Sistemas de Bombeamento Agrícola

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CENTRO UNIVERSITÁRIO DE ARARAQUARA
CURSO DE ENGENHARIA AGRONÔMICA
HIDRÁULICA
SISTEMAS DE BOMBEAMENTO AGRÍCOLA
Prof. Michele C. Silva
NOVEMBRO DE 2015.
Introdução:
Na indústria existe uma série de sistemas e equipamentos que utilizam máquinas para movimentação e transporte de fluidos. Todos estes processos estão relacionados com a energia e seus processos de transformação. A energia contida nos fluidos em movimento pode ser utilizada para acionamento de máquinas de fluxo denominadas turbinas. A energia elétrica gerada pelas turbinas pode ser utilizada para acionamento de motores elétricos, os quais podem acionar bombas, ventiladores, compressores para movimentação e transporte de fluidos com diferentes finalidades, segundo o processo industrial em que esteja inserido.
Máquinas de fluxo:
As máquinas de fluxo são utilizadas para adicionar ou retirar energia de um fluido. Podem ser dinâmicas (turbomáquinas) ou volumétricas. Nas dinâmicas o aumento da pressão do fluido é contínuo. Nas volumétricas o aumento da pressão se produz reduzindo o volume do fluido confinado hermeticamente na câmara de compressão. As máquinas volumétricas podem ser alternativas com descarga intermitente do fluido, ou rotativas com descarga continua do fluido. Já as máquinas dinâmicas podem ser classificadas segundo a trajetória percorrida pelo fluido ao passar pelo rotor como radial, axial ou mista. 
Podemos classificar ainda da seguinte forma: 
i) Máquinas Motrizes: que transformam energia hidráulica em energia mecânica (turbinas);
ii) Máquinas Geratrizes: que convertem energia mecânica em energia hidráulica (bombas);
iii) Máquinas Mistas: que convertem a forma da energia hidráulica disponível (carneiro hidráulico, ejetores etc).
As bombas hidráulicas são máquinas geratrizes, que transmitem um acréscimo da energia hidráulica ao líquido bombeado. As bombas hidráulicas podem ser classificadas em dois grupos distintos:
i) Bombas de deslocamento positivo (bombas de embolo ou pistão, bombas de diafragma etc);
ii) Bombas Rododinâmicas ou Turbobombas(bombas que apresentam um rotor giratório que transmite ao líquido um acréscimo na sua energia cinética e um difusor onde a maior parte da energia cinética adquirida é transformada em energia de pressão).
Turbomáquinas:
As turbomáquinas direcionam o escoamento através de lâminas, aletas ou pás solidárias ao rotor. 
Numa turbomáquina o fluido nunca permanece confinado no interior da máquina, esta sempre circulando. 
Numa máquina volumétrica o fluido permanece periodicamente confinado no interior da máquina. 
Todas as interações de trabalho entre fluido-rotor de uma turbomáquina resultam dos efeitos dinâmicos do rotor sobre a corrente de fluido. 
As turbomáquinas podem ser máquinas motrizes (ex: turbinas) ou geratrizes (ex: bombas). 
As turbomáquinas apresentam os seguintes componentes básicos:
- Boca de entrada (Bombas: boca de aspiração ou de sucção).
- Rotor Impulso ou Impelidor. 
- Fileira de pás, lâminas, álabes solidárias ao rotor. 
- Corpo, voluta ou coletor em caracol. 
- Boca de saída (Bombas: boca de recalque ou de descarga).
Máquinas geratrizes ou Operatrizes:
Os ventiladores e compressores são máquinas muito semelhantes já que trabalham com gases, contudo, os ventiladores são utilizados para movimentar gases enquanto que os compressores são utilizados para aumentar a pressão dos gases. Os compressores causam uma variação significativa da massa específica do gás. Os ventiladores são utilizados para ventilação residencial e industrial, sistemas de exaustão e insuflamento de ar e sistemas de climatização. Os compressores são utilizados para aplicações de ar comprimido acionando equipamentos a pressão de ar como transporte pneumático, acionadores de êmbolo. 
