Capítulo 5: Controle do Lado de Entrada da Bomba

Posição de Instalação da Bomba

Em sistemas hidráulicos industriais, a bomba é normalmente montada na parte superior do reservatório que contém o fluido do sistema. A linha de sucção (também chamada de linha de entrada) conecta a entrada da bomba ao óleo no reservatório.

O fluxo de fluido do reservatório até a bomba pode ser considerado um sistema hidráulico separado. Neste sub-sistema, a pressão abaixo da atmosférica criada pela bomba fornece a resistência ao fluxo, e a energia que move o fluido provém da pressão atmosférica. A atmosfera, atuando sobre a superfície do óleo no reservatório, funciona como um acumulador.

Figura 5-1 — Instalação padrão da bomba: bomba na parte superior, linha de sucção abaixo do nível do óleo. A pressão atmosférica atuando sobre a superfície do óleo é o que empurra o óleo para dentro da bomba.

Medição da Pressão Atmosférica

Geralmente consideramos o ar como algo sem peso, mas a atmosfera de ar que envolve a Terra exerce, de fato, pressão. Torricelli, inventor do barómetro, demonstrou que a pressão atmosférica pode ser medida com uma coluna de mercúrio. Ao inverter um tubo cheio de mercúrio e mergulhá-lo em um recipiente contendo mercúrio, ele descobriu que, ao nível do mar, a altura da coluna de mercúrio sustentada pela pressão atmosférica é de 29,92 pol (760 mm). Assim, nas condições-padrão, a pressão atmosférica ao nível do mar equivale a uma coluna de mercúrio de 29,92 pol (760 mm). É claro que qualquer localização acima do nível do mar apresentará uma pressão atmosférica menor.

A pressão hidráulica é normalmente expressa em psi ou bar, mas a pressão atmosférica é normalmente medida em in.Hg (polegadas de mercúrio) ou mmHg. A 68 °F (20 °C) e 36 % de umidade relativa, a pressão atmosférica ao nível do mar equivale a 29,92 in.Hg ou 760 mmHg, o que corresponde a 14,7 psia ou 1,01 bar. É importante observar que a unidade bar não é utilizada para definir a pressão atmosférica; em vez disso, a pressão atmosférica padrão é de 101.000 N/m².

Ao converter entre in.Hg e psi, observe que 1 psia = 2,04 in.Hg e que 1 bar ≈ 752 mmHg. Assim, aproximadamente: 1 psia ≈ 2 in.Hg ou 1 bar ≈ 750 mmHg.

Pressão Absoluta e Pressão Relativa

Tanto a pressão absoluta quanto a pressão relativa podem ser utilizadas para medir a pressão em um sistema hidráulico.

Pressão Absoluta

A pressão absoluta é medida a partir do ponto de pressão zero — ou seja, do ponto de ausência total de pressão. A unidade pode ser psi (bar) ou in.Hg (mmHg). A pressão absoluta é indicada pela adição do sufixo "a": psia (psi absoluta), bara.

Pressão Relativa

A pressão manométrica é medida a partir do ponto de referência da pressão atmosférica. A unidade é psi (bar). A pressão absoluta equivale à pressão manométrica somada à pressão atmosférica padrão. Exemplo: se um sistema indica 100 psig (6,9 bar manométrico) e a pressão atmosférica padrão for 14,7 psia (1 bar), a pressão absoluta será 114,7 psia (7,9 bar absolutos). Para distinguir as duas, a pressão manométrica é indicada como psig e a pressão absoluta como psia.

Condições no Lado de Admissão da Bomba

Quando a bomba não está em operação, o lado de admissão do sistema encontra-se em equilíbrio — a diferença de pressão entre a bomba e a atmosfera é nula, ou seja, não há fluxo. Para que a bomba forneça óleo ao seu conjunto rotativo, ao entrar em funcionamento ela gera uma pressão inferior à pressão atmosférica — o sistema torna-se desequilibrado — e o fluxo tem início.

Duas funções da pressão atmosférica

A pressão que a atmosfera exerce sobre o fluido desempenha duas funções:

1. Fornecer fluido à admissão da bomba.
2. Acelerar o fluido para a montagem rotativa de alta velocidade — as velocidades padrão são 1.200 rpm e 1.800 rpm.

