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Operação em série de bombas centrífugas (booster)

Para aumentar a vazão volumétrica em um sistema ou compensar grandes perdas maiores ou menores , as bombas centrífugas são frequentemente usadas em paralelo ou em série .

A operação em série de bombas centrífugas é usada para superar uma grande perda de carga do sistema ou para obter um grande aumento de pressão quando o líquido é injetado em um sistema de pressão muito alta (por exemplo, Sistemas de Injeção de Segurança de Alta Pressão em PWRs , onde são usadas bombas de vários estágios).

Quando uma bomba centrífuga é operada em um circuito fechado, a pressão de descarga resultante será simplesmente a soma da pressão de sucção e da pressão normalmente desenvolvida pela bomba ao operar na pressão de sucção zero. Portanto, é adequado para uso como uma bomba auxiliar quando operada em série. A cabeça produzida por duas ou mais bombas é igual à soma das cabeças individuais . A vazão volumétrica da entrada da primeira bomba até a saída da segunda permanece a mesma. Na aplicação prática, as bombas de vários estágios ( bomba de múltiplos impulsores ) são construídas para atingir uma cabeça de bomba mais alta.

Cabeça de sucção positiva líquida

A cabeça de sucção positiva líquida ou NPSH para bombas pode ser definida como a diferença entre a pressão de sucção e a pressão de saturação do fluido, expressa em termos de altura da coluna de líquido. O NPSH é usado para medir a proximidade de um fluido a condições saturadas. Baixar a pressão no lado da sucção pode induzir cavitação. Se ocorrer cavitação, o violento colapso da bolha de cavitação cria uma onda de choque que pode esculpir o material dos componentes internos da bomba (geralmente a borda principal do impulsor) e cria um ruído geralmente descrito como “cascalho de bombeamento”. Além disso, o inevitável aumento da vibração pode causar outras falhas mecânicas na bomba e nos equipamentos associados.

Em geral, existem duas cabeças de sucção definidas na hidráulica:

• NPSH disponível (NPSHa) : a pressão absoluta na porta de sucção da bomba. NPSHa é uma função da temperatura da água. À medida que a temperatura de entrada aumenta, o NPSHa diminui, porque a pressão de saturação diminui.
• NPSH necessário (NPSHR): a pressão mínima exigida na porta de sucção da bomba para impedir que ela caia. NPSHa não é função da temperatura da água.

O NPSHA é uma função do seu sistema e deve ser calculado, enquanto o NPSHR é uma função da bomba e deve ser fornecido pelo fabricante da bomba. Durante a operação, o NPSH disponível deve ser mantido em um nível superior ao NPSH exigido pelo fabricante da bomba. Verificou-se que as taxas de cavitação aumentam rapidamente com o aumento da taxa de fluxo de volume. Isso pode ser visto na imagem, à medida que a taxa de fluxo de volume aumenta, o NPSH necessário aumenta, mas o NPSH disponível diminui.

Como aumentar o NPSH disponível?

Para evitar a cavitação por sucção, o NPSH disponível deve ser aumentado o máximo possível. A única maneira de aumentar o NPSH disponível é aumentar a pressão na entrada da bomba:

• Abaixe o nível da bomba
• Aumente o nível do reservatório
• Redução da rotação do motor, se possível
• Reduza pequenas perdas a  montante da bomba
• Reduza grandes perdas a  montante da bomba
  • Encurte o comprimento do tubo
  • Use um tubo mais liso
• Aumento do diâmetro do olho do impulsor
• Uso de uma bomba auxiliar para alimentar a bomba principal.

Potência de freio

A potência necessária para acionar uma bomba centrífuga é geralmente conhecida como potência dos freios . Pode ser expresso em termos de potência da água dividida por eficiência.

No sistema métrico,  são utilizados quilowatts (kW) . Devido a perdas hidráulicas, mecânicas e volumétricas em uma bomba, a potência real ou hídrica disponível para o trabalho no fluido é menor que a potência total fornecida.

Eficiência da bomba

A eficiência da bomba é a razão entre a potência de água fornecida pela bomba e a potência de freio fornecida ao eixo da bomba. Ao selecionar uma bomba, uma das principais preocupações é otimizar a eficiência do bombeamento . O uso de energia em uma instalação de bombeamento é determinado pelo fluxo necessário, pela altura elevada e pelas características de comprimento e atrito da tubulação. A energia necessária para acionar uma bomba é definida simplesmente usando as unidades SI:

Onde:

• P é a potência de entrada necessária (W)
• BHP é a potência do freio
• ρ é a densidade do fluido (kg / m ³ )
• g é a aceleração padrão da gravidade (9,81 m / s ² )
• H é a cabeça líquida da bomba adicionada ao fluxo (m)
• Q é a vazão (m ³ / s)
• η é a eficiência da bomba

