Medidores de Fluxo e Bombas

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-Tubo de Venturi
· Os tubos de Venturi têm a vantagem de apresentar baixas perdas de carga. A perda de carga é menor porque não ocorre a separação de uma camada de fluido turbulenta, como ocorre na placa de orifício
· O medidor de Venturi é um tubo com uma entrada cônica curta e uma garganta reta comprida.
· Quando o líquido passa através da garganta, sua velocidade aumenta causando uma queda de pressão.
-O tubo de Venturi pode ser usado com a maioria dos líquidos, inclusive aqueles com alto conteúdo de sólidos. Se usam para grandes vazões.
Tubo de pitot
· Tubo de Pitot mede a velocidade. Consiste em dois tubos concêntricos, A e B, alinhados com a tubulação.
· O interno é aberto na ponta ② e o externo conta com vários orifícios pequenos ao lado, ③.
· A leitura ΔH depende da velocidade do fluido na tubulação acima do tubo A
.
· A pressão P2 que resulta de levar um elemento de fluido no ponto 1 para o repouso no ponto 2 é referida como pressão de impacto.
· Desde que não temos nenhum meio eficiente para computar a perda de carga, H’L, usualmente escrevemos a equação em termos de um fator denominado Cp (“P” denota do tubo de Pitot), de acordo com a seguinte equação:
· Em geral, a perda de carga entre os pontos 1 e 2 é bem pequena e então o
valor de Cp é próximo a unidade.
· O BE pode ser aplicado entre os pontos 1 e 3 para relacionar P1 e P3 (medidos pelo
manômetro) como
· Novamente, WS = 0, H’L ≅ 0 e, como os tubos de Pitot são muito finos comparados ao diâmetro da tubulação, z1 ≅ z3 e v1 ≅ v3.
· Isto conduz a
· A equação manométrica aplicada a este sistema resulta em:
· As equações anteriores podem ser modificadas para obter:
Medidores de área variável (Rotâmetro)
· Rotâmetro: um tubo cônico + um flutuador calibrado.
Quando não há fluxo de líquido, o flutuador descansa livremente no fundo do tubo. Quando o líquido entra pelo fundo do tubo, o flutuador sobe.
A posição do flutuador varia com a vazão que pode ser lida diretamente em uma escala.
Sua exata posição é o ponto no qual a diferença de pressões entre as superfícies superior e inferior se equilibram com o peso do flutuador.
· BOMBAS E TURBINAS
· TIPOS DE BOMBAS
· BOMBAS DE DESLOCAMENTO POSITIVO
· TURBOMÁQUINAS
· BOMBAS DE DESLOCAMENTO POSITIVO
Exemplos – bomba de bicicleta, coração, bomba peristáltica.
TIPO DE ACTUAÇÃO
· BOMBAS DE DESLOCAMENTO POSITIVO – provocam o escoamento de uma quantidade finita de
 fluido, forçando o fluido a sair (ou a entrar) de um espaço fechado de volume variável no tempo.
Em cada deslocamento, o trabalho realizado sobre o fluido aparece sob a forma de pressão estática
sendo esta imposta pela carga contra a qual é necessário realizar trabalho.
· APLICAÇÃO MAIS FREQUENTE
São utilizadas quando se pretende um caudal baixo contra uma carga elevada
· TURBOMÁQUINAS
São dispositivos mecânicos que tanto extraem energia de um fluido (turbinas), como adicionam energia a um fluido (bombas), resultado de interações dinâmicas entre o dispositivo e o fluido
Trabalho realizado pelas pás rotativas da hélice sobre o fluido, forças centrífuga e tangencial, que promovem um elevado aumento da energia cinética do fluido. Esta energia cinética é convertida em aumento de pressão à medida que o fluido escoa da hélice para o invólucro que a envolve.
Características de uma bomba centrífuga
Seja:
ha= o aumento de carga do fluido ao passar pela bomba
hs= a carga fornecida pelo veio (potência/caudal mássico)
hL= a carga perdida na bomba
´
A eficiência global é afectada por três factores:
ηh- eficiência hidráulica, perda de carga na transmissão de energia das pás para o fluido, e em zonas de recirculação.
ηm- eficiência mecânica, perda no processo de transmissão de energia mecânica até ás pás, atrito mecânico
ηv- eficiência volumétrica, passagem de fluido por algumas componentes da bomba que não as pás, o que poderá induzir perdas adicionais por turbulência no fluido.
