Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul

Faculdade de Engenharia

Departamento de Engenharia Mecânica e Mecatrônica

BOMBAS

Tipos de Fluidos, Pressões, Vazões, etc.

Classificação

Características de Funcionamento

Bombas de Deslocamento Positivo

Turbobombas

Bombas de Centrífugas

Bombas Rotativas

Bombas Alternativas

Links

Perguntas e Respostas

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Tipos de Fluidos, Pressões, Vazões, etc.

As bombas hidráulicas podem trabalhar com diferentes tipos de vazões, alturas de elevação, tipos de fluidos, etc. Abaixo estão relacionadas as características de algumas bombas, que estão explicadas detalhadamente mais adiante. O tipo de fluido utilizado por elas, dependendo do tipo de rotor que cada uma usa, está explicado junto com a descrição das bombas.

- Bombas Centrífugas: radiais, possuindo um ou mais estágios, possuem de baixa a alta capacidade. Para um simples estágio: Altura: 6-50 m ; Rotações: 400 - 4000 rpm ; Rendimento: 60 - 90 % ; Rotação Específica: 10 - 80

- Bombas de Fluxo Misto: de simples ou de vários estágios. Para um estágio: Vazão: acima de 0.5 m3/s ; Altura: 3 - 30 m ; Rotações: 200 - 4000 rpm ; Rendimento: 80 - 90 % ; Rotação Específica: 80 - 180

- Bombas de Fluxo Axial: Normalmente só possuem um estágio. Vazão: acima de 0.5 m3/s ; Altura: 1 - 11 m ; Rotações: 200 - 1600 ; Rendimento: 76 - 85 % ; Rotação Específica: 180 - 300

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Classificação

Dinâmicas ou

turbobombas

Bombas centrífugas

Puras ou radiais

As bombas podem ser classificadas pela sua aplicação ou pela forma com que a energia é cedida ao fluído. Normalmente, existe uma relação estreita entre a aplicação e a característica da bomba que, por sua vez, está intimamente ligada à forma de cessão de energia ao fluido.

Tipo Francis

Bombas de fluxo misto

Bombas de fluxo axial

Bombas periféricas ou regenerativa

Volumétricas ou

Deslocamento

Positivo

Bombas Alternativas

Pistão

O modo pelo qual é feita a transformação do trabalho em energia hidráulica e o recurso para cedê-la ao líquido aumentando a sua pressão e ou sua velocidade permitem que elas se classifiquem em: bombas de deslocamento positivo, turbobombas e bombas especiais. Dentre as classificações de turbobombas e de deslocamento positivo podemos enumerar algumas das mais importantes subdivisões destas bombas, como mostra a tabela ao lado.

Êmbolo

Diafragma

Bombas rotativas

Engrenagens

Lóbulos

Parafusos

Palhetas Deslizantes

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  Características de Funcionamento

As Bombas são como máquinas operatrizes hidráulicas que conferem energia ao fluido com a finalidade de transportá-lo por escoamento de um ponto para outro obedecendo as condições do processo. As bombas transformam o trabalho mecânico que recebem para seu funcionamento em energia. Elas recebem a energia de uma fonte motora qualquer e cedem parte dessa energia ao fluido sob forma de energia de pressão, cinética ou ambas. Isto é, elas aumentam a pressão do líquido, a velocidade ou ambas essas grandezas. A energia cedida ao líquido pode ser medida através da equação de Bernoulli. A relação entre a energia cedida pela bomba ao líquido e a energia que foi recebida da fonte motora, fornece o rendimento da bomba.

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Bombas de Deslocamento Positivo

As bombas de deslocamento positivo possuem uma ou mais câmaras, em cujo interior o movimento de um órgão propulsor comunica energia de pressão ao líquido, provocando o seu escoamento. Assim, proporciona as condições para que se realize o escoamento na tubulação de aspiração até a bomba e na tubulação de recalque até o ponto de utilização. A característica principal desta classe de bombas é que uma partícula líquida em contato com o órgão que comunica a energia tem aproximadamente a mesma trajetória que a do ponto do órgão com o qual está em contato. As bombas de deslocamento positivo podem ser Alternativas ou Rotativas.

