I. Definição e Visão Geral de Bombas
Uma bomba, como um dispositivo mecânico amplamente utilizado em vários campos, tem como função principal transportar fluidos (como água, óleo, etc.) de um lugar para outro. Com o acionamento da bomba, os fluidos podem completar a tarefa de transporte de maneira eficiente e estável, atendendo a diversas necessidades de produção e de vida.
Uma bomba é um dispositivo mecânico usado para transportar vários líquidos. Seu escopo de aplicação é extenso, abrangendo água, óleo, soluções ácidas e alcalinas, emulsões, suspensões, metais líquidos, etc. Além disso, as bombas de óleo de engrenagem também podem transportar misturas de gases líquidos-e líquidos contendo substâncias sólidas em suspensão.
As bombas podem ser classificadas em três categorias principais com base em seus princípios de funcionamento: bombas de deslocamento positivo, bombas de impulsor e outros tipos de bombas. Vale ressaltar que a classificação das bombas submersíveis é mais diversificada. Além de serem classificados de acordo com o princípio de funcionamento, também podem ser categorizados e nomeados com base no método de condução, estrutura, finalidade e natureza do líquido transportado.
Existem mudanças interdependentes complexas entre vários parâmetros de desempenho da bomba, e essas relações podem ser exibidas intuitivamente através de curvas características. Cada bomba possui sua própria curva característica única, refletindo suas características específicas de desempenho. Como um dispositivo mecânico para transportar líquidos ou aumentar a pressão dos líquidos, a bomba transfere a energia mecânica do motor principal ou outra energia externa para o líquido, conseguindo assim um aumento na energia do líquido.
II. Definição e origem histórica da bomba
Uma bomba, um dispositivo mecânico para transportar líquidos ou aumentar a pressão de líquidos, tem uma história que remonta aos tempos antigos. Em termos gerais, uma bomba não é utilizada apenas para o transporte de fluidos, mas também inclui certos dispositivos mecânicos especificamente concebidos para o transporte de gases. Ao transferir a energia mecânica do motor principal ou a energia de outras fontes para o líquido, a bomba consegue um aumento na energia do líquido.
A crescente demanda por elevação de água por humanos levou ao surgimento de vários dispositivos de elevação de água. Por exemplo, a bomba de corrente no Egito foi inventada por volta de 1700 aC, enquanto a China tinha antigas ferramentas de elevação de água, como alavancas, guinchos e rodas d'água. Na Grécia antiga, Arquimedes inventou a haste helicoidal no século III aC, estabelecendo as bases para a tecnologia de bombas posterior.
Com o tempo, o antigo artesão grego Ktesibius inventou a bomba de pistão primitiva - a bomba de extinção de incêndio - por volta de 200 AC. Depois, em 1588, houve o registro da bomba de palhetas deslizantes de 4 pás, marcando o desenvolvimento inicial da bomba rotativa. Em 1689, D. Papan, da França, inovou ainda mais e inventou a bomba centrífuga de voluta com impulsores de 4 pás.
No século XVIII, bombas centrífugas com pás radiais retas, impulsores e volutas sem-abertas de dupla{2}}sucção, bem como bombas de pistão acionadas diretamente por vapor, surgiram sucessivamente nos Estados Unidos. Essas inovações contribuíram para a formação e desenvolvimento da moderna tecnologia de bombas.
Com o avanço contínuo da tecnologia, entre 1840 e 1850, HR Worsington, dos Estados Unidos, inventou uma bomba de pistão de ação direta-a vapor com o cilindro da bomba e o cilindro de vapor colocados em frente um do outro, estabelecendo as bases para o aprimoramento das bombas de pistão modernas. E de 1851 a 1875, o nascimento de bombas centrífugas de vários-estágios tornou possível o desenvolvimento de bombas centrífugas de{9}alta altura manométrica.
Desde então, vários novos tipos de bombas surgiram continuamente, com a eficiência melhorando gradualmente, e a gama de desempenho e campos de aplicação também se tornou cada vez mais extensa.
