Escolher a bomba certa pode ser assustador, especialmente quando se está perante a escolha entre bombas centrífugas e bombas de deslocamento positivo. Estes dois tipos de bombas desempenham funções diferentes e têm características operacionais únicas. Este artigo irá guiá-lo através dos factores essenciais a considerar, incluindo as propriedades do líquido a bombear e os requisitos específicos do seu sistema. No final, compreenderá as principais diferenças e estará preparado para tomar uma decisão informada que optimize a eficiência e a relação custo-eficácia das suas aplicações industriais.
As bombas são o segundo equipamento industrial mais utilizado depois dos motores. Atualmente, milhões de bombas estão a funcionar em todo o mundo, transportando milhares de tipos diferentes de líquidos.
Selecionar a bomba certa entre a miríade de opções disponíveis é uma tarefa complexa. Em grande medida, a seleção da bomba envolve a correspondência entre as capacidades de uma bomba específica e os requisitos do sistema e as características do fluido a bombear.
Neste artigo, começaremos com as propriedades do líquido bombeado, na perspetiva dos requisitos do utilizador, e depois aprofundaremos as especificidades da seleção da bomba.
Em qualquer aplicação, o primeiro passo é compreender os requisitos básicos que o utilizador tem para a bomba. Por exemplo: condições de entrada, caudal necessário, diferencial de pressão, temperatura e características do fluido, tais como viscosidade, abrasividade, sensibilidade ao cisalhamento e corrosividade. Todas estas condições têm de ser determinadas antes de se poder selecionar uma bomba.
As bombas precisam de funcionar em condições de sucção correctas para funcionarem bem. De facto, o maior problema encontrado pelas bombas pode ser atribuído a más condições de sucção. Uma vez que 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 é também um fator crítico, especialmente quando se considera a conservação de energia e a vida útil da bomba. A utilização de diâmetros de tubagem mais pequenos e comprimentos de tubagem mais longos pode reduzir os custos iniciais do sistema, mas também pode resultar num diferencial de pressão mais elevado para a bomba.
Este diferencial de pressão mais elevado pode traduzir-se em consumo de energia e potencialmente encurtar a vida útil da bomba, o que significa custos de funcionamento mais elevados e menor eficiência.
As características necessárias do fluido são normalmente conhecidas, e a chave é compreender como uma determinada bomba afecta estas características. A maioria dos utilizadores prefere que o líquido descarregado pela bomba esteja nas mesmas condições em que entrou na bomba. Para uma seleção adequada da bomba, a compatibilidade dos materiais, a viscosidade, a sensibilidade ao cisalhamento e a presença de substâncias ou sólidos específicos são da maior importância.
Uma vez satisfeitos os requisitos básicos e conhecidas as características do líquido, pode iniciar-se a seleção da bomba. As bombas dividem-se geralmente em duas categorias básicas: bombas cinéticas (o maior tipo das quais são as bombas centrífugas) e bombas de deslocamento positivo (PD).
De acordo com os dados do Departamento de Comércio dos EUA, cerca de 70% de todas as vendas de bombas são bombas cinéticas, enquanto as 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 começam por considerar as bombas centrífugas. O custo das bombas centrífugas é normalmente mais baixo do que o das bombas de deslocamento positivo e são também o tipo correto de bomba a utilizar em muitas situações.
Cada tipo de bomba agita o fluido de uma forma única, e cada uma tem as suas próprias características e curvas de funcionamento. É importante salientar que as bombas centrífugas afectam o caudal do líquido, resultando numa determinada pressão no orifício de descarga.
Em contraste, uma bomba de deslocamento positivo agita o líquido, obtendo primeiro uma quantidade específica de líquido e fornecendo-a da porta de sucção para a porta de descarga.
Nas bombas centrífugas, a pressão forma-se primeiro, seguida da geração de caudal. Nas bombas de deslocamento positivo, o caudal forma-se primeiro, seguido do aparecimento da pressão.
Para escolher o tipo mais adequado de entre várias bombas, é fundamental compreender as diferenças nas características de funcionamento destes dois tipos de bombas. Ao olhar para os seus gráficos de desempenho (Figura 1a), pode ver como os seus princípios de funcionamento são diferentes.
