Bombas

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Introdução à Engenharia Química
BOMBAS
Discentes: Hannah Campello e Ana Carolina Mourão
Docente: Rita Colman
Niterói
2016
Introdução
É possível definir uma bomba como uma máquina destinada à transformação da energia mecânica recebida dos motores (em geral, elétrico, a vapor ou de combustão interna) em energia hidráulica sob a forma cinética, de pressão ou de posição. Estas fornecem energia a um fluido, de modo que ele se desloque superando as possíveis perdas devido ao atrito e, se necessário, elevando-o a um nível mais alto do que ele se encontra, de forma a superar um diferencial de pressão ou de velocidade de escoamento. Esta energia a qual é transferida pela bomba ao fluido em escoamento é chamada de altura manométrica, ou carga total. 
Uma bomba tem o objetivo de elevar um volume de fluido a uma determinada altura, em um dado intervalo de tempo. O processo consome energia ao desenvolver este trabalho e seu próprio movimento, resultando em um rendimento característico. As chamadas grandezas características das bombas são a vazão Q, a altura manométrica H, o rendimento η e a potência P. A curva característica de desempenho de uma bomba relaciona a variação da altura manométrica com a vazão. São também apresentadas curvas relativas ao rendimento, a potência de eixo, a carga total no bocal de sucção da bomba menos a pressão de vapor do líquido à temperatura de bombeamento, a velocidade (rpm), e outras informações como o tamanho da bomba e o tipo, e tamanho do impulsor. As curvas são elaboradas para uma velocidade constante (rpm) e um determinado diâmetro de impulsor (ou série de diâmetros).
As bombas possuem vários tipos e podem ser classificadas considerando sua aplicação ou a forma com que a energia é cedida ao fluido. Uma bomba transfere parte do trabalho mecânico que recebe do dispositivo de acionamento através de seu eixo. Este dispositivo de acionamento pode ser um motor elétrico, uma turbina ou um motor a explosão, para um fluido sob as formas de energia de pressão e cinética. 
A maioria das bombas pode ser classificada em dois grandes grupos: bombas centrífugas e bombas de deslocamento positivo.
Classificação das Bombas 
O modo pelo qual ocorre a transformação do trabalho em energia hidráulica e o recurso utilizado a fim de cedê-la ao líquido, de modo a aumentar sua pressão e/ou sua velocidade, permite que as bombas sejam classificadas em: bombas volumétricas ou de deslocamento positivo e bombas dinâmicas ou turbobombas (centrífugas).
Esquema 1: Classificação dos principais tipos de bombas.
Bomba de deslocamento positivo
Ocorre transferência direta da energia mecânica cedida pela fonte motora para o fluido. O volume de fluido remetido está diretamente relacionado com o deslocamento do elemento pistão e, portanto, aumenta diretamente com a velocidade e não é afetado pela pressão facilmente. São usadas para bombeamento contra altas pressões e quando requerem vazões de saída quase constantes.
Bombas de deslocamento positivo se dividem em: bombas alternativas e bombas rotativas.
Bombas alternativas: a taxa de fornecimento do fluido é uma função do volume varrido pelo pistão no cilindro e do número de golpes do pistão por unidade de tempo. Para cada golpe do pistão, um volume fixo de fluido é descarregado da bomba.
 
Figura 1: Bomba de êmbolo Figura 2: Esquema de uma bomba alternativa.
As bombas alternativas podem ser subclassificadas como: de pistão, de êmbolo e de diafragma. O que as diferencia é a forma construtiva do dispositivo mecânico de impulsão.
Bombas rotativas: o rotor da bomba provoca uma pressão reduzida no lado da entrada o que possibilita a admissão do fluido na bomba. À medida que o elemento gira, o fluido fica retido entre os componentes do rotor e a carcaça da bomba. Finalmente, depois de uma determinada rotação do rotor o fluido é ejetado pelo lado de descarga da bomba.
