São Paulo, 20 de Abril de 2023 - Escrito por Micelli Camargo
O dimensionamento de uma bomba centrífuga para uma instalação de bombeamento é realizado com base na altura manométrica da bomba (HB) relacionada a energia de pressão e na vazão volumétrica (Q) relacionada com a energia cinética da bomba.
Q é, normalmente, determinada em função do processo, ou do que se deseja. Por exemplo, desejamos encher completamente uma caixa de água de 10.000 litros em duas horas, nesse caso devemos ter uma vazão de 5.000 L/h (litros por hora) ou 5 m3/h (metros cúbicos por hora).
Já para obter o HB, é necessário avaliar a instalação de bombeamento. HB equivale a altura geométrica de elevação, hgeo, (cota vertical entre o nível de onde o líquido irá sair até onde ele irá chegar) mais as perdas de carga (perdas de energia) no trajeto.
Aqui entra o primeiro erro em relação ao dimensionamento da bomba. Muitos, sem conhecer direito o processo, compra uma bomba baseada apenas na altura de elevação e nesse caso a bomba será "pequena", uma vez que faltará energia disponível para as perdas de carga (vamos falar melhor sobre isso mais a frente).
Outra forma equivocada de dimensionamento de bomba é se basear numa aplicação existente, ou seja, compra-se uma bomba idêntica sem fazer uma avaliação da nova instalação. Acredite, algumas curvas a mais, podem alterar significativamente a perda de carga do sistema e, consequentemente, o HB .
Um caso que presenciamos numa empresa de grande porte nos chamou muita atenção. Era sobre uma bomba de combate a incêndio e a conversa começou assim: "a bomba já está definida com base na bomba existente". O detalhe é que a bomba existente tem uma caixa de água do lado com nível acima da bomba (bomba afogada) de uns 4 ou 5 metros e a bomba nova "puxaria" água do mar a uns 4 ou 5 metros abaixo do ponto de instalação (bomba não afogada), ou seja, uma diferença de hgeo de 8 a 10 metros, sem contar o comprimento da tubulação que será diferente, além de cotovelos e outras perdas de carga no sistema, que acaretará num HB maior também.
Na nossa opinião, a bomba reserva já está nascendo "morta" e dissemos a pessoa que nos consultou: "torça para não ter que usar a bomba, pois provavelmente não irá funcionar adequadamente".
Porque dissemos isso?
Veja, a potência hidráulica (energia que de fato vai para o líquido), PH, é determinada pela expressão PH = gama x HB x Q (potência hidráulica igual ao peso específico vezes a altura manométrica vezes a vazão).
A potência de eixo (energia disponível no motor), Pe, é determinada pela expressão Pe = PH/rend (potência de eixo é igual a potência hidráulica dividido pelo rendimento da bomba). Potência de eixo é a potência do motor, frequentemente um motor elétrico.
Se uma bomba terá uns 10 metros a mais de HB, PH será maior e consequentemente, Pe também. Como a bomba será idêntica a anterior, o motor da bomba nova será menor do que o necessário. Nessa situação, a pressão e vazão serão diferentes do desejado, ou em caso mais drástico, a bomba nem irá funcionar.
Resumindo, dimensionar uma bomba menor do que o necessário é um "problemão" porque ela não irá fazer o que se deseja, a vazão provavelmente será menor do que o desejado.
Bom, se é esse o problema, então vamos colocar um coeficiente de segurança e sempre pegar uma bomba maior.
Não é bem assim...
Durante o funcionamento da bomba centrífuga esforços hidrodinâmicos decorrentes da mudança de direção são produzidos, além dos esforços hidroestáticos, devido à pressão.
Os mancais da bomba são dimensionados para suportar tais solicitações, sendo o ponto de projeto correpondente ao BEP (best effiency point) ou PME (ponto de máxima eficiência).
Acontece que na bomba centrífuga, a pressão é inversamente proporcional à vazão, ou seja, quanto maior for a vazão da bomba, menor será a pressão e vice e versa. Esse comportamento pode ser visualizado no diagrama abaixo, chamado de curva característica ou curva da bomba, CB.
Curva Vazão x Altura Manométrica
Mas afinal, qual será o ponto operacional, PO, da bomba centrífuga. (Ponto operacional é ponto correspondente a pressão e a vazão de operação)?
Para responder a essa pergunta, temos que falar da curva do sistema, CS. Esta corresponde ao hgeo + perdas. Perdas são proporcionais ao quadrado da velocidade, assim com o aumento da vazão, tem-se um aumento das perdas ao quadrado, em outras palavras, se dobrar a vazão, a perda de carga será 4 vezes maior.
