Dinâmica de Fluidos de Bombas Centrífugas

Princípio de funcionamento das bombas centrífugas O princípio de funcionamento de bombas centrífugas Baseia-se na ação da força centrífuga. Quando o impulsor gira em alta velocidade, o líquido é lançado do centro do impulsor para a borda externa sob a influência da força centrífuga, ganhando assim energia cinética e energia de pressão. O processo de trabalho específico é o seguinte: 1. O líquido entra na área central do impulsor através da entrada de sucção da bomba. 2. A rotação do impulsor gera força centrífuga, fazendo com que o líquido se mova do centro do impulsor para a borda externa ao longo das passagens das lâminas. 3. O líquido ganha energia cinética e energia de pressão dentro do impulsor e então é descarregado na carcaça da bomba. 4. Dentro do corpo da bomba, parte da energia cinética do líquido é convertida em energia de pressão, e o líquido é finalmente descarregado pela saída. Durante a operação de uma bomba centrífuga, o impulsor realiza trabalho convertendo energia mecânica em energia do líquido. À medida que o líquido flui através do impulsor, tanto sua pressão quanto sua velocidade aumentam. De acordo com a equação de Bernoulli, o aumento na energia total do líquido se manifesta principalmente como um aumento na energia da pressão, permitindo que a bomba centrífuga transporte o líquido para uma altitude mais alta ou supere uma resistência maior do sistema. É importante observar que o pré-requisito para o funcionamento normal de uma bomba centrífuga é que a cavidade da bomba esteja preenchida com líquido. Isso ocorre porque a força centrífuga só atua sobre líquidos e não sobre gases. Se houver ar na cavidade da bomba, ela não conseguirá gerar pressão normalmente, resultando em "travamento de vapor", que, por fim, leva à cavitação. Análise das causas da cavitação da bomba centrífuga 1. Meio de entrada inadequado ou pressão de entrada insuficiente A entrada inadequada do fluido é uma das causas mais comuns de cavitação em bombas centrífugas. As seguintes situações podem levar à entrada insuficiente do fluido: a. Nível baixo de líquido: Quando o nível do líquido em uma piscina, tanque ou recipiente de armazenamento cai abaixo do tubo de sucção da bomba ou do nível mínimo efetivo, a bomba pode aspirar ar em vez de líquido, resultando em cavitação. b. Sucção excessiva: Para bombas centrífugas não autoescorvantes, se a altura de instalação exceder a altura de sucção permitida, mesmo que a tubulação de sucção esteja imersa no líquido, a bomba não conseguirá aspirar o líquido, resultando em falta de líquido em seu interior. De acordo com os princípios da física, a altura de sucção máxima teórica para bombas centrífugas não autoescorvantes é de aproximadamente 10 metros de coluna d'água (valor da pressão atmosférica). No entanto, considerando várias perdas, a altura de sucção real é tipicamente inferior a 6-7 metros. c. Pressão de entrada insuficiente: Em aplicações que exigem pressão de entrada positiva, se a pressão de entrada fornecida for menor que o valor necessário, a bomba pode apresentar fornecimento inadequado de líquido, causando cavitação. d. Projeto de sistema deficiente: Em alguns projetos de sistemas, se a tubulação de sucção for muito longa, o diâmetro do tubo for muito pequeno ou houver muitas curvas, a resistência da tubulação aumenta, reduzindo a pressão de entrada e impedindo que a bomba centrífuga extraia o líquido adequadamente. Estudos de caso mostram que aproximadamente 35% das falhas de bombas centrífugas na indústria petroquímica são causadas por fluido de entrada inadequado ou pressão de entrada insuficiente. Esse problema é particularmente comum em sistemas de transporte de petróleo devido à alta viscosidade e pressão de vapor dos derivados de petróleo. 