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Disciplina Hidráulica Geral Unidade Bombas Hidráulicas Conteudista: Prof.ª M.ª Luciana Vasques Correia da Silva Objetivo da Unidade: • Apresentar os principais conceitos que envolvem o dimensiona- mento das perdas de energia em um sistema de recalque, abordando as características de dimensionamento das bombas hidráulicas. Hidráulica Geral Bombas Hidráulicas 2 Introdução As bombas hidráulicas desempenham um papel fundamental em uma grande variedade de aplicações industriais, comerciais e até mesmo domésticas. Sua importância está relacionada à capacidade de converter energia mecânica em energia hidráulica, possibilitando o transporte e o controle eficiente de fluidos em sistemas hidráulicos. Desde o fornecimento de água potável e irrigação agrí- cola até a operação de equipamentos pesados em indústrias, as bombas hidráu- licas são essenciais para garantir o funcionamento de uma forma eficaz vários processos e atividades. Além disso, sua versatilidade e eficiência tornam-nas imprescindíveis em setores tão diversos quanto construção civil, mineração, agricultura, energia, transporte e muitos outros (AZEVEDO NETO, 2015). Bombas Hidráulicas A instalação de uma bomba hidráulica se faz necessária sempre que houver a ne- cessidade de aumentar a pressão, fornecer um suprimento adequado de água, elevar o fluido ou fornecer a energia necessária para movimentar cargas em um sistema hidráulico. Resumindo, as bombas hidráulicas transformam energia mecânica em energia hidráulica, isto é, as bombas transferem a energia para o fluido e assim ocorre o escoamento. Simplificando, as bombas hidráulicas for- necem energia necessária para que o escoamento ocorra. Vídeo Parafuso de Arquimedes e Geração de Energia. Para saber mais acesse o link: https://youtu.be/eP3vnZRMpHc Hidráulica Geral Bombas Hidráulicas 3 As instalações de bombeamento de uma forma geral possuem o sistema de suc- ção, o sistema de bombeamento e o sistema de recalque, conforme Figura 1: Figura 1 – Instalação de Recalque Fonte: Reprodução #ParaTodosVerem: a imagem mostra um esquema de dois reservatórios de água conectados por uma bomba hidráulica. O reservatório da esquerda é chamado de “Reservatório de Suc- ção”, enquanto o da direita é chamado de “Reservatório de Recalque”. Fim da descrição. Reservatório de Sucção: fica à esquerda da imagem. Há uma linha horizontal azul representando o “Nível d'Água”, que está preenchendo parcialmente o re- servatório. Este reservatório é de onde a água será puxada pela bomba. Bomba hidráulica: está posicionada no centro da imagem, entre os dois reserva- tórios, conectada por tubos a ambos. A bomba puxa a água do “Reservatório de Sucção” e a envia para o “Reservatório de Recalque”. Hidráulica Geral Bombas Hidráulicas 4 Reservatório de recalque: fica à direita da imagem. Também tem uma linha ho- rizontal azul indicando o “Nível d'Água”. A função deste reservatório é armaze- nar a água que foi bombeada. O sistema como um todo representa uma estação de bombeamento, onde a água é transferida do reservatório de sucção para o de recalque através da ação da bomba hidráulica. O sistema de sucção de uma instalação de bombeamento é formado pelos se- guintes componentes: • Tubulações de sucção; • Reservatório de sucção; • Válvula de retenção; • Registros; • Curvas; • Reduções; • Válvula de pé com crivo. O sistema de recalque de uma instalação de bombeamento é formado pelos se- guintes componentes: • Tubulações de recalque; • Reservatório de recalque; • Válvula de retenção; • Válvula de alívio; • Registros; • Curvas. Hidráulica Geral Bombas Hidráulicas 5 Energia do Sistema de Bombeamento A energia gerada pela bomba é transferida para o fluido, que deve atender à perda de energia