96674-apostila hidráulica iii bombas

Curso Superior de Tecnologia em Saneamento Ambiental Hidrulica

Prof. Jocelito Saccol de S 37

UNIDADE III. ELEVAO DE GUA E ESTAES DE RECALQUE

No sistema de abastecimento de gua, nas estaes de tratamento de esgoto, nos cultivos irrigados, a conduo, elevao e distribuio de gua, assumem um papel de grande importncia.

Fatores como a topografia e a localizao das fontes de suprimento de gua, determinam a forma de conduo da gua, que tanto poder ser totalmente feita por gravidade, como envolver o uso de sistemas de elevao mecnica de gua. No segundo caso, as bombas centrfugas se constituem na opo mais utilizada.

3.1 Bombas hidrulicas Bombas hidrulicas so mquinas operatrizes hidrulicas que promovem a

transformao de energia mecnica em energia hidrulica. As bombas hidrulicas podem ser volumtricas ou hidrodinmicas (turbo-bombas). Nas

bombas volumtricas a energia pode ser fornecida atravs de diafragmas, engrenagens e mbolos (pistes). Nas bombas hidrodinmicas a energia fornecida atravs de rotores (discos dotados de palhetas), na forma de energia cintica, de presso, ou ambas, gerada pelo movimento rotativo dos mesmos.

Uma das principais classificaes das bombas hidrodinmicas, se refere trajetria do lquido em relao ao eixo do rotor e pode ser resumida na forma abaixo:

a) Bombas Radiais ou Centrfugas: nestas, o lquido chega ao rotor com uma trajetria paralela ao eixo do mesmo e apresenta uma trajetria radial ao eixo na sada do rotor.

b) Bombas Axiais: nestas, o lquido mantm uma trajetria paralela ao eixo do rotor, desde a entrada at a sada.

c) Bombas Diagonais ou de Fluxo Misto: nestas, o lquido chega ao rotor com uma trajetria paralela ao eixo do mesmo e apresenta uma trajetria intermediria, entre radial e axial, na sada do rotor.

A maioria das bombas utilizadas do tipo centrfuga ou radial. Por este motivo, tornou-se generalizado o uso do termo "bombas centrfugas", como uma denominao geral para as turbo-bombas. Por esta razo, adotaremos este termo, na forma descrita, no presente texto.

3.2 - Princpio de funcionamento das bombas centrfugas O princpio de funcionamento das bombas centrfugas (radiais), pode ser descrito, de

forma simplificada, como uma seqncia de etapas, como a seguir: Estando a bomba previamente cheia de lquido (escorvada), as ps do rotor (palhetas)

iniciam um movimento rotativo, impulsionando o lquido da parte central do rotor, devido fora centrfuga, em direo periferia do mesmo, forando a sada do lquido pela canalizao de recalque;

Este deslocamento do lquido ocasiona o surgimento de uma zona de presso negativa (suco), na parte central do rotor;

A presso atmosfrica, atuando sobre a superfcie do lquido na fonte de suprimento, empurra o lquido, atravs da canalizao de suco, em direo zona de presso negativa, na parte central do rotor;



Dessa forma, o lquido proveniente da canalizao de suco ocupa o espao deixado pelo lquido que sai pela canalizao de recalque, mantendo assim uma condio de fluxo contnuo. 3.3 - Dimensionamento do conjunto moto-bomba

Sendo conhecida a vazo a ser elevada, a localizao da fonte de suprimento, da bomba e do ponto de desge, pode-se dizer que, para a irrigao da lavoura de arroz, o dimensionamento do conjunto moto-bomba consiste na correta escolha das canalizaes de suco e de recalque, da bomba a ser utilizada e do motor necessrio ao seu acionamento. De forma resumida, este procedimento envolve os seguintes passos:

- Estimativa das perdas de carga na suco e no recalque; - Estimativa da altura manomtrica total; - Estimativa da potncia do conjunto moto-bomba; - Determinao do dimetro a ser utilizado na suco e no recalque; - Escolha da bomba e do motor. A seguir sero apresentadas, de forma simplificada, algumas das formas possveis,

para a execuo da seqncia acima. As metodologias que sero descritas esto muito longe de esgotar o assunto, sendo apenas uma amostra das diferentes alternativas existentes.

3.3.1 Estimativa das perdas de carga na suco e no recalque Durante seu funcionamento, as bombas centrfugas transferem energia para o lquido,

para que este possa se deslocar desde o ponto de captao at o ponto de desge. Durante este deslocamento, parte da energia do lquido se dissipa, devido ao atrito. A parcela da energia que dissipada durante o escoamento denominada perda de carga.

As perdas de carga podem ser divididas em dois tipos: - Perdas distribudas: so as perdas que ocorrem ao longo dos trechos retilneos da

tubulao, sendo tambm denominadas de perdas ao longo da tubulao. - Perdas localizadas: so as perdas que ocorrem nas peas da canalizao, como nos

registros, vlvulas, curvas, etc. Estas perdas tambm so conhecidas como perdas acidentais ou singulares.

Existem diversas equaes para a estimativa destas perdas de carga, as quais j foram abordadas em unidades anteriores.

Para todas as equaes que sero apresentadas, considera-se que so conhecidas as seguintes caractersticas da instalao:

- Material das canalizaes; - Dimetros das canalizaes (m); - Vazo (m3/s); - Comprimento das canalizaes (m); - Peas existentes nas canalizaes; A perda de carga total, que ocorre em uma canalizao, igual soma da perda de

carga distribuda mais as perdas de carga localizadas. Assim, tem-se:

LDT hfhfhf += .........................................................................................(1)



onde: hfT = perda de carga total (m); hfD = perda de carga distribuda (m); hfL = perda de carga localizada (m).

