Bomba de Lóbulos: Análise e Aplicações na Distribuição de Água

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA Venicios Lapazini Cardoso BOMBA DE LÓBULOS Santa Maria RS 2021 RESUMO BOMBA DE LÓBULOS AUTOR Venicios Lapazini Cardoso PROFESSOR Cesar Addis Valverde Salvador Desde a antiguidade uma das grandes preocupações da humanidade sempre foi de captação e distribuição de água Para o abastecimento de água dos núcleos populacionais que se estabeleceram em locais mais afastados dos rios foi necessária a criação de alternativas que permitissem captar a água transportála e armazenála para ser utilizada quando fosse o caso Além disso fezse necessário encontrar recursos para levar a água a locais onde pudesse atender às necessidades de consumo e à irrigação de terras para fins agrícolas Podese afirmar que o progresso industrial e a melhoria das condições de saúde e conforto estão intimamente ligados ao progresso da ciência e da tecnologia das máquinas destinadas ao deslocamento de líquidos por escoamento denominadas de bombas Em vista disso as bombas de lóbulos tiveram um papel importante para esse progresso é uma bomba rotativa similar à bomba de engrenagem porém o seu dispositivo de trabalho são lóbulos certo disso vamos ver um pouco mais sobre as bombas de lóbulos Palavraschave Bombas Bombas de lóbulos Distribuição de água LISTA DE FIGURAS Figura 1 Picota e Sarilho 7 Figura 2 Bomba de Lóbulos 9 Figura 3 Vista explodida de uma Bomba de Lóbulos 12 Figura 4 Velocidade de saída de óleo de diferentes modelos e Pressão de óleo de modelo diferente 14 Figura 5 Energia cinética turbulenta de diferentes ângulos de pressão t025s 15 Figura 6 Diagrama vetorial de velocidade 16 Figura 7 Velocidade de saída de óleo de velocidade diferente e Pressão de saída de óleo de velocidade diferente 17 LISTA DE QUADROS Quadro 1 Os principais parâmetros da bomba de lóbulo 13 SUMÁRIO 1 OBJETIVOS 6 2 FUNDAMENTO TEÓRICO 6 21 Classificação das Bombas Visão Geral 8 22 Tipos de Bomba 8 23 Bomba Rotativas 9 24 Princípio de funcionamento 10 25 Componentes de uma bomba rotativa 11 251 Câmara 11 252 Corpo11 253 Placas ou Tampas11 253 Conjunto rotativo 11 254 Selos 11 255 Mancais 12 256 Sincronizadores 12 257 Válvulas de Alívio 12 3 TRABALHOS RECENTES PUBLICADOS 13 4 RESULTADOS 17 5 CONCLUSÃO 18 6 SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS 18 REFERÊNCIAS 18 6 1 OBJETIVOS Este trabalho tem como objetivo estudar as bombas de lóbulos aprimorar todo o conhecimento visto na disciplina colocando em prática para o determinado tema assim estar ciente do seu funcionamento e de suas especificações Ainda como objetivos específicos os seguintes tópicos O estudo da engenharia para bomba de lóbulos ciente dos seus componentes e de seus respectivos funcionamentos Tendo em vista as Bombas de Lóbulos pesquisar suas novas linhas de pesquisa e desenvolvimento Pesquisar também as principais características das bombas de lóbulos e curiosidades sobre a mesma juntamente com artigo cientifico 2 FUNDAMENTO TEÓRICO A primeira razão para o ser humano necessitar de uma bomba foi a agricultura Embora a agricultura esteja em prática há mais de 10000 anos os primeiros registros que temos de irrigação são devidos aos egípcios Inicialmente transportavam a água em potes mas cerca de 1500 aC apareceu a primeira máquina de elevação de água a picota Posteriormente apareceram o sarilho usado para elevar um balde a nora e a roda persa Todas estas máquinas eram movidas por trabalho humano ou animal O sarilho é empregado ainda hoje no abastecimento de água Um dos tipos mais antigos de bomba foi o Parafuso de Arquimedes empregado por Senaqueribe Rei da Assíria para a irrigação dos Jardins Suspensos da Babilônia e Nínive no século VII aC e posteriormente descritas em maior detalhe por Arquimedes no século III aC 7 Figura 1 Picota e Sarilho Fonte Google Imagens 2022 As bombas alternativas a pistão ou êmbolo já eram do conhecimento dos gregos e dos romanos Ctesibius por volta de 250 aC inventou uma bomba alternativa movida por uma roda dágua construída por seu discípulo Hero de Alexandria No Museu Arqueológico Nacional de Espanha