9. Bombas Hidráulicas 9.1. Introdução Bombas são Máquinas Hidráulicas geratrizes ou operatrizes cuja finalidade é realizar o deslocamento de um líquido por escoamento. Elas transformam o trabalho mecânico que recebe para seu funcionamento em energia, que é comunicada ao líquido sob as formas de energia de pressão e cinética. 9.2. Classificação As bombas podem ser classificadas pela sua aplicação ou pela forma com que a energia é cedida ao fluido. O quadro a seguir mostra resumidamente a classificação dos principais tipos de bombas. Posteriormente serão apresentadas subclassificações dentro de cada tipo específico de bomba. Centrifugas Dinâmicas Puras ( Radiais) Fluxo Misto ou turbobombas Tipo Francis Fluxo Axial Pistão Alternativas Embolo Volumé tricas Diafragma ou deslocamento Engrenagens positivo Lóbulos Rotativas Parafuso Palhetas Desliz. Especiais
9.3. Tipos de Bombas 9.3.1. Turbobombas ou Bombas Dinâmicas São caracterizadas por possuírem um órgão rotatório dotado de pás (rotor) que exerce sobre o líquido forças que resultam da aceleração que lhe imprime. A finalidade do rotor (impelidor ou impulsor) é comunicar à massa líquida aceleração, para que adquira energia cinética e se realize assim a transformação da energia mecânica de que é dotado. Ele pode ser: - aberto (figura 9.1): quando não existe esta coroa circular inferior.
Figura 9.1 - Impelidor aberto
- fechado (figura 9.2): quando, além do disco onde se fixam as pás, existe uma coroa circular também presa às pás;
Figura 9.2 - Impelidor fechado - simples sucção(figura 9.3).
Figura 9.3 - Impelidor de simples sucção - dupla sucção(figura 9.4).
Figura 9.4 - Impelidor de dupla sucção Outro elemento constituinte das turbobombas é o difusor (recuperador), no qual é feita a transformação da maior parte da elevada energia cinética com que o líquido sai do rotor, em energia de pressão. Em geral, tem seção transversal gradativamente crescente e dependente do tipo de turbobomba pode ser: de tubo reto troncônico (nas bombas axiais); de caixa com forma de caracol ou voluta ou coletor (nas demais bombas). Entre a saída do rotor e do caracol, em certos tipos de bombas, colocam-se palhetas devidamente orientadas (pás diretrizes) para que o líquido que sai do rotor seja conduzido ao coletor com velocidade, direção e sentido tais que a transformação da energia cinética em energia potencial de pressão se processe com um mínimo de perdas por atrito ou turbulências.
Em princípio temos os seguintes tipos de carcaça:
- carcaça em voluta (figura 9.5)
Figura 9.5 - Carcaça em voluta - carcaça com pás difusoras(figura 9.6)
Figura 9.6 - Pás difusoras - carcaça concêntrica (figura 9.7)
Figura 9.7 - Carcaça concêntrica
- carcaça em dupla voluta (figura 9.8)
Figura 9.8 - Carcaça em dupla voluta - carcaça mista (figura 9.9)
Figura 9.9 - Bomba centrífuga com pás guias, bipartida radialmente Há várias maneiras de se fazer a classificação das turbobombas. Vejamos as principais: 9.3.1.1 Classificação das Turbobombas 9.3.1.1.1 Classificação segundo a trajetória do líquido no rotor. a) Bombas Centrífugas São aquelas em que a energia fornecida ao líquido é primordialmente do tipo cinética, sendo posteriormente convertida em grande parte em energia de pressão. A energia cinética pode ter origem puramente centrífuga ou de arrasto, ou mesmo uma combinação das duas, dependendo da forma do rotor. Nas bombas centrífugas radiais puras toda energia cinética é obtida através do desenvolvimento de forças puramente centrífugas na massa líquida devido ao movimento do rotor. O líquido penetra no rotor paralelamente ao eixo, sendo dirigido pelas pás para a periferia fazendo com que o líquido saia numa direção perpendicular ao eixo (radial). Possuem pás cilíndricas
(simples curvatura), com geratrizes paralelas ao eixo de rotação, sendo estas pás fixadas a um disco e uma coroa circular (rotor fechado) ou a um disco apenas (rotor aberto). A figura 9.10 mostra este tipo de bomba. São usadas quando se deseja fornecer uma carga elevada ao fluido e as vazões são relativamente baixas. Ex: água suja e esgotos, indústria de papel, de celulose e petroquímica.
