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1 APRESENTAÇÃO DE SEMINÁRIO REFERENTE A MATÉRIA DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS Professora: Rosângela Amado de Souza Turma: 3002 Alana Machado Moreira – 201503689328 Daniel Castro da Silva Callegário - 201703103122 Diego Marks Corrêa Cozendey - 201308164424 Elaine Gomes de Medeiros – 201502035073 Icaro Mateus da Conceição dos Passos - 201407043536 Marcelo Mattos Andrade de Souza - 201407043765 Rui Almerindo Vieira Guerra - 201402181493 Rio de Janeiro 2018 2 1 INTRODUÇÃO Uma máquina pode ser definida como um transformador de energia. A conversão pode ser de um tipo de energia em outro, ou simplesmente, de um mesmo tipo, porém transformada. As Máquinas de Fluido são aquelas em que a troca de energia ocorre entre um sistema mecânico e um fluido. Dentro da categoria máquina de fluido existem as Máquinas de Deslocamento Positivo e as Máquinas de Fluxo. No primeiro tipo, uma porção de fluido é confinada dentro da máquina e submetida a variações de pressão pela variação do volume que contém o fluido. Neste tipo de máquina, também chamada de máquina estática, há conversão direta de energia de pressão em trabalho mecânico ou vice-versa. Nas Máquinas de Fluxo ou dinâmicas, um fluido escoa continuamente através da máquina, havendo a transformação de trabalho mecânico em energia cinética e desta em energia de pressão ou vice-versa, na troca de energia. Há outra maneira de classificar as máquinas de fluido levando em consideração a compressibilidade do escoamento. As máquinas em que a compressibilidade do escoamento tem de ser considerada são denominadas de máquinas de escoamento compressível ou, genericamente, de máquinas térmicas, embora do ponto de vista termodinâmico, o conceito de máquina térmica possa ter outro significado. As máquinas hidráulicas são aquelas máquinas em que se despreza a compressibilidade do escoamento. 1.1 HISTÓRIA As primeiras máquinas de fluxo desenvolvidas foram rodas de conchas – datam de aproximadamente 1000 AC. - e bombas de parafusos (Archimedes’s screw pump) para elevação de água. 1.2 DEFINIÇÃO MÁQUINA HIDRÁULICA: É uma máquina através da qual escoa água, e que tem a finalidade de trocar energia hidráulica, do escoamento, em energia mecânica, fornecida ou cedida por outra máquina. O escoamento flui continuamente e opera transformações do tipo: 3 Emecânica ⇔ Ecinética ⇔ Epressão - BOMBA HIDRÁULICA: máquina hidráulica que recebe energia de outra máquina (ex: motor). - MÁQUINA HIDRÁULICA MOTRIZ OU TURBINA: máquina hidráulica que fornece energia mecânica para ser transformada em energia elétrica. 2 CLASSIFICAÇÃO As máquinas hidráulicas podem ser classificadas em: Máquinas operatrizes – introduzem no líquido em escoamento a energia externa, ou seja, transformam energia mecânica fornecida por uma fonte (um motor elétrico, por exemplo) em energia hidráulica sob a forma de pressão e velocidade (exemplo: bombas hidráulicas); Máquinas motrizes – transformam energia do líquido e a transferem para o exterior, isto é, transformam energia hidráulica em outra forma de energia (exemplos: Turbinas, motores hidráulicos rodas d’água); Mistas – máquinas que modificam o estado da energia que o líquido possui (exemplos: os ejetores e carneiros Hidráulicos). 