Você provavelmente nunca pensa no maquinário movendo fluido até que algo quebre. Então você percebe que sem bombas a civilização para. São dispositivos de conceito simples: gastam energia, movimentam líquidos. Mas a engenharia necessária para fazer isso de forma eficiente? Essa é uma história complexa e corajosa da mineração, da física e da ciência dos materiais.
As primeiras versões eram de força bruta. Pense nas rodas d’água persas e romanas. Ou o parafuso de Arquimedes. Você gira, a água sobe. Simples. Mas à medida que as operações mineiras da Idade Média se aprofundavam, as simples rodas não eram suficientes. Eles precisavam de bombas de sucção.
Georgius Agricola descreveu-os em De re Metallica em 1556. O princípio baseia-se na pressão atmosférica. Levante um pistão. Crie um vácuo parcial. A pressão do ar externa empurra a água para dentro do cilindro. É um truque legal. Até atingir um limite rígido.
A pressão atmosférica só pode empurrar a água para cima cerca de 10 metros. Tentar sugar água de um poço de mina mais profundo do que isso? Não vai funcionar. O vácuo falha. Então os engenheiros inventaram a bomba de força. Agora, o curso descendente do pistão força fisicamente a saída da água através de uma válvula lateral. A altura depende da força aplicada, não apenas da pressão do ar.
Classificação de Bombas
Como categorizamos esse caos? Tudo se resume à transferência de energia. Existem três maneiras básicas de mover fluidos:
- Deslocamento volumétrico. Mover um pedaço de fluido do ponto A para o ponto B.
- Energia cinética. Girar o fluido rapidamente ou acertá-lo com um impulso.
- Força eletromagnética. Uso de campos magnéticos para empurrar fluidos condutores. Este requer que o fluido seja um bom condutor elétrico.
Se você está movimentando gás, provavelmente está falando de compressores, sopradores ou ventiladores. Se você estiver deslocando fluido mecanicamente, é uma bomba de deslocamento positivo. Se você estiver usando um impulsor giratório para aumentar a velocidade, é uma bomba cinética.
Existe uma regra geral aqui. As bombas de deslocamento positivo lidam com baixos volumes em alta pressão. As bombas cinéticas lidam com grandes volumes a baixa pressão. É uma troca. Você não pode ter ambos sem engenharia especializada.
Há um problema. Você precisa de uma certa pressão de entrada apenas para fazer o fluido fluir para a bomba. Se essa pressão for muito baixa, você terá cavitação. Esta é a formação de espaços vazios onde deveria estar o líquido. Bolhas de vapor se formam na linha de sucção. Eles viajam para a bomba. Eles atingiram uma região de maior pressão. Eles entram em colapso.
O resultado? Ruído excessivo. Vibração. Corrosão. Erosão. A bomba se alimenta de dentro para fora.
A eficiência da bomba não é estática. Depende do fluido. Líquidos móveis como bomba de água de forma eficiente. Fluidos viscosos como melaço? Nem tanto. A viscosidade diminui à medida que a temperatura aumenta. É por isso que as plantas industriais muitas vezes aquecem líquidos espessos antes de bombeá-los. É um hack prático. Aqueça. Flui melhor.
Bombas de Deslocamento Positivo
Estas bombas levantam um determinado volume para cada ciclo. Eles são cavalos de batalha confiáveis. Dividido em duas classes principais: alternativo e rotativo.
Alternativo inclui tipos de pistão, êmbolo e diafragma. Rotativo inclui bombas de engrenagem, lóbulo, parafuso, palhetas e came.
A bomba de êmbolo é o tipo comum mais antigo. Consiste em um cilindro. Um pistão ou êmbolo se move para frente e para trás. Numa bomba de êmbolo, a vedação é estacionária. O êmbolo empurra o fluido. Numa bomba de pistão, a vedação se move com o pistão.
À medida que o pistão se move para fora, o volume no cilindro aumenta. O fluido entra através de uma válvula de entrada unidirecional. À medida que se move para dentro, o volume diminui. Picos de pressão. O fluido é forçado para fora da válvula de saída.
A taxa de bombeamento não é constante. Chega a zero quando o pistão muda de direção. Ele atinge o pico na metade do curso. Para suavizar isso, você pode usar os dois lados do pistão. Bombas de dupla ação. Ou você pode adicionar mais cilindros.