Carga global de sucção positiva (NPSH)
· No lado da sucção, a pressão é reduzida havendo possibilidade de aparecimento do fenómeno de cavitação.
· Há dois tipos de NPSH: o da bomba (NPSHR), geralmente dado nas curvas características, e o da instalação (NPSHA).
As bombas são equipamentos que fornecem energia mecânica a um fluido incompressível.
No caso de fluidos compressíveis, esses equipamentos, são denominados ventiladores e compressores (outras operações unitárias).
Classificação das bombas
Dividem-se em 2 grandes grupos de acordo a forma como a energia é fornecida ao fluido.
1. Bombas cinéticas (centrífugas)
2. Bombas de deslocamento positivo
1. Bombas centrífugas:
 A energia é fornecida continuamente ao fluido por um rotor, que gira a alta velocidade fornecendo a energia cinética ao fluido que depois é transformada em energia de pressão.
O movimento do rotor produz uma zona de vácuo (no centro) e outra de alta pressão (na periferia).
O líquido é aspirado pela ação do rotor que gira rapidamente dentro da carcaça.
 SLIDE 49
Bomba com difusor:
Figura 10.2. Escoamento dentro de uma bomba centrífuga.
a) Bomba de voluta simples; b) Bomba com difusor.
Após ser impulsionado pelo rotor o fluido escoa através de um conjunto de palhetas fixas (um anel difusor). Aumenta a conversão da energia cinética em energia de pressão (mais do que na bomba de voluta simples).
O fluido é descarregado na voluta (difusor), onde é desacelerado. A energia cinética é convertida em energia de pressão. Quanto maior for o número de palhetas menor é a perda por correntes de Eddy (turbulência).
Escoamento Radial: Descarrega o fluido radialmente(para baixas vazões e altas pressões,)
Escoamento Axial: Descarrega o fluido axialmente (é adequado para altas vazões e baixas pressões)
Misto
Tipos de rotores:
Fechado: Para líquidos sem partículas em suspensão.
Semi-aberto: Incorpora uma parede no rotor para prevenir que matéria estranha se aloje no rotor e interfira na operação.
Aberto: Vantagem: bombear líquidos com sólidos em suspensão. Desvantagem: desgaste.
Tipos de entrada:
Simples: Utilizada em pequenas unidades.
Dupla: Quando há entradas simétricas em ambos os lados do impulsor.
Nesse caso há melhor distribuição dos esforços mecânicos, além de proporcionar uma área de sucção maior, o que permite trabalhar com uma menor altura positiva na sucção (NPSH; Net Positive Suction Head) e diminui a possibilidade de cavitação.
Número de rotores:
Um rotor: Simples estágio
Vários rotores: Múltiplos estágios (vários rotores operando em série) que permitem o desenvolvimento de altas pressões
A bomba centrífuga deve ser escorvada antes de funcionar. A linha de sucção deve estar cheia de líquido, pois quando tem ar,a pressão desenvolvida é mínima devido à baixa densidade do ar.
Vantagens das bombas centrífugas:
a) Construção simples e baixo custo
b) Fluido é descarregado a uma pressão uniforme, sem pulsações
c) A linha de descarga pode ser estrangulada (parcialmente fechada) ou completamente fechada sem danificar a bomba
d) Permite bombear líquidos com sólidos
e) Pode ser acoplada diretamente a motores
f) Não há válvulas envolvidas na operação de bombeamento
g) Menor custo de manutenção que outros tipos de bombas
h) Operação silenciosa (depende da taxa de rotação, de não ter sólidos em suspensão e de não cavitar)
Desvantagens das bombas centrífugas:
a) Não servem para pressões muito altas
b) Sujeitas à incorporação de ar precisam ser escorvadas
c) A máxima eficiência da bomba ocorre dentro de um curto intervalo de vazões
d) Não consegue bombear líquidos viscosos (limite 40 cP)
Bomba de turbina regenerativa
Também chamada de bomba cinética, ela gera maior pressão que as bombas centrifugas
· Bombas de deslocamento positivo
A energia é fornecida a intervalos, mediante superfícies sólidas móveis, que deslocam porções de fluido desde a sucção até a linha de descarga.
A pressão de saída é regulada através de válvulas de descarga unidirecionais.
Princípio de funcionamento
As bombas de deslocamento positivo liberam um determinado volume de fluido de acordo com a velocidadedo sistema.