As bombas centrífugas apresentam um fenómeno de fluxo variável que depende da pressão (ou altura manométrica), enquanto as bombas de deslocamento positivo apresentam um fenómeno de fluxo mais ou menos constante que é independente da pressão.
A viscosidade desempenha um papel significativo na eficiência mecânica de uma bomba. Uma vez que as bombas centrífugas funcionam a velocidades de motor, a sua eficiência diminui com o aumento da viscosidade causado por maiores perdas por fricção dentro da bomba. Note-se que a taxa de diminuição da eficiência das 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 caudal (Figura 1c), nota-se uma diminuição do caudal à medida que a viscosidade aumenta para as bombas centrífugas, enquanto as bombas de deslocamento positivo registam um aumento do caudal.
Isto deve-se ao facto de o líquido de maior viscosidade preencher os espaços vazios dentro da bomba de deslocamento positivo, resultando numa maior eficiência volumétrica. A Figura 1c representa apenas o impacto da viscosidade no caudal da bomba.
Tenha em mente que também haverá um aumento na perda de tubulação dentro do sistema. Isto significa que o caudal dentro da bomba centrífuga irá diminuir ainda mais com um aumento da pressão diferencial da bomba.
Quando se considera 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 as bombas de deslocamento positivo, a eficiência melhora efetivamente com o aumento da pressão, enquanto as bombas centrífugas têm um Ponto de Melhor Eficiência (BEP). Em ambos os lados deste ponto, o eficiência global da bomba diminui significativamente.
Estes dois tipos de bombas têm requisitos significativamente diferentes para as 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 por si própria.
Uma vez em funcionamento, as bombas centrífugas têm de cumprir requisitos específicos de pressão de entrada recomendados pelo fabricante.
Uma vez que as bombas de deslocamento positivo agitam o líquido expandindo e contraindo o seu volume, é criada uma pressão negativa na entrada, permitindo que a bomba se auto-prime.
Em alguns casos, este é o único fator determinante na escolha entre uma bomba de deslocamento positivo ou centrífuga.
Em resumo, quando a viscosidade é superior a 150 cP e é necessário prever os caudais numa vasta gama, ou quando se pretende uma escorvamento automático, pode considerar-se uma bomba de deslocamento positivo. O consumo de energia também deve ser tido em conta ao escolher entre bombas centrífugas e de deslocamento positivo, uma vez que pode haver diferenças significativas no consumo de energia entre as duas.
Isto é especialmente importante para caudais inferiores a 100 galões por minuto, em que a diminuição da eficiência é mais acentuada nas bombas centrífugas.
Mesmo depois de decidir usar uma bomba volumétrica, ainda há muitas opções a considerar. Antes de detalhar as especificidades de cada operação de bombagem, vamos primeiro rever algumas características operacionais comuns das bombas volumétricas.
Como mencionado acima, uma bomba volumétrica rotativa descarrega o mesmo volume de fluido a cada rotação do eixo. Isto significa que o caudal do fluido descarregado é proporcional à velocidade de rotação.
Por outras palavras, o caudal pode ser simplesmente controlado alterando a velocidade da bomba. Para fluidos mais viscosos, a bomba pode ser doseada apenas medindo o número de rotações do veio.
A estrutura de uma bomba volumétrica requer componentes internos bem ajustados e uma certa folga de funcionamento. Devido a esta folga, algum fluido fluirá de volta da extremidade de descarga para a extremidade de sucção.
Este fenómeno é conhecido como "deslizamento". A quantidade de fluido que escorrega depende da viscosidade do fluido, da diferença de pressão e da folga interna da bomba. Uma viscosidade mais baixa resulta normalmente num maior deslizamento, enquanto que os fluidos mais espessos deslizam menos.
Uma vez que uma bomba volumétrica tenta descarregar sempre 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, normalmente resulta num aumento de pressão, que só pára quando: a carga excede o limite do motor; alguns componentes do sistema se partem e libertam a pressão; ou a bomba falha. Todas estas situações são inseguras. Uma bomba volumétrica precisa de uma forma de aliviar a pressão.
