Equipamentos Dinamicos - Parte 2

Equipamentos Dinâmicos

Turbin urbinas as a Vapor As turbinas a vapor são máquinas cuja função é transformar energia térmica em energia mecânica. Conforme citado anteriormente, uma turbina a vapor é um equipamento acionador, ou seja, sempre acionará outros equipamentos como bombas, compressores, geradores e outros.

Turbina a vapor acionando uma bomba centrífuga. Fonte: AUTOR

A energia térmica tem a água como meio de propagação. A água é submetida a um gerador de vapor (caldeira ou resfriador de processo), através de bomba centrífuga multiestágios, onde recebe energia ganhando temperatura e pressão, passando do estado líquido para vapor. Sabe-se que a água muda de estado físico tanto quando tem sua temperatura aumentada, se a pressão for modificada – para o entendimento disso revise os conteúdos de física sobre diagrama de estado e temperatura

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crítica. A energia térmica é conduzida do ponto de geração ao local de uso através de linhas (tubulações) isoladas termicamente para minimizar perdas e acidentes. Inevitavelmente, ocorrem condensações localizadas nas linhas e este condensado é retirado por purgadores ou drenos. Importante: a injeção de condensado em turbinas faz que elas sejam danificadas. O vapor é classificado em três classes de energia que são alta, média e baixa. A classe de alta energia tem temperatura entre 450 e 500ºC e pressão entre 85 a 110 kgf/cm 2, empregada em turbinas de grande potência. A classe de média energia tem temperatura entre 260 e 290ºC e pressão entre 16 a 18 kgf/cm 2, destinada a turbinas de pequena potência. A classe de baixa energia tem temperatura entre 120 e 150ºC e pressão entre 3 a 5 kgf/cm 2, não usada para turbinas. A entrada de vapor em uma turbina é chamada de admissão, e a saída de exaustão. Em turbinas de grande potência, a admissão será sempre de vapor de alta energia e a exaustão poderá ser de média energia ou condensação total. Em turbinas de pequena potência, a admissão será sempre de vapor de média ou alta energia e a exaustão será de baixa energia.

3.1 Princípio de funcionamento Quando o vapor, devido à expansão, empurra diretamente o pistão de uma máquina alternativa, a energia térmica do vapor é convertida em energia mecânica diretamente. Numa turbina, esta mesma transformação é conseguida, passando, entretanto, por um estágio intermediário. O vapor, ao escapar por um bocal, forma um jato de alta velocidade, e a força do jato produz energia mecânica. Conforme a ação do jato de vapor, as turbinas podem ser de impulsão ou de reação.

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Se o bocal é fixo, o jato pode empurrar um anteparo móvel. Caso o anteparo seja fixado na periferia de um rotor tem-se, basicamente uma turbina de impulsão. 3.1.1 3.1 .1 Per Percur curso so do do vapor vapor a) Turbina de Impulsão Na turbina de impulsão, o bocal, em número de um ou mais, estará na parte fixa (corpo), provocando uma expansão do vapor, que perde pressão e ganha velocidade. O jato que sai do bocal vai direto à periferia perife ria do rotor, onde estão as palhetas. Nestas, a pressão do vapor é mantida e a velocidade cai.

Princípio de funcionamento de turbina a vapor de reação.

Expandindo-se num bocal, bocal, a energia do vapor é convertida em velocidade e exerce uma força. A reação dessa força move o bocal. Se o bocal for montado na periferia de um rotor e o suprimento de vapor foi feito, tem-se basicamente, uma turbina de reação.

Bocal de carga – turbina de impulsão.

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Princípio de impulsão.

Nas turbinas de impulsão, os bocais são distribuídos em torno de um anel e o vapor entra lateralmente nas palhetas. O vapor é alimentado através de diversos bocais divergentes e atinge as palhetas do rotor, cedendo-lhe energia. Como regra, os bocais de turbinas de impulsão não alimentam de vapor toda a periferia do rotor, e, conseqüentemente, num dado instante, apenas parte das palhetas estão sob a ação do vapor. A queda total de pressão do vapor ocorre quando atinge as palhetas. Por outro lado, neste ponto, o vapor atinge sua máxima velocidade à custa da queda de pressão. A energia cedida pelo vapor ao rotor ocorre, então, às custas da diminuição da velocidade do vapor, ou seja, em função de sua energia cinética. Para se obter boa eficiência, eficiê ncia, o vapor deve ceder grande parte de sua energia ao passar pelo rotor. Essa cessão de energia acarreta uma grande velocidade do rotor, de forma que poucos materiais podem resistir à força centrífuga


desenvolvida. Uma solução para o problema é fazer com que o vapor ceda sua energia em vários estágios. Isto se consegue utilizando uma série de palhetas móveis, entre as quais se inserem palhetas fixas que servem de guia do vapor de um estágio para seguinte. No caso de uma turbina de dois estágios, a velocidade do valor decresce durante a passagem pelo primeiro estágio, permanece constante na fileira de palhetas fixas e decresce no segundo estágio até o vapor da exaustão.

Bocal de carga – turbina avapar de um estágio.

Bocal de carga – turbina a vapor dois estágios. Observação: Esta turbina pode ser

gio, dependendo da literatura.

considerada de um está-

b) Turbina de Reação Na turbina de reação, os bocais móveis formados por palhetas dispostas na periferia do rotor. Um conjunto adjacente de palhetas estacionárias dirige o vapor por essas palhetas móveis. A expansão ocorre nos dois conjuntos de forma que as turbinas de reação trabalham, basicamente, como de impulsão e reação. Comercialmente, o termo turbina de reação aplica-se às turbinas nas quais há substancial expansão do vapor nas partes móveis. A diferença essencial entre as turbinas de impulsão e reação é que na turbina de impulsão nenhuma queda de pressão do vapor ocorre quando da passagem pela palheta, enquanto na turbina de reação há queda de pressão nessa passagem. Devido a isso, existe uma diferença de pressão entre cada lado das lâminas fixas e estacionárias.

O vapor deve ser admitido a todas as partes da periferia porque, devido devido à queda de de pressão, possíveis vazamentos de vapor podem ocorrer para os espaços nos quais não existe vapor. Tendo vários estágios, isto é, vários rotores, é pequena a queda de pressão por estágio, resultando em serem pequenas as forças atuantes sobre as palhetas, ao contrário do que ocorre com a turbina de um estágio.

Bocal de carga – turbina de reação multiestágio.

c) Turbinas Mistas São as turbinas que utilizam simultaneamente os dois princípios de ação e reação.

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d) Turbinas de vários estágios Na sucessão de estágios de uma turbina, o tamanho das palhetas cresce com a queda de pressão a fim de que o espaço seja suficientemente grande para o progressivo aumento do volume de vapor. A expansão pode ser feita até a condensação do vapor, (turbina de condensação), ou até um determinado valor em que o vapor sai superaquecido (turbina de contra-pressão). Podemos também efetuar retirada de vapor em estágio intermediário (turbina de extração). Rotativo

Turbina a vapor multiestágios. Fonte: Catálogo AKZ.

3.1.2 Composição Uma turbina a vapor, de pequena potência, é composta pelas seguintes partes, conforme figura a seguir: – mancais, – conj conjun unto to rota rotati tivo vo,, – selagem, – carcaça, – sistema sistema de cont control rolee de veloci velocidad dade, e, – sist sistem emaa de de desa desarm rme, e, – siste sistema ma de de lubr lubrif ifica icaçã ção, o, – siste sistema ma de refrig refrigera eração ção..

Selagem

Mancais Desarme

Sistema de refrigeração

3.1.3 Conjunto rotativo O conjunto rotativo é composto pelo eixo e por elementos agregados, tais como selagem, sistema de controle de velocidade e sistema de desarme. 26

Conjunto rotativo de uma turbina a vapor de peq uena potência. Fonte: Catálogo Worthington.

Sistema de controle de velocidade

Composição de uma turbina a vapor Sistema de lubrificação de pequena potência. Fonte: Catálogo Worthington.

3.1.4 Sistema de controle de velocidade e desarme O sistema de controle de velocidade é chamado de regulador ou de governador, e o sistema de desarme é chamado de “trip”, válvula de fechamento rápido, válvula garganta ou válvula main stop. O funcionamento de ambos baseia-se em força centrípeda. A variação de rotação do conjunto rotativo é diretamente proporcional à quantidade de vapor injetada na turbina para uma determinada carga. Para chegar até a roda da turbina, Que tal rever seus conceitos de física?


o vapor percorre o caminho passando pela válvula de admissão da linha, pela válvula de admissão da turbina, chamada de válvula parcializadora, e pela válvula de fechamento rápido.

da mola existe um sistema de alavancas que, agindo sobre uma válvula, controla o fluxo de vapor para a turbina. Suponhamos que a turbina esteja em sua velocidade normal, com determinada carga. Se a carga diminuir, a velocidade da turbina aumenta e os pesos, devido ao aumento da força centrífuga, forçam a base da mola para cima. Este deslocamento é levado à válvula de controle que, diminuindo a abertura de entrada de vapor, faz com que a turbina volte a operar na velocidade inicial. Quando a força do sistema mecânico não é suficiente para o acionamento da válvula parcializadora, usa-se um sistema hidráulico.

Sistema de Controle de Velocidade e Sistema de Desarme de uma Turbina a Vapor. Fonte: AUTOR. Entrada de vapor

Válvula de desarme

Braço do regulador

Válvula parcializadora

Sistema de Controle de Velocidade e Sistema de Desarme de uma Turbina a Vapor Fonte: Catálogo Worthington.

3.1.5 Regulador A turbina a vapor é máquina projetada para trabalhar à “velocidade constante”, entretanto, a velocidade varia com as variações de carga. Quando a carga diminui, a velocidade para uma mesma vazão de vapor aumenta e a tendência é disparar a turbina. No caso contrário, contrár io, a tendência é a redução progressiva da velocivel ocidade até a paralização total da turbina. O “regulador” é um sistema cuja função é manter constante a velocidade de rotação, durante qualquer variação da carga ou do vapor. O regulador, que pode ser mais ou menos elaborado, atua na válvula de admissão de vapor a fim de corrigir qualquer tendência de variação da velocidade da turbina. Numa de suas formas mais simples, os reguladores de velocidade constam de pesos montados sobre um sistema articulado que gira com velocidade proporcional à velocidade do eixo da turbina. Devido à rotação, a força centrífuga age sobre os pesos, tendendo a deslocálos para a periferia do sistema. Nesse deslocamento, uma mola é comprimida. Ligado Liga do à base

Regulador “Wooward” Braço do regulador

Carcaça

27 Válvula parcializadora

Regulador Hidráulico.

Fonte: Catálogo Worthington.


O sistema de desarme é dotado de uma mola e um gatilho. A mola é comprimida e o gatilho armado. Caso a velocidade seja ultrapassada de um determinado limite, o gatilho é desarmado, fazendo a mola fechar a válvula e interromper a entrada de vapor na turbina.

Entrada de vapor

Massa de desarme

Carcaça do sistema de desame

Sistema de desarme de uma turbina a vapor. Fonte: Catálogo Worthington.

