Bomba adequada: evite superdimensionar suas bombas
A seleção adequada da bomba é mais importante do que nunca, com consequências drásticas para manutenção, confiabilidade e eficiência. O processo de seleção continua difícil para usuários comuns, e mesmo a contratação do trabalho para uma empresa de engenharia de renome não garante o sucesso. Nesta coluna, abordaremos o projeto da bomba centrífuga, as armadilhas comuns no processo de seleção e as consequências da seleção inadequada.
A tecnologia de bomba centrífuga existe há séculos sem nenhuma mudança revolucionária. Existem novas ligas e revestimentos para construir as carcaças e os impulsores, e a eficiência aumentou. Mas o design básico permanece praticamente inalterado. Ao contrário de outras tecnologias do século 21, uma bomba centrífuga de 100 anos atrás é quase idêntica aos designs modernos. Se alguma coisa, os projetos mais antigos são mais robustos, com o mercado competitivo atual forçando os fabricantes a cortar custos eliminando o excesso de material.
Uma bomba de um fabricante respeitável pode ter um desempenho ruim em um sistema, independentemente da bomba's qualidade específica. Uma bomba feita de titânio e projetada para um ciclo de vida de 30 anos, embora cara, pode ter um desempenho inadequado para outra aplicação industrial. Portanto, é crucial ajustar a bomba certa para a aplicação certa. Para entender por que a falha pode ocorrer, vamos's aprofundar os pontos básicos de operação das bombas centrífugas.
Projeto da bomba
À medida que o eixo da bomba gira, ele gira o impulsor dentro da carcaça, o que adiciona energia ao fluido do processo. Isso permite que o impulsor atue como um cantilever com um anel de desgaste, vedações e rolamentos que mantêm tudo no lugar e o fluido não vaza. O impulsor giratório altera o fluido de entrada's, o que pode causar cargas radiais intensas na bomba. Os rolamentos não apenas reduzem o atrito de rolamento, mas também suportam o eixo da bomba e absorvem essas cargas radiais. Isso pode ser visto em uma visão detalhada de uma bomba centrífuga na Imagem 1.
Imagem 1. Vista detalhada de uma bomba centrífuga (Imagens cortesia do autor)
Todas as bombas têm um ponto de projeto onde a eficiência é maximizada, chamado de ponto de melhor eficiência (BEP). É aqui que a bomba funciona mais suavemente e as forças radiais são minimizadas. Quanto mais longe do BEP, maiores as cargas radiais na bomba. A bomba geralmente terá uma velocidade crítica em torno de 25 por cento acima do BEP, onde sua frequência natural é atingida e pode ocorrer vibração excessiva. A bomba essencialmente se separa, primeiro passando pelo anel de desgaste, depois pelas vedações e, finalmente, pelos rolamentos. Isso geralmente é fácil de detectar, pois a bomba vibra e pode começar a vazar fluido muito antes de qualquer manutenção programada.
Confiabilidade da bomba
As curvas da bomba demonstram a forte relação entre a vida útil da bomba, a confiabilidade da bomba e onde a bomba opera em sua curva.
O desempenho de bombas individuais é uma combinação do projeto da bomba e das condições de operação. A bomba'Os dados de desempenho são fornecidos ao usuário na forma de curvas de bomba, com a função principal de comunicar ou definir a relação entre a vazão e a altura manométrica total para uma bomba específica. Eles são fornecidos pelo fabricante e mostram as características operacionais de um tipo específico de bomba, tamanho e velocidade com base em resultados de testes padronizados e condições de teste. Uma bomba saudável mantém a relação definida entre a altura manométrica e o fluxo em todos os momentos.
A curva da bomba é necessária para:
· Seleção adequada da bomba. O uso de uma curva de bomba garantirá que a bomba selecionada corresponda aos requisitos do sistema.
· Monitorando a saúde da bomba. Se a bomba não estiver operando na curva publicada, algo está errado.
· Solução de problemas de operação de todo o sistema de tubulação. A bomba fornece energia para o sistema, e conhecer a energia que entra é uma pista crítica para identificar problemas. Sem uma curva de bomba, é extremamente difícil determinar o que está causando um problema no sistema e o que deve ser feito para corrigir o problema.
Para maior precisão, é fundamental ter uma curva de bomba para cada bomba.
A imagem 2 mostra uma curva de bomba estilizada em preto com eficiência em verde. Para operar no BEP, o sistema deve controlar a pressão na saída da bomba ou a vazão através do sistema para manter o ponto de operação da bomba (indicado pela seta vermelha).
Imagem 2. Curvas e confiabilidade da bomba
Por exemplo, se o sistema fizer com que a pressão na descarga ultrapasse a pressão no BEP, o ponto de operação se moverá para a esquerda na curva e a vazão diminuirá. Se o sistema fizer com que a pressão na bomba'Se a descarga cair, o ponto de operação se moverá para baixo e para a direita. Mover-se para a esquerda ou direita do BEP faz com que as forças no impulsor aumentem, e essas forças causam tensões que têm um efeito negativo significativo na vida útil e na confiabilidade da bomba.
Se sobrepusermos a vida útil esperada da bomba em função de onde a bomba está operando, obtemos um"Curva de barreira,"que mostra o tempo médio entre falhas (MTBF) em função da vazão do BEP. Esta curva foi criada pela Barringer & Associates em um estudo de falhas de vedação em bombas centrífugas.
Usando a Imagem 2, quanto mais próxima a bomba for operada de seu BEP, maior será o MTBF. À medida que a vazão de operação da bomba se move mais para a esquerda ou direita do BEP, as falhas ocorrem com mais frequência.