III. Classificação de Bombas
As bombas, que são amplamente utilizadas em vários campos, vêm em uma ampla variedade de tipos e são classificadas de diversas maneiras. De acordo com os seus princípios de funcionamento, as bombas podem ser divididas principalmente em três categorias:
Primeiro, existe a bomba de deslocamento positivo, também conhecida como bomba de impulsor ou bomba de palhetas. Este tipo de bomba utiliza um impulsor rotativo para aplicar força ao líquido, transferindo continuamente energia para o líquido e aumentando sua energia cinética e pressão. Posteriormente, a energia cinética é convertida em energia de pressão através da câmara de descarga. As bombas de deslocamento positivo incluem bombas centrífugas, bombas de fluxo axial, bombas de fluxo parcial e bombas de vórtice, entre outras.
O próximo tipo é a bomba volumétrica. Este tipo de bomba transmite energia alterando periodicamente o volume do espaço de trabalho selado, aumentando assim a pressão do líquido e forçando sua descarga. As bombas volumétricas podem ser classificadas em bombas alternativas e bombas rotativas com base na forma de movimento dos elementos de trabalho.
Além disso, existem outros tipos de bombas que transferem energia de maneiras únicas. Por exemplo, as bombas a jato dependem do jato de alta-velocidade do fluido de trabalho para aspirar e misturar o fluido a ser transportado, conseguindo a transferência de energia por meio da troca de momento; bombas de diafragma e bombas de golpe de aríete utilizam o efeito de golpe de aríete durante a frenagem para transferir energia; enquanto as bombas eletromagnéticas alcançam o transporte de fluidos através do fluxo de metal líquido sob a influência de uma corrente elétrica e força eletromagnética.
Além disso, as bombas podem ser classificadas com base nas propriedades do líquido transportado, no método de acionamento, na estrutura e na finalidade.
4. Aplicações de bombas em vários campos
A gama de desempenho das bombas é extensa, variando desde bombas gigantes com uma vazão de várias centenas de milhares de metros cúbicos por hora até bombas em miniatura com uma vazão inferior a vários decilitros por hora; sua faixa de pressão também pode variar da pressão normal até 19,61 Mpa (200 kgf/cm2) ou superior. Além disso, a temperatura e o tipo de líquido transportado também diferem, como água (água limpa, esgoto, etc.), óleo, ácidos e bases, suspensões e metais líquidos, etc.
Na produção dos setores químico e petrolífero, as bombas desempenham um papel crucial. Como as matérias-primas, os produtos semi{1}}acabados e os produtos acabados são em sua maioria líquidos, nesses processos complexos, as bombas não apenas transportam os líquidos, mas também fornecem a pressão e o fluxo necessários para as reações químicas. Ao mesmo tempo, eles também são usados em muitos dispositivos para regular temperaturas.
Na produção agrícola, as bombas são as principais máquinas de irrigação e drenagem. As áreas rurais do nosso país são vastas e todos os anos é necessário um grande número de bombas para apoiar a produção agrícola. De um modo geral, as bombas agrícolas representam metade da produção total de bombas.
As indústrias de mineração e metalúrgica também são campos de aplicação importantes para bombas. Nessas indústrias, processos como drenagem de minas, processamento mineral, fundição e laminação requerem o apoio de bombas.
No sector da energia, quer se trate de uma central nuclear ou de uma central térmica, as bombas desempenham um papel crucial. As usinas nucleares precisam de bombas principais, bombas secundárias e bombas terciárias para garantir a operação estável das reações nucleares; enquanto as usinas termelétricas contam com um grande número de bombas de alimentação de caldeiras, bombas de condensado, bombas de circulação e bombas de escória e cinzas para manter a operação normal da usina.
A construção de defesa também não pode prescindir da aplicação de bombas. O ajuste dos flaps, lemes e trens de pouso das aeronaves, a rotação das torres dos navios de guerra e dos tanques, bem como a submersão e subida dos submarinos, exigem bombas para fornecer a potência necessária e as funções de ajuste. Além disso, para determinados líquidos radioativos e de alta-pressão durante o transporte e manuseio, o requisito para uma operação livre de vazamentos-da bomba é extremamente alto.
Na indústria de construção naval, centenas de tipos diferentes de bombas são usados em cada navio-oceânico. Desde as bombas de hélice que impulsionam o navio até as diversas bombas que mantêm o ambiente das cabines do navio, todas são indispensáveis. Além disso, os sistemas de abastecimento de água e drenagem nas cidades, a água utilizada pelas locomotivas a vapor, a lubrificação e refrigeração nas máquinas-ferramentas, o transporte de corantes na indústria têxtil e o transporte de leite e produtos açucarados na indústria alimentar, todos dependem do apoio de bombas.
