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BOMBAS HIDRÁULICAS Parâmetros Hidráulicos Potência Curvas Características Cavitação MÁQUINAS HIDRÁULICAS Promovem as trocas entre as energias mecânica e hidráulica Bombas Hidráulicas TURBINA ENERGIA HIDRÁULICA ENERGIA MECÂNICA BOMBA ENERGIA HIDRÁULICA ENERGIA MECÂNICA (GERATRIZES) (OPERATRIZES) MÁQUINAS HIDRÁULICAS Bombas Hidráulicas APROVEITAMENTO HIDRELÉTRICO ENERGIA HIDRÁULICA ENERGIA MECÂNICA ENERGIA ELÉTRICA TURBINA GERADOR ENERGIA HIDRÁULICA ENERGIA MECÂNICA ESTAÇÃO ELEVATÓRIA DE ÁGUA ENERGIA ELÉTRICA MOTOR BOMBA CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS São máquinas hidráulicas que recebem energia mecânica e transformam em energia hidráulica (velocidade e pressão); São utilizadas sempre que há necessidade de aumentar a carga (energia) do líquido dentro de um sistema; As bombas podem ser classificadas em dois grandes grupos: Bombas Hidráulicas a) Bombas Volumétricas (também conhecidas como de deslocamento positivo) b) Bombas Centrífugas ou Turbo-bombas (também conhecidas como Hidro ou Roto-dinâmicas) BOMBAS CENTRÍFUGAS x VOLUMÉTRICAS Bombas Hidráulicas BOMBAS CENTRÍFUGAS • Mais econômicas; • Vazão depende da altura a ser vencida; • Construção e manutenção mais simples; • Mais utilizadas para os casos gerais. BOMBAS VOLUMÉTRICAS • Vazão praticamente independe da altura a ser vencida; • Utilização para casos específicos: altas pressões, fluidos mais viscosos, ar na tubulação. BOMBAS VOLUMÉTRICAS Movimentam fluidos estritamente através do deslocamento preciso de máquinas; A movimentação do fluido é causado diretamente pela ação do instrumento de impulsão da bomba que obriga o fluido a executar o mesmo movimento a que está sujeito Dá-se o nome volumétrica porque o fluido, de forma sucessiva, ocupa e desocupa espaços vazios dentro da bomba, com volumes conhecidos, Podem ser: Bombas Hidráulicas ÊMBOLO OU ALTERNATIVAS ROTATIVAS (Pistão, diafragma, membrana) (engrenagens, lóbulos, palhetas, helicoidais, parafusos, etc. ) BOMBAS CENTRÍFUGAS A movimentação do fluido ocorre pela ação de forças que se desenvolvem na massa do mesmo, em consequência da rotação de um eixo no qual é acoplado um disco (rotor) dotado de pás; O rotor recebe o fluido pelo seu centro e o expulsa para a periferia, através da ação da força centrífuga; É o tipo de bomba mais utilizado; Em função da direção do movimento do fluido dentro do rotor podem ser: Bombas Hidráulicas FLUXO RADIAL FLUXO MISTOFLUXO AXIAL PEQUENAS E MÉDIAS VAZÕES QUALQUER ALTURA MAIS UTILIZADA GRANDES VAZÕES PEQUENAS E MÉDIAS ALTURAS FABRICAÇÃO COMPLEXA GRANDES VAZÕES MÉDIAS ALTURAS CAMPO DE EMPREGO DE BOMBAS Bombas Hidráulicas AS BOMBAS CENTRÍGUGAS RADIAIS (ou apenas CENTRÍFUGAS) são o tipo de bomba mais utilizada no MUNDO BOMBAS CENTRÍFUGAS Bombas Hidráulicas Ação radial Ação axial BOMBAS CENTRÍFUGAS Bombas Hidráulicas BOMBAS CENTRÍFUGAS Bombas Hidráulicas BOMBAS CENTRÍFUGAS Bombas Hidráulicas ROTOR FECHADO Mais empregados nas bombas centrífugas pois apresentam os melhores rendimentos. São utilizados para líquidos limpos (sem sólidos em suspensão) ROTOR SEMI-ABERTO Usados para líquidos viscosos, líquidos com elevada concentração de sólidos abrasivos em suspensão e líquidos sujos (esgotos) ROTOR ABERTO Usados para líquidos viscosos ou sujos, pastas, etc. CASA DE BOMBAS – ESTAÇÃO ELEVATÓRIA Bombas Hidráulicas ESTAÇÃO ELEVATÓRIA TÍPICA Bombas Hidráulicas Para evitar o esvaziamento do tubo de sucção Para evitar a entrada de sólidos Evita zonas de separação no escoamento Fornece energia mecânica à bomba Evita o esvaziamento do tubo de recalque Controle de vazão e