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FACULDADE BRASILEIRA – MULTIVIX – VITÓRIA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA ÍRIS ANDRÉ MANDATO, RODRIGO ALVES TRANCOSO. CONFIABILIDADE EM BOMBAS CENTRÍFUGAS MÁQUINAS DE FLUXOS ESPÍRITO SANTO - VITÓRIA – BRASIL OUTUBRO DE 2017 ÍRIS ANDRÉ MANDATO, RODRIGO ALVES TRANCOSO. CONFIABILIDADE EM BOMBAS CENTRÍFUGAS MÁQUINAS DE FLUXOS Trabalho bimestral apresentado como requisito parcial para obtenção de nota na disciplina de Máquinas de Fluxo, do curso de Engenharia Mecânica, da Faculdade Brasileira – MULTIVIX. Orientador (a): Marco Antônio Teles Braga. ESPIRITO SANTO – VITÓRIA - BRASIL OUTUBRO DE 2017 SUMÁRIO RESUMO......................................................................................................01 1. INTRODUÇÃO...................................................................................02 E 03 2. DESENVOLVIMENTO................................................................................04 2.1 BOMBA CENTRÍFUGA HORIZONTAL ETANORM.........................04 2.2 APLICAÇÃO.....................................................................................05 2.3 DESCRIÇÃO GERAL.......................................................................05 2.4 CORPO DA BOMBA........................................................................05 3. COMPONENTES.......................................................................................06 3.1 ROTOR............................................................................................06 3.2 EIXO.................................................................................................07 3.3 GAXETA...........................................................................................07 3.4 SELO MECÂNICO...........................................................................08 3.5 MANCAIS.........................................................................................09 3.6 FLANGES DE SUCÇÃO E RECALQUE..........................................09 4. ANÁLISE DE ÓLEO...................................................................................09 5. EQUIPAMENTOS PARA BOMBEAMENTO DE FLUIDOS....................................................................................................10 6. DESEMPENHOS SATISFATÓRIS DE UMA BOMBA CENTRIFUGA.......10 7. PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO........................................................10 8. BOMBA CENTRÍFUGA VERTICAL SULZER............................................11 8.1 DEFINIÇÃO.......................................................................................11 8.2 APLICAÇÃO......................................................................................11 8.3 DESCRIÇÃO GERAL........................................................................11 9. VARREDURA BOMBA CENTRÍFUGA “HORIZONTAL X VERTICAL”.........12 10. DESENHO ESQUEMÁTICO DO EQUIPAMENTO COM OS COMPONENTENS PRINCIPAIS.......................................................................13 11.CÁLCULOS – VARIÁVEIS PRINCIPAIS DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA......................................................................................14 E 15 12.CONCLUSÃO...............................................................................................16 13.REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA.................................................................17 RESUMO Bombas centrífugas são utilizadas amplamente na indústria para transporte de fluidos devido a sua flexibilidade operacional. As bombas centrífugas são projetadas para trabalhar a uma determinada vazão com uma determinada altura manométrica de recalque, esse ponto de trabalho é determinado como ponto de melhor eficiência (em inglês BEP – Best Efficiency Point), porém dependendo da instalação ou condição operacional essa vazão pode variar. Devido à flexibilidade no processo e/ou condições não previstas, algumas bombas podem trabalhar a vazões muito diferentes do ponto de melhor eficiência, o que prejudica seu funcionamento. Esse prejuízo pode ser visto pela alta taxa de falhas dessas bombas e consequentemente baixa confiabilidade das mesmas. O objetivo desse trabalho é elaborar um estudo de confiabilidade de bombas centrífugas operando em unidades de destilação de uma refinaria de petróleo, a fim de relacionar casos de bombas