Transcript
BOMBAS PARA LÍQUIDOS ALTAMENTE VISCOSOS
SUMÁRIO
1. Introdução 6
2. Definições 6
2.1 Viscosidade 6
1. Fluidos Newtonianos e não-Newtonianos 6
2. Viscosímetros e Reômetros 8
1. Bombas 10
1. Funcionamento de bombas rotativas 10
2. Curvas características de bombas 13
3. Requerimentos de sucção 14
2. Tubulações 14
3. Conclusões 15
4. Referências bibliográfica
16
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 2-1: Valores para Conversão de Viscosidade Cinemática em Viscosidade
Saybolt Universal 9
ÍNDICE DE GRÁFICOS
Gráfico 2-1: Curvas reológicas características de diferentes fluidos.
7
Gráfico 2-2: Curva característica de bombas de deslocamento positivo
para uma rotação ou curso constante. (a) teórica; (b) real.
13
Gráfico 2-3: Velocidade das bombas e efeito da viscosidade no NPSH
14
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2-1: Engrenagem para bombas e motores de engrenagem
11
Figura 2-2: Movimento do líquido através de bombas hidráulicas de
engrenagem.
A) Líquido entrando na bomba; (B) líquido sendo arrastado entre
os dentes das engrenagens; (C) líquido sendo forçado para a linha
de descarga. 11
Figura 2-3: Princípio de funcionamento de uma bomba rotativa de palheta.
12
Figura 2-4: (A) Secção transversal de uma bomba radial de pistão de vazão
variável. (B) Secção longitudinal de uma bomba axial de
pistão de deslocamento constante
13
ABREVIATURAS
NPSH: Net Positive Suction Head
NPIP: Net Positive Inlet Pressure
NIP: Net Inlet Pressure.
SÍMBOLOS
(: Viscosidade
(: Tensão de cisalhamento
(: Taxa de cisalhamento
(: Viscosidade cinemática
K: Índice de consistência
n: Índice de fluidez
g: Aceleração da gravidade
(h: Variação de altura
d: densidade
l: Comprimento
V: Volume
(t: Variação de tempo
RESUMO
No estudo que será apresentado, irá se mostrar alguns tipos de bombas
para líquidos de alta viscosidade, bem como o seu funcionamento. Mas antes
será dada uma introdução sobre Reologia, pode se resumir como sendo a
ciência que estuda as deformações e o fluxo da matéria, através dela pode
se definir algumas propriedades de fluidos, como a viscosidade. Através de
modelos matemáticos como Power Law (Lei das Potências) é que pode se
caracterizar um fluido como newtoniano, pseudo-plástico ou dilatante.
ABSTRACT
In the study that it will be presented, it will show some types of
pumps for liquids of high viscosity, as well as its operation. But before,
an introduction will be given on Rheology, it can be summarized as being
the science that studies the deformations and the flow of the matter,
through it can be defined some properties of fluids, as the viscosity.
Through mathematical models like Power Law is that a fluid can be
characterized as newtonian, pseudo-plastic or dilatant.
INTRODUÇÃO
Neste trabalho temos por objetivo dar uma idéia geral sobre Reologia,
que é a ciência que estuda as deformações e o fluxo da matéria,
propriedades reológicas de fluidos, sendo a principal delas a viscosidade.
Também como caracterizar um fluido newtoniano, pseudo-plástico e dilatante.
Iremos também definir, classificar e exemplificar os principais tipos de
bomba para líquidos altamente viscosos, para isso serão apresentadas as
bombas rotativas e as de deslocamento positivo.
DEFINIÇÕES
2.1. Viscosidade
Todos os fluidos reais apresentam a particularidade de oferecer
resistência a sua mudança de forma, o que resulta de uma propriedade
denominada viscosidade.
A definição de viscosidade, ou coeficiente de viscosidade, é
apresentada como sendo um escoamento entre duas placas planas paralelas,
proporcionando um deslocamento de uma delas em relação a outra. Disto, se
define que a viscosidade (() do fluido como o fator de proporcionalidade
entre a força tangencial por unidade de área (tensão de cisalhamento - () e
taxa de deformação angular (taxa de cisalhamento - () , obtendo então:
( = ((
A viscosidade de uma maneira geral é função da natureza do fluido, da
temperatura, da pressão e da taxa de cisalhamento. Costuma-se também
definir uma viscosidade cinemática (() de um fluido como sendo o quociente
entre sua viscosidade e a sua massa específica.
