Pump Construction (Part1)

Em 1689, o físico Denis Papin inventou a bomba centrífuga e hoje esse tipo de bomba é a mais utilizada no mundo. A bomba centrífuga é construída com base em um princípio simples: o líquido é conduzido ao cubo do impulsor e, por meio da força centrífuga, é lançado em direção à periferia dos impulsores. A construção é bastante barata, robusta e simples e a sua alta velocidade permite conectar a bomba diretamente a um motor assíncrono.

bomba centrífuga

A bomba centrífuga

A bomba centrífuga fornece um fluxo de líquido constante e pode ser facilmente estrangulada sem causar qualquer dano à bomba. Agora vamos dar uma olhada figura 1, que mostra o fluxo do líquido através da bomba. A entrada da bomba conduz o líquido para o centro do impulsor rotativo, de onde é lançado para a periferia. Esta construção proporciona alta eficiência e é adequada para o manuseio de líquidos puros. As bombas que têm de lidar com líquidos impuros, como as bombas de águas residuais, são equipadas com um impulsor que é construído especialmente para evitar que objetos fiquem armazenados dentro da bomba.

Figura 1 – Fluxo do líquido pela bomba

Se ocorrer uma diferença de pressão no sistema enquanto a bomba centrífuga não estiver funcionando, o líquido ainda poderá passar através dela devido ao seu design aberto. Como você pode perceber Figura 2, a bomba centrífuga pode ser categorizada em diferentes grupos: bombas de fluxo radial, bombas de fluxo misto e bombas de fluxo axial. Bombas de fluxo radial e bombas de fluxo misto são os tipos mais comuns usados. Portanto, nos concentraremos apenas nestes tipos de bombas.

Diferentes tipos de bombas centrífugas

Bomba de fluxo radial
Bomba de fluxo misto
Bomba de fluxo axial

As diferentes exigências de desempenho da bomba centrífuga, especialmente no que diz respeito à altura manométrica, fluxo e instalação, juntamente com as exigências de operação econômica, são apenas algumas das razões pelas quais existem tantos tipos de bombas. Figura 3 mostra os diferentes tipos de bombas em relação ao fluxo e à pressão.

Figura 3 – Vazão e altura manométrica para diferentes tipos de bombas centrífugas

Curvas da bomba

Antes de nos aprofundarmos no mundo da construção e dos tipos de bombas, apresentaremos as características básicas das curvas de desempenho das bombas. O desempenho de uma bomba centrífuga é mostrado por um conjunto de curvas de desempenho. As curvas de desempenho para uma bomba centrífuga são mostradas em figura 4. Altura manométrica, consumo de energia, eficiência e NPSH são mostrados em função do fluxo.

Figura 4 – Curvas de desempenho típicas para uma bomba centrífuga. Altura manométrica, consumo de energia, eficiência e NPSH são mostrados em função do fluxo

Normalmente, as curvas da bomba nos catálogos técnicos cobrem apenas a parte da bomba. Portanto, o consumo de energia, o P2 – o valor, que também está listado nos folhetos técnicos, cobre apenas a potência que entra na bomba – consulte figura 4. O mesmo vale para o valor de eficiência, que abrange apenas a parte da bomba (η = ηP ).

Em alguns tipos de bombas com motor integrado e possivelmente conversor de frequência integrado, por exemplo, bombas com motor blindado, a curva de consumo de energia e a curva η cobrem tanto o motor como a bomba. Neste caso é o P1 -valor que deve ser levado em consideração. Em geral, as curvas das bombas são projetadas de acordo com o Anexo A da ISO 9906, que especifica as tolerâncias das curvas.

Figura 5 – As curvas de consumo de energia e eficiência normalmente cobrem apenas a parte da bomba da unidade – ou seja, P2 e ηP

Cabeça, a curva QH

A curva QH mostra a altura manométrica que a bomba é capaz de realizar em uma determinada vazão. A altura manométrica é medida na coluna líquida do medidor [mLC]; normalmente a unidade metro [m] é aplicada. A vantagem de usar a unidade [m] como unidade de medida para a altura manométrica de uma bomba é que a curva QH não é afetada pelo tipo de líquido que a bomba deve manusear.

Figura 6 – Curva QH típica para uma bomba centrífuga; fluxo baixo resulta em altura manométrica alta e fluxo alto resulta em altura manométrica baixa

Eficiência, a curva η

A eficiência é a relação entre a potência fornecida e a quantidade de potência utilizada. No mundo das bombas, a eficiência ηP é a relação entre a potência que a bomba fornece à água (PH) e a entrada de energia para o eixo (P2 ):


`eta _(P)=(P_(H))/(P_(2))=(rho*g*Q*H)/(P_(2))`

Onde:

  • ρ é a densidade do líquido em kg/m3 ,
  • g é a aceleração da gravidade em m/s2 ,
  • Q é o fluxo em m3 /s e H é a cabeça em m.

