Pré projeto -Bomba Centrífuga

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA (DEG)
DISCIPLINA DE PROJETOS EM ENGENHARIA QUÍMICA I (GNE334)
	
CONSTRUÇÃO DE UM SISTEMA COM BOMBA CENTRÍFUGA E DE SUA CURVA CARACTERÍSTICA DE BOMBA
AMANDA DE SOUZA TEIXEIRA
BEATRIZ SOUZA RIGHI
FELÍCIO CAPUTO ALVIM RESENDE
HUGO SILVA PEREIRA
RODRIGO FERRAZ ESTAVARENGO
Relatório técnico para apresentação de pré - projeto a ser desenvolvido na disciplina de Projeto em Engenharia Química I, tendo como professor responsável Gilson Campani Junior, como parte dos requisitos necessários à obtenção da aprovação na disciplina.
Lavras – MG
2019
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO	3
1.1 A ideia	3
1.2 Objetivos	3
REFERENCIAL TEÓRICO	3
MATERIAIS E MÉTODOS	5
CRONOGRAMA DE ATIVIDADES	8
REFERENCIA BIBLIOG´RAFICA	8
3
1 - INTRODUÇÃO
A capacidade de deslocar fluidos de diferentes posições sempre teve papel fundamental na história humana. Desde a época do antigo Império Romano, os aquedutos utilizavam a força gravitacional combinada com engenhosas construções para levar água de diferentes localidades até a cidade de Roma, capital do império, deixando até os dias de hoje um legado inigualável no mundo ocidental.
Com o desenvolvimento tecnológico e científico, novos equipamentos para o transporte de fluidos foram criados, de modo a aumentar a capacidade de transporte, reduzir os custos de instalação e serem também menores, podendo ser instalados em diversos locais.
1.1 – A ideia
As bombas são o que há de mais versátil no transporte de fluidos (neste caso, líquidos), dentre os vários tipos, um dos mais versáteis são as turbobombas, aplicadas em vários locais. Destacando-se entre as turbobombas temos as bombas centrífugas. Tais bombas possuem uma gama de aplicação e são vitais em nosso dia a dia, por exemplo, em grandes edifícios, a presença de uma bomba é vital para o abastecimento completo dos vários andares. Dessa forma, essas bombas serão o tema de estudo deste projeto, um estudo detalhado desde a montagem, até seu funcionamento.
1.2 – Objetivos
	Como primeiro objetivo para este trabalho, o grupo se propõe a confeccionar uma bomba centrífuga com materiais de fácil obtenção. Numa segunda etapa, construiremos a curva característica da mesma (curva Vazão (Q) x Altura de carga (H)) de maneira empírica. O grupo acredita que, com o cumprimento desses objetivos, teremos um crescimento técnico com o contato direto com esse tipo de equipamento e suas características.
2 – REFERENCIAL TEÓRICO
A bomba centrífuga é um tipo de bomba dinâmica (ou turbobomba). Ela recebe esse nome pois a força centrífuga é responsável pela maior parte da energia transferida ao fluido. Essa energia é transferida ao líquido por meio de um impelidor (rotor), que está conectado a um motor elétrico. O impelidor é responsável por aumentar a energia cinética do fluido que em seguida é transformada em energia de pressão, segundo Cremasco (2014).
Antes de ser colocada em funcionamento, a bomba centrífuga deve ser escorvada, ou seja, preenchida pelo líquido que ela deve bombear. Esse procedimento deve ser tomado para evitar que ar se acumule nos espaços entre o rotor e a carcaça da bomba, prejudicando seu funcionamento.
O funcionamento de uma bomba centrífuga inicia-se com a entrada do líquido pelo bocal de sucção, que ocorre de forma paralela ao eixo do impelidor. Segundo Macintyre (2013), o líquido é succionado devido a diferença de pressão que se estabelece no interior da bomba gerado pelo movimento de rotação do impelidor. Conforme explica Brasil (2010), com o deslocamento da massa inicial do líquido do centro do rotor para sua extremidade, formar-se-á um vazio (vácuo), sendo este, o ponto de menor pressão da bomba. Obviamente, novas e sucessivas massas do fluído provenientes da captação ocuparão este espaço, pela ação da pressão atmosférica ou outra força qualquer. A pressão à entrada do rotor torna-se inferior à existente no reservatório de captação dando origem ao escoamento do líquido pelo bocal de sucção.
O rotor pode ser das seguintes formas
· Fechado quando, além do disco onde se fixam as pás, existe uma coroa circular também presa às pás. Pela abertura dessa coroa, o líquido penetra no rotor. Usa-se para líquidos sem substâncias em suspensão e nas condições que veremos adiante;
· Semi-aberto quando existe apenas um disco onde se fixam as pás do rotor;
· Aberto quando não existe essa coroa circular anterior. Usa-se para líquidos contendo pastas, lamas, areia, esgotos sanitários e para outras condições 