2.1.1. Fluidos Newtonianos e não - Newtonianos.
Os fluidos como ar e água, em condições normais em que ocorre o
escoamento nas aplicações práticas da engenharia, podem ser considerados
fluidos Newtonianos, ou seja, sua viscosidade não depende da taxa de
cisalhamento. Também um grande número de outros fluidos apresentam esta
característica.
Já outros fluidos apresentam viscosidade que seja função da taxa de
cisalhamento, estes são denominados fluidos não - Newtonianos, estes
fluidos também podem depender da natureza das superfícies sólidas em
contato com o escoamento e até mesmo da história prévia do escoamento.
Existem vários modelos matemáticos que descrevem os diversos
comportamentos dos fluidos, entre eles. o mais utilizado é o Power Law, ou
Lei de Potência. Este modelo é descrito através da seguinte equação
matemática.
( = k(n
onde, ( é a tensão de cisalhamento;
k é uma constante que depende da natureza do fluido, denominada índice
de consistência;
( é a taxa de cisalhamento;
n é uma constante que depende da natureza do fluido, denominada índice
de fluidez;
Este índice de fluidez é o que caracteriza o fluido, se ele for igual
a 1, o fluido é Newtoniano, se for diferente de 1 é não- Newtoniano. Dentro
desta definição de não -Newtoniano, eles se classificam em pseudo -
plástico, quando n<1,ou dilatante, quando n>1.
Gráfico 2-1:Curvas reológicas características de diferentes fluidos.
O gráfico acima mostra uma curva de tensão de cisalhamento por taxa de
cisalhamento, bem como seria as curvas característica de cada fluido. Nele
observa-se que para um fluido dilatante a viscosidade aumenta com a taxa de
cisalhamento, por outro lado para um fluido pseudo - plástico a viscosidade
diminui com o aumento da taxa de cisalhamento. Por fim, para um fluido
Newtoniano a viscosidade é constante.
Deve-se observar que no Sistema Internacional (SI), a tensão de
cisalhamento deveria ter como unidades N.m-2, ou Pa, o que resultaria em
unidade de viscosidade,
Nm-2s-1, ou Pas-1, que é definida como Poise, ou simplesmente P. Contudo é
mais usual a tensão de cisalhamento ser definida em dyn.cm-2, o que resulta
como unidade de viscosidade centipoise, ou cP, que é a unidade mais
utilizada para definir a viscosidade.
2.1.2. Viscosímetros e Reômetros
Para se medir a viscosidade de um fluido existem vários aparelhos,
eles são agrupados em dois tipos, os viscosímetros, que medem apenas a
viscosidade, e os reômetros, estes por sua vez medem as propriedades
reológicas do fluido, entre elas a viscosidade.
Os viscosímetros basicamente medem o tempo de escoamento do fluido
através de um tubo capilar de tamanho e diâmetro conhecido e tomando as
dimensões do capilar utilizado no equipamento, se obtém a seguinte relação
da qual se tira a viscosidade cinemática do fluido.
( = A(t – B((t)-1
onde A = ; e B = ;
Existe um viscosímetro chamado Saybolt Universal, o qual suas medidas
são padronizadas, e o tempo de escoamento é denominado viscosidade Saybolt
Universal e a unidade é segundo (s).