2. Bloqueio na tubulação de entrada Bloqueios na tubulação de entrada são outra causa comum de cavitação em bombas centrífugas. Manifestações específicas incluem: a. Telas ou filtros entupidos: Durante a operação de longo prazo, telas ou filtros na tubulação de entrada podem ficar gradualmente bloqueados por impurezas ou sedimentos, restringindo o fluxo de líquido. b. Formação de incrustações dentro do oleoduto: Principalmente ao manusear água dura, água com alto teor de íons de cálcio e magnésio ou líquidos químicos específicos, podem se formar incrustações ou depósitos cristalinos nas paredes internas da tubulação, reduzindo o diâmetro efetivo ao longo do tempo. c. Entrada de objeto estranho: A entrada acidental de objetos como folhas, sacos plásticos ou plantas aquáticas na tubulação de sucção pode bloquear cotovelos ou válvulas, obstruindo o fluxo de líquido. d. Válvulas parcialmente fechadas: Erros operacionais, como não abrir totalmente as válvulas na tubulação de sucção ou mau funcionamento das válvulas internas, também podem levar a um fluxo insuficiente. e. Falha da válvula de pé: Em sistemas equipados com válvulas de pé, se a válvula de pé apresentar mau funcionamento (por exemplo, deformação da mola ou danos na superfície de vedação), isso pode afetar a capacidade da bomba de puxar o líquido corretamente. Dados estatísticos indicam que aproximadamente 25% dos casos de cavitação em bombas centrífugas em sistemas municipais de abastecimento de água e drenagem são causados ​​por bloqueios nas tubulações de entrada. Esse problema é especialmente comum em sistemas de tratamento de águas residuais com altos níveis de sólidos em suspensão.     3. Remoção incompleta de ar da cavidade da bomba A remoção incompleta do ar da cavidade da bomba é uma causa significativa de cavitação em bombas centrífugas. As principais manifestações incluem: a. Preparação inadequada antes da partida inicial: Após a instalação inicial ou desligamento prolongado, as bombas centrífugas devem ser escorvadas para remover o ar do corpo da bomba. Se a escorva for insuficiente, o ar residual pode impedir que a bomba estabeleça a pressão normal de trabalho. b. Capacidade de autoescorvamento insuficiente: Bombas centrífugas não autoescorvantes não conseguem expelir o ar por conta própria e dependem de escorva externa. Embora algumas bombas autoescorvantes tenham certa capacidade de autoescorvamento, métodos de partida inadequados ou altura excessiva de autoescorvamento podem levar à expulsão inadequada do ar. c. Vazamentos de ar no sistema de tubulação: Pequenas rachaduras nas conexões da tubulação de sucção, pontos de vedação ou tubulações antigas podem permitir a entrada de ar no sistema sob pressão negativa. Isso é particularmente perigoso porque, mesmo que a bomba seja escorvada corretamente no início, o ar pode se acumular com o tempo, causando cavitação. d. Falha de vedação: Vedações de eixo desgastadas ou instaladas incorretamente (por exemplo, vedações mecânicas ou de gaxeta) podem permitir a entrada de ar externo na bomba, especialmente quando a pressão do lado de sucção estiver abaixo da pressão atmosférica. Em aplicações industriais, aproximadamente 20% dos casos de cavitação em bombas centrífugas são causados ​​pela remoção incompleta do ar da cavidade da bomba. Esse problema é particularmente comum durante a partida inicial após a instalação ou manutenção. 4. Outras causas Além das principais causas mencionadas acima, outros fatores também podem levar à cavitação da bomba centrífuga: a. Vaporização de líquidos: Ao manusear líquidos em altas temperaturas ou altamente voláteis, se a pressão da tubulação de sucção cair abaixo da pressão de vapor de saturação do líquido nessa temperatura, o líquido pode vaporizar, formando bolhas. Isso pode impedir a bomba de extrair o líquido ou causar cavitação. b. Erros operacionais: Fatores humanos, como operação incorreta da válvula ou falha em seguir os procedimentos de inicialização, podem levar à cavitação da bomba. c. Mau funcionamento do sistema de controle: Em sistemas de controle automatizados, falhas em sensores de nível, sensores de pressão ou erros na lógica de programação do PLC podem fazer com que a bomba inicie ou opere em condições inadequadas, resultando em cavitação. d. Problemas de energia ou motor: A sequência incorreta das fases de alimentação, causando inversão do motor, pode impedir que a bomba extraia o líquido corretamente. A instabilidade da tensão, causando flutuações na velocidade do motor, também pode interromper o funcionamento normal da bomba. e. Efeitos da temperatura: Em condições ambientais extremas, como em regiões frias, o isolamento inadequado pode causar o congelamento do líquido na tubulação, obstruindo o fluxo. Em ambientes de alta temperatura, os líquidos podem vaporizar, formando bloqueios de vapor. Pesquisas indicam que essas outras causas são responsáveis ​​por aproximadamente 20% dos casos de cavitação em bombas centrífugas. Embora a proporção seja relativamente pequena, elas podem ser fatores significativos em cenários ou condições específicas e não devem ser ignoradas.