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Centro de Ciências Exatas e Tecnologia Disciplina: Hidráulica Aplicada Professor: Emerson C. Rodrigues INSTALAÇÕES DE RECALQUE (BOMBEAMENTO) • Um sistema de recalque ou elevatório é o conjunto de tubulações, acessórios, bombas e motores necessário para transportar uma certa vazão de água ou qualquer outro líquido de um reservatório (ou ponto) inferior para outro reservatório (ou ponto) superior. • Nos casos mais comuns de sistema de abastecimento de água, ambos os reservatórios estão abertos para a atmosfera e com níveis constantes, o que permite tratar o escoamento como permanente. INSTALAÇÕES DE RECALQUE (BOMBEAMENTO) • Um sistema de recalque é composto, em geral, por três partes: Tubulação de Sucção: Que é constituída pela canalização que liga o reservatório inferior à bomba, incluindo os acessórios necessários, como válvula de pé com crivo, registro, curvas, redução excêntrica etc. Conjunto Elevatório: Que é constituído por uma ou mais bombas e respectivos motores elétricos ou a combustão interna. Tubulação de Recalque: Que é constituída pela canalização que liga a bomba ao reservatório superior, incluindo registros, válvula de retenção, manômetros, curvas e, eventualmente, equipamentos para o controle dos efeitos do golpe de aríete. DIMENSIONAMENTO DAS ESTAÇÕES DE BOMBEAMENTO • Principais Tipos de Bombas • As normas estabelecem quatro classes de bombas: 1) Centrifugas - cinética; 2) Rotativas - deslocamento positivo; 3) De êmbolo (ou de pistão) - deslocamento positivo; 4) Poço profundo (tipo turbina) - cinética. • As instaladas para água e esgoto geralmente são equipadas com bombas centrifugas acionadas por motores elétricos. EXEMPLO DE BOMBA CENTRÍFUGA EXEMPLO DE BOMBA CENTRÍFUGA RADIAL, HORIZONTAL, EM CORTE PARCIAL. EXEMPLOS DE BOMBAS ROTATIVAS EXEMPLOS DE BOMBAS DE ÊMBOLO (OU DE PISTÃO). EXEMPLOS DE BOMBAS DE POÇO PROFUNDO (TIPO TURBINA). BOMBAS CENTRIFUGAS • Para atender ao seu grande campo de aplicação, as bombas centrifugas são fabricadas nos mais variados modelos, podendo a sua classificação ser feitas segundo vários critérios. 1) Movimento do líquido a) sucção simples (rotor simples); b) dupla sucção (rotor de dupla admissão). 2) Admissão do liquido a) radial (tipos voluta e turbina); b) diagonal (tipo Francis); c) helicoidal. 3) Número de rotores (ou de estágios) a) um estágio (um rotor); b) estágios múltiplos (dois ou mais rotores). 4) Tipo de rotor a) rotor fechado; b) rotor semifechado; c) rotor aberto; d) rotor a prova de entupimento. Aberto Semifechado Fechado 5) Posição do eixo a) eixo vertical; b) eixo horizontal; c) eixo inclinado. 6) Pressão a) baixa pressão (Hman ≤ 15 m); b) média pressão (Hman de 15 a 50 m); c) alta pressão (Hman ≥ 50 m). ESTAÇÃO ELEVATÓRIA DE ÁGUA POTÊNCIA DOS CONJUNTOS ELEVATÓRIOS • O conjunto elevatório (bomba-motor) deverá vencer a diferença de nível entre os dois pontos mais as perdas de carga em todo o percurso. • HG = a altura geométrica, isto é, a diferença de nível; • HS = a altura de sucção, isto é, a altura do eixo da bomba sobre o nível inferior; • HR = a altura de recalque, ou seja, a altura do nível superior em relação ao eixo da bomba; • HG = HS+ HR; • Hman = altura manométrica; • HP = Perda de carga total (correspondente a parte de sucção mais a de recalque) • Hman = HS + HR + HP1,2 ALTURAS ESTÁTICAS EXEMPLO: ALTURAS ESTÁTICAS DE SUCÇÃO E DE RECALQUE. • Sucção positiva • Sucção negativa POTÊNCIA DA BOMBA • A potência recebida pela bomba, potência esta fornecida pelo motor que aciona a bomba, é dada pela expressão: • P = potência do motor, (1CV = 0,986 HP); • γ = peso específico do liquido a ser elevado (H2O = 1000 kgf/m³); • Q = vazão ou descarga, em m³/s; • Hman = HM = altura manométrica, em m, • ηb = é o coeficiente de rendimento global da bomba, que depende basicamente do porte e características do equipamento. 1 CV = 735,5 W 1CV = 75 Kgf.m/s RENDIMENTO DE BOMBAS CENTRÍFUGAS Fonte: Azevedo Netto (1998). POTÊNCIA DO MOTOR ELÉTRICO • A potência elétrica fornecida pelo motor que aciona a bomba, sendo (ηb*ηm) o rendimento global, é dada por: • onde: ηm é o rendimento de motores elétricos. 