desenvolvimento de bancada de testes para …
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
ENZO DELL’ ANTONIO
DESENVOLVIMENTO DE BANCADA DE TESTES PARA LEVANTAMENTO DE
CURVAS CARACTERÍSTICAS DE BOMBAS DE VÁCUO DE ANEL LÍQUIDO
FLORIANÓPOLIS/SC
2012
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
ENZO DELL’ ANTONIO
DESENVOLVIMENTO DE BANCADA DE TESTES PARA LEVANTAMENTO DE
CURVAS CARACTERÍSTICAS DE BOMBAS DE VÁCUO DE ANEL LÍQUIDO
Trabalho apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia de Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina como parte dos requisitos para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico.
Orientador: Prof. Vicente de Paulo Nicolau
FLORIANÓPOLIS/SC
2012
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
ENZO DELL’ ANTONIO
DESENVOLVIMENTO DE BANCADA DE TESTES PARA LEVANTAMENTO DE
CURVAS CARACTERÍSTICAS DE BOMBAS DE VÁCUO DE ANEL LÍQUIDO
Este Trabalho de Graduação foi julgado adequado para a obtenção do título de Engenheiro
Mecânico e aprovado em sua forma final pela Comissão examinadora e pelo Curso de
Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina.
Prof. Lauro César Nicolazzi, Dr. Prof. Dylton do Vale Pereira Filho
Coordenador do Curso Professor da disciplina
Comissão Examinadora:
Prof. Vicente de Paulo Nicolau, Dr. - Orientador
Edevaldo Brandílio Reinaldo, Engº.
Prof. Dylton do Vale Pereira Filho, M. Eng.
Agradecimentos
Ao orientador desse trabalho, Vicente de Paulo Nicolau, pela paciência, compreensão e
oportunidades de aprendizado trazidas com suas propostas de trabalho.
A equipe do Laboratório de Ciências Térmicas: Edevaldo Brandílio Reinaldo, Daniel
Tancredi, Emanuel Ribeiro, Fábio do Monte Sena, Valdir Manzano, Hugo Kiyodi Oshiro,
Gilmar Ribeiro e Fernando López.
Aos meus amigos de graduação, em especial: Estevam Miscow Machado, Ricardo Hatanaka,
Pablo Pelizza, Pedro Rist, Rodrigo Blödorn, Luiz Guilherme Schweitzer, Felipe dos Santos
Sell e Jhonatan Vinicius Erhart.
A Claudia Hoffmann, pelo seu amor, carinho, apoio e incentivo.
Resumo
A grande utilização das bombas de vácuo de anel líquido como equipamento para a
geração de vácuo na indústria, a fabricação e comercialização desses dispositivos por
empresas nacionais sem a apresentação das especificações relativas às suas capacidades e a
escassez de estudos nacionais relativos ao assunto propiciaram a confecção deste trabalho.
Neste contexto, o presente trabalho apresenta uma revisão dos conceitos físicos básicos sobre
a tecnologia do vácuo e as bombas de vácuo de anel líquido (Bannwarth, 2005), expõe a
montagem de uma bancada para a realização dos testes necessários e exibe os resultados
obtidos, para três bombas distintas, através dos testes efetuados. A bancada desenvolvida teve
a incorporação de vários instrumentos de medição. Tais instrumentos foram utilizados para
medir vazão de ar, pressões diversas, vazão de água, temperaturas e potência elétrica. Uma
planilha eletrônica de cálculo foi montada contendo os diversos procedimentos para se
alcançar os valores desejados bem como para se traçar os gráficos necessários. As vazões de
ar foram medidas à pressão atmosférica e suas equivalentes também foram calculadas para as
pressões de vácuo obtidas ao longo de cada ensaio, sendo estas denominadas de vazão de ar
expandido. Os ensaios foram realizados de forma a se aferir o desempenho das bombas para
condições normais de operação e avaliar a influência sobre o desempenho de parâmetros,
como a altura do reservatório de água e a vazão de água consumida. Os resultados obtidos
para as condições normais de utilização apontaram um comportamento similar entre as
bombas, com uma pressão de sucção máxima de 99.191 Pa (pressão de sucção absoluta de
2.919 Pa), caracterizando assim um regime de vácuo primário e evidenciaram diferenças em
relação às vazões de ar succionadas em função da pressão de sucção, com a vazão de ar
expandido apresentando um valor máximo de 174,4 m3.h
-1. Ao ser avaliada a influência da
altura do reservatório de água sobre o desempenho os resultados apresentados demonstram
que o reservatório ao ser posicionado a uma altura de 2,0 m gerou melhores resultados na
vazão de ar sem afetar criticamente os outros parâmetros estudados. Os resultados da
influência da vazão de água sobre a pressão de sucção das BVAL apontaram que,
independentemente da situação do teste, a ocorrência de uma redução na vazão de água
sempre causa uma redução no nível de vácuo gerado. Também se verificou para estes ensaios
a possibilidade do acontecimento de cavitação nas tubulações.