Quando a saída se fecha a pressão aumenta e o fluxo da bomba deve ser dirigido para outro lugar, de maneira que se evite a sobre-pressurização.
Para proteger a bomba, o fluido deve ser desviado por um by-pass, ou por meio da circulação dentro da própria bomba (enviando o fluido da zona de alta pressão (da descarga) para a de baixas pressões ( a sucção).
· Válvulas de alívio internas:
Muitos fabricantes fornecem bombas que incorporam válvulas de alívio internas. Quando uma válvula de alívio interna se aproxima do valor máximo de pressão permitido, se abre e então o fluido se dirige internamente para a zona de sucção. Dessa forma se evita o excesso de pressão que pode danificar a bomba e da tubulação e dos acessórios.
· Alívio externo e válvulas de by-pass:
No projeto de um sistema de escoamento, quando se utilizam bombas de deslocamento positivo e existe o risco de queda de vazão, é necessário considerar um arranjo de by-pass externo que devolva o líquido para a sucção.
A válvula do by-pass abrirá a uma pressão pré-determinada, permitindo que a pressão interna não exceda níveis muito altos e evitando também que a bomba cavite.
As válvulas de alívio internas são projetadas para proteger o sistema por períodos curtos de tempo. Quando o fluido recircula dentro da
bomba, a potência introduzida pela bomba se dissipa na forma de calor,aumentando a temperatura do produto.
Mesmo se o período de tempo é curto, a temperatura do produto pode subir até o ponto de evaporação na zona de baixas pressões. Quando há cavitação na zona de baixas pressões pode ocorrer a destruição da bomba.
A cavitação é uma situação que pode ocorrer em qualquer tipo de bomba. Geralmente acontece quando há falta de fornecimento de líquido e a bomba trabalha com uma vazão menor daquela para a qual foi projetada.
As causas comuns da cavitação são a diminuição da pressão de sucção, ou operação a velocidades muito altas. Geralmente o ponto crítico depende da velocidade do rotor. Devem-se consultar os catálogos dos fabricantes para obter esse valor (NPSH). Isso será visto em uma próxima aula.
· Bombas alternativas
· Bombas tipo pistão, com válvulas de retenção
Quando o pistão se desloca para a esquerda, a pressão no cilindro se reduz, a válvula de retenção na linha de sucção se abre e o líquido entra.
Quando o pistão chega ao final do cilindro, o movimento se inverte e o pistão se desloca para a direita. Aumenta a pressão no cilindro e a válvula de admissão fecha. A pressão aumenta e a válvula de descarga se abre e o líquido sai pressurizado.
· Bombas de diafragma
Funcionam como bombas de pistão. O movimento é alternativo e provocado por um elemento flexível de metal, borracha ou plástico. É adequada para fluídos tóxicos e corrosivos pois se elimina o contato do líquido com os selos mecânicos.
· Bombas rotativas
Na figura abaixo pode-se observar o princípio de funcionamento das bombas rotativas. Dentre as bombas rotativas, a de lóbulos é a mais amplamente usada na indústria de alimentos.
· Bombas Sanitárias
As bombas sanitárias são especificamente projetadas para manusear alimentos. Consequentemente devem preencher uma série de requisitos para serem adequadas: 
· Acabamento liso.
· Altamente resistentes à corrosão
· Facilmente desmontáveis para limpeza
· Não provocam a formação de espuma
· O sistema de lubrificação não deve contaminar o alimento
· O atrito entre as partes internas deve ser mínimo para não haver incorporação de elementos metálicos no alimento
O desenho mecânico das superfícies deve apresentar curvas suaves, sem espaços mortos, nos quais o alimento possa acumular-se.
O sistema de selo mecânico deve vedar a carcaça.
Condições ótimas de utilização das bombas
Todas as bombas têm condições ótimas de utilização, ou seja, são mais adequadas para um determinado tipo de fluido, em uma faixa de pressão e a uma dada vazão volumétrica.
As bombas centrífugas são construídas de modo a fornecerem uma ampla faixa de vazões, desde uns poucos 1/min até 3.104 l/min. Mas a faixa de operação de uma bomba é estreita. As pressões de descarga podem atingir até dezenas de mca. Elas trabalham com líquidos límpidos, líquidos com sólidos inclusive abrasivos e corrosivos ou frágeis, desde que o líquido não seja muito viscoso (40 cP ou 400 centiStokes de viscosidade cinemática).
