T1_ Máquinas Hidráulicas (1)

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BOMBAs Hidráulicas
Componentes do grupo:
Bárbara Abreu, Camilla Schausse, Eduardo Haddad, Gabriel Marinho, 
Juan Carlos Gomes, Mariana Volpini e Paola Achtschin.
Professor: Felipe Rachid
TEM00210 – Máquinas Hidráulicas
GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE
SUMÁRIO
1 – Bomba Alternativa a pistão de simples efeito
2 – Bomba Rotativa de palheta
3 – Bomba Centrífuga Radial
4 – Bomba Periférica Parafuso
5 – Bomba Especial Gas Lift
 
 
1 - BOMBA ALTERNATIVA A PISTÃO DE SIMPLES EFEITO
Deslocamento volumétrico positivo
Inversão no sentido do atuador
Contato entre Pistão e Fluido
Classificações:
Simplex
Duplex
Triplex
Multiplex
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1.1 - Componentes da Bomba Alternativa a Pistão
1.2 - Princípio de Funcionamento da Bomba
Fase de Sucção:
Fase de Descarga:
1.2 - Princípio de Funcionamento da Bomba
1.3 - Vantagens e Desvantagens
VANTAGENS:
Ação repetitiva  Dosagem precisa de fluido
Alta pressão e fluxo baixo
Alta Eficiência
Fluido de alta viscosidade
DESVANTAGENS:
Vibrações
Alto custo de manutenção
Fluido de baixa viscosidade
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Bomba de taxa de fluxo constante sem motor
1.4 - Aplicações da Bomba Alternativa a Pistão
Bomba de taxa de fluxo constante movida a ar
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1.5 - FAIXA DE APLICAÇÃO DE Q (VAZÃO) E P (PRESSÃO)
Bomba de taxa de fluxo constante movida a ar
Bomba de taxa de fluxo constante sem motor
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 2 - BOMBA Rotativa DE PALHETA
Foi inventada por Charles C. Barnes de Sackville, New Brunswick que a patenteou em 16 de junho de 1874.
Rotor cilíndrico  palhetas móveis 
Células de fluido  entre duas palhetas consecutivas
A entrada e a saída do fluido  aberturas existentes nas tampas laterais ou no anel estator. 
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2.1 - Componentes da bomba de palheta
Anel de Controle
Rotor
Volume de Saída
Palheta
Anel Interno
Câmara Piloto
Volume de Entrada
Direção de Rotação
Dreno
Mola de Controle
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2.2 - FUNCIONAMENTO
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2.2 - funcionamento
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2.3 - Tipos de bombas de palheta
Os tipos mais comuns de bombas de palhetas encontrados em sistemas são:
bomba de palhetas desbalanceadas
bombas de palhetas balanceadas
deslocamento variável
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2.4 - EFICIÊNCIA DA BOMBA DE PALHETA
Modelo: V10
Bombas simples de deslocamento fixo
Pressão máxima 175 bar
Vazão de 1 a 7 gpm
Modelo: V20
Bombas simples de deslocamento fixo
Pressão máxima 175 bar
Vazão de 6 a 13 gpm
Modelo: 25 V / VQ
Bombas simples de deslocamento fixo
Pressão máxima 210 bar
Vazão de 12 a 21 gpm
Modelo: 35 V / VQ
Bombas simples de deslocamento fixo
Pressão máxima 210 bar
Vazão de 25 a 38 gpm
Modelo: 45 V / VQ
Bombas simples de deslocamento fixo
Pressão máxima 210 bar
Vazão de 42 a 60 gpm
Modelo: T6C
Bombas simples de deslocamento fixo
Pressão máxima 250 bar
Vazão de 12 a 22 gpm
Modelo: 2520 V / VQ
Bombas duplas de deslocamento fixo
Pressão máxima 210 bar
Vazão dianteira: de 12 a 21 gpm
Traseira: de 05 a 14 gpm
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2.4 - APLicações
Guinchos e guindastes
Equipamentos de perfuração e de campos petrolíferos
Equipamentos de movimentação de terra e construção
Máquinas Industriais
Equipamentos de Siderurgia e Mineração
Equipamentos para geração de energia, hidroelétricas
Tratores e máquinas agrícolas e florestais
Automação de fábricas
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2.6 - Vantagens E Desvantagens
VANTAGENS:
Fluxo baixo de pulsação
Níveis baixos de barulho
Grande variedade de velocidades
Grande variedade de viscosidades
DESVANTAGENS:
Pode ter 2 caixas de enchimento
Carcaça complexa e com muitas peças
Não adequado para altas pressões
Não adequado para alta viscosidade
Não é bom com abrasivos
3 – BOMBA CENTRÍFUGA RADIAL
Exemplos de rotores utilizados para cada aplicação bomba centrífuga. Elas se diferenciam pelo sentido de saída do liquido no rotor. Coloquei apenas para efeito comparativo, já que o nosso objeto de estudo é apenas a bomba centrífuga radial. Nesse slide, seria legal comparar brevemente a trajetória do líquido em cada uma delas, para as pessoas entenderem o porquê da bomba radial ser chamada assim. 
