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16 2.1 - Curva Característica da Instalação A Figura 2.1 - representa uma instalação de bombeamento , onde o líquido é elevado a uma altura h, por meio de uma bomba centrífuga. A Figura 2.2 mostra um conjunto de bombas geometricamente semelhantes, diferindo somente no do diâmetro do rotor, todas com a mesma rotação. A instalação necessita que a bomba lhe forneça uma quantidade de energia suficiente para que o líquido supere, tanto a altura h, como também a perda de carga que ocorre na tubulação. Por outro lado, esta energia deverá crescer no mesmo sentido do fluxo requerido pela instalação. Define-se a curva característica de uma instalação como a função que representa a altura manométrica requerida pela instalação, necessária para deslocar o líquido entre os dois reservatórios, em função da vazão. A curva que representa esta função é obtida por meio da aplicação da equação da energia entre as superfícies livres dos dois reservatórios, conforma segue: h 1 2 Figura 2.1 – Instalação de Bombeamento 17 H V z P H V z P PB gg )21( 2 2 2 2 2 1 1 1 22 Na equação acima, seguintes grandezas são definidas: z1 = 0 z2 = h P1 = P2 = Patm = 0 V1 = V2 = 0 Resulta: HB = h + HP(1-2) A perda de carga entre os pontos 1 e 2 é a soma da perda distribuída ( hf ) com as perdas localizadas ( hs ). ggD L f Vkh V h ssf 22 22 1.1.)( 2 2 Eq D L f g h K V H sP Através da equação acima, pode-se concluir que a curva da instalação, ao contrário da curva da bomba centrífuga, é crescente, no mesmo sentido da vazão, porque quando esta aumenta, a perda de carga também aumenta com o quadrado da velocidade. Exercício 2.1 - Traçar a curva característica da instalação da Figura 2.1 sendo conhecidos os seguintes dados: h = 15m f = 0,023 L = 28m D = 20 cm Valores de Ks Redução para entrar na tubulação: 1,3 Válvula totalmente aberta: 1,9 Cotovelo: 1,5 Alargamento para entrar no reservatório superior: 1,2 A aplicação da equação 1.1 com os dados acima resulta: )22,7( 6,19 15)2,15,13,1 20,0 28 .023,0( 6,19 15 K V HK V H SV 2 BSV 2 B 18 O traçado da curva da instalação consiste em se atribuir valores para a vazão e calcular a altura manométrica correspondente, através da equação acima. Vamos então construir uma tabela contendo valores da vazão, da velocidade correspondente e da altura manométrica. De acordo com as curvas da Figura 2.2, as vazões são representadas em metros cúbicos por hora e devem ser convertidas para metros cúbicos por segundo. Vamos admitir inicialmente que a válvula esteja totalmente aberta e que, nesta situação, o seu coeficiente de perda de carga distribuída seja KSV = 1,9. Nesta situação, a equação da instalação se transforma em: VH V H 2 B 2 B 4653,015)22,79,1( 6,19 15 Equação da vazão: 020 )s/m DD D 222 2 x14,3 3(Q4 V Q4 V Q4 V 4 VQ Q (m3/h) Q (m3/s) V (m/s) HB (M ) 0 0,00000 0,00 15,0 50 0,01389 0,44 15,0 100 0,02778 0,88 15,2 150 0,04267 1,32 15,5 200 0,05556 1,77 16,0 250 0,06944 2,21 16,8 300 0,08333 2,65 17,8 350 0,09722 3,09 19,1 400 0,11111 3,54 20,8 450 0,12500 3,98 22,5 500 0,13889 4,42 24,1 550 0,15278 4,86 26,1 600 0,16667 5,31 28,1 650 0,18055 5,75 30,5 700 0,19444 6,19 32,8 750 0,20833 6,63 35,6 800 0,22222 7,07 38,5 850 0,23611 7,51 41,5 900 0,25000 7,96 44,5 19 Figura 2.2 - Curvas características de bombas semelhantes de mesma rotação Bombas semelhantes com diferentes diâmetros rotação: 1450 rpm 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Vazão ( metros cúbicos por hora ) A lt u r a m a n o m é tr ic a ( m ) 328 mm 338 mm 348 mm 358 mm 70 % 72 % 74 % 76 % 78 % 79 % 80 % 79 % 78 % 76 % 65 % 368 mm 20 A Figura 2.2 mostra a curva