Tecnologia de bombeamento e relacionados na Engenharia Química

Rallian Madeira, Engenharia Química.

INTRODUÇÃO

A necessidade de movimentação dos fluidos tem empenhado a humanidade desde a antiguidade. Com esse intuito, houve a necessidade da criação de diversos dispositivos capazes de executar essa tarefa.

Um desses dispositivos é a bomba hidráulica. As bombas consistem em adicionar energia aos fluidos ao tomar energia de hastes, eixos e outros fluidos. Existe uma grande variedade de bombas, tais como a bomba de vácuo, a bomba de ar, a bomba centrífuga, etc.

No atual mundo em que vivemos, que demanda cada vez mais por soluções práticas e eficientes, tais dispositivos assumem um papel cada vez mais importante, e cabe ao engenheiro químico ter o conhecimento necessário para aplicar essa tecnologia. 

CONSIDERAÇÕES INICIAIS SOBRE PROJETOS E INSTALAÇÕES

Normalmente, quando é feita a encomenda do projeto de uma instalação hidráulica industrial, são fornecidos, no mínimo, o local donde o fluido deve ser retirado, o local onde o fluido deve chegar e o consumo do fluido.

 Observe o exemplo a seguir:

O engenheiro deve verificar essas posições e estudar por onde devem passar os tubos, reservando um espaço para o conjunto moto-bomba.

A instalação pode ser dividida em duas partes: sucção e recalque. Da seção (1) (nível do manancial) até a seção (e) (entrada da bomba), temos a tubulação de sucção, nome atribuído as características de pressão da seção de entrada da bomba. Já que o fluido não pode ser puxado, a bomba deve criar uma situação para que o mesmo seja empurrado. No caso, a pressão atmosférica local que age no nível do manancial.

Da seção (s) (saída da bomba) até a seção (2) (nível desejado para o tanque superior), temos a tubulação de recalque, nome atribuído pelo fato do fluído só poder ser empurrado ou recalcado.

A partir disso, o engenheiro deve selecionar componentes para a montagem da instalação, tais como tubos (material e diâmetro), meios de ligação dos tubos, válvulas, conexões e outros, para só depois iniciar os cálculos da instalação.

MATERIAIS DOS TUBOS

Para a escolha do material dos tubos, devem ser considerados o tipo de fluído, pressão, temperatura, agressividade, contaminação, custos, entre outros.   

Diversos materiais podem ser utilizados, tais como aço carbono, ligas, inox, ferro fundido, não-ferrosos como o cobre, latão, alumínio, não-metálicos como plásticos, cimento-amianto, etc. O material mais utilizado nas instalações hidráulicas industriais é o tubo de aço carbono, em virtude da menor relação custo/resistência mecânica.

Os tubos de aço podem ser encontrados com ou sem costura. Costura é o nome dado à solda. Os tubos sem costura, ou seja, que não recebem solda são mais resistentes por não apresentarem o ponto fraco representado por essa solda.

De acordo com a proteção que possuem, os tubos de aço são comercializados como tubos pretos ou galvanizados. O tubo galvanizado não poder ser soldado, pois esse processo queima a galvanização. É muito utilizado no transporte de água por apresentar maior resistência a corrosão, uma vez que é revestido com zinco. Já o tubo preto, não apresenta qualquer tipo de proteção.

DIÂMETRO DOS TUBOS

O cálculo do diâmetro das tubulações é um item muito importante no projeto de uma instalação. Para uma instalação que necessite de uma certa vazão, existirá um diâmetro ótimo, que é o diâmetro economicamente conveniente, tornando o custo total da instalação o menor possível. O custo total pode ser determinado por:

Abaixo, temos uma relação das dependências entre as grandezas envolvidas, onde Hp = perda de carga total da instalação; HB = carga manométrica da bomba; e NB = potência da bomba.

Se o diâmetro da tubulação for muito maior que o diâmetro ótimo , haverá uma diminuição de perdas, pois a vazão (Q) é constante e a velocidade (V)  diminui.  Como as perdas diminuem, o trabalho da bomba também diminui, gerando redução  da carga manométrica e da potência da bomba. Dessa forma, o custo do conjunto moto-bomba é baixo, no entanto, grandes diâmetros provocam um aumento significativo no custo de linha.

Se o diâmetro da tubulação for menor que o diâmetro ótimo, haverá um aumento das perdas, provocando o aumento da carga manométrica, da potência exigida pela bomba e por conseguinte, do custo da bomba. Entretanto, o custo de linha será baixo. 