Concluindo, as bombas são onipresentes em vários campos, incluindo aeroespacial, equipamento militar, produção industrial e vida diária, e desempenham um papel indispensável. Portanto, as bombas são classificadas como máquinas em geral e tornam-se um produto indispensável e importante na indústria mecânica.
V. Parâmetros Básicos de Bombas
As bombas, como importante componente de máquinas em geral, seu desempenho afeta diretamente a eficiência operacional em diversos cenários de aplicação. Para compreender completamente o desempenho das bombas, primeiro precisamos nos concentrar em vários parâmetros básicos importantes. Estes parâmetros não refletem apenas as características inerentes das bombas, mas também fornecem orientação crucial para a sua seleção e aplicação.
1. Taxa de fluxo Q
A vazão é um indicador importante para medir quanto líquido uma bomba pode transportar em uma unidade de tempo, geralmente expressa em termos de volume ou massa. A taxa de fluxo volumétrico é denotada por Q, e suas unidades incluem m3/s, m3/h e l/s, etc. Enquanto a taxa de fluxo de massa é representada por Qm, e suas unidades são t/h, kg/s, etc. A relação entre estes dois pode ser estabelecida através da fórmula Qm=ρQ, onde ρ representa a densidade do líquido. Para água à temperatura normal, a sua densidade ρ é de aproximadamente 1000 kg/m3.
2. Cabeça H
A altura manométrica refere-se ao aumento de energia em uma unidade de peso de líquido após ele ser bombeado pela bomba, desde a entrada da bomba (ou seja, o flange de entrada da bomba) até a saída (ou seja, o flange de saída da bomba). Isto é equivalente à energia efetiva adquirida por um Newton de líquido ao passar pela bomba. Sua unidade é N·m/N, também conhecida como metros. Representa a altura da coluna de líquido que a bomba bombeia e, portanto, também é chamada simplesmente de metros.
3. Velocidade de rotação n
A velocidade refere-se ao número de rotações do eixo da bomba dentro de uma unidade de tempo, geralmente indicada pelo símbolo n, e sua unidade é rotações por minuto (r/min).
4. Margem da Cabeça de Sucção
A margem da cabeça de sucção, também conhecida como cabeça de sucção líquida positiva, é um parâmetro chave para medir o desempenho da cavitação. Na China, este parâmetro era anteriormente representado por Δh.
5. Potência e eficiência
A potência de uma bomba é geralmente chamada de potência de entrada, que é a potência transferida do motor principal para o eixo da bomba e também é conhecida como potência do eixo, denotada por P. A potência efetiva da bomba, ou potência de saída, é representada por Pe, e mede a energia efetiva obtida pelo líquido sendo descarregado da bomba dentro de uma unidade de tempo.
Vale ressaltar que a cabeça representa justamente essa energia efetiva. Especificamente, a altura manométrica refere-se à energia efetiva que uma unidade de líquido pesado recebe quando é bombeada para fora da bomba. Portanto, multiplicando a altura manométrica, a vazão mássica e a aceleração gravitacional, podemos calcular a energia efetiva que uma unidade de saída de líquido da bomba adquire em um determinado tempo, que é a potência efetiva da bomba:
Pe=ρgQH (W)=QH (W)
Dentre eles, ρ representa a densidade do líquido bombeado pela bomba (kg/m³), é o peso específico do líquido bombeado pela bomba (N/m³), Q é a vazão da bomba (m³/s), H é a altura manométrica da bomba (m) e g é a aceleração da gravidade (m/s²).
A diferença entre a potência do eixo P e a potência efetiva Pe representa a perda de potência dentro da bomba. Para quantificar esta perda, introduzimos o conceito de eficiência da bomba, que é expresso como a razão entre a potência efetiva e a potência do eixo e é denotado por η.