Você pode variar a taxa alterando a velocidade alternativa da haste do pistão. Ou alterando o comprimento do traço. O pistão pode ser acionado diretamente por vapor, ar comprimido ou óleo hidráulico. Ou através de uma ligação mecânica que transforma o movimento rotativo em movimento alternativo.
Essas bombas são caras. Mas eles são duráveis. As bombas de pistão funcionam há mais de 100 anos sem reparo ou substituição. Isso não é um erro de digitação. Um século de serviço.
As bombas de diafragma funcionam de forma semelhante, mas substituem o pistão por um diafragma flexível pulsante. Nenhuma gaxeta em contato com o fluido. Isso resolve um problema específico. Vazamentos. Se você estiver bombeando produtos químicos tóxicos, corrosivos ou caros, não poderá permitir um vazamento através da embalagem. O diafragma mantém tudo selado por dentro.
O fluido entra e sai através das válvulas de retenção. O diafragma pode ser acionado mecanicamente ou por um fluido como ar comprimido ou óleo.
Eles fornecem uma saída pulsante. Líquidos. Gases. Misturas. Eles são úteis para líquidos contendo partículas sólidas. E eles podem secar por longos períodos. Você também pode alterar a taxa de bombeamento enquanto a máquina está funcionando.
Como as bombas de engrenagens externas realmente movem o fluido
A maioria das pessoas presume que as bombas são caixas mágicas que sugam as coisas e as cospem. Eles não são. São apenas armadilhas mecânicas. A bomba de engrenagem externa – o carro-chefe do manuseio de fluidos industriais – depende de um truque surpreendentemente simples.
Uma marcha gira. É acionado por um motor ou motor. A outra engrenagem simplesmente fica parada e se deixa empurrar. Funciona de graça.
É aqui que a física fica interessante. À medida que esses dentes giram para longe um do outro, eles criam um vazio. Um vácuo parcial. A natureza odeia o vácuo, por isso corre para preencher a lacuna. O fluido é sugado para o espaço entre os dentes e o invólucro.
Mas a armadilha não fica aberta para sempre.
As engrenagens se engrenam novamente. Os dentes travam. O fluido não tem para onde ir, exceto para fora. A pressão aumenta. Força o líquido para a linha de descarga.
Pense na direcionalidade. Você pode reverter a rotação. Se você girar as engrenagens para o outro lado, a entrada e a saída trocam de lugar. A bomba descarrega em qualquer direção, dependendo inteiramente da direção em que o motor gira.
É eficiente. É robusto. Mas também é básico.
Um vácuo parcial, criado pelo desengate das engrenagens rotativas, puxa o fluido para dentro da bomba.
É por esse mecanismo que as bombas de engrenagem estão por toda parte. Eles movem óleos espessos. Eles movem combustíveis. Eles movimentam produtos químicos que destruiriam um impulsor mais delicado.
A caixa é fixa. Ele não se move. Os dentes se movem dentro dele. O fluido viaja de um lado para o outro, preso nas bolsas entre os dentes e a parede. É um loop contínuo.
Não há pulsação. Sem vibração. Apenas pressão constante e rítmica.
Por que isso importa? Porque quando você precisa mover algo que não quer se mover – um lodo pesado, uma graxa viscosa, um polímero espesso – você precisa de um deslocamento positivo. Você precisa empurrar fisicamente a molécula para frente.
As bombas de engrenagem fazem exatamente isso. Eles pegam o fluido. Eles seguram isso. Eles jogam fora do outro lado.
Simples. Brutal. Eficaz.
O design quase não mudou em um século. Isso não é um sinal de estagnação. É um sinal de perfeição.
Ou perto o suficiente.
Assim que o fluido sai do ponto de malha, ele fica sob pressão. Alta pressão. O suficiente para passar por canos estreitos. O suficiente para superar a resistência.
Você pode reverter o fluxo. Você pode mudar a direção da descarga. Basta inverter a rotação.
Essa é a beleza disso. Um motor. Duas engrenagens. Um ciclo fechado.
Funciona até que não funcione. O desgaste eventualmente afrouxa as tolerâncias. A lacuna entre os dentes e o invólucro aumenta. A eficiência cai. A bomba ainda movimenta fluido, mas menos.
Mas isso é um problema para amanhã.
Por enquanto, as engrenagens giram. O vácuo se forma. O fluido se move.
E nem precisamos pensar nisso.