3.3.2 Estimativa da Altura Manomtrica Total A altura manomtrica total corresponde soma do desnvel geomtrico total entre a

fonte de suprimento e o ponto de desge mais todas as perdas de carga que ocorrem durante o escoamento. Esta soma pode ser representada como:

CShfhfhfhfHHH LRLSDRDSGRGSman ++++++= ..........................................(2) onde: Hman = altura manomtrica total (m); HGS = altura geomtrica de suco (m); HGR = altura geomtrica de recalque (m); hfDS = perda de carga distribuda na suco (m); hfDR = perda de carga distribuda no recalque (m); hfLS = perda de carga localizada na suco (m); hfLR = perda de carga localizada no recalque (m); CS = carga de servio (m). Deve-se assegurar que seja considerada, no clculo da altura manomtrica total, uma

carga de servio (CS), relativa presso de servio, necessria no final da canalizao de recalque, ou energia cintica necessria, para garantir a vazo. No primeiro caso, a CS poderia ser, por exemplo, a presso de servio requerida por um determinado sistema de irrigao por asperso. No segundo caso, a CS poderia ser determinada pela energia cintica da gua jorrando livremente na sada da canalizao de recalque, caso este valor j no tenha sido considerado na estimativa das perdas localizadas, da canalizao de recalque.

A figura a seguir ilustra uma das diversas possibilidades de instalao de uma bomba centrfuga e suas respectivas alturas geomtricas de suco e de recalque.

HGR

HGS

1 - Registro de gaveta 2 - Vlvula de reteno 3 - Vlvula de p e crivo 4 - Reduo excntrica 5 - Junta elstica

3

1

2 4 5



Figura 25: Alturas geomtricas de suco e recalque em uma instalao de bombeamento.

3.3.3 - Estimativa da potncia do conjunto moto-bomba A potncia necessria, para o acionamento do conjunto moto-bomba, pode ser

estimada pela seguinte expresso:

=

.75H.Q.P manCV ..............................................................................................(3)

onde: PCV = potncia do conjunto moto-bomba (CV); = peso especfico da gua (1000kgf/m3); = rendimento global do conjunto moto-bomba (%); O rendimento global do conjunto moto-bomba pode ser calculado como:

MB .= .......................................................................................(4) onde: B = rendimento da bomba (%); M = rendimento do motor (%). Qualquer que seja o motor que venha a ser escolhido, para acionamento da bomba,

sempre deve ser prevista uma margem de segurana para a sua potncia. Nos motores eltricos, so geralmente adotadas as folgas indicadas na tabela a seguir:

Tabela 1: Valores da folga para motores eltricos Potncia Consumida Folga (%)

At 2 CV 50 De 2 a 5 CV 30

De 5 a 10 CV 20 De 10 a 20 CV 15

Acima de 20 CV 10 Obs: 1CV 0,986HP 0,7355KW

Independentemente da potncia calculada, para motores a leo diesel, recomendada uma folga de 25%, enquanto que, para os motores a gasolina esta folga deve ser de 50%.

3.3.4 - Determinao do Dimetro das Canalizaes A escolha dos dimetros das canalizaes de suco e de recalque afeta, de forma

direta, os custos de investimento e de operao das estaes elevatrias. Menores dimetros implicam em menores custos de investimento, devido ao menor custo das tubulaes. Por outro lado, a maior resistncia passagem da gua, imposta por tubulaes de menor dimetro, torna mais altos os custos de operao do sistema.

O dimetro recomendado, para as canalizaes de um sistema de elevao de gua, aquele que minimiza a soma dos custos de investimento e operao do sistema. Este dimetro comumente denominado "dimetro econmico". Na tentativa de estabelecer correlaes pr-definidas entre o dimetro das canalizaes e os custos de investimento e operao, foram propostas algumas frmulas para determinao do dimetro econmico, entre as quais, as de uso mais generalizado so:



Frmula de Bresse: Esta frmula indicada para conjuntos elevatrios de operao contnua (24h por dia).

Q.KD = .......................................................................................................(5) onde: D = dimetro da canalizao (m); K = coeficiente relativo aos custos de investimento e operao; Q = vazo (m3/s). O valor de K geralmente varia de 0,8 a 1,3, sendo comum o uso do valor 1,0.

Frmula da ABNT: (NB 92/66) Esta frmula indicada para conjuntos elevatrios de operao intermitente.

Q.T.587,0D 25,0= ............................................................................................(6) onde: T = jornada diria de funcionamento do conjunto (h). Na maior parte das situaes, onde foram utilizados critrios econmicos para a

determinao dos dimetros das canalizaes, foi observado que as velocidades obtidas, em funo dos dimetros adotados, ficaram dentro das seguintes faixas:

Velocidade na canalizao de suco: 1,5m/s (no deve ultrapassar 2,0m/s) Velocidade na canalizao de recalque: 2,5m/s (no deve ultrapassar 3,0m/s) Com base nestas velocidades, tambm denominadas "velocidades econmicas" e na

equao da continuidade, pode-se determinar o dimetro das canalizaes, atravs da seguinte equao:

V.Q.4D

pi= .............................................................................................................(7)

onde: V = velocidade estabelecida para a canalizao (m/s). O dimetro calculado pela equao acima dificilmente coincide com um dimetro

disponvel no mercado, por este motivo, uma prtica comum a adoo do dimetro comercial imediatamente superior para a canalizao de suco e do imediatamente inferior, para a canalizao de recalque.

