revisao de literatura, Dimensionamento de canais e bombas e rotores

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE RONDÔNIA
CAMPUS DE ROLIM DE MOURA
DEPARTAMENTO DE AGRONOMIA
DISCIPLINA DE HIDROLOGIA E HIDRAULICA
Wagner Scaunichi Barbosa
Revisão de literatura 
Rolim de moura
2016
FUNDAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DE RONDÔNIA
CAMPUS DE ROLIM DE MOURA
DEPARTAMENTO DE AGRONOMIA
DISCIPLINA DE HIDROLOGIA E HIDRÁULICA 
 
 
 
 
 WAGNER SCAUNICHI BARBOSA
 
 Revisão de literatura
 
 
 
 
Trabalho de revisão de literatura apresentado ao curso de Graduação em Agronomia da Universidade Federal de Rondônia, como requisito parcial para aprovação na disciplina de Hidrologia e Hidraulica – 6º período.
 
 
Professor: Wagner Walker de Albuquerque Alves
 
 
 
Rolim de Moura/RO
2016
Dimensionamentos de canais e bombas e rotores 
Resumo 
	Bombas hidráulicas são utilizadas amplamente na indústria para transporte de fluidos devido a sua flexibilidades operacional. As bombas hidráulicas são projetadas para trabalhar a uma determinada vazão com uma determinada altura manométrica de recalque, esse ponto de trabalho e determinado como ponto de melhor eficiência, porem dependendo da instalação ou condição operacional essa vazão pode variar. Devido à flexibilidade no processo e nas condições não previstas, algumas bombas podem trabalhar a vazão muito diferentes do ponto de melhor eficiência, o que prejudica seu funcionamento. Esse prejuízo pode ser visto pela alta de falhas dessas bombas e consequentemente baixa confiabilidade das mesmas. Os condutos livres ou canais são denominados e normalmente apresentam uma superfície de agua, os cursos de agua naturais constituem o melhor exemplo de condutos livres. Portanto funcionam como condutos livres os coletores de esgotos, as galerias de agua pluviais, os tuneis-canais, as calhas, canaletas, etc. são, pois considerados canais todos os condutos que conduzem aguas com uma superfície livre, com seção aberta ou fechada.
Palavras chaves: dimensionamentos, canal trapezoidal, vazão máxima 
Introdução
 	