Para conseguir o alívio da pressão, existem vários métodos à escolha. A utilização de uma válvula de descompressão é a mais comum, mas também pode ser utilizado um disco de rutura na linha de descarga.
Uma vez que o binário de acionamento está diretamente relacionado com a pressão diferencial no interior da bomba volumétrica, pode também ser utilizado um acoplamento com binário limitado. A chave é lembrar que pressões muito altas podem se acumular dentro da bomba volumétrica, e isso deve ser limitado no caso de um 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 várias 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, o que significa que existem muitos tipos de bombas volumétricas. Todas estas bombas têm a mesma função de transporte de fluido, por isso, como é que escolhemos a bomba certa?
Embora a maioria das bombas volumétricas possa ser modificada para se adequar a uma vasta gama de aplicações, alguns tipos são melhores do que outros para um determinado ambiente. Felizmente, para o transporte básico de fluidos, algumas bombas provaram ser superiores. Nas secções seguintes, discutiremos as características de desempenho das bombas de engrenagem interna, bombas de engrenagem externa e bombas de impulsor.
A bomba de engrenagem interna é composta por um componente de engrenagem externa, conhecido como rotor, que é responsável pelo acionamento da engrenagem interna, também conhecida como polia (Figura 2). A engrenagem interna é ligeiramente mais pequena do que o rotor e roda em torno de um pino fixo enquanto funciona dentro do rotor.
Quando estes componentes se desengatam, forma-se um certo espaço, permitindo que o líquido flua para dentro da bomba. À medida que estes componentes engatam, o volume do espaço diminui gradualmente, forçando o líquido a fluir para fora do orifício 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 bomba é a barreira em forma de lua crescente, que está integrada na cabeça da bomba.
A barreira em forma de crescente veda o volume de líquido entre a polia e a engrenagem, servindo de vedação entre os orifícios de aspiração e descarga.
A engrenagem do rotor é fixada num eixo de engrenagem e suportada por um colar de eixo ou rolamento anti-fricção (Figura 3). O conjunto da engrenagem intermediária também inclui um rolamento de colar que está localizado dentro do líquido bombeado e gira em torno de um pino fixo.
Dependendo da disposição da vedação do veio, a chumaceira de apoio do veio do rotor pode funcionar dentro do líquido bombeado. Este aspeto tem de ser realçado quando se transportam líquidos corrosivos, uma vez que estes podem corroer a chumaceira de apoio.
O limite de pressão real dessas bombas depende do funcionamento do rolamento de apoio do eixo do rotor. A pressão diferencial nominal da grande maioria das bombas de engrenagens internas é de 200 psi, embora possam ser utilizadas para pressões mais elevadas nas condições de aplicação correctas.
A velocidade das bombas de engrenagem interna é relativamente mais lenta em comparação com as bombas centrífugas. Geralmente, o máximo é de 1150 rpm, mas alguns projectos de pequena dimensão podem atingir 3450 rpm. Como as bombas de engrenagens internas podem funcionar a baixas velocidades, são adequadas para o transporte de fluidos de alta viscosidade, embora também possam ser aplicadas com sucesso a líquidos finos. As bombas de engrenagens internas têm bombeado com sucesso líquidos com viscosidades superiores a 1.000.000 cSt e líquidos de muito baixa viscosidade, como o propano líquido e o amoníaco.
A gama de caudal deste tipo de bomba varia entre 0,5 galões/minuto e 1500 galões/minuto. Os materiais incluem ferro fundido e uma variedade de diferentes ligas resistentes à corrosão, incluindo Hastelloy.
As bombas de engrenagem interna adoptam um design de tolerância apertada durante o fabrico, que pode ser danificado ao bombear sólidos maiores. Este tipo de bomba pode transportar pequenas partículas em suspensão em aplicações corrosivas, mas irá desgastar-se e degradar gradualmente o desempenho.
Em aplicações corrosivas, ao escolher materiais resistentes à corrosão, o tempo de vida da bomba pode ser bastante alargado. Neste caso, o carboneto de tungsténio, o aço endurecido ou vários revestimentos podem proporcionar excelentes resultados.
