Aprenda a construir uma bomba centrífuga básica e também a testar os desenhos das pás utilizando a dinâmica de fluidos computacional. Também pode descarregar os modelos em PDF para esta bomba AQUI.

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Como fazer a bomba

Esta é a bomba que construímos. É uma bomba de tipo centrífugo feita principalmente de madeira e plástico e é accionada por um motor DC com um controlador de velocidade de modulação de largura de impulsos.

Como pode ver, esta bomba está a ser utilizada num sistema de circuito aberto, fazendo circular a água entre um reservatório, a bomba e depois de volta para o mesmo reservatório. Esta é uma configuração semelhante à do lado do condensador de um chiller arrefecido a água, que é utilizado para fornecer ar condicionado em grande escala a edifícios comerciais de grande altura.A água é pulverizada para libertar o calor para a atmosfera e a água, agora mais fresca, acumula-se no tabuleiro da torre de arrefecimento e volta a descer para o refrigerador para captar mais calor.

Ao utilizar este sistema, mantemos a mesma pressão de aspiração na entrada da bomba.

Se a bomba descarregar para um reservatório separado, o nível de água à entrada altera-se e a pressão também, o que faz com que o desempenho da bomba varie. Para combater esta situação, teríamos de repor a mesma quantidade de água que foi retirada.

Uma bomba centrífuga é bastante simples e tem apenas algumas peças, sendo as principais o corpo da bomba, o impulsor, o eixo, a entrada e a saída, alguns rolamentos e um motor elétrico.

A nossa conceção é a seguinte: temos o corpo da bomba, o impulsor e o veio, a casa dos rolamentos, a entrada e a saída e um motor elétrico de corrente contínua.

A conceção da bomba

Para manter o design simples, decidimos utilizar materiais facilmente disponíveis. Para o invólucro da bomba, utilizámos contraplacado marítimo, um material forte que é formado com uma cola à prova de água, é fácil de trabalhar e é frequentemente utilizado na construção de barcos. Queríamos poder ver o interior da bomba à medida que esta roda, pelo que decidimos utilizar uma folha grossa de acrílico com uma vedação de borracha entre esta e a bombaPara o impulsor utilizámos novamente o acrílico, porque é fácil de trabalhar e pode ser fundido com um solvente para formar uma junta forte. O eixo é feito de uma haste roscada de aço inoxidável com porcas de bloqueio inoxidáveis. Utilizámos aço inoxidável porque o impulsor será submerso em água e o aço inoxidável é mais difícil de enferrujar em comparação com o aço macio. Os tubos foram feitos de PVC porque éOs acessórios foram feitos, na sua maioria, de cobre, simplesmente porque era o que a nossa loja local tinha em stock. Para acionar a bomba, utilizámos um motor 775 DC com um variador de velocidade.

Peças utilizadas

Controlo de velocidade PWM: //engineerz.club/pwm-speed-control

Motor 775: //engineerz.club/775-motor

Acoplamento do motor: //engineerz.club/dc-motor-coupling

Haste roscada: Haste roscada de aço inoxidável M8

Madeira: Contraplacado marítimo de 12 mm

Folha de acrílico: 12 mm //engmind.info/acrylic-sheet

Alimentação DC: //electricl.info/DC-Bench-Power-...

Copo de água: //amzn.to/2NcnMIh

Tubo: Tubo de barreira de 22 mm em PVC

Vedação: borracha preta de 2 mm

Tubo da lâmina: 50mm OD Tubo acrílico

As bombas centrífugas utilizam uma voluta, que é um canal em expansão à volta do impulsor que converte a velocidade da água em pressão e permite o desenvolvimento de um caudal.

Já tínhamos alguns discos de 70 mm para o impulsor, por isso baseámos a nossa voluta neste facto e desenhámos uma forma aproximada da voluta em CAD.

Para desenhar as pás do impulsor temos 3 opções principais. As pás podem ser curvas para trás, rectas ou curvas para a frente. Para manter o desenho simples de construir, decidimos usar segmentos de tubo acrílico de 50 mm para formar as curvas das pás. As dimensões do tubo significam que só podemos realmente encaixar 5 pás no impulsor. Usámos apenas o inverso deste desenho para a curva para a frentePara o modelo reto, utilizaremos também 5 pás feitas de uma folha fina de acrílico.

Avaliar o desempenho de cada projeto de impulsor de bomba

Para avaliar o desempenho de cada design de impulsor de bomba, utilizámos a plataforma SimScale CAE, que gentilmente patrocinou este vídeo. A SimScale fornece acesso instantâneo à dinâmica de fluidos computacional online, bem como à análise de elementos finitos, através de uma aplicação baseada na nuvem de fácil utilização, disponível através de um modelo de subscrição simples. Pode experimentar o software gratuitamente e editar projectos públicos emsimscale.com através da sua conta comunitária, ou criar projectos privados com funcionalidades melhoradas através das suas contas profissionais, de equipa ou empresariais. Se quiser experimentar este software, clique em AQUI.