característica da instalação, obtida através dos valores da tabela acima, representados no mesmo gráfico da altura manométrica de bombas. O encontro entre as curvas de uma bomba e da instalação indica o ponto de funcionamento da bomba em questão com a instalação. O exemplo seguinte mostra o comportamento da instalação, operando com a bomba de 368 mm de diâmetro. Nesta situação, pode-se ler no gráfico os seguintes valores: altura manométrica HB = 27,5 m e vazão QB = 580 m 3/h. Exercício 2.2 - Conhecendo a curva de uma instalação e a curva característica da bomba de 368 mm de diâmetro, representadas na Figura 2.2, calcular: 1 - Potência útil, potência no eixo da bomba e potência elétrica consumida pelo motor. 2 - Potência perdida na tubulação. 3 - Rendimento da instalação. Dados: Rendimento da bomba: 76,8% , conforme mostra o gráfico Rendimento do motor da bomba: 96,0% Solução O ponto de funcionamento entre a bomba e a instalação é representado pela intersecção entre as duas curvas, onde a Figura 2.2 fornece os valores: Q = 580 m3/h HB = 27,5 m A potência útil da bomba é aquela que a água recebe ao passar por ela, representada pela seguinte equação: kW xxQ W H W B B B 3,44 1000 5,27 3600 580 10000 1000 21 Quando se considera o atrito gerado pela passagem da água dentro da bomba, o seu funcionamento necessita de mais potência. Conforme indica a Figura 2.3, a potência no seu eixo We deve ser maior que a potência aproveitada pela água, conhecida como potência útil da bomba, aqui representada por WB. Define-se então o rendimento da bomba como a relação: eixonoPotência útilPotência W W eixo B B Desta forma, a potência no eixo da bomba pode ser calculada por: kW x xxQ W H W eixo b B eixo 7,57 768,01000 5,27 3600 580 10000 .1000 Conforme indica a Figura 2.3, a potência na entrada do motor We deve ser maior que a potência no seu eixo Weixo devido às perdas que ocorrem dentro do motor. Define-se então, o rendimento do motor como a relação entre a potência na saída e a potência na entrada do motor: Água Motor Welé Weixo água We Figura 2.3 WB 22 elétricaPotência eixonoPotência W W e eixo m kW xx xxQ W H W e mb B e 1,60 96,0768,01000 5,27 3600 580 10000 .1000 2.2 - Potência perdida na instalação Na curva da instalação, a diferença entre a altura manométrica da bomba e a altura de bombeamento representa a perda de carga na instalação. Hptub = HB - h A potência perdida na tubulação pode ser representada pela equação: kW xxhQW H W B B Tub 1,20 1000 )155,27( 3600 580 10000 .1000 )( 2.3 - Rendimento da instalação Define-se o rendimento da instalação como a relação entre a potência final acumulada pela água para ser elevada até a altura h e a potência elétrica necessária para movimentar a bomba. elétricaPotência águadafinalPotência W W e água Inst kW xx Qh WW águaágua 2,241000 15 3600 580 10000 .1000 23 %26,40100 1,60 2,24 x W W e água Inst Exercício 2.3 - Com base nos resultados anteriores, verificar o princípio da conservação da energia, considerando a potência de entrada na instalação, a potência final acumulada na água e a somatória das potências perdidas em toda a instalação. 