As bombas de engrenagem interna têm uma gama muito ampla de aplicações e podem mesmo ser utilizadas eficazmente para líquidos sensíveis ao cisalhamento. As áreas de aplicação incluem águas residuais, polímeros, tintas sensíveis ao cisalhamento, emulsões de asfalto e certos alimentos, como a maionese.
Ao utilizar este tipo de bomba, apenas uma quantidade muito pequena de líquido é sujeita a forças de cisalhamento em qualquer altura. Além disso, quando necessário, a folga e a velocidade podem ser ajustadas para minimizar o impacto das forças de cisalhamento.
As bombas de engrenagens externas funcionam de forma semelhante às bombas de engrenagens internas no que respeita à ação de bombagem, que consiste em engatar e desengatar duas engrenagens para acionar o fluxo de fluido (Figura 4).
No entanto, as bombas de engrenagem externa utilizam duas engrenagens completamente idênticas que se engrenam e rodam uma com a outra. Cada engrenagem é suportada por um eixo de engrenagem, e há um rolamento em ambos os lados de cada engrenagem. Normalmente, os quatro rolamentos funcionam dentro do líquido bombeado.
Como a engrenagem é suportada em ambos os lados, a bomba de engrenagem externa pode ser utilizada em aplicações de alta pressão, como em dispositivos hidráulicos.
As bombas concebidas para abastecimento hidráulico podem suportar pressões de milhares de libras por polegada quadrada. As bombas de transporte industrial podem suportar pressões ainda mais elevadas, mas as características do líquido podem limitar o intervalo de pressão.
Os líquidos mais finos podem atingir centenas de psi, enquanto os líquidos mais viscosos podem aproximar-se da pressão das bombas hidráulicas. Normalmente, as bombas de engrenagens externas mais pequenas devem funcionar entre 1750 e 3450 rpm, enquanto as bombas de engrenagens externas maiores funcionam a uma velocidade máxima de 640 rpm.
A gama de caudal da bomba de engrenagem externa varia de muito baixo (algumas gotas por minuto) a bastante elevado, com 1500 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 projectos de bombas de engrenagens externas podem utilizar tolerâncias mais apertadas do que as bombas de engrenagens internas. No entanto, as bombas de engrenagens externas não toleram partículas no líquido bombeado. Uma vez que existe uma folga em ambas as extremidades da engrenagem, não é possível ajustar a folga da extremidade em função do desgaste. Quando a bomba de engrenagem externa se desgasta, tem de ser montada de novo ou substituída.
Desde que a velocidade seja ajustada corretamente, especialmente para líquidos com maior viscosidade, a bomba de engrenagem externa pode tratar tanto líquidos viscosos como aquosos. Como os líquidos viscosos precisam de algum tempo para preencher os espaços entre os dentes da engrenagem, a velocidade da bomba deve ser significativamente reduzida ao bombear líquidos viscosos. O seu limite de viscosidade é, de facto, o mesmo que o de uma bomba de engrenagem interna, ambos a 1.000.000 cSt.
O desempenho da bomba de engrenagem externa em condições críticas de sucção não é ideal, especialmente para líquidos voláteis. Os líquidos voláteis sofrem frequentemente uma evaporação parcial quando o espaço entre os dentes se expande rapidamente.
O princípio de funcionamento da bomba de palhetas é teoricamente semelhante ao de outras bombas volumétricas com volumes de expansão e contração, mas emprega um mecanismo diferente para concretizar esta teoria (Figura 6). É interessante notar que a bomba de impulsor é essencialmente duas bombas numa só.
A primeira ação de bombagem é gerada pela expansão do volume entre o impulsor, o rotor e o corpo da bomba, enquanto uma ação de bombagem menos percetível ocorre na área sob o impulsor.
Nesta área, quer o impulsor entre ou saia da ranhura do rotor, forma-se uma ação de bombagem que, na realidade, é responsável por cerca de 15% do deslocamento total da bomba.
Normalmente, esta área é ventilada através das ranhuras no interior do impulsor ou do rotor. É crucial compreender este facto, especialmente quando se lida com líquidos mais viscosos, uma vez que o fluxo de líquido viscoso para dentro e para fora da área entre os impulsores pode ser mais difícil.
