RESUMO BOMBAS, COMPRESSORES E TURBINAS

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BOMBAS, COMPRESSORES E TURBINAS
Podemos definir uma máquina de fluxo como um dispositivo que realiza trabalho sobre um
fluido ou extrai trabalho (ou potência) de um fluido. Máquinas hidráulicas são dispositivos
que promovem as trocas entre energia mecânica e hidráulica. Elas se dividem em duas
grandes categorias:
● Turbinas: recebem energia hidráulica e a transformam em energia mecânica. Ex.:
turbinas utilizadas em quedas d'água;
● Bombas: transformam energia mecânica em energia hidráulica. Estes dispositivos
possibilitam o transporte e elevação de fluidos a grandes distâncias e alturas.
TURBINAS
Constituídas basicamente de dois componentes:
● Rotor: componente dotado de um eixo sobre o qual estão dispostas pás;
● Distribuidor: orienta a água até o rotor e regula a vazão turbinada;
● Ou seja, a água proveniente de um distribuidor atua sobre as pás, causando uma
rotação e, consequentemente, movimento de eixo e geração de potência.
Classificação:
● Turbinas de ação: o jato d'água incide livremente nas pás, por meio de um
distribuidor em forma de bocal, sob ação única de energia cinética. Ex.: T. Pelton;
● Turbinas de reação: o escoamento junto ao rotor é realizado sob diferença de
pressão, sendo parte da energia do líquido transformada em energia cinética ainda
no distribuidor. Ex.: turbinas Francis e Kaplan.
Outra classificação em relação à trajetória da água no rotor:
● Radial: água entra no rotor segundo o raio e sai na direção do eixo. Ex.: T. Francis;
● Tangencial: A incidência do jato no rotor é tangencial. Ex.: turbina Pelton;
● Axial: A água que circula sobre o rotor tem, aproximadamente, a direção do eixo.
Ex: turbina Kaplan.
BOMBAS
O modo como é realizada a transformação do trabalho em energia hidráulica e o recurso
para cedê-la ao líquido aumentando sua pressão e/ou velocidade permitem classificar as
bombas em:
● Bombas de deslocamento positivo ou volumógenas;
● Turbobombas ou hidrodinâmicas ou rotodinâmicas ou dinâmicas;
● Bombas especiais.
Bombas de Deslocamento Positivo
As máquinas de deslocamento positivo são aquelas em que a transferência de energia é
realizada através de variações de volume que acontecem devido ao movimento da
fronteira na qual o fluido está confinado. Neste caso o movimento de um órgão propulsor
fornece energia de pressão ao fluido, gerando o seu escoamento. O fluido está restrito em
uma das câmaras formadas entre o elemento de propulsão e a carcaça da máquina.
● As bombas de deslocamento positivo são aquelas em que a
energia é fornecida ao líquido diretamente em forma de pressão.
● Possuem uma ou mais câmaras, em cujo interior o
movimento de um órgão propulsor comunica energia de pressão ao
líquido, provocando o seu escoamento;
● Uma partícula líquida em contato com o órgão que comunica
a energia tem aproximadamente a mesma trajetória que a do ponto
do órgão com o qual está em contato, exceto nos trechos de
concordância inicial e final.
As bombas de deslocamento positivo podem ser:
● Alternativas: o líquido recebe a ação das forças diretamente de um pistão ou
êmbolo ou de uma membrana flexível.
● Rotativas: o líquido recebe a ação das forças por meio de um ou mais elementos
rotativos. A sua principal aplicação é no bombeamento de líquidos viscosos.
Turbobombas
São máquinas caracterizadas por
possuírem um órgão rotatório
dotado de pás, chamado rotor, que
exerce sobre o líquido forças que
resultam da aceleração que lhe
imprime. Essa aceleração, ao
contrário das bombas de
deslocamento positivo, não possui a
mesma direção e sentido do
movimento do líquido em contato
com as pás. A descarga gerada
depende das características da
bomba, do número de rotações e
das características do sistema de
encanamento.
A rotação do rotor da bomba dotado de pás ou hélices faz com que, ao receber o fluido pelo
seu centro, o descarregue pela periferia do rotor pela ação da força centrífuga. Ao projetar
as pás de um rotor sempre deve-se utilizar um número de Reynolds elevado.
