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MANUAL DE BOMBAS

2. MANUAL DE BOMBA
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3. Introdução
A indústria fabril tem uma elevada demanda pesada por bombas, quando
se trata de uma ótima operação, alta confiabilidade e baixo consumo de
energia. Por esse motivo, a Grundfos desenvolveu o Manual de Bomba,
que, de maneira simples, aborda com várias considerações ao dimensionar
bombas e sistemas de bombas.
Elaboramos um manual para engenheiros e técnicos que trabalham
com o projeto e instalação de bombas e sistemas de bombas, contendo
respostas para uma ampla variedade de perguntas técnicas específicas
sobre as bombas. O Manual de Bombas pode ser lido do princípio ao fim ou
parcialmente sobre tópicos específicos.
O manual está dividido em 5 capítulos, os quais abordam as diferentes
fases do projeto de sistemas de bombas.
No capítulo 1 fazemos uma apresentação geral de diferentes tipos de
bombas e componentes. Aqui também descrevemos quais precauções
tomar ao lidar com líquidos viscosos. Além disso, os materiais mais usados,
assim como os diferentes tipos de corrosão são apresentados aqui. As
terminologias mais importantes relacionadas à leitura do desempenho
das bombas são apresentadas no capítulo 2. O Capítulo 3 aborda os
sistemas hidráulicos e alguns dos fatores mais importantes a considerar
para se obter uma ótima operação do sistema de bombas. Visto que é
frequentemente necessário ajustar o desempenho da bomba por meio
de vários métodos de ajuste, estes métodos são abordados no capítulo 4.
O capítulo 5 descreve os custos do ciclo de vida uma vez que o consumo
de energia desempenha um papel importante nas bombas e sistemas de
bombas de hoje.
Esperamos sinceramente que você faça uso do Manual de Bomba e o
considere útil no seu trabalho diário.
Diretor de Segmento
Especialista em Aplicação
Mogens Roy Olesen
Christian R. Bech

4. Índice
Capítulo 1 Design de bombas e motores.................................7 1.4.5 Proteção do motor............................................................. 49
Seção 1.5 Líquidos............................................................................53
Seção 1.1 Construção de bombas................................................8 1.5.1 Líquidos viscosos............................................................................ 54
1.1.1 A bomba centrífuga...............................................................8 1.5.2 Líquidos Não Newtonianos ...................................................... 55
1.1.2 Curvas das bombas................................................................ 9 1.5.3 Impacto dos líquidos viscosos sobre o desempenho
1.1.3 Características da bomba centrífuga...........................11
de uma bomba centrífuga......................................................... 55
1.1.4 Tipos mais comuns de bombas de
1.5.4 Seleção da bomba correta para um líquido
sucção axial e em linha ................................................... 12
com anticongelante ......................................................................56
1.1.5 Tipos de rotores (forças axiais) ....................................... 14 1.5.5 Exemplo de cálculo ....................................................................... 58
1.1.6 Tipos de carcaças (forças radiais)................................... 15 1.5.6 Seleção da bomba com auxílio de computador
1.1.7 Bombas monoestágio....................................................... 15
para líquidos densos e viscosos................................................ 58
1.1.8 Bombas multiestágio..........................................................16
1.1.9 Bombas com acoplamento longo e curto 16
Seção 1.6 Materiais........................................................................ 59
1.6.1 O que é corrosão?..................................................................60
Seção 1.2 Tipos de bombas..........................................................17 1.6.2 Tipos de corrosão...................................................................61
1.2.1 Bombas padrão .................................................................... 17 1.6.3 Metais e ligas metálicas.....................................................65
1.2.2 Bombas bi-partida............................................................. 17 1.6.4 Cerâmica...................................................................................71
1.2.3 Bombas hermeticamente seladas ............................. 18 1.6.5 Plástico.......................................................................................71
1.2.4 Bombas sanitárias ..............................................................20 1.6.6 Borracha....................................................................................72
1.2.5 Bombas de efluentes ....................................................... 21 1.6.7 Revestimentos........................................................................73
1.2.6 Bombas imersíveis ............................................................ 22
1.2.7 Bombas submersas .......................................................... 23
1.2.8 Bombas de descolamento positivo .............................24 Capítulo 2 Instalação e leitura do
desempenho .....................................................................................75
Seção 1.3 Vedações de eixos mecânicos...............................27
1.3.1 Componentes e função da vedação
Seção 2.1 Instalação da bomba ................................................76
de eixo mecânico.................................................................29 2.1.1 Nova instalação.....................................................................76
1.3.2 Vedações de eixos mecânicos balanceados
2.1.2 Substituição-instalação existente .................................76
e não balanceados .............................................................30 2.1.3 Fluxo do tubo para instalação de
1.3.3 Tipos de vedações de eixos mecânicos....................... 31
bomba única..........................................................................77
1.3.4 Combinações de materiais da face
2.1.4 Limitação de ruídos e vibrações......................................78
da vedação.............................................................................34 2.1.5 Nível de som (L)......................................................................81
1.3.5 Fatores que afetam o desempenho
da vedação.............................................................................36 Seção 2.2 Desempenho da bomba .........................................83
2.2.1 Termos hidráulicos................................................................83
Seção 1.4 Motores.......................................................................... 39 2.2.2 Termos elétricos.....................................................................90
1.4.1Padrões ..................................................................................... 40 2.2.3 Propriedades dos líquidos.................................................93
1.4.2 Partida no motor................................................................. 46
1.4.3 Tensão de alimentação.................................................... 47
1.4.4 Conversor de frequência................................................. 47

