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Seleção e Aplicação de Bombas Centrífugas 20 40 60 80 100 0 100 200 300 400 500 Q m3/h 6257 67 ø361 ø380 ø417 47 77 72 ø400 74,5 78 ø345 ø330 77 74,5 Sumário página 3 Conceitos básicos de hidráulica 3 Fluidos 7 Pressão 8 Vazão 9 Volume 10 Cálculo de volumes para sólidos geométricos 11 Golpe de aríete 12 Exercícios 14 Sistemas de Bombeamento 15 Considerações sobre a sucção 18 Cálculo do diâmetro da tubulação de sucção e recalque 20 Composição da altura manométrica total 22 Perdas de cargas 23 Principais componentes da tubulação de sucção e recalque 26 Curvas características do sistema 31 Curvas características das bombas 35 Cálculo do diâmetro do rotor na curva da bomba 38 Ponto de trabalho 41 Alteração do ponto de trabalho 42 Leis de similaridade 47 Potência consumida pela bomba 48 Cavitação 49 NPSH 53 Associação de bombas 53 Associação em paralelo 55 Associação em série 57 Bombeamento simultâneo 58 Transmissão Acionador – Bomba 59 Bombeamento de líquidos viscosos 63 Exercício – Projeto de Bombeamento 68 Tabela de pressão de vapor e peso específico da água 69 Tabela de motores elétricos 70 Tabela de pressão atmosférica em função da altitude 71 Tabela de perda de cargas em trechos retos de tubulações 72 Tabela de perda de carga em curvas e válvulas de pé 73 Tabela de perda de carga em válvulas de retenção e gaveta 74 Gráfico de determinação da performance de bombas centrífugas para líquidos viscosos Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 3 Conceitos Básicos de Hidráulica Fluidos: Fluido é qualquer substância não sólida, capaz de escoar e assumir a forma do recipiente que o contém. São divididos em líquidos e gasosos. Principais propriedades dos fluidos: Incompressibilidade: Fluidos não são compressíveis, isto é, não alteram o seu volume quando submetidos uma pressão. Peso Específico (γ): É o peso da substância pelo volume ocupado pela mesma, cuja expressão é definida por: Massa específica (ρ): É a massa por unidade de volume, cuja expressão é: Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 4 10 kgf/cm² 10 kgf/cm² 10 kgf/cm² 10 kgf/cm² 100 m 83,3 m 117,7 m 133,33 m Água ⍴ ⍴⍴ ⍴= 1000 kgf/m³ Água salgada ⍴ ⍴⍴ ⍴= 1200 kgf/m³ Gasolina ⍴ ⍴⍴ ⍴= 750 kgf/m³ 10 kgf/cm² 100 m Água ⍴ ⍴⍴ ⍴= 1000 kgf/m³ Água salgada ⍴ ⍴⍴ ⍴= 1200 kgf/m³ óleo ⍴ ⍴⍴ ⍴= 850 kgf/m³ Gasolina ⍴ ⍴⍴ ⍴= 750 kgf/m³ 12 kgf/cm² 8,5 kgf/cm² 7,5 kgf/cm² 100 m 100 m 100 m Relação entre peso e massa específica: Influência do peso específico na relação entre pressão e altura de coluna de líquido: g = 9,8 m/s2 Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 5 Densidade: Densidade de uma substância é a razão entre o peso específico ou massa específica dessa substância e o peso específico ou massa específica de uma substância de referência em condições padrão. Para substâncias em estado líquido ou sólido, a substância de referência é a água. Para substâncias em estado gasoso a substância de referência é o ar. Escoamento: Capacidade de um fluido em deslizar sobre uma superfície plana. Regimes de escoamento: Regime Laminar: Quando as camadas do fluido são paralelas entre si e as velocidades são constantes. Nesse caso, temos velocidade e pressão baixas. Regime Turbulento: Quando as camadas do fluido são irregulares e as velocidades são elevadas. Provoca criação de vórtice (redemoinhos) no interior da tubulação, fazendo com que aumente o atrito entre o fluido e as paredes do tubo, causando maior desgaste. Nesse caso temos velocidade e pressão altas. Equação da continuidade: Para sanar o problema de da criação de vórtice na tubulação, devemos controlar a velocidade com que o fluido passa por ela. A figura a seguir mostra uma restrição na área da tubulação de A2 para A1. A velocidade V1 aumentará, pois a mesma quantidade de fluido que entra em A2 será forçada a passar por A1. Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 6 Onde: v1 = Velocidade na Secção 1 v2 = Velocidade na Secção 2 A1= Área da Secção 1 A2 = Área da Secção 2 Onde: Q = Vazão V = Velocidade A = Área Viscosidade: É a resistência do fluido ao escoamento. A viscosidade tem importante influência devido às perdas de pressão no escoamento dos fluídos. Na forma popular podemos dizer que um óleo é mais grosso quando apresenta uma viscosidade maior e, ao contrário, mais fino quando sua viscosidade é menor. Assim, um líquido escoa facilmente quando sua viscosidade é baixa, é fino ou pouco encorpado que um fluido grosso ou muito encorpado, possui uma viscosidade alta e por isso, tem dificuldade em escoar. Por exemplo: se despejarmos água em uma rampa inclinada ela escoará rapidamente, já se despejarmos mel, o mesmo irá demorar a escoar devido a sua viscosidade ser alta. Pressão de Vapor (Pv): Pressão na qual transforma o fluido em estado líquido em estado gasoso. Quanto mais baixa a pressão de um fluido, mas perto se chega à pressão de vapor desse fluido. Esses vapores criam micro-bolhas de ar dentro do fluido que quando submetidos a uma alta pressão, implodem causando danos a partes metálicas de bombas ou outros componentes. Esse fenômeno é chamado cavitação. A QV = Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 7 Pressão: Pressão é uma força sobre uma área. Lei de Pascal: "A pressão aplicada age igualmente em todas as direções e perpendicular às paredes do recipiente." Pressão atmosférica: é a pressão exercida pela atmosfera num determinado ponto. É dada pela unidade Atm, ou seja, 1 atmosfera, que equivale a 1 Kgf/cm². O peso normal do ar ao nível do mar é de 1kg/cm². Porém, a pressão atmosférica diminui com o aumento da altitude. Quanto maior a altura em relação ao nível do mar, menor é a pressão atmosférica. Ex: A 3000 metros, é cerca de 0,7kg/cm². A 8840 metros, a pressão é de apenas 0,3 kg/cm². Teorema de Stevin: Usa-se o Teorema de Stevin quando se necessita descobrir a pressão de um fluido em uma profundidade desejada: Exemplo: pA = 4 kg/cm². pB = ? γ água = 0,001 kgf/cm3 h = 1000 cm (10 metros) pA – pB = γ . h 4 – pB = 0,001 . 1000 4 – pB = 1 pB = 4 – 1 pB = 3 kg/cm². Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 8 Metros de coluna d’água (m.c.a.) = É a pressão exercida por uma coluna de 1 metro de água a 4ºC. É a unidade de pressão utilizada em sistemas de bombeamento. 10 mca equivalem a 1 kg/cm². Vazão: Vazão é um volume de fluido que passa por uma determinada secção sobre uma unidade de tempo. Unidades mais utilizadas para vazão: -l/h – litro por hora - dm3/h – decímetro cúbico por hora = litro por hora - lpm – litros por minuto - gpm – galões por minuto (1 galão = 3,785 litros) - l/s – litros por segundo - m3/h – metros cúbicos por hora = 1000 litros por hora. A unidade utilizada para sistemas de bombeamento é m3/h. Exemplo: pA = ? γ água = 0,001 kgf/cm3 h = 1000 cm (10 metros) pAtm = 1 kg/cm². (ao nível do mar) pA = pAtm + γ . h pA = 1 + 0,001 . 