eq651 – operações unitárias i - ggte.unicamp.br · (foust et al., 1982- princípios das...
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EQ651 – Operações Unitárias I
Capítulo I – Bombas e Compressores
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Introdução
Considerações sobre equipamentos movimentadores de fluido
Equipamentos energia escoamentomovimentadores
Equiptos.: Bomba e Compressor trabalho (energia)
Compensar as perdas por atrito ou contribuir
Pressão VelocidadeAltura de fluido
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ochaFluido
compressibilidadeviscosidadedensidade
Gás Equiptos.: ventiladores, sopradores ou compressores(fornecem energia ao fluido e propiciam o escoamento)
densidade
(fornecem energia ao fluido e propiciam o escoamento)
viscosidadeLíquido
Equiptos.: Bombas
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ochaEnergia
Energia Dispositivo motriz de fluidos
Processos Químicos
Parcela Significativa do Consumo de Energia do Processo
Dimensionamento e a escolha correta do equipamento
Minimizar o consumo de energia
Viabilizar o processo e o custo
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Bombas – Transporte de Líquidos
Sistema de Bombeamento:Sistema de escoamento de líquido incorporando uma bomba
(1)
Descarga ou recalqueSucção ou aspiração
(2)
S ou YS
D ou YD
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Se o nível de água permite encher completamente o corpo da bomba, diz-se que a bomba está afogada.
S ou YS : altura de sucção ou aspiraçãoD ou YD: altura de descarga ou recalque
*recomenda-se a colocação de uma válvula de retenção antes da bomba: impede o escoamento para reservatório, quando a bomba estiver desligada.
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ochaBalanço de Energia
LD
2D2
BS
2S1 hy
g2v
gpHy
g2v
gp
+++ρ
=+++ρ
(1)
HB= altura manométrica ou carga da bomba (=energia por unidade de peso do fluido que deve ser fornecida ao sistema
( ) LSD
2S
2D12
B hyyg2
vvg
ppH +−+−
+ρ−
= (2)De (1)
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Potência que deve ser fornecida ao sistema: Pútil
B.
Bútil gHmQHP =γ= (3)
ηútilPPotência Real(Preal): fornecida pelo motor =
η : rendimento ou eficiência da bomba
η= B
.
realgHmP (4)
então
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OBS: Ocorrem muitas situações em Engenharia em que:
P1=P2=PatmvS=vD (mesmo diâmetro de tubulação)
Assim,( ) LSDB hyyH +−= ou
( ) LDLSSDB hhyyH ++−=
Perdas na sucção
(5)
Perdas na descarga
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Classificação das Bombas
•Bombas de Deslocamento Positivo
•Bombas Centrífugas
•Especiais
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Características das Bombas
Bombas de Deslocamento Positivo
Uma porção de fluido é presa numa câmara, e pela ação de um pistão ou peças rotativas o fluido é impulsionado para fora.
Dividem-se:
Alternativas (chamadas de sistema de pistão) em que o escoamento é intermitente
Rotativas (escoamento contínuo)
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ochaModo Operacional
ba
cdo
A partícula de “a” de líquido é aspirada em “o” segue a trajetória do pistão “b” e sai com pressão comunicada pelo êmbolo “d”.
Esquema Típico de Bomba Êmbolo
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ochaCaracterísticas
A taxa de fornecimento (vazão) depende do volume varrido pelo pistão e do número de golpes por unidade de tempo
A vazão de descarga do fluido varia com tempo em virtude da natureza periódica do pistão
Vazão real pode ser menor que o volume varrido do pistão devido a ocorrência de vazamentos ou enchimento incompleto do cilindro (ηvol)
tempocilindro
realvol V
Q
/ pistão do todeslocamen do descargareal descarga
==η
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ochaIndicações Práticas
As bombas altenativas não tem limite de pressão. Atualmentesão construídas para fornecer mais de 1000 atm.
A velocidade do pistão é em geral, de 12 a 40 m/min dependendodo curso, que pode variar de 7,5 a 60cm.
São recomendadas para bombeamento de água de alimentação em caldeiras, óleo e fluidos em geral que não contenham sólidos abrasivos, que podem danificar as superfícies torneadas do cilindro e do pistão.