Não conhecemos todos os parâmetros desde o início, mas não faz mal, porque podemos fazer suposições e executar diferentes pontos de funcionamento em simultâneo para ver o desempenho da bomba numa vasta gama. Por exemplo, a velocidade de rotação, a pressão de saída, o caudaltaxa, etc.

Depois de configurarmos e executarmos as nossas simulações, no SimScale, para os diferentes tipos de impulsores, podemos comparar os resultados.

Comparação dos resultados

Quando comparamos os resultados lado a lado no que diz respeito à pressão - o desenho curvo para trás tem esta transição agradável do centro para as extremidades, onde a pressão é maior, pelo que a velocidade está a transformar-se em pressão estática, que é o que precisamos para que a bomba funcione. A lâmina reta não tem uma transição tão suave, há bolsas de baixa pressão que se desenvolvem no centroO impulsor curvado para a frente tem os resultados mais dramáticos, com grandes áreas de baixa pressão no centro e mudanças bruscas em direção às pontas. Assim, podemos ver que o impulsor curvado para trás deve ser o mais eficiente na transformação da velocidade em pressão.

Se olharmos mais profundamente para o impulsor curvado para trás, podemos ver que esta conceção não é perfeita e necessita de algumas afinações. Existem regiões à volta de ambas as pontas de cada pá que podem ser melhoradas para reduzir as perdas.

Depois, se mudarmos a vista, podemos ver que existem regiões de pressão concentrada entre as lâminas, o que está a provocar a recirculação no interior da bomba. Poderíamos utilizar uma cobertura para reduzir este fenómeno e melhorar o desempenho, e podemos voltar a executar a simulação para quantificar o seu impacto.

Para realmente conceber este projeto, seria necessário efetuar várias simulações com diferentes espessuras de lâminas, diferentes ângulos de lâminas, impulsores de diferentes diâmetros e também números de lâminas para encontrar o design ideal.

Construção

Para construir a bomba, Iwe pegou em algumas folhas de madeira com 145 mm de largura, 170 mm de altura e 12 mm de espessura.

Imprimimos o nosso desenho da voluta e, em seguida, utilizámos um cortador para cortar o papel à medida e colámo-lo na madeira para o utilizar como modelo. Para poupar tempo, aparafusámos duas folhas juntas e, em seguida, utilizámos uma serra de corte para cortar cuidadosamente o centro do modelo.

Em seguida, colámos o modelo para a placa traseira noutra folha de madeira e utilizámos uma serra de furos para remover parte do segmento interno, o que nos permite inserir a lâmina da serra e cortar o centro.

Com as partes principais da caixa da bomba feitas, utilizámos uma cola forte para madeira para formar uma vedação entre cada uma das folhas e deixámo-las assentar. Depois de prontas, aparafusámos as três folhas e utilizámos uma lima e uma lixa para garantir uma superfície interna lisa.

Para a tampa frontal, recortámos novamente o modelo em papel e colámo-lo numa folha de acrílico transparente. Esta será aparafusada à caixa da bomba, pelo que fizemos alguns furos utilizando uma broca ligeiramente maior do que o diâmetro dos parafusos. Em seguida, utilizámos uma serra de 22 mm para criar um furo no material para o tubo de entrada de PVC.Em seguida, aquecemos o tubo com uma pistola de ar quente até ficar em condições de ser enviado pelo correio e colocámos a tampa frontal por cima, de modo a formar uma vedação.

Entre a caixa frontal e a voluta da bomba, precisamos de um vedante de borracha. Para isso, utilizámos uma folha de borracha com 2 mm de espessura, na qual traçámos o contorno da voluta e, em seguida, cortámo-la para podermos ver o interior, assegurando ao mesmo tempo um vedante à volta da extremidade.

Para o impulsor, pegámos num disco de acrílico com 70 mm de diâmetro e encontrámos o centro utilizando o medidor de centros do conjunto combinado. Em seguida, perfurámos o disco utilizando uma broca com o mesmo diâmetro do veio roscado.

Para formar as lâminas, pegámos num tubo de acrílico de 50 mm e, em seguida, enrolámos e colámos firmemente um papel branco à volta, certificando-nos de que os bordos estavam alinhados. As lâminas têm 20 mm de altura, pelo que medimos esse valor no tubo e utilizámos o bordo do papel para traçar uma linha à volta da circunferência. Em seguida, cortámos ao longo da linha para retirar a secção de que precisávamos e, depois, colocámos este segmento na roda móvelEstes segmentos são simplesmente cortados do tubo para formar a lâmina.

Com todas as lâminas cortadas, pegámos num pouco de solvente e aplicámo-lo na base de cada lâmina antes de a colocarmos na posição pretendida. O solvente derrete basicamente os materiais para que se fundam e formem uma junta muito forte.

Para a caixa de rolamentos, recortámos novamente o modelo cad e colámo-lo a um pedaço de madeira. Depois de estar pronto, fixámo-lo a mais dois pedaços de madeira e utilizámos uma serra para cortar o orifício onde os rolamentos vão assentar.

Depois de a cola secar, utilizámos uma lima para retirar o excesso de cola e alargar o orifício para que as chumaceiras encaixassem bem. Em seguida, colocámos as duas chumaceiras e um espaçador no eixo roscado e forçámo-las a encaixar.