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3.1.6 Principais problemas em turbinas a vapor Uma turbina a vapor poderá apresentar problemas em seu funcionamento. Estes poderão ocorrer em função da condição c ondição operacional imposta à turbina ou em função de falha mecânica. Uma condição operacional inadequada poderá resultar em falhas mecânicas. Os principais problemas que constituem falhas mecânicas e poderão tornar uma turbina indisponível a um processo são: descontrole de velocidade, desarme indevido, vibração excessiva, ruído excessivo, vazamentos, aquecimento excessivo dos mancais e perda de eficiência.

Um descontrole de velocidade ocorrerá basicamente pelos seguintes motivos: – empe emperra rrame ment ntoo do sis siste tema ma;; – desaj desajus uste te na na regu regulag lagem; em; – excesso excesso de folga folgass nas articul articulaçõe ações. s. Um desarme indevido poderá ocorrer por: – reduçã reduçãoo acentu acentuada ada na carg cargaa da máqu máquiina acionada; – desg desgas aste te no no enga engate te.. Em uma turbina a vapor, pode-se ter vibração excessiva graças aos seguintes motivos principais: – condiçã condiçãoo oper operacio acional nal inadequ inadequada ada:: – prese presenç nçaa de cond conden ensad sado. o. – falh falhaa mecâ mecâni nica ca:: – desb desbal alan ance ceam amen ento to;; – desa desali linh nham amen ento to;; – folg folgas as inad inadeq equa uada das; s; – outros. Pode ocorrer ruído excessivo em uma turbina a vapor, pelos seguintes principais motivos: – dani danific ficaçã açãoo dos dos manc mancais ais;; – roçamen amentto. Vazamentos podem também ser detectados em uma turbina a vapor, principalmente, devido aos seguintes motivos: – vaza vazame ment ntoo de de óle óleo: o: – dren drenoo mal mal fech fechad ado; o; – níve nívell acim acimaa do do nor normal mal;; – labiri labirint ntoo dan danifi ificad cado; o; – resp respir iroo obst obstru ruíd ído. o. – vaza vazame ment ntoo de vap vapor or:: – sela selage gem m danif danific icad ada; a; – desg desgas aste te em em lab labiri irint ntos os;; – passag passagem em em válvula válvula de segu seguranç rança; a; – falh falhaa em junt juntas as.. Dentre os fatores que podem promover aquecimento excessivo nos mancais, estão: – falta falta de lubr lubrifi ificaç cação ão;; – exces excesso so de de lubr lubrifi ificaç cação ão;; – falha falha no sistema sistema de refri refriger geração ação.. A perda de eficiência em uma turbina ocorrerá, basicamente, pelos seguintes motivos: – vapo vaporr fora fora de esp especi ecific ficaçã ação; o; – vazame vazamento nto excessiv excessivoo de de vapo vapor; r; – sujei sujeira ra nas nas roda rodass da turb turbin ina. a. 3.1.7 Operação de turbinas a vapor A operação de uma turbina a vapor compõe-se das fases de partida, acompanhamento e parada. A partida pode ser manual ou automática. Para partida manual, é necessário observar os seguintes passos:


– garanti garantirr lub lubrifi rificaçã caçãoo adequa adequada; da; – garanti garantirr circul circulação ação da água água de de refrig refrigeeração; – drenar drenar cond condensa ensado do em tod todos os os os pontos pontos durante aquecimento; – arma armarr des desar arme me;; – abrir abrir válv válvul ulaa de exa exaus ustão tão;; – aquecer; – colocar colocar em em giro giro lento lento usando usando desvio desvio (“by pass”) da válvula de admissão; – partir partir,, abrind abrindoo a válvul válvulaa de admiss admissão ão e fechando o desvio. Para colocar uma turbina a vapor em condições de partida automática, é preciso observar os mesmos passos da partida manual. Para o acompanhamento, seguir os passos constantes na operação de bombas centrífugas. Os passos que devem ser executados para a parada de uma turbina a vapor são os seguintes: – desarmar; – fech fechar ar a válv válvul ulaa de admi admissã ssão; o; – drenar drenar cond condens ensado ado em em todos todos os pontos; pontos; – fecha fecharr válv válvul ulaa de exau exaust stão. ão.

Anotações

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Compressores Os compressores, assim como as bombas, são equipamentos utilizados na manipulação dos fluidos. Quando o fluido é um líquido, a máquina empregada é uma bomba, enquanto que, no caso da manipulação de um gás, a máquina empregada é um compressor. Bombas e compressores são construídos com base nos mesmos princípios de funcionamento, e as diferenças entre eles são decorrentes das distinções existentes nas propriedades dos líquidos e gases. Estas diferenças são de dimensões, sistemas de vedação e velocidades de operação, que decorrem da menor densidade, da compressibilidade, da expansibilidade e difusão dos gases. Desta forma, seria impróprio ou impraticável o emprego de uma bomba para bombear um gás e a utilização de um compressor para o bombeamento de um líquido. No estudo das bombas, foi verificada a impossibilidade de uma bomba centrífuga bombear um gás. As inconveniências nos demais casos serão constatadas posteriormente. O compressor, como a bomba, aumenta a pressão do fluido que está sendo bombeado. Um ventilador é um compr compressor, essor, pois, o ar que está descarregando tem uma pressão um pouco superior ao ar que está sendo succionado. O mesmo acontece com o exaustor. Em muitos casos, o compressor não possui tubulação de sucção, como em um exaustor, uma vez que o próprio recinto de onde succiona serve de reservatório de sucção para o exaustor. É um arranjo semelhante a uma bomba centrífuga vertical, instalada dentro de uma piscina. Em outros casos, não existe necessidade de tubulações de sucção e descarga ou mesmo de carcaça do compressor. Assim, um ventilador, em geral, só possui um rotor, 30 uma vez que este já está totalmente mergulhado no fluido e não há necessidade de tubulações e corpo, para a condução do escoamento. O ventilador funciona de forma análoga a um misturador de um tanque, que nada mais é do

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que uma bomba mergulhada dentro do líquido e cuja finalidade é a homogeneização do líquido pela circulação. Uma bomba de vácuo também é um compressor, pois manipula gases que saem pela sua descarga com uma pressão superior à da sucção. O termo bomba de vácuo é reservado res ervado aos compressores que succionam de uma pressão inferior à atmosférica e descarregam a uma pressão atmosférica. Uma bomba de bicicleta também é um compressor, uma vez que o fluido manipulado é um gás, o ar.

4.1 Tipos de compressores

Como as bombas, os compressores são classificados, de acordo com o princípio de funcionamento, nos tipos seguintes: – Dinâ inâmicos: cos: – Cen Centríf trífuugos; gos; – De Fluxo luxo Axia Axial. l. – De deslo deslocam camen ento to posit positiv ivo: o: – Rotat tativo ivos; – Alte Altern rnat ativ ivoos. Os compressores centrífugos são os mais importantes, e, como as bombas centrífugas, utilizam o princípio da força centrífuga (Figura abaixo).

Compressor centrífugo.


Os compressores de fluxo axial, são semelhantes aos compressores centrífugos, com a diferença de que as pás são retorcidas de forma que o gás, ao sair do rotor, toma um escoamento paralelo ao eixo (escoamento axial). Existe um tipo de bomba que corresponde a este tipo de compressor. É a bomba de fluxo axial.

Compressor de fluxo axial.

Os compressores rotativos são baseados no mesmo princípio das bombas rotativas.

Compressor rotativo.

Já os compressores alternativos a lternativos (figuras a seguir) baseiam-se no mesmo mesmo prin princíp cípio io das das bombombas alternativas.

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Compressor alternativo.


constituída de anéis de labirinto, depende de dois fatores principais: – Da folga folga entr entree a aresta aresta do do anel anel e o eixo eixo;; – Do quan quanto to é aguç aguçada ada a aresta aresta do do anel. anel.

Compressor alternativo – detalhe de uma válvula.

Anel de labirinto.

Compressor alternativo – percurso do fluído bombeado.

4.2 Co Comp mpre ress ssor ores es ce cent ntrí rífu fugo goss

Nos compressores centrífugos, são encontrados os mesmos elementos vistos no estudo de bombas centrífugas. Os elementos constituintes de um compressor centrífugo são os seguintes: – Rotor Rotor (com (com um ou ou mais mais estág estágios ios); ); – Eixo; – Corpo Corpo (com (com ou ou sem sem difu difusor sores); es); – Câmara Câmara de de Veda Vedação ção (uma (uma ou ou duas); duas); – Mancal; – Acopla Acoplamen mento to (com (com ou sem redu redução ção de de velocidade); – Cami Camisas sas de Refr Refrig iger eraçã ação; o; – Anéis Anéis e Luva Luvass de Desg Desgast aste. e. As ventoinhas e ventiladores centrífugos, que produzem baixas pressões de descarga, são, em geral, de rotor aberto, de apenas um estágio e sem difusores. Entre os compressores centrífugos, que desenvolvem elevadas pressões de descarga, os tipos mais usados são de rotor fechado, de vários estágios estágios com difusores no corpo. A câmara de vedação constitui uma das partes mais importantes e críticas crítica s de um compressor centrífugo. Vários tipos de selagem são empregados, dentre os quais os mais comuns 32 são, o de anel de labirinto e o de anel de carvão. A selagem com anel de labirinto, funciona baseada na perda de pressão do gás que é obrigado a passar por diminutas folgas anulares. O vazamento da câmara de vedamento,

A selagem com anel de carvão, consiste em um ou mais anéis de carvão em secções de 90° ou 120°, mantidos junto ao eixo com pequena folga, por meio de molas. Este tipo de selagem também funciona baseado na perda de pressão do gás em escoamento através de pequenas folgas.

Anel de carvão.

Outro tipo de selagem também utilizado nos compressores centrífugos é um equivalente ao selo mecânico, chamado de selagem por contato, que acarreta um vedamento muito severo. Em alguns casos, estes tipos de vedamento são empregados aos pares e em con junto com sistemas de selagem. O sistema de selagem pode consistir na injeção de um gás (hidrogênio, por exemplo), entre dois elementos de vedamento. O gás injetado, em geral, possui uma pressão superior ao manipulado pelo compressor, de forma a penetrar no interior de compressor. O gás do compressor não vaza para o meio ambiente (Figura a seguir).


Selagem por contato.

