Bombas: Definição e Classificação

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UTFPR – CAMPUS DE CAMPO MOURÃO
CURSO DE TECNOLOGIA DE ALIMENTOS
DISCIPLINA: OPERAÇÕES UNITÁRIAS 
BOMBAS
DEFINIÇÃO E APLICAÇÃO
	Bombas são máquinas geratrizes, cuja finalidade é deslocar líquidos (puros, misturas, pastas e suspensões) por escoamento. Sendo uma máquina geratriz, transforma o trabalho mecânico que recebe de um motor em energia hidráulica sob as formas que o líquido é capaz de absorver, isto é, energia potencial, de pressão e energia cinética.
	Uma das operações unitárias mais comuns na indústria de alimentos é o fluxo de transporte de líquidos e sólidos através de tubulações de um local de processo para outro, efetuado por meio de bombas. O transporte de produtos através de bombeamento em processos industriais é uma operação unitária constantemente necessária nas diversas fases do processamento. As necessidades de transportar de um nível a outro mais elevado ou mesmo alimentar um equipamento ou tanques de mistura que se encontram sob pressão mais elevada que o ambiente, é normalmente realizado por bombas. Na seleção de bombas para qualquer tipo de serviço, é necessário conhecer o tipo de produto que se deseja transportar, pois cada produto tem suas características físicas e químicas tais como viscosidade, consistências, temperatura de processo, concentração que irá influenciar no processo de sucção e descarregamento da bomba.
CLASSIFICAÇÃO DAS BOMBAS
	É comum a classificação das bombas segundo o modo pelo qual é realizada a transformação do trabalho mecânico em energia hidráulica, assim como o modo de cedê-la ao líquido, aumentando sua pressão e/ou sua velocidade. Dessa forma, são classificadas como:
	-	Bombas de deslocamento positivo ou volumétricas, que transportam uma quantidade definida de produto em cada golpe ou volta;
	-	Turbobombas ou hidrodinâmicas ou rotodinâmicas ou bombas de fluxo ou centrífugas, que transportam um volume que depende da pressão de descarga.
	Para termos uma ideia mais geral sobre a classificação das bombas, o diagrama apresentado na Figura 1 mostra resumidamente os principais tipos.
Figura 1 – Diagrama ilustrando a classificação dos principais tipos de bombas comerciais.
Bombas de Deslocamento Positivo
	Impelem uma quantidade definida de fluido em cada golpe ou volta do dispositivo. Uma porção de fluido é presa numa câmara, e pela ação de um pistão ou peças rotativas é impulsionado para fora. Desse modo, a energia do elemento rotativo ou pistão é transferida para o fluido. A característica principal dessa classe de bombas é que uma partícula líquida em contato com o órgão que transfere a energia tem aproximadamente a mesma trajetória que a do ponto do órgão com o qual está em contato. Podem ser alternativas, em que o escoamento é intermitente e rotativas, de escoamento contínuo.
	Bombas Alternativas: o líquido recebe a ação das forças diretamente de um pistão ou êmbolo ou de uma membrana flexível (diafragma). Elas podem ser acionadas pela ação do vapor ou por meio de motores elétricos ou também por motores de combustão interna. São usadas com suspensões abrasivas e líquidos muito viscosos, embora operem com líquidos de qualquer viscosidade.
Figura 2 – Bomba de pistão simplex de duplo efeito.
Figura 3 – Bomba de êmbolo duplex.
Figura 4 – Bomba diafragma.
	A vazão de descarga do líquido numa bomba alternativa varia com o tempo, em virtude da natureza periódica do movimento do pistão, conforme a Figura 5.
	Estas podem ser:
		Duplex, triplex, etc representam o número de cilindros.
		Simples ou duplo efeito quando se utiliza um ou dois lados de seu volume para impelir o fluido.
	Através dos gráficos apresentados na Figura 5-(b), temos três representações:
		- Primeira: simplex, simples efeito;
		- Segunda: simplex, duplo efeito; 
		- Terceira: duplex, duplo efeito.
		(a)						(b)
Figura 5 – Gráficos representando (a) número de cilindros e (b) curvas de descarga das bombas alternativas.
	As aplicações das bombas alternativas envolvem:
		- bombeamento de água de alimentação de caldeiras, óleos e de lamas; 
		- imprimem as pressões mais elevadas dentre as bombas; 
		- pequena capacidade; 
		- podem ser usadas para vazões moderadas.
	As principais vantagens das bombas alternativas são:
		- podem operar com líquidos voláteis e muito viscosos;
		- capaz de produzir pressão muito alta.
	As principais desvantagens das bombas alternativas são:
		- produz fluxo pulsante;
		- capacidade: intervalo limitado;
		- opera com baixa velocidade;
		- precisa de mais manutenção.
	Bombas rotativas (ou rotatórias): o motor da bomba provoca uma pressão reduzida no lado da entrada, o que possibilita a admissão do líquido à bomba, pelo efeito da pressão externa. À medida que o elemento gira, o líquido fica retido entre os componentes do rotor e a carcaça da bomba. Há diversos tipos: i) de engrenagem, ii) helicoidal, iii) de palhetas deslizantes, iv) excêntricos. São usadas para bombear líquidos como óleos vegetais, catchup, vinagre, maionese, glicose, melaço e gorduras.
	Estas dependem de um movimento de rotação, o qual, resulta em um escoamento contínuo.
	As principais características das bombas rotativas são:
		- Provocam uma pressão reduzida na entrada (efeito da pressão atmosférica) e com a rotação, o fluido escoa pela saída;
		- Vazão do fluido: função do tamanho da bomba e velocidade de rotação, ligeiramente dependente da pressão de descarga;
		- Fornecem vazões quase constantes;
		- Eficientes para fluidos viscosos, graxas, melados e tintas;
		- Operam em faixas moderadas de pressão;
		- Capacidade pequena e média;
		- Utilizadas para medir "volumes líquidos".
	Na Figura 6 são apresentados os tipos de bombas rotativas comercialmente utilizadas.
 	 
