Bomba de fluxo axial vs. bomba centrífuga: altura manométrica, caudal e potência

A comparação entre bombas de fluxo axial e bombas centrífugas começa pela água a bombear (caudal e altura manométrica total) e pelas alterações que ocorrem durante o funcionamento. As bombas axiais são adequadas a caudais elevados e baixa pressão. As centrífugas radiais abrangem muitos regimes de pressão. A decisão de compra deve basear-se na capacidade das curvas propostas para cobrir todo o serviço.

Escoamento axial e radial: o que muda no interior da bomba

Os termos fluxo axial e radial descrevem a direção em que o líquido sai do impulsor, relativamente ao veio da bomba. Uma bomba de fluxo axial desloca o fluido paralelamente ao veio; uma bomba radial descarrega-o para o exterior. As bombas de fluxo axial e radial transferem energia de rotação para o líquido, mas a geometria dos impulsores gera combinações diferentes de caudal, altura manométrica e potência absorvida.

A terminologia varia. Alguns fornecedores classificam a bomba centrífuga de fluxo axial como um tipo de bomba centrífuga; outros usam o termo centrífuga para designar modelos radiais. Neste artigo, usamos centrífuga radial para fazer a comparação. A classificação de bombas da University of Florida inclui os modelos radiais, axiais e de fluxo misto na família centrífuga. Para conhecer a construção básica, consulte o princípio de funcionamento das bombas de fluxo axial e as respetivas configurações da BBP.

Qual é a diferença entre bombas centrífugas radiais e axiais?

A diferença está na direção do escoamento através do impulsor: os impulsores radiais descarregam para o exterior, enquanto os axiais deslocam o líquido ao longo do veio. As bombas centrífugas radiais usam um impulsor rotativo e uma voluta ou difusor para gerar pressão útil. O impulsor, semelhante a uma hélice, de uma bomba axial gera sustentação através das pás e é geralmente adequado a caudais elevados e baixa altura manométrica.

O princípio de funcionamento de uma bomba axial é semelhante ao de uma hélice num canal de água. O fluido entra a montante, recebe energia das pás em rotação e passa a jusante pelas pás-guia. As bombas rotodinâmicas deslocam fluidos ao converter o trabalho do veio em energia hidráulica. Nas bombas centrífugas radiais, a força centrífuga desloca o líquido para o exterior. Uma voluta ou as passagens em torno do impulsor recuperam parte da energia cinética sob a forma de pressão. Ambas as bombas impulsionam o fluido através do sistema, mas a orientação da tubagem de descarga, por si só, não identifica a família hidráulica.

A família hidráulica e a configuração de instalação são aspetos diferentes. As bombas classificam-se pelas características do escoamento, enquanto vertical ou submersível descreve a construção. Uma bomba vertical pode ter hidráulica radial ou de fluxo misto. Reduzir a lista de opções com base numa fotografia do cotovelo de descarga não permite avaliar o que acontece no interior da bomba.

Altura manométrica e caudal: compare todo o intervalo de serviço

Uma comparação útil de bombas associa cada caudal necessário à altura manométrica dinâmica total. A altura manométrica total inclui a elevação, a pressão, as perdas por atrito e qualquer requisito líquido de altura cinética no sistema. O funcionamento normal, um nível baixo na tomada de água e alterações nas condições de descarga podem exigir regimes de serviço diferentes. Por isso, a bomba adequada deve satisfazer as condições reais, e não valores máximos de catálogo sem relação entre si.

Defina um envelope de serviço com 2 estados antes de comparar propostas. Inclua o regime normal e a condição alterada mais exigente; acrescente outros estados de funcionamento, se necessário. Cada estado deve indicar o caudal, a altura manométrica, as horas previstas e as condições de entrada. Raramente, a capacidade máxima e a altura manométrica máxima apresentadas em separado descrevem um caudal fornecido em simultâneo.

