Ninguém consegue escolher a bomba certa enquanto a tarefa não for definida em números. «Transferir algum solvente para o depósito diário» não é uma especificação — uma curva de desempenho da bomba, sim. Antes de se poder selecionar uma bomba centrífuga ou de vórtice, é necessário calcular três valores: qual é o caudal necessário para o processo, qual é a altura manométrica que a bomba deve gerar para fornecer esse caudal e qual é a pressão de sucção disponível para que a bomba não entre em cavitação. Se estes três valores estiverem corretos, a seleção é simples. Se a altura manométrica estiver errada, ou se se ignorar a verificação da pressão de sucção, acaba-se por ficar com uma bomba que aquece, entra em cavitação ou nunca atinge o caudal pretendido.
Este artigo explica o processo de cálculo tal como o realizamos quando um cliente nos envia um pedido de informação — primeiro o caudal, depois a altura manométrica total, seguidamente o NPSH e, por fim, a potência necessária para o motor —, incluindo as fórmulas, um exemplo completo passo a passo que pode copiar e os erros de dimensionamento que causam a maioria dos problemas. O método aqui apresentado destina-se a bombas rotodinâmicas (centrífugas e de vórtice); as bombas de deslocamento positivo são dimensionadas com base em critérios diferentes, conforme indicado no final.
Os três números que definem o ponto de serviço
O ponto de funcionamento de uma bomba é o ponto em que esta tem de funcionar, e são necessários três parâmetros para o determinar:
● Caudal (Q) — o volume de que o processo necessita por unidade de tempo, em m³/h ou L/min (ou GPM).
● Altura dinâmica total (TDH, ou H) — a energia total que a bomba tem de fornecer para movimentar esse caudal, expressa em altura de líquido, em metros (ou pés).
● Altura de sucção positiva disponível (NPSHa) — qual é a pressão absoluta disponível na entrada da bomba acima da pressão de vapor do fluido, o que determina se a bomba entra em cavitação.
O caudal e a altura manométrica determinam em conjunto o ponto na curva da bomba. O valor de NPSHa é comparado com o NPSH necessário da bomba, para garantir que a bomba escolhida funcionará efetivamente nesse ponto sem cavitação. A potência resulta do caudal e da altura manométrica e determina o motor. Calcule-os por esta ordem.
Caudal: Comece pelo processo
O caudal é normalmente determinado pelo processo, e não pela bomba. Um circuito de permutador de calor necessita de uma determinada taxa de circulação para transportar o calor; uma linha de enchimento precisa de encher um recipiente num determinado tempo; uma operação de transferência precisa de esvaziar um camião-cisterna durante um turno. Calcule a taxa que o processo realmente requer e utilize a procura de pico, e não a média, caso haja diferença entre ambas. Uma advertência: não aumente o caudal «por precaução». Um valor de caudal sobredimensionado aumenta a altura manométrica, o consumo de energia e o tamanho da bomba, colocando-a na parte errada da sua curva de desempenho. Dimensiona a bomba de acordo com a necessidade real e utiliza um variador de velocidade se a procura variar.
Altura dinâmica total: o valor que as pessoas costumam interpretar mal
A altura manométrica total é o aspeto em que mais frequentemente se comete erros no dimensionamento das bombas, porque as pessoas têm em conta apenas a altura estática e esquecem o resto. O quadro completo inclui quatro componentes:
TDH = altura estática + altura de atrito + altura de pressão + altura de velocidade
● Altura estática — a diferença de altura vertical entre a superfície do líquido de sucção e a superfície do líquido de descarga. Esta é a parte de que a maioria das pessoas se lembra.
● Altura de fricção — a energia perdida devido ao atrito nas tubagens de sucção e descarga, nas válvulas e nos acessórios. Aumenta com o quadrado do caudal, pelo que cresce rapidamente em tubagens longas ou subdimensionadas, e pode ser consultada em tabelas de perdas por atrito ou calculada através dos métodos de Darcy-Weisbach ou Hazen-Williams, tendo em conta o diâmetro, o comprimento e os acessórios da tubagem.
● Altura manométrica — apenas se o reservatório de sucção ou de descarga estiver pressurizado ou sob vácuo. Converta a diferença de pressão numa altura de líquido: altura manométrica em metros = pressão (kPa) ÷ (ρ × 9,81). No caso de reservatórios abertos em ambas as extremidades, este termo é igual a zero.
● Cabeça de velocidade — a energia cinética do fluido em movimento, V²/2g. A velocidades normais nas condutas, este valor é pequeno e, na maioria dos cálculos de dimensionamento, é ignorado.
Some as partes e obterá a altura manométrica que a bomba deve gerar ao caudal exigido. O maior erro de dimensionamento é basear-se apenas na altura manométrica estática: uma bomba dimensionada com base na elevação de 16 m do exemplo abaixo, ignorando os 5 m de atrito, ficaria cerca de 5 m aquém da altura manométrica necessária e nunca atingiria o seu caudal de projeto.
