Relatório Bombas

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CURVAS CARACTERÍSTICAS E ASSOCIAÇÃO DE BOMBAS CENTRÍFUGAS
D. ZILLI¹,K.M. SILVA², L.F. DE SOUSA³, M.E.M. RECCO4e N.R. RABELO5.
RESUMO – Bombas são dispositivos que convertem um tipo de energia em outra, a fim de realizar trabalho para outros equipamentos serem ligados. O experimento realizado teve como finalidade obter as curvas características de cada bomba individualmente, bem como sua associação em paralelo e série. Obteve-se através de manômetros e vacuômetros as leituras de pressão na sucção e recalque dessas bombas. Com dos dados coletados foram determinadas as potências de cada bomba, sendo que a bomba 1 apresentou uma potência de 172 W maior do que a bomba 2, que apresentou uma potência de 165 W, atingindo assim um rendimento maior, sendo esse fato devido ao atrito do fluído na tubulação e a perda de potência devido ao atrito das peças do motor. Para a associação das bombas em paralelo, obteve-se uma potência e rendimento maior do que a potência e rendimento das bombas individuais. Já as bombas associadas em série, apresentou potência e rendimento superiores as bombas individuais e em paralelo. Os resultados obtidos no experimento são satisfatórios.
Palavras-chave: Bombas centrífugas, rendimento de bombas, associação de bombas.
INTRODUÇÃO 
De acordo com Cremasco (2018), bombas são dispositivos fluidomecânicos que utilizam energia mecânica aplicada a um fluido para transportá-lo de um lugar a outro. Recebem energia de uma fonte qualquer e cedem parte dessa energia ao fluido na forma de energia de pressão, cinética ou ambas.
Existem diversas classificações para bombas essas dependendo do modo como se obtém energia a partir do trabalho mecânico e como a energia é cedida ao fluido. Essa classificação se divide em bombas dinâmicas ou turbobombas e bombas de deslocamento positivo ou volumétricas. As utilizadas no experimento foram as bombas centrífugas que se classificam como bombas dinâmicas.
Segundo Terron (2012), a bomba centrífuga é o tipo mais usado na indústria química para transporte de líquidos de todos os tipos, sendo essas projetadas para lidar com líquidos incompressíveis apresentando vantagens como baixo custo, pequeno espaço para instalação e fluxo uniforme. Esse tipo de bomba desenvolve alta pressão sendo assim adequada para vazões baixas.
Cremasco (2018) diz que a potência que um motor fornece ao eixo da bomba deve ser maior que a potência útil transmitida ao fluido, isso se deve às perdas por atrito. Relacionando o trabalho útil ao trabalho consumido se calcula o rendimento da bomba, onde em bombas centrífugas é apresentando um rendimento mecânico entre 30 e 50% para fluidos de processo e de até 75% para água.
A altura de sucção disponível (NPSH) representa a condição ideal para que ocorra sucção minimamente recomendável do líquido. Esse valor é de extrema importância já que problemas o envolvendo estão entre as causas mais comuns de falhas de bombas. Existe um limite de pressão de vácuo que se pode atingir na sucção de uma bomba, abaixo disso ocorrerá cavitação.
O fenômeno da cavitação, ocorre quando se formam bolhas de vapor do liquido que está sendo bombeado, as quais se movem e sofrem colapso, ao longo das palhetas de um. Enquanto essas bolhas circulam no entorno das partes móveis da bomba, a pressão em torno delas começa a aumentar. No momento em que um ponto é alcançado quando a pressão no exterior da bolha é maior do que a pressão dentro da bolha, acontece o colapso da bolha, que não explode, mas sim implode. Esse colapso da bolha não é um caso isolado, e ocorre em centenas de outras bolhas, aproximadamente nas palhetas do rotor. (TERRON, 2012)
São chamadas de curva característica de bombas as que relacionam a altura com a vazão. No caso de bombas centrífugas é necessário que o fabricante do equipamento sempre forneça o NPSH da bomba.
Bombas podem operar em série ou paralelo ou até mesmo em série-paralelo. Ao serem acopladas em série Cremasco (2018) diz que fornecem alturas maiores do que produziriam individualmente, operando na mesma vazão e a altura fornecida sendo igual à soma das alturas desenvolvidas por cada bomba. Já a adição de bombas em paralelo é útil nos sistemas onde se precisa de vazões variáveis mantendo a altura constante.
O presente trabalho tem como objetivo a partir dos experimentos determinar as curvas características de bombas centrífugas assim como da sua associação em série e paralelo e a partir disso avaliar os resultados obtidos.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1 Procedimento Experimental
Para a realização do experimento foi utilizado um sistema hidráulico com um reservatório 2 bombas de potências iguais, um sistema de tubulações e um conjunto de manômetros para acompanhar a variação das pressões e depressões do sistema.