fechamento para manutenção ALTURA MANOMÉTRICA Bombas Hidráulicas A ALTURA MANOMÉTIRCA (Hm) é parâmetro hidráulico de grande importância; É a energia transmitida pela bomba para o escoamento; É portanto a energia na saída da bomba menos a energia na entrada da bomba; Na equação da Energia de Bernoulli, o termo Hm é acrescentado quando há uma bomba (na vertical) R1 R2 R1 R2 B Linha de energia Linha piezométrica Hm ALTURA MANOMÉTRICA Bombas Hidráulicas R1 Z1 R2 Z2 B U²/2g U²/2g Trecho “1” (sucção): Trecho “2” (recalque): hp2 hp1 Hm (Altura manométrica) P/γ Observação: LP abaixo da superfície da Bomba: pressão negativa (Pvapor/γ) Linha de energia Linha piezométrica -P/γ 𝐻𝑚 = 𝑧2 − 𝑧1 + Δℎ1−2 É a diferença de energia antes depois da bomba POTÊNCIA E RENDIMENTO DA BOMBA Bombas Hidráulicas É o trabalho realizado sobre o líquido ao passar pela bomba por unidade de tempo, para que a vazão “Q” vença a altura manométrica “Hm”. A potência da bomba é dada por: 𝑃𝐻 = 𝛾. 𝑄. 𝐻𝑚 Onde: P: potência hidráulica (W) – (N.m/s) g: peso específico (N/m³) Q: vazão (m³/s) Hm : altura manométrica (m) Existem perdas de carga internas no conjunto moto-bomba que devem ser consideradas. Estas perdas são representadas pelo rendimento do conjunto moto-bomba (h). Assim, a potência real da bomba deve ser maior do que a potência hidráulica para atender a vazão “Q” e a altura “Hm”. A potência da bomba pode ser expressa em Watts (W) ou cavalo-vapor (cv), unidade mais comum comercialmente. 𝑃 = 𝛾. 𝑄. 𝐻𝑚 𝜂 Onde: P: potenciado conjunto moto-bomba (W)-(N.m/s) h : rendimento do conjunto moto-bomba 𝑃 = 𝛾. 𝑄. 𝐻𝑚 𝑔. 75. 𝜂 Onde: P: potenciado conjunto moto-bomba (cv) g: aceleração da gravidade (m/s²) Exercício de Aplicação 1 Para o sistema de recalque abaixo esquematizado determinar a potência da bomba B (em cavalo-vapor) e a pressão máxima do sistema para uma vazão de 0,5 m³/s de água (d=1,0; n=10-6 m²/s). Desprezar as perdas de carga localizadas. O rendimento da bomba é de 70%. Resposta: Potência = 476 cv; Pressão máxima = 463.621 Pa Exercício de Aplicação 2 Água (d=1,0; n=10-6 m²/s) é bombeada para o reservatório D através de um tubo de aço (k=2mm) de 40 cm de diâmetro e 200 m de comprimento. A pressão relativa em A é de 1,4 N/cm² quando a vazão é de 200 l/s. Determinar: a) A pressão em C; b) A potência da bomba (hB=70%) Resposta: Pressão em C = 216.616 Pa Potência=78,7 cv Exercício de Aplicação 3 Na instalação da figura, a bomba B recalca água do reservatório R1 para o reservatório R2, ambos em nível constante. Desprezando as perdas de carga localizadas, determinar: Dados: D=10 cm, L= 50 m (comprimento total da tubulação), tubos de ferro fundido (k=2,5 x 10-4m) e Dh=4 m. a) a vazão na tubulação; b) a potência da bomba em kW se o rendimento é 73 % Resposta: Q=19,3 l/s Potência=3,63 kW CURVAS CARACTERÍSTICAS Bombas Hidráulicas As bombas centrífugas são projetadas e dimensionadas para trabalhar de maneira otimizada para valores específicos de vazão e altura manométrica; Porém são capazes de atender outros valores de vazões e alturas manométricas, além dos pontos para os quais elas foram projetadas. O conjunto de pontos em que a bomba é capaz de operar constitui a faixa de operação da bomba. Hm Q h Q h=rendimento FAIXA DE OPERAÇÃO PONTO DE OPERAÇÃO PONTO DE OPERAÇÃO FAIXA DE OPERAÇÃO CURVAS CARACTERÍSTICAS Bombas Hidráulicas Padrão de curvas características (Hm, rendimento, NPSH e potência de partida) CURVAS DA BOMBA versus CURVA DO SISTEMA Bombas Hidráulicas O ponto de operação da bomba é definido especificamente para um dado sistema, em função das características do sistema (vazão e perda de carga); O ponto de operação