Exemplo: uma necessidade normal de rega de 3 000 m³/h a uma altura manométrica total de 4 m descreve um regime que poderá ser satisfeito por uma família de bombas axiais. A descida do nível do rio eleva a altura manométrica necessária para 6 m, mantendo-se o caudal exigido em 3 000 m³/h. Uma proposta que só atinge a nova altura manométrica com um caudal muito inferior não cumpre os requisitos. Devem considerar-se propostas axiais que cubram ambos os regimes, bem como propostas de fluxo misto e radiais. O operador do canal pode agora comparar a potência absorvida e o caudal fornecido nos dois regimes definidos, em vez de pagar por uma designação de família ou por uma proposta com um caudal máximo impressionante.

Na sua análise de 2021 do desempenho de bombas axiais, Moifatswane, Madushele e Ahmed mostram por que razão considerar apenas o funcionamento no ponto de melhor eficiência não permite ter em conta as alterações da procura do sistema. A comparação entre famílias é útil quando as opções em análise estão sujeitas aos mesmos requisitos de serviço.

Regra para o regime de serviço: 3 000 m³/h a 4 m e 3 000 m³/h a 6 m são dois requisitos distintos. Cada par deve constar da documentação da proposta. Uma proposta que cumpra apenas o primeiro par exige uma configuração diferente ou a revisão do plano de funcionamento antes de se compararem preços.

Eficiência e potência: compare em condições de serviço iguais

Compare a eficiência para o mesmo caudal necessário e a mesma altura manométrica, indicando o limite de medição utilizado. A eficiência da bomba compara a potência hidráulica de saída com a potência de entrada da bomba; a eficiência elétrica à água inclui o equipamento elétrico que fornece essa potência. Para o mesmo regime de serviço, uma menor potência elétrica de entrada reduz a fatura energética, mesmo quando a percentagem de eficiência da bomba, por si só, parece menos favorável.

O tutorial sobre curvas do Hydraulic Institute explica a altura manométrica, a eficiência, a potência de entrada e as curvas de aspiração. A eficiência máxima da bomba corresponde a uma velocidade e a um diâmetro de impulsor específicos. Modelos diferentes podem funcionar a velocidades distintas e cumprir a mesma função; impor as mesmas RPM a máquinas sem relação entre si distorceria a seleção.

Que tipo de bomba é melhor?

Uma bomba axial é a melhor opção inicial para a transferência de grandes caudais a baixa altura manométrica; uma centrífuga radial é a melhor opção inicial para regimes de pressão. Quando ambas cobrem todo o intervalo de serviço, compare a potência elétrica de entrada, os custos de instalação e o acesso para manutenção. A melhor proposta fornece a água necessária em todo o intervalo de funcionamento ao menor custo total.

A folha de cálculo do custo elétrico à água permite quantificar a comparação. A energia anual corresponde à potência elétrica de entrada em kW multiplicada pelas horas de funcionamento. Multiplique o valor em kWh pelo preço da eletricidade. A série sobre instalações de bombagem da Arkansas Extension mostra a importância de uma abordagem ao sistema completo, além do desempenho da bomba.

Valores considerados: dois conjuntos candidatos viáveis fornecem 3 000 m³/h a 4 m. O conjunto A consome 50 kW da alimentação elétrica; o B consome 46 kW. Para 4 000 h/ano e $0.12/kWh, A consome 50 × 4 000 = 200 000 kWh/ano, com um custo de $24,000. B consome 184 000 kWh/ano, com um custo de $22,080. A diferença é de $1,920/ano. Assim, seriam necessários cerca de 2.6 anos para recuperar, apenas com esta diferença de energia, o acréscimo de $5 000 no preço de compra do B. A análise financeira continua a precisar dos custos de instalação, manutenção e tarifa. As compras também exigem comparar o regime de serviço alterado: uma poupança no ponto normal tem pouco valor se o conjunto não fornecer o caudal necessário quando o nível do rio desce.

