As bombas são o segundo equipamento industrial mais utilizado, depois dos motores. Atualmente, milhões de bombas operam em todo o mundo, transportando milhares de tipos diferentes de líquidos.
Selecionar a bomba certa entre inúmeras opções disponíveis é uma tarefa complexa. Em grande medida, a seleção da bomba envolve combinar as capacidades de uma bomba específica com os requisitos do sistema e as características do fluido que está sendo bombeado.
Neste artigo, começaremos com as propriedades do líquido bombeado, da perspectiva das necessidades do usuário, e depois nos aprofundaremos nas especificidades da seleção da bomba.
1. Requisitos básicos
Em qualquer aplicação, o primeiro passo é entender os requisitos básicos que o usuário possui para a bomba. Por exemplo: condições de entrada, vazão necessária, diferencial de pressão, temperatura e características do fluido, como viscosidade, abrasividade, sensibilidade ao cisalhamento e corrosividade. Todas essas condições devem ser determinadas antes que uma bomba possa ser selecionada.
As bombas precisam operar sob condições de sucção corretas para funcionar bem. Na verdade, o maior problema encontrado pelas bombas pode ser atribuído às más condições de sucção. Como a capacidade da bomba de empurrar líquido excede em muito a sua capacidade de aspirar líquido, as condições de entrada devem ser mantidas dentro da capacidade da bomba.
O diferencial de pressão também é um fator crítico, especialmente quando se considera a conservação de energia e a vida útil da bomba. Usar tubos com diâmetros menores e comprimentos maiores pode reduzir os custos iniciais do sistema, mas também pode resultar em um diferencial de pressão mais alto para a bomba.
Este diferencial de pressão mais elevado pode traduzir-se em consumo de energia e potencialmente reduzir a vida útil da bomba, o que significa custos operacionais mais elevados e menor eficiência.
As características necessárias do fluido são geralmente conhecidas, e a chave é entender como uma determinada bomba afeta essas características. A maioria dos usuários prefere que o líquido descarregado pela bomba esteja nas mesmas condições de quando entrou na bomba. Para a seleção adequada da bomba, a compatibilidade dos materiais, a viscosidade, a sensibilidade ao cisalhamento e a presença de substâncias ou sólidos específicos são de extrema importância.
2. Bombas Centrífugas vs Bombas de Deslocamento Positivo
Uma vez atendidos os requisitos básicos e conhecidas as características do líquido, a seleção da bomba pode começar. As bombas são geralmente divididas em duas categorias básicas: bombas cinéticas (cujos maiores tipos são as bombas centrífugas) e bombas de deslocamento positivo (PD).
De acordo com dados do Departamento de Comércio dos EUA, cerca de 70% de todas as vendas de bombas são bombas cinéticas, enquanto os restantes 30% são bombas de deslocamento positivo. O primeiro passo na escolha de uma bomba é determinar qual das bombas centrífugas ou bombas de deslocamento positivo é mais adequada às suas necessidades.
Como a maioria das bombas industriais são centrífugas, muitas pessoas considerarão primeiro as bombas centrífugas. O custo das bombas centrífugas é geralmente inferior ao das bombas de deslocamento positivo e também são o tipo correto de bomba para uso em muitas situações.
Cada tipo de bomba agita o fluido de uma maneira única e cada uma tem suas próprias características e curvas operacionais. É importante ressaltar que as bombas centrífugas afetam a vazão do líquido, resultando em uma certa pressão na porta de descarga.
Em contraste, uma bomba de deslocamento positivo agita o líquido obtendo primeiro uma quantidade específica de líquido e entregando-a da porta de sucção para a porta de descarga.
Para bombas centrífugas, a pressão é formada primeiro, seguida pela geração de fluxo. Para bombas de deslocamento positivo, o fluxo é formado primeiro, seguido pelo aparecimento de pressão.
Desempenho
Para escolher o tipo mais adequado entre vários tipos de bombas, é crucial compreender as diferenças nas características de funcionamento destes dois tipos de bombas. Ao observar seus gráficos de desempenho (Figura 1a), você pode ver quão diferentes são seus princípios de funcionamento.
As bombas centrífugas exibem um fenômeno de fluxo variável que depende da pressão (ou altura manométrica), enquanto as bombas de deslocamento positivo exibem um fenômeno de fluxo mais ou menos constante que é independente da pressão.
