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Equipamentos Dinâmicos 1 CURSO DE FORMAÇÃO DE OPERADORES DE REFINARIA EQUIPAMENTOS DINÂMICOS 2 Equipamentos Dinâmicos Equipamentos Dinâmicos 3 CURITIBA 2002 EQUIPAMENTOS DINÂMICOS MARIANO PACHOLOK Equipe Petrobras Petrobras / Abastecimento UN´s: Repar, Regap, Replan, Refap, RPBC, Recap, SIX, Revap 4 Equipamentos Dinâmicos Módulo Equipamentos Dinâmicos Ficha Técnica UnicenP – Centro Universitário Positivo Oriovisto Guimarães (Reitor) José Pio Martins (Vice Reitor) Aldir Amadori (Pró-Reitor Administrativo) Elisa Dalla-Bona (Pró-Reitora Acadêmica) Maria Helena da Silveira Maciel (Pró-Reitora de Planejamento e Avaliação Institucional) Luiz Hamilton Berton (Pró-Reitor de Pós-Graduação e Pesquisa) Fani Schiffer Durães (Pró-Reitora de Extensão) Euclides Marchi (Diretor do Núcleo de Ciências Humanas e Sociais Aplicadas) Helena Leomir de Souza Bartnik (Coordenadora do Curso de Pedagogia) Marcos José Tozzi (Diretor do Núcleo de Ciências Exatas e Tecnologias) Antonio Razera Neto (Coordenador do Curso de Desenho Industrial) Maurício Dziedzic (Coordenador do Curso de Engenharia Civil) Júlio César Nitsch (Coordenador do Curso de Eletrônica) Marcos Roberto Rodacoscki (Coordenador do Curso de Engenharia Mecânica) Carlos Alexandre Castro (Coordenador do Curso de Jornalismo) Mariano Pacholok (Autor) Marcos Cordiolli (Coordenador Geral do Projeto) Maria Zaclis Veiga (Coordenação de Fotografia) Iran Gaio Junior (Coordenação Ilustração, Fotografia e Diagramação) Carina Bárbara R. de Oliveira (Coordenação de Elaboração dos Módulos Instrucionais) Juliana Claciane dos Santos (Coordenação dos Planos de Aula) Luana Priscila Wünsch (Coordenação Kit Aula) Angela Zanin Leoni Néri de Oliveira Nantes Érica Vanessa Martins (Equipe Kit Aula) Carina Bárbara Ribas de Oliveira (Coordenação Administrativa) Cláudio Roberto Paitra Marline Meurer Paitra (Diagramação) Marcelo Gamballi Schultz (Ilustração) Ana Paula Martins dos Santos (Fotos) Cíntia Mara Ribas Oliveira (Coordenação de Revisão Técnica e Gramatical) Contatos com a equipe do UnicenP: Centro Universitário do Positivo – UnicenP Pró-Reitoria de Extensão Rua Prof. Pedro Viriato Parigot de Souza 5300 81280-320 Curitiba PR Tel.: (41) 317 3093 Fax: (41) 317 3982 Home Page: www.unicenp.br e-mail: mcordiolli@unicenp.br e-mail: extensao@unicenp.br Contatos com a Equipe da Repar: Refinaria Presidente Getúlio Vargas – Repar Rodovia do Xisto (BR 476) – Km16 83700-970 Araucária – Paraná Mario Newton Coelho Reis (Coordenador Geral) Tel.: (41) 641 2846 – Fax: (41) 643 2717 e-mail: marioreis@petrobras.com.br Uzias Alves (Coordenador Técnico) Tel.: (41) 641 2301 e-mail: uzias@petrobras.com.br Décio Luiz Rogal Tel.: (41) 641 2295 e-mail: rogal@petrobras.com.br Ledy Aparecida Carvalho Stegg da Silva Tel.: (41) 641 2433 e-mail: ledyc@petrobras.com.br Adair Martins Tel.: (41) 641 2433 e-mail: adair@petrobras.com.br Equipamentos Dinâmicos 5 Apresentação É com grande prazer que a equipe da Petrobras recebe você. Para continuarmos buscando excelência em resultados, dife- renciação em serviços e competência tecnológica, precisamos de você e de seu perfil empreendedor. Este projeto foi realizado pela parceria estabelecida entre o Centro Universitário Positivo (UnicenP) e a Petrobras, representada pela UN-Repar, buscando a construção dos materiais pedagógicos que auxiliarão os Cursos de Formação de Operadores de Refinaria. Estes materiais – módulos didáticos, slides de apresentação, planos de aula, gabaritos de atividades – procuram integrar os saberes téc- nico-práticos dos operadores com as teorias; desta forma não po- dem ser tomados como algo pronto e definitivo, mas sim, como um processo contínuo e permanente de aprimoramento, caracterizado pela flexibilidade exigida pelo porte e diversidade das unidades da Petrobras. Contamos, portanto, com a sua disposição para buscar outras fontes, colocar questões aos instrutores e à turma, enfim, aprofundar seu conhecimento, capacitando-se para sua nova profissão na Petrobras. Nome: Cidade: Estado: Unidade: Escreva uma frase para acompanhá-lo durante todo o módulo. 6 Equipamentos Dinâmicos Sumário 1 EQUIPAMENTOS DINÂMICOS ............................................. 7 1.1 Introdução ......................................................................... 7 1.2 Equipamentos Estáticos e Dinâmicos .............................. 7 2 BOMBAS INDUSTRIAIS ...................................................... 10 2.1 Características das bombas industriais ........................... 11 2.1.1 Turbobombas ou dinâmicas ................................ 11 2.1.2 Volumétricas ou de deslocamento positivo ........ 13 2.2 Bombas centrífugas ........................................................ 14 2.2.1 Composição ........................................................ 14 2.2.2 Princípio de funcionamento ................................ 18 2.2.3 Principais problemas em bombas centrífugas ....... 20 2.2.4 Operação de bombas centrífugas ........................ 21 3 TURBINAS A VAPOR .......................................................... 23 3.1 Princípio de funcionamento ............................................ 23 3.1.1 Percurso do vapor ............................................... 24 3.1.2 Composição ........................................................ 26 3.1.3 Conjunto rotativo ................................................ 26 3.1.4 Sistema de controle de velocidade e desarme .... 26 3.1.5 Regulador ............................................................ 27 3.1.6 Principais problemas em turbinas a vapor ......... 