1 Stoke = 100 centiStokes = 1 cm2/s = 0.0001 m2/s).
As bombas alternativas de pistão só podem ser utilizadas para deslocamento de fluidos clarificados e limpos, não podendo manusear fluidos abrasivos. São utilizadas para altas pressões, que somente são alcançadas para esses tipos de bombas, porém fornecem baixas vazões.
Por outro lado, as bombas de diafragma e as peristálticas são específicas para líquidos corrosivos, soluções alcalinas, polpas, líquidos biológicos, dosagem de volumes, etc..
As bombas rotativas são especificamente indicadas para fluidos viscosos, porém não abrasivos. Por isso são usadas,especialmente, com sucos concentrados, chocolate e geléias.
Promovem as trocas entre as energias mecânicas e hidráulicas:
Turbinas 🡪 recebem energia hidráulica,via de regra de quedas d’água e transforma em energia mecânica.
Bombas 🡪 recebem energia mecânica de motores e transforma em energia hidráulica
Descrição e condições gerais de instalação de turbinas
São constituídas, basicamente de:
1. Distribuidor: orienta a água até o rotor e regula a vazão turbinada;
2. Rotor: peça dotada de um eixo sobre a qual estão dispostas pás. Nestas, a água provoca rotação, movimentando o eixo, gerando a potência do gerador
Onde elas são aplicadas?
Em instalações como as hidroelétricas
Os principais componentes são:
· Barragem;
· Tomada d’água;
· Conduto forçado;
· Casa de força;
· Canal ou túnel de fuga
Descrição e condições gerais de instalação de bombas
Classificação
Quanto ao processo de transformação de energia no interior
· Bombas volumétricas
· Turbobombas
	Mais utilizadas 🡪 dotadas de uma par móvel (rotor), que se movimentam dentro da carcaça
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Quanto à trajetória da água no rotor
· radiais ou centrífugas 🡪 trajetória normal ao eixo
· axiais 🡪 segundo o eixo mistas
Quanto ao no de rotores sobre o mesmo eixo
· Simples estágio
· Múltiplos estágios
As turbobombas podem
· admitir o líquido por um lado do rotor (sucção simples)
· Por dois lados do rotor (dupla)
O eixo entre a bomba e o rotor pode estar na posição
horizontal (custo menor) ou vertical (Hs menor)	
 O rotor cede energia cinética ao fluido 🡪 desloca suas partículas para a extremidade periférica do rotor (força centrífuga)
 Cria-se uma zona de pressão baixa e uma zona de pressão alta.
 As partículas são comprimidas entre as pás e a face interna
do rotor 🡪 energia de pressão.
 Isto é reforçado pelo alargamento da área de escoamento e de características construtivas.
Instalação elevatória típica~
Componentes
· Válvula de pé: impedir o retorno do líquido 🡪 bomba não trabalhar a seco
· Crivo: tem a finalidade de impedir a entrada de partículas sólidas;
· Redução excêntrica: evitar o acúmulo de bolhas de ar na seção de entrada da bomba;
· Motor de acionamento: fornecer energia mecânica às bombas;
· Bomba: adicionar energia ao escoamento da água
· Válvula de retenção: proteção contra o retorno da água e manutenção da coluna líquida na parada do motor;
· Válvula ou registro: logo após à válvula de retenção, visando à manutenção desta e o controle da vazão 🡪 mais utilizado é o de gaveta
Quando o eixo da bomba está acima do nível da água do poço de sucção 🡪 sucção positiva. Caso contrário, sucção negativa ou afogada
Parâmetros hidráulicos de uma instalação de recalque
Altura manométrica 🡪 energia de saída da bomba menos a energia de entrada.
Aplicando Bernoulli entre 2 pontos que contém uma bomba 🡪 E1 + Hm = E2
 Se os 2 pontos estiverem à patm (como no caso de 2 reservatórios)e se a diferença de carga cinética for desprezível ...
