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1. INTRODUÇÃO Quando se deseja conduzir um líquido qualquer de um ponto de cota superior para um de cota inferior o mesmo já dispõe de energia suficiente para que se dê o seu movimento no referido sentido. No entanto, quando o movimento desejado for o inverso, há necessidade de se fornecer ao líquido, por meios mecânicos, uma determinada quantidade de energia para que o mesmo seja transportado do ponto de cota inferior para o de cota superior. Ex i s t em i número s t i p o s de mecanismos destinados e utilizados na elevação de líquidos, muitos dos quais já vêm sendo aplicados desde há muitos séculos. Evidentemente, entre a gama de variação desses mecanismos, há determinados tipos que melhores se adaptam a dadas condições de pressão, vazão, rotação e outras características. Dentre os mecanismos existentes no mercado, um dos mais difundidos, é a bomba centrífuga. O uso e emprego das referidas bombas vêm se tornando muito comum, não só no meio urbano como no rural, em razão de sua grande versatilidade quando comparada aos demais sistemas Ex i s t em i número s t i p o s de mecanismos destinados e utilizados na elevação de líquidos, muitos dos quais já vêm sendo aplicados desde há muitos séculos. Evidentemente, entre a gama de variação desses mecanismos, há determinados tipos que melhores se adaptam a dadas condições de pressão, vazão, rotação e outras características. Dentre os mecanismos existentes no mercado, um dos mais difundidos, é a bomba centrífuga. O uso e emprego das referidas bombas vêm se tornando muito comum, não só no meio urbano como no rural, em razão de sua grande versatilidade quando comparada aos demais sistemas Tais bombas, no campo agrícola, têm sido aplicadas tanto em sistemas de bombeamento de água para simples abastecimento de população de uma propriedade rural, de estábulos, agro- indústrias e outras fontes de consumo, como também, e principalmente, em sistemas de irrigação por aspersão, onde há necessidade de que, dada as características do sistema, a água seja distribuída com uma determinada pressão. Outros sistemas de irrigação, como inundação, sulcos de infiltração e etc., podem, também, em muitos casos, fazer uso de tais bombas. Os mecanismos elevadores de água, de um modo geral, são classificados de acordo com os diversos princípios de funcionamento. Essa classificação, no entanto, varia de autor para au to r, como pode se r obse rvado nas classificações citadas. DAKER (1970) adota a classificação proposta por Conte: a) Por transporte: - baldes; - corrente; - nora de balde; - nora de rosário; - pá suspensa; - rodas; e - parafuso de Arquimedes. b) Por aspiração e recalque: - diafragma (mov. oscilante) - pistão(mov. alternativo) - rotor (mov. circular) c) Por coluna: - carneiro hidráulico - bomba de ar comprimido De acordo com ZAMBEL (1969) os vários tipos de bombas podem ser agrupadas em duas categorias: • alternativas: - de pistão - de diafragma - de êmbolo - de corrente a) rotativas: - de palhetas - de parafuso - tipo vortex - de engrenagens - de lóbulos- - de pistões múltiplos motora e movida - burrinhos - arietes b) bombas dinâmicas ou de fluxo: - radial - axial - mista - especiais – injetoras e – sistema air-lift. (ar comprimido) Figura 1 - Corrente Figura 2 – Nora de Baldes As figuras de 1 a 13 mostram alguns exemplos dos vários tipos de máquinas elevadoras de água, baseadas e diferentes princípios de funcionamento. Figura 3 – Nora de Rosário Figura 4 – Pá Suspensa Figura 5 – Roda D´Água Figura 6 – Parafuso de Arquimedes Figura 7 – Bomba de Diafragma Figura 8 – Bomba de Pistão Figura 9 – Carneiro Hidráulico. Figura 10 – Bomba de Engrenagens Figura 11 – Bombas de Palhetas. Figura 12 – Bomba de Lóbulos Figura 13 – Bomba de ar comprimido. 3. CARACTERÍSTICAS DOS SISTEMAS DE RECALQUE Uma instalação de bombeamento ou elevação de um líquido é, basicamente, constituída por canalização e conjunto mecânico responsável pela transmissão de energia ao líquido a ser recalcado. Essa instalação, que normalmente recebe o nome de instalação ou sistema de recalque, de um modo geral se apresenta formada por três partes distintas: a) uma canalização de sucção, que liga a fonte de captação à bomba ou mecanismo responsável pela elevação do líquido; b) um conjunto motor-bomba responsável pela transmissão da energia necessária à elevação do líquido. c) uma canalização de recalque que conduz o líquido desde a bomba até o ponto de sua distribuição ou armazenamento. 3.1. Altura geométrica e manométrica: Em uma instalação de recalque a altura geométrica pode ser subdividida em altura geométrica de recalque e altura geométrica de sucção, indicadas na figura 14 por Hr e Hs, respectivamente. Figura 14 - Instalação de recalque. No bombeamento de um fluído, entre os níveis A e B o conjunto motor-bomba do sistema tem que fornecer energia suficiente para vencer não só o desnível Hg, como também as perdas de carga ocorridas ao longo da canalização e nas peças especiais existentes. À essa altura total, representada pela soma do desnível geométrico (Hg) com as respectivas perdas de carga, denomina-se de altura manométrica, definida por Hman. De modo semelhante à altura geométrica, a manométrica também pode ser sub-dividida em altura manométrica de recalque (Hman rec.). e altura manométrica e de sucção (Hman suc.), dado pela equação 1, 2 e 3. Hman Total = Hman rec. + Hman suc. + Pres asp. (1) Hman rec. = Hr + hr (2) Hman suc. = Hs + hs (3) Onde: hr = perda de carga na canalização de recalque. hs = perda de carga na canalização de sucção. Pres. asp = pressão nos aspersores. Os valores de Hs e Hr são obtidos por medições diretas ou topográficas feitas no local da instalação. 3.2. Potência absorvida e instalada Para se elevar um fluído de um ponto de cota inferior para um de cota superior há necessidade de fornecer ao líquido, através dos conjuntos mecânicos, energia suficiente para que o mesmo vença ao próprio desnível e as perdas de carga existentes. Os valores de η são encontrados nas curvas características de cada modelo e tamanho de bomba, fornecidas pelos fabricantes. A potência instalada, como norma prática, deve apresentar um valor superior ao da potência absorvida pela bomba, de modo que haja uma certa folga entre a requerida e a fornecida pelo motor. Estes acréscimos dados à potência absorvida têm por objetivo evitar riscos com relação à precariedade da corrente elétrica (no caso de motores elétricos), prevenindo-se também das pequenas alterações na relação vazão- altura. 1CV ≅ 736W 1HP ≅ 746W. 4 - PERDA DE CARGA O líquido ao se escoar através de uma canalização sofre uma certa resistência ao seu movimento, em razão do efeito combinado das forças devidas à viscosidade e à inércia. Essa resistência é vencida pelo líquido em movimento, mediante uma dissipação de parte da energia inicial, ao que comumente se chama de perda de carga. Essas perdas de carga ocorrem não só ao longo da canalização, como também em peças especiais, como, por exemplo, registros, tês, válvulas, reduções, curvas e outras, normalmente existentes em um sistema de recalque.Perdas de Cargas • O escoamento interno em tubulações sofre forte inflluência das paredes, dissipando energia devido ao atrito. • Essa disipação de energia provoca um abaixamento da pressão total do fluido ao longo do escoamento, que é denominada perda de carga. Perdas de Carga • As perdas de cargas podem ser distribuidas ou localizadas, dependendo do motivo que as causam: • Perdas de cargas distribuidas • Perdas de cargas localizadas Perdas de Carga • Perdas de cargas distribuidas: a parede dos dutos retilineos causa uma perda de carga de pressão distribuida ao longo do comprimento do tubo fazendo com que a p r e s s ã o t o t a l v á d i m i n u i n d o gradativamente ao longo do comprimento e por isso é denominada perda de carga distribuida. Perdas de Carga • Perdas de cargas localizadas: é causada pelos acessórios de canalização, isto é, as diversas peças necessárias para a montagem da tubulação e para o controle do fluxo do escoamento, que provocam variação brusca de velocidade, em