Relatorio 8 20112839LEQ1

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS
CENTRO DE TECNOLOGIA – ENGENHARIA QUÍMICA
LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA I
20112839 – JULIANA VANESSA DOS SANTOS SILVA
BOMBAS SIMPLES COM SINGULARIDADES, EM SÉRIE E EM PARALELO
Maceió-AL
2021
20112839 – JULIANA VANESSA DOS SANTOS SILVA
BOMBAS SIMPLES COM SINGULARIDADES, EM SÉRIE E EM PARALELO
Relatório de “ Bombas simples com singularidades, em série e em paralelo ”, referente à disciplina de Laboratório de Engenharia Química I, ministrada pela Professora Maritza Montoya Urbina do curso de Engenharia Química.
 Maceió-AL
2021
SUMÁRIO
RESUMO................................................................................................................................ 4
1- 	INTRODUÇÃO………………….............................................................................. 5
2- 	OBJETIVOS………….…………………………………………………………....10
3-	MATERIAIS E MÉTODOS......................................................................................11
3.1- Materiais..........................................................................................................................11
3.2- Métodos...........................................................................................................................12
4- 	RESULTADOS E DISCUSSÕES............................................................................. 13
5-	CONCLUSÃO.......................................................................................................... 21
REFERÊNCIAS................................................................................................................... 22
RESUMO
 	A necessidade de bombeamento e da transferência de fluídos se encontra presente em diversos ramos da indústria. Transferir esses fluidos de um reservatório para o transporte, controlar sua vazão e bloquear de forma segura e eficiente quando necessário são funções das bombas e válvulas industriais. Quando a altura a ser vencida toma valores elevados, é preciso pensar na associação desses equipamentos, em série ou em paralelo, para adequar nosso projeto em todos os detalhes. A pressão interna no equipamento, nas linhas de alimentação, devem ser consideradas, por conta da vida útil da bomba. Nesse experimento vamos observar os fenômenos envolvendo a pressão e a vazão em três sistemas distintos, com sistema de bombas em série, paralelo e bomba única. Os resultados analisados, nos dizem que há uma grande diferença que pode ocorrer, na variação de pressão e na vazão volumétrica.
Palavras-chave: Pressão, Vazão, Bombas;
1. INTRODUÇÃO
Uma bomba é uma máquina hidráulica operatriz que fornece energia ao líquido com a finalidade de transportá-lo de um ponto a outro. Normalmente recebem energia mecânica e a transformam em energia cinética e de pressão ou em ambos. Quando o fluido é impulsionado pelas pás de um rotor, são chamadas de turbobombas, e quando o fluido é impulsionado pela diminuição do volume numa câmara ou passagem são chamadas de volumétricas ou de deslocamento positivo. (UNESP, 2020)
A bomba centrífuga é formada por duas partes principais: o rotor, ligado ao motor por meio de um eixo, e a carcaça, que pode ser do tipo voluta ou difusor. (PROPEQ, 2019)
O rotor, também chamado de impelidor ou impulsor, é constituído por palhetas, ou lâminas, por entre as quais o fluido escoa suavemente. O rotor gira rapidamente, convertendo a energia do motor em energia cinética. Isso também gera uma zona de alta pressão na periferia e uma zona de baixa pressão no centro (o “olho”), a qual faz com que o líquido seja “sugado” até a bomba, aumentando o fluxo deste pela entrada do equipamento. (PROPEQ, 2019)
Ao girar, o rotor imprime uma rotação ao fluido que entrou, movimentando-o na direção radial. Assim, esse fluido ganha energia cinética e é impulsionado para a periferia da bomba, entrando na voluta ou difusor. (PROPEQ, 2019)
A altura útil de elevação ou altura manométrica de uma bomba é a energia por unidade de peso que o líquido adquire em sua passagem pela bomba. Seu valor é calculado aplicando-se a equação de conservação de energia entre a entrada e saída da bomba. (UNESP, 2020)
Quando a altura disponível do sistema de bombeio é maior que a altura manométrica proporcionada pela bomba, devemos estudar a possibilidade de utilização de bombas em série. Neste caso, a descarga de cada bomba é conectada à sucção da seguinte (Figuras 2), de modo que a vazão será a mesma em cada uma das bombas, enquanto que a pressão de descarga desenvolvida (altura manométrica) será a soma de cada uma das unidades. (UNESP, 2020)
Figura 1 – Associação de duas bombas em série.
 	
