7. Bombas

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE FEDERAL DE VICOSA 
OPERAÇÕES UNITÁRIAS NA INDÚSTRIA DE ALIMENTOS 
 
Milla Gabriela dos Santos 
2011/01 
 
7. Bombas 
 
Num sistema típico com escoamento é, usualmente, necessário adicionar energia ao fluido 
para mante-lo em escoamento. A energia é gerada por um equipamento motriz do fluido, como 
uma bomba ou um compressor. 
Os fluidos que participam de processos industriais podem ser gases, ou líquidos, ou 
combinações de ambos. É convencional falar de bombeamento quando estão envolvidos líquidos, 
e o equipamento é usualmente denominado uma bomba. Os gases têm densidade e viscosidade 
mais baixas, além de maior compressibilidade, de modo que se usam dispositivos diferentes para 
movimentá-los. Dependendo do aumento de pressão que se deseja efetivar usam-se ventiladores, 
sopradores ou compressores para injetar energia nos gases. 
 
1. Bombas 
A maioria das bombas cai em uma de duas classes principais, as bombas de deslocamento 
positivo e as bombas centrifugas. 
As bombas de deslocamento positivo impelem uma quantidade definida do fluido em cada 
golpe ou volta do dispositivo; as bombas centrífugas, ao contrário, impelem um volume que 
depende da pressão de descarga ou da energia adicionada. 
 
1.1 Bombas de deslocamento positivo 
Este tipo de bomba tem por característica de funcionamento a transferência direta da energia 
mecânica cedida pela fonte motora em energia potencial (energia de pressão). Esta transferência é 
obtida pela movimentação de um órgão mecânico da bomba, que obriga o fluido a executar o 
mesmo movimento do qual ele está animado. 
O líquido, sucessivamente enche e depois é expulso dos espaços com volume determinado 
no interior da bomba, dai resultando o nome de bombas volumétricas. 
Podem ser divididas em: 
 
a). Bombas alternativas: 
Envolvem o movimento de vai e vem de um pistão num cilindro. A taxa de fornecimento do 
líquido é uma função do volume varrido pelo pistão por unidade de tempo. Para cada golpe do 
pistão, um volume fixo do líquido é descarregado da bomba. A vazão real pode ser menor que o 
volume total varrido, pois pode haver vazamento no pistão, ou pode ocorrer o enchimento 
incompleto do cilindro. 
UNIVERSIDADE FEDERAL DE VICOSA 
OPERAÇÕES UNITÁRIAS NA INDÚSTRIA DE ALIMENTOS 
 
Milla Gabriela dos Santos 
2011/01 
 
A eficiência volumétrica da bomba é definida como a razão entre a descarga real e a 
descarga baseada no deslocamento do pistão. No caso de bombas bem ajustadas, a eficiência 
volumétrica é de pelo menos 95%. 
A eficiência mecânica pode ser definida como a energia suprida ao fluido dividida pela 
energia suprida à bomba. Esta eficiência é menor que 100%, pois existem perdas provocadas pelo 
atrito mecânico e pelo atrito no fluido. 
A vazão da descarga do líquido numa bomba alternativa varia com o tempo, em virtude da 
natureza periódica do movimento do pistão. Nas bombas simplex de simples efeito, o líquido sai 
pela válvula de descarga até que ela se fecha no final do golpe, quando o pistão pára e inverte o 
seu movimento. Neste instante, a válvula de admissão se abre e o cilindro se enche, mas não há 
descarga durante a admissão. A bomba simplex de duplo efeito quase elimina os períodos de 
descarga nula, mas o escoamento ainda cai a zero quando o pistão inverte o seu movimento. Na 
bomba duplex de duplo efeito, a descarga de um cilindro está deslocada a metade de um golpe em 
relação à descarga total, portanto sofre menor flutuação. 
As bombas alternativas usam-se há muito tempo em diversas aplicações, como o 
bombeamento de água de alimentação de caldeiras, de óleos e de lama. As bombas alternativas 
imprimem ao fluido as pressões mais elevadas entre todos os tipos de bomba. Por outro lado, tem 
uma capacidade relativamente pequena. 
 
