Escolher a bomba certa pode ser assustador, especialmente quando se depara com a escolha entre bombas centrífugas e de deslocamento positivo. Esses dois tipos de bombas cumprem funções diferentes e têm características operacionais exclusivas. Este artigo o guiará pelos fatores essenciais a serem considerados, inclusive as propriedades do líquido que está sendo bombeado e os requisitos específicos do seu sistema. Ao final, você entenderá as principais diferenças e estará preparado para tomar uma decisão informada que otimize a eficiência e a relação custo-benefício em suas aplicações industriais.
As bombas são o segundo equipamento industrial mais usado depois dos motores. Atualmente, milhões de bombas estão operando em todo o mundo, transportando milhares de tipos diferentes de líquidos.
Selecionar a bomba certa dentre a miríade de opções disponíveis é uma tarefa complexa. Em grande parte, a seleção da bomba envolve combinar os recursos 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, a partir da perspectiva dos requisitos do usuário, e depois nos aprofundaremos nas especificidades da seleção da bomba.
Em qualquer aplicação, a primeira etapa é entender os requisitos básicos que o usuário tem 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 corretas de sucção para funcionar bem. De fato, o maior problema encontrado pelas bombas pode ser atribuído a condições de sucção ruins. Como a capacidade da bomba de empurrar o líquido excede em muito sua capacidade de puxar o 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. O uso de diâmetros de tubulação menores e comprimentos de tubulação mais longos pode reduzir os custos iniciais do sistema, mas também pode resultar em um diferencial de pressão mais alto para a bomba.
Esse diferencial de pressão mais alto pode se traduzir em consumo de energia e, potencialmente, reduzir a vida útil da bomba, o que significa custos operacionais mais altos e menor eficiência.
As características necessárias do fluido geralmente são 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 na mesma condição em que 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.
Quando os requisitos básicos forem atendidos e as características do líquido forem conhecidas, a seleção da bomba poderá ser iniciada. Em geral, as bombas são divididas em duas categorias básicas: bombas cinéticas (o maior tipo delas 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 as 30% restantes são bombas de deslocamento positivo. A primeira etapa na escolha de uma bomba é determinar qual das bombas centrífugas ou bombas de deslocamento positivo é mais adequada para suas necessidades.
Como a maioria das bombas industriais é centrífuga, muitas pessoas consideram primeiro as bombas centrífugas. O custo das bombas centrífugas geralmente é menor do que o das bombas de deslocamento positivo, e elas também são o tipo correto de bomba a ser usado em muitas situações.
Cada tipo de bomba agita o fluido de sua própria maneira, e cada uma tem suas próprias características e curvas operacionais. É importante ressaltar que as bombas centrífugas afetam a taxa de fluxo do líquido, resultando em uma determinada pressão na porta de descarga.
Por outro lado, 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 é formada primeiro, seguida pela geração do fluxo. Nas bombas de deslocamento positivo, o fluxo é formado primeiro, seguido pelo surgimento da pressão.
Para escolher o tipo mais adequado entre várias bombas, é fundamental entender as diferenças nas características de funcionamento desses dois tipos de bombas. Ao observar seus gráficos de desempenho (Figura 1a), é possível ver como seus princípios de funcionamento são diferentes.
As bombas centrífugas apresentam um fenômeno de fluxo variável que depende da pressão (ou altura manométrica), enquanto as bombas de deslocamento positivo apresentam um fenômeno de fluxo mais ou menos constante que independe da pressão.
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 redução 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 vazão (Figura 1c), você notará uma diminuição na vazão à medida que a viscosidade aumenta para as bombas centrífugas, enquanto as bombas de deslocamento positivo experimentam um aumento na vazão.
Isso se deve ao fato de o líquido de maior viscosidade preencher os espaços vazios dentro da bomba de deslocamento positivo, resultando em maior eficiência volumétrica. A Figura 1c representa apenas o impacto da viscosidade na taxa de fluxo da bomba.
Lembre-se de que também haverá um aumento na perda da tubulação dentro do sistema. Isso significa que o fluxo dentro da bomba centrífuga diminuirá ainda mais com um aumento na pressão diferencial da bomba.
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 desse ponto, o eficiência geral da bomba cai significativamente.
Esses 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 consegue dar partida 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 uma pressão negativa na entrada, o que permite que a bomba se autoalimente.
Em alguns casos, esse é o único fator determinante na escolha entre uma bomba de deslocamento positivo ou centrífuga.
Em resumo, quando a viscosidade for superior a 150 cP e for necessário prever as taxas de vazão em uma ampla faixa, ou quando se desejar uma escorva automática, uma bomba de deslocamento positivo pode ser considerada. O consumo de energia também deve ser levado em conta ao escolher entre bombas centrífugas e de deslocamento positivo, pois pode haver diferenças significativas no uso de energia entre as duas.
