Máquinas Volumétricas

Introdução às Máquinas Volumétricas Objetivos de Aprendizagem: promover a compreensão do mecanismo de funcionamento dos principais tipos de máquinas volumétricas existentes na indústria, bem como dos princípios físicos que regem o seu funcionamento. Apresentar ao aluno os códigos técnicos que regem esses equipamentos, aplicações práticas e limitações de funcionamento.

O que são máquinas volumétricas? Também chamadas de máquinas de deslocamento positivo, as máquinas volumétricas, ao contrário das turbomáquinas, produzem a transformação da energia mecânica do acionamento em energia de cinética e de pressão por meio do confinamento do fluido entre a carcaça e uma peça móvel, que pode ser rotativa ou alternativa.  A principal característica deste tipo de equipamento é que, durante a transferência de energia, haverá confinamento do fluido de trabalho.

Princípio fundamental da hidrostática: A diferença de pressão entre dois pontos de um fluido em repouso é determinada pelo produto entre sua massa específica, a aceleração da gravidade local e a diferença de altura entre esses pontos. Importante: esse princípio somente é válido para um meio contínuo!  

O número de Reynolds é um parâmetro usado em hidráulica para determinar o regime de escoamento mais provável de um fluido sobre uma superfície. Físicamente, pode-se dizer que esse número relaciona a magnitude das forças inerciais e das forças viscosas de um determinado turbulento. Quanto maior o número de Reynolds, maior a tendência de um escoamento ser turbulento. Na prática, considera-se que para um número de Reynolds maior do que 2400, o regime de escoamento sempre será turbulento - e é assim que ocorrem a maioria dos processos industriais. Procura-se sempre aumentar a turbulência de um escoamento quando o objetivo for promover fortes misturas, como, por exemplo, em muitos processos químicos. Por outro lado, quando o objetivo for economizar energia, geralmente opta-se por reduzir a turbulência do escoamento, respeitando-se as limitações técnicas presentes. O vídeo abaixo, desenvolvido pelo MIT, explica melhor a turbulência, seu equacionamento e suas particularidades. Não avance sem vê-lo! https://www.youtube.com/watch?v=1_oyqLOqwnI

Imagem disponível em https://alunosonline.uol.com.br/quimica/equacao-geral-dos-gases.html   De maneira abstrata, pode-se entender por gás perfeito um gás cuja velocidade média das moléculas depende apenas da temperatura. Macroscopicamente, isso quer dizer que as propriedades termodinâmicas desses gases seguem relações muito simples e fáceis de modelar, como as demonstradas nas equações acima. A maioria dos gases utilizados em máquinas volumétricas (inclusive o próprio ar!) apresentam comportamento de gas ideal!   Cabe lembrar que, ao equacionar essas relações, deve-se sempre usar temperatura e pressão absolutos.

Primeira atividade avaliativa - Lista de exercícios 1 - Tradicionalmente, bombas centrífugas têm sua pressão de sucção e de descarga quantificada em metros de coluna de água.    a) Use a hidrostática para explicar como isso é possível.    b)  Explique porque não é conveniente quantificar em metros de coluna de água (ou qualquer outro fluido) para bombas de deslocamento positivo.   2 - Qual o regime de escoamento mais provável para cada uma das seguintes situações:    a) Ar sobre a asa de um avião.    b) Um pato nadando em um lago.    c) Um peixinho dourado nadando em um aquário.    3 - Faça uma rápida pesquisa na internet e nos seus livros de termodinâmica e liste as limitações do modelo de gás perfeito.  

