Acoplamento de Bombas

Teoria Completa

Introdução

Muitas vezes, não vai ter apenas uma bomba em uma instalação. O que vamos estudar nesse tópico é como se compartam as instalações com mais de uma bomba.

Antes de qualquer coisa, existem dois tipos possíveis de acoplamento das múltiplas bombas:

  • Acoplamento em série
  • Acoplamento em paralelo
  • O objetivo desses acoplamentos é

  • Acoplamento em série: fornecer maior carga
  • Acoplamento em paralelo: fornecer maior vazão

Bora ver melhor cada um deles.

Acoplamento em série

Nesse tipo de configuração, as bombas são conectadas em linha e um mesmo fluido vai passar por todas essas bombas; isto é, a vazão X que passa pela bomba 1 é a mesma que passa pela bomba 2 e assim por diante.

O objetivo desse tipo de acoplamento é fornecer maiores cargas à tal vazão de fluido do que uma bomba forneceria individualmente. A carga total fornecida é igual à soma das cargas que cada uma das bombas fornece.

H s é r i e = H 1 + H 2 + …

Quanto às curvas características, obtemos somando as cargas fornecidas por cada bomba para uma determinada vazão de processo.

Repara que:

  • O acoplamento em série “joga” a curva da carga fornecida pelas bombas para cima, em relação à uma bomba só.
  • Mesmo que as bombas sejam iguais, a carga fornecida por duas bombas, por exemplo, não será o dobro da fornecida por uma só.
  • A vazão no sistema está limitada pela menor vazão dentre as que cada bomba possa processar, já que não pode haver cavitação, então N P S H D > N P S H R sempre.

Acoplamento em paralelo

Nesse tipo de acoplamento, o sistema recebe uma vazão que é divida para as diversas bombas em paralelo.

O objetivo desse tipo de configuração é processar maiores vazões do que uma bomba apenas ou um conjunto em série poderia processar. Nesse sentido, é legal lembrar lá daquele gráfico de NPSHD e NPSHR versus vazão:

Há uma vazão limite que uma bomba pode processar para não cavitar, mas, caso queira processar uma vazão maior do que Q o p e r a ç ã o de uma bomba (limite de cavitação), posso dividir essa vazão entre mais de uma bomba e é esse o princípio do acoplamento em paralelo.

Q t o t a l = Q 1 + Q 2 + …

Um detalhe muito importante é que as cargas fornecidas por cada uma das bombas precisam ser praticamente iguais para não gerar problemas no escoamento.

Quanto à curva característica do sistema, esta é obtida somando as vazões passando por cada uma das bombas à uma carga constante.

Repara que:

  • O acoplamento em paralelo “joga” a curva característica para a direita.
  • Embora aumente a vazão processada, 2 bombas não vão dobrar a vazão de uma, por exemplo.

Expandir

Exercício Resolvido #1

Elaboração própria

Identifique em cada um dos casos abaixo qual tipo de acoplamento de bombas foi utilizado em uma fábrica que já possuía, inicialmente, uma bomba instalada.

  1. Visando aumentar a carga fornecida à uma corrente, instalou-se uma nova bomba de forma que a mesma corrente passe tanto pela bomba previamente existente como pela nova.
  2. Desejava-se aumentar a vazão de trabalho em uma fábrica e, para tal, instalou-se uma segunda bomba e dividiu-se a nova vazão em partes iguais. Cada uma destas partes passa apenas por uma das bombas.
  3. Desejava-se aumentar a vazão de trabalho em uma fábrica e, para tal, comprou-se uma bomba com maior vazão de operação para substituir a previamente usada.
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Passo 1

Então já há uma bomba na fábrica e temos que ver, caso a caso, qual tipo de acoplamento foi utilizado em cada um dos itens. Bora começar:

  1. Visando aumentar a carga fornecida à uma corrente, instalou-se uma nova bomba de forma que a mesma corrente passe tanto pela bomba previamente existente como pela nova.
  2. Foi utilizado acoplamento em série! Nesse tipo de configuração, as bombas são conectadas em linha e uma mesma corrente vai passar por todas essas bombas; isto é, a vazão X que passa pela bomba 1 é a mesma que passa pela bomba 2 e assim por diante. E é isso que o item descreveu :)

    Passo 2

  3. Desejava-se aumentar a vazão de trabalho em uma fábrica e, para tal, instalou-se uma segunda bomba e dividiu-se a nova vazão em partes iguais. Cada uma destas partes passa apenas por uma das bombas.
  4. Esse é o acoplamento em paralelo! Nesse tipo de configuração, o sistema recebe uma vazão que é divida para as diversas bombas em paralelo, no caso, 2.