operando a vazões diferentes do ponto de melhor eficiência com baixa confiabilidade. Para realização do estudo foi levantado o histórico de falhas de bombas centrífugas dessas unidades de destilação para um período de cinco anos, classificadas as bombas de alta e baixa confiabilidade, verificados os dados de projeto das bombas classificadas e comparados esses dados com os dados de vazão real no período de estudo. As bombas de baixa confiabilidade foram aquelas que apresentaram maiores diferenças entre os dados de projeto e os dados operacionais. Conclui-se que o superdimensionamento de bombas centrífugas e/ou operação com vazões muito distantes do ponto de projeto caminham em sentindo oposto ao da confiabilidade. 1. INTRODUÇÃO Máquinas de fluxo, também denominadas como máquinas dinâmicas ou turbo máquinas, têm como definição a transformação de energia – sendo necessariamente o trabalho mecânico uma das formas de energia – na qual o meio operante é um fluido, que interage com um elemento rotativo e não se encontra momento algum confinado. O fluido de trabalho, através dos efeitos dinâmicos aos quais é submetido em sua passagem pela máquina, altera seu nível energético. As máquinas de fluxo são compostas por diversos componentes, sendo o rotor o sistema diretor os principais elementos responsáveis pelos fenômenos de transformação de energia. As bombas centrífugas, objeto de estudo deste trabalho, são classificadas como máquinas de fluxo geradoras, pois recebem trabalho mecânico e transformam em energia do fluido, onde essa energia aumenta à medida que passa pela máquina. O nome se dá ao fato de ser a força centrífuga responsável pela maior parte da energia que o fluido recebe em sua passagem pela máquina. De acordo com a geometria dos canais formados pelas pás do rotor, são consideradas máquinas de fluxo de reação. Estes canais têm a forma de difusor e aumentam a pressão do fluido que passa através deles. Conforme a trajetória do fluido no rotor, as bombas centrífugas podem ser classificadas como radiais, com o escoamento do fluido em trajetória perpendicular ao eixo motor. Estas bombas são utilizadas nos mais diversos campos, como centrais de vapor, indústria petroquímica, bombeamento de água de poços, saneamento básico, navios, usinas nucleares, instalações de combate a incêndio, entre outros. São constituídas por três partes principais Corpo (carcaça) – Envolve o rotor, direciona o fluído em sua passagem pelo equipamento. Rotor – Contém um disco com palhetas onde o fluído é impulsionado. Eixo de acionamento – Transmite força motriz para o acionamento do rotor. O acionamento das bombas centrífugas se dá externamente através de motores elétricos, motores a diesel ou turbinas a vapor. O fluído admitido na sucção entra na cavidade de diâmetro menor escoando na direção do diâmetro externo pelos canais formados pelas palhetas do rotor. O fluído sai do rotor e uma parcela de sua energia cinética é convertida em energia de pressão através de elementos não rotativos. O principal elemento é o difusor, que consiste em um dispositivo que contém uma série de palhetas estáticas que podem ser acompanhadas de um canal de retorno ou de um coletor espiral. Figura 1: Esquema de uma bomba centrífuga. Figura 2: Bomba centrifuga etanorm vista explodida. 1 Bocal de sucção 2 Bocal de descarga 3 Impulsor 4 Selo mecânico 5 Tampa de pressão 6 Retentor 7 Eixo 8 Rolamento9 Carcaça / Corpo/Torpedo Figura3: Corte transversal – componentes 2. DESENVOLVIMENTO 2.1 BOMBA CENTRÍFUGA HORIZONTAL ETANORM Bombas são equipamentos que conferem energia de pressão aos líquidos com a finalidade de transportá-los de um ponto para outro. Figura 4: Bomba centrífuga em funcionamento. 2.2 APLICAÇÃO Desenvolvida para trabalhar com líquidos limpos ou turvos, em inúmeras aplicações, tais como indústrias químicas, petroquímicas, papel, polpa, siderúrgica, mineração, alimentícia, têxtil, farmacêutica e saneamento. 2.3 DESCRIÇÃO GERAL Horizontal, multiestágio, montada axialmente em relação ao eixo. As vedações entre os corpos são por meio de juntas planas. O conjunto dos corpos de estágio é unido através de tirantes fixados externamente entre os corpos de sucção e recalque. 2.4 CORPO DA BOMBA A bomba é formada por um corpo de sucção, um de pressão e vários corpos de estágio, dependendo do número de estágios. 3. COMPONENTES Figura 5: Bomba centrifuga etanorm vista explodida. Tabela 1: Componentes internos de uma bomba centrífuga etanorm. 