Abstract
The great use of liquid ring vacuum pumps as an equipment for generating vacuum in the
industry, the manufacturing and the marketing of these devices by national companies without
submitting the specifications of their capabilities and the lack of national studies on this
subject led to the writing of this work. In this context, this paper presents a review of the basic
physical concepts about the technology of vacuum and liquid ring vacuum pumps
(Bannwarth, 2005), exposes the assembly of a workbench to perform the necessary tests and
displays the results obtained, for three different pumps, through the tests that were performed.
The developed workbench had the incorporation of several measuring instruments. These
instruments were used to measure air flow, several pressures, water flow, temperature and
electrical power. An electronic spreadsheet was assembled containing the various procedures
to achieve the desired values and to draw the necessary charts. The air flow rates were
measured at atmospheric pressure and their equivalents were also calculated for the vacuum
pressures obtained during each test, and these were designate expanded air flow. Assays were
conducted in order to assess the performance of the pumps for normal operating conditions
and evaluating the influence on parameters performance, such as the height of the water
reservoir and the water flow consumed. The results obtained for normal use showed a similar
behaviour between the pumps, with a maximum suction pressure of 99,191 Pa (absolute
suction pressure of 2,919 Pa), thus characterizing a coarse vacuum system and showed
differences in relation to the sucked air flows as a function of the suction pressure, with the
expanded air flow having a maximum value of 174.4 m3.h
-1. When evaluating the height
influence of the water reservoir on the performance, the obtained results demonstrate that by
positioning the reservoir at a height of 2.0 m better results are generated in air flow without
affecting the others studied parameters critically. The results of the water flow´s influence on
the suction pressure of the LRVP indicated that, regardless of the status of the test, the
occurrence of a reduction in water flow always causes a decrease in the generated vacuum
level. It was also found for these trials the cavitation occurrence possibility in the piping
system.
Lista de Símbolos
BVAL : Bomba de vácuo de anel líquido
DIN : Instituto Alemão de Normalização
M : Número de Mach
et al. : e outros
Re : Número de Reynolds
c : Velocidade local do som no meio
v : Velocidade do escoamento
Kn : Número de Knudsen
λ : Caminho livre molecular
D : Diâmetro da tubulação
Kb : Constante de Boltzmann
T : Temperatura do gás
σ : Diâmetro da partícula
P, Pest : Pressão total, Pressão estática
CNTP : Condições Normais de Temperatura e Pressão
ρ : Massa específica do fluido
µ : Viscosidade dinâmica do fluido
HEI : Instituto de Transferência de Calor
SI : Sistema Internacional de Unidades
ASME : American Society of Mechanical Engineers
PVC : Policloreto de polivinila
I : Inclinação do manômetro de álcool
ρar : Massa específica do ar atmosférico
Qcorrigida : Vazão de ar corrigida
Qexp : Vazão de ar expandido
Patm : Pressão atmosférica local
Pabs : Pressão de sucção absoluta
Lista de Tabelas Tabela 2.1 – Divisão das faixas de vácuo de acordo com a norma DIN 28400. ..................................... 5
Tabela 2.2 – Classificação do tipo de escoamento no vácuo pelo número de Knudsen. ........................ 9
Tabela 2.3 – Faixas de operação e medição de vácuo. .......................................................................... 16
Tabela 3.1 – Condições atmosféricas na realização dos ensaios. .......................................................... 26
Lista de Ilustrações Figura 1.1 – Vista explodida de uma bomba de vácuo de anel líquido com duplo estágio de compressão. ............................................................................................................................................. 1
Figura 1.2 – Estágios de compressão de uma BVAL. ............................................................................. 2
Figura 2.1 – Relação entre pressão manométrica e absoluta (Fonte: Heat Exchange Institute-HEI). ... 11
Figura 2.2 – Faixas de medição para dispositivos medidores de vácuo conforme a norma DIN 28400 - Parte 2 (Outubro 1980). ......................................................................................................................... 13
Figura 2.3 – Curva da pressão de vapor da água em diferentes faixas de vácuo (Bannwarth, 2005, p. 10). ........................................................................................................................................................ 15
Figura 3.1 – Bancada de teste para bombas de vácuo, com o bocal e tanque de ar no primeiro plano. Micromanômetro e medidor de vazão de água à esquerda, manômetro de mercúrio à direita e termômetros no plano de fundo. ............................................................................................................ 18
Figura 3.2 – Bocal construído conforme a modelo ASME (1971)........................................................ 19
Figura 3.3 – Bancada esquemática para ensaio das BVAL. .................................................................. 20
Figura 3.4 – Reservatório de água para testes ao nível do solo. ............................................................ 21
Figura 3.5 – Reservatório de água para testes com variação de altura. ................................................. 21
Figura 3.6 – Medidor de vazão ultrassônico Eesiflo 6000. ................................................................... 22
Figura 3.7 – Termômetro OMEGA, HH21 e HH82A. .......................................................................... 23
Figura 3.8 – Esquema do posicionamento do termopar para medição das temperaturas de saída da água após sua passagem pela bomba e de entrada na mesma. ....................................................................... 23