1000 pA = 1 + 1 pA = 2 kg/cm². Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 9 Volume: O volume de um líquido é a quantidade de espaço ocupada por esse líquido. A unidade mais utilizada para medir o volume é metro cúbico (m3), que equivale a 1000 litros de água. 1 dm3 corresponde a 1 litro de água. Um cubo de 1 dm x 1 dm x 1 dm tem a capacidade de 1 litro. Submúltiplos do m3: x 1000 : 1000 m3 dm3 cm3 mm3 Para realizar a conversão da direita para esquerda, divide-se o valor por 1000. Para realizar a conversão da esquerda para a direita, multiplica-se o valor por 1000. Exemplos de conversão: - 1000 dm3 em m3 = 1000 : 1000 = 1 m3. - 1m3 em cm3 = 1 x 1000 x 1000 = 100.000 cm3. - 100.000.000 mm3 em m3 = 100.000.000 : 1000 : 1000 : 1000 = 0,1 m3. - 1m3 em dm3 = 1 x 1000 = 1000 dm3. Na página seguinte veremos como calcular o volume dos principais sólidos geométricos. Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 10 Tabela de fórmulas para cálculo de volumes para sólidos geométricos: Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 11 Golpe de Aríete: Golpe de aríete é a variação brusca de pressão, acima ou abaixo do valor normal de funcionamento, devido às mudanças bruscas da velocidade da água. As manobras instantâneas nas válvulas são as causas principais da ocorrência de golpe de aríete. O golpe de aríete provoca ruídos desagradáveis, semelhantes ao de marteladas em metal. Pode romper as tubagens e danificar instalações. Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 12 Exercícios: 1. Defina o que é fluido. 2. Cite e explique pelo menos duas propriedades dos fluidos. 3. Cite os regimes de escoamento dos fluidos e descreva qual deles é o maior causador de atritos dentro da tubulação. Justifique sua resposta. 4. Qual a unidade de pressão mais utilizada em sistemas de bombeamento? Qual a relação dessa unidade para a unidade kgf/cm2? 5. O que é pressão atmosférica? Quanto ela vale? 6. Qual a unidade de vazão mais utilizada em sistemas de bombeamento? 7. Faça as conversões: a) 600m3 para dm3 = b) 20.000.000 cm3 para m3 = c) 15.000 dm3 para m3 = d) 6.000.000 mm3 para m3 = Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 13 8. Calcular os volumes das figuras: a) b) c) d) a = 2 m b = 3 m c = 5 m r = 4 m h = 10 m a = 1,5 m b = 10 m c = 2 m r = 6 m h = 25 m Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 14 B 1 (e) (s) Tubulação de recalque: da saída da bomba (s) até nível desejado no tanque (2) 2 •Tubulação de sucção: do nível do manancial (1) até entrada da bomba (e) Sistemas de Bombeamento Em um projeto de bombeamento deve-se seguir a seqüência: - Projeto de bombeamento - Escolha da bomba - Instalação, operação e manutenção da bomba. Instalação típica de um sistema de bombeamento: Em um projeto de bombeamento, além de outras considerações e dimensionamentos, devemos responder a três principais perguntas: 1. Qual a distância geométrica do centro da bomba até o nível mínimo da sucção? - Nessa pergunta deve ser considerado da onde o fluido será retirado. Considera-se se o reservatório de sucção é pressurizado ou não, se a sucção é positiva (bomba afogada) ou negativa e principalmente a distância entre o centro da bomba até o nível mínimo de fluido na sucção. 2. Qual a distância e altura do centro da bomba até o reservatório de recalque? - Nessa pergunta considera-se para onde o fluido será bombeado. Deve-se observar se o reservatório de recalque é pressurizado ou não e principalmente a altura do centro da bomba até nível máximo de fluido no reservatório de recalque. Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 15 3. Qual a vazão desejada? - Agora devemos saber qual a quantidade de fluido que o projeto necessita no reservatório de recalque. Considerações sobre a sucção: A parte mais importante de um projeto de bombeamento é a sucção. Todos os cuidados devem ser tomados para que não haja problemas. O recalque é uma conseqüência do trabalho da sucção. - a tubulação da sucção deve ser a mais reta e curta possível a fim de reduzir perdas de cargas. - o diâmetro da tubulação de sucção deve ser maior que o diâmetro do recalque. - a bomba deve estar o mais perto possível do reservatório de sucção. - a tubulação de sucção deve ter uma submergência mínima de 5 vezes o diâmetro do tubo para evitar a formação de vórtice na sucção. Se o nível na sucção variar constantemente, deve-se colocar uma redução em cone (sino) para aumentar a área de sucção, evitando o vórtice. - devem-se utilizar sistemas de “quebra vórtice” ou chicanas quando necessário. sucção nível 5x Ø tubo submergência mínima sucção nível 2x Ø tubo Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 16 Utilização de chicanas Os tipos de sucção podem ser: - Positiva (também conhecida pelo termo “bomba afogada”): é quando o reservatório de sucção está acima do nível da bomba. - Negativa: é quando o reservatório de sucção está abaixo no nível da bomba Para a bomba, a melhor situação é quando ocorre a sucção positiva, pois o próprio peso do fluido faz com que o liquido entre na bomba. Quanto aos tipos de reservatórios de sucção, podem ser: - Aberto: quando o reservatório não é pressurizado, sofrendo apenas a pressão atmosférica. - Fechado: quando o reservatório é pressurizado com uma pressão além da pressão atmosférica. A figura a seguir ilustra os tipos de sucção e reservatórios. Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 17 Não é comum existirem sucções negativas com reservatórios fechados. Sucção positiva com reservatório fechado Sucção positiva com reservatório aberto Sucção negativa Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 18 Cálculo do diâmetro da tubulação desucção e recalque: Para evitar o vórtice dentro da tubulação é necessário que o fluido bombeado escoe numa velocidade ideal. Para líquidos e óleos leves podem-se utilizar os valores de 1,0 a 2,0 m/s. Para água pode-se usar 1,5 m/s. Para líquidos mais viscosos, usar uma velocidade menor que 1,0 m/s. Os diâmetros dos furos dos flanges de sucção e recalque, não têm relação com o diâmetro da tubulação. Geralmente utiliza-se o diâmetro de sucção com um padrão comercial maior do que do recalque, por exemplo: recalque Ø4” – sucção Ø5”. Para calcular os diâmetros da tubulação, usa-se a fórmula a seguir: A resposta da fórmula será o diâmetro da tubulação de recalque. Acrescenta- se um diâmetro comercial maior para a tubulação de sucção. Exemplo: Calcular o diâmetro da tubulação para uma vazão de 300 m3/h de água. Como o resultado sai em metros, deverá ser convertido para milímetros ou mais usualmente no caso de tubulações, para polegadas. 