Bombas alternativas são um tipo de máquina volumétrica que transforma movimento alternativo em energia cinética e energia de pressão no fluído. Podem ser acionadas por mecanismos do tipo biela-manivela, por pistões pneumáticos ou a vapor, conforme a disponibilidade da planta. Como todas as outras máquinas volumétricas, jamais devem ser operadas com a descarga fechada! Recomenda-se, inclusive, que, para as bombas maiores, sejam instaladas válvulas de segurança.   Por causa do mecanismo de funcionamento que confina o fluído em seu interior, a pressão que pode ser fornecida por esse tipo de bomba é virtualmente ilimitada - por isso há a necessidade de nunca operá-las com a descarga fechada. Na prática, a pressão fornecida é limitada pela resistência mecânica do componente mais frágil ou pela potência do acionamento. Dentre os principais tipos de bombas alternativas estão a de pistão e a de diafragma.   Bomba de pistão: geralmente acionadas por um motor rotativo e um mecanismo de biela-manivela, mas também podem ser acionadas por pressão de vapor ou por pressão de ar, conforme a disponibilidade e a potência. Este tipo de bomba é muito usado quando são desejadas grandes pressões e pequenas vazões.  Funcionamento: o movimento alternativo gerado pelo acionador movimenta o fluido confinado no interior do cilindro, pressionando-o contra as válvulas de descarga e forçando-as a abrir. Ao inverter o sentido do movimento do pistão, as válvulas de descarga se fecham e o fluído do meio exterior é succionado, passando pelas válvulas de sucção. Principais normas construtivas: Código American Petroleum Institute API 674 – Reciprocating Pumps Controles típicos: pode-se usar a variação do curso do pistão ou a variação da velocidade do acionamento, conforme o porte e a potência. Característica principal: a vazão é pulsada - pode ser necessário usar uma bexiga para amortecer a pulsação da vazão. Exemplo de funcionamento: https://www.youtube.com/watch?v=SEkquRlP5Nw Bomba de diafragma: geralmente acionadas por um motor rotativo e um mecanismo de biela-manivela, mas também podem ser acionadas por pressão hidráulica. Possui características similares as da bomba de pistão, mas geralmente é utilizada para dosagem precisa de produtos químicos, especialmente quando muito agressivos, uma vez que o diafragma protege os internos da bomba. Geralmente as pressões de trabalho e as vazões são menores, mas o controle é muito mais preciso. Funcionamento: o movimento alternativo gerado pelo acionador movimenta o fluido confinado no interior do cilindro, pressiondo-o contra as válvulas de descarga e forçando-as a abrir. Ao inverter o sentido do movimento do pistão, as válvulas de descarga se fecham e o fluído do meio exterior é succionado, passando pelas válvulas de sucção. Principais normas construtivas: Código American Petroleum Institute API 674 – Reciprocating Pumps Controles típicos: pode-se usar a variação do curso do pistão ou a variação da velocidade do acionamento, conforme o porte e a potência. Característica principal: a vazão é pulsada - pode ser necessário usar uma bexiga para amortecer a pulsação da vazão. Exemplo de funcionamento (acionamento por pressão de ar): https://www.youtube.com/watch?v=9_JFbT3kwc4

As bombas rotativas são máquinas volumétricas que transferem energia ao fluido de trabalho por meio do movimento rotativo de um impelidor dentro de um estator, estático. De maneira similar ao que acontece nas bombas alternativas, por causa do mecanismo de funcionamento que confina o fluído em seu interior associado à incompressibilidade dos líquidos, a pressão que pode ser fornecida por esse tipo de bomba é virtualmente ilimitada - por isso há a necessidade de nunca operá-las com a descarga fechada. Na prática, a pressão fornecida é limitada pela resistência mecânica do componente mais frágil ou pela potência do acionamento. Dentre os principais tipos de bombas rotativas as bombas helicoidais e as bombas de engrenagens/lóbulos.   Bombas helicoidais: O princípio de funcionamento da bomba helicoidal é um rotor helicoidal que gira no interior de um estator. Por causa da geometria do rotor e do estator, são formadas cavidades que se movimentam com o movimento rotativo do rotor. A abertura e o fechamento dessas cavidades criam uma depressão no bocal de sucção, que faz com que o fluido seja succionado e desenvolve uma vazão volumétrica diretamente proporcional a sua rotação. Característica: vazão levemente pulsada, geralmente não necessidade de amortecedor de pulsação. Controle típico: por ser diretamente proporcional à rotação, a vazão geralmente é controlada pela própria rotação do acionamento. Aplicações: bom resultado em fluídos de alta viscosidade, para dosagem de produtos químicos agressivos e lodos em vazões médias a baixas. Excelente controle de vazão. Principal código de projeto: API 676 – Positive Displacement Pumps. Exemplo de funcionamento: https://www.youtube.com/watch?v=G0ngtHeLBMk Bombas de engrenagens/lóbulos: recebem o nome de bomba de lóbulos ou de engrenagens em função do tipo de elemento rotativo, mas possuem funcionamento idêntico. Durante a operação, o fluído fica confinado entre a carcaça e os espaços das peças rotativas. Ao girarem, as peças forçam o fluído da sucção para a descarga, promovendo o escoamento. Características: baixíssima pulsação da vazão e robustez do projeto (geralmente não há partes plásticas nem elastoméricas). Controle típico: por ser diretamente proporcional à rotação, a vazão geralmente é controlada pela própria rotação do acionamento. Aplicações: sistemas de lubrificação de grandes máquinas, sistemas de bombeio de asfalto e óleos lubrificantes e aplicações para grandes viscosidades em que a pulsação na vazão seja desaconselhada. Principal código de projeto: API 676 – Positive Displacement Pumps Exemplo de funcionamento: https://www.youtube.com/watch?v=MoKd0cILUJQ

