Bomba centrífuga de alta eficiência

  Bombas centrífugas As bombas centrífugas são amplamente utilizadas na produção industrial e em sistemas de engenharia para o transporte de diversos fluidos. No entanto, durante a operação, um fenômeno que afeta severamente o desempenho e a vida útil das bombas ocorre com frequência: a cavitação. A cavitação não só reduz a eficiência das bombas centrífugas, como também causa sérios danos a componentes essenciais, como os rotores, podendo inclusive levar à inutilização completa do equipamento. Portanto, o estudo e a compreensão das causas da cavitação em bombas centrífugas são de grande importância para o projeto racional, a instalação correta e a operação segura dessas bombas. Abaixo, Anhui Shengshi Datang fornecerá uma introdução detalhada. 1. Conceito básico de cavitação A cavitação refere-se ao fenômeno em que, à medida que o líquido flui através do rotor da bomba, a pressão local cai abaixo da pressão de vapor saturado do líquido em sua temperatura de operação, causando a vaporização parcial do líquido e a formação de inúmeras bolhas de vapor minúsculas. Quando essas bolhas são transportadas pelo fluxo de líquido para uma região de pressão mais alta, a pressão circundante aumenta rapidamente, fazendo com que as bolhas colapsem instantaneamente e se condensem novamente em líquido. O colapso dessas bolhas gera ondas de choque intensas e altas temperaturas localizadas, que impactam a superfície do rotor, levando à corrosão por pite ou lascamento do metal. Este é o fenômeno da cavitação em bombas centrífugas. A essência da cavitação resulta da ação combinada da dinâmica dos fluidos e da termodinâmica. A causa fundamental é a distribuição desigual de pressão no interior do líquido. Quando a velocidade do fluxo local é muito alta ou o projeto geométrico é inadequado, a pressão local diminui, desencadeando o processo cíclico de vaporização e colapso das bolhas. 2. Causa raiz da cavitação A principal causa da cavitação em bombas centrífugas é a queda da pressão local do líquido dentro da bomba abaixo da pressão de vapor saturado do líquido naquela temperatura. Em uma bomba centrífuga, o líquido flui do tubo de sucção para a entrada do rotor. À medida que a passagem do fluxo se contrai gradualmente, a velocidade do líquido aumenta e, consequentemente, a pressão estática diminui. Quando a pressão local cai para a pressão de vapor saturado do líquido, este começa a vaporizar, gerando bolhas de vapor. Essas bolhas são levadas para a região de alta pressão em direção ao centro e à saída do rotor, onde colapsam rapidamente sob a alta pressão. As ondas de choque de alta energia liberadas durante o colapso das bolhas causam erosão do metal na superfície do rotor, aumento da vibração da bomba, aumento do ruído e problemas como redução da vazão e da altura manométrica. 3. Principais fatores que levam à cavitação a. Sucção excessiva: Se a bomba for instalada muito alta ou o nível do líquido na sucção for muito baixo, a pressão no lado da sucção diminui. À medida que o líquido flui em direção à entrada do rotor, a pressão cai ainda mais. Quando cai abaixo da pressão de vapor saturado, ocorre a vaporização. Se a altura de sucção exceder o NPSH (Altura Líquida Positiva de Sucção) permitido, a cavitação é inevitável. b. Resistência excessiva na linha de sucção: Uma tubulação de sucção muito longa, muito estreita, com muitas curvas ou com uma válvula parcialmente fechada causa perdas significativas de pressão localizada e por atrito. A redução da pressão na extremidade de sucção leva a uma queda de pressão ainda maior na entrada do rotor, aumentando a probabilidade de cavitação. Além disso, vazamentos de ar ou vedação inadequada na tubulação de sucção podem introduzir gás no líquido, exacerbando a cavitação. c. Temperatura do líquido excessivamente alta: O aumento da temperatura de um líquido eleva significativamente sua pressão de vapor saturado, tornando-o mais propenso à vaporização. Por exemplo, a pressão de vapor saturado da água é relativamente baixa à temperatura ambiente, mas aumenta substancialmente em altas temperaturas. Mesmo que a pressão de sucção permaneça inalterada, a condição de vaporização pode ser atingida com o aumento da temperatura, desencadeando assim a cavitação. d. Baixa