Fonte: UNESP, 2020.
A associação em paralelo é utilizada quando a vazão exigida pelo sistema for superior à que a bomba nos entrega, ou quando a vazão exigida pelo sistema variar de uma quantidade que se possa analisar e definir ou mensurar. O uso das bombas em paralelo é considerada como vantagem com relação a segurança operacional , pois se uma falhar, só haverá queda de vazão e flexibilidade operacional , pela facilidade de controlar a vazão operacional.. Do ponto de vista físico, as instalações com bombas em paralelo aparecem como ilustrado na Figura 2. Numa associação em paralelo as pressões de sucção de todas as bombas são iguais. O mesmo acontece com as pressões de recalque, em consequência a altura manométrica do conjunto será igual à altura manométrica de qualquer das bombas individuais. Por outro lado, a vazão do conjunto é igual à soma das vazões individuais de cada bomba. (UNESP, 2020)
Figura 2 – Associação de bombas em paralelo.
Fonte: UNESP, 2020.
A curva característica do conjunto de bombas associadas em série é obtida a partir das curvas de cada uma das bombas, somando-se as alturas manométricas correspondentes aos mesmos valores de vazão, conforme vemos na Figura 3. Assim sendo, cada bomba contribui com parcelas diferentes para a obtenção da altura manométrica total na vazão de operação (HT = H1 + H2). No caso particular de bombas iguais associadas em série, a solução é simplificada, pois, cada bomba deverá ofertar uma carga (H). (UNESP, 2020)
Figura 3 – Curva característica de bombas (iguais e diferentes) em série.
Fonte: UNESP, 2020.
 	A curva característica do conjunto de bombas em paralelo pode ser determinada somando as vazões de cada bomba correspondentes a um mesmo valor de carga H. (UNESP,2020)
Figura 4 - Curva característica de bombas em paralelo.
Fonte: UNESP, 2020.
 	A pressão de vapor é a pressão na qual o líquido se transforma em vapor. Esta propriedade do fluido está diretamente relacionada à temperatura do fluido, ou seja, se tivermos um líquido com uma pressão maior, teremos uma temperatura de evaporação maior também.
 	Em um escoamento fluido, sempre há uma diminuição da pressão ao longo do tubo e quando a pressão atinge a pressão de vapor, veremos bolhas de vapor se formando, ou seja, o líquido estará se transformando em vapor. Porém, na bomba, a pressão irá aumentar novamente, acima da pressão de vapor, e as bolhas de vapor implodiram.
 	O nome cavitação é dado ao fenômeno físico de vaporização de um líquido e que consiste na formação de bolhas de vapor pela redução da pressão durante seu movimento, ocorre principalmente no interior de sistemas hidráulicos. A Cavitação ocorre em certos pontos devido a aceleração do fluido, quando a pressão pode cair a um valor abaixo da pressão de vapor do líquido, então ocorre uma vaporização local do fluido, formando bolhas de vapor, isto é, o líquido entra em ebulição.
Tipos de cavitação 
A cavitação pode ocorrer quando o fluxo do fluído é obstruído e obrigado a seguir numa outra direção. Quando isso acontece, o fluído é desviado de sua direção inicial, ou quando um volume de fluído se desprende da ponta das pás, gerando um ponto localizado de baixa pressão. Devido a diversas origens desses fenômenos, são desenvolvidos diferentes tipos de cavitação que veremos a seguir:1. Vaporização: Também conhecida como cavitação NPSH – Net Positive Suction Head ou “cavitação clássica”, esta é a forma mais comum. Ocorre quando uma bomba centrífuga transmite velocidade a um líquido quando passa pelo olho do impulsor. Se o impulsor não estiver funcionando corretamente, parte do líquido pode ser fervido rapidamente (vaporizado), criando as pequenas ondas de choque ou bolhas.
