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UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS FACULDADE DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA RELATÓRIO III – EXPERIMENTOS EM CURVAS DE BOMBAS TIPO: CENTRÍFUGA, TURBINA E SUBMERSA MANAUS-AM/2014 UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS FACULDADE DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA Jairo Wilson Souza da Silva – 20903782 RELATÓRIO II – EXPERIMENTOS EM CURVAS DE BOMBAS TIPO: CENTRÍFUGA, TURBINA E SUBMERSA MANAUS-AM/2014 Trabalho apresentado à Universidade Federal do Amazonas, como parte do critério de avaliação da disciplina Laboratório de Sistemas Térmicos sob orientação do Prof. Nilton Pereira. 1. INTRODUÇÃO Bombas são equipamentos que quando ativos e associados a um conjunto de condutos são capazes de elevar (recalcar) a água de uma fonte até um reservatório elevado. Também são utilizadas para aumentar a vazão durante horários de pico e até mesmo para o transporte de outros líquidos que não a água, como os derivados do petróleo. Utilizamos no experimento bombas tipo: centrifuga, turbina e submersa cujos rendimentos podem ser medidos pela razão entre a potência fornecida pela bomba à água (potência hidráulica) e a potência fornecida pelo motor à bomba (potência mecânica). Cada bomba possui sua curva característica, que relaciona Hman e Q, representando assim a energia cedida pela bomba ao fluido em função da vazão bombeada. 1.1. BOMBAS UTILIZADAS NO EXPERIMENTO 1.1.1. BOMBA CENTRÍFUGA Bomba onde a energia hidráulica é gerada pela rotação do rotor, impulsionando o líquido pela ação da força centrífuga. Esse modelo além de atingir uma grande vazão, também consegue alcançar altos índices de altura manométrica. O líquido entra no bocal de sucção e, logo em seguida, no centro de um dispositivo rotativo conhecido como impulsor, que ao girar, imprime uma rotação ao líquido situado nas cavidades entre as palhetas externas, proporcionando-lhe uma aceleração centrífuga. Como as lâminas do impulsor são curvas, o fluido é impulsionado nas direções radial e tangencial pela força centrífuga. 1.1.2. BOMBA SUBMERSA Bomba submersa é uma bomba centrífuga de múltiplos estágios acoplada a um motor elétrico capaz de funcionar submerso na água. Dentre as vantagens da Bomba Submersa, a principal é não precisar de um longo eixo de acionamento, exigido pelas bombas comuns. São menos afetadas por desvios de verticalidade e desalinhamento do poço, além de não ser necessário construir uma casa de bomba, resultando assim num produto mais econômico. 1.1.3. BOMBA TIPO TURBINA A bomba turbina possui um rotor de bronze que desenvolve energia de pressão pela recirculação do líquido numa série de palhetas giratórias. Este rotor da bomba turbina é um disco maciço com grande número de pequenas palhetas radiais dispostas dos dois lados do disco, que sofre um adelgaçamento. 