em Madri há uma bomba alternativa duplex de acionamento manual fabricada entre os séculos I e II dC Esta bomba foi encontrada na mina de SotielCoronada en Calañas Andaluzia Espanha No século XIII dC alJazari descreveu e ilustrou diversos tipos de bombas entre outras a bomba alternativa o burrinho a vapor a bomba de sucção e a bomba de pistão As bombas cinéticas embora fruto de conceitos muito antigos só vieram a ser construídas para uso real no início do século XIX O inventor francês Denis Papin construiu uma bomba de ar em fins do século XVII mas carecia de um acionador adequado O nome deste aparelho fole de Hesse é uma homenagem ao patrono de Papin à época o príncipe de Hesse Segundo Netto 1989 as bombas seguiram quatro etapas evolutivas sendo elas as de roda dágua espirais de êmbolo e centrífugas Sucessivamente aperfeiçoadas em cada uma dessas fases chegaram ao estágio em que hoje presenciamos 8 21 Classificação das Bombas Visão Geral De acordo com o sistema de bordo temos que levar em consideração o tipo de bomba a vazão o raio de sucção material empregado diâmetro das linhas entre outros fatores Há uma ampla variedade de aplicações e critérios para se empregar uma bomba a bordo Critérios de Classificação Princípio ou tipo de atividade Características de construção tipo de impelidor e sua respectiva montagem forma da carcaça Uso ou área de aplicação Tipo de acoplamento ou transmissão Material da bomba 22 Tipos de Bomba Há inúmeras classes e categorias de bombas de acordo com a variação de processos e necessidades de cada arranjo Economicamente as maneiras mais simples de se transportar um líquido de um ponto a outro podem ser ordenadas da seguinte maneira Centrífugas Rotativas e Alternativas Esses três tipos de bombas são largamente utilizados a bordo cada uma com suas particularidades Devido ao tipo de fluido bombeado bem como o raio de sucção há outros fatores e características que devem ser levados em consideração ao realizar uma instalação Escorva Resistência à abrasão Elementos de controle Variação de fluxo Viscosidade Densidade Corrosão 9 Neste trabalho abordaremos somente o tipo de bomba rotativa que são aquelas que a cada ciclo deslocam um determinado volume sendo divididas em duas classes principais alternativas e rotativas Podem ser designadas por de engrenagem externa e interna lóbulos e palhetas O fluido é transportado pelas engrenagens passando pelas pequenas interferências e atingindo o outro bordo da carcaça sendo arrastado pelo dente da engrenagem em seu movimento de rotação Figura 2 Bomba de Lóbulos Fonte Viking Pumps 2022 23 Bomba Rotativas A bomba rotativa é uma máquina de deslocamento positivo O líquido é preso obrigandoo a rodear a carcaça forçando a sua saída através da câmara de descarga diferentemente de uma bomba centrífuga Oferece fluxo constante de líquido ao contrário de uma bomba alternativa Possuem tolerâncias relativamente baixas Em sua grande maioria não incorporam válvulas ou canais complexos sendo bastante eficiente em líquidos de alta viscosidade À medida que as engrenagens giram provocam uma depressão no lado de entrada chamada de câmara de sucção da bomba fazendo com que o líquido seja admitido Da câmara de sucção o líquido é transportado através dos espaços compreendidos entre os dentes das engrenagens e a parede interna da carcaça até a câmara de pressão na descarga da bomba situada numa posição oposta ao lado de admissão O engrenamento dos dentes na parte central 10 da bomba impede a comunicação entre a câmara de pressão e a câmara de sucção A pressão de saída do líquido será maior ou menor dependendo da resistência encontrada pelo fluxo hidráulico ao longo da tubulação de descarga e da pressão a vencer ou seja da altura de elevação manométrica As bombas de rotativas combinam a característica de fluxo contínuo das bombas centrífugas com a característica da invariabilidade da vazão em função da pressão de descarga das bombas alternativas de pistão com a vantagem adicional de não possuírem válvulas 24 Princípio de funcionamento As bombas de deslocamento positivo liberam um determinado volume de fluido de acordo com a