O que são bombas de engrenagem?
Uma bomba de deslocamento positivo ('bomba de deslocamento', 'bomba PD') utiliza ação mecânica para mover um fluido através de compressão; diferentemente de uma bomba centrífuga que converte velocidade em pressão.
Existem dois tipos de bombas de deslocamento, rotativas e alternativas. Uma bomba de engrenagem é um tipo de bomba de deslocamento rotativa. Bombas de deslocamento alternativas operam de forma linear e necessitam de válvulas de sucção e descarga para funcionar. Bombas de deslocamento são geralmente utilizadas em aplicações de baixo fluxo e alta pressão, mas isso é uma generalização.
Desenvolvidas no início do séc. XVII por Johannes Kepler, as bombas de engrenagem são frequentemente empregadas em sistemas de potência hidráulica e para fluidos de alta viscosidade. Como todas as bombas de deslocamento positivo, elas podem bombear ar e, portanto, são autoescorvantes.
Embora existam vários designs de bombas de engrenagem, há dois principais. Um design utiliza duas engrenagens idênticas que se acoplam; esse tipo é chamado de bomba de engrenagem externa. O segundo design possui uma engrenagem dentro de outra; esse tipo é chamado de bomba de engrenagem interna.
Designs de Bombas de Engrenagem Externa (esquerda) e Interna (centro e direita)
Os fluidos descarregados de uma bomba de engrenagem geralmente fluem com baixas pulsações de pressão, resultando em um fluxo 'suave' e constante. A taxa de fluxo através da bomba correlaciona-se diretamente com a velocidade de rotação das engrenagens, tornando a bomba de engrenagem ideal para aplicações de medição (onde a quantidade de fluxo precisa ser medida com precisão).
As bombas de engrenagem são geralmente acionadas eletricamente por um motor elétrico, mas também podem ser acionadas hidraulicamente ou mecanicamente, dependendo do design e da aplicação. Por exemplo, muitos tratores utilizam bombas de engrenagem para sistemas hidráulicos a bordo (levantar e abaixar um arado etc.), e a bomba está conectada mecanicamente ao motor do trator.
A velocidade de rotação de uma bomba de engrenagem e as folgas mecânicas apertadas minimizam a quantidade de fluido que flui na direção errada (vazamento); vazamentos reduzidos levam a maior eficiência da bomba.
Conhecimento Útil – o fluido ou material bombeado por uma bomba é referido como 'bombagem'. A bombagem pode incluir sólidos, líquidos, vapores ou gases, dependendo do design da bomba (bombas de parafuso podem bombear porcas e parafusos!).
Engrenagens da Bomba de Engrenagem
As engrenagens de uma bomba de engrenagem são frequentemente do tipo engrenagem reta, embora bombas de engrenagem que utilizam engrenagens helicoidais ou herringbone não sejam incomuns. Engrenagens helicoidais e herringbone oferecem uma taxa de fluxo mais suave (menores pulsações de pressão) do que engrenagens retas; elas também são preferidas para aplicações de maior capacidade/fluxo.
Tipos de Engrenagens de Bombas de Engrenagem
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Bombas de Engrenagem Externa
Uma bomba de engrenagem externa consiste em um orifício de sucção, orifício de descarga, engrenagens, rolamentos e um invólucro.
Componentes da Bomba de Engrenagem Externa
As engrenagens em uma bomba de engrenagem externa são instaladas paralelamente entre si. Um eixo é instalado através do eixo central de cada engrenagem e rolamentos mantêm cada eixo na posição. Ambas as engrenagens são classificadas como engrenagens externas porque os dentes das engrenagens estão localizados na superfície externa de cada engrenagem. Tipicamente, uma engrenagem é uma engrenagem motriz ('mestre', 'líder') enquanto a outra é uma engrenagem ociosa ('escrava', 'seguidora'). Engrenagens ociosas giram apenas se a engrenagem motriz associada girar. Um invólucro com duas penetrações envolve as engrenagens, essas penetrações formam os orifícios de sucção e descarga.
Animação da Bomba de Engrenagem Externa
Outro design de bomba de engrenagem externa utiliza engrenagens que são ambas acionadas por engrenagens de sincronismo, mas esse design é mais complexo, mais caro e, consequentemente, menos comum. No entanto, tem a vantagem de que as engrenagens não entram em contato entre si, permitindo o bombeamento de fluidos com baixa lubricidade.