2.1 MÁQUINAS OPERATRIZES – BOMBAS HIDRÁULICAS Podem ser classificadas em duas categorias, a saber: Turbo-Bombas, Hidrodinâmicas ou Rotodinâmicas - são máquinas nas quais a movimentação do líquido é desenvolvida por forças que se desenvolvem na massa líquida em consequência da rotação de uma peça interna (ou conjunto dessas peças) dotada de pás ou aletas chamada de rotor; Volumétricas ou de Deslocamento Positivo - são aquelas em que a movimentação do líquido é causada diretamente pela movimentação de um dispositivo mecânico da bomba, que induz ao líquido um movimento na direção do deslocamento do citado dispositivo, em quantidades intermitentes, de acordo com a capacidade de armazenamento da bomba, promovendo enchimentos e esvaziamentos sucessivos, provocando, assim, o deslocamento do líquido no sentido previsto. São exemplos de bombas rotodinâmicas as conhecidíssimas bombas centrífugas, e de bombas volumétricas as de êmbolo ou alternativas e as rotativas. 4 Bomba Centrífuga Bomba volumétrica de êmbolo e Rotativas 3 CAVITAÇÃO A cavitação é um dos fenômenos mais importantes associado a bombas. Trata- se do conceito de cavitação e NPSH (Net Positive Suction Head). A cavitação e NPSH podem ser definidas de forma simples: Uma intensa formação de bolhas de vapor na zona de baixa pressão da bomba e posterior colapso dessas bolhas na região de alta pressão. NPSH é a pressão mínima em termos absolutos, em metros de coluna de água, acima da pressão de vapor do produto, a fim de evitar a formação dessas bolhas de vapor. 3.1 NPSH requerido e NPSH disponível Para se evitar o fenômeno da cavitação, os fabricantes definem, em função da vazão, qual o valor da energia que deve existir no flange de sucção da bomba, para que, na entrada do impelidor, a pressão esteja ainda superior à da vaporização; A este valor deu-se o nome de NPSH requerido (Net Positive Suction Head required) ou simplesmente NPSHr, que é fornecido pelos fabricantes juntamente com as curvas das bombas; Pelo exposto, o NPSHr pode ser definido como a carga exigida pela bomba para aspirar o fluido do poço de sucção. O NPSH Disponível, NPSHd é referente à pressão absoluta exercida pelo sistema na entrada da bomba. 5 Ocorrerá Cavitação ( 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛í𝑣𝑒𝑙 < 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜) Não Ocorrerá Cavitação (NPSHdisponível ≥ NPSHrequerido) 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑𝑖𝑠𝑝 = ( 𝑃𝑎𝑡𝑚 − 𝑃𝑣 𝛾 ) ± 𝐴𝑠 − 𝐻𝑓𝑠 𝑃𝑎𝑡𝑚 - pressão atmosférica 𝑃𝑣 - pressão vapor 𝛾 – massa específica 𝐴𝑠 - altura de sucção 𝐻𝑓𝑠 - perda de carga na sucção 4 TURBINAS HIDRÁULICAS Turbinas são máquinas para converter energia hidráulica em energia elétrica. O custo total de uma usina hidrelétrica (reservatório, tubulações, turbinas, etc.) é mais alto do que o de uma central termelétrica mas ela tem muitas vantagens, algumas das quais são: Alta eficiência Flexibilidade de operação Fácil manutenção Baixo desgaste Suprimento de energia potencialmente inesgotável Nenhuma poluição 4.1 MODELOS DE TURBINAS Os modelos de turbinas mais conhecidos são: FRANCIS; KAPLAN; PELTON. Existindo para cada modelo uma série de configurações diferentes. 