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL GERAL a. Em qualquer experimento, antes de acionar o motor elétrico, certifique-se que: A bomba correta foi selecionada; O motor está corretamente acoplado; A válvula gaveta está aberta; Há água suficiente no reservatório; b. Encher o reservatório inferior; c. Realizar as tomadas das de pressão ao manômetro escolhido e ao vacuômetro; d. Realizar a escorva da bomba pelo reservatório plástico acoplado e fechar a válvula de esfera de escorva; e. Acionar a bomba através do painel elétrico e selecionar a velocidade desejada com o potenciômetro no painel elétrico; f. Abrir vagarosamente a válvula gaveta acompanhando as medidas; Pressão de recalque; Pressão de sucção; Velocidade da bomba; Torque aplicado; g. Repetir para as quatro bombas, lembrando-se de desligar o motor quando for rocar de bomba; h. Ao finalizar o experimento, desligar o motor; 3. MATERIAIS UTILIZADOS 01 Reservatório inferior em aço carbono; 01 reservatório superior em aço carbono para medida da vazão; 01 válvula de ajuste de vazão; 01 válvula de alivio de pressão ajustada em 4 Bar; 04 válvulas de esfera para seleção da bomba sob ensaio; 01 bomba centrífuga marca Thebe; 01 bomba de engrenagens marca Edral; 01 bomba submersa marca Ferrari; 01 bomba tipo turbina marca Beck; Dinamômetro para medida do torque; Cronometro; Painel de operações; 4. MONTAGEM DO SISTEMA 5. CURVAS DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA 5.1. OBJETIVO Obter a curva de funcionamento de uma bomba centrifuga operando em velocidade constante. 5.2. INTRODUÇÃO A curva mais comum e utilizada em dimensionamento de bombas é curva Altura Manométrica (Hman) versus Vazão (Q), que é obtida com o rotor operando em velocidade constante (n). A curva mais comum e utilizada em dimensionamento de bombas centrífugas é curva Altura Manométrica (Hman) versus Vazão (Q), que é obtida com o rotor operando em velocidade constante (n). Neste caso estão sendo desprezadas as perdas de carga os trechos de tubulação entre a saída da bomba e o ponto de medida de pressão. Se a pressão na sucção for desprezível, a elevação da bomba, a elevação da bomba poderá ser considerada como a pressão indicada no manômetro de Bourdon. A potencia hidráulica transferia ao fluido é obtida pela relação: Phidraulica = Hman . Q Onde: Pressão manométrica = Hman em Pa Vazão = Q em m 3 /s O torque aplicado pelo motor da bomba é calculado pelo produto da força pelo braço. O braço é a distancia entre o centro do eixo do motor até o ponto de aplicação da força na célula de carga. O indicador de torque já tem todas as equações e mostra o torque transmitido diretamente no indicador digital em N.cm. A potência mecânica absorvida pela bomba é obtido pela relação: Pmecanica = T.ω Onde: Torque T em Nm Velocidade ω em rad/s O rendimento é obtido pela relação entre a potência hidráulica transferia ao fluido e a potência mecânica entregue pelo motor da bomba. Ƞ= Phidraulica / Pmecanica 5.3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL REALIZADO Instalar o motor com dinamômetro na bomba centrifuga verificando seu perfeito acoplamento; Manobrar as válvulas de esferas, deixando somente a válvula na tubulação de sucção e a válvula na tubulação de recalque da bomba centrifuga aberta; Abrir a válvula de esvaziamento do reservatório superior; Utilizar o reservatório superior cronometrando o tempo de enchimento determinado (a vazão será determinada pelo volume coletado e o tempo); Abrir a válvula de gaveta totalmente e ligar o motor elétrico, ajustando a rotação desejada pelo