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1 UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA CASSIANO HENRIQUE PEREIRA GUILHERME AUGUSTO DAHMER DA SILVA RODRIGO RECH FABRO SILFARNEI ALVES DA SILVA PROJETO DE SISTEMA DE BOMBEAMENTO HIDRÁULICO CAXIAS DO SUL 2015 2 CASSIANO HENRIQUE PEREIRA GUILHERME AUGUSTO DAHMER DA SILVA RODRIGO RECH FABRO SILFARNEI ALVES DA SILVA PROJETO DE SISTEMA DE BOMBEAMENTO HIDRÁULICO Trabalho da disciplina de Máquinas de Fluxo (HID0204) apresentado à Universidade de Caxias do Sul como pré-requisito para aprovação da disciplina. Prof. Orientador Me. Sérgio Machado de Godoy CAXIAS DO SUL 2015 3 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 4 2 SITUAÇÃO PROPOSTA ..................................................................................................... 5 3 DESENVOLVIMENTO ........................................................................................................ 7 3.1 DIMENSIONAMENTO DA TUBULAÇÃO ................................................................... 7 3.2 CÁLCULOS DAS PERDAS DE CARGA ....................................................................... 9 3.3 SELEÇÃO DA BOMBA ................................................................................................ 15 3.4 CÁLCULOS PARA NÃO CAVITAÇÃO DA BOMBA ............................................... 20 3.5 TRABALHO DO EIXO NA CONDIÇÃO NOMINAL ................................................. 21 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS .............................................................................................. 23 5 REFERÊNCIAS .................................................................................................................. 24 4 1 INTRODUÇÃO Para um desenvolvimento coerente de projeto, é necessário avaliar condições e características específicas de cada componente presente que se faz necessário para qualquer área de estudo em engenharia. Ao abordar máquinas de fluxo, essa importância se estende a elementos de condução, restrição, expansão, geração de fluxo de massa, entre outros. O devido dimensionamento pra tal aplicação está atrelada a uma solução com referencial teórico adequado unido a experiência em projetos no campo de estudo. Com o intuito de demonstrar capacidade de decisão adequada para um projeto na área de maquinas de fluxo, lançou-se o desafio de projetar um circuito de um sistema de refrigeração industrial, dimensionando uma bomba hidráulica adequada e a tubulação necessária para a aplicação proposta, verificando a coerência dos resultados por meio teórico baseado em métodos empíricos. 5 2 SITUAÇÃO PROPOSTA A situação proposta para o desenvolvimento do projeto foi a realização de cálculos para o dimensionamento da tubulação de um sistema de bombeamento composto por reservatório, bomba e trocador de calor, das perdas de cargas envolvidas durante o percurso do fluído, a seleção da bomba adequada através da análise gráfica, a verificação da não cavitação da bomba e por fim o trabalho de eixo realizado pela bomba para a condição nominal. Para a elaboração do sistema foram tomados por base os dados da informado pelo professor que encontram-se na Tabela 1. Temperatura da Água: 4°C Pressão Atmosférica: 101 kPa Vazão: 120 m3/h Altura do Sistema: 12 m Comprimento do Sistema: 50 m Desnível de sucção geométrica: -1,5 m Desnível geométrico: 0 m Perda de carga no Trocador de Calor: 24 m Curvas na linha de sucção: 2 Curvas na linha de recalque: 6 Comprimento total dos tubos: 124 m Tubulação: Aço Galvanizado DIN 2440 Velocidade do fluído: 2,5 m/s Com os dados de entrada sendo indispensável o cumprimento de todos os requisitos estipulados para o projeto do sistema foi elaborado o esquema da tubulação e seus componentes conforme representado na Figura 1. Todos os itens numerados estão descritos conforme Tabela 2. Tabela 1 – Dados de entrada da situação proposta Fonte: Prof. Me. Sérgio Machado de Godoy (2015) 6 Item Descrição Item Descrição 1 Reservatório de água 10 Válvula de bloqueio tipo globo 2 Entrada do fluído na tubulação 11 1ª Curva de 90° na linha de recalque 3 1ª Curva de 90° na linha de sucção 12 2ª Curva de 90° na linha de recalque 4 2ª Curva de 90° na linha de sucção 13 3ª Curva de 90° na linha de recalque 5 Válvula de bloqueio tipo globo 14 4ª Curva de 90° na linha de recalque 6 Redução de 5" para 4" 15 Trocador de Calor 7 Bomba 16 5ª Curva de 90° na linha de recalque 8 Expansão de 3" para 5" 17 6ª Curva de 90° na linha de recalque 9 Válvula de retenção 18 Saída do Fluído do cano Figura 1 – Sistema de bombeamento elaborado Fonte: Os autores (2015) Tabela 2 – Descrição dos itens do sistema de bombeamento elaborado Fonte: Os autores (2015) 7 3 DESENVOLVIMENTO 3.1 DIMENSIONAMENTO DA TUBULAÇÃO Para o dimensionamento da tubulação foi levado em consideração que a velocidade do fluido opere entre 2 m/s à 3 m/s. Para obtermos um diâmetro necessário que atenda essa condição, foram realizados os cálculos conforme a seguir: Como os valores da velocidade do fluido e da vazão do mesmo são conhecidos a área transversal que pode ser calculada por: 𝑄𝑣 = 𝑣 ∗ 𝐴 Transformando a vazão de m3/h para m3/s obtém-se: 𝑄𝑣 = 120 𝑚3 ℎ ∗ 1 ℎ 3600 𝑠 = 0,033 𝑚3 𝑠 Então para o valor da área tem-se: 𝐴 = 𝑄𝑣 𝑣 𝐴 = 0,033 2,5 𝐴 = 0,013 𝑚2 Com o valor da área é possível realizar o cálculo do diâmetro que atenda essas condições pela equação: 𝐴 = 𝜋 ∗ 𝑑2 4 𝑑 = √ 𝐴 ∗ 4 𝜋 8 𝑑 = √ 0,013 ∗ 4 𝜋 𝑑 = 0,13 𝑚 Para determinar um tubo a ser utilizado faz-se necessário a conversão da unidade de medida da tubulação para polegadas pois essa é a medida comercial encontrada em catálogos de fornecedores. Assim tem-se: 𝑑 = 0,13 𝑚 ∗ 1000 𝑚𝑚 1 𝑚 ∗ 1 25,4 = 5,12" A partir desse resultado foi pesquisado sobre o fornecimento de tubulação de aço galvanizado DIN 2440, então o tubo selecionado foi o de 5” conforme Tabela 3 do fabricante Brasetubos. Tabela 3 – Tabela de diâmetros de tubos e aço galvanizado DIN 2440 Fonte: www.brastetubos.com.br (2015) 9 Com o tubo selecionado o cálculo foi refeito com as informações do tubo escolhido e da vazão necessária para o funcionamento do sistema, assim tendo: 𝑄𝑣 = 𝑣 ∗ 𝐴 𝑣 = 𝑄𝑣 𝐴 𝑣 = 𝑄𝑣 ( 𝜋 ∗ 𝑑2 4 ) 𝑣 = 0,033 ( 𝜋 ∗ 0,132 4 ) 𝒗 = 𝟐, 𝟓 𝒎/𝒔 3.2 CÁLCULOS DAS PERDAS DE CARGA As perdas de carga foram realizadas através da análise do sistema. Primeiramente foi analisada a perda de carga na entrada datubulação com o auxílio da Tabela 4, onde para o sistema foi considerada uma entrada do tipo reentrante que normalmente é a mais utilizada para situações como esta. Tabela 4 – Coeficientes de perdas secundárias para entrada de canos Fonte: Introdução à Mecânica dos Fluídos – Fox (2001) 10 Como resultante obtemos a perda de carga na entrada