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ochaClassificação
Deslocamento de LíquidoSimples Efeito Duplo Efeito
Número de Câmaras com Pistão ou êmboloSimplexDuplexTriplexMultiplex
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Deslocamento de Líquido - Simples Efeito e Simplex
Figura 1. Funcionamento de uma bomba com pistão(www.animatedsoftware.com)
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Deslocamento de Líquido - Duplo Efeito e Simplex
Figura 2. Bomba simplex de duplo efeito operada a correia(Foust et al., 1982- Princípios das Operações Unitárias)
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Deslocamento de Líquido - Duplo Efeito e Simplex
Figura 3. Bomba de pistão(http://www.em.pucrs.br/lsfm/alunos/luc_gab/bombas1.html)
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ochaBombas Alternativas
Movimento de vai e vem (Tipo Pistão)
Princípio de Funcionamento
Possuem uma (ou mais câmaras) no interior da qual um orgão propulsor comunica energia de pressão ao líquido provocando seu escoamento.
Proporciona as condições para que se realize o escoamento na aspiração até a bomba, e no recalque até o ponto desejado.
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Deslocamento de Líquido - Duplo Efeito e Simplex
Figura 4. Funcionamento de bomba simplex de duplo efeito(www.animatedsoftware.com)
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Deslocamento de Líquido - Simples Efeito e Simplex
Figura 5. Bomba de êmbolo, simples efeito, simplex(http://www.em.pucrs.br/lsfm/alunos/luc_gab/bombas1.html)
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Deslocamento de Líquido - Duplex
Figura 6. Bomba de êmbolo, duplex, acoplada em série, operada a vapor de água (Foust et al., 1982- Princípios das Operações Unitárias)
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Deslocamento de Líquido - Duplo Efeito e Duplex
Figura 7. Funcionamento de bomba duplex(www.animatedsoftware.com)
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ochaBombas Rotativas
Movimento Rotativo
Princípio de Funcionamento
O rotor provoca pressão reduzida na entrada possibilitando a admissão do líquido à bomba pelo efeito de pressão externa, e o líquido é ejetado pelo lado da descarga. À medida que o elemento gira, o líquido fica retido entre os componentes do rotor e a carcaça da bomba. Finalmente, depois de uma determinada rotação do rotor, o líquido é ejetado pelo lado da descarga da bomba.
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Modo Operacional
O fluido (líquido) recebe a ação de forças provenientes de uma ou mais peças dotadas de movimento de rotação, que transmitem energia de pressão, provocando seu escoamento.
Características
Vazão é função do tamanho e velocidade de rotação, fornecendo vazões praticamente constantes.
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Indicações Práticas
o Possuem capacidade de bombeamento pequena a moderada.
o Podem bombear uma larga faixa de tipos de líquidos em uma ampla faixa de viscosidade e temperatura. Não é recomendada paralíquidos que contenham substâncias abrasivas ou corrosivas.
o Geralmente são usadas para bombeamento de óleos minerais, vegetais e animais, gorduras, glicose, tintas, vernizes, maioneze, bronzeadores, cremes, etc...
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Classificação
Bombas de Engrenagens
Bombas de Parafusos
Bombas de Lóbulos Duplos ou Triplos
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Exemplos
Figura 8: Esquema do escoamento em uma bomba de engrenagens(Foust et al., 1982- Princípios das Operações Unitárias)
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Figura 9: Esquema do deslocamento em uma bomba de engrenagens(Foust et al., 1982- Princípios das Operações Unitárias
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Figura 11: Esquema de uma bomba de dois lóbulos
Figura 10: Bomba de parafusos helicoidais
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ochaBombas Centrífugas
São caracterizadas por possuírem um orgão rotatóriodotado de pás, chamado de rotor (ou impulsor), que comunica aceleração à massa líquida, transformando a energia mecânica de que está dotado, em energia cinética.
Descarga depende: características da bombanúmero de rotaçõescaracterísticas do sistema de transporte
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Princípio de Funcionamento
O eixo do rotor funciona como um propulsor do fluido que é lançado para a periferia pela ação da força centrífuga.