potenciômetro no painel frontal, acompanhando o indicador de velocidade; Ir atuando sobre a válvula de gaveta, fechando-a de forma a causar uma redução de vazão e realizar as medidas; Repetir o procedimento algumas vezes para que se possa gerar a curva da bomba; 5.4. ANALISE DOS DADOS PARA BOMBA CENTRIFUGA Ao fim do experimento, podemos obter os seguintes dados e resultados: 0 2 4 6 8 10 12 0,000 0,500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 4,000D if er en ci al d e P re ss ão ( m ) Vazão (m3/h) Curva Experimental da Bomba Centrífuga Curva da bomba rotação de 2000 rpm Curva da bomba rotação de 2500 rpm Altura Tempo Vazão Hsuc. Hrec. ∆H Vel. Rotação Torque POT MECÂNICAPOT HIDRÁULICA EFICIÊNCIA (mm) (s) (m3/h) (MCA) (MCA) (m) (rpm) (N.cm) (W) (W) % 80 8,1 2,844 0 4 4 2000 44 92,15338451 30,97284198 33,61009707 60 11,35 1,522 0 6 6 2000 34 71,20943348 24,86696234 34,92088214 60 28,5 0,606 0 7 7 2000 27 56,54866776 11,55368513 20,43140111 80 9,15 2,518 0 5 5 2000 42 87,9645943 34,27322679 38,9625247 100 7,64 3,770 0 6 6 2500 75 196,3495408 61,57068555 31,35769266 80 7,83 2,943 0 8 8 2500 68 178,0235837 64,08174204 35,99620944 60 11,02 1,568 0 10 10 2500 52 136,1356817 42,68602882 31,35550379 30 24,43 0,354 0 11 11 2500 37 96,86577349 10,59025873 10,93292124 BOMBA CENTRÍFUGA 6. CURVAS DE UMA BOMBA TIPO TURBINA 6.1. OBJETIVO Obter a curva de funcionamento de uma bomba tipo turbina operando em velocidade constante. 6.2. INTRODUÇÃO A curva mais comum e utilizada em dimensionamento de bombas é curva Altura Manométrica (Hman) versus Vazão (Q), que é obtida com o rotor operando em velocidade constante (n). 0 20 40 60 80 0,000 0,500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 4,000 P o tê n ci a H id rá u lic a (W ) Vazão (m3/h) Gráfico Experimental Potência Hidraulica X Vazão Bomba Centrífuga Rotação de 2000 rpm Rotação de 2500 rpm 0 20 40 60 0,000 0,500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 4,000 Ef ic iê n ci a (% ) Vazão (m3/h) Gráfico Experimental Eficiência X Vazão Bomba Centrífuga Rotação de 2000 rpm Rotação de 2500 rpm A curva mais comum e utilizada em dimensionamento de bombas é curva Altura Manométrica (Hman) versus Vazão (Q), que é obtida com o rotor operando em velocidade constante (n). Neste caso estão sendo desprezadas as perdas de carga os trechos de tubulação entre a saída da bomba e o ponto de medida de pressão. Se a pressão na sucção for desprezível, a elevação da bomba, a elevação da bomba poderá ser considerada como a pressão indicada no manômetro de Bourdon. A potencia hidráulica transferia ao fluido é obtida pela relação: Phidraulica = Hman . Q Onde: Pressão manométrica = Hman em Pa Vazão = Q em m 3 /s O torque aplicado pelo motor da bomba é calculado pelo produto da força pelo braço. O braço é a distancia entre o centro do eixo do motor até o ponto de aplicação da força na célula de carga. O indicador de torque já tem todas as equações e mostra o torque transmitido diretamente no indicador digital em N.cm. A potência mecânica absorvida pela bomba é obtido pela relação: Pmecanica = T.