total, isto é, perda de energia distribuída (∆Hdist) + perda de energia localizada (∆Hloc). Além de atender o aumento de energia potencial, a energia gravitacional e de pressão do fluido, e ainda fornecer energia cinética necessária para o escoamento. A soma dessas energias é chamada de Altura ou Energia de Total de Bombea- mento. O tipo de bomba hidráulica muito utilizado nas instalações hidráulicas de recal- que são as bombas hidrodinâmicas. Na bomba hidrodinâmica, a energia é fornecida pelo rotor na forma de energia cinética e de pressão, e as classificações das bombas hidrodinâmicas em função da trajetória do líquido no eixo do rotor são: • Bombas Radiais ou Centrífugas: o líquido chega ao rotor em uma trajetó- ria paralela ao eixo e, na saída do rotor, a trajetória é radial ao eixo; • Bombas Axiais: o líquido mantém uma trajetória paralela ao eixo do rotor, na entrada e na saída; • Bombas Diagonais ou de Fluxo Misto: o líquido chega ao rotor com uma trajetória paralela ao eixo e uma trajetória intermediária entre radial e axial na saída. Vídeo Definições Importantes sobre Tipos de Bombas Hidráulicas: Acesse o link. Hidráulica Geral Bombas Hidráulicas 6 As bombas hidráulicas também podem ser classificadas quanto ao tipo de insta- lação, como bomba afogada, não afogada e submersa (Figura 2, 3 e 4): • Bomba Afogada: o eixo da bomba está abaixo do nível da água do reser- vatório de sucção, dispensando o escorvamento (expulsar o ar), neste caso considerar a altura de sucção negativa; • Bomba não Afogada: a bomba está acima do nível da água do reservatório de sucção, sendo necessário o escorvamento, neste caso a altura de sucção positiva; • Bomba Submersa: o motor pode estar acima da água ou todo o conjunto motobomba está submerso. Figura 2 – Sistema de Sucção – Bomba Afogada Fonte: Adaptada de PELEGRINO, 2019 #ParaTodosVerem: a imagem mostra um esquema de um sistema de bombeamento com uma bomba afogada e um reservatório de água de sucção. Esse tipo de bomba é chamado de “afogada” porque está posicionada abaixo do nível da água do reservatório, garantindo que a bomba esteja sempre cheia de líquido e pronta para operar. Hidráulica Geral Bombas Hidráulicas 7 • Reservatório de Sucção: fica à esquerda da imagem e está representado como um recipiente retangular preenchido parcialmente com água, indicado por uma área azul. A parte superior do reservatório está aberta. A linha azul que indica o nível da água está acima da bomba, mostrando que a bomba fica submersa em relação ao ní- vel da água; • Bomba Afogada: localizada à direita e abaixo do reservatório. A bomba está conec- tada ao reservatório por um tubo inclinado que permite a passagem de água. Como o nível de água do reservatório está acima da bomba, isso cria uma situação de “sucção afogada”, onde a gravidade ajuda o fluxo de água para a bomba sem neces- sidade de puxar o líquido; • Altura da Sucção Negativa: uma seta vertical do lado esquerdo da imagem indica a “Altura da Sucção Negativa”, que é a diferença de altura entre o nível da água no reservatório e a posição da bomba. Essa diferença de altura é o que permite o funci- onamento eficiente da bomba afogada. O tubo de saída da bomba é mostrado à direita, estendendo-se para fora da imagem, indi- cando que a água será transportada para outro destino após ser bombeada. A “sucção nega- tiva” faz com que o líquido flua naturalmente até a bomba devido à pressão atmosférica e à gravidade. Fim da descrição. Hidráulica Geral Bombas Hidráulicas 8 Figura 3 – Sistema de Sucção – Bomba Não Afogada Fonte: Adaptada de PELEGRINO, 2019 #ParaTodosVerem: a imagem ilustra um sistema de bombeamento com uma bomba não afogada e um reservatório de água de sucção. Nesse tipo de configuração, a bomba está po- sicionada acima do nível