velocidade do sistema Quando a saída se fecha a pressão aumenta e o fluxo da bomba deve ser dirigido para outro lugar de maneira que se evite a sobrepressurização Para proteger a bomba em algumas instalações o fluido é aliviado por um bypass alívio ou por meio da recirculação dentro da própria bomba retornando parte do fluido para a câmara de sucção As bombas rotativas de transportam teoricamente o mesmo volume de líquido para cada giro dos elementos rotativos independentemente da altura total de elevação manométrica da velocidade de rotação e das propriedades físicas do líquido transportado Na prática este volume é ligeiramente reduzido em razão das perdas por fugas entre os elementos e a carcaça pela presença de ar ou gases no líquido bombeado ou mesmo pelo retorno à câmara de sucção de uma pequena parcela de líquido que fica retido na reentrância entre dentes já que o volume deste vão é maior que o do dente que ali penetra durante o engrenamento As perdas por fugas levadas em consideração pelo rendimento volumétrico tendem a aumentar com o aumento da diferença de pressão entre a descarga e a admissão com a redução da viscosidade do líquido a ser bombeado e com o aumento da folga entre rotor e carcaça Um aumento nessa folga implica num aumento ao cubo da vazão de fuga 11 25 Componentes de uma bomba rotativa 251 Câmara É o espaço onde o líquido bombeado fica contido O líquido pode entrar ou sair da bomba por uma ou mais conexões 252 Corpo É a parte que rodeia os elementos da bomba Chamado também de invólucro 253 Placas ou Tampas São as partes que separam as extremidades do corpo para formar a câmara Podem ser chamadas de tampas Elementos extremamente importantes para o bom funcionamento do sistema pois grande parte das perdas de pressão pode ocorrer em razão da inobservância de arranhados ou marcas prejudicando na vedação da bomba 253 Conjunto rotativo O conjunto rotativo em geral inclui todas as partes doa bomba que rodam quando a bomba está a funcionar O rotor é a parte específica do conjunto rotativo que gira dentro da câmara Rotores podem ter nomes específicos de acordo com o tipo de bomba rotativa tais como engrenagens parafusos e lóbulos O eixo de acionamento transfere o torque e a velocidade do motor para o rotor 254 Selos As vedações da bomba são de dois tipos estática e dinâmica Estáticos proporcionam uma vedação de líquido justa e hermética entre partes estacionárias removíveis da câmara Vedações dinâmicas são usadas entre as câmaras e elementos móveis como eixos e extensões 12 255 Mancais Podem ser luvas rolamentos de esfera ou roletes Vedação externa ou interna 256 Sincronizadores Se a referida bomba for de múltiplos rotores o torque é transmitido por engrenagens sincronizadoras 257 Válvulas de Alívio A pressão na saída pode tornarse prejudicialmente alta se a descarga da bomba estiver obstruída ou bloqueada As válvulas de alívio são usadas para limitar a pressão abrindo assim uma passagem auxiliar a uma pressão predeterminada que vai evitar uma falha catastrófica para a bomba A válvula pode ser integral com a carcaça tampa ou montada em separado Figura 3 Vista explodida de uma Bomba de Lóbulos Fonte NETZSCH Pumps Systems 2022 13 3 TRABALHOS RECENTES PUBLICADOS O trabalho selecionado é o paper Simulação de fluxo dos efeitos do ângulo de pressão para características de malha do rotor da bomba de lóbulo publicado em 2013 o trabalho selecionado se concentra na bomba de lóbulo de perfil bidimensional e apresenta os perfis do rotor envolvente e a equação do parâmetro do ângulo de pressão Na pesquisa foi usado geometria e duas características de malha de rotor para estabelecer modelos de bomba de lóbulo de diferentes ângulos de pressão Monitorou a pressão da bomba de lóbulo e a velocidade da seção transversal de entrada e saída Foi usado o modelo de turbulência KEpsilon e as malhas dinâmicas para calcular o campo de fluxo de turbulência bidimensional da bomba de lóbulo e obtiveram a imagem de pulsação de pressão e velocidade de diferentes modelos e velocidades As análises foram feitas em cima de um método de cálculo numérico e seus parâmetros podem ser observados