5. Capítulo 3 Sistema hidráulico......................................................95
Seção 3.1 Características do sistema .......................................96
3.1.1 Resistências únicas...............................................................97
3.1.2 Sistemas abertos e fechados ............................................98
Seção 3.2 Bombas conectadas em série e paralelas............101
3.2.1 Bombas em paralelo..........................................................101
3.2.2 Bombas conectadas em série........................................103
Capítulo 4 Ajuste do desempenho
das bombas......................................................................................105
Seção 4.1 Ajuste do desempenho das bombas.................106
4.1.1 Controle por estrangulamento....................................107
4.1.2 Controle de desvio.............................................................107
4.1.3 Modificação do diâmetro do rotor.............................108
4.1.4 Controle de velocidade....................................................108
4.1.5 Comparação dos métodos de ajuste.........................110
4.1.6 Eficiência geral do sistema da bomba......................111
4.1.7 Exemplo: Consumo de energia relativo
quando o fluxo é reduzido em 20%...........................111
Seção 4.2 Soluções para bomba com
velocidade controlada ...................................................114
4.2.1 Controle de pressão constante....................................114
4.2.2 Controle de temperatura constante..........................115
4.2.3 Pressão do diferencial constante em
um sistema de circulação..............................................115
4.2.4 Controle da pressão diferencial
com compensada por fluxo .........................................116
Seção 4.3 Vantagens do controle
de velocidade......................................................................117
Seção 4.4 Vantagens das bombas com
conversor de frequência integrado .......................... 118
4.4.1 Curvas de desempenho de bombas com
velocidade controlada.....................................................119
4.4.2 Bombas com velocidade controlada em
diferentes sistemas ..........................................................119
Seção 4.5 Conversor de frequência.......................................122
4.5.1 Funções e características básicas.................................122
4.5.2 Componentes do conversor
de frequência......................................................................122
4.5.3 Condições especiais referentes aos
conversores de frequência.............................................124
Capítulo 5 Cálculo dos custos
do ciclo de vida ...............................................................................127
Seção 5.1 Equação de custos do ciclo de vida....................128
5.1.1 Custos iniciais, preço de compra (Cic)..........................129
5.1.2 Custos de Instalação e
comissionamento (Cin).....................................................129
5.1.3 Custos de energia (Ce)........................................................130
5.1.4 Custos operacionais (Co)...................................................130
5.1.5 Custos ambientais (Cenv)...................................................130
5.1.6 Custos de manutenção e reparos (Cm)......................131
5.1.7 Custos de tempo de parada,
perda de produção (Cs)...................................................131
5.1.8 Custos de desmantelamento
e descarte (Co)......................................................................131
Seção 5.2 Cálculo dos custos
do ciclo de vida – um exemplo ...................................132
Apêndice............................................................................................133
A) Notações e unidades........................................................134
B) Tabelas de conversão de unidades.............................135
C) Prefixos SI e alfabeto grego...........................................136
D) Pressão do vapor e densidade da água
em diferentes temperaturas........................................137
E) Orifício .................................................................................138
F) Mudança na pressão estática devido
à mudança do diâmetro do cano...............................139
G) Injetores.................................................................................140
H) Nomograma para perdas de
carga em curvas e válvulas............................................141
I)
Nomograma para perda do tubo de
água limpa a 20˚C.............................................................142
J) Sistema periódico..............................................................143
K) Padrões de bombas..........................................................144
L) Viscosidade para líquidos diferentes
como função da temperatura do líquido................145
Índice remissivo.............................................................................151