Viscosidade
A viscosidade desempenha um papel significativo na eficiência mecânica de uma bomba. Como as bombas centrífugas operam em velocidades de motor, sua eficiência diminui com o aumento da viscosidade causado por maiores perdas por atrito dentro da bomba. Observe que a taxa de diminuição da eficiência nas bombas centrífugas é rápida com o aumento da viscosidade (Figura 1b).
Outra distinção importante é o efeito da viscosidade na capacidade da bomba. No gráfico de vazão (Figura 1c), você notará uma diminuição na vazão à medida que a viscosidade aumenta nas bombas centrífugas, enquanto as bombas de deslocamento positivo experimentam um aumento na vazão.
Isto se deve ao líquido de maior viscosidade que preenche os vazios dentro da bomba de deslocamento positivo, resultando em maior eficiência volumétrica. A Figura 1c representa apenas o impacto da viscosidade na vazão da bomba.
Tenha em mente que também haverá um aumento nas perdas de dutos dentro do sistema. Isto significa que o fluxo dentro da bomba centrífuga diminuirá ainda mais com o aumento da pressão diferencial da bomba.
Eficiência
Ao considerar o efeito da pressão diferencial na eficiência mecânica da bomba, as bombas cinéticas e de deslocamento positivo apresentam características diferentes. A Figura 1d ilustra como a eficiência da bomba é afetada pelo aumento da pressão.
Para bombas de deslocamento positivo, a eficiência realmente melhora com o aumento da pressão, enquanto as bombas centrífugas têm um Ponto de Melhor Eficiência (BEP). Em ambos os lados deste ponto, a eficiência global da bomba cai significativamente.
Condições de entrada
Esses dois tipos de bombas têm requisitos significativamente diferentes para condições de entrada. As bombas centrífugas precisam de uma certa quantidade de líquido na bomba para criar um diferencial de pressão. Uma bomba seca sem líquido não pode arrancar sozinha.
Uma vez iniciadas, as bombas centrífugas precisam atender aos requisitos específicos de pressão de entrada recomendados pelo fabricante.
Como as bombas de deslocamento positivo agitam o líquido expandindo e contraindo seu volume, é criada pressão negativa na entrada, permitindo que a bomba seja autoescorvada.
Em alguns casos, este é o único fator determinante na escolha entre uma bomba de deslocamento positivo ou uma bomba centrífuga.
Conclusão
Em resumo, quando a viscosidade excede 150 cP, e é necessário prever vazões em uma ampla faixa, ou quando se deseja autoescorvamento, uma bomba de deslocamento positivo pode ser considerada. O consumo de energia também deve ser levado em consideração na escolha entre bombas centrífugas e de deslocamento positivo, pois pode haver diferenças significativas no uso de energia entre as duas.
Isto é especialmente importante para vazões abaixo de 100 galões por minuto, onde a diminuição na eficiência é mais pronunciada para bombas centrífugas.
3. Bomba Volumétrica
Mesmo depois de decidir usar uma bomba volumétrica, ainda existem muitas opções a serem consideradas. Antes de detalharmos as especificidades de cada operação de bombeamento, vamos primeiro revisar algumas características operacionais comuns das bombas volumétricas.
Conforme mencionado acima, uma bomba volumétrica rotativa descarrega o mesmo volume de fluido a cada rotação do eixo. Isso significa que a vazão do fluido descarregado é proporcional à velocidade de rotação.
Em outras palavras, a vazão pode ser simplesmente controlada alterando a velocidade da bomba. Para fluidos mais viscosos, a bomba pode ser dosada apenas medindo o número de rotações do eixo.
A estrutura de uma bomba volumétrica requer componentes internos bem ajustados e uma certa folga operacional. Devido a esta folga, algum fluido fluirá de volta da extremidade de descarga para a extremidade de sucção.
Este fenômeno é conhecido como “deslizamento”. A quantidade de fluido que desliza depende da viscosidade do fluido, da diferença de pressão e da folga interna da bomba. Uma viscosidade mais baixa geralmente resulta em mais deslizamento, enquanto fluidos mais espessos escorregarão menos.
Como uma bomba volumétrica sempre tenta descarregar a mesma quantidade de fluido, é importante ter os dispositivos de proteção contra sobrepressão necessários no sistema. Quando ocorre um bloqueio na descarga da bomba, geralmente resulta em aumento de pressão, que só para quando: a carga ultrapassa o limite do motor; alguns componentes do sistema quebram e liberam a pressão; ou a bomba falha. Todas essas situações são inseguras. Uma bomba volumétrica precisa de uma forma de aliviar a pressão.