Uma prtica mais adequada para a determinao dos dimetros das canalizaes, consiste na avaliao dos custos totais relacionados com algumas alternativas de dimetros, tomando os dimetros calculados por algum dos mtodos acima descritos, como ponto de partida.

3.3.5- Escolha da Bomba e do Motor Aps terem sido realizados os clculos acima descritos, possvel fazer a escolha da

bomba e do motor que sero utilizados. Para a escolha da bomba, a vazo a ser elevada e a altura manomtrica total, so as

duas principais especificaes que devem ser consideradas. De posse destas informaes, deve-se buscar, entre os modelos disponveis, aquele que atenda estas especificaes, com o maior rendimento e com o menor custo total.

Para a escolha do motor, a potncia (j includa a folga) a principal especificao a ser considerada. A tabela a seguir lista as potncias comerciais, para motores eltricos at 350CV, disponveis com maior freqncia.



Tabela 2: Potncias de motores eltricos disponveis com maior freqncia Potncia (CV)

1 1/2 7 25 50 150 1/3 2 10 30 60 200 3 12 35 75 250 5 15 40 100 300 1 6 20 45 125 350

3.4 Curvas caractersticas de uma turbobomba

A equao geral das mquinas de fluxo foi desenvolvida considerando uma nica rotao. A velocidade tangencial u , entretanto, funo de n. A funo f(H,Q,n), em condies reais, uma superfcie, chamada de superfcie caracterstica, que um parabolide hiperblico, cuja formula geral :

22 QCnQBnAH +=

Para uma rotao n constante, a curva (H,Q) ser uma parbola; para H constante, a curva (Q,n) ser uma hiprbole na qual o eixo da assntota passa pelo centro do sistema de coordenadas; e para Q constante a curva (H,n) tambm ser uma parbola.

De acordo com o formato da curva H = f (Q), teremos diferentes denominaes. Assim pode-se ter curva inclinada, curva ascendente-descendente, curva altamente descendente e curva plana, conforme mostrado na Figura 26.

Altamente descendente

Plana

ascendente-descendente

Inclinada

H

Q

Figura 26 Tipos de curva H x Q

Bombas com curvas ascendente-descendente apresentam um comportamento instvel na regio ascendente, e em projetos que utilizem tais mquinas deve-se ter o cuidado de evitar o funcionamento nesta regio da curva.



Alm da curva HxQ, outras duas curvas so de interesse para o projeto de sistemas de bombeamento. A primeira delas a curva rendimento () x vazo e a outra a curva potncia (N) x vazo. O rendimento total pode ser definido como:

absPotHQ

bombapelaabsorvidapotnciafluidoaocedidatilpotncia

==

O formato destas duas curvas est mostrado na Figura 27a, existindo um ponto de funcionamento onde o rendimento mximo. A outra curva a de potncia mecnica consumida pela bomba em funo da vazo (Figura 27b). Quando a vazo nula, a potncia hidrulica ganha pelo fluido tambm o , porm existe um potncia mnima para manter a bomba girando e toda esta energia ser dissipada, em forma de calor. O funcionamento por longo tempo com a sada da bomba fechada pode vir a causar sobre aquecimento do fluido e causar alguns problemas no sistema. Por outro lado, a partida da bomba normalmente efetuada com a sada fechada, pois a condio de menor exigncia do motor eltrico. Isso faz com que as correntes de partida do motor sejam menores e haja um conseqente aumento da vida til do equipamento.

Q

max

(a)

Q

N

(b) Figura 27 Curvas (a) xQ e (b) NxQ



Uma outra forma de representao das curvas caractersticas de uma turbobomba o chamado campo de funcionamento ou diagrama de colina. Neste tipo de diagrama so representadas curvas HxQ para diferentes rotaes juntamente com curvas de iso-rendimento. As curvas de igual rendimento tm o aspecto de elipses, sendo que o rendimento mximo estar no interior delas. O ponto (H,Q) correspondente a este rendimento mximo recebe o nome de ponto normal, e assim tem-se Hn e Qn. O nome diagrama de colina vem do aspecto geral do mapeamento que se assemelha a um diagrama topogrfico de um morro. A Figura 28 uma representao esquemtica de um destes diagramas.

Figura 28 Campo de funcionamento de uma turbobomba.

A curva caracterstica da mquina (HxQ) bastante influenciada pelo tipo de rotor da mquina. So apresentados, na Figura 29, formatos de curvas caractersticas para diversos tipos diferentes de bombas, de acordo com o tipo de rotor.



Figura 29 Curvas caractersticas (a) bomba centrfuga com ps curvadas para frente; (b) bomba centrfuga com ps curvadas para trs; (c) bomba hlico-centrfuga; (d) bomba axial.

3.5 - Curvas Fornecidas pelos Fabricantes

A apresentao das caractersticas de uma bomba pelos fabricantes pode ser de diversas formas. A primeira delas, utilizadas principalmente em bombas do tipo monobloco (na qual o motor j vem acoplado bomba), a apresentao em forma de tabela, conforme exibido na Figura 30.

Figura 30 Caractersticas das bombas KSB A500 e A1000.



