba. Nas bombas de diafragma a cavitao pode prejudicar o diafragma j que o acionamento feito por um eixo, com alta presso de suco. O fenmeno de cavitao se relaciona linha de suco e pode ser evitado avaliando-se o NPSH da bomba, disponibilizado pelo fabricante. H um limite de presso de vcuo que pode atingir na suco da bomba. Se a bomba trabalhar abaixo desse valor, ocorrer o fenmeno de cativao. Ocorre quando o fluido atinge uma presso igual a sua presso de vapor naquela temperatura e presso, formando-se vapor na suco at a sada da bomba. Estes vapores danificam a parte metlica da bomba e atinge o funcionamento da mesma, provocando uma perda da sua eficincia. A cavitao verificada principalmente quando temos na instalao: Altura manomtrica de suco negativa; Depsito de lquido a ser bombeado sob vcuo; Lquidos quentes (maior presso de vapor); Lquidos com elevada presso de vapor (solventes orgnicos, etc). A altura positiva de suco (NPSH) (Net Positive Suction Head), utilizada para avaliar a possibilidade de cavitao da bomba. Este valor deve ser calculado para cada instalao (NPSHd) e comparado a um valor fornecido pelo fabricante (NPSHr). NPSH disponvel (NPSH d) dado pela equao 5:NPSH d = S + ( pa pv ) hLS .g

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Na equao 5: S = altura de suco, sendo positiva para bombas afogadas e negativa para bombas no-afogadas [m]; pa = presso absoluta do meio ou do equipamento [Pa]; pv = presso de vapor do lquido temperatura de trabalho [Pa]; = massa especfica do lquido [kg m-3]; g = acelerao da gravidade [m s-2]; hLS = perda de carga na linha de suco [m]. NPSH requerida (NPSH r): a energia necessria para que a bomba funcione satisfatoriamente, principalmente na regio de suco. a energia necessria para vencer as perdas por atrito desde a entrada at o rotor. uma caracterstica da bomba, de suas medidas e condies de operao. um valor fornecido pelo fabricante do equipamento. A condio a ser avaliada para que a bomba funcione evitando o problema de cavitao deve ser que:


NPSH d NPSH r + F

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A considerao que o valor de NPSH da instalao deve ser maior que o valor de NPSH fornecido pelo fabricante. Adiciona-se um fator de segurana F, geralmente de 1 m.c.a. 3) Seleo da bomba: na seleo importante avaliar os equipamentos disponveis, verificando catlogos e entrando em contato com fornecedores especficos. Observar a vazo, a altura manomtrica, o material a ser transportado, a potncia do motor, o consumo de energia e se o NPSH da instalao ultrapassa o NPSH fornecido pelo fabricante. A avaliao de bombas disponveis pelos fornecedores feita por meio de curvas caractersticas. As bombas apresentam condies timas de utilizao para um determinado fluido, uma faixa de presso e uma determinada vazo volumtrica. A seleo da bomba requer o conhecimento das caractersticas de operao deste equipamento, apresentadas nos catlogos e curvas caractersticas. Bombas centrfugas operam em amplas faixas de vazes (1 a 3.104 L.min-1) as presses de descarga podem ser altas; trabalham com lquidos lmpidos, com lquidos com slidos abrasivos ou no, e com lquidos de baixa e moderada viscosidade. As bombas alternativas de pisto podem ser usadas para lquidos clarificados, e no operam com fluidos abrasivos. Usados para altas presses desde que com baixas vazes. As bombas de diafragma so usadas para lquidos corrosivos, polpas, solues alcalinas, etc. As bombas rotativas so usadas para lquidos viscosos e no abrasivos. Usadas em sucos concentrados, chocolates e gelias. Bombas helicoidais podem ser utilizadas para sistemas de envase de lquidos viscosos, como creme de leite, leite condensado, etc. Curvas caractersticas das bombas: So curvas que descrevem as caractersticas operacionais da bomba e relaciona-se com a presso de descarga (altura manmetrica total), vazo do sistema, eficincia e a potncia da bomba (Figura 6). Usa-se o termo altura ao invs de presso para a medida da energia de uma bomba pois a presso varia conforme a densidade do fluido (o peso especifico) mas a altura, no. A curva depende da forma, do dimetro e velocidade de rotao (rpm) do rotor e no do fluido. Na abcissa observa-se a vazo e na ordenada a altura manomtrica do sistema Fatores que influenciam da escolha de uma bomba: a) A vazo volumtrica do fluido a ser transferido determina o tipo e a bomba a ser usada. b) Energia a ser vencida no sistema: cintica + potencial + presso + atrito c) Propriedades do fluido: pH, viscosidade, densidade, se corrosivo ou no, d) Temperatura: evitar a formao de cativao. e) Necessidade de higiene: limpeza constante e uso de agentes esterilizante. Na Figura 5, observa-se que o ponto timo para utilizao desta bomba prximo de gales por minuto, desenvolvendo uma altura manomtrica de 90 ps, pois neste ponto tem-se a eficincia mxima do equipamento. Se necessitarmos de vazes menores e mesma altura manomtrica, possvel utilizar o equipamento tambm, mas este desenvolver uma menor eficincia, uma vez que o motor eltrico ir operar sob as mesmas condies.


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Figura 5. Curva Caracterstica de uma bomba centrfuga

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