Modo Operacional
A energia cinética do fluido aumenta do centro do rotor para aponta das pás que é transformada em energia de pressão, quando o fluido sai do rotor e entra na carcaça (voluta) ou difusor.
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Características:
São as mais usadas na indústria química – modelo simplificado,pequeno custo, manutenção barata e flexível para aplicação (ampla faixa de pressão e vazão)
Nos modelos usuais necessita ser previamente preenchida com o líquido a ser bombeado (as folgas entre o rotor e o restante da carcaça)
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ochaIndicações Práticas
Operam tanto a baixas e altas vazões ou pressões dimensionamento
Operam com diferentes tipos de fluidosconfiguração específica para cada tipo de fluido
• Simplicidade de projeto e construção• Ocupam pouco espaço• Peso reduzido• Fácil controle de descarga• Poucas partes móveis (fácil manutenção)
Vantagens
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Partes da Bomba
Dependente do Projeto
Eixo: Sistema transmissor de potência para o rotor
Rotor: aberto ou fechado, espaçamento e forma das pás
Rotor fechado: altas pressões e líquidos limpos Rotor semi-fechado: operações gerais Rotor aberto: baixas pressões, pequenas vazões e líquidos
contendo pastas, lama, areia
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Carcaça: tem a função principal de transformar a energia cinética impressa ao fluido pelo rotor em carga de pressão.Serve como contentor para o fluido. Podem ser do tipo espiral(voluta) ou difusor.
Difusores: Saída da bombaGradativamente aberto: diminui a velocidade do líquido
proveniente do rotor
Estágio: único: um rotor e um difusormúltiplo: dois ou mais rotores em série em um
único eixo
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Rotor de palhetas retas, fechado, de sucção simples Rotor de sucção dupla
Rotor não-bloqueável
Rotor aberto
Rotor semi-aberto
Rotor de escoamento misto
Exemplos
Figura 12: Rotores de bombas centrífugas(Foust et al., 1982- Princípios das Operações Unitárias)
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Figura 13: Rotores de bombas centrífugas(http://www.animatedsoftware.com)
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Figura 14: Carcaça de bomba centrífuga, Figura 15: Carcaçacom voluta (espiral)
de bomba centrífuga, com difusor (redutor de veloc.)
(Foust et al., 1982- Princípios das Operações Unitárias)
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Figura 16: Bomba centrífuga de seis estágios(Foust et al., 1982- Princípios das Operações Unitárias)
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Seleção
A escolha do tipo de bomba é influenciada pelos seguintes fatores:
• Vazão (quantidade de líquido a bombear): determina o tamanho e o número de bombas
• Carga a ser vencida (HB)• Natureza do fluido (viscosidade, corrosividade, presença de sólidos
em suspensão)
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Tabela 1: Características de bombas
CentrífugaPadrão(escoa-mento radial)
Turbina(escoa-mento misto)
Rotor helicoidal(escoamento axial)
Intermediária- até200 ft
Intermediária- até 16.000 gal/min
Com elevado teor de sólidos
Não tem
Elevada; em estágio simples-até 600 ft; em multiestágio-até6.000 psi
Carga(ou pressão de descarga)
Capacidade(ou vazão fornecida)
Líquidos com que opera
Capacidade de me-dição ou de con-trole de vazão
Baixa- até 60 ft
Elevada- até 100.000 gal/min
Abrasivos
Não tem
Baixa-100gal/min; até muito alta-200.000 gal/min
Sujos ou límpidos
Não tem
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Tabela 1: Características de bombas(continuação)
Deslocamento PositivoRotativa(engre-nagem ou parafuso)
Alternativa(pistão ou êmbolo)
Carga(ou pressão de descarga)
Capacidade(ou vazão fornecida)
Líquidos com que opera
Capacidade de me-dição ou de con-trole de vazão
A mais alta possível-até 100.000 psi
Intermediária- até 500 gal/min
Límpidos, sem sólidos
Tem
Intermediária- até600 psi
Baixa -1gal/min; até intermediária-500 gal/min
Até com viscosidade elevada;Não abrasivo
Tem
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Bombas Especiais
• Bombas de diafragma• Bombas peristálticas• Bombas a Jato• Bombas Eletromagnéticas
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Figura 17: Esquema de uma bomba de diafragma
Figura 18: Funcionamento de bomba de diafragma dupla
(http://www.animatedsoftware.com)
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Figura 19: Esquema de uma bomba peristáltica
Figura 20: Funcionamento de bomba a jato(http://www.animatedsoftware.com)
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Figura 21: Bomba eletromagnética(http://www.animatedsoftware.com)
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Curva da Bomba x Curva do Sistema
Curva da Bomba H x Q : fornecida pelo fabricante da bomba
Estabelece o que a bomba pode fornecer descarga(energia) para vazão do sistema
Q
H
H
Q
Deslocamento Positivo Centrífuga
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ochaPara o sistema de bombeamento
Da equação da energia (eq.2)
( ) LSD
2S
2D12
B hyyg2
vvg
ppH +−+−
+ρ−
=
Para um dado sistema, HB=HB(Q), pois
Qv = v (Q)
hL = hL(Q)
vQ hL
Para um dado sistema de bombeamento, HB aumenta com o aumento de Q.
