Bombas Rotodinâmicas

Princípio de funcionamento em que um impelidor rotativo transfere energia continuamente ao líquido: o momento angular imposto pelas pás converte-se em ganho de pressão. Em resumo — a versão completa, com Bernoulli explicado primeiro e a dedução inteira, está no handbook Bomba Centrífuga — a equação de Euler das turbomáquinas rege essa conversão:

• $H_{th}$ — head teórico (altura manométrica teórica), em metros de coluna do fluido [m]: o potencial de energia que o impelidor entrega ao fluido, antes de descontar as perdas reais.
• $u$ — velocidade tangencial da pá [m/s], $u = \omega r$ ($\omega$ = velocidade angular do eixo [rad/s]; $r$ = raio do impelidor naquele ponto [m]).
• $c_u$ — componente tangencial da velocidade absoluta do fluido [m/s].
• $g$ — aceleração da gravidade [m/s²].
• Índices $1$ e $2$ — entrada e saída do impelidor, respectivamente.

Como o fluido entra sem giro na maioria dos projetos ($c_{u1} \approx 0$), a expressão se resume a $H_{th} = u_2 c_{u2}/g$: todo o head nasce na periferia do impelidor — quanto maior o diâmetro e a rotação, maior o head teórico. Na prática, o head real entregue é menor que o teórico: uma fração se perde no escorregamento (o fluido não é perfeitamente guiado pelo número finito de pás), outra em atrito hidráulico e outra em recirculação interna — o handbook detalha as três parcelas.

Curva H-Q e o ponto de melhor eficiência (BEP)

O desempenho de uma rotodinâmica se resume numa curva: a altura manométrica (H) que ela entrega cai à medida que a vazão (Q) aumenta — mais vazão exige mais velocidade do fluido dentro do impelidor, e essa velocidade "rouba" energia que seria convertida em pressão. O ponto de operação real não é escolhido pela bomba: é a interseção dessa curva com a curva do sistema ao qual ela está conectada (a nota Bomba Centrífuga detalha essa interação).

Ao longo dessa curva existe um ponto onde o rendimento hidráulico é máximo — o BEP (Best Efficiency Point, ponto de melhor eficiência). É a referência central de saúde operacional: quanto mais a bomba opera longe do BEP (vazão muito maior ou muito menor que ele), maior a recirculação interna, a vibração, o desgaste e a suscetibilidade à cavitação — grande parte dos modos de falha deste princípio nasce exatamente aí. O diagrama abaixo ilustra a forma típica da curva e o BEP marcado:

Leis de afinidade

Para o mesmo impelidor variando apenas a rotação $N$ (por exemplo, via inversor de frequência), três proporcionalidades ligam o ponto de operação antigo ao novo:

• $Q$ — vazão [m³/s ou m³/h].
• $H$ — head [m].
• $P$ — potência absorvida [W ou kW].
• $N$ — rotação [rpm]; índices $1$ e $2$ — condição de referência e condição nova.

Na prática: reduzir a rotação em 20% corta a vazão em 20%, o head em ~36% e a potência em ~49% — o argumento econômico central do acionamento com inversor de frequência. E, como o BEP inteiro desliza pela mesma regra (o diagrama acima mostra o BEP migrando para $Q$ e $H$ menores à rotação reduzida), o NPSH requerido também cai com $N^2$ — reduzir a rotação é, na prática, uma ferramenta de combate à cavitação, não só de economia de energia.

NPSH — a margem que evita a cavitação

Toda rotodinâmica tem, na entrada do impelidor, uma região de pressão mínima — e se essa pressão cair abaixo da pressão de vapor do líquido, ele vaporiza localmente e cavita. Dois números resumem essa condição: o NPSHd (disponível — quanto a instalação entrega, propriedade do sistema: altura, perdas de carga, temperatura do fluido) e o NPSHr (requerido — quanto a bomba precisa para funcionar sem cavitar, propriedade da máquina, informada pelo fabricante). A regra de projeto é simples de enunciar e traiçoeira de aplicar direito: NPSHd deve exceder o NPSHr com margem — a nota de Cavitação (nível Engineer) traz a formulação rigorosa, a derivação a partir de Bernoulli, as margens normativas exatas e um exemplo numérico completo.

Tipos usuais

Os critérios abaixo são ortogonais — uma mesma bomba combina um de cada:

• Geometria do fluxo: centrífuga radial (a dominante), de fluxo misto e axial — a velocidade específica cresce nessa ordem; a helicoaxial estende o princípio a misturas multifásicas (gás + líquido);
• Estágios: monoestágio × multiestágio (altas pressões);
• Construção/instalação: horizontal, vertical, in-line, submersa, bipartida axialmente (split case), turbina vertical e de poço profundo, autoescorvante;
• Serviço: criogênica, de circulação, booster.

(handbooks por tipo na Fase 1) — Tipo principal no acervo: Bomba Centrífuga.