A bomba rotativa pode ser classificada, entre outros tipos, como: de engrenagens, de lóbulos, de parafusos e de palhetas. O funcionamento volumétrico de todas elas consiste no preenchimento com o líquido bombeado dos espaços entre rotor e a carcaça.
Figura 3: Bomba de engrenagens Figura 4: Esquema de uma bomba rotativa.
Turbobombas ou Centrífugas
São caracterizadas por possuírem um órgão rotatório dotado de pás, chamado rotor. A energia é fornecida continuamente ao fluido por um rotor, que se movimenta dentro de uma carcaça, pela ação de um eixo motriz, transformando a energia mecânica em energia cinética, sendo esta energia convertida parcialmente em energia de pressão, permitindo que o fluido alcance posições mais elevadas, ou mais distantes, através da tubulação de recalque. A energia suprida por uma fonte externa se aplica ao eixo, fazendo girar o rotor dentro da carcaça tipo voluta. As pás do rotor ao girarem produzem uma redução de pressão na entrada ou centro do rotor. Isso obriga o líquido a escoar da tubulação de sucção para dentro do rotor. O líquido é impelido para fora ao longo das pás com velocidade tangencial crescente. A energia cinética que o líquido adquire quando deixa as extremidades das pás é convertida em energia de pressão quando ele passa para dentro da câmara espiral até atingir a saída da tubulação de descarga.
Classificação: Quanto à trajetória do fluido no rotor: radiais; axiais; mistas. Quanto ao número de rotores usados: simples estágio; múltiplos estágios. Quanto ao número de entradas para aspiração: bomba de aspiração simples ou entrada unilateral; bomba de aspiração dupla ou entrada bilateral. As bombas radiais, mais conhecidas como bombas centrífugas, têm essa denominação devido à trajetória do fluxo, através do rotor, que se faz segundo um plano radial (normal ao eixo) e então, é impelida pela força centrifuga do centro para fora. 
Radiais – São bombas onde a energia cinética é originada unicamente pelo desenvolvimento de forças centrífugas na massa líquida, devido á rotação de uma impelidor de características especiais.
Figura 5: Turbo bomba radial 
Axiais – As bombas deste tipo são empregadas quando se necessita de grandes vazões em pequenas e médias alturas de elevação. Estas bombas são projetadas para que sua vazão e altura correspondam a um melhor rendimento hidráulico e, como conseqüência, a uma maior economia de energia.
Fluxo misto (hélico-centrífugas): a energia é fornecida tanto pela força centrífuga quando por arrasto. O movimento do fluido ocorre diagonalmente ao eixo de rotação (entre 90° e 180°).
 Dependendo da necessidade física ou da versatilidade desejada nas instalações elevatórias o projetista pode optar por conjuntos de bombas em série ou em paralelo. Quando o problema é de altura elevada, geralmente a solução é o emprego de bombas em série e, quando temos que trabalhar com maiores vazões, a associação em paralelo é a mais provável. Teoricamente, tem-se que bombas em série somam alturas e bombas em paralelo somam-se as vazões. Na prática, nos sistemas de recalque, isto dependerá do comportamento da curva característica da bomba e da curva do encanamento, como estudaremos adiante. Para obter a curva característica de uma associação de bombas em série somamos as ordenadas de cada uma das curvas correspondentes. Exemplo: se quisermos a curva de duas bombas iguais dobram-se estas ordenadas correspondentes a mesma vazão. Quando a associação é em paralelo, somam-se as abscissas referentes à mesma altura manométrica. Nesta situação para duas bombas iguais dobram-se as vazões correspondentes. 
Bomba Diafragma – Depende do movimento de um diafragma para conseguir pulsação. São usadas para suspensões abrasivas e líquidos muito viscosos.
Bomba a Jato – Usa o movimento de uma corrente de fluido a alta velocidade para imprimir movimento à outra corrente, misturando as duas.