Eficiência da bomba

A eficiência da bomba é a razão entre a potência de água fornecida pela bomba e a potência de freio fornecida ao eixo da bomba. Ao selecionar uma bomba, uma das principais preocupações é otimizar a eficiência do bombeamento . O uso de energia em uma instalação de bombeamento é determinado pelo fluxo necessário, pela altura elevada e pelas características de comprimento e atrito da tubulação. A energia necessária para acionar uma bomba é definida simplesmente usando as unidades SI:

Onde:

• P é a potência de entrada necessária (W)
• BHP é a potência do freio
• ρ é a densidade do fluido (kg / m ³ )
• g é a aceleração padrão da gravidade (9,81 m / s ² )
• H é a cabeça líquida da bomba adicionada ao fluxo (m)
• Q é a vazão (m ³ / s)
• η é a eficiência da bomba

Melhor Ponto de Eficiência

O melhor ponto de eficiência (BEP) é o ponto de maior eficiência da bomba . É uma característica interna de cada bomba centrífuga . Deve-se observar que qualquer bomba não converte completamente energia cinética em energia de pressão. Parte da energia é sempre interna ou externa perdida.

As perdas internas são causadas pelo atrito do fluido no impulsor, devido a rápidas mudanças na direção do fluxo e mudanças nas velocidades em toda a bomba. As perdas externas são causadas por perdas mecânicas em vedantes e rolamentos. Todos os pontos à direita ou esquerda do BEP têm uma eficiência mais baixa. As bombas devem ser dimensionadas o mais próximo possível do seu melhor ponto de eficiência ou vazão. Isso não apenas torna a bomba mais eficiente, mas também melhora a confiabilidade da bomba . Observe que a eficiência total nunca é alcançada devido às perdas mecânicas e hidráulicas incorridas na bomba.

O design do impulsor é o fator mais significativo para determinar o BEP de uma bomba, porque determina com que eficiência a potência (potência do freio ou BHP) é transmitida ao líquido sendo bombeado. Um impulsor adequadamente projetado otimiza o fluxo , minimizando a turbulência e maximizando a eficiência .

Eficiência da bomba

A eficiência da bomba é a razão entre a potência de água fornecida por uma bomba centrífuga e a potência de freio fornecida ao eixo da bomba. Ao selecionar uma bomba, uma das principais preocupações é otimizar a eficiência do bombeamento . O uso de energia em uma instalação de bombeamento é determinado pelo fluxo necessário, pela altura elevada e pelas características de comprimento e atrito da tubulação. A energia necessária para acionar uma bomba é definida simplesmente usando as unidades SI:

Onde:

• P é a potência de entrada necessária (W)
• BHP é a potência do freio
• ρ é a densidade do fluido (kg / m ³ )
• g é a aceleração padrão da gravidade (9,81 m / s ² )
• H é a cabeça líquida da bomba adicionada ao fluxo (m)
• Q é a vazão (m ³ / s)
• η é a eficiência da bomba

Cabeça de desligamento

Na curva de desempenho de uma bomba centrífuga, o cabeçote de fechamento é o ponto no gráfico em que a vazão é zero. A cabeça de fechamento é a elevação vertical em altura – geralmente medida em metros de coluna de água, na qual uma bomba não pode mais exercer pressão suficiente para mover a água .

Características de operação de um circuito hidráulico

Quando reunimos as características de atrito  ( cabeça do sistema ) de um circuito hidráulico e a curva de desempenho, o resultado descreve as características de todo o sistema (por exemplo, um circuito do circuito primário ). A figura a seguir mostra a curva de desempenho típica de uma bomba centrífuga relacionada à cabeça de atrito do sistema.

A cabeça da bomba , no eixo vertical, é a  diferença entre a contrapressão do sistema e a pressão de entrada da bomba ( _bomba ΔP ). A vazão volumétrica (Q) , no eixo horizontal, é a taxa na qual o fluido está fluindo através da bomba. Como pode ser visto, a cabeça é aproximadamente constante em baixa descarga e depois cai para zero em Q _max . Em baixa descarga, as características podem ser instáveis ​​(com inclinação positiva da cabeça da bomba). Essas são características indesejáveis, porque uma bomba instável pode começar a oscilar entre as duas combinações possíveis de vazão e a tubulação pode vibrar.

Na vazão Q1, a bomba ganha mais pressão do que consome as perdas por atrito; portanto, a vazão através do sistema aumentará . A vazão se estabilizará no ponto em que as perdas por atrito cruzam as características da bomba .