modulo e direção, intensificando a perda energia. O escoamanento sofre perturbações bruscas em pontos da instalaçao Desse modo, as perdas de cargas ocorridas pela condução da água ou um outro fluído qualquer em um sistema de recalque, podem ser classificadas em: - Perda de carga ao longo das canalizações. - Perdas de carga localizadas, locais ou acidentais. Darcy conclui que, em tubos circulares, a resistência ao escoamento da água é: - diretamente proporcional ao comprimento (L) da canalização; - inversamente proporcional ao diâmetro (D), elevado a uma potência (m); - função da velocidade (V) elevada a uma potência (n): - variável com a rugosidade das paredes da tubulação (K = coeficiente de rugosidade); Observou, ainda, que a perda de energia em uma dada canalização independe da posição da tubulação, bem como, independe da pressão interna sob a qual o líquido escoa. Assim, segundo DARCY, a perda de carga, é dada pela equação 5: (5) hf K LV D n m= . . Pela equação (5) verifica-se que quanto mais extensa for a canalização maior será a perda de carga. Da mesma maneira, maiores perdas serão observadas quando do emprego de maiores velocidades. O coeficiente K mostra que, comparando-se duas canalizações, as maiores perdas serão verificadas nas tubulações que se apresentam com paredes mais rugosas. Por exemplo, tomando-se uma canalização de ferro-fundido, ter-se-á, para uma dada condição, uma perda de carga maior se tal canalização fosse constituída por tubos de PVC, devido, justamente, a maior rugosidade apresentada pelo ferro-fundido. A relação entre a perda de carga total e o comprimento da canalização é definida como perda de carga unitária em m/m, dada pela equação 6. J = hf (6) L J = perda de carga unitária hf = perda de carga total L = comprimento da canalização 4.1 - Perda de carga ao longo da canalização A determinação da perda de carga ao longo da canalização pode ser feita através do emprego de fórmulas, ábacos e tabelas definidas por inúmeros autores que pesquisaram o assunto. No Brasil, uma das fórmulas que foi muito utilizada no cálculo de condutores de diâmetros superior a 2” é a de Hazen-Williams, podendo ser observada nas equações 7 e 8. V = 0,355.C.D.0,63.J,0,54 (7) ou Q = 0,2785.C.D2,63.J0,54 (8) Onde: V ⇒ velocidade média em m/s; C ⇒ coeficiente determinado experimentalmente e que depende do material empregado na execução das paredes da tubulação e do estado das mesmas (Tabela 1); D ⇒ diâmetro da tubulação em m; J ⇒ perda de carga unitária Q ⇒ descarga ou vazão, em m3/s. Resultados aproximados podem ser obtidos através do emprego do ábaco de Hazen-Williams mostrado na figura 15 e definido para C = 100. Para outros valores de C, recalcula-se os valores obtidos em função dos fatores de conversão, também incluídos na figura 15. No emprego da fórmula de Hazen-Williams deve-se tomar cuidado especial na escolha do coeficiente C, principalmente quando se trata de tubulações executadas com ferro fundido ou aço. Como pode ser observado na Tabela II, os valores de C para ferro fundido e aço decrescem com o tempo de uso dos tubos, devido ao processo chamado de “envelhecimento” da tubulação. Desse modo o coeficiente C a ser adotado deve estar de acordo com a vida útil esperada para a tubulação. Outra equação, também empregada, é a de Fair- Whipple Hisao, estabelecida para encanamentos de aço galvanizado de pequenos diâmetros (até 50 mm), conforme equação 9. J = 0,002021 Q 1,88 (9) D4,88 Figura 15 – Normograma de Hazen-Williams, para C = 100. TUBOS DE: - Aço corrugado (chapa ondulada) ...................................................... 60 - Aço com juntas “Lock-bar”, novos .................................................. 130 - Aço galvanizado (novos e em uso) ................................................... 125 - Aço rebitado, novos ........................................................................ 110 - Aço rebitado, em uso ...................................................................... 85 - Aço soldado, novos ........................................................................ 120 - Aço soldado, em uso ........................................................................ 90 - Aço soldado com revestimento especial (novos e em uso) ................... 130 - Chumbo ....................................................................................... 130 - Cimento-amianto .......................................................................... 140 - Cobre ........................................................................................... 130 - Concreto: Bom acabamento ............................................................ 130 - Concreto: Acabamento comum ...................................................... .. 120 - Ferro fundido, novos ...................................................................... 130 - Ferro fundido, em uso .................................................................... 90 - Ferro fundido, tubos revestidos de cimento ...................................... 130 - Grês cerâmico vidrado (manilhas) ................................................... 110 - Latão ........................................................................................... 130 - Madeira, em aduelas ...................................................................... 120 - Tijolos, condutos bem executados .................................................... 100 - Vidro ........................................................................................... . 140 - Plástico ....................................................................................... 140 Tabela I - Valores do coeficiente C da equação de Hazen-Williams TABELA II – VALORES DO COEFICIENTE C SEGUNDO OS DADOS ANALISADOS POR HAZEN-WILLIAMS 4.2 - Perda de carga localizada As perdas de cargas localizadas assumem proporções importantes no caso dos condutos forçados por recalque, em razão do, normalmente, pequeno comprimento da tubulação, em relação às inúmeras peças especiais existentes nas canalizações de um sistema de recalque. O mesmo não acontece nos casos dos condutos forçados por gravidade, onde os valores das perdas de carga localizadas são praticamente desprezíveis em relação aos valores assumidos pelas perdas de carga aolongo da tubulação. Normalmente, as perdas de carga localizadas são desprezadas em tubulações que apresentam comprimento maior que 4.000 vezes e seu diâmetro. O cálculo das perdas de carga localizadas, de modo semelhante às perdas de carga ao longo da tubulação, pode ser feito através do emprego de fórmulas, tabelas, ou normogramas próprios para o caso. De maneira mais simples, as perdas de carga localizadas podem ser calculadas através do método dos comprimentos equivalentes. Neste método, apenas para efeito de cálculo, cada peça especial é transformada num determinado comprimento retilíneo de canalização, de tal modo que a perda de carga apresentada no referido comprimento é a mesma que seria causada pela peça em questão. Desse modo, a perda de carga ao longo da canalização é recalculada levando-se em conta não só o comprimento real da tubulação como também os comprimentos equivalentes devido às peças especiais. A tabela III contém os comprimentos equivalentes em diâmetros de canalização retilínea em função do tipo de peça. Por exemplo, uma válvula de pé com crivo, de 4”, ( 0,1m) segundo Tabela III eqüivale a uma canalização retilínea de 250 vezes o seu diâmetro: L’= 250 x D L’= 250 x 0,1 = 25m PEÇA COMPRIMENTOS EXPRESSOS EM DIÂMETROS (Nº DE DIÂMETROS) - Ampliação gradual - Cotovelo de 90o - Cotovelo de 45o - Curva de 90o - Curva de 45o - Entrada norma - Entrada de borda - Junção - Redução gradual - Registro de gaveta, aberto - Registro de globo, aberto - Registro de ângulo, aberto - Saída de canalização - TÊ, passagem direta - TÊ, saída de lado - TÊ, saída bilateral - Válvula de pé e crivo - Válvula de retenção 12 45 20 30 15 17 35 30 6 8 350 170 35 20 50 65 250 100 Portanto, de acordo com o exemplo dado, uma válvula de pé com crivo de 4” proporcionará uma perda de carga equivalente a perda de carga que iria ocorrer em uma