    O objetivo desse tipo de configuração é processar maiores vazões do que uma bomba apenas ou um conjunto em série poderia processar.

    Passo 3

  5. Desejava-se aumentar a vazão de trabalho em uma fábrica e, para tal, comprou-se uma bomba com maior vazão de operação para substituir a previamente usada.

Na teoria vimos que tem dois tipos de acoplamentos:

  • em paralelo, quando se adiciona bomba e divide-se a vazão
  • em série, quando uma mesma corrente passa por mais de uma bomba

Massss, no caso desse item, NÃO há nenhum acoplamento! Apenas houve a substituição da bomba por uma com maior vazão de operação, permitindo assim trabalhar com maiores vazões sem que haja cavitação, isto é, garantindo

N P S H D > N P S H R

Resposta

  1. Acoplamento em série
  2. Acoplamento em paralelo
  3. NÃO foi utilizado acomplamento

Exercício Resolvido #2

Elaboração própria

Uma fábrica precisa bombear 10   m 3 / h de solvente para um reator. Sabe-se que esta é a vazão de operação da bomba. Por uma mudança no processo, essa vazão precisa subir para 1 5   m 3 / h . Dado que a fábrica possui uma bomba similar à já utilizada parada, o que você aconselharia ao diretor de operações?

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Passo 1

Bora pegar algumas informações importantes do enunciado. Ele disse que a bomba instalada opera com sua vazão de operação, então, NÃO se pode aumentar mais essa vazão, caso contrário, haveria cavitação.

Lembre que vazão de operação é quando N P S H D = N P S H R . Se aumentássemos mais a vazão, N P S H D < N P S H R e haveria cavitação.

Mas a fábrica precisa aumentar a vazão; vamos ter que usar essa bomba que está parada de alguma forma.

Passo 2

Nessa teoria, nós vimos dois tipos de acoplamento de bombas. Como nessa questão o objetivo é aumentar a vazão processada e nada foi dito sobre a carga (daí assume-se que NÃO se quer alterá-la), vamos precisar do acoplamento em paralelo.

Dessa forma, consegue-se processar a maior vazão que foi requisitada e permanecer sem cavitação.

Resposta

Usar acoplamento em paralelo.

Exercício Resolvido #3

Elaboração própria

Em uma instalação industrial, trocou-se o sistema de filtração de água utilizado por um mais eficiente. Entretanto, houve aumento da perda de carga no filtro, precisando-se fornecer mais carga ao líquido para permitir uma mesma vazão tratada. Como fornecer mais carga ao líquido?

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Passo 1

A gente precisa dar mais carga pra um certo líquido. O enunciado não falou nada se já está na vazão de operação (limite para não haver cavitação) ou não, mas não faz diferença porque ele diz que não pode mudar a vazão.

Mágica a bomba não vai fazer, então precisamos fazer um acoplamento de bombas. E, como queremos aumentar a carga mantendo a vazão constante, vamos usar o acoplamento em série.

Dessa forma, a carga total fornecida ao fluido, para tal vazão, será maior, como podemos ver em uma curva característica genérica:

Resposta

Usar acoplamento em série

Exercício Resolvido #4

Elaboração própria

Devido a mudanças no processo, uma bomba iria cavitar. Para evitar isso, foi colocada uma outra bomba (bomba 1) 300   m antes da entrada desta (bomba 2). Sabendo que a primeira bomba fornece 15   m de carga e a segunda fornece 10   m , calcule a mínima pressão que o líquido deve ter na entrada da bomba 1 para que não haja cavitação na bomba 2.

Dados:

  • A perda de carga total entre as duas bombas é h L T = 27   m
  • A tubulação possui diâmetro constante e o escoamento é turbulento.
  • As duas bombas estão localizadas no chão.
  • Em teste realizado na planta, um engenheiro afirma que para não cavitar, nas condições de operação, a pressão na entrada da segunda bomba precisar ser x   P a .
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Passo 1

Primeiro bora visualizar melhor a situação. Vou chamar a bomba original de 2 e a bomba adicional de 1.

