Aula 06 Estudos Hídricos EngCivil

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Disciplina: Estudos Hídricos
Notas de Aula 06: Sistemas de Recalque –
Bombas Hidráulicas. Golpe de Ariete –
Transiente Hidráulico.
Professor: MSc. Eng.o Alexandre Marcos F. da C. e Silva
Natal – Rio Grande do Norte.
Na impossibilidade de transportar a água por gravidade até o seu
destino final, devido as configurações geográficas (topográficas) do terreno e
a grande escassez de mananciais alternativos, o sistema de recalque surge
como principal solução viável.
O Sistema de Recalque é o conjunto de tubulações, acessórios,
bombas e motores necessários para transportar uma certa vazão de líquido
de um reservatório inferior R1 na cota Z1, para outro superior R2, na cota Z2
> Z1.
Assim, a finalidade do sistema de recalque ou bombeamento é elevar a
cota piezométrica do líquido no interior do conduto, para vencer os desníveis
geométricos e as perdas de carga.
1. Introdução e conceitos gerais.
Recalque, de Altura :Hr
Sucção, de Altura :H
,Geométrica Altura :H
R no Total caPiezométri Altura :Z
R no Total caPiezométri Altura :Z
superior,ou alto mais Res. - R
inferior,ou baixo mais Res. - R
S
G
22
11
2
1
Em abastecimento de água são indicadas os sistemas de
recalque nas seguintes situações:
- Captação de água bruta;
- Aduzir água por recalque (devido aos desníveis
topográficos);
- Transportar água de um reservatório para outro
((devido aos desníveis topográficos);
- Lavagem de filtros de ETAs (lavagem
ascendente);
- Injeção direta de água na Rede de Distribuição
(Booster);
Para isto são necessárias as seguintes condições:
- Planejamento adequado;
- Projeto bem detalhado e bem especificado;
- Execução adequada;
- Boa operação e manutenção.
2. Altura Manométrica.
Altura Manométrica ou altura total de elevação é a carga
que a bomba deve fornecer para que o líquido seja
transportado do reservatório R1 para o reservatório R2.
Carga. de Perdas das Som. : ,geométrica alt. :H ;
:equação pela expressa é )Hou (H amanométric alturaA 
G
manm
  HHHH Gman
3. Elementos hidráulicos de um Sistema de Recalque
Curva Característica da Tubulação.
Para a solução de problemas de bombeamento é conveniente
traçar-se a curva característica do sistema (da tubulação) a qual
fornece, para cada vazão de bombeamento, a perda de carga e a
altura manométrica total.
Assim, a Curva Característica do Sistema é obtida
calculando-se previamente as perdas de carga nas tubulações de
sucção e de recalque, para várias vazões de escoamento,
somadas ao desnível geométrico; fornecendo os pontos para o
traçado da curva.
Curva característica
do sistema, para um
diâmetro de recalque (DR)
previamente escolhido, em
função da vazão de
bombeamento e da altura
manométrica total.
),H(h Recalque no aManométric Altura :h
),H(h Sucção na aManométric Altura :h
recalque, no Acidental Carga de Perda :h
recalque, no atritopor Carga de Perda :h
Recalque, no Total Carga de Perda :H
Sucção, na Acidental Carga de Perda :h
sucção, na atritopor Carga de Perda :h
Sucção, na Total Carga de Perda :H
Recalque, do Geométrico Desnível :h
Sucção, da Geométrico Desnível :h
Total, Geométrico Desnível :H
RGRR
SGSS
SR
fR
R
SS
fS
S
GR
GS
G