canalização de 25m sem a referida válvula. Assim para efeito de cálculo, as peças existentes são transformadas em comprimentos equivalentes, acionados ao comprimento real da canalização. Na figura 16 temos as perdas de cargas localizadas Figura 16 – Comprimentos equivalentes a perdas localizadas (em metros de tubulação retilínea 5 - BOMBAS CENTRÍFUGAS Não só as bombas centrífugas, como também os demais mecanismos aplicados à elevação de líquidos, tem por princípio a transferência de energia ao mesmo. Como o próprio nome indica, as bombas denominadas de centrífugas se utilizam da força centrífuga no recalque de líquidos. Basicamente, elas são formadas por um rotor, em forma de disco, dotados de pás ou palhetas, girando com uma determinada velocidade quando em funcionamento e uma carcaça ou corpo da bomba, geralmente em forma de espiral, conforme mostra o corte esquemático da figura 17. Figura 17- Corte esquemático de uma bomba centrífuga Desse modo, por ocasião do funcionamento da bomba, a água entrando pela parte central do rotor, através da tubulação de sucção, é lançada em direção à carcaça, com uma determinada energia de velocidade e pressão, que a conduz para a canalização de recalque. Sendo a água forçada do centro do rotor para a periferia, ocorrendo a formação de um vácuo parcial que faz com que novas porções do líquido ocupem a parte central do rotor, e dessa maneira, estabelece-se um fluxo contínuo, que é elevado através da canalização de recalque. Normalmente, a carcaça ou corpo da bomba tem uma forma espiral com o objetivo de transformar parte da energia cinética fornecida ao líquido em energia potencial de pressão. As figuras 18 a 21 mostram em corte, a bomba com uma completa relação de peças que normalmente a constituem. Figura 18 – Bomba centrífuga. Figura 19 – Bomba centrífuga. Figura 20 – Bomba centrífuga. Figura 20 – Bomba centrífuga. 6 - CLASSIFICAÇÃO DAS BOMBAS CENTRÍFUGAS As bombas centrífugas estão agrupadas na categoria de bombas dinâmicas ou de fluxo. Segundo aquela classificação elas podem ser do tipo radial, axial, ou mista, conforme o sentido de escoamento do líquido através do rotor. As bombas de fluxo radial são as centrífugas propriamente ditas, dando-se o escoamento do líquido no sentido do raio do rotor quando por ocasião de sua passagem através do mesmo. Nas bombas de fluxo misto, também denominadas de turbinas ou ainda propulsoras o sentido do fluxo é diagonal, ou seja, com um determinado ângulo em relação ao eixo de acionamento. Neste tipo de bomba a energia é transmitida à água pela ação da força centrífuga e também pela propulsão das pás do rotor sobre a mesma, isto é um caminhamento da água helicoidal. São conhecidas como bombas turbinas, em razão da semelhança do rotor com certos tipos de turbina, ou também bomba helicocentrífuga. Geralmente aplicadas na elevação da água em poços profundos e dotadas de eixo prolongado com vários rotor. Exemplo figuras 22, 23 e 24. As bombas de fluxo axial "propeller pumps", o movimento do líquido é feito no sentido do eixo de acionamento do rotor, isto é: a energia transmitida à água provém de força centrífuga, a maior parte dela é proveniente da propulsão das pás sobre o líquido, fazendo com que o mesmo saia do rotor direção axial aproximadamente. Este tipo de bomba é freqüentemente aplicado na elevação de grandes vazões contra pequenas alturas manométricas, caso muito comum em sistemas de irrigação de arroz, por inundação em várzeas ou em sistema de drenagem. Exemplo figura 25 e 26. Temos ainda as bombas especiais que incluem as injetoras e as "air-lift" (ar comprimido). Nas bombas injetoras, figura 28, há um retorno de uma certa quantidade de água da tubulação de recalque até o injetor existente na extremidade da canalização de sucção. Pela figura 28.A, pode ser observado que a parte inicial da canalização de sucção tem a forma de um tubo de venturi (injetor), no qual a água que retorna é injetada com elevada energia cinética, proporcionando a criação de certo vácuo acima do injetor. Desse modo o vácuo formado acrescentando à alta velocidade da água injetada permite elevar o limite da altura de sucção para valores superiores a 100 metros, que, no caso das bombas centrífugas comuns, é de apenas poucos metros. O rendimento de tais bombas é, no entanto, relativamente baixo. Figura 22 – Bomba vertical tipo turbina. Figura 23 – Bombas de eixo vertical. Figura 24 – Bomba Worthington vertical com eixo prolongado Figura 25 – Bomba axial. Figura 26 – Bomba axial. Quanto a posição do eixo, as bombas centrífugas podem ter eixo de acionamento na posição horizontal, que são as mais comuns e eixo na posição vertical, ou eixo prolongado cuja aplicação é mais comum nos casos de poços profundos. As bombas de eixo vertical incluem ainda as bombas submersas. Ex. figura 27. Figura 27 – Bomba vertical tipo turbina. As bombas de ar comprimido tem por princípio a mistura do ar com água, tornando tal mistura mais leve que a própria água em seu estado natural. A água pura existente no poço causa uma pressão sobre a mistura leve, água e ar,fazendo com que a mesma flua através da canalização. Esse tipo de bombeamento é muito utilizado na elevação da água de poços profundos. Ex. figuras 28 e 29. Figura 28-A – Esquema de ejetor. Figura 28-B – Bomba injetora. Figura 29 – Bomba ar comprimido. 7 - CURVAS CARACTERÍSTICAS da BOMBA: Em uma bomba centrífuga, para determinados valores de rotação e diâmetro do rotor, há uma relação definida entre as condições de vazão e a altura manométrica, cuja função pode ser expressa graficamente através do que se denomina de "curva característica da bomba". Essas curvas, quando completas, permitem inter- relacionar não só as condições de vazão e altura manométrica, como também potência absorvida, eficiência e altura manométrica máxima de sucção, ou ainda NPSH. Tais curvas, normalmente são fornecidas pelo fabricante, para cada modelo de bomba e são obtidas através de ensaios diretos em laboratórios. A sua forma de apresentação pode variar de fabricante para fabricante. Na Figura 30 tem-se, como exemplo, a curva característica da Bomba KSB modelo ETA 40-20 válida para uma rotação de 3.470 rpm. Observa-se através dessa curva que para uma altura manométrica de 60 m com um rotor de 190 mm o modelo em questão é capaz de bombear 32 m3/h, com uma eficiência de 60%, consumindo 12 CV de potência e permitindo 4m como altura manométrica máxima de sucção. Através desta curva verifica-se ainda que, para uma altura manométrica máxima tem-se uma vazão igual a zero, ou seja, a bomba recalca contra uma vedação completa, que pode ser obtida pelo total fechamento do registro, localizado à saída da bomba, na canalização de recalque. À medida que abrimos esse registro, a vazão aumenta, caindo-se o valor da altura manométrica e elevando-se o da potência absorvida. O rendimento cresce até um ponto máximo, decaindo novamente após o referido ponto, com o contínuo aumento da vazão. No entanto, para uma mesma bomba, se forem alterados os valores do diâmetro e rotação do rotor, as condições de vazão, altura manométrica e potência absorvida são também alteradas de acordo com as seguintes expressões: ;. 2 1 2 1 2 1 D D N N Q Q = Onde: Q ⇒ vazão; H ⇒ altura manométrica; N ⇒ rotação do rotor; P ⇒ potência; D ⇒ diâmetro do rotor. Para um mesmo rotor, ou seja D1 = D2, pode estabelecer-se as seguintes relações, muito utilizadas nos ensaios de bombas: Através das referidas expressões e conhecendo-se a curva característica de uma bomba para uma determinada rotação ou diâmetro do rotor pode-se recalcular as novas condições de funcionamento quando da alteração da rotação ou do diâmetro do rotor em questão. Assim sendo, alguns fabricantes apresentam para um determinado modelo de bomba, as suas características de operação para certas variações de rotação e diâmetro do rotor, como pode ser observado através da figura 30, onde se tem as características de 5 diferentes diâmetros de rotor. 