Para sabermos se a bomba 2 irá ou não cavitar, precisamos saber o N P S H D na entrada dela; caso N P S H D < N P S H R , haverá cavitação. Essa informação vai surgir de um balanço de energia. Masssss o engenheiro do enunciado já facilitou a nossa vida e disse que, nas condições de operação do projeto, é necessário que:

p 2 = x

Temos que calcular a pressão do fluido na entrada da bomba 1 (vai ser nosso ponto 1) e precisamos avaliar como o fluido está na entrada da bomba 2 (vai ser o ponto 2). Fazendo balanço de energia entre esses dois pontos:

W S g + p 1 ρ g + α 1 V 1 2 2 g + z 1 - p 2 ρ g + α 2 V 2 2 2 g + z 2 = h L T

Agora vem as simplificações:

  • Como o diâmetro da tubulação é constante:
  • V 1 = V 2

  • Como o escoamento é turbulento:  
  • α 1 = α 2 ≈ 1

  • Já que as duas bombas estão localizadas no chão:

z 1 = z 2 = 0

Daí a equação fica:

W S g + p 1 ρ g - p 2 ρ g = h L T

E esse W S g , que é o H , é a carga fornecida pela bomba 1, já que esta é a que está no nosso volume de controle. Isto é:

H = 15   m

15   m + p 1 ρ g - p 2 ρ g = h L T

“E onde eu uso a carga 10   m ?” Em lugar nenhum, já que a bomba 2 não está no nosso volume de controle.

Passo 2

Há perda de carga entre as bombas, mas o enunciado já deu que h L T = 27   m . Também sabemos que p 2 = x   P a . Substituindo esses valores na equação simplificada:

15   m + p 1 ρ g - x ρ g = 27   m

O que queremos é p 1 , então bora isolá-lo:

p 1 ρ g = 27   m - 15   m + x ρ g

p 1 ρ g = 12   + x ρ g

p 1 = 12 ρ g   + x   P a

Não temos o valor da densidade, então vamos deixar a resposta em função dela mesmo.

Resposta

p 1 = 12 ρ g   + x   P a

Exercício Resolvido #5

Elaboração própria

Em uma indústria havia apenas uma bomba centrífuga, por qual passava uma corrente aquosa. A curva desta bomba é representada em preto. Decidiu-se adquirir outra bomba idêntica e realizar acoplamento de bombas. A curva proveniente do acoplamento é representada em vermelho.

  1. Identifique qual tipo de acoplamento foi utilizado
  2. Identifique a vazão de fornecimento livre com e sem utilização do acoplamento
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Passo 1

A questão conta uma história meio repeteco ao longo dos exercícios desse tópico haha É uma instalação qualquer que, inicialmente, tinha apenas uma bomba, mas depois adiciona outra bomba. Mas vamos ao que interessa:

  1. Identifique qual tipo de acoplamento foi utilizado
  2. Pelo gráfico H   v e r s u s   Q fornecido, vemos que quando a segunda bomba passa a ser utilizada, NÃO ocorre aumento de carga fornecida para uma dada vazão, mas sim o aumento da vazão de fornecimento livre. Isso indica que se usou acoplamento em paralelo!

    Pode-se, então, trabalhar com maiores vazões sem que ocorre cavitação, mantido o sistema. E bora aproveitar pra lembrar do gráfico de acoplamento em paralelo que vimos na teoria:

    Repara na semelhança.

    Passo 2

  3. Identifique a vazão de fornecimento livre com e sem utilização do acoplamento

Agora é só ver, pra cada caso, qual a vazão correspondente à carga fornecida igual a zero, já que esta é a definição de vazão de fornecimento livre.

Dando uma olhada no gráfico:

Daí:

  • Vazão de fornecimento livre sem acoplamento: 10   m 3 / h
  • Vazão de fornecimento livre com acoplamento: 1 7   m 3 / h

Resposta

  1. Acoplamento em paralelo
  2. Vazão de fornecimento livre sem acoplamento: 10   m 3 / h e vazão de fornecimento livre com acoplamento: 17   m 3 / h

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