Trabalho escolha de bombas 2015/2

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
ALEXANDRE SOLOVIEV
ANA PAULA BARBOSA PEDROTTI
ANDRÉ ANDREJEWSKI
ANDRÉ PEDROZA VIEIRA
SELEÇÃO DE BOMBAS CENTRÍFUGAS
CURITIBA
2015
ALEXANDRE SOLOVIEV
ANA PAULA BARBOSA PEDROTTI
ANDRÉ ANDREJEWSKI
ANDRÉ PEDROZA VIEIRA
SELEÇÃO DE BOMBAS CENTRÍFUGAS
Trabalho apresentado como requisito parcial à aprovação da disciplina de Operações Unitárias I no curso de graduação em Engenharia Química do Setor de Tecnologia da Universidade Federal do Paraná.
Professor Alberto Tadeu Martins Cardoso
CURITIBA
2015
BREVE INTRODUÇÃO
Bombas centrífugas são empregadas em processos industriais para realizar o transporte de vazões significativas de líquidos com baixas viscosidades e que requerem pouca carga. Em seu funcionamento, o trabalho de eixo do rotor transfere energia cinética para o líquido e esta se transforma na sequência em aumento de pressão. O objetivo desse trabalho consiste em realizar a escolha da bomba ideal para um dado sistema, por meio do cálculo da carga necessária, NPSH disponível e da potência do motor. Também se testa a ocorrência de cavitação e, caso ocorra, soluciona-se o problema. Com relação à tubulação e as válvulas contidas no sistema, escolhe-se o material adequado para estes, com sua devida justificativa.
PROBLEMATIZAÇÃO
No problema temos três situações que diferem apenas nos líquidos envolvidos no processo. O sistema pode ser caracterizado como uma bomba centrífuga realizando o transporte do líquido de um tanque aberto, a pressão atmosférica local de 700 mmHg, para um vaso de pressão elevado que se encontra a 2 atm manométrico.
A altura do líquido no tanque é constante e igual a 2 metros. Na sucção temos 3 metros de tubulação e a existência de uma válvula. Na descarga a tubulação tem um total de 70 metros, com 2 cotovelos e 2 válvulas, sendo que a entrada do líquido no vaso de pressão está a 50 metros acima da bomba, como esquematizado na Figura 1:
Figura 1: Esquema da configuração do sistema estudado (exercício S).
A vazão desejada é de 80 m³/h de cada um dos fluidos: água a 20°C, água a 80°C e acetato de etila a 20°C.
O problema requer a escolha da melhor bomba para cada situação, devendo ser indicado o cálculo das variáveis utilizadas, o diâmetro econômico e o material da tubulação usada, bem como o modelo e material das válvulas.
DIMENSIONAMENTO DA LINHA
O diâmetro econômico da tubulação foi escolhido por meio do ábaco de diâmetro interno real em função da vazão e da viscosidade do fluido, ábaco este que consta na página 55 da apostila de Operações Unitárias I. Entrando com a vazão de 47 ft³/min e com as densidades de 62 lb/ft³ (água a 20ºC), 60 lb/ft³ (água a 80ºC) e 56 lb/ft³ (acetato de etila a 20ºC), o diâmetro encontrado para os três fluidos foi entre 4 polegadas e 5 polegadas. Como não é comum encontrar tubulação comercial com um valor intermediário a esses dois, escolhemos a de menor diâmetro, devido ao seu menor preço.
Pesquisando materiais recomendados para o transporte destes fluidos na literatura encontramos que aço-carbono é suficiente para água a baixa temperatura. Para a água na temperatura de 80ºC temos que os gases antes dissolvidos se tornam muito pouco solúveis, então o fator corrosão deve ser levado em consideração. Desta forma, o material adequado mais barato seria ferro forjado (mais resistente a corrosão do que o aço-carbono).