1 - Potência perdida no motor 1a - Diferença entre a potência elétrica e a potência no eixo do motor Wpmotor = 60,1 - 57,7 = 2,4 kW 1b - Alternativa para o cálculo da potência elétrica perdida no motor Wpmotor = ( 1 - m ).We = ( 1 – 0,96 )x60,1 = 2,4 kW 2 - Potência perdida na bomba 1a - Diferença entre a potência no eixo e a potência útil da bomba Wpbomba = 57,7 - 44,3 = 13,4 kW 1b - Porcentagem da potência do eixo perdida na bomba Wpmotor = ( 1 - b ).Weixo = ( 1 – 0,768 )x57,7 = 13,4 kW 2.4 - Estudo de semelhança entre bombas O presente estudo visa comparar o comportamento de duas bombas geometricamente semelhantes, desde que sejam conhecidas as condições de funcionamento de uma delas, adotada como bomba modelo. Os catálogos geralmente apresentam as curvas de diversas bombas de mesma rotação, com diâmetros diferentes, mas geometricamente semelhantes. Em geral, uma delas é submetida a um ensaio em uma bancada de laboratório para a 24 determinação das curvas características. São levantadas as curvas de altura manométrica e de rendimento em função da vazão. As curvas das out5ras bombas podem ser obtidas pelo processo de semelhança, sem a necessidade de efetuar os respectivos ensaios. Vejamos quais são as condições de semelhanças que devem ser obedecidas. 2.4.1 - Semelhança geométrica Duas bombas apresentam semelhança geométrica quando têm a mesma forma e dimensões diferentes. Pode-se portanto afirmar que , neste caso , as suas dimensões são proporcionais. As duas bombas em questão são denominadas modelo e protótipo, sendo conhecidas as condições de funcionamento da primeira a bomba, deseja-se determinar as condições da segunda. Vamos neste estudo , representar a bomba modelo pelo índice ( 1 ) e a bomba protótipo pelo índice ( 2 ). Nessas condições, pode-se afirmar que os diâmetros do rotor ( D ) e da tubulação de entrada das bombas ( d ) são proporcionais, conforme mostra a equação abaixo: )1( 1 2 1 2 equação d d D D 2.4.2 - Semelhança dinâmica Definição 1 - Duas bombas geometricamente semelhantes apresentam semelhança dinâmica, quando as velocidades que ocorrem nos pontos correspondentes são proporcionais. Vamos aqui considerar a velocidade tangencial de um ponto na extremidade do rotor da bomba ( V ) e a velocidade de entrada da água na tubulação ( Ve ). Desta forma, pode-=se afirmar que: )2( 21 2 1 2 equação V V V V e A velocidade tangencial do rotor está relacionada com a rotação da bomba, através da seguinte equação: )3(. 12060 2 1 2 1 2 1 2 equação nD V nR VRV D D n n V V 25 A velocidade de entrada da água na bomba está relacionada com a área da seção da tubulação através da seguinte equação: )4( 2 1 1 2 4 2 1 2 1 2 2 1 2 1 2 2 equaçãoQ d d Q Q V V d d V V Q Qd V e e e e e Através da equação ( 2 ) pode-se relacionar as equações ( 3 ) e ( 4 ). D D Q Q D D n n d d Q Q D D n n V V V V e 2 1 . 2 1 . 2 1 2 1 2 1 2 2 1 2 1 2 1 2 21 2 1 2 )5( 1 2 3 1 2 1 2 equação D D n n Q Q Da equação acima, pode-se definir o coeficiente de vazão de uma bomba centrífuga: vazãodeecoeficient n Q D 3 Primeira conclusão A condição necessária para que duas bombas geometricamente semelhantes apresentem semelhança dinâmica é que os seus coeficientes de vazão sejam iguais, resultando a equação ( 5 ) 26 D D n n Q Q Dn Q Dn Q 1 2 21 3 1 2 1 2 3 2 2 3 1 1 21 Definição 2 - Duas bombas geometricamente semelhantes apresentam semelhança dinâmica, quando as diversas formas de energia envolvidas no funcionamento das bombas são proporcionais. Vamos aqui considerar o trabalho da pressão na saída da bomba, representado pela elevação de uma massa de líquido a uma altura equivalente à sua altura manométrica: HB = h + HP. Esse trabalho é representado por: HW BP gm. Em seguida, vamos representar a energia cinética do líquido na saída do rotor, calculada através da velocidade tangencial do líquido. 2 2 V W mCin De acordo com o conceito de proporcionalidade entre essas energias, pode-se formular a seguinte relação entre modelo e protótipo: D D n n H H D D n n V V V V H H V V H H W W W W B B B B B B Cin Cin P P g g toPor resulta nDnR VRV g g m m mg mg 1 2 . 1 2 :tan 1 2 . 1 2 1 2 : 6060 2 1 2 22 1 2 222 2 1 2 2 1 2 2 1 2 1 2 1 2 Da equação acima, pode-se definir o coeficiente manométrico de uma bomba centrífuga: 27 . 