da água do reservatório, o que exige que ela “puxe” a água para iniciar o bombeamento, diferente da bomba afogada. • Reservatório de Sucção: o reservatório está localizado à esquerda da imagem, com uma área retangularpreenchida parcialmente com água, indicada pela cor azul. A linha azul dentro do reservatório representa o nível da água, que está abaixo da po- sição da bomba; • Bomba Não Afogada: localizada à direita e acima do nível da água do reservatório. A bomba está conectada ao reservatório por um tubo inclinado que desce até o fundo do reservatório. Como a bomba está acima do nível da água, ela precisa vencer a al- tura da sucção para iniciar o bombeamento, ou seja, precisa puxar a água através de uma pressão negativa; • Altura da Sucção Positiva: à esquerda da imagem, há uma seta vertical indicando a “Altura da Sucção Positiva”, que representa a diferença de altura entre o nível da Hidráulica Geral Bombas Hidráulicas 9 água no reservatório e a posição da bomba. Essa altura deve ser vencida pela bomba para que o fluxo de água seja iniciado. O tubo de saída da bomba está à direita e inclinado para fora da imagem, sugerindo que a água bombeada será transportada para outro destino. A expressão “bomba não afogada” refere-se ao fato de que a bomba precisa de preparação para funcionar, já que o reservató- rio não a mantém cheia de líquido o tempo todo, ao contrário de uma bomba afogada. Fim da descrição. Figura 4 – Sistema de Sucção – Bomba Submersa Fonte: Adaptada de PELEGRINO, 2019 #ParaTodosVerem: a imagem mostra dois esquemas de reservatórios de água com bombas hidráulicas submersas. No primeiro esquema, à esquerda, a bomba está submersa na água, enquanto o motor da bomba está acima do nível da água, conectado à bomba por um eixo prolongado. No segundo esquema, à direita, tanto a bomba quanto o motor estão submersos na água. A legenda abaixo da imagem diz “Bomba submersa”. Fim da descrição. Hidráulica Geral Bombas Hidráulicas 10 Dimensionamento da Instalação de Bombeamento Conhecidos a vazão, a localização da fonte de captação da bomba e do ponto de saída da água, para o dimensionamento, pode seguir o roteiro: • Determinar o diâmetro a ser utilizado na sucção e no recalque; • Calcular as perdas de carga na sucção e no recalque; • Calcular a altura manométrica total; • Calcular a potência do conjunto motobomba; • Escolher a bomba e do motor. Este roteiro facilita o dimensionamento e evita o superdimensionamento das instalações, consequentemente o alto custo da instalação. Para determinar o diâmetro da tubulação de sucção, utiliza-se a equação: • Conjuntos elevatórios com operação 24h/dia (Fórmula de Bresser): 𝑫𝑫𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹 = 𝒌𝒌 ×�𝑸𝑸 Onde: • DRec: diâmetro da tubulação de recalque (m); • K: coeficiente (tabelado) valor usual 1,3; • Q: vazão (m³/s). Conjuntos elevatórios: operação intermitente (Fórmula de Forscheimmer): 𝑫𝑫𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹 = 𝟏𝟏,𝟑𝟑 × �𝑸𝑸 × � 𝒉𝒉 𝟐𝟐𝟐𝟐 𝟐𝟐 Onde: • DRec: diâmetro da tubulação de recalque (m); • Q: vazão (m³/s); Hidráulica Geral Bombas Hidráulicas 11 • h: n.º de horas de funcionamento da bomba (hora/dia). Para determinar o diâmetro da tubulação de sucção, considera-se um diâmetro logo acima do diâmetro de recalque calculado. Provavelmente o diâmetro de recalque calculado não irá coincidir com um valor de diâmetro comercial, portanto, nestes casos, deve-se utilizar o valor comer- cial imediatamente superior ao calculado. Utilizando das fórmulas apresentadas anteriormente, encontram-se diâmetros do sistema de bombeamento de uma forma econômica. A partir desse método, foram determinadas velocidades econômicas relativas a esses diâmetros: • Tubulação de Sucção: V ≤ 1,5 m/s; • Tubulação de Recalque: V ≤ 2,5 m/s. Com base nesses dados, pode-se utilizar a Equação da Continuidade para encon- trar o diâmetro econômico: 𝑫𝑫 = �𝟐𝟐 × 𝑸𝑸 𝝅𝝅 × 𝑽𝑽 Onde: • D: diâmetro da tubulação (m); • Q: vazão (m³/s); • V: velocidade estabelecida na tubulação (m/s). Site Portal de Periódicos: Acesse o link. Hidráulica Geral Bombas Hidráulicas 12 Calcular Perda de Carga na Sucção e Recalque Analisando um escoamento em conduto forçado entre duas seções, verifica-se que o fluido perde energia durante o deslocamento e também quando muda de direção. A perda de energia ou perda de carga (ΔH) entre duas seções ocorre devido à re- sistência que o fluido oferece ao escoamento no conduto, e este termo é acres- cido na Equação de Bernoulli: 𝑷𝑷𝟏𝟏 𝜸𝜸 + 𝑽𝑽𝟏𝟏𝟐𝟐 𝟐𝟐𝒈𝒈 + 𝒛𝒛𝟏𝟏 = 𝑷𝑷𝟐𝟐 𝜸𝜸 + 𝑽𝑽𝟐𝟐𝟐𝟐 𝟐𝟐𝒈𝒈 + 𝒛𝒛𝟐𝟐 + ∆𝑯𝑯𝟏𝟏−𝟐𝟐 A perda de carga em um escoamento pode ser classificada em: • Perda de Carga Distribuída ou Contínua (∆Hdist): consequência do atrito do próprio fluido ao longo da tubulação e com a rugosidade do tubo; • Perda de Carga Localizada ou Singular (∆Hlocal): devido às singulari- dades instaladas na tubulação. Portanto, a perda de energia total em um escoamento com ou sem bomba pode ser entendida como: 𝜟𝜟𝑯𝑯 = �∆𝑯𝑯𝒅𝒅𝒅𝒅𝒅𝒅𝒅𝒅 + �∆𝑯𝑯𝒍𝒍𝒍𝒍𝑹𝑹𝒍𝒍𝒍𝒍 Para calcular a Perda de Carga Distribuída, a fórmula mais utilizada é a Fórmula Universal: ∆𝑯𝑯 = 𝟎𝟎,𝟎𝟎𝟎𝟎𝟐𝟐𝟎𝟎 × 𝒇𝒇 𝑸𝑸𝟐𝟐 𝑫𝑫𝟓𝟓 𝑳𝑳 ou ∆𝑯𝑯 = 𝒇𝒇 𝑽𝑽𝟐𝟐 𝑫𝑫𝟐𝟐𝒈𝒈 𝑳𝑳 (m) Onde: • Q: vazão (m³/s); Hidráulica Geral Bombas Hidráulicas 13 • D: diâmetro da tubulação (m); • L: comprimento da tubulação (m); • g: aceleração da gravidade (m/s2). f é o fator de atrito da tubulação que pode ser determinado por: f: Fórmula de Nikuradse f: Diagrama de Moody (mais utilizado), como mostra o Diagrama 1: Figura 5 – Sistema de Sucção – Bomba Submersa Fonte: PORTO, 2001 Para calcular a Perda de Carga Singular, a fórmula mais utilizada é: ∆𝒉𝒉𝒍𝒍𝒍𝒍𝑹𝑹 = ∑𝒌𝒌 𝑽𝑽 𝟐𝟐 𝟐𝟐𝒈𝒈 (m) Onde: • V: velocidade (m/s); • g: aceleração da gravidade (m/s2); • k: coeficiente de perda de carga singular (Tabelado) conforme Tabela 1: Hidráulica Geral Bombas Hidráulicas 14 Tabela 1– Coeficiente de Perda de Carga Singular (k) Peça k Ampliação geral 0,30* Bocais 2,75 Cotovelo 90* (curva de ralo curto) 0,90 Cotovelo 45º 0,40 Crivo 0,75 Curva 90º 0,40 Curva 45º 0,20 Curva 22°30’ 0,50 Entrada normal de canalização 0,10 Junção 0,40 Medidor venturi 2,50** Redução gradual 0,15 Saída de canalização 1,00 Te, saída direta 0,60 Te, saída lateral 1,30 Válvula de gaveta aberta 0,20 Válvula borboleta aberta 0,30 Válvula-de-pé 1,75 Válvula de retenção 2,50 Válvula globo aberta 10,00 *com base na velocidade da menor seção **com base na velocidade da canalização Fonte: AZEVEDO, NETO et al., 2015 #ParaTodosVerem: a Tabela 1, formada por duas colunas, apresenta valores de coeficiente de perda de carga singular (K). Na coluna da esquerda estão descritos em linhas os tipos de Hidráulica Geral Bombas Hidráulicas 15 singularidades. Na coluna da direita estão relacionados os respectivos valores do coeficiente (K) de cada tipo de singularidade. Fim da descrição. Entretanto, existe uma outra forma de se calcular a perda de energia singular chamada de Comprimento Equivalente. Este método considera que cada singularidade possui um comprimento equiva- lente a metros de tubulação, de acordo com o diâmetro e o tipo de material da singularidade, e este valor é fornecido pelos fabricantes, conforme Tabela 2: Hidráulica Geral Bombas Hidráulicas 16 Tabela 2 – Comprimento Equivalente das Singularidades Fonte: Reprodução #ParaTodosVerem: a Tabela 2 é formada por colunas que apresentam valores de compri- mentos de tubos equivalentes às singularidades. Para cada tipo de singularidade e para os variados diâmetros das tubulações, encontram-se os respectivos valores de comprimentos equivalentes às tubulações. Fim