4. Classificação das Bombas.
Tipos de Bomba, segundo o Hidraulic Institute Standard:
a) Bombas Centrífugas;
b) Bombas Rotativas;
c) Bombas de Êmbolo ou de Pistão;
d) Bombas de Poço Profundo (Tipo Turbina);
e) Bombas Especiais (de ejetor, de injeção de gás,
de ariete hidráulico, eletromagnéticas).
a) Bombas centrífugas:
As bombas centrífugas cobrem uma grande variedade de
vazões versus alturas manométricas elevadas, têm bom
rendimento em relação às outras, são mais baratas e
apresentam uma grande variedade quanto a sua classificação,
cobrindo praticamente quase todas as necessidades de
aplicação no campo do abastecimento de água.
b) Bombas rotativas:
São indicadas para grandes vazões e pequenas alturas de
elevação. Em algumas ocasiões são usadas na elevação de
esgotos. São de baixo rendimento, devido ás fugas que se
verificam entre hélice as canaletas que as contêm.
c) Bombas de êmbolo ou de pistão:
São indicadas para pequenas vazões, e quando se requer
precisão nas vazões de bombeamento. Em abastecimento de
água são usadas na dosagem de produtos químicos no
tratamento da água.
d) Bombas de poço profundo:
São usadas para captação de água de poços profundos.
Sendo atualmente, substituídas pelas bombas submersas, que
requerem uma estrutura de montagem mais simples e por serem
mais baratas.
5. Bomba Centrífuga.
É aquela que desenvolve a transformação de energia
através do emprego de forças centrífugas.
Tipos de bombas de centrífugas:
a) de Fluxo Radial;
b) de Fluxo Misto;
c) de Fluxo Axial;
5.1. Classificação da Bomba Centrífuga.
a) De acordo com as características do coletor (perfil interno da
carcaça).
- Tipo Voluta: É aquela cujo perfil interno
corresponde aproximadamente à trajetória que a partícula
líquida realiza, evitando o máximo de choques e
turbulências.
- Tipo Carcaça com difusor ou
conhecida como tipo turbina: É aquela que dispõe
de palhetas fixas no seu interior, com a função de
direcionar o fluxo líquido saído do rotor.
b) De acordo com o ângulo que a direção do líquido ao sair do
rotor forma com a direção do eixo.
- de Fluxo Radial: Centrífuga propriamente dita.
- de Fluxo Axial ou Propulsora: O rotor é tipo hélice,
sendo mais indicada para grandes vazões e baixas alturas
manométricas. Trabalha submersa, acionada por um eixo vertical de
transmissão, acoplado ao motor (vertical) instalado na superfície.
- de Fluxo Misto: Centrífuga e propulsora. Neste tipo de
bomba o fluido chega axialmente ao rotor e já atinge as pás,onde,as
pás são de dupla curvatura impondo ao fluido uma trajetória em
forma de curva reversa que chega ao bordo de saída da pá.
5.2. Apresentação das bombas de Fluxo Radial (Centrífugas Propriamente
ditas).
1) De acordo com o modo que a água entra no rotor:
- Sucção Simples,
- Sucção Dupla.
2) De acordo com o tipo de Sucção:
- Auto Escorvante,
- Não auto escorvante (mais comuns).
3) De acordo com o número de rotores:
- Um estágio,
- Múltiplos estágios.
4) De acordo com o tipo de montagem do conjunto:
- Horizontal,
- Vertical.
5) De acordo com o projeto do rotor:
- Fechado (para líquidos limpos),
- Semi-aberto (Líquidos Sujos),
- Aberto (líquido com matéria
sólida em suspensão).
6) De acordo com a construção da carcaça:
- Carcaça bipartida horizontalmente,
- Carcaça bipartida axialmente.
7) De acordo com o nível do líquido no poço de sucção:
- Sucção Positiva: Quando o nível do líquido no
poço de sucção está abaixo do eixo da bomba.
- Sucção Negativa: Quando o nível do líquido no
poço de sucção está acima do eixo da bomba. Nesse caso
costuma-se dizer a bomba trabalha afogada.
5.3. Conjunto Elevatório ou Grupo Moto-Bomba.
É o equipamento constituído por uma
bomba acoplada a um motor o qual é o
responsável pela força motriz e
consequentemente o impulsionamento da
bomba.
5.4. Estação Elevatória ou Casa de Bomba.
É a identificação onde encontram-se instalados os
conjuntos elevatórios, seus acessórios hidráulicos,
implementos elétricos (substação abaixadora de tensão,
quadros de comandos e controle), dispositivos de proteção
hidráulicos e elétricos, etc.
6. Dimensionamento do Conjunto Elevatório.
Volgmg
Vol
mg
gmPF
HFW
W
G
....
.
.
B. ponto o paraA ponto
 do fluida partícula uma
 de e transportao necessário
 mecânico trabalhoo Seja
 


G
G
G
HQ
t
W
t
HVol
t
W
HVolW
queTemos
....
..
:





)(
.75
..
bomba. da
acionador eixo no exigida Potência :
ideal. bombaumapor consumida potência a É:)(
)/(75
)(..
: temos vapor),(cavalo CV"" em
Kgf.m/s""converter paraK por se-dividindo e recalque) e
(sucção s tubulaçõenas carga de perdas as H à se-Somando G
CV
n
HQPBHP
er) Horse PowBHP (Break
PowerHorseWaterWHP
sLQseK
HHHHCV
K
HQWHP
man
GRSman
man