	 (a)					(b)				 (c)
Figura 6 – Ilustração das bombas rotativas (a) de engrenagens; (b) helicoidal e (c) de palhetas.
Turbobombas
	Este tipo de bomba tem por princípio de funcionamento a transferência de energia mecânica para o fluido por meio de um rotor ou impulsor com pás, montado num eixo girando no interior de uma carcaça (Figura 7).
 
Figura 7 – Ilustração de uma turbobomba.
	O rotor é o coração da bomba. O líquido chega ao centro do rotor através de um bocal de sucção, é forçado através das lâminas do rotor até a periferia, onde chega com velocidade elevada. Saindo da ponta das lâminas o líquido passa para uma câmara periférica onde ocorre a transformação da carga cinética que recebeu no impulsor em carga piezométrica, para finalmente sair pelo bocal de recalque. Conforme as posições relativas do movimento geral do líquido e do eixo de rotação do rotor, pode-se classificar as turbobombas em:
		(a) centrífugas puras (ou radiais): toda a energia cinética é obtida através do desenvolvimento de forças puramente centrífugas na massa líquida. A movimentação do fluido dá-se do centro para a periferia do rotor, no sentido perpendicular ao eixo de rotação.
		(b) axiais (ou propulsoras ou helicoidais): toda a energia cinética é transferida à massa líquida por forças puramente de arrasto. O movimento do fluido ocorre paralelo ao eixo de rotação.
		(c) fluxo misto (hélico-centrífugas): parte da energia é fornecida devido à força centrífuga e parte devido ao arrasto. Esta relação entre força e ângulo de fluxo na bomba pode ser melhor visualizado na Figura 8.
FA = Energia fornecida devido à força de arrasto;
FC = Energia fornecida devido à força centrífuga.
Figura 8 – Relação força e ângulo de fluxo na bomba.
	O movimento do fluido como apresentado na Figura 8, ocorre na direção inclinada (diagonal) ao eixo de rotação (entre 90º e 180º).
	Estes sistemas (turbobombas) são caracterizados por possuírem um órgão rotatório dotado de pás (rotores) que exerce forças sobre o líquido, as quais resultam da aceleração que lhe imprime. A finalidade do rotor (impelidor ou impulsor) é comunicar à massa líquida, uma aceleração, para que esta adquira energia cinética e se realize assim a transformação da energia
mecânica de que é dotado. Os principais tipos de rotores são apresentados na Figura 9.
 
		(a)			(b)				(c)
Figura 9 – Principais tipos de rotores: (a) rotor fechado; (b) semi-aberto e (c) abeto.
	Os rotores fechados (palhetas cobertas), geralmente são os mais eficientes. Os do tipo semi-aberto ou aberto (palhetas descobertas) são usados para líquidos viscosos ou líquidos que contêm materiais sólidos e em bombas pequenas para serviços gerais.
Carcaças
	A carcaça é o componente responsável pela contenção do fluido bombeado, bem como, sob certo aspecto, provê as condições para a conversão de energia cinética do fluido em energia de pressão, passo fundamental ao bombeamento. Na sequência são apresentados alguns tipos de carcaças mais comuns.
 
			(a)					(b)
 
