O que são bombas centrífugas?
Bombas centrífugas são amplamente utilizadas para transferir líquidos de baixa viscosidade, como água. Elas são especialmente adequadas para movimentar grandes volumes de líquidos de baixa viscosidade.
Devido às suas altas taxas de fluxo, facilidade de manutenção e robustez, as bombas centrífugas são amplamente empregadas em diversas aplicações industriais ao redor do mundo.
Bomba Centrífuga Radial com Carcaça em Espiral
Componentes da Bomba Centrífuga
As bombas centrífugas possuem um design relativamente simples e poucos componentes. Alguns dos componentes mais comuns são listados abaixo.
Carcaça em Espiral e Difusor
Uma carcaça em espiral ou difusor é utilizada para converter energia cinética em pressão.
Carcaça em Espiral com Impulsor (a)
O impulsor gira e transfere energia cinética ao líquido ao seu redor devido ao atrito. À medida que o impulsor gira, o líquido é movido em direção à periferia externa do impulsor, e sua energia cinética é convertida em pressão.
Empacotamento de Compressão e Selos Mecânicos
A vedação da bomba é realizada usando empacotamento de compressão (também conhecido como empacotamento), ou um selo mecânico. O empacotamento é um design muito antigo, enquanto os selos mecânicos são um desenvolvimento mais recente.
O empacotamento é a opção mais econômica, embora tenha várias desvantagens em comparação com um selo mecânico. Estas incluem:
- Empacotamento de Gaxeta pressiona fisicamente contra o eixo e lentamente cria um sulco no eixo que pode precisar ser reparado posteriormente.
- O contato entre a gaxeta e o eixo gera atrito que se manifesta como calor. Este calor deve ser dissipado para evitar danos ao eixo e à gaxeta.
- O atrito entre a gaxeta e o eixo significa que o motor da bomba requer mais amperagem para realizar a mesma quantidade de trabalho, resultando em uma queda geral na eficiência.
- O empacotamento deve ser periodicamente ajustado para manter a taxa de vazamento correta.
- A vida útil do empacotamento é geralmente muito mais curta em comparação com um selo mecânico.
Além disso, um anel de lanterna também pode ser necessário para permitir o resfriamento do empacotamento.
Os selos mecânicos não sofrem dos mesmos problemas associados ao empacotamento, embora sejam mais caros e propensos a vazamentos se as faces de vedação primárias não estiverem completamente limpas.
Anéis de Desgaste
Anéis de desgaste são usados para vedar o espaço entre o impulsor e a carcaça. Anéis de desgaste instalados no impulsor são chamados de 'anéis de desgaste do impulsor', enquanto anéis de desgaste instalados na carcaça são referidos como 'anéis de desgaste da carcaça'.
Se nenhum anel de desgaste fosse instalado, o líquido do processo poderia fluir do lado de descarga para o lado de sucção da bomba em quantidades relativamente grandes, levando a uma queda na eficiência da bomba (até 4%). É possível operar uma bomba sem anéis de desgaste, mas ocorrerão danos resultantes ao impulsor e à carcaça, e o custo de substituir um impulsor ou carcaça é muito maior do que o custo de substituir os anéis de desgaste.
O atrito de um impulsor contra a carcaça também pode levar a um processo conhecido como 'gripagem', que significa que os dois metais se soldaram microscopicamente. Em casos graves, a gripagem pode levar ao travamento completo da bomba.
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Como Funcionam as Bombas Centrífugas
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O líquido é sugado através do porto de sucção (orifício central na carcaça) e descarregado através do porto de descarga (orifício no topo da carcaça).
Uma vez que o líquido passa pelo porto de sucção, ele passa por um impulsor e é descarregado radialmente para longe do olho do impulsor (centro do impulsor). O líquido flui para longe do olho do impulsor devido à força centrípeta, embora esse movimento de fluxo seja quase sempre atribuído à força centrífuga, o que é incorreto, pois a força centrífuga é na verdade uma força imaginária (não real).