2. Turbulência: Se partes do sistema – tubos, válvulas, filtros, cotovelos, entre outros, são inadequadas para a quantidade ou tipo de líquido que você está bombeando, isso pode criar um escoamento giratório (vórtices) no líquido. Basicamente isso leva ao líquido tornando-se turbulento e ocorrendo diferenças de pressão por toda parte e que podem corroer materiais sólidos ao longo do tempo.
3. Síndrome das palhetas: Também conhecida como “síndrome de passagem das palhetas”, esse tipo de cavitação ocorre quando o impulsor usado tem um diâmetro muito grande, ou a carcaça tem um revestimento muito espesso. Um deles ou ambos criam menos espaço dentro do próprio alojamento. Quando isso acontece, a pequena quantidade de espaço livre cria uma maior velocidade no líquido, o que, por sua vez, leva a uma pressão menor. Essa pressão mais baixa aquece o líquido, criando bolhas de cavitação.
4. Recirculação Interna: Nesta situação, a bomba não pode descarregar o fluído na taxa adequada, assim esse fluído é recirculado em torno do rotor. O fluído percorre zonas de baixa e alta pressão, resultando em calor e alta velocidade e como resultado cria-se bolhas vaporizadas. Uma causa comum para isso é quando uma válvula de descarga está fechada enquanto a bomba está funcionando.
5. Cavitação por Aspiração de Ar: Um tipo desse fenômeno muito comum onde o ar pode ser sugado para dentro de uma bomba através de válvulas com falha ou outros pontos fracos, como anéis de juntas. Uma vez aspirado, o ar não tem para onde ir, e sim seguir para o curso do fluído. À medida que o fluído é misturado, o ar forma bolhas que depois são estocadas sob pressão pelo impulsor.
Sintomas de cavitação 
 	Como em qualquer problema que devemos nos atentar em máquinas e equipamentos, os problemas de cavitação também requerem a necessidade de um processo de manutenção confiável. Verificar os componentes e o desempenho dos sistemas de bombeamento é uma maneira eficiente de identificar sinais de possíveis problemas de cavitação. 
 	Devemos nos atentar a um ou uma combinação de alguns sintomas que podem revelar problemas de bolhas nos sistemas de bombeamento: 
Fluxo ou pressão diminuídos: Se a sua bomba não estiver produzindo a quantidade de fluxo, conforme declarado pelo fabricante, isso pode significar que a cavitação está ocorrendo.
 Vibrações Inesperadas: A cavitação pode causar vibrações incomuns, não consideradas pelo equipamento usado e pelo líquido sendo bombeado.
Erosão do rotor: Peças do impulsor dentro do sistema, ou partes erodidas, são um sinal de fogo seguro de cavitação. Falha de vedação / rolamento: esse fenômeno também pode causar vazamento ou falha dos vedantes. 
Consumo anormal de energia: Se bolhas estiverem se formando ao redor do impulsor, ou se o impulsor em si já começou a falhar, você pode perceber que está acontecendo flutuações no uso de energia. Isso se evidencia à medida que a sucção aumenta e diminui, dependendo do desempenho do impulsor. 
Ruído: se houver um sinal de cavitação, será evidenciado um nível de ruído anormal no sistema. Quando as bolhas implodem, elas podem fazer uma série de sons borbulhantes e rachados. 
