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Máquinas Hidráulicas e Instalações de Bombeamento Apresentação A propósito de abastecimento de água, não é possível chegar em todos os pontos de consumo apenas pela força da gravidade, inclusive pelo fato de os rios estarem situados geralmente em cotas mais baixas. Logo, para vencer distâncias verticais maiores, precisamos introduzir uma energia extra no escoamento, e isso se dá por meio da instalação de uma bomba no sistema. Por outro lado, também é possível retirar energia de um escoamento, conforme uma hidrelétrica, e isso se dá por meio da instalação de uma turbina no sistema. Bombas e turbinas são máquinas hidráulicas, o assunto desta Unidade de Aprendizagem. Bons estudos. Ao final desta Unidade de Aprendizagem, você deve apresentar os seguintes aprendizados: Diferenciar uma bomba de uma turbina.• Escolher uma bomba a partir de sua curva de estrangulação.• Determinar o ponto de funcionamento de uma bomba centrífuga.• Desafio Você foi contratado para fazer a especificação da bomba para a aplicação no sistema de canalização do reservatório da empresa Mistério. Outra equipe verificou a curva característica da instalação. Sabe-se que 80 m3/h é a demanda média, podendo chegar a 120 m3/h. Veja na imagem a seguir a curva de instalação da bomba e duas opções de bombas que foram ofertadas pelo fabricante. Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar. Foi ofertada a escolha, pelo fabricante, de uma das duas opções de bombas. Busque, a partir desses dados, determinar qual é a melhor: a) Escolha a bomba, entre as duas opções, e justifique. b) Quais são os possíveis pontos de funcionamento desse sistema representado no gráfico da bomba? https://statics-marketplace.plataforma.grupoa.education/sagah/c2dbf9f2-8cee-439d-8f83-5e6dd2757e41/5e64e43d-1e77-4a1e-b3a5-8072254299b1.jpg Infográfico Assim como condutos, as bombas também podem se associar em série ou em paralelo. Bombas em paralelo aumentam o valor da vazão, ao passo que bombas em série aumentam o valor da carga hidráulica. Bombas em série são menos utilizadas, mas bombas em paralelo são largamente utilizadas, pois elas podem servir como uma reserva técnica do sistema para suprir algum súbito aumento de demanda. Veja a associação de bombas: Conteúdo do livro Esta Unidade de Aprendizagem aborda máquinas hidráulicas. Elas podem retirar ou adicionar energia ao escoamento, e isso é deveras importante, tanto como fonte de energia elétrica (que a sociedade muito utiliza nos dias de hoje) quanto para permitir que as populações mais longínquas sejam abastecidas com água. Turbinas geram energia a partir de um escoamento, bombas dão energia para que o escoamento chegue mais longe. Como? Descubra ao ler o capítulo utilizado como base teórica desta Unidade de Aprendizagem. Boa leitura. MÁQUINAS PRIMÁRIAS Lélis Espartel Máquinas hidráulicas e instalações de bombeamento Objetivos de aprendizagem Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados: � Diferenciar uma bomba de uma turbina. � Escolher uma bomba por meio da sua curva de estrangulação. � Determinar o ponto de funcionamento de uma bomba centrífuga. Introdução Quando o assunto é abastecimento de água, devemos ter em mente que não é possível chegar em todos os pontos de consumo apenas pela força da gravidade. Pense que os rios geralmente estão situados em cotas mais baixas. Assim, para vencer distâncias verticais maiores, precisamos introduzir uma energia extra no escoamento, por meio da instalação de uma bomba no sistema. Por outro lado, é possível retirar energia de um escoamento. Na verdade, é isso o que faz uma hidrelétrica, por meio da instalação de uma turbina no sistema. Bombas e turbinas são máquinas hidráulicas, e você vai aprender mais sobre elas neste capítulo. Identificação interna do documento O50Q0OX7LG-NCCQUR1 Máquinas hidráulicas: bombas e turbinas As máquinas hidráulicas atuam para transformar energia. Elas são classificadas segundo o sentido dessa transformação. As máquinas que transformam