O impulsor possui palhetas separadas por canais, o líquido flui através desses canais. Cada canal possui uma área de caminho de fluxo crescente. À medida que a área do caminho de fluxo se expande, a velocidade do líquido diminui e a pressão aumenta. A relação entre área, velocidade e pressão é descrita pelo Princípio de Bernoulli.
Devido à forma única da carcaça em espiral, o líquido passa por uma nova diminuição de velocidade e aumento de pressão. O líquido é então descarregado através do porto de descarga.
Classificação por Fluxo
As bombas centrífugas são classificadas como de fluxo radial, axial ou misto.
Bombas de fluxo radial descarregam o líquido perpendicularmente ao eixo principal da bomba (90 graus em relação à orientação do eixo principal da bomba); este tipo de bomba é ideal para muitas aplicações de pressão e fluxo.
Bomba Centrífuga de Fluxo Radial
Bombas de fluxo misto descarregam o líquido em um ângulo superior a 90 graus em relação ao eixo da bomba.
Bomba Centrífuga de Fluxo Misto
Bombas de fluxo axial são usadas para aplicações de baixa pressão e alto fluxo. Quase nenhuma força radial é aplicada ao líquido, mas a bomba ainda é classificada como centrífuga porque uma pequena parte do movimento do líquido é radial.
Bomba Centrífuga de Fluxo Axial
Classificação por Impulsor
Os impulsores estão disponíveis em três designs comuns, que são fechado, semi-aberto e aberto.
Impulsores Abertos, Semi-Abertos e Fechados
Fechado – impulsores do tipo fechado possuem duas coberturas. As palhetas do impulsor estão completamente encaixadas entre as duas coberturas. Este tipo de impulsor é muito eficiente para bombear líquidos de baixa viscosidade com poucos corpos suspensos (água, água do mar, etc.). O impulsor do tipo fechado possui a maior resistência mecânica de todos os designs de impulsores devido ao suporte dado às palhetas pelas coberturas.
Semi-Aberto/Semi-Fechado – este tipo de impulsor também é conhecido como impulsor 'parcialmente aberto' ou 'parcialmente fechado'. Impulsores semi-abertos possuem apenas uma cobertura. Este tipo de impulsor é usado para bombear líquidos com uma quantidade moderada de corpos suspensos. Impulsores semi-abertos não são tão eficientes quanto impulsores totalmente fechados porque o líquido bombeado não é guiado diretamente ao longo das palhetas.
Aberto – impulsores do tipo aberto não possuem coberturas. Este tipo de impulsor é ideal para bombear líquidos de alta viscosidade (desde que não espumem quando agitados) e líquidos com muitos corpos suspensos. Aplicações típicas para este tipo de impulsor incluem esgoto e polpa de papel. Às vezes, o centro do impulsor também será equipado com uma faca serrilhada para cortar corpos suspensos à medida que são sugados para o olho do impulsor.
Classificação por Estágio
As bombas centrífugas podem ser de estágio único ou multiestágio.
Um impulsor de estágio único é uma bomba com apenas um impulsor. Bombas de estágio único geralmente usam uma carcaça em espiral, embora um difusor possa ser usado se o espaço for limitado.
Uma bomba multiestágio é uma bomba com mais de um impulsor. Bombas multiestágio geralmente usam difusores porque instalar uma carcaça em espiral para cada impulsor é impraticável devido a considerações de tamanho.
Bombas multiestágio são referidas pelo número de impulsores instalados em um eixo comum, por exemplo, uma bomba de cinco estágios é uma bomba multiestágio com cinco impulsores (mostrado abaixo).
Bomba Multiestágio (5 estágios)
Bombas multiestágio permitem que o líquido bombeado passe por múltiplos impulsores e difusores antes de ser descarregado; isso permite que a pressão seja aumentada gradualmente em cada estágio da bomba.
Classificação por Tipo de Sucção
Os impulsores podem ser de sucção única ou sucção dupla.
Impulsores de sucção única possuem apenas uma entrada de sucção.
Impulsores de sucção dupla possuem duas entradas de sucção.