28 3.1.7 Operação de turbinas a vapor ............................. 28 4 COMPRESSORES .................................................................. 30 4.1 Tipos de compressores .................................................... 30 4.2 Compressores centrífugos ............................................... 32 4.2.1 Características do compressor centrífugo ........... 33 4.3 Compressor de fluxo axial .............................................. 34 4.4 Compressores rotativos ................................................... 34 4.4.1 Compressores alternativos .................................. 34 4.4.2 Controle do compressor alternativo .................... 34 5 LUBRIFICAÇÃO .................................................................. 36 5.1 Atrito ............................................................................ 36 5.2 Mancais ........................................................................... 37 5.3 Lubrificantes .................................................................. 38 5.4 Rotina diária de lubrificação .......................................... 38 5.5 Lubrificação de turbinas a vapor .................................... 39 6 EJETORES ................................................................................. 40 6.1 Restrição no escoamento ................................................ 40 6.2 Ejetor ............................................................................... 40 6.3 Usos do ejetor ................................................................. 41 7 LEITURA COMPLEMENTAR 1 – CAVITAÇÃO ................. 42 7.1 Descrição do fenômeno de cavitação ............................. 42 7.2 Conceituação clássica de cavitação ................................ 42 7.3 Comparação entre cavitação e vaporização .................... 43 7.4 Inconvenientes da cavitação ........................................... 43 7.4.1 Barulho e vibração .............................................. 43 7.4.2 Alteração das curvas características ................... 43 7.4.3 Danificação do material ......................................46 7.5 Cavitação, erosão e corrosão .......................................... 47 7.6 Conceituação moderna de cavitação .............................. 47 7.6.1 Pressão crítica para o início da cavitação ........... 47 7.7 Análise da cavitação em bombas .................................... 49 7.8 Equacionamento da cavitação em bombas ..................... 49 7.9 Curva NPSHr x vazão ..................................................... 50 7.10 Cálculo do NPSH disponível .......................................... 50 7.11 Critérios de avaliação das condições de cavitação ......... 50 7.11.1 Cálculo da vazão máxima permissível de uma bomba em um sistema ........................................ 50 7.11.2 Altura máxima de sucção ................................... 51 7.12 Fatores que modificam o NPSH disponível ................... 51 7.12.1 Altura estática de sucção (Zs) ............................. 51 7.12.2 Altitude do local da instalação ........................... 52 7.12.3 Temperatura de bombeamento ............................ 52 7.12.4 Tipo de líquido bombeado .................................. 52 7.12.5 Tipo de entrada, comprimento, diâmetro e acessórios da tubulação de sucção ...................... 52 7.12.6 Vazão .................................................................. 52 7.12.7 Pressão no reservatório de sucção (Ps) ............... 52 7.13 Fatores que modificam o NPSH requerido e procedimentos para melhorar o desempenho das bombas quanto à cavitação ...................................... 52 7.13.1 Possibilidade de redução da perda na entrada da bomba (hfi) ................................... 52 7.13.2 Possibilidade de redução das velocidades absoluta e relativa no olho do impelidor (V1) e (Vr1) ........................................................ 52 7.13.3 Uso do indutor .................................................... 53 7.13.4 Variação da rotação ............................................. 53 8 LEITURA COMPLEMENTAR 2 ........................................... 55 8.1 Variáveis características em bombas centrífugas ........... 55 8.1.1 Curva carga (H) x vazão (Q) ............................... 55 8.1.2 Curva inclinada (Rising) .................................... 55 8.1.3 Curva ascendente/descendente (Drooping) ........ 55 8.1.4 Curva altamente descendente (Steep) ................. 55 8.1.5 Curva plana (flat) ................................................ 55 8.2 Curvas de potência absorvida x vazão ............................ 56 8.2.1 Potência útil cedida ao fluido (Potc) .................. 56 8.2.2 Potência absorvida pela bomba (Potabs) ............ 56 8.3 Curva rendimento total (h) x vazão (Q) ......................... 56 8.4 Formas de apresentação das curvas características ........ 57 8.5 Características do sistema ............................................... 57 8.5.1 Conceituação da altura manométrica do sistema ... 58 8.5.2 Calculo de altura manométrica de sucção (hs) ... 58 8.5.3 Cálculo da altura manométrica de descarga (hd) . 59 8.5.4 Cálculo da altura manométrica total (H) ............ 61 8.6 Determinação da curva do sistema ................................. 62 8.7 Determinação do ponto de trabalho ................................ 62 EXERCÍCIOS .............................................................................. 63 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................... 