0,266 m = aproximadamente 10”. Então a tubulação de recalque será de Ø10” e a sucção um padrão comercial maior, que será Ø12”. Os diâmetros comerciais de tubos mais encontrados são ½”, ¾”, 1”, 1 ¼”, 1 ½”, 2”, 2 ½”, 3”, 4”, 5”, 6”, 8”, 10”, 12”, 14”, 16”, 18”, 20” e 24”. 2 3600128,1 V Q D ⋅= Onde: D = diâmetro da tubulação em metros 1,128 = constante de fórmula Q = vazão em m3/h 3600 = fator de conversão de hora para segundo V = velocidade ideal do fluido 2 5,1 3600 300 128,1 ⋅=D )(266,0 mD = Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 19 Exercícios: Calcule o diâmetro da tubulação para as vazões de 100 m3/h, 500 m3/h e 700 m3/h de água. Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 20 Composição da Altura Manométrica Total (AMT): A amt (altura manométrica total) é a pressão necessária na saída bomba para suprir as necessidades do projeto, geralmente é dada em mca (metros de coluna de água). É composta por 4 variáveis: Hgeo – Desnível geométrico: altura entre o nível de fluido no reservatório de sucção ao nível de fluido do reservatório de recalque. Pr(s) / Pr(r) – Pressão nos reservatórios de sucção / recalque, caso os reservatórios sejam pressurizados. ∆Hd – Perda de carga distribuída: perda de carga ao longo da tubulação. ∆Hl – Perda de carga localizada: perda de carga localizada em curvas e componentes como válvulas, filtros, etc. Após o cálculo da altura manométrica total, deve aumentar o resultado em 10% de reserva. Variação de níveis nos reservatórios: Em um sistema de bombeamento é quase impossível manter os níveis nos reservatórios de sucção e recalque devido à movimentação constante do fluido. Para o dimensionamento correto da altura manométrica total, deve-se considerar a maior altura geométrica (Hgeo) entre sucção e recalque, isto é, considera-se na sucção o nível mínimo e no recalque o nível máximo. Sendo assim, a bomba conseguirá suprir as necessidades do projeto em quaisquer situações de variação de níveis dos reservatórios. Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 21 )()()Pr( SgeoSs PHAMT S ∆++−+−==> )()( Sgeos PHAMT S ∆++−==> )()( Sgeos PHAMT S ∆+++==> )()()Pr( RgeoRR PHAMT R ∆+++++==> )()( RgeoR PHAMT R ∆+++==> Altura manométrica na sucção: Altura manométrica no recalque: A altura manométrica total será a soma da altura manométrica da sucção e a altura manométrica do recalque. Sucção positiva com reservatório fechado Sucção positiva com reservatório aberto Sucção negativa Recalque com reservatório fechado Recalque com reservatório aberto Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 22 Perdas de carga: A perda de carga no escoamento em uma tubulação ocorre devido ao atrito entre as partículas fluidas com as paredes do tubo e mesmo devido ao atrito entre estas partículas. Em outras palavras, é uma perda de energia ou de pressão entre dois pontos de uma tubulação. Essas perdas podem ser distribuídas ou localizadas. Perdas de cargas distribuídas: São aquelas que ocorrem em trechos retos de tubulações. Os fabricantes de tubos devem informar as perdas de cargas. Perdas de cargas localizadas: São perdas de pressão ocasionadas pelos componentes ao longo da tubulação tais como válvulas, curvas, reduções, trocadores de calor, etc. Cada fabricante de componente deve informar as perdas de cargas. Perdas de carga total: É a soma das perdas distribuídas e localizadas. A figura a seguir mostra alguns componentes na tubulação. Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 23 Principais componentes da tubulação de sucção e recalque: Devido às exigências de segurança e controle de fluxo do processo, é necessária a instalação de alguns componentes e válvulas nas linhas de sucção e recalque. Os componentes básicos que devem existir são: - Válvula de pé e crivo: Utilizada em sucções negativas em tubulações verticais, tem a função de manter a escorva da bomba, isto é, manter a bomba e a linha de sucção preenchido do fluido a ser bombeado, agindo como uma válvula de retenção. O crivo é a grade de entrada, e tem a função de reter partículas sólidas grandes, que causariam entupimento da bomba. Sua fixação pode ser soldável, rosqueada ou flangeada. Em sucções positivas não se aplica a válvula de pé, usa-se somente o crivo. - Válvula de retenção: É usada quando é necessário que o fluxo seja possível só num sentido. É de funcionamento automático. Geralmente instalada após o recalque da bomba para prevenir a bomba do golpe de aríete provocado pelo desligamento repentino da bomba. Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 24 - Válvula gaveta: Tem uma gaveta, uma sede ou assento. A gaveta tem um movimento de translação (deslizamento no assento); pode ser cônica ou paralela; inteiriça ou em duas partes. Perde um mínimo de carga quando completamente aberta, drena bem a linha e facilita a abertura ou fechamento devido ao movimento da gaveta ser adequado ao escoamento. Não recomendada para controle de fluxo. Válvula de retenção de portinhola Válvula de retenção de esfera, utilizada para líquidos viscosos. É de pequenas dimensões. Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 25 - Válvula globo: O nome globo resulta de seu formato. É indicada para fechamento e regulagem do fluxo. Pode trabalhar em qualquer posição de fechamento. - Válvula borboleta: É usada, principalmente, em tubulações de grande diâmetro (mais de 20”) e de baixa pressão, que não exigem vedação perfeita, para serviços com água, ar, gases, materiais pastosos, bem como para líquidos sujosou que contenham sólidos em suspensão. O fechamento da válvula é feito por meio de um disco de fechamento que gira no sentido perpendicular ao sentido de escoamento do fluido. A válvula borboleta é instalada entre dois flanges da tubulação. Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 26 B VR RG 2,0 m 28,0 m VPS R 12” 10” DADOS ADICIONAIS: Comprimento total da sucção = 5m (01 curva) Comprimento total do recalque = 400m (02 curvas) S=Sucção / B=Bomba / VR=Válvula Retenção / RG=Registro Gaveta / VP=Válvula Pé / R=Recalque Levantamento da curva característica do sistema: Todos os processos sofrem variações devidas a inúmeros fatores. Com o processo de bombeamento não é diferente e a vazão de projeto deve ser considerada variável dentro de uma faixa previamente estabelecida. Para isso é necessário conhecer a altura manométrica para essas diferentes vazões e levantar a curva do sistema que consiste na determinação da altura manométrica total cada uma das vazões do sistema. Geralmente é utilizado de 5 a 6 pontos de vazão incluindo a vazão zero (shut off). Dentro dessa faixa, estabelecer no máximo 2 vazões maiores do que a vazão de projeto. Exemplo: Se a vazão de projeto for de 300 m3/h, a curva do sistema poderia ser 0 m3/h, 100 m3/h, 200 m3/h, 300 m3/h (vazão do projeto), 400 