Figura 1. Princípio de funcionamento da Bomba Alternada 
 
b). Bombas Rotativas: 
Dependem de um movimento de rotação. O rotor da bomba provoca uma pressão reduzida 
no lado da entrada, o que possibilita a admissão do líquido à bomba, pelo efeito da pressão 
externa. À medida que o elemento gira, o líquido fica retido entre os componentes do rotor e a 
carcaça da bomba. Finalmente, depois de uma determinada rotação do rotor, o líquido é ejetado 
pelo lado de descarga da bomba. 
As bombas rotatórias são usadas com líquidos de quaisquer viscosidades, desde que não 
contenham sólidos abrasivos. São especialmente eficientes com líquidos de alta viscosidade, 
incluindo graxas, melados e tintas. As bombas rotativas operam em faixas moderadas de pressão e 
tem capacidade que ficam entre as pequenas e as médias.Como é capaz de operar com materiais 
muito viscosos, com esse tipo de bomba é fácil bombear materiais como chocolate, sorvetes, 
OPERAÇÕES UNITÁRIAS 
 
 
massas, entre outros. Entre as bombas rotativas mais comuns, 
as bombas parafusos. 
 
Figura 2. Princípio de Funcionamento da Bomba Rotatória
1.2 Bombas centrífugas 
São amplamente usadas nas indústrias de alimentos em virtude da simplicidade de modelo, 
do pequeno custo inicial, da manutenção
 
Figura 3. Princípio de Funcionamento da Bomba Centrífuga
Este tipo de bomba tem por princípio de funcionamento a transferência de energia mecânica 
para o fluido a ser bombeado em forma de energia cinétic
transformada em energia potencial (energia de pressão
O movimento rotacional de um rotor inserido
funcional responsável por tal transformação
Na sua forma mais simples, a bomba é 
carcaça. O fluido entra na bomba nas 
periferia pela ação centrífuga. 
UNIVERSIDADE FEDERAL DE VICOSA 
OPERAÇÕES UNITÁRIAS NA INDÚSTRIA DE ALIMENTOS 
Milla Gabriela dos Santos 
2011/01 
as bombas rotativas mais comuns, estão a bomba de engrenagens e 
 
Figura 2. Princípio de Funcionamento da Bomba Rotatória
 
amplamente usadas nas indústrias de alimentos em virtude da simplicidade de modelo, 
manutenção barata e da flexibilidade de aplicação
 
Figura 3. Princípio de Funcionamento da Bomba Centrífuga
 
ste tipo de bomba tem por princípio de funcionamento a transferência de energia mecânica 
para o fluido a ser bombeado em forma de energia cinética. Por sua vez, esta energia cinética é 
sformada em energia potencial (energia de pressão) sendo esta a sua característica principal. 
O movimento rotacional de um rotor inserido em uma carcaça (corpo da bomba
transformação. 
simples, a bomba é constituída por um rotor que gira no interior de uma 
fluido entra na bomba nas vizinhanças do eixo do rotor propulsor e é 
a bomba de engrenagens e 
Figura 2. Princípio de Funcionamento da Bomba Rotatória 
amplamente usadas nas indústrias de alimentos em virtude da simplicidade de modelo, 
aplicação. 
Figura 3. Princípio de Funcionamento da Bomba Centrífuga 
ste tipo de bomba tem por princípio de funcionamento a transferência de energia mecânica 
a. Por sua vez, esta energia cinética é 
) sendo esta a sua característica principal. 
em uma carcaça (corpo da bomba) é o órgão 
rotor que gira no interior de uma 
do eixo do rotor propulsor e é lançado para a 
UNIVERSIDADE FEDERAL DE VICOSA 
OPERAÇÕES UNITÁRIAS NA INDÚSTRIA DE ALIMENTOS 
 
Milla Gabriela dos Santos 
2011/01 
 
Classificação: 
a) Radiais ou Puras: quando a direção do fluido bombeado é perpendicular ao eixo de rotação. 
b) Fluxo misto ou Semi-Axial: quando a direção do fluido bombeado é inclinada em relação ao 
eixo de rotação. 
c) Fluxo Axial: quando a direção do fluido bombeado é paralela em relação ao eixo de rotação. 
 