no quadro abaixo Quadro 1 Os principais parâmetros da bomba de lóbulo Modelo Raio de Inclinação R mm Ângulo de pressão 𝛼 grau Raio de Base 𝑟𝑗mm Raio de adendo e círculo dedendo 𝑟0mm Um 40 40 2469 2405 Dois 40 45 2430 2220 Três 40 50 2571 2018 Fonte Y B Li K Jia Q W Meng H Shen and X H Sang 2013 Quando o ângulo de pressão se torna diferente a equação involuntária e o raio do círculo da base mudarão causando mudanças no perfil do rotor Aqui selecione diferentes ângulos de pressão correspondentes aos modelos de rotor são configurados 14 Com base na teoria acima os parâmetros dos modelos são mostrados no Quadro 1 Como os dois rotores da bomba de lóbulo e a parede da bomba não estão em contato um com o outro no trabalho prático todas as folgas dos modelos foram definidas como 04 mm No início da simulação da bomba de lóbulo a flutuação é aguda Com a computação em andamento o desempenho da bomba de lóbulo está se tornando estável após 1000 etapas iterativas toda as curvas ficam estáveis conforme pode ser observado na figura 4 Como os dois rotores são sem contato e a folga muda com o período cíclico no processo de engrenamento assim a velocidade de saída e a pressão de entrada mudam em períodos cíclicos O período cíclico referese à velocidade do rotor com referência à figura a velocidade de saída mostra flutuações cíclicas Com o aumento do ângulo de pressão a velocidade média de saída diminui obviamente O fluxo de saída tem relação direta com a velocidade de saída A velocidade é maior o fluxo é maior Quando o ângulo de pressão é de 40 o fluxo de saída é o máximo Três modelos têm flutuação de velocidade semelhante Isso mostra que o ângulo de pressão não é o principal fator de influência da flutuação da velocidade Figura 4 Velocidade de saída de óleo de diferentes modelos e Pressão de óleo de modelo diferente Fonte Y B Li K Jia Q W Meng H Shen and X H Sang 2013 O ruído é causado pela pulsação da pressão no andamento do trabalho da bomba de lóbulo a b 15 Conforme mostrado na figura 4 a mudança do ângulo de pressão tem grande efeito na pressão de absorção do óleo Quando o ângulo de pressão é de 40 a pressão de absorção de óleo é máxima Quando o ângulo de pressão é de 50 a pressão é a mínima Com o aumento da pressão de absorção de óleo a amplitude da pulsação da pressão aumenta com referência à figura 4 a e 4 b quando o ângulo de pressão é de 45 a bomba de lóbulo tem boa propriedade abrangente Portanto o ângulo de pressão não deve selecionar muito grande ou muito pequeno no projeto dos perfis do rotor Figura 5 Energia cinética turbulenta de diferentes ângulos de pressão t025s Fonte Y B Li K Jia Q W Meng H Shen and X H Sang 2013 Quando a bomba de lóbulo atinge o estado estacionário a energia cinética turbulenta de diferentes modos de ângulo de pressão em t é 025s é mostrada na figura 5 A energia cinética turbulenta média na entrada é baixa A turbulência está concentrada na depuração e na saída Com o aumento do ângulo de pressão a turbulência máxima o valor da energia cinética diminui Conforme mostrado na figura 6 com os limites de dois rotores o movimento síncrono inverso e condições de contorno O meio tem grande velocidade instantânea ao entrar e sair da bomba de lóbulo e a pulsação de velocidade aparece como mostrado no ponto A e no ponto C Quando o meio entra na bomba de lóbulo algumas partes têm vórtices como mostrado no ponto B É causada pela ação de rotores e deficiência de energia 16 Ao projetar a bomba de lóbulo devese evitar a fração dos rotores e a parede da bomba de lóbulo Portanto deixar alguma folga entre os rotores e a parede da bomba Conforme mostrado na figura 6 no ponto E e no ponto B tem vazão média Isso mostra que o vazamento apareceu na folga Vórtices e vazamentos causam deficiência de energia e reduzem a eficiência Figura 6 Diagrama vetorial de velocidade Fonte Y B Li K Jia Q W Meng H Shen and X H Sang 2013 Foram selecionadas três velocidades diferentes que afetam o desempenho da bomba de lóbulo são elas 300 rpm 420 rpm e 540 rpm Conforme figura 7 com a mudança de velocidade do rotor a velocidade de saída é flutuações cíclicas após os modelos ficarem