A imagem a seguir diferencia os três modelos de rotor, sendo o fechado, o semi aberto e o aberto, respectivamente, da esquerda para a direita.
Fonte: BRASIL, 2010
Figura 1: Tipos de rotores
Quando o líquido chega na bomba, a energia mecânica transferida pelo motor faz com que o rotor e as pás se movimentem, proporcionando maior pressão em sua periferia e menor em seu centro. Essa diferença de pressão faz com que o líquido se movimente em direção ao bocal de descarga da bomba.
O líquido se desloca em relação à pá, que, por sua vez, gira em relação a base. Segundo Fox (2016), quando máquinas são projetadas, é considerado, na Condição de Projeto, que o fluido se move sem perturbações através das pás adotando também relações com o ângulo feito entre a pá e a tangente do rotor (β), como pode ser observado na Figura 2. Quando β<90° (pás curvadas para trás), a componente tangencial de velocidade absoluta na saída será menor que a velocidade no rotor, independentemente da vazão; quando β=90°, a componente será igual à velocidade no rotor; e, quando β>90° (pás curvadas para frente), a componente tangencial será maior que a velocidade do rotor. Segundo Çengel (2012), bombas de pás retas possuem uma geometria mais simples e maior elevação de pressão dentre as três inclinações citadas anteriormente.
Fonte: BRASIL, 2010
Figura 2 – Inclinação das pás de um rotor.
Conforme explica Macintyre (2013), após a saída pelo bocal de descarga, o líquido possui energia superior a pressão estática a que está submetida a coluna líquida da tubulação de descarga, permitindo assim que o líquido possa escoar para um reservatório superior ou local de pressão considerável.
A Curva Característica da Bomba faz parte de um diagrama montado a partir de dados obtidos sobre a vazão (Q) em relação à altura de carga desenvolvida pela bomba (H). Geralmente essa curva é fornecida pelo fabricante e a vazão vai de zero até a capacidade máxima da bomba. Nesse diagrama também é apresentada a curva do sistema. Em conjunto, essas curvas permitem avaliar se o conjunto bomba/sistema é viável ou não.
A altura do projeto é a quantidade de trabalho que deve ser fornecido ao fluido para que ele se movimente. Para seu cálculo é necessário levar em conta a altura de descarga e de sucção, como mostra a Equação 1 a seguir.
			 								(1)
As alturas de descarga e sucção são dadas pelas equações 2 e 3, respectivamente.
			 						 		(2)
			 						 		(3)
Pegando dois pontos, nas superfícies dos dois reservatórios, considerando a pressão de descarga igual a pressão de sucção (PD=PS) e substituindo as equações 2 e 3 na Equação 1, é possível chegar à Equação 4 a seguir.
			 						 	(4)
As perdas de carga na descarga (hlD) e na sucção (hlS) são calculadas a partir da Equação 5 (Equação de Darcy), que leva em consideração a velocidade do fluido (u), o comprimento (L) e diâmetro (D) da tubulação.
			 						 		 	(5)
O fator de atrito (f) é encontrado a partir do Diagrama de Moody, apresentado na Figura 2, mas para isso também é necessário o cálculo do número de Reynolds (Re), pela Equação 6.
			 				 		 		 	(6)
Fonte: LEAL, 2005
Figura 3 – Diagrama de Moody.
A partir da altura de projeto encontrada, é possível calcular a potência útil da bomba (Wu), definida por Cremasco (2014), como aquela que é fornecida ao líquido que escoa com uma vazão mássica (m), definida pela Equação 7 a seguir.
W ̇u =m ̇gH=ρgQH(7)
	O rendimento da bomba pode ser obtido com a relação entre potência útil (Equação 7) pela potência consumida pelo sistema (Wconsumido), como mostra a Equação 8. Geralmente, as bombas centrífugas apresentam rendimento mecânico de até 75% para a água.
ɳ=W ̇_u/W ̇_consumido 										(8)
As bombas centrífugas podem ser encontradas facilmente em imóveis (como lavadoras e banheiras), automóveis (bomba de água do motor) e também em indústrias (indústrias têxteis, fábricas de biodiesel, usinas de açúcar e álcool, indústria petroquímica, cervejarias, etc.).
3 – MATERIAIS E MÉTODOS
Os materiais necessários para a montagem de um protótipo de uma bomba centrífuga serão:
Tabela 1: Quantidade, medidas e valores dos materiais para a bomba centrífuga
	Unidades
	Material
	Comprimento (m)
	Volume (L)
	Valor
	2
	Potes de maionese vazios com tampa;
	-
	0,500
	-
	1
	Mangueira PVC opaca de diâmetro ¼ in
	3,00
	-
	R$ 2,92
	1
	Furadeira com duas frequência;
	-
	-
	-
	2
	Baldes graduado
	-
	5,000
	R$ 22,00
	1
	Uma tampinha de garrafa PET
	-
	-
	-
	6
	Tampas de maionese
	-
	-
	-
	1
	Cola epóxi
	