de umabomba em um dado sistema é a intersecção da curva característica da bomba com a curva do sistema; A curva do sistema é a relação entre a altura manométrica necessária ao sistema e a vazão. É determinada através da aplicação da equação da energia para diferentes vazões. Hm (m) Q (m³/s) CURVA DO SISTEMA (CS) CURVA DA BOMBA (CB) ALTURA GEOMÉTRICA (desnível sem perda de carga) PONTO DE OPERAÇAO DO SISTEMA PERDA DE CARGA CURVAS DA BOMBA versus CURVA DO SISTEMA Bombas Hidráulicas EXEMPLOS DE SISTEMAS DE TUBULAÇÕES E CURVAS CARACTERÍSTICAS CORRESPONDENTES CAVITAÇÃO Bombas Hidráulicas Fenômeno de FORMAÇÃO e EXTINÇÃO de “cavidades” (bolhas de vapor) dentro da massa líquida, devido ao abaixamento da pressão ao nível de pressão de vapor. Processo semelhante à fervura, porém, ao contrário da fervura, o agente causador não é a temperatura, e sim a pressão. Lembrando que a pressão de vapor é a pressão em que o líquido entre em ebulição. Não é um valor constante, e varia com a temperatura. Quanto maior a temperatura, maior será a pressão de vapor do líquido. Para 100º C, por exemplo, a água entre em ebulição para a pressão a atmosférica. Portanto um líquido pode entrar em ebulição caso se diminua a pressão reinante para níveis da pressão de vapor. CAVITAÇÃO Bombas Hidráulicas 𝑃𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑎𝑏𝑠 (𝑃𝑎)𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 (°𝐶) 0 611 5 873 10 1.266 15 1.707 20 2.335 25 3.169 30 4.238 35 5.621 40 7.377 45 9.584 50 12.331 60 19.924 70 31.166 80 47.372 90 70.132 100 10.1357 CAVITAÇÃO Bombas Hidráulicas Em muitas situações, no escoamento de líquidos, é possível que pressões bastante baixas apareçam em certas regiões do sistema. Em tais circunstâncias, as pressões podem ser iguais ou menores do que a pressão de vapor, iniciando o processo de evaporação do líquido (aparecimento de bolhas de vapor). É comum em bombas, válvulas, turbinas, propulsores navais, pistões de automóveis, em tubulações de alta velocidade ou muito elevadas, e em canais al ar livre com alta velocidade, como em vertedouros. Pode ocorrer sempre que há uma queda de pressão devido ao aumento da velocidade do fluxo. É um fenômeno que deve sempre ser evitado, pois afeta o rendimento das máquinas e estruturas, podendo causar erosão e consequentes prejuízos financeiros. O processo de vaporização pode ser tão rápido que as bolhas de vapor podem se expandir até ocupar toda a seção, interrompendo o fluxo do líquido, fenômeno conhecido como separação da coluna líquida. CAVITAÇÃO Bombas Hidráulicas Quando a bolsa de vapor (ou cavidade) se forma na região de baixa pressão, ela pode ser levada pelo escoamento, afastando-se do seu ponto de origem. Quando ela atinge uma região do escoamento onde a pressão volta a subir além da pressão de vapor, ocorre o colapso/implosão da bolha. Se a região de colapso da bolha for próximo à uma superfície sólida, as ondas de choque provocadas pelas implosões das diversas bolhas podem provocar erosões macroscópicas no material. Em bombas, pode provocar a ruína dos rotores. REGIÃO DE RISCO DE EROSÃO POR CAVITAÇÃO REGIÃO DE FORMAÇÃO DE BOLHAS DE VAPOR ZONA DE PRESSÃO ABAIXO DA PRESSÃO DE VAPOR LE LP CAVITAÇÃO EM BOMBAS Bombas Hidráulicas A cavitação geralmente vem acompanhado de bastante BARULHO, como se houvessem ‘grãos de areia’ ou ‘bolas de gude’ na tubulação. Este barulho é devido à implosão das bombas e denuncia portanto a ocorrência do fenômeno. AVALIAÇÃO DAS CONDIÇÕES PARA CAVITAÇÃO Bombas Hidráulicas Para não haver cavitação é necessário que a pressão reinante no líquido seja maior do que a pressão de vapor; Em