33 /1000)/(
/01)/(
:
mKgfsmQ
lKgf,sLQ
eáguaforfluidooSe




motor. do Rendimento:
bomba, da Rendimento:
75%), a (70% elevatório conjunto do Rendimento:
a,ManométricAltura:
,escoamento de Vazão :
fluido, do específico Peso :
bomba,-moto conjunto do Potência :
M
B
MB
man
n
n
.nnn
H
Q
P


7. Dimensionamento do diâmetro econômico de recalque.
calculado. recalque de ao
superior nteimediatame comercial o é sucção da Diâmetro O :OBS.
 1,0. se-adota enormalment 1,5; a 0,8
(m), recalque de Diâmetro :
/s),(m Escoamento de Vazão :
:
24
º:
)/24(.3,1
:92/66) - (NB ABNT Pela
)/24(.
:Forcheimer de Fórmula Pela
)/24(.
:Bresse de Fórmula Pela
3
25,0





K
D
Q
Onde
diaumemntofuncionamedehorasdenXSendo
diahdemenostrabalharEEaVálidaQXD
diahdemenostrabalharEEaVálidaQXKD
diahntofuncionameparaVálidaQKD
R
R
R
R
8. Escolha de uma bomba.
Deve-se escolher a que oferecer rendimento máximo e
ligeiramente à esquerda deste ponto. Ainda, considerar a
questão comercial do problema.
8.1. Bombas trabalhando em série.
Duas bombas em série: Q = Q1 = Q2 (cte).
HmanT = Hman1 + Hman2
Se as bombas forem iguais, tem-se que:
Hman1 = Hman2
Logo: HmanT = 2.Hman1
8.2. Bombas trabalhando em paralelo.
Duas bombas em
paralelo:
Q = Q1 + Q2.
Normalmente: Q1 = Q2.
Logo: Q = 2 . Q1
Condição:
HmanT = Hman1 = Hman2
9. Energia Disponível no Líquido na entrada da Bomba
- NPSH.
A sigla NPSH do inglês “Net Positive Suction Head” é
adotada universalmente para designar a energia disponível
na sucção, ou seja, a carga positiva e efetiva na sucção.
Devendo considerar dois valores:
a) NPSH requerido, que é uma característica hidráulica
da bomba, fornecida pelo fabricante;
b) NPSH disponível, que é uma característica das
instalações de sucção, que se deve calcular.
0,32m. C)25º(TVapor de Tensão
 :OBS.
sucção, na totalcarga de Pressão :
ambiente, ra temperatuà líquido do vapor de Tensão :
local, aatmosféric Pressão :
aspiração, de altura:
afogada), (entrada sucção na água de alturaou carga:
:
:








 

S
GS
GS
requeridoSGSdisponível
hf
Pv
Pa
h
h
Onde
NPSHhfPvPahNPSH
queTemos



10. Cavitação.
Quando a pressão absoluta em um determinado ponto se
reduz a valores abaixo de um limite, alcançando o ponto de
ebulição da água (para essa pressão) esse líquido começa a ferver
e os condutos ou peças (de bombas, turbina ou tubulações)
passam a apresentar, em parte, bolsas de vapor dentro da
própria corrente. Esse fenômeno de formação e destruição
originadas pelas bolsas de vapor são denominadas de Cavitação.
Assim deve-se evitar que a pressão de uma bomba atinja o
limite crítico (pressão de vapor), procedendo-se:
6,00m. de tornoem se-situa 
,h de valor o prática na E,
.15,1
:seRecomenda
GSmáx
requeridodisponível
requeridodisponível
NPSHNPSH
NPSHNPSH



Denomina-se “golpe de ariete” ao choque violento que se
produz sobre as paredes de um conduto forçado quando o
movimento do líquido é modificado bruscamente. Em outras
palavras, é a sobrepressão que as canalizações recebem
quando, por exemplo, se fecha um registro, ou seja,
interrompendo-se o escoamento instantaneamente.
11. Golpe de Ariete - Conceito.
Na prática, o interrupção (fechamento) sempre leva algum
tempo, por menor que ele seja, e a energia a ser absorvida
transforma-se em esforços de compressão da água e
deformação das paredes da tubulação.
A análise do fenômeno possibilita quantificar os seus efeitos
e, com isto, se adotar as medidas preventivas cabíveis que
possam evitar, por exemplo, ruptura de tubulações por
sobrepressão, colapso de tubos, etc.
Com o fechamento do
registro, a lâmina 1 comprime-
se e a sua energia de
velocidade (velocidade v) é
convertida em pressão,
ocorrendo, simultaneamente, a
distensão do tubo e esforços
internos na lâmina (deformação
elástica). E, assim para as
demais lâminas 2, 3, 4, ...,n;
propagando-se uma onda de
pressão junto ao reservatório.
 tubo.do deelasticida de módulo do depende que eCoeficient :K
(m), tubodo parede da Espessura :e
(m/s), pressão de onde da propagação de adeou velocid Celeridade :C
(m), ocanalizaçã da oCompriment :L
:Onde
)(
.3,48
9900
:
.2
AllievedeFórmula
e
DK
C
Sendo
C
LT