As bombas turbina têm palhetas pequenas, planas e operam a elevada velocidade, 
provocando pressões relativamente elevadas com vazões moderadas. As bombas de escoamento 
axial e os compressores são constituídos por rotores com várias palhetas, e geram o escoamento 
puramente axial de grandes volumes, com a pressão do fluido relativamentebaixa. 
O coração da bomba centrifuga é o seu rotor. É constituído por diversas palhetas, ou laminas, 
conformadas de modo a proporcionarem um escoamento suave do fluido entre cada uma delas. 
As carcaças das bombas centrífugas podem ser feitas com diversas formas, mas a função 
principal é a de converter a energia cinética impressa ao fluido pelo rotor em uma carga de 
pressão. Além disso, a carcaça serve de contentor para o fluido e oferece uma entrada e uma 
saída para a bomba. 
 
 
Figura 4. Carcaça da Bomba Centrífuga 
 
UNIVERSIDADE FEDERAL DE VICOSA 
OPERAÇÕES UNITÁRIAS NA INDÚSTRIA DE ALIMENTOS 
 
Milla Gabriela dos Santos 
2011/01 
 
2. Outros tipos de bombas 
A bomba de diafragma é uma bomba de deslocamento positivo que depende do movimento 
de um diafragma para conseguir o escoamento do fluido. O diafragma pode ser atuado ou 
mecanica ou pneumaticamente. 
As bombas a jato usam o momento de uma corrente de fluido a alta velocidade para imprimir 
momento a uma outra corrente, misturando as duas. 
 
3. Seleção de Bombas 
Com a grande variedade de tipos de bombas existentes, a escolha de uma bomba para um 
serviço específico pode causar a impressão de ser uma operação complicada. Na realidade, a 
escolha de bombas para situações de rotina, já encontradas, é uma questão imediata. Nestes 
casos, o engenheiro de projeto pode escolher a bomba apropriada para uma certa tarefa a partir 
dos catálogos dos fabricantes. Nos casos extraordinários, como no de líquidos muito viscosos ou 
de líquidos abrasivos, ou em pressões extremas, o engenheiro deve consultar os fabricantes, para 
ter as recomendações (e a respectiva garantia) a respeito da bomba apropriada ao serviço. 
É necessário dispor de informações detalhadas sobre a capacidade e a pressão de descarga 
que se deseja, e também sobre as propriedades do líquido a ser bombeado: 
 
a). Capacidade: a vazão necessária ao processo determina a capacidade da bomba. Deve ser 
levada em conta não apenas a vazão em estado permanente, mas também os picos de vazão. É 
necessário incluir um fator de segurança para fazer frente a incertezas do projeto. Deve-se contar, 
também, com um possível aumento de vazão em virtude da expansão futura do processo. É 
preciso cuidado em não superestimar a capacidade, adotando fator de segurança muito elevado. 
As bombas superdimensionadas custam mais caro e consomem mais energia que o necessário 
durante a operação. 
 
b). Pressão de descarga: a altura manométrica da descarga da bomba deve ser determinada pela 
análise cuidadosa do sistema de tubulações. As perdas por atrito e as modificações de velocidade, 
de pressão, de pressões elásticas, devem ser todas levadas em conta. Deve-se incluir um fator de 
segurança para garantir as incertezas. As flutuações possíveis na pressão de descarga e na de 
sucção devem também ser consideradas. Quando se prevê variação de temperatura, o seu efeito 
sobre as propriedades do líquido deve também ser levada em conta. 
 
c). Propriedades do líquido: todos os tipos de bombas tem maior ou menor dissipação de energia 
mecânica pelo atrito; isto quer dizer que para um fluido viscoso é necessário fornecer mais energia. 
Numa bomba perfeita, de deslocamento positivo, não haveria outro efeito. Nas bombas reais, o 
UNIVERSIDADE FEDERAL DE VICOSA 
OPERAÇÕES UNITÁRIAS NA INDÚSTRIA DE ALIMENTOS 
 
Milla Gabriela dos Santos 
2011/01 
 
escoamento é mais lento, o que leva a cilindros parcialmente cheios ou a velocidade na ponta do 
rotor mais baixas que as atingíveis por um fluido invíscido. Quando o líquido contém sólidos em 
suspensão, como os líquidos de esgoto, de polpa de papel, ou as lamas e certos alimentos, é 
necessário dispor de bombas de modelo especial. 
 
d). Material: a escolha do material de construção é importante para fazer face às propriedades 
corrosivas do líquido bombeado. 
 
e). Tipo da bomba: uma vez que esteja inteiramente determinado o serviço de bombeamento, é 
possível escolher o tipo de bomba. Por exemplo, uma bomba alternativa é a que parece 
conveniente para a operação com alta pressão e baixa vazão. Uma operação com baixa pressão e 
alta capacidade pode sugerir uma bomba de fluxo axial. Na tabela 1 estão resumidas as 
características gerais das bombas. Os valores numéricos constituem somente valores típicos; 
encontram-se exceções. 
 