O que pode ser feito para evitar o surgimento da cavitação?
· Elevar o nível do líquido no tanque de sucção;
· Baixar o ponto de sucção;
· Manter a tubulação sempre cheia;
· Dimensionar o sistema para que a bomba fique afogada;
· Diminuir a temperatura do fluido;
· Diminuir a velocidade de escoamento;
· Selecionar um tipo de válvula que tenha uma queda de pressão menor;
· Usar uma válvula com bitola maior que o DN da tubulação.
2. OBJETIVOS
O experimento tem como objetivo, de acordo com o manual de práticas, apresentar ao aluno os diferenciais de pressão e vazão nos diversos sistemas de bombeamento, permitindo que, possa determinar as curvas características e avaliar o melhor tipo de sistema para o processo aplicado. 
3.1. MATERIAIS
Para a realização deste experimento, será utilizado um módulo experimental (Figura 5), composto basicamente, de tubulações em PVC contendo algumas singularidades, medidores de pressão (manômetros) do tipo Bourdon e manômetro vacuômetro, medidor de vazão do tipo rotâmetro, válvulas e bombas. 
Figura 5- Módulo experimental: associação de bombas.
Fonte: Manual de laboratório, 2021.
3.2. MÉTODOS
O método experimental consistiu em alimentar o sistema com água para a determinação das variações de pressão e vazão nos diferentes sistemas:
(i) Bomba 1 (B1) simples:
Foram abertas as válvulas V1 e V5 e fechadas as válvulas V2, V3 e V4. Assim a bomba B1 foi ligada, foram feitas as leituras de pressão dos manômetros e identificação da vazão dada pelo rotâmetro, em cinco vazões diferentes, então a mesma foi desligada. 
(ii) Bomba 2 (B2) simples:
Foram abertas as válvulas V2, V4 e V5 e fechadas as válvulas V1 e V4. Assim a bomba B2 foi ligada, foram feitas as leituras de pressão dos manômetros e identificação da vazão dada pelo rotâmetro, em cinco vazões diferentes, então a mesma foi desligada. 
 (iii) Bombas em série:
Foram abertas as válvulas V2, V3 e V5 e fechadas as válvulas V1 e V4. Assim as bombas B1 e B2 foram ligadas, foram feitas as leituras de pressão dos manômetros e identificação da vazão dada pelo rotâmetro, em cinco vazões diferentes, então a mesma foi desligada. 
 (iv) Bombas em paralelo:
Foram abertas as válvulas V1, V2, V4 e V5 e fechadas a válvula V4. Assim as bombas B1 e B2 foram ligadas, foram feitas as leituras de pressão dos manômetros e identificação da vazão dada pelo rotâmetro, em cinco vazões diferentes, então a mesma foi desligada. 
.
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
 	Os dados fornecidos pelo fabricante para projetar o sistema de acordo com o que necessitamos e realizar cálculos, são a massa específica (kg/m³) = 997,07, a gravidade (m/s²) = 9,80665, e a ΔZ (m) = 0,125.
Inicialmente, foram obtidas as pressões e vazões de cada bomba e os dados estão dispostos nas Tabelas 1 e 2, logo abaixo. Com base nesses dados, foi calculada a carga e a eficiência para cada bomba, em cada ponto de vazão e pressão obtido experimentalmente. 
Tabela 1. Dados fornecidos pelo fabricante para vazão e altura.
	H (m)
	Q (m³/h)
	2
	4,5
	3
	4,3
	4
	4,2
	5
	4,1
	6
	3,9
	7
	3,7
	8
	3,6
	9
	3,4
	10
	3,2
	11
	3,0
	12
	2,8
	13
	2,5
	14
	2,3
	15
	2,0
	16
	1,6
	17
	1,2
Fonte: AUTORA, 2021
Tabela 2. Dados obtidos experimentalmente para associação de bombas.
	Sistema
	Experimento
	MV1 (mca)
	MV2 (mca)
	M1 (mca)
	M2 (mca)
	M3 (mca)
	Q (m³/h)
	