	Da se o nome de canais ou condutos livres aqueles condutos em que a parte superior do liquido está sujeita a pressão atmosférica. O movimento do fluido não depende, como nos condutos forçados, da pressão existente, mas da inclinação da linha de energia. Nesses tipos condutos enquadram-se os cursos d`água naturais, os canais artificiais de irrigação e drenagem, os condutos de drenagem subterrânea; os aquedutos abertos, os condutos de esgotos e, de modo geral, as canalizações fechadas onde o liquido não enche completamente a seção do escoamento. O nível da água no canal deve estar numa cota que permita a distribuição por gravidade, podendo ser utilizado, por exemplo, em irrigação e drenagem. Segundo estudo recente publicado pela FAO, agência das Nações Unidas para agricultura e alimentação, dentro de 20 anos uma proporção de dois terços da população mundial enfrentará escassez de água. Esta projeção alarmante, por outro lado, resultará num crescimento anual do mercado de bombas da ordem de 5%, em função principalmente da necessidade de captar e transportar água limpa por longas distâncias até os principais centros consumidores.
Revisão bibliográfica 
	A diversidade das formas das seções torna geralmente difícil definidas por uma única dimensão, como o diâmetro, por exemplo, no caso dos condutos circulares; por isso, recorrer-se ao raio hidráulico, que é a relação entre a área da seção molhada e o perímetro molhado, sendo este o perímetro da seção em contato com a parede, com exclusão da superfície livre (NEVES,1989).
	Os canais são estruturas hidráulicas que possuem os seguintes objetivos básicos, de acordo com Baptista e Coelho (2010):
 Condução das águas de forma a compatibilizar as necessidades com os volumes disponíveis, no tempo e no espaço;
 Possibilitar ou favorecer a navegação.
	Dentro do primeiro objetivo, a condução de água, os canais podem ser implantados para abastecimento de água para consumo humano e industrial, condução das águas, irrigação agrícola, drenagem das águas excedentes etc. O segundo objetivo consiste, essencialmente, na implantação de hidrovias, de forma a assegurar as profundidades de água necessárias para a circulação das embarcações. Segundo Azevedo Netto ET AL. (1998), nos condutos livres ou canais, pelo um ponto da seção de escoamento esta sujeito a pressão atmosférica, assim, normalmente apresentam uma superfície livre de água que estará em contato com a atmosfera, sendo portanto, considerados canais todos os condutos que conduzem águas com uma superfície livre, com seção aberta ou fechada. (Figura 1).
Fonte: ebah 
	Os canais podem ser classificados, segundo Porto (2004), como naturais, que são os cursos d água existente na natureza, como por exemplo, as pequenas correntes, córregos, rios e estuários, ou artificiais, de seção aberta ou fechada, construídos pelo homem, como por exemplo, aquedutos, canais de irrigação, de navegação e galerias. Segundo BERNARDO (1995), Num projeto de irrigação, a condução da água da captação à parcela irrigada, é de extrema importância, sendo que muitos projetos não atingem seu objetivo devido a problemas na condução da água. Dentre estes problemas destacam-se as falhas estruturais dos condutos, a infiltração excessiva e o erro de dimensionamento. Os canais constituem-se num dos principais tipos de condutos de água sendo, portanto muito importantes para a agricultura irrigada, principalmente dentro dos grandes perímetros irrigados por conduzirem grandes volumes de água a longas distâncias, a fim de atender a todas as propriedades agrícolas.
	O dimensionamento de canais é um processo complexo que de acordo com Azevedo Netto & Alvarez (1988), o dimensionamento pode ser um processo que exige um grande número de iterações entre resultados parciais a fim de se chegar a um resultado final e definitivo, o que demanda um tempo grande, além de ser uma fonte causadora de erros no projeto. A comprovação experimental das relações para Vmáx e Qmáx, obtidas teoricamente, é de grande importância para o caso de projetos de rede de água pluvial, redes de esgotos, redes de drenagem subterrânea, bueiros, galerias e outras aplicações da engenharia civil, visto ser muito instável o escoamento próximo a esses valores e, com o aumento da vazão, o canal pode passar a funcionar como conduto forçado, podendo ocasionar problemas sérios com o extravasamento do material transportado.
	De acordo com (Azevedo Netto ET AL., 1998): os principais parâmetros geométricos para descrever os canais são;
 Área molhada: é a área da seção transversal do canal que é ocupada pelo liquido;
 Perímetro molhado: comprimento relativo ao contato do liquido com o conduto;
Largura superficial: largura da superfície em contato com a atmosfera;
Profundidade hidráulica: razão entre a área molhada e a largura superficial;
Raio hidráulico: razão entre a área molhada e o perímetro molhado;
Borda livre: Baptista e Coelho (2010), denomina-se borda livre a distância vertical entre o topo do canal e a superfície da água nas condições de projeto.
	Porto (2004) diz que o escoamento de água através de uma tubulação pode ocorrer sob condições de conduto forçado ou condutos livres ou canais. O escoamento sob condições de conduto forçado tem por principais características o fato de tubulação ser fechada, a seção ser plana (completamente cheia de água), de atuar sobre o liquido uma pressão diferente da atmosférica e o escoamento se estabelecer por gravidade ou por bombeamento. Já nos condutos livres ou canais, a característica principal é a presença da pressão atmosférica atuando sobre a superfície do liquido, em uma seção aberta, como nos canais de irrigação e drenagem, ou fechada, como nos condutos de esgotos e galerias de águas pluviais (escoamento por gravidade). Segundo porto (2004), os escoamentos dos canais podem ter por parâmetros de variabilidade o espaço e o tempo, isto é, características hidráulicas como altura d´agua, área molhada, raio hidráulico podem variar no espaço,de seção para seção, e no tempo. As alternativas para escolha de um determinado tipo de canal, levando em conta os aspectos técnicos, quanto a sua forma e material de revestimento, dependem de diversos aspectos. Podem ser citados os seguintes aspectos, que devem ser levados em conta no processo de concepção do canal (Baptista e Coelho, 2010)
Hidráulicos: vazões de projeto, velocidade de funcionamento, laminas d água, etc.;