	-
	R$ 11,39
	1
	Fita veda rosca 18mm
	50
	-
	R$ 4,55
	1
	Trena
	5
	-
	R$ 5,90
	1
	Estilete
	-
	-
	-
	1
	Proveta
	-
	0,015
	R$ 15,00
	
	
	
	Total
	R$ 61,76
Para a montagem do protótipo, os dois potes de maionese serão cortados transversalmente próximo às tampas, e serão colados com as tampas opostas umas às outras, ou seja, colocando um pote dentro do outro. O espaço entre as tampas será a parte em que o impelidor da bomba agirá, a carcaça.
A furadeira exercerá o papel de motor, sendo assim considerada a máquina geratriz do sistema, capaz de receber energia elétrica e ceder parte dessa ao fluido na forma de energia cinética, que se transformará em energia de pressão.
Em uma das tampas dos potes, haverá um furo que será onde a broca da furadeira irá atravessar a carcaça da bomba para girar o impelidor. A furadeira será acionada por um integrante do grupo.
O impelidor será constituído de uma tampinha de garrafa PET que será acoplada à broca da furadeira, e nela estarão coladas pás que serão feitas de tampa de pote de maionese. O rotor será do tipo aberto.
	Dessa maneira, a bomba terá a seguinte forma:
Fonte: Arquivo pessoal
Figura 4: Bomba centrífuga 
O esquema acima apenas ilustra o projeto, não sendo fiel ao modelo que será construído.
Uma mangueira será usada como cano de sucção e de descarga da bomba. A sucção será acoplada à tampa oposta à furadeira, no eixo axial, e sua outra extremidade estará imersa em um reservatório de água, o balde. A descarga sairá do eixo radial, e a outra extremidade da mangueira irá descarregar a água em um outro balde em um nível de altura mais elevado que o primeiro. O fato de a mangueira ser flexível confere ao protótipo um sistema de tubulação reta, sem curvas ou acessórios e com atrito desprezível.
Assim, o tipo de sistema requerido tem variação da altura de projeto com a vazão para um sistema que tem acréscimo desfavorável de energia potencial, tal como instalações prediais.
Desta forma, o sistema completo terá o formato abaixo. Vale ressaltar que no esquema a seguir a carcaça, ou seja, o pote de maionese, foi desconsiderada a fim de facilitar a visualização.
Fonte: Arquivo pessoal
Figura 5: Sistema de escoamento impulsionado pela bomba 
A fim de criar a curva da bomba de eixos H (altura desenvolvida pela bomba) vs Q ( vazão), a bomba será submetida à diferentes alturas de descarga para uma mesma frequência de motor. Espera-se obter a vazão máxima numa altura próxima a zero e vazão nula na maior altura de projeto da bomba. Os valores de alturas máximas e mínimas serão dados experimentalmente.
Serão testados diferentes rotações da furadeira, o que varia a velocidade do impelidor, e consequentemente poderá gerar uma maior vazão.
Vale ressaltar que a vazão será calculada mensurando a quantidade de fluido no reservatório em um intervalo de tempo de 1 minuto. Para obter um valor mais preciso do volume de água no balde, será usada uma proveta. Já a altura dos reservatórios poderá ser dada por uma trena.
Como os dois reservatórios de água estarão abertos, a pressão de sucção e a pressão de descarga serão dadas como a pressão atmosférica.
Outra variável de interesse é a potência útil, que será calculada pela Equação 7. Por meio desta informação e da potência de eixo, ou seja, a potência que determinado motor fornece ao eixo da bomba, será possível obter a eficiência da bomba.
4 – CRONOGRAMA DE ATIVIDADES
 
5 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BRASIL, A. N. Máquinas Termohidráulicas de Fluxo. Disponível em: <https://sistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5817712/LOQ4015/capitulo3_bombasclassificacaoedescricao.pdf>. Acesso em: 07 Abr. 2019.
CREMASCO, M. A. Operações Unitárias em Sistemas Particulados e Fluidomecânicos. 2. ed. São Paulo: Blucher, 2014.
ÇENGEL, Y. A.; CIMBALA, J. M. Fluid Mechanics 3rd. ed. New York: LLC, 2012. 
FOX, R. W.; PRITCHARD, P. J.; MCDONALD, A. T.; Introdução à Mecânica dos Fluidos. 8. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016.
MACINTYRE, 	A. J. Bombas e Instalações de Bombeamento. 2. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2013.