Segunda atividade avaliativa   Procure algum exemplo de aplicação de bombas volumétricas, de preferência onde você trabalha ou estagia, para fazer uma breve apresentação aos seus colegas, em PowerPoint ou PDF.  O trabalho deve conter os seguintes itens: - Descrição do sistema em que a bomba está inserida; - Modelo, funcionamento e fabricante da bomba; - Considerações sobre arranjos alternativos para a mesma aplicação.

Um compressor alternativo é uma máquina volumétrica que usa pistões movidos por mecanismos de biela-manivela (chamado de árvore de manivelas, quando há mais de um cilindro) para pressurizar um gás em seu interior.  O movimento alternativo gerado pelo acionador movimenta o gás confinado no interior do cilindro, pressionando-o contra as válvulas de descarga e forçando-as a abrir. Ao inverter o sentido do movimento do pistão, as válvulas de descarga se fecham e o gás do meio exterior é succionado, passando pelas válvulas de sucção. Nota-se que o funcionamento é muito parecido com o das bombas de pistão. Opta-se por compressores alternativos quando a vazão desejada é relativamente baixa e a pressão é alta, sempre em comparação às máquinas centrífugas de mesmo porte. Uma característica que diferencia os compressores das bombas é o fato do gás ser compressível. Isso faz com que outros métodos de controle sejam possíveis nos compressores alternativos, como a restrição da sucção. Outro método importante de controle é a variação do tempo de abertura das válvulas, que pode definir qual parcela do movimento alternativo do mecanismo será "aproveitado" para descarregar o gás comprimido. Como, em geral, essas máquinas são de grande porte, a variação de rotação não costuma ser adotada como método de controle. O principal código de projeto para esse tipo de máquina é o American Petroleum Institute API 618 – Reciprocating Compressors.   Vídeo esquemático ilustrando o funcionamento de um compressor alternativo: https://www.youtube.com/watch?v=kFQu9uoZWKg    

Compressores rotativos são máquinas volumétricas que, assim como os compressores alternativos, transformam a energia do acionador em energia cinética e, principalmente, de pressão no fluido. A principal diferença é que, em vez de utilizar um mecanismo de biela-manivela para transformar o movimento do acionador em movimento alternativo, a compressão ocorre por meio de movimento rotativo. O principal tipo de compressor rotativo presente na indústria é o compressor de parafusos. Outros modelos existem, mas, como são de uso pouco comum, não serão abordados neste curso.   Compressor de parafusos: recebem esse nome em função do tipo de elemento rotativo. Durante a operação, o fluído fica confinado entre a carcaça e os dois parafusos. O parafuso que recebe torque do acionador é chamado de acionado, enquanto o outro é chamado de movido. Ao girarem, as peças forçam o gás da sucção para a descarga, promovendo o escoamento. Para evitar que os parafusos se danifiquem com o contato metálico, necessitam ter uma grande quantidade de óleo circulando com o gás - que é posteriormente recuperado no processo de compressão. Um detalhe importante do funcionamento é que essa grande quantidade de óleo circulando no interior ajuda a evitar que o gás se aqueça durante o processo de compressão, facilitando a troca térmica com o ambiente externo. Características: baixíssima pulsação da vazão. Controle típico: por ser diretamente proporcional à rotação, a vazão geralmente é controlada pela própria rotação do acionamento. Aplicações: em substituição aos compressores centrífugos ou em situações em que grandes elevações de temperatura do gás não são desejadas. Principal código de projeto:  American Petroleum Institute API 619 – Rotary-type Positive Displacement Compressors Exemplo de funcionamento: https://www.youtube.com/watch?v=5nuXpaeb8N4  

Terceira atividade avaliativa   Procure algum exemplo de aplicação de compressores volumétricos, de preferência onde você trabalha ou estagia, para fazer uma breve apresentação aos seus colegas, em PowerPoint ou PDF.  O trabalho deve conter os seguintes itens: - Descrição do sistema em que o compressor está inserido; - Modelo, funcionamento e fabricante do compressor; - Considerações sobre arranjos alternativos para a mesma aplicação.