O MTBF é reduzido pela metade quando a bomba está funcionando 20% abaixo do BEP ou 10% acima dele, conforme mostrado. Quando operado à esquerda do BEP, problemas como alta temperatura, cavitação de baixo fluxo, problemas de rolamento, vida útil reduzida do impulsor, recirculação de sucção e descarga levam à falha da vedação e ao tempo de inatividade da bomba. À direita do BEP, a vida útil do rolamento e da vedação é afetada e ocorrem problemas de cavitação.
As principais conclusões são entender como o sistema afeta a bomba em sua curva e a confiabilidade e a vida útil da bomba aumentam quando a bomba opera perto do BEP.
Cavitação da Bomba
A cavitação é uma grande preocupação; pode demolir bombas muito rapidamente. Se houver uma pressão de entrada baixa ou a bomba estiver operando na extremidade de sua curva, ela puxa o fluido tão rapidamente que a pressão do fluido cai abaixo de sua pressão de vapor e pode fazer com que ele ferva.
Por exemplo, ao nível do mar, a água ferve a 212 graus Fahrenheit (F). No topo do Monte Everest, onde a pressão é muito menor, a água ferve a 160 F. Em uma bomba, a pressão pode cair o suficiente para que a água"furúnculos"a 60 F, ou qualquer que seja a temperatura ambiente.
Pode parecer difícil para o ar remover o aço em uma bomba. Na verdade, são as milhões de criações e implosões de bolhas de vapor que podem causar o dano. Este efeito é claro quando a bomba está em operação e pode soar como cascalho sendo bombeado, independentemente do fluido de base. Por esse motivo, gastar dinheiro extra em uma bomba superdimensionada pode custar mais dinheiro em manutenção e reparos.
Processo de design
Como o processo de tubulação individual é geralmente desconhecido, os engenheiros tendem a superdimensionar as bombas. Eles não sabem exatamente como um empreiteiro irá encaminhar os tubos e, portanto, incluir um fator de segurança nos cálculos. Esse fator de segurança geralmente vai além do pior cenário de projeto.
As empresas de engenharia são incentivadas pelo fato de não quererem ser responsabilizadas por uma bomba subdimensionada se ela não for capaz de atender aos requisitos do processo. Imagine a indignação e os danos a uma empresa's reputação se seus clientes não obtiverem a pressão adequada da água do chuveiro, resfriamento do aquecimento, ventilação e ar condicionado (HVAC) ou fluxo dos esgotos.
Uma regra geral para fatores de segurança é 10%. O engenheiro júnior geralmente assume uma certa quantidade de energia necessária com base na tubulação, processo e elementos de controle esperados e, em seguida, adiciona 10% a esse número.
Um engenheiro sênior pode revisar o trabalho e adicionar mais 10% também. As coisas continuam a ficar mais complicadas, pois os usuários finais podem ter expectativas irreais para a capacidade de produção, devido aos altos números desejados, ou podem querer a infraestrutura instalada para uma potencial expansão nos próximos anos. Quando a bomba é finalmente encomendada, o fabricante'O representante do s ajudará a selecionar uma bomba grande o suficiente para lidar com essas operações e muito mais.
Esses fatores de segurança acabam se somando, deixando o processo real algo diferente do que era necessário.
O usuário final pode ficar sobrecarregado com uma bomba ineficiente e a possibilidade de centenas de milhares de dólares em energia e manutenção adicionais. É por isso que o uso de software para modelar as condições de vazão esperadas em vários pontos de operação é altamente recomendado.
Resultados do mundo real
De acordo com o Instituto Hidráulico's"Otimização do sistema de bombeamento,"uma avaliação de 1.690 bombas em 20 plantas de processo descobriu alguns resultados alarmantes. Eles descobriram que a eficiência média de bombeamento está abaixo de 40%. Além disso, mais de 10% das bombas desse estudo tinham menos de 10% de eficiência.
Uma das principais causas foi a seleção inadequada da bomba. A regra geral é que uma combinação de bomba e motor custará cerca de US$ 1 por dia, por cavalo-vapor do motor. Embora os custos de energia variem de acordo com o local, este é um bom ponto de partida para começar a entender quais custos potenciais você está enfrentando.
Para bombas de maior potência funcionando de forma ineficiente, o capital desperdiçado é impressionante. Os custos de energia por si só raramente são motivo de mudança, muito menos de transformação de uma indústria.
Uma vez que as bombas estão instaladas e funcionando, os custos de energia estão fora de vista e de mente. Existem muitos outros custos em instalações industriais, e descobrir o verdadeiro custo da bomba
é difícil quando está enterrado em uma conta de energia industrial juntamente com os altos custos de aquecimento, resfriamento e operação do equipamento.
Há benefícios adicionais de um sistema otimizado do que apenas economia de energia—qualidade e quantidade do processo para iniciantes. Em muitos casos, os sistemas foram deixados sozinhos, porque funcionam e os gerentes não querem pôr em risco o processo.
Isso funciona se você estiver satisfeito com o status quo. No entanto, pequenas alterações no sistema podem resultar em aumentos consideráveis na produção por toda parte. Quando consideradas ao longo de muitos anos, essas mudanças produzem resultados dramáticos.
A confiabilidade do sistema e a manutenção reduzida geram algumas das maiores economias quando o sistema de bombeamento está funcionando corretamente.
A partir da curva de Barringer, podemos ver que devemos operar perto da bomba's BEP para maximizar nossa eficiência e tempo médio entre falhas da bomba.
Fabricantes de bombas respeitáveis projetam suas bombas para operar por 20 ou mais anos de operação se feito corretamente, mas os usuários finais geralmente ficam satisfeitos com apenas cinco anos. Os custos também são mais fáceis de rastrear em peças e mão de obra. A oportunidade de economia de melhor manutenção e confiabilidade por si só garante uma segunda olhada em suas bombas e sistemas.
https://www.pumpsandsystems.com/