Estações elevatórias_Bombas

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ESTAÇÕES 
ELEVATÓRIAS, 
BOMBAS, LINHAS 
DE RECALQUE
Introdução
■ As bombas são utilizadas nos circuitos
hidráulicos, para converter energia
mecânica em energia hidráulica;
■ A ação mecânica cria um vácuo parcial na
entrada da bomba, o que permite que a
pressão atmosférica force o fluido do
tanque, através da linha de sucção, a
penetrar na bomba. A bomba passará o
fluido para a abertura de descarga,
forçando-o através do sistema hidráulico.
Introdução
■ As normas e especificações do Hydraulic
Institute estabelecem quatro classes de
bombas:
– Centrífugas;
– Rotativas;
– De êmbolo (ou pistão);
– De poço profundo (tipo turbina).
Bombas centrífugas
Bombas centrífugas
■ Sua classificação é feita segundo vários
critérios:
– Movimento do líquido
■ Sucção simples (rotor simples);
■ Dupla sucção (rotor de dupla admissão).
– Admissão do líquido
■ Radial (tipo voluta e turbina);
■ Diagonal (tipo Francis);
■ Helicoidal.
Bombas centrífugas
– Números de rotores (ou estágios)
■ Um estágio (um rotor);
■ Estágios múltiplos (dois ou mais
rotores).
– Tipos de rotores
■ Rotor fechado;
■ Rotor semifechado;
■ Rotor aberto;
■ Rotor a prova de entupimento (non clog).
Bombas centrífugas
Radial
tipo Francis
Helicoidal
Bombas centrífugas
– Posição do eixo
■ Eixo vertical;
■ Eixo horizontal;
■ Eixo inclinado
– Pressão
■ Baixa pressão (Hman ≤ 15 m);
■ Média pressão (Hman de 15 a 50 m);
■ Alta pressão (Hman ≥ 50 m)
Potência dos conjuntos elevatórios
■ O conjunto elevatório (bomba-motor) deverá
vencer a diferença de nível entre os dois pontos
mais as perdas de carga de todo o percurso
(perdas localizadas e por atrito);
■ Denominam-se:
– Hg = altura geométrica (diferença de nível);
– Hs = altura de sucção (altura do eixo da
bomba sobre o nível inferior);
– Hr = altura de recalque (altura do nível
superior em relação ao eixo da bomba).
Potência dos conjuntos elevatórios
Hg = Hs + Hr
Potência dos conjuntos elevatórios
– Hman = altura manométrica
Hman = Hg + hf (perdas de carga totais)
– A potência de um conjunto elevatório será:
■ P = potência em cv ou HP (1 cv = 0,986 HP)
■ ɳ = rendimento global do conjunto
elevatório.
ɳ = ɳmotor . ɳbomba
Altura Manométrica - Hman
■ A altura manométrica representa a energia
absorvida por unidade de peso do líquido ao
atravessar a bomba.
■ É a energia que a bomba deverá transmitir ao
líquido para transportar a vazão “Q” do
reservatório inferior ao superior.
■ Portanto, Hman deve vencer o desnível
geométrico, as perdas de carga e a diferença
de pressões nos reservatórios.
Altura Manométrica - Hman
Altura Geométrica ou Altura Estática (Hg)
Curvas características das bombas 
centrífugas
■ São os diagramas que
os fabricantes
fornecem aos
possíveis usuários,
onde estão expressos
em forma de gráfico, a
altura desenvolvida
pela bomba,
eficiência, potência no
eixo e NPSH em
função da capacidade
da bomba.
Altura de sucção disponível - NPSH
■ Há um limite de pressão de vácuo que pode se atingir
na sucção de uma bomba. Caso a bomba trabalhe
abaixo desse limite, ocorrerá um fenômeno denominado
cavitação.
■ Esse limite existe, pois em uma determinada pressão de
vácuo, dependendo da temperatura e volatilidade do
líquido pode-se alcançar a ebulição.
■ Assim, formam-se bolhas de vapor que viajam da zona
de baixa pressão na bomba (sucção) até a zona de alta
pressão (saída do rotor). Neste ponto colapsam,
produzindo fortes correntes de líquido que provocam
erosão nas partes metálicas da bomba. Durante a
cavitação gasta-se energia para acelerar o fluido, o que
resulta em uma perda de eficiência da bomba.
Alterações nas condições de 
funcionamento
■ Os efeitos de alterações nas condições de
funcionamento de uma bomba não devem ser
avaliadas exclusivamente em relação a
potencia;
■ É necessário o exame das curvas características
que indicam a variação do rendimento;
■ As alterações na altura manométrica real da
bomba trazem as seguintes consequências:
– Aumentando-se a Hman, a capacidade Q e a
potencia absorvida diminuem;
– Reduzir a Hman, a descarga Q e a potencia
absorvida elevam-se.