Bombas de Engrenagem Interna
Bombas de engrenagem interna operam com a mesma teoria das bombas de engrenagem externa, mas as bombas de engrenagem interna têm uma engrenagem instalada dentro de outra. Ao contrário das engrenagens em uma bomba de engrenagem externa, as duas engrenagens acopladas não são do mesmo tamanho. A menor engrenagem interna é chamada de rotor e a maior engrenagem externa é o ocioso.
Animação da Bomba de Engrenagem Interna
Bombas de engrenagem interna têm dentes de engrenagem na superfície interna do ocioso para que possam interagir com os dentes de engrenagem externos do rotor. Os dois conjuntos de engrenagens (rotor e ocioso) se interligam/engrenam entre si da mesma maneira que as de uma bomba de engrenagem externa.
Como Funcionam as Bombas de Engrenagem?
Bombas de engrenagem aprisionam o fluido no lado de sucção e o descarregam a uma pressão mais alta no lado de descarga. O princípio de operação de uma bomba de engrenagem externa é muito semelhante ao de uma bomba de engrenagem interna; ambos os princípios de operação serão discutidos separadamente para clareza.
Como Funcionam as Bombas de Engrenagem Externa
Fluido entra na bomba no lado de sucção. À medida que as engrenagens no lado de sucção giram, o espaço volumétrico entre seus dentes de engrenagem aumenta. O fluido entra no espaço/cavidades entre os dentes devido à pressão negativa de sucção dentro das cavidades. À medida que as engrenagens giram mais, o fluido dentro das cavidades fica preso entre as engrenagens e o invólucro.
Operação da Bomba de Engrenagem Externa
Após mais rotação, as engrenagens se aproximam do lado de descarga. O espaço entre as engrenagens e o invólucro aumenta e o fluido escapa das cavidades. Mais rotação das engrenagens leva a elas engrenarem (interligarem), o que leva a qualquer fluido restante dentro das cavidades ser 'espremido' para fora. Assim, quando as engrenagens começam a se separar novamente no lado de sucção, o fluido pode entrar nas cavidades vazias, e o processo pode ser repetido.
Como Funcionam as Bombas de Engrenagem Interna
O mecanismo de acionamento (motor elétrico etc.) fornece movimento rotativo para a engrenagem do rotor (a engrenagem interna). À medida que a engrenagem do rotor gira, ela faz com que a engrenagem ociosa (engrenagem externa) também gire. O fluido entra no lado de sucção da bomba e flui para as cavidades entre o rotor e o ocioso. Um vedante crescente estacionário separa as duas engrenagens à medida que continuam sua rotação. O fluido fica preso nas cavidades entre a engrenagem do rotor e a superfície interna do crescente, e entre a engrenagem ociosa e a superfície externa do crescente. Mais rotação das engrenagens aproxima os dentes das engrenagens. À medida que as engrenagens começam a engrenar, o fluido é forçado para fora das cavidades e é descarregado da bomba; o processo então se repete.
Operação da Bomba de Engrenagem Interna (com crescente)
Designs alternativos de bombas de engrenagem interna não usam vedante crescente, mas o princípio de funcionamento é muito semelhante ao de uma bomba de engrenagem interna com vedante crescente.
Operação da Bomba de Engrenagem Interna (sem crescente)
Aplicações de Bombas de Engrenagem
Bombas de engrenagem são bem adequadas para fluidos de alta viscosidade (espessos) com um baixo número de sólidos suspensos. Fluidos de alta viscosidade incluem substâncias como tintas e sabonetes etc. Como as bombas de engrenagem têm folgas mecânicas apertadas, sólidos suspensos em um fluido podem causar abrasão das partes de uma bomba de engrenagem, o que leva a uma redução na eficiência da bomba e a uma vida útil reduzida da bomba.
Aplicações típicas de bombas de engrenagem incluem:
- Combustíveis e óleos automotivos.
- Óleos hidráulicos.
- Álcool e solventes.
- Circulação em pequena escala de óleo quente.
- Tintas, resinas e polímeros.
- Sabonete líquido.
- Alimentos comestíveis como xarope de milho, rações animais e manteiga de amendoim.