Também são utilizados em equipamentos de jato de ar como resfriadores ou aquecedores, jateamento de areia, equipamentos e máquinas de percussão como martelos de ar comprimido, ou também para acionamento de máquinas ferramentas fixas e portáteis como furadeiras, a parafusadeiras. Os compressores e os ventiladores podem ser máquinas dinâmicas ou volumétricas. Entre as máquinas dinâmicas podem ter rotores centrífugos, axiais ou mistos. Os compressores volumétricos podem ser de êmbolo onde o movimento linear do pistão é produzido por um sistema biela-manivela. Também os compressores podem ser rotativos como os de palhetas, lóbulos e de parafuso.
Turbinas
As turbinas são máquinas que extraem energia de uma corrente de fluido. O conjunto de lâminas integrantes do eixo da turbina é chamado de roda ourotor. São utilizadas para acionar sistemas mecânicos ou para acionar geradores de energia elétrica. Segundo o fluido de trabalho podem ser turbinas hidráulicas (água), turbinas eólicas (ar) ou turbinas a vapor e a gás. Na Fig. 1.3. mostra-se turbinas eólicas de eixo vertical e de eixo horizontal. O escoamento pode ser compressível como no caso das turbinas a vapor e gás ou incompressível como no caso das turbinas eólicas e turbinas hidráulicas. Podem ter rotores axiais, centrífugos ou helicocentrífugos.
Turbinas de Impulsão (Turbinas Pelton, Turbinas Turgo):
Transformam toda a energia disponível do escoamento em energia cinética à pressão atmosférica por meio de um bocal. 
- São acionadas por um o mais jatos livres de alta velocidade. 
- A velocidade e a pressão se mantém praticamente constante quando atravessam as pás do rotor. 
- A expansão do fluido de alta para baixa pressão ocorre em bocais externos ao rotor da turbina. 
- O rotor trabalha parcialmente submerso no fluido. 
- As turbinas Pelton (Fig. 1.4) possuem um distribuidor e um receptor. O distribuidor é um bocal que permite guiar o jato de água, proporcionando um jato cilíndrico sobre a pá. O rotor é formado por pás com forma de concha. As turbinas Pelton podem ter um ou vários jatos.
Turbinas de Reação (Francis, Kaplan):
Nas turbinas de reação parte da expansão do fluido ocorre externamente e parte na superfície das pás. 
A aceleração externa é imposta e o fluido é conduzido para o rotor na direção adequada através de um conjunto de pás estacionárias chamadas aletas guias do distribuidor. 
A combinação do conjunto de pás fixas do distribuidor e das móveis do rotor é chamado de um estágio da turbina. 
Os rotores trabalham totalmente submersos no fluidoproduzindo maior potência para um dado volume do que as turbinas de impulsão. 
As turbinas hidráulicas axiais ou de hélice são apropriadas para baixas quedas (da ordem de 30m) e grandes descargas. O receptor tem forma de hélice de propulsão com pás perfiladas aerodinamicamente. 
As turbinas Kaplan (Fig.1.5) são semelhantes às turbinas de hélice que apresentam a possibilidade de variar o passo das pás de acordo com a descarga, permitindo maiores rendimentos.
Nas turbinas Francis (Fig. 1.6) o receptor fica internamente ao distribuidor. Seu rotor é tipo radial de fluxo misto. Possuem um difusor ou tubo de aspiração. As turbinas Francis possuem um distribuidor constituído por um conjunto de pás móveis em volta do receptor, orientadas por sistema de controle permitindo mudar o ângulo para diferentes descargas para minimizar as perdas. Podem trabalhar com alturas de 5m a 500m.
Turbinas Segundo a Direção do Escoamento
 
As turbinas podem ser também classificadas segundoa direção do escoamento através do rotor: 
- Turbinas radial(Centrífugas) 
- Turbinas axiais (Hélice, Kaplan, Straflo, tubular, bulbo), 
- Turbinas tangenciais (Pelton, Michell, Banki) 
- Turbinas com escoamento misto ou diagonal (Francis, Deriaz).
Bombas Hidráulicas
 
Bombas são máquinasutilizadas para transporte de líquidos. São máquinas de fluxo semelhantes aos ventiladores. A designação corrente no meio profissional discrimina bombas de ventiladores de acordo com o fluido de trabalho. As bombas promovem o deslocamento de líquidos, os ventiladores propiciam a movimentação de gases, ambos transferindo energia a estes fluidos de trabalho. As turbinas hidráulicas retiram energia do fluido de trabalho. As bombas classificam-se como turbobombas e volumétricas.