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Turbobombas

As turbobombas são caracterizadas por possuírem um órgão rotatório dotado de pás (rotor) que, devido a sua aceleração, exerce forças sobre o líquido. Essa aceleração não possui a mesma direção e o mesmo sentido do movimento do líquido em contato com as pás. A descarga gerada depende das características da bomba, do número de rotações e das características do sistema de encanamentos.

O rotor, também chamado impulsor ou impelidor, comunica à massa líquida aceleração, adquirindo energia cinética para a transformação da energia mecânica. É um disco de formato cônico dotada de pás, que pode ser fechado ou aberto. É fechado quando, além do disco onde se fixam as pás, existe uma coroa circular também presa às pás. Pela abertura dessa coroa, o líquido penetra no rotor. Usa-se para líquidos sem substâncias em suspensão. Já o rotor aberto, é caracterizado quando não existe essa coroa circular anterior. Usa-se para líquidos contendo pastas, lamas, areia, esgotos sanitários e para outras condições.

O difusor ou recuperador faz a transformação da maior parte da elevada energia cinética com que o liquido sai do rotor, em energia de pressão. Esta transformação é operada de acordo com o teorema de Bernoulli, pois o difusor sendo, em geral, de seção gradativamente crescente, realiza uma contínua e progressiva diminuição da velocidade do liquido que por ele escoa, com o simultâneo aumento da pressão, de modo a que esta tenha valor elevado e a velocidade seja reduzida na ligação da bomba ao encanamento de recalque. O difusor pode ser de tubo reto troncônico (bombas axiais) ou de caixa com forma de caracol ou voluta (nos demais tipos de bombas, chamado simplesmente de coletor ou caracol).

Em certas bombas, entre a saída do rotor e o caracol, colocam-se palhetas devidamente orientadas, as "pás guias" 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 potencial de pressão se processe com um mínimo de perdas por atrito ou turbulências.

Classificação das turbobombas:

Segundo a trajetória do líquido do rotor:

Bomba centrífuga pura ou radial: o líquido penetra no rotor paralelamente ao eixo, sendo dirigido pelas pás para a periferia, segundo trajetórias contidas em planos normais ao eixo. Essas bombas são usadas no bombeamento de água limpa, água do mar, condensados, óleos, lixívias, para pressões até 16 Kgf/cm e temperaturas até 140 C.

Bomba de fluxo misto ou bomba diagonal:

1. Bomba hélico-centrífuga neste tipo de bomba, o líquido penetra no rotor axialmente, atingindo 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, 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 pressão é comunicada pela força centrífuga e pela ação de "sustentação" ou "propulsão" das pás.

2. Bomba helicoidal ou semi-axial o líquido atinge o bordo das pás que é curvo e bastante inclinado em relação ao eixo; a trajetória é uma hélice cônica, reversa, e as pás são superfícies de dupla curvatura. Esta bombas prestam-se a grandes descargas e alturas de elevação pequenas e médias.

3. Bomba axial ou propulsora as trajetórias das partículas líquidas começam paralelamente ao eixo e se transformam em hélices cilíndricas. Forma-se uma hélice de vórtice forçado, pois, ao escoamento axial, superpõem-se um vórtice forçado pelo movimento das pás. São empregadas para grandes descargas e alturas de elevação de até mais de 40 metros. Outra característica é que possuem difusor de pás guias. O eixo, em geral, é vertical, e por isso são conhecidas como bombas verticais de coluna.

Segundo o número de rotores usados:

Bomba de simples estágio: por conter apenas um rotor, o fornecimento de energia ao líquido é feito em um único estágio (constituído por um rotor e um difusor). Estas bombas não sào utilizadas para alturas de elevação grandes por suas dimensões excessivas e correspondente custo elevado, além do baixo rendimento.

Bombas de múltiplos estágios: quando a altura de elevação é grande, faz-se o líquido passar sucessivamente por dois ou mais rotores fixado são mesmo eixo e colocados em uma caixa cuja forma permite esse escoamento. A passagem do líquido em cada rotor e difusor constitui um estágio na operação de bombeamento. Seu eixo pode horizontal ou vertical. São próprias para instalação de alta pressão, já que a altura total de elevação é a soma das alturas parciais de cada rotor.