6 4.2 SELEÇÃO DE TURBINAS HIDRÁULICAS Para selecionar o modelo de turbina mais adequado para cada instalação, vários fatores devem ser levados em consideração, entre eles: queda, vazão e velocidade de rotação. O diagrama apresenta o campo típico de aplicação dos três tipos de turbinas. 5 TURBINA FRANCIS A turbina Francis é um tipo de turbina hidráulica com fluxo radial de fora para dentro, concebida por Jean-Victor Poncelet por volta de 1820 e aperfeiçoada pelo engenheiro norte-americano James Francis em 1849, é largamente aplicada pelo fato das suas características cobrirem um grande campo de rotação específica. As Turbinas atuais podem ultrapassar a potências de 750 MW, no passado, as turbinas construídas entre 1930 a 1950 não possuíam rendimentos superiores a 85%, hoje ultrapassam a 92% para grandes máquinas. 7 Turbina francis As turbinas Francis são as mais empregadas no Brasil em todas as categorias de centrais hidrelétricas. As usinas hidrelétricas de Itaipu, Tucuruí, Furnas,Foz do Areia, Salto Pilão e outras no Brasil funcionam com turbinas tipo Francis, com cerca de 100m de queda d’água. 5.1 TURBINAS FRANCIS ENCONTRADAS NO BRASIL: Usina Hidrelétrica de Itaipu (PR) - 20 máquinas Usina Hidrelétrica de Tucuruí (PA) - 23 máquinas, sendo 12 na primeira fase da obra e 11 na segunda fase (obra mais recente) Usina Hidrelétrica de Ilha Solteira (SP/MS) - 20 máquinas Usina Hidrelétrica de Itá (RS/SC) - 5 máquinas Usina Hidrelétrica Itaúba (RS) - 4 máquinas Usina Hidrelétrica Castro Alves (RS)* - 3 máquinas 8 5.2 TURBINA FRANCIS – FUNCIONAMENTO DO DISTRIBUIDOR O distribuidor (ou sistema diretor) é constituído de um conjunto de pás dispostas em torno do rotor de maneira a ajustar um melhor ângulo de entrada para cada valor de vazão, diminuindo assim as perdas hidráulicas. As pás possuem um eixo de rotação paralelo ao eixo da turbina e movimentam- se simultaneamente desde uma admissão máxima até o fechamento total. Turbina Francis 5.3 TURBINA FRANCIS – FUNCIONAMENTO DA CAIXA CARACOL A caixa caracol (espiral) para as turbinas de pequeno porte normalmente é fundida em aço ou ferro fundido e bipartida para facilitar a montagem e desmontagem do conjunto. 