ω Onde: Torque T em Nm Velocidade ω em rad/s O rendimento é obtido pela relação entre a potência hidráulica transferia ao fluido e a potência mecânica entregue pelo motor da bomba. Ƞ= Phidraulica / Pmecanica 6.3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL REALIZADO Instalar o motor com dinamômetro na bomba tipo turbina verificando seu perfeito acoplamento; Manobrar as válvulas de esferas, deixando somente a válvula na tubulação de sucção e a válvula na tubulação de recalque da bomba centrifuga aberta; Abrir a válvula de esvaziamento do reservatório superior; Utilizar o reservatório superior cronometrando o tempo de enchimento determinado (a vazão será determinada pelo volume coletado e o tempo); Abrir a válvula de gaveta totalmente e ligar o motor elétrico, ajustando a rotação desejada pelo potenciômetro no painel frontal, acompanhando o indicador de velocidade; Ir atuando sobre a válvula de gaveta, fechando-a de forma a causar uma redução de vazão e realizar as medidas; Repetir o procedimento algumas vezes para que se possa gerar a curva da bomba; 6.4. ANÁLISE DOS DADOS PARA BOMBA TIPO TURBINA Altura Tempo Vazão Hsuc. Hrec. ∆H Vel. Rotação Torque POT MECÂNICA POT HIDRÁULICA EFICIÊNCIA (mm) (s) (m3/h) (MCA) (MCA) (m) (rpm) (N.cm) (W) (W) % 100 17,64 1,633 0 2 2 1500 39 61,26105675 8,8888896 14,50985352 60 13,56 1,274 0 4 4 1500 48 75,39822369 13,8761073 18,4037589 50 16,85 0,855 0 6 6 1500 58 91,10618695 13,95845809 15,32108692 50 31,7 0,454 0 8 8 1500 67 105,2433539 9,892745271 9,399876481 80 10,03 2,297 0 3 3 2000 60 125,6637061 18,75972234 14,92851271 80 13,54 1,702 0 6 6 2000 78 163,362818 27,79320754 17,01317833 40 8,71 1,323 0 9 9 2000 90 188,4955592 32,40413577 17,19092795 40 19,59 0,588 0 12 12 2000 107 224,100276 19,20980246 8,571967336 BOMBA TIPO TURBINA 0 2 4 6 8 10 12 14 0,000 0,500 1,000 1,500 2,000 2,500 D if er en ci al d e P re ss ão ( m ) Vazão (m3/h) Curva Experimental da Bomba Tipo Turbina Curva da bomba rotação de 1500 rpm Curva da bomba rotação de 2000 rpm 7. CURVAS DE UMA BOMBA SUBMERSA 7.1. OBJETIVO Obter a curva de funcionamento de uma bomba submersa operando em velocidade constante. 0 5 10 15 20 25 30 35 0,000 0,500 1,000 1,500 2,000 2,500 P o tê n ci a H id rá u lic a (W ) Vazão (m3/h) Gráfico Experimental Potência Hidraulica X Vazão Bomba Tipo Turbina Rotação de 1500 rpm Rotação de 2000 rpm 0 5 10 15 20 0,000 0,200 0,400 0,600 0,800 1,000 1,200 1,400 1,600 1,800 Ef ic iê n ci a (% ) Vazão (m3/h) Gráfico Experimental Eficiência X Vazão Bomba Tipo Turbina Rotação de 1500 rpm Rotação de 2000 rpm 7.2. INTRODUÇÃO A curva mais comum e utilizada em dimensionamento de bombas é curva Altura Manométrica (Hman) versus Vazão (Q), que é obtida com o rotor operando em velocidade constante (n). A curva mais comum e utilizada em dimensionamento de bombas é curva Altura Manométrica (Hman) versus Vazão (Q), que é obtida com o rotor operando em velocidade constante (n). Neste caso estão sendo desprezadas as perdas de carga os trechos de tubulação entre a saída da bomba e o ponto de medida de pressão. Se a pressão na sucção for desprezível, a elevação da bomba, a elevação da bomba poderá ser considerada como a pressão indicada no manômetro de Bourdon. A potencia hidráulica transferia ao fluido é obtida pela relação: Phidraulica = Hman . Q Onde: Pressão manométrica = Hman em Pa Vazão = Q em m 3 /s O torque aplicado pelo motor da bomba é calculado pelo produto da força pelo braço. O braço é a distancia entre o centro do eixo do motor até o ponto de aplicação da força na célula de carga. O indicador de torque já tem todas as equações e mostra o torque transmitido diretamente no indicador digital em N.cm. A potência mecânica absorvida pela bomba é obtido pela relação: Pmecanica = T.