3 2 1 2 1 2 2 1 2 1 2 1 2 1 ; ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ =⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ == N N P Pe N N H H N N Q Q Como pode ser observado, pelos gráficos apresentados, o rendimento de uma bomba cai muito quando a mesma opera fora de sua faixa de trabalho. É portanto conveniente escolher um modelo de bomba, de acordo com as condições de vazão e altura manométrica, que trabalhe no ponto de máximo rendimento ou próximo deste, o que acarretará uma economia de potência necessária ao motor. Nas figuras 31 a 38, tem-se outras formas de apresentação de curvas características. Segundo algumas empresas, a faixa de atuação de uma bomba, referindo-se a vazão, pode variar de 20% em relação ao ponto de máximo rendimento . Portanto a utilização de uma bomba não é definida para um único ponto de trabalho, mas sim para uma determinada faixa de variação de altura manométrica e vazão. Figura 30 – Exemplo de curva característica de bomba centrífuga. Figura 31 – Exemplo de curva característica de bomba centrífuga (KSB). Figura 32 – Tipos de Bomba. Figura 33 – Exemplo de curva característica de bomba centrífuga. Figura 34 – Exemplo de curva c a r a c t e r í s t i c a d e b o m b a centrífuga. Figura 35 – Tipos de Bomba. Figura 36 – Exemplo de curva característica de Bomba. BOMBAS CENTRÍFUGAS MONOESTÁGIO – 3500 rpm (Mark Peerless) Figura 37 – Tipos de Bomba. Figura 38 – Bombas centrífugas monoestágio – 1750 rpm Normalizadas (Mark Peerless). 8 - ASSOCIAÇÃO DE BOMBAS Em muitas situações é conveniente a associação de bombas em série ou paralelo para realizar um determinado serviço, seja por razões técnicas ou econômicas. Considera-se uma razão técnica quando é inviável o projeto, por ex: um desnível elevado vai acarretar um rotor de alta rotação aliado ao grande diâmetro do rotor, levando a acelerações centrífugas altas, e as dificuldades para especificação de materiais para suportar essas acelerações. Critérios econômicos são considerados quando o custo de duas bombas menores é inferior ao de uma bomba de maiores dimensões para fazer o mesmo serviço. Em qualquer das associações de bombas hidráulicas, a potência consumida na associação é igual a soma das potências individuais. 8.1 - Associação de Bombas em Paralelo A associação de bombas em paralelo é considerada quando é necessário um aumento de vazão no sistema. Com um aumento de vazão acarreta também, aumento na pressão, devido ao crescimento da perda de carga. O acréscimo na vazão não é linear com o aumento do número de bombas, isto é, dobrando-se o número de bombas em um mesmo sistema não vai dobrar a vazão. A curva característica de uma associação em paralelo é obtida das curvas originais de cada bomba pela soma das vazões unitárias para mesma pressão A figura 39 demonstra a obtenção da curva de uma associação paralela de duas bombas distintas. Figura 39 – Associação de bombas em paralelo. A vazão na associação é exatamente a soma das vazões de cada bomba com ambas funcionando.(10) O rendimento da associação em paralelo é dado pela equação 10. Qt Vazão da associação Qa Vazão da bomba A Qb Vazão da bomba B ηa Rendimento da bomba A η b Rendimento da bomba B b b a a t tp QQ Q ηη η + = (10) 8.2 - Associação de bombas em série Associação de bombas hidráulicas em sistemas de grande desnível geométrico leva ao conceito de associação de bombas em série. Neste caso a vazão é a mesma e as alturas são somadas. Na figura 40 temos o resultado da associação das bombas A e B em série. Figura 40 – Associação de bombas em série. A vazão que atravessa as bombas tem que ser a mesma para satisfazer a equação da continuidade. As duas bombas apresentam um diferencial de Pressão Ha e Hb que se somam para vencer a pressão manométrica Hm. A associação em série de bombas é prática comum para bombeamento em grandes desníveis. Para aplicações em situações como estas existem bombas construídas com vários rotores montados em série, constituindo uma bomba de múltiplos estágios. Uma aplicação importantede bombas de múltiplos estágios é no bombeamento de água de poços profundos. Por causa do longo eixo, esta bomba é conhecida como bomba de eixo prolongado. O rendimento da associação de duas bombas em série é dado pela equação 11. b H a H t ts ba H ηη η + = Ht Altura total a associação série Ha Altura da bomba A Hb Altura da bomba B ηa Rendimento da bomba A ηb Rendimento da bomba B (11) 9 - CANALIZAÇÃO DE SUCÇÃO Canalização de sucção é o trecho de uma instalação de recalque localizado a montante da bomba. Em razão de certas particularidades que ocorrem no referido trecho é evidente a necessidade de abordá-lo com maiores cuidados na elaboração de um projeto. Exceção feita às bombas que trabalham afogadas, (bomba instalada abaixo do nível de sucção) isto é, instalações em que não há desnível geométrico de sucção, a canalização de sucção necessita ser dotada de uma válvula de pé, geralmente acompanhada de um crivo. A figura 41 mostra os componentes de uma válvula de pé com crivo, que em termos populares, recebe o nome de cebolinha. A válvula de pé, tem por objetivo manter escorvada a bomba e canalização de sucção. É empregada em tubos de diâmetro inferior a 400mm. As bombas centrífugas antes de serem colocadas em funcionamento têm a necessidade de serem escorvadas, isto é, de que o ar existente na canalização de sucção e bomba seja extraído. O processo de escorva normalmente é feito através da introdução de água na bomba e tubulação de sucção, e essa água é mantida pela válvula de pé. Ao ser colocada em funcionamento, a bomba cria no interior da canalização de sucção uma pressão inferior à pressão externa de tal modo que a válvula de pé se abre, permitindo a entrada do fluxo de água a ser recalcado, interrompendo-se o funcionamento da bomba, a referida válvula se fecha, mantendo escorvada a instalação e em condições de se dar início a nova partida. O crivo, colocado antes da válvula de pé tem a finalidade de impedir que determinados objetos, de um certo tamanho, penetrem na tubulação de sucção e atinjam a bomba, causando danos. É ideal que a tubulação de sucção seja a mais curta possível, evitando-se o uso excessivo de peças especiais, de tal modo que se tenha o mínimo de perda de carga nesta parte da instalação. A mesma deve ser executada sempre no sentido ascendente, facilitando a expulsão do ar arrastado pela água succionada. Com o mesmo objetivo, sempre que possível é de interesse que a junção da canalização com a bomba seja feita através de uma redução excêntrica conforme mostra a figura 42 e 43. Com a finalidade de reduzir as perdas nas l inhas de aspiração devem-se adotar valores relativamente reduzidos para as velocidades de escoamento do líquido. Isto significa que os diâmetros podem vir a ser superiores aos das bocas de aspiração e de recalque das bombas, sendo necessário intercalar peças de redução. A fim de que não haja grande perda de carga ou mesmo excessiva liberação de ar, a velocidade na canalização de sucção deve ser contida dentro de certos limites. Muitos fabricantes apontam como sendo de 2m/s o valor máximo admitido para a velocidade da água na sucção. Na tabela IV e nas figuras 44 e 45, temos as velocidades recomendadas para tubulação de sucção e recalque. Em termos práticos a altura manométrica de sucção máxima permitida é tida com um valor de aproximadamente 7,0m ao nível do mar, diminuindo- o à razão de 0,10m para cada 100m de altitude. Figura 41 – Válvula de pé com crivo. Figura 42 – Esquema de instalação da canalização de sucção. a ⇒ altura da tubulação de sucção no poço h ⇒ 2,5 D + 0,10 h - distância entre o nível da água e aparte superior do crivo D - diante da tubulação m Figura 43 – Canalização de sucção. DIAMETRO (MM) LINHA DE ASPIRAÇÃO LINHA DE RECALQUE Água Óleos leves Óleos muito viscosos água óleos leves Óleos muito viscosos 25 50 75 100 150 200 250 300 mais de 300 0,5 0,5 0,5 0,55 0,6 0,75 0,90 1,40 1,5 0,5 0,5 0,5 0,55 0,6 0,7 0,9 0,9 0,3 1.0 0,33 1.1 0,375 1.15 0,40 1.25 0,425 1.5 0,45 1.75 0,5 2.0 0,5 2.65 3.0 1.0 1.1 1.15 1.25 1.5 1.75 2.0 2.0 1.0 1.1 1.1 1.25 1.2 1.2 1.3 1.4 Tabela IV - Velocidades recomendadas na aspiração e no recalque. Figura 44 - Velocidade no recalque m/s. Figura 45 – Velocidade no recalque m/s. 10 - PEÇAS ESPECIAIS: Na