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ochaCurva do Sistema
A curva do sistema fornece qual será a carga (energia) necessária para cada vazão
H
Q
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ochaAs curvas em conjunto bomba-sistema mostrará a
viabilidade de utilização da bomba e o ponto de operação
Utilizando em conjunto HB(bomba) x Q e HB (sistema) x Q
HB
sistema
bomba
Alteração da curva do sistema (alteração de hL)
Sist. 2
Sist. 1HB
Ponto de operaçãoRegião de funcionamentoConjunto Inviável
(bomba não adequada) Conjunto Viável
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Figura 22:Curva Característica de Bomba centrífuga
Exemplos
DS=4in; Dd=3in; Carcaça com 10in; Rotores:6,7,8,9ou 10 in; v=1750rpm(Foust et al., 1982- Princípios das Operações Unitárias)
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ocha1° número = diâmetro da linha de descarga, in
2° número = diâmetro da linha de sucção, in3° número = diâmetro máximo do rotor/carcaça , in
Figura 23: Mosaico para escolha de bombas centrífugas(Foust et al., 1982- Princípios das Operações Unitárias)
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NPSH: Net Positive Suction Head(Saldo Positivo da Carga na Sucção)
Fenômeno da Cavitação
Se PS Pv do líquido, à T bombeamento≤
Projeto de instalação Bomba Centrífuga
ATENÇÃO: menor pressão (sistema)
Vaporização do líquido
Formação de bolhas de gás
Conduzidas para região de maior pressão
Colapsam e causam deterioração do rotor
CAVITAÇÃO
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Figura 25: Regiões de cavitação no rotor(www.cheresources.com)
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Reconhecimento da Cavitação
• Queda de rendimento• Vibração• Ruído diferente
Materiais de resistência à corrosão por cavitação
Ferro fundido, Alumínio, Bronze, Aço fundido, Aço doce laminadoBronze fosforoso, Bronze-manganês, Aço-níquel, Ligas especiais de aço inox, Revestimento com elastômeros (neoprene, poliuretano)
Ordem crescente
57
EQ65
1 -
Mat
eria
l Ela
bora
do p
elas
Pr
ofas
. Kat
ia T
anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
Figura 25: Regiões de cavitação no rotor(www.cheresources.com)
58
EQ65
1 -
Mat
eria
l Ela
bora
do p
elas
Pr
ofas
. Kat
ia T
anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
Figura 26: Evidência da cavitação(www.cheresources.com)
59
EQ65
1 -
Mat
eria
l Ela
bora
do p
elas
Pr
ofas
. Kat
ia T
anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
Figura 26: Evidência da cavitação(www.cheresources.com)
60
EQ65
1 -
Mat
eria
l Ela
bora
do p
elas
Pr
ofas
. Kat
ia T
anno
use
Sand
ra C
.S. R
ochaNPSH
Definição: diferença entre a energia absoluta e a pressão de vapor do líquido à temperatura de bombeamento, na entradada sucção.