Bomba B1
	1
	1,0
	1,0
	10,0
	VNE*
	4,0
	3,0
	
	2
	1,0
	1,0
	12,0
	VNE*
	8,0
	2,5
	
	3
	1,0
	1,0
	13,5
	VNE*
	11,0
	2,0
	
	4
	1,0
	1,0
	15,0
	VNE*
	13,5
	1,5
	
	5
	1,0
	1,0
	15,5
	VNE*
	15,0
	1,0
	
Bomba B2
	1
	1,0
	0,5
	VNE*
	11,0
	6,5
	2,5
	
	2
	1,5
	1,0
	VNE*
	13,0
	10,5
	2,0
	
	3
	1,5
	1,0
	VNE*
	15,0
	13,0
	1,5
	
	4
	1,5
	1,0
	VNE*
	16,0
	14,5
	1,0
	
	5
	1,5
	1,0
	VNE*
	17,0
	16,0
	0,5
	
Série
	1
	1,5
	10,0
	10,0
	18,0
	12,0
	3,0
	
	2
	1,5
	12,5
	12,5
	23,0
	18,0
	2,5
	
	3
	1,5
	14,5
	14,0
	27,0
	24,0
	2,0
	
	4
	1,5
	16,0
	16,0
	30,0
	28,0
	1,5
	
	5
	2,0
	17,5
	17,0
	33,0
	31,0
	1,0
	
Paralelo
	1
	1,5
	1,5
	15,0
	16,0
	10,0
	2,5
	
	2
	1,5
	1,5
	16,0
	16,0
	12,0
	2,0
	
	3
	2,0
	1,5
	16,5
	17,0
	14,0
	1,5
	
	4
	2,0
	1,5
	17,0
	17,0
	15,0
	1,0
	
	5
	2,0
	1,5
	17,0
	17,5
	15,5
	0,5
VNE*: valor não existe
Fonte: AUTORA, 2021.
É preciso considerar algumas condições para realizar os cálculos, sendo estas que v2 = v1 e z2 = z1 = 0,125 e foram utilizadas as Equações 1, 2 e 3.
			(1)
			(2)
			(3)
Comparando com os valores dados pelo fabricante, foi possível criar as Tabelas 3 e 4.
Tabela 3. Valoresde Carga do fabricante e carga obtida.
	Sistema
	Experimento
	Q (m³/h)
	Carga da bomba Exp. (m)
	Carga do Fabricante (m)
	
Bomba B1
	1
	3,0
	9,15
	11,0
	
	2
	2,5
	11,16
	13,10
	
	3
	2,0
	12,66
	15,0
	
	4
	1,5
	14,17
	16,3
	
	5
	1,0
	14,67
	17,10
	
Bomba B2
	1
	2,5
	6,64
	13,0
	
	2
	2,0
	10,66
	15,0
	
	3
	1,5
	13,16
	16,3
	
	4
	1,0
	14,67
	17,1
	
	5
	0,5
	16,17
	17,8
	
Série
	1
	3,0
	16,67
	22,0
	
	2
	2,5
	21,69
	26,2
	
	3
	2,0
	25,2
	30,0
	
	4
	1,5
	28,71
	32,6
	
	5
	1,0
	30,72
	34,2
	
Paralelo
	1
	2,5
	14,67
	13,0
	
	2
	2,0
	14,67
	15,0
	
	3
	1,5
	15,67
	16,3
	
	4
	1,0
	15,67
	17,1
	
	5
	0,5
	16,17
	17,8
Fonte: AUTORA, 2021.
 	Nos baseando nas informações da Tabela 3, foi possível plotar os gráficos dispostos na Figura 6, respectivos a comparação de cada uma das bombas, com sua associação em série e em paralelo.
Figura 6. Relação entre o valor da carga da bomba (experimental e do fabricante) em relação ao número de experimentos para a bomba 1, bomba 2, em série e em paralelo.
Fonte: AUTORA, 2021.
Observando a Figura 6, nota-se que o comportamento gráfico das bombas analisadas é bem semelhante ao fornecido pelo fabricante, quando comparado o valor de carga obtido experimentalmente e o valor fornecido pelo fabricante. 
Tabela 4. Valores de rendimento experimental e do fabricante.
	Sistema
	Experimento
	Rendimento Exp. (%)
	Rendimento do fabricante (%)
	