Figura 3.9 – Manômetro de mercúrio para medição do nível de vácuo gerado pelas BVAL. .............. 24
Figura 3.10 – Reservatório de ar para amortecimento das vibrações nas colunas de mercúrio. ........... 24
Figura 3.11 – Micromanômetro de álcool e bocal com tomadas de pressão nas paredes do reservatório de admissão de ar. ................................................................................................................................. 25
Figura 3.12 – Medidor Yokogawa CW120 com detalhe na sua conexão com o motor elétrico. .......... 26
Figura 4.1 – Bomba de vácuo de anel líquido denominada Bomba 1. .................................................. 30
Figura 4.2 – Vazões de ar atmosférico e de ar expandido versus pressão de sucção para a Bomba 1. . 30
Figura 4.3 – Vazão de água em função da pressão de sucção para a Bomba 1. .................................... 31
Figura 4.4 – Potência consumida pelo motor elétrico em função da pressão de sucção para a Bomba 1. ............................................................................................................................................................... 32
Figura 4.5 – Bomba de vácuo de anel líquido denominada Bomba 2. .................................................. 33
Figura 4.6 – Vazões de ar atmosférico e de ar expandido versus pressão de sucção para a Bomba 2. . 33
Figura 4.7 – Vazão de água em função da pressão da pressão de sucção para a Bomba 2. ................. 34
Figura 4.8 – Potência consumida pelo motor elétrico em função da pressão de sucção para a Bomba 2. ............................................................................................................................................................... 35
Figura 4.9 – Bomba de vácuo de anel líquido denominada Bomba 3. .................................................. 35
Figura 4.10 – Vazões de ar atmosférico e de ar expandido versus pressão de sucção para a Bomba 3. 36
Figura 4.11 – Vazão de água em função da pressão de sucção para a Bomba 3. .................................. 37
Figura 4.12 – Potência consumida pelo motor elétrico em função da pressão de sucção para a Bomba 3. ............................................................................................................................................................ 37
Figura 5.1 – Reservatório de água posicionado a uma altura de 4,1 metros. ........................................ 38
Figura 5.2 – Vazão de ar atmosférico na Bomba 2 para o reservatório de água em diferentes alturas. 40
Figura 5.3 – Vazão de água na Bomba 2 para o reservatório de água em diferentes alturas. ............... 40
Figura 5.4 – Potência no motor da Bomba 2 para o reservatório de água em diferentes alturas. ......... 41
Figura 5.5 – Vazão de ar atmosférico na Bomba 3 para o reservatório de água em diferentes alturas. 42
Figura 5.6 – Vazão de água na Bomba 3 para o reservatório de água em diferentes alturas. ............... 42
Figura 5.7 – Potência no motor da Bomba 3 para o reservatório de água em diferentes alturas. ......... 43
Figura 5.8 – Influência da vazão de água de alimentação na pressão de sucção da Bomba 1. ............. 44
Figura 5.9 – Influência da vazão de água de alimentação na pressão de sucção da Bomba 2 com o reservatório de água posicionado 0,7 m de altura. ................................................................................ 45
Figura 5.10 – Influência da vazão de água de alimentação na pressão de sucção da Bomba 2 com o reservatório de água posicionado 1,1 m de altura. ............................................................................... 46
Figura 5.11 – Influência da vazão de água de alimentação na pressão de sucção da Bomba 2 com o reservatório de água posicionado 2,0 m de altura. ................................................................................ 46
Figura 5.12 – Influência da vazão de água de alimentação na pressão de sucção da Bomba 3 com o reservatório de água posicionado 0,7 m de altura. ................................................................................ 47
Figura 5.13 – Influência da vazão de água de alimentação na pressão de sucção da Bomba 3 com o reservatório de água posicionado 2,0 m de altura. ................................................................................ 48
Sumário
1. Introdução ....................................................................................................................................... 1
1.1. Considerações Iniciais ............................................................................................................. 1
1.2. Objetivos ................................................................................................................................. 3
1.3. Estrutura do Trabalho ............................................................................................................. 3
2. Fundamentação Teórica .................................................................................................................. 5
2.1. Vácuo ....................................................................................................................................... 5
2.2. Tipos de escoamentos e parâmetros adimensionais .............................................................. 6
2.2.1. Número de Mach ............................................................................................................ 7
2.2.2. Número de Knudsen ........................................................................................................ 8
2.2.3. Número de Reynolds ....................................................................................................... 9
2.3. As relações entre as pressões e suas unidades ..................................................................... 10