9 É projetada de tal forma que garanta descargas parciais iguais em todos os canais formados pelas pás do distribuidor. Para isso, sua seção é gradativamente decrescente no sentido do escoamento. Turbina Francis – Caixa Espiral 6 TURBINA PELTON Estas Turbinas são empregadas em locais com grande desnível e pequena vazão, geralmente áreas montanhosas e terrenos de grande altitude, São também denominadas rodas Pelton, turbinas tangenciais ou de ação. Há turbinas Pelton operando em pequenas quedas em fazendas e áreas afastadas com geração de algumas dezenas de kW até instalações com quedas de 1765 m em Reiβeck-Kreuzeck, na Áustria, e 1869 m em Valais, na Suíça, com geração de 423 MW. 10 Turbina Pelton Estas turbinas se caracterizam por serem compostas de uma roda com pás e jatos tangenciais à roda. O movimento é gerado pela transmissão de energia cinética do jato d'água para as pás da roda. O número de pás geralmente é arbitrário, porém o número de jatos depende do projeto (1, 2, 3, 4, 5 ou 6). Inicialmente, as turbinas eram montadas com eixo horizontal. Para acrescentar jatos e elevar a potência foram desenvolvidas turbinas com eixo vertical. Quanto maior o número de jatos, maior a potência útil que pode ser aproveitada, permitindo também a elevação da rotação e redução do diâmetro do rotor. Turbina Pelton 11 6.1 TURBINAS PELRON ENCONTRADAS NO BRASIL: Usina Hidrelétrica Governador Pedro Viriato Parigot de Souza (PR) - 4 máquinas Usina Hidrelétrica Henry Borden, Cubatão (SP) - 14 máquinas 7 TURBINA KAPLAN Esta turbina foi idealizada pelo engenheiro austríaco Viktor Kaplan em 1912 e foi considerada um novo conceito de turbina hélice: – pás reguláveis. Sua inspiração foram as grandes hélices dos navios. Para um bom funcionamento, esta turbina requer grandes vazões e alturas moderadas. As Turbinas Kaplan, são do tipo axial, com rendimento elevado e praticamente constante. Pode ser utilizada com quedas de 3m à 60m e possuem grande flexibilidade de operação frente as variações de vazão e também altura de queda. Turbina Kaplan 12 Hélices de Navios 7.1 TURBINAS KAPLAN ENCONTRADAS NO BRASIL: Usina Hidrelétrica de Ferreira Gomes (AP) – 3 máquinas Usina Hidrelétrica de Estreito (MA/TO) – 8 máquinas Usina Hidrelétrica de Aimorés (MG/ES) – 3 máquinas Usina Hidrelétrica de Porto Estrela (MG) – 2 máquinas Usina Hidrelétrica de Lajeado (TO) – 5 máquinas Usina Hidrelétrica Eng. Souza Dias (MS/SP) – 14 máquinas Usina Hidrelétrica Mário Lopes Leão (SP) - 3 máquinas Usina Hidrelétrica Monte Claro (RS)* - 2 máquinas Usina Hidrelétrica 14 de Julho (RS)* - 2 máquinas 8 CONCLUSÃO Vimos que uma máquina é um transformador de energia. Uma máquina absorve energia de um tipo e restaura energia de outro tipo ou do mesmo tipo, mas transformada. As máquinas hidráulicas facilitam o trabalho do homem, em grande parte, por executar o trabalho pesado, podendo ser usadas tanto na industria para alimentar uma fábrica, quanto em uma residência para gerar energia. 13 9 BIBLIOGRAFIA http://www.deha.ufc.br/ticiana/Arquivos/Especializacao/Cariri/6_Sistemas%20de%20 Abast%20de%20%C1gua/Hidr%E1ulica2-Bombas.pdf http://www.dem.feis.unesp.br/intranet/capitulo8.pdf ftp://mecanica.ufu.br/LIVRE/Daniel/FEMEC41066%20-%20Maquinas%20de%20 Fluxo/Turbinas-Cap8/turbinas.pdf http://portal.inep.gov.br/web/guest/provas-e-gabaritos3 file:///C:/Users/Alana/Desktop/outros/a/Máquinas%20Hidráulicas/MH1.pdf 14 QUESTÕES REFERENTES A MÁQUINAS HIDRÁULICAS ENCONTRADAS NO ENADE. 