Para obter alívio de pressão, existem vários métodos à sua escolha. A utilização de válvula limitadora de pressão é a mais comum, mas também pode ser utilizado disco de ruptura na linha de descarga.
Como o torque de acionamento está diretamente relacionado à pressão diferencial dentro da bomba volumétrica, um acoplamento com limite de torque também pode ser utilizado. O segredo é lembrar que pressões muito altas podem se acumular dentro da bomba volumétrica e isso deve ser limitado no caso de bloqueio de descarga ou bloqueio parcial.
As bombas volumétricas podem ser divididas em vários tipos. O American Hydraulics Institute, uma organização formada por fabricantes de bombas, publicou diversas publicações sobre tipos e padrões de bombas. Eles categorizam as bombas volumétricas rotativas como: impulsor, pistão, came, engrenagem, pistão de anel e parafuso.
Além disso, existem subcategorias para cada tipo de bomba, ou seja, existem vários tipos de bombas volumétricas. Todas estas bombas têm a mesma função de transportar fluido, então como escolhemos a bomba certa?
Embora a maioria das bombas volumétricas possa ser modificada para atender a uma ampla gama de aplicações, alguns tipos são melhores que outros para um determinado ambiente. Felizmente, para o transporte básico de fluidos, algumas bombas provaram ser superiores. Nas seções a seguir, discutiremos as características de desempenho de bombas de engrenagens internas, bombas de engrenagens externas e bombas de impulsor.
4. Bomba de engrenagem interna
A bomba de engrenagens internas é composta por um componente de engrenagem externo conhecido como rotor, que é responsável por acionar a engrenagem interna, também conhecida como roda intermediária (Figura 2). A polia intermediária é ligeiramente menor que o rotor e gira em torno de um pino estacionário enquanto opera dentro do rotor.
Quando esses componentes são desengatados, um certo espaço é formado, permitindo que o líquido flua para dentro da bomba. À medida que estes componentes se engatam, o volume do espaço diminui gradualmente, forçando o líquido a fluir para fora da porta de descarga.
O líquido pode fluir para a cavidade em expansão através das engrenagens do rotor e do recesso sob a cabeça da bomba. O último elemento-chave deste tipo de projeto de bomba é a barreira em forma de meia-lua, que está integrada à cabeça da bomba.
A barreira em forma de meia-lua veda o volume de líquido entre a roda intermediária e a engrenagem, servindo como vedação entre as portas de admissão e descarga.
A engrenagem do rotor é fixada em um eixo de engrenagem e apoiada por um colar de eixo ou rolamento antifricção (Figura 3). O conjunto da engrenagem intermediária também inclui um mancal de colar que está localizado dentro do líquido bombeado e gira em torno de um pino fixo.
Dependendo da disposição da vedação do eixo, o rolamento de suporte do eixo do rotor pode operar dentro do líquido bombeado. Este aspecto precisa ser enfatizado no transporte de líquidos corrosivos, pois podem corroer o mancal de apoio.
O limite de pressão real de tais bombas depende da operação do rolamento de suporte do eixo do rotor. A classificação de pressão diferencial da grande maioria das bombas de engrenagens internas é de 200 psi, embora possam ser usadas para pressões mais altas sob as condições corretas de aplicação.
A velocidade das bombas de engrenagem interna é relativamente mais lenta em comparação com as bombas centrífugas. Geralmente, o máximo é 1150 rpm, mas alguns esquemas de design pequenos podem atingir 3450 rpm. Como as bombas de engrenagens internas podem operar em baixas velocidades, elas são adequadas para transportar fluidos de alta viscosidade, embora também possam ser aplicadas com sucesso a líquidos finos. As bombas de engrenagem interna bombearam com sucesso líquidos com viscosidades acima de 1.000.000 cSt e líquidos de viscosidade muito baixa, como propano líquido e amônia.
A faixa de vazão deste tipo de bomba varia de 0,5 galões/minuto a 1.500 galões/minuto. Os materiais incluem ferro fundido e uma variedade de diferentes ligas resistentes à corrosão, incluindo Hastelloy.
As bombas de engrenagem interna adotam um projeto de tolerância rígida durante a fabricação, que pode ser danificada ao bombear sólidos maiores. Este tipo de bomba pode transportar pequenas partículas suspensas em aplicações corrosivas, mas irá desgastar-se e degradar gradualmente o desempenho.
