Trabalho Máquinas de Fluxo

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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 =
ଷ଻ǡହǤଶ଼Ǥ଴ǡଷ଻
଻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)