A lubrificação no compressor centrífugo é necessária para os mancais e, em alguns casos, para os elementos de selagem. Quando o compressor utiliza a lubrificação apenas para os mancais, o sistema de lubrificação é relativamente simples. Em muitos casos, o compressor possui uma bomba principal de óleo e outra auxiliar, respectivamente, uma com acionamento elétrico e outra acionada à turbina a vapor. Os acionadores operam sob controles de pressão, de forma que, quando a bomba principal não fornece óleo na pressão de trabalho, a unidade entra em operação. Em outros casos, a bomba principal de óleo está acoplada diretamente ao eixo do compressor. Este arranjo possui vantagens e desvantagens. Quando o compressor opera continuamente, é mais prático o uso de duas bombas externas, pois o desarranjo da bomba principal não acarreta em parada do compressor. Quando não há a possibilidade do óleo lubrificante do compressor ficar contaminado com o gás que está sendo manipulado, os sistemas de lubrificação do compressor e do acionador são combinados em um único. 4.2.1 Características do compressor centrífugo A pressão de descarga do compressor centrífugo, a uma dada velocidade do rotor, da mesma maneira que no caso da bomba centrífuga, aumenta com a elevação da densidade do fluido. A elevação da densidade do gás pode ser obtida, além da mudança do gás, pelo aumento da pressão de sucção, ou redução da temperatura de sucção. Uma característica peculiar ao compressor centrífugo é a existência de um limite de capacidade, abaixo do qual o compressor entra em pulsação e começa a vibrar e apresentar ruído. Por efeito da compressibilidade do

gás, abaixo do limite mínimo de capacidade, o compressor não satisfaz à pressão do sistema (linhas e vasos da descarga) no qual está descarregando. Isto causa uma série de escoaesc oamentos alternados. O compressor fornece gás ao sistema e depois recebe o mesmo gás de volta do sistema. Entre os métodos utilizados para a eliminação da pulsação são encontrados os seguintes: – Instalaç Instalação ão de de válvul válvulaa de escape escape para para o meio ambiente na linha de descarga. P/ Soprador de ar; – Instalaç Instalação ão de desvio desvio para para recicl reciclo; o; – Regu Regula lage gem m da vaz vazão ão.. Quanto mais pesado o gás, mais elevado é o limite mínimo de capacidade, e, quanto mais estágios possui o compressor, mais alto é o limite mínimo de capacidade. Assim, Ass im, quanto mais pesado o gás e quanto maior o número de estágios, mais estreita é a faixa de capacidade para operação estável. A variação da velocidade do rotor acarreta um aumento da capacidade, um aumento de pressão maior do que o da capacidade e um aumento de consumo de energia e nergia ainda maior. O limite mínimo de capacidade também varia, com a variação da velocidade do rotor (Figura a seguir).

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Conseqüências da variação da velocidade do r otor.


Com acionador de velocidade variável, a regulagem da velocidade do rotor resulta em várias condições estáveis de operação. Quando o acionador é de velocidade constante, a regulagem pode ser feita na sucção ou na descarga. “A regulagem na válvula de descarga, não é aconselhada, pois o controle na sucção do compressor resulta em menores perdas de energia.” Esta regulagem é a mais simples e prática prát ica para os compressores centrífugos. Este método possui a vantagem de não alterar as condições da descarga do compressor, como no caso da regulagem pela descarga. A refrigeração do compressor resulta em economia de energia e baixa temperatura de descarga. Nos gráficos de compressores, uma característica nova é encontrada, a razão de compressão. A razão de compressão é a razão entre a pressão de descarga e a pressão de sucção. A razão de compressão é muito mais significativa do que a altura de elevação para os compressores e, por isso, mais usada.

4.3 Compressor de fluxo axial

Estes compressores possuem muito boa eficiência, dando grandes vazões com baixas pressões.

4.4 Compressores rotativos

A vazão destes compressores é praticamente contínua e sem pulsação. No tipo de lóbulos, praticamente não há compressão dentro da máquina, mas sim contra a pressão do sistema na descarga. 4.4.1 Compr Compresso essores res alter alternativ nativos os Geralmente, o cilindro é de ação dupla e refrigerado, para reduzir as dilatações e absorver parte do calor produzido na compressão. Na compressão em vários estágios, cada um destes ocorre em um cilindro separado, e o gás é resfriado entre os vários estágios da compressão. A compressão em vários estágios resulta, além de menor consumo de energia, também em redução de temperatura. Uma temperatura elevada provoca problemas com a lubrificação do cilindro e do êmbolo. O compressor alternativo, como uma má34 quina de deslocamento positivo, produz o mesmo volume contra qualquer pressão (dentro dos limites de resistência mecânica do con junto). A vazão vazão do compressor é proporcional à velocidade da máquina.

4.4.2 Contr Controle ole do compres compressor sor alter alternativo nativo Quando o gás, para sucção do compressor, é regulado a fim de resultar numa pressão de sucção menor, as conseqüências são: – a razão razão de compre compressão ssão aument aumenta; a; – a quant quantidad idadee de gás que é descar descarrega rega-do em cada percurso é menor; – a densid densidade ade do do gás gás na sucçã sucçãoo é menor menor;; – a vazã vazãoo dimi diminu nui; i; – a tempe temperatu ratura ra de de descar descarga ga sobe sobe.. Quando nem toda a vazão do compressor é necessária, o excesso pode ser recirculado por um contorno (by-pass), da descarga para a sucção. Normalmente, o reciclo deve ser resfriado, a não ser que a razão de compressão seja muito baixa, a vazão do contorno muito pequena, ou o contorno funcione por pouco tempo (nas partidas por exemplo). Num cilindro comercial, é inevitável a presença de uma folga na cabeça. No final do movimento de descarga, um pouco de gás é retido no espaço da folga. No movimento da sucção, esta quantidade de gás que estava na pressão de descarga tem que se expandir à pressão de sucção, para que haja abertura das válvulas do cilindro. Logo, até que esta situação seja atingida, não há entrada de gás no interior do cilindro. Durante este tempo, o êmbolo pode ter percorrido 15% do curso. O resultado final é que menos gás será admitido no cilindro, aproximadamente 85% a 60% (PdV1 = PsV2).

O volume variável da folga.

Com este processo da variação das folgas, pode-se diminuir a capacidade do compresor alternativo (Figura a seguir).

Câmara de refrigeração.


Quando um compressor entra em operação, em paralelo, num sistema já em funcionamento, é necessário tirar a carga da máquina. Um compressor alternativo pode ficar sem carga pela abertura do contorno.

Anotações

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Lubrificação Os equipamentos estáticos não possuem movimento contínuo em seus componentes, porém, podem ter algum tipo de movimento esporádico. Os equipamentos dinâmicos possuem movimentos contínuo, rotativo e/ou alternativo em seus componentes. Em um equipamento, o movimento será em alguns dos componentes, enquanto os demais permanecerão estáticos e, com isso, tem-se movimento relativo entre as partes.

5.1 Atrito

Devido ao movimento relativo, tem-se atrito entre as partes. O atrito quase sempre é indesejável, pois provoca a perda de energia, desgaste e geração de calor. ca lor. A redução do atrito passou a ser uma estratégia interessante para economia de energia e aumento da vida útil dos equipamentos. Ao longo dos anos, foram desenvolvidas duas ações para redução do atrito, sendo a primeira, a construção de elementos de máquinas com minimização da área de contato entre as par-

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tes, com movimento relativo, chamados de mancais; e a segunda, o desenvolvimento de películas separadoras das partes com movimento relativo, chamadas de lubrificantes. Recordando a Física : A força de atrito é dada pela multiplicação entre a força normal e o coeficiente de atrito. O coeficiente de atrito poderá ser dinâmico ou estático, sendo este maior, conforme mostra o gráfico abaixo. O atrito e seu respectivo coeficiente de atrito atr ito poderá ser de deslizamento, rodagem, rolagem ou de furação (ver Figura 5.1).

Coeficientes de atrito estático e dinâmico. Fonte: ZECHEL, Rudolf e outros. Molykote. München-GmbH: Molykote, 1995.

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Figura 5.1 – Coeficientes de atrito. Fonte: ZECHEL, Rudolf e outros. Molykote. München-GmbH: München-GmbH: Molykote, 1995.


5.2 Mancais Os mancais têm a função, simultâneamente, de suportar um subconjunto de máquina e de restringir os graus de liberdade, permitindo apenas liberdade de rotação ou deslocamento linear. A maior aplicação dos mancais é na sustentação de conjuntos rotativos em equipamentos dinâmicos, ou seja, transmitem forças. Os mancais classificam-se em rolamento e deslizamento. Os mancais de rolamento são mais baratos e práticos, porém apresentam limitações de rotação, de carga e dimensional. Os mancais de deslizamento, caros e aplicados a máquinas de grande porte ou onde a confiabilidade é crítica, apresentam limitações para equipamentos verticais. Ambos são montados em caixas, chamadas de caixa de mancal.

Na maioria dos equipamentos dinâmicos os mancais são lubrificados à óleo ou graxa. A lubrificação à graxa destina-se a mancais de rolamento, enquanto a lubrificação a óleo ocorre tanto em mancais de rolamento rola mento quanto em mancais de deslizamento. deslizamento. Existem exceções que, porém, não serão tratadas neste texto. No caso de lubrificação à graxa, é necessário periodicamente fazer a reposição/renovação do lubrificante para a manutenção de suas propriedades físico-químicas. A reposição é feita com bomba através do pino graxeiro. É necessário cuidar com a quantidade de graxa, pois o excesso provoca aquecimento extremo no mancal.

Pino graxeiro. Fonte: O AUTOR

Transmissão Transmissão de forças de reação e ação pelo filme de lubrificante, mancais e dentes das engrenagens. Fonte: O AUTOR

Mancal de rolamento. Fonte: ZECHEL, Rudolf e outros. Molykote. München-GmbH: Molykote, 1995.

Caixa de mancal. Fonte: O AUTOR

Mancal de deslizamento, tipo de pedestal. Fonte: CATÁLOGO GLYCO DO BRASIL.

Em alguns casos de equipamentos estáticos, como válvulas, a colocação da graxa pode ser a pincel.

Haste de alvula lubrificada a graxa. Fonte: O AUTOR

No caso de lubrificação a óleo, existem quatro formas de garantir que o lubrificante esteja presente entre as partes deslizantes ou rolantes: por imersão, por salpicamento, por pescagem ou por injeção pressurizada. Por imersão, é necessário que o nível do óleo atin ja as partes em contato. Por salpicamento, o óleo é espalhado/forçado por um anel salpicador fixado ao eixo. Por pescagem, o óleo é “pescado” de um nível mais baixo e deslocado até um nível mais alto através de um anel pescador. Este é movimentado por atrito ao eixo e arrasta consigo o óleo depositando-o na parte superior do eixo. Por injeção

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pressurizada, existe uma bomba que fornece energia ao óleo e, através de tubulações, é lançado no ponto necessário.

Deslizamento Anel pescador

Para a eliminação da contaminação e manutenção do nível do óleo, existe um sistema automático, chamado copo nivelador de óleo. Para a expulsão da contaminação existe um dreno, visto que os cantaminantes são mais pesados e vão para o fundo. A reposição é feita enchendo-se o copo e recolocando-o no cachimbo. Para um adequado funcionamento desse sistema, é necessário necessá rio um respiro, ou seja, manter a pressão atmosférica no interior da caixa de mancais.

Rolamento

Mancal de deslizamento e de rolamento de uma turbina a vapor. Fonte: O AUTOR

O nível do óleo lubrificante deve ser sempre mantido constante. Para tanto, é verificado, externamente, através de visores de nível. O nível de óleo pode ser alterado para mais em caso de contaminação e para menos em caso de vazamentos. Uma contaminação poderá ocorrer por entrada de água ou gás na caixa de mancal ou por partículas sólidas provenientes de desgaste dos mancais ou de fonte externa. Existem elementos próprios para fazer a vedação dos mancais, dentre os quais estão retentores, labirintos e diversos tipos de anéis de feltro ou borracha. Labirinto

Manutenção do nível e descontaminação descontaminação do óleo lubrificante. Fonte: O AUTOR

5.3 Lubrificantes

Os lubrificantes, não serão tratados neste texto, sob o ponto de vista técnico, visto vist o que o presente curso destina-se ao treinamento de operadores e não de lubrificadores.