m3/h e 500 m3/h. Exercício 1: Determine a curva do sistema para a instalação abaixo, considerando a vazão de água para 300 m3/h e uma tubulação e acessórios de 10” para recalque e 12” para sucção. Considere as vazões 0 m3/h, 100 m3/h, 200 m3/h, 300 m3/h (vazão do projeto), 400 m3/h e 500 m3/h. Primeiramente calculamos as perdas de cargas na sucção e no recalque Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 27 ∆Ps (Perdas de cargas na sucção): ∆Pr (Perdas de cargas no recalque): A altura manométrica total será a soma da altura geométrica da sucção e recalque (30 m) com as perdas de cargas de sucção e recalque de cada vazão. Lembrando que para vazão zero, não há perdas de carga e a altura manométrica total será a soma da altura geométrica da sucção e recalque. A altura manométrica encontrada para a vazão de projeto mais a própria vazão de projeto é denominada ponto de projeto. Nesse caso o ponto de projeto é 300 m3/h e _____mca. vazões componentes 100 200 300 400 500 5m de tubo Ø12" 1 curva 90º Ø12” 1 valvula de pé Ø12” total vazões componentes 100 200 300 400 500 400 m de tubo Ø10" 2 curvas 90º Ø10" 1 valv. retenção Ø10" 1 valv. gaveta 10" total Q (m3/h) AMT (mca) 0,0 100,0 200,0 300,0 400,0 500,0 Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 28 B VR RG 2,0 m 10 m VPS R 5” 4” DADOS ADICIONAIS: Comprimento total da sucção = 6m (01 curva) Comprimento total do recalque = 100m (02 curvas) S=Sucção / B=Bomba / VR=Válvula Retenção / RG=Registro Gaveta / VP=Válvula Pé / R=Recalque Traçar a curva do sistema: Após traçada a curva do sistema, o próximo passo é a seleção da bomba em catálogo do fabricante. Lembrando que a bomba deverá atender não só apenas ao ponto de projeto e sim toda a curva do sistema. Exercício 2: Determine a curva do sistema para a instalação abaixo, considerando a vazão de água para 100 m3/h e uma tubulação e acessórios de 4” para recalque e 5” para sucção. Considere as vazões 0 m3/h, 20 m3/h, 50 m3/h, 100 m3/h (vazão do projeto), 120 m3/h e 140 m3/h. Indique o seu ponto de projeto. 100 200 300 400 500 0 10 20 30 40 50 H (mca) Q (m3/h) Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 29 ∆Ps (Perdas de cargas na sucção): ∆Pr (Perdas de cargas no recalque): vazões componentes total vazões componentes total Q (m3/h) AMT (mca) Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 30 Curva do sistema: Ponto de projeto: ______m3/h e ______mca. Lembrando que nos dois exercícios, os reservatórios são abertos. Caso o reservatório de recalque fosse fechado (pressurizado), deveríamos somar essa pressão do reservatório (em mca) à altura manométrica total. Caso o reservatório de sucção fosse fechado (pressurizado), deveríamos subtrair essa pressão do reservatório (em mca) da altura manométrica total. E ainda se a sucção fosse positiva (bomba afogada), deveríamos subtrair a altura geométrica de sucção da altura manométrica total. (Ver página 21). Q (m3/h) H (mca) Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 31 Curvas características das bombas: Todo fabricante de bombas centrífugas deve apresentar as curvas características de suas bombas indicando a performance da bomba. Elas são importantes para a escolha certa da bomba em função do ponto de projeto do sistema. A coluna H indica a altura manométrica em mca e a linha Q a vazão em m3/h. A escolha da bomba deve ser feita fazendo com que o ponto de projeto do sistema fique o mais próximo do rendimento máximo da curva.. Rendimento: energia consumida para realizar um trabalho. Quanto maior o rendimento da bomba, menos energia ela gastará para realizar o bombeamento, isto é, em se tratando de um motor elétrico que aciona a bomba, menor será o consumo de energia elétrica. O gráfico mostra três zonas de operação, sendo que a zona A é onde tem menor rendimento e não deveria ser utilizada, pois seu rendimento é muito baixo. A zona B é considerada aceitável. Na zona C, pode ocorrer uma sobre carga do sistema, ou seja, o motor produz uma energia além do necessário para realizar o trabalho, sendo desperdiçada na forma de calor. A vazão de projeto deve estar na zona ideal de operação, que é uma faixa correspondente de 80% a 110% da vazão de maior rendimento. Zona A Zona B Zona C H mca Q m3/h 50% 80% 110% Zona ideal De operação Rendimento máximo Rendimento Diâmetro do rotor Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 32 Exemplo: Determinar a zona ideal e a zona aceitável de operação da curva da bomba abaixo: Rendimento máximo: 78%. A vazão para atingir o maior rendimento é de 360 m3/h. A zona ideal de operação será entre 80% e 110% dessa vazão de maior rendimento, ou seja, a vazão mínima para a zona ideal será de 288 m3/h e a vazão máxima será de 396 m3/h. A zona aceitável será 50% da vazão de maior rendimento, ou seja, 180 m3/h.Determinar a zona ideal e a zona aceitável de operação das curvas a seguir: 20 40 60 80 100 0 100 200 300 400 500 Q m3/h 6257 67 ø361 ø380 ø417 47 77 72 ø400 74,5 78 ø345 ø330 77 74,5 Zona Ideal Zona Aceitável 360 Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 33 Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 34 Zona Ideal de Operação H Q 20 40 60 80 100 0 100 200 300 400 500 Q m3/h 6257 67 ø361 ø380 ø417 47 77 72 ø400 74,5 78 ø345 ø330 77 74,5 Rend.: 77% Rotor: 390mm Q = 300m3/h H = 70mca Operação fora da condição de rendimento máximo: Curvas de catálogo: Exemplo de uma curva de performance de uma bomba Obs.: O diâmetro do rotor foi encontrado por aproximação por não coincidir exatamente sobre uma curva de diâmetro. A seguir veremos uma forma mais exata de se encontrar o diâmetro do rotor. Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 35 Cálculo do diâmetro do rotor na curva da bomba: Uma maneira de calcular o diâmetro do rotor, quando o ponto de operação esta fora de um diâmetro conhecido na curva característica da bomba é o seguinte: 1 - Da origem do plano cartesiano, traça-se uma reta até o ponto de operação desejado. Caso o plano cartesiano não apresente a origem, ou seja, altura manométrica zero (H = 0), basta prolongá-lo até encontrarmos sua origem, usando a mesma escala utilizada no plano. 2 - A reta traçada deverá cortar a curva conhecida mais próxima ao ponto de operação desejado, encontrando uma nova vazão Q e uma nova altura H. 3 - Através das fórmulas abaixo, encontra-se o valor do diâmetro desejado. Onde: - D = diâmetro conhecido; - D1 = novo diâmetro; - Q = vazão conhecida; - Q1 = nova vazão; - H = altura manométrica conhecida; - H1 = nova altura manométrica. 4 – É interessante optar pelas duas fórmulas, caso apresente diferença entre elas, optar pelo maior diâmetro. Vamos ao exemplo anterior de Q = 300 m3/h e H = 70 mca onde encontramos o diâmetro do rotor por aproximação. Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 36 Como esse plano cartesiano não apresenta origem, encontramos a origem usando a mesma escala, traçamos uma reta da origem ao ponto de operação. Essa linha irá cruzar todas as faixas de diâmetro, temos que escolher uma curva de diâmetro onde se encontram vazão e altura manométrica coincidindo na curva, ou bem próximo dela. No exemplo acima, a curva de diâmetro 330 está coincidindo com a vazão 220 e altura manométrica de 51. Agora, conhecendo uma linha de diâmetro cruzando com a vazão e altura manométrica com mais precisão no gráfico, aplicamos as fórmulas: Exercícios: encontre nas curvas a seguir, o rendimento e o diâmetro (por aproximação e pelo cálculo) rotor para: - 1. Q = 240 m3/h e H = 75 mca: - 2. Q = 340 m3/h e H = 80 mca: 51 70330 ' ' ⋅=D 17,1330' ⋅=D 6,386' =D 1 ' H HDD ⋅= 1 ' Q QDD ⋅= 220 300330' ⋅=D 169,1330 ' ⋅=D 77,385' =D 0 20 40 60 80 100 0 100 200 300 400 500 Q m 3/h 6257 67 ø361 ø380 ø417 47 77 72 ø400 74,5 78 ø345 ø330 77 74,5 Rend.: 77% Rotor: 390mm Q = 300m3/h H = 70mca 51 220 Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 37 20 40 60 80 100 0 100 200 300 400 500 Q m3/h 6257 67 ø361 ø380 ø417 47 77 72 ø400 74,5 78 ø345 ø330 77 74,5 20 40 60 80 100 0 100 200 300 400 500 Q m3/h 6257 67 ø361 ø380 ø417 47 77 72 ø400 74,5 78 ø345 ø330 77 74,5 Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 38 0 10 0 100 200 300 400 500 N PS H m ø417 NPSHr: 3,5mca 0 50 100 150 200 0 100 200 300 400 500 N cv ø400 ø230 ø417 ø361 ø220 ø380 N: 100CV Exemplo de uma curva de NPSHr de uma bomba Exemplo de uma curva de potência de uma bomba Essa potência indicada será a consumida pela bomba, tendo o motor elétrico que suprir essa potência. Ponto de trabalho: Ponto de trabalho é o encontro da curva do sistema com a curva da bomba. 20 40 60 80 100 0 100 200 300 400 500 Q m 3/h 6257 67 ø 361 ø 380 ø 417 47 77 72 ø 400 74 ,5 78 ø 345 ø 330 77 74 ,5 Rend.: 77% Rotor: 390mm Q = 300m3/h H = 70mca Curva do sistema Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 39 Devemos traçar a curva do sistema sobre a curva da bomba, para obter o ponto de trabalho. É importante que o ponto de projeto fique na zona ideal de operação. Exemplo: Traçar a curva do sistema abaixo na curva bomba para determinar o ponto de trabalho: Dados da curva do sistema: ponto de projeto Q = 300 m3/h e H = 70 mca: Determine o ponto de trabalho da curva abaixo: Q (m3/h) AMT (mca) 0 40 160 55 280 65 300 70 340 80 Zona ideal Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 40 Dados da curva do sistema: ponto de projeto Q = 312 m3/h e H = 60 mca: Q (m3/h) AMT (mca) 0 42 264 54 312 60 360 72 Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 41 Alteração do ponto de trabalho: Alterar a curva do sistema consiste basicamente em alterar o sistema para qual foi levantada a curva e isto pode ser feito de várias formas. A alteração mais usual da curva do sistema é realizada através do fechamento parcial da válvula de descarga (na linha do recalque), com isto, aumenta-se a perda de carga, fazendo com que a curva do sistema seja deslocada para esquerda. Desta forma, obteremos para uma bomba com curva estável, um decréscimo de vazão. É importante ressaltar que o mesmo efeito seria obtido com o fechamento parcial da válvula de sucção, entretanto esse procedimento não é usado pela influência indesejável nas condições de sucção. Outras formas existentes alteram substancialmente o sistema, porém para esses casos, a curva do sistema deverá ser redimensionada: - variação nas pressões dos reservatórios; - mudança no diâmetro das linhas; - inclusão ou exclusão de acessórios das linhas; - modificação de layout das linhas; - modificação do fluido bombeado. Alteração do ponto de trabalho atuando na bomba: As maneiras mais usuais de modificar a curva característica de uma bomba são de variar a rotação da bomba ou variar o diâmetro do rotor da bomba. Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 42Variação da rotação da bomba: Variação do diâmetro do rotor da bomba: Efeito da mudança de rotação nas curvas características: Existe uma proporcionalidade entre valores de vazão (Q), altura manométrica (H) e potência (P) com a rotação. Assim sendo, sempre que alteramos a rotação de uma bomba haverá, em conseqüência, alteração nas curvas características, sendo a correção para a nova rotação feita a partir das leis de similaridade. Leis de similaridade: Efeito da variação de rotação da bomba: Quando alteramos a rotação de uma bomba (com polias / correias, inversores de freqüência, redutores, etc.) podemos calcular a nova vazão, pressão e potência. Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 43 Vamos pegar o exemplo de uma bomba tendo como ponto de operação Q = 300 m3/h, H = 70 mca e com 100 cv de potência consumida. 1. Desejamos alterar a vazão para 400 m3/h alterando o RPM da bomba. A nova rotação será de 2333 RPM, mas agora veremos o que acontece com a pressão e com a potência consumida pela bomba: 11 n n Q Q = 1 1750 400 300 n = 1.300400.1750 n= 1.300700000 n= 300 7000001 =n 23331 =n 2 11 = n n H H 2 1 2333 175070 = H 56,070 1 = H 7056,0.1 =H 56,0 701 =H 1251 =H Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 44 Efeito da mudança do diâmetro do rotor nas curvas características: Se reduzirmos o diâmetro de um rotor radial de uma bomba, mantendo a mesma rotação, a curva característica da bomba se altera aproximadamente de acordo com as seguintes equações. Exemplo: temos uma bomba operando com rotor com 415 mm de diâmetro, uma vazão de 300 m3/h, altura manométrica de 70 mca e uma potência consumida de 100 cv. Deseja-se alterar a vazão para 250 m3/h, rebaixando o rotor. Qual o novo diâmetro desse rotor? 3 11 = n n P P 3 1 2333 1750100 = P 42,0100 1 = P 10042,0.1 =P 42,0 1001 =P 2381 =P 11 D D Q Q = 1 415 250 300 D = 1.300415.250 D= 300 1037501 =D 1.300103750 D= 8,3451 =D Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 45 Agora veremos o que acontece com a altura manométrica e a potência: De uma forma geral, a redução máxima do diâmetro de um rotor permitida é de 20% do diâmetro original e deve ser somente feito em bombas de rotores radiais. Se for feito em bombas de rotores axiais causará grande perda de performance da bomba. Exercício 1: Vamos pegar o exemplo de uma bomba tendo como ponto de operação Q = 200 m3/h, H = 30 mca e com 50 cv de potência consumida. Desejamos alterar a vazão para 250 m3/h alterando o RPM da bomba. Calcule a nova rotação, a nova altura manométrica e a nova potência. 