Para água a 20oC e com Q medido em m3/h e H em m, a potência hidráulica pode ser calculada como:


`P_(H)=2,72*Q*H[W]`

Como aparece na curva de eficiência, a eficiência depende do ponto de funcionamento da bomba. Portanto, é importante selecionar uma bomba que atenda aos requisitos de vazão e garanta que a bomba esteja funcionando na área de vazão mais eficiente.

Figura 7 – A curva de eficiência de uma bomba centrífuga típica

Consumo de energia, o P2-curva

A relação entre o consumo de energia da bomba e a vazão é mostrada em Figura 8. O P2-curva da maioria das bombas centrífugas é semelhante àquela em Figura 8 onde o P2 o valor aumenta quando o fluxo aumenta.

Figura 8 – Curva de consumo de energia de uma bomba centrífuga típica

O valor NPSH de uma bomba é a pressão absoluta mínima que deve estar presente no lado de sucção da bomba para evitar cavitação. O valor NPSH é medido em [m] e depende do fluxo; quando o fluxo aumenta, o valor de NPSH também aumenta; figura 9.

Figura 9 – A curva NPSH de uma bomba centrífuga típica

FREQUENTLY ASKED QUESTIONS

What are the advantages of centrifugal pumps compared to other types of pumps?
The centrifugal pump has several advantages that contribute to its widespread use. Its simple and robust construction makes it relatively inexpensive to manufacture and maintain. The high speed of centrifugal pumps also allows for direct connection to an asynchronous motor, eliminating the need for a gearbox or transmission. Additionally, centrifugal pumps are capable of handling large flow rates and are often more efficient than other types of pumps, such as positive displacement pumps. Furthermore, their design makes them less prone to cavitation and allows for easier installation and operation.
How does the impeller design affect the performance of a centrifugal pump?

The impeller design is a critical component of a centrifugal pump, as it directly affects the pump’s performance and efficiency. The shape and size of the impeller blades, as well as the number of blades, influence the pump’s flow rate, pressure head, and power consumption. A well-designed impeller can optimize the pump’s performance by minimizing energy losses and maximizing the transfer of energy from the motor to the fluid. Factors such as blade angle, curvature, and tip clearance all play a role in determining the impeller’s efficiency and overall pump performance.

What are the common materials used in centrifugal pump construction?

Centrifugal pumps are typically constructed from a variety of materials, depending on the application and operating conditions. Cast iron, stainless steel, and bronze are common materials used for the pump casing, impeller, and other components. These materials offer a balance of strength, corrosion resistance, and cost-effectiveness. In more specialized applications, such as high-temperature or high-pressure services, exotic materials like titanium or specialized alloys may be used. The selection of materials is critical to ensuring the pump’s reliability, durability, and performance over its lifespan.

How does the pump’s speed affect its performance and efficiency?

The speed of a centrifugal pump has a significant impact on its performance and efficiency. As the pump speed increases, the flow rate and pressure head also increase, but so does the power consumption. Operating the pump at its design speed is critical to achieving optimal efficiency and performance. Deviations from the design speed can result in reduced efficiency, increased energy consumption, and potentially even damage to the pump or motor. In some cases, variable speed drives may be used to optimize pump performance and efficiency across a range of operating conditions.

What are the common applications of centrifugal pumps in HVAC systems?

Centrifugal pumps are widely used in HVAC systems for a variety of applications, including chilled water circulation, condenser water circulation, and hot water distribution. They are often used in conjunction with air handlers, chillers, and boilers to distribute fluids throughout the system. Centrifugal pumps are particularly well-suited for these applications due to their ability to handle large flow rates, high pressures, and varying system demands. Their reliability, efficiency, and low maintenance requirements make them a popular choice for HVAC system designers and operators.

What are the key factors to consider when selecting a centrifugal pump for an HVAC application?

When selecting a centrifugal pump for an HVAC application, several key factors must be considered. These include the required flow rate, pressure head, and power consumption, as well as the fluid properties, such as temperature, viscosity, and density. The pump’s materials of construction, seal type, and bearing design must also be suitable for the application. Additionally, factors such as noise level, vibration, and maintenance requirements should be considered. A thorough understanding of the system’s requirements and the pump’s performance characteristics is essential to selecting the right centrifugal pump for the job.

How does the pump’s speed affect its performance and efficiency?

The speed of a centrifugal pump has a significant impact on its performance and efficiency. As the pump speed increases, the flow rate and pressure head also increase, but so does the power consumption. Operating the pump at its design speed is critical to achieving optimal efficiency and performance. Deviations from the design speed can result in reduced efficiency, increased energy consumption, and potentially even damage to the pump or motor. In some cases, variable speed drives may be used to optimize pump performance and efficiency across a range of operating conditions.