5.4 Rotina diária de lubrificação Visores de nível Formas de visão do nível de óleo: visor tipo olho, visor tipo coluna. Fonte: CATÁLOGO GLYCO DO BRASIL, O AUTOR

38

Vedação de caixa de mancal por retentor. Fonte: O AUTOR

A rotina é imprescindivelmente diária e deve ser aplicada a todos os equipamentos e quipamentos dinâmicos. Geralmente, é feita por um lubrificador, mas, também, fora do horário administrativo, deve ser feita pelo operador de área. A rotina compõe-se das seguintes tarefas: – Verificaçã erificaçãoo do estado estado (aparên (aparência) cia) do óleo óleo,, e completar níveis quando necessário; – Verificação erificação de vazamento vazamentos, s, temper temperatuaturas, ruídos, e se possível determinar as causas; – Drenag Drenagem em de de água água dos dos depósi depósitos tos de de mancais de bombas e turbinas; – Verificação erificação dos equipame equipamentos, ntos, se estão estão codificados com plaquetas de óleo e graxa, se os visores estão limpos e os respiros desentupidos;


– Observ Observação ação sobre sobre os lub lubrifi rifican cantes tes em em uso, se estão perfeitamente codificados. Para a realização de rotina de lubrificação, existe uma organização de suprimento de óleo lubrificante. O óleo é armazenado em tambores e codificado. Uma vez colocado em recipientes menores, estes também seguem com o mesmo código. E, em cada caixa de mancal, existe uma etiqueta de alumínio com o código do lubrificante que ali é usado. Dessa forma, garante-se a correta colocação do lubrificante.

5.5 Lubrificação de turbinas turbinas a vapor

Existe uma exceção em turbinas a vapor com regulador de velocidade mecânico. Existem três copos de óleo, sendo dois para os mancais LA e LOA e um para o mecanismo de controle de velocidade. Importantíssimo: os copos de óleo dos mancais têm a função de manter o nível de óleo, enquanto o copo do regulador funciona por gotejamento e tem a função de fornecer lubrificante ao mecanismo de regulagem de velocidade. Portanto, o copo do regulador sempre terá seu nível diminuído ao longo do tempo. Copo do mancal LA

Copo do mancal LOA

Tambores de óleo. Fonte: O AUTOR

Copo do regulador (gotejador)

Copos de óleo lubrificante em turbina a vapor com regulador mecânico. Fonte: O AUTOR

Anotações

Recipientes menores para óleo. Fonte: O AUTOR

Etiqueta

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Etiqueta para cada ponto de inserção de lubrificante. Fonte: O AUTOR


Ejetores 6.1 Restrição no escoamento

A queda de pressão de um fluído em escoamento através de uma tubulação, como já foi estudado, aumenta ao longo da tubulação. A variação da pressão sofre alteração quando é introduzida uma restrição na tubulação. Na figura a seguir a restrição é resultante da colocação de um disco com um orifício central. O valor da pressão começa a cair nas proximidades da restrição, caindo abruptamente logo depois dela. Continua a cair, alcança um mínimo e depois sobe lentamente, até atingir certo valor. Este valor é um pouco inferior ao obtido no mesmo ponto quando não havia restrição. Assim, o valor da pressão, em conseqüência da introdução da restrição, restr ição, no caso um orifício, sofre uma queda brusca, atingindo posteriormente um mínimo e depois uma recuperação lenta sem, contudo, alcançar o valor mínimo primitivo.

6.2 Ejetor

O funcionamento de um ejetor, é baseado na transferência de energia, provocada pelo choque de um jato de fluido à alta velocidade (fluido acionador), contra outro fluido (fluido arrastado), parado ou à baixa velocidade. Isto resulta em uma mistura de fluidos a uma velocidade intermediária e reduzida, de forma a originar numa pressão final superior à pressão inicial do fluido mais lento. O jato de fluido a alta velocidade é produzido pela passagem de um fluido de pressão elevada através de um bocal. As partes essenciais de um ejetor são as seguintes: – Bocal; e – Difusor. O bocal serve para transformar a elevada pressão pres são do fluido acionador, em alta velocidade. O difusor é uma câmara de mistura e serve para transformar a velocidade residual em pressão. Nas proximidades do bocal, é criada uma região de alta velocidade – baixa pressão que provoca a sucção do fluido arrastado, de forma a se misturar com o fluido acionador.

Restrição no escoamento.

A velocidade do fluido ao passar pelo orifício sofre um efeito inverso ao da pressão. pressã o. Há um aumento considerável da velocidade do fluido ao passar através do orifício. Quando a restrição na tubulação é formada por um bocal, o fenômeno é semelhante. O aumento de velocidade é obtido pela absorção de uma certa quantidade de energia e nergia do fluido. Esta absorção de energia é tanto mais alta quanto maior a velocidade do fluido. 40

Restrição tipo bocal.

6

Partes do ejetor.


O fluido acionador pode ser um líquido ou um gás e o fluido arrastado pode ser um líquido ou gás, sendo passiveis todas as combinações, de líquido arrastando gás, de gás arrastando líquido, etc. O termo edutor é geralmente reservado para os casos de ejetores com líquidos tanto como fluido acionador, como fluido arrastado. Fluidos muito utilizados como acionadores são o ar comprimido e o vapor d’água sob pressão.

6.3 Usos do ejetor

O ejetor apresenta as particularidades seguintes: – Não Não tem parte partess móv móveis eis;; – É de de cons constru trução ção simpl simples; es; – Neces Necessit sitaa pouca pouca manu manuten tenção ção;; – Simp Simple less ope opera raçã ção; o; – Manipu Manipula la grand grandee quant quantida idade de de de gás; gás; – Necessit Necessitaa de um fluido fluido acionad acionador or de de alta pressão. O ejetor é muito prático nos casos c asos em que as necessidades são intermitentes e necessitase um equipamento barato, quando a corrosão é crítica e quando deseja-se uma combinação de aquecimento e bombeamento, ou uma combinação de mistura e bombeamento. Além de utilização para mistura e bombeamento, o ejetor pode ser empregado para a criação de vácuo.

Anotações

41


L e i t u r a Le Complementar 1 Cavitação

Extraído do livro: FALCO, Reinaldo de. Bombas industriais. Rio de Janeiro: McKlausen Editora Ltda., 1992,

p. 115 –117.

Cavitação é, seguramente, um dos tópicos mais importantes no estudo de bombas. Esta importância se reflete não só na necessidade de um adequado entendimento do fenômeno para execução de projeto ou seleção do equipamento, bem como para solução de diversos problemas operacionais dele decorrentes. Objetivando oferecer ao leitor uma seqüência didática, abordaremos inicialmente a discrição do fenômeno de cavitação para, em seguida, já de posse dos conceitos fundamentais, particularmente para o estudo de cavitação em bombas.

7.1 Descrição do fenômeno de cavitação O entendimento da cavitação foi modernamente bastante ampliado pelo conhecimento da influência da tensão superficial do líquido e da presença de impurezas no desenvolvimento do fenômeno. Entretanto, por facilida-

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Colapso de bolha em três situações características.

7

de didática, vamos iniciar nosso estudo apresentando a conceituação tradicional.

7.2 Conceituação clássica de cavitação É o fato aceito tradicionalmente que, se a pressão absoluta em qualquer ponto de um sistema de bombeamento atingir valor igual ou inferior à pressão de vapor líquido, na temperatura de bombeamento, parte deste líquido se vaporizará. Vamos supor que as bolhas formadas continuem em trânsito com o líquido bombeado. Nestas condições, quando esta mistura atingir alguma região onde a pressão absoluta for novamente superior à pressão de vapor do líquido na temperatura de bombeamento, haverá o colapso das bolhas com retorno à fase líquida. Entretanto, como c omo o volume específico do líquido é inferior ao volume específico do vapor, o colapso das bolhas implicará a existência de um vazio, proporcionando o aparecimento de onda de choque, conforme ilustrado na figura a seguir.


Na realidade, a penetração de líquido na depressão originada pela deformação da bolha produz um microjato na ocasião do colapso. Desta forma, o efeito é mais severo quando o colapso ocorre em local junto ou próximo à superfície metálica. Neste caso, ca so, o micro jato incide diretamente sobre a superfície enquanto que, no caso de bolhas que colapsam na corrente líquida, o impacto é transmitido através de ondas de choque. Esta seqüência de acontecimentos pode ser facilmente visualizada pelo escoamento de um líquido através de um tubo venturi. Neste caso, a velocidade máxima e, conseqüentemente a pressão mínima, ocorrem na garganta do tubo. Então, se formos aumentando a vazão, chegaremos a uma situação em que a pressão de vapor é atingida na garganta, propiciando o início da cavitação. É interessante notar que o colapso das bolhas ocorre em região logo após a garganta do tubo venturi.

Cavitação em tubo venturi.

No caso particular das bombas centrífugas, a região de mínima pressão, crítica para efeito de análise de cavitação, é a entrada (olho) do impelidor. Nesta região a pressão é mínima, pois o líquido ainda não recebeu nenhuma adição de energia por parte do impelidor e teve sua energia reduzida pelas perdas de carga na linha de sucção e entrada da bomba. Na hipótese de aparecimento de bolhas nesta região, o colapso se dará naquela onde a pressão for novamente superior à pressão de vapor, provavelmente no canal do impelidor ou, posteriormente, na entrada da voluta ou canal das pás difusoras, dependendo do tipo de bomba.

Região para início da cavitação (entrada do impelidor) (Secção 2).

7.3 Comparação entre cavitação e vaporização

É interessante observar que, na vaporização convencional, o aparecimento de bolhas é resultante de aumento de temperatura com a pressão mantida constante, enquanto que na cavitação o mesmo fato ocorre com redução de pressão, mantida a temperatura constante.

7.4 Inconvenientes da cavitação

Os principais inconvinientes da cavitação são barulho, vibração, alteração das curvas características e danificação do material. Vamos estuda-los nesta ordem:

7.4.1 Barulho e vibração Estes dois inconvenientes são provocados, provocados, fundamentalmente, pela instabilidade gerada pelo colapso das bolhas. 7.4.2 Alter Alteração ação das das curvas curvas caracter característic ísticas as A alteração no desempenho é devida à diferença de volume específico entre o líquido lí quido e o vapor, bem como à turbulência gerada pelo fenômeno. Esta alteração das curvas características é mais drástica no caso de bombas cen- 43 trífugas. Neste caso, tendo em vista que o canal de passagem do líquido é mais restrito, a presença de bolhas influencia consideravelmente o desempenho do equipamento.


Influência de bolhas no canal de escoamento de diferentes tipos de bombas a) Bomba centrífuga; b) Bamba de fluxo misto;

c) Bomba axial.

Desta forma, supondo que uma determinada bomba centrífuga instalada em um sistema cavita quando opera em uma vazão (Q), as suas curvas características fogem do comportamento normal.

Queda nas curvas características de uma bomba centrífuga.