maioria das vezes o diâmetro da boca de recalque da bomba não é igual ao diâmetro escolhido para a tubulação de tal modo que a ligação entre um e outro é feita sempre que possível, através de reduções concêntricas. Observa-se, ainda, que a bitola da canalização não deve nunca ser inferior a bitola de saída da bomba. Tal peça tem por finalidade não só fazer a ligação em questão, como também facilitar a expulsão de ar, que possa ocorrer. Tecnicamente, é correto e aconselhável que logo após a referida redução seja instalada uma válvula de retenção, seguida de um registro de gaveta, conforme o esquema da figura 46. A válvula de retenção, tem a finalidade de proteger a bomba, quando a mesma for desligada ou tiver o seu funcionamento paralisado por um motivo qualquer. Conforme mostra a figura 46, a portinhola da válvula se abre, dando passagem ao fluxo, quando o s i s t e m a e s t i v e r o p e r a n d o , e f e c h a n d o - s e automaticamente, em caso contrário. Desse modo, a válvula de retenção evita que o golpe de ariete atue sobre a bomba, com possíveis e conseqüentes danos à mesma, evitando-se, ainda, que ela gire em sentido contrário ao normal. Com exceção dos casos em que a altura de elevação é pequena com descarga livre, nas linhas de recalque são instaladas válvulas de retenção ou válvulas especiais, com o objetivo de evitar o retorno do líquido através das bombas. A corrente líquida ao retornar para a bomba, encontrando a válvula de retenção fechada, ocasiona o choque e a compressão do fluido, dando origem a uma onda de sobrepressão (golpe de ariete positivo). Se a válvula de retenção funcionar normalmente, fechando-se no momento preciso, o golpe de ariete não atingirá o valor correspondente a duas vezes a altura manométrica (teoricamente a elevação máxima junto à válvula de retenção iguala a 90% da carga estática). Se o contrário, a válvula de retenção não se fechar rapidamente, a coluna líquida retornará, passando através da bomba e, com o tempo ganhará velocidades mais altas, elevando-se consideravelmente o golpe de ariete no momento em que a válvula funcionar (podendo atingir a 300% da carga estática, dependendo do tempo de fechamento). Com o objetivo de limitar o golpe de ariete nas instalações de recalque, podem ser tomadas as seguintes medidas de proteção: a) instalações de válvulas de retenção ou válvulas especiais de fechamento de boa qualidade; b) emprego de tubos capazes de resistir à pressão máxima prevista (geralmente duas vezes a pressão estática)". O registro de gaveta tem como objetivo principal auxiliar o conjunto motor-bomba nas ocasiões de início ou paralisação do bombeamento.Assim, quando o conjunto for colocado em operação, o registro deverá estar totalmente fechado, abrindo-o vagarosamente, após o motor ter alcançado o regime normal de trabalho. Com isso, evidentemente, evita-se uma sobrecarga ao motor, fazendo-se com que a potência absorvida pela bomba se eleve lentamente desde o mínimo até o ponto de funcionamento conjunto. Caso contrário, por ocasião da parada do motor, o procedimento se dá de modo inverso, isto é, o registro deverá ser fechado vagarosamente, após o que o motor poderá ser desligado. Desse modo evita-se as variações bruscas ao motor e demais partes do sistema, tanto no início ou término do bombeamento. O registro permite ainda, caso se tenha vazões excessivas, por um ou outro motivo, reduzi-las até um determinado ponto, de tal modo que a bomba trabalhe dentro da faixa de melhor rendimento. Esse fato pode ocorrer em casos em que a bomba ou conjunto tenham sido mal selecionados, ou mesmo em casos onde irá ocorrer o envelhecimento da tubulação, de tal modo que nas condições iniciais de operação se esteja trabalhando com uma altura manométrica reduzida e no final de um determinado período esta altura seja elevada, ou ainda em casos que se tenha grandes variações na altura geométrica de recalque. Além das peças citadas, a canalização de recalque, possivelmente, poderá apresentar, de acordo com a necessidade, determinados tipos de peças, como tês, curvas, cotovelos e outras, as quais deverão ser considerados no projeto em razão das perdas de carga que irão provocar. Como acessórios, é de interesse que se instale junto aos flanjes de entrada e saída da bomba um vacuômetro e um manômetro, respectivamente, através dos quais se tem as condições de operação da bomba By-PASS - Ligação entre a canalização de recalque (acima da válvula de retenção) e a bomba. Esse tubo é munido de registro que só é aberto por ocasião da escorva. O By-PASS pode também estar ligado a um reservatório auxiliar. Torneira de Purga é uma torneira colocada na parte mais alta da bomba destinada a permitir a saída do ar na fase de escorva, a fim de evitar que se forme uma camada de ar na parte superior da bomba. Normalmente as bombas apresentam um dispositivo, freqüentemente chamado de “copinho”, instalado em sua carcaça através do qual se introduz a água necessária à escorva. Figura 46 - Sistema de escorva e válvula e retenção. Para o caso de bombas de grandes capacidades, onde o volume da água de escorva é razoável, é comum o emprego de bombas de pequenas capacidades para a escorva. 11- GOLPE DE ARIETE Golpe de Ariete (Water-hommer em inglês, Coup de bélier em francês) é a variação de pressão que ocorre nos encanamentos quando as condições de escoamento são alterados pela variação da descarga. Assim, o fechamento de uma válvula a variação na carga demandada a uma turbina é que determina mudança na admissão da água, o desligamento da energia que alimenta o motor de uma bomba são causas de modificações na velocidade de escoamento da água. Essas modificações transforma-se em energia de pressão, aumentando a pressão em relação à que reinava antes de ter havido a perturbação. Esta sobrepressão é o golpe de ariete, um dos chamados fenômenos transitórios ou transientes hidráulicos, que são ocorrências transitórias no escoamento. O desenvolvimento do fenômeno do golpe de ariete numa instalação de bombeamento se processa da seguinte maneira. 1ª fase Quando por hipótese o fornecimento da energia elétrica é interrompida, a única energia que permite o rotor girar por algum tempo é a energia cinética, dos elementos rotatórios do conjugado motor bomba. Esta energia, porém, pequena comparada com a necessária para manter a descarga sob. a altura manométrica correspondente à instalação de modo que à velocidade angular do rotor decresce rapidamente. A redução da velocidade angular acarreta diminuição da descarga. A coluna liquida na linha de recalque, graças à sua inércia e à energia residual comunicada pelo rotor em virtude da inércia do conjunto rotatório, prossegue escoando, porém, com a velocidade decrescendo até que as forças de inércia referidas sejam equilibradas pelo efeito da ação da gravidade e do atrito, ou então o líquido escoe num reservatório dissipando sua energia pela elevação do seu nível. Nesta fase ocorre uma redução de pressão no interior do encanamento sendo essa depressão maior, no seu início, na união com a bomba, propagando-se ao longo do encanamento no sentido da sua saída. É a fase chamada golpe de ariete negativa Cada elemento que se considere do encanamento se contrai sucessivamente por uma diminuição elástica do diâmetro enquanto a onda de depressão se propaga até o reservatório, com uma velocidade ou celeridade C, cujo valor pode ser calculado pela equação 12. C K D e = + ⋅ 9 9 48 3 , , Onde: C - Velocidade ou celeridade m/s D - Diâmetro do encanamento m e - Espessura do encanamento m K - Constante, depende do material K - 0,5 aço; K=1 ferro fundido; K=5 concreto; K=18 P.V.C. (12) Se a distância entre a bomba e o reservatório é L, o tempo que a onda leva para chegar ao reservatório é L/C. Após esse tempo, a tubulação esta em depressão ao longo de toda a sua extensão, e o fluído então fica móvel. 