6. Capítulo 1. Design de bombas e motores
Seção 1.1: Construção da bomba
1.1.1 A bomba centrífuga
1.1.2
Curvas da bomba
1.1.3
Características da bomba centrífuga
1.1.4
Tipos mais comuns de bombas de
sucção axial e em linha
1.1.5
Tipos de rotor (forças axiais)
1.1.6
Tipos de carcaças (forças radiais)
1.1.7
Bombas monoestágio
1.1.8
Bombas multiestágio
1.1.9
Bombas com acoplamento longo
e curto
Seção 1.2 Tipos de bombas
1.2.1
1.2.2
1.2.3
1.2.4
1.2.5
1.2.6
1.2.7
1.2.8
Bombas padrão
Bombas bi-partida
Bombas hermeticamente seladas
Bombas sanitárias
Bombas de efluentes
Bombas imersíveis
Bombas submersa
Bombas de deslocamento positivo

7. Seção 1.1
Construção da bomba
1.1.1 Bomba centrífuga
Em 1689, o físico Denis Papin inventou a bomba
centrífuga e este tipo de bomba é o mais usado ao
redor do mundo. A bomba centrífuga é construída
sobre um princípio simples: O líquido é levado
até o cubo do rotor e, através da força centrífuga,
ele é lançado na direção da periferia dos rotores.
A construção é razoavelmente barata, robusta e
simples e sua alta velocidade possibilita conectar
a bomba diretamente a um motor assíncrono.
A bomba centrífuga oferece um fluxo de líquido
uniforme e pode facilmente ser acelerado sem
causar danos a bomba.
Agora, vamos observar a figura 1.1.1, que mostra
o fluxo do líquido através da bomba. A entrada
da bomba leva o líquido para o centro do rotor
giratório de onde é lançado para a periferia. Esta
construção oferece alta eficiência e é apropriada
para lidar com líquidos puros. As bombas, que têm
que lidar com líquidos impuros, como bombas
de efluentes, são equipadas com um rotor que é
construído especialmente para evitar que objetos
fiquem armazenados no interior da bomba,
consulte a seção 1.2.5.
Se ocorrer diferença de pressão no sistema enquanto
a bomba centrífuga não estiver funcionando, o
líquido ainda consegue passar através da mesma
devido ao seu desenho aberto.
Como se pode ver na figura 1.1.2, a bomba centrífuga
pode ser classificada em diferentes grupos: Bombas
de fluxo radial, bombas de fluxo misto e bombas de
fluxo axial. As bombas de fluxos radial e as bombas
de fluxo misto são os tipos mais comuns utilizados.
Portanto, iremos nos concentrar somente nestes tipos
de bombas nas próximas páginas.
Entretanto, apresentaremos brevemente a bomba
de deslocamento positivo na seção 1.2.8.
As diferentes exigências de desempenho das
bombas centrífugas, especialmente em relação à
altura manométrica total, fluxo e instalação,
junto com as exigências de operação econômica,
são somente algumas das razões porque existem
tantos tipos de bombas. A Figura 1.1.3 mostra os
diferentes tipos de bombas em relação ao fluxo e
pressão.
8
Fig. 1.1.1: O fluxo do líquido através da bomba
Bomba de fluxo radial
Bomba de fluxo misto
Bomba de fluxo axial
Fig. 1.1.2: Diferentes tipos de bombas centrífugas
H [m]
10000
6
4
2
Bombas de fluxo radial
multiestágios
1000
6
4
2
100
Bombas de
fluxo radial
monoestágios
6
4
2
10
Bombas de fluxo misto
6
4
2
Bombas de fluxo axial
1
2
4 6 10 2
4 6 100 2
4 6 1000 2
4 6 10000
100000
Q [m3/h]
Fig. 1.1.3: Fluxo e altura manométrica total para
diferentes tipos de bombas centrífugas