2 11 = D D H H 2 1 8,345 41570 = H 44,170 1 = H 7044,1.1 =H 44,1 701 =H 61,481 =H 3 11 = D D P P 3 1 8,345 415100 = P 73,1100 1 = P 73,1 1001 =P 80,571 =P 10073,1.1 =P Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 46 Exercício 2: temos uma bomba operando com rotor com 120 mm de diâmetro, uma vazão de 100 m3/h, altura manométrica de 15 mca e uma potência consumida de 30 cv. Deseja-se alterar a vazão para 70 m3/h, rebaixando o rotor. Qual o novo diâmetro desse rotor? Qual a nova altura manométrica? Qual a nova potência? Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 47 Onde: BHP = (Break Horse Power) Potência Consumida (CV) γ = peso específico do fluido (Kgf/dm3) Q = vazão (m3/h) H = altura manométrica (m) η = rendimento (%) 2,7 = fator de conversão Potência consumida pela bomba: Com o ponto de trabalho, entramos na curva da bomba para obter: - Rendimento; - Diâmetro do rotor; - Potência consumida, que pode ser encontrada na curva do catálogo ou calculada com mais precisão através da fórmula: Vamos a um exemplo: γ água = 0,9971 Kg/dm3. Q = 300 m3/h H = 70 mca n = 77% Deve-se adicionar uma reserva de acordo com a faixa: - de 0 a 2 cv: +20% - de 2 a 20 cv: +15% - acima de 20 cv: +10% Para o exemplo acima ficaria com 111 cv, tendo então que instalar um motor próximo dessa potência, que será de 125 cv. Exercício 1: calcule a potência consumida pela bomba com os dados abaixo: γ água = 0,9971 Kg/dm3. Q = 50 m3/h H = 40 mca n = 82% η γ ⋅ ⋅⋅ = 7,2 HQBHP 777,2 9971,070300 ⋅ ⋅⋅ =BHP cvBHP 71,100= Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 48 ZONA DE BAIXA PRESSÃO Formação das bolhas de vapor ZONA DE ALTA PRESSÃO Pressão sobre as bolhas e implosão da mesma Onda de choque retira material do rotor/carcaça/etc. Tubulação Cavitação: A bomba centrífuga requer na sua entrada (sucção) uma pressão suficiente para garantir o seu bom funcionamento. Caso essa pressão seja demasiadamente baixa, atingindo a pressão de vapor, haverá a formação de vapor. As bolhas de vapor são conduzidas pelo fluxo até atingir pressões mais elevadas no interior da bomba onde ocorre a implosão das mesmas com a condensação do vapor e retorno ao estado líquido. Este fenômeno causa a retirada de material da superfície do rotor e da carcaça, sendo acompanhado de vibrações e ruído característico ao de um misturador de concreto. A cavitação pode ocorrer em maior ou menor intensidade. Quando ocorre em pequena intensidade seus efeitos são quase imperceptíveis. Já em grande intensidade, ocorrem vibrações que comprometem a vida dos componentes mecânicos. Ciclos podem chegar a 25.000/s e pressões localizadas nas partes metálicas na ordem de 1.000 atm (ou 1.000 bar ou 10.000 mca). Conseqüências da cavitação: Os efeitos da cavitação dependem do tempo de duração, intensidade da cavitação, propriedade do líquido e resistência do material à erosão por cavitação, ou seja, a cavitação causa barulho, vibração, alteração das curvas características e danificação ou "pitting" do material. O barulho e vibração são provocados principalmente pela instabilidade gerada pelo colapso das bolhas. Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 49 Sintomas da cavitação: Ruído Característico: A cavitação produz um ruído semelhante de “de grãos de areia” ou “bolas de gude”. Vibração Característica: O colapso produz excitações denominadas aleatórias, que se caracterizam por excitar freqüências naturais (ressonâncias). Alterações na performance: Dependendo da intensidade pode-se observar variações na pressão de descarga,visto no pela oscilação do Manômetro. Perdendo até mesmo a vazão. Oscilações nas Indicações da Corrente: É uma conseqüência direta das alterações na performance, tendo em vista que a potência consumida é função da pressão (AMT) e da Vazão, que variam em uma condição de cavitação. Causas da cavitação: As causas da cavitação estão ligadas ao mau dimensionamento da linha de sucção e do NPSH requerido pelo sistema e pela alteração do ponto de trabalho da bomba, saindo fora da zona aceitável da curva da bomba. NPSH – Net Positive Suction Head (Energia Positiva de Sucção). É um dos mais polêmicos termos associado a bombas, porém sua compreensão é essencial para o bom funcionamento. Assim devemos entender os conceitos de NPSH disponível e requerido. NPSH disponível É uma característica da instalação em que a bomba opera, isto é, pressão disponibilizada pela instalação para um determinado fluido. NPSH requerido Representa a pressão acima da pressão de vapor requerida pela bomba para que não ocorra a cavitação. Os fabricantes apresentam o NPSH requerido pela bomba através de curvas levantadas em banco de prova. O NPSH disponível deve ser sempre maior que o NPSH requerido. Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 50 B VR RG 2,0 m 28,0 m VPS R 12” 10” DADOS ADICIONAIS: Comprimento total da sucção = 5m (01 curva) Comprimento total do recalque = 400m (02 curvas) S=Sucção / B=Bomba / VR=Válvula Retenção / RG=Registro Gaveta / VP=Válvula Pé / R=Recalque Cálculo do NPSH disponível: Prs = pressão no reservatório de sucção em mca. Patm = pressão atmosférica no local em mca. Pv = pressão de vapor do líquido à temperatura de bombeamento em mca. Hgeos = altura geométrica de sucção (negativa ou positiva) em metros ∆Ps = somatória das perdas de carga na sucção em mca γ = peso específico do fluido bombeado em Kgf/dm3. Obs: Para sucção negativa, subtrai a Hgeo. Para sucção positiva (bomba afogada) soma-se a Hgeo. Exemplo: Determinar o NPSH disponível para o exercício 01 da página 26. ∆Ps (Perdas de cargas na sucção): vazões componentes 100 200 300 400 500 5m de tubo Ø12" 1 curva 90º Ø12” 1 valvula de pé Ø12” total ))(( sgeos atmrs disp HP pvPPNPSH ±∆−−+= γ Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 51 0 10 0 100 200 300 400 500 N PS H m ø417 NPSHr: 3,5mca Prs = pressão no reservatório de sucção em mca: 0 mca Patm = pressão atmosférica no local em mca: 10 mca (ao nível do mar). Pv = pressão de vapor do líquido à temperatura de bombeamento em mca: 1,25 mca (Água a 50ºC). Hgeos = altura geométrica de sucção (negativa) em metros: 2 metros ∆Ps = somatória das perdas de carga na sucção em mca: Na Vazão de projeto: 0,53 mca γ = peso específico do fluido bombeado. Kgf/dm3: 0,988 . Kgf/dm3 (Água a 50ºC) Consultando a curva do NPSH requerido: Para vazão de 300 m3/h, que é a vazão do projeto, o NPSH requerido para essa bomba é de 3,5 mca. Como o NPSH disponível (do projeto) é de 6,32 mca, podemos usar essa bomba sem nenhum problema. Recomenda-se o NPSH disponível ser 0,5 mca acima do que o NPSH requerido para uso geral. Para caldeiras, recomenda-se ser 3,0 mca acima. Exemplo: se o NPSH disponível (do projeto) for de 5,0 mca, o NPSH requerido (da bomba) tem que ser no máximo 4,5 mca. Se fosse para caldeiras deveria ser no máximo de 2,0 mca. )0,2)(53,0( 988,0 25,10,100 −− −+ =dispNPSH )0,2)(53,0(988,0 75,8 −−=dispNPSH )0,2)(53,0(86,8 −−=dispNPSH 32,6=dispNPSH Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 52 B VR RG 2,0 m 10 m VPS R 5” 