2ª fase Devido a sua elasticidade, o encanamento readquire seu diâmetro primitivo, considerando elementos sucessivos a partir do reservatório. A água retorna a bomba ao longo do escoamento, e ao fim de um novo tempo L/C, isto é 2L/C a contar do início do fenômeno, a onda de pressão chega a bomba. Se não houver válvula de retenção fato que ocorre em instalação de bombas de grandes descarga, o liquido escoa na bomba em sentido inverso, embora, durante um certo tempo ainda, pôr sua inércia, continue girando no mesmo sentido. Essa é a chamada fase da dissipação de inércia. O rotor vai girando cada vez mais lentamente, sua velocidade passa pôr zero (se anula) e começa a girar no sentido contrário como se fosse uma turbina, aumentando rapidamente até atingir a velocidade nominal. 12 - MANÔMETROS E VACUÔMETROS Nas instalações de bombeamento é necessário a determinação da altura monométrica, a qual é real izada part indo-se da leitura dos instrumentos que medem a pressão relativa, tais como manômetro e vacuômetro. Em instalações elevatórias de água e esgoto, utilizam-se um manômetro colocado no encanamento de recalque e um vacuômetro na tubulação de aspiração (sucção) próximo à boca de bomba. Estes instrumentos medem as pressões relativas existentes no encanamento, na seção horizontal situada na mesma cota que o centro (ou na entrada) do aparelho. O manômetro fornece a diferença entre a pressão absoluta e a atmosférica, de modo que devemos somar o valor da pressão atmosférica à leitura do instrumento para termos a pressão absoluta, com a qual sempre trabalhamos. O vacuômetro mede a diferença entre a pressão atmosférica e a absoluta. Para termos a pressão absoluta devemos subtrair da pressão atmosférica o valor da leitura no vacuômetro. A leitura manométrica (H) é a diferença entre as alturas representativas das pressões na saída e na entrada da bomba (altura manométrica total) H é função das leituras feitas simultaneamentenos dois instrumentos, sendo dado pela equação 13: H = P’ + P” + m (13) γ P’ ⇒ leitura no manômtro - encanamento de recalque = mca P” ⇒ leitura no vacuômetro - encanamento de sucção = mca m ⇒ diferença de cota entre os centros desses instrumentos γ ⇒ peso específico do líquido Na prática é comum colocar o manômetro e o vacuômetro na mesma altura, onde teremos m = o, H se reduz a soma das duas leituras. i + i’- i”= m i - distância do eixo da bomba até a saída da bomba i’ - distância do eixo da bomba até o manômetro i” = distância do eixo da bomba até o vacuômetro. Os manômetros mais empregados são: a) manômetro de Embolo b) manômetro de Diafragma c) manômetro de Foles d) manômetro tipo Bourdon a) Embolo: - Emprega-se onde a pressão var ia violentamente, sua precisão não é boa. A pressão do fluído atua sobre um pequeno pistão que comprime uma mola (ex: prensa hidráulica). Pode-se medir pressão até 200Kgf/cm2. Exemplo figura 47. Figura 47 - Manômetro de embolo. b) Manômetro de diafragma Possui a forma de cápsulas sobre as quais se faz agir a pressão a ser medida. A variação da forma do diafragma é transmitida por um sistema de engrenagens a um ponteiro. Pode-se medir pressão até 28kgf/cm2 e vácuos, sendo empregados em instalações de bombeamento de água, óleo e produtos alimentícios. Exemplo figura 48. Figura 48 - Manômetro de diafragma. c) Manômetro de fole É um tubo metálico de paredes delgadas, com estrangulamentos sucessivos, podendo expandir ou contrair-se. Pode medir pressão até 56Kgf/cm2 .e vácuos sendo seu maior emprego em ar condicionado. Exemplo figura 49. Figura 49 - Manômetro de fole. d) Manômetro de Bourdon Consta de um tubo de secção elítica com forma de um arco de circunferência, tendo uma extremidade fechada e outra aberta, ligando a pressão que se quer medir. São utilizadas para pressão até 1000 Kgf/cm2 e para vácuo sendo utilizada para bombeamento de água, óleo e outros líquidos. Há tipos especiais desse momento que dão diretamente a pressão absoluta. ⇒ Para baixa pressões, até 30Kgf/cm2 o tubo é de latão, bronze fósforo, bronze silício e aço inoxidável. ⇒ Para pressão entre 30 e 70 kgf/cm2, usa-se cobre Berílio, Ni-Span. ⇒ Para pressões acima de 70kgf/cm2, usa-se Inconel-x. Exemplo figura 50. Figura 50 - Manômetro de Bourdon Exemplo: Uma bomba fornece uma descarga de 1.100m3/h e tem uma tubulação de aspiração de 16”e de recalque com 15. O manômetro situado a 0,70m acima do eixo da bomba indica a pressão de 2,2kgf/cm2 e o vacuômetro 0,25m abaixo do eixo acusa o pressão de 0,3kgf/cm2. Calcular a altura manométrica: m Y PPH ++= ´´ 22 cm kgf0,3 P" 2,2´ == cm kgfP 3mca P" mca 22´ == γγ P m = i”+ i’= 0,25 + 0,7 = 0,95m H = P’+ P”+ m = (22 + 3) + 0,95 = 25,95m γ γ Nas figuras 51 e 52, temos ligação com bombas afogadas e na 52 com manômetro e vacuômetro. Figura 51 – Bomba afogada. Figura 52 – Ligação com manômetro e vacuômetro. 13 - CAVITAÇÃO A cavitação é um fenômeno físico que ocorre nos escoamentos ligados à variações convectivas de pressão, isto é, as partículas do escoamento sofrem variações de pressão ao longo do escoamento. Quando as partículas fluídas passam por uma região de baixa pressão, da ordem de pressão de vapor do liquido, elas sofrem um processo de evaporação à temperatura ambiente criando bolhas de vapor ou cavidades, de onde deriva o nome “cavitação”, que são arrastadas pelo escoamento. Durante a permanência na região de baixa pressão as bolhas vão crescendo, retirando energia do meio para a evaporação. Ao atingir uma região de pressão mais alta a bolha é comprimida tendo o seu volume reduzido a dimensões muito pequenas em efeito que é conhecido como efeito centrípeto é condensado liberando a energia, armazenada na evaporação, em curto intervalo de tempo. Essa liberação de energia provoca uma sobre pressão localizada, denominada de efeito centrifuga capaz de gerar efeitos destrutivos nos materiais rígidos próximos. Os efeitos mecânicos observados durante o fenômeno da cavitação podem ser ilustrados por: Atualmente ainda há controvérsias sobre a explicação do fenômeno. Alguns pesquisadores afirmam que a cavitação induz a vibração à zonas mais externas do metal, sendo então os esforços destrutivos oriundos de um fenômeno oscilatório durante o qual o líquido é introduzido e expulso dos poros do material, dando origem às elevadas pressões internas. Outros acham possível o aparecimento de uma corrosão química devido a liberação de oxigênio do líquido. Uma outra corrente supõe que as bolhas de vapor e a limalha erodida da superfície do material penetram nos poros do metal afetando-o internamente por vibrações e pressões oriunda do colapso. Embora não se tendo conhecimento perfeito do mecanismo segundo o qual se processa a cavitação é possível se projetar com grande segurança, uma instalação na qual todos os pontos de percurso da água, a pressão interna seja sempre maior que a pressão de vapor do liquido em uma certa temperatura. Em geral o ponto mais crítico ocorre na entrada do rotor da bomba. A queda de pressão desde a superfície do poço de sucção até a entrada da bomba depende da vazão, do diâmetro, do comprimento virtual da tubulação, da rugosidade do material e principalmente da altura estática de sucção, distância vertical do eixo da bomba até o nível d’água do poço. Estes são os elementos susceptíveis de mudanças por parte do projetista para sanar os danosos efeitos da cavitação. O fenômeno da cavitação é particularmente danoso pois a perda de energia na cavitação tem forte influência negativa no rendimento de máquina com o conseqüente aumento no gasto de potência. Além disso a corrosão provocada pela cavitação intensifica o desgaste das peças internas da bomba reduzindo bastante a sua vida útil. Como o desgaste do rotor é aleatório, o desbalanceamento das peças giratórias é inevitável introduzindo vibração nas máquinas, aumentando o ruído e marcha irregular. Portanto a cavitação provoca: - Queda pronunciada do rendimento - Aumento da potência requerida no eixo - Marcha irregular (rotação desbalanceada) - Vibração excessiva - Aceleração de corrosão química - Ruído Nos escoamentos de líquidos potencialmente corrosivos, isto é que tenham afinidades químicas com os materiais da bomba ou da canalização, a cavitação acelera a corrosão química, intensificando o desgaste dos materiais. A atividade química de corrosão da água depende da temperatura e atinge maior intensidade para valores da temperatura em