Tabela 2-1: Valores para Conversão de Viscosidade Cinemática em Viscosidade
Saybolt Universal
"Viscosidad"Viscosidade Saybolt "Viscosida"Viscosidade Saybolt "
"e "Universal "de "Universal "
"Cinemática"/ s "Cinemátic"/ s "
"/ " "a / " "
"centistoke" "centistok" "
"s " "es " "
" "a 100(F"a 130(F"a 210(F" "a 100(F "a 130(F "a 210(F"
"2 "32,6 "32,7 "32,8 "27 "127,7 "127,9 "128,6 "
"2,5 "34,4 "34,5 "34,6 "28 "132,1 "132,4 "133,0 "
"3 "36,0 "36,1 "36,3 "29 "136,5 "136,8 "137,5 "
"3,5 "37,6 "37,7 "37,9 "30 "140,9 "141,2 "141,9 "
"4 "39,1 "39,2 "39,4 "31 "145,3 "145,6 "146,3 "
"4,5 "40,7 "40,8 "41,0 "32 "149,7 "150,0 "150,7 "
"5 "42,3 "42,4 "42,6 "33 "154,2 "154,5 "155,3 "
"6 "45,5 "45,6 "45,8 "34 "158,7 "159,0 "159,8 "
"7 "48,7 "48,8 "49,0 "35 "163,2 "163,5 "164,3 "
"8 "52,0 "52,1 "52,4 "36 "167,7 "168,0 "168,9 "
"9 "55,4 "55,5 "55,8 "37 "172,2 "172,5 "173,4 "
"10 "58,8 "58,9 "59,2 "38 "176,7 "177,0 "177,9 "
"11 "62,3 "62,4 "62,7 "39 "181,2 "181,5 "182,5 "
"12 "65,9 "66,0 "66,4 "40 "185,7 "186,1 "187,0 "
"13 "69,6 "69,7 "70,1 "41 "190,2 "190,6 "191,5 "
"14 "73,4 "73,,5 "73,9 "42 "194,7 "195,1 "196,1 "
"15 "77,2 "77,3 "77,7 "43 "199,2 "199,6 "200,6 "
"16 "81,1 "81,3 "81,7 "44 "203,8 "204,2 "205,2 "
"17 "85,1 "85,3 "85,7 "45 "208,4 "208,8 "209,9 "
"18 "89,2 "89,4 "89,8 "46 "213,0 "213,4 "214,5 "
"19 "93,3 "93,5 "94,0 "47 "217,6 "218,0 "219,1 "
"20 "97,5 "97,7 "98,2 "48 "222,2 "222,6 "223,8 "
"21 "101,7 "101,9 "102,4 "49 "226,8 "227,2 "228,4 "
"22 "106,0 "106,2 "106,7 "50 "231,4 "231,8 "233,0 "
"23 "110,3 "110,5 "111,1 "55 "254,4 "254,9 "256,2 "
"24 "114,6 "114,8 "115,4 "60 "277,4 "277,9 "279,3 "
"25 "118,9 "119,1 "119,7 "65 "300,4 "301,0 "302,5 "
"26 "123,3 "123,5 "124,2 "70 "323,4 "324,0 "325,7 "
Nota: 100(F = 37,8(C; 130(F = 54,4(C; 210(F = 98,9(C
Os reômetros são mais utilizados, pois além de se obter a viscosidade
de um fluido é possível se determinar também as características reológicas
do fluido. O aparelho funciona da seguinte forma, através de um motor se
tem uma taxa de cisalhamento controlada, com o auxílio de um torquímetro no
aparelho, se mede a tensão de cisalhamento, obtendo assim um gráfico, que é
conhecido como reograma do fluido e deste se tira as características
desejadas.
2.2. Bombas
Bombas são máquinas geratrizes cuja finalidade é deslocar líquidos
(puros, misturas, pastas e suspensões) por escoamento. Sendo uma máquina
geratriz, transforma o trabalho mecânico que recebe de um motor (em geral
elétrico, a vapor ou de combustão interna) em energia hidráulica sob as
formas que o líquido é capaz de absorver, isto é, energia potencial, de
pressão e energia cinética.
A bomba rotativa é primordialmente utilizada para o fornecimento de
energia ao fluido nos sistemas hidráulicos. Ela é largamente empregada nas
máquinas operatrizes, aviões, automóveis, prensas, transmissões e
equipamentos móveis. 'Essas bombas, quando feitas de materiais adequados,
podem ser usadas para qualquer quantidade de líquido que não contenha
partículas finas ou material abrasivo.
As bombas rotativas são de dois tipos gerais :
1 - Mancal interior : Trabalha com líquidos de natureza lubrificante, é
lubrificada pelo líquido que está sendo bombeado.
2 - Mancais exteriores : Trabalha com líquidos de natureza não
lubrificantes, é lubrificada por óleo lubrificante.