Mecânica e Limitações da Engrenagem Interna
Observe a bomba de engrenagem interna na Figura 2. É um maquinário inteligente. A engrenagem acionada é um rotor com dentes cortados em sua circunferência interna. Esses dentes engrenam com uma engrenagem intermediária que possui dentes externos. A polia fica descentralizada. Este deslocamento cria a ação de bombeamento. Uma parte fixa do revestimento chamada crescente divide o fluxo. Ele separa a engrenagem intermediária do rotor.
Este projeto lida bem com líquidos com vapores ou gases presos. Mas há um problema. A bomba depende do próprio líquido para lubrificar as peças móveis internas. Bombear gás puro? As engrenagens roçam umas nas outras sem aquela película protetora. Eles se desgastam rapidamente. Então, os gases acabaram.
Para líquidos, a saída é constante. Pulsações insignificantes. Se você mantiver a velocidade do rotor constante, obterá um fluxo constante. Mas o desgaste muda o jogo. A erosão e a corrosão aumentam as lacunas entre as engrenagens. O líquido desliza de volta por essas lacunas em vez de avançar. A eficiência cai.
As bombas de engrenagens internas necessitam do fluido para fornecer lubrificação, tornando-as inadequadas para bombear gases.
O entupimento é o outro inimigo. Partículas sólidas obstruem as folgas apertadas. Você não pode operar essas bombas com lamas ou fluidos com muitos detritos. No entanto, eles não precisam de válvulas de retenção. Esta simplicidade permite-lhes manusear líquidos muito viscosos. Óleos grossos? Sem problemas.
Bombas e Compressores de Lóbulo
As bombas de lóbulo parecem primas das bombas de engrenagem externas. Eles compartilham a mesma forma básica. Mas os rotores são diferentes. Em vez de engrenagens, eles têm lóbulos. Dois, três ou quatro lóbulos. A principal diferença é como eles se movem. Ambos os rotores são acionados. Eles não estão interligados como engrenagens.
Este design significa mais pulsação na saída. As bombas de engrenagens externas são mais suaves. As bombas de lóbulo são mais ásperas no fluxo. Mas eles sofrem menos desgaste. Os rotores não se tocam. Não há contato metal com metal. Isto os torna duráveis para materiais abrasivos, embora menos eficientes na estabilidade do fluxo.
Os compressores do tipo lóbulo usam o mesmo princípio. Eles bombeiam gasolina. Cada rotor possui dois lóbulos. Eles movem ar ou gás onde as bombas de engrenagem falhariam devido à falta de lubrificação.
O Princípio da Bomba de Parafuso
As bombas helicoidais funcionam de maneira diferente. Um rotor de parafuso helicoidal gira dentro de um invólucro fixo. O invólucro é moldado para formar cavidades. À medida que o parafuso gira, essas cavidades se movem da entrada para a descarga.
Quando uma cavidade se forma na entrada, cria um vácuo parcial. Este vácuo suga o fluido para a bomba. O fluido viaja dentro dessa cavidade em progressão. Não espirra. Ele se move em linha reta.
No final da descarga, o invólucro se estreita. A cavidade fecha. Este fechamento aumenta a pressão. A pressão força o fluido para a linha de saída. É um método de deslocamento positivo.
As bombas helicoidais criam um fluxo constante ao reter o fluido em cavidades progressivas que se movem axialmente através da bomba.
Essas bombas são versáteis. Eles lidam com líquidos com vapores. Eles também lidam com partículas sólidas. O design helicoidal permite que os detritos passem sem emperrar. A saída é estável. Pulsações desprezíveis para uma determinada velocidade do rotor.
Eles não precisam de válvulas de retenção de entrada ou saída. Isso os torna ideais para líquidos viscosos. Substâncias espessas deslizam facilmente. Não há válvulas extras para entupir.
Compensações de custo e longevidade
As bombas helicoidais não são baratas. Eles são
A bomba de palhetas deslizantes, conforme visto na Figura 3, depende de um arranjo mecânico simples, mas inteligente. O rotor fica descentralizado dentro da carcaça. As palhetas retangulares são inseridas em ranhuras ao longo da borda do rotor. Quando o motor gira o rotor, a força centrífuga empurra as palhetas para fora. Eles pressionam com força contra a parede interna curva da caixa fixa. Isso cria uma vedação hermética.
À medida que o rotor gira, cria um vácuo parcial no lado de sucção. O fluido corre para preencher esse vazio. As palhetas rotativas retêm bolsas de líquido entre o rotor e a carcaça. Eles carregam esse fluido para o lado da descarga. Aí o espaço encolhe. A pressão aumenta. O fluido é forçado para fora na linha de saída.