Figura 9.10 - Bomba centrífuga radial Nas bombas centrifugas tipo Francis, as pás possuem curvaturas em dois planos. A região inicial das pás se apresenta com a forma de superfícies de dupla curvatura, para melhor atender à transição das partículas líquidas, da direção axial para radial, sem provocar choques (mudanças bruscas no sentido do escoamento) nem turbulências excessivas. A figura 9.11 mostra este tipo de bomba.
Figura 9.11 - Bomba centrífuga “ETA”. Rotor fechado
b) Bombas de fluxo Axial ou Propulsora Neste tipo de bomba toda a energia cinética é transmitida à massa líquida por forças puramente de arrasto. A trajetória das partículas líquidas começam paralelamente ao eixo e se transformam em hélices cilíndricas (figura 9.12).
Figura 9.12 - Trajetória de uma partícula líquida numa bomba axial Possuem rotor tem o aspecto de uma hélice de propulsão e pode ter de 2 a 8 pás. As pás podem ser fixas como mostra a figura 9.13 ou reguláveis como mostra a figura 9..14 (tipo Kaplan).
Figura 9.13 - Rotores de bombas axiais
Figura 9.14 - Rotor de bomba axial de oito pás de passo variável
O rotor é colocado no interior de um tubo com formato troncônico, e o motor que o aciona fica acima do tubo. As Figuras 9.15 e 9.16 mostram este tipo de bomba.
Figura 9.15 - Bomba axial
Figura 9.16 - Bomba axial de pás de passo variável para irrigação
Estas bombas são utilizadas em irrigação. Embora classificadas como centrífugas, no seu princípio de funcionamento não se constata o efeito desta força. São empregados para grandes descargas (até várias dezenas de m3/s) e alturas de elevação até mais de 40 m. c) Bombas Diagonais ou de fluxo misto Nas bombas hélico-centrífuga, o líquido penetra no rotor axialmente, atinge as pás cujo bordo de entrada é curvo e inclinado em relação ao eixo, segue uma trajetória que é uma curva reversa, pois as pás são de dupla curvatura, (ver figura 2) e atinge o bordo de saída que é paralelo ao eixo ou ligeiramente inclinado em relação a ele. Sai do rotor segundo um plano perpendicular ao eixo ou segundo uma trajetória ligeiramente inclinada em relação ao plano perpendicular ao eixo. A figura 9.17 mostra a trajetória da partícula no rotor. A figura 18 mostra uma bomba deste tipo.
Figura 9.17 - Trajetória de uma partícula numa bomba hélico-centrífuga
Figura 9.18 - Bomba hélico axial Sulzer
Nas bombas helicoidais ou semi-axiais, o líquido atinge o bordo das pás que é curvo e bastante inclinado em relação ao eixo, a trajetória é uma hélice cônica, reversa (ver figura 9.19), e as pás são superfícies de dupla curvatura.
Figura 9.19 - Trajetória de uma partícula numa bomba axial O bordo de saída das pás é uma curva bastante inclinada em relação ao eixo. O rotor normalmente possui apenas uma base de fixação das pás com forma de um cone ou de uma ogiva. A figura 9.20 mostra este tipo de bomba. São utilizadas para grandes descargas e alturas de elevação pequenas e médias.
Figura 9.20 - Bomba helicoidal sulzer
d) Bombas Periféricas ou Regenerativas São aquelas em que o fluido é arrastado através de um rotor com paletas na sua periferia, de tal forma que a energia cinética inicial é convertida em energia de pressão pela redução da velocidade na carcaça. A Figura 9. 21 mostra esse tipo de bomba. Elas são utilizadas em serviços de alimentação de caldeiras de pequena capacidade e aqueles em que se deseja uma carga elevada com vazões baixas.
Figura 9.21 Bombas regenerativas 9.3.1.1.2 Classificação segundo o número de rotores a) Bombas de Múltiplos Estágios Quando a altura de elevação é grande, faz-se o líquido passar sucessivamente por dois ou mais rotores fixados ao mesmo eixo e colocados em uma caixa cuja forma permite o escoamento. A passagem do líquido em cada rotor e difusor constitui um estágio de separação. O difusor de pás guias fica colocado entre dois rotores consecutivos. As pás do distribuidor são fundidas ou fixadas à carcaça ou ainda podem ser adaptáveis à carcaça. O eixo pode ser horizontal ou vertical. São próprias para instalações de alta pressão, pois a altura total a que a bomba recalca o líquido é, não considerando as perdas, teoricamente igual a soma das alturas parciais que seriam alcançadas por meio de cada um dos estágios (20 a 30 metros por estágio). São utilizadas para alimentação de caldeiras, em poços de água profundos e na pressurização de poços de petróleo. A Figura 9. 22 mostra este tipo de bomba.