energia mecânica em energia hidráulica são chamadas bombas. As máquinas que transformam energia hidráulica em energia mecânica são chamadas turbinas. Assim, podemos dizer que as bombas adicionam energia ao escoamento, enquanto as turbinas retiram energia do escoamento. As máquinas hidráulicas têm o rotor como característica comum. Ele é a principal peça na transmissão de energia. As turbinas geralmente estão conectadas a um gerador, que transmite essa carga sob a forma de energia elétrica. As bombas transferem a energia recebida em seu eixo para o fluido que as atravessa. Para definir a potência consumida ou produzida por uma máquina hi- dráulica, aplicamos a soma de Bernoulli entre a entrada e a saída da máquina hidráulica, conforme demonstrado a seguir: H = (Z + P/γ + V²/2g)saída – (Z + P/γ + V²/2g)entrada = Hsaída – Hentrada Hidráulica aplicada2 Identificação interna do documento O50Q0OX7LG-NCCQUR1 Considerando que a entrada e a saída da bomba estão bem próximas, há pouca variação na cota e na velocidade do escoamento. Assim, esses valores podem ser desconsiderados, e chegamos à seguinte fórmula: H = (Psaída –Pentrada)/γ A potência gerada por turbinas ou consumida por bombas é calculada por: Pot = γQ(hp entrada-saída) = γQH Se Hsaída > Hentrada, trata-se de uma bomba, pois ela está adicionando energia ao escoamento. Se Hsaída < Hentrada, trata-se de uma turbina, pois ela está retirando energia do escoamento. Uma máquina hidráulica não consegue converter 100% da energia, pois ocorrem perdas por calor e atrito. Assim, é necessário colocar um fator de rendimento η: PotCONSUMIDA = γQH/η para bombas PotFORNECIDA = γQHη para turbinas 3Máquinas hidráulicas e instalações de bombeamento Identificação interna do documento O50Q0OX7LG-NCCQUR1 Existem dois tipos de bomba: as bombas de deslocamento positivo (BDP) e as bombas dinâmicas. As BDPs forçam o movimento do fluido por meio de variações de volume. Elas fornecem um escoamento pulsante ou periódico, à medida que o volume se altera. O movimento do coração dos mamíferos é uma boa analogia para o funcionamento das BDPs. As bombas dinâmicas acrescentam quantidade de movimento ao fluido por meio de pás ou aletas que se movem rapidamente, convertendo sua alta velocidade rotacional em pressão no escoamento. As bombas dinâmicas de fluxo centrífugo e saída radial são as mais comuns em projetos de abastecimento de água. Curva de estrangulação A partir de agora, o nosso estudo será dirigido às bombas centrífugas, que são as mais utilizadas nos projetos de engenharia. O problema que você deve resolver é alcançar uma certa altura ou distância que o escoamento não teria energia para vencer naturalmente caso fosse movido apenas pela força da gravidade. Para isso, o primeiro passo é encontrar uma bomba que forneça essa carga, que é dada em metros e será chamada altura (H). Hidráulica aplicada4 Identificação interna do documento O50Q0OX7LG-NCCQUR1 Figura 1. Vista em corte de uma bomba centrífuga típica. Essa bomba consiste em um rotor, que gira dentro de uma carcaça. O fluido entra de modo axial pelo flange de entrada da carcaça. Depois, é aspirado pelas pás do rotor, gira de modo tangencial e escoa de modo radial para fora, até sair por todas as partes periféricas do rotor. Dali, ele chega ao difusor da carcaça. O fluido ganha velocidade e pressão enquanto passa pelo rotor. A seção em forma de caracol, ou voluta, da carcaça desacelera o escoamento e, com isso, aumenta ainda mais a pressão. Fonte: White (2010, p. 767). 1 2 Carcaça Rotor Seção crescente da voluta A altura H que uma bomba fornece varia de acordo com: � a vazão que passa pela bomba; � o diâmetro do rotor; e � a frequência desse rotor. 