bomba radial - 2011

INSTITUTO TECNOLGICO DE AERONUTICA ENGENHARIA MECNICA-AERONUTICA CURSO MEM-31 MQUINAS DE FLUXO LABORATRIO DE MQUINAS HIDRULICAS E DE VENTILADORES Pgina 1/15

ENSAIO I: CARACTERSTICAS DE BOMBA HIDRULICA RADIAL 2011 Data de realizao do ensaio: ___/_____/2011 Nome dos alunos: Turma: ____ ___________________________________________________________ ___________________________________________________________ ___________________________________________________________

Figura 1. Bomba Radial, motor eltrico, manmetro, vacumetro e quadro eltrico. INTRODUO Os ensaios de bombas hidrulicas em geral so os ensaios de garantia (ou de recepo), ensaios de formao profissional e ensaios cientficos. Denominam-se, de forma geral, curvas caractersticas de uma bomba hidrulica o diagrama composto pelas grandezas trabalho especfico (Y), rendimento total t , potncia hidrulica ( Ph ) versus vazo (Q) da bomba, trabalhando sob rotao constante (n). O levantamento das curvas caractersticas da bomba de grande interesse, pois permite anlise bastante ampla das caractersticas operacionais da mquina, facilitando a localizao de seu ponto de operao quando instalada. A escolha de uma bomba deve atender o requisito: elevao eficiente de uma vazo Q a


uma altura H (que corresponde a um trabalho especfico da bomba Y = gH). Deve-se procurar especificar uma bomba cujas curvas caractersticas indiquem que ser atingido um rendimento considerado satisfatrio para o par (Q;Y), requerido. A bomba projetada para elevar uma determinada vazo de fluido (geralmente gua) a uma certa altura, em condies de mximo rendimento, ou pelo menos em condies prximas ao mximo rendimento, uma vez que, medida que se afasta das condies timas, o rendimento tende a diminuir consideravelmente. Os esquemas anexos mostram, de maneira geral, como se apresentam as caractersticas das trs modalidades de bombas mais comuns na prtica. O que caracteriza o tipo de bomba, independentemente das dimenses geomtricas ou da rotao, a velocidade especfica ( n q ), definida por nq = n Q1 / 2 (adimensional) Y 3/ 4

onde n Q Y velocidade de rotao da mquina, em rps m3 vazo volumtrica bombeada pela mquina, em s trabalho especfico passado para o fluido bombeado, em J/kg

Como o valor numrico de n q bastante pequeno, costume redefinir a velocidadeespecfica utilizando-se outras grandezas. Por exemplo Addison utiliza N qA = 1000n q e outros autores N q = 2n q . Em palavras, a velocidade especfica n q corresponde ao nmero de rotaes por segundo, da mquina ideal, geometricamente semelhante mquina considerada, capaz de fornecer a unidade de vazo quando fornecer ao fluido um trabalho especfico tambm unitrio. Para cada tipo de mquina, em particular cada tipo de bomba, o valor de n q deve ficarcompreendido entre determinados limites para se garantir que ela opere adequadamente. Caso contrrio, seu funcionamento ser precrio e operar com baixo rendimento. A velocidade especfica permite definir a forma do rotor. Por exemplo, para uma determinada vazo volumtrica, rotores para grandes alturas manomtricas usualmente apresentam baixos valores de velocidade especfica, ao passo quem rotores para alturas de elevao reduzidas, geralmente apresentam altos valores de velocidade especfica. Com relao s curvas caractersticas das bombas observa-se que nem sempre coincidem os pontos de mximo rendimento e de mxima potncia hidrulica. Sejam: QP vazo correspondente ao ponto de mxima potncia Q vazo correspondente ao ponto de mximo rendimento


Define-se o coeficiente de forma (E) da bomba pela relao entre as vazes correspondentes aos pontos de mxima potncia hidrulica e de mximo rendimento E= QP Q

Foram realizados diversos ensaios de bombas com vrios tipos de rotores e traada a curva E = f (n qA ) , indicada na Fig. 2.