Então, o ponto real de operação será o ponto (2) e não o ponto (1), apresentando, em conseqüência, queda na vazão, carga e eficiência esperada. esper ada. O equacionamento da cavitação e a efetiva efet iva determinação da vazão a partir da qual haverá cavitação em uma bomba instalada em um sistema será objeto de estudo posterior. Não obstante, da análise efetuada até este momento, é possível notar que o início da cavitação depende das condições de sucção do sistema pois, quanto menor for a altura manométrica de sucção hs, mais viável será o aparecimento de pressão P igual ou menor menor que a pressão pressão de vapor vapo r P v na temperatura de bombeamento no olho do impelidor. Se considerarmos ainda que a velocidade de entrada do líquido na bomba e a perda de carga carga entre o flange e sucção e o olho da bomba aumentam com a vazão, poderemos concluir que o início da cavitação e conseqüente queda nas curvas características característica s ocorrerão em vazões menores 44 à medida que hs diminui, isto é, à medida que as condições de sucção se tornem mais críticas.


Curvas características para diversas condições de sucção.

Um outro fato que merece consideração é que as alteração possíveis efetuadas no diâmetro externo do impelidor, permanecendo inalteradas as condições de sucção, não afetam o comportamento das curvas características quanto à cavitação.

Curvas características para diferentes diâmetros externos de impelidor e mesmas condições de sucção.

Em bombas de fluxo misto, tendo em vista o canal de escoamento ser mais amplo, existe uma queda gradual das curvas características antes da verticalização das curvas ter efeito, conforme mostra a figura a seguir.

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Curvas características para bomba de fluxo misto em diferentes condições de sucção.

Finalmente, no caso das bombas axiais, não se caracteriza carac teriza um canal de escoamento fechado. fe chado. Nestas a influência é gradual, não existindo um ponto definido de queda nas curvas características conforme mostra a seguir.

Curvas características para bomba de fluxo axial em diferentes condições de sucção.

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7.4.3 Danificação do material É o fato que, quando uma bomba opera por um certo tempo em cavitação, haverá danificação do material adjacente à zona de colapso das bolhas, sendo a quantidade de matemat erial perdido dependente das características do material e da severidade da cavitação. O mecanismo através do qual a danificação danificaç ão ou perda de material tem efeito, merece uma análise adicional. Inicialmente, o colapso das bolhas

implica, dependendo da posição relativa da bolha em relação à superfície metálica, em um microjato ou onda de choque atingindo o material. Esta ação mecânica é a principal responsável pela danificação do mesmo. Este fato fica bastante evidente se considerarmos que uma grande quantidade de bolhas colapsa em pequeno intervalo de tempo nas proximidades da região afetada.


Cada bolha tem um ciclo entre crescimento e colapso da ordem de poucos milésimos de segundo e induz altíssimas pressões que atingem concentradamente a zona afetada. Para se ter uma idéia deste processo, Shepherd menciona que este ciclo é repetido numa freqüência que pode alcançar a ordem de 25 000 ciclos por segundo enquanto que Knaap, em função de diversos estudos teóricos e experimentais existentes, sugere a ordem de grandeza de 1000 atm como pressão provavelmente transmitida às superfícies metálicas adjacentes ao centro de colapso das bolhas. Um segundo aspecto que merece atenção é que, tendo em vista o caráter cíclico do fenômeno, as ações mecânicas repetidas na mesma região metálica ocasionam um aumento local de temperatura. Wheeler menciona a possibilidade possibilida de de ocorrerem aumentos de temperatura local de até 800oC no material adjacentes ao colapso das bolhas. Desta forma, este aumento de temperatura funciona como facilitador da danificação do material pois altera a sua resistência mecânica através de modificação estrutural.

7.5 Cavitação, erosão e corrosão

Gostaríamos neste ponto de enfatizar que, como visto no item anterior, a deterioração do material devido à cavitação nada tem a ver com os desgastes provenientes de erosão ou corrosão. Como sabemos, a erosão decorre da ação de partículas sólidas em suspensão sendo deslocadas em velocidade. velocida de. Por outro lado, corrosão em bombas decorre normalmente de incompatibilidade do material com o líquido, propiciando reação química destrutiva, ou da utilização de materiais muito afastados na tabela de potencial, em presença de um líquido que aja como eletrólito, propiciando a oportunidade de uma ação galvânica. Não obstante, nada impede que estes fenômenos coexistam em um determinado sistema acelerando o processo de deterioração do material.

7.6 Conceituação moderna de cavitação

A teoria clássica estipula que a cavitação inicia quando em qualquer ponto do sistema a pressão press ão é reduzida ao valor da pressão de vapor do líquido na temperatura de operação. Na realidade, o problema não é tão simples, pois, para que uma cavidade possa ser criada há necessidade de ruptura do líquido e esta ação não é medida pela pressão de vapor e sim pela resistência à tensão, correlacionada à tensão superficial do líquido na temperatura de operação.

Esta evidência implicou necessidade de uma análise mais profunda do fenômeno pois, como comprovado por Knaap e Pearshal, líquidos puros e homogêneos podem resistir a valores bastantes altos de pressão negativa ou tensão, sem cavitar. Desta forma, se as operações industriais fossem realizadas apenas com líquidos puros e homogêneos, cavitação seria um fenômeno desconhecido e sem significância prática porque só ocorreria em circunstâncias muito especiais de velocidades tremendamente altas ou de altas temperaturas. Entretanto, na realidade isto não acontece e a cavitação normalmente inicia quando a pressão do sistema em um ponto atinge valores da ordem da pressão de vapor. Este fato levou à conclusão de que impurezas devem estar presentes no líquido ocasionando a diminuição de sua resistência à tensão. Realmente, em quase todos os casos práticos, os líquidos não se apresentam em uma forma pura mas contaminados por gases. Estas impurezas, comumente chamadas de núcleos, são as responsáveis pela diminuição da resistência à tensão e propiciam o início da cavitação. Então, quando a pressão atinge um valor crítico, próximo à pressão de vapor, o que realmente acontece é a oportunidade para o crescimento de bolhas já existentes no seio do líquido. Assim sendo, o início da cavitação seria melhor definido como sendo o aparecimento de bolhas macroscópicas a partir de bolhas microscópicas ou núcleos existentes como impureza no seio do líquido quando a pressão atinge um valor crítico. O restante do processo de cavitação se comporta de acordo com o modelo clássico com os inconvenientes da cavitação dependentes do colapso das bolhas e de suas conseqüências. 7.6.1 Pres Pressão são crítica crítica para para o início início da cavitação cavitação Do que foi visto conclui-se que seria altamente interessante uma determinação efetiva da pressão mínima a partir da qual um sistema apresentaria cavitação. Lamentavelmente, Lamentavelmente, as tentativas realizadas no sentido de equacionamento das forças em ação sobre uma bolha não conduziram a equações de aplicação prática posto que eram dependentes de variáveis não mensuráveis mensurávei s no dia a dia industrial. Apenas como contribuição ao entendimento didático do problema apresentamos, a seguir, uma análise simplificada das condições de equilíbrio estático de uma bolha esférica. Para isto, consideremos que o líquido

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contem núcleos de vapor, gás, ou ambos e que o início da cavitação ocorrerá quando estes núcleos ficarem instáveis e crescerem a valores macroscópicos devido à queda da pressão do líquido a nível crítico. Equilíbrio estatístico de forças em uma bolha esférica.

As condições para tal crescimento podem ser estabelecidas a partir par tir do equilíbrio estático das forcas internas e externas atuantes no núcleo esférico. Internamente temos as forcas produzidas pelas pressões parciais do vapor e do gás dentro do núcleo, enquanto que externamente, tendendo a conter o crescimento do núcleo, temos a pressão ambiente do líquido e a pressão devido à tensão superficial na interface núcleo/líquido. Adotemos a seguinte simbologia:

A equação está plotada na figura a seguir para duas condições diferentes de gás contido na bolha. Pode-se observar que, para pressões ambientes maiores que a pressão crítica, a bolha se comporta de uma forma estável com seu crescimento contido, enquanto que para pressões ambientais iguais ou inferiores à crítica, teremos o crescimento instável da bolha. Na curva superior a presença de gás é maior, o que mostra que a pressão crítica para início da cavitação aumenta com a quantidade de gás presente.

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Condições de equilíbrio estático para duas bolhas de diferentes condições de gás contido.


Lamentavelmente a equação e similares não permitem o cálculo preciso da pressão crítica pois, além de estar baseada em hipóteses simplificadoras, normalmente não conhecemos o valor da constante (K) e do raio da bolha (R). Entretanto, ela permite qualitativamente entender a influência da presença de gases e verificar que apesar da pressão crítica não ser exatamente igual à pressão de vapor, este valor pode ser utilizado para fins práticos. Esta hipótese é particularmente aceitável se considerarmos que normalmente será utilizado coeficiente de segurança adicional.

Então, a energia em termos absolutos no flange de sucção seria:

7.7 Análise da cavitação em bombas

Finalmente, como nosso objetivo é determinar a pressão mínima no olho do impelidor precisaremos subtrair deste valor a parte correspondente à energia cinética absoluta no mesmo, (V12 / 2 g), e uma parcela parc ela da energia e nergia 2 cinética relativa, (l Vr1 / 2 g), que corresponde a uma queda de pressão local (perda de carga) devido à aceleração sofrida pelo fluido ao entrar propriamente no olho do impelidor. Considerando que a cavitação inicia quando esta pressão mínima é igual à pressão de vapor, a equação do início da cavitação toma a seguinte forma:

Existem dois aspectos a serem estudados no que concerne à cavitação em bombas. O primeiro, que constitui o objetivo principal, é determinar as condições que devemos satisfazer para evitar o fenômeno – o que é normalmente conseguido. O segundo aspecto á apresentar procedimentos que atenuam os efeitos da cavitação, caso seja impossível ou impraticável evitar a sua existência. Para isto procederemos procederemos ao equacionamenequacionamento do fenômeno. fenômeno. Nesta análise consideraremos que a cavitação normalmente tem origem na entrada (olho) do impelidor, devido à insuficiência do sistema em e m manter, naquela região, uma pressão acima da crítica. Como explicado no item anterior, adotaremos para fins práticos o valor da pressão pressã o de vapor do líquido na temperatura de bombeamento como pressão crítica.

7.8 Equacionamento da cavitação em bombas

Consideremos o sistema de sucção na figura a seguir:

Sistema de sucção e entrada da bomba.

Vimos anteriormente que a altura manométrica de sucção (hs) representação a energia manométrica por unidade de peso existente no flange de sucção e era expressa por:

Onde: Pa = pressão atmosférica local Se desta energia subtrairmos a parcela correspondente à perda de carga (hfi) entre o flange de sucção e o olho do impelidor, obteremos a energia em termos absolutos neste último.

Observando a equação acima, verificamos que o primeiro membro não depende da bomba, só dependendo das características do sistema e do líquido bombeado. Este membro abaixo, repetido, recebe comumente a denominação de NPSH disponível e é interpretado fisicamente fisicame nte como sendo a energia absoluta por unidade de peso existente no flange de sucção, acima da pressão press ão de vapor. O termo NPSH é proveniente de nomenclatura inglesa constituindo as iniciais de Net Positive Suctins Head . Continuando a observar a equação, veri- 49 ficamos que o segundo membro da equação não depende das características do sistema, só dependendo daquelas da bomba e, sob certos aspectos, do líquido bombeado. Este membro


abaixo repetido, recebe comumente a denominação de NPSH requerido e é interpretado fisicamente como sendo a quantidade mínima de energia absoluta por unidade de peso acima da pressão de vapor, que deve existir no flange de sucção para que não haja cavitação.