2.4. Medidores de pressão ........................................................................................................... 11
2.5. Pressão de vapor ................................................................................................................... 13
2.5.1. Pressão de vapor da água no vácuo .............................................................................. 14
2.5.2. Cavitação ....................................................................................................................... 16
3. Desenvolvimento da bancada de testes e dos ensaios realizados................................................ 18
3.1. Montagem da bancada de testes .......................................................................................... 18
3.2. Aquisição e tratamento dos dados ....................................................................................... 26
4. Resultados ..................................................................................................................................... 29
4.1. Resultados da Bomba 1 ......................................................................................................... 29
4.2. Resultado da Bomba 2 .......................................................................................................... 32
4.3. Resultado da Bomba 3 .......................................................................................................... 35
5. Influência da altura do reservatório e da vazão de água .............................................................. 38
5.1. Influência da altura do reservatório sobre a Bomba 1.......................................................... 39
5.2. Influência da altura do reservatório sobre a Bomba 2.......................................................... 39
5.3. Influência da altura do reservatório sobre a Bomba 3.......................................................... 41
5.4. Influência da vazão de água sobre a Bomba 1 ...................................................................... 44
5.5. Influência da vazão de água sobre a Bomba 2 ...................................................................... 44
5.6. Influência da vazão de água sobre a Bomba 3 ...................................................................... 46
6. Conclusão ...................................................................................................................................... 49
Referências ............................................................................................................................................ 51
1
1. Introdução
1.1. Considerações Iniciais
O presente trabalho versa sobre o desenvolvimento de uma bancada para o
levantamento de curvas características de bombas de vácuo de anel líquido (BVAL), aborda
também os ensaios realizados, a metodologia empregada e os resultados obtidos. Procurou-se,
por meio das curvas características obtidas nos diversos ensaios, realizar um uso mais
eficiente das bombas de vácuo estudadas em suas devidas aplicações.
Existe atualmente uma grande variedade de bombas usando diferentes princípios de
projeto para produzir vácuo. Porém, segundo Veizades (2004, p. 126), bombas de vácuo de
anel líquido são os dispositivos mais utilizados para geração de vácuo na indústria. As
bombas de vácuo são amplamente utilizadas na indústria petroquímica, de alimentos,
farmacêutica, em setores manufatureiros e na saúde. Alguns processos típicos onde seu uso
ocorre seria em secadores, colunas de destilação, resfriadores por evaporação,
degaseificadores, reatores químicos, processos de liofilização, sucção médica, laboratórios de
análise e extrusoras.
As bombas de vácuo ensaiadas neste trabalho (BVAL) podem ser classificadas como
bombas rotativas de deslocamento positivo, sendo aplicadas em extrusoras de cerâmicas. O
princípio de funcionamento de uma bomba de anel líquido é semelhante à de uma bomba de
palhetas rotativas, sendo que, na primeira as palhetas ou mais apropriadamente as pás são
fixadas no rotor e não se deslocam radialmente, como ocorre na segunda.
Figura 1.1 – Vista explodida de uma bomba de vácuo de anel líquido com duplo estágio de compressão.
Para os modelos de bomba estudados, a sucção dos gases é realizada por um anel de
líquido formado como resultado da excentricidade relativa entre o invólucro da bomba e o
rotor de palhetas rotativas (Figura 1.2). Como resultado dessa excentricidade tem-se, para
2
cada revolução do motor, o quase completo enchimento de cada câmara entre as pás do rotor
seguido de seu parcial esvaziamento. Assim, esse ato de enchimento seguido de esvaziamento
de cada câmara do rotor cria uma ação de êmbolo no interior de cada câmara formada entre as
pás do rotor, a qual é responsável pela sucção desejada dos gases.
Figura 1.2 – Estágios de compressão de uma BVAL.
Na BVAL os seus componentes estão posicionados de modo a admitir gás quando a
câmara do rotor está sendo esvaziada do líquido, e em seguida, para permitir que o gás seja
descarregado, assim que a compressão estiver concluída. As áreas de vedação entre as portas
de entrada e de descarga são projetadas para fechar as áreas do rotor e para separar os fluxos
de entrada e descarga. O líquido mais comumente usado para este trabalho é a água, a qual é
sugada através da bomba e depois ejetada juntamente com os gases que são retirados do
reservatório no qual se deseja obter vácuo.
As referidas bombas apresentam um atrito muito baixo entre as suas partes móveis e
são acionadas por um motor elétrico de indução. Nas três bombas ensaiadas no trabalho, duas
3
eram impulsionadas por um motor elétrico com potência de 5,52 kW e uma com motor
elétrico com potência de 7,35 kW.
As bombas ensaiadas também podem ser empregadas em outras aplicações industriais.
Deste modo, buscou-se uma melhor especificação de suas capacidades facilitando a seleção e
o entendimento do seu funcionamento por parte dos usuários.