Tecnológicos e operacionais: topografia local, faixa disponível para implantação, disponibilidade de matérias, equipamentos, Mao de obra, área para bota-fora, possibilidade e facilidade para manutenção, etc.;
Ambientais: impacto das obras e serviço, tanto no que diz respeito aos aspectos ecológicos e de qualidade das águas, como da própria inserção ambiental, em função da ocupação das áreas adjacentes, paisagismo, etc.;
Sociais: inserção no sistema viário, possibilitando recreação e lazer, etc.;
	O revestimento, segundo Baptista e Coelho (2010), tem como principais objetivos: reduzir perdas por infiltração durante a condução de água; evitar o crescimento de vegetação; e evitar o desmoronamento das paredes do canal. Diversos revestimentos de canais são atualmente empregados na engenharia hidráulica, indo desde concreto, revestimento plásticos, geomembranas ate a simples proteção dos taludes com enrocamentos e com solos reforçados. A definição de seção e a escolha de material de revestimento podem ser extremamente complexas, acarretando importantes reflexos no custo da obra. De acordo com Bernando et al. (2006), o fator que, em geral, determina se deve ou não revestir um canal é a quantidade de agua que será perdida por ele quando não-revestido, ou seja, comparando o custo de revestimento versus o custo da água perdida.
	De acordo com Baptista e coelho (2010) qualquer que seja o objetivo do canal, seu dimensionamento hidráulico é feito através dos mesmos procedimentos básicos. A abordagem, entretanto, é diferenciada, conforme as características da superfície de contanto com a água. Com efeito tem-se os canais revestidos ou consolidados, construídos com matérias não erodiveis, e os canais não revestidos ou não consolidados, ou seja, correspondentes a cursos d’água naturais, canais artificiais simplesmente escavados ou revestidos com materiais não resistentes não resistentes a erosão.
Bombas e rotores
	Segundo Palmieri (1994), hidráulica é a ciência que estuda os fluidos em escoamento e sob pressão. São sistemas de transmissão de potência ou movimento, utilizando como transmissor a óleo que, sob pressão, é praticamente incompressível. Hidráulica é derivada da união de hydra = água e aulos = condução, ou seja, uma parte da física que se dedica a estudar o comportamento dos líquidos em movimento e em repouso (FIALHO, 2011).
	As turbo máquinas dividem-se naturalmente naquelas que adicionam energia (bombas) e aquelas que extraem energia (turbinas). O prefixo turbo é uma palavra latina que significa “rotação” ou “giro”, apropriada para dispositivos rotativos. As máquinas que fornecem líquidos são simplesmente chamadas de bombas, mas se gases estão envolvidos, três diferentes termos são usuais, dependendo da elevação de pressão alcançada. Se a elevação de pressão é muito pequena (alguns centímetros de água), uma bomba de gás é denominada ventilador; até 1 atm., é geralmente designada de soprador; e acima de 1 atm. é frequentemente denominada de compressor. No caso das bombas centrífugas, sua configuração básica consiste em um rotor que gira dentro de uma carcaça. O fluido entra axial mente através do flange de entrada da carcaça, é aspirado pelas pás do rotor, gira tangencialmente e escoa radialmente para fora, até que sai através de todas as partes periféricas do rotor para dentro da parte difusora da carcaça. O fluido ganha velocidade e pressão quando passa através do rotor. A seção da carcaça difusora em formato de caracol, ou voluta, desacelera o escoamento e, com isso, aumenta ainda mais sua pressão. 
	De acordo com Linsingen (2003), a conversão de energia em um sistema hidráulico é realizada por meio de bombas hidráulicas, sendo a transformação de energia mecânica para hidráulica que após isso é transmitida para os atuadores onde então é convertida em energia mecânica para a produção de trabalho útil. Para Palmieri (1994), as bombas são responsáveis pela geração de vazão dentro de um sistema hidráulico, tendo assim, também a função de acionar os atuadores. Oque se leva a entender que são responsáveis por converter a energia mecânica em energia hidráulica.	 O método geométrico de pré-dimensionamento de rotores data do início do século passado, tendo se originado pela necessidade de um pré-projeto do rotor que possibilite a construção e posterior desenvolvimento em bancadas. Por ser um método apoiado em coeficientes experimentais sua aplicação aos vários tipos de bombas difere em função das características de cada máquina. Segundo Pfleiderer e Peterman (1979) as perdas nas máquinas de fluxo são principalmente causadas pelo atrito nos canais e pás da superfície do rotor.
	Segundo Souza (2011), uma máquina de fluxo hidráulica apresenta basicamente duas partes, uma das partes é a fixa que corresponde à carcaça e a outra parte é rotativa, corresponde ao rotor ou rotores. No projeto de um rotor hidráulico é preciso obedecer algumas etapas:
• Dimensionamento preliminar ou inicial, onde o objetivo desta etapa é estabelecer uma aproximação, os limites físicos do escoamento denominados de caminho hidráulico do escoamento. 
• Dimensionamento básico, a partir das informações obtidas no dimensionamento inicial é elaborado um esboço em corte e escala da turbina, obtendo as características desejadas e a geometria que será adotada com equações resultantes e os limites experimentais de coeficientes resultantes de metodologias de cálculos e projeto. 
• Projeto e fabricação do protótipo ou do modelo, o objetivo é a fabricação de um modelo geralmente em escala para realização de testes para verificar se o desempenho real está de acordo com o calculado pelo projeto. 
• Fabricação final, se o modelo testado estiver dentro do estipulado pelo projeto, o mesmo está pronto para sua fabricação final, nesta etapa são elaborados os manuais de instalação, operação e manutenção da turbina hidráulica, bem como os protocolos e correções finais nos componentes do projeto.
	Segundo Barbosa (2010) as máquinas de fluxo são constituídas basicamente de dois elementos construtivos fundamentais: o rotor e o sistema diretor. Segundo Henn (2011) o rotor é o órgão principal de uma máquina de fluxo, nele ocorre a transformação de energia mecânica em energia de fluído, ou energia de fluído em energia mecânica. É constituído geralmente por um número de pás giratórias por onde circula o fluído de trabalho, conforme pode ser observado na figura 1.
Figura 2 exemplos de rotores
Fonte: ebah 
	 