definida por △h1 pela equação: △ ℎ1 = 𝑘 ∗ ( 𝑣2 2 ∗ 𝑔 ) △ ℎ1 = 1 ∗ ( 2,52 2 ∗ 9,81 ) △ 𝒉𝟏 = 𝟎, 𝟑𝟏𝟖𝟔 𝒎 Na sequência foram calculadas as perdas de carga presentes na redução da tubulação antes da entrada da bomba e na expansão da tubulação ao sair da bomba, devido ao aspecto construtivo da mesma, que possui diâmetro de admissão de 4” e diâmetro de recalque de 3”. Para isso foram utilizados os valores da Tabela 5 considerando uma angulação de 30° tanto para a redução quanto para a expansão. Como resultante obtemos a perda de carga da redução e da expansão definidas por △h2 e △h3, respectivamente, pelas equações: △ ℎ2 = 𝑘 ∗ ( 𝑣2 2 ∗ 𝑔 ) △ ℎ2 = 0,02 ∗ ( 2,52 2 ∗ 9,81 ) △ 𝒉𝟐 = 𝟎, 𝟎𝟎𝟔𝟒 Fonte: Introdução à Mecânica dos Fluídos – Fox (2001) Tabela 5 – Coeficientes de perdas para contrações graduais 11 △ ℎ3 = 𝑘 ∗ ( 𝑣2 2 ∗ 𝑔 ) △ ℎ3 = 0,02 ∗ ( 2,52 2 ∗ 9,81 ) △ 𝒉𝟑 = 𝟎, 𝟎𝟎𝟔𝟒 É calculada também a perda de carga na saída da tubulação utilizando-se os dados da Tabela 6 considerando a saída do sistema como um canto vivo. Como resultante obtemos a perda de carga na entrada definida por △h4 pela equação: △ ℎ4 = 𝑘 ∗ ( 𝑣2 2 ∗ 𝑔 ) △ ℎ4 = 1 ∗ ( 2,52 2 ∗ 9,81 ) △ 𝒉𝟒 = 𝟎, 𝟑𝟏𝟖𝟔 𝒎 Fonte: Introdução à Mecânica dos Fluídos – Fox (2001) Tabela 6 – Coeficientes de perdas secundárias para saídas de canos 12 Para o cálculo das perdas de carga nas válvulas e conexões fez-se a utilização da Tabela 7 para cálculo de comprimento equivalente do fornecedor de bombas Thebe. Os cálculos para o comprimento equivalente de todas as conexões são apresentados na Tabela 10. Componente Comprimento equivalente de conexões Quantidade Comprimento equivalente total de conexões Válvula de bloqueio tipo globo 43,00 2 86,00 Válvula de retenção 16,10 1 16,10 Curva de 90° na linha de sucção 2,80 2 5,60 Curva de 90° na linha de recalque 2,80 6 16,80 Somando todos os comprimentos equivalentes totais das conexões obtidos na Tabela 8 com o comprimento total da tubulação obtemos o comprimento equivalente para todo o sistema: 𝐿𝑒𝑞 = 𝐿𝑐𝑜𝑛𝑒𝑥õ𝑒𝑠 + 𝐿𝑡𝑢𝑏𝑢𝑙𝑎çã𝑜 𝐿𝑒𝑞 = 86,00 + 16,10 + 5,60 + 16,80 + 124,00 𝐿𝑒𝑞 = 248,50 𝑚 Tabela 7 – Perdas de carga em conexões Fonte: Catálogo Thebe (2015) Tabela 8 – Perdas de carga em conexões Fonte: Os autores (2015) 13 Com o comprimento equivalente para a tubulação e para as conexões é possível calcular a perda de carga na tubulação definida por △h5 pela Tabela 9 considerando o diâmetro da tubulação de 5” conforme estipulado anteriormente e a vazão de 120 m/s2. Tabela 9 – Tabela de perda de carga em tubulações Fonte: Catálogo Thebe (2015) 14 Visto que o valor de 5,8 pode ser comprovado pela equação de Hazen-Williams: 𝐽 = 10,643 ∗ 𝑄1,85 ∗ 𝐶−1,85 ∗ 𝐷−4,87 𝐽 = 10,643 ∗ ( 120 36000 ) 1,85 ∗ 120−1,85 ∗ ( 130 1000 ) −4,87 𝐽 = 0,058 Como os valores na tabela estão para tabela de perda de carga em tubulações é para cada 100 m obtém-se: 𝐽 = 0,058 ∗ 100 𝑱 = 𝟓, 𝟖 Como resultante obtemos a perda de carga em tubulações por △h5 pela equação: △ ℎ5 = 𝐿𝑒𝑞 ∗ 5,8 100 △ ℎ5 = 248,50 ∗ 5,8 100 △ 𝒉𝟓 = 𝟏𝟒, 𝟒𝟏 𝒎 A partir do cálculo de todas as perdas possíveis na tubulação define-se a perda de carga total na tubulação pelo somatório de todas as perdas calculadas mais a perda de carga gerada no trocador de calor: △ ℎ𝑝 =△ ℎ1 +△ ℎ2 +△ ℎ3 +△ ℎ4 +△ ℎ5 +△ ℎ𝑇𝐶 △ ℎ𝑝 = 0,3186 + 0,0064 + 0,0064 + 0,3186 + 14,41 + 24 △ 𝒉𝒑 = 𝟑𝟗, 𝟎𝟔 𝒎 15 3.3 SELEÇÃO DA BOMBA Para bomba deve ser