estáveis Quando a velocidade é 540 rpm a velocidade média de saída é alta e a amplitude de flutuação é grande Enquanto a velocidade é 300 rpm a velocidade de saída é baixa e a velocidade média de saída também é baixa isso mostra que o meio de saída tem alguma flutuação de velocidade Com o aumento da velocidade dos rotores a velocidade média de saída aumenta A velocidade do aumento da amplitude de flutuação leva a um grande fluxo de saída e pulsação Enquanto a velocidade aumenta até certo ponto a mudança do fluxo de saída não é óbvia 17 Figura 7 Velocidade de saída de óleo de velocidade diferente e Pressão de saída de óleo de velocidade diferente A mudança de velocidade tem uma influência óbvia na velocidade de saída Conforme mostrado na figura 7 b as diferentes velocidades têm grande influência na pulsação da pressão de absorção do óleo Quando a velocidade é de 300 rpm a pressão de absorção de óleo é baixa e a pulsação de pressão é muito pequena Isso mostra que com o aumento da velocidade do rotor a pressão de absorção do óleo de entrada e a amplitude de pulsação da pressão estão aumentando Quando a velocidade aumenta até certo ponto a pressão de absorção de óleo não aumenta 4 RESULTADOS Os resultados encontrados no paper foram que ângulo de pressão tem grande influência na velocidade conforme ele é aumentado a velocidade de produção diminui Porém a pressão de absorção de óleo tem pouca relação com o ângulo de pressão pois quando o ângulo de pressão é de 40 a pressão de absorção de óleo é máxima e pulsação de pressão é a máximo também Quando a pressão é de 45 a propriedade abrangente da bomba de lóbulo é máxima Quando é exposto em diferentes condições de trabalho com o aumento da velocidade do rotor a velocidade de saída e a pressão de absorção de óleo de entrada aumentaram evidentemente entretanto a pulsação é muito mais aparente Quando a velocidade aumenta até certo ponto a velocidade de saída e a pressão de absorção de óleo não aumentam O fluído na área do vórtice requer quantidade de energia Esta energia vem do fluido principal o que torna a b 18 a perda de energia principal Assim este fenômeno pode reduzir a eficiência da bomba de lóbulo 5 CONCLUSÃO Foi estudado os principais pontos das Bombas de Lóbulos que são muito utilizadas nas áreas alimentícias e farmacêuticas é uma bomba ideal para manipular todo o tipo de líquidos tanto de baixa como de alta viscosidade e para satisfazer as necessidades de filtração e de engarrafamento As pressões atingidas pela bomba chegam aos valores de até 15 MPa com vazões normalmente de 1 a 250 m³h A faixa de rotações vai de 100 a 1000 rpm Com isso foi possível conhecer as mais diferentes formas de aplicação da bomba no mercado hoje em dia 6 SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS Sugestões para os trabalhos futuros é investigar numericamente a dinâmica dos fluidos das bombas de lóbulo e fatores típicos que podem impactar no desempenho da bomba incluindo o perfil da superfície do rotor número de lóbulos tamanho da lacuna entre o rotor e a carcaça e folga entre dois rotores REFERÊNCIAS Alves MF A importância das Bombas nas instalações navais Trabalho de conclusão de curso Curso de Aperfeiçoamento para oficias de máquinas APMA Centro de Instrução Almirante Graça Aranha Rio de Janeiro p 53 2015 Disponível em httpwwwredebimdphdmmarmilbrvinculos000009000009d5pdf Acesso em 09 de fev de 2022 Netzsch Bomba de lóbulos rotativos TORNADO Disponível em httpswwwnetzschcombruploaddownloadTORNADOC2AE20TSANO20PT pdf Acesso em 09 de fev 2022 Seltov Bombas Bomba de lóbulos Disponível em httpwwwseltovcombrbombaslobuloshtml Acesso em 08 de fev 2022 Procel Indústria Bombas Guia Básico 2009 Disponível em httparquivosportaldaindustriacombrappconteudo18201404226281Bombaspdf Acesso em 08 de fev 2022 19 Y B Li K Jia Q W Meng H Shen and X H Sang Flow simulation of the effects of pressure angle to lobe pump rotor meshing characteristics School of Energy and Power Engineering Lanzhou University of Technology Lanzhou Gansu 730050 China China p 8 2013 Disponível em httpsiopscienceioporgarticle1010881757 899X523032022pdf Acesso em 09 de fev de 2022