ω Onde: Torque T em Nm Velocidade ω em rad/s O rendimento é obtido pela relação entre a potência hidráulica transferia ao fluido e a potência mecânica entregue pelo motor da bomba. Ƞ= Phidraulica / Pmecanica 7.3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL REALIZADO Instalar o motor com dinamômetro na bomba tipo turbina verificando seu perfeito acoplamento; Manobrar as válvulas de esferas, deixando somente a válvula na tubulação de sucção e a válvula na tubulação de recalque da bomba centrifuga aberta; Abrir a válvula de esvaziamento do reservatório superior; Utilizar o reservatório superior cronometrando o tempo de enchimento determinado (a vazão será determinada pelo volume coletado e o tempo); Abrir a válvula de gaveta totalmente e ligar o motor elétrico, ajustando a rotação desejada pelo potenciômetro no painel frontal, acompanhando o indicador de velocidade; Ir atuando sobre a válvula de gaveta, fechando-a de forma a causar uma redução de vazão e realizar as medidas; Repetir o procedimento algumasvezes para que se possa gerar a curva da bomba; 7.4. ANÁLISE DOS DADOS PARA BOMBA SUBMERSA Altura Tempo Vazão Hsuc. Hrec. ∆H Vel. Rotação Torque POT MECÂNICA POT HIDRÁULICA EFICIÊNCIA (mm) (s) (m3/h) (MCA) (MCA) (m) (rpm) (N.cm) (W) (W) % 100 17,28 1,667 0 2 2 2500 118 308,9232776 9,0740748 2,937323102 120 24,08 1,435 0 3 3 2500 113 295,8333082 11,72093117 3,962005239 140 38,48 1,048 0 4 4 2500 107 280,1253449 11,40956432 4,07302107 160 64,09 0,719 0 5 5 2500 99 259,1813939 9,786238886 3,775826165 80 78,17 0,295 0 6 6 2500 93 243,4734307 4,81412345 1,9772685 100 21,97 1,311 0 1,5 1,5 2000 80 167,5516082 5,352754183 3,194689828 80 20,31 1,134 0 2 2 2000 77 161,2684229 6,176268342 3,829806376 60 23,4 0,738 0 3 3 2000 69 144,5132621 6,030769713 4,173160046 20 29,075 0,198 0 4 4 2000 65 136,1356817 2,15717988 1,584580805 60 11,89 1,453 0 1,8 1,8 2250 92 216,7698931 7,121278955 3,285178976 60 17,11 1,010 0 3 3 2250 85 200,2765317 8,247808959 4,118210402 30 13,51 0,640 0 4 4 2250 81 190,8517537 6,963731127 3,648764547 10 11 0,262 0 5 5 2250 77 181,4269757 3,563636649 1,964226452 BOMBA SUBMERSA 0 2 4 6 8 0,000 0,200 0,400 0,600 0,800 1,000 1,200 1,400 1,600 1,800 D if er en ci al d e P re ss ão ( m ) Vazão (m3/h) Curva Experimental da Bomba Submersa Curva da bomba rotação de 2000 rpm Curva da bomba rotação de 2250 rpm Curva da bomba rotação de 2500 rpm 0 2 4 6 8 10 12 14 0,000 0,200 0,400 0,600 0,800 1,000 1,200 1,400 1,600 1,800 P o tê n ci a H id áu lic a (W ) Vazão (m3/h) Gráfico Experimental Potência Hidraulica X Vazão Bomba Submersa Rotação de 2000 rpm Rotação de 2250 rpm Rotação de 2500 rpm 0 1 2 3 4 5 0,000 0,200 0,400 0,600 0,800 1,000 1,200 1,400 1,600 1,800 Ef ic iê n ci a (% ) Vazão (m3/h Gráfico Experimental Eficiência X Vazão Bomba Submersa Rotação de 2000 rpm Rotação de 2250 rpm Rotação de 2500 rpm 