2 2 omanométricecoeficient g Dn H B Segunda conclusão A condição necessária para que duas bombas geometricamente semelhantes apresentem semelhança dinâmica é que os seus coeficientes manométricos sejam iguais, resultando a equação ( 5 ) Dn Dn H H Hn H Dn H B B B BB g ggg 2 4 2 1 2 2 2 2 1 2 1 2 1 1 2 2 2 2 2 12 Exercício 2.4 - Sendo conhecida a curva característica de uma bomba centrífuga através de uma tabela ( considerada como modelo ), calcular a curva característica de uma bomba semelhante, ( protótipo ) de mesma rotação e de diâmetro 50% acima. Dados da bomba modelo Vazão ( l/s ) Altura manométrica ( m ) 0 60,0 1 59,5 2 58,5 3 57,0 4 55,0 5 51,0 6 45,5 7 39,0 8 30,0 9 19,0 10 5,0 28 Solução Duas são as condições a serem obedecidas, pois o funcionamento de uma bomba centrífuga envolve os coeficientes de vazão e de altura manométrica. A partir da igualdade entre os coeficientes de vazão da bomba, pode-se encontrar umarelação entre a vazão do protótipo e do modelo. Da mesma forma, igualando-se os coeficientes manométricos, chega-se à relação entre as alturas manométricas do protótipo e do modelo. Em seguida, são feitos os procedimentos para encontrar as relações acima referidas. Igualdade entre os coeficientes de vazão. D D k n n k Q Q k D D n n Q Q Dn Q Dn Q Q n Q diâmetrosdesemelhançaderelação rotaçãodesemelhançadelação vazãodesemelhançadelação 1 2 1 2 1 2 3 1 2 1 2 3 11 1 3 22 2 12 : :Re :Re 1 2 . Destas equações resulta: Igualdade entre os coeficientes manométricos kkk DnQ 3 . 29 D D k n n k H H k g g k D D n n Hg Hg Dn gH Dn H Q n B B H g diâmetrosdesemelhançaderelação rotaçãodesemelhançadelação amanométricalturadesemelhançadelação gravidadedeaceleraçãodasemelhançadelação g 1 2 1 2 1 2 1 2 22 1 22 2 1 2 1 1 2 2 2 2 2 12 : :Re :Re ::Re 1 2 1 2 1 Destas equações resulta: As relações de semelhança têm os seguintes valores: rotaçãomesmadebombas problemadodado bombasduasnasgravidadedaaceleraçãomesma n n k D D k k n D g 0,1 5,1 1 1 2 1 2 25,2 375,3 :Re 5,1 5,1 22 33 kkk kkk HDH QDQ sulta Conclusão: Quando se eleva em 50% o diâmetro do rotor da bomba centrífuga sem elevar a sua rotação, a vazão da nova bomba aumenta 3,375 vezes e a altura manométrica 2,25 vezes. kkkk DnHg 22 .. 30 A tabela abaixo mostra as condições de funcionamento das bombas modelo e protótipo, sendo esta última obtida a partir dos dados do modelo, multiplicados pelos valores acima. Bomba modelo D = 20 cm Bomba protótipo D = 30 cm Vazão ( l/s ) Altura manométrica ( m ) Vazão ( l/s ) QP =3,375Qm Altura manométrica ( m ) HP = 2,25Hm 0 60,0 0,0 135,0 1 59,5 3,4 133,8 2 58,5 6,7 131,6 3 57,0 10,1 128,2 4 55,0 13,5 123,7 5 51,0 10,1 114,7 6 45,5 20,2 102,4 7 39,0 23,6 87,7 8 30,0 27,0 67,5 9 19,0 30,4 42,7 10 5,0 33,7 11,2 31 Exercício 2.5 - Sendo conhecida a curva característica de uma bomba centrífuga através de uma tabela ( considerada como modelo ), calcular a curva característica da mesma bomba ( protótipo ) com a rotação elevada em 20% . Dados da bomba modelo ( n = 1500 rpm ) Vazão ( l/s ) Altura manométrica ( m ) 0 60,0 1 59,5 2 58,5 3 57,0 4 55,0 5 51,0 6 45,5 7 39,0 8 30,0 9 19,0 10 5,0 Solução Como foi feito no exemplo anterior, duas são as condições a serem obedecidas, pois o funcionamento de uma bomba centrífuga envolve os coeficientes de vazão e de altura manométrica. A partir da igualdade entre os coeficientes de vazão da bomba, pode-se encontrar uma relação entre a vazão do protótipo e do modelo. Da mesma forma, igualando-se os coeficientes manométricos, chega-se à relação entre as alturas manométricas do protótipo e do modelo. Em seguida, são feitos os procedimentos para encontrar as relações acima referidas. Igualdade entre os coeficientes de vazão. Igualdade entre os coeficientes manométricos kkk DnQ 3 . 