Vfs = velocidad velocidadee média do do líquido líquido no flange de sucção. Pfs = pressão manométrica manométrica no no flange flange de sucção. g = peso específico específico na temperatura temperatura de bombeamento.

7.9 Curva NPSHr x vazão

Observando Observando a equação acima, verificamos que o NPSH requerido é função de velocidade e conseqüentemente, para uma mesma bomba, aumenta com a vazão. Esta informação é normalmente fornecida pelo fabricante para cada uma das bombas de sua linha de fabricação através das curvas de NPSH requerido versus vazão, conforme ilustrado na figura a seguir se guir..

Curva de NPSH requerido versus vazão.

7.10 Cálc Cálculo ulo do NPSH NPSH dispo disponível nível

Considerando o sistema da figura a seguir, o NPSH disponível pode ser calculado por:

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onde: hs = altura manométrica manométrica de sucção. sucção. Ps = pressão manométrica manométrica no no reservatóreservatório de sucção. Zs = altura altura estática estática de de sucção. sucção. hfs = perdas perdas na linha linha de de sucção. sucção. Pa = pressão pressão atmos atmosféri férica ca local. local. Pv = pressão de vapor vapor na temperatura temperatura de de bombeamento.

Ilustração típica de sistema de sucção.

7.11 Critério Critérioss de avaliaçã avaliaçãoo das das condi condições ções de cavitação

O nosso problema, então, é calcular o NPSH disponível para a vazão de operação pretendida e comparar com o valor do NPSH requerido tirado da curva NPHS requerido x vazão fornecida pelo fabricante. Falamos que o NPSH disponível deve ser maior que o requerido; resta definir esta margem de segurança. De um modo geral, a margem usada na pratica é de 2 ft (0,6m) de líquido; então: NPSHdisponível > = NPSHrequerido + 0,6 m de líquido Nesta oportunidade cabe recordar a análise da influência de impurezas no início da cavitação. Desta forma, em condições desfavoráveis, seria desejável um maior rigor quanto à margem de segurança.

7.11.1Cálculo da vazão máxima permissível de uma bomba em um sistema O critério expresso pela equação acima permite verificar as condições de cavitação para uma determinada vazão. Entretanto, se observarmos a equação abaixo repetida, veremos que o NPSH disponível é função das perdas na linhas de sucção e conseqüentemente da vazão bombeada.

Assim sendo, se arbitrarmos valores de vazão e computarmos os correspondentes valores NPSH disponível, tendo em vista que as as perdas crescem com a vazão, os valores resultantes serão decrescentes com o aumento da mesma. Desta forma, se plotamos estes valores em função da vazão, a conseqüente curva


NPSH disponível versus vazão será decrescente conforme ilustrado na figura a seguir.

ao valor da altura estática de sucção máxima (Zs máx.) que a bomba pode aceitar, conforme ilustrado na Figura a seguir.

Curva de NPSH disponível x vazão.

Considerando que a curva de NPSH requerido versus vazão é crescente, a intersecção destas curvas determinará a vazão máxima de uma bomba em um sistema (como na figura a seguir). Esta é a vazão correspondente ao início da cavitação e queda nas curvas características conforme anteriormente ilustrado na figura anterior.

Vazão Vazão máxima para efeito de cavitação.

É interessante notar que não é possível estabelecer regra geral para determinar a vazão máxima pois a mesma bomba em outro sistema teria vazão máxima diferente devido à variação da curva do NPSH disponível. Desta forma, a queda nas curvas características se daria em vazões diferentes para diferentes sistemas ou condições de sucção, conforme anteriormente ilustrado na figura f igura anterior. Por outro lado, bombas diferentes em um mesmo sistema também acarretariam vazões máximas diferentes devido à variação da curva do NPSH requerido. Finalmente, é importante frisar que a vazão máxima assim determinada corresponde à vazão máxima teórica para efeitos do início de cavitação. A vazão máxima permissível do ponto de vista prático seria aquela que mantivesse a diferença de 2 ft (0,6m) entre o NPSH disponível e o NPSH requerido. Um outro critério eventualmente usado para fixar o limite de operação de uma bomba em um sistema, quanto à cavitação, é a chamada altura máxima de sucção. 7.11.2 Altura máxima de sucção Este valor, eventualmente dado por fabricantes como meio de limitar as condições permissíveis de sucção, corresponde teoricamente

Altura estática de sucção.

Neste caso, já considerando a margem de segurança entre o NPSH disponível e o NPSH requerido, a altura estática máxima (Zs máx.) seria determinada a partir da equação.

Normalmente, este critério só é utilizado em instalações cujo reservatório de sucção é atmosférico (Ps = 0) e em instalações de bombeamento d’água. Neste caso o valor da altura máxima de sucção é, eventualmente, fornecido pelo fabricante.

7.12 Fatores que modificam o NPSH disponível

Se observarmos a equação para cálculo do NPSH disponível, veremos que a alteração de determinadas variáveis pode distorcer completamente o resultado final. Assim sendo, convém analisarmos a influência dos seguintes fatores: – altur alturaa está estátic ticaa de sucçã sucçãoo (Zs); – alti altitud tudee do do loca locall de de instal instalação ação;; – temperatu temperatura ra de de bombe bombeamen amento to do do líqui líquido; do; – tip tipoo de líq líqui uido do bom bombe bead ado; o; – tip tipoo de entrad entrada, a, diâme diâmetro tro,, compri comprimen men-to e acessórios da linha de sucção; – vazão; – pressão pressão no reser reservat vatóri órioo de sucção sucção (Ps). 7.12.1Altura estática de sucção (Zs) Variando a altura estática de sucção (Zs) variará o valor do NPSH disponível. Como devemos analisar as condições críticas, NPSH disponível mínimo, utilizaremos a altura estática mínima no caso de Z s positivo e a altura máxima no caso de Z s negativo.

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7.12.2 Altitude do local da instalação Variando a altitude variará a pressão atmosférica e portanto o NPSH disponível. Para bombas instaladas acima do nível do mar podemos considerar uma diminuição da pressão atmosférica de 1 in.Hg para cada 1000 ft de altitude. 7.12.3 Temperatur emperaturaa de bombeamen bombeamento to Quanto maior a temperatura maior a pressão de vapor, influenciando também no peso específico e na perda de carga através da viscosidade. 7.12.4 Tipo de líquido líquido bombeado Eventualmente, uma mesma instalação pode trabalhar com mais de um líquido. É necessário verificar o caso crítico, NPSH disponível mínimo, analisando os valores da pressão de vapor, peso peso específico e viscosidade visc osidade dos produtos. 7.12.5 Tipo de entrada, comprimento, diâmetro e acessórios da tubulação de sucção É necessário ter em mente que qualquer alteração nas características físicas da tubulação de sucção ou nos acessórios – instalação de um filtro ou válvula de pé, por exemplo – modificam o valor do NPSH disponível.

donando, por enquanto, a possibilidade de influência do líquido bombeado, os seguintes fatores merecem apreciação: – possibi possibilid lidade ade de de redução redução da perd perdaa na entrada da bomba (hfi); – possibi possibilid lidade ade de de redução redução das das veloci velocidadades absoluta e relativa no olho do impelidor (V1) e (Vr1); – uso do in induto dutor; r; – vari variaç ação ão da da rota rotaçã ção. o. Vamos analisa-los nesta ordem. 7.13.1 Possibilidade de redução da perda na entrada da bomba (hfi) Esta possibilidade é explorada pelos fabricantes através de projeto de canal de entrada hidronicamente adequado e cuidado com o grau de acabamento. 7.13 .2 Possibilidade de redução das velocidades 7.13.2 absoluta e relativa no olho do impelidor (V1) e (Vr1) A velocidade (V1) pode ser reduzida através de aumento da área de entrada do impelidor tendo em vista que V 1 = Q/área de entrada do impelidor. Entretanto, a análise não pode ser feita tão simplesmente, pois além de cuidados necessários com a hidrodinâmica da sucção, a variação da área de entrada também implica variação da velocidade relativa conforme ilustrado na figura a seguir.

7.12.6 Vazão Naturalmente, alteração na vazão de operação implica alteração na perda de carga de sucção e conseqüentemente no NPSH disponível. 7.12.7 Pressão no reservatório de sucção (Ps) Tem influência direta no valor de NPSH disponível.

7.13 Fatores que modificam o NPSH requerido e procedimentos para melhorar o desempenho das bombas quanto à cavitação

Naturalmente, a preocupação fundamental quanto a minimizar o NPSH requerido é do fabricante. Entretanto, é interessante também para o usuário alguma noção do problema. Para isto observemos a equação abaixo repetida: 52

Logicamente, qualquer fator que altere os valores dos componentes da equação resultará em modificação do NPSH requerido. Aban-

Diferentes condições de olho de impelidor. impelidor.

Assim sendo, a análise deve considerar também a influência em Vr1. Por exemplo, podemos verificar a variação de Vr1, com o diâmetro maior (d2) da sucção através da seguinte equação:


Assim sendo, para valores conhecidos de Q, d1 e N resulta um gráfico similar ao ilustrailust rado na figura a seguir.

Indutor visto isoladamente e no con junto de uma bomba centrífuga (Cortesia da Worthington S. A).

Variação de V r1 com d2.

A velocidade relativa na sucção pode ser também reduzida através da utilização de pás guias na entrada do impelidor. Este procedimento gera uma pré-rotação e o aparecimento da componente periférica da velocidade absoluta na entrada do impelidor (V u1), conforme ilustrado na figura a seguir.

O principal objetivo do indutor é funcionar como auxiliar do impelidor principal, reduzindo o NPSH requerido pela bomba (ilustrada na figura a seguir). O indutor, é oferecido em grande número de projetos como componente opcional.

Curvas características de uma bomba centrífuga com e sem indutor (Cortesia da Worthington S.A.).

7.13.4 Variação da rotação Se observarmos a última equação citada no item 7.8 veremos que o NPSH requerido varia com o quadrado da rotação.

NPSH requerido a N2

Pré-rotação no olho do impelidor. impelidor.

Notar que este procedimento apresenta o inconveniente de reduzir a capacidade de transferência de energia. Neste caso, de acordo com a teoria do impelidor, temos: H = (U2Vu2 – U1Vu1)/gc. 7.13.3 Uso do indutor O indutor (Figura a seguir) nada mais é que um rotor normalmente axial ou de fluxo misto, colocado na frente do impelidor convencional de uma bomba.

Verificamos que Q a N e H a N2. Este fato, associado ao expresso pela equação acima permite as seguintes considerações: – Na determ determinaçã inaçãoo da da curva curva de NPSH NPSH rerequerido versus vazão, para uma rotação diferente da original há necessidade de considerar a variação de ambos – NPSH requerido e Q – com a rotação. – Tendo endo em vista vista que, que, como como regr regraa geral, geral, 2 Q a N e H a N , é preferível usar rotações altas, pois, para um mesmo ponto de trabalho, conduzem a bombas menores e, provavelmente, sem considerar características especiais de projeto, a um menor custo.

