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Propagação de Transitórios Hidráulicos entre Bombas Radiais Centrífugas e Anfíbias usando CFD

Atualizado: 6 de set. de 2023

Análise das velocidades de propagação de transitórios hidráulicos entre uma bomba radial centrífuga e uma bomba anfíbia usando software CFD



Neste artigo iremos comparar os comportamentos das velocidades no transporte dos transientes hidráulicos de uma bomba centrífuga radial convencional com o de uma bomba anfíbia, utilizando o modelo computacional criado através do programa de CFD. As informações foram obtidas de apresentações e artigos técnicos realizados pelo setor de engenharias da Higra (fabricante das bombas anfíbias), bem como da Universidade Federal de Itajubá — UNIFEI,cujo artigo foi publicada na RBRH — Revista Brasileira de Recursos Hídricos, onde ambas utilizaram o referido modelo computacional.

A tecnologia de CFD (Computational Fluid Dynamics) se tornou uma parte fundamental no projeto e análise de produtos e processos de muitas empresas, devido a sua habilidade de predizer o desempenho destes equipamentos e processos antes mesmo de serem produzidos ou implementados, permitindo a correção e melhoria do projeto, antes mesmo da construção do protótipo.


Figura 1 - Imagens 3D bomba centrífuga radial e modelagem velocidade com software CFD

Para análise da bomba centrífuga radial tomaremos como base uma vazão igual a 60 m3/h (figura 01). De acordo com o estudo realizado, nota-se algumas pequenas áreas de recirculação e áreas sem fluxo de água ao longo do funcionamento empírico da bomba. Estas são áreas de descolamento, ou seja, a água desprende da parede do rotor com movimento da massa inicial do fluído do centro do rotor para sua extremidade, formando um vazio (vácuo), sendo este, o ponto de menor carga de pressão da bomba. Estas áreas podem ser prejudiciais ao rendimento do equipamento.

As maiores velocidades observadas nesta simulação estão no centro da voluta e as menores velocidades são apresentadas na tubulação de sucção, onde o fluido ainda não sofreu influência da força centrífuga.


Figura 2 - Áreas prejudiciais ao rendimento das bombas centrífugas

Para análise das bombas anfíbias tomaremos como base o ranger de vazões entre 2000 m3/h e 2400m³/h (figura 05). Podemos observar que no início da modelagem hidráulica, ocorreram espaços vazios, com velocidade maior no início do processo e baixa velocidade até a uniformização do fluxo, conforme o deslocamento da massa inicial do centro do rotor para sua extremidade.


Figura 3 - Análise dos comportamento das velocidades durante o funcionamento da bomba anfíbia

Figura 4 - Ajute das velocidades iniciais e durante o transporte do tranisente

Utilizando o software Computational Fluid Dynamics (CFD) para modelagem hidráulica da bomba anfíbia, foi possível notar uma significativa melhora na uniformidade do fluxo durante seu funcionamento. Os espaços vazios no início da operação foram consideravelmente reduzidos, resultando em uma baixa variação entre a velocidade inicial e final ao longo de todo o processo.


Figura 5 -Ranger de velocidades analisadas na modelagem realizada pelo software CFD

Comparando os projetos construtivos dos equipamentos, observamos que a bomba centrífuga convencional apresenta vários pontos de perda de carga, através de seus inúmeros componentes de transmissão, tanto da bomba quanto do motor (Figura 06).


Figura 6 - Pontos de perda de carga das bombaa centrífugas

Estes componentes expostos a inúmeros esforços ao longo da operação, intempérie, variação de pressão, devido às diferentes demandas de consumo, proporcionam perda de alinhamento, aquecimento da bomba e do motor e, consequentemente, desgaste e perda de eficiência.


A bomba anfíbia, por sua vez, foi concebida para minimizar ao máximo esses problemas, apresentando em sua concepção baixa quantidade de peças, não sendo necessário alinhamento, estando seu motor sempre refrigerado, tendo como resultado baixa manutenção e alta eficiência energética (figura 07).


Figura 7- Pontos de perda de carga bombas anfíbias

A palavra anfíbio, de origem grega (amphi 'ambos' e bio 'vida‘), significa "vida dupla" e define os animais que são capazes de viver no ambiente terrestre e aquático. As bombas anfíbias, são aquelas capazes de trabalhar dentro da água, como as bombas submersas, submersíveis e verticais e capazes de trabalhar também fora da água, como se fossem bombas convencionais tipo horizontal, bipartida, multiestágios e outras. Este equipamento pode ter seu flange montado em linha com a tubulação para sistemas “booster”, fixados no flange da tubulação suspensa. Pode ser instalado sobre balsas ou ainda adaptado a uma grande variedade de estruturas como bases, trilhos e casas de bombas (HIGRA, 2018). O líquido entra de forma longitudinal na bomba, é impulsionado pelo rotor, passa pelo difusor, circulando o motor da bomba. Ao circular o motor, a troca térmica é otimizada, visto que o fluido fica mais tempo em contato com o motor, fazendo com que sua temperatura não ultrapasse os 55°C (dados experimentais).

CONCLUSÃO

De acordo com o estudo apresentado, a bomba centrífuga convencional possui uma velocidade inicial maior em sua operação, que é reduzida ao longo do processo, resultando em espaços vazios que podem causar problemas de rendimento ao longo do tempo. Sua construção inclui vários componentes suscetíveis a aquecimento, desgaste e perda de alinhamento. Esses fatores afetam diretamente a variação de velocidade e, consequentemente, a eficiência do equipamento ao longo do tempo.


Por outro lado, as bombas anfíbias, após o início de seu funcioanamento, apresentam uma uniformidade no fluxo com baixas variações de velocidade até o final de seu processo, reduzindo significativamente os espaços vazios durante o transiente hidráulico. Suas características construtivas contribuem para obter um alto rendimento, incluindo baixa perda de carga interna e resfriamento constante do motor, o que ajuda a minimizar a necessidade de manutenção. A uniformidade na velocidade de operação contribui para uma melhor eficiência energética durante seu funcionamento.

Embora seja esperado que maiores vazões resultem maiores perdas de carga e, consequentemente, maiores problemas para uniformizar as velocidades de operação, foi constatado que as bombas anfíbias foram eficientes, mesmo com diferentes vazões entre os equipamentos. Isso ocorre devido ao projeto construtivo dessas bombas.


É importante considerar que cada tecnologia é desenvolvida para atender uma determinada necessidade de uso e que, dependendo do projeto, uma tecnologia pode ser mais adequada do que a outra. No caso da tecnologia anfíbia, seu diferencial é buscar atender demandas de projetos com dificuldades específicas. Portanto, é essencial considerar sua utilização desde o início dos estudos, em vez de compará-la diretamente à outras tecnologias, uma vez que são bastante distintas.


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