Alterações nas condições de 
funcionamento
■ É por isso que, fechando-se o registro de saída
de uma bomba centrífuga, reduz-se a potência
necessária para o seu funcionamento (aumento
da perda de carga e Hman);
■ É recomendável, o fechamento do registro da
canalização de recalque ao se dar a partida a
uma bomba centrífuga;
■ O aumento ou redução da velocidade (rpm)
pode ser avaliado pelas equações:
Alterações nas condições de 
funcionamento
■ Ex: Uma bomba centrífuga de 20 HP, 40 l/s e 30
m de altura manométrica está funcionando com
1750 rpm. Quais serão as consequências de
uma alteração de velocidade para 1450 rpm?
Bombas trabalhando em série e 
em paralelo
■ ƒ Podemos avaliar algumas razões para a
associação destes dispositivos:
– Razões técnicas: quando um desnível
elevado acarretar em um rotor de grande
diâmetro e alta rotação, e com isso altas
acelerações centrífugas e dificuldades na
especificação de materiais.
– Razões econômicas: quando o custo de
duas bombas menores é inferior ao de uma
bomba de maiores dimensões para fazer o
mesmo serviço.
Bombas trabalhando em série e 
em paralelo
■ A potência consumida na associação é igual a
soma das potências individuais → para
qualquer associação de bombas hidráulicas
(série ou paralelo);
■ Assim, supondo-se uma associação de duas
bombas hidráulicas, A e B, pode-se escrever:
■ Substituindo pela fórmula da potência:
Bombas trabalhando em série e 
em paralelo
■ Bombas em série:
– Várias bombas podem ser operadas em
série, ou seja, conectadas sucessivamente,
em linha, com a finalidade de fornecer
alturas maiores do que forneceriam
individualmente.
– Operam à mesma vazão, sendo a altura
fornecida igual à soma das alturas
desenvolvidas por cada bomba.
Bombas trabalhando em série e 
em paralelo
Bombas trabalhando em série e 
em paralelo
■ Bombas em paralelo:
– A adição de duas ou mais bombas em
paralelo é útil nos sistemas em que se
requer vazões variáveis. As bombas ajustam
suas vazões de tal maneira que mantém
constante as diferenças de pressão entre os
pontos 1 e 2. Essas bombas devem fornecer
alturas praticamente iguais.
Bombas trabalhando em série e 
em paralelo
Dimensões dos poços de sucção
■ As bombas de eixo vertical do tipo axial, por
serem mais sensíveis às condições de tomada
de água nos poços de sucção, exigem um
estudo mais cuidadoso.
■ A área mínima de um poço de sucção individual
(isolado) deve ser 12,5 vezes a área da seção
de entrada na tubulação. A área da seção de
escoamento na parte inicial do poço deve ser
pelo menos 10 vezes a área da seção de
entrada na tubulação de sucção.
Dimensões dos poços de sucção
■ A altura mínima de água acima da boca de sucção,
para a formação de vórtices, deve ser maior ou igual a
uma vez e meia o diâmetro (h > 1,5 D).
Dimensões dos poços de sucção
Canalização de sucção
■ A canalização de sucção é executada com um
diâmetro imediatamente superior ao do recalque;
■ A canalização de sucção deve ser a mais curta
possível, evitando-se ao máximo as peças especiais;
■ A altura máxima de sucção acrescida das perdas de
cargas deve satisfazer as especificações
estabelecidas pelo fabricante das bombas;
■ Teoricamente, a sucção máxima seria de 10,33 m no
nível do mar (1 atm);
■ Na prática, é muito raro atingir 7,00 m. Para a
maioria das bombas centrifugas, a sucção deve ser
inferior a 5 m.
Canalização de sucção
Disposição satisfatória das 
bombas
Funções de Alguns aparelhos da 
instalação elevatória
■ Válvula de pé: Mantém cheia a tubulação de
sucção quando o motor não está em
funcionamento ( fluxo unidirecional);
■ Crivo: Acoplado à válvula de pé (evita a entrada
de partículas sólidas);
■ Redução Excêntrica: Adéqua o tubo de sucção
(de maior diâmetro) à entrada da bomba (de
menordiâmetro). Evita acúmulo de bolhas de
ar, separação da coluna líquida e cavitação.
Funções de Alguns aparelhos da 
instalação elevatória
■ Motor: Fornece energia mecânica à bomba
(une-se à bomba pelo eixo).
■ Válvula de Retenção: Evita o retorno da água
mantendo a coluna líquida na tubulação.
■ Registro: Controle da vazão, fechamento para
manutenção da bomba ou tubulação de sucção
(registro de gaveta -> mais utilizado).
Velocidades Máximas nas 
Tubulações
■ A velocidade da água na boca de entrada
das bombas, geralmente, está
compreendida entre 1,5 a 5 m/s,
podendo-se tomar 3 m/s como um termo
médio representativo.
■ Na seção de saída das bombas, as
velocidades são mais elevadas, podendo
atingir o dobro destes valores.
Influência da viscosidade
■ As curvas características de uma bomba
centrífuga são obtidas para água a temperatura
ambiente. Quando a bomba é usada para
deslocar outro fluido, sua performance não será
a mesma. Se o fluido é viscoso há mudanças:
– (1) a bomba desenvolverá menor altura;
– (2) a capacidade será reduzida;
– (3) a potência requerida no eixo aumentará.