A maior parte da pressão atmosférica é utilizada para acelerar o fluido para dentro da bomba, mas a primeira tarefa deve ser realizada inicialmente: fornecer fluido à entrada da bomba. Se uma quantidade excessiva de pressão atmosférica for consumida nesta etapa, não restará pressão suficiente para acelerar o fluido para dentro da montagem rotativa. Isso faz com que a bomba fique sem suprimento (cavitação), ocasionando o fenômeno conhecido como cavitação.

Cavitação

Cavitação é a formação e o colapso de cavidades de vapor em um líquido. Ela prejudica a bomba de duas maneiras:

3. Interrompe a lubrificação.
4. Danifica superfícies metálicas.

No lado de entrada da bomba, cavidades de vapor se formam em toda a extensão do fluido. Isso reduz a eficácia da lubrificação e acelera o desgaste. Quando essas cavidades atingem a zona de alta pressão na saída da bomba, as paredes das cavidades são comprimidas e colapsam violentamente, liberando uma enorme quantidade de energia que "desgasta" as superfícies metálicas — tal como um escultor usando martelo e cinzel sobre pedra. Se a cavitação for permitida continuar, a vida útil da bomba é reduzida e os resíduos provenientes da cavitação podem circular para outras partes do sistema, danificando outros componentes.

Figura 5-5 Danos por cavitação no furo do corpo da bomba. O padrão microscópico de picotamento é causado pelo colapso repetido de cavidades de vapor na superfície metálica.

Sinais de cavitação

O sinal mais evidente de cavitação é o ruído — quando as cavidades colapsam, elas geram vibração de alta amplitude que se propaga por todo o sistema, e a bomba hidráulica produz um som agudo e penetrante. Quando ocorre a cavitação, como as câmaras da bomba não estão completamente preenchidas com fluido, o fluxo diminui e a pressão do sistema torna-se instável.

Como a cavitação se forma

A cavitação forma-se em um líquido porque o líquido entra em ebulição — porém essa ebulição não é causada pelo calor. Ela é causada pelo líquido atingir uma pressão absoluta suficientemente baixa.

Pressão de vapor de um líquido

Todas as moléculas em um líquido estão em constante movimento, mas nem todas com a mesma velocidade. As moléculas de movimento mais rápido, próximas à superfície, tentam escapar para o espaço acima, apesar da atração exercida pelas moléculas vizinhas. A força que as moléculas de movimento mais rápido precisam superar para escapar para a atmosfera é a pressão de vapor do líquido.

Se o recipiente de líquido estiver vedado, moléculas em movimento rápido entram no espaço acima do líquido. Quando esse espaço atinge a saturação de vapor, as moléculas colidem entre si e retornam ao líquido. O processo pelo qual as moléculas deixam o líquido é chamado de evaporação; o retorno das moléculas ao estado líquido é denominado liquefação. Quando as taxas de evaporação e liquefação se igualam, atinge-se o equilíbrio e a pressão gerada pelo vapor é chamada de pressão de vapor desse líquido. A pressão de vapor é normalmente expressa em unidades de pressão absoluta, como in.Hg.

Efeito da temperatura sobre a pressão de vapor

A pressão de vapor é afetada pela temperatura. À medida que a temperatura aumenta, as moléculas do líquido adquirem mais energia e movem-se mais rapidamente, fazendo com que a pressão de vapor aumente. Quando a pressão de vapor iguala a pressão atmosférica, as moléculas do líquido podem entrar livremente na atmosfera — esse fenômeno é chamado de ebulição. A água ao nível do mar entra em ebulição a 212 °F (100 °C), pois, nessa temperatura, a pressão de vapor da água iguala a pressão atmosférica.

Efeito da pressão sobre o ponto de ebulição

Um líquido também pode ser levado à ebulição pela redução da pressão que atua sobre ele. Quando a pressão reduzida iguala a pressão de vapor do líquido, as moléculas do líquido podem entrar livremente no espaço acima da superfície líquida. A água a 100 °F (37,2 °C) tem uma pressão de vapor de 2 in.Hg (0,068 bar). Se um recipiente com água a 100 °F for conectado a uma bomba de vácuo e a pressão absoluta interna cair para 2 in.Hg (0,068 bar), a água entrará em ebulição. Bombas que manipulam líquidos geralmente experimentam esse tipo de ebulição.