Figura 2 Grfico da funo E = f (n qA )

Observa-se que essa funo E = f (n qA ) assume o valor 1,0 no ponto n qA = 216, indicando que somente para a classe de bombas que tm n qA = 216 os pontos de mximorendimento e mxima potncia coincidem. Somente nesse caso o ponto de funcionamento est univocamente determinado. Para as demais bombas h necessidade de uma soluo de compromisso, por exemplo, aproveitando-se ao mximo a potncia em prejuzo do rendimento, aceitando-se o aparecimento de choques, desgastes, etc. Outra opo seria trabalhar no ponto de mximo rendimento, em prejuzo da potncia hidrulica, requerendo-se maior potncia de entrada. Na maioria das vezes tomado como ponto de funcionamento um ponto intermedirio e as grandezas dele oriundas so denominadas grandezas ou caractersticas nominais.

Curva E = f (n qA ) Bombas radiais Bombas axiais Bombas diagonais E>1 E Q QP < Q QP Q QP Q

frente, como exemplo, apresentada curvas caractersticas para uma dada bomba radial comercial (fabricante Ebara bomba de mltiplos estgios):



OBJETIVOS

1-

2-

Obteno das curvas caractersticas da bomba radial Weise P-80. 1.1- Trabalho especfico(Y) versus vazo(Q) para rotao (n) constante; 1.2- Rendimento total t versus vazo (Q); 1.3- Potncia hidrulica ( Ph ) versus vazo(Q); Determinao das condies timas de funcionamento referidas ao ponto de mximo rendimento mx dados pelos valores respectivos de potncia hidrulica ( P ), trabalho especfico ( Y ) e vazo ( Q ). Determinao das condies de funcionamento referidas ao ponto de potncia mxima (Pmx), dados pelos valores respectivos de rendimento P , trabalho especfico (Yp) e vazo (Qp). Determinao das condies nominais de funcionamento dadas pelos valores de rendimento n , potncia hidrulica (Pn), trabalho especfico (Yn) e vazo Qn, todos tomados em um ponto intermedirio entre os pontos de rendimento mximo e de potncia mxima. Verificao da classe do rotor da bomba (radial, diagonal ou axial) atravs do clculo do coeficiente de velocidade especfica para o ponto nominal de operao dado por Q1 / 2 n qA = 1000n 3 / 4 , com n medido em rps. Y Verificao da classe do rotor da bomba para o ponto nominal de operao por Q meio do clculo do coeficiente de forma E = P e de sua posio na curva Q coeficiente de forma (E) versus coeficiente de velocidade especfica ( n qA )

3-

4-

5-

6-

DESCRIO DO ENSAIO

A variao da vazo da bomba a ser ensaiada conseguida variando-se gradativamente a abertura do registro da canalizao de presso da bomba a ser ensaiada. Em decorrncia, variam tambm todos os outros parmetros do escoamento, tais como:presso de entrada (vacuomtrica, suco), presso de sada (descarga), trabalho especfico, potncia hidrulica, eficincia. O motor que aciona a bomba geralmente um motor de induo, que tem rotao constante, a menos de uma pequena variao por causa do fenmeno do deslizamento dos motores assncronos, que varia de 0,05% na condio sem carga at 4% na condio de plena carga. Define-se deslizamento pela relao V Vmotor = sin cron Vsin cron O ensaio completo da bomba requer tambm a variao da sua rotao, o que requer o uso de motores eltricos adequados. As medies dos diversos parmetros, para cada abertura do registro (isto , para cada