5Máquinas hidráulicas e instalações de bombeamento Identificação interna do documento O50Q0OX7LG-NCCQUR1 As bombas são fabricadas para atuar em uma faixade vazão específica. Quem indica como a altura se relaciona com a vazão é o fabricante, por meio de um gráfico H x Q. Nesse gráfico, os valores de H estão no eixo vertical e os valores de Q estão no eixo horizontal. A curva de H = f(Q) é denominada curva de estrangulação devido ao processo adotado para sua determinação experimental. Figura 2. Quadro com tipo de bombas por faixa de trabalho, rotando a 1750 rpm. Por exemplo, se for necessário adicionar 40 mca no escoamento a uma vazão de 28 m³/h, é necessário instalar uma bomba do tipo 40-315 (E). Agora, se a necessidade for de apenas 10 mca, mas a uma vazão de 200 m³/h, então a bomba mais indicada é a do tipo 100-160(E). Fonte: KBS Bombas Hidráulicas (201-?). Depois que você identificou o tipo de bomba que satisfaz as condições de H x Q necessárias, você deve procurar a curva de estrangulação específica do tipo de bomba escolhido, que também é fornecida pelo fabricante. Hidráulica aplicada6 Identificação interna do documento O50Q0OX7LG-NCCQUR1 Figura 3. Curva de Estrangulação da KSB 40-315 (E). Como você pode ver na figura, a interpretação da curva de estrangulação aponta que, para alcançar a vazão de 28 m³/h com 40 mca, será necessário instalar um rotor de 307 mm. Considerações sobre a curva de NPSH e Potência serão feitas a seguir. Fonte: KBS Bombas Hidráulicas (201-?). 28m3/h 7Máquinas hidráulicas e instalações de bombeamento Identificação interna do documento O50Q0OX7LG-NCCQUR1 É possível utilizar diferentes diâmetros de rotor em uma mesma bomba, dependendo do diâmetro do rotor, da curva de estrangulação translada para baixo ou para cima. Caso seja necessário um ponto de altura-vazão que não é abrangido pelas curvas, admite-se interpolar os valores dentro da faixa de trabalho apresentada pelo fabricante, solicitando um rotor usinado maior que o mínimo e menor que o máximo apresentado. Extrapolar esses valores é impossível, pois o rotor não caberia na bomba. Para valores menores que o mínimo, o cálculo é impreciso. O rendimento da bomba varia em função da vazão, do diâmetro do rotor e da rotação. Em geral, os rendimentos são apresentados como curvas de nível de iso-rendimentos sobrepostos ao gráfico H x Q. A potência que a bomba deve receber do motor é calculada por meio da relação entre Potência fornecida e seu rendimento: η = PotCONSUMIDA/PotFORNECIDA = γQH/PotFORNECIDA PotCONSUMIDA = γQH/η Assim, se a curva H x Q é conhecida e a curva de rendimento também, é possível determinar a potência consumida pela bomba para qualquer par de valores de vazão e altura total. A curva de potência requerida geralmente também é fornecida pelo fabricante. Hidráulica aplicada8 Identificação interna do documento O50Q0OX7LG-NCCQUR1 Curva do NPSH NPSH é a sigla de um termo que se popularizou em inglês Net Positive Suction Head. Sua tradução significa Altura Positiva Líquida de Sucção, que é a altura ou pressão necessária na entrada da bomba para evitar a cavitação da bomba. A entrada da bomba é a região onde a pressão é mais baixa, pois ela precisa succionar o fluido, por isso é onde a cavitação ocorrerá primeiro. O último passo para escolher uma bomba é conferir se existe NPSH suficiente para que a bomba não cavite. Para isso, precisamos comparar o NPSH disponível (NPSHD) com o NPSH requerido (NPSHR) pela bomba, apresentado na curva do NPSH pelo fabricante. NPSHD = YA – hpA + Patm/γ – hv Em que: YA: diferença entra a cota do reservatório inferior e a cota do eixo da bomba, medido em [m]; hpA: perda de carga na canalização de aspiração, medido em [m]. Patm/γ: pressão atmosférica dividida pelo peso específico do fluido, medido em [m]; hv: pressão de vapor, medida da tendência de evaporação de um líquido, valor geralmente tabelado, nesta equação entra em [m], por isso é designada como hv. A bomba só poderá ser utilizada caso a condição de NPSHD > NPSHR seja satisfeita. 