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Entretanto, considerando a equação anterior, é usual a utilização de menores rotações em situações onde as condições de sucção são desfavoráveis como, por exemplo, nas bombas de condensado. – Finalm Finalment ente, e, consid considera erand ndoo que o NPSH NPSH requerido e H são proporcionais ao quadrado da rotação, é possível definir o parâmetro adimensional (sTHOMA) também conhecido como

Anotações

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L e i t u r a Le Complementar 2 Extraído do livro: FALCO, Reinaldo de. Bombas industriais. Rio de Janeiro: McKlausen Editora Ltda., 1992,

p. 115–117.

8.1 Variáveis características em bombas centrífugas

8.1.1 Curva carga (H) x vazão (Q) Carga de uma bomba, pode ser definida como energia por unidade de massa ou energia por unidade de peso que a bomba tem condições de fornecer ao fluido para uma determinada vazão. Embora a definição usando massa como grandeza fundamental seja mais consistente para análises teóricas, existe uma tradição no campo prático de bombas no sentido de usar energia por unidade de peso. Assim sendo, as curvas de cargas versus vazão fornecidas pelos fabricantes, normalmente, apresentam a carga com uma das seguintes unidades: k gf x m k gf

=m

ou

lbf x ft lbf

8

8.1.3 Curva asce ascendent ndente/de e/descend scendente ente (Dro (Drooping oping)) Nesta curva a carga na vazão zero é menor que a desenvolvida para outras vazões (Figura abaixo).

Curva ascendente/descendente (Drooping).

8.1.4 Curva altamente descendente (Steep) É uma curva inclinada em que existe uma grande diferença entre a carga desenvolvida na vazão zero (shutoff) e a desenvolvida na vazão do projeto (Figura abaixo). abaixo).

= ft

A curva ‘carga x vazão’ recebe diferentes denominações de acordo com a forma que apresenta, assim temos: 8.1.22 Cur 8.1. Curva va inclina inclinada da (Rising (Rising)) Nesta curva a carga aumenta continuamente com a diminuição da vazão (Figura abaixo).

Curva altamente descendente.

8.1.5 Curva plana (flat) Nesta curva a carga varia muito pouco com a vazão, desde o shutoff (vazão zero) até o ponto de projeto (Figura abaixo).

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Curva inclinada (Rising).

Curva plana.


a) Curvas tipo estável São aquelas em que para uma determinada carga temos uma só vazão (Exemplo: tipos A, C, D). b) Curvas tipo instável São aquelas em que a um determinado valor de carga pode corresponder duas ou mais vazões (Exemplo: tipo B)

8.2 Curvas de potência absorvida x vazão De modo geral, a nossa preocupação é com a potência absorvida pela bomba, pois esta é a potência requerida do acionador e, portanto, usada na sua seleção. Entretanto é importante i mportante fazer distinção entre as seguintes potências. – Potênci Potênciaa útil útil cedid cedidaa ao flui fluido do (Pot (Potc) – Potênci Potênciaa absorv absorvida ida pela pela bomb bombaa (Pot (Potabs)

8.2.2 Potência absorvida pela bomba (Potabs) É a potência que a bomba recebe ou absorve do acionador (motor, turbina, etc.). Analogamente à potência cedida, a potência absorvida pode ser expressa como:

E as correspondentes correspondentes fórmulas preparadas seriam:

8.2.1 Potência útil cedida ao fluido (Potc) Novamente, dependendo da escolha da grandeza básica como sendo massa ou peso, a potência cedida (Potc) pode ser escrita como: Potc = rQH, onde H é usado em energia/ massa. Potc = gQH, onde H é usado em energia/ e nergia/ peso. São muito usadas, no cálculo da potência cedida, as seguintes fórmulas preparadas:

Finalmente, a curva de ‘potência absorvida versus vazão’, normalmente fornecida pelo fabricante do equipamento, toma a seguinte forma (Figura a seguir).

Curva pot. Absorvida x vazão.

8.3 Curva rendimento total (h) x vazão (Q)

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O rendimento total ( h) pode ser definido como h = hH . hv . hm. Uma outra forma de defini-lo é: Potc h = Potência útil cedida ao fluido = Potência absorvida pela bomba Potabs


A curva de ‘rendimento versus vazão’, a ser fornecida pelo fabricante do equipamento, é ilustrada na Figura a seguir.

Uma terceira maneira muito usual de apresentar as curvas características é ilustrada na figura a seguir. Neste caso, o rendimento e a potência absorvida são fornecidos na forma de curvas de isorendimento e isopotência, respectivamente. Vemos pela primeira vez que na realidade é possível gerar uma família de curvas através da alteração do diâmetro externo do impelidor. Na realidade, isto também seria possível através de variação da rotação.

Curva de rendimento versus vazão.

8.4 Formas de apresentação das curvas características

As ‘curvas carga x vazão’, ‘potência absorvida x vazão’ e ‘rendimento x vazão’ apresentadas anteriormente, são normalmente fornecidas em conjunto, conforme mostra a Figura a seguir. s eguir.

Família de curvas características (Cortesia da Gould Pumps Inc.).

8.5 Características do sistema

Curvas características para bombas centrífugas.

Uma outra forma de apresentar a curva de rendimento é mostrada na figura abaixo onde, para um par de valores Q x H, determina-se o valor do rendimento (h). No exemplo dado para o par Q1 – H 1 o rendimento seria obtido por interpolação entre h3 e h4.

A curva de ‘carga da bomba versus vazão’ nos diz claramente a energia por unidade de peso que a bomba é capaz de fornecer ao fluido em função da vazão. Entretanto, para que possamos 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. 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, da diferença de pressões entre a sucção e a descarga e das perdas existentes no círculo. Assim sendo, para uma determinada vazão, se considerarmos a Figura a seguir, a bomba deve fornecer uma carga suficiente para compensar a altura manométrica do sistema, ou seja: – compen compensar sar a altur alturaa geomé geométric tricaa (h) (h) – compensa compensarr a difer diferença ença de press pressões ões (Pd – Ps)

Curvas características para bombas centrífugas.

– compen compensar sar as as perda perdass na sucção sucção e desdescarga

57


Sistema de bombeamento.

Portanto, voltamos a frisar que carga é uma característica da bomba enquanto que a altura manométrica é uma característica do sistema, apenas devendo-se considerar que a carga expressa em medida linear nos diz a altura manométrica que a bomba é capaz de vencer em determinada vazão. 8.5.1 Conceituação da altura manométrica do sistema Acabamos de ver o que se entende por altura manométrica, que representamos pela letra H devido à sua correspondência com a carga da bomba. Resta-nos agora saber como calculá-la. Para este efeito consideramos novamente a Figura acima. A altura manométrica total (H) será então calculada através da fórmula H = hd – hs, onde: H = altura manométrica total, ou seja, a energia por unidade de peso que o sistema solicita da bomba para uma determinada vazão, sendo utilizadas as unidades:

58

– hs = altura manométrica de sucção, ou seja, a quantidade de energia por unidade de peso já existente no flange de sucção (ponto 1) para uma determinada vazão. – hd = altura manométrica de descarga, ou seja, a quantidade de energia e nergia por unidade de peso que deve existir no flange de descarga (ponto 2) para que o fluido alcance o reservatório de descarga nas condições exigidas de vazão e pressão. A fórmula H = hd – hs torna-se, então de bastante simples entendimento, pois se da quantidade de energia por unidade de peso pes o que deve existir no recalque (ponto2) subtrairmos

a quantidade de energia por unidade de peso já existente na sucção (ponto 1), o resultado só poderá ser a altura manométrica total, ou seja, a quantidade de energia por unidade de peso que o sistema solicita para que possa ser conseguida uma determinada vazão, ou em outras palavras, a carga que uma bomba instalada neste sistema deverá fornecer. Então se dispusermos de meios para calcular hs e hd, teremos calculado o H. 8.5.2 Calculo de altura manométrica de sucção (hs) Tendo em vista que hs representa a energia manométrica por unidade de peso existenexiste nte no flange de sucção, duas alternativas existem para seu cálculo. A primeira alternativa consiste em aplicar o teorema de Bernoulli entre um ponto tomado na superfície livre do reservatório de sucção e o flange de sucção da bomba, isto é: Energi giaa por por unid unidad adee  Ener hs = de peso no ponto de  tom ada de sucç sucção ão  tomada

Perdaa na linh linhaa de   Perd  − suc sucção ção para ara a vazão azão   consi  rada   onsidderad 

A segunda alternativa consiste em medir localmente a quantidade de energia por unidade de peso existente no flange de sucção. Naturalmente, esta alternativa só pode ser utilizada mediante um teste quando a instalação já está funcionado. Neste caso, teríamos:


Apresentamos a seguir uma série de aplicações (Figuras a seguir) do cálculo de hs para diferentes configurações de linhas de sucção.

Cálculo de hs para sistema com reservatório de sucção pressurizado.

Cálculo de hs para sistema com reservatório de sucção aberto para a atmosfera.

Cálculo de hs para sistema com nível de líquido no reservatório de sucção abaixo da linha de centro de sucção da bomba.

Símbolos usados nas fórmulas de hs

Zs Ps hfs

= altura estática de sucção sucção = pressão manométrica manométrica no reservatório de sucção = perda de de carga na na linha e acessórios de sucção incluindo a perda na entrada da tubulação

hs = suction head (valor positivo de hs) (–hs (–hs)) = suction lift (valor negativo de hs) Pb = pressão medida medida no flange flange de sucsucção (manométrica) Vb = velocidade velocidade média média computada computada no no flange de sucção (manométrica)

8.5.3 Cálculo da altura manométrica de descarga (hd) Como sabemos, hd representa a energia manométrica por unidade de peso que deve existir no flange de descarga para que o fluido atinja o ponto final de descarga atendendo as condições do processo. Desta forma, analogamente ao utilizado no cálculo do hs, duas alternativas se apresentam. A primeira consiste em aplicar o teorema de Bernouilli entre o flange de descarga e o ponto final de descarga, isto é: Energi giaa por por unid unidad adee  Perd Perdas as na linh linhaa de  Ener hd = de peso peso no pont ponto o final inal  − reca recalq lque ue para para a vazã vazão o de descarga  considerada   

   

59

Sistema de bombeamento Equipamentos Dinâmicos

A segunda alternativa consiste em medir localmente a quantidade de energia por unidade de peso no flange de descarga. Mais uma vez, cabe ressaltar que esta alternativa, naturalmente, só pode ser usada mediante um testes te quando a instalação já está funcionando. Neste caso, teríamos:

Apresentarmos a seguir, se guir, uma série de aplicações do cálculo de hd (Figuras a seguir) para diferentes configurações de linha de recalque.

Cálculo de hd para a descarga livre.

Cálculo de hd para reservatório de recalque pressurizado.

Cálculo de hd considerando o efeito de sifão.

Cálculo de hd para reservatório de recalque aberto para a atmosfera.

Cálculo de hd considerando o efeito de sifão.