Um exemplo passo a passo, do início ao fim
Considere um caso prático: transferir 20 m³/h de um solvente orgânico, com densidade de 0,87 e pressão de vapor de cerca de 12 kPa a 30 °C, num local próximo do nível do mar (pressão atmosférica de 101 kPa). A superfície do tanque de sucção situa-se 2 m acima da bomba (sucção submersa); a superfície do tanque de descarga situa-se 18 m acima da bomba; ambos os tanques estão abertos à atmosfera. O atrito na conduta de sucção é de 0,6 m e o atrito na conduta de descarga é de 4,5 m para este caudal. Aqui está o cálculo completo:
| Quantidade | Valor | Como |
| Caudal necessário (Q) | 20 m³/h | Procura de processos |
| Altura estática | 16 m | Superfície de descarga 18 m – superfície de sucção 2 m |
| Altura de fricção (aspiração + descarga) | 5,1 metros | 0,6 + 4,5, segundo as tabelas de atrito |
| Altura manométrica | zero metros | Ambos os reservatórios são atmosféricos |
| Altura dinâmica total (TDH) | Vinte e um vírgula um metros | 16 + 5,1 |
| Altura manométrica (Ha) | 11,8 metros | 101 kPa ÷ (870 × 9,81) |
| Pressão estática de sucção (Hz) | Dois metros | Aspiração submersa, nível da água acima da bomba |
| Atrito de sucção (Hf) | 0,6 metros | Apenas linha de sucção |
| Alto-pressão de vapor (Hvp) | um ponto quatro metros | 12 kPa ÷ (870 × 9,81) |
| NPSH disponível | 11,8 metros | 11,8 + 2 − 0,6 − 1,4 |
| NPSH necessário (segundo a curva) | 3,0 m | Fabricante, a 20 m³/h |
| Margem NPSH | 8,8 metros | 11,8 − 3,0 → seguro |
| Energia hidráulica | 1,0 kW | 20 × 21,1 × 0,87 ÷ 367 |
| Potência no eixo (55 % de rendimento) | Um ponto oito quilowatts | 1,0 ÷ 0,55 |
| Motor (tamanho imediatamente superior) | 2,2 kW | Potência no eixo mais margem |
O ponto de funcionamento é de 20 m³/h a 21,1 m; a sucção é segura, com uma margem de NPSH de quase 9 m; e o motor tem 2,2 kW. As secções seguintes explicam as linhas de sucção e de potência com mais pormenor.
NPSH: A bomba irá sofrer cavitação?
A cavitação ocorre quando a pressão na entrada da bomba desce abaixo da pressão de vapor do fluido: formam-se bolhas de vapor que, em seguida, colapsam violentamente no interior da bomba, corroendo o impulsor e os rolamentos e fazendo tremer toda a máquina. A válvula de retenção de sucção existe para evitar isso. O NPSH disponível é o valor que o sistema oferece na entrada, calculado em termos absolutos:
NPSHa = Ha + Hz − Hf − Hvp
Ha é a pressão absoluta na superfície do líquido, expressa como altura manométrica (pressão atmosférica à altitude do local); Hz é a altura manométrica estática de sucção, positiva no caso de sucção inundada e negativa no caso de sucção com elevação; Hf é o atrito na conduta de sucção; e Hvp é a pressão de vapor do fluido, expressa como altura manométrica. Há dois aspetos que costumam confundir as pessoas. O NPSH é sempre calculado em pressão absoluta, porque a pressão de vapor é uma propriedade absoluta e a altura de velocidade não é incluída. O NPSH necessário (NPSHr) é a outra metade — é uma propriedade da bomba, lida na curva do fabricante ao caudal de funcionamento, e aumenta com o caudal; por isso, verifique-o sempre ao caudal máximo, e não ao caudal médio.
A regra é que o NPSHa deve exceder o NPSHr com uma margem. O Hydraulic Institute recomenda um NPSHa de, pelo menos, 1,5 vezes o NPSHr, ou o NPSHr mais cerca de 0,6 a 1 m, consoante o que for maior. Os fluidos quentes próximos do seu ponto de ebulição e os locais a grande altitude reduzem rapidamente o NPSHa, e a altura de sucção agrava ainda mais a situação — na prática, a altura de sucção raramente excede os 4 a 5 m, mesmo que a pressão atmosférica possa, em teoria, suportar cerca de 10 m de água fria. Se a margem for reduzida, eleve o nível da fonte, encurte e alargue a linha de sucção ou arrefeça o fluido. Aprofundamos o tema do lado da sucção e as soluções no nosso prevenção da cavitação da bomba página.