1 CV = 735,5 W 1CV = 75 Kgf.m/s RENDIMENTO DE MOTORES ELÉTRICOS Fonte: Azevedo Netto (1998). POTÊNCIA INSTALADA Para o cálculo do rendimento do conjunto, acrescenta-se à potência encontrada uma certa folga para o motor elétrico. • 50 % para bombas de até 2 HP • 30 % para bombas de 2 a 5 HP • 20 % para bombas de 5 a 10 HP • 15 % para bombas de 10 a 20 HP • 10 % para bombas de 20 HP • Os motores elétricos brasileiros são normalmente fabricados com as seguintes potências: HP ¼, 1/3, ½, ¾, 1, 11/2, 2, 3, 5, 6, 71/2, 10, 12, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 60, 80, 100, 125, 150 ,200 e 250. • Para potências maiores os motores são fabricados sob encomenda. EXEMPLO 01: Na instalação da figura deseja-se conhecer a altura manométrica da bomba, a perda de carga total e altura geométrica entre os dois reservatórios de água. Dados: Potência do motor elétrico P = 0,75 KW; ηm = 72 %; ηb = 66 %; LS = 2,5 m; LR = 17 m; DS = 100 mm; DR = 75 mm; Q = 10 L/s; f = 0,02; ρágua = 1 g/cm 3 ; g = 9,8 m/s2. DIMENSÃO DOS POÇOS DE SUCÇÃO • As bombas de eixo vertical do tipo axial, por serem mais sensíveis às condições de tomada de água nos poços de sucção, exigem um estudo mais cuidadoso. • A área mínima de um poço de sucção individual (isolado) deve ser 12,5 vezes a área da seção de entrada na tubulação. • A área da seção de escoamento na parte inicial do poço deve ser pelo menos 10 vezes a área da seção de entrada na tubulação de sucção. • A altura mínima de água acima da boca de sucção, para a formação de vórtices, deve ser maior ou igual a uma vez e meio o diâmetro (h ≥ 1,5 D). • Para determinar o diâmetro de recalque tem que definir anteriormente o tipo de operação do sistema moto-bomba, isto é, se o mesmo é continuo ou não. A) SISTEMA OPERADO CONTINUAMENTE O diâmetro de recalque é calculado pela Equação de Bresse a seguir apresentada, onde: D é o diâmetro, dado em metros; Q é a vazão, em m³/s; K é uma constante que depende da velocidade do recalque. DIAMETRO DE RECALQUE VALORES DE “K” DA EQUAÇÃO DE BRESSE EM FUNÇÃO DA VELOCIDADE DE ESCOAMENTO B ) SISTEMA NÃO OPERADO CONTINUAMENTE (MENOS QUE 24 HORAS AO DIA) Para o dimensionamento das linhas de recalque de bombas que funcionam apenas algumas horas por dia, Forchheimer propôs a seguinte Equação: X = a relação entre o número de horas de funcionamento diário do conjunto elevatório e 24 horas. Q = a vazão em m³/s. • A canalização de sucção é executada com um diâmetro imediatamente superior ao do recalque. • A canalização de sucção deve ser a mais curta possível, evitando-se ao máximo as peças especiais. • A altura máxima de sucção acrescida das perdas de cargas deve satisfazer as especificações estabelecidas pelo fabricante das bombas. Na prática, é muito raro atingir 7,0 m. • Para a maioria das bombas centrifugas, a sucção deve ser inferior a 5,0 m. DIÂMETRO DE SUCÇÃO ALTURA MÁXIMA DE SUCÇÃO • A velocidade da água na boca de entrada das bombas, geralmente, está compreendida entre 1,5 a 5 m/s., podendo- se tomar 3 m/s como um termo médio representativo. • Na seção de saída das bombas, as velocidades são mais elevadas, podendo atingir o dobro destes valores. ASSENTAMENTO • O assentamento deverá ser feito sobre uma fundação de preferência de concreto ou alvenaria isenta de vibrações.VELOCIDADE MÁXIMA NAS TUBULAÇÕES • É a representação gráfica das funções que relacionam os diversos parâmetros envolvidos em funcionamento de uma bomba. • Esta curva é obtida através de ensaios. • Nos catálogos fornecidos pelos fabricantes de bombas, são apresentados, em geral, três parâmetros em função da vazão: altura manométrica, potência necessária e rendimento. CURVA CARACTERÍSTICA DE UMA BOMBA EXEMPLO DE CURVA CARACTERÍSTICA DE UMA BOMBA • A figura abaixo representa uma instalação elevatória típica, onde o reservatório superior é elevado e, portanto, a altura geométrica é positiva. CURVA CARACTERÍSTICA DE UMA INSTALAÇÃO • Quando a altura de sucção ultrapassando certos limites (Tabela), podem apresentar problemas