64 Equipamentos Dinâmicos 7 1EquipamentosDinâmicos 1.1 Introdução Os equipamentos industriais constituem o que se conhece por “hardware” de uma planta industrial. Neste volume, serão estudados os equipamentos classificados como dinâmicos, enfatizando bombas, turbinas a vapor e com- pressores. Serão abordados também ejetores e lubrificação. Os equipamentos dinâmicos têm grande importância devido ao fato de realiza- rem movimentos mecânicos para cumprirem sua função de transferência de energia de uma modalidade para outra. Tornam-se críticos para a continuidade operacional dos processos in- dustriais. Há, portanto, a necessidade de se Equipamentos Estáticos –Tanque. 1.2 Equipamentos Estáticos e Dinâmicos Os equipamentos industriais são classifi- cados, dentro de uma visão abrangente, em Estáticos e Dinâmicos. Os equipamentos estáticos não possuem movimento contínuo em seus componentes. Como exemplo, podem ser citados tanques, vasos, permutadores (trocadores de calor), válvulas, linhas (tubulações), geradores de vapor (caldeiras) e outros. compreender o princípio de funcionamento dos equipamentos como um todo e dos elementos constituintes para sua adequada operação. Equipamentos Estáticos – Vaso. Equipamentos Estáticos – Trocador de calor. Equipamentos Estáticos – Válvula.Equipamentos Estáticos – Linhas. Equipamentos Estáticos – Torre.Fonte: AUTOR 8 Equipamentos Dinâmicos Os equipamentos dinâmicos possuem movimentos contínuos, rotativos e ou alternativos, nos seus componentes. Como exemplo, são citados motores elétricos, turbinas a vapor, bombas, compressores, redutores, sopradores, ventiladores e outros. Equipamentos Dinâmicos – Ventilador. Equipamentos Dinâmicos – Bomba. Equipamentos Dinâmicos – Turbina a vapor. Equipamentos Dinâmicos – Soprador. Equipamentos Dinâmicos – Compressor. Equipamentos Dinâmicos – Motor elétrico. Equipamentos Dinâmicos – Redutor. Fonte: AUTOR Equipamentos Dinâmicos 9 Os equipamentos dinâmicos podem ser classificados em acionadores e acionados, mas, em ambos os casos, têm a função de transfor- mar energia. Os principais equipamentos clas- sificados como acionadores são motores elé- tricos e turbinas a vapor, que convertem sua forma específica de energia em energia mecâ- nica. Os principais equipamentos classificados como acionados são bombas, compressores, redutores, sopradores e ventiladores, sempre recebendo energia mecânica. Em ambos os casos, a ligação entre acionadores e acionados será feita pelo acoplamento. Quando a rota- ção do eixo do acionador não for adequada para o acionado, haverá, entre eles, um redutor, para redução, ou um multiplicador, para ampliação. Também, em substituição ao redutor, pode-se variar a freqüência do sistema elétrico e se obter a adequação da rotação. Nas plantas industriais, há necessidade de se estabelecer um referencial sobre os equi- pamentos dinâmicos. Então, para referenciar o lado do equipamento adotam-se as expres- sões “lado do acoplamento (LA)” e “lado opos- to ao acoplamento (LOA)”. Para referenciar as laterais, usa-se direita e esquerda, olhando- se do acionador para o acionado. A necessida- de de se utilizar as referências LA ou LOA pode ser demonstrada, por exemplo, caso o equipamento tenha dois selos e um esteja com vazamento. Nesse caso, a comunicação preci- sa de qual selo está com problema será o selo LA ou LOA está com vazamento. Nesse curso, serão estudados os equipa- mentos dinâmicos com ênfase em bombas, turbinas a vapor e compressores, bem como lubrificação pelo fato de ser um item de altíssima importância presente em quase to- dos os equipamentos dinâmicos. Referência de lados em Equipamentos Dinâmicos. Anotações LOA LA LA LOA Acoplamento Fonte: AUTOR 10 Equipamentos Dinâmicos 2BombasIndustriais As bombas são máquinas cuja função é a de transferir energia para um fluido. Este fluido deve ser considerado no estado líquido com ponderação para a viscosidade. Quando a vis- cosidade for muito elevada, estado pastoso, não poderão ser usadas bombas sem uma ri- gorosa análise. Relembrando o conceito de transformação de energia estudado em física: – acionamento por motor elétrico: O motor recebe a energia elétrica do gerador, transforma em energia mecânica, através do acoplamento, transfere a energia mecânica para a bomba, que, por sua vez, a transforma em energia hidráulica manifestada como pressãono fluido. – acionamento por turbina a vapor: A turbina recebe a energia térmica do gerador de vapor (caldeira) ou de outros sistemas, trans- forma em energia mecânica, através do aco- plamento, transfere a energia mecânica para a bomba, que por sua vez, transforma em ener- gia hidráulica manifestada como pressão no fluido. A pressão adquirida pelo fluido será, ob- viamente, maior, após passar pela bomba e será chamada de pressão de descarga. Analogamen- te, antes da bomba, tem-se a pressão de suc- ção. Desta forma, tem-se estabelecido o con- ceito de fluxo do fluido: para ter-se fluxo, des- locamento de um fluido, é necessário ter-se diferença de pressão. Então, pode-se entender que o fluido terá energia para ser deslocado de um local para outro local, mais alto, mais dis- tante ou a combinação destes. Em uma planta de processamento de pe- tróleo ou de outros produtos, há a necessidade de injeção e de extração de fluidos com dife- rentes valores de pressão, vazão, temperatura, impurezas sólidas e demais características fí- sico-químicas. Para atender a estas diferentes necessidades dos processos foram desenvol- vidos diversos tipos de bombas. Centrífuga Classificação das bombas industriais Tipos de bombas industriais Fonte: AUTOR BOMBAS INDUSTRIAIS VOLUMÉTRICAS OU DESLOCAM. POSITIVO DINÂMICAS OU TURBOBOMBAS CENTRÍFUGAS FLUXO