Isso é especialmente importante para vazões abaixo de 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 serem consideradas. Antes de detalhar as especificidades de cada operação de bombeamento, vamos primeiro analisar 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. Isso significa que a taxa de fluxo do fluido descarregado é proporcional à velocidade de rotação.
Em outras palavras, a taxa de fluxo pode ser controlada simplesmente alterando a velocidade da bomba. Para fluidos mais viscosos, a bomba pode ser medida apenas medindo o número de rotações do eixo.
A estrutura de uma bomba volumétrica exige componentes internos bem ajustados e uma certa folga operacional. Devido a essa folga, parte do fluido fluirá da extremidade de descarga para a extremidade de sucção.
Esse fenômeno 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. A viscosidade mais baixa geralmente resulta em mais deslizamento, enquanto os fluidos mais espessos deslizam 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, isso geralmente resulta em um aumento de pressão, que só cessa quando: a carga excede o limite do motor; alguns componentes do sistema quebram e liberam a pressão; ou a bomba falha. Todas essas situações não são seguras. Uma bomba volumétrica precisa de uma maneira de aliviar a pressão.
Para obter o alívio de pressão, há vários métodos para escolher. O uso de uma válvula de alívio de pressão é o mais comum, mas um disco de ruptura na linha de descarga também pode ser usado.
Como o torque de acionamento está diretamente relacionado à pressão diferencial dentro da bomba volumétrica, um acoplamento com torque limitado também pode ser usado. O importante 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, há subcategorias para cada tipo de bomba, o que significa que há muitos tipos de bombas volumétricas. Todas essas bombas têm a mesma função de transportar fluido, então como escolher a correta?
Embora a maioria das bombas volumétricas possa ser modificada para se adequar a uma ampla 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 seções a seguir, 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 por acionar a engrenagem interna, também conhecida como polia (Figura 2). A engrenagem intermediária é um pouco menor do que o rotor e gira em torno de um pino estacionário enquanto opera dentro do rotor.
Quando esses componentes se desengatam, forma-se um certo espaço de folga, permitindo que o líquido flua para dentro da bomba. À medida que esses componentes se acoplam, 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 por meio das engrenagens do rotor e do recesso sob o cabeçote da bomba. O elemento-chave final do projeto desse tipo de bomba é a barreira em forma de meia-lua, que é integrada ao cabeçote da bomba.
A barreira em forma de meia-lua veda o volume de líquido entre a polia e a engrenagem, servindo como uma 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 rolamento 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 mancal de suporte do eixo do rotor pode operar dentro do líquido bombeado. Esse aspecto precisa ser enfatizado no transporte de líquidos corrosivos, pois eles podem corroer o mancal de suporte.
O limite real de pressão dessas bombas depende da operação do rolamento de suporte do eixo do rotor. A classificação de pressão diferencial da grande maioria das bombas de engrenagem interna é de 200 psi, embora elas 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 de 1150 rpm, mas alguns esquemas de projetos pequenos podem chegar a 3450 rpm. Como as bombas de engrenagem interna podem operar em baixas velocidades, elas são adequadas para o transporte de 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 desse 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 apertada durante a fabricação, que pode ser danificado ao bombear sólidos maiores. Esse tipo de bomba pode transportar pequenas partículas suspensas em aplicações corrosivas, mas se desgastará e degradará gradualmente o desempenho.
Em aplicações corrosivas, ao escolher materiais resistentes à corrosão, a vida útil da bomba pode ser bastante ampliada. Nesse caso, o carbeto de tungstênio, o aço endurecido ou vários revestimentos podem proporcionar excelentes resultados.
As bombas de engrenagem interna têm uma ampla gama de aplicações e podem até mesmo ser usadas com eficácia para líquidos sensíveis ao cisalhamento. As áreas de aplicação incluem águas residuais, polímeros, tintas sensíveis ao cisalhamento, emulsões de asfalto e determinados alimentos, como maionese.
Ao usar esse tipo de bomba, apenas uma quantidade muito pequena de líquido é submetida a forças de cisalhamento a qualquer momento. Além disso, quando necessário, a folga e a velocidade podem ser ajustadas para minimizar o impacto das forças de cisalhamento.
As bombas de engrenagem externa operam de forma semelhante às bombas de engrenagem interna na ação de bombeamento, que consiste em engatar e desengatar duas engrenagens para conduzir o fluxo de fluido (Figura 4).
Entretanto, as bombas de engrenagem externa usam duas engrenagens completamente idênticas que se engrenam e giram 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, 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 abastecimento hidráulico podem suportar pressões de milhares de libras por polegada quadrada. As bombas de transportadores industriais podem suportar pressões ainda mais altas, mas as características do líquido podem limitar a faixa de pressão.
Os líquidos mais finos podem chegar a centenas de psi, enquanto os líquidos mais viscosos podem se aproximar da pressão das bombas hidráulicas. Normalmente, as bombas de engrenagens externas menores devem operar em uma faixa de 1750 a 3450 rpm, enquanto as 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 muito alta, de 1.500 galões por minuto. As bombas de engrenagens externas podem ser fabricadas com uma variedade de matérias-primas, inclusive ligas de alta qualidade.