Por conseguinte, 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 de descarga, é normalmente feito de materiais compósitos não metálicos. Como não há contacto metal-metal, as bombas de impulsor são frequentemente utilizadas para líquidos de baixa viscosidade sem efeitos lubrificantes, como o propano e o amoníaco. Como o impulsor entra em contacto direto com o corpo da bomba e a folga interna é minimizada, as características de deslizamento de líquidos finos podem ser optimizadas.
A maioria das bombas de impulsor para transportadores limita a pressão a 125 psi, embora algumas estejam classificadas para 200 psi. O limite de pressão da bomba de impulsor depende em grande parte da resistência do impulsor.
Graças ao impulsor não metálico e às folgas de funcionamento muito reduzidas, as bombas de impulsor podem iniciar muito bem as operações de escorva. Quando a bomba inicia a operação de escorva, tem de descarregar ar e o que é descarregado é um fluido muito fino. Uma vez que as bombas de rotor conseguem fazer isto bem, são por vezes utilizadas como bombas de vácuo.
As bombas de rotor são normalmente suportadas em ambos os lados do rotor por mangas de veio ou rolamentos anti-fricção. Se forem utilizadas chumaceiras de veio, estas funcionarão no líquido. Se forem utilizados rolamentos anti-fricção, os vedantes internos da bomba devem ser utilizados para permitir que os rolamentos funcionem em óleo lubrificante ou massa lubrificante. Este projeto requer dois empanques mecânicos, um de cada lado do rotor.
As bombas de impulsor funcionam normalmente num intervalo de velocidade de 1000 a 1750 rpm e o caudal pode atingir até 2000 galões/minuto. No entanto, quando se lida com líquidos de elevada viscosidade, a velocidade necessária será significativamente reduzida para permitir que o líquido entre por baixo do 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 de bombas com impulsor são o ferro fundido ou o ferro dúctil. Alguns fabricantes utilizam materiais em aço inoxidável em bombas que têm de manusear líquidos finos e corrosivos.
As bombas de impulsor podem lidar com algumas substâncias corrosivas, mas não com sólidos. Para aplicações de bombagem de substâncias corrosivas, é necessário ter cuidado na escolha correcta do impulsor e dos materiais de vedação. Tal como as bombas de engrenagem externa, as bombas de impulsor têm folgas fixas em ambas as extremidades do rotor e do impulsor.
Uma vez que o desgaste ocorre, estas folgas não podem ser ajustadas, no entanto, alguns fabricantes oferecem agora tampas de extremidade substituíveis ou reversíveis. A utilização de um revestimento da caixa é também uma forma de restaurar o desempenho da bomba quando ocorre desgaste.
Compreender os princípios de funcionamento de várias bombas é um bom começo para selecionar corretamente um modelo para um determinado ambiente de aplicação. Embora as distinções entre as várias opções possam não ser muito claras, as diferenças básicas de funcionamento e capacidade podem ser utilizadas para orientar a seleção.
Bombas de engrenagens internas podem ser utilizadas numa vasta gama de aplicações, mas normalmente funcionam mais lentamente do que outras bombas. Inicialmente, a escolha de uma bomba de engrenagens internas pode implicar custos ligeiramente mais elevados, mas em comparação com as bombas de funcionamento mais lento, a sua vida útil tende a ser mais longa.
Bombas de engrenagens externas têm excelentes capacidades de manuseamento de pressão e características precisas de controlo do fluxo, mas não podem ser utilizadas para manusear meios sólidos ou corrosivos. O custo de fabrico das bombas de engrenagens externas é inferior, pelo que são uma escolha económica e razoável em campos de aplicação com menor procura.
Bombas de rotor têm um bom desempenho quando transportam líquidos finos, mas têm de funcionar a velocidades reduzidas quando manuseiam líquidos viscosos. As bombas de impulsor também não podem manusear materiais sólidos.
Uma seleção incorrecta da bomba conduz frequentemente a custos mais elevados. Especificamente, pode ter um impacto negativo no tempo de inatividade, na perda de produção, nos custos de manutenção e no consumo de energia. Gastar mais tempo a escolher a bomba certa para o sistema certo pode minimizar os custos desnecessários e obter maiores benefícios a longo prazo.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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