Figura 9.22 - Bombas de múltiplos estágios 9.3.1.1.3 Classificação segundo o número entradas para aspiração a) Bombas de Sucção Simples Neste tipo de bomba a entrada do líquido é unilateral, se faz de um lado e pela abertura circular na coroa do rotor ( ver Figura 9. 3). b) Bombas de Sucção Dupla Neste tipo de bomba o rotor é de tal forma que permite receber líquidos por dois sentidos opostos, paralelamente ao eixo de rotação (ver Figura 9. 4). O rotor tem uma forma simétrica em relação a um plano normal ao eixo, e equivale hidraulicamente a dois rotores simples montados em paralelo e é capaz de elevar, teoricamente, uma descarga dupla, da que se obteria com o rotor simples. Desse modo, devido a simetria, o empuxo axial é equilibrado. A carcaça para este tipo de bomba é bipartida, isto é, constituída de duas seções separadas por um plano horizontal à meia altura e aparafusadas uma a outra ( ver Figura 9. 23). Estas bombas são utilizadas para descargas médias. 9.3.1.1.4 Classificação segundo o modo pelo qual é obtida a transformação da energia cinética em energia de pressão Essa transfomação, como vimos, se realiza no difusor, de modo que esse critério corresponde à indicação dos tipos de difusor. Temos assim: 1) Bomba de difusor com pás guias (diretrizes) colocadas entre o rotor e o coletor. 2)Bomba com coletor em forma de caracol ou voluta. 3)Bomba com difusor axial troncônico, com pás guias. 9.3.1.1.5 Outra Classificações Poderíamos ainda classificar as bombas conforme: - A velocidade específica; - A finalidade ou destinação; - A posição do eixo; - O líquido a ser bombeado; - Outros critérios;
Figura 9.23 - Bomba de carcaça bipartida 9.3.1.2 Características Gerais das Turbobombas As turbobombas têm como características principais: podem ser acionadas diretamente por motor elétrico sem a necessidade de modificadores de velocidade, sendo mesmo comum operarem a velocidades dos motores comerciais de 1750 e 3550; trabalham em regime permanente, o que é de fundamental importância em grande número de aplicações; fornecem boa flexibilidade operacional, pois a vazão pode ser modificada por recirculação, fechamento parcial de válvula na tubulação de descarga ou, alternativamente, por mudança de rotação ou diâmetro externo do impelidor e cobrem amplas faixas de vazão, indo desde vazões moderadas (centrífugas) até altas vazões (axiais). 9.3.1.3 Aplicações e Limitações das Turbobombas São utilizadas quando se deseja fornecer uma carga elevada ao fluido e as vazões são relativamente baixas. Os tipos de aplicações: - serviços gerais em indústrias de processos (papel, celulose, petroquímica). - abastecimento de água. - alimentação de caldeiras. - serviços de alta pressão. - extração de água em poços profundos - outras. As limitações de aplicação podem ser: a) quanto a velocidade específica: para ns < 500 a eficiência é muito pequena. Obs.: ns = .n em rpm, Q em gpm e H em ft
b) quanto a vazão: vazão mínima no mercado = 1 m3/h (4.59pm) c) quanto a carga: limite máximo entre 75 m e 150 m. d) quanto a viscosidade: viscosidade máxima de 500 SSU para que não diminua a eficiência. e) quanto a presença de gases (ar ou outros) no líquido bombeado: queda da eficiência com o aumento da porcentagem de gás em volume; para bombas centrífugas no máximo 5%; para bombas de fluxo misto e axial no máximo 10%. f) quanto a presença de sólidos no líquido bombeado: não deve ultrapassar 3% em volume. g) quanto a operação: deve ser escorvada (previamente enchida com o líquido a ser bombeado para haver a expulsão do ar bomba). 9.3.1.4 Especificação do tipo uma Turbobomba A seleção de uma turbobomba hidráulica, tal como as Turbinas Hidráulicas, pode ser feita em função das grandezas: ns (rotação específica), Q (descarga) e H (altura manométrica). Baseado nos resultados obtidos com bombas ensaiadas e no seu custo, o qual depende das dimensões da bomba, os fabricantes elaboraram tabelas, gráficos e ábacos, delimitando o campo de emprego de cada tipo em função da velocidade específica, de modo a proceder uma escolha que atenda as exigências de bom rendimento e baixo custo. Assim, segundo este critério, podemos classificar as turbobombas em: a) lentas (ns < 90) Bombas centrífugas puras, com pás cilíndricas, radiais, para pequenas e médias descargas, sendo 2,0.d1 < d2 < 2,5.d1. b) normais (90 < ns < 130) Bombas semelhantes as anteriores, com 1,5.d1 < d2 < 2,0.d1. c) rápidas (130 < ns < 220) Possuem pás de dupla curvatura; descargas médias e com 1,3.d1 < d2 < 1,8.d1. d) extra-rápidas ou hélio centrífugas (220 < ns < 440) Possuem pás de dupla curvatura, descargas médias e grandes e com 1,3.d1 < d2 < 1,5.d1. e) helicoidais (440 < ns < 500) Para descargas grandes e com d2≅1,2.d1. f) axiais (ns >500) Grandes descargas e pequenas alturas de elevação e 0,8.d1 < d2 < d1. A Figura 9. 24 mostra graficamente este campo.