Segundo o número de entradas para aspiração:

Bomba de aspiração simples ou entrada unilateral: a entrada do líquido se faz de um lado e pela abertura circular na abertura do rotor.

Bomba de aspiração dupla ou entrada bilateral: o rotor permite receber o líquido por dois sentidos opostos, paralelamente ao eixo de rotação. Equivale a dois rotores em paralelo que, teoricamente, são capazes de elevar uma descarga dupla da que se obteria com o rotor simples. O empuxo longitudinal do eixo é equilibrado nas bombas de rotores bilaterais. O rendimento dessas bombas é muito bom, o que explica o seu largo emprego para descargas médias.

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  Bombas Centrífugas

São o tipo mais simples e mais empregado das turbobombas. Nelas, 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 impelidor. A conversão de grande parte da energia cinética em energia de pressão é realizada fazendo com que o fluido que sai do impelidor passe em um conduto de área crescente.

  As bombas deste tipo possuem pás cilíndricas (simples curvatura), com geratrizes paralelas ao eixo de rotação, sendo estas pás fixadas a um disco e a uma coroa circular (rotor fechado) ou a um disco apenas (rotor aberto, para bombas de água suja, na indústria de papel, etc.), conforme é mostrado na figuras.

O uso normal das bombas centrífugas é feito sob pressões de até 16 kgf/cm e temperaturas de até 140C. Entretanto, existem bombas para água quente até 300C e prassões de até 25kgf/cm (bombas centrífugas de voluta). É o caso das bombas CZ da Sulzer-Weiser, mostrada à esquerda.

Tipos de bombas centrífugas:

Bomba Centrífuga Radial: nas centrífugas radiais, toda a energia cinética é obtida através do desenvolvimento de forças puramente centrífugas na massa líquida devido à rotação de um impelidor de característica especiais. Bombas desse tipo são empregadas quando se deseja fornecer uma carga elevada ao fluido e as vazões são relativamente baixas. A direção de saída do fluido é normal ao eixo e por isso essas bombas são chamadas também de centrifugas puras.

Bomba Centrífuga Tipo Francis: existe uma bomba centrífuga radial que usa um impelidor com palhetas chamadas Francis, daí o nome de bomba tipo Francis. A característica deste impelidor é que suas palhetas possuem curvaturas em dois planos. Essa particularidade aproxima o desempenho dessa bomba ao de uma bomba de fluxo misto, embora tenha aplicação específica.

Funcionamento de uma bomba centrífuga:

Ela não é auto-aspirante. Ao ser ligada, a força centrífuga decorrente do movimento do rotor e do líquido nos canais das pás cria uma zona de maior pressão na periferia do rotor e uma de baixa pressão na sua entrada, produzindo o deslocamento do líquido em direção à saída dos canais do rotor e à boca de recalque da bomba. Como, em geral, as bocas de aspiração e de recalque estão ligadas à tubulações que levam a reservatórios em diferentes níveis, essa diferença de pressão que se estabelece no interior da bomba faz com que surja um trajeto do líquido do reservatório inferior (ligado à boca de aspiração) para o superior (ligado à boca de recalque) através da tubulação de aspiração, dos canais do rotor e difusor, e da tubulação de recalque, respectivamente. É na passagem pelo rotor que se processa a transformação da energia mecânica nas energias de pressão e cinética.

Curvas características:

As grandezas Q (vazão ou descarga), He (altura de elevação), n (número de rotações) e n (rendimento) foram chamadas de grandezas características do funcionamento de uma turbobomba.

A bomba pode ser projetada para atender a um valor prefixado do número n de rotações. Nesse caso, com esse valor de n, ela operará com uma descarga Q, uma altura de elevação He, proporcionando um rendimento máximo n máx. Pode-se, entretanto, desejar que a bomba funcione com outros valores de Q ou de He, e uma das soluções consiste em variar o número de rotações. É o que acontece em elevatórias de água ou de esgotos em que a descarga depende da hora e do dia da semana. Dentro de certos limites da variação do número de rotações, o rendimento baixa a valores ainda aceitáveis.