Assim, denomina-se o período da canalização ou fase da
canalização (T).
Definido como o tempo ou período da propagação da onda de
pressão devido a sobrepressão ocasionada em virtude do
fechamento do registro.
18K :PVC de tubosPara 
0,6;K :dúctil ff de tubosPara 
5,0;K :concreto de tubosPara 
1,0;K :fundido ferro de tubosPara 
0,5;K :aço de tubosPara 
de.Elasticida de Módulo :E
:Onde
10
oo
10






Temos que:
E
K
Tem-se que:
água). na som do
propagação de e(velocidad
 m/s 1425C :logo ,E
 :eisindeformáv tubosPara II)
m/s. 1000 de
 ordem da é C"" Geralmente I)
:.

OBS
12. Classificação e duração das manobras de
fechamento.
O tempo de fechamento da válvula ou registro é um
importante fator. Se o fechamento for muito rápido, o registro
ficará completamente fechado antes da atuação da onda de
depressão. Por outro lado, se o registro for fechado lentamente,
haverá tempo para atuar a onda de depressão antes da
obstrução completa.
)(.2:
)(
)(.2:
lentamanobra
C
LtQuando
atuounãoaindadepressãodeondaa
MáximaãoSobrepressrápidamanobra
C
LtQuando


13. Cálculo da Sobrepressão – Fechamento rápido e
lento.
).(m/s gravidade da aceleração :
(m/s), Celeridade :
(m/s), água da média e velocidad:
(mca), pressão de aumentoou ãosobrepress :
:
)(.
rápido Fechamento :)1
2g
C
v
h
Onde
máximaãosobrepress
g
vCh
Caso
a
a
o

rápidofechamentono
máximaãoSobrepress
tg
vLh
tC
L
g
vChseTem
C
LComo: T
T
t
g
C
v
h
Onde
t
T
g
vChMichauddeFórmula
Caso
aa
a
a
o
.
..21..2..:
.2
(s). ocanalizaçã da fase :
(s), manobra de tempo:
),(m/s gravidade da aceleração :
(m/s), Celeridade :
(m/s), água da média e velocidad:
(mca), pressão de aumentoou ãosobrepress :
:
..:
lento Fechamento :)2
2



lentofechamentono
máximaãoSobrepress
14. Cálculo da Pressão Máxima.
(mca). pressão de aumentoou ãosobrepress :
(mca), geométrico desnívelou Diferença :
(mca), amanométric Altura:
:
:)
(mca). pressão de aumentoou ãosobrepress :
(mca), geométrico desnívelou Diferença :
(mca), Máxima Pressão:
:
:)
a
G
man
aGman
a
G
máx
aGmáx
h
H
H
Onde
hHH
recalqueporSistemab
h
H
H
Onde
hHH
gavidadeporSistemaa


15. Golpes de Ariete em linhas de recalque.
O caso mais importante de golpe de ariete numa linha de
recalque de bombas acionadas por motores elétricos é o que se
verifica logo após uma interrupção de fornecimento de energia
elétrica.
O cálculo rigoroso do golpe de ariete em uma instalação de
recalque exige o conhecimento prévio de dados relativos aos
grupos elevatórios, que influem no fenômeno:
a) O momento de inércia das partes rotativas da bomba e do
motor.
b) Características internas da bomba (efeitos sobre a
dissipação de energia).
c)condições da bomba de recalque ecomportamento da onda
de pressão.
Com o objetivo de limitar (combater) o golpe de ariete nas
instalações de recalque, podem ser tomadas as seguintes
medidas de proteção:
a) instalação de válvulas de retenção ou válvulas especiais,
de fechamento controlado.
b) Emprego de tubos capazes de resistir à pressão máxima
prevista.
c) Adoção de aparelhos limitadores de golpe de ariete, como
válvulas Blondelet.
d) Emprego de câmaras de ar comprimido.
e) Utilização de dispositivos especiais, como volantes em
conjuntos elevatórios (são acopladas a bomba para aumentar o
Mom. Inércia).
f) Instalação de Chaminé de Equilíbrio e Tanque de
Alimentação Unidirecional (TAU).
Dispositivos de combate ao golpe de ariete