Figura 9.24 - Gráfico do campo de emprego dos diversos tipos de rotores 9.3.1.5 Equações Fundamentais das Turbobombas As equações fundamentais para as turbobombas hidráulicas são aquelas apresentadas juntamente com as turbinas hidráulicas, com pequenas variações, já apresentadas.
9.3.1.6 Rendimentos das Turbobombas A Figura 9. 25 mostra o rendimento das turbobombas em função da rotação específica e da vazão.
Figura 9.25 - Eficiência em função de Ns e Q 9.3.1.7 Funcionamento - Características do Sistema A curva "carga da bomba x vazão" nos diz claramente a energia por unidade de peso que a bomba é capaz de fornecer ao fluido de trabalho em função da vazão. Entretanto, para determinar o ponto de trabalho, torna-se necessário determinar qual a energia por unidade de peso que o sistema solicitará de uma bomba em função da vazão bombeada. A esta sua característica dá-se o nome de altura manométrica do sistema, que é representada pelo mesmo símbolo (H) utilizado para carga da bomba. Esta energia por unidade de peso solicitada pelo sistema é então, para cada vazão, função da altura estática de elevação do fluido (h), da diferença de pressão entre a sucção e descarga (Pd-Ps) e das perdas existentes no circuito. onde:
P P H = hd − hs = Zd + d + h fd − Zs + s − h fs γ γ
hd= altura manométrica de descarga hs = altura manométrica de sucção hfd = perdas na linha de descarga para um Q hfs = perdas na linha de sucção para um Q Reescrevendo: Pd − Ps + ( Z d + Z s ) + h fd + h fs H = γ
(
)
H estático H dinâmico (não varia com Q) (varia com Q) A curva do sistema pode ser levantada, variando-se Q ;ver Figura 9. 26 . 8iy iuuh
Figura 9.26 - Curva do sistema - Ponto de Trabalho Se colocarmos a curva do sistema, no mesmo gráfico onde estão as curvas características das bombas, obteremos o ponto de trabalho na intersecção da curva Q x H da bomba com a curva do sistema, como mostra a Figura 9. 27.
Figura 9.27 - Ponto de trabalho Deve-se considerar que existem diversos recursos para modificar o ponto de trabalho e deslocar o ponto de encontro das curvas Q x H da bomba e do sistema.
- Escorva As turbobombas comuns, embora possam bombear fluido de um nível inferior ao do seu bocal de sucção, necessitam para isto serem escorvadas. Entende-se por escorva um processo de preparação da bomba para funcionamento, no qual o ar e os gases contidos no seu interior e na tubulação de sucção são extraídos e substituídos pelo fluido a ser bombeado. Portanto, antes de começar a operação, a bomba bem como a tubulação de sucção devem estar cheias de líquido. A escorva pode ser feita por meio de: - válvula de pé; - tanque de escorva; - ejetor; - bomba de vácuo; 9.3.1.8 Pré-dimensionamento das turbobombas A seguir será apresentada um roteiro básico para o dimensionamento das bombas centrífugas e axiais, que são os tipos mais comuns de turbobombas. No geral, segue mesma linha que as turbinas Francis e Kaplan. a) Pré-dimensionamento de turbobombas centrífugas 1) Dados Básicos - Q (m3 ): vazão para o ponto de trabalho - H (m): altura de elevação nominal - hs (m): altura máxima de sucção 2) Cálculos preliminares - Trabalho específico ( y ) - Rotação específica ( nqa ) - Rendimentos ( nm,, nn,, nt) - Potências (Pn, Pef) - Correção da descarga Q 3) Escolha do tipo
- Baseada em nqa e hmax , levando-se em conta o coeficiente de cavitação ( γmin ); - Determinar o tipo de motor de acionamento; - Determinar o tipo de rotor e o nº de estágios; 4) Cálculo do Rotor - O gráfico 1 mostra os valores do coeficiente de pressão ϕ = y/(u2/2) relação entre os diâmetros (que estão indicados na Figura 9.) em função da rotação específica, que servem como elemento de orientação. - Determinação de u4 e u2; - Determinação de D4 e D5 ; - Determinação de Cm4 e Cm5; - Determinação de b4 e b5; - Determinação dos triângulos de velocidade; - Verificação dos Elementos de Orientação e recalculo dos parâmetros, se necessário; - Determinação do nº e da espessura das pás; 5) Determinação das características do coletor - velocidade de entrada; - dimensões; - outros; 6) Cálculos Suplementares - Determinação do diâmetro do eixo; - Determinação da velocidade crítica; b) Pré-dimensionamento de Turbobombas Axiais 1) Dados Básicos - Q; - H; 2) Cálculos Preliminares - Y - nqa - nm, nh,, nt - Ph e Pef - Q′ 3) Escolha do Tipo - Baseada em nqa e hsmax levando-se em conta γmin. - Determinação do tipo de acionamento; - Determinação do tipo de rotor; 4) Cálculo do Rotor - O gráfico 2 mostra os valores do coeficiente de pressão ϕ e da relação entre os diâmetros Di/De em função de nqa, que servem como elementos de orientação. - Determinação de ue ; - Determinação de De e Di; - Verificação dos elementos de orientação e correção se necessário; - Determinação do nº de pás;