O que determina o PO é o cruzamento entre a CS e a CB, como ilustrado na figura a seguir:
Ponto de Operação: Curva da Bomba versus Curva do Sistema
Voltando a falar do BEP. Se existe um ponto de máxima eficiência, significa que existirão outros valores de rendimento, como pode ser visto na curva da bomba Meganorm 080-050-250 da KSB, na imagem abaixo:
Curva da bomba KSB Meganorm 080-050-250
No caso, o BEP corresponde a 69,9%. Note que o rendimento cai tanto quando se aumenta ou se diminui a vazão.
Digamos que essa bomba (que é grande) tenha sido escolhida para o sistema representado pela curva em vermelho, na imagem abaixo:
Curva da bomba versus curva do sistema
Nessa situação, considerando o rotor de 260 mm, teremos um rendimento por volta dos 52%, 18% a menos do BEP.
O primeiro ponto que podemos destacar é o aumento significativo no custo de energia, tendo em vista o rendimento mais baixo. Também o investimento tende a aumentar, tendo em vista que o motor elétrico, por exemplo, deverá ser maior, assim como o sistema elétrico deverá ser mais robusto, para suportar maior corrente elétrica.
Além da questão energética/econômica, trabalhar muito afastado do BEP é prejudicial para o funcionamento da bomba, sendo os principais problemas listados na figura abaixo:
BEP de uma Bomba Centrífuga
Mas porque esses problemas acontecem?
Vamos começar pela vazão maior que a do BEP. Como dissemos antes, a perda de carga é proporcional ao quadrado da velocidade, com o aumento da vazão, a velocidade cresce na mesma proporção e a perda de carga será ao quadrado.
Como o cálculo de NPSH disponível (NPSHd) leva em consideração as perda de carga na sucção, o aumento de vazão irá diminuir o NPSHd, facilitando a ocorrência de cavitação.
Pensando agora, em vazões menores. Com a redução da vazão, a pressão da bomba irá aumentar e isso provocará um desequilíbrio em relação aos esforços hidroestáticos considerados no projeto. Também, a vazão será menor e os esforços hidrodinâmicos também serão diferentes dos considerados no projeto. Os mancais que foram dimensionados para um esforço maior, agora estará submetido a um esforço maior e, consequentemente, terá um desgaste mais acentuado.
Os selos mecânicos também costumam sofre as consequências disso.
Reduzindo muito a vazão, um aumento da recirculação acontecerá, provocando aumento de temperatura e cavitação por vórtices pode acontecer.
Bomba grande demais para uma aplicação é bastante comum, sendo uma importante causa de falhas de bombas. Daí quando chegamos ao diagnóstico, ouvidos a famosa frase: "Sempre foi assim", o que nos abriga a dizer "sempre esteve errado!".
Em linha geral, considera-se apropriado trabalhar com vazão entre 0,65 a 1,1 da vazão do BEP, fora dessa faixa, as chances de problemas operacionais aumentam.
Tendo em vista a questão energética e os possíveis problemas por operar muito afastado do BEP, o ideal mesmo é utilizar a bomba no tamanho apropriado.
Para isso é essencial fazer um bom dimensionamento da bomba da instalação de bombeamento. Nessa caso é necessário seguir os seguintes passos:
Calcular a velocidade média em cada diâmetro.
Calcular o número de Reynolds, Re, para cada diâmetro.
Identificar a rugosidade equivalente, K, da tubulação.
Calcular o número admensional Dh/k, para cada diâmetro.
Encontrar o fator de perda de carga distribuída no diagrama de Moody ou calculá-lo por fórmulas empíricas, para cada diâmetro.
Calcular a perda de carga distribuída para cada diâmetro.
Identificar todos os itens que geram perda de carga localizada, seja pelo método do coeficiente ks ou pelo método do comprimento equivalente, para cada diâmetro.
Calcular a perda de carga localizada para cada diâmetro.
Calcular a perda de carga total.
Identificar os parâmetros (pressão, posição e velocidade) no início (sucção) e no fim (recalque) do escoamento.
Calcular as alturas de energia para sucção e para recalque
Calcular a HB a partir da equação da energia
Calcular o NPSHd
Calcular a PH (opcional)
Com a vazão e o HB calculado é possível pedir uma cotação para um fabricante ou distribuidor de bombas. Este lhe informará Pe, NPSHr (requerido) e o rendimento da bomba.
Caso o NPSHd seja menor do NPSHr, ou troca-se a bomba ou muda-se algum parâmetro da instalação para melhor o NPSHd. Do contrário a bomba trabalhará cavitando ou, em caso mais drásticos, nem bombeia.
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Agradecemos pela leitura desse artigo.
Um abraço e até a próxima.
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