As turbobombas necessitam de um elemento denominado difusor, onde é realizada a
transformação da maior parte da elevada energia cinética com que o líquido sai do rotor, em
energia de pressão. Isso é realizado devido ao decréscimo de velocidade e aumento de
pressão que ocorre em um difusor.
As turbobombas podem ser classificadas de acordo com a trajetória do líquido no rotor em:
● Bomba centrífuga pura ou radial;
● Bomba axial ou propulsora;
● Bomba de fluxo misto ou bomba diagonal
Bomba Centrífuga Pura ou Radial
Nesse tipo de bomba, o líquido penetra no rotor paralelamente ao eixo, sendo dirigido pelas
pás, cilíndricas de simples curvatura, para a periferia segundo trajetórias contidas em
planos normais ao eixo. As trajetórias são, portanto, curvas praticamente planas contidas
em planos radiais.
Quando se utiliza superfície de dupla curvatura na região inicial das pás, a transição das
trajetórias de axial para radial é mais suave, sem provocar choques nem turbulências
excessivas.
Quando se trata de descargas grandes e pequenas alturas de elevação, possuem um
rendimento baixo. Contudo, são largamente utilizadas
PARÂMETROS UTILIZADOS EM ANÁLISES DE ENERGIA
A operação de bombeamento consiste em fornecer energia ao fluido para que ele consiga
executar o trabalho representado pelo deslocamento de seu peso entre duas posições,
vencendo as resistências que se apresentarem no caminho.
ASSOCIAÇÃO DE BOMBAS
O conjunto de pontos em
que a bomba é capaz de
operar constitui a sua faixa
de operação. As informações
contidas nessas curvas são
fundamentais no processo
de seleção de uma bomba.
Como observado, a potência
na bomba centrífuga cresce
com o aumento da vazão.
Por isso recomenda-se que
a partida dos motores que
acionam as bombas se faça
com registro de aspiração
fechado, quando a vazão é
nula e a potência necessária
ao acionamento é mínima.
As exigências de instalações de bombeamento são muito variadas em termos de vazão e
altura manométrica e nem sempre é possível encontrar essas características em uma
bomba. Dessa forma, utiliza-se uma associação de bombas em paralelo ou em série.
Bombas em Paralelo
Essa associação é utilizada quando uma
bomba somente não atende à elevatória
em termos de vazão ou quando se deseja
aumentar a capacidade do sistema por
partes. A curva característica do sistema
resultante da associação em paralelo é
obtida adicionando as abcissas (Q) das
curvas características de cada bomba,
para uma mesma altura manométrica.
É recomendado a utilização de duas
bombas iguais de modo a se evitar a
recirculação de corrente da bomba de maior potência para a de menor potência.
Bombas em Série
Essa associação é utilizada quando
se quer vencer uma altura
manométrica muito elevada. A
curva resultante deste tipo de
associação é obtida somando as
ordenadas (H) das curvas
características de cada bomba, para
uma mesma vazão. O seu principal
objetivo é a obtenção de cargas
manométricas maiores.
Cavitação: É o processo de vaporização do fluido quando a pressão absoluta se reduz até
a pressão de vaporização do líquido aspirado na temperatura que se encontra. Dessa
forma, se a pressão absoluta do líquido em algum ponto da instalação atingir valor igual ou
inferior à pressão de vapor do líquido, na temperatura do líquido em escoamento, parte
deste se vaporiza, formando bolhas.
● Provoca diversos problemas, quando as bolhas geradas se deslocam para região de
maior pressão: Corrosão do interior da bomba; • Remoção de partes do rotor e da
tubulação de entrada da bomba; • Redução de rendimento; • Aumento de trepidação
e vibração da bomba; • Gera ruídos e erosão devido a implosão das bolhas.
● Para que não ocorra a cavitação a energia total na entrada na bomba deve ser maior
que a energia de vaporização.
● NPSH (Net Positive Suction Head): indica a altura positiva líquida de aspiração
que é a energia disponível pelo sistema necessária para se evitar a cavitação.