( )γPPhSNPSH v
LS−
+−= (6)
Onde: S - altura de sucçãoP - pressão absolutaPv - pressão de vapor do líquido à TbombeamentohLS - perda de carga na linha de sucção γ - ρ.gρ - massa específica do fluidog - aceleração da gravidade
61
EQ65
1 -
Mat
eria
l Ela
bora
do p
elas
Pr
ofas
. Kat
ia T
anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
(NPSH)disponível(NPSH)bomba
(NPSH)requerido
Equação (6)(NPSH)disponível
(NPSH)requerido é função:
• Características de fabricação da bomba• Velocidade do rotor• Tipo de rotor
função da própria bomba
62
EQ65
1 -
Mat
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l Ela
bora
do p
elas
Pr
ofas
. Kat
ia T
anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
Considere a figura:
(1)
(2)(3)entrada da
sucção
sucção
P
S
descarga
olho do rotor
63
EQ65
1 -
Mat
eria
l Ela
bora
do p
elas
Pr
ofas
. Kat
ia T
anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
Balanço de Energia entre os pontos (1) e (2):
Lhg
vpSg
vp++=++
22
222
211
γγ(7)
Considerações:
• plano horizontal em (2); S = y1-y2• v1 desprezível em relação a v2• P1 = P (medido)• hL = hLS
64
EQ65
1 -
Mat
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l Ela
bora
do p
elas
Pr
ofas
. Kat
ia T
anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
Então,
gvphS
pL 2
222 +=−+
γγ(8)
LhSp
−+=γdisp.(NPSH)
gvp2
absoluta totalenergia2
22 +=γ
(energia disponível noponto de entrada da bomba)
65
EQ65
1 -
Mat
eria
l Ela
bora
do p
elas
Pr
ofas
. Kat
ia T
anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
Ocorre ainda internamente à bomba um ponto de menor pressãoque P2, chamado “olho da bomba”, no rotor
P3<P2 (P3 – ponto de menor pressão)
Existem atritos internos que provocam essa diminuição da pressão.
gvP2
23φ
γ≅
∆É razoável admitir-se que:
Balanço de energia entre (2) e (3), com coeficiente empírico φ
66
EQ65
1 -
Mat
eria
l Ela
bora
do p
elas
Pr
ofas
. Kat
ia T
anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
Hipótese:
gvppp2
2332 φ
γγ=
−=
∆ (9)
onde:
φ – depende das características da bomba (construção)v3 – velocidade do fluido no olho do rotor
Pretende-se, para evitar o fenômeno da cavitação, que:
γγvpp
≥3
67
EQ65
1 -
Mat
eria
l Ela
bora
do p
elas
Pr
ofas
. Kat
ia T
anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
gvpp2
2332 φ
γγ+= (10)de (9):
gv
gvphS
pLS 22
22
233 ++=−+ φ
γγSubstituindo em (8): (11)
γφ
γ3
22
23
22p
gv
gvhS
pLS =−−−+
γvp
≥
(12)ou
p/ evitar a cavitação
68
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1 -
Mat
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l Ela
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do p
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Pr
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. Kat
ia T
anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
γφ
γv
Lp
gv
gvhSp
≥−−−+22
23
22 (13)
ou
gv
gvhSpp
Lv
22
23
22 φ
γ+≥−+
−(14)
(NPSH)requerido(NPSH)disponível
(NPSH)disponível (NPSH)requerido≥ou seja: Para evitar a cavitação
(Sistema) (Bomba)
69
EQ65
1 -
Mat
eria
l Ela
bora
do p
elas
Pr
ofas
. Kat
ia T
anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
onde:
( ) Lv
disp hSppNPSH −+−
=γ.
(é função apenas do sistema)
(15)
( )g
vg
vNPSH req 22
23
22
. φ+= (depende da bomba, f(N,Q) (16)
70
EQ65
1 -
Mat
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l Ela
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do p
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Pr
ofas
. Kat
ia T
anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
Equação Empírica para Cálculo de (NPSH)req.