No caso do acetato de etila, hidrocarboneto não corrosivo, o fator que conduziu na escolha do aço-carbono como material foi resistência a fluência apresentada por ele, característica necessária em caso de incêndio.Todas as tubulações seguem a série Schedule 40, com requisitos ditados pelas normas ASTM A53 para o aço-carbono e ABNT EB43 e P-EB137 para o ferro forjado.
Enquanto para a tubulação o principal aspecto levado em consideração era a natureza química do líquido, para as válvulas, além da função requerida, a menor perda de carga foi o fator decisivo na escolha.
 Para o sistema em questão, optou-se por 2 válvulas de macho do tipo esfera (uma na sucção e uma no recalque) e 1 válvula de retenção do tipo portinhola no recalque.
Foi dada preferência à válvula esfera devido às vantagens conferidas a ela quando comparada a válvula gaveta: menor tamanho, peso e custo; melhor vedação, maior facilidade de operação e menor perda de carga. A flexibilidade de também poder ser utilizada para controle se necessário, dependo das condições de operação, contribuiu na escolha.
Inserimos uma válvula de retenção logo após a bomba para impedir o refluxo do líquido no caso de paralisação do sistema, aliviando os níveis inferiores da carga dos trechos de níveis superiores, desta forma protegendo o equipamento. Não escolhemos uma válvula de controle, pois a velocidade de escoamento calculada foi relativamente baixa, não necessitando de controle.
Transporte de água a 20°C ou 80°C é considerado serviço não severo, de baixa responsabilidade. Como o diâmetro nominal calculado para a tubulação era maior do que 3 polegadas os materiais recomendados para a constituição das partes das válvulas são ferro fundido para o corpo e castelo e bronze para o mecanismo interno. O bombeamento do acetato de etila é considerado um serviço severo, de alta responsabilidade, pois o líquido é inflamável. Deve ser tomado cuidado na escolha do material e na vedação dos aparatos. Atendendo estas condições, uma especificação razoável é aço fundido para o corpo e castelo e aço inoxidável para o mecanismo interno.
ESCOLHA DA BOMBA
Para a escolha da bomba foram efetuados os cálculos relacionados ao balanço de energia como a determinação da velocidade econômica (com base no diâmetro adotado e a vazão), o número de Reynolds, o fator de fricção, as perdas de cargas distribuídas, localizadas e totais, e, por fim, a carga necessária para suprir as condições do sistema.
A velocidade foi calculada a partir da Equação 1 na qual o fator 3600 tem como finalidade a conversão da vazão em horas para segundos (obtendo a velocidade em m/s); enquanto o número de Reynolds foi apurado a partir da Equação 2, com os dados do fluido (densidade , e viscosidade ) e da tubulação (diâmetro interno, D). Ambas as equações são mostradas a seguir:
Para nenhum dos três fluidos problema o escoamento foi laminar, logo a respeito ao fator de fricção (f) inerente a perda de carga, uma estimativa inicial (embora menos exata) foi feita pela equação de Miller (3). Tal resultado foi tomado na equação de Colebrook (4) de modo a chegar a um valor com o menor erro possível (calculado pela Equação 5). A rugosidade relativa foi tomada como sendo igual a 0.0005, valor esperado para o diâmetro.
A perda de carga distribuída é obtida pela equação 6 onde L é o comprimento da tubulação; e a localizada é dada pela equação 7, sendo que Le é a soma dos comprimentos equivalentes dos acidentes.
A perda de carga total, lw, é dada pela soma das Equações 6 e 7. A unidade dessa medida é J/kg, então para a aplicação do termo na equação da carga (H) da bomba, Equação 8, têm-se a necessidade de dividir o termo pela aceleração da gravidade.
O NPSH disponível (NPSHd) é calculado pela equação 9 segundo a qual a variação da pressão e da altura são dadas com relação a sucção, assim como a perda de carga. A mesma consideração sobre unidades feita para o Head deve ser feito para o NPSHd da bomba.