4” DADOS ADICIONAIS: Comprimento total da sucção = 6m (01 curva) Comprimento total do recalque = 100m (02 curvas) S=Sucção / B=Bomba / VR=Válvula Retenção / RG=Registro Gaveta / VP=Válvula Pé / R=Recalque Exemplo: Determinar o NPSH disponível para o exercício 02 da página 28. ∆Ps (Perdas de cargas na sucção): Prs = pressão no reservatório de sucção em mca: _____ mca Patm = pressão atmosférica no local em mca: 10 mca (ao nível do mar). Pv = pressão de vapor do líquido à temperatura de bombeamento em mca: 0,75 mca (Água a 40ºC). Hgeos = altura geométrica de sucção (negativa) em metros: ____ metros ∆Ps = somatória das perdas de carga na sucção em mca: Na Vazão de projeto: _____ mca γ = peso específico do fluido bombeado. Kgf/dm3: 0,992 . Kgf/dm3 (Água a 40ºC) vazões componentes total Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 53 Curva do NPSH requerido (da bomba) NPSH disponível (do projeto): ______ NPSH requerido (da bomba): ______ Associação de Bombas: As razões que nos levam a usar a associação de bombas são várias e de natureza diversas, por exemplo: - Não existe uma bomba centrífuga que possa sozinha atender a vazão requerida; - Variação da vazão com o decorrer do tempo (aumento da população, por exemplo, no período de alguns anos). - Não há bomba que atenda altura manométrica requerida no projeto As razões de associação de bombas são, portanto de natureza técnico- comercial, variando desde a impossibilidade de uma só bomba atender a vazão ou altura manométrica do projeto, ou por diminuição dos custos de implantação. Associação em paralelo: Duas ou mais bombas operando em paralelo quando recalcam para uma tubulação em comum, de modo que cada uma contribua com uma parcela para a vazão total. Dessa forma, todas as bombas terão a mesma altura manométrica total. Faz-se a associação em paralelo para aumentar a vazão total do sistema. Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 54 Quanto mais bombas em paralelo tiverem associadas, teremos: Vantagem: maior flexibilidade do sistema. Desvantagem: mais unidades a serem mantidas. O número excessivo de bombas em paralelo faz com que cada uma opere muito abaixo do seu ponto de projeto. Vamos analisar uma associação de 7 bombas em paralelo: 1 Bomba 2 Bombas 3 Bombas 4 Bombas 5 Bombas 6 Bombas 7 Bombas Curva do Sistema 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 H(mca) Q(m³/h) 126,5 242,5 347,3 437,5 517 601,8 665 Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 55 - Quando 1 bomba está em operação, temos uma vazão de 126,5 m3/h. - Quando 2 bombas estão em operação, temos uma vazão de 242,5 m3/h e não de 126,5 m3/h x 2 = 253 m3/h, que era esperada. - Quando 3 bombas estão em operação, temos uma vazão de 347,3 m3/h e não de 126,5 m3/h x 3 = 379,5 m3/h, que era esperada. - Quando 4 bombas estão em operação, temos uma vazão de 437,5 m3/h e não de 126,5 m3/h x 4 = 506 m3/h, que era esperada. - Quando 5 bombas estão em operação, temos uma vazão de 517 m3/h e não de 126,5 m3/h x 5 = 632 m3/h, que era esperada. - Quando 6 bombas estão em operação, temos uma vazão de 601,8 m3/h e não de 126,5 m3/h x 6 = 759 m3/h, que era esperada. - Quando 7 bombas estão em operação, temos uma vazãode 665 m3/h e não de 126,5 m3/h x 7 = 885,5 m3/h, que era esperada. Quando as 7 bombas estão em operação, cada uma delas passa a fornecer 95 m3/h, sendo que uma bomba operando sozinha é capaz de fornecer 126,5 m3/h. Associação em série: Em algumas aplicações, como por exemplo, por condições topográficas ou por qualquer outro motivo, um sistema poderá atingir grandes alturas manométricas, que em alguns casos, pode exceder às faixas de operação de bombas de simples estágio. Nestes casos, uma das soluções é a associação de bombas em série. Esquematicamente, a associação em série se apresenta da seguinte forma: É fácil notar, que o líquido passará pela primeira bomba, receberá uma certa energia de pressão, entrará na segunda bomba, onde haverá um novo acréscimo de pressão, a fim de que o mesmo atinja as condições solicitadas. Também fica claro que a vazão que sai da primeira bomba, é a mesma que entra na segunda, sendo, portanto a vazão constante. Quando associamos bombas em série, aumenta-se a pressão total do sistema (altura manométrica), somando-se a pressão de cada bomba. Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 56 Bombas de vários estágios: Um exemplo comum de bombas operando em série é o de bombas de vários estágios. Tudo se passa como se cada estágio fosse uma bomba isolada. A vazão é a mesma em cada estágio e as alturas manométricas vão se somando às anteriores. As aplicações mais típicas são aquelas de pequenas e médias vazões e alturas manométricas totais elevadas. Assim são as bombas para alimentação de caldeiras, bombas para abastecimento e bombas para irrigação, entre outras aplicações. Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 57 Bombeamento Simultâneo: Algumas vezes, ocorre a necessidade de bombeamento para reservatórios distintos, simultaneamente, ou isoladamente, para um reservatório e outro, etc. Pode ocorrer também, que estes reservatórios estejam situados em níveis diferentes, como ilustra a figura abaixo. Neste sistema, o equipamento poderá bombear fluido para os reservatórios 1 e 2 simultaneamente, podendo também bombear fluido ora para o reservatório 1, ora para o reservatório 2, isoladamente. Para resolver o sistema, devemos preceder da seguinte forma: - O diâmetro da tubulação deve ser calculada pela soma das vazões dos reservatórios 1 e 2. - Supondo que o bombeamento seja realizado somente para o reservatório 1, traça-se a curva correspondente ao reservatório 1, através da tubulação 1 e seus componentes e a vazão requerida do reservatório 1. - Supondo que o bombeamento seja realizado somente para o reservatório 2, traça-se a curva correspondente ao reservatório 2, através da tubulação 2 e seus componentes e a vazão requerida do reservatório 2. - Supondo agora que os 2 reservatórios sejam abastecidos simultaneamente, deve-se traçar a curva correspondente a soma das vazões, altura geométrica do reservatório mais alto, e das duas tubulações e seus componentes. Temos assim, a solução gráfica do sistema: Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 58 )( )(7030 rpmn cvPotFsT ⋅⋅= [ ]mN. Onde: T = Torque [N.m] Fs = Fator de segurança n = Rotação [rpm] 7030 = Fator de conversão para SI Transmissão Acionador - Bomba: Os tipos de transmissão podem ser: - Acoplamento elástico - Polias e correias - Combinados (redutor + acoplamento + polias e correias, etc) Cálculos para acoplamentos elásticos. Obs: O fator de segurança é definido pelo fabricante do acoplamento, levando em conta o tipo de operação, ambiente, etc. - Selecionar o acoplamento no catálogo do