1. Nas bombas centrifugas radiais, a movimentação do liquido se dá do centro para a periferia do rotor, no sentido perpendicular ao eixo de rotação.
2. Nas bombas centrifugas de fluxo axial o movimento do liquido ocorre paralelo ao eixo de rotação.
3. Nas bombas centrifugas de fluxo misto, o movimento do liquido ocorre na direção inclinada (diagonal) em relação ao eixo de rotação.
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3.1 – APLICAÇÕES
Esgotos Sanitários
Instalações Domiciliares
Instalações Prediais
Indústria
Agroindústria
Petroquímica
A bomba centrífuga radial é o tipo de bomba mais utilizado em diversos setores. Suas aplicações vão desde esgotos sanitários, instalações domiciliares e prediais, indústria e agroindústria, petroquímica.
Os fluidos que podem ser utilizados são: Água, Água salgada, Gasolina, Óleo, mistura de areia.
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3.2 – PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO 
Para o funcionamento da bomba e necessário que a carcaça esteja completamente cheia do liquido a ser bombeado e, portanto, e imprescindível que o rotor permaneça submerso no liquido.
A movimentação do liquido se dá do centro para a periferia do rotor, no sentido perpendicular ao eixo de rotação. O liquido penetra no rotor paralelamente ao eixo, sendo dirigido pelas pás para a periferia, segundo trajetórias contidas em planos normais ao eixo.
A Bomba Centrífuga tem como base de funcionamento a criação de duas zonas de pressão diferenciadas, uma de baixa pressão (sucção) e outra de alta pressão (recalque). Para que ocorra a formação destas duas zonas distintas de pressão, é necessário existir no interior da bomba a transformação da energia mecânica (de potência), que é fornecida pela máquina motriz (motor ou turbina), primeiramente em energia cinética, a qual irá deslocar o fluído, e posteriormente, em maior escala, em energia de pressão, a qual irá adicionar “carga” ao fluído para que ele vença as alturas de deslocamento.
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3.3 – COMPONENTES 
-Bomba radial, com dois componentes principais: um rotor montado num eixo e uma carcaça (voluta) que envolve o rotor. Ver roteiro para maior detalhamento dos componentes. 
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3.3.1 – COMPONENTES - ROTORES
Rotor Fechado:
Rotor Semi-aberto:
Rotor Aberto:
O design do impulsor/rotor é o fator mais significativo para determinar o desempenho de uma bomba centrífuga. Um impulsor adequadamente projetado otimiza o fluxo, minimizando a turbulência e maximizando a eficiência .
Os rotores podem ser abertos, semi-abertos ou fechados: 
• Rotor aberto: é utilizado para bombeamento de águas residuais ou bruta de má qualidade.
• Rotor semiaberto ou semifechado: é utilizado para recalque de água sedimentada.
• Rotor fechado: é utilizado com água potável ou tratada. Possui maior eficiência quando comparado aos demais.
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3.3.1 – COMPONENTES - ROTORES
Bomba de Simples estágio
Bomba de Múltiplos Estágios:
Simples Sucção:
Dupla Sucção:
Os rotores também podem ser de simples ou dupla sucção:
Sucção única:  Um impulsor de sucção única permite que o líquido entre no centro das pás apenas de uma direção.