vazo) permitem a obteno de todas as grandezas necessrias para o ensaio. PROCEDIMENTO Para cada posio do registro da canalizao de presso da bomba, com a rotao do motor n constante, procede-se as seguintes determinaes.1234567Altura h da tomada de presso da sada da bomba at o ponto de tomada da presso (vcuo) na entrada. Presso absoluta Pe na entrada da bomba, indicada no vacumetro. Presso manomtrica Ps' na sada da bomba, indicada no manmetro localizado acima do ponto de sada da bomba. Calcular as presses manomtricas de entrada (Pe = Pe - Patm). Desnvel entre o centro do manmetro e sada da bomba Z. Calcular as presses manomtricas na sada da bomba (Ps = Ps + .g.Z) Aplicando a Primeira Lei da Termodinmica no volume de controle entre as sees de entrada e sada da bomba, ou sees e e s:q + he + Ve2 V2 + he .g = hs + s + hs .g + w 2 2 e s

es

como, h = u + P.v = u + P/ onde u a energia interna, v o volume especfico.q w ( ue u s ) = Y =e s

Ps Pe

es

+ gh +

1 2 Vs Ve2 2

(

)

Y = Trabalho Especfico resultante no fluido = Trabalho especfico fornecido (negativo) pelo eixo ( w ) menos as perdas q ( u s u e ) .es es

Como os dutos de entrada e sada possuem o mesmo dimetro, ento Ve = Vs.Y= Ps Pe+ gh

8-

Para medio da vazo: Diferena de altura y entre os nveis das duas alas do manmetro em U para a medida da velocidade da gua no centro do duto atravs de um tubo de Pitot.


Figura 3. Localizao do medidor do Tubo de Pitot, prxima turbina Pelton

Leitura da Vazo pela calibrao do Pitot, de acordo com os grficos (figuras 4 e 5);


Figura 4. Diagrama de Calibrao do Pitot para baixa vazo


Figura 5. Diagrama de Calibrao do Pitot para alta vazo


9- Clculo da potncia hidrulica dada por Ph = Q Y 10- Potncia eltrica Pel consumida pelo motor e indicado pelo wattmetro, localizado no quadro eltrico (figura 6);

Figura 6: Quadro Eltrico

11- Potncia no eixo da bomba obtido pela consulta ao diagrama do motor eltrico potncia do eixo versus potncia eltrica (figura 7);


Figura 7. Potncia Eixo x Potncia Eltrica

12- Clculo do rendimento total da bomba dado por t = 1314-

1516-

Ph Pe Leitura da rotao n do motor, por meio de tacmetro de contato. Uma vez traados os diagramas, determinar o par (Q,Y), para: ponto de potncia mxima (Pmx), ponto de mximo rendimento mx o ponto de funcionamento (nominal): ponto intermedirio entre os pontos de rendimento mximo e de potncia mxima. Q1 / 2 Coeficiente de velocidade especfica dado por n qA = 1000n 3 / 4 Y QP vazo no ponto de potncia mxima Coeficiente da forma dado por E = = Q vazo no ponto de rendimento mximo


RELAO DO MATERIAL

1234567-

Bomba radial instalada em circuito completo para ensaio. Manmetros de Bourdon (presso positiva e de vcuo) Tubo de Pitot com manmetro associado em U Diagramas de Calibrao do Pitot Wattmetro Diagrama potncia eltrica do motor versus potncia no eixo. Tacmetro de contacto

TABELA DE DADOS

Presso atmosfrica Densidade da gua Desnvel do manmetro Diferena de cota entre entrada e sada da bombaTABELA DE MEDIDAS G n Pe D rpm N / cm 2 Origem tacmetro Vacumetro

Patm z h

N/cm2 kg / m k m m3

9,34 1000

1

2

3

4

5

6

7

8

Ps y

Peltrica Q Y

N / cm 2 mm W

manmetro Pitot wattmetro diagrama P Pe 1 Y= s + gh + Vs2 Ve2 2 Ph = QY Pe (Potncia de Eixo) - grfico P t = h Pe

m3 / s J/kgW W -

(

)