VI. Definição e Conversão de Tráfego
A vazão, que é o volume de líquido descarregado pela bomba por unidade de tempo, é denotada por Q. Suas unidades incluem metros cúbicos por hora (m3/h), litros por segundo (l/s), etc. Vale ressaltar que 1 litro por segundo equivale a 3,6 metros cúbicos por hora, o que também equivale a 0,06 metros cúbicos por minuto ou 60 litros por minuto. Além disso, podemos calcular o peso bombeado por hora usando a vazão e a gravidade específica do líquido, denotada por G, onde ρ representa a gravidade específica do líquido. Por exemplo, se uma determinada bomba tem vazão de 50 metros cúbicos por hora, ao bombear água, queremos saber quanto peso pode ser bombeado por hora? Supondo que a gravidade específica da água ρ seja de 1.000 quilogramas por metro cúbico, podemos calcular usando a fórmula G=Qρ, resultando em 50.000 quilogramas por hora, ou 50 toneladas por hora.
VII. Definição e conversão de cabeça
A altura manométrica, que é a energia adquirida por uma unidade de peso de líquido que passa por uma bomba, é denotada por H e é medida em metros (m). Inclui a altura de sucção e é aproximadamente igual à diferença de pressão entre a saída e a entrada da bomba. Enquanto isso, a pressão da bomba é representada por P e medida em Mpa (megapascais). Vale ressaltar que existe uma certa relação de conversão entre cabeça e pressão. A fórmula específica é H=P/ρ, onde ρ é a gravidade específica do líquido. Por exemplo, quando P é 1 kg/cm², podemos usar a fórmula para calcular que H tem aproximadamente 10 metros.
1 MPa é igual a 10 kg/cm². A altura manométrica H pode ser calculada usando a fórmula H=(P2 - P1) / ρ, onde P2 representa a pressão de saída, P1 representa a pressão de entrada e ρ é a gravidade específica do líquido.
A seguir discutiremos os conceitos de margem de cavitação e altura de sucção, bem como suas unidades de medida. Cavitação refere-se ao fenômeno onde, durante a operação de uma bomba, o líquido na entrada do impulsor gera vapor devido à pressão do vácuo. Estas bolhas vaporizadas, após impacto com as partículas líquidas, provocam erosão das superfícies metálicas, tais como o impulsor, danificando assim estes componentes metálicos. Esta pressão de vácuo é conhecida como pressão de vaporização. A margem de cavitação, por outro lado, refere-se à energia que uma unidade de peso de líquido na entrada de sucção da bomba possui acima da pressão de vaporização. É medido em metros e normalmente é denotado por NPSHr.
A altura manométrica de sucção, também conhecida como margem de cavitação necessária Δh, é o grau de vácuo no qual a bomba pode sugar o líquido. É a altura de instalação permitida para a bomba, e sua unidade também é de metros. A fórmula para calcular a altura manométrica de sucção é: Altura manométrica de sucção=Pressão atmosférica padrão - Margem de cavitação - Margem de segurança. Entre eles, a altura do vácuo da tubulação gerada pela pressão atmosférica padrão é de 10,33 metros, e a margem de segurança costuma ser de 0,5 metros.
Por exemplo, para uma determinada bomba, a altura de sucção necessária é de 4,0 metros. Podemos usar a fórmula acima para calcular sua altura de sucção Δh. O resultado do cálculo é: Δh=10.33 - 4.0 - 0.5=5.83 metros.
VIII. Fenômeno de cavitação de bomba e suas causas
1. Definição de Cavitação
Quando um líquido atinge uma temperatura específica, a sua pressão cai para a pressão de vaporização correspondente a essa temperatura. Neste ponto, bolhas se formarão no líquido. Este fenômeno é conhecido como cavitação.
2. Colapso de Cavitação
Durante o processo de cavitação, as bolhas geradas, à medida que o líquido flui para a área de alta-pressão, encolherão rapidamente devido ao aumento repentino de pressão e, eventualmente, explodirão no líquido. Este fenômeno é chamado de colapso por cavitação.
3. Causas e perigos da cavitação
Durante a operação da bomba, se certas áreas da passagem do fluxo (como a posição ligeiramente atrás da entrada das pás do impulsor) sofrerem um motivo específico que faça com que a pressão absoluta do líquido bombeado caia abaixo da pressão de vaporização naquela temperatura, o líquido começa a vaporizar neste ponto, formando um grande número de bolhas. À medida que o líquido que contém essas bolhas entra na área de alta-pressão do impulsor, as bolhas se contraem rapidamente sob a ação do líquido-de alta pressão e eventualmente estouram. Este processo é particularmente evidente em bombas submersíveis. A condensação e a ruptura das bolhas são acompanhadas pelo rápido preenchimento dos vazios por partículas líquidas a velocidades extremamente elevadas, resultando num forte impacto da água. Este impacto da água atinge a superfície metálica com alta frequência de impacto, com a tensão de impacto atingindo centenas a milhares de atmosferas, e a frequência de impacto pode até atingir dezenas de milhares de vezes por segundo. As superfícies das paredes que estão sujeitas a tais impactos durante um longo período de tempo podem ficar gravemente erodidas e até mesmo ocorrer perfuração.
