Bombas de deslocamento positivo
Parte I - Bombas Alternativas
Existem muitos projetos de bombas que se enquadram na categoria de deslocamento positivo, mas, na maioria das vezes, eles podem ser bem divididos em dois grupos básicos. O grupo alternativo opera via pistões, êmbolos ou diafragmas, enquanto as bombas rotativas usam engrenagens, lóbulos, parafusos, palhetas e ação peristáltica. Seu segmento comum de projeto é que a energia é adicionada ao fluido bombeado apenas periodicamente, onde, nas bombas dinâmicas, é adicionada continuamente.
BOMBAS DE PISTÃO E êmbolo
A bomba de pistão é uma das bombas alternativas mais comuns e, antes do desenvolvimento de acionadores de alta velocidade que aumentavam a popularidade das centrífugas, era a bomba de escolha para uma ampla gama de aplicações.
Hoje, eles são vistos com mais frequência em aplicações de pressão de fluxo baixo e moderada (até 2000 PSI). Seu primo próximo, a bomba de êmbolo, é projetado para pressões mais altas de até 40.000 PSI. A principal diferença entre os dois é o método de vedação dos cilindros. Em uma bomba de pistão, o sistema de vedação (anéis, gaxetas, etc.) é anexado ao pistão e se move com ele durante o curso. O sistema de vedação da bomba de êmbolo é estacionário e o êmbolo se move através dela durante seu curso.
As bombas alternativas funcionam com o princípio de que um sólido desloca um volume de líquido igual ao seu próprio volume. A figura à direita é a de uma bomba de pistão genérica de dupla ação. Se removêssemos as duas válvulas no lado esquerdo da figura e as substituíssemos por uma extensão do cilindro, teríamos uma bomba de ação única. A bomba de ação simples descarrega água apenas no curso de avanço, enquanto a bomba de ação dupla também descarrega no curso de retorno. Durante o curso de sucção (direita para a esquerda), a válvula de descarga da bomba de ação simples se fecha e permite que o fluido entre no cilindro através da válvula de sucção. Quando o pistão muda de direção (alterna), a válvula de sucção fecha e a água é descarregada através da válvula de descarga. Na bomba de dupla ação, a mesma sequência ocorre durante os dois cursos e quase o dobro de fluido é descarregado por unidade de tempo.
Pressão
A cabeça criada por uma bomba centrífuga depende da velocidade que ela transmite ao fluido através de seu impulsor. Portanto, para qualquer diâmetro do impulsor e velocidade de rotação, a cabeça terá uma quantidade máxima e invariável. Não é o caso de bombas alternativas. Embora eles tenham uma classificação máxima de pressão operacional, a pressão máxima (P) atingida depende da aplicação.
Contra uma válvula de descarga fechada, a pressão é limitada apenas pela capacidade do acionador e pela resistência dos materiais empregados. Somente o "ponto de ruptura" de algum componente limitará a pressão de descarga. Portanto, alguma forma de alívio de pressão deve ser fornecida se uma aplicação for capaz de exceder a classificação de pressão da bomba.
Capacidade
A capacidade (Q) de uma bomba de pistão ou pistão de ação única é proporcional ao seu deslocamento (D) por unidade de tempo. O deslocamento é a capacidade calculada da bomba, assumindo 100% de eficiência hidráulica, e é proporcional à área da seção transversal do pistão (A), ao comprimento do (s) curso (s), ao número de cilindros (n) e à velocidade da bomba em rpm. Em galões por minuto, é:
D = (A xsxnx rpm) / 231
No caso de bombas de ação dupla, a área da seção transversal do pistão ou do êmbolo é dobrada e a área da seção transversal da haste do pistão (a) é subtraída. Novamente, em galões por minuto, D é:
D = ((2A - a) xsxnx rpm) / 231
Na vida real, a capacidade teórica de uma bomba de pistão ou êmbolo é temperada por vários fatores. Um é conhecido como deslizamento (S). O principal componente do escorregamento é o vazamento do fluido de volta através da válvula de descarga ou sucção quando ele está fechando (ou assentado). Pode reduzir o deslocamento calculado de 2 a 10%, dependendo do projeto e das condições da válvula. O aumento da viscosidade também afetará adversamente o escorregamento.
Outro fator importante que afeta a capacidade de uma bomba alternativa é algo chamado eficiência volumétrica (VE). A VE é expressa em porcentagem e é proporcional à razão entre o volume total de descarga e o deslocamento do pistão ou do êmbolo. A figura à direita ilustra como chegamos a essa proporção.
A razão (r) é mostrada como (c + d) / d onde d é o volume deslocado pelo pistão ou êmbolo ec é o volume adicional entre as válvulas de descarga e sucção. Quanto menor essa proporção, melhor a eficiência volumétrica. Expressa matematicamente, fica assim:
VE = 1 - (P xbxr) - S
onde P é pressão, b é o fator de compressibilidade do líquido, r é a razão de volume e S é deslizante. O fator de compressibilidade da água é bastante pequeno (3 x 10-6 polegadas por libra de pressão à temperatura ambiente), mas a pressões superiores a 10.000 PSI, ele se torna um fator.