Entre os diferentes critérios que podem ser utilizados para classificar as máquinas de fluxo, podem-se citar os seguintes (HENN, 2011):
 Segundo a direção da conversão de energia;
 Segundo a forma dos canais entre as pás do rotor; 
 Segundo a trajetória do fluído no rotor
	Segundo a forma dos canais entre as pás do rotor as máquinas de fluxo são subdivididas em máquinas de ação e reação. Nas máquinas de ação, a função dos canais é simplesmente servir de guia ou desviadores de fluxo do fluído, não havendo variação da pressão do fluído que passa pelo rotor. Nas máquinas de reação, a função dos canais é variar a pressão do fluído, dependendo da transformação de energia podem ser chamadas de turbinas ou bombas (HENN, 2011).
REFERENCIAS 
BERNARDO, S. Manual de Irrigação. 6º ed. Viçosa:Imprensa Universitária/UFV,1995. 657p.
AZEVEDO NETTO, J.M.; FERNANDES, M. F.; ARAUJO, R.; ITO, A. E. Manual de hidráulica.8 ed. São Paulo: Edgard blucher, 1998. 669 p.
PORTO, R M. Hidráulica Básica. 3ed ver. São Carlos; EESC_USP, 2004. 519 P.
BAPTISTA, M.B; COELHO, M.M.L.P. Fundamentos de engenharia hidráulica. 3ed. Ver. Eampl. Belo horizonte: Ed. UFMG, 2010. 480 p.
BERNARDO, S.; SOARES, A. A.; MANTOVANI, E. C. Manual de irrigação.8 ed atual. Ampl. Viçosa: Ed. UFV, 2006. 625p.
NEVES, E. T. Curso de hidráulica. São Paulo: Globo, 1989. 123 p.
PALMIERI, Antônio C. Manual de Hidráulica Básica. Racine Hidráulica. 9ª Ed. Porto Alegre, 1994.
FIALHO, Arivelto B. Automação Hidráulica. Projetos, dimensionamentos e Análise de Circuitos. 6ª Ed. Revisada. Editora Érica. São Paulo, 2011.
LINSINGEN, Irlan V. Fundamentos de Sistemas Hidráulicos. Ed. da UFSC. 2ª Ed. Revisada. Florianópolis, 2003.
HENN, E. L. Máquinas de Fluído. Santa Maria: Editora UFSM, 2011.
BARBOSA, J. R. Máquinas de Fluído. Instituto Tecnológico de Aeronáutica. 2010.
LINSINGEN, Irlan V. Fundamentos de Sistemas Hidráulicos. Ed. da UFSC. 2ª Ed. Revisada. Florianópolis, 2003.
SOUZA, Z. Projetos de Máquinas de Fluxo: tomo I, base teórica e experimental. Rio de Janeiro: Editora Interciência: Minas Gerais: Editora Acta, 2011 
SOUZA, Z. Projetos de Máquinas de Fluxo: tomo III, turbinas hidráulicas com rotores tipo francis. Rio de Janeiro: Editora Interciência: Minas Gerais: Editora Acta, 2011.
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