O procedimento foi dividido em três etapas. Na primeira etapa foram avaliadas as curvas características de cada bomba de modo individual. Para isso foi ajustado o sistema para operar com uma bomba isolada, posteriormente foi variada a vazão do sistema utilizando uma válvula em globo e um rotâmetro para medir a vazão. A cada vazão era verificada a variação da pressão registrada nos manômetros.
A segunda etapa consistiu em avaliar o comportamento do sistema em duas condições diferentes. A primeira quando as bombas operam em paralelo e a segunda quando a mesmas operam em série. O procedimento foi o mesmo da etapa anterior. Variar a vazão do sistema e verificar as variações das pressões nos manômetros.
Na terceira etapa foi simulado o efeito da cavitação na bomba. Nessa etapa foi selecionada uma bomba. Colocada a vazão para 90 L/min. Com a bomba nessa condição foi reduzida a abertura da válvula globo na entrada do sistema para reduzir o volume de água disponível na bomba até o ponto que fosse detectado o processo de cavitação na mesma. Nesse ponto foi verificada a pressão do manômetros para identificar a pressão de cavitação.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Para determinação da curva característica de duas bombas centrífuga de potências hidráulicas iguais que equivale a 370 W, num circuito simples, variando-se as perdas de carga no recalque e na sucção da mesma, foi plotado um gráfico para comparação entre a altura, potência hidráulica, eficiência da bomba pela vazão.
 Segundo Cremasco (2018), normalmente a curva da bomba é fornecida pelo fabricante, onde estabelece-se o que a bomba fornece em termos de descarga para vazão do sistema, na forma de altura por vazão. 
A bomba 1 e 2, atende o que é concedido pelos fornecedores no momento de escolher uma bomba, onde a altura de projeto é o trabalho que dever ser fornecido ao fluido para a obtenção de vazão de projeto ou capacidade.
Para comparação da potência hidráulica pela vazão foi utilizada a equação 2 e pelo rotâmetro a vazão, a figura abaixo representa o comparativo das bombas 1 e 2 entre a potência hidráulica por vazão.
Figura 1 –Potência Hidráulica x Vazão das duas bombas individuais
Fonte: Os autores, 2019.
Analisando a curva de potência pela vazão das duas bombas, podemos analisar que a potência útil para cada bomba 1 e 2, ficou em média aproximadamente 172 W e 165 W, respectivamente, menor que a disponibilizada que é 370 W, sendo a bomba 1 com a maior potência. A diferença pode estar relacionada com o atrito do fluído na tubulação, bem como a perda de potência devido ao atrito das peças do motor.
 	Assim podemos relacionar o rendimento da bomba com a potência onde o rendimento está relacionado energia ou trabalho útil produzido pelo sistema e o trabalho consumido, calculado pela equação 3, a figura abaixo representa o rendimento pela vazão.
Figura 2 –Rendimento x Vazão das duas bombas individuais
Fonte: Os autores, 2019.
Como citado anteriormente, a potência da bomba 1 é maior, tendo um rendimento maior que a bomba 2, sendo confirmado na figura 2, onde o mesmo está associado com as perdas de carga que a bomba 2 obteve sendo maior que a bomba 1.
Para as curvas características da associação de bombas em paralelo, foi calculadoa potência, rendimento e altura pelas respectivas equações 1,2 e 3. Cada uma foi plotado um gráfico para as seguintes comparações potência, rendimento, altura pela vazão do sistema. 
Segundo Cremasco (2018), a adição de duas ou mais bombas em paralelo, é útil no sistema em que requer vazões variáveis, as bombas ajustam suas vazões de tal maneira que mantêm constantes as diferenças de pressão. 
Onde ainda em Cremasco (2018, pg 27), mostra o sistema de uma curva características para bombas centrifugas em paralelo, de acordo com a altura e vazão em relação ao sistema, onde esse sistema é mostrado na potência e rendimento, figuras 5 e 6, receptivamente.
A figura abaixo apresenta a potência calculado pela equação 2 pela vazão:
Figura 5–Curva da Potência x Vazão das bombas em paralelo
Fonte: Os autores, 2019.
É possível perceber no gráfico que a potência foi além da média em relação as curvas individuais, isto porque as bombas estão em paralelo e suas potências também são somadas, logo a potência máxima tem um valor de 250 W, sendo que esse rendimento em paralelo é mais favorável para as indústrias.
A figura abaixo apresenta a rendimento calculado pela equação 3 pela vazão:
Figura 6–Curva da Rendimento x Vazão das bombas em paralelo
Fonte: Os autores, 2019.