As horas de funcionamento podem inverter as prioridades de compra. Com 150 h/ano, a mesma diferença de 4 kW poupa apenas 600 kWh/ano, ou $72/ano à tarifa indicada. Uma estação de resposta a cheias poderá beneficiar mais da disponibilidade e da facilidade de acesso do que de uma pequena vantagem de eficiência cujo acréscimo de preço raramente se recupera.

Regra de custos: uma redução de 4 kW na potência de entrada vale $1,920/ano para 4 000 h/ano e $0.12/kWh, mas apenas $72/ano para 150 h/ano. Indique as horas anuais de serviço junto à comparação de eficiência, para que uma bomba de drenagem raramente utilizada seja avaliada de forma diferente de um equipamento de circulação de água em funcionamento contínuo.

Porque reduzir o caudal pode aumentar a carga de uma bomba axial

A uma determinada velocidade e passo das pás, reduzir o caudal de descarga de uma bomba axial pode aumentar a potência absorvida. A relação entre altura manométrica e caudal e a diminuição da eficiência podem anular o efeito do menor caudal fornecido. Por isso, a seleção do motor deve ter em conta o funcionamento permitido e a curva de potência proposta, em vez de partir do princípio de que um caudal menor significa uma carga mais baixa.

As recomendações da NDSU para bombas de hélice alertam contra o estrangulamento da descarga para reduzir o caudal e identificam o aumento da altura manométrica dinâmica total como um fator de risco para a potência. Os modelos radiais podem apresentar um comportamento de carga diferente; alguns ficam sujeitos a sobrecarga com caudais elevados. A curva específica é mais útil do que uma regra universal para o motor «axial vs. centrífugo».

«As bombas de hélice não são adequadas quando é necessário estrangular a descarga para reduzir o caudal.»

Com caudal nulo, não há potência hidráulica útil de saída; no entanto, a circulação interna e as perdas mecânicas continuam a consumir potência. Substituir a condição de caudal nulo numa expressão da potência de saída não permite dimensionar o acionamento nem descreve o funcionamento com a descarga fechada.

Os variadores de velocidade são compatíveis com todos os tipos de bomba?

É possível variar a velocidade do motor com um variador em bombas radiais, axiais e de fluxo misto, dependendo da adequação do variador, da bomba e do motor ao intervalo de velocidades necessário. A compatibilidade inclui o arrefecimento do motor e os limites de funcionamento hidráulico. Um variador altera as curvas propostas; não elimina a necessidade de fornecer a altura manométrica necessária nem de manter condições adequadas na tomada de água.

Os controlos e as instruções de arranque do fabricante aplicam-se à configuração especificada. Procedimentos genéricos de arranque com a válvula de descarga, copiados de outros tipos de bomba, podem ser incompatíveis com a curva de carga prevista. Para assegurar que a bomba funciona dentro dos limites permitidos, a curva de carga, o acionamento e a sequência de controlo têm de corresponder ao mesmo regime de serviço.

Regra de carga: reduzir o caudal de descarga de 3 000 m³/h para 1 500 m³/h não demonstra uma redução de 50% na carga do acionamento. Para um serviço axial de velocidade fixa e passo fixo, utilize toda a curva de potência no veio permitida. O caudal, por si só, não permite determinar a carga do motor, em particular quando a alteração do ponto de funcionamento modifica a altura manométrica e reduz o rendimento do conjunto.

Quando considerar o fluxo misto e outras configurações

Uma bomba de fluxo misto combina elementos de transferência de energia axial e radial, com descarga do impulsor numa direção intermédia. Estas bombas são usadas para caudais consideráveis e alturas manométricas intermédias. A variação do nível da água é motivo para comparar vários regimes de serviço, e não uma indicação automática para escolher esta família.