Outra forma bastante comum a apresentao como um diagrama similar ao diagrama de colina. Como normalmente se utilizam motores de induo assncronos para a movimentao da bomba e a variao de rotao deste tipo de motor envolve a utilizao de equipamentos extras, tais como inversores de freqncia ou banco de resistncias, o mais comum a utilizao da bomba na rotao fornecida pelo motor (ao redor de 3600 rpm para motores com um par de polos e ao redor de 1800 para aqueles com dois pares de polos). Desta forma, a utilizao da variao de rotao nas curvas caractersticas no normalmente encontrada nos catlogos (principalmente em catlogos mais antigos). Os fabricantes fornecem nestes diagramas as curvas de famlias de bombas, que so compostas por bombas de mesmas caractersticas construtivas e com rotores de dimetros diferentes. A variao do dimetro tem um efeito similar variao de rotao, pois a velocidade tangencial no rotor depende diretamente do produto destas duas variveis. Assim, os diagramas encontrados nos catlogos dos fabricantes possuem forma similar ao diagrama de colina, com a incluso do dimetro do rotor como varivel, mantendo-se a rotao fixa. As curvas de potncia consumida em funo da vazo podem vir separadas das curvas HxQ e de iso-rendimento, como na Figura 31, ou na forma de curvas de potncia constante em um nico diagrama, como na Figura 32.

Para permitir uma escolha rpida de uma famlia de bombas dentre aquelas disponveis, o fabricante fornece um diagrama, chamado de diagrama de quadrculas, no qual se entra com a vazo e a altura manomtrica desejadas e se determina qual a famlia mais adequada.

A construo deste diagrama leva em considerao a rotao da bomba, e uma faixa de rendimentos considerada adequada pelo fabricante para a classe de bombas em questo. Na Figura 33 est mostrado como so construdas as quadrculas que compem o diagrama.



Figura 31 Curvas caractersticas Bomba KSB Meganorm 100-200.

A juno das quadrculas de uma srie de bombas num nico diagrama permite a visualizao global de toda a srie. Como exemplo, na Figura 34 est mostrado o diagrama de quadrculas da srie KSB Meganorm para 3500rpm-60Hz. O nmero dentro das quadrculas representa a famlia de bombas, sendo que, neste caso especfico, o primeiro nmero se refere ao dimetro da boca de recalque e o segundo a classe de dimetros das bombas que compem a famlia de bombas.



Figura 32 Curvas caractersticas Bomba ESCO T3.

Figura 33 Regio de rendimento aceitvel com variao de dimetro.



Figura 34 Diagrama de quadrculas da srie KSB-Meganorm.



3.6 Fatores que Modificam as Curvas Caractersticas

Alguns fatores afetam as curvas caractersticas mostradas anteriormente. Os mais importantes so a variao na rotao e no dimetro do rotor, a natureza do lquido que est sendo bombeado e o tempo de servio da mquina. A seguir so detalhados alguns efeitos relacionados a cada um destes fatores individualmente.

Uma anlise dimensional dos parmetros envolvidos nas curvas caractersticas das bombas importante para entender o relacionamento entre eles. Se forem tomadas as grandezas: rotao (n) (em rps), dimetro externo do rotor (D), massa especfica do fluido (), viscosidade do fluido (), a vazo (Q), a carga (H) e a potncia (N), o resultado da anlise dimensional sero os grupos adimensionais:

5342

322231 DnN

enD;

DnH;

nDQ

=pi

=pi=pi=pi

Com estes grupos adimensionais possvel se determinar o comportamento esperado da mquina quando ocorrem variaes em alguns dos parmetros. Nesta anlise se utilizou H como sendo energia por unidade de massa do fluido (J/kg = m2/s2). Como normalmente se utiliza H como energia por unidade de peso (J/N = m) para se ter compatibilidade deve-se multiplicar pi2 pela acelerao da gravidade g.

3.6.1 Influncia da Variao de Rotao

A simples anlise dos grupos adimensionais mostra que, mantendo-se as propriedades do fluido constantes, a vazo varia linearmente com a rotao, a carga varia com o quadrado de n e a potncia com o cubo de n, ou seja :

31

32

1

221

22

1

2

1

2

1

2n

n

NN

en

n

HH

;n

n

QQ

===

Nestas expresses optou-se por utilizar a rotao da mquina ao invs da velocidade angular. Como as duas esto relacionadas estas relaes continuam adimensionais (o que no ocorreria nos pis).

Como os parmetros relacionam razes entre grandezas de mesma dimenses, pode-se utiliz-las em diferentes sistemas de unidades, sem necessidade de quaisquer transformaes.

A relao para a potncia vlida supondo que o rendimento da mquina permanece constante. Entretanto, a variao da rotao ir alterar o rendimento. A correo pode ser feita introduzindo os rendimentos na expresso de potncia na seguinte forma:

2

131

32

1

2n

n

NN

= com 1,0

1

212 n

n)1(1

=

Alm desta, existem outras expresses empricas para a estimativa da eficincia, tal como a recomendada por Comolet:



17,0

2

111

12

n

n)1(

+

=

Como um exemplo, considere as curvas da bomba KSB Meganorn 32-125, com rotaes de 1750rpm e 3500 rpm, mostradas na Figura 10. Para esta bomba funcionando a 3500 rpm com rotor de 134 mm tome um ponto, por exemplo, com uma vazo Q = 25 m3/h, que corresponde a H = 32,5 m, N = 4,6 HP e = 65%. Aplicando as equaes anteriores para obter um ponto quando o funcionamento se d em 1750 rpm chega-se a : Q = 12,5 m3/h , H = 8,1 m, = 0,62 e N = 0,6HP. Os dois pontos esto marcados na Figura 35 e verifica-se a boa aproximao. A estimativa do rendimento um pouco acima do valor real o que leva a se subestimar a potncia. Se o procedimento for repetido para alguns outros pontos da curva da bomba em 3500 rpm, pode-se construir a curva em 1750 rpm que dar o comportamento estimado nesta nova rotao.