A figura acima também ilustra claramente o princípio de operação do deslocamento volumétrico dessas bombas. Embora não exista uma parede do cilindro ao redor do êmbolo na parte inferior do curso, ele ainda desloca o fluido igual ao seu próprio volume. Agora, podemos finalmente declarar a capacidade real de uma bomba alternativa. É simplesmente:
Q = D x VE
Poder
A energia necessária para acionar uma bomba alternativa é bastante direta. É simplesmente proporcional à pressão e capacidade. Em potência de freio é:
bhp = (QXP) / (1714 X ME)
onde 1714 é o fator de conversão do bhp e ME é eficiência mecânica. A eficiência mecânica é a porcentagem de energia do acionador que não é perdida no quadro de energia da bomba e em outras peças alternativas. A eficiência mecânica de uma bomba de pistão ou êmbolo varia entre 80 e 95%, dependendo da velocidade, tamanho e construção.
BOMBAS DE DIAFRAGMA
As bombas de diafragma são bombas de deslocamento positivo alternativo que empregam uma membrana flexível em vez de um pistão ou êmbolo para deslocar o fluido bombeado. Eles são verdadeiramente autoescorvantes (podem escorvar a seco) e podem secar sem danos. Eles operam pelo mesmo princípio de deslocamento volumétrico descrito anteriormente. A figura à direita mostra o ciclo operacional de uma bomba de diafragma simples básica operada manualmente.
Se sua operação fosse mais simples, competiria com a gravidade. A parte superior da figura mostra o curso de sucção. A alça levanta o diafragma, criando um vácuo parcial que fecha a válvula de descarga, permitindo que o líquido entre na câmara da bomba através da válvula de sucção. Durante o curso de descarga, o diafragma é empurrado para baixo e o processo é revertido. As bombas manuais são projetadas para fornecer até 30 gpm a até 15 pés, mas a capacidade real é extremamente dependente das condições físicas do motorista. Unidades de ar, motor e acionamento de motor também estão disponíveis e oferecem capacidades de 130 gpm. A cabeça de sucção e descarga varia de 15 a 25 pés.
Você notará que, diferentemente dos pistões e êmbolos, os diafragmas não requerem um sistema de vedação e, portanto, operam sem vazamentos. Esse recurso, no entanto, impede a possibilidade de um design de dupla ação. Se for necessário um fluxo quase contínuo, geralmente é empregada uma bomba de diafragma duplo ou duplex. A figura abaixo é uma seção transversal de uma bomba de diafragma dupla pneumática.
A bomba de diafragma duplo utiliza um coletor comum de sucção e descarga unido a dois diafragmas rigidamente conectados por um eixo. O líquido bombeado reside na câmara externa de cada um, enquanto o ar comprimido é direcionado para e de suas câmaras internas. Na figura, a câmara direita acabou de completar o curso de sucção e, simultaneamente, a câmara esquerda completou o curso de descarga. Como seria de esperar, a verificação de sucção é aberta para que o líquido possa fluir para a câmara direita e a verificação de descarga da câmara esquerda é aberta para que o líquido possa fluir. Exceto pela configuração de câmara dupla, sua operação é como a bomba de pistão de ação dupla vista anteriormente. A diferença, é claro, reside nas câmaras internas e no método em que o movimento alternativo é mantido. Isso é realizado por uma válvula de distribuição de ar que introduz o ar comprimido em uma câmara do diafragma enquanto o exaure da outra. Após a conclusão do curso, a válvula gira 90 graus e ocorre reciprocidade.
Introduzi esta seção com a afirmação de que as bombas de diafragma são de deslocamento positivo na natureza. Geralmente, essa é uma declaração precisa, mas também pode ser chamada de deslocamento "semi" positivo. A razão para isso é a elasticidade do diafragma e uma redução correspondente na eficiência volumétrica à medida que a pressão de descarga aumenta. Além disso, o vazamento da válvula de retenção geralmente é significativamente maior do que o observado pelas bombas de pistão e pistão.
AFINIDADE
Embora tendamos a associar leis de afinidade a bombas centrífugas, outros dispositivos mecânicos também exibem essas relações "naturais". No caso de bombas de deslocamento positivo, as leis de afinidade são muito diretas.
Fluxo - O fluxo varia diretamente com a mudança de velocidade. Se a velocidade de rotação for dobrada, o fluxo também será dobrado.
Pressão - A pressão é independente de uma alteração na velocidade. Se ignorarmos as perdas de eficiência, a pressão gerada em qualquer velocidade de rotação será a necessária para suportar o fluxo.
Cavalos-força - Cavalos-força varia diretamente com uma mudança na velocidade. Se dobrarmos a velocidade de rotação, será necessário o dobro da energia.
NPSHr - A cabeça de sucção positiva líquida necessária varia conforme o quadrado de uma mudança na velocidade. Se dobrarmos a velocidade de rotação, o NPSHR aumentará em quatro.