9.3.2. Bombas Volumétricas ou de Deslocamento Positivo São aquelas em que a energia é fornecida ao líquido já sob a forma de pressão, não havendo a necessidade de transformação de Energia Cinética. Assim sendo, a movimentação do líquido é diretamente causada pela movimentação de um órgão mecânico da bomba, que obriga o líquido a executar o mesmo movimento de que 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 ou volumógenas). Nestas bombas, as forças transmitidas ao líquido têm a mesmo direção do movimento geral do líquido. Uma das características mais importantes destas bombas é o fato de manterem a vazão média praticamente c de trabalho e da viscosidade do fluido bombeado, mesmo mantendo a rotação constante. São utilizadas para pressões elevadas e descargas relativamente pequenas. 9.3.2.1 Classificação e Características 9.3.2.1.1 Bombas Alternativas Podem ser classificadas de acordo com os seguintes critérios: 1) Quanto ao acionador: ( de 1 a 6) - Bombas de Potência (Força): quando o acionador é um motor elétrico ou de combustão interna, sendo o movimento transmitido pelo mecanismo eixo-manivela-bielacruzeta-orgão mecânico.São utilizadas para alta pressão no acionamento de prensas, nas indústrias de borracha, algodão, óleo, cerâmica, etc. - Bombas de Ação Direta: quando o acionador é uma máquina de vapor que movimenta diretamente o órgão movimentador do líquido da bomba. São empregadas na alimentação de água de caldeiras, pois aproveitam o vapor gerado na caldeira para o seu próprio acionamento. 2) Quanto a posição dos cilindros - Horizontal; - Vertical; 3) Quanto ao nº de cilíndros - Simplex: quando existe apenas 1 cilindro; - Duplex: quando existe 2 cilindros; - Triplex: quando existe 3 cilindros; - Multiplex: quando existe mais de 3 cilindros; Obs.: cilindro : câmara com pistão ou êmbolo; 4) Quanto ação de bombeamento - de simples efeito: quando apenas uma face do órgão movimentador atua sobre o líquido (sucção e descarga são feitas em um só lado). - de duplo efeito: quando as duas faces atuam sobre o líquido (sucção e descarga de ambos os lados, enquanto um lado succiona, o outro descarrega e vice-versa). 5) Quanto ao curso do órgão movimentador - de curso constante: construção usual; - de curso variável: permitem variar a vazão; 6) Quanto ao órgão movimentador do líquido - Bomba Alternativa de Pistão: o órgão que produz o movimento do líquido é um pistão que se desloca, com movimento alternativo, dentro de um cilindro. O princípio de funcionamento é o seguinte:
. No curso de aspiração, o movimento do pistão tende a produzir vácuo. A pressão do líquido no lado de aspiração faz com que a válvula de admissão se abra e o cilindro se encha; e enquanto isso ocorre, a válvula de recalque mantém-se fechada pela pressão pela própria diferença de pressões. No curso de recalque, o pistão força o líquido, empurrando-o para fora do cilindro, através da válvula de recalque. Mantém-se, neste curso, fechada a válvula de admissão devido à diferença de pressão. Assim, pode-se observar que o movimento do líquido é efetivamente causado pelo movimento do pistão, sendo da mesma grandeza e tipo do movimento deste. São utilizadas em serviços de dosagem de líquidos. A Figura 9. 28 mostra uma bomba deste tipo.
Figura 9.28 - Bomba alternativa de pistão -Bomba Alternativa de êmbolo: difere da anterior somente pela forma do órgão movimentador. O êmbolo nada mais é que um "pistão alongado". Tem o mesmo princípio de funcionamento e as mesmas aplicações, só que suporta pressões mais elevadas. A Figura 9. 29 mostra uma bomba deste tipo.