Os projetos de bombas de engrenagens externas podem usar tolerâncias mais rígidas do que as bombas de engrenagens internas. Entretanto, as bombas de engrenagem externa não toleram partículas no poço do líquido bombeado. Como há uma folga em ambas as extremidades da engrenagem, não é possível ajustar a folga da extremidade em função do desgaste. Após o desgaste da bomba de engrenagem externa, ela deve ser remontada ou substituída.
Desde que a velocidade seja definida corretamente, especialmente para líquidos com viscosidade mais alta, a bomba de engrenagem externa pode lidar com líquidos viscosos e 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. Seu limite de viscosidade é, na verdade, o mesmo que o de uma bomba de engrenagem interna, ambos de 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 geralmente sofrem 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 ela emprega um mecanismo diferente para concretizar essa teoria (Figura 6). É interessante notar que a bomba de rotor é essencialmente duas bombas em uma.
A primeira ação de bombeamento é gerada pela expansão do volume entre o impulsor, o rotor e a carcaça da bomba, enquanto uma ação de bombeamento menos perceptível ocorre na área abaixo do impulsor.
Nessa área, independentemente de o impulsor entrar ou sair da ranhura do rotor, forma-se uma ação de bombeamento que, na verdade, é responsável por cerca de 15% do deslocamento total da bomba.
Normalmente, essa área é ventilada por meio das ranhuras dentro do impulsor ou do rotor. É fundamental entender isso, especialmente ao lidar com líquidos mais viscosos, pois o fluxo do líquido viscoso para dentro e para fora da área entre os impulsores pode ser mais desafiador.
Portanto, a viscosidade média máxima recomendada para esse 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 compostos não metálicos. Como não há contato metal-metal, as bombas com 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 do transportador limita a pressão a 125 psi, embora algumas sejam classificadas para 200 psi. O limite de pressão da bomba com impulsor depende muito da resistência do impulsor.
Graças ao impulsor não metálico e às folgas operacionais muito pequenas, as bombas com impulsor podem iniciar muito bem as operações de escorva. Quando a bomba inicia a operação de escorva, ela precisa descarregar o ar, e o que é descarregado é um fluido muito fino. Como as bombas de rotor podem fazer isso muito bem, às vezes elas são usadas como bombas de vácuo.
Em geral, as bombas com rotor são apoiadas em ambos os lados do rotor por mangas de eixo ou rolamentos antifricção. Se forem usados mancais de luva de eixo, eles funcionarão no líquido. Se forem usados rolamentos antifricção, as vedações internas da bomba devem ser usadas para permitir que os rolamentos operem em óleo lubrificante ou graxa. Esse projeto requer dois selos mecânicos, um em cada lado do rotor.
As bombas com impulsor geralmente operam na faixa de velocidade de 1.000 a 1.750 rpm, e a vazão pode chegar a 2.000 galões/minuto. Entretanto, 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 de bombas com impulsor são ferro fundido ou ferro dúctil. Alguns fabricantes usam materiais de aço inoxidável em bombas que precisam manusear líquidos finos e corrosivos.
As bombas com impulsor podem lidar com algumas substâncias corrosivas, mas não com sólidos. Para aplicações de bombeamento de substâncias corrosivas, é preciso ter cuidado ao escolher corretamente os materiais do impulsor e da vedação. Assim como as bombas de engrenagem externa, as bombas de impulsor têm folgas fixas em ambas as extremidades do rotor e do impulsor.
Quando ocorre o desgaste, essas folgas não podem ser ajustadas; entretanto, alguns fabricantes agora oferecem tampas de extremidade substituíveis ou reversíveis. O uso de um revestimento de carcaça também é 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 adequadamente um modelo para um determinado ambiente de aplicação. Embora as distinções entre as várias opções possam não ser muito claras, as diferenças básicas de operação e capacidade podem ser usadas para orientar a seleção.
Bombas de engrenagens internas As bombas de engrenagens internas 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 mais altos, mas, em comparação com as bombas de funcionamento mais lento, sua vida útil tende a ser mais longa.
Bombas de engrenagens externas têm excelentes recursos de manuseio de pressão e características precisas de controle de fluxo, mas não podem ser usadas para manusear meios sólidos ou corrosivos. O custo de fabricação das bombas de engrenagem externa é menor, portanto, elas são uma opção econômica e razoável em campos de aplicação de baixa demanda.
Bombas de impulsor têm bom desempenho no transporte de líquidos finos, mas precisam operar em velocidades reduzidas ao manusear líquidos viscosos. As bombas de impulsor também não podem manusear materiais sólidos.
A seleção incorreta da bomba geralmente leva a custos mais altos. Especificamente, isso pode afetar 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 para o sistema certo pode minimizar gastos desnecessários e obter maiores benefícios a longo prazo.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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