O NPSH requerido (NPSHr) é obtido pela desigualdade dada em 10. O valor obtido para esse termo refere-se ao valor máximo que o NPSH requerido pelo fabricante pode chegar (nas condições de operação) para que a bomba não cavite.
E, por fim, para a obtenção da potência retirada da rede elétrica, tem-se a Equação 11. Nesta, ƞ é a eficiência da bomba e tanto este dado quanto a potência dada ao fluido são obtidos nas cartas de cada bomba.
De posse dessas equações é possível fazer todos os cálculos necessários para a determinação da carga (Head)da bomba e, com isso, determinar qual o melhor modelo (entre as centrifugas) para cada um dos fluidos estudados.
ÁGUA A 20 °C:
Para a água nessas condições o Head encontrado foi de aproximadamente 76 m (de coluna de água). Por sugestões práticas o valor foi acrescido em 10%, obtendo uma carga próxima de 83 metros. Com esse valor e com a vazão desejada foi pesquisada a melhor bomba para operação na carta envelope da empresa X disponibilizada no anexo X. A partir dessa carta chegamos aos seguintes modelos possíveis: 50-250, 50-200, 65-200 e 65-250.
 Analisando as curvas referentes a cada um dos modelos temos que o mais indicado é o 065-250, pois é a bomba que se enquadra nos requisitos e possibilita uma flutuação na vazão de até 10 m³/h sem que ocorra grande diminuição da carga. Devido a configuração utilizar o menor rotor que a carcaça comporta, este pode ser trocado por um maior no futuro caso a demanda ou a vazão aumentem. Para a escolha, estes fatores foram aliados da menor potência retirada da rede elétrica (relação entre melhor eficiência e melhor potência dada ao fluido), assim como o NPSHr menor que o necessário para a cavitação, garantindo que esse fenômeno não ocorrerá com essa bomba.
ÁGUA A 80 °C:
Para este líquido, a configuração tubulação de 4” em toda a malha acabou nos forçando a encontrar bombas que tivessem NPSH requerido muito baixo, para o qual apenas uma bomba se enquadrava e mesmo assim com um consumo elétrico elevado. Por isso nessa condição adotamos a sugestão prática de empregar uma tubulação com diâmetro maior que o econômico na sucção, de modo a aumentar o NPSHd e evitar a cavitação para uma faixa maior de modelos de bombas. No recalque continuamos usando a tubulação com diâmetro econômico. Com isso chegamos a uma carga de aproximadamente 75 m que acrescida da margem de erro pode ser aproximada por 83 m. Como a vazão estipulada não mudou, podemos racionalmente escolher a bomba anterior (modelo 065-250).
ACETATO DE ETILA A 20 °C:
Lançando mão do diâmetro econômico, o Head calculado de aproximadamente 78m foi analogamente aos dois casos anteriores, buscado no catálogo com uma margem de segurança, ou seja, como igual a 86 m. Como este líquido possui densidade muito diferente da água, e os catálogos de bomba utilizam água como referência, teve-se que buscar nos gráficos disponíveis na página 46 da apostila, quais variáveis deveriam ser corrigidas. A conclusão foi de que apenas o rendimento precisava de correção e que este equivaleria a 95 % do rendimento dado pelas cartas. Novamente, concluímos por meios racionais que a bomba especificada anteriormente seria a melhor escolha.
REFERÊNCIAS
TELLES, P. C. S., Tubulações industriais: materiais, projeto, montagem. 10ª Ed., Rio de Janeiro, LTC, 2012.
TELLES, P. C. S. Tubulações Industriais: materiais, projeto e desenho. 6ª Ed., Rio de Janeiro, LTC, 1986.
Apostila de Operações Unitárias I. Professor Tadeu. Capítulo II, 2015.
Site Engenharia, Projetos e Construção: Características de tipos de válvulas:
 <https://sites.google.com/site/engenhariaprojetoseconstrucao/engenharia-de-tubulacao/caracteristicas-de-tipos-de-valvulas> Acesso em 21/08/2015.
ANEXOS