NPSH: energia disponível no 
líquido na entrada da bomba 
(Net Positive Suction Head)
■ Carga positiva e efetiva na sucção;
■ Há dois valores a considerar:
– NPSH requerido: característica
hidráulica da bomba, fornecida pelo
fabricante;
– NPSH disponível: característica das
instalações de sucção, calcula por:
NPSH: energia disponível no líquido na entrada 
da bomba
■ Onde:
– H= A distância vertical entre a superfície
do líquido e a linha da bomba.
+H = carga ou altura de água na sucção
(positiva nos casos em que o tanque se encontra acima da linha da
bomba)
-H = altura de aspiração (negativa nos casos em
que o tanque se encontra abaixo da linha da bomba)
– Patm = pressão atmosférica no local
– Pvapor = pressão de vapor (tabela)
– hf = soma de todas as perdas de
carga na sucção.
NPSH: energia disponível no 
líquido na entrada da bomba
■ Para que uma bomba funcione bem, é
preciso que:
Cavitação
■ Quando a altura de sucção ultrapassando certos
limites, podem apresentar problemas para a bomba
hidráulica, com aparecimento do fenômeno da
cavitação;
■ Quando a pressão absoluta em um determinado ponto
se reduz a valores abaixo de um certo limite,
alcançando o ponto de ebulição da água (para esta
pressão) esse líquido começa a ferver e os condutos
ou peças (de bombas, turbinas ou tubulações) passam
a apresentar, em parte, bolsas de vapor dentro da
própria corrente;
■ O fenômeno de formação e destruição dessas bolsas
de vapor, ou cavidades preenchidas com vapor,
denomina-se cavitação.
Cavitação
■ O critério usualmente adotado para o exame das
condições de funcionamento de uma instalação
é devido a Thoma, aplicando a fórmula:
■ H = altura efetiva da bomba (manométrica);
■ Ha = altura correspondente à pressão atmosférica local;
■ Hv = altura devido à pressão de vapor de água;
■ Hs = altura de sucção da bomba.
Cavitação
■ O gráfico da Figura a seguir dá indicações sobre
as condições perigosas, em função da
velocidade específica, em unidades americanas.:
■ N = Rotação(rpm)
Canalização de recalque
■ Para determinar o diâmetro de recalque tem que definir 
anteriormente o tipo de operação do sistema moto-
bomba, isto é, se o mesmo é continuo ou não.
■ Sistema operado continuamente:
– O diâmetro de recalque (diâmetro econômico) é 
calculado pela Formula de Bresse a seguir 
apresentada;
– D é o diâmetro, dado em metros,
– Q é a vazão, em m3/s,
– K é uma constante que depende da velocidade do recalque 
(no Brasil entre 0,7 e 1,5).
Canalização de recalque
Canalização de recalque
■ Sistema não operado continuamente (menos que 24 
horas ao dia):
– Para o dimensionamento das linhas de recalque de 
bombas que funcionam apenas algumas horas por 
dia, Forchheimer propôs a seguinte formula:
– X = a relação entre o número de horas de funcionamento diário 
do conjunto elevatório e 24 horas.
– Q = a vazão em m3/s.
Figura: Gráfico para seleção de bombas Worthington (o primeiro número indica 
o diâmetro de saída)
Exemplo 1
■ Dimensionar a linha de recalque esquematizada na
figura, com o critério de economia, e calcular a potência
do motor para as condições seguintes.
Q = 30 l/s Período de funcionamento = 24 h
Altura de sucção = 2,5 m (Hs)
Altura de recalque = 37,5 (Hr)
Altura geométrica = 40 m (Hg).
Exemplo 2
■ Estima-se que um edifício com 35 pequenos
apartamentos seja habitado por 275 pessoas.
A água de abastecimento é recalcada do
reservatório inferior para o superior por meio de
conjuntos elevatórios. Dimensionar a linha de
recalque, admitindo um consumo diário
provável de 200 l/hab (máximo). As bombas
terão capacidade para recalcar o volume
consumido diariamente, em apenas 6 horas de
funcionamento?
Exemplo 3
 Suponhamos que uma bomba de modelo
hipotético seja colocada para operar com 35
mca de Hman, vazão de 32,5 m3 /h, altura de
sucção de 2,5 metros e perda por atrito na
sucção de 1,6 mca. A altura em relação ao
nível do mar onde a mesma será instalada é
de aproximadamente 600 metros, e a
temperatura da água é de 30ºC. Qual será o
NPSH requerido e o disponível, terá problema
de cavitação?
• VERIFICAÇÃO DO NPSHr:
Conforme curva característica, para os dados de altura (mca) e vazão
(m³/h) indicados, o NPSHr da bomba é 4,75 mca, confira a seguir.
• CÁLCULO DO NPSHd::
• CÁLCULO DO NPSHd::
• A bomba nestas condições funcionará normalmente, porém, deve-se
evitar:
Aumento da vazão;
Aumento do nível dinâmico da captação;
Aumento da temperatura da água.