Figura 9.29 - Bomba alternativa de êmbolo - Bomba Alternativa de Diafragma: neste tipo de bomba o órgão que fornece a energia ao líquido é uma membrana acionada por uma haste com movimento alternativo (figura 9.. 30). Há casos de construção mais complexa em que a haste age em um fluido (normalmente óleo) que por sua vez atua na membrana (figura 9.. 31).
Figura 9.30 - Bomba alternativa de diafragma
Figura 9.31- Bomba de diafragma, atuação por óleo pela ação de êmbolo horizontal 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 movimento da haste, esse volume é descarregado na linha de recalque. São utilizadas para serviços de dosagem de líquidos (exemplo: bomba de combustível do carro). As Figuras 9.32 a 9.35 mostram alguns destes tipos de Bomba Alternativa.
Figura 9.32 - Representação esquemática de uma bomba de ação direta(acionada por vapor)
Figura 9.33 - Bomba de êmbolo, de potência, horizontal, simples efeito, simplex.
Figura 9.34 - Bomba de êmbolo, de potência, vertical, simples efeito, simplex.
Figura 9.35 - Bomba de pistão, de potência, horizontal, duplo efeito, simplex. 9.3.2.1.2 Bombas Rotativas Neste tipo de bomba, o líquido recebe a ação de forças provenientes de uma ou mais peças dotadas de movimento de rotação que, comunicando energia de pressão, provocam seu escoamento. A ação das forças se faz segundo a direção que é praticamente a do próprio movimento do escoamento do líquido. Podem ser classificadas do seguinte modo: 1) Bombas de um só rotor - Bombas de Paletas no Rotor (figura 9. 36)
Figura 9.36 - Palhetas deslizantes no rotor São compostas de um cilindro (rotor) cujo eixo de rotação é excêntrico ao eixo da carcaça. O rotor possui ranhuras radiais onde se alojam palhetas rígidas com movimento livre nestas ranhuras. Devido a sua rotação, a força centrífuga projeta as palhetas contra a carcaça formando câmaras entre elas de tal modo que o fluido fique aprisionado. Devido a excentricidade do cilindro em relação à carcaça, essas câmaras apresentam uma redução de volume no sentido de escoamento pois as palhetas são forçadas a se acomodarem sob o efeito de força centrífuga e limitadas, na sua projeção para fora do rotor, pelo contorno da carcaça. O fato do aumento de pressão ser provocado por redução de volume justifica a sua classificação como bomba volumétrica. Podem ser de duas modalidades: - de descarga constante (comuns) - de descarga variável ( que utilizam um compensador de pressão) São utilizadas para alimentação de caldeiras e em comandos hidráulicos. - Bombas de Paletas no Estator (figura 9. 37)
Figura 9.37 - Palheta deslizante no estator Possuem um cilindro giratório elíptico que desloca uma paleta que é guiada por uma ranhura na carcaça da bomba. O peso da própria palheta, auxiliado pela ação de uma mola, faz com que a palheta mantenha sempre contato com a superfície do rotor elíptico, proporcionando o escoamento.
- Bombas de Pistão Radial (figura 9. 38)
Figura 9.38 - Pistão radial O eixo motor possui dois excêntricos (C) defasados de 180 graus que movimentam, cada qual, um tambor contendo um êmbolo (A) que se desloca num pino rotativo articulado (P). Ao girar o tambor, o êmbolo oscila, ora subindo, ora abaixando, funcionando como uma válvula de controle do líquido, da boca de aspiração até a de recalque da bomba.
- Bombas de Palhetas Flexíveis (figura 9. 39)
Figura 9.39 - Palhetas flexíveis O rotor possui pás de borracha de grande flexibilidade, que, durante o movimento de rotação se curvam, permitindo que entre cada duas delas seja conduzido um volume de líquido da boca de aspiração até a de recalque. Na parte superior interna da carcaça existe um "crescente" para evitar o retorno do líquido ao lado aspiração. - Bombas de Guia Flexível (figura 9. 40)
Figura 9.40 - Guia flexível
Um excêntrico desloca uma peça tubular ("camisa") tendo em cima uma palheta guiada por uma ranhura fixa. -Bombas de Tubo Flexível (figura 9. 41)
Figura 9.41 - Bomba de tubo flexível ou de rolete Consiste de uma roda excêntrica, dotada em certos casos de dois ou três coletes diametralmente opostos, que comprime um tubo de borracha muito flexível e resistente. A passagem dos rolos comprimindo tubo determinam um escoamento pulsativo do líquido contido no tubo, razão pela qual é também conhecida como bomba peristáltica. O líquido passa ao longo do tubo sem contato com qualquer parte da bomba. Por isso, são utilizadas para líquidos corrosivos, abrasivos e tóxicos, entre outros. São usadas também para circulação extra-corpórea. - Bomba de parafuso único ( figura 9. 42)
Figura 9.42 - Parafuso (rotor helicoidal) Consta de um rotor que é um parafuso helicoidal que gira no interior de um estator elástico também com forma de parafuso, mas com perfil de hélice dupla. São empregadas em saneamento básico. 2) Bombas de mais de um rotor - Bombas de Engrenagens Externas (figura 9. 43) Consiste de duas rodas dentadas, trabalhando dentro de uma caixa com folgas muito pequenas em volta e dos lados das rodas. Com o movimento das engrenagens, o fluido aprisionado nos vazios entre os dentes e a carcaça, é empurrado pelos dentes e forçado a sair pelo lado oposto e assim sucessivamente. Destinam-se ao bombeamento de substâncias líquidas e viscosas, lubrificantes ou não, mas que não contenham particulados ou corpos sólidos granulados.