Figura 35 Influncia da rotao nas curvas caractersticas

3.6.2 - Influncia do Dimetro do Rotor

Nesta anlise importante se separar em duas situaes diferentes. A primeira delas quando se trata de bombas geometricamente semelhantes, isto , bombas cujas dimenses fsicas tm um fator de proporcionalidade constante. Neste caso, a anlise dos parmetros adimensionais fornece as relaes:

5

1

2

1

22

1

2

1

23

1

2

1

2DD

NN

eDD

HH

;DD

QQ

=

=

=



A outra situao aquela na qual existe uma reduo no dimetro externo do rotor, permanecendo as outras caractersticas fsicas constantes. Esta alternativa utilizada pelos fabricantes de bombas para ampliar a faixa de operao de suas mquinas. Desta forma, so montadas bombas com volutas idnticas, porm com rotores de dimetro diferentes. Deve-se ter em mente que esta reduo limitada, pois a reduo grande do dimetro do rotor faz com que a eficincia da bomba seja bastante reduzida. Na prtica esta reduo est limitada a cerca de 20% do maior rotor. Neste caso, a anlise no pode ser feita diretamente pelos parmetros adimensionais. O resultado apresentado por McIntire diz que :

3

1

2

1

22

1

2

1

2

1

2

1

2DD

NN

eDD

HH

;DD

QQ

=

=

=

Na realidade existem autores que propem que o expoente da relao de dimetros na expresso de Q deva ser entre 0,9 e 1,1 e outros autores afirmam que este expoente deve ser 2. Como exemplo, considere a bomba KSB Meganorm 32-125, com dimetro 134mm e 3500 rpm, funcionando em Q = 25 m3/h , H=32,5 m e N = 4,6 HP, e se deseja estimar um ponto na curva da bomba se o rotor tivesse 119 mm. Aplicando a frmula obtm-se Q = 22,2 m3/h (19,7 m3/h com expoente 2), H = 25,6 m e N = 3,22 HP.

Na Figura 36 esto representados os pontos na curva da bomba calculados. Pode-se notar que o resultado com expoente 2 aproxima-se mais da curva real da bomba.

Figura 36 - Influncia na variao do dimetro nas curvas de funcionamento.

A utilizao das expresses de semelhana permite, a partir do conhecimento da curva caracterstica para um dimetro e uma rotao, estimar as curvas para outras rotaes e outros dimetros. Logicamente, os resultados devem ser tratados como



estimativas e o comportamento real deve, sempre que possvel, ser avaliado atravs de experimentos.

3.6.3 - Influncia da Massa Especfica do Fluido

Se tivermos duas bombas iguais bombeando lquidos com massa especfica diferentes com o mesmo nmero de rotaes, se a viscosidade dos dois for a mesma, experimentalmente se verifica que o rendimento se mantm praticamente constante, a carga gerada no rotor ser a mesma pois as velocidades se mantm as mesmas porm a presso medida na sada da bomba ser mais elevada no lquido de maior peso especfico. A potncia consumida pela mquina tambm ser maior, pois:

=

HQN .

3.6.4 - Influncia da Viscosidade

Se a viscosidade variar, as perdas por atrito e por choques sofrero variaes que podem ser elevadas e isto poder afetar o funcionamento da mquina de maneira acentuada. O aumento da viscosidade diminuir a energia til fornecida ao lquido e o rendimento e ter-se- um aumento na potncia consumida. Nas bombas de menores dimenses estes efeitos sero mais acentuados do que nas de dimenses maiores.

O Hydraulic Institute apresenta no seu relatrio Standards for Centrifugal Pumps um grfico aplicvel somente a bombas centrfugas, destinadas ao bombeamento de leo, com rotor aberto ou fechado, no devendo ser aplicado a fluidos no newtonianos, tais como pastas de papel, esgoto, etc.

A Figura 37 corresponde a este grfico para unidades no sistema internacional. Atravs de seu uso possvel se obter coeficientes que permitem traar a curva caracterstica da bomba quando utilizada para bombeamento de um fluido mais viscoso, a partir da curva de funcionamento com gua.

Como exemplo, considere a curva de funcionamento da bomba KSB Meganorm 32-125, 3500 rpm com rotor de 139 mm. Deve-se primeiramente se determinar os valores das grandezas caractersticas do ponto de rendimento mximo e tambm os valores destas grandezas para 60%, 80% e 120% da vazo do ponto de maior rendimento. Os valores lidos esto apresentados na Tabela 4.

Tabela 4 Pontos da curva caracterstica para gua

Q (m3/h) H (m) N (hp) 0,6 Qmax 18,72 38,5 0,61 4,5 0,8 Qmax 25 36,5 0,658 5,0 1,0 Qmax 31,2 34,0 0,68 5,6 1,2 Qmax 37,5 30,5 0,658 6,25

Considere agora que se deseja construir as curvas para um fluido com viscosidade cinemtica de 30E e densidade relativa 0,85. Os fa tores de correo so determinados da seguinte forma: com o valor de Q para o melhor rendimento, entra-se no grfico da Figura



37, sobe-se at encontrar valor de H deste ponto, vira-se at encontrar com a curva da viscosidade e a partir deste ponto sobe-se at cruzar as curvas de C , CQ e as de CH que so os fatores de correo de cada varivel. Note que existe um nico valor de correo para Q e rendimento e valores diferentes para cada carga H. A potncia ser corrigida atravs de:

guaHQ

guavisc

visc NCCC

NouHQN

=

=

Os valores obtidos so C = 0,4 , CQ = 0,84 , CH0,6Q = 0,9 , CH0,8Q = 0,88 , CH01,0Q= 0,85 e CH01,2Q = 0,8. Os resultados aps as correes so apresentados na Tabela 3 e, de forma grfica, na Figura 38.



Figura 37 Correo das curvas caractersticas para fluidos viscosos.

Tabela 5 Curva caracterstica para o fluido mais viscoso.