O equilíbrio entre caudal e altura manométrica depende do projeto da bomba selecionada. As bombas centrífugas e as de fluxo axial também podem ter intervalos de aplicação sobrepostos. A designação de fluxo misto não comprova um intervalo eficiente mais amplo, melhor passagem de sólidos ou menores requisitos de entrada para todos os modelos. Uma bomba funciona com eficiência quando a seleção hidráulica corresponde ao regime de serviço real; a designação, por si só, não confirma essa adequação.

A velocidade específica ajuda a explicar a diferença entre as formas dos impulsores axiais e radiais. A referência do Hydraulic Institute sobre os princípios das bombas distingue as convenções dos EUA e do sistema métrico, bem como os cálculos com caudal total e por olhal. O índice familiar rpm-gpm-ft não pode ser comparado diretamente com um índice rpm-m³/s-m. Um valor-limite sem unidades e sem base de cálculo é um atalho pouco fiável para a compra.

Para os primeiros produtos selecionados, compare as opções de bombas de fluxo misto da BBP com a sua gama de bombas centrífugas radiais. Mantenha as bombas verticais de turbina ou submersíveis em análise se o nível da fonte ou as condições de manutenção o exigirem.

Condições de aspiração e limitações da instalação

As condições de entrada podem excluir uma bomba antes de a eficiência se tornar o fator decisivo. A altura de aspiração disponível e necessária e a submergência física da tomada de água descrevem condições ou limitações diferentes. O nível mínimo da fonte, as perdas no crivo e a geometria do escoamento de aproximação têm de ser compatíveis com a instalação proposta. Os detritos, a temperatura da água e as propriedades do líquido também fazem parte das condições de serviço.

NPSH3 identifica uma condição de ensaio de cavitação associada a uma redução de 3% da altura manométrica. A submergência mínima descreve a profundidade de água necessária em torno de uma entrada ou configuração do impulsor. Uma submergência adequada limita a formação de vórtices e a entrada de ar; um cálculo de NPSH satisfatório, por si só, não resolve a geometria da tomada de água. A NDSU analisa instalações de bombas de hélice submersas e as recomendações de submergência específicas dos fabricantes.

O estudo de caso do projeto de El Paso da Xylem descreve bombas axiais de hélice utilizadas com tomadas de aspiração moldadas e uma configuração com sifão, num espaço limitado. O caso mostra por que razão a geometria de entrada e a configuração da estação podem ser tão importantes como a tendência habitual da relação entre altura manométrica e caudal da família de bombas.

Também é necessário caracterizar o serviço da água. A areia, os detritos fibrosos ou os componentes corrosivos alteram os critérios de seleção. Um problema frequente na entrada da bomba é a entrada de ar quando a submergência ou o escoamento de aproximação são inadequados. A curva de uma bomba centrífuga radial para água limpa exige um tratamento adequado das propriedades do líquido quando a densidade ou a viscosidade diferem; as perguntas frequentes do Hydraulic Institute sobre bombas explicam esses efeitos. A passagem de sólidos e a adequação dos materiais exigem especificações próprias.

Regra de entrada: o critério de queda de 3% da altura manométrica do NPSH3 e a submergência necessária na tomada de água são parâmetros de projeto distintos. Registe ambos na mesma folha de regime de serviço, incluindo o nível mínimo da água e as perdas no crivo. Uma proposta pode cumprir os requisitos de altura manométrica e caudal e, ainda assim, exigir uma configuração de entrada diferente.

Opções para rega, drenagem e circulação

As bombas axiais e radiais são utilizadas na rega, drenagem e circulação; contudo, é o regime de serviço que determina a escolha hidráulica. A rega pode implicar uma elevação curta num canal ou pressão nos bicos. Na drenagem, importa a disponibilidade e a variação dos níveis; nos sistemas de arrefecimento e circulação de água, é necessário distinguir claramente a elevação e a resistência no circuito de circulação.