Sucção Única e Dupla
Entre Rolamentos ou Suspenso
Os impulsores de bombas centrífugas podem ser suportados em uma extremidade em um arranjo em balanço, ou em ambas as extremidades.
Impulsores suportados em apenas uma extremidade são referidos como bombas suspensas, porque o impulsor está 'pendurado' dentro da carcaça.
Impulsores suportados em ambos os lados são referidos como bombas entre rolamentos, porque o(s) impulsor(es) está(ão) instalado(s) entre os rolamentos do eixo. Bombas centrífugas grandes e bombas centrífugas multiestágio são quase sempre bombas entre rolamentos.
Curvas da Bomba
As curvas da bomba são usadas para encontrar as condições ótimas da bomba com base em certas características, como o líquido sendo bombeado, a pressão desejada e a taxa de fluxo desejada. As características desejadas dependem dos requisitos; algumas bombas têm muitas condições que devem ser satisfeitas antes de serem colocadas em serviço.
Duas das características mais importantes de uma curva de bomba são a cabeça de desligamento e o desempenho máximo.
A cabeça de desligamento representa a quantidade máxima de cabeça estática que pode ser gerada pela bomba.
O valor de desempenho máximo é o fluxo máximo permitido através da bomba sem que a bomba sofra danos.
Curva da Bomba
Cabeça de Desligamento – é a quantidade máxima de cabeça estática (às vezes chamada de 'cabeça total') que pode ser gerada pela bomba quando operando a uma certa velocidade. Uma vez que a cabeça de desligamento é atingida, não há fluxo.
Exemplo
Imagine bombear um líquido através de um tubo vertical de 10m de comprimento. Você não conhece a cabeça de desligamento, então começa a fazer furos no tubo vertical até que a água flua para fora. Você perfura a 10m de altura, depois a 9m de altura e a água flui para fora quando você perfura a 8m de altura. Você então corta o topo de 1 metro do tubo vertical e pode ver que o nível da água está aproximadamente a 8,5m. Você vê que não há fluxo. O nível da água que você vê representa a cabeça de desligamento.
Em nosso exemplo, a 'altura' pode ser classificada como a 'cabeça de descarga', esta é a cabeça de pressão que levanta o líquido do tubo de descarga da bomba até a saída final.
A 'cabeça estática' (também conhecida como 'cabeça total') é a diferença em altura vertical do topo do líquido sendo bombeado até o ponto mais alto onde o líquido é descarregado.
A cabeça de desligamento é o valor da cabeça total quando não ocorre fluxo.
Cabeça de Pressão Total (cabeça estática)
Desempenho Máximo – é o fluxo máximo permitido através da bomba sem danificar a bomba. Taxas de fluxo altas frequentemente levam à cavitação, o que não é desejado.
Cavitação
Cavitação ocorre devido a variações de pressão encontradas pelo líquido à medida que ele viaja através do impulsor da bomba. Bolhas de vapor aprisionadas se formam e colapsam devido a essa mudança súbita de pressão. Embora a cavitação seja inconsequente em pequena escala, é muito prejudicial para a bomba quando repetida milhares de vezes por segundo.
Efeito da Mudança de Pressão em uma Bolha de Vapor (cavitação)
A cavitação frequentemente faz a bomba soar como se bolas de gude estivessem sendo agitadas dentro da carcaça da bomba. Se a cavitação for suspeita, ações corretivas devem ser tomadas para reduzir ou parar a cavitação o mais rápido possível.
Enlace de Gás
O líquido sendo bombeado pode ser considerado uma parte essencial da bomba. Sem líquido, a bomba não funcionará corretamente. Enlace de gás refere-se a uma situação onde há pouco líquido presente dentro da bomba e uma pressão de sucção negativa não pode ser obtida. Se nenhuma pressão de sucção negativa puder ser obtida, nenhum líquido pode ser sugado para dentro da bomba e nenhum fluxo ocorrerá.