Ph Pe t


ESQUEMA

Figura 8 Esquema da instalao da bomba hidrulica RESULTADOS 1) 2) 3) 4) Curva Y = Y(Q) Curva Ph = Ph(Q) Curva t = t (Q ) Tabela de valores caractersticos da bomba: Potncia Mxima Condio Eficincia Mxima Nominal

Parmetro Rotao Vazo Trabalho Especfico Eficincia Potncia

5) 6) 7)

Coeficiente de velocidade especfica n qA , relativo a condio nominalCoeficiente de forma E = Classe do rotor da bomba

QP Q


PROCEDIMENTO PARA ANLISE DE INCERTEZAS Para cada ponto de abertura da vlvula:

1. realizar trs leituras de presses de entrada e sada, vazo, e potncia de eixo; tirar as mdias e calcular as incertezas aleatrias; 2. para presso estimar o desvio sistemtico(SB) como sendo a metade da resoluo do manmetro e/ou vacumetro; 3. para vazo (obtida do grfico de calibrao do tubo de Pitot para cada valor y correspondente), adotar o desvio sistemtico SB = 0.5x10-3 m3/s (metade da resoluo do grfico de calibrao); 4. para a potncia de eixo (obtida do grfico de rendimento do motor eltrico) desprezar a incerteza deste grfico, ou seja, o desvio sistemtico SB ser obtido pela metade da resoluo do wattmetro; 5. na propagao das incertezas do trabalho especfico, contabilizar somente as incertezas primrias das presses e desprezar o restante (g, h e ); 6. propagar as incertezas para a potncia hidrulica e rendimento; 7. no necessrio calcular as incertezas para velocidade especfica e coeficiente de forma.CONCLUSES

Faa uma concluso do ensaio.QUESTIONRIO

123-

Explicar em 3 linhas o porqu dos ensaios de mquinas hidrulicas. Qual a vantagem de se trabalhar com coeficientes adimensionais do tipo E (Coeficiente de Forma) e n q (coeficiente de velocidade especfica)

Uma bomba gira a 1750 rpm, com vazo Q = 9 l/s e altura manomtrica de 40 m, Pede-se: a) o tipo de rotor dessa bomba b) qual a relao provvel que existe entre os valores de vazo para. potncia mxima e de vazo para rendimento mximo. 4- So dadas abaixo as duas curvas de uma bomba hidrulica. Essas curvas poderiam referir a qual (ou quais) classes de rotores?

Figura 9 Curvas de Potncia hidrulica e de eficincia de uma bomba


5- Por que razo a curva tpica Y x Q de uma bomba decrescente com vazo crescente? 6- No ensaio realizado a potncia no eixo constante? Por que? 7- Que tipo de motor eltrico d rpm constante? Qual a razo da pequena variao de rpm durante o ensaio? 8- Numa bomba so conhecidos:Q P = 7 l/s e Q = 9 l/s ; YP = 250 J/Kg e Y = 230 J/kg; P = 0,7 e n = 0,8.

Pedem-se: a. Qual o valor da vazo nominal Q n ? b. Qual o valor do trabalho especfico nominal Yn c. Qual o valor da potncia hidrulica nominal Pn d. Qual o valor do rendimento nominal. n e. Qual o valor da potncia no eixo nominal Pen f. O rotor dessa bomba pode ser radial? Por que? 9- Explicar as diferenas existentes entre as caractersticas de trs modalidades de bombas: radiais, diagonais e axiais. 10- Porque as mquinas radiais possuem uma maior relao de presso quando comparada com as mquinas axiais? Como fica a questo da eficincia quando comparadas? (Considere apenas um estgio) 11- Com o tempo de uso, a bomba vai se degradando. Como deve ser a curva de uma bomba aps vrias horas de uso (bomba degradada)? Faa um esboo e explique. 12- Nesse relatrio conhecemos a Curva Caracterstica de uma Bomba (CCB). Faa comentrios sobre o que a Curva Caracterstica de uma Instalao (CCI).

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