Em aplicações corrosivas, ao escolher materiais resistentes à corrosão, a vida útil da bomba pode ser bastante prolongada. Neste caso, carboneto de tungstênio, aço temperado ou vários revestimentos podem fornecer resultados excelentes.
As bombas de engrenagens internas têm uma ampla gama de aplicações e podem até ser usadas com eficácia para líquidos sensíveis ao cisalhamento. As áreas de aplicação incluem águas residuais, polímeros, tintas sensíveis ao cisalhamento, emulsões asfálticas e certos alimentos, como maionese.
Ao utilizar este tipo de bomba, apenas uma quantidade muito pequena de líquido é submetida a forças de cisalhamento em qualquer momento. Além disso, quando necessário, a folga e a velocidade podem ser ajustadas para minimizar o impacto das forças de cisalhamento.
4. Bombas de engrenagens externas
As bombas de engrenagens externas operam de forma semelhante às bombas de engrenagens internas na ação de bombeamento, que consiste em engatar e desengatar duas engrenagens para conduzir o fluxo de fluido (Figura 4).
No entanto, as bombas de engrenagens externas usam duas engrenagens completamente idênticas que engrenam e giram entre si. Cada engrenagem é suportada por um eixo de engrenagem e há um rolamento em ambos os lados de cada engrenagem. Normalmente, todos os quatro rolamentos operam dentro do líquido bombeado.
Como a engrenagem é apoiada em ambos os lados, a bomba de engrenagem externa pode ser usada em aplicações de alta pressão, como em dispositivos hidráulicos.
As bombas projetadas para fornecimento hidráulico podem suportar pressões de milhares de libras por polegada quadrada. As bombas transportadoras industriais podem suportar pressões ainda mais altas, mas as características do líquido podem limitar a faixa de pressão.
Líquidos mais finos podem atingir centenas de psi, enquanto líquidos mais viscosos podem aproximar-se da pressão das bombas hidráulicas. Normalmente, bombas de engrenagens externas menores devem operar dentro de uma faixa de 1.750 a 3.450 rpm, enquanto bombas de engrenagens externas maiores operam a uma velocidade máxima de 640 rpm.
A faixa de vazão da bomba de engrenagem externa varia de muito baixa (algumas gotas por minuto) a bastante alta, 1.500 galões por minuto. As bombas de engrenagens externas podem ser fabricadas a partir de uma variedade de matérias-primas, incluindo ligas de alta qualidade.
Os projetos de bombas de engrenagens externas podem usar tolerâncias mais restritas do que as bombas de engrenagens internas. No entanto, as bombas de engrenagens externas não toleram partículas no líquido bombeado. Como existe uma folga em ambas as extremidades da engrenagem, não é possível ajustar a folga da extremidade quanto ao desgaste. Após o desgaste da bomba de engrenagens externa, ela deverá ser remontada ou substituída.
Desde que a velocidade esteja ajustada corretamente, especialmente para líquidos com maior viscosidade, a bomba de engrenagem externa pode lidar com líquidos viscosos e aquosos. Como os líquidos viscosos necessitam de algum tempo para preencher os espaços entre os dentes da engrenagem, a velocidade da bomba deve ser significativamente reduzida ao bombear líquidos viscosos. Seu limite de viscosidade é na verdade o mesmo de uma bomba de engrenagem interna, ambos a 1.000.000 cSt.
O desempenho da bomba de engrenagem externa sob condições críticas de sucção não é ideal, especialmente para líquidos voláteis. Os líquidos voláteis frequentemente sofrem evaporação parcial quando o espaço entre os dentes se expande rapidamente.
5. Bomba Impulsor
O princípio de funcionamento da bomba de palhetas é teoricamente semelhante a outras bombas volumétricas com volumes em expansão e contração, mas emprega um mecanismo diferente para concretizar esta teoria (Figura 6). Curiosamente, a bomba impulsora consiste essencialmente em duas bombas em uma.
A primeira ação de bombeamento é gerada pela expansão de volume entre o impulsor, o rotor e a carcaça da bomba, enquanto uma ação de bombeamento menos perceptível ocorre na área abaixo do impulsor.
Nesta área, quer o impulsor entre ou saia da ranhura do rotor, é formada uma ação de bombeamento, que na verdade é responsável por cerca de 15% do deslocamento total da bomba.
Normalmente, esta área é ventilada através das ranhuras dentro do impulsor ou rotor. É crucial compreender isto, especialmente quando se lida com líquidos mais viscosos, pois o fluxo de líquido viscoso para dentro e para fora da área entre os impulsores pode ser mais desafiador.