O diâmetro pode ser calculado pela seguinte fórmula: 

JUNÇÃO DOS TUBOS

Os tubos e componentes podem ser ligados através de 3 meios:

1) Roscas: As ligações rosqueadas são indicadas para pequenos diâmetros. As roscas devem ser cônicas para garantir a vedação. Apesar de facilitar a montagem, as roscas enfraquecem as paredes dos tubos e representam pontos sujeitos a vazamentos.

Exemplo de rosca.

2) Solda: Ligações soldadas são muito utilizadas na indústria, pois apresentam boa resistência mecânica e não necessitam de manutenção. Entretanto, dificultam a desmontagem. 

Tubulação sendo soldada.

3) Flange: Flanges são indicadas para tubos com diâmetro nominal acima de 2''. Facilitam a desmontagem, no entanto são caras, pesadas e volumosas, além de possibilitar vazamentos. São mais utilizadas em bocais de bombas e em pontos das tubulações onde seja necessária facilidade para desmontagem.

Exemplo de flange.

VÁLVULAS

Uma instalação não funcionaria sem a aplicação de válvulas. As válvulas podem ser classificadas em:

1) Válvulas de Bloqueio: Servem para interromper o fluxo quando é necessário bloquear determinado trecho de uma instalação. Normalmente estão totalmente abertas e não devem provocar muita perda de carga.
Exemplos: v. gaveta, v. esfera, v. macho e v. mangote.

Válvula gaveta (esquerda) e válvula esfera (direita).

Válvula macho e válvula mangote

2) Válvulas de Controle de Fluxo: Servem para controlar o fluxo ou regular a vazão, podendo trabalhar em qualquer posição quanto ao fechamento. Devem ser colocadas com cuidado, pois provocam muita perda de carga.

Exemplos: v. agulha, v. borboleta, v. globo e v. diafragma.

Válvula borboleta

Válvulas globo

Válvula diafragma

Válvula agulha

3) Válvulas de Controle Unidirecional: Servem para permitir o fluxo em um único sentido. São utilizadas nas saídas das bombas, nas pontas de tubulações de sucção, etc. Funcionam automaticamente, sem volante, normalmente com o auxílio da gravidade.

Exemplos: v. retenção para tubos horizontais de levantamento e portinhola, v. retenção para tubos verticais, v. retenção de pé com ralo.

Válvulas de retenção para tubos horizontais e portinhola.

Válvula de retenção para tubos verticais.

Válvula de retenção de pé com ralo

4) Válvulas Controladoras de Pressão: Servem para controlar a pressão de montante. As válvulas redutoras de pressão também podem ser automáticas, dependendo de um piloto que é acionado pela pressão de montante e pode dar maior ou menor passagem para o fluido em função da pressão desejada a jusante. 

Exemplo: válvula de alívio.

Válvula de alívio.

5) Válvula com Solenoide e Válvula Termostática: A válvula com solenoide é uma combinação de duas unidades básicas funcionais: um solenoide (eletromagnético) com seu núcleo e uma válvula contendo um orifício no qual um disco é posicionado para permitir ou interromper a passagem do fluido. A válvula é aberta ou fechada pelo movimento do núcleo magnético, que é atraído pelo solenoide quando a bobina é energizada.

As válvulas termostáticas destinam-se a medir, comparar e controlar a temperatura dos processos nos valores pré-ajustados. São compostas de um sensor primário de temperatura conhecido como bulbo termostático, de um atuador térmico e de uma válvula de controle final.

Válvula com solenoide e válvula termostática.

MÁQUINAS HIDRÁULICAS

Máquinas hidráulicas são máquinas transformadoras de energia, e classificam-se em:

a) Máquinas Motrizes: São máquinas que transformam energia hidráulica em trabalho mecânico. Rodas de água e e turbinas são exemplos desse tipo. As rodas de água são as máquinas motrizes de uso mais antigo. 

As turbinas aproveitam o desnível entre dois níveis de água e transformam a energia hidráulica em energia mecânica, que através do eixo do rotor da turbina aciona o eixo do rotor de um gerador. As principais turbinas são a Pelton, a Francis e a Kaplan.

Turbina Francis

Turbina Kaplan

Turbina Pelton

Exemplo de roda de água.

b) Máquinas Mistas: São máquinas que transformam energia hidráulica em energia hidráulica. Ou seja, fornecem energia hidráulica ao serem acionadas pelo mesmo tipo de energia. Um exemplo de máquina desse tipo é o carneiro hidráulico ou aríete hidráulico.