( )3/22
.req r.KQ
100NNPSH
=Método de Pfeiderer
( ) [ ]mNPSH req −.onde: N – [rpm]Q - [m3/s]
K: coeficiente de resolução da sucção de entrada do rotor
71
EQ65
1 -
Mat
eria
l Ela
bora
do p
elas
Pr
ofas
. Kat
ia T
anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
211
−=
e
mddKde dm1
Normalmente: 9,06,0 ≤≤ K
r: coeficiente dependente do tipo de bomba
Para bombas centrífugas 6,2r ≅
72
EQ65
1 -
Mat
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l Ela
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Pr
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. Kat
ia T
anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
Associação de Bombas Série e Paralelo
Bombas em Série
HB
QQ1
sistema
1 bomba
2 bomba em série
HB2
HB1
HB Aumento da carga
(mesma vazão)
73
EQ65
1 -
Mat
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l Ela
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Pr
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. Kat
ia T
anno
use
Sand
ra C
.S. R
ochaBombas em Paralelo
Q
Q1
Q2
Q3
A curva característica é obtidasomando-se, para valor de H, as vazões Q de cada bomba. Usa-se para aumentar a vazão na descarga.
74
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1 -
Mat
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l Ela
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do p
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Pr
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. Kat
ia T
anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
HB
Q
Sistema
Sistema 1
3 bombas2 bombas
1 bomba
2
Sistema 1: utilizando-se 3 bombas aumenta bastante QSistema 2: não ocorre tanto ganho em Q
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1 -
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l Ela
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Pr
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. Kat
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anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
Desempenho de Bombas Centrífugas
Como varia a carga de uma bomba centrífuga modificando a velocidade angular do rotor(N) e o diâmetro do rotor(D)?
N=2400 rpmN=2200 rpm
N=1800 rpm
Sist.D=5 inD=3 in
D=2 in
N=cte.
• Verificação experimental: D= cte., N HB
N=cte, D HB
Sistema 1Siste
ma 2D=cte.
HB HB
Q Q
76
EQ65
1 -
Mat
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l Ela
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. Kat
ia T
anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
Análise Dimensional
Variáveis Dimensões
Vazão Q L3t-1
Velocidade angular do rotor N t-1Diâmetro do rotor D LCarga H LAceleração da gravidade g Lt-2Viscosidade do fluido µ ML-1t-1
Massa específica do fluido ρ ML-3
77
EQ65
1 -
Mat
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l Ela
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do p
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Pr
ofas
. Kat
ia T
anno
use
Sand
ra C
.S. R
ochaAnálise dimensional e Teorema de π
µ
ρφ=
2
322ND,
NDQ
DNHg
µρ
=2NDRe Experimentalmente, não tem influência significativa
φ= 322 ND
QDN
Hg Grupos adimensionais relevantes
78
EQ65
1 -
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. Kat
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anno
use
Sand
ra C
.S. R
ochaEm sistemas geometricamente semelhantes (1 e 2):
322
2311
1
DNQ
DNQ
=22
22
221
21
1
DNgH
DNgH
=
N=cte.2
2
1
2
1
D
D
HH
=
3
2
1
2
1
D
D
=2
2
221
1
DH
DH
= 32
231
1
DQ
DQ
=
D=cte.2
2
1
2
1
N
N
HH
=
2
1
2
1
N
N
=22
221
1
NH
NH
=2
2
1
1
NQ
NQ
=
79
EQ65
1 -
Mat
eria
l Ela
bora
do p
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Pr
ofas
. Kat
ia T
anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
Ventiladores, Sopradores e CompressoresTransporte de Gases
Ventiladores: provocam pequeno aumento de pressão (até 0,03 atm ou 3040 Pa)
Sopradores: provocam aumento de pressão até 0,3 atm ou 3,04 104Pa
Compressores: provocam maior aumento de pressão (de 0,3 a 4000 atm ou 3,04 104-4,05 105Pa)
80
EQ65
1 -
Mat
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l Ela
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Pr
ofas
. Kat
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anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
Ventiladores e Sopradores
Operam a pressões suficientemente baixas, podendo-se desconsiderar a compressibilidade dos gases, isto é, os volumes de entrada e saída são praticamente iguais; são simplesmente movimentadores de gases.
Podem deslocar grandes volumes com pequeno acréscimo de pressão.