qualquer ponto da tubulação pode haver um trecho de pressão negativa (pressão absoluta menor do que a pressão atmosférica). Características comuns destes pontos são: • cota geométrica alta; • Tubulação de sucção de bombas (a montante de bombas); • Trechos de alta velocidade (estrangulamentos) − 𝑃 𝛾 + 𝑃 𝛾 Se a pressão absoluta no ponto de pressão negativa for menor ou igual à pressão de vapor, haverá a formação de bolhas. Em tubulações a pressão sempre é negativa quando a linha piezométrica está abaixo da linha geométrica do tubo. datum 1 𝑍1 𝐻1 𝑈1 2 2𝑔 AVALIAÇÃO DAS CONDIÇÕES PARA CAVITAÇÃO EM BOMBAS Bombas Hidráulicas Para não haver cavitação é necessário que a pressão reinante no líquido serão maior do que a pressão de vapor; Aplicando Bernoulli entre os pontos 0 e 1: 𝑍0 + 𝑃0 𝛾 + 𝑈0 2 2𝑔 = 𝑍1 + 𝑃1 𝛾 + 𝑈1 2 2𝑔 + Δℎ0−1 𝑃𝑎𝑡𝑚 𝑎𝑏𝑠 𝛾 = ℎ𝑠 + 𝑃𝑣 𝑎𝑏𝑠 𝛾 + 𝑈1 2 2𝑔 + Δℎ0−1 ∴ ℎ𝑠 = 𝑃𝑎𝑡𝑚 𝑎𝑏𝑠 𝛾 − 𝑃𝑣 𝑎𝑏𝑠 𝛾 + 𝑈1 2 2𝑔 + Δℎ0−1 Rearranjando os termos e separando a perda de carga em 2 partes, antes e depois da tubulação de sucção (Dhs e Dh*) 𝑃𝑎𝑡𝑚 𝑎𝑏𝑠 𝛾 − ℎ𝑠 + 𝑃𝑣 𝑎𝑏𝑠 𝛾 + Δℎ𝑠 = Δℎ ∗ + 𝑈1 2 2𝑔 NPSH disponível NPSH requerido NPSH (Net Positive Suction Head) Valor máximo de hs para que não ocorra formação de bolhas AVALIAÇÃO DAS CONDIÇÕES PARA CAVITAÇÃO EM BOMBAS Bombas Hidráulicas NPSH disponível: é a carga energética líquida (considerando as perdas de carga) disponível na instalação para permitir a sucção do fluido. Depende das características do sistema e do líquido. NPSH requerido: é a carga mínima com a qual o líquido deve chegar ao ponto do rotor em que ganhará energia e será recalcado, ainda como líquido. Depende das características da bomba e é fornecido pelo fabricante. Trata-se de uma das curvas características da bomba. A condição a ser atendida é portanto NPSHd > NPSHr Em projetos, por segurança, o NPSHd deve ser cerca de 20% ou no mínimo 0,5 m.c.a maior do que o NPSHr. Exercício de Aplicação 4 Uma bomba centrífuga, com curva característica Hm x Q apresentada no quadro abaixo, produziu 50 l/s para bombear água entre dois reservatórios cuja diferença entre os níveis de água é 30 m. Atualmente, após 20 anos de funcionamento deste sistema, verificou-se que a vazão reduziu para 40 l/s devido ao desgaste da tubulação e consequente aumento de perda de carga. Desprezando as perdas de carga localizadas, determinar a perda de carga atual no sistema e o aumento percentual do coeficiente de perda de carga da equação universal. Resposta: Dh=27,1 m Aumento de 112% em ‘f” Q (l/s) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Hm (m) 80 75,1 69,6 63,6 57,1 50 42,4 34,3 25,6 Exercício de Aplicação 5 Verificar na adutora de água (d=1; n=10-6 m²/s), de diâmetro 60 cm e altura de rugosidade1,1.10-4 m, que interliga o reservatório R1 ao R2, cujo perfil é mostrado na figura a seguir, se existe a possibilidade de separação da coluna líquida (obstrução do escoamento causada por bolhas de ar), quando esta transporta 280 l/s, conhecendo-se os seguintes comprimentos: LAC=2.000 m; LCD=200m; LDE=200 m; LEB=2.500 m Dado: Patm = 101 kPa; Pvapor=2.335 Pa Resposta: PD (abs) = 44.102 Pa ( sem formação de bolhas) Exercício de Aplicação 6 Determinar a vazão máxima permissível da bomba para que não haja cavitação, sabendo-se que esta opera em um sistema cujo nível de água (d=1) no reservatório de sucção está 4,0 m abaixo do eixo da bomba. Dados: Patm = 90.450 Pa Pvapor = 2.335 Pa f = 0,025 Lsucção = 100 m Somatória K’s perda de carga localizada na tubulação de sucção= 3,05 (válvula de pé com crivo, curva 90º, redução excêntrica) D = 400 mm Resposta: Q=0,18 m³/s
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