Figura 9.43 - Bomba de engrenagens - Bombas de Engrenagem Interna (figura 9. 44)
Figura 9.44 - Bombas com engrenagens internas com crescente Possui um roda dentada exterior presa a um eixo e uma roda dentada livre interna acionada pela externa. A cada rotação do eixo da bomba, uma determinada quantidade de líquido é conduzida ao interior da bomba, enchendo os espaços dos dentes da roda motora e da roda livre quando passa pela abertura de aspiração. O líquido é expelido dos espaços entre os dentes em direção à saída da bomba pelo engrenamento dos dentes numa posição intermediária entre a entrada e a saída. São aplicáveis ao bombeamento de água, óleos, ácidos, álcool, asfalto, e etc.
- Bombas de Lóbulos (figura 9. 45)
Figura 9.45a - Bomba de lóbulos duplos
Figura 9.45b - Bomba de lóbulos duplos, rolos
Figura 9.45c - Bomba de lóbulos triplos Possuem dois rotores, cada qual com dois ou três lóbulos. O funcionamento é similar ao das bombas de engrenagens externas. São usadas no bombeamento de produtos químicos, lubrificantes, e etc. - Bombas de Pistões Radiais (figura 9.46) Constam de um tambor excêntrico ou rotor contendo orifícios cilíndricos onde são colocados os pistões e que gira no interior de uma caixa em torno de um pivô distribuidor fixo. Quando o rotor gira a força centrífuga mantém os pistões em contato com a parte cilíndrica interna da carcaça. Quando o pistão se aproxima do centro, descarrega líquido no pivô distribuidor central, e quando se afasta, forma o vácuo necessário para a aspiração. Os canais de aspiração e recalque no pivô distribuidor são independentes, operando em sincronia com o rotor. Alterando-se a excentricidade do rotor, consegue-se a variação de descarga desejada.
Figura 9.46 - Bomba de pistões radiais -Bombas de Parafusos (figura 9. 47)
Figura 9.47 - Bomba de tres parafusos Constam de dois ou três parafusos helicoidais que têm movimento sincronizados através de engrenagens e equivalem teoricamente a uma bomba de pistão com curso infinito. 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. São utilizadas para transporte de produtos de viscosidade elevada. -Bombas de Fuso (figura 9.48)
Figura 9.48 - Bomba de fusos com dois fusos
Consiste de uma modalidade das bombas de parafusos com formato e traçado dos dentes helicoidais retangulares. Pode ser constituída de dois ou três rotores. 9.3.2.1.3 Bombas Especiais Nessa seção apresentaremos algumas bombas com características especiais e cuja importância justifica um referência. Entre elas podemos destacar: - Carneiro Hidráulico (Ariete) (figura 9. 49)
Figura 9.49 - Carneiro hidráulico. Válvula sem campânula(detalhe) Funciona em decorrência do surgimento do transiente hidráulico, conhecido como golpe de ariete, permitindo elevar uma parcela de água que nele penetra a uma altura superior àquela de onde a água proveio, sem necessitar do auxílio de qualquer motor externo. Seu funcionamento é basicamente o seguinte: A água enche o corpo A e sai pelos orifícios B, pois a válvula v′ está aberta pela ação do seu peso. A água sai em pequenos esguichos, com descarga e velocidade crescentes. Quando esta atinge seu valor máximo, pela queda de pressão resultante, a válvula v′ é arrastada bruscamente para cima, interrompendo o escoamento. Ora, a pressão de que está dotada a massa de água em escoamento, não podendo ser destruída, determina uma sobrepressão ao longo do corpo do carneiro, provocando a abertura da válvula v da câmara de ar e nela penetrando (efeito do golpe de ariete). Uma parte da água sai então pelo tubo de recalque R, com velocidade quase constante, tão logo as pressões em A e C se tornem iguais, v se fecha e a água volta a escoar pelos orifícios do corpo do carneiro, pois v′ baixa pelo próprio peso. E assim sucessivamente, o ciclo é repetido. São muito utilizados em fazendas, sítios e etc.