Bomba Eletromagnética – Usada com líquidos de alta condutividade elétrica (metais líquidos); não tem partes mecânicas móveis.Aplicação das bombas nas Indústrias
Existe uma grande variedade de bombas hidráulicas, assim como suas aplicações, pois possuem diversos objetivos no ramo industrial. Suas aplicações são inúmeras, como, por exemplo, nas bombas para irrigação, abastecimento de água, de gasolina e outros combustíveis, bem como em sistemas de condicionamento de ar, refrigeração e no deslocamento de produtos químicos. Elas também podem ser utilizadas no combate a enchentes, em serviços em embarcações e em demais processos industriais. Abaixo listamos os principais usos das bombas em alguns modelos industriais:
Indústria Petroquímica: refinarias no bombeamento de óleo diesel, graxas, asfalto, querosene, gasolina, óleos em geral; 
Indústria Química: bombeamento de tintas, vernizes, esmaltes, solventes, resinas, fertilizantes, acetonas, ácidos, cosméticos, detergentes, sabões, bases; 
Indústria Alimentícia: Bombeamento de xaropes, melaços, manteiga, geléias, gelatina, glicoses, óleo vegetal, cítricos, refrigerantes, cervejarias, óleos essenciais aromáticos;
Indústria Metalúrgica: Máquinas e Equipamentos Hidráulicos, filtros prensa, sistemas de lubrificação, queimadores de óleo, bombeamento de chumbo, mercúrio, etc;
Indústria Têxtil: são mercados com grande utilização dos vários tipos de bombas de engrenagens.
Aplicação de bombas no cotidiano
As bombas hidráulicas já eram muito utilizadas mesmo antes da era industrial, e atualmente são utilizadas em larga escala em algumas áreas rurais, como para o uso de cata-ventos ou rodas d’água no bombeio do líquido para o consumo das cidades, também para irrigação e consumo animal. Atualmente, as bombas são bastante utilizadas no cotidiano, e seu uso é bem variado, desde o bombeamento da água da piscina, uma bomba de óleo de motor - responsável em lubrificar várias partes do motor durante seu funcionamento, até o abastecimento de água potável em nossas residências. Abaixo listamos alguns outros exemplos de bombas utilizadas no cotidiano e seus respectivos funcionamentos:
De água suja (também usada para esgoto): serve para eliminar a água empoçada, da chuva ou de lavagem das superfícies. Existem até edifícios em que a água brota do piso da garagem. Alguns condomínios armazenam e reutilizam essa água para rega de jardins e lavagem de áreas externas;
De piscina: bombeia e ajuda a filtrar a água;
De pressão: são os chamados pressurizadores. É usada, por exemplo, nos andares mais altos de um prédio, onde a pressão da água do reservatório ou caixa d´água é baixa. Verifica-se o sistema elétrico e hidráulico;
De incêndio: sem essas bombas, os hidrantes não funcionam. Nos edifícios residenciais, é preciso verificar o seu estado a cada seis meses, no mínimo. Nos comerciais, o procedimento deve ser mensal. ;
De chafariz: em geral, são pequenas bombas, cuja manutenção deve ser mensal.
Economia de energia em bombas 
Sistemas de bombeamento são responsáveis pelo consumo de 20% da energia utilizada por motores elétricos no mundo e de 25% a 50% da energia utilizada em instalações industriais. Porém, existem alternativas para a redução de consumo energético. Muitas aplicações de bombeamento com pontos de operação variáveis oferecem grande potencial de economia de energia. As reduções do consumo energético podem incluir melhoria de desempenho, aumento da confiabilidade e diminuição de custos. 