2008 – 3 Questões; 2011 – 2 Questões; 2017 – 2 Questões. ENADE 2008 – questão 41 Considere a figura e as informações a seguir. Dados: • o rendimento do grupo motor-bomba é 0,8; • a vazão a ser recalcada é 0,5 l/s do reservatório inferior até o reservatório superior, conforme a figura; • a perda de carga total para a sucção é 0,85 m; • a perda de carga total para o recalque é 2,30 m. P= 1.000QHm 75n onde: P = potência (CV) Q = vazão (m3/s) Hm = altura manométrica (m) n = rendimento do grupo motor-bomba Qual a menor potência, em CV, do motor comercial que deve ser especificado para este caso? (A) ¼ 15 (B) 1 3⁄ (C) ½ (D) ¾ (E) 1 Resolução: 𝐻𝑚 = 𝐻𝑔 + ∆𝐻 𝐻𝑔 = 45,8 − 3,5 ∆𝐻 = ∆ℎ𝑇𝑠 + ∆ℎ𝑇𝑟 ∆ℎ𝑇𝑠 = 0,85 𝑒 ∆ℎ𝑇𝑟 = 2,3𝑚 Usando a Fórmula 𝐻𝑚 = 𝐻𝑔 + ∆𝐻, temos: 𝐻𝑚 = 45,8 − 3,5 + 0,85 + 2,3 𝐻𝑚 = 42,3 + 3,15 𝐻𝑚 = 45,45 𝑚 𝑃 = 1000. 𝑄. 𝐻𝑚 75𝑛 𝑃 = 1000. (5 𝑥 10−4). (45,45) 75. (0,8) 𝑃 = 0,38 𝐶𝑉, resposta correta é a leta (c) 1/2 ENADE 2008 – questão 67 Um aproveitamento hidrelétrico tem vazão turbinada total de 30 m3/s e uma altura de queda de 50 m. Considere: • P = 8QH, onde P = Potência em kW • Q = vazão (m3/s) • H = altura de queda (m) • vazão média turbinada = 25 m3/s • vazão mínima natural = 10 m3/s 16 Qual será a energia gerada anualmente, em MWh/ano? (A) 10.000 (B) 35.040 (C) 57.600 (D) 87.600 (E) 105.120 ENADE 2008 e 2011 Resolução: a) A altura manométrica total é obtida através da soma das perdas de carga dos diversos elementos presentes na linha com a altura manométrica definida pela diferença entre os níveis de fluido dos dois reservatórios. Para a altura manométrica decorrente da diferença de níveis, tem-se: 𝐻𝑒𝑠𝑡 = 40 + 3 = 43 m Para os trechos de tubulação reta, tem-se : 𝐻𝑟𝑒𝑡 = 0,50 + 7,00 = 7,50 m Para os elementos presentes na linha de sucção, tem-se: 17 𝐻𝑠𝑢𝑐ção = 𝐻𝑐𝑜𝑡 + 𝐻𝑣𝑎𝑙_𝑝é = 0,50 + 2,00 = 2,50 m Para os elementos presentes na linha de recalque, tem-se: 𝐻𝑟𝑒𝑐𝑎𝑙𝑞𝑢𝑒 = 2𝐻𝑐𝑜𝑡 + 𝐻𝑣𝑎𝑙_𝑔𝑙𝑜𝑏𝑜 + 𝐻𝑠𝑎í𝑑𝑎_𝑟𝑒𝑐 = 2 × 0,40 + 1,20 + 1,00 = 3,00 m A altura manométrica total será: 𝐻 = 𝐻𝑒𝑠𝑡 + 𝐻𝑟𝑒𝑡 + 𝐻𝑠𝑢𝑐çã𝑜 + 𝐻𝑟𝑒𝑐𝑎𝑙𝑞𝑢𝑒= 43 + 7,50 + 2,50 + 3,00 = 56,00 m b) Sabemos que a potência da bomba é calculada pela expressão 𝑊 = 𝑄.∆𝑝, na qual Q é a vazão e ∆p é o diferencial de pressão. O valor de ∆p é: ∆𝑝 = 𝛾.∆𝐻 = 10.000 × 56,00 = 560 kPa O valor da vazão, expressa em unidades do SI, é: 𝑄 = 36 𝑚3 ℎ = 36 𝑚3 3.600 𝑠 = 0,01 𝑚3 𝑠 Portanto, a potência necessária à bomba é 𝑊 = 𝑄.∆𝑝 = 0,01 × 560 = 5,60 kW ENADE 2011 – questão 32 A figura a seguir mostra o modelo descritivo de uma usina hidrelétrica. Tendo a figura acima como referência, suponha que o diâmetro de um dutoaproximadamente horizontal e cilíndrico meça 2 m e que a água escoe através dele, 18 de forma incompressível e sem trocas de calor, com uma vazão volumétrica de 62,8 m3/s. Considere π = 3,14 e aceleração da gravidade g = 10 m/s2. Nesse caso, qual é a medida da profundidade da água, em metros, a partir da sua superfície livre na barragem até o centro do duto? Parte superior do formulário. 15 20 25 30 35 Resolução: Área do duto = 𝜋 𝐷² 4 = 𝜋 2² 4 = 3,14 𝑚² 𝑉𝑎𝑧ã𝑜 (𝑄) = 𝐴. 