levado o ponto de operação, sendo este: 𝑸 = 𝟏𝟐𝟎 𝒎𝟑/𝒉 △ 𝒉𝒑 = 𝟑𝟗, 𝟎𝟔 𝒎 Logo uma análise mais precisa torna-se interessante a criação do gráfico de operação para selecionar a bomba adequada. Primeiramente é encontrado o valor do fator de fricção pelo Diagrama de Moody através do cálculo do número de Reynolds e da rugosidade relativa conforme a seguir: Para o cálculo do número de Reynolds é utilizada a equação: 𝑅𝑒 = 𝜌 ∗ 𝑣 ∗ 𝑑 𝜇 𝑅𝑒 = 1000 ∗ 2,5 ∗ 0,13 0,001558 𝑅𝑒 = 208600,77 𝑹𝒆 = 𝟐, 𝟎𝟖𝟔 ∗ 𝟏𝟎 𝟓 O valor da rugosidade relativa é obtida pelo Gráfico 1 conforme o diâmetro e o tipo do material. Assim temos: 𝑑 = 5" Para ferro galvanizado: Ɛ = 0,0005 Então a relação obtida pela análise do Gráfico 1 será: Ɛ 𝑑 = 0,00125 16 Com o valor de Reynolds e o valor obtido da rugosidade relativa é possível através do Gráfico 2 obter o valor do fator de fricção, este sendo: 𝒇 = 𝟎, 𝟎𝟐𝟖 Gráfico 1 – Rugosidades Relativas Fonte: Introdução à Mecânica dos Fluídos – Fox (2001) 17 Para escoamento turbulento, o coeficiente de atrito, f, depende apenas da rugosidade relativa Ɛ/D, não variando com a vazão. Dessa forma o fator K que define a característica do sistema pode ser encontrado por: 𝐾 = 8 𝜋2 + 𝐷4 + 𝑓 + 8 ∗ 𝐿𝑒𝑞 𝜋2 ∗ 𝐷5 𝐾 = 8 𝜋2 ∗ 0,134 + 0,028 + 8 ∗ 248,50 𝜋2 ∗ 0,135 𝐾 = 5425002,47 Na sequência é obtido o fator de característica do sistema, sendo este: 𝐾′ = 𝐾 𝑔 Gráfico 2 – Diagrama de Moody Fonte: Introdução à Mecânica dos Fluídos – Fox (2001) 18 𝐾′ = 5425002,47 9,81 𝐾′ = 553007,39 𝑚−5𝑠2 Para instalações de bombeamento, considerando igual a zero as velocidades na superfície dos reservatórios e nula a diferença de pressão entre o reservatório de recalque e o reservatório de sucção a perda de carga na canalização é obtida pela função: △ 𝒉𝒑 = 𝟓𝟓𝟑𝟎𝟎𝟕, 𝟑𝟗 ∗ 𝑸 𝟐 A partir da equação gerada foi possível a criação do Gráfico 3 da Curva de Operação da bomba. Ao analisar o catálogo da fabricante Thebe, foi encontrado uma bomba com aplicação na área de circulação de torres de resfriamento para processos industriais. O classe do modelo selecionado é RL-33 que é uma bomba multiestágio tratorizada, com rotação nominal de 1750 rpm, possuindo um diâmetro de sucção de 4” e recalque de 3”. Dadas as condição de seleção, onde tem-se como requisitos necessários uma bomba que atenda a uma vazão de 120 m³/h e uma altura manométrica de 39,06 m conforme constado no Gráfico 3, consultou-se catálogos de fabricantes para obter o equipamento que atenda essa 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 A lt u ra d e El ev aç ão M an o m ét ri ca ( m ) Vazão (Q) Gráfico 3 – Curva de Operação Fonte:Os autores (2015) 19 condição sobrepondo a curva de operação sobre a curva da bomba a ser escolhida conforme Gráfico 4. Gráfico 4 - Sobreposição da curva de operação na curva da bomba selecionada Fonte: Catálogo Thebe (2015) Com a classe de bomba estabelecida, selecionou-seo modelo mais apropriado no catálogo do fabricante, como é visto na Tabela 10, optando pela bomba RL-33 ø = 330 mm para o rotor, que produz uma vazão de 125 m³/h com uma elevação manométrica de 40 m. Tabela 10 – Modelos de bombas Fonte: Catálogo Thebe (2015) 20 Assim é visto que a bomba selecionada atente aos requisitos pré-estabelecidos para a operação do sistema. 