● Causada pela baixa pressão e alta vazão e a existência de altura negativa de
sucção. Assim quanto maior for a vazão da bombae altura de sucção (altura entre a
entrada da bomba e a ponta do tubo de sucção) menor será o NPSHr.
● NPSH Disponível (NPSHd): referente à pressão absoluta exercida pelo sistema na
entrada da bomba;
● NPSH Requerido (NPSHr): sendo a pressão mínima exigida na entrada da bomba
para evitar a cavitação.
COMPRESSORES
Máquinas operatrizes projetadas para realizar o aumento da pressão de um gás, através da
transferência de energia em forma de trabalho para o fluido.
Quatro parâmetros são muito importantes para a caracterização do sistema ou processo no
qual este está inserido que são:
● Pressão de sucção: pressão do gás na entrada do compressor;
● Temperatura de sucção: temperatura que o gás se encontra na entrada do
compressor;
● Composição do gás: sua natureza e massa molecular;
● Pressão de descarga: pressão do gás na saída do compressor.
Os compressores são classificados em dois grandes grupos que são:
● Compressores volumétricos ou de deslocamento positivo;
● Compressores dinâmicos.
Os compressores volumétricos ou de deslocamento positivo são aqueles possuem
apenas um sentido para escoamento do fluido, a elevação de pressão é atingida por meio
da redução do volume ocupado pelo gás e pode ser alcançada por meio de duas maneiras
diferentes de operação que são por ciclo de funcionamento ou por escoamento contínuo.
Os compressores dinâmicos ou turbocompressores realizam a compressão do gás por
meio de palhetas ou de impulsores rotativos (rotores ou impelidores) que imprimem
velocidade e pressão ao gás. São indicados para movimentação de grande volume de gás e
operam em alta rotação.
Como nas bombas a trajetória do fluxo do fluido em relação ao rotor dos turbocompressores
os classifica em compressores centrífugos (radiais) e compressores axiais.
Turbinas a Gás
São máquinas dinâmicas em que o fluido de trabalho se desloca de maneira contínua em
sistema rotativo de pás (rotor) de onde é fornecido ou absorvida energia. Também define-se
turbomáquinas térmicas como aquelas em que o fluido utilizado é compressível, não
podendo ser desprezada a sua compressibilidade.
● Quando se fornece energia ao rotor estamos falando das turbinas. Quando se
absorve energia do rotor estamos tratando dos compressores;
● Uma das principais características das turbomáquinas é a alta velocidade que o
fluido de trabalho pode atingir;
● Na modelagem de turbinas a vapor e a gás, a energia potencial líquida da matéria
em escoamento normalmente é desprezível.
● Uma turbina a gás é uma máquina térmica que utiliza o ar como fluido motriz. O ar
que atravessa a turbina deve ser acelerado, ou seja, sua velocidade ou energia
cinética é aumentada. Para isso, primeiramente a pressão do ar é aumentada e na
sequência é adicionado calor.
● Os bocais de admissão para a tomada de ar são normalmente dotados de filtros e
podem conter sistema de resfriamento.
● O compressor de ar de uma turbina a gás pode ser centrífugo ou axial. Usualmente
apresentam vários estágios permitindo a instalação de resfriadores intermediários
para resfriar o ar entre uma compressão e outra, melhorando o rendimento.
○ Normalmente os compressores axiais apresentam um maior rendimento do
que o compressor centrífugo.
● A câmara de combustão pode ser simples ou múltipla. Câmaras múltiplas são
sempre tubulares. Já as câmaras simples podem ser tubulares ou anulares.
● A turbina propriamente dita pode ser do tipo axial ou radial. Transforma a energia
dos produtos de combustão em trabalho mecânico de eixo por meio da expansão
dos gases. São similares às turbinas a vapor e podem ser de ação ou reação.
● O bocal de exaustão é por onde os produtos da combustão deixam a turbina. Em
alguns casos um regenerador (trocador de calor) é instalado para aproveitar o calor
contido nos gases de escape e pré-aquecer o ar comprimido que sai do compressor
antes da sua combustão, visando um aumento da eficiência.
Turbinas a vapor
Dispositivo mecânico que transforma energia do vapor pressurizado em trabalho mecânico.