			 (c)						(d)
(e)
Figura 10 – Ilustração dos principais tipos de carcaça das turbobombas: (a) carcaça em voluta; (b) carcaça com pás difusoras; (c) carcaça em dupla voluta; (d) carcaça concêntrica e (e) carcaça mista.
	Têm-se que a carcaça em voluta (Figura 10-(a)) é a mais utilizada para bombas de simples estágio, devido à sua boa eficiência, baixo custo e simplicidade mecânica.
	A carcaça com pás difusoras (Figura 10-(b)) são as preferidas para as bombas de multiestágio. Possuem eficiência ligeiramente superior, mas são mais caras e de mecânica mais complexa.
	A carcaça em dupla voluta (Figura 10-(c)) eventualmente é utilizada em bombas de grande porte, particularmente no que concerne à vazão, utiliza-se esta, como artifício para atenuar o empuxo radial. Este projeto consiste da simulação de duas volutas simples, defasadas de 180º mediante uma chicana intermediária. Neste caso, parte do líquido flui pelo canal interno e parte pelo canal externo, numa tentativa de balanceamento do empuxo radial.
	A carcaça concêntrica (Figura 10-(d)) apresenta formato circular. Apesar do seu baixo custo de fabricação, tem aplicação reduzida em virtude de possibilitarem menor eficiência que as carcaças em voluta.
	A carcaça mista (Figura 10-(e)) eventualmente pode ser encontrada em bombas que usam uma combinação de pás difusoras e voluta.
Comparação entre as Turbobombas e as Bombas Volumétricas
a) Quanto à vazão:
	Bombas Volumétricas
	-	Há uma proporcionalidade entre a descarga e a velocidade da bomba (que por sua vez é proporcional ao órgão mecânico que impulsiona o fluido);
	-	Além disso, a vazão bombeada praticamente independe da altura e/ou pressões a serem vencidas;
	-	As Bombas Volumétricas alternativas possuem vazão de bombeamento variável com o tempo, as rotativas não.
	Turbobombas
	-	A vazão bombeada depende das características de projeto da bomba, rotação e das características do sistema que está operando;
	-	A vazão de bombeamento é constante com o tempo.
b) Quanto ao movimento do fluido e do impelidor
	Bombas Volumétricas
	-	O movimento do líquido dentro da bomba e o movimento do órgão impulsionador são exatamente os mesmos, mesma natureza, mesma velocidade em grandeza, direção e sentido.
	Turbobombas
	-	Embora os dois movimentos sejam relacionados entre si, não são absolutamente iguais.
c) Quanto ao órgão mecânico
	Bombas Volumétricas
	-	O órgão mecânico transmite energia ao líquido sob a forma exclusivamente de pressão, isto é, só aumenta a pressão e não a velocidade.
	Turbobombas
	-	A energia transmitida pelo órgão mecânico (rotor) sob a velocidade de pressão.
d) Quanto ao funcionamento
	Bombas Volumétricas
	-	Podem iniciar o seu funcionamento com a presença de ar no seu interior.
	Turbobombas
	-	O início do funcionamento deve ser feito sem a presença de ar na bomba e no sistema de sucção, isto é, deve ser cheia de líquido.
SELEÇÃO DO TIPO E TAMANHO DA BOMBA
	A escolha do tipo de bomba para preencher os requisitos operacionais do sistema requer a análise das características de funcionamento de cada uma dessas máquinas geratrizes. Quando mais de um tipo preencher esses requisitos, um estudo técnico econômico se faz necessário.
Figura 11 – Faixas operacionais de uma série de bombas centrífugas. Cada área com um número representa uma região de combinação de carga total e de capacidade onde um certo modelo de bomba pode operar. O número do modelo é dado para cada tamanho: o primeiro número é o diâmetro da linha de descarga, o segundo é o diâmetro da linha de sucção e o terceiro é o diâmetro máximo do rotor que pode ser usado na carcaça. Todos os diâmetros estão em polegadas.
	A Tabela 1 é útil para a primeira seleção do tipo de bomba a ser empregado.
Tabela 1 – Características das principais bombas comerciais.
	Tipos
	Turbobombas
	Deslocamento Positivo
	
	Centrífugas
	Axiais
	Rotativas
	Alternativas
	Vazão
	Uniforme
	Uniforme
	Uniforme
	Pulsante
	Altura Máxima de Sucção usual (m)
	4,5
	4,5
	6,5
	6,5
	Líquidos Operados
	Limpos; abrasivos; com partículas sólidas
	Limpos; abrasivos; com partículas sólidas
	Viscosos e não abrasivos
	Limpos e puros
	Carga ou pressão de descarga
	Baixa a altura até 5.000 ft.. 2163 psi para água
	Baixa a média até 25 ft
	Média até 41 atm
	Baixa a muito alta. Mais de 6.800 atm
	Faixa usual de vazões
	Pequena a altura até 3.000 gal/min
	Média a muito alta, mais de 22.700 m3/h
	Pequena a média. Até 227m3/h
	Pequena, até 114m3/h
	Com o aumento da pressão a vazão
	Decresce
	Decresce
	Não Altera
	Não Altera
	Auto-aspirante
	Não
	Não
	Sim
	Sim
	Usos típicos
	Instalações prediais; irrigação; resfriamento; suprimento de água; esgotos pré-tratados; alimentação de caldeira e extinção de incêndio.
	Circulação em circuito fechado; grandes sistemas de irrigação.
	Transporte de óleos minerais; fluidos tixotrópicos como gorduras, melaços, colas, compostos de celulose, tintas e vernizes; fluidos dilatantes como argamassas de argila e amido.
	Alimentação de caldeira; transporte de óleos e lamas; muito usadas como bombas dosadoras e de colhedoras de amostras.