8. 1.1.2 Curvas das bombas
Antes de aprofundarmos no mundo da construção e
tipos de bombas apresentaremos as características
básicas das curvas de desempenho das bombas. O
desempenho de uma bomba centrífuga é mostrado
por um conjunto de curvas de desempenho. As
curvas de desempenho para uma bomba centrífuga
são mostradas na figura 1.1.4. Altura manométrica
total, consumo de energia, eficiência de consumo
e NPSH são mostrados como uma função no fluxo.
H
[m]
η
[%]
50
40
70
30
60
Efci
i ência
50
20
40
10
20
30
0
10
0
P2
[kW]
10
20
30
40
50
60
70
Q [ 3/h]
m
10
8
8
Normalmente, as curvas das bombas nas apostilas de
dados cobrem somente a parte da bomba. Portanto,
o consumo de energia, o valor P2 que também está
listado nas apostilas de dados, cobre somente a
energia que entra na bomba – consulte a figura
1.1.4. O mesmo vale para o valor eficiência, que cobre
somente a parte da bomba (η = ηP).
Mostramos a seguir uma breve apresentação das
diferentes curvas de desempenho de bombas.
Altura manométrica total, a curva QH
A curva QH mostra a altura manométrica total, que
a bomba é capaz de executar em um determinado
fluxo. A altura manométrica total é medida em metros
de coluna de líquido/metros [mLC]; normalmente a
unidade metro [m] é aplicada. A vantagem de se usar
a unidade [m] como unidade de medida da altura
manométrica total da bomba é que a curva QH não
é afetada pelo tipo de líquido que bomba tem que
manejar, consulte a seção 2.2 para mais informações.
6
6
4
4
N PSH
2
2
0
Fig. 1.1.4: Curvas de desempenho típicas para
uma bomba centrífuga. Altura manométrica
total, consumo de energia, eficiência e NPSH são
mostrados como uma função do fluxo
Q
Em alguns tipos de bombas com motor integrado e
conversor de frequência possivelmente integrado,
por exemplo, bombas com motor blindado (consulte
a seção 1.2.3), a curva de consumo de energia e a
curva η cobrem o motor e a bomba. Neste caso, é o
valor P1 que deve ser levado em consideração.
No geral, as curvss das bombas são projetadas de acordo
com o ISO 9906 Anexo A, que especifica as tolerâncias
das curvas:
• Q +/- 9%,
• H +/-7%,
• P +9%
• -7%.
N PSH
(m)
12
Consum o de ener a
gi
10
0
P1
M
3~
P2
H
ηM
ηP
Fig. 1.1.5: As curvas para consumo de energia e
eficiência normalmente cobrem somente a parte
da bomba da unidade – i.e. P2 e ηP
H
[m]
60
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80 Q
3
[m
/h
Fig. 1.1.6: Curva QH típica para uma bomba
centrífuga; fluxo baixo resulta em altura
manométrica total alta e fluxo alto resulta em
altura manométrica total baixa
9