da descrição. Hidráulica Geral Bombas Hidráulicas 17 O método do Comprimento Equivalente permite que o cálculo da perda de ener- gia seja feito apenas com a fórmula de perda de carga distribuída, onde serão acrescentados ao comprimentoda tubulação (LTubo), os comprimentos equiva- lentes das singularidades (Lequi) tendo assim um comprimento total (LTotal): 𝐿𝐿𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇 = 𝐿𝐿𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇 + 𝐿𝐿𝐸𝐸𝐸𝐸𝑇𝑇𝐸𝐸(m) Dessa forma, a perda de energia total (distribuída + localizada) pode ser deter- minada pela Equação Universal, acrescida do comprimento equivalente: ∆𝑯𝑯 = 𝟎𝟎,𝟎𝟎𝟎𝟎𝟐𝟐𝟎𝟎 × 𝒇𝒇 𝑸𝑸𝟐𝟐 𝑫𝑫𝟓𝟓 𝑳𝑳𝑻𝑻𝒍𝒍𝒅𝒅𝒍𝒍𝒍𝒍 ou ∆𝑯𝑯 = 𝒇𝒇 𝑽𝑽𝟐𝟐 𝑫𝑫𝟐𝟐𝒈𝒈 𝑳𝑳𝑻𝑻𝒍𝒍𝒅𝒅𝒍𝒍𝒍𝒍(m) Entretanto, ainda se pode fazer uso da Equação de Hazen Williams, conforme apresentada a seguir: ∆𝑯𝑯 = 𝟏𝟏𝟎𝟎,𝟔𝟔𝟐𝟐𝟑𝟑 × 𝑸𝑸𝟏𝟏,𝟎𝟎𝟓𝟓 𝑪𝑪𝟏𝟏,𝟎𝟎𝟓𝟓 ×𝑫𝑫𝟐𝟐,𝟎𝟎𝟎𝟎 𝑳𝑳 Onde: • C: Coeficiente de rugosidade (tabelado); Exemplo de Aplicação: determine a perda de carga de uma tubulação de aço co- mercial (ε = 0,046mm) que transporta água (ᶹ = 1,003x10-6 m²/s). Considere o comprimento da tubulação de 15m, o diâmetro de 13mm e a velocidade da água de 3,5m/s. Solução: 𝑅𝑅𝑹𝑹 = 𝑽𝑽 × 𝑫𝑫 𝝑𝝑 = 𝟑𝟑,𝟓𝟓 × 𝟎𝟎,𝟎𝟎𝟏𝟏𝟑𝟑 𝟏𝟏,𝟎𝟎𝟎𝟎𝟑𝟑 × 𝟏𝟏𝟎𝟎−𝟔𝟔 = 𝟐𝟐𝟓𝟓.𝟑𝟑𝟔𝟔𝟐𝟐 𝒍𝒍𝒐𝒐 𝟐𝟐,𝟓𝟓 × 𝟏𝟏𝟎𝟎𝟐𝟐 → 𝒅𝒅𝒐𝒐𝒕𝒕𝒕𝒕𝒐𝒐𝒍𝒍𝑹𝑹𝒕𝒕𝒅𝒅𝒍𝒍 𝜺𝜺 𝑫𝑫 = 𝟎𝟎,𝟎𝟎𝟐𝟐𝟔𝟔 𝟏𝟏𝟑𝟑 = 𝟎𝟎,𝟎𝟎𝟎𝟎𝟐𝟐 Hidráulica Geral Bombas Hidráulicas 18 Com os valores de Re, 𝜀𝜀𝐷𝐷 faz-se a leitura no Diagrama de Moody do valor do fator de atrito (f) de 0,031. Com este valor, calcula-se a perda de energia pela Equação Universal: ∆𝑯𝑯 = 𝒇𝒇 × 𝑳𝑳 × 𝑽𝑽𝟐𝟐 𝑫𝑫 × 𝟐𝟐𝒈𝒈 = 𝟎𝟎,𝟎𝟎𝟑𝟑𝟏𝟏 × 𝟏𝟏𝟓𝟓 × 𝟑𝟑,𝟓𝟓𝟐𝟐 𝟎𝟎,𝟎𝟎𝟏𝟏𝟑𝟑 × 𝟐𝟐 × 𝟗𝟗,𝟎𝟎𝟏𝟏 ∆𝑯𝑯 = 𝟐𝟐𝟐𝟐,𝟑𝟑 𝒎𝒎𝑹𝑹𝒍𝒍 Obs.: A unidade de medida da perda de carga ou perda de energia (ΔH) é metros de coluna de água (mca) ou simplesmente metros (m). Exemplo de Aplicação: calcule a perda de carga unitária em uma tubulação cuja carga de pressão na seção (1) vale 25mca e na seção (2) vale 17mca. Sabendo que o comprimento total da tubulação é de 34 m, considere V1 = V2. Solução: 𝑷𝑷𝟏𝟏 𝜸𝜸 + 𝑽𝑽𝟏𝟏𝟐𝟐 𝟐𝟐𝒈𝒈 + 𝒛𝒛𝟏𝟏 = 𝑷𝑷𝟏𝟏 𝜸𝜸 + 𝑽𝑽𝟐𝟐𝟐𝟐 𝟐𝟐𝒈𝒈 + 𝒛𝒛𝟐𝟐 + ∆𝑯𝑯𝟏𝟏→𝟐𝟐 𝑽𝑽𝟏𝟏 𝟐𝟐 𝟐𝟐𝒈𝒈 = 𝑽𝑽𝟐𝟐 𝟐𝟐 𝟐𝟐𝒈𝒈 são iguais, portanto, são anuladas. 𝟐𝟐𝟓𝟓 + 𝟎𝟎 = 𝟏𝟏𝟎𝟎 + 𝟓𝟓 + ∆𝑯𝑯𝟏𝟏→𝟐𝟐 ∆𝑯𝑯𝟏𝟏→𝟐𝟐 = 𝟑𝟑 𝒎𝒎𝑹𝑹𝒍𝒍 𝑱𝑱 = ∆𝑯𝑯 𝑳𝑳 𝑱𝑱 = 𝟑𝟑 𝟑𝟑𝟐𝟐 = 𝟎𝟎,𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 𝒎𝒎/𝒎𝒎 Obs.: A perda de energia unitária ou perda de carga unitária (J) representa a quantidade de energia perdida a cada metro de tubulação. Portanto, a unidade de medida é metro de energia perdida por metro de tubulação (m/m). Hidráulica Geral Bombas Hidráulicas 19 Exemplo de Aplicação: determine o diâmetro comercial, sabendo que a vazão é 42,12 m³/h, o comprimento é 100 m, a tubulação é de PVC (C = 140) e a perda de carga admissível é de 2mca. Solução: ∆𝑯𝑯 = 𝟏𝟏𝟎𝟎,𝟔𝟔𝟐𝟐𝟑𝟑 × 𝑸𝑸𝟏𝟏,𝟎𝟎𝟓𝟓 𝑪𝑪𝟏𝟏,𝟎𝟎𝟓𝟓 × 𝑫𝑫𝟐𝟐,𝟎𝟎𝟎𝟎 × 𝑳𝑳 𝑫𝑫 = � 𝟏𝟏𝟎𝟎,𝟔𝟔𝟐𝟐𝟑𝟑 × 𝑸𝑸𝟏𝟏,𝟎𝟎𝟓𝟓 𝑪𝑪𝟏𝟏,𝟎𝟎𝟓𝟓 × ∆𝑯𝑯 × 𝑳𝑳� 𝟏𝟏 𝟐𝟐,𝟎𝟎𝟎𝟎⁄ 𝑫𝑫 = � 𝟏𝟏𝟎𝟎,𝟔𝟔𝟐𝟐𝟑𝟑 × 𝟎𝟎,𝟎𝟎𝟏𝟏𝟐𝟐𝟏𝟏,𝟎𝟎𝟓𝟓 𝟏𝟏𝟐𝟐𝟎𝟎𝟏𝟏,𝟎𝟎𝟓𝟓 × 𝟐𝟐 × 𝟏𝟏𝟎𝟎𝟎𝟎� 𝟏𝟏 𝟐𝟐,𝟎𝟎𝟎𝟎⁄ 𝑫𝑫 = 𝟎𝟎,𝟏𝟏𝟎𝟎𝟑𝟑𝒎𝒎 𝒍𝒍𝒐𝒐 𝟏𝟏𝟎𝟎𝟑𝟑 𝒎𝒎𝒎𝒎 Obs.: Como o resultado é um valor que não é um valor comercial, ou seja, não se encontra um diâmetro de 103 mm para a venda, por este motivo adota-se um diâmetro comercial logo acima. Neste caso, será de 125mm. Exemplo de Aplicação: uma estação de bombeamento eleva 0,040 m³/s de água para um reservatório de acumulação, por uma tubulação de recalque com 2.000m, com o coeficiente de escoamento de 130 e com diâmetro de 200 mm. Determinar a perda de carga deste sistema, sabendo que o valor total do com- primento equivalente das singularidades no sistema é de 88,5m. Solução: ∆𝑯𝑯 = 𝟏𝟏𝟎𝟎,𝟔𝟔𝟐𝟐𝟑𝟑 × 𝑸𝑸𝟏𝟏,𝟎𝟎𝟓𝟓 𝑪𝑪𝟏𝟏,𝟎𝟎𝟓𝟓 ×𝑫𝑫𝟐𝟐,𝟎𝟎𝟎𝟎 𝑳𝑳 ∆𝑯𝑯 = 𝟏𝟏𝟎𝟎,𝟔𝟔𝟐𝟐𝟑𝟑 × 𝟎𝟎,𝟎𝟎𝟐𝟐𝟎𝟎𝟏𝟏,𝟎𝟎𝟓𝟓 𝟏𝟏𝟑𝟑𝟎𝟎𝟏𝟏,𝟎𝟎𝟓𝟓 × 𝟎𝟎,𝟐𝟐 × 𝟐𝟐.𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎,𝟓𝟓 ∆𝑯𝑯 = 𝟏𝟏𝟎𝟎,𝟗𝟗𝟐𝟐𝒎𝒎𝑹𝑹𝒍𝒍 Hidráulica Geral Bombas Hidráulicas 20 Equação da Energia com uma Bomba Quando se trata do escoamento em uma instalação de recalque, a energia que a bomba fornece ao escoamento é representada pela Altura Manométrica Total da Bomba (HM), e a Equação da Energia de um escoamento com bomba: 𝒛𝒛𝟏𝟏 + 𝑷𝑷𝟏𝟏 𝜸𝜸 + 𝑽𝑽𝟏𝟏𝟐𝟐 𝟐𝟐𝒈𝒈 + 𝑯𝑯𝑴𝑴 = 𝒛𝒛𝟐𝟐 + 𝑷𝑷𝟐𝟐 𝜸𝜸 + 𝑽𝑽𝟐𝟐𝟐𝟐 𝟐𝟐𝒈𝒈 + 𝜟𝜟𝑯𝑯𝟏𝟏,𝟐𝟐 A altura manométrica de uma bomba representa a energia que a bomba fornece ao escoamento para vencer o desnível entre o sistema de sucção e o sistema de recalque, inclusive as perdas de energia entre esses trechos, conforme Figura 6. Portanto, a altura manométrica de uma bomba pode ser calculada com a equação a seguir: 𝑯𝑯𝑴𝑴 = 𝑯𝑯𝒈𝒈𝒈𝒈𝒐𝒐𝑹𝑹 + 𝑯𝑯𝒈𝒈𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹 + ∆𝑯𝑯𝒈𝒈𝒐𝒐𝑹𝑹 + ∆𝑯𝑯𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹 • HM: altura manométrica total da bomba (m); • HgSuc: altura geométrica de sucção (m); • HgRec: altura geométrica de recalque (m); • ∆HSuc: perda de carga na sucção (m); • ∆HRec: perda de carga no recalque (m). Hidráulica Geral Bombas Hidráulicas 21 Figura 6 – Alturas Geométricas e Perdas de Energia do Sistema de Bom- beamento Fonte: Adaptada de PELEGRINO, 2019 #ParaTodosVerem: a imagem mostra um esquema de dois reservatórios de água conectados por uma bomba hidráulica. O reservatório à esquerda está em um nível mais baixo, en- quanto o reservatório à direita está em um nível mais alto. A bomba hidráulica está locali- zada entre os dois reservatórios e é responsável por mover a água do reservatório inferior para o reservatório superior. No reservatório inferior, há duas medidas verticais indicadas: • Δhs: a diferença de altura entre o nível da água e a base do reservatório, representa a perda de carga na sucção; • Hgs: a altura entre a base do reservatório e a linha de referência horizontal, repre- senta a altura geométrica de sucção. A soma dessas duas alturas é representada por HMs, que é a altura total do reservatório in- ferior em relação à linha de referência horizontal, representa a altura manométrica da suc- ção. No reservatório superior, também há duas medidas verticais indicadas: • Δhr: a diferença de altura entre o nível da água e a base do reservatório, representa a perda de carga no recalque; Hidráulica Geral Bombas Hidráulicas 22 • Hgr: a altura entre a base do reservatório e a linha de referência horizontal, repre- senta a altura geométrica de recalque. A soma dessas duas alturas é representada por HMr, que é a altura total do reservatório su- perior em relação à linha de referência horizontal, representa a altura manométrica do re- calque. A altura total entre o nível da água no reservatório inferior e o nível da água no reservatório superior é representada por HMtotal, representa a altura manométrica total do sistema. Fim da descrição. Exemplo de Aplicação: determine a altura manométrica total de uma bomba um sistema de recalque da Figura 7, que possui uma altura geométrica de sucção de 3 metros e de 28 metros de altura geométrica total. As perdas de energia total na sucção e no recalque de 3 metros e 9 metros respectivamente, conforme Figura 7. Figura 7 – Instalação de Recalque Fonte: Reprodução #ParaTodosVerem: a imagem mostra um esquema de dois reservatórios de água conectados por uma bomba hidráulica. O reservatório da esquerda é chamado de “Reservatório de Suc- ção”, enquanto o da direita é chamado de “Reservatório de Recalque”. Hidráulica Geral Bombas Hidráulicas 23 • Reservatório de Sucção: fica à esquerda da imagem. Há uma linha horizontal azul representando o “Nível d'Água”, que está preenchendo parcialmente o reservatório. Este reservatório é de onde a água será puxada pela bomba; • Bombahidráulica: está posicionada no centro da imagem, entre os dois reservató- rios, conectada