Para sopradores: funcionalidade de até 95 m3/s.
81
EQ65
1 -
Mat
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Pr
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. Kat
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anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
Compressores
Alternativos
Rotativos• Deslocamento positivo
• Centrífugos
82
EQ65
1 -
Mat
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. Kat
ia T
anno
use
Sand
ra C
.S. R
ochaDeslocamento positivo: Alternativos
Podem fornecer gás com pressão de algumas frações de atm até pressões muito elevadas (~2400atm manométricas)
As peças características são as mesmas das bombas alternativas: pistão, um cilindro com válvulas para admissão e exaustão.
Pode-se usar único estágio ou multiestágio. No caso da compressão multiestágio é comum o resfriamento do gás entre os estágios.
83
EQ65
1 -
Mat
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l Ela
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do p
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Pr
ofas
. Kat
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anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
Figura 28: Esquema de um compressor alternativo(http://www.em.pucrs.br/lsfm/alunos/luc_gab/compressores.html)
84
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1 -
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. Kat
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use
Sand
ra C
.S. R
ocha
Figura 29: Princípio de funcionamento de um compressor alternativo(http://www.deq.isel.ipl.pt/cp/sebentas/seb03.pdf)(http://alfa.ist.utl.pt/~lroriz/MyPage/compressores.htm)
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EQ65
1 -
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Pr
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. Kat
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anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
Deslocamento positivo: Rotativos
Engrenagem com 2 lóbulos
Bilobado: alta capacidade e pressão intermediária (7 m3/s e 0,8 atm)
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use
Sand
ra C
.S. R
ocha
Figura 30 - Compressor Bilobado(Foust et al., 1982- Princípios das Operações Unitárias)
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1 -
Mat
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. Kat
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use
Sand
ra C
.S. R
ocha
Parafuso Helicoidal: ampla faixa de pressão e capacidade(ex.: 1 atm e 6 m3/s: 11 atm e 12 m3/s)
Figura 31– Parafuso helicoidal(Foust et al., 1982- Princípios das Operações Unitárias)
88
EQ65
1 -
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. Kat
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anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
Centrífugos
Operam com os mesmos princípios das bombas centrífugas. Os multiestágios (mais de 1 rotor) têm, em geral, dispositivos de resfriamento.
Comprimem enormes volumes de gases (140m3/s) até uma pressão de saída de 2 atm e com capacidades volumétricas menores podem descarregar altas pressões (centenas de atm).
89
EQ65
1 -
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. Kat
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anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
Centrífugos: Fluxo Radial
o Apresentam semelhança de aparência às bombas centrífugas, além de operarem com os mesmos princípios físicos
o O gás escoa para o olho do rotor, onde é acelerado radialmente; sai a alta velocidade pela periferia e flui para um difusor onde a energia cinética é transformada em energia de pressão
90
EQ65
1 -
Mat
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use
Sand
ra C
.S. R
ocha
Figura 32: Esquema de um compressor centrífugo
91
EQ65
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. Kat
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anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
Figura 33 -Rotores de um compressor multi-estágio (rotor de alta pressão)
(Foust et al., 1982- Princípios das Operações Unitárias)
92
EQ65
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Mat
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use
Sand
ra C
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ocha
Figura 33 - Compressor Centrífugo multi-estágio(Foust et al., 1982- Princípios das Operações Unitárias)
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EQ65
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. Kat
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anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
Figura 34- Compressor centrífugo integrado, multi-estágio(1170-12500 ft3/min e 125-325 psi)(Foust et al., 1982- Princípios das Operações Unitárias)
94
EQ65
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elas
Pr
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. Kat
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anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
Centrífugos: Fluxo Axial
o Constituído por uma coroa de palhetas acopladas ao eixo rotatório, pemintindo fluxo axial.
o Tem eficiência mais elevada que os radiais, são menores e mais leves para a mesma capacidade, mas o custo é mais elevado.
o A faixa de operação é mais limitada e são mais sensíveis a corrosão.