Tabela 1. Características das Bombas 
 Centrífuga 
Padrão 
(escoamento 
radial) 
Turbina 
(escoamento 
misto) 
Rotor helicoidal 
(escoamento 
axial) 
Rotativa 
(engrenagem) 
Alternativa (pista 
ou embolo) 
Carga (ou 
pressão de 
descarga) 
Elevada em 
estágio simples 
(ate 600 ft); em 
multiestagio (ate 
6.000 psi) 
Intermediária, até 
200 ft 
Baixa, até 60 ft 
 
 
Intermediária, até 
600 psi 
A mais alta 
possível, até 
10.000 psi 
Capacidade (ou 
vazão fornecida) 
Baixa (100 
gal/min) até muito 
alta (200.000 
gal/min) 
Intermediária, até 
16.000 gal/min 
Elevada, até 
100.000 gal/min 
Baixa (1 gal/min) 
até intermediária 
(500 gal/min) 
Intermediária, até 
500 gal/min. 
Líquidos com que 
opera 
Sujos ou límpidos Com elevado teor 
de sólido 
Abrasivos 
Até com 
viscosidade 
elevada, não-
abrasivos 
Límpidos, sem 
sólidos 
Capacidade de 
medição ou de 
controle de vazão 
Não tem Não tem Não tem Tem Tem 
 
Fonte: FOUST, et al (1982) 
 
 
UNIVERSIDADE FEDERAL DE VICOSA 
OPERAÇÕES UNITÁRIAS NA INDÚSTRIA DE ALIMENTOS 
 
Milla Gabriela dos Santos 
2011/01 
 
4. Cavitação 
Quando uma bomba centrifuga opera a elevada capacidade, é possível instalarem-se baixas 
pressões não só no olho do rotor, mas também nas pontas das palhetas. Quando esta pressão fica 
abaixo da pressão de vapor do líquido é possível a ocorrência de vaporização nestes pontos. As 
bolhas de vapor formadas deslocam-se para uma região de maior pressão e aí desaparecem. Esta 
formação e desaparecimento das bolhas de vapor constituem o fenômeno da cavitação. 
O colapso da bolha de vapor é provavelmente tão rápido que o líquido atinge as palhetas 
com grande velocidade, podendo haver o arrancamento de pequenos fragmentos do rotor. Além 
desta erosão do rotor, a cavitação provoca também ruído e vibração. Pode-se reduzir ou eliminar a 
cavitação mediante a diminuição da velocidade da bomba. Quando não se reduz ou elimina a 
cavitação, é provável a ocorrência de sérios defeitos mecânicos na bomba. 
 
5. Cálculos Bombas 
A melhor forma de descrever as características operacionais das bombas se faz pelo uso das 
curvas características. 
A velocidade de rotação específica é a velocidade, em RPM, em que uma bomba teórica, 
geometricamente semelhante à bomba real, opera com o máximo de eficiência, se fosse projetada 
para descarregar 1 gal/min contra uma pressão total de 1 ft. A velocidade específica é um índice 
conveniente do tipo de bomba, usando a capacidade e a carga no ponto de máxima eficiência. 
A velocidade específica pode ser determinada a partir da seguinte equação (1), para uma 
bomba de estágio simples ou para um estágio de uma bomba multistágio. 
 
��� 
���
�	,��
 (1) 
 
Ns = velocidade específica, RPM; 
n = velocidade real da bomba, RPM; 
H = carga total por estágio, ft; 
Q = capacidade da bomba em gal/min na velocidade de rotação n e na carga total z. 
 
Exemplo 1. É necessário bombear um líquido com as propriedades semelhantes às da água, a 
uma vazão de 300 gal/min contra uma altura manométrica de 70 ft. Determine sua velocidade 
específica.