Guia Completo: Bombas Centrífugas, Cavitação e Fluxos

Bombas Centrífugas: Classificação e Tipos de Rotor

Classificação Segundo o Ângulo do Fluxo

A classificação das bombas centrífugas é feita segundo o ângulo que o fluxo toma em relação ao eixo da bomba:

Fluxo Radial (Centrífugas)

• Centrífuga propriamente dita.
• O líquido sai radialmente ao eixo.
• São as mais difundidas.
• A potência consumida cresce com o aumento da vazão.

Fluxo Axial (Propulsoras)

• Também chamadas de propulsoras.
• O líquido sai em direção aproximadamente axial ao eixo.
• O rotor funciona como uma hélice.
• Ao contrário das bombas de fluxo radial, a potência consumida aumenta quando sua saída se encontra bloqueada.
• Indicada para grandes vazões e baixas alturas manométricas.

Tipos de Rotor

As bombas centrífugas utilizam diferentes tipos de rotor, dependendo da viscosidade e limpeza do líquido:

• Rotor Fechado: Para água limpa e fluido com pequena viscosidade.
• Rotor Semiaberto: Para líquidos viscosos ou sujos.
• Rotor Aberto: Para líquidos sujos e muito viscosos.

Seleção de Bombas Centrífugas

O processo de seleção de uma bomba centrífuga envolve as seguintes etapas:

1. Definir ou calcular a vazão necessária (Q).
2. Determinar a altura manométrica (H_man).
3. Interpolar os dados de vazão e altura manométrica em um diagrama de blocos do fornecedor.
4. Com os modelos selecionados, obter as curvas características da bomba, geralmente no próprio catálogo.
5. Determinar as grandezas relativas ao ponto de trabalho para os diversos modelos selecionados (Q, H_B, h_B, NPSH_REQ, N_B).
6. Verificar o rendimento para cada modelo selecionado.
7. Analisar as condições de cavitação.
8. Determinar a potência necessária no eixo.
9. Em função da avaliação do rendimento, NPSH_REQ, potência e custo, selecionar a bomba adequada à instalação.

Partida em Bombas Centrífugas (Shut-Off)

Analisando o gráfico potência x vazão, nota-se que a potência requerida é mínima para vazão igual a zero, ou seja, quando a válvula de descarga está fechada.

Nesta condição, a bomba consome energia apenas para seus atritos internos e para as perdas de atrito do rotor girando no fluido.

Uma bomba operando em vazão igual a zero (Q=0) denomina-se “shut-off”.

Cavitação e Pressão de Vapor

O Fenômeno da Cavitação

• Fenômeno limitado a líquidos.
• Intimamente relacionado com o conceito de Pressão de Vapor.

Pressão de Vapor

A pressão de vapor de um líquido a uma determinada temperatura é aquela na qual o fluido coexiste em suas fases: líquido e vapor.

Mecanismo da Cavitação

O processo de cavitação ocorre quando a pressão local do fluido cai abaixo da sua pressão de vapor:

• Mantendo o fluido a uma pressão constante (pressão atmosférica), o aumento da temperatura provoca mudança de líquido para vapor.
• Mantendo a temperatura constante, diminuindo a pressão, ao alcançar a pressão de vapor, o líquido começará a vaporizar.
• Na tubulação de sucção, o fluido perde pressão ao longo do escoamento.
• Se a pressão absoluta em qualquer ponto desta tubulação for reduzida ou igualada à pressão de vapor, parte deste líquido se vaporizará, formando cavidades (bolhas de vapor), o que marca o início do processo de cavitação.

Consequências da Cavitação

As bolhas de vapor são conduzidas pelo fluxo até atingirem pressões mais elevadas que a pressão de vapor (geralmente no rotor), onde ocorre a implosão (colapso), caracterizando a cavitação.

Os efeitos da cavitação podem incluir:

• Ruídos e vibrações.
• Erosão das superfícies metálicas (pitting): normalmente ocorre nos locais onde as bolhas implodem.

A cavitação é normalmente acompanhada de:

• Barulho característico.
• Redução da altura manométrica e do rendimento.

Fundamentos de Hidráulica e Cinética de Fluidos

Conservação de Energia em Fluxo Permanente

Um líquido possui energia se é capaz de realizar trabalho.

Exemplo: A água utiliza energia cinética quando ela aciona uma turbina ou bomba d’água.

Cinética de Fluidos

A Hidrocinética trata do comportamento da água em movimento, sem considerar de forma explícita as forças envolvidas neste movimento.

Vazão (Q): Volume de um líquido que passa por uma seção por unidade de tempo (m³ s⁻¹ ou seus múltiplos).

Fluxos Permanentes e Uniformes

A classificação do fluxo pode ser feita em função do tempo e do espaço:

• Fluxo Permanente: A vazão permanece inalterada com o tempo (Q = constante).
• Fluxo Não Permanente: A vazão varia com o tempo (Q = variável).

O fluxo pode ser Permanente ou Não Permanente em função da variável independente tempo.

• Fluxo Uniforme: Se, em um dado instante, a velocidade permanece a mesma ao longo do conduto.
• Fluxo Não Uniforme: A velocidade varia em diferentes trechos do conduto.

O fluxo pode ser Uniforme ou Não em função da variável independente espaço.

Exemplos:

• Se a vazão for uniforme ao longo de uma tubulação de um único diâmetro, o fluxo é permanente e uniforme.
• Se nesta mesma tubulação o diâmetro for variável, o fluxo é permanente e não uniforme.

Fluxos Laminar e Turbulento

Osborne Reynolds (1883) demonstrou dois tipos básicos de fluxo que ocorrem dentro de um tubo através de um experimento com linhas de fluxo (injeção de corante).

• Fluxo Laminar: Enquanto as velocidades da água eram baixas, observavam-se linhas retas de corante que não se misturavam.
• Fluxo Turbulento: Com o aumento da velocidade, o fluxo de corante deixava de ser retilíneo, assumindo formato irregular, sem linhas de fluxo nítidas.

Viscosidade dos Fluidos

Definição de Viscosidade

Viscosidade (μ) é uma medida da resistência interna do fluido ao movimento de camadas adjacentes deste mesmo fluido, a qual produz forças de fricção ou cisalhamento entre estas camadas (ruptura das pontes de hidrogênio).

Exemplo Prático

Considere o exemplo das placas paralelas com uma pequena distância y entre elas, preenchida por um líquido. Uma das placas entra em movimento devido a uma força de ruptura tangencial e constante (F).

• A velocidade do líquido aderido à placa em movimento será proporcional à força F aplicada à placa.
• Traçando um perfil das velocidades v perpendicular à distância y, verifica-se um gradiente de velocidade ou taxa de deformação (dv/dy).
• O resultado pode ser visto como se o fluido fosse constituído por camadas com velocidades diferentes, variando entre uma velocidade nula (v=0) junto à placa fixa, e uma velocidade máxima (v=v_f) junto à placa móvel.