3.1 ROTOR Os rotores são radiais, fechados e de simples sucção, montados em difusores. 1 Bocal de sucção 2 Bocal de descarga 3 Impulsor 4 Selo mecânico 5 Tampa de pressão 6 Retentor 7 Eixo 8 Rolamento 9 Carcaça / Corpo/ Torpedo Figura 6: Tipos de impulsores. 3.2 EIXO O eixo é montado com mancais de rolamentos e vedado por gaxetas ou selo mecânico. Possui luva na região de vedação. Para fluido com sólidos em suspensão deve ser consultado a FB. Figura 7: Eixo de uma bomba centrífuga etanorm. 3.3 GAXETA A gaxeta instalada na caixa é pressionada por um aperta gaxeta, regulado por uma porca de aperto. Figura 8: Gaxeta 3.4 SELO MECÂNICO Os selos mecânicos são montados e pressionados pela sobreposta, fixados através de prisioneiros e porcas. Figura 9: Selos mecânicos de uma bomba centrífuga. 3.5 MANCAIS Os mancais são de rolamento, lubrificados a graxa. Figura 10: Tipos de mancais. 3.6 FLANGES DE SUCÇÃO E RECALQUE O flange de sucção está posicionado na região do lado acoplado (LA) no sentido horizontal. O flange de recalque está posicionado na região do lado não acoplado (LNA) no sentido vertical. Os flanges são fabricados conforme norma N EN 1092, mas podem ser fabricados conforme as normas ASME B16.1 (ferro fundido) ou ASME B16.5. (aço). Figura 11: Flange de sucção e recalque. 4. ANÁLISE DE ÓLEO Esta técnica define através de análises físico-químicas, o tempo de vida útil do fluido assim como as contaminações presentes. Integra-se à técnica de análise de vibração com intuito de gerar soluções mais precisas, monitorando os desgastes nos equipamentos. A Ferrografia Analítica (AN), é um dos procedimentos utilizados nesta técnica. Ela identifica o tipo de desgaste, desalinhamento, corrosão entre outros. Através de diagnósticos laboratoriais, indicando o procedimento de manutenção a ser tomado (FRATO, 2011). 5. EQUIPAMENTOS PARA BOMBEAMENTO DE FLUIDOS A escolha de uma bomba para uma determinada operação é influenciada pelos seguintes fatores: A quantidade de líquido a transportar; A carga contra a qual há que bombear o líquido; A natureza do líquido a bombear; A natureza da fonte de energia; Se a bomba é utilizada apenas intermitente; 6. DESEMPENHOS SATISFATÓRIS DE UMA BOMBA CENTRIFUGA Os principais requisitos para que uma bomba centrífuga tenha um desempenho satisfatório: Instalação correta; Operação com os devidos cuidados; Manutenção adequada; 7. PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO Todo o funcionamento da bomba se baseia na criação de um diferencial de pressão no seu interior. Escorvamento; Rotação (centrípeta); Vácuocentro; Crescimento da área de líquido na periferia; Diminuição da velocidade; Aumento da pressão; 8. BOMBA CENTRÍFUGA VERTICAL SULZER 8.1 DEFINIÇÃO A bomba da marca Sulzer é uma bomba vertical, de estágio simples ou duplo com difusor de fluxo misto e é tipicamente usada sempre que um líquido precisa ser bombeado a uma pressão moderada a partir de reservatórios abertos de líquido. A hidráulica e os projetos mecânicos totalmente atualizados tornam a bomba altamente eficiente e oferece ótimo custo- benefício. 8.2 APLICAÇÃO Circulação de água de resfriamento em usinas de energias convencionais e renováveis, abastecimento de água, serviço booster, irrigação. 8.3 DESCRIÇÃO GERAL Bomba vertical de fluxo misto fornecida com rotor semiaberto, projetada especificamente para cada pedido, sino de sucção equipado com dispositivo anti-vórtice, e mancal inferior e revestimento do bombeador substituível, mancal axial na bomba ou no motor, corpo difusor fundido ou fabricado (tamanho do corpo difusor - >50 pol.). Construção totalmente pull-out disponível para diâmetros do corpo difusor - >50 pol. 9. VARREDURA BOMBA CENTRÍFUGA “HORIZONTAL X VERTICAL” Os dois tipos de bombas centrífugas citadas possuem diversas divergências de características, no qual, cada uma possui sua classificação técnica. As bombas centrífugas horizontais em grande parte são classificadas como bombas de múltiplos estágios, quando a altura de elevação é grande, faz-se o líquido passar sucessivamente por dois ou mais rotores fixados ao mesmo eixo e colocados em uma caixa cuja forma permite esse escoamento. As bombas de múltiplos estágios são próprias para instalações de alta pressão, pois a altura total a que a bomba recalca o líquido é, não considerando as perdas, teoricamente igual à soma das alturas parciais que seriam alcançadas