9Máquinas hidráulicas e instalações de bombeamento Identificação interna do documento O50Q0OX7LG-NCCQUR1 Ponto de funcionamento de uma bomba Primeiro, é importante que você saiba quais são os elementos básicos de instalação de recalque. Quando tratamos exclusivamente de bombas, existe uma série de aparatos e denominações para sua correta instalação. Veja na Figura 4 algumas dessas denominações. Figura 4. Desenho esquemático de uma instalação de bomba centrífuga. Fonte: Faz Fácil (c2016). Reservatório superior Registro de gaveta Redução concentrada Válvula de retençãoQuadro ou chame de partida com proteção Comprimento linear da tubulação de recalque Altura de recalque A.R. União Redução excêntrica Aterramento Curva Comprimento linear da tubulação de sucção Altura de sucção A.S Nível estático Nível dinâmico Motobomba centrífuga Schneider Válvula de pé com cano Reservatório inferior (captação) Distância mínima do fundo da captação 30 cm Hidráulica aplicada10 Identificação interna do documento O50Q0OX7LG-NCCQUR1 � Conduto de aspiração ou sucção: conduz a água até o orifício de aspi- ração da bomba. � Conduto de recalque: recebe a água do orifício de recalque da bomba. � Conjunto motor-bomba: é o motor responsável pelo acionamento da bomba, acoplado no rotor. � Singularidades: peças necessárias para o melhor funcionamento da instalação, como registros, gaveta, válvulas de retenção, válvula de pé, crivo, etc. A carga hidráulica H de uma instalação é a altura que o escoamento ne- cessita atingir, sendo: H = Y + hp Sendo Y o desnível geométrico entre os reservatórios e hp a soma de todas as perdas (lineares e singulares) nas tubulações de recalque e sucção. Como a perda de carga varia de acordo com a vazão, é possível criar uma curva característica da canalização mostrando H em função de Q, sendo que se Q = 0, H = Y. 11Máquinas hidráulicas e instalações de bombeamento Identificação interna do documento O50Q0OX7LG-NCCQUR1 Figura 5. (a) Curva de instalação de um sistema qualquer. No eixo vertical está a carga hidráulica.No eixo horizontal, está a vazão. (b) Intersecção da curva de instalação com a curva de estrangulamento. Os pontos marcados são os possíveis pontos de funcionamento para esse sistema. 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 H (m ) Q (m³/h) (a) (b) Hidráulica aplicada12 Identificação interna do documento O50Q0OX7LG-NCCQUR1 O ponto de funcionamento do sistema é onde a curva de instalação e a curva de estrangulação se interseccionam. A curva de estrangulação aponta a variação da energia cedida ao sistema pela bomba. A curva da canalização mostra a demanda de energia necessária para que a canalização consiga conduzir uma certa vazão. O ponto de funcionamento é quando a energia fornecida é igual à necessária para que dada vazão seja bombeada. FAZ FÁCIL. Como instalar uma bomba d’água centrifuga? [S.l.]: Faz Fácil, c2016. Disponível em: <http://www.fazfacil.com.br/reforma-construcao/instalar-bomba-centrifuga/3/>. Acesso em: 29 dez. 2016. KBS BOMBAS HIDRÁULICAS. Manual de curvas características. Várzea Paulista: KBS, [201-?]. WHITE, F. M. Mecânica dos fluidos. 6. ed. Porto Alegre: AMGH, 2010. 13Máquinas hidráulicas e instalações de bombeamento Identificação interna do documento O50Q0OX7LG-NCCQUR1 Dica do professor Nesta Unidade de Aprendizagem, foram vistos conceitos para a escolha de uma bomba no que tange aos requisitos hidráulicos, porém existe outro fator muito importante na escolha de uma bomba (ou uma associação de bombas) para recalcar o sistema: o fator financeiro. O custo de uma bomba envolve o gasto energético que ela terá ao longo do ano e é explicado nesta Dica do professor. Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar. https://fast.player.liquidplatform.com/pApiv2/embed/cee29914fad5b594d8f5918df1e801fd/8c7783deaa901e926e07e6b8884e1fb1 Exercícios 1) Quando a carga hidráulica que entra em uma máquina hidráulica é maior se comparada coma carga que sai, estamos tratando de qual equipamento? Justifique. A) Trata-se de uma bomba, pois ela transforma energia mecânica de sua rotação em carga hidráulica, e essa carga hidráulica é adicionada ao escoamento. B) Trata-se de uma bomba, pois é a única máquina hidráulica que pode ser usada em escoamento com perda de carga. C) Trata-se de uma turbina, pois a turbina converte uma parte da carga hidráulica que entra em energia mecânica, logo o escoamento fica defasado dessa energia que foi convertida, portanto a carga que sai é menor do que a que entra. D) Trata-se de uma turbina, pois ela transforma energia mecânica de sua rotação em carga hidráulica, e essa carga hidráulica é adicionada ao escoamento. E) Trata-se de uma bomba, pois a bomba converte uma parte da carga hidráulica que entra em energia mecânica, logo o escoamento fica defasado dessa energia que foi convertida, portanto a carga que sai é menor do que a que entra. 