Na rega, a altura manométrica total inclui a pressão necessária no equipamento. A NDSU indica que 20 psi equivalem a 46,2 ft de altura de coluna de água, antes de acrescentar os restantes requisitos do sistema. Assim, uma pequena elevação não significa necessariamente um regime de serviço de baixa altura manométrica quando a descarga alimenta equipamento pressurizado.

Exemplo: uma instalação precisa de comparar propostas para circulação que satisfaçam um regime de serviço de 1 000 m³/h a 8 m de altura manométrica total. A proposta existente descreve uma bomba de «caudal elevado», sem especificar as horas de funcionamento nem a configuração da tomada de água. A equipa de manutenção prevê acesso regular sem esvaziar o sistema; a equipa financeira prevê 6 000 h/ano de serviço. Uma bomba axial só pode continuar na lista se a curva proposta cobrir esse regime e a instalação permitir o acesso necessário. As alternativas radiais ou de fluxo misto também têm de cumprir os requisitos de acesso e os restantes requisitos. A comparação decisiva incide no serviço com a instalação concluída, e não na designação de bomba de circulação usada no catálogo.

As aplicações que exigem caudais elevados incluem também o tratamento de águas residuais e a gestão de grandes volumes de água, mas essas designações não especificam os sólidos nem a composição química do líquido. As bombas de hélice são geralmente consideradas para transferências com baixa elevação. As bombas volumétricas deslocam o fluido ao confinar e transferir repetidamente volumes, sendo o caudal efetivo afetado pelas fugas internas. É necessário distinguir os tipos de bomba usados para injeção, drenagem em grande escala e aumento de pressão.

Use o guia de seleção de bombas para rega da BBP para estruturar a análise e, em seguida, reduza as opções de bombas de fluxo axial propostas, tendo em conta o regime de serviço.

Regra de aplicação: um requisito de pressão de descarga de 20 psi acrescenta cerca de 46,2 ft de altura manométrica da água, antes de serem consideradas a elevação e as perdas por atrito. Por conseguinte, para o mesmo caudal no canal, a transferência de água no canal e a rega pressurizada podem exigir a seleção de bombas diferentes. Inclua explicitamente a pressão de saída ao classificar um regime de serviço como de baixa altura manométrica.

Comparação de fornecedores com base em curvas verificadas

Uma proposta comparável distingue os requisitos de serviço do cliente das evidências de desempenho fornecidas pelo fornecedor. Comece por indicar os pares de regimes de serviço e as características do líquido; em seguida, identifique a configuração exata da bomba e a base de ensaio. Os gráficos de seleção delimitam uma gama de produtos; as curvas publicadas descrevem essa gama com maior precisão. As curvas certificadas correspondem à bomba adquirida e ao diâmetro do impulsor.

O Hydraulic Institute distingue estes tipos de curvas. As diferenças entre as bombas centrífugas de uma gama de produtos podem incluir o diâmetro do impulsor e a dimensão da bomba. Com a tabela seguinte, a equipa de compras pode transformar uma seleção plausível numa proposta definida. «Verificada» deve significar que a configuração e o tipo de evidência estão identificados, e não apenas que existe um gráfico de marketing abrangente.

A ISO 9906:2012 especifica ensaios de aceitação do desempenho hidráulico para bombas rotodinâmicas. O contrato de compra deve indicar o grau de aceitação selecionado e a configuração do ensaio, além dos requisitos de desempenho. Os ensaios de aceitação da bomba e a certificação da qualidade do fabricante são atividades de aquisição distintas.

Os montantes em falta numa proposta continuam sem preço. Por exemplo, uma proposta que exclua a estrutura de captação não pode ser considerada mais barata na instalação enquanto esse âmbito não for orçamentado. Peça simultaneamente aos fornecedores a identificação da curva em falta, o desempenho no regime de serviço alterado e os elementos excluídos. Em seguida, compare propostas completas.