Como ajustar a taxa de fluxo
Você pode controlar a taxa de bombeamento ajustando a excentricidade. Isso significa alterar o quão descentralizado o rotor fica. Mova-o e você alterará o volume varrido pelas palhetas. O design é autocompensador de desgaste. As palhetas deslizam para dentro e para fora à medida que se desgastam. Eles permanecem em contato com o invólucro. A capacidade de bombeamento não diminui até que as palhetas estejam muito gastas.
Essas bombas são robustas. Eles fornecem saída constante com pulsações insignificantes em qualquer velocidade. Você não precisa de válvulas de retenção de entrada ou saída. Isso simplifica o sistema. Eles lidam bem com líquidos misturados com vapores ou gases. Mas eles falham com sólidos. Se o seu fluido contiver partículas, não use uma bomba de palhetas. As palhetas irão emperrar ou se desgastar instantaneamente.
Também existem compressores do tipo palheta, mas bombeiam gases e não líquidos.
A mudança para bombas cinéticas
As bombas cinéticas funcionam com um princípio diferente. Eles transmitem velocidade ao fluido primeiro. Então, eles convertem essa energia cinética em cabeça de pressão. A maior parte da velocidade se torna pressão estática. Esta classe inclui bombas centrífugas e regenerativas.
As bombas centrífugas existem desde cerca de 1680. Durante séculos, foram pouco utilizadas. Por que? A tecnologia ainda não estava lá. Demorou até o século 20 para que as bombas cinéticas se tornassem comuns. Os materiais e a precisão de fabricação necessários para lidar com altas velocidades com eficiência finalmente chegaram. Hoje, eles dominam o movimento de fluidos em grande escala.
A diferença é fundamental. As bombas de palhetas retêm volumes discretos de fluido. As bombas cinéticas aceleram um fluxo contínuo. Um deles é o deslocamento positivo. O outro é dinâmico. Ambos têm o seu lugar. Mas se você estiver movimentando água por uma cidade, provavelmente estará usando uma bomba cinética. Se você estiver dosando óleo em uma máquina pequena, poderá usar uma bomba de palhetas.
A história das bombas é uma história de eficiência. Passamos da retenção de fluido para o lançamento. Desde selos mecânicos até lâminas aerodinâmicas. A bomba de palhetas deslizantes continua útil. Sua simplicidade é sua força. Mas a escalabilidade da bomba cinética mudou a indústria. Paramos de construir menores e mais fortes. Começamos a construir de forma mais rápida e maior.
Há uma razão pela qual ainda usamos palhetas em algumas aplicações. A confiabilidade é importante. Mas o futuro pertence àqueles que conseguem se mover de maneira mais fluida e com menos energia. A bomba cinética faz isso. Não se trata apenas de pressão. É uma questão de impulso. E é difícil vencer o impulso quando você movimenta milhões de galões.
A bomba centrífuga padrão
Você provavelmente não notará isso, mas as bombas de fluxo radial estão fazendo o trabalho pesado em tudo, desde o abastecimento de água doméstico até sistemas de resfriamento industrial. Especificamente, a bomba de voluta domina esta categoria. É o burro de carga que você deseja conhecer.
O fluido entra no impulsor próximo ao seu centro. O impulsor gira em alta velocidade. Isso joga o fluido para fora, contra a carcaça da bomba. O resultado é um vácuo parcial. Esse vácuo atrai mais fluido. O ciclo continua.
Por que as bombas voluta vencem
Essas unidades são robustas. Eles também são relativamente baratos de produzir. Se você precisa de operação silenciosa e confiabilidade, esta é uma escolha sólida. O desempenho permanece estável mesmo quando a corrosão e a erosão tentam causar danos.
A construção é simples. A compactação é importante em espaços apertados. Você não precisa de válvulas de retenção de entrada ou saída. Isso simplifica a tubulação. Reduz possíveis pontos de falha.
As bombas centrífugas de voluta são robustas, silenciosas e confiáveis, com desempenho praticamente inalterado pela corrosão e erosão.
Quando eles lutam
Eles não são perfeitos. Eles podem lidar com líquidos com partículas sólidas. Mas introduza muito vapor na mistura. A sucção quebra. Segue-se a cavitação. Isso é ruim para a longevidade.
A viscosidade é outro inimigo. Estas bombas funcionam melhor com líquidos não viscosos. Bombeie algo grosso. Você verá uma queda significativa na capacidade.