por meio de cada um dos rotores componentes. Existem bombas deste tipo para alimentação de caldeiras com pressões superiores a 2 250 kgf cm. Usam-se também para poços profundos de água ou na pressurização de poços de petróleo. Já na bomba centrífuga vertical é classificada como bombas de simples estágio, nela existe apenas um rotor e, portanto, o fornecimento da energia ao líquido é feito em um único estágio (constituído por um único rotor e um difusor). Teoricamente seria possível se projetar uma bomba com um estágio para quaisquer condições propostas. Determinadas pelas dimensões excessivas e correspondente custo elevado, além do baixo rendimento, fazem com que os fabricantes não utilizem bombas de um estágio para alturas de elevação grandes. Esse limite pode variar de 50 a 100 m, conforme a bomba, mas há fabricantes que constroem bombas com um só estágio, para alturas bem maiores, usando rotores especiais de elevada rotação, como é o caso das bombas Sundyne, com rotações que vão de 3.600 a 24.700 rpm, usando engrenagens para conseguir rotações elevadas. 10. DESENHO ESQUEMÁTICO DO EQUIPAMENTO COM OS COMPONENTENS PRINCIPAIS. Tabela: Componentes internos de uma bomba centrífuga. 11. CÁLCULOS – VARIÁVEIS PRINCIPAIS DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA Capacidade; Carga; NPSH (pressão de sucção apresentada na entrada da bomba); BHP (potência de freio); BEP (ponto de melhor eficiência); Velocidade específica; Pressão Vazão a) Para o cálculo de NPSH segue determinado exemplo: Operação: 35mca Vazão: 32.5 m³/h Altura de sucção: 2.5 m Perda por atrito na sucção: 1,6mca 1 Bocal de sucção 2 Bocal de descarga 3 Impulsor 4 Selo mecânico 5 Tampa de pressão 6 Retentor 7 Eixo 8 Rolamento 9 Carcaça / Corpo/ Torpedo Altura de instalação: 600 m Obs: Temperatura da água = 30º C NPSH = Ho - Hv - h – hs Ho= 9,58; Hv= 0,433; h= 2,5 m; hs= 1,60 m NPSH= 9,58-0,433-2,5-1,60 NPSH=5,04 mca b) Para cálculo de Potência Absorvida ( BHP), segue determinado exemplo: Vazão: 37,5 m³/h Rendimento: 72% Elevação: 28 m BHP = Q.H.0,37 ݊ BHP = ଷǡହǤଶ଼Ǥǡଷ ଶ BHP = 5,40 cv c) Para verificarmos a carga, segue determinadoexemplo: Potência aplicada: 6,0 cv %carga = ୌ�ଡ଼�ଵ %carga = ହ,ସ�୶�ଵ %carga = 90 d) Para cálculo de vazão, segue determinado exemplo: Rendimento: 72% Elevação: 28 m BHP: 5,40 BHP = ୕ .ୌ .,ଷ Q= 37,52 m³/h 5,40 = ୕ .ଶ .଼,ଷ ଶ 12.CONCLUSÃO As bombas centrífugas são equipamentos mecânicos e, portanto, estão sujeitas à problemas operacionais que vão desde uma simples redução de vazão até o não funcionamento generalizado ou colapso completo. Mesmo que o equipamento tenha sido bem projetado, instalado e operado, mesmo assim estará sujeito a desgastes físicos e mecânicos com o tempo. Os problemas operacionais podem surgir das mais diversas origens como imperfeições no alinhamento motor‐bomba, falta de lubrificação ou lubrificação insuficiente ou qualidade inadequada do lubrificante, etc. Apesar dos processos de lubrificação ainda permanecerem os mesmos, salvo pela maior aplicação dos sistemas de névoa de óleo (oil mist) principalmente em instalações que concentram muitos equipamentos similares (refinarias de petróleo, químicas e petroquímicas), constata-se uma evolução significativa nos sistemas que garantem a integridade do lubrificante e dos mancais. Para exemplificar, vamos listar algumas melhorias para as bombas centrífugas de processo. a) Vedação da caixa de mancal b) Lubrificadores de nível constante c) Respiros e câmaras de compensação 13. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [consult. 10. Outubro. 2017]. Disponível em: FOX, R. W.; MCDONALD A. T. Introdução à Mecânica dos Fluidos. 2 ed. Rio de Janeiro, Interciência, 1998. [consult. 10. Outubro. 2017]. Disponível em: HENN, E. L. Máquinas de Fluido. Santa Maria, UFSM 2001. [consult. 14. Outubro. 2017]. Disponível em: KSB, Manual de Treinamento: Seleção e Aplicação de Bombas Centrífugas. Centro de Treinamento da KSB, 2003. 229p. [consult. 15. Outubro. 2017]. Disponível em: MACINTYRE, A. J. Bombas e Instalações de Bombeamento. 2 ed. Rio de Janeiro, LTC 1997. [consult. 15. Outubro. 2017]. Disponível em: PFLEIDERER, C.; PETERMANN, H. Máquinas de Fluxo. Rio de Janeiro, Livros Técnicos e Científicos, 1979. [consult. 15. Outubro. 2017]. Disponível em: http://www.fat.uerj.br/intranet/disciplinas/Instalacoes%20Mecanicas%20Industri ais/bombas.pdf (UERJ)
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