- Bombas Regenerativas ou Periféricas. (figura 9. 50)
Figura 9.50a - Bomba regenerativa
Figura 9.50b - Rotor de bomba regenerativa São bombas com um rotor que desenvolve energia de pressão pela recirculação do líquido numa série de palhetas radiais (40 a 80) dispostas do dois lados do rotor. Equivalem a uma bomba centrífuga convencional de Múltiplos Estágios. Cada trajeto completo que as partículas líquidas fazem, do fundo à periferia, e novamente das pás corresponde a um estágio. No trajeto do fundo à periferia, o líquido é impulsionado pela força centrífuga do movimento de rotação, havendo o aumento da energia cinética e de pressão. O trajeto de volta ao fundo das pás e o movimento de rotação são causados pelo impulso da força centrífuga sobre novas partículas que tendem a desalojar as primeiras, produzindo os referidos movimentos. São utilizadas em serviços de alimentação de caldeiras de pequena capacidade e aqueles e que se deseja uma carga elevada com vazões baixas. Exemplo: lavador, água potável, refinarias, cervejarias, etc. - Bombas para Indústrias Químicas e de Processamento (figura 9. 51) Bombeiam líquidos tóxicos, inflamáveis, explosivos, corrosivos, viscosos, pastosos, muitos quentes ou muitos frios, etc. São feitas de maneiras especiais para evitar a corrosão.
Figura 9.51 - Bomba centrífuga com revestimento interno - Bombas para Sólidos (figura 9. 52)
Figura 9.52 - Bomba de concreto Bombeiam lama, areia, lodos, concreto, etc. Neste tipo de bomba. as granulações sólidas não possuem e nem podem transmitir energia de pressão, mas apenas energia cinética e, portanto, a altura útil gerada e os rendimentos serão menores no bombeamento das misturas com partículas sólidas comparadas com a da água líquida.
- Bombas de Alta Rotação (figura 9. 53)
Figura 9.53 - Bomba sundyne com caixa de engrenagem, sem indutor Bomba de reduzidas dimensões, capazes de fornecer pressões muito elevadas ( maiores que 100 Kgf/cm2) Tem um rotor característico com pás radiais retas que pode ou não ter um indutor adaptado a sua extremidade para melhorar as condições de aspiração (figura 9.. 54.a) e 54.b)) e não possuem voluta.
Figura 9.54 a - Rotor de bomba Sundyne
Figura 9.54 b - Rotor com indutor de bomba Sundyne A Figura 9. 55 mostra o percurso do líquido nesta bomba.
Figura 9.55 - Percurso do líquido na bomba Sundyne É usada nas indústrias químicas e petroquímicas e na indústria aeronáutica e aeroespacial. 9.4. Comparações entre as Turbobombas e as Bombas Volumétricas a) Quanto a vazão Bombas Volumétricas: - Há uma proporcionalidade entre a descarga e a velocidade da bomba (que por sua vez é proporcional ao órgão mecânico que impulsiona o fluido). - Além disso, a vazão bombeada praticamente independe da altura e/ou pressões a serem vencidas. - As BombasVolumétricas alternativas possuem vazão de bombeamento variável com o tempo, as rotativas não. Turbobombas: - A vazão bombeada depende das características de projeto da bomba, rotação e das características do sistema que está operando. - A vazão de bombeamento é constante com o tempo. b) Quanto ao movimento do fluido e do impelidor
Bombas Volumétricas: - O movimento do líquido dentro da bomba e o movimento do órgão impulsionador são exatamente os mesmos, mesma natureza, mesma velocidade em grandeza, direção e sentido. Turbobombas: - Embora os dois movimentos sejam relacionados entre si, não são absolutamente iguais. c) Quanto ao órgão mecânico Bombas Volumétricas: - O órgão mecânico transmite energia ao líquido sob a forma exclusivamente de pressão, isto é, só aumenta a pressão e não a velocidade. Turbobombas: - A energia transmitida pelo órgão mecânico (rotor) sob a velocidade de pressão. d) Quanto ao Funcionamento Bombas Volumétricas: - Podem iniciar o seu funcionamento com a presença de ar no seu interior. Turbobombas: - O início do funcionamento deve ser feito sem a presença de ar na bomba e no sistema de sucção, isto é, deve ser cheia de líquido.