Qvisc (m3/h) Hvisc (m) Nvisc (hp) 15,72 34,6 0,275 6,8

21 32,1 0,296 7,4 26.2 28,9 0,306 8,0 31,8 24,4 0,296 8,4



10 20 30 40

0

20

40

60

0.0

0.4

0.8

4

8

12

gua

visc

Nvisc

Ngua

Hgua

Hvisc

H (m)

Q (m /h)3

N (hp)

Figura 38 Curva caracterstica com fluido mais viscoso.

3.6.5 - Influncia do Tempo de Uso da Bomba

O tempo de servio deteriora o desempenho do equipamento devido aos desgastes normais que ocorrem. Como esta deteriorao depende do material de construo e das condies de operao no possvel se encontrar relaes matemticas para correes. Para se verificar o desempenho aps certo tempo, a nica forma submeter a mquina a um teste e determinar as novas curvas.

3.6.6 -Influncia de Materiais em Suspenso

Quando se tem uma mistura de gua e slidos ou elementos pastosos em suspenso, esta mistura se comporta como um lquido com densidade e viscosidade maior. Devido diversidade das composies no se pode estabelecer correlaes para correes de curvas. Como o bombeamento deste tipo de lquido exige muitas vezes materiais de construo e rotores com geometria especiais, para aplicaes mais comuns, existem bombas especiais disponveis no mercado.

3.7 Curva caracterstica do sistema

Os sistemas de bombeamento so compostos por diversos elementos, tais como bombas,vlvulas, tubulaes e acessrios, os quais so necessrios para obter-se a transferncia do fluido de um ponto para outro. Os parmetros altura manomtrica (Hman) e Vazo (Q) so fundamentais para o dimensionamento da bomba adequada para o sistema. Muitas vezes necessrio conhecer-se no somente um ponto de operao do sistema (Q e Hman), mas a Curva



Q

Hman

H0

Q0 Q1

H1

H2

H3

Q2 Q3

Caraterstica do Sistema, ou seja a altura manomtrica correspondente a cada vazo, dentro de uma determinada faixa de operao do sistema. Esta curva de grande importncia em sistema que incluem associaes de bombas, sistemas de variaes de nveis nos reservatrios, sistemas com vazes variveis, etc.

Levantamento da curva do sistema

A curva caracterstica do sistema levantada plotando-se a altura manomtrica em funo da vazo do sistema, conforme indicado a seguir:

1o passo: Determinar a equao de perda de carga (frmula Universal ou Hazen-Williams) e obter a equao da curva ( Hman x Q):

Hman = Hg + K x Q;

2o passo: Fixar algumas vazes dentro da faixa de operao do sistema. Sugere-se fixar cinco pontos, entre ele o ponto de vazo nula (Q=0) e o ponto de vazo de projeto;

3o passo: Determinar a altura manomtrica correspondente a cada vazo fixada;

4o passo: Plotar os pontos obtidos num grfico Q x H, (vazo no eixo das abscissas e a altura manomtrica no eixo das ordenadas), conforme ilustrado a seguir:

3.8 Cavitao

A Cavitao ocorre pela rpida vaporizao e condensao de um lquido. O processo semelhante ao da ebulio. Na Ebulio, cavidades de vapor so formadas a partir de bolhas menores (ncleos) existentes no meio lquido, como o aumento da temperatura e a presso mantida constante. A cavitao normalmente ocorre quando o lquido, a uma temperatura constante, submetido presso de vapor, seja por meio esttico ou dinmico.

Hman (m) Q (m3/s) H0 Q0 H1 Q1 H2 Q2 H3 Q3 H4 Q4



Ebulio: um lquido ferve ao elevar-se a sua temperatura, com a presso sendo mantida constante. Sob condies normais de presso (760 mm Hg), a gua ferve a 100oC.

Cavitao: um lquido ferve ao diminuir sua presso, com a temperatura constante. A temperatura de 20oC a gua ferve presso absoluta de 0,24 mca = 17,4 mm Hg. A presso com que o lquido comea a ferver chama-se presso de vapor ou tenso de vapor. A presso de vapor funo da temperatura (com a diminuio de temperatura, diminui a presso de vapor).

Quando um lquido em escoamento, em uma determinada temperatura, passa por uma regio de baixa presso, chegando a atingir o nvel correspondente sua presso de vapor, formam-se bolhas que provocam a diminuio da massa especfica do lquido. Estas bolhas arrastadas pelo escoamento atingem a regio em que a presso reinante bem maior. Esta brusca variao de presso provoca o colapso das bolhas por um processo de imploso.

Este processo de criao e colapso das bolhas chamado de cavitao. O desaparecimento destas bolhas ocorrendo junto parede das tubulaes ou rotores provoca um processo destrutivo de eroso do material (Figura 39).

Figura 39 Danos ocasionados pela cavitao

Ocorrncia do fenmeno

Quando prximo entrada da bomba ocorrer uma presso absoluta (Pe) menor ou igual a presso de vapor do lquido (Pv), a uma determinada temperatura, resultar no aparecimento de bolhas de vapor. Se esse processo (Pe



Figura 40 - Efeito mecnico da cavitao.

Efeitos da cavitao

Corroso, com remoo e destruio de pedaos da parede de rotores e carcaa;

Queda de rendimento; Aumento da potncia no eixo (potncia requerida); Trepidao, vibrao, desbalanceamento; Rudo, martelamento (imploso das bolhas)

Alguns autores citam que, alm do efeito mecnico existe, tambm, o efeito qumico devido a ons livres de oxignio que corroem a superfcie.