Para a correta realização do ensaio, foi necessário o controle simultâneo de vários
parâmetros. Tal controle foi feito com a utilização, na bancada de testes, de diversos
instrumentos de medição. Os parâmetros medidos foram os seguintes: as temperaturas de
entrada e saída da água na bomba, a vazão de água consumida, a potência elétrica consumida,
a pressão no bocal de sucção de ar e a pressão de vácuo gerada.
As vazões de ar foram medidas em condições de pressão atmosférica e também foram
calculadas para as pressões de vácuo obtidas ao longo de cada ensaio, sendo estas
denominadas de vazão de ar expandido.
Por fim, uma planilha de cálculo foi montada, contendo os diversos procedimentos
para se chegar aos resultados desejados, bem como traçar os gráficos necessários.
1.2. Objetivos
O objetivo deste trabalho é realizar o desenvolvimento de uma bancada de ensaio para
o levantamento de curvas características de bombas de vácuo de anel líquido, bem como
realizar uma série de ensaios para três bombas de tamanhos e geometrias diferentes, avaliando
assim, os seus desempenhos para diferentes situações.
1.3. Estrutura do Trabalho
O presente trabalho está dividido basicamente em duas partes distintas. Na primeira
delas, busca-se o desenvolvimento de uma bancada de testes para a realização dos ensaios das
bombas de vácuo de anel líquido. A segunda parte corresponde à avaliação dos resultados
obtidos e a comparação entre os três modelos de bombas estudados.
A respeito da organização do trabalho tem-se:
• Capítulo 1: nele é realizada uma breve explanação sobre as bombas estudadas e seu
princípio de funcionamento, a metodologia aplicada ao desenvolvimento da bancada e dos
ensaios e os objetivos do trabalho.
• Capítulo 2: expõe os princípios físicos do vácuo, realizando especial abordagem em
relação aos seus fatores classificatórios e a alguns parâmetros adimensionais utilizados. Nesse
4
capítulo são também colocados e explanados alguns conceitos relacionados à pressão e
pressão de vapor.
• Capítulo 3: capítulo destinado ao desenvolvimento da bancada de teste e da
metodologia empregada nos ensaios; nele é apresentada a estruturação da bancada, os
equipamentos utilizados e o tratamento dos dados.
• Capítulo 4: capítulo dedicado à apresentação e análise dos resultados obtidos dos
ensaios ao se avaliar o seu funcionamento em condições normais. Foi realizada uma
comparação dos resultados entre as bombas para se avaliar a influência das suas
características construtivas.
• Capítulo 5: nesta parte são descritos os resultados alcançados ao ser avaliar os
desempenhos obtidos pela BVAL ao operarem fora das suas condições normais de
funcionamento. Avaliou-se separadamente a influência da altura do reservatório e da vazão de
água sobre cada bomba e foram comparados os resultados obtidos entre as bombas.
• Capítulo 6: nesse último capítulo são expostas as conclusões do trabalho, buscando
salientar as contribuições do mesmo em relação ao assunto abordado. Também são propostas
sugestões para trabalhos posteriores.
5
2. Fundamentação Teórica
2.1. Vácuo
Uma definição comumente utilizada é a de que o vácuo pode ser definido como a total
ausência de matéria de um determinado volume, ou seja, o seu completo esvaziamento.
Porém, formalmente o termo vácuo é definido pela norma número 28400 (Parte 1, Julho
1979) do Instituto Alemão de Normalização (Deutsches Institut für Normung - DIN)
conforme: “Vácuo é o estado de um gás, no qual a densidade de suas partículas é menor do
que a da atmosfera na superfície da terra. Como dentro de certos limites, a densidade das
partículas depende do lugar e tempo, um limite superior de vácuo não pode ser determinado”.
Conforme Bannwarth (2005, p. 1) na prática, o estado de um gás pode ser definido
principalmente como vácuo em casos nos quais, a pressão do gás é menor que a pressão
atmosférica (menor que a pressão do ar no respectivo local).
A obtenção de vácuo perfeito é impossível, contudo, é possível se obter certo nível de
vácuo, sendo este nível definido como uma pressão em um determinado sistema abaixo da
pressão barométrica. Contudo, para conveniência, ao se trabalhar com vácuo, utiliza-se o
termo pressão absoluta na engenharia do vácuo. Outro termo conveniente de se trabalhar é a
pressão manométrica.
Desta forma, também com o intuito de se facilitar o trabalho com o vácuo, o mesmo
pode ser classificado em faixas. Essas faixas são definidas de acordo com a densidade das
partículas do gás, ou pela pressão do gás contido em um recipiente (Bannwarth, 2005:9). Os
limites inferiores aproximados dessas faixas estão listados na Tabela 2.1, como valores de
pressão absoluta para diferentes unidades.