Características Operacionais
Para melhorar a operação de uma bomba de engrenagem, é importante reduzir o atrito entre suas partes. O atrito leva a calor, o que fará com que os componentes de uma bomba de engrenagem se expandam fisicamente. Bombas de engrenagem têm folgas mecânicas apertadas, particularmente bombas de engrenagem externa, portanto qualquer expansão térmica pode causar danos à bomba. Por exemplo, os dentes das engrenagens podem se desalinharem, o que levaria a desgaste, vazamento e uma consequente redução na eficiência. Em casos extremos, uma bomba de engrenagem severamente desalinhada pode travar (não conseguir mais girar).
Tipicamente, o fluido sendo bombeado serve para lubrificar os componentes internos da bomba. Por essa razão, a maioria das bombas de engrenagem não é bem adequada para operação a seco (sem fluxo de fluido) por períodos prolongados.
Bombas de engrenagem são mais eficientes quando operam em sua velocidade máxima de projeto; rotações por minuto (rpm) mais baixas levarão a eficiências de bomba mais baixas.
Vantagens Gerais das Bombas de Engrenagem
Bombas de engrenagem em geral são úteis devido ao seu tamanho compacto e design simplista. Como têm um baixo número de partes móveis, são mais confiáveis do que outros designs de bomba mais complexos. Elas são frequentemente auto-lubrificantes porque o fluido que bombeiam também lubrifica as partes internas da bomba. A maioria das bombas de engrenagem não deve ser operada a seco por períodos prolongados, pois isso provavelmente levará a danos nos componentes da bomba devido ao atrito/calor.
Desvantagens Gerais das Bombas de Engrenagem
Devido às folgas apertadas que são necessárias por seu design (particularmente para bombas de engrenagem externa), bombas de engrenagem são suscetíveis ao desgaste. À medida que suas partes se desgastam/degradam, ocorrem vazamentos e a eficiência da bomba reduz. Se uma bomba de engrenagem deve ser usada com sólidos abrasivos (não recomendado), a pressão deve ser baixa, o fluxo alto e a velocidade de operação baixa.
Como em todos os designs de bombas de deslocamento positivo, dispositivos de alívio de pressão devem ser instalados para proteger a bomba e os componentes a jusante.
Vantagens e Desvantagens das Bombas de Engrenagem Externa
Uma bomba de engrenagem externa pode operar em pressões mais altas do que alguns outros tipos de bomba e frequentemente oferece um design mais compacto e menos caro. Bombas de engrenagem externa funcionam bem em baixas a médias temperaturas, mantendo uma taxa de fluxo relativamente alta. O design da bomba de engrenagem externa requer folgas internas apertadas, o que a torna ideal para aplicações em lote, pois tem uma taxa de fluxo precisa; também é capaz de lidar com fluidos de menor viscosidade já que há pouco vazamento devido às folgas apertadas entre as partes. No entanto, devido às folgas apertadas entre suas partes móveis, uma bomba de engrenagem externa frequentemente tem uma taxa de desgaste mais alta em comparação com outros tipos de bomba.
Vantagens e Desvantagens das Bombas de Engrenagem Interna
A bomba de engrenagem interna funciona melhor sob pressão moderada. É tipicamente mais volumosa e mais cara do que sua contraparte externa. No entanto, tem várias vantagens sobre uma bomba de engrenagem externa:
- Tem uma maior capacidade de sucção, por isso é mais adequada para lidar com fluidos de maior viscosidade.
- É mais robusta porque tem folgas mecânicas mais relaxadas.
- Folgas mecânicas relaxadas permitem que ela lide melhor com temperaturas mais altas de fluido (mais espaço para expansão térmica das partes), o que a torna uma boa escolha de bomba para sistemas de alta temperatura, por exemplo, óleo térmico.
Bombas de engrenagem interna são capazes de fluxo de fluido bidirecional (fluxo em duas direções). Isso as torna úteis se uma única bomba for necessária para um propósito duplo, por exemplo, encher e esvaziar um recipiente.
Embora não seja aconselhável usar qualquer bomba de engrenagem com substâncias abrasivas ou sólidos, bombas de engrenagem interna são mais adequadas para esse tipo de operação do que bombas de engrenagem externa, devido às suas tolerâncias mecânicas relaxadas. No entanto, bombas de engrenagem interna são menos capazes de lidar com fluidos de menor viscosidade porque a taxa de vazamento é comparativamente alta (tolerâncias relaxadas levam a taxas de vazamento mais altas, especialmente para fluidos de menor (mais fina) viscosidade).
Recursos Adicionais
https://kammash.com/learn-gear-pumps-characteristics-and-applications/