9. Seção 1.1
Construção da bomba
Eficiência, a curva η
A eficiência é a relação entre a energia fornecida e
a quantidade de energia utilizada. No mundo das
bombas, a eficiência ηP é a relação entre a energia,
que a bomba fornece para a água (PH) e a entrada
de energia no eixo (P2):
P
ρ.g.Q.H
ηp = PH =
P2 x 3600
2
onde:
ρ é a densidade do líquido em kg/m3,
g é a aceleração da gravidade em m/s2,
Q é o fluxo em m3/h e H é a altura manométrica
total em m.
η
[%]
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Para água a 20oC e com Q medido em m3/h e H em
m, a energia hidráulica pode ser calculada como:
0
10
20
30
40
50
60
70
Q m 3/h]
[
Fig. 1.1.7: Curva de eficiência de uma bomba
centrífuga típica
PH = 2.72 . Q . H [W]
Como aparece a partir da curva de eficiência, a
eficiência depende do ponto de operação da bomba.
Portanto, é importante selecionar uma bomba que
seja compatível com os requisitos de fluxo e que
assegure que a bomba esteja funcionando na área
de fluxo mais eficiente.
P2
[kW]
10
8
6
Consumo de energia, a curva P2
A relação entre o consumo de energia da bomba
e o fluxo é mostrada na figura 1.1.8. A curva P2
da maioria das bombas centrífugas é semelhante
à curva na figura 1.1.8 onde o valor P2 aumenta
quando o fluxo aumenta.
. . .
P2= Q H g ρ
3600 x ηp
Curva NPSH (Altura Manométrica de Sucção
Positiva Líquida)
O valor NPSH de uma bomba é a pressão mínima
absoluta (consulte a seção 2.2.1) que deve estar
presente no lado de sucção da bomba para evitar
cavitação. O valor NPSH é medido em [m] e
depende do fluxo; quando o fluxo aumenta, o valor
NPSH também aumenta; figura 1.1.9. Para mais
informações sobre cavitação e NPSH, vá para a
seção 2.2.1.
10
4
2
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Q m 3/h]
[
Fig. 1.1.8: Curva de consumo de energia de uma
bomba centrífuga típica
NPSH
[m]
10
8
6
4
2
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Q m 3/h]
[
Fig. 1.1.9: Curva NPSH de bomba centrífuga
típica

10. 1.1.3 Características da bomba centrífuga
A bomba centrífuga possui várias características
e as mais importantes serão apresentadas nesta
seção. Mais adiante neste capítulo forneceremos
uma descrição mais detalhada dos diferentes tipos
de bombas.
• Número de fases
Dependendo do número de rotores na bomba,
uma bomba centrífuga pode ser uma bomba
monoestágio ou uma bomba multiestágio.
• Posição do eixo da bomba
As bombas monoestágio e multiestágio são
produzidas com eixos de bomba verticais ou
horizontais. Estas bombas normalmente são
normalmente designadas como bombas horizontais
ou verticais. Para mais informações, vá para seção
1.1.4.
• Rotores de sucção simples ou de sucção dupla
Dependendo da construção do rotor, uma bomba
pode ser equipada com um rotor de sucção simples
ou rotor de sucção dupla. Para mais informações, vá
para a seção 1.1.5.
• Acoplamento de estágios
Os estágios da bomba podem ser arranjados de
duas maneiras diferentes: em série e em paralelo,
consulte a figura 1.1.10.
Fig 1.1.10: Bomba dupla com rotores
acoplados em paralelo
• Construção da carcaça da bomba
Diferenciamos entre dois tipos de carcaça de bomba:
Carcaça Voluta e carcaça de canal de retorno com
palhetas guia. Para mais informações, vá para a
seção 1.1.6.
11

11. Seção 1.1
Construção da bomba
1.1.4 Tipos mais comuns de bomba de sucção axial e em linha
Sucção axial
Horizontal
Monoestágio
Acoplamento longo
Bomba de sucção axial
=
Multiestágio
Acoplamento curto
Acoplamento curto
O líquido entra diretamente no rotor. A entrada e a saída possuem
um ângulo de 90°. Consulte a seção 1.1.9
Bomba em linha
=
O líquido passa diretamente pela bomba em linha. O cano de sucção e o cano
de descarga
são colocados opostos um ao outro e podem ser montados diretamente no
sistema de
encanamento
Bomba com carcaça
bipartida
=
Bomba com carcaça dividida axialmente. Consulte a seção 1.2.2
Bomba horizontal
=
Bomba com eixo horizontal
Bomba com eixo vertical
Bomba vertical
=
Bomba monoestágio
=
Bomba com rotor único. Consulte a seção 1.1.7
Bomba multiestágio
=
Bomba com vários rotores acoplados em série. Consulte a seção 1.1.8
Bomba com acoplamento
longo
=
1.1.9
Bomba com acoplamento
curto
seção 1.1.9
12
Bomba conectada ao motor através de um acoplamento flexível. O motor e
a bomba possuem construções de rolamentos separados. Consulte a seção
bomba conectada ao motor através de um acoplamento rígido. Consulte a
=

12. Em linha
Horizontal
Horizontal / Vertical
Bipartida
Monoestágio
Multiestágio
Monoestágio
Acoplamento longo Acoplamento longo Acoplamento curto Acoplamento curto
13