por tubos a ambos. A bomba puxa a água do “Reservatório de Suc- ção” e a envia para o “Reservatório de Recalque”; • Reservatório de recalque: fica à direita da imagem. Também tem uma linha hori- zontal azul indicando o “Nível d'Água”. A função deste reservatório é armazenar a água que foi bombeada. O sistema como um todo representa uma estação de bombeamento, onde a água é transfe- rida do reservatório de sucção para o de recalque através da ação da bomba hidráulica. Fim da descrição. Solução: 𝑯𝑯𝑴𝑴 = 𝑯𝑯𝒈𝒈𝒈𝒈𝒐𝒐𝑹𝑹 + 𝑯𝑯𝒈𝒈𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹 + ∆𝑯𝑯𝒈𝒈𝒐𝒐𝑹𝑹 + ∆𝑯𝑯𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹 𝑯𝑯𝑴𝑴 = 𝟑𝟑 + 𝟐𝟐𝟎𝟎 + 𝟑𝟑 + 𝟗𝟗 𝑯𝑯𝑴𝑴 = 𝟐𝟐𝟑𝟑 𝒎𝒎𝑹𝑹𝒍𝒍 Livro SOUZA, Z. Projeto de máquinas de fluxo: tomo 2 - bombas hi- dráulicas com rotores radiais e axiais. Rio de Janeiro, RJ: In- terciência, 2011. (e-book) Hidráulica Geral Bombas Hidráulicas 24 Estimativa da Potência do Conjunto Motobomba A potência necessária em um sistema de bombeamento está relacionada à vazão transportada, à altura geométrica total, ao peso específico do fluido que é bom- beado, e é inversamente proporcional à eficiência da bomba hidráulica. Essa po- tência do conjunto motobomba deve vencer também as perdas de energia pro- duzidas pelo escoamento nas tubulações e pelas singularidades do sistema. A equação para determinar a potência requerida de um sistema de recalque: 𝑷𝑷𝒍𝒍𝒅𝒅 = 𝜸𝜸 × 𝑸𝑸 ×𝑯𝑯𝑴𝑴 𝟎𝟎𝟓𝟓 × 𝜼𝜼 Onde: • Pot: potência do conjunto motobomba (cv); • ɣ: peso específico do fluido (kgf/m³); • Q: vazão (m³/s); • HM: altura manométrica (mca); • 𝜂𝜂: rendimento global do conj. motobomba (%). Quando o fluido bombeado é água, então o peso específico é igual a 1.000 kgf/m3, portanto a equação da estimativa de potência da bomba: 𝑷𝑷𝒍𝒍𝒅𝒅 = 𝑸𝑸 × 𝑯𝑯𝑴𝑴 𝟎𝟎𝟓𝟓 × 𝜼𝜼 Onde: • Pot: potência do conjunto motobomba (cv); • Q: vazão (l/s); • HM: altura manométrica (mca); • 𝜂𝜂: rendimento global do conj. motobomba (%). Hidráulica Geral Bombas Hidráulicas 25 Exemplo de aplicação: determine a potência estimada de uma bomba em um sis- tema de recalque, que possui uma altura geométrica de sucção de 3 metros e de 28 metros de altura geométrica total. As perdas de energia total na sucção e no recalque de 3 metros e 9 metros respectivamente, a vazão a ser transportada é de 7,9 l/s e o rendimento de 70%. Solução: 𝑯𝑯𝑴𝑴 = 𝑯𝑯𝒈𝒈𝒈𝒈𝒐𝒐𝑹𝑹 + 𝑯𝑯𝒈𝒈𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹 + ∆𝑯𝑯𝒈𝒈𝒐𝒐𝑹𝑹 + ∆𝑯𝑯𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹 𝑯𝑯𝑴𝑴 = 𝟑𝟑 + 𝟐𝟐𝟎𝟎 + 𝟑𝟑 + 𝟗𝟗 𝑯𝑯𝑴𝑴 = 𝟐𝟐𝟑𝟑 𝒎𝒎𝑹𝑹𝒍𝒍 𝑷𝑷𝒍𝒍𝒅𝒅 = 𝑸𝑸 × 𝑯𝑯𝑴𝑴 𝟎𝟎𝟓𝟓 × 𝜼𝜼 𝑷𝑷𝒍𝒍𝒅𝒅 = 𝟎𝟎,𝟗𝟗 × 𝟐𝟐𝟑𝟑 𝟎𝟎𝟓𝟓 × 𝟎𝟎,𝟎𝟎 𝑷𝑷𝒍𝒍𝒅𝒅 = 𝟔𝟔,𝟓𝟓 𝑹𝑹𝒄𝒄 Exemplo de aplicação: em um sistema de bombeamento de água com tubulações em PVC (C = 150), a tubulação de sucção possui 10 m com diâmetro de 125mm, sendo a vazão de 0,010 m³/s. A tubulação de recalque contém 300 m com 100 mm de diâmetro. O reservatório inferior está na cota 96 m, o eixo da bomba está na conta 100 m e o NA do reservatório superior está 38 m acima do reservatório in- ferior. As singularidades no trecho de sucção somam 26,6 m de comprimentos equivalentes, e as singularidades do trecho de recalque somam 9,20 m de com- primentos equivalentes. Determinar a altura manométrica e a potência da bomba, admitindo-se que n de 65%. Solução: 𝑯𝑯𝑴𝑴 = 𝑯𝑯𝒈𝒈𝒈𝒈𝒐𝒐𝑹𝑹 + 𝑯𝑯𝒈𝒈𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹 + ∆𝑯𝑯𝒈𝒈𝒐𝒐𝑹𝑹 + ∆𝑯𝑯𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹 Hidráulica Geral Bombas Hidráulicas 26 Sendo: 𝑯𝑯𝒈𝒈𝒈𝒈𝒐𝒐𝑹𝑹 + 𝑯𝑯𝒈𝒈𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹 = 𝑵𝑵𝑵𝑵𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹 − 𝑵𝑵𝑵𝑵𝒈𝒈𝒐𝒐𝑹𝑹 = 𝟑𝟑𝟎𝟎𝒎𝒎 Para calcular, ∆𝑯𝑯𝒈𝒈𝒐𝒐𝑹𝑹 e ∆𝑯𝑯𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹 deve-se utilizar a Equação de Hazzen-Willians (C = 150) e o