𝑣 (Á𝑟𝑒𝑎 𝑥 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒) 62,8 = 3,14 . 𝑣 𝑣 = 20 𝑚/s Utilizando a equação para grandes reservatórios, temos: 𝑉2 = 2𝑔ℎ Considerando um reservatório de grandes proporções (hidrelétrica) e estar saindo num duto de apenas 2 metros de diâmetro e as pressões iguais a pressão atmosférica, temos: 𝑉2 = 2𝑔ℎ 202 = 2 𝑥 10 𝑥 ℎ 400 = 20 𝑥 ℎ ℎ = 400 20 ℎ = 20 𝑚 Resposta letra B ENADE 2011 – questão 11 Uma bomba de água é movida por um motor elétrico de 18 kW, cuja eficiência é de 90%. A vazão é de 40 litros por segundo. O diâmetro na tubulação é constante, 19 a diferença das cotas entre os pontos (1) e (2) é desprezível e a perda de carga entre esses pontos corresponde a 5 m. As pressões manométricas na entrada e na saída são, respectivamente, de 150 kPa e 400 kPa. Considerando o peso específico da água δ = 10 000 N/m3 e a aceleração da gravidade g = 10 m/s2, conclui-se que a eficiência da bomba é de (A) 40%. (B) 50%. (C) 62%. (D) 74%. (E) 90%. Resolução: No caso em questão vamos utilizar os conceitos e fórmulas relacionados a eficiência. Primeiro, vamos ter que: Eficiência : ε = Ph ef/Pm Ph ef = Qv.Δp ef Δp eficaz = diferença de pressões estáticos - perdas de carga Substituindo e fazendo os cálculos: p2 - p1 = 250 kPa ΔP = ρ.g.ΔH = 1000*10*5 = 50 kPa Δp eff = 200 kPa Pm = η.Pé 20 ε = Qv.Δp eff/(η.Pé) = 40*200/(0,9*18E3) = 0,493 = 49,3, aprox. 50% ENADE 2017 – questão 23 A figura a seguir mostra um circuito hidráulico no qual a água é bombeada a partir de um lago para um tanque de armazenamento, a uma taxa de 60 L/s, com um consumo de potência elétrica de 15 kW. Considere que a aceleração da gravidade = 10 m/s2,a massa específica da água = 103 kg/m3, as elevações do tanque e do lago permanecem constantes e que as diferenças de elevação na bomba, as perdas por atrito nos tubos e quaisquer mudanças na energia cinética do fluido são desprezíveis. Tendo em conta esse circuito hidráulico, avalie as afirmações a seguir. I. A taxa do fluxo ou vazão de massa de água no tanque é de aproximadamente 60 kg/s. II. A energia potencial por unidade de massa da água no tanque é de aproximadamente 210J/kg. III. A taxa de aumento da energia mecânica da água é de aproximadamente 12,6 kW. É correto o que se afirma em: I, apenas III, apenas I e II, apenas II e III, apenas I,II e III. 21 Resolução: I) 𝑉 = 60 𝐿/𝑠 = 60 𝑑𝑚³/𝑠 Como 1 dm³ de água é igual a 1 kg de água ( Massa específica igual a 1000 kg/m³), temos: 𝑉 = 60 𝑘𝑔/𝑠 (CORRETA). II) 𝐸𝑝 = 𝑚.𝑔.𝐻 sendo m (massa), g (aceleração da gravidade) e H (altura). Como se pede energia potencial por unidade de massa, temos: Ep = 1𝑥10𝑥21 = 210 𝐽/𝑘𝑔 (CORRETA). III) Massa específica da água = 1000 𝑘𝑔/𝑚³ Peso específico da água = Massa específica X Força da gravidade Peso específico = 10000 𝑁/𝑚³ Potência saída = ɣ. 𝑄. 𝐻 sendo ɣ (peso específico), Q (Vazão) e H (Altura manométrica), temos: Potência saída = 10000 𝑥 0,06 𝑚3/𝑠 𝑥 21 = 12,6 𝐾𝑊 (CORRETA) Todas as opções são corretas, alternativa E.
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