Sucção dupla . Um impulsor de sucção dupla permite que o líquido entre no centro das pás do impulsor de ambos os lados simultaneamente. Isso reduz as forças exercidas no eixo. Esse tipo de bomba é utilizado quando a vazão pretendida e maior do que aquela que se pode obter usando uma bomba centrifuga pura com aspiração simples.
De acordo com a quantidade de rotores que as compõem, as bombas podem ser de dois tipos:
Bomba de simples ou único estágio: Essas bombas tem um único rotor.
Múltiplos estágios: Uma bomba que tem mais de um rotor.
As bombas de múltiplos estágios são próprias para instalações de alta pressão. 
As bombas de simples estágio são utilizadas na maioria das instalações hidráulicas, porque a simplicidade de sua fabricação facilita a produção em série, além de atender a necessidade de se elevar a agua a pequenas e medias alturas, entre outras aplicações. Essa aplicação apresenta menor consumo de energia, melhor relação custo-benefícioe manutenção mais simples.
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3.3.1 – COMPONENTES - ROTORES
Aumento de energia de pressão no rotor da bomba 
Aqui, a gente consegue ver através de um software de análise de elementos finitos como se dá o aumento de pressão no rotor, do centro para as periferias.
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3.4 – VANTAGENS E DESVANTAGENS
VANTAGENS:
Construção simples
Baixo custo
Baixo custo de manutenção
Operam a altas velocidades, ou seja, podem ser acionadas diretamente por motores elétricos
DESVANTAGENS
Bombas de um estágio não são projetadas para altas pressões
Bombas multiestágios para altas pressões possuem alto custo
Sólidos em suspensão aumentam o desgaste
Performance baixa para altas viscosidades
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3.5 – FAIXA DE APLICAÇÃO DE Q (VAZÃO) E P (PRESSÃO)
Vazão: 0 < Q < 500 m³/H
Pressão: 0 < P < 50 Atm
Aqui a gente tem as faixas de trabalho nas quais atuam as bombas centrifugas radiais.
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4 – BOMBA PERIFÉRICA PARAFUSO
As bombas de turbina ou regenerativas ou periféricas são algo semelhantes na aparência à variedade comum de centrífugas, mas a sua construção interna é tal que são capazes de desenvolver cabeças de descarga altas a baixos caudais. Devido à pequena folga interna entre a turbina e uma parte da caixa, os líquidos bombeados devem estar livres de partículas abrasivas e não devem ser corrosivos ou mais viscosos.
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4.1 - aplicações
Hidrociclone:
Saneamento para elevatório de esgoto:
Essa bomba permite elevar desde pequenas a altas vazões em alturas não muito elevadas. Possui amplo meio de aplicações, como:
Saneamento para elevatórias de esgoto,
Recirculação de lodo,
elevação de águas,
Controle de inundações pluviais.
alimentação de hidrociclones, filtração, transferência de fluidos através de grandes distâncias, jacto, e para fontes de visualização.
A primeira figura representa um Hidrociclone já a segunda figura representa um saneamento para elevatórias de esgoto
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4.1- Aplicações
Recirculação de Lodo:
Controle de Inundações Pluviais:
Essa bomba permite elevar desde pequenas a altas vazões em alturas não muito elevadas. Possui amplo meio de aplicações, como:
Saneamento para elevatórias de esgoto,
Recirculação de lodo,
elevação de águas,
Controle de inundações pluviais.
alimentação de hidrociclones, filtração, transferência de fluidos através de grandes distâncias, jacto, e para fontes de visualização.
A primeira figura representa uma recirculação de Lodo e a segunda representa um controle de inundações pluviais 
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4.2 - Componentes
Port de Sucção
Parafuso de Condução
Parafuso de Acionamento
Port de Descarga
Mola
Selo Estacionário
Rolamento
Eixo Motriz
Válvula de Recirculação
Selo de Rotação
Parafuso de condução - Driver Screw
Parafuso de acionamento - Driven Screw
Calendário - Timing Gear
Portas de sucção e descarga - Suction & Discharge Ports
Válvula de alívio / Linha de recirculação - Relief Valve / Recirculation Line
Rolamentos - Bearings
Vedação rotativa e estacionária - Rotary and Stationary Seal
Eixo motriz - Driving Shaft
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4.3 - Princípio de Funcionamento
Uma bomba de parafuso gera pressão ao adicionar aceleração axial ao meio fluido dentro da sua área de folga fina. Ao contrário das bombas de engrenagens com uma engrenagem acionando a outra; tanto os parafusos acionadores como os parafusos da bomba de parafuso giram em fase, utilizando engrenagens temporizadas. Tanto o parafuso da mão esquerda como o da direita funcionam com uma folga fina; aspira o ar dentro da folga fina das roscas do parafuso de entrelaçamento.
