BOMBAS HIDRAULICAS 1

Prévia do material em texto

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