pressão de entrada ou pressão ambiente reduzida: Quando a pressão na fonte de sucção da bomba diminui — por exemplo, devido a uma queda no nível do líquido, vácuo no recipiente de abastecimento ou baixa pressão atmosférica ambiente (por exemplo, em grandes altitudes) — a pressão na porta de sucção torna-se insuficiente, facilitando a vaporização do líquido na entrada do impulsor. e. Projeto ou instalação inadequados da bomba: O projeto estrutural da bomba afeta diretamente seu desempenho em relação à cavitação. Por exemplo, um diâmetro de entrada do rotor muito pequeno, um ângulo de ataque da pá inadequado ou uma superfície rugosa do rotor podem causar fluxo de líquido instável, levando a uma queda de pressão local acentuada. Além disso, o não cumprimento dos requisitos de NPSH (NPSHr) fornecidos pelo fabricante durante a instalação, ou a instalação da bomba em uma altura excessiva, também podem causar cavitação. f. Condições Operacionais Inadequadas: Quando a bomba opera com vazões que se desviam do ponto de projeto, funciona por períodos prolongados com baixa vazão ou durante ajustes repentinos da válvula, a distribuição de pressão do fluido se altera, o que também pode causar vaporização e cavitação localizadas. 4. Efeitos e Perigos da Cavitação Os perigos da cavitação para bombas centrífugas manifestam-se principalmente nos seguintes aspectos: a. Danos na superfície metálica: Os choques de alta pressão gerados pelo colapso das bolhas causam erosão por pite na superfície do impulsor. O desenvolvimento prolongado desse fenômeno pode levar à fadiga do material, lascamento e até mesmo perfuração do impulsor. b. Degradação do desempenho: A cavitação leva a uma redução significativa na vazão, na altura manométrica e na eficiência, alterando as curvas características da bomba. c. Vibração e ruído: As forças de impacto geradas pela cavitação causam vibração mecânica e ruído de alta frequência, afetando o funcionamento estável do equipamento. d. Vida útil reduzida: A operação prolongada em condições de cavitação acelera o desgaste mecânico, reduzindo a vida útil dos rolamentos, vedações e do impulsor. 5. Medidas para Prevenir a Cavitação Para prevenir ou mitigar a cavitação, devem ser tomadas medidas nas perspectivas de projeto, instalação e operação: a. Selecione uma altura de instalação adequada. Para garantir pressão suficiente no lado de sucção, o NPSH disponível (NPSHa) deve ser maior que o NPSH necessário da bomba (NPSHr). b. Otimizar a tubulação de sucção encurtando seu comprimento, reduzindo o número de curvas, aumentando o diâmetro do tubo, mantendo as válvulas de sucção totalmente abertas e evitando a entrada de ar. c. Controlar a temperatura do líquido através do resfriamento ou da redução da temperatura do tanque de armazenamento para diminuir a pressão de vapor saturado do líquido. d. Aumentar a pressão de entradaPor exemplo, instalando uma bomba de reforço, pressurizando a superfície do líquido ou colocando o recipiente do líquido em uma elevação mais alta. e. Melhorar a estrutura do impulsor Utilizando materiais e geometrias com boas propriedades anticavitação, como a adição de um indutor ou a otimização do ângulo de entrada da pá. f. Mantenha a bomba operando próxima ao seu ponto de projeto., evitando operação prolongada com baixas taxas de fluxo ou outras condições operacionais anormais. Em resumo, a ocorrência de cavitação em bombas centrífugas é causada principalmente pela pressão do líquido na entrada do rotor ser muito baixa, caindo abaixo da sua pressão de vapor saturado, o que desencadeia a vaporização e o subsequente colapso das bolhas. Os fatores específicos que levam a esse fenômeno incluem altura de sucção excessiva, resistência de sucção excessiva, alta temperatura do líquido, baixa pressão de entrada e projeto ou operação inadequados. A cavitação não só afeta o desempenho da bomba, como também causa danos severos ao equipamento. Portanto, tanto no projeto quanto na operação, deve-se dar ênfase à prevenção e ao controle da cavitação. Ao configurar o sistema racionalmente, otimizar os parâmetros estruturais e melhorar as condições de operação, é possível garantir a operação segura e eficiente da bomba. É possível garantir o funcionamento das 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.