4. O Processo e os Efeitos da Cavitação
Numa bomba, a cavitação é um processo complexo que envolve a formação, desenvolvimento e colapso de bolhas. Quando certas áreas da seção de fluxo da bomba passam por condições específicas que fazem com que a pressão absoluta do líquido caia abaixo da pressão de vaporização, o líquido começa a vaporizar, formando um grande número de bolhas. Essas bolhas, à medida que o líquido entra na área de alta-pressão do impulsor, contraem-se rapidamente sob o efeito de alta-pressão e eventualmente se rompem. Esta série de processos não só causa graves danos aos componentes do fluxo, mas também gera ruídos e vibrações desagradáveis, reduzindo significativamente o desempenho da bomba. Em casos graves, a cavitação pode até causar a interrupção do fornecimento de líquido na bomba, afetando o funcionamento normal da bomba.
IX. Qual é a curva característica de uma bomba?
A curva característica de uma bomba, também conhecida como curva de desempenho, representa essencialmente a relação entre os principais parâmetros de desempenho de uma bomba centrífuga. Estas curvas são obtidas através de medições reais e representam visualmente o padrão de movimento do líquido dentro da bomba. As curvas características incluem as curvas de vazão e altura manométrica (Q-H), vazão e eficiência (Q-η), vazão e potência (Q-N) e vazão e margem de altura manométrica de vaporização (Q-NPSHr). Essas curvas são cruciais para a compreensão do estado de funcionamento da bomba porque, para qualquer ponto de vazão, um conjunto de valores correspondentes para altura manométrica, potência, eficiência e margem de altura manométrica de vaporização pode ser encontrado na curva, e esse conjunto de parâmetros é chamado de estado de trabalho ou ponto operacional. Particularmente, o ponto de operação com maior eficiência da bomba centrífuga é chamado de ponto de operação ideal e geralmente também é o ponto de operação de projeto. Compreender esses parâmetros de desempenho é crucial para garantir a operação normal e a eficiência-de economia de energia da bomba.
11. Como é definida a eficiência de uma bomba? Qual é a sua fórmula?
O rendimento de uma bomba é definido como a razão entre a potência efetiva e a potência no eixo, representada pelo símbolo η, e sua fórmula de cálculo é η=Pe/P. Aqui, Pe representa a potência efetiva da bomba e P refere-se à potência do eixo da bomba, ou seja, a potência transmitida do motor principal para o eixo da bomba. A potência efetiva é o produto da altura manométrica da bomba, vazão de massa e aceleração gravitacional, e sua fórmula é Pe=ρg QH (em watts) ou Pe=QH/1000 (em quilowatts). Além disso, ρ representa a densidade do líquido transportado pela bomba, é a gravidade específica do líquido (= ρg) e g é a aceleração gravitacional. Ao mesmo tempo, a vazão mássica Qm pode ser obtida multiplicando a densidade ρ pela vazão Q, com unidades de toneladas por hora ou quilogramas por segundo.
12. O que é uma bancada de testes de desempenho completo para uma bomba?
A bancada de testes de desempenho completo para bombas é um equipamento avançado capaz de testar com precisão vários parâmetros de desempenho de bombas. Ele está em conformidade com os padrões nacionais e possui precisão de nível-B, garantindo a precisão dos resultados dos testes. Esta bancada de teste é equipada com instrumentos precisos, incluindo um medidor de vazão de engrenagem helicoidal para medição de vazão, um manômetro de precisão para medição de altura manométrica, um medidor de vácuo para medição de altura manométrica de sucção e uma máquina de potência axial para medição de potência. Além disso, um velocímetro também é usado para determinar com precisão a velocidade da bomba. Através da ação colaborativa destes instrumentos precisos, podemos obter o conjunto completo de parâmetros de desempenho da bomba, avaliando assim de forma abrangente o seu desempenho.