3.4 CÁLCULOS PARA NÃO CAVITAÇÃO DA BOMBA A garantia da não cavitação de uma bomba hidráulica deve ser realizada para assegurar para que a mesma opere adequadamente e que não comprometa a sua vida útil. Para isso faz-se necessário que o NPSHdisponível seja maior que o NPSHrequerido. Como o valor do NPSHreq pode ser obtido pela tabela do fornecedor através do valor da vazão do sistema, conforme mostra Gráfico 5, apenas será calculo valor do NPSHdisp para verificação da não cavitação. Gráfico 5 - NPSHreq em função da vazão do sistema Fonte: Catálogo Thebe (2015) Sendo assim: 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑟𝑒𝑞 = 5 𝑚 Para o cálculo do NPSHdisp foi utilizada a equação: 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑𝑖𝑠𝑝 = 𝑃2 𝛾 − 𝑃𝑣 𝛾 − 𝐻𝑠𝑔 − 𝐻𝑝𝑠 + 𝐶2 2 (2 ∗ 𝑔) 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑𝑖𝑠𝑝 = 101000 (999,9 ∗ 9,81) − 813 (999,9 ∗ 9,81) − (−1,5) − 1,2994 + 0 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑𝑖𝑠𝑝 = 10,41 𝑚 21 Conforme cálculo realizado é visto que a bomba irá trabalhar de forma correta no sistema não havendo cavitação, pois os resultados obtidos atendem a equação: 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑𝑖𝑠𝑝 ≥ 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑟𝑒𝑞 𝟏𝟎, 𝟒𝟏 𝒎 ≥ 𝟓 𝒎 3.5 TRABALHO DE EIXO O trabalho do eixo na condição nominal é uma relação diretamente proporcional entre a vazão e altura de elevação manométrica do sistema proposto, assim sendo formulada da seguinte forma: �̇�𝑛𝑜𝑚 = ∆𝑃 ∗ 𝑄 �̇�𝑛𝑜𝑚 = 𝜌 ∗ 𝑔 ∗ 𝐻 ∗ 𝑄 �̇�𝑛𝑜𝑚 = 999,972 𝑘𝑔 𝑚3 ∗ 9,8055 𝑚 𝑠2 ∗ 39,06 𝑚 ∗ 120 𝑚3 3600 𝑠 �̇�𝑛𝑜𝑚 = 12766,4 𝐽 𝑠 ∗ 1 𝐶𝑉𝑠 736 𝐽 �̇�𝒏𝒐𝒎 = 𝟏𝟕, 𝟑𝟓 𝑪𝑽 Para a condição real, o fabricante indica a utilização do gráfico presente na Gráfico 6 para determinar a potência do motor afim de realizar o trabalho de eixo na condição nominal do projeto. 22 Gráfico 6 – Gráfico Potência em função da Vazão Fonte: Catálogo Thebe (2015) A partir do diagrama apresentado na figura 1, é definido que o motor deve possuir 25CV. Logo o rendimento esperado para a bomba é obtido através do da relação entre a potência necessária fornecida pelo motor potência do eixo nominal requerida para o sistema, logo: ɳ𝑡 = �̇�𝑛𝑜𝑚 �̇�𝑓𝑜𝑟 ɳ𝑡 = 17,35 25 ɳ𝒕 = 𝟎, 𝟔𝟗𝟒 = 𝟔𝟗, 𝟒% Dado comprovado pelo rendimento afirmado pelo fabricante, que pode ser observado no Gráfico 4. 23 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS O estudo realizado para o projeto do sistema conforme a situação proposta possibilitou empregar os conhecimentos adquiridos durante o semestre da disciplina de Máquinas de Fluxo. Como resultado pôde ser constatada toda a engenharia presente no desenvolvimento da seleção de uma bomba que atende-se a necessidade na qual o sistema estaria funcionando e conclui-se que o sistema de bombeamento está trabalhando dentro do regime nominal de projeto. Um ponto crucial a ser levado em conta, é o levantamento de dados para se calcular as perdas de carga do sistema e a solicitação da não cavitação da bomba. Isto requer uma análise delicada de cada item composto e a escolha certa da bomba. 24 5 REFERÊNCIAS BRASETUBOS. TUBOS: TUBO DIN 2440. Disponível em: <http://www.brastetubos.com.br/tubo-din-2440.php>. Acesso em: 07 dez. 2015 FOX, R. W., MacDonald, A. T., Introdução à Mecânica dos Fluídos. 5ª edição, Livros Técnicos e Científicos – LTC, 2001 HENN, Érico Antônio Lopes. Máquinas de fluido. Santa Maria, RS: Editora da UFSM, 2001. 474 p. ISBN 8573910283.
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