Ar dissolvido no líquido

O óleo hidráulico ao nível do mar contém cerca de 10% de ar dissolvido. Esse ar existe dissolvido no líquido — é invisível e não aumenta de forma perceptível o volume do líquido. A capacidade do óleo hidráulico ou de qualquer líquido de dissolver ar diminui à medida que a pressão exercida sobre o líquido diminui. Por exemplo, se um copo de óleo hidráulico sob pressão atmosférica for colocado em vácuo, o ar dissolvido se transforma em bolhas e escapa da solução. Durante a cavitação, o ar dissolvido escapa do óleo e causa danos à bomba hidráulica.

Ar aprisionado

O ar arrastado é ar presente no líquido em estado não dissolvido — sob a forma de bolhas. Se uma bomba ocasionalmente aspirar óleo contendo ar arrastado, as bolhas de ar produzem efeitos semelhantes aos da cavitação sobre a bomba. No entanto, como esse fenômeno não está relacionado à pressão de vapor do líquido, denominamo-lo pseudo-cavitação.

Se houver vazamentos na linha de sucção ou se a vedação do eixo da bomba falhar, o ar arrastado estará quase sempre presente no sistema. Como a pressão no lado de entrada da bomba é frequentemente inferior à pressão atmosférica, qualquer abertura nessa região fará com que o ar seja aspirado para dentro do óleo e da bomba. Quaisquer bolhas de ar arrastado que não consigam escapar no reservatório também entrarão na bomba.

Requisitos Técnicos do Lado de Entrada

A cavitação é altamente prejudicial tanto para a bomba quanto para o sistema. Por essa razão, os fabricantes de bombas especificam limites no lado de entrada para seus produtos. Os fabricantes de bombas hidráulicas industriais de deslocamento positivo geralmente especificam que a pressão na entrada da bomba deve ser inferior à pressão atmosférica, para que o fluido possa ser injetado no conjunto rotativo da bomba. Contudo, essa especificação de pressão normalmente não é fornecida em unidades de pressão absoluta — é indicada em termos de vácuo.

Escala de pressão de vácuo (vácuo)

Um vácuo é qualquer pressão abaixo da pressão atmosférica. O vácuo é um conceito confuso porque seu ponto de partida é o mesmo da pressão manométrica (pressão atmosférica), mas os valores são contados de forma descendente em unidades de polegadas de mercúrio (in.Hg) ou milímetros de mercúrio (mmHg).

0 in (0 mm) de vácuo = pressão atmosférica ou pressão manométrica nula. 29,92 in.Hg (760 mmHg) de vácuo = vácuo completo ou pressão absoluta nula.

Determinação do vácuo

Como mostrado no diagrama, uma cuba de mercúrio conectada, por meio de um tubo de vidro, a um recipiente sob pressão atmosférica: como a pressão no interior do recipiente é igual à pressão atmosférica atuando sobre a cuba, o mercúrio não sobe no tubo de vidro. A altura nula da coluna de mercúrio indica que o recipiente não está sob vácuo.

Se o recipiente for esvaziado até que a pressão interna caia 10 in.Hg (254 mmHg), a pressão atmosférica atuando sobre a superfície do tubo em forma de U poderá então sustentar 10 in. (254 mm) de mercúrio — o vácuo medido é de 10 in.Hg (254 mmHg). Se o recipiente for esvaziado até o vácuo completo (pressão absoluta nula), a pressão atmosférica poderá sustentar 29,92 in. (760 mm) de mercúrio — o vácuo medido é de 29,92 in.Hg (760 mm).

0 in. (0 mm) de vácuo em mercúrio = pressão atmosférica = pressão manométrica nula. 29,92 in.Hg (760 mm) de vácuo = vácuo completo = pressão absoluta nula.

Figura 5-9 Medição de vácuo com um manômetro de mercúrio. Os três estados, de cima para baixo: atmosférico (0 de vácuo), vácuo parcial (10 in.Hg) e vácuo completo (29,92 in.Hg = 0 psia).