2) Qual é o conceito de curva de estrangulação? A) A curva de estrangulação aponta a variação da energia cedida ao sistema pela bomba, vinculando uma altura de carga hidráulica fornecida em função da vazão que passa pela bomba, sendo que a carga hidráulica cresce com o aumento da vazão. B) A curva de estrangulação aponta a variação da energia cedida ao sistema pela bomba, vinculando uma altura de carga hidráulica fornecida em função da vazão que passa pela bomba, sendo que a carga hidráulica decresce com o aumento da vazão. C) A curva de estrangulação aponta a variação da energia necessária ao sistema, vinculando uma altura de carga hidráulica requerida em função da vazão que passa pela canalização do sistema, sendo que a carga hidráulica cresce com o aumento da vazão. D) A curva de estrangulação aponta a variação da energia retirada do sistema pela bomba, vinculando uma altura de carga hidráulica dissipada em função da vazão que passa pela bomba, sendo que a carga hidráulica decresce com o aumento da vazão. E) A curva de estrangulação aponta a variação da energia cedida ao sistema pela turbina, vinculando uma altura de carga hidráulica fornecida em função da vazão que passa pela turbina, sendo que a carga hidráulica decresce com o aumento da vazão. 3) Uma moto-bomba centrífuga, com sucção não afogada, apresenta cavitação. Consultado, o fabricante garantiu que o NPSH requerido para as condições da instalação em questão não ultrapassa 4,2 m. As condições são as seguintes: • A pressão atmosférica local é 103 325 Pa • A pressão de vapor da água é de 0,25 mca • As perdas de carga na aspiração, para a vazão de operação, totalizam 2,5 m • As perdas de carga no recalque, para a vazão de operação, totalizam 3,7 m • O peso específico da água é de 9.806 N/m2 Para eliminar a cavitação, com uma folga de segurança de 25% no NPSH, a altura de sucção deve ser: A) 1,33 m. B) 1,16 m. C) 0,29 m. D) 2,54 m. E) 3,58 m. 4) Qual é o conceito de curva de canalização? A) A curva da canalização aponta a variação da energia necessária ao sistema, vinculando uma altura de carga hidráulica requerida em função da velocidade que passa pela canalização do sistema. Sendo que a carga hidráulica necessária cresce quanto maior for a velocidade. B) A curva da canalização aponta a variação da energia cedida ao sistema, vinculando uma altura de carga hidráulica fornecida em função da vazão que passa pela canalização do sistema, sendo que a carga hidráulica necessária decresce quanto maior for a vazão. C) A curva da canalização aponta a variação da energia necessária ao sistema, vinculando uma altura de carga hidráulica requerida em função da vazão que passa pela canalização do sistema, sendo que a carga hidráulica necessária decresce quanto maior for a vazão. D) A curva da canalização aponta a variação da energia necessária ao sistema, vinculando a perda de carga do conduto de aspiração em função da vazão que passa pela canalização do sistema, sendo que a carga hidráulica necessária decresce quanto maior for a vazão. E) A curva da canalização aponta a variação da energia necessária ao sistema, vinculando uma altura de carga hidráulica requerida em função da vazão que passa pela canalização do sistema. 