8. DADOS COMPARATIVOS DO PROGRAMA LABVIEW 8.1. BOMBA CENTRIFUGA BOMBA CENTRÍFUGA Altura Tempo Vazão Hsuc. Hrec. ∆H Vel. Rotação Torque POT MECÂNICA (mm) (s) (m3/h) (MCA) (MCA) (m) (rpm) (N.cm) (W) 80 8,1 2,844 0 4 4 2000 44 92,15338451 8.2. BOMBA TIPO TURBINA PRESSÃO DE 2 MCA 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 1 0 :3 8 :5 3 1 0 :3 8 :5 7 1 0 :3 9 :0 1 1 0 :3 9 :0 5 1 0 :3 9 :0 9 1 0 :3 9 :1 3 1 0 :3 9 :1 7 1 0 :3 9 :2 1 1 0 :3 9 :2 5 1 0 :3 9 :2 9 1 0 :3 9 :3 3 1 0 :3 9 :3 7 1 0 :3 9 :4 1 1 0 :3 9 :4 5 1 0 :3 9 :4 9 P o tê n ci a M e câ n ic a Horas Bomba Tipo Centrifuga Potência Mecânica Fornecida pelo Labview Potência Mecânica Referência Altura Tempo Vazão Hsuc. Hrec. ∆H Vel. Rotação Torque POT MECÂNICA (mm) (s) (m3/h) (MCA) (MCA) (m) (rpm) (N.cm) (W) 100 17,64 1,633 0 2 2 1500 39 61,26105675 BOMBA TIPO TURBINA PRESSÃO DE 6 MCA 50 52 54 56 58 60 62 1 1 :0 8 :5 4 1 1 :0 8 :5 7 1 1 :0 9 :0 0 1 1 :0 9 :0 3 1 1 :0 9 :0 6 1 1 :0 9 :0 9 1 1 :0 9 :1 2 1 1 :0 9 :1 5 1 1 :0 9 :1 8 1 1 :0 9 :2 1 1 1 :0 9 :2 4 1 1 :0 9 :2 7 1 1 :0 9 :3 0 1 1 :0 9 :3 3 1 1 :0 9 :3 6 1 1 :0 9 :3 9 1 1 :0 9 :4 2 1 1 :0 9 :4 5 1 1 :0 9 :4 8 1 1 :0 9 :5 1 P o tê n ci a M e câ n ic a Horas Bomba Tipo Turbina P2 Potência Mecânica Fornecida pelo Labview Potência Mecânica Referência Altura Tempo Vazão Hsuc. Hrec. ∆H Vel. Rotação Torque POT MECÂNICA (mm) (s) (m3/h) (MCA) (MCA) (m) (rpm) (N.cm) (W) 80 13,54 1,702 0 6 6 2000 78 163,362818 BOMBA TIPO TURBINA 150 155 160 165 170 1 1 :2 7 :1 5 1 1 :2 7 :1 9 1 1 :2 7 :2 3 1 1 :2 7 :2 7 1 1 :2 7 :3 1 1 1 :2 7 :3 5 1 1 :2 7 :3 9 1 1 :2 7 :4 3 1 1 :2 7 :4 7 1 1 :2 7 :5 1 1 1 :2 7 :5 5 1 1 :2 7 :5 9 1 1 :2 8 :0 3 1 1 :2 8 :0 7 1 1 :2 8 :1 1 P o tê n ci a M e câ n ic a Horas Bomba Tipo Turbina P6 Potência Mecânica Fornecida pelo Labview Potência Mecânica Referência 8.3. BOMBA SUBMERSA 9. CONCLUSÃO No experimento apresentado, foram demonstrados mecanismos para se obter a curva de funcionamento de uma bomba tipo turbina, submersa e centrifuga. De acordo com a analise, podemos observar um pequeno desvio no padrão das curvas adquiridas e o padrão usados em catálogos dos fabricantes. Isso. Esse desvio deve-se ao pequeno numero de pontos estudados. No entanto o experimento atendeu as expectativas, promovendo a interação entre estudantes e mais importante, correlacionando a teoria vista em sala de aula com a pratica em laboratório. Altura Tempo Vazão Hsuc. Hrec. ∆H Vel. Rotação Torque POT MECÂNICA (mm) (s) (m3/h) (MCA) (MCA) (m) (rpm) (N.cm) (W) 100 21,97 1,311 0 1,5 1,5 2000 80 167,5516082 BOMBA SUBMERSA 145 150 155 160 165 170 0 9 :3 5 :3 4 0 9 :3 5 :4 0 0 9 :3 5 :4 6 0 9 :3 5 :5 2 0 9 :3 5 :5 8 0 9 :3 6 :0 4 0 9 :3 6 :1 0 0 9 :3 6 :1 6 0 9 :3 6 :2 2 0 9 :3 6 :2 8 0 9 :3 6 :3 4 0 9 :3 6 :4 0 0 9 :3 6 :4 6 0 9 :3 6 :5 2 0 9 :3 6 :5 8 0 9 :3 7 :0 4 0 9 :3 7 :1 0 0 9 :3 7 :1 6 0 9 :3 7 :2 2 P o tê n ci a M e câ n ic a Horas Bomba Tipo Submersa Potência Mecânica Fornecida pelo Labview Potência Mecânica Referência 10. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS MACINTYRE, ARCHIBALD JOSEPH. Bombas e instalações de bombeamento. 2ª Ed. Editora LTC. 1997 FOX, ROBERT W. PRITCHARD, PHIL J, e MCDONALD, ALAN T. Introdução a Mecânica dos Fluidos. 6ª Ed. Editora LTC. 2006.