Para o eixo, utilizámos algumas hastes roscadas em aço inoxidável, bem como algumas porcas de bloqueio flangeadas para manter o impulsor no lugar. Com a lâmina temporariamente instalada, podemos ver que roda bem e que existe um pequeno espaço entre a lâmina e a parede da casa de rolamentos.

O invólucro da voluta e a casa de rolamentos foram colados para formar uma vedação entre os materiais e depois mantidos juntos com alguns parafusos extra-longos. A madeira foi coberta com um primário branco e algumas camadas de um revestimento impermeável.

Para montar a bomba, colocámos o veio e o impulsor na caixa e demos uma volta rápida para o testar. Em seguida, utilizámos uma porca flangeada e uma porca normal na parte de trás para os bloquear na posição. Isto impede que o impulsor se mova para a frente e para trás, mas também nos permite removê-lo mais tarde.

Para fixar a tampa ao corpo da bomba, utilizámos alguns parafusos auto-roscantes, juntamente com uma anilha de metal e uma de borracha. Estas anilhas são utilizadas para reduzir a tensão sobre a folha de acrílico, de modo a que esta não se parta. Foi também por isso que utilizámos uma broca ligeiramente maior do que o diâmetro do parafuso.

Para a saída, simplesmente inserimos o tubo de 22 mm e adicionámos um pedaço de borracha para criar uma junta apertada e, em seguida, cobrimo-los com cola quente para os manter no lugar. Em seguida, instalámos um manómetro na entrada e na saída da bomba para fazer algumas medições.

A bomba é accionada por um motor DC 775 que é controlado através de um controlador de velocidade PWM. Os outros dois cabos são ligados à fonte de alimentação da bancada. Um simples mostrador controla a velocidade do motor. Estas peças foram depois montadas na parte de trás do motor e ligadas ao veio através de um acoplamento.

A propósito, já falámos sobre o funcionamento dos motores de corrente contínua Veja AQUI bem como a modulação por largura de impulso Ver AQUI.

Testar a bomba

Para testar a bomba, fizemos uma configuração simples de circuito aberto. Temos um tanque de água e um tubo de pvc que passa por uma curva, por uma válvula de esfera e depois pela entrada da bomba. A bomba está a ser accionada pelo motor DC e pelo controlador de velocidade, que é alimentado pela fonte de alimentação da bancada. A saída da bomba sobe, passa por algumas curvas e volta para o tanque de abastecimento.copo para medir o caudal.

Agora, como podemos ver, a bomba está a funcionar bastante bem. Conseguimos cerca de 16 litros por minuto no caudal máximo, mas as ferramentas e os métodos que utilizámos para testar a bomba não eram suficientemente precisos para os comparar com as nossas simulações.

Em primeiro lugar, os manómetros não liam qualquer pressão, o que torna a avaliação do desempenho das bombas quase impossível, pelo que terá de ser feita através de cálculos manuais e de grandes suposições. Havia algumas pequenas fugas na bomba, a maioria das quais poderia ter sido estancada com massa lubrificante à prova de água mas, infelizmente, não a tínhamos na altura. O copo de água não é exatamente uma bomba de precisãoO grande problema que enfrentámos foi a cavitação.

Como se pode ver aqui, há ar no interior do impulsor e a taxa de cavitação está a aumentar com a velocidade. Este ar está a ser aspirado de pequenos espaços à volta do tubo de entrada devido à região de baixa pressão criada no olho do impulsor. Também pensamos que o facto de a água de retorno cair no tanque está a causar pequenas bolhas no abastecimento.são esperados e, agora que conhecemos os problemas, podemos rectificá-los num modelo futuro.

Qual foi o desempenho da bomba e dos impulsores?

Em todos os modelos, podemos ver que não se desenvolveu qualquer fluxo no sistema até o eixo atingir cerca de 1000 rpm. Comparando os resultados dos três impulsores diferentes, podemos ver que o impulsor curvado para trás foi o mais eficiente. Isto porque, por cada Watt de eletricidade consumido, foi capaz de o converter em trabalho mecânico mais útil, queresulta num caudal mais elevado em comparação com as outras concepções.

A conceção menos eficiente foi a do impulsor curvado para a frente, seguida de perto pelo impulsor de pás planas.

Para avaliar a eficiência da bomba, tentámos ter em conta as perdas do motor elétrico. Os dados do fabricante mostram que a eficiência mínima é de cerca de 40% e a máxima é de cerca de 72%, no entanto, ambos os valores são calculados em condições de vazio e, obviamente, o nosso motor está em carga.

Tendo isto em conta, vemos que o impulsor de curva para trás tinha um pico de eficiência entre 15,4 e 27,8 por cento. As pás rectas situavam-se entre 13,3 e 23,9 por cento e as pás de curva para a frente entre 12,5 e 22,57 por cento. No entanto, estes são apenas valores aproximados, porque existem muitas imprecisões nos dados e nas medições e, como sabemos, se introduzirmos dados errados, obtemos dados erradosresultados