5) Qual é o conceito de ponto de funcionamento de um sistema? A) O ponto de funcionamento é quando a energia fornecida é igual a energia necessária para que dada vazão seja bombeada. B) O ponto de funcionamento é quando a energia fornecida é maior do que a necessária para que dada vazão seja bombeada. C) O ponto de funcionamento é quando a energia fornecida é menor do que a necessária para que dada vazão seja bombeada. D) O ponto de funcionamento é quando a perda de carga da aspiração é igual a perda de carga da canalização de recalque. E) O ponto de funcionamento é quando o NPSH disponível é maior do que o NPSH requerido pelo fabricante. Na prática Na prática, precisamos entender qual é o principal problema que ocorre quando uma bomba é mal instalada ou mal dimensionada. Esse problema se chama cavitação. A cavitação é um fenômeno físico que ocorre principalmente no interior de sistemas hidráulicos e que consiste na formação de bolhas de vapor no meio fluido. Isso ocorre quando a pressão estática absoluta local cai abaixo da pressão de vapor do líquido e, portanto, causa a formação de bolhas de vapor no corpo do líquido, isto é, a evaporação de óleo em uma baixa pressão na linha de sucção. A cavitação causa graves problemas, pois interfere na lubrificação e destrói a superfície dos metais. No lado de sucção da bomba, as bolhas se formam por todo o líquido. Isso resulta em um grau reduzido de lubrificação e em um consequente aumento de desgaste. Conforme essas cavidades são expostas à alta pressão na saída da bomba, as paredes das cavidades se rompem e geram toneladas de força por centímetro quadrado. O desprendimento da energia gerada pelo colapso das cavidades desgasta as superfícies do metal. Se a cavitação continuar, a vida da bomba será bastante reduzida. As cavidades formam-se no interior do líquido porque o líquido evapora. A evaporação, nesse caso, não é causada por aquecimento, mas ocorre porque o líquido alcançou uma pressão atmosférica absoluta muito baixa. Causas: - Dimensionamento incorreto da tubulação de sucção - Filtro ou linha de sucção obstruídos - Reservatórios "despressurizados" - Filtro de ar obstruído ou dimensionamento incorreto - Óleo hidráulico de baixa qualidade - Procedimentos incorretos na partida a frio - Óleo de alta viscosidade - Excessiva rotação da bomba - Conexão de entrada da bomba muito alta em relação ao nível de óleo no reservatório Possíveis alterações no desempenho de uma bomba: - A implosão das bolhas de vapor e o impacto dos jatos microscópicos no impulsor dão origem a um ruído que é facilmente detectável. Se o nível de cavitação for significativo, o ruído fará parecer que existe gravilha misturada com o fluido bombeado. - Quando as bolhas de vapor existem em número elevado, formam um agrupamento que irá obstruir parcialmente o canal do impulsor, afetando a altura manométrica gerada pela bomba e a sua eficiência. - Sob efeito da cavitação, o fluxo de caudal através do impulsor é turbulento, resultando no aumento das vibrações na bomba. - O impacto dos jatos microscópicos na superfície do material é suficientemente forte para danificar a sua estrutura e provocar erosão. Estima-se que no ponto de impacto dos jatos microscópicos, a pressão localizada deverá rondar 105 bar. Por efeito da erosão, o material vai ficar sem a proteção superficial, aumentando substancialmente a sua degradação devido à ação conjugada de corrosão e erosão. Saiba + Para ampliar o seu conhecimento a respeito desse assunto, veja abaixo as sugestões do professor: NPSH requerido e disponível: como calcular Veja como calcular a Pressão no interior da bomba, em o NPSH requerido e disponível: como calcular. Aonde será aplicada a curva característica da bomba. Aponte a câmerapara o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar. Bombas Hidráulicas Assista a apresentação de Tipos de bombas: centrífuga, axial e de fluxo misto Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar. COMO FUNCIONA UMA BOMBA CENTRÍFUGA? Neste conteúdo, você entenderá mais sobre: O que são bombas centrífugas; Como elas funcionam; Quais as vantagens e desvantagens do seu uso. Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar. https://www.youtube.com/embed/cxncLeHSuLE https://www.youtube.com/embed/tgm8MxF1CRE https://propeq.com/post/como-funciona-uma-bomba-centrifuga/