Cabeça da bomba – curva de desempenho

Na dinâmica de fluidos, o termo cabeça da bomba é usado para medir a energia cinética que uma bomba cria. Cabeça é uma medida da altura da coluna de fluido incompressível que a bomba poderia criar a partir da energia cinética que a bomba fornece ao líquido. A cabeça e a taxa de fluxo determinam o desempenho de uma bomba, que é mostrada graficamente na figura como a curva de desempenho ou curva característica da bomba . O principal motivo para usar a cabeça em vez da pressão para determinar o desempenho de uma bomba centrífuga é que oa altura da coluna de fluido não depende da gravidade específica (peso) do líquido , enquanto a pressão de uma bomba muda. Em termos de pressão, a cabeça da bomba ( _bomba ΔP ) é a diferença entre a contrapressão do sistema e a pressão de entrada da bomba.

A cabeça máxima da bomba de uma bomba centrífuga é determinada principalmente pelo diâmetro externo do impulsor da bomba e pela velocidade angular do eixo  – velocidade do eixo rotativo. A cabeça também muda à medida que a vazão volumétrica através da bomba é aumentada.

Quando uma bomba centrífuga está operando a uma velocidade angular constante , um aumento na cabeça do sistema (contrapressão) na corrente de fluxo causa uma redução na vazão volumétrica que a bomba centrífuga pode manter.

A relação entre a cabeça da bomba e a vazão volumétrica (Q) , que uma bomba centrífuga pode manter, depende de várias características físicas da bomba, como:

• a energia fornecida à bomba
• a velocidade angular do eixo
• o tipo e diâmetro do impulsor

e o fluido usado:

• densidade do fluido
• viscosidade do fluido

Essa relação é muito complicada e sua análise está em extensos testes hidráulicos de certas bombas centrífugas. Como pode ser visto na figura abaixo.

Operação em série de bombas centrífugas (booster)

Para aumentar a vazão volumétrica em um sistema ou compensar grandes perdas maiores ou menores , as bombas centrífugas são frequentemente usadas em paralelo ou em série .

A operação em série de bombas centrífugas é usada para superar uma grande perda de carga do sistema ou para obter um grande aumento de pressão quando o líquido é injetado em um sistema de pressão muito alta (por exemplo, Sistemas de Injeção de Segurança de Alta Pressão em PWRs , onde são usadas bombas de vários estágios).

Quando uma bomba centrífuga é operada em um circuito fechado, a pressão de descarga resultante será simplesmente a soma da pressão de sucção e da pressão normalmente desenvolvida pela bomba ao operar na pressão de sucção zero. Portanto, é adequado para uso como uma bomba auxiliar quando operada em série. A cabeça produzida por duas ou mais bombas é igual à soma das cabeças individuais . A vazão volumétrica da entrada da primeira bomba até a saída da segunda permanece a mesma. Na aplicação prática, as bombas de vários estágios ( bomba de múltiplos impulsores ) são construídas para atingir uma cabeça de bomba mais alta.

Operação paralela de bombas centrífugas

Para aumentar a vazão volumétrica em um sistema ou compensar grandes perdas maiores ou menores, as bombas centrífugas são frequentemente usadas em paralelo ou em série .

A operação paralela de bombas centrífugas é usada para aumentar a vazão através do sistema. As bombas que operam em paralelo tomam sua sucção de um cabeçalho comum e descarregam em uma descarga comum . Embora a cabeça mude apenas um pouco, o fluxo quase dobrou em qualquer ponto. Deve-se notar que a vazão volumétrica é na verdade inferior a duas vezes a vazão alcançada usando uma única bomba. Isso é causado por uma maior perda de carga do sistema resultante de maior vazão.

Cabeça do sistema

No capítulo sobre perda de carga , determinou-se que as perdas maiores e as perdas menores nos sistemas de tubulação são proporcionais ao quadrado da velocidade do fluxo . É óbvio que a perda de carga do sistema deve ser diretamente proporcional ao quadrado da vazão volumétrica, porque a vazão volumétrica é diretamente proporcional à velocidade do fluxo.

Deve-se acrescentar que os sistemas hidráulicos abertos contêm não apenas a cabeça de atrito, mas também a cabeça de elevação , que deve ser considerada. A cabeça de elevação (cabeça estática) representa a energia potencial de um fluido devido à sua elevação acima de um nível de referência.

Em muitos casos, a cabeça total de um sistema é uma combinação de cabeça de elevação e cabeça de fricção, como mostrado na figura.

Na engenharia nuclear, a maioria dos sistemas hidráulicos são laços hidráulicos fechados e esses sistemas possuem apenas cabeçote de fricção (sem cabeçote estático).

Características de desempenho de bombas centrífugas

Embora a teoria das bombas centrífugas dê muitos resultados qualitativos, o indicador mais importante do desempenho de uma bomba está em extensos testes hidráulicos .