MISTO FLUXO AXIAL PERIFÉRICAS OU REGENERATIVAS ALTERNATIVAS ROTATIVAS PISTÃO ÊMBOLO DIAFRAGMA ENGRENAGENS LÓBULOS PALHETAS PARAFUSO FUSO HELICOIDAL Equipamentos Dinâmicos 11 Fuso helicoidalDiafragma ÊmboloCentrífuga 2.1 Características das bombas industriais 2.1.1 Turbobombas ou dinâmicas São bombas nas quais a movimentação do líquido, ou a transferência de energia, é produ- zida por forças decorrentes da rotação de um impelidor (rotor). A forma do impelidor faz a distinção entre os diversos tipos de turbobom- bas e define a direção do fluxo na sua saída. Os tipos de turbobombas são centrífugas, fluxo misto, fluxo axial e periféricas ou re- generativas. Em bombas centrífugas, a energia forne- cida ao líquido é convertida principalmente em energia de pressão. A energia fornecida pode ter origem puramente centrífuga ou de arras- te, ou a combinação das duas, dependendo da forma do impelidor. A pressão ao fluido, ou seja energia, é transferida pela combinação da passagem do fluido através do impelidor e de uma região da carcaça onde o volume é cres- cente. O volume é crescente para a pressão permanecer constante. As bombas centrífugas podem ser radiais ou tipo Francis. As radiais têm a saída do fluido a noventa graus da entrada, e são chamadas de bombas centrífugas puras. As do tipo Francis caracterizam-se pela curvatura das palhetas do impelidor em dois planos. Bomba centrífuga radial. Fonte: AUTOR Fonte: MATTOS & FALCO, 1992. 12 Equipamentos Dinâmicos a) Bombas de fluxo axial Nas bombas de fluxo axial, toda energia é fornecida ao fluido por forças puramente de arraste. A direção de saída do líquido é para- lela ao eixo. Estas bombas são usadas quando necessárias grandes vazões e pequenas pres- sões. Alguns autores classificam este tipo de bomba como centrífuga, porém não é adequa- do, em função de não corresponder ao princí- pio físico de centrifugação. Impelidor de fluxo axial b) Bombas de fluxo misto As bombas de fluxo misto têm uma con- figuração intermediária entre as bombas cen- trífugas puras e as bombas axiais. As bombas centrífugas mistas fornecem energia ao fluido tanto por ação da força centrífuga quanto por arrastamento. A direção do fluxo do fluido ocorre entre 90º e 180º da entrada. c) Bombas periféricas ou regenerativas Nas bombas periféricas ou regenerativas, o fluído é arrastado através de um impelidor com palhetas em sua periferia, de tal forma que a energia fornecida é convertida em ener- gia de pressão pela redução de velocidade na carcaça. Bomba periférica. Fonte: MATTOS & FALCO, 1992. Fonte: MATTOS & FALCO, 1992. Bomba de fluxo misto. Fonte: MATTOS & FALCO, 1992. Equipamentos Dinâmicos 13 2.1.2 Volumétricas ou de deslocamento positivo Nas bombas volumétricas ou de desloca- mento positivo, o fluido é obrigado a executar um movimento de deslocamento igual ao de um componente da bomba, como há resistên- cia a ser vencida, tem-se o aumento de pres- são. Para receber ação de força do componen- te da bomba, o fluido, inicialmente, enche es- paços com volume definido e é expulso deste. Com essas bombas, é possível obter altas pres- sões de descarga e vazão constante. Sempre é possível controlar a vazão, porém, após a ação de controle, essa permanece constante. a) Bombas alternativas As bombas alternativas podem ser de pis- tão, de êmbolo ou de diafragma. Nas bombas alternativas de pistão, o com- ponente que produz o movimento do líquido é um pistão, que se desloca com movimento al- ternativo, dentro de um cilindro. Seu funcio- namento é dado por um curso de aspiração, através do qual o movimento do pistão tende a produzir vácuo. A pressão do líquido no lado da aspiração faz com que a válvula de admis- são abra-se e o cilindro encha-se. Enquanto isto ocorre, a válvula de descarga mantém-se fechada pela própria diferença de pressão e pelo curso de recalque, onde o pistão força o líquido, de modo a empurrá-lo para fora do cilindro, através da válvula de descarga. Pistão Fonte: MATTOS & FALCO, 1992. O princípio de funcionamento das bom- bas alternativas de êmbolo é igual ao das al- ternativas de pistão, apenas a forma do ele- mento de ação de força sobre o fluido varia como o êmbolo sempre tem a área de contato reduzida o com fluido é possível obter pres- sões mais altas. Bomba alternativa de êmbolo. Fonte: MATTOS & FALCO, 1992. Nas bombas alternativas de diafragma, o elemento que fornece a energia para o líquido é uma membrana acionada por uma haste com movimento alternativo, ou por câmara de óleo. O princípio de funcionamento é semelhante à bomba alternativa de pistão. Bomba alternativa de diafragma. Fonte: MATTOS & FALCO, 1992. b) Bombas rotativas As bombas rotativas podem ser de engre- nagens, de lóbulos, de parafuso, de palhetas e de fuso helicoidal. O funcionamento das bombas rotativas de engrenagens consiste em rotação de duas en- grenagens e arraste do fluido no espaço entre os dentes e a carcaça. Uma das engrenagens é acionadora e outra acionada, tem-se então uma transmissão de força. Bomba de engrenagens. Fonte: MATTOS & FALCO, 1992. As bombas rotativas de engrenagens e de lóbulos têm funcionamento idêntico. Bomba de Lóbulos. Fonte: MATTOS & FALCO, 1992. 14 Equipamentos Dinâmicos As bombas rotativas de parafusos são compostas por dois parafusos com movimen- tos sincronizados através de um par de engre- nagens. O fluido percorre o espaço “vazio” dos filetes da “rosca” dos parafusos das extremi- dades (admissão) para o centro (descarga). Estas bombas têm boa aplicação no caso de fluido muito viscoso. Bomba de parafuso Fonte: MATTOS & FALCO, 1992. Em bombas rotativas de palhetas deslizan- tes, as câmaras volumétricas para o arraste do fluido são formadas por palhetas livres radial- mente, pressionadas por mola contra a carca- ça. O eixo é excêntrico em relação à car- caça, com isso, um dos lados faz vedação e o outro permite volume. Bomba de palhetas. Fonte: MATTOS & FALCO, 1992. 