comprimento total da tubulação tanto de sucção quanto de recalque deve ser acrescido do comprimento equivalente de cada trecho (𝑳𝑳𝒅𝒅𝒍𝒍𝒅𝒅𝒍𝒍𝒍𝒍 = 𝑳𝑳𝒅𝒅𝒐𝒐𝒕𝒕𝒐𝒐𝒍𝒍𝒍𝒍çã𝒍𝒍 + 𝑳𝑳𝑹𝑹𝒆𝒆𝒐𝒐𝒅𝒅𝒄𝒄𝒍𝒍𝒍𝒍𝑹𝑹𝒕𝒕𝒅𝒅𝑹𝑹). Então, a equação utilizada será: ∆𝑯𝑯𝒅𝒅𝒍𝒍𝒅𝒅𝒍𝒍𝒍𝒍 = 𝟏𝟏𝟎𝟎,𝟔𝟔𝟐𝟐𝟑𝟑×𝑸𝑸𝟏𝟏,𝟎𝟎𝟓𝟓 𝑪𝑪𝟏𝟏,𝟎𝟎𝟓𝟓×𝑫𝑫𝟐𝟐,𝟎𝟎𝟎𝟎 𝑳𝑳𝒅𝒅𝒍𝒍𝒅𝒅𝒍𝒍𝒍𝒍 então: ∆𝐻𝐻𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 = 10,643 × 𝑄𝑄1,85 𝐶𝐶1,85 × 𝐷𝐷𝑠𝑠𝑆𝑆𝑆𝑆4,87 𝐿𝐿𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑠𝑠𝑆𝑆𝑆𝑆 → ∆𝐻𝐻𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 = 10,643 × 0,0101,85 1501,85 × 0,1254,87 × (10 + 26,6) ∆𝐻𝐻𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 = 0,183𝑚𝑚 ∆𝐻𝐻𝑅𝑅𝑅𝑅𝑆𝑆 = 𝟏𝟏𝟎𝟎,𝟔𝟔𝟐𝟐𝟑𝟑 × 𝑸𝑸𝟏𝟏,𝟎𝟎𝟓𝟓 𝑪𝑪𝟏𝟏,𝟎𝟎𝟓𝟓 × 𝑫𝑫𝒕𝒕𝑹𝑹𝑹𝑹 𝟐𝟐,𝟎𝟎𝟎𝟎 𝑳𝑳𝒅𝒅𝒍𝒍𝒅𝒅𝒍𝒍𝒍𝒍𝒕𝒕𝑹𝑹𝑹𝑹 → ∆𝐻𝐻𝑅𝑅𝑅𝑅𝑆𝑆 = 10,643 × 0,0101,85 1501,85 × 0,1004,87 × (300 + 9,2) ∆𝐻𝐻𝑅𝑅𝑅𝑅𝑆𝑆 = 4,587𝑚𝑚 Portanto: ∆𝐻𝐻𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 + ∆𝐻𝐻𝑅𝑅𝑅𝑅𝑆𝑆 = 0,183 + 4,587 = 𝟐𝟐,𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝒎𝒎 𝑯𝑯𝑴𝑴 = 𝑯𝑯𝒈𝒈𝒈𝒈𝒐𝒐𝑹𝑹 + 𝑯𝑯𝒈𝒈𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹 + ∆𝑯𝑯𝒈𝒈𝒐𝒐𝑹𝑹 + ∆𝑯𝑯𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹 𝑯𝑯𝑴𝑴 = 𝟑𝟑𝟎𝟎 + 𝟐𝟐,𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 𝑯𝑯𝑴𝑴 = 𝟐𝟐𝟐𝟐,𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 𝒎𝒎𝑹𝑹𝒍𝒍 O cálculo da potência da bomba com o valor de:HM = 42,770 mca 𝑷𝑷𝒍𝒍𝒅𝒅 = 𝑸𝑸 × 𝑯𝑯𝑴𝑴 𝟎𝟎𝟓𝟓 × 𝜼𝜼 𝑷𝑷𝒍𝒍𝒅𝒅 = 𝟏𝟏𝟎𝟎 × 𝟐𝟐𝟐𝟐,𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 𝟎𝟎𝟓𝟓 × 𝟎𝟎,𝟔𝟔𝟓𝟓 Hidráulica Geral Bombas Hidráulicas 27 𝑷𝑷𝒍𝒍𝒅𝒅 = 𝟎𝟎,𝟎𝟎 𝑹𝑹𝒄𝒄 Exemplo de aplicação: calcular a potência de uma bomba com rendimento de 63% para uma instalação elevatória que precisa transportar uma vazão de 12 l/s. A diferença entre os níveis dos reservatórios de sucção e recalque é de 45 m. Sa- bendo que a perda de carga da sucção é 3,5m e a do recalque é 7,75m. Solução: 𝑯𝑯𝑴𝑴 = 𝑯𝑯𝒈𝒈𝒈𝒈𝒐𝒐𝑹𝑹 + 𝑯𝑯𝒈𝒈𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹 + ∆𝑯𝑯𝒈𝒈𝒐𝒐𝑹𝑹 + ∆𝑯𝑯𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹 𝑯𝑯𝑴𝑴 = 𝟐𝟐𝟓𝟓 + 𝟑𝟑,𝟓𝟓 + 𝟎𝟎,𝟎𝟎𝟓𝟓 𝑯𝑯𝑴𝑴 = 𝟓𝟓𝟔𝟔,𝟐𝟐𝟓𝟓 𝒎𝒎𝑹𝑹𝒍𝒍 𝑷𝑷𝒍𝒍𝒅𝒅 = 𝑸𝑸 × 𝑯𝑯𝑴𝑴 𝟎𝟎𝟓𝟓 × 𝜼𝜼 𝑷𝑷𝒍𝒍𝒅𝒅 = 𝟏𝟏𝟐𝟐 × 𝟓𝟓𝟔𝟔,𝟐𝟐𝟓𝟓 𝟎𝟎𝟓𝟓 × 𝟎𝟎,𝟔𝟔𝟑𝟑 𝑷𝑷𝒍𝒍𝒅𝒅 = 𝟏𝟏𝟐𝟐,𝟑𝟑 𝑹𝑹𝒄𝒄 Hidráulica Geral Bombas Hidráulicas 28 Material Complementar Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta Unidade: Livro Projeto de Máquinas de Fluxo: Tomo I – Base Teórica e Experimental SOUZA, Z. Projeto de máquinas de fluxo: tomo I - base teórica e experimental. Rio de Janeiro, RJ: Interciência, 2019. (e-book) Leitura Bombas Hidráulicas Abordagem dos conceitos fundamentais das bombas hidráulicas, classificação das bombas em duas categorias principais: bombas volumétricas e bombas di- nâmicas, e ainda apresenta as aplicações práticas dessas bombas em diferentes contextos. Acesse o link. Fabricação e Estudo de uma Bomba Hidráulica de Baixo Custo: Bomba de Corda Abordagem da criação e análise de uma bomba hidráulica manual e de baixo custo, projetada para extrair água de poços ou cacimbas de diferentes profun- didades, sem a necessidade de energia elétrica. Acesse o link. https://edisciplinas.usp.br/mod/resource/view.php?id=2592535 https://edisciplinas.usp.br/mod/resource/view.php?id=2592535 Hidráulica Geral Bombas Hidráulicas 29 Vídeo Introdução às Bombas Hidráulicas Abordagem de uma visão geral sobre o funcionamento e a classificação das bombas hidráulicas. Explicando como essas bombas são componentes essenci- ais em sistemas hidráulicos, desempenhando um papel crucial na movimenta- ção de fluidos. Acesse o link. Hidráulica Geral Bombas Hidráulicas 30 Referências AZEVEDO NETTO, J. M. et al. Manual de hidráulica. 9. ed. Editora Blucher, 2015. (e-book) MACINTYRE, A. J. Bombas e Instalações de Bombeamento. 2. ed. Rev. Rio de Ja- neiro: LTC, 1997. PORTO, R. M. Hidráulica Básica. 4. ed. São Carlos: EESC-USP, 2006.