Devido as suas características robustas e capacidade de impor pressões
razoáveis a líquidos altamente viscosos, entre os líquidos que são
bombeados estão óleos minerais, vegetais e animais. Gorduras, glicose,
viscose, melaço, tintas vernizes, goma laca, lacas, alcoóis, ketchup,
salmoura, maionese, cola, sabão líquido e bronzeadores são exemplos de
fluidos de alta viscosidade.
2.2.1. Funcionamento de bombas rotativas
A bomba rotativa colhe continuamente o líquido da câmara, é uma bomba
de deslocamento positivo com movimento circular. Elas são classificadas de
acordo com o elemento impulsor em : (1) De engrenagem, (2) de palheta e (3)
de pistão.
1 - De engrenagem: É uma unidade de fornecimento de energia que possui duas
ou mais engrenagens que se acoplam, ou membros em forma de lóbulos alojados
numa carcaça ou desenho adequado (figura 2-1).
Figura 2-1: Engrenagem para bombas e motores de engrenagem
As duas engrenagens são montadas próximo da parede interna da carcaça,
o óleo é arrastado em torno da periferia das duas engrenagens e então
forçada através da abertura de saída pelo contato das duas engrenagens no
seu ponto de tangência (figura 2-2). As bombas de engrenagem podem ser
fornecidas para uma larga faixa de pressões e são classificadas conforme o
tipo de engrenagem (ex: de dentes retos, helicoidais e espinha de peixe).
Essas bombas são designadas para serviços pesados e capazes de suportar
severas condições de operação, possuem construção simples, baixo custo e
manutenção econômica.
Figura 2-2: Movimento do líquido através de bombas hidráulicas de
engrenagem. (A) Líquido entrando na bomba; (B) líquido sendo arrastado
entre os dentes das engrenagens; (C) líquido sendo forçado para a linha de
descarga.
2 - De palheta: É também baseada no princípio de aumento da cavidade para
formar vácuo, permitindo que o espaço se encha de fluido, que é então
forçado para fora da bomba sob pressão pela diminuição de volume.
As palhetas ou pás móveis são montadas em ranhuras do rotor. Na frente
das ranhuras e no sentido de rotação, as ranhuras existentes admitem que o
líquido que está sendo bombeado pelas palhetas que se movem para fora
devido a uma força ou empuxo que é proporcional a pressão contra a qual a
bomba opera. As ranhuras servem também para quebrar o vácuo no lado da
admissão. O ciclo de funcionamento e a ação alternada da força centrífuga
mantêm as palhetas em contato com a carcaça, como é mostrado na figura 2-3.
Figura 2-3: Princípio de funcionamento de uma bomba rotativa de palheta.
3 - De pistão: Podem ser radiais ou axiais. Cada um destes tipos, por sua
vez, pode ser projetado para deslocamento constante ou variável.
Na bomba radial, os pistões são dispostos radialmente em torno do cubo
rotor (figura 2-4). O bloco deslizante está do lado direito do eixo do
tambor cilíndrico. Os pistões são providos de movimento alternativo de
forma que ao passarem pela abertura inferior do pino descarreguem óleo
através do orifício, enquanto os pistões se enchem de óleo ao passarem pelo
orifício superior. A descarga da bomba pode ser controlada com precisão
desde o zero até a máxima.
Na bomba de pistão axial, estes estão dispostos paralelamente ao eixo
do rotor da bomba. O acionador da bomba gira o tambor cilíndrico. A ação
axial alternativa do pistão de bombeamento que está confirmado no cilíndro
é causada pela sapata de encosto que é carregada por mola de direção à
placa excêntrica. O curso do pistão e a quantidade de óleo fornecida são
limitados pelo ângulo da placa excêntrica.
(A) (B)
Figura 2-4: (A) Secção transversal de uma bomba radial de pistão de vazão
variável. (B) Secção longitudinal de uma bomba axial de pistão de
deslocamento constante.
2.2.2 Curvas características de bombas
As curvas características de bombas destinam-se a traduzir o
comportamento das grandezas típicas do funcionamento de uma bomba para
várias situações ou, em outra palavras, descrevem as características
operacionais das bombas. A curva altura manométrica (H) em função da vazão
(Q) é a mais importante .Exemplo de curva está mostrado no gráfico 2-2.