A maioria dos sistemas os quais requerem variação de vazão, utilizam linhas de by-pass, estrangulamento de válvulas, ou variação da velocidade da bomba, a fim de alcançar o objetivo de vazão variável. Do ponto de vista energético, a variação da velocidade da bomba pode ser a opção mais eficiente. Quando a velocidade é reduzida, menos energia é transferida para o fluido e menos energia precisa ser estrangulada ou desviada pelo by-pass. É possível controlar a velocidade da bomba por diversos meios, dentre eles, o mais comum é o motor elétrico de velocidade variável com um variador de frequência (VFD). É importante ressaltar que a variação de velocidade não é a melhor alternativa para todos os casos. 
Escolha da bomba
Para a escolha correta de uma bomba em determinado processo, deve-se levar em conta fatores como: a quantidade de fluido a ser transportado; a natureza do fluido; a natureza da fonte de energia utilizada; a carga contra a qual há que bombear o fluido; saber se a bomba utilizada é apenas intermitente.
De acordo com estes fatores, é preciso analisar o custo e a eficiência de cada bomba, para que não seja gasto muito com uma bomba de alta eficiência para pouca utilização, ou economizar na instalação de uma bomba mais barata e ter um gasto futuro com manutenções, pois a bomba está trabalhando demais. 
A conseqüência da escolha errada de uma bomba para um sistema pode trazer desde a impossibilidade de bombear o fluido até o gasto excessivo de energia por um sistema de bombeamento não eficiente. 
Instalação da bomba 
Um dos fatores que influenciam o bom desempenho de uma bomba é a sua correta instalação. Bomba instalada corretamente permanece alinhada por mais tempo, é menos sujeita aos vazamentos, vibra menos e requer menos manutenção corretiva, o que aumenta sua vida útil.
Vários procedimentos devem ser observados na instalação de uma bomba. Os mais importantes são:
Instalar a bomba o mais perto possível do local de fornecimento do fluido a ser bombeado, para reduzir a altura de aspiração estática;
Instalar a bomba de forma a proporcionar fácil acesso para sua manutenção e/ou verificação. No caso de bombas de grande porte, deverá ser previsto um espaço suficiente para sua montagem e/ou desmontagem; 
utilizar elementos que amorteçam as vibrações provocadas pelo funcionamento da bomba, para evitar a irradiação da vibração para outras áreas do local onde ela está instalada. Isso evita que a vibração afete a estrutura física das instalações prediais; 
adequar a base de fixação com dimensões apropriadas, para que a montagem, ao ser fixada, não provoque desalinhamentos e torções entre a bomba e o motor elétrico que a aciona; 
posicionar e fixar corretamente a bomba na base onde será instalada, a fim de garantir o bom desempenho e a vida útil do equipamento;
usar o mínimo de tubulação e fixá-la o mais reto possível, desde o local de sucção até o local de descarga.
Conclusão 
A escolha dos equipamentos de transporte de líquidos a serem utilizados para o bombeamento é de extrema importância a fim de garantir que os objetivos desejados sejam satisfeitos. Às vezes faz-se necessário a associação de bombas em série, caso seja requerida a obtenção de elevadas alturas manométricas; ou a utilização de bombas em paralelo, caso se deseje a obtenção de elevadas vazões. Além disso, a fim de obter um bom funcionamento da bomba, faz-se necessário garantir que a pressão dentro dela não seja inferior à pressão de vapor do líquido bombeado, a fim de que não ocorra cavitação.
Referências
BRUNETTI, Franco.; Mecânica dos fluidos; 2. Ed. rev.; Pearson prentice Hall; São Paulo; 2008. 
FOUST, A. S.; CLUMP, C. W.; WENZEL, L. A. Princípio das operações unitárias. 2ª edição. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Dois, 1980. 
GOMIDE, R., Fluidos na Indústria – Operações Unitárias (Vol. II), 1993. MACINTYRE, A.J. Bombas e Instalações de Bombeamento, Rio de Janeiro: Editora Guanabara Dois, 1980.
PERRY, R.H & GREEN, D. Chemical Engineers Handbook.6ª edição. New York: McGraw Hill, 1984.