A partir da equação de Euler chega-se a uma série de relações entre essas e outras grandezas (peso específico, velocidade do líquido no rotor, potência, etc.) permitindo, assim, que se possam traçar curvas características de algumas dessas variáveis em relação a outra (que se deseja manter praticamente constante). Na prática, ensaiam-se as bombas nos laboratórios, quando possível, para um traçado mais exato dessas curvas.

A figura acima mostra curvas normalmente obtidas ensaiando-se as bombas centrífugas com variação do número n de rpm. Essa curva poderia ser usada, no caso citado acima, para análise do rendimento em função de uma pequena variação na rotação.

Sendo a descarga a grandeza que mais facilmente pode ser variada, é do maior interesse saber como variam as grandezas características em relação à mesma, principalmente a variação de H. Por essa razão a curva que traduz a função (H,Q) para um valor constante do número de rotações chama-se curva característica principal da bomba ou curva da carga (H) em função da vazão (Q). Essa curva pode se apresentar de 4 diferentes formas: inclinada, ascendente/descendente, altamente descendente e plana. As curvas "carga x vazão", "potência x vazão" e "rendimento x vazão" são normalmente fornecidas em conjunto, conforme é mostrado ao lado.

A partir de um estudo teórico que leva em consideração o ângulo da pá na saída , para um número de pás infinitas e sem espessuras, obtemos três retas, como mostra o gráfico a esquerda. Essas curvas, na realidade, não são retas conforme mostra a teoria, já que ná prática há influência do número de pás e das perdas por atritos, de choques e fugas de líquidos, etc. Assim, as curvas reais passam a ser as mostradas do lado direito:

 

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Bombas Rotativas

Nas bombas rotativas, o líquido recebe a ação de forças provenientes de uma ou mais peças dotadas de m 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 de escoamento do líquido. A discarga e a pressão do líquido bombeado sofrem pequenas variações quando a rotação é constante.

Existe uma grande variedade de bombas rotativas que encontram aplicação não apenas no bombeamento convencional, mas principalmente nos sistema de lubrificação, nos comandos, controles e transmissões hidráulicas e nos sistemas automáticos com válvulas de seqüencia.

Classificação das Bombas Rotativas:

 

Um único rotor

Palhetas

 

Mais de um rotor

Engrenagem

Pistão

Lóbulos

Elemento Flexível

Pistões Oscilatórios

Parafuso

Parafuso

Bombas de um só rotor:

Bombas de Palhetas Deslizantes: muito usadas para alimentação de caldeiras e para sistema óleodinâmicos de acionamento de média ou baixa pressão. São auto-aspirantes e podem ser empregadas também como bombas de vácuo. 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 nessa direção. Devido à 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 da força centrífuga e limitadas, na sua projeção para fora do rotor, pelo contorno da carcaça. Podem ser de descarga constante (mais comuns) e de descarga variável.

Bombas de Parafuso: constam de um, dois ou três "parafusos" helicoidais que têm movimentos sincronizados através de engrenagens. Esse movimento se realiza em caixa de óleo ou graxa para lubrificação. Por este motivo, são silenciosas e sem pulsação.

O fluido é admitido pelas extremidades e, devido ao movimento de rotação e aos filetes dos parafusos, que não têm contato entre si, é empurrado para a parte central onde é descarregado. Essas bombas são muito utilizadas para o transporte de produtos de viscosidade elevada.

 

Bombas de mais de um rotor:

Bombas de Engrenagens: essas bombas podem ser de engrenagem interna ou engrenagem externa. Por esta segunda ser mais comum, é a respeito dela que daremos uma breve explicação.

Destinam-se ao bombeamento de substâncias líquidas e viscosas, lubrificantes ou não, mas que não contenham partículas (óleos minerais e vegetais, graxas, melaços, etc.). Consiste em duas rodas dentadas, trabalhando dentro de uma caixa com folgas muito pequenas em volta e do lado 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 pela tubulação de saída. Os dentes podem ser retos ou helicoidais. Quando a velocidade é constante, a vazão é constante.

Bombas de Lóbulos: têm o princípio de funcionamento similar ao das bombas de engrenagens. Podem ter dois, três ou até quatro lóbulos, conforme o tipo. Por ter um rendimento maior, as bombas de três lóbulos são as mais comuns. São usadas no bombeamento de produtos químicos, líquidos lubrificantes ou não-lubrificantes de todas as viscosidades.