Tabela 2.1 – Divisão das faixas de vácuo de acordo com a norma DIN 28400 - Parte 1 (Julho 1979).
Unidade Vácuo Primário Vácuo Médio Alto Vácuo Ultra Alto Vácuo
Pascal [Pa] 1x1015 à 1x102 1x102 à 1x10-1 1x10-1 à 1x10-5 < 1x10-5
Milibar [mbar] 1x103 à 1 1 à 1x10-3 1x10-3 à 1x10-7 < 1x10-7
6
2.2. Tipos de escoamentos e parâmetros adimensionais
No campo do vácuo, o tipo de escoamento que o gás sofre desempenha um importante
papel e depende do respectivo tipo de vácuo existente (Bannwarth, 2005 p. 8). De tal modo, o
conhecimento exato do regime de escoamento vivente é de fundamental importância para o
projeto de plantas de vácuo e para a determinação da tubulação a ser utilizada em sua
construção. Portanto, em decorrência dessa necessidade de se saber o regime de escoamento
existente e para facilitar o seu estudo são utilizadas diversas classificações para o mesmo.
Desta forma, o escoamento de gases pode ser classificado em diversas maneiras, sendo
que, em uma dessas se utiliza a velocidade do mesmo para classificá-lo. Nessa classificação o
escoamento é subdividido em escoamentos de velocidades muito baixas, escoamentos com
velocidades próximas a do som e escoamentos com velocidades supersônicas (Bannwarth,
2005 p. 23). Porém, para se realizar essa divisão em relação às velocidades dos escoamentos
se faz necessário o uso de um fator adimensional chamado de número de Mach (M) que será
descrito no trabalho.
É importante lembrar ainda algumas classificações que são usadas no trato com
fluidos, tais como, entre escoamentos laminar e turbulento, compressível e incompressível,
interno e externo.
A primeira classificação citada leva em consideração a diferença entre os regimes
laminares e turbulentos de escoamento. Desta forma, conforme Fox et al. (2006, p. 34) um
escoamento é classificado como laminar quando as suas partículas fluidas deslocam-se em
camadas lisas, ou lâminas, seguindo um único sentido. Por outro lado, quando as partículas
fluidas rapidamente se misturam, no decorrer do movimento ao longo do escoamento, devido
às flutuações aleatórias no campo tridimensional de velocidades, é então classificado como
turbulento.
Como essa visualização da movimentação das partículas do fluido é inviável de ser
realizada, utiliza-se um parâmetro adimensional chamado número de Reynolds (Re) para se
diferenciar escoamento laminares de turbulentos. O número de Reynolds será mais bem
detalhado no decorrer do trabalho.
A classificação entre escoamento interno e externo é efetuada da seguinte forma
segundo Fox et al. (2006, p. 36): Os escoamentos internos, ou em dutos são escoamentos
completamente envoltos por superfícies sólidas, já os escoamentos externos são aqueles que
ocorrem sobre corpos imersos num fluido não confinado. De forma geral, tanto o escoamentos
7
internos como o externos podem ser laminares ou turbulentos, compressíveis ou
incompressíveis.
Outro fator relevante ao se estudar os escoamentos segundo Bannwarth (2005, p. 23),
é que em qualquer escoamento, independentemente do tipo de fluido, existem forças ativas
que aceleram ou retardam o mesmo. Entre essas forças existe uma distinção entre as forças de
pressão e de atrito, sendo que as forças gravitacionais geralmente podem ser desconsideradas
em escoamentos de gases pelo fato de as mesmas não apresentarem variações consideráveis.
Há também os escoamentos, nos quais as forças de atrito são pequenas ou realmente não
existem, os quais são chamados de escoamentos invíscidos e são apenas uma idealização
teórica.
2.2.1. Número de Mach
O número de Mach é um fator adimensional que relaciona a velocidade local do som
no meio (c) com a velocidade do escoamento (v) através da Equação (2.1). O valor desse
grupo adimensional indica se o escoamento se processa em velocidades tão elevadas que os
efeitos da compressibilidade do fluido devem ser levados em conta.
v
Mc
= (2.1)
Uma importante ressalva a ser realizada é que, no caso de escoamentos de baixa
velocidade, a temperatura do gás pode ser considerada constante se esta não for afetada por
influências externas. Em contrapartida, para os escoamentos com velocidades próximas e
acima da velocidade do som, as leis da dinâmica dos gases são aplicáveis (Bannwarth 2005, p.
23).
Ao se classificar o tipo de escoamento que um fluido sofre em relação a sua
compressibilidade, os escoamentos são divididos entre incompressíveis, nos quais se
desconsideram as variações na massa específica do fluido, e compressíveis, que são aqueles
em que as variações de massa específica não são desprezíveis. Um cuidado importante que
deve ser feito ao se avaliar a compressibilidade de um fluido é a observação de dois fatores
que determinam a sua condição de estado. Esses fatores, os quais devem ser levados em
consideração, são a pressão e a temperatura do fluido (Fox et al., 2006 p. 35).