Perspetivas do setor: margens de NPSH e opções de controlo

A revisão de 2024 da diretriz do Hydraulic Institute sobre margens de NPSH torna a análise das condições de entrada específicas para cada aplicação uma prioridade de aquisição mais útil do que copiar uma margem fixa de projeto para projeto. É boa prática incluir o valor de referência de NPSHR fornecido pelo fabricante e considerar as condições do líquido, da bomba e do local. Isto é especialmente relevante quando o nível da água ou a estratégia de controlo da água são diferentes.

Na sua explicação de março de 2025 sobre a ANSI/HI 9.6.1:2024, o Hydraulic Institute aborda a mudança da edição de 2017 para recomendações baseadas no NPSHR do fabricante, que deve ser pelo menos igual ao NPSH3 ensaiado. Esta análise inclui fatores como o líquido bombeado, o desgaste, as condições de entrada, os transitórios e o funcionamento em paralelo. Acrescentar 1 metro de altura em todos os projetos ignora esta abordagem específica para cada aplicação.

Para o projeto de 2026, compare o requisito de aspiração indicado pelo fabricante com o valor mínimo disponível e a gama de regimes de serviço necessária. Inclua no âmbito dos trabalhos a submersão efetiva e a conceção do crivo, bem como quaisquer requisitos ambientais específicos do local relativos à captação. Atualizar a base de cálculo da margem é uma alteração razoável ao âmbito, mesmo quando se seleciona a mesma família de bombas.

Os controlos também precisam de uma base de sistema claramente definida. Um variador de velocidade pode reduzir as perdas de controlo, mas a elevação estática continua a fazer parte do requisito de altura manométrica à medida que a velocidade diminui. As perguntas frequentes do Hydraulic Institute indicam que, com uma curva do sistema e uma altura estática, os benefícios do controlo de velocidade variável diminuem. Por isso, usar a relação cúbica entre velocidade e potência para prever o consumo anual de eletricidade pode sobrestimar os benefícios.

As configurações em paralelo oferecem outra opção de decisão. O arranque de uma segunda bomba desloca geralmente o ponto de funcionamento ao longo das curvas combinadas da bomba e do sistema; não duplica automaticamente o caudal fornecido. O conjunto de controlo deve incluir as combinações relevantes de bombas em funcionamento, bem como as áreas de funcionamento individuais e a potência de entrada. Um preço unitário mais baixo pode deixar de ser vantajoso se o funcionamento por etapas levar uma bomba para uma área de funcionamento inadequada.

O passo fixo, o passo ajustável e o controlo de velocidade são alternativas de conceção. A sua adequação depende do serviço necessário, da gama de controlo e da manutenção. O passo seguinte mais útil é pedir uma proposta que confronte estas opções com todo o envelope de regimes de serviço e, depois, comparar os custos de instalação com base em horas anuais realistas.

Perguntas frequentes

O que é uma bomba de fluxo misto?

É possível instalar uma bomba de fluxo misto na vertical?

Que bomba é mais indicada para alta pressão?

O que é uma bomba de deslocamento positivo?

Que relação existe entre a velocidade específica e o tipo de bomba?

Qual é a diferença entre bombas autoescorvantes e bombas sem escorvamento automático?

Quais são as vantagens de uma bomba axial?

Apresente à BBP os pares de caudal e altura manométrica dos regimes de serviço normal e alterado, os níveis da fonte e as condições dos líquidos do seu projeto. Comece pela gama de bombas para rega e compare configurações com uma base elétrica e um âmbito de instalação comuns. Um resumo completo dos regimes de serviço facilita a orçamentação e a análise da escolha entre bombas centrífugas radiais e axiais.

Por GW. As orientações técnicas baseiam-se nas fontes abaixo. A comparação de custos exemplificativa utiliza os valores assumidos indicados; a instalação de El Paso é atribuída à Xylem. Os limites de seleção e instalação da bomba dependem do equipamento proposto e do local.