Empurra o ar axialmente para a saída; cria uma pressão diferencial que ajuda a sugar o meio fluido para o meio da bomba. Agora, à medida que o eixo gira, empurra cada vez mais fluido para a porta de saída com pressão acrescida; devido à aceleração axial do parafuso móvel. O fluido pode ficar preso entre parafusos simples ou múltiplos, dependendo do desenho da bomba.
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4.4 - Vantagens e desvantagens
VANTAGENS:
Operação Confiável
Opera em altas velocidades
Descargas contínuas
Opera sem grande poluição sonora
DESVANTAGENS:
Dificuldade de fabricação de parafusos
Inapropriado para óleos de alta viscosidade
Baixa eficiência ( quanto maior a viscosidade do óleo, menor é a eficiência)
4.5 - Faixa de aplicação
Um rolamento: 1700 GPM, 250 psi
Três rolamentos: 1600 GPM, 2300 psi
Exemplificando para um caso com um único rolamento externo (L1) contribui para um design extremamente robusto para serviço em várias aplicações diferentes com taxas de fluxo até 1700 GPM e pressão de descarga de 250 PSI.
Para o caso com 3 rolamentos temos os caudais da série L3 são de até 1600 GPM com pressão de descarga máxima de 2300 PSI.
A primeira figura representa Bomba de parafuso duplo para gasoduto de betume diluído já a segunda figura representa Turbina a vapor L3MC 100/172 para resíduos oleosos viscosos
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5 – BOMBA especial gás lift
Elevação artificial  poços improdutivos ou para aumentar a produção
Causas que levam à improdutividade de poços:
Pressão do fundo do poço cai e não é mais suficiente para superar as perdas de carga
Perdas de cargas aumentam até superar a pressão de fluxo no fundo do poço
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5.1 - aplicações
Poços sem condição de surgência
Aumentar a produção de um poço que já está em produção
Poços que produzem fluido com alto teor de areia, elevada razão gás/líquido
Descarregamento de um poço afetado por perfuração e faturamento adjacentes
5.2 - Componentes
Reservatório
Canhoneado
Coluna de Produção
Anular
 Válvulas de Gás Lift (controlar a injeção de gás na subsuperfície)
 Compressores
5.2 - Componentes
5.2 - Componentes
Podem ser classificadas de duas formas, segundo sua função:
Válvulas de descarga: Facilitam a operação de descarga do poço
Válvulas Operadoras: Controlam o fluxo de gás do anular para o interior da coluna de produção durante o processo de injeção
VÁLVULAS DE GAS-LIFT
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5.3 - Princípio de Funcionamento
Amortecimento do poço  diferença de pressão
Remoção do fluido de amortecimento
DESCARGA DO POÇO
PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO
Para habilitar a injeção de gás pela válvula operadora de gas-lift, se faz necessário, inicialmente, realizar a operação de descarga do poço. 
(mostrar o slide 37 novamente para mostrar a região do anular)
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5.3 - Princípio de Funcionamento
GAS-LIFT CONTÍNUO
Perda de carga devido à elevação (coluna hidrostática)
Perda de carga devido a fricção
Perda de carga devido à aceleração
A Equação do Gradiente de Pressão mostra a composição do diferencial de pressão total a ser vencido na elevação de fluidos:
o primeiro termo da equação é a perda de carga devido à fricção que representa entre 5 a 20% da perda de carga total; o segundo, devido à elevação (coluna hidrostática), representa entre 80 a 95%; e, o terceiro, devido à aceleração, que Figura 4: Descarga de um Poço de Gas-Lift Fonte: Plucenio, 2003. Avaliação de um Sistema de Gas-Lift Contínuo Aluno: João Maria de Góis Júnior 15 normalmente é negligenciado nos cálculos, sendo considerado somente em caso onde haja alta velocidade de escoamento ou mudanças significativas na velocidade. 