2.2 Bombas centrífugas As bombas centrífugas são máquinas cuja função é transferir energia para um fluido e promover, com isso, a transferência de uma massa, fluido, de um local para outro. As bombas centrífugas podem ser classi- ficadas pelo número de estágios e pela forma construtiva. Quanto ao número de estágios, pode-se ter: – Um estágio – a energia é transferida em uma única vez. Existirá apenasum im- pelidor; – Dois ou mais estágios – a energia é transferida em etapas. Existirão tantos impelidores quantos forem os estágios e, conseqüentemente, pressões interme- diárias entre a pressão de sucção e a pressão de descarga. Em conjunto com este item, recomenda-se a leitura do item leia o item“Princípio de funcionamento”. Quanto à forma construtiva, pode-se ter: – “back pull out” – tipo de carcaça que permite remover o conjunto rotativo sem a remoção da carcaça; – bipartida – quando se têm vários está- gios, somente é possível remover o con- junto rotativo partindo-se a carcaça ao meio; – horizontal ou vertical – posição do eixo. 2.2.1 Composição Uma bomba centrífuga é composta pelas seguintes partes: – carcaça, – conjunto rotativo, – mancais, – selagem, – sistema de lubrificação, – acoplamento, – anéis de desgaste. a) Carcaça A carcaça é o componente que faz a con- tenção do fluido, contribuindo, como reação, para que este receba a energia e ganhe pressão. Existem várias formas geométricas de car- caça e todas têm um projeto com vistas ao equi- líbrio de pressão radialmente sobre o impeli- dor. As principais formas de carcaças para bombas centrífugas são: em voluta, com pás difusoras, em dupla voluta. Existem ainda car- caças tipo concêntrica e mista. Componentes de uma bomba centrífuga tipo “back pull out”. Fonte: ZECHEL, 1995. Carcaça Conjunto rotativo Sistema de lubrificação Região do acoplamento Mancais Selagem Anéis de desgaste Equipamentos Dinâmicos 15 Voluta Pás difusoras Dupla voluta b) Conjunto rotativo O conjunto rotativo é formado pelo eixo, impelidor(es), porcas de fixação, cubo do aco- plamento, luva(s) do eixo e anéis salpicadores de óleo. O impelidor é o componente de maior importância em uma bomba centrífuga, por- que é através dele que ocorre a conversão de energia mecânica para energia hidráulica. Um impelidor possui aletas ou pás em forma de espiral, sustentadas por uma ou duas “pare- Tipos de carcaças Aberto Semi-aberto Fechado A luva do eixo tem a função de protegê-lo contra desgastes na região de selagem. Uma selagem por gaxetas tem atrito direto sobre a luva promovendo desgaste. No caso de selo mecânico, poderá ocorrer desgaste por “fretting” (contato + vibração). Quando a luva fica danificada por desgaste, é substituída, pre- servando-se assim, o eixo, que é mais caro. des”. A figura a seguir, demostra também que um impelidor pode ser aberto, semi-aberto ou fechado. c) Anéis de desgaste Um anel de desgaste é um inserto de custo baixo, cuja finalidade é evitar que a carcaça e o impelidor sofram desgaste na região de restrição. A região de restrição tem a função de minimizar o retorno do fluido da descarga para a sucção. Como o impelidor gira e a carcaça é fixa, deve existir uma folga entre os dois para que não haja roçamento. Anéis de desgaste. Fonte: MATTOS & FALCO, 1992. Fonte: MATTOS & FALCO, 1992. Fonte: MATTOS & FALCO, 1992. 16 Equipamentos Dinâmicos Ver item 6.2 para maiores detalhes. Normalmente têm-se anéis na carcaça e no impelidor. Há bombas que dispõem de anéis somente na carcaça, ou não usa anéis de des- gaste na região de restrição. Ao longo do tempo de operação de uma bomba, a região de restrição vai sofrendo des- gaste por erosão e ou roçamentos de partida. Quando o desgaste for excessivo, a bomba perderá eficiência, pois haverá muito retorno de fluido da descarga para a sucção. d) Mancais Os mancais têm a função de suportar o conjunto rotativo de tal maneira que este te- nha somente liberdade de rotação, sem que ocorra qualquer roçamento com os componen- tes estáticos da bomba. e) Selagem Em uma bomba centrífuga, o fluido é pres- surizado contra a carcaça e vazará para a at- mosfera caso encontre algum caminho aberto. Como o eixo necessita entrar na carcaça para sustentar e girar o impelidor, é inevitável ha- ver uma folga para que isso ocorra. Logo, ha- verá vazamento de fluido por essa folga. Para que este vazamento seja minimizado ou eli- minado, utiliza-se a selagem. Existem duas formas principais de sela- gem: gaxetas e selo mecânico. As gaxetas promovem a minimização de um vazamento e não uma vedação total. São usadas quando o fluido bombeado pode ter um pequeno vazamento ou quando não é possível e viável o uso de um selo mecânico. Pode-se ter um pequeno vazamento de água, por exem- plo, porque o custo da perda é pequeno, não oferece impacto ambiental e não oferece risco de incêndio e risco de toxicidade ao homem. Por que é necessário um pequeno vazamen- to pelas gaxetas? Porque como existe uma re- gião de atrito entre a luva do eixo e as gaxetas, gerando calor, o pequeno vazamento de fluido refrigera e lubrifica essa região de atrito. Quando o fluido bombeado tem caracte- rísticas agressivas às gaxetas é necessário in- jetar um líquido limpo de outra fonte chama- do líquido de selagem ou “flushing”. Em al- gumas configurações de bombas centrífugas, mesmo o fluido