Bomba B1
	1
	30,40
	38,00
	
	2
	30,88
	42,00
	
	3
	28,04
	40,00
	
	4
	23,52
	36,00
	
	5
	16,24
	30,00
	
Bomba B2
	1
	35,39
	38,00
	
	2
	33,66
	42,00
	
	3
	31,37
	40,00
	
	4
	25,19
	36,00
	
	5
	17,90
	30,00
	
Série
	1
	55,38
	76,00
	
	2
	60,03
	84,00
	
	3
	55,79
	80,00
	
	4
	47,68
	72,00
	
	5
	30,72
	60,00
	
Paralelo
	1
	40,60
	76,00
	
	2
	32,48
	84,00
	
	3
	26,02
	80,00
	
	4
	17,35
	72,00
	
	5
	8,95
	60,00
Fonte: AUTORA, 2021.
Ao analisarmos as bombas que estão operando em série, notamos que a altura manométrica está dentro de uma margem de erro pequena se comparada a das cargas individuais. No entanto, mesmo que esperássemos que a altura medida subisse mais, visto que são duas cargas se somando, analisando a sequência em paralelo, pode-se observar que há a possibilidade de elevar vazão e ambas as bombas apresentaram uma capacidade de carga maior que as apresentadas individualmente. De posse dos dados de altura manométrica, vazão e eficiência de cada bomba, construiu-se a curva característica de cada bomba, com base na Tabela 4, foi possível plotar o gráfico exposto na Figura 7 e 8, para as bombas 1 e 2.
Figura 7. Gráfico de rendimento, em percentual, da bomba para o valor experimental e do fabricante para a bomba 1.
Fonte: AUTORA, 2021.
Figura 8. Gráfico de rendimento, em percentual, da bomba para o valor experimental e do fabricante para a bomba 2.
Fonte: AUTORA, 2021.
Para determinar a curva característica das bombas associadas em série, devemos somar as alturas manométricas correspondentes aos mesmos valores de vazão H total = H1 + H2. Sendo as bombas iguais e associadas em série, a solução se torna mais simples, sendo necessário apenas multiplicar pelo número de bombas associadas, uma mesma carga (H). Já a curva característica das bombas em paralelo pode ser determinada somando as vazões de cada bomba correspondentes a um mesmo valor de carga H.
Figura 9. Gráfico de rendimento, em percentual, da bomba para o valor experimental e do fabricante para a bomba 2.
Fonte: AUTORA, 2021.
Figura 10. Gráfico de rendimento, em percentual, da bomba para o valor experimental e do fabricante para a bomba 2.
Fonte: AUTORA, 2021
 	Tomando por base, as informações da Figura 9, podemos ver que a curva de rendimento para a associação em série, se assemelha entre o percentual observado no experimento e o descrito pelo fabricante, bem como na Figura 9, para a associação em paralelo, comparados com base nos valores dados pelo fabricante e valores calculados com os dados experimentais.
5. CONCLUSÃO
A partir do experimento realizado, podemos concluir que as bombas 1 e 2, operam com melhor rendimento quando as colocamos em série, do que em paralelo. Foi possível revisar os conhecimentos obtidos sobre construção de curvas características, aprender a analisar qual a melhor forma de inseri-las no projeto e verificar os possíveis erros que pode se cometer, no caso de usar um equipamento que não dará conta das nossas necessidades.
REFERÊNCIAS
COUPER, J. R.; PENNEY, W. R.; FAIR, J. R.; WALAS, S. M. Chemical Process Equipment – Selection and Design. Revised 2. Ed., Elsevier, 1990.
DEGARMO, E. P.; BLACK, J. T.; KOHSER, R. A. Materials and processes in manufacturing. 9. ed., Hoboken, Wiley, 2003.
BLACK, P. O. Bombas. Rio de Janeiro: Ao Livro Técnico SA, 1979. MACINTYRE, A.J. Bombas e Instalações de Bombeamento, Rio de Janeiro: Editora Guanabara Dois, 1980. 
FOUST, A. S.; CLUMP, C. W.; WENZEL, L. A. Princípio das operações unitárias. 2ª edição. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Dois, 1980. 
PROPEQ. Como funciona uma bomba centrífuga? 2019. Disponível em: <http://propeq.com/post/como-funciona-uma-bomba-centrifuga/?gclid=CjwKCAiA4Y7yBRB8EiwADV1haTHzzF1cY3YgIHBYvatd6GSXhY7JmhWrtEUPVEZmaNevRr_lVpn3GxoC8hkQAvD_BwE>. Acesso em: 11 de out. 2021.
SILVA, M. F., Desenvolvimento de um Sistema Experimental em Escala de Bancada para Estudos de Sistemas Hidráulicos com Associação de Bombas Centrífugas. Trabalho de conclusão de curso, Engenharia Química, UFAL, 2019 
UNESP. Departamento de Energia - Laboratório de Hidráulica Geral. Associação de bombas. Disponível em: <https://www.feg.unesp.br/Home/PaginasPessoais/nestorproenzaperez/asociacao-bombas-serie-paralelo-modificado-nestor.pdf>. Acesso em: 11 de out. 2021.