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5.3 - Princípio de Funcionamento
GAS-LIFT CONTÍNUO
Separação de óleo retirado do reservatório
Injeção de gás
Diminuição da densidade do fluido
Diminuição da pressão hidrostática
CANHONEADO
RESERVATÓRIO
PAKER
ANULAR
COLUNA DE PRODUÇÃO
5.3 - Princípio de Funcionamento
Quando a injeção de gás começa, o nível de fluídos no anular e no tubing estão na superfície, a pressão desses fluídos mantém as válvulas abertas. Com o gás sendo injetado, ele preenche o anular e sua pressão faz com que a coluna de líquido vá em direção ao tubing, até chegar na primeira válvula. Quando o gás entra no tubing, reduzindo a densidade do líquido escoado. O gás continua seu movimento no anular para baixo. Quando alcança a segunda válvula, o gás começa entrar no tubing e com isso a pressão no anular é reduzida, gerando o fechamento da primeira válvula. Esse processo continua até chegar no ponto de injeção, ou válvula mais inferior, aumentando assim o volume de produção.
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5.4 - Vantagense desvantagens
VANTAGENS:
Método relativamente simples e de baixo custo operacional
É efetivo sob condições adversas de poço
Areias e outros sólidos podem ser manuseados com poucos problemas
Pequena taxa de falhas
DESVANTAGENS:
Disponibilidade de uma fonte de gás de alta pressão
Não é rentável para uso em baixa escala (ex: só 1 poço) 
Pressão mínima de produção do orifício inferior aumenta com a profundidade e o volume
5.5 - Faixa de aplicação
A faixa de aplicação do Gas Lift vai depender de muitos fatores, como profundidade de cada válvula, prpopiedades do óleo e design do sistema. Sendo assim, as imagens a seguir são exemplos do comportamento da vazão de gás em relação a produção de líquidos. 
Imagem 1: Mostra como a produção aumenta com um maior volume de gás injetado, aumentando também a pressão.
Imagem 2: Mostra diferentes faixas de aplicação do Gas lift: 1- Maior produção é alcançada; 2- Ponto econômico de produção; 3- Produção fixa
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Bibliografia
https://www.powerzone.com/resources/glossary/reciprocating-pump
https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/reciprocating-pumps
https://www.starpumpalliance.com/piston-pumps/?gclid=CjwKCAjw5p_8BRBUEiwAPpJO6y7aaoEOlGX3IA6Pw8VD4b77mokCgrS986PO2hn5-tjRUPeM6fe9nBoCOAwQAvD_BwE
https://www.michael-smith-engineers.co.uk/resources/useful-info/positive-displacement-pumps
https://www.mcmaster.com/water-piston-pumps/
http://www.piping-engineering.com/kinetic-pumps-centrifugal-peripheral-special-pumps.html#PeripheralPump
https://www.northridgepumps.com/article-215_peripheral-pump-guide
https://empoweringpumps.com/leistritz-screw-pump-applications-in-pipelines-refineries-and-chemical-plants/
http://mechdiploma.com/state-four-advantages-and-disadvantages-screw-pump
https://shipfever.com/screw-pump-parts-working-function/
https://www.bruma.com.br/bombas-de-palhetas.php
Bibliografia 
https://www.slideshare.net/JosemarPereiradaSilva/bombas-2013-2
https://www.convergencetraining.com/pump-types-and-applications.html
http://www.monografias.com/trabajos36/bombas-centrifugas/Image6189.gif
https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/4142171/mod_resource/content/2/PME3230-Bombas-Prof_Bruno_Carmo.pdf PAG5
https://www.thermal-engineering.org/pt-br/o-que-e-bomba-centrifuga-definicao/
http://www.monografias.com/trabajos36/bombas-centrifugas/Image6189.gif
https://www.youtube.com/watch?v=lmjIQqo8mX4&feature=emb_logo
https://www.slideshare.net/JosemarPereiradaSilva/bombas-2013-2
Livro: Bombas: guia basico / Eletrobras [et al.]. Brasilia : IEL/NC, 2009.
https://sistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5817712/LOQ4015/capitulo3_bombasclassificacaoedescricao.pdf
www.unicamp.br/fea/ortega/aulas/aula11_Bombas.ppt
https://www.academia.edu/38150967/SLB_Gas_lift_Manual