Avaliao das condies de cavitao

Para que no ocorra cavitao necessrio que a presso absoluta na entrada da bomba fique acima da presso de vapor (Tabela 6), para que o lquido, perdendo ainda alguma energia por atrito no pequeno trecho do flange ao rotor ou por choques na entrada do rotor chegue ali em forma de lquido e no vapor. Este saldo de presso positiva acima



da presso de vapor o que se denomina em Ingls de NET POSITIVE SUCTION HEAD - NPSH (Saldo Positivo de Carga de Presso de Suco). O NPSH uma caracterstica da instalao, definida como a energia que o lquido possui em um ponto imediatamente antes do flange de suco da bomba, acima da sua presso de vapor. a disponibilidade de energia que faz com que o lquido consiga alcanar as ps do rotor. O NPSHd pode ser expresso pela seguinte equao:

hsHsPvaporPatmNPSHd =

onde:

Patm

- presso atmosfrica local em m.c.a.;

Pvapor

- presso de vapor do lquido em m.c.a. (valor tabelado, Tabela 1) Hs altura geomtrica de suco em metros; hs Perda de carga total na suco, em metros.

Em casos de suco positiva, ou seja, quando o eixo da bomba est acima do nvel da gua no reservatrio (Figura 2), a altura geomtrica de suco (Hs) negativa. Neste caso, o NPSHd calculado pela seguinte expresso:

hsHsPvaporPatmNPSHd =

Caso contrrio, quando o eixo da bomba est abaixo do nvel da gua no reservatrio (bomba afogado ou auto-escorvada), a altura geomtrica de suco posiva, logo o NPSHd obtido da seguinte forma:

hsHsPvaporPatmNPSHd +=

Para se evitar a cavitao, o NPSHd deve ser sempre maior que o NPSHr (Net positive suction head requerido). Se o NPSHr for igual ou maior que o NPSHd ocorrer a cavitao na bomba

NPSHd > NPSHr

O NPSH requerido pode ser definido como a energia requerida pelo lquido para chegar, a partir do flange de suco e vencendo as perdas de carga dentro da bomba, ao ponto onde ganhar energia e ser recalcado. O NPSH requerido depende dos elementos de projeto da bomba, dimetro do rotor, rotao especfica, sendo em geral fornecido pelo fabricante atravs de uma curva em funo da vazo. Tal curva pode ser visualizada na Figura 41.



Figura 41 Curva Vazo (Q) versus NPSH requerido

Determinao da mxima altura esttica de suco

Supondo que NPSHd = NPSHr tem-se que a altura mxima de suco dada por:

reqvaporatm NPSHhs

PPHs =

max

Tabela 6 Presso de vapor em funo da temperatura

Obs. Para se obter a presso de vapor (Pv) em mca deve-se multiplicar o valor obtido na tabela 6 por 10.



Medidas para evitar a cavitao

a) Trabalhar com lquidos frios (menor temperatura, menor Pv) b) Tomar a linha de suco a mais curta e reta possvel (diminui a perda de carga); c) Selecionar o dimetro da tubulao de suco de modo que a velocidade de no

ultrapasse a 2 m/s (diminui a perda de carga);

3.9 - Instalao, Operao e Manuteno de Bombas Alm da correta especificao do conjunto moto-bomba, outros cuidados devem ser

tomados para garantir o correto funcionamento de um conjunto elevatrio. Estes cuidados incluem a correta instalao e operao do conjunto, de acordo com as caractersticas do sistema escolhido e com as recomendaes do fabricante. Alm disso, a manuteno peridica do equipamento fundamental para prolongar sua vida til e garantir a plena realizao do trabalho desejado.

A seguir so apresentadas, de forma resumida, algumas recomendaes em relao a vrios aspectos que devem ser considerados ao se lidar com bombas centrfugas.

Recebimento Ao receber o equipamento, devero ser verificadas as especificaes constantes nas

plaquetas de identificao, tanto da bomba como do motor. Deve-se garantir que o equipamento seja acompanhado dos desenhos que iro auxiliar no processo de montagem. O equipamento tambm deve ser acompanhado pelos manuais de instalao, operao e manuteno.

Local de Instalao Ao definir o local de instalao do conjunto moto-bomba, deve-se considerar o acesso

para inspecionar o funcionamento, bem com para a execuo de reparos e de atividades peridicas de manuteno. O local deve ser bem ventilado, seco e protegido das intempries. A proximidade da fonte de suprimento e da rede de energia, tambm so fundamentais.

Assentamento O conjunto moto-bomba dever ser assentado sobre uma base firme, que garanta a

permanncia do equipamento na posio adequada, com capacidade para absorver suas vibraes normais de funcionamento. Bases de concreto, devidamente executadas, sobre solo firme, so as mais indicadas.

Alinhamento O alinhamento entre a bomba e o motor deve ser sempre verificado, mesmo quando o

conjunto j vem montado pelo distribuidor. Entre os problemas de alinhamento, pode ocorrer um afastamento excessivo entre as duas partes da luva, ou ainda um desalinhamento entre o eixo da bomba e do motor, ou ainda um desalinhamento angular entre os mesmos. Para verificar o alinhamento, coloca-se uma rgua nas faces cilndricas das duas metades da luva elstica; o alinhamento estar adequado quando a rgua tocar as metades da luva por igual. Este procedimento ilustrado na figura a seguir. Dever tambm ser medida a distncia entre as faces opostas das duas partes da luva elstica, que devem ser iguais em toda a circunferncia. A luva elstica no deve ser usada para compensar o desalinhamento entre a bomba e o motor, pois sua real funo compensar a dilatao, devido a mudana de temperatura, bem como para diminuir o golpe na partida e parada do motor..