Potência e dimensão do motor
A potência resulta do caudal e da queda. A potência hidráulica — o trabalho útil transmitido ao fluido — é:
Potência hidráulica (kW) = Q × H × SG ÷ 367, sendo Q expresso em m³/h e H em metros.
Esse é o valor teórico. A potência no eixo (ou potência absorvida) que o motor tem efetivamente de fornecer é superior, uma vez que nenhuma bomba tem 100% de eficiência: potência no eixo = potência hidráulica ÷ eficiência da bomba. No exemplo, 1,0 kW de potência hidráulica com uma eficiência da bomba de 55% corresponde a cerca de 1,8 kW no eixo, pelo que o tamanho de motor imediatamente superior — 2,2 kW — proporciona uma margem razoável. Duas regras garantem a precisão deste cálculo. Dimensiona o motor para o pior caso na curva, uma vez que a potência absorvida aumenta com o caudal; por isso, verifica-a no caudal máximo que a bomba possa atingir, e não apenas no ponto de funcionamento. E não exagere na margem de segurança: um motor sobredimensionado desperdiça energia a cada hora que funciona e constitui um clássico caso de falsa economia. A própria eficiência da bomba é mais elevada perto do ponto de melhor eficiência (BEP), que é o próximo aspeto a acertar — consulte o nosso eficiência das bombas centrífugas industriais guia.
Erros comuns na escolha do tamanho
A maioria dos problemas de dimensionamento deve-se a um pequeno número de atalhos:
● Utilizando apenas a altura estática. Esquecer a altura manométrica de atrito é o erro clássico e faz com que a bomba não atinja o caudal nominal.
● Aumentar o caudal ou a queda «por precaução». Fatores de segurança arbitrários afastam a bomba do seu ponto de máxima eficiência, desperdiçam energia e aceleram o desgaste. A escolha de uma bomba sobredimensionada é a opção menos segura, e não a mais segura.
● Ignorar a verificação do NPSH. Uma bomba que pareça adequada em termos de caudal e altura manométrica continuará a sofrer cavitação se a sucção nunca tiver sido verificada.
● Verificação do NPSH e da potência apenas no ponto de funcionamento. Tanto o NPSHr como a potência absorvida aumentam com o caudal; por isso, verifique-os no caudal máximo.
● Dimensão insuficiente da tubagem de sucção. Uma tubagem de sucção de diâmetro reduzido aumenta o atrito precisamente onde o NPSH é reduzido.
● A funcionar muito longe do ponto de equilíbrio (BEP). Procure uma bomba que funcione a cerca de 80–110 % do seu ponto de máxima eficiência ao caudal de serviço.
● Sem ter em conta a densidade e a viscosidade. Um fluido mais denso requer mais potência para a mesma altura manométrica, e um fluido viscoso altera tanto o atrito como o desempenho da bomba.
Do ponto de serviço à bomba
Com o caudal, a altura manométrica e o NPSHa disponíveis, pode selecionar a bomba. A curva de funcionamento indica o tipo adequado: um caudal elevado com altura manométrica moderada é adequado para uma bomba centrífuga; uma altura manométrica elevada com caudal baixo é adequada para uma bomba de vórtice (turbina regenerativa), tema abordado no nosso Guia de seleção de bombas de vórtice industriais; as aplicações sem fugas ou em ambientes corrosivos apontam para uma construção sem vedantes, tema abordado no nosso guia de seleção de bombas de acionamento magnético. Os valores acima referem-se a bombas rotodinâmicas. Uma bomba de deslocamento positivo — uma bomba de engrenagens ou de palhetas, destinada a aplicações com fluidos viscosos ou que exijam uma dosagem precisa — é dimensionada de forma diferente: o seu caudal é determinado pelo deslocamento e pela velocidade, em vez de por uma curva de pressão-caudal, e a pressão do sistema corresponde à pressão contra a qual a bomba tem de trabalhar. A nossa Série de Bombas de Deslocamento Positivo e o Série de Bombas Químicas abordar essas opções e o conteúdo completo gama de bombas industriais abrange toda a gama.
Envie-nos o ponto de fixação e nós determinaremos o tamanho
Se preferir que o cálculo seja verificado em vez de ser feito de raiz, envie-nos o caudal, o esquema de sucção e descarga (alturas, dimensões e comprimentos das tubagens, acessórios), o fluido com a sua densidade, pressão de vapor e temperatura, bem como quaisquer pressões nos reservatórios. A nossa equipa de engenharia irá fornecer a altura manométrica total, a verificação do NPSH, a potência e uma bomba adequada — de acionamento magnético sem vedantes, de vórtice, centrífuga ou de deslocamento positivo — para a aplicação.
Fale com a nossa equipa: Contacto Aulank | WhatsApp: +86 13773157367 | E-mail: info@aulankpump.com
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