32 As relações de semelhança têm os seguintes valores: problemadodados bombamesma bombasduasnasgravidadedaaceleraçãomesma n n k D D k k n D g 2,1 0,1 1 1 2 1 2 44,1 2,12,1 :Re 2,1 22 kkk kkk HnH QnQ sulta Conclusão: Quando se eleva em 20% a rotação do rotor da bomba centrífuga sem elevar as dimensões do seu rotor, a vazão da nova bomba aumenta 1,2 vezes e a altura manométrica 1,44 vezes. A tabela abaixo mostra as condições de funcionamento das bombas modelo e protótipo, sendo esta última obtida a partir dos dados do modelo, multiplicados pelos valores acima. kkkk DnHg 22 .. 33 Bomba modelo n = 1200 rpm Bomba protótipo n = 1800 rpm Vazão ( l/s ) Altura manométrica ( m ) Vazão ( l/s ) QP =1,2 Qm Altura manométrica ( m ) HP = 1,44 Hm 0 60,0 0,0 86,4 1 59,5 1,2 85,7 2 58,5 2,4 83,5 3 57,0 3,6 82,1 4 55,0 4,8 77,8 5 51,0 6,0 73,4 6 45,5 7,2 66,2 7 39,0 8,4 56,2 8 30,0 9,6 43,2 9 19,0 10,8 27,4 10 5,0 12,0 7,2 Observação: A mudança da curva característica de uma bomba obtida através da sua rotação, permite a regulagem da vazão, sem alterar as características da instalação. Desta forma, pode-se reduzir a vazão de uma instalação, reduzindo-se a sua rotação, sem introduzir a perda de carga provocada pelo fechamento da válvula. Nessas condições, pode-se economizar a energia que seria consumida pela restrição imposta pela válvula, elevando- se, desta forma, o rendimento da instalação. 2.4.3 - Variação da rotação da bomba para controle de vazão Na instalação da Figura 2.4 , o ponto “A” representa a intersecção da curva de uma bomba centrífuga com a curva de uma instalação cuja válvula se encontra totalmente aberta. Essa bomba funciona com a rotação de 1800 rpm e produz uma vazão de 8,6L/s com uma altura manométrica de 60 m. Quando se deseja reduzir a vazão da instalação, por exemplo, para 6,0 L/s o método tradicional consiste no fechamento parcial da válvula, que provoca uma perda de carga adicional, alterando a curva característica da instalação. Desta forma, a curva fica mais inclinada, cortando a curva da bomba ( n = 1800 rpm ) no ponto “C” de vazão 6,0 L/s, resultando uma altura 34 manométrica de 76 m. Comparando esta situação com a anterior, verifica-se para reduzir a vazão foi necessário introduzir uma perda de carga muito maior, passando de 60 m para 76 m. Vamos lembrar que, na curva da instalação, a altura que fica acima do início da curva representa a perda de carga que ocorre na tubulação. Através da Figura 2.4, pode-se verificar que as perdas são: instalaçãodaobombeamentdealturah mcah mcah HHH HHH PCCPC PAAPA 463076 303060 A alternativa que a redução da rotação oferece, quando se deseja reduzir a vazão da instalação, consiste na manutenção da curva característica da instalação e na mudança da curva da bomba. Através do estudo de semelhança, pode-se calcular a curva característica da mesma bomba, com sua rotação reduzida, cortando a curvada instalação em um ponto de menor vazão. Na figura 2.4 o ponto “B” indica essa situação, onde a vazão é 6,0 L/s sendo a mesma do ponto “C”, com uma altura manométrica de apenas 45 m, em lugar dos 76m da situação anterior ( ponto C). Conclusão: O método mais eficiente para reduzir a vazão em uma instalação, consiste na redução da rotação da bomba, sem alterar a posição de abertura da válvula. Desta forma, a curva da instalação permanece a mesma, e a curva da bomba é que fica alterada, adaptando-se ao novo valor da vazão. 35 C 36
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