A alternativa do difusor
Nem todas as bombas de fluxo radial utilizam uma carcaça voluta. Aí está a bomba difusora. É necessária uma abordagem diferente depois que o fluido sai do impulsor.
O fluido passa através de um anel de palhetas fixas. Essas palhetas difundem o líquido. Eles fornecem fluxo controlado. Mais importante ainda, eles convertem a altura manométrica de velocidade em altura manométrica de pressão com mais eficiência.
É uma questão de eficiência. A voluta é simples. O difusor é otimizado. Escolha com base no que seu processo exige.
Mecânica de Fluxo Axial e Misto
O rotor em uma bomba centrífuga de fluxo axial é essencialmente uma hélice. O fluido se move paralelamente ao eixo, conforme mostrado na Figura 5. As palhetas de difusão ficam na porta de descarga. Eles matam a velocidade de rotação que a hélice deu ao fluido. Os compressores de fluxo axial também movimentam gases usando o mesmo princípio.
As bombas de fluxo misto seguem um caminho diferente. O fluido sai radialmente e axialmente. Entra em um invólucro tipo voluta. A geometria muda a direção e a pressão simultaneamente.
Dinâmica da bomba regenerativa
Uma bomba regenerativa também é conhecida como bomba de turbina ou bomba periférica. O impulsor possui palhetas em ambos os lados da borda. Ele gira dentro de um canal em forma de anel dentro do invólucro.
O fluido não sai livremente da ponta do impulsor. Em vez disso, recircula de volta para um ponto inferior no diâmetro do impulsor. Este processo é chamado de regeneração. Aumenta a altura manométrica desenvolvida pela bomba.
As folgas nessas bombas são apertadas. Você não pode usá-los para líquidos com partículas sólidas. Os sólidos bloqueariam o mecanismo. Eles lidam com líquidos com vapores e gases. Eles podem até bombear gases se houver líquido suficiente para vedar as lacunas estreitas. Eles são estritamente para líquidos móveis.
Princípios da Bomba Eletromagnética
As bombas eletromagnéticas têm uma limitação importante. Eles só funcionam com fluidos que conduzem bem a eletricidade. O tubo que transporta o fluido fica em um campo magnético. Uma corrente passa transversalmente pelo fluido. Isso cria uma força eletromagnética. A força empurra o fluido na direção do fluxo.
A corrente e o campo podem ser gerados de várias maneiras. O princípio corresponde ao de um motor elétrico. Essas bombas são essenciais para o resfriamento de reatores nucleares. Eles movem metais líquidos com eficiência, sem mover peças mecânicas no fluxo de fluido.
Os elevadores a gás operam sem uma única peça móvel. O gás comprimido atinge o líquido no fundo do poço. A mistura fica mais leve. A flutuabilidade assume o controle. Ele sobe e despeja. Este design lida facilmente com sólidos. Antes comuns para água e petróleo, as elevações aéreas agora são raras.
O princípio do ejetor a jato
O fluido se move através de um bocal Venturi. Picos de velocidade. Quedas de pressão. Isso cria sucção. Uma segunda corrente de fluido é arrastada.
Os aspiradores usam água para isso. Os ejetores de vapor empurram os vapores. Eles lidam com grandes volumes a baixas pressões. Vapor em alta velocidade entra na bomba. Ele transfere impulso para o gás. A mistura atinge o difusor. A energia cinética se transforma em pressão. O gás se move de baixa para alta pressão. Essas bombas datam de 1850.
Aríetes Hidráulicos e Martelos de Aríete
Um fluxo descendente de água eleva parte dela mais alto. O tubo de entrada vê uma válvula de retenção fechada. A energia cinética para repentinamente. Como um martelo de água. Picos de pressão. Uma segunda válvula se abre. A água entra na câmara de ar. Ele empurra o tubo de descarga.
A pressão na entrada cai. A primeira válvula reabre. O ar comprimido veda a câmara. O ciclo se repete. Cerca de 15 por cento da água de entrada atinge cinco vezes a altura de queda. Desenvolvidos no final do século 18, ainda alimentam alguns sistemas domésticos.
Criando um Vácuo
As bombas de vácuo são compressores. Eles ingerem gás abaixo da pressão atmosférica. Eles o comprimem. Eles descarregam à pressão atmosférica. O gás de baixa pressão tem grande volume. Essas bombas são volumosas.
Os ejetores a jato de vapor dominam a indústria. Os pistões alternativos também funcionam. Bombas de palhetas rotativas são comuns. Todos servem para retirar o ar.