Assim como discutido anteriormente o rendimento em paralelo é maior que o individual tendo uma valor aproximado de 60% enquanto o individual obteve uma rendimento de 45%, utilizando ainda uma mesma vazão, sendo favorável para industrias para ter um rendimento maior em seu processo, além de que sendo em paralelo caso uma pare de funcionar, apresentando algum defeito, a outra ainda continuará operando.
Das curvas características da associação em série foi calculado a potência, rendimento e altura pelas respectivas equações 1, 2 e 3. Cada uma foi plotado um gráfico para as seguintes comparações potência, rendimento, altura pela vazão do sistema em série.
Segundo Cremasco (2018), as curvas características da instalação em séries são obtidas pela adição de alturas de cada bomba para uma determinada vazão no processo. 
A figura abaixo apresenta a potência calculado pela equação 2 pela vazão:
Figura 7–Curva da Potência x Vazão das bombas em série
Fonte: Os autores, 2019.
A figura abaixo apresenta a rendimento calculado pela equação 3 pela vazão:
Figura 8–Curva do Rendimento x Vazão das bombas em série
Fonte: Os autores, 2019.
Comparando as bombas individuais e em paralelo, a que vai ter uma maior potência é a em série sendo aproximadamente 297 W (figura 7), assim tendo um rendimento maior, aproximadamente 80% (figura 8), porém, este sistema é utilizado quando se necessita variar muito a altura manométrica de elevação, tendo como desvantagem no caso de alguma bomba ocasionar algum defeito, o sistema todo vai parar o funcionamento. No caso de não precisar de elevadas alturas, o mais indicado é utilizar sistemas em paralelos, pois se apresentar algum defeito, o sistema todo não para, pode continuar funcionando, com menores vazões até ser recolocado outra bomba.
	No final do experimento verificamos o momento da cavitação do sistema conforme o que ocorreu no experimento como mostra na tabela 1, onde a vazão do sistema estava em 75 L/min.
Tabela 1: Cavitação
	Rotâmetro (L/min)
	Manômetro recalque (mCa)
	Vacuômetro (mmHg)
	75
	5,5
	-530
Fonte: Os autores,2019.
	Podemos então observar que quando a pressão fica abaixo da pressão de vapor do liquido é possível a ocorrência de vaporização nestes pontos. As bolhas de vapor formadas deslocam-se para uma região de maior pressão e desaparecem. Esta formação e desaparecimento das bolhas de vapor constituem o fenômeno da cavitação, podendo danificar o rotor, erosão do rotor, ruído e vibração.
3.3 Equações
Para determinação das curvas características das bombas, inicialmente mediu-se as vazões de água e transformado para a unidade de m3/s. Transformou-se também as unidades de medida do manômetro e vacuômetro para Pascal (Pa). Tais dados foram aplicados na equação 1 para encontrar a altura manométrica (Hm).
	
	(1)
Onde, Pman é a pressão lida do manômetro e Pvac é a pressão de sucção lida do vacuômetro. Considerando a densidade (ρ) 997 kg/m3 e a aceleração da gravidade (g), 9,81 m/s2.
Determinou-se a potência de cada bomba em Watts (W), através da equação 2.
	
	(2)
Sendo, Hm a altura manométrica calculada anteriormente e v a vazão volumétrica de água medida no rotâmetro.
A eficiência das bombas, foram calculadas utilizando a equação 3.
	
	(3)
4. CONCLUSÃO
Com o experimento foi possível perceber que as duas bombas se comportaram conforme o previsto pela bibliografia. Sendo as curvas das duas bombas muito semelhantes, o que sugere que a perda de carga dos dois sistemas são semelhantes, uma vez que a potência das bombas são as mesmas.
Na comparação entre os sistemas série e paralelo os resultados mostraram um aumento de potência e rendimento para o sistema nas duas condições sendo o sistema em série o que apresentou maior valor, 297 W. No sistema em série foi observado um aumento da altura em relação as bombas individuais de, em média 65%. Sendo que o mesmo começou mais elevado e reduziu com o aumento da vazão.
O ensaio de cavitação mostrou que o sistema tem cavitação quanto a depressão do sistema de alimentação fica aproximadamente em 530 mmHg.
5. REFERÊNCIAS
CREMASCO, Marco Aurélio. Operações unitárias em sistemas particulados e fluidomecânicos.3° Ed. São Paulo: Editora Edgard Blucher LTDA, 2018.
TERRON, L. R. Operações unitárias para químicos, engenheiros e farmacêuticos. Rio de Janeiro LTC 2012 1 recurso online ISBN 978-85-216-2174-4.