fabricante, comparando o torque; - Verificar a furação máxima permitida para o acoplamento selecionado e comparar com a ponta dos eixos do motor e da bomba Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 59 Exercício: calcule o torque do acoplamento para o exercício 1 da página 45. Utilize fator de segurança 1,5. Bombeamento de líquidos viscosos: Como já estudado nas propriedades dos fluidos, viscosidade é a resistência que um fluido apresenta ao escoamento. Para facilitar a escolha de uma bomba centrífuga, ficou convencionado que todas as curvas das bombas centrífugas devem ser levantadas utilizando-se como fluido, água limpa a 20ºC e viscosidade igual a 1 centiStoke. Entretanto, estas características sofrem modificações quando a bomba opera com fluidos muito viscosos. Assim sendo, uma redução da eficiência, uma queda na vazão e altura manométrica, ocorrem de maneira geral. Para sanar esse problema, utilizam-se correções nas curvas características das bombas centrífugas. Limitações para o uso dos fatores de correção: - Usar somente as escalas indicadas no gráfico, não extrapolar valores. - Usar somente para bombas convencionais, com rotores aberto ou fechados, não usar para bombas de fluxo axial. - Usar somente para líquidos Newtonianos. Líquidos não Newtonianos: Um fluido não-newtoniano é um fluido cuja viscosidade varia de acordo com o grau de deformação aplicado. Como conseqüência, fluidos não newtonianos podem não ter uma viscosidade bem definida. Resumindo: Se você aplicar mais força, o fluido se torna sólido (ou quase isso), se aplicar pouca força, o fluido se torna líquido. Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 60 Símbolos e definições utilizados na correção: - Qvis – Vazão viscosa em m3/h – vazão quando operando com líquido viscoso. - Hvis – Altura manométrica viscosa – altura quando operando com líquido viscoso. - Pvis – Potência viscosa em CV – potência requerida pela bomba quando operando com líquido viscoso. - Qw – Vazão da água em m3/h, quando operando com água. - Hw – Altura manométrica da água em mca, altura quando operando com água. - γ – Peso específico (Kgf/dm3). - fQ – Fator de correção para vazão - fH – Fator de correção para altura manométrica - fη – Fator de correção para rendimento. Fórmulas para correção: vis visHvisQvisPvis η γ ⋅ ⋅⋅ = 7,2 QwfQQvis ×= HwfHHvis ×= nwfnnvis ×= fQ QvisQw = fH HvisHw = fn nvis nw = Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 61 Exemplos de cálculos: Escolha da bomba para dadas condições de H e Q de um líquido de viscosidade conhecida. Escolher uma bomba capaz de fornecer uma vazão de 170 m3/h com H = 30 mca (nos casos de bomba multi-estágios, deve-se usar a altura de um estágio), sendo a viscosidade do líquido igual a 190 centiStokes e peso específico igual a 0,90 na temperatura de funcionamento. Entrando-se no gráfico de correção com Qvis = 170 m3/h, vai-se até Hvis = 30. Depois segue-se até a reta da viscosidade de 190 centiSotkes e então na vertical até as curvas que indicam os fatores de correção. fQ = 0,94 fH = 0,91 (para 1,0 Q) fn = 0,62 Daí calcula-se: No manual de curvas de bombas procura-se uma bomba capas de fornecer uma vazão de 180,85 m3/h e 32,96 mca de altura manométrica. Se o rendimento encontrado na curva da bomba for, por exemplo, de 80%,então o rendimento com líquido viscoso será: fQ QvisQw = 94,0 170 =Qw 85,180=Qw fH HvisHw = 91,0 30 =Hw 96,32=Hw nwfnnvis ×= 8062,0 ×=nvis %6,49=nvis Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 62 A potência consumida pela bomba, operando com o líquido viscoso será: Exercício: Escolher uma bomba capaz de fornecer uma vazão de 400 m3/h com H = 60 mca, sendo a viscosidade do líquido igual a 300 centiStokes e peso específico igual a 0,75 na temperatura de funcionamento. vis visHvisQvisPvis η γ ⋅ ⋅⋅ = 7,2 6,497,2 90,030170 ⋅ ⋅⋅ =Pvis CVPvis 27,34= Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 63 Exercício: Projeto de bombeamento: Passos para cálculo do projeto: 1. Calcular diâmetro da tubulação de sucção e recalque. 2. Calcular as perdas de cargas na sucção e recalque. 3. Calcular a altura manométrica total (pressão da bomba). 4. Estabelecer o ponto de projeto (H e Q) 5. Traçar a curva do sistema. 6. Calcular o NPSH disponível. 7. Selecionar a bomba, indicando seu ponto de operação (rendimento e Ø do rotor) 8. Calcular a potência consumida pela bomba, e determinar a potência do motor elétrico. 9. Calcular o torque para seleção do acoplamento. Dados do exercício: Vazão de projeto: 200 m3/h. Variações de vazão: 100 m3/h, 150 m3/h, 200 m3/h e 250 m3/h. Líquido bombeado: Água a 40ºC Altitude de local: 600 m acima d nível do mar Esquema: Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 64 Desenvolvimento dos cálculos: 1. Diâmetro da tubulação de sucção e recalque: 2. Perdas de cargas na sucção e recalque: ∆Ps (Perdas de cargas na sucção): ∆Pr (Perdas de cargas no recalque): vazões componentes total vazões componentes total Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 65 3. Altura manométrica total: 4. Ponto de projeto: Altura manométrica (H) ______mca e Vazão (Q)__________ m3/h. 5. Curva do sistema: Q (m3/h) AMT (mca) Q (m3/h) H (mca) Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 66 6. NPSH disponível: 7. Seleção da Bomba conforme catálogo: Modelo: Rendimento: Ø do rotor: NPSH requerido: 8. Potência consumida pela bomba e potência do motor elétrico: 9. Torque para seleção do acoplamento: Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 67 Conclusões: 1. Diâmetro da tubulação de recalque_______e sucção________. 2. Ponto de projeto: H______Q_______. 3. NPSH disponível__________e requerido__________. 4. Modelo de Bomba: ______________RPM_________rendimento________ Ø do rotor_________ 5. Potência do motor elétrico__________.cv 6. Torque do acoplamento____________.Nm Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 68 Tabela de Pressão de Vapor e Peso Específico da Água: OBS: Multiplicar a pressão por 10 para converter em mca. Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 69 Motores Elétricos: Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 70 Tabela de pressão atmosférica em função da altitude Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 71 Tabela de perdas de pressão em trechos retos de tubulações Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 72 Tabela de perdas de pressão em curvas e válvulas de pé Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 73 Tabela de perdas de pressão para válvulas de retenção e gaveta Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação Bombas Centrífugas – Seleção e Aplicação 74 Gráfico de determinação da performance de bombas centrífugas para líquidos viscosos:
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