Hs 🡪 altura manométrica de sucção
Hr 🡪 altura manométrica de recalque
hs 🡪 altura geométrica de sucçãohs 🡪 altura geométrica de recalque
ΔHs 🡪 perda de carga na sucção
ΔHr 🡪 perda de carga no recalque
Potência e rendimento do conjunto elevatório
Potência hidráulica (W) 🡪 trabalho realizado sobre o líquido ao passar pela bomba em 1 segundo
Potência hidráulica (cv)
PH = γQHm/75
γ = 1000 kgf/m3
γ = 9810 N/m3
Fonte de energia 🡪 potência para o motor, com rendimento ηM 🡪 potência para a bomba menor que a da energia
Bomba com rendimento ηB 🡪 diminui a potência que ela recebe do motor
varia bastante, estando normalmente entre 30% e 90%
Perdas na bomba 🡪 asperezas da superfície interna, recirculação do líquido no seu interior, vazamentos em junções, atrito entre suas partes, energia dissipada no atrito entre o fluido e a bomba
	
Na prática, adota-se ainda uma folga para os motores elétricos
50% para bombas até 2 HP
30% para bombas de 2 a 5 HP
20% para bombas de 5 a 10 HP
15% para bombas de 10 a 20 HP
10% para bombas acima de 20 HP
Dimensionamento econômico da tubulação
Determinação da tubulação de recalque 🡪 realizada segundo um critério econômico, considerando não somente a tubulação, mas todo o conjunto elevatório.
Diâmetro mais conveniente 🡪 menor custo total das instalações 🡪 diâmetro econômico
Operação de múltiplas bombas centrífugas
Quando não é possível suprir as exigências somente com 1 bomba 🡪 associação em série ou em paralelo
Razões técnicas: desnível elevado 🡪 rotor de grande D e alta rotação 🡪 acelerações centrífugas altas e dificuldades na especificação de materiais
 Razões econômicas: custo de 2 bombas menores é inferior ao de 1 bomba maior para fazer o mesmo serviço.
Bombas em paralelo e bombas em série
PARALELO
Para o caso em que uma bomba somente não atende à elevatória
ou quando se deseja aumentar a capacidade do sistema por partes.
CC obtida adicionando as abscissas Q das curvas características de cada bomba
SERIE
Mais interessante para vencer uma altura manométrica muito elevada
CAVITAÇÃO
Cavitação 🡪 formação de cavas no líquido devido ao abaixamento da pressão até a pressão de vapor 
Se pabs ≤ pvapor 🡪 parte do líquido se vaporiza se a pressão interna na bolha é maior que a externa 🡪 aumento da bolha 🡪 obstrução
Se a bolha passa por um ponto onda a pressão externa volta a ser maior 🡪 implosão da bolha 🡪 poderá a haver danos na parede da tubulação Avaliações das condições de cavitação
MARGEM DE SEGURANÇA
Para que não haja cavitação
NPSHd ≥ NPSHr
Na prática, adota-se uma margem de segurança
O escoamento real é muito mais complexo do que aquele no qual se aplica a equação de Bernoulli
Recomenda-se uma folga de, pelo menos, 0,5 m entre NPSHd e NPSHr (PORTO, 1999) BAPTISTA E LARA (2003) recomendam:
Mínimo de 0,6m 20% do valor teórico
Medidas para evitar entrada de bolhas
MÁQUINAS HIDRÁULICAS
1 – INTRODUÇÃO AO ESTUDO DAS MÁQUINAS DE FLUXO
( BOMBAS, TURBINAS, VENTILADORES)
· As máquinas que fornecem ou extraem energia de um fluído de modo contínuo, sob a forma de um conjugado de um eixo rotativo, são denominados máquinas de fluxo.
· As máquinas de fluxo podem ser classificadas segundo vários critérios.
· Citamos dois:
a) Conforme o sentido da transformação de energia.
a1) O fluído cede energia à máquina, que transforma esta energia em
trabalho mecânico – MÁQUINA MOTORA
Ex.: turbinas, moinhos de vento, etc
a2) A máquina cede energia ao fluído, resultando um aumento de energia do fluído – MÁQUINA GERADORA
Ex.: bombas, ventiladores.
CLASSIFICAÇÃO DAS MH
b) Conforme direção do escoamento ( fig. 2 )
b1) RADIAIS: o escoamento é predominantemente radialEx.: bombas centrífugas
b2) MISTAS: o escoamento é dito diagonal, isto é, parte axial e parte radial.
Ex.: turbina Francis.
b3) AXIAIS: o escoamento é axial.
Ex.: ventiladores axiais, turbina hélices ou Kaplan.
b4) TANGENCIAS: o escoamento é tangencial.
Ex.: turbina Pelton
Av. Victor Barreto, 2288 - 92010-000 - Canoas/RS - CNPJ 92.741.990/0040-43 - Fone: (51) 3476.8500 - Fax: (51) 3472.3511 - www.unilasalle.edu.br
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