bombeado não sendo agressivo, é necessário ter-se uma linha de “flushing” reti- rada da carcaça de um ponto de maior pressão. Os selos mecânicos promovem a redução de um vazamento a zero ou muito próximo disto. São usados quando o fluido bombeado tem custo de perda alto, oferece impacto am- biental, risco de incêndio ou risco de toxicidade ao homem. Um selo mecânico é um conjunto de pe- ças com alto grau de precisão dimensional e geométrico e materiais especiais. Veja nas fi- guras a seguir os principais componentes de um selo mecânico, como anéis e sedes de vedação. Selagem por gaxetas. Vida útil do engaxetamento Caixa de gaxetas Preme-gaxetas ou sobreposta. Promove o aperto das gaxetas Injeção de líquido de lavagem/ refrigeração (“Flushing”) Folga por onde o fluido bombeado irá vazar Eixo Luva do eixoGaxetasRegião de atrito: a luvagira com eixo e as gaxetas são estáticas Existem duas classes importantes de se- los mecânicos: simples e duplo. Os simples têm uma interface de vedação, enquanto que os duplos têm duas. Num selo simples, caso ocorra falha, o fluido bombeado vaza diretamente para atmos- fera e pode promover acidentes. Com apenas uma interface de vedação sempre ocorrerão micro-vazamentos, chamados emissões fugi- tivas. Essas emissões, ou seja, vapores de pro- dutos agressivos, já estão sendo proibidas por leis ambientais. Fonte: AUTOR Equipamentos Dinâmicos 17 Selo mecânico simples. Em um selo duplo, caso ocorra falha, o fluido bombeado não vaza diretamente para atmosfera e sim para uma câmara onde há um outro fluido pressurizado, chamado fluido de barreira. Esta câmara possui instrumentos de alarme que avisam sobre o vazamento. Impor- tante: há bombas em que o impelidor fica no meio do eixo e este “fura” a carcaça dos dois lados, logo é fundamental a vedação de am- bos os lados e portanto, duas selagens são ne- cessárias. Isto não deve ser confundido com selo duplo que serve para uma selagem, po- rém com duas interfaces de vedação. Selo mecânico simples. Selo mecânico duplo. Sistema auxiliares para injeção de selagem. Fonte: adaptado pelo autor a partir de Flowserve, Products & Services. USA, 1999. Catálogo FSD101. A interface de vedação é uma região de atrito formada pela sede rotativa, móvel, e pela sede estacionária, fixa. Nessa região de atrito, há grande geração de calor que é retirado pela injeção de líquido de selagem ou refrigeração, conhecida como “flushing”. O líquido de se- lagem, normalmente, é o próprio fluido bom- beado que é retirado de um ponto da carcaça onde a pressão já é de descarga. Na região da câmara de selagem, a pressão é levemente su- perior à pressão de sucção, com isso, injetan- do-se o líquido de selagem à pressão de des- carga, tem-se fluxo passando pelo selo e reti- rando o calorgerado pelo atrito. Quando o lí- quido de selagem é sujo, é necessário filtrá-lo, quando se encontra muito quente, é necessá- rio resfriá-lo e quando apresenta muitos sóli- dos em suspensão (sujeira) é necessário limpá- lo ou uso de um ciclone. Veja o item “Lubrificação”. A injeção de líquido de lavagem (“quench”) tem a função de arrastar e diluir emissões fu- gitivas, evitando incêndio. Também pode aju- dar na refrigeração. f) Sistema de lubrificação Toda bomba necessita de lubrificação em seus mancais. Geralmente, o lubrificante é óleo, porém pode também ser graxa. Um sis- tema de lubrificação varia em função da for- ma como o lubrificante é suprido ao ponto de rolamento ou deslizamento dos mancais. g) Acoplamento A função de um acoplamento é a ligação entre equipamentos acionadores e acionados, conforme citado no item anterior. Os acoplamentos podem ser classificados, inicialmente, em dois grupos: rígidos e flexíveis. Fonte: adaptado pelo autor de Flowserve, Products & Services. USA, 1999. Catálogo FSD101. Fonte: adaptado pelo autor de Flowserve, Products & Services. USA, 1999. Catálogo FSD101. Retorno Filtro Trocador de calor Ciclone Eixo Sobreposta Injeção de líquido de lavagem (“Quench”) Luva do eixo Interface de vedação Injeção de líquido lavagem/ refrigeração (“Flushing”) Injeção de fluido de barreira Interfaces de vedação Injeção de líquido de refrigeração (“Flushing”) Injeção de líquido de lavagem (“Quench”) Anel de vedação Interface de vedação Sobreposta Luva do eixo Eixo Molas Sede rotativa (carvão) Sede estacionária 18 Equipamentos Dinâmicos O acoplamento por correias, normalmen- te, é tratado como transmissão mecânica e não como acoplamento. Acoplamento flexível de elastômero. Acoplamento flexível de lâminas. Acoplamento flexível de engrenagem. Acoplamento flexível de grade. Um acoplamento rígido promove uma li- gação entre os eixos do equipamento aciona- dor e acionado de forma que se pode conside- rar um único eixo. É possível, portanto, dis- pensar parcialmente os mancais no equipamen- to acionado. Como não existe qualquer movi- mento relativo entre as partes desse acopla- mento, não é necessário lubrificá-lo ou subs- tituir elementos por desgaste ou quebra. Um acoplamento flexível promove uma ligação entre os eixos do equipamento acio- nador e acionado de forma que ambos os eixos continuam com liberdade de movimento, exceto para liberdade de movimento relativo angular, ou seja, têm o movimento de rotação “amarrado”. Isto implica na necessidade de mancais radiais e axiais tanto no equipamento acionado quanto no acionador. Devido a um inevitável desalinhamento entre os eixos, ocor- re movimento relativo entre as partes desse aco- plamento e, com isso, é necessário lubrificá-lo ou substituir elementos por desgaste ou quebra. Os acoplamentos flexíveis são os mais usados em