Carneiro hidráulico.

c) Máquinas geratrizes: São máquinas que transformam energia mecânica em energia hidráulica. As bombas hidráulicas realizam esse tipo de serviço acionadas por motores elétricos, estacionários, etc.

TECNOLOGIA DE BOMBEAMENTO - BOMBAS CENTRÍFUGAS

As turbobombas, também chamadas de bombas dinâmicas ou bombas centrífugas, são bombas onde a movimentação do líquido ocorre pela ação de forças que se desenvolvem na massa do líquido, em conseqüência da rotação de um eixo no qual é acoplado um disco (rotor ou impulsor) dotado de pás (palhetas, hélice) que recebe o líquido pelo seu centro e o expulsa pela periferia, devido à ação da força centrífuga. Daí vem o seu nome mais usual, ou seja, bomba centrífuga. De modo geral, classificamos as bombas centrífugas em: radial, de fluxo misto e   de fluxo axial.

1) Bomba Centrífuga Radial: A movimentação do líquido se dá do centro para a periferia do rotor, no sentido perpendicular ao eixo de rotação. O líquido penetra no rotor paralelamente ao eixo, sendo dirigido pelas pás para a periferia, segundo trajetórias contidas em planos normais ao eixo.

Rotor de uma bomba centrífuga radial.

Bomba centrífuga radial em corte longitudinal.

2) Bomba Centrífuga de Fluxo Misto ou Helicocentrífuga: Nas bombas centrífugas de fluxo misto, o movimento do líquido ocorre na direção inclinada (diagonal) em relação ao eixo de rotação. Nas bombas desse tipo, o líquido penetra no rotor em sentido paralelo ao eixo de rotação; sai do rotor, numa trajetória ligeiramente inclinada, seguindo um plano perpendicular ao eixo de rotação. A pressão é comunicada pela força centrífuga e pela ação de sustentação ou propulsão das pás.

Rotor de uma bomba centrífuga de fluxo misto.

3) Bomba Centrífuga de Fluxo Axial ou Helicoaxial: Nas bombas centrífugas de fluxo axial ou helicoaxial o movimento do líquido ocorre paralelo ao eixo de rotação. O rotor normalmente possui apenas uma base de fixação das pás com a forma de um cone ou ogiva. As bombas deste tipo são empregadas quando se necessita de grandes vazões em pequenas e médias alturas de elevação. Estas bombas são projetadas para que sua vazão e altura correspondam a um melhor rendimento hidráulico e, como conseqüência, a uma maior economia de energia.

Bomba centrífuga de fluxo axial.

                                    APLICAÇÕES DAS BOMBAS CENTRÍFUGAS

A bomba centrífuga radial é a mais utilizada nas instalações industriais hidráulicas industriais. As bombas do tipo INI da IMBIL são utilizadas para o bombeamento de líquidos em saneamento, irrigação, indústrias químicas e petroquímicas, usinas de açúcar, destilarias, indústrias de papel e celulose, esgotos brutos, caldo de bagacilho, circulação de óleo térmico e condensados. 

As bomas da linha INI-BLOCK (monobloco) são indicadas no bombeamento de líquidos limpos ou turbos e encontram aplicação em instalações prediais e de ar condicionado, em serviços de resfriamento, circulação de condensados, em irrigações, nas lavouras, nos serviços públicos e em abastecimento de água para indústrias.

Bomba INI da IMBIL e monobloco.

CONCLUSÃO

Conclui-se que a tecnologia de bombeamento, bem como toda a mecânica dos fluidos por si só, são de suma importância para a humanidade, fazendo com que seja indispensável para um engenheiro químico saber empregar adequadamente o conhecimento dessa área para propor ideias e solucionar problemas de destaque na indústria. Mas para tal, apenas conhecer os tipos existentes de bombas na indústria não é suficiente, havendo a necessidade também de se conhecer os princípios básicos de seus componentes e de projetos de instalação relacionados, tais como tubulações, válvulas, máquinas hidráulicas, etc. 

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Portal da Indústria, Bombas - Guia Prático, disponível em :

http://arquivos.portaldaindustria.com.br/app/conteudo_18/2014/04/22/6281/Bombas.pdf, acesso em 31 de outubro de 2015.

SANTOS, SÉRGIO LOPES DOS, Bombas & Instalações Hidráulicas. São Paulo: LCTE Editora, 2007.