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  Bombas Alternativas

Nas bombas alternativas, o líquido recebe a ação das forças diretamente de um pisão ou êmbolo ou de uma membrana flexível (diafragma). Elas podem ser acionadas pela ação do vapor ou por meio de motores elétricos ou também por motores de combustão interna. São bombas de deslocamento positivo porque exercem forças na direção do próprio movimento do líquido.

No curso da aspiração, o movimento do êmbolo tende a produzir o vácuo no interior da bomba, provocando o escoamento do líquido. É a diferença de pressões que provoca a abertura de uma válvula de aspiração e mantém fechada a de recalque. No curso de descarga, o êmbolo exerce forças sobre o líquido, impelindo-o para o tubo de recalque, provocando a abertura da válvula de recalque e mantendo fechada a de aspiração. A descarga é intermitente e as pressões variam periodicamente em cada ciclo. Estas bombas são auto-escorvantes e podem funcionar como bombas de ar, fazendo vácuo se não houver líquido a aspirar.

Classificação das Bombas Alternativas:

Acionadas por vapor empregadas na alimentação de água nas caldeiras, pois aproveitam o vapor gerado na caldeira para seu próprio funcionamento;

De potência ou de força acionadas por motores elétricos ou de combustão interna, são utilizadas no acionamento de prensas, nas indústrias de borracha, algodão, óleo, etc.;

De descarga controlada deslocam com precisão um predeterminado volume de líquido em um tempo preestabelecido. Acionadas por motores, possuem mecanismos de eixo de manivela-biela. Podem ser dos seguintes tipos:

1. Bombas alternativas de pistão: o órgão que produz o movimento do líquido é um pistão que se desloca, com movimento alternativo, dentro de um cilindro. No curso de aspiração, o movimento do pistão tende a produzir vácuo. A pressão do líquido no lado da aspiração faz com que a válvula de admissão se abra e o cilindro se encha. No curso de recalque, o pistão força o líquido, empurrando-o para fora do cilindro através da válvula de recalque. O movimento do líquido é causado pelo movimento do pistão, sendo da mesma grandeza e do tipo de movimento deste.

 2. Bombas alternativas de êmbolo: seu princípio de funcionamento é idêntico ao das alternativas de pistão. A principal diferença entre elas está no aspecto construtivo do órgão que atua no líquido. Por serem recomendadas para serviços de pressões mais elevadas, exigem que o órgão de movimentação do líquido seja mais resistente, adotando-se assim, o êmbolo, sem modificar o projeto da máquina. Com isso, essas bombas podem ter dimensões pequenas.

 

 

3. Bombas alternativas de diafragma: o órgão que fornece a energia do líquido é uma menbrana acionada por uma haste com movimento alternativo. O movimento da menbrana, em um sentido, diminui a pressão da câmara fazendo com que seja admitido um volume de líquido. Ao ser invertido o sentido do movimento da haste, esse volume é descarregado na linha de recalque. São usadas para serviços de dosagens de produtos já que, ao ser variado o curso da haste, varia-se o volume admitido. Um exemplo de aplicação dessa bomba é a que retira gasolina do tanque e manda para o carburador de um motor de combustão interna.

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   Links

www.ebmi.com.br , www.hidrodinamica.com.br , www.vibrotec.com.br

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Perguntas e Respostas

1. Por que damos o nome de Bombas Centrífugas?

Porque é a força centrífuga a responsável pela maior parte da energia que o liquido recebe ao atravessar a bomba.

2. Qual a vantagem das bombas de múltiplo estágio?

Essas bombas têm a característica de somar as alturas parciais de cada um de seus rotores, não considerando as perdas. Assim, são indicadas para instalações de alta pressão e de grande altura de elevação.

3. Qual são as aplicações indicadas para turbobombas de rotor fechado e de rotor aberto?

As de rotor fechado são indicadas para uso com líquidos sem substâncias em suspenção; já o rotor aberto é utilizado com líquidos contendo pastas, lamas, areia, esgoto sanitário, etc.

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