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EQ65
1 -
Mat
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do p
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Pr
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. Kat
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anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
Seleção
Informações normalmente necessárias para a seleção de compressores:
Temperatura de entradaMáxima temperatura de saídaVariação de pressãoVazãoPropriedades do gás: composição
Tc e pcpeso molecular médioγ = cp/cvfatores de compressibilidade
* Usualmente é necessário manter contato com o fabricante para a escolha do tipo, potência, etc..
96
EQ65
1 -
Mat
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l Ela
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do p
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Pr
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. Kat
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anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
Quando a pressão de um fluido compressível aumenta adiabaticamente, a temperatura do fluido também aumenta.
pa
pb
Para um dado gás, a razão da temperatura (Tb/Ta) aumenta com oaumento da razão de compressão (pb/pa).
Para uma mudança de pressão isentrópica (adiabática e sem atrito) de um gás ideal, tem-se
97
EQ65
1 -
Mat
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Pr
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. Kat
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anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
v
p
11
a
b
a
b
cc
onde pp
TT
=γ
=
γ−
Gás ideal: pv = RT
kpv =γTransformação adiabática:
Em equipamentos com razão de compressão rc=pb/pa<4, a temperatura isentrópica não é muito grande.
Em compressores com alta rc, 10 ou mais, ela se torna excessiva.
98
EQ65
1 -
Mat
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do p
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Pr
ofas
. Kat
ia T
anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
Além disso, em compressores reais existe atrito e o calor (do atrito) é também absorvido pelo gás. Os compressores devem ter camisas de resfriamento.
Balanço de Energia (desprezando termo de atrito)
2vv)yy(gpH
2a
2b
ab
bp
apc
−+−+
ρ∆
= ∫Normalmente não existe
Normamente desprezívelem relação ao 1o. termo
99
EQ65
1 -
Mat
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Pr
ofas
. Kat
ia T
anno
use
Sand
ra C
.S. R
ochaCompressão Adiabática pvγ=k p/ργ=kou
( )( )
γ−γ−
ρ=
γ−γ
11pppH
1
ab
a
ac
Substituindo e Integrando:
Gás ideala
aa RT
Mp=ρ
MRTp a
a
a =ρ
( )( )
γ−γ−
=γ−γ
11pp
MRTH
1
abac
100
EQ65
1 -
Mat
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bora
do p
elas
Pr
ofas
. Kat
ia T
anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
Para gases não ideais
( )( )
γ−γ−
+
=γ−γ
11pp
MRT
2zzH
1
ababac
[Hc] = H.g
η= cHmPot&
101
EQ65
1 -
Mat
eria
l Ela
bora
do p
elas
Pr
ofas
. Kat
ia T
anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
Agrupamentos importantes na seleção de compressores
( ) 4/3c
s HQNN =Velocidade Específica:
( )Q
H DD4/1
cs =Diâmetro Específico:
onde: N - veloc. de rotação, rpmQ - vazão, ft3/sHc- carga ft lbf/lbm ou ftD - diâmetro do rotor, ft
102
EQ65
1 -
Mat
eria
l Ela
bora
do p
elas
Pr
ofas
. Kat
ia T
anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
Gráfico Ns x Ds (Chem. Eng., 1986, p. 81 ou Foust, p. 534)
Ds Apenas para seleção preliminar
Desloc. Positivo
CentrífugoRotativo
Ns
103
EQ65
1 -
Mat
eria
l Ela
bora
do p
elas
Pr
ofas
. Kat
ia T
anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
Razão de Compressão: rc
Para um compressor multiestágio pode-se mostrar que a potência total é mínima se cada estágio produz o mesmo trabalho: rc é a mesma para cada estágio.
==
=
−1n
n
2
3
1
2
pp.......
pp
pp
1nc
1
2
2
3
1n
n
1
n rppx
ppx.......x
pp
pp −
−
=
=
104
EQ65
1 -
Mat
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l Ela
bora
do p
elas
Pr
ofas
. Kat
ia T
anno
use
Sand
ra C
.S. R
ocha
( ) ninicial
finalestágio .cdc p
pr =
Para estimativa da temperatura de saída em cada estágio, usa-se a seguinte expressão, obtida para compressão adiabática.
γ−
=
11
a
b
a
b
pp
TT