torno de 45oC. O controle dos efeitos da cavitação tem sido pesquisado principalmente na busca de materiais mais resistentes à corrosão por cavitação, seja ela física ou química. A escolha dos materiais para fabricação de bombas hidráulicas tem critérios estabelecidos segundo uma escala de resistência à corrosão. A baixo temos os materiais mais usados em ordem crescente de resistência à corrosão. - Ferro fundido - Bronze - Manganês - Aço siemens - Martin - Aço níquel - Aço cromo - (12CR)- Aço inox especiais (18CR, 8 N i ) • Não ex i s te nenhum mater ia l conhec ido completamente imune à cavitação. As pesquisas recentes têm sugerido, o revestimento das partes internas do metal, com um elastômeros, o que aumenta a vida útil da máquina, Dois elastômeros muito usados são o neoprene e o poliuretano, eles podem ser usados na forma liquida, e apresentam grande aderência ao metal. • Máquinas classificadas por corrosão podem ser recuperadas, ou por preenchimento com solda e posterior usinagem, ou com preenchimento por neoprene. • Máquinas classificadas por corrosão podem ser recuperadas, ou por preenchimento com solda e posterior usinagem, ou com preenchimento por neoprene. • Evita-se a presença da cavitação em bombas através do projeto adequado da linha de sucção minimizando o aparecimento de baixas pressões. A Figura 53 mostra a disposição de montagem de uma bomba hidráulica em duas situações distintas, na montagem apresenta em a a bomba está instalada acima do nível da água e a distância do eixo da bomba ao nível da água h, é referida como altura de sucção positiva, em b tem-se a bomba abaixo do nível da água e altura de sucção negativa. Figura 53 - Linhas de sucção: a) montagem normal; b) montagem afogada. As pesquisas sobre cavitação, tem usado a pressão na entrada da bomba referência para a menor pressão permitida na linha de sucção, apesar das perdas entre a entrada da bomba e a entrada do rotor, que tende a diminuir a pressão até atingir a posição nas pás do rotor, onde se inicia a transferência de quantidade de movimento Como a água vaporiza a pressão e temperatura constante, ao iniciar a cavitação a pressão de vapor do liquido, mesmo que o rotor tente impor seu abaixamento, provocando um limite na vazão para a qual ocorre a cavitação fazendo com que a curva da bomba sofra uma deformação a partir daquele ponto. Na Figura 54 temos uma curva de bomba com presença de cavitação. Figura 54 – Curva de Bomba Hidráulica apresentando cavitação N.P.S.H. (Net positive suction head) ou APLS (altura positiva líquida de sucção) N.P.S.H.d. - disponível É uma característica da instalação, definida como a energia que o liquido possui em uma ponta imediatamente antes da flange de sucção da bomba, acima de sua pressão de vapor. Exemplo Figura 55. Figura 55 - Esquema de ligação de bomba. O NPSHd é dado pela equação 14. γγ v d P g VPNPSH −+= 2 2 2 2 Onde: Pressão de vapor do líquido tabelado em função da temperatura. Pressão estática absoluta. Energia cinética. PV γ − − γ 2P − g V 2 2 2 (14) Aplicando a equação de Bernoulli (Figura 55) entre o nível d’água no poço de sucção, mantido constante, e a entrada da bomba tem-se a equação (15). P V g Z P V g Z hs1 1 2 1 2 2 2 22 2γ γ + + = + + +Δ (15) P Patm1 γ γ = leitura barométrica local ,tabelado em função da altitude ou dado pela equação (18). Onde: V g 1 2 2 0= Nível constante. Z1 = 0 Referencial Z2 = z Altura estática de sucção (m) Δhs Somatória de todas as perdas de carga até a entrada da bomba (perdas na sucção) (m) Portanto: Patm P V g Z hs γ γ + + = + + +0 0 2 2 2 2 Δ Patm Z hs P V gγ γ − − = +Δ 2 2 2 2 hsZPPatmdHSPN V Δ−−−= γ .... Se a bomba estiver afogada isto é, se seu eixo estiver em uma cota abaixo do nível d’água no poço, tem-se a equação 17. hsZPPatmdHSPN V Δ−+−= γ .... (16) Bomba AFOGADA (17) N.P.S.Hr ⇒ requerida ou simplesmente da bomba é uma característica da bomba, fornecida pelo fabricante, definida como a energia requerida pelo líquido para chegar, a partir da flange de sucção e vencendo as perdas de carga dentro da bomba, ao ponto onde ganhará energia e será recalcada. O N.P.S.H.r depende dos elementos de projetos da bomba (diâmetro do rotor, rotação, etc.) sendo,, em geral fornecido pelo fabricante através de uma curva em função de vazão. Para o bom funcionamento da bomba, e para que ela não entre em cavitação é necessário que a energia disponível seja maior que a energia requerida pela bomba ou: N.P.S.H.d.> N.P.S.H.r * N.P.S.H.d. - 3% a mais * ou N.P.S.H.d.≥ N.P.S.r ± 0,5m Cálculo de altura máxima de sucção: Zmax Patm P NPSHr hsV= − − − γ Δ ⇒ importa no caso o limite NPSHd =NPSHr A equação 18 nos dá a relação entre pressão atmosférica e altitude. Patm h γ = − 13 6 760 0 081 1000 , ( , ) ⇒ h - altitude do local em metros h < 2000 m ⇒ h = altitude do local em metros ⇒ h = < 2000m ..... mca (18) A pressão de vapor que é função da temperatura pode ser tirada da tabela V, a altitude em função da pressão atmosférica vista na tabela VI. Tabela V – Pressão de vapor em função da temperatura Tabela VI – Altitude em função da pressão atmosférica Na equação 19 temos o diâmetro econômico. (19) K - cte ⇒ 1 a 1,3 X = nº horas de bombeamento por dia 24 D ⇒ Diâmetro de tubulação m Q ⇒ vazão m3/s D K X Q= . 1 4 Para sucção adota um diâmetro imediatamente superior. Exemplo: - Determinar a máxima altura estática de sucção, para o seguinte caso: vazão recalcada: Q = 100 m3/h = 27,8 l/s diâmetro da sucção: 8” diâmetro de recalque: 6”. “material das tubulações: aço com revestimento especial c = 130”. Perdas de carga - Tubulação de sucção Peça comprimento equivalente (m) Válvula de pé e crivo 52,0 Curva de 900 R/D = 1 3,3 Comprimento real 6,0 Comprimento virtual 61,30 Usando a equação de Hazen-Willians Para Q = 27,8 l/s Φ = 8” ⇒ J = 0,44m / 100m c = 130 Portanto: 27,030.61. 100 44,0 ==Δhs Tubulação de recalque Peça comprimento equivalente (m) Válvula de retenção leve 12,5 Registro de gaveta 1,1 Curva de 450 (duas) 2,2 Saída de canalização 5,0 Comprimento real 80,0 Comprimento virtual 100,80 para: Q = 27,8 l/s φ = 6 " ⇒ J = 1,78 m/100m c = 130 Portanto: a. altura manométrica : Hman = Hgeo +∑ perdas = 23 +0,27 + 1,78= 25,02 m The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may have been corrupted. Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete the image and then insert it again. Método de escolha para uma bomba hidráulica Para líquidos cujo peso específico e/ou viscosidade forem diferentes da água, consultar a Fábrica. Na seleção de uma bomba hidráulica deve-se levar em consideração quatro elementos importantes, a saber: • desnível de sucção • desnível do recalque • perda por atrito na tubulação de sucção e recalque. ● perda por atrito nas conexões hidráulicas The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory toopen the image, or the image may have been corrupted. Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete the image and then insert it again. 14 -ACOPLAMENTO Em caso de acoplamento direto, a ligação entre o motor de acionamento e bomba é feito por meio de luva elástica. Esse tipo de acoplamento é utilizado quando não há necessidade de que as rotações da bomba ou do motor não precisam ser alteradas, muito comum para motores elétricos. Na transmissão de pequenas capacidades são empregadas luvas com disco de borracha, e luvas elásticas com buchas e pinos revestidos de borracha em casos de maiores capacidades. Ex: Figura 56. The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may have been corrupted. Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete the image and then insert it again. Figura 56 – Acoplamentos com disco de borracha. Os eixos das bombas e motores devem estar perfeitamente alinhados, para que danos prematuros na própria luva, bomba e motor sejam evitados. Alinhamentos maus executados causam vibrações aos eixos, com conseqüente perda de potência, desgastes dos mancais e outros inconvenientes. Exemplo figura 57. Após a montagem do conjunto o mesmo deve ser facilmente movimentado pela mão no acoplamento. Quando se tem diferentes rotações, entre motor e bomba, o acoplamento é feito indiretamente, utilizando-se de correia em V ou planas, caixa de engrenagens, transmissões hidráulicas ou ainda por acoplamentos especiais. Por exemplo, os tratores na sua tomada de potência (TDP) apresenta uma rotação relativamente baixa (540 rpm) quando comparada às aquelas compatíveis com maior parte da bombas. Essa rotação, portanto, deverá ser multiplicada para que haja adequação da mesma. As correias planas, atualmente, estão sendo abandonadas tendo -se em vista a grande perda que ocorre nesse tipo de transmissão. Nas correias, a relação entre rotações e diâmetros das polias motora e movida é dado pela equação 20. (20) onde: D = Diâmetro da polia ( )D motor D bomba rpm motor rpm bomba ( ) ( ) ( ) = Ao se utilizar de uma correia em V, deve-se considerar o seu rendimento ηT, da ordem de 95%. A relação de rotação deve ser relativamente reduzida, e no caso de correias em V não deve ultrapassar a relação de 1:10. Por ocasião de sua montagem os eixos de acionamento do motor e bomba devem estar em plano rigorosamente paralelo. Deve-se verificar se a correia não se encontra muito esticada, o que sobrecarrega os mancais e eixo da bomba, nem muito solta, o que causaria deslizamento com perda de potência e diminuição da capacidade da bomba (flecha de ± 20 mm, no lado tenso). Dentre os diferentes tipos de acoplamentos indiretos, o mais generalizado no meio rural, é sem dúvida a correia em V. 15 - DEFEITOS COMUNS E CAUSAS PROVÁVEIS No início ou durante a operação de um sistema de recalque, inúmeros problemas ou defeitos de funcionamento podem surgir. Nos quadros a seguir apresentamos problemas e as possíveis causas. CAUSAS POSSIVEIS ELIMINAÇÃO Contrapressão muito alta Aumentar a rotação. Se isto não é possível, em caso de acoplamento a motor elétrico, então é necessário colocar um rotor de diâmetro maior ou escolher uma bomba maior. PROBLEMAS CAUSAS A bomba não bombeia a) bomba não está escorvada b) velocidade da bomba insuficiente. Quando acionada por motor elétrico verificar a amperagem e voltagem de cada fase. c) a altura manométrica do sistema é maior que aquela selecionada. d) rotação invertida e) altura de sucção excessiva Vazão insuficiente a) entrada de ar na bomba b) velocidade da bomba insuficiente c) altura manométrica do sistema é maior que aquela para a qual a bomba foi selecionada (sucção ou recalque) d) rotor parcialmente entupido ou danificado e) válvula de pé com crivo entupidos f) anéis gastos 15 - DEFEITOS COMUNS E CAUSAS PROVÁVEIS No início ou durante a operação de um sistema de recalque, inúmeros problemas ou defeitos de funcionamento podem surgir. Nos quadros a seguir apresentamos problemas e as possíveis causas. PROBLEMAS CAUSAS Altura manométrica insuficiente a)entrada de ar na linha de sucção b)Vapor ou ar na linha de recalque (sifão) c)anéis gastos Bomba perde escorvamento após a partida a)entrada de ar na linha de sucção b)altura de sucção muito alta ou ar no líquido. c)entrada de ar pela caixa de gaxeta (apertar mais as gaxetas) Pressão excessiva a) rotação muito alta CAUSAS POSSÍVEIS ELIMINAÇÃO Contrapressão muito alta Aumentar a rotação. Se isto não é possível, em caso de acoplamento a motor elétrico, então é necessário colocar um rotor de diâmetro maior ou escolher uma bomba maior. Vazão Insuficiente da Bomba CAUSAS POSSÍVEIS ELIMINAÇÃO A bomba não é bem escorvada Escorvar novamente a bomba e a tubulação de sucção e deixar o ar sair completamente. Formação de bolsas de ar nas tubulações Modificar a posição dos tubos, eventualmente colocar válvulas de escape. Pressão de entrada insuficiente Verificar o nível de água no reservatório; verificar se as perdas de carga na tubulação não são excessivas; verificar se os registros estão plenamente abertos, bloquear os mesmos, se necessário. Altura de sucção muito grande Limpar a válvula de pé e a tubulação de sucção, eventualmente aumentar a secção da tubulação de sucção. Verificar se a válvula de pé abre bem. Verificar o nível de água no poço. Penetração de ar através da gaxeta Aumentar a pressão da água de vedação. Verificar se o canal desta água não está entupido. Eventualmente aduzir água externa para vedação. Sentido errado de rotação Inversão das fases do motor. Se a bomba já trabalhou com rotação errada, verificar a porca do rotor e eventualmente reapertá-la. CAUSAS POSSÍVEIS ELIMINAÇÃO Rotação muito baixa Se a bomba à plena rotação não fornece a vazão exigida, bastará eventualmente colocar um rotor de diâmetro maior. Caso contrário, a bomba terá que ser substituída por uma maior. Quando o acionamento for por motor de explosão, a rotação do mesmo pode ser regulada em certos limites, pela entrada do combustível. No acionamento por correia, a rotação insuficiente pode ser acionada pelo escorregamento da correia. Neste caso, esticar a correia. Eventualmente escolher outras polias. Forte desgaste das peças internas Abrir a bomba e verificar as folgas das peças sujeitas ao desgaste (anéis de vedação e rotor). Eventualmente colocar peças novas. Rotação muito alta Verificar a rotação Pressão Excessiva da Bomba Vazamento da Câmara de Resfriamento Os parafusos de fixação do corpo da bomba ao cavalete dos mancais não estão suficientemente apertados. Os parafusos da tampa da câmara de resfriamento estão mal apertados. Parar a bomba, deixá-la sem pressão e depois de resfriada apertar bem os parafusos. Verificar a guarnição. Desmontar a bomba do cavalete dos mancais e apertar os parafusos da tampa de resfriamento. Por via das dúvidas, verificara guarnição entre a tampa de resfriamento e o cavalete. 16 - GLOSSÁRIO DE TERMOS HIDRÁULICOS 1. ALTURA DE SUCÇÃO: Distância vertical em metros, que é elevada a água desde seu nível até a bomba. 2. ALTURA DE RECALQUE: Distância vertical em metros, que é elevada a água pela bomba, desde esta, até o ponto de uso ou depósito (caixa). 3. COMPRIMENTO DA TUBULAÇÃO DE SUCÇÃO: Extensão linear em metros, dos canos utilizados na instalação, desde a bomba, incluindo comprimento das curvas, conexões, etc. 4. COMPRIMENTO DA TUBULAÇÃO DE RECALQUE: Extensão linear em metros dos canos utilizados na instalação desde a bomba, até o ponto de uso ou depósito (caixa), incluindo comprimento das curvas, conexões, etc. 5. PERDA DE PRESSÃO NAS CONEXÕES, CURVAS, ETC, (TABELA): Pressão ou carga requerida para se superar o atrito exercido nas paredes internas das uniões, conexões curvas, etc., quando da passagem da água. Para efeito de cálculos, a perda em cada uma dessas peças é comparada a uma perda proporcional em metros que haveria numa extensão de cano reto de igual diâmetro. 6. PERDA DE PRESSÃO (TOTAL) POR ATRITO NAS TUBULAÇÕES (TABELA): Pressão ou carga requerida para que a bomba supere o atrito exercido na parede interna da tubulação, conexões, curvas, etc., quando da passagem da água pelo seu interior. 7. ALTURA MANOMÉTRICA TOTAL: Altura total desde o nível da água até o ponto de uso, incluindo alturas de sucção e de recalque, perdas por atrito nas tubulações, curvas, registros, etc. 8. VAZÃO: Quantidade de liquido bombeado num determinado tempo: litros por segundo (L/s); metros cúbicos por hora (m3/h), etc. 9. VÁLVULA DE PÉ: Válvula (cebolinha) colocada na tubulação de sucção para impedir que a água retorne à fonte parada da bomba, evitando que esta fique sem água. 10. VÁLVULA DE RETENÇÃO: Válvula colocada na tubulação de recalque para evitar retorno da água bombeada cujo impacto danificaria, tubulação, conexões e a própria bomba (Golpe de Ariete). 11. NÍVEL ESTÁTICO (PARA POÇOS SEMI ARTESIANOS): Distância vertical da boca do poço ao nível de água, não bombeada. 12. NÍVEL DINÂMICO (PARA POÇOS SEMI ARTESIANOS): Distancia vertical da boca do poço ao nível de água quando bombeada. 13. SUBMERGÊNCIA: Distancia vertical do nível da água ou do nível dinâmico até o ralo, injetor, válvula de pé ou sucção da bomba submersa. 14. PRECIPITAÇÃO: Volume de água depositado em mm/m2 ou litros/m2 , no decorrer de 24 horas. Turno de rega: É o espaço de tempo entre duas regas subseqüentes. 15. Turno de rega: É o espaço de tempo entre duas regas subseqüentes. 17. CONVERSÃO DE MEDIDAS
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