Para o escoamento de gases, de acordo com Fox et al. (2006, p. 36) estes podem ser
tratados como incompressíveis se apresentarem um valor de número de Mach menor que 0,3,
devido ao fato que para M < 0,3 a variação máxima da massa especifica de um gás é inferior a
8
5% (cinco por cento). Por exemplo, um valor de M = 0,3 para o ar nas condições padrão de
temperatura e pressão, corresponde a uma velocidade de aproximadamente 100 m.s-1 para o
escoamento. Assim, quando um carro se desloca na velocidade máxima permitida em uma
rodovia (110 km/h), o ar escoando em torno dele apresenta pequena variação na sua massa
especifica, embora isto possa parecer um pouco contraditório a nossa intuição.
Ao se tratar dos líquidos, sob pressões moderadas, estes podem ser considerados
incompressíveis. Entretanto, os efeitos de compressibilidade nos líquidos podem ser
importantes para pressões elevadas. Outra ressalva é que, para a maioria dos líquidos a sua
massa específica é pouco influenciada pela temperatura (Fox et al., 2006 p. 35). Uma
consequência particularmente importante nos escoamentos dos líquidos, devido aos efeitos da
compressibilidade, é a cavitação, a qual será tratada posteriormente.
Os escoamentos compressíveis apresentam uma subclassificação, esta é feita entre
escoamentos subsônicos e supersônicos. Os escoamentos subsônicos são aqueles em que a sua
velocidade é menor que a do som (M < 1) e nos supersônicos maior que a do som (M > 1).
Contudo, pelas condições da realização deste trabalho não se faz necessário um maior
aprofundamento nesse estudo.
2.2.2. Número de Knudsen
No campo do vácuo, como visto anteriormente, o tipo de escoamento existente
depende do respectivo regime de vácuo prevalecente. Sendo assim, de acordo com a lei de
Hagen-Poiseuille, escoamento laminar existe em vácuo primário. Por outro lado, na faixa de
alto vácuo, o atrito interno já não é mais decisivo, gerando então condições para que as
colisões entre as moléculas do gás e a parede do tubo ocorram mais frequentemente do que as
colisões entre as próprias moléculas. Esse tipo de escoamento é chamado de escoamento
molecular de Knudsen, no qual a velocidade média molecular e o caminho médio das
partículas das moléculas do gás determinam o tipo de processo de fluxo (Bannwarth, 2005 p.
8).
Ainda, de acordo com Bannwarth (2005, p. 8), entre os regimes de vácuo primário e
alto vácuo existe um intervalo, e essa faixa entre os dois regimes de vácuo é chamada de
vácuo médio. A faixa de vácuo médio é, para o campo do vácuo, uma zona de transição entre
os escoamentos de Hagen-Poisseuille e Knudsen. A faixa de vácuo acima do alto vácuo é
chamada de ultra alto vácuo.
Desta forma, para classificar esses diferentes tipos de escoamentos que se encontram
no campo do vácuo se utiliza um parâmetro adimensional que é o número de Knudsen (Kn).
9
Ele é definido como a razão entre o comprimento do caminho livre médio molecular (λ) em
metros e uma escala de comprimento fisicamente representativa (D) também em metros, no
caso do trabalho, o diâmetro da tubulação utilizada.
nK
D
λ= (2.2)
O caminho livre médio molecular é definido como a distância, ou espaço, entre duas
colisões sucessivas das moléculas de um gás. Lembrando que, num gás, suas moléculas estão
em constante movimento, chocando-se frequentemente umas com as outras. Para um gás
ideal, o caminho livre médio pode ser prontamente calculado pela seguinte equação:
22b
k T
Pλ
πσ= (2.3)
onde:
Kb = constante de Boltzmann = 1,380658x10-23 J.K-1
T = temperatura do gás em K
σ = diâmetro da partícula em metros m
P = pressão total em Pa
Para a dinâmica das partículas na atmosfera, e assumindo as Condições Normais de
Temperatura e Pressão (CNTP), isto é: 25 °C, 1 atm, nós temos λ = 8×10−8 m. Assim, pelo
número de Knudsen, os diferentes tipos de escoamento podem ser subdivididos de acordo
com a Tabela 2.2.
Tabela 2.2 – Classificação do tipo de escoamento no vácuo pelo número de Knudsen (Bannwarth, 2005, p. 8).
Escoamento de Hagen-Poiseuille Zona de Transição
Escoamento Molecular de Knudsen
Kn < 0,5 0,5 < Kn < 3,0 Kn > 3,0
Portanto, independente do tipo de escoamento ocorrendo nas tubulações, a razão entre
o caminho livre médio e o diâmetro é decisiva, tendo em vista que, a razão aumenta com a
diminuição da pressão.