Nota: Bombas de deslocamento positivo não sofrem de enlace de gás porque esses tipos de bombas são autoescorvantes (podem bombear ar).
Escorvamento
Bombas que podem bombear ar são referidas como 'autoescorvantes'. Ao contrário das bombas de deslocamento positivo, uma bomba centrífuga não pode bombear ar e, portanto, não é autoescorvante. Normalmente, é necessário que uma cabeça de pressão esteja disponível quando a bomba é iniciada, isso geralmente significa que a bomba é instalada abaixo do nível do líquido sendo bombeado (o líquido é sugado para dentro da bomba devido à gravidade). Outro meio de escorvar a bomba é usar uma bomba adicional para alimentar a bomba centrífuga principal até que a sucção seja obtida.
Bomba Instalada Abaixo do Líquido Sendo Bombeado
Detalhes do Modelo 3D
Este modelo 3D mostra todos os principais componentes associados a uma bomba centrífuga típica, incluindo:
- Impulsor
- Carcaça em Espiral
- Eixo
- Selo Mecânico
- Portos de Sucção e Descarga
- Chave do Eixo
- Rolamento
- Porcas e Parafusos
- Anéis de Desgaste
- Empacotamento de Compressão
- Anel de Lanterna
Este é um modelo 3D de uma Bomba Centrífuga.
Anotações do Modelo 3D
Descarga/Saída
O fluido é descarregado através desta conexão.
Sucção/Entrada
O fluido é sugado para dentro do impulsor através desta conexão.
Anel de Desgaste
Um anel de desgaste do impulsor é instalado para reduzir a folga entre a carcaça e o impulsor. Reduzir a folga reduz a quantidade de vazamento do lado de descarga para o lado de sucção do impulsor; isso, em última análise, melhora a eficiência da bomba.
Impulsor
O fluido flui para o olho do impulsor e depois para fora radialmente. À medida que o fluido se move para fora através das palhetas do impulsor, sua energia cinética é convertida em energia de pressão. Existem três tipos de impulsor centrífugo, que são os tipos fechado, parcialmente fechado e aberto; o tipo usado depende do fluido que está sendo bombeado.
Carcaça em Espiral
As carcaças de bombas centrífugas são do tipo difusor ou espiral. Bombas de estágio único (um impulsor) quase sempre utilizam carcaças em espiral, enquanto bombas multistágio (>1 impulsor) geralmente utilizam carcaças de difusor.
Empacotamento de Compressão
O empacotamento de compressão veda o espaço entre o eixo e a carcaça. O empacotamento de compressão é geralmente referido simplesmente como 'empacotamento'. Uma alternativa ao empacotamento de compressão é o selo mecânico.
Caixa de Gaxetas
A área onde o empacotamento e o anel de lanterna são instalados é conhecida como 'caixa de gaxetas'. O empacotamento é literalmente 'empacotado' neste espaço. Neste modelo, o marcador de anotação foi colocado acima da caixa de gaxetas.
Anel de Lanterna
Anéis de lanterna são usados para distribuir líquido de resfriamento para o empacotamento. O líquido resfria e lubrifica o empacotamento, o que ajuda a evitar seu superaquecimento.
Seguidor de Gaxeta
Um seguidor de gaxeta é usado para comprimir o empacotamento, mas é importante que uma taxa de vazamento seja mantida através do empacotamento. A taxa de vazamento deve ser medida em gotas por minuto e o seguidor de gaxeta deve ser ajustado se a taxa de vazamento se tornar excessiva.
Rolamentos de Esferas
Os rolamentos suportam as cargas axiais e radiais geradas pela bomba quando está estacionária e em serviço. O tipo de rolamento usado depende de muitos fatores, embora rolamentos de esferas sejam considerados adequados para muitas aplicações de serviço. Rolamentos de esferas são um tipo de rolamento antifricção.
Recursos Adicionais
https://en.wikipedia.org/wiki/Centrifugal_pump
https://www.powerzone.com/resources/glossary/centrifugal-pump
https://www.introtopumps.com/pumps-101/what-is-a-centrifugal-pump