Medidor de vácuo

Um manômetro de vácuo é calibrado de 0 a 30 in.Hg (0–760 mmHg), com cada divisão correspondendo a 1 in.Hg. Ao nível do mar, para converter uma leitura de vácuo em pressão absoluta, basta subtrair a leitura de vácuo (em in.Hg) de 30 in.Hg (760 mmHg). Por exemplo, uma leitura de vácuo de 7 in.Hg (177 mmHg) equivale a uma pressão absoluta de 23 in.Hg (583 mmHg).

Usando vácuo para expressar os requisitos técnicos da entrada da bomba

Os fabricantes de bombas utilizam unidades de vácuo para os requisitos de entrada porque essas estão relacionadas ao nível do mar — quando a bomba é utilizada em altitudes acima do nível do mar, deve-se considerar a pressão atmosférica mais baixa nessa altitude.

Exemplo: Se um fabricante especificar que a pressão de vácuo máxima na entrada não deve exceder 7 in.Hg (177 mmHg), isso significa que o fabricante exige pelo menos 23 in.Hg (583 mmHg) de pressão absoluta (ou pressão atmosférica) na entrada da bomba para acelerar o fluido para dentro do conjunto rotativo. Se a pressão absoluta na entrada da bomba cair abaixo de 23 in.Hg (583 mmHg), a bomba poderá sofrer danos, embora isso dependa do fator de projeto que o fabricante prevê para a classificação de vácuo. Todas as especificações publicadas para a entrada da bomba assumem velocidade nominal e óleo mineral. Se a bomba operar a uma velocidade diferente ou utilizar um fluido distinto, as especificações devem ser ajustadas.

Efeito de Fluidos Diferentes sobre o Vácuo Máximo Admissível

A vácuo máximo admissível da bomba depende do fluido que está sendo bombeado. Os requisitos técnicos do lado de entrada são calculados com base na gravidade específica e na pressão de vapor do óleo mineral. Se forem utilizados fluidos hidráulicos resistentes ao fogo, as alterações na gravidade específica e na pressão de vapor afetarão o vácuo máximo admissível na entrada.

Efeito da gravidade específica sobre o vácuo máximo admissível

A gravidade específica é a razão entre o peso de um líquido e o peso de outro líquido. Mais precisamente, é a razão entre o peso de um volume fixo de líquido e o peso do mesmo volume de água. A 60 °F (15,6 °C), 1 ft³ de água pesa 62,4 lb (28,3 kg). Ao dividir o peso do óleo pelo peso da água, verifica-se que o óleo pesa 90 % do peso da água, ou seja, a razão de pesos é 1 (água) para 0,90 (óleo mineral) — a gravidade específica (SG) do óleo mineral é, portanto, 0,90.

Os requisitos do lado de entrada da bomba são calculados para óleo mineral com gravidade específica (SG) de 0,87 a 0,90. Para fluidos resistentes ao fogo à base de éster fosfórico, a SG aumenta em 30%, atingindo cerca de 1,15. A gravidade específica dos fluidos hidráulicos à base de água varia de 0,93 (emulsão HFB) a 1,08 (glicol-água). Para acelerar esses fluidos mais densos na entrada da bomba, é necessária uma pressão mais elevada nessa entrada. Portanto, o vácuo máximo admissível deve ser ligeiramente reduzido.

Efeito da pressão de vapor sobre o vácuo máximo admissível

Óleos minerais e fluidos resistentes ao fogo à base de éster fosfórico apresentam, nas temperaturas normais de operação hidráulica, pressões de vapor muito baixas; já os fluidos hidráulicos à base de água são diferentes. Esses fluidos contêm uma alta proporção de água. A pressão de vapor tanto da emulsão HFB quanto do glicol-água pode atingir vários polegadas de mercúrio, enquanto a pressão de vapor dos óleos minerais e dos fluidos sintéticos corresponde apenas a uma fração de polegada de mercúrio. Por isso, os fluidos à base de água são mais propensos à evaporação e à cavitação.

Para evitar a cavitação de fluidos à base de água, os fabricantes de bombas exigem pressão suficiente na entrada da bomba para acelerar o fluido de trabalho para dentro da bomba. Essa exigência pode ser atendida reduzindo-se o vácuo máximo admissível.