Turbobombas
Nestas máquinas o fluido é aspirado pela boca de entrada até atingir o rotor denominado impulsor ou impelidor. O rotor conta com uma fileira de pás, lâminas, álabes, sendo envolvido por um corpo denominado voluta ou coletor em caracol. A voluta transforma a energia cinética adquirida pelo fluidoao passar pelo rotor em energia de pressão. O fluido abandona a bomba pela boca de saída denominada boca de recalque ou de descarga. Segundo o tipo de rotor podem ser radiais (bombas centrífugas) axiais (bombas axiais) ou mistas (bombas hélico-centrífugas). O rotor pode ser de simples aspiração ou de aspiração dupla o qual permite aumentar a vazão fornecida. Para aumentar a pressão as turbobombas podem ter vários estágios. 
Os rotores podem ser fechados, abertos semi-abertos. Podem transportar fluidos limpos ou com partículas em suspensão.
Bombas Centrífugas
As bombas centrífugas são amplamente utilizadas na indústria de processos químicos. Apresentam capacidade de 0,5 m3/h até 20.000 m3/h e trabalham com alturas manométricas entre 1,5 a5000 mca (metros de coluna de água). Caracterizam-se por ausência de pulsação em serviço contínuo. Apresentam um rotor com pás montado em um eixo girando no interior da carcaça. O fluido chega ao centro do rotor através de uma boca de aspiração sendo forçado através de pás do rotor para a periferia onde atinge uma velocidade elevada. Saindo da ponta das pás o líquido passa para a voluta onde ocorre a transformação da energia cinética em energia de pressão.
As bombas centrífugas podem trabahar com água limpa, água do mar, condensados, óleos com pressões até de 160 mca. e temperatura de até 1400C. Na indústria química e petroquímica podem ser utilizadas para trabalhar com água até 3000C e pressões de até 250 mca. Bombas de processo podem operar com temperaturas de até 4000C e pressões de até 450 mca. O material da carcaça depende do tipo de serviço. Para líquidos com temperatura de até 2500C utiliza-se ferro fundido. Para óleos soluções e produtos químicos com temperaturas de trabalha de até 4500C utiliza-se aço fundido. Para pressões elevadas (acima de 10 MPa) emprega-se aço forjado. Produtos químicos corrosivos requerem emprego de bronze, inox e em casos especiais vidro ou materiais plásticos. O alumínio é utilizado para bombear formol. O eixo da bomba centrífuga é fabricado de aço ou liga de alta resistência mecânica. Utiliza-se aço SAE 1035, SAE 4414,e SAE 2340, e ligas contendo 11 a 13 % de cromo. Os rotores das bombas centrífugas podem ser fechados ou abertos. Os rotores fechados têm paredes laterais minimizando o vazamento entre a aspiração e descarga. São utilizados para bombeamento de líquidos limpos. O rotor semi-aberto é fechado só na parte traseira. Os rotores abertos não apresentam paredes laterais. Ambos são utilizados para bombear líquidos viscosos ou contendo sólidos em suspensão.
Os rotores de bombas são fundidos numa única peça, podendo ser de ferro fundido, bronze ou inox. Também são fabricados em material plástico ou borracha.
Bombas Axiais
Os rotores axiais são utilizados para trabalhar com grandes vazões e pequenas alturas manométricas. Tipicamente 500 m3/h ou mais e alturas manométricas inferiores a 15mca. Operam com velocidade maiores que os radiais. Nos rotores de escoamento misto ou tipo turbina as pás tem curvatura dupla, (forma helicoidal) desta forma o escoamento é parcialmente axial e parcialmente radial. Operam com velocidades menores que os axiais. Trabalham tipicamente com capacidade acima de 20m3/h e altura manométrica até 30mca.
Principais Elementos de um Sistema de Bombeamento
Dependendo da finalidade os sistemas de bombeamento podem apresentar diversas configurações. 
Um sistema típico de bombeamento é apresentado na figura abaixo. Geralmente o conjunto moto-bomba é instalado numa casa de máquinas protegido contra intempérie. Para o acionamento da bomba podem ser utilizados motores elétricos, motores de combustão interna, acionado por turbinas a gás ou utilizado tomadas de força como eixo de tratores. 
Em geral predomina o uso de acionamento com motores elétricos.