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. Equipamentos Dinâmicos

Símbolos usados nas fórmulas de hd

Zd = altu altura ra estát estátic icaa de desca descarg rgaa Pd = pressã pressãoo manomé manométri trica ca no reserv reservató ató-rio de descarga hfd = perda perda de de carga carga na na linha linha e acessóri acessórios os da descarga incluindo a perda na saída do líquido da tubulação Pc = press pressão ão mano manomét métric ricaa medida medida no no flange de descarga g = peso peso espe especí cífi fico co Vc = veloci velocidad dadee no flange flange de de descarg descargaa g = aceleração Cálculo de hd com reservatório de descarga abaixo de linha de centro da bomba.

8.5.4 Cálculo da altura manométrica total (H) Estamos agora em condições de determinar a altura manométrica total do sistema.Para isto, basta calcular hd e hs e obter a diferença, conforme exemplo a seguir. Considerando o sistema ilustrado na Figura abaixo.

Então:

Usando a segunda alternativa de cálculo, o valor da altura manométrica (H) é obtido através dos valores das pressões e velocidades nos pontos b e c; neste caso, é possível determinar diretamente a diferença entre as quantidades de energia por unidade de peso nestes pontos. Este método encontra aplicação quando já existe a instalação pois, neste caso, manômetros forneceriam as pressões em b e c enquanto que as velocidades seriam facilmente obtidas por:

onde: Ds – diâmet diâmetro ro da da linha linha no no flange flange de sucção Dr – diâmet diâmetro ro da da linha linha no no flang flangee de recalque Neste caso a fórmula aplicada seria:

61


Na equação anterior consideramos que os pontos b e c estão na mesma horizontal; caso houver diferença sensível de cotas, esta diferença deve ser considerada e adicionado (Zc – Zb) ao valor computado pela equação.

– De posse posse dos pares pares de valores valores (Q, (Q, H) H) resta-nos apenas locar os pontos e constituir uma curva que apresenta uma forma semelhante à da Figura a seguir. se guir.

8.6 Determinação da curva do sistema

Denominamos por curva do sistema uma curva que mostra a variação da altura manométrica total a vazão ou, em outras palavras, mostra a variação da energia por unidade de peso que o sistema solicita em função da vazão. Para determinar a curva do sistema, vamos considerar a situação geral ilustrada na Figura anterior. Como vimos, a altura manométrica total pode ser expressa por:

Curva do sistema.

8.7 Determinação do ponto de trabalho

O procedimento, em detalhes, será então o seguinte: – FixamFixam-se se arbitr arbitraria ariamen mente te valor valores es de vavazão, em torno de seis, estando entre estes a vazão zero e a vazão com a qual desejamos que o sistema opere. Objetivando a cobertura de uma ampla faixa de vazão, as quatro vazões restantes devem ser fixadas da seguinte forma: – duas duas de de valor valor inferi inferior or à vazão vazão pretenpretendida para operação – duas duas de valor valor supe superio riorr à vazão vazão pretendida para operação – Observ Observand andoo a equaçã equaçãoo abaixo abaixo,, vemos vemos claramente, que para a vazão zero,

– Para Para as as dema demais is vazões vazões,, a determinação determinação de H é feita somando s omando ao valor do H estático a perda de carga do sistema para cada vazão. – Então Então pod podere eremo moss deter determin minar ar a correscorrespondência entre os valores de Q e H. 62

Se locarmos a curva no sistema, no mesmo gráfico onde estão as curvas características da bomba, obteremos o ponto normal de trabalho na interseção da curva Q x H da bomba com a curva do sistema, conforme mostra a Figura a seguir se guir..

Ponto de trabalho (QT, HT, PT, hT).

Então, a bomba teria como ponto normal de trabalho: – vazão (QT) – car carga ou ou hea headd (H (HT) – potê potênc ncia ia abso absorv rvid idaa (Pot (PotT) – rendim rendiment entoo da bomb bombaa no ponto ponto de de tratrabalho (hT) Deve-se considerar que existem diversos recursos para modificar o ponto de trabalho tr abalho e deslocar o ponto de encontro das curvas Q x H da bomba e do sistema.


Exercícios 01. O Operador detectou que por algum moti-

vo um a bomba encontra-se parada e sem a proteção do acoplamento. Qual a atitude a ser tomada?

08. Em uma injeção de selagem (flushing) que

opera com produto quente é necessário um resfriador para a redução da temperatura. Qual a principal falha que pode ocorrer nesse sistema e qual a conseqüência dessa falha?

09. Em uma bomba que opera com querosene

02. O Operador passou ao lado de uma bomba

e acidentalmente enroscou, derrubou e quebrou o copo de óleo lubrificante da caixa de mancais manca is desta. A bomba reserva está removida para manutenção e, consequentemente, se esta for parada implica em uma parada da UNIDADE DE CRAQUEAMENTO. Além disso, o fato se deu em uma Sexta-feira às 22:00 horas. Nesse caso: Qual a solução que o operador deve adotar? Caso o operador abandone o local e não avise ninguém, o que poderá ocorrer nos próximos dias? 03. Uma bomba dosadora (alternativa) foi

completamente revisada inclusive seu filtro de sucção foi limpo e o tanque que fornece produto ao sistema está com nível adequado. Ocorre que o nível do tanque não baixa. O que está ocorrendo? 04. Foi detectado que um mancal de uma bom-

ba está excessivamente quente (800C na parte inferior). Como você verifica se o sistema de refrigeração está resfriando esse manca!?

05. Foi detectado que um soprador de forno

parou por que caiu a zero a vazão de ar. O operador da área foi avisado pelo rádio para verificar o soprador no local. Este verificou que o motor está funcionando em rotação normal. Novamente, confirmou via rádio com painel que a vazão é zero. Então, observou que o eixo do soprador está parado. Qual a falha mecânica que ocorreu? 06. Foi observado que em uma bomba que ope-

ra com gaxetas está vazando produto (resíduo de vácuo). Como a bomba tem flushing com diesel deveria vazar diesel. Considere que a bomba possui folgas adequadas e as gaxetas foram recentemente ajustadas. Por que está vazando produto? 07. Qual a consequência da obstrução de um

filtro de selagem?

de aviação está havendo contaminação da caixa de mancal com água. Quais as possíveis causas desse problema? 10. Quais os cuidados devem ser observados

ao partir uma bomba centrífuga?

11. 11. Uma bomba acionada por uma turbina está

com baixa pressão de descarga. O que pode ser feito na turbina, a nível operacional, para aumentar a pressão de descarga?

12. Uma bomba acionada por uma turbina está

operando em carga plena com fluido (líquido) (lí quido) bastante viscoso, determinando abertura total da válvula parcializadora. Em algum momento, veio um bolsão de gás na bomba e em seguida verificou-se verificou- se que a bomba parou. Por que a bomba parou? 13. Quais os cuidados devem ser observados

ao partir uma turbina a vapor?

14. Houve suspeita de vazamento de gás, no

C-2501-A, da câmara de compressão para o cárter. Um técnico de manutenção solicitou análise do óleo e, baseado no resultado desta, determinou a troca do óleo imediatamente. Que variável (fator) considerada para essa tomada de decisão? 15. Uma bomba alternativa com acionador a

vapor parou (cessou seu movimento). O que pode ter ocorrido? 16. Quais cuidados devem ser observados ao

partir uma bomba dosadora?

17. Uma bomba de fuso helicoidal helicoidal (volumét (volumétric rica), a),

recentemente submetida à revisão total, está operando e não atinge a pressão de descarga esperada. O que está ocorrendo no sistema? 63

18. Uma bomba centrífuga estava com vazão

normal e repentinamente perdeu vazão. Que ação do operador pode ter ocorrido para desencadear tal fato?


19. Qual a diferença entre um compressor cen-

trífugo e uma bomba centrífuga?

20. Qual a diferença, em termos de aplicação,

entre um compressor centrífugo e um compressor alternativo? 21. Em um compressor centrífugo aberto, foi

observada a existência de quatro impelidores com diâmetros diferentes. Por que existem quatro impelidores e por que seus diâmetros são diferentes? 22. Um compressor alternativo de dois está-

gios perdeu eficiência e apresenta ruído no cabeçote do primeiro estágio. Qual é a falha mecânica provável? 23. Em um compressor centrífugo para com-

pressão de gás de processo, nota-se a existência de dois sistemas de óleo. Um sistema é destinado à lubrificação. Qual a finalidade do outro? Referências Bibliográficas MATTOS, MATTOS, Edson Ezequiel; Eze quiel; FALCO, Reinaldo Reina ldo de. Bombas Industriais. 2. ed. Rio de Janeiro : McKlausen, 1992. KARASSIK, I. J.; CARTER, CARTER, R. Centrifugal Pumps. McGraw Hill Book Company, 1960. KARASSIK, I. J.; KRUTZSCH, W. C.; FRAZER, W. H.; MESSIAN, J. P. Pump Handbook. McGraw Hill Book Company, 1976.

Anotações

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No UnicenP, a preocupação com a construção e reconstrução do conhecimento está em todas as ações que são desenvolvidas pelos próreitores, diretores de Núcleos, coordenadores de Cursos e professores. Uma equipe coesa e unida, em busca de um só objetivo: a formação do cidadão e do profissional, que é capaz de atuar e modificar a sociedade por meio de suas atitudes. atitudes. Preparar este cidadão e este este profissional é uma responsabilidade responsabilidade que esta equipe assume em suas atividades no Centro Universitário Positivo, que envolvem, principalmente, as atividades em sala de aula e laboratórios, bem como a utilização contínua dos recursos disponibilizados pela Instituição em seu câmpus universitário. Esta equipe trabalha em três núcleos básicos da área de graduação  Núcleo de Ciências Humanas e Sociais Aplicadas, Núcleo de Ciências Biológicas e da Saúde, Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas  além das áreas de pósgraduação e de extensão. O UnicenP oferece em seus blocos pedagógicos 111 laboratórios, clínicas de fisioterapia, nutrição, odontologia e psicologia, farmácia-escola, biotério, central de estagio, centro esportivo e salas de aula, nos quais é encontrada uma infra-estrutura tecnológica moderna que propicia a integração com as mais avançadas técnicas utilizadas em cada área do conhecimento. 67


Principios Éticos da Petrobras A honestidade, a dignidade, o respeito, respeito, a lealdade, lealdade, o decoro, o zelo, a eficácia e a consciência dos princípios éticos são os valores maiores que orientam a relação da Petrobras com seus empregados, clientes, concorrentes, parceiros, fornecedores, fornecedores, acionistas, acionistas, Governo Governo e demais segmentos da sociedade. A atuação da Companhia busca busca atingir níveis níveis crescentes de competitividade e lucratividade, sem descuidar da busca do bem comum, que é traduzido pela valorização de seus empregados enquanto seres humanos, pelo respeito ao meio ambiente, pela observância às normas de segurança e por sua contribuição ao desenvolvimento desenvolvimento nacional. As informações informações veiculadas interna interna ou externamente externamente pela Companhia devem ser verdadeiras, visando a uma relação de respeito e transparência com seus empregados e a sociedade. A Petrobras considera considera que a vida particular particular dos empregados é um assunto pessoal, desde que as atividades deles não prejudiquem a imagem ou os interesses da Companhia. Na Petrobras, as decisões são pautadas no resultado do julgamento, considerando considerando a justiça, justiça, legalidade, legalidade, competência e honestidade.

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Equipamentos Dinamicos - Parte 2

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