Normalmente as turbinas térmicas são utilizadas em sistemas industriais, com vapor
disponível, para a cogeração de energia elétrica. Nesses sistemas ocorre a transformação
da energia do vapor em energia elétrica e três etapas que são:
● Transformação da energia térmica do vapor em energia cinética;
● Transformação da energia cinética em energia mecânica;
● Transformação de energia mecânica em energia elétrica por meio de um gerador;
Além dessa aplicação, elas podem ser utilizadas para propulsão de navios e submarinos e
também acionamento de máquinas em geral. Como características gerais as turbinas a
vapor apresentam movimento contínuo, torque constante, capacidade de regulagem da
velocidade e vida útil longa.
● As turbinas de ação, utilizam uma ou mais boquilhas para que o vapor passe por
um processo isoentrópico de ganho de velocidade.
● Turbina de reação a pressão entre as diretrizes e as pás do rotor é maior que a
pressão de saída do mesmo. Ao passar pelas pás do rotor ocorre a queda de
pressão (expansão) do vapor.
● Nas turbinas radiais o vapor se dirige de dentro para fora radialmente, por meio de
canais formados por palhetas móveis dispostas axialmente.
● As turbinas a vapor axiais são usadas para maiores capacidades e vazões de
vapor e produzem eficiências mais elevadas que as turbinas radiais.
● Em um ciclo ideal de turbina a vapor, a geração de potência ocorre em um processo
de expansão à entropia constante desde o estado de vapor de água saturado, na
entrada da turbina, até o estado de mistura vapor/líquido, na saída da turbina.
● Os labirintos, são peças metálicas circulantes com ranhuras existentes nos locais
onde o eixo sai do interior da máquina atravessando a carcaça. Sua função é evitar
a saída de vapor para o exterior nas turbinas não condensantes e não permitir a
entrada de ar para o interior nas turbinas condensantes. Esta vedação é chamada
de selagem externa.
QUESTÕES
Assertiva: Em uma instalação de bombeamento, se, em vez de uma única bomba
centrífuga, forem usadas duas bombas menores em paralelo, o risco de cavitação se
reduzirá.
● CORRETO, mantendo-se os diâmetros dos dutos, as vazões cada uma das bombas
será metade da vazão original, assim as velocidades de escoamento serão
reduzidas pela metade, aumentando a pressão. O aumento de pressão contribui
para evitar que a pressão do fluido atinja a pressão de vaporização, também
contribui para a diminuição da perda de carga na tubulação, aumentando o NPSHd
que reduz o risco de cavitação.
Acerca do funcionamento de bombas centrífugas e suas associações, assinale a opção
correta.
● A) Na impossibilidade de atendimento da vazão requerida, indica-se a associação
das bombas hidráulicas em série.
○ Errado, indica-se a associação em paralelo para aumentar a vazão
requerida.
● B) A associação de duas bombas idênticas em paralelo provoca um aumento da
altura manométrica total no sistema quando comparado ao funcionamento de uma
bomba isolada.
○ Correto. A associação em paralelo tem o objetivo principal de aumentar a
vazão. Porém, ao associar 2 bombas em paralelo, ocorre também o aumento
da altura manométrica total quando comparado ao funcionamento de uma
bomba isolada.
● C) Efeitos de cavitação são evitados ao se respeitar a relação NPSHr > NPSHd.
○ Errado. Efeitos de cavitação são evitados se NPSHd ≥ NPSHr
● D) O rendimento hidráulico de uma bomba centrífuga
aumenta na mesma proporção da vazão bombeada.
● Errado. A curva do rendimento é representada por
uma curva com boca para baixo. Ela não é proporcional à
vazão bombeada pois o rendimento aumenta até um
determinado ponto e, depois, decresce.
● E) Na associação de n bombas idênticas em paralelo, a vazão no sistema é igual a n
vezes a vazão de uma única bomba.
● Errado. A vazão não é proporcional ao número de bombas. A resistência adicional
da tubulação associada às novas bombas que são adicionadas no sistema causa
redução na vazão, ou seja, ao adicionar uma bomba ao sistema de bombas em
paralelo, o acréscimo na vazão seráinferior à vazão da bomba quando trabalhando
individualmente.