equipamentos dinâmicos e podem ser classificados como: – Lubrificados – Grade – Engrenagem – Não lubrificados – Lâminas – Elastômero – Pinos (pouco usado) – Magnético (pouco usado) – Correias 2.2.2 Princípio de funcionamento Para o entendimento do funcionamento de uma bomba centrífuga temos que retornar à disciplina de física e rever movimento circu- lar e, principalmente, força centrípeta. Relacio- nando essa idéia ao fluido em uma bomba cen- trífuga teremos o entendimento ao observar a figura a seguir. Fonte: Catálogo Powerflex. Equipamentos Dinâmicos 19 Ação centrífuga que ocorre em uma bomba. Fonte: Desconhecida Antes de mostrarmos o princípio de fun- cionamento das bombas centrífugas vamos examinar as partes fundamentais neste funcio- namento, que são: O impelidor, que consta essencialmente de palheta ou pás que impulsionam o líquido e a carcaça, que envolve o impelidor, contém o líquido, servindo de invólucro global. Para o funcionamento, é necessário que a carcaça esteja completamente cheia de líqui- do, e portanto, que o impelidor esteja mergu- lhado no líquido. O funcionamento da bomba centrífuga ba- seia-se praticamente na criação de uma zona de baixa pressão e de uma zona de alta pressão. A criação da zona de baixa pressão decor- re do fato de que o líquido, recebendo através das pás o movimento de rotação do impelidor, fica sujeito à força centrífuga que faz com que as partículas do líquido se desloquem em di- reção à periferia do impelidor. Este desloca- mento acarreta a criação de um vazio (baixa pressão) na região, vazio este que será preen- chido por igual quantidade de líquido prove- niente da fonte, estabelecendo-se assim a pri- meira condição para o funcionamento que é um fluxo contínuo (regime permanente). A criação da zona de alta pressão na peri- feria, alta pressão que é a responsável pela possibilidade de transporte do fluido e atendi- mento das condições finais do processo, deve-se ao fato de que o líquido que parte para a peri- feria, sob a ação centrífuga, vai encontrar um aumento progressivo na área de escoamento, que causará queda de velocidade e aumento de pressão (teorema de Bernouilli). Está, as- sim, criada a alta pressão na periferia, neces- sária para que a bomba cumpra a sua função. Analisando o que dissermos, poderíamos afirmar que, resumidamente, o que ocorre é o Corte de bomba mostrando a linha de fluxo de líquido. Fonte: MATTOS & FALCO, 1992. impelidor fornecendo energia ao fluido, sendo em seguida, parte de energia cinética transfor- mada em energia de pressão devido ao aumen- to progressivo da área da carcaça na região de difusão, após o líquido atravessar a voluta. Na realidade, um certo aumento de pressão ocorre durante a passagem do fluido desde a entrada até a saída do canal formado pelas pás do im- pelidor, visto que este canal é divergente. En- tretanto, boa parte do ganho de pressão é nor- malmente obtida após a saída do impelidor, quando o fluído é orientado através de uma re- gião de área crescente (região difusora). A correlação entre a quantidade de ener- gia transferida no impelidor, que implica mu- dança da pressão estática do fluido passando através do impelidor e a energia total transfe- rida pelo impelidor, recebe a denominação de grau de reação. O aumento progressivo da área na carca- ça, pode ser obtido de duas formas: – utilizando a carcaça em voluta com re- gião difusora. – utilizando a carcaça com pás difusoras. Carcaça em voluta. Fonte: MATTOS & FALCO, 1992. 20 Equipamentos Dinâmicos Carcaça em difusor. Fonte: MATTOS & FALCO, 1992. No primeiro caso, seria interessante notar que a voluta não tem por finalidade direta au- mentar a pressão, mas acomodar a corrente lí- quida. Na realidade, tendo em vista as quanti- dades crescentes de líquido a serem acomoda- das no sentido do fluxo, através da voluta, o perfil em voluta é projetado objetivando um equilíbrio de pressões na direção radial. Assim sendo, o aumento de pressão é, em verdade, obtido na parte difusora da carcaça, após o líquido ter passado pela voluta (ponto A). Este tipo de carcaça é normalmente utili- zado em bombas que possuem um único im- pelidor, comumente chamadas de bombas de simples estágio. No segundo caso, o canal divergente é pro- piciado por pás difusoras fixadas à carcaça. Neste caso, a simetria do fluxo na direção ra- dial estabelece, do ponto de vista prático, o desejado equilíbrio de pressão radial. Este ar- ranjo tem aplicação usual para bombas que possuem vários impelidores em série, comu- mente chamadas de bombas de múltiplos es- tágios. 2.2.3 Principais problemas em bombas centrífugas Uma bomba centrífuga poderá apresentar problemas em seu funcionamento. Esses pro- blemas poderão ocorrer em função da condi- ção operacional imposta à bomba ou em fun- ção de falha mecânica. É importante associar o conteúdo desteitem ao de “Cavitação”. Uma condição operacional inadequada poderá re- sultar em falhas mecânicas. Os principais pro- blemas que constituem falhas mecânicas e poderão tornar uma bomba indisponível a um processo são: vazamentos, vibração, ruído, aquecimento excessivo e perda de eficiência. Em uma bomba centrífuga, pode-se ter vazamentos do produto (fluido bombeado), de lubrificante e de água de refrigeração. O pro- duto poderá vazar, tanto para a atmosfera quan- to para sistemas de contenção, através do sis- tema de selagem, das juntas dos flanges, da junta da caixa de selagem, de trincas na carca- ça ou pela válvula do dreno. Um vazamento através do sistema de se- lagem ocorrerá principalmente pelos seguin- tes motivos: – vazamento em gaxetas: – todo engaxetamento