A vazão, teoricamente, independe da pressão desenvolvida. Como tal, a
curva Q x H resumir-se-ia numa reta paralela ao eixo das alturas ou
pressões. Na prática, porém, uma perda (delta Q) se verifica, devido aos
vazamentos e fugas recentes com a pressão (gráfico 2-2).
Gráfico 2-2: Curva característica de uma bomba de deslocamento positivo
para uma rotação ou curso constante. (a) teórica; (b) real.
2.2.3. Requerimentos de sucção
Para se evitar o fenômeno da cavitação, os fabricantes definem, em
função da vazão, qual o valor da energia que deve existir na flange da
sucção da bomba, para que na entrada do impelidor a pressão seja ainda
superior a da vaporização. A esse valor deu-se o nome de NPSH requerido
(Net Positive Suction Head required) que é fornecida pelos fabricantes.
Os autores e as normas norte-americanas designaram pela sigla NPSH
válida ou disponível o valor da diferença entre energia total absoluta na
entrada da bomba e a pressão de vapor do líquido, a temperatura que está
sendo bombeado.
As condições de sucção para as bombas rotativas são dadas por NPSH,
Net Posite Inlet Pressure (NPIP) ou Net Inlet Pressure (NIP), os dois
últimos são mais empregados em bombas rotativas. Um gráfico de NPSH em
função da velocidade da bomba está apresentado no gráfico 2-3.
Gráfico 2-3: Velocidade das bombas e efeito da viscosidade no NPSH
2.3. Tubulações
Na linha de admissão deverá ser prevista carga suficiente (altura
estática), acima da pressão de vapor para evitar vaporização do líquido no
interior da bomba quando são bombeados líquidos voláteis (butano, propano,
óleos quentes, etc.). A tubulação de descarga deverá se estender para cima
a uma altura da ordem de 5 vezes o diâmetro do tubo. Isto evita bolsas de
gás ou ar na bomba e atua também como vedação em serviços de alto vácuo.
Pode se usar uma válvula no topo do tubo vertical, como ventosa, na partida
da bomba. Pode-se instalar uma derivação by-pass dotada de válvula de
alívio para proteger a bomba contra pressão excessiva causada pela
acentuada perda de carga na tubulação durante época fria e contra
fechamento acidental da válvula na linha de descarga. A válvula de alívio
deverá operar a partir de pressão 10% mais alta que a máxima pressão de
descarga da bomba.
Conclusões
Como se pode observar, há vários tipos de bombas que podem ser usadas
para o transporte de líquidos de alta viscosidade. Não se pode dizer que
existe um único tipo de bomba para um único fluido. O que definirá que uma
bomba será usada para um fluido, serão as propriedades reológicas deste.
Pois tendo isto determinado, será possível projetar a bomba que irá
fornecer a vazão necessária que deslocará o fluido na razão desejada, sem
esquecer que o custo que a bomba possui, bem como seu tamanho e a sua
manutenção devem ser consideradas na escolha do tipo de bomba.
Referências bibliográficas:
1. Barnes, H.A., hutton, J.F. and Walters, K., An Introduction to Rheology,
Elsevier Science Publishers, vol.3, 1993;
2. Vieira, R.C. de C., Atlas de Mecânica dos Fluidos, Ed. Edgard Blücher,
vol.3, 1971;
3. Black, T. O.,Bombas, Ed. Polígono, 1974;
4. Moraes Jr., D., Transporte de líquidos e Gases, Vol 1: Transporte de
líquidos: Bombas, UFSCAR, 1988;
5. McKelvey, J.M., Maire, U., Haupt, F., Chemical Engineering, September
26, 1976
6. Neerken, R.F., Chemical Engineering, April 7, 1980
7. http://www.commerce.com.tw/e/monopump/next-01a.htm
8. http://ppessoa.zag.com.br/paginaas/poabrinkman01.htm
9. http://www.usseal.com/frames/springseals.htm
10. http://www.ihreport.com/fy96/96e/96DA0092e.htm
11. http://dhnet.com.br/hdvector