Portanto, a viscosidade média máxima recomendada para este tipo de bomba é de aproximadamente 25.000 cSt.
O impulsor, que é o principal componente de vedação entre as portas de admissão e descarga, geralmente é feito de materiais compósitos não metálicos. Como não há contato metal com metal, as bombas de impulsor são frequentemente usadas para líquidos de baixa viscosidade sem efeitos lubrificantes, como propano e amônia. Como o impulsor entra em contato direto com a carcaça da bomba e a folga interna é minimizada, as características de deslizamento de líquidos finos podem ser otimizadas.
A maioria das bombas de impulsor transportador limita a pressão a 125 psi, embora algumas sejam classificadas para 200 psi. O limite de pressão da bomba do impulsor depende em grande parte da resistência do impulsor.
Graças ao impulsor não metálico e às folgas operacionais muito pequenas, as bombas do impulsor podem iniciar muito bem as operações de escorva. Quando a bomba inicia a operação de escorva, ela deve descarregar ar, e o que é descarregado é um fluido muito fino. Como as bombas de impulsor podem fazer isso bem, às vezes elas são usadas como bombas de vácuo.
As bombas do impulsor são normalmente suportadas em ambos os lados do rotor por mangas de eixo ou rolamentos antifricção. Se forem usados mancais de deslizamento do eixo, eles funcionarão no líquido. Se forem utilizados mancais antifricção, as vedações internas da bomba deverão ser utilizadas para permitir que os mancais operem em óleo lubrificante ou graxa. Este projeto requer dois selos mecânicos, um em cada lado do rotor.
As bombas de impulsor geralmente operam na faixa de velocidade de 1.000 a 1.750 rpm, e a vazão pode atingir até 2.000 galões/minuto. Contudo, ao lidar com líquidos de alta viscosidade, a velocidade necessária será significativamente reduzida para permitir que o líquido entre sob o impulsor.
Em aplicações que lidam com líquidos de alta viscosidade, são necessários impulsores feitos de materiais mais resistentes para evitar quebras. Os materiais mais comuns para a construção da bomba do impulsor são ferro fundido ou ferro dúctil. Alguns fabricantes usam materiais de aço inoxidável em bombas que devem lidar com líquidos finos e corrosivos.
As bombas de impulsor podem lidar com algumas substâncias corrosivas, mas não com sólidos. Para aplicações de bombeamento de substâncias corrosivas, deve-se ter cuidado ao escolher corretamente o impulsor e os materiais de vedação. Assim como as bombas de engrenagens externas, as bombas de impulsor possuem folgas finais fixas em ambas as extremidades do rotor e do impulsor.
Quando ocorre desgaste, essas folgas não podem ser ajustadas; no entanto, alguns fabricantes agora oferecem tampas de extremidade substituíveis ou reversíveis. Usar um revestimento da carcaça também é uma forma de restaurar o desempenho da bomba quando ocorre desgaste.
Resumo
Compreender os princípios de funcionamento de diversas bombas é um bom começo para selecionar adequadamente um modelo para um determinado ambiente de aplicação. Embora as distinções entre as diversas opções possam não ser muito claras, diferenças básicas na operação e na capacidade podem ser usadas para orientar a seleção.
Bombas de engrenagem interna podem ser usadas em uma ampla gama de aplicações, mas geralmente operam mais lentamente do que outras bombas. Inicialmente, a escolha de uma bomba de engrenagem interna pode acarretar custos um pouco maiores, mas em comparação com bombas de funcionamento mais lento, sua vida útil tende a ser maior.
Bombas de engrenagens externas possuem excelentes capacidades de manuseio de pressão e características precisas de controle de fluxo, mas não podem ser usados para lidar com meios sólidos ou corrosivos. O custo de fabricação das bombas de engrenagens externas é menor, portanto elas são uma escolha econômica e razoável em campos de aplicação de menor demanda.
Bombas de impulsor funcionam bem ao transportar líquidos finos, mas devem operar em velocidades reduzidas ao manusear líquidos viscosos. As bombas de impulsor também não suportam materiais sólidos.
A seleção incorreta da bomba geralmente leva a custos mais elevados. Especificamente, pode impactar negativamente o tempo de inatividade, a perda de produção, os custos de manutenção e o consumo de energia. Gastar mais tempo escolhendo a bomba certa no sistema certo pode minimizar gastos desnecessários e obter maiores benefícios a longo prazo.