para a bomba hidráulica, com aparecimento do fenômeno da cavitação. • Quando a pressão absoluta em um determinado ponto se reduz a valores abaixo de um certo limite, alcançando o ponto de ebulição da água (para esta pressão) esse liquido começa a ferver e os condutos ou peças (de bombas, turbinas ou tubulações) passam a apresentar, em parte, bolsas de vapor dentro da própria corrente. • O fenômeno de formação e destruição dessas bolsas de vapor é chamado de cavitação. CAVITAÇÃO EM BOMBAS EXEMPLO: CAVITAÇÃO EM UM ROTOR DE UMA BOMBA. ALTURA MÁXIMA DE SUCÇÃO PARA NÃO HAVER CAVITAÇÃO EM BOMBAS • Os fabricantes fornecem as curvas características das bombas. • Estas curvas fornecem o gráfico da vazão em função da altura manométrica (diferença de pressão) e a altura máxima de sucção sem cavitação. • A altura máxima da sucção para bombas não afogadas será dada por: • hmax é a altura máxima de sucção para não haver cavitação; • Patm é a pressão atmosférica local; • Pvapor é a pressão de vapor, depende da temperatura da água (Quadro 1.15 Azevedo Netto); • γH2O é o peso especifico da água (1000kgf/m³ ou 0,1kgf/cm³); • hps é a soma das perdas de carga na sucção; • A pressão de vapor d'água para t = 25,5 °C, Pvapor = 0,035 kgf/cm² (Quadro 1.15- Azevedo Netto). • A pressão atmosférica ao nível do mar é igual a 1,0 kgf/cm² (Patm = 1,0 kgf/cm²). • NPSH (Net Pressure Suction Head) é obtido das tabelas do fabricante. NPSH: Energia Disponível no Líquido na Entrada da Bomba • A sigla NPSH (Net Pressure Suction Head) é adotada universalmente para designer energia disponivel na sucção, ou seja, a carga positiva e efetiva na sucção. Há dois valores a considerar: 1) NPSH requerido, que é uma característica hidráulica da bomba, fornecida pelo fabricante. 2) NPSH disponível, que é uma característica das instalações de sucção. -H altura de aspiração; +H carga ou altura de água na sucção (entrada afogada); • Os outros termos já foram definidos no item anterior. • NPSH disponível, que é uma característica das instalações de sucção, pode ser calculado pela equação a seguir: Para que a bomba funcione bem, é preciso que: • Em geral a escolha é feita utilizando-se os catálogos dos fabricantes. ESCOLHA DO CONJUNTO MOTOR-BOMBA • As bombas podem ser associadas em paralelo ou em série. • Duas ou mais bombas em paralelo tem suas vazões somadas, para uma mesma altura manométrica. • Duas ou mais bombas em séries tem as suas alturas manométricas somadas para a mesma vazão. EXEMPLO: Associações em paralelo são comuns quando se pretende ampliar estações elevatórias ao longo do tempo e associações em série são utilizadas quando a altura manométrica apresenta um valor elevado. ASSOCIAÇÃO DE BOMBAS EXEMPLO 02: Bombeiam-se 0,15 m3/s de água através de uma tubulação de 250 mm de diâmetro de um reservatório aberto cujo nível d’água mantido constante está na cota de 567 m. A tubulação passa por um ponto alto na cota 587 m. Calcule a potência (em CV) necessária a bomba com rendimento de 75 %, para manter no ponto alto da tubulação uma pressão disponível de 147 KN/m2 sabendo que entre o reservatório e o ponto alto a perda de carga é igual a 7,5 m. Dados: ρágua = 1 g/cm 3 ; g = 9,8 m/s2. EXEMPLO 03: Entre os dois reservatórios mantidos em níveis constantes encontra- se uma máquina hidráulica instalada em uma tubulação circular com área igual 0,01 m2. Para uma vazão de 20 L/s entre os reservatórios, um manômetro colocado na seção B indica uma pressão de 68,8 KN/m2 e a perda de carga entre as seções C e D é igual a 7,5 m. Determine o sentido do escoamento, a perda de carga entre as seções A e B, as cotas piezométricas em B e C, o tipo de máquina (Bomba ou Turbina) e a potência da máquina (em CV) se o rendimento é 80 %. Dados: ρágua = 1 g/cm 3 ; g = 9,8 m/s2. REFERÊNCIAS AZEVEDO NETTO. Manual de Hidráulica. 8 ed. São Paulo: Edgard Blücher LTDA, 1998. BAPTISTA, M., LARA, M. Fundamentos da Engenharia Hidraúlica. 3 ed. Belo Horizonte: UFMG, 2010. BRUNETTI, F. Mecânica dos fluidos . 2 ed. São Paulo: Person Prentice Hall, 2011.
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