vaza! – falta de aperto nas gaxetas; – falta de injeção de líquido de selagem; – desgastes excessivos na luva, na bucha de restrição e na caixa. – vazamento em selos mecânicos: – falta de injeção de líquido de selagem; – presença de impurezas no sistema; – falha de material; – solidificação de produto nas molas. Um vazamento através das juntas dos flanges, da junta da caixa de selagem, de trin- cas na carcaça ou pela válvula do dreno ocor- rerá por: Bomba de múltiplos estágios. Fonte: MATTOS & FALCO, 1992. Detalhe das pás difusoras em bombas de múltiplos estágios. Fonte: MATTOS & FALCO, 1992. É importante rever o item selagem. O lubrificante poderá vazar através do dreno do lubrificante, da vedação dos mancais ou de trincas na caixa de mancais. A água de refrigeração poderá vazar através das conexões e trincas. Observação: ver leitura complementar 1 e 2. Equipamentos Dinâmicos 21 – falta de aperto nas juntas; – grandes variações de temperatura; – trincas; – válvula de dreno dando passagem. Um vazamento de lubrificante ocorrerá em função dos seguintes motivos: – vazamento de óleo: – dreno mal fechado; – nível acima do normal; – retentor ou labirinto danificado; – respiro obstruído; – corrente de ar passando pela caixa. – vazamento de graxa: – quantidade acima do normal; – retentor ou labirinto danificado; – especificação inadequada. Em uma bomba centrífuga, pode ocorrer vibração excessiva devido à: – condição operacional inadequada: – cavitação; – carga excessiva; – carga muito baixa. – falha mecânica: – desbalanceamento; – desalinhamento; – folgas inadequadas; – outros. Pode-se ter ruído excessivo principalmen- te em uma bomba centrífuga pelos seguintes motivos: – danificação dos mancais; – roçamento; – cavitação. Pode ocorrer aquecimento excessivo em uma bomba centrífuga em função dos seguin- tes motivos: – falta de lubrificante nos mancais; – excesso de lubrificante nos mancais; – falha no sistema de refrigeração; – recirculação excessiva; – bloqueio da descarga pela válvula de descarga ou pela check valve. A perda de eficiência em uma bomba cen- trífuga pode ocorrer principalmente devido: – à recirculação interna devido a desgas- te dos anéis de desgaste; – ao vazamento excessivo; – outros. 2.2.4 Operação de bombas centrífugas A operação de uma bomba centrífuga compõe-se das fases de partida, acompanha- mento e parada. A partida pode ser manual ou automática. Para partida manual, é necessário observar os seguintes passos: No caso de partida automática, tem-se apenas o passo “partir”, de forma remota. Po- rém, é necessário colocar a bomba em condi- ção de partida automática e observar os seguin- tes passos: – fechar dreno da bomba; – garantir lubrificação adequada; – garantir circulação da água de refrige- ração; – garantir injeção de líquido de selagem; – abrir válvula de descarga; – abrir válvula de sucção. O acompanhamento pode ser através da observação e intervenção do operador, do uso de instrumentos portáteis de monitoramento da condição e de instrumentos residentes de monitoramento e proteção. O uso de cada um desses métodos ou a mesclagem deles é fun- ção da importância do equipamento e da polí- tica da empresa. A observação do operador – fechar dreno da bomba; – garantir lubrificação adequada; – garantir circulação da água de refrige- ração; – garantir injeção de líquido de selagem; – fechar válvula de descarga; – abrir válvula de sucção; – partir; – abrir válvula de descarga. Componentes do sistema de uma bomba centrífuga. Fonte: AUTOR 22 Equipamentos Dinâmicos deverá ocorrer mais de uma vez por dia e, em caso de anormalidades, é necessária interven- ção para evitar que uma condição operacional inadequada torne-se uma falha mecânica ou esta se agrave a ponto de danificar severamente o equipamento e ou cause um acidente. Para facilitar a observação da condição dos equi- pamentos, é recomendável que sejam usados instrumentos portáteis de monitoramento da condição como medidores de vibração, medi- dores de temperatura, avaliadores de ruído e detectores de vazamentos. Os instrumentos residentes de monitoramento e proteção têm um sensor instalado em cada equipamento e possuem cabos transmitindo o sinal até a esta- ção de controle. Este sinal constitui-se em si- nal de entrada e é processado pelo “software” de controle que gera uma saída indicativa, de alarme ou promove a parada do equipamento como medida de proteção. A parada pode ser manual ou automática. Para parada manual, é necessário observar os passos da partida na seqüência inversa. Para parada automática, é necessário apenas parar pelo software de comando remoto. É muito importante observar que, na op- ção automático, as vávulas sempre ficarão abertas, a menos que se tenham acionadores com comando remoto, e, com isso, caso haja falha na válvula de retenção, o conjunto rotativo vai girar ao contrário, devido ao flu- xo no sentido inverso. Isto se ocorrer e perma- necer por muito tempo, têm-se conseqüências graves como a possibilidade de soltar o impe- lidor do eixo e a possibilidade de danos no sis- tema elétrico e mancais, pois o motor vai fun- cionar como um gerador numa rotação incerta e descontrolada. Instrumento portátil de medição de vibração. Fonte: AUTOR Anotações Sumário 1.1 Introdução 1.2 Equipamentos Estáticos e Dinâmicos 2 Bombas Industriais 2.1 Características das bombas industriais 2.1.1 Turbobombas ou dinâmicas 2.2 Bombas centrífugas 2.2.1 Composição 2.2.2 Princípio de funcionamento 2.2.3 Principais problemas em bombas centrífugas 2.2.4 Operação de bombas centrífugas
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