Na indústria, as características de todas as bombas geralmente são lidas a partir de sua curva QH  ou curva de desempenho  (vazão – altura). Como pode ser visto, os gráficos de desempenho usam uma descarga – Q (geralmente em m ³ / h) e a cabeça da bomba – H (geralmente em m) como variáveis ​​básicas de desempenho.

Cabeça do sistema

No capítulo sobre perda de carga , determinou-se que as perdas maiores e as perdas menores nos sistemas de tubulação são proporcionais ao quadrado da velocidade do fluxo . É óbvio que a perda de carga do sistema deve ser diretamente proporcional ao quadrado da vazão volumétrica, porque a vazão volumétrica é diretamente proporcional à velocidade do fluxo.

Deve-se acrescentar que os sistemas hidráulicos abertos contêm não apenas a cabeça de atrito, mas também a cabeça de elevação , que deve ser considerada. A cabeça de elevação (cabeça estática) representa a energia potencial de um fluido devido à sua elevação acima de um nível de referência.

Em muitos casos, a cabeça total de um sistema é uma combinação de cabeça de elevação e cabeça de fricção, conforme mostrado na figura.

Na engenharia nuclear, a maioria dos sistemas hidráulicos são laços hidráulicos fechados e esses sistemas possuem apenas cabeçote de fricção (sem cabeçote estático).

Cabeça da bomba – curva de desempenho

Na dinâmica de fluidos, o termo cabeça da bomba é usado para medir a energia cinética que uma bomba cria. Cabeça é uma medida da altura da coluna de fluido incompressível que a bomba poderia criar a partir da energia cinética que a bomba fornece ao líquido. A cabeça e a taxa de fluxo determinam o desempenho de uma bomba, que é mostrado graficamente na figura como a curva de desempenho ou curva característica da bomba . O principal motivo para usar a cabeça em vez da pressão para determinar o desempenho de uma bomba centrífuga é que oa altura da coluna de fluido não depende da gravidade específica (peso) do líquido , enquanto a pressão de uma bomba muda. Em termos de pressão, a cabeça da bomba ( _bomba ΔP ) é a diferença entre a contrapressão do sistema e a pressão de entrada da bomba.

A cabeça máxima da bomba de uma bomba centrífuga é determinada principalmente pelo diâmetro externo do impulsor da bomba e pela velocidade angular do eixo  – velocidade do eixo rotativo. A cabeça também muda à medida que a vazão volumétrica através da bomba é aumentada.

Quando uma bomba centrífuga está operando a uma velocidade angular constante , um aumento na cabeça do sistema (contrapressão) na corrente de fluxo causa uma redução na taxa de fluxo volumétrica que a bomba centrífuga pode manter.

A relação entre a cabeça da bomba e a vazão volumétrica (Q) , que uma bomba centrífuga pode manter, depende de várias características físicas da bomba como:

• a energia fornecida à bomba
• a velocidade angular do eixo
• o tipo e diâmetro do impulsor

e o fluido usado:

• densidade do fluido
• viscosidade do fluido

Essa relação é muito complicada e sua análise está em extensos testes hidráulicos de certas bombas centrífugas. Como pode ser visto na figura abaixo.

Características de operação de um circuito hidráulico

Quando reunimos as características de atrito  (cabeça do sistema) de um circuito hidráulico e a curva de desempenho, o resultado descreve as características de todo o sistema (por exemplo, um circuito do circuito primário ). A figura a seguir mostra a curva de desempenho típica de uma bomba centrífuga relacionada à cabeça de atrito do sistema.

A cabeça da bomba , no eixo vertical, é a  diferença entre a contrapressão do sistema e a pressão de entrada da bomba ( _bomba ΔP ). A vazão volumétrica (Q) , no eixo horizontal, é a taxa na qual o fluido está fluindo através da bomba. Como pode ser visto, a cabeça é aproximadamente constante em baixa descarga e depois cai para zero em Q _max . Em baixa descarga, as características podem ser instáveis ​​(com inclinação positiva da cabeça da bomba). Essas são características indesejáveis, porque uma bomba instável pode começar a oscilar entre as duas combinações possíveis de vazão e a tubulação pode vibrar.

Na vazão Q1, a bomba ganha mais pressão do que consome as perdas por atrito; portanto, a vazão através do sistema aumentará . A vazão se estabilizará no ponto em que as perdas por atrito cruzam as características da bomba .

Para caracterizar o desempenho de bombas centrífugas, são definidos os seguintes termos:

• Cabeça de desligamento
• Eficiência da bomba
• Melhor Ponto de Eficiência – BEP
• Potência de freio
• Cabeça de sucção positiva líquida