Figura 5-13 Comparação da pressão de vapor. Fluidos à base de água apresentam pressão de vapor muito maior do que óleo mineral à mesma temperatura, tornando-os mais propensos à cavitação caso o vácuo na entrada seja excessivamente elevado.

Diagnosticando a Cavitação da Bomba

O pessoal de manutenção é o mais provável de detectar precocemente o desenvolvimento de cavitação na bomba ou a entrada de ar, pois sua familiaridade com a máquina permite-lhe perceber os primeiros sinais de falha.

O sinal mais evidente de cavitação ou ingestão de ar pela bomba hidráulica é um som agudo, mas há diferenças sutis: uma bomba em cavitação produz um som agudo constante — esse som pode ser causado pelo colapso de bolhas de tamanho semelhante. Ao aspirar ar, o som da bomba varia significativamente: quando uma pequena quantidade de ar entra, o ruído soa como estalos ou como uma falha de rolamento; se grandes quantidades de ar entrarem, produz um estranho som de martelamento ou estalido.

Uma forma mais confiável de distinguir cavitação de ingestão de ar é utilizar um manômetro de vácuo para determinar a pressão absoluta na entrada da bomba. Subtraia a leitura de vácuo da pressão atmosférica; se o valor de pressão absoluta for insuficiente, pode estar ocorrendo cavitação.

Para novos sistemas hidráulicos: se a bomba sofrer cavitação, isso pode ocorrer devido a um projeto inadequado da linha de sucção ou à viscosidade do óleo ser excessivamente alta. O uso de óleo com a viscosidade correta ou o aumento do diâmetro da linha de sucção para reduzir a queda de pressão na tubulação ajudará a melhorar a cavitação. Para um sistema existente corretamente projetado: se a bomba sofrer cavitação, isso pode ser causado por obstrução da linha de sucção por detritos, papel ou pequenos animais — ou pelo filtro de entrada estar muito sujo sem válvula de by-pass, ou a válvula de by-pass não estar abrindo suficientemente.

Escorvamento da Bomba

Para bombas hidráulicas, "escorvamento" significa preencher o mecanismo de bombeamento com fluido. Uma bomba não escorvada contém ar ou "travamentos de ar". Antes do início da ação de bombeamento, esse ar deve ser removido da linha de sucção e da câmara da bomba. Se esta etapa for ignorada, a bomba hidráulica iniciada sem escorvamento pode causar danos permanentes em poucos minutos devido à falta de lubrificação.

Uma bomba cuja saída está conectada diretamente ao reservatório por meio de uma válvula direcional pode, em geral, expelir facilmente o gás residual para o reservatório na partida. Se a bomba precisar expelir o ar interno através da válvula de alívio, essa operação pode não ser possível — porque uma bomba hidráulica industrial típica é um compressor de ar muito ineficiente.

Para expelir o ar residual de uma bomba não escorvada, afrouxe a conexão tubular na saída da bomba, gire lentamente a bomba até que o óleo jorre pela conexão, indicando que a bomba foi escorvada, e, em seguida, aperte a conexão. O ar residual também pode ser expelido descarregando a válvula de alívio.

As bombas hidráulicas normalmente precisam ser escorvadas apenas ao iniciar um novo sistema ou após manutenção realizada no lado de sucção de um sistema existente.

Termos e Definições Principais — Lado de Entrada da Bomba

Os seguintes termos e fórmulas são utilizados ao trabalhar com as condições de entrada da bomba:

Sucção alagada

A condição em que a entrada da bomba está abaixo do nível do fluido no reservatório. Com sucção alagada, a altura de coluna de fluido (força da gravidade) fornece energia adicional para empurrar o fluido para dentro da bomba.

Pressão de Descarga

A pressão na base de uma coluna de fluido. Quando a entrada da bomba está abaixo do nível do fluido, a pressão de altura fornece uma fonte de energia adicional para a bomba. Fórmulas da pressão de altura:

Pressão de sucção

A altura equivalente da coluna de fluido, expressa em unidades de comprimento, abaixo de um ponto de referência determinado. Fórmula da pressão de sucção (em in.Hg):

Bombeamento

A ação realizada por uma bomba hidráulica para criar uma diferença de pressão entre si e a atmosfera.

Pressão de Entrada

A pressão absoluta do fluido na entrada da bomba.