Figura 42 - Procedimento de alinhamento dos eixos da bomba e do motor.

Tubulaes Tanto na suco como no recalque, devem ser utilizadas canalizaes com dimetros

maiores que os dos bocais de entrada e sada da bomba. As canalizaes devem ser to curtas quanto possvel e com o menor nmero de peas especiais. As curvas devero ser de raio longo.

O peso das canalizaes no deve ser suportado pela bomba e sim escorado independentemente, de tal maneira que, quando os parafusos dos flanges forem apertados, nenhuma tenso seja exercida sobre a carcaa da bomba.

A reduo ou aumento do dimetro nas canalizaes imediatas bomba deve ser feita atravs de ampliaes e redues excntricas, evitando a formao de bolsas de ar.

Tubulaes de Suco O acumulo de ar no interior da canalizao de suco, deve ser evitado, pois pode vir a

provocar a diminuio do rendimento do equipamento, ou mesmo causar a perda do escorvamento, com conseqente interrupo do funcionamento. Com esta finalidade, recomenda-se:

- Colocao da tubulao de suco de forma que o lquido tenha sempre uma trajetria ascendente, do ponto de suco at a entrada da bomba;

- Utilizao de redues excntricas; - Evitar a agitao do lquido, com formao de bolhas de ar; - Se mais de uma bomba funcionar no mesmo poo de suco, deve-se empregar

canalizaes de suco independentes; - A extremidade da canalizao de suco dever ficar a uma altura abaixo do nvel

mnimo do lquido a ser deslocado, suficiente para impedir a entrada de ar na tubulao. Vlvula de P Para bombas que no estejam trabalhando afogadas, o uso de vlvula de p

fundamental, para manter a bomba escorvada, quando esta no estiver em funcionamento. Estas vlvulas devem ser associadas com filtros do tipo crivo, evitando a entrada de material que possa obstruir a passagem da gua pelo rotor, ou mesmo danific-lo.



Tubulao de Recalque Aps a sada da bomba, deve-se instalar uma vlvula de reteno. Esta vlvula protege

a bomba contra o sobrepresso hidrulica, gerada pelo golpe de arete, que ocorre quando o sistema sofre algum tipo de parada brusca, como nas eventuais falhas de fornecimento de energia, por exemplo. Alm disso, esta vlvula auxilia a manter a bomba escorvada, evitando o refluxo de gua, o que tambm impede o giro do rotor em sentido contrrio. O uso desta vlvula pode ser considerado indispensvel, para alturas de recalque superiores a 15m.

Aps a vlvula de reteno, deve ser instalado um registro de gaveta, que servir para efetuar o controle da vazo e da presso do sistema, bem como para facilitar as operaes de manuteno da bomba e da vlvula de reteno.

Motor Eltrico Variaes de freqncia no superiores a 5%, no impedem o funcionamento

satisfatrio dos motores eltricos. Entretanto, se alm da variao de freqncia, ocorrer tambm variao de tenso, a soma destas variaes no deve ultrapassar 10%.

Gaxetas Gaxetas so anis de vedao feitos de material facilmente moldvel e plstico, porm

resistente ao atrito e ao calor. Em geral so cortados a partir de tiras de amianto grafitado. A vedao proporcionada pelas gaxetas a partir do momento em que so comprimidas por uma pea denominada "preme-gaxetas" (ou aperta-gaxetas), forando sua compresso contra o eixo da bomba. A lubrificao e refrigerao das gaxetas proporcionada pelo prprio lquido que est sendo bombeado. Por este motivo, o preme-gaxetas no deve ser apertado em excesso, pois normal e desejvel a ocorrncia de um pequeno vazamento do lquido junto gaxeta.

Partida e Parada do Conjunto Moto-Bomba A seqncia de passos para partida e parada das bombas centrfugas varia em funo

do tipo de bomba que est sendo utilizada. Entretanto, em todos os casos, o objetivo principal a reduo da potncia consumida no momento da partida. Nas bombas centrfugas propriamente ditas (radiais), a potncia consumida aumenta com a vazo. Por este motivo, a partida destas bombas deve ser efetuada com o registro de recalque fechado, o que garante o mnimo valor de potncia consumida.

De forma sinttica, o procedimento de partida para as bombas centrfugas radiais deve ser:

- Escorvar a bomba; - Garantir que o registro do recalque est fechado; - Ligar o motor; - Abrir lentamente o registro de recalque, at atingir a vazo e a presso desejadas; - Verificar se o gotejamento das gaxetas est adequado e corrigir o ajuste do preme-

gaxeta, se necessrio; - Verificar se no existe rudos ou vibraes fora do normal. - Para a parada do sistema, basta proceder na forma inversa, ou seja, fechar

lentamente o registro do recalque, para aps desligar o motor.



3.10 BIBLIOGRAFIA

AZEVEDO NETO, J. M. Manual de Hidrulica. 8 Ed., So Paulo, Ed. Edgard Blucher, Ltda, 1983, 688p.

BARRETO, G.. Irrigao, Princpios, mtodos e prtica. Campinas: Instituto Campineiro de Ensino Agrcola, 1986.

BLACK, P. Bombas. Traduo de Jos Aristides Salge, So Paulo: Polgono, 1982. MACINTYRE, A.J. Bombas e Instalaes de Bombeamento. Guanabara Dois: Rio de

Janeiro. 1980. 667 p. NEVES, E.T. Curso de Hidrulica Porto Alegre: Editora Globo, 1968. KING. Bombas Hidrulicas. Centro de Treinamento King. DENICULI, W. Bombas Hidrulicas. Viosa: Universidade Federal de Viosa. 1993

96674-apostila hidráulica iii bombas

Documents