2.2.3. Número de Reynolds
O número de Reynolds (Re) é um número adimensional usado na mecânica dos fluidos
como parâmetro no estudo dos escoamentos. Seu uso é para o cálculo do regime de
escoamento de um determinado fluido sobre uma superfície. O seu significado físico é uma
10
razão entre as forças de inércia e as forças viscosas de um determinado fluido sobre certas
condições de temperatura e pressão. Ele é definido conforme a equação abaixo:
vD
Reρ
µ= (2.3)
onde:
ρ = massa específica do fluido em kg.m-3
µ = viscosidade dinâmica do fluido em N.s.m-2
ν = velocidade do escoamento em m.s-1
D = diâmetro da tubulação em m
A importância fundamental do número de Reynolds é a possibilidade de se avaliar a
estabilidade do escoamento, podendo assim se obter uma indicação se o escoamento flui de
forma laminar ou turbulenta. Escoamentos nos quais o número de Reynolds apresenta valores
grandes (Re>4000) são em geral turbulentos. São considerados escoamentos laminares
aqueles em que o número de Reynolds é pequeno (Re ≤ 2300). Quando o número de Reynolds
se situa entre esses dois valores é dito então que o escoamento está em transição.
2.3. As relações entre as pressões e suas unidades
A Figura 2.1 demonstra graficamente as relações entre as pressões manométrica e
absoluta. Como dito anteriormente, vácuo perfeito não pode existir na superfície da terra, mas,
no entanto, isto cria um conveniente ponto de referência para a medição da pressão (Fox et
al., 2006 p. 50)
11
Figura 2.1 – Relação entre pressão manométrica e absoluta (Heat Exchange Institute-HEI).
Observando a figura, pode-se notar que a pressão barométrica é o nível da pressão
atmosférica acima do vácuo perfeito. Outras observações que podem ser realizadas é que, a
pressão manométrica é medida acima da pressão barométrica, enquanto a pressão absoluta
sempre se refere ao vácuo perfeito como ponto de referência. A pressão absoluta é
comumente utilizada ao se tratar das condições do vácuo, e a mesma é geralmente expressa
em polegadas de mercúrio [in Hg], milímetros de mercúrio [mm Hg] ou microns de mercúrio
[µm Hg].
No sistema internacional de unidades (SI), a unidade para pressões é o Pascal [Pa] ou
Newton por metro quadrado [N.m-2], e neste trabalho estas serão as unidades utilizadas.
Porém, na tecnologia do vácuo, outra unidade que é utilizada na prática e é aproximadamente
equivalente a 1 mm de Hg é o Torr (Torricelli).
A pressão atmosférica padrão por definição se refere à pressão exata de
101.325 Pa, ou a pressão correspondente a 0,760 metros de mercúrio (760 mm de Hg) de
densidade igual a 13,5951 g.cm-3 e numa aceleração da gravidade de 9,80665 m.s
-2.
2.4. Medidores de pressão
12
Segundo o Instituto de Transferência de Calor, dependendo da sua aplicação, é
possível medir vácuo por uma variedade de instrumentos. Uma lista representativa é mostrada
abaixo:
• Manômetro de mercúrio: Utiliza mercúrio dentro de um tubo de vidro com formato em
U. Uma abertura em um lado do manômetro irá medir a pressão em relação à pressão
barométrica local. Por outro lado, se um lado do manômetro estiver fechado, medir-se-á então
a pressão absoluta.
• Manômetro de Bourdon: Mede vácuo (em relação à pressão barométrica local) por
meio de um sensor de tubo flexível.
• Manômetro de diafragma: Utiliza um diafragma que se flexiona quando sob pressão.
• Manômetro eletrônico: Converte pressão em um sinal elétrico que pode ser
transmitido, gravado ou mostrado.
A leitura dos erros depende do tipo de manômetro utilizado e a ordem crescente de
precisão é: medidores mecânicos (os quais utilizam a ação das forças de pressão para a
exibição de pressão), manômetros e medidores eletrônicos. Na Figura 2.2 estão demonstradas,
através de um diagrama, as faixas de medições de diversos dispositivos para medição de
vácuo.
Como será observado no decorrer do trabalho, as bombas de vácuo de anel líquido
trabalham na faixa de vácuo primário, e desta forma, a faixa de medição de pressão necessária
para o estudo das bombas está dentro das capacidades de medição do manômetro de mercúrio.
13
Figura 2.2 – Faixas de medição para dispositivos medidores de vácuo conforme a norma DIN 28400 - Parte 2 (Outubro 1980).
2.5. Pressão de vapor
A pressão de vapor é a pressão exercida pelo vapor de um determinado líquido quando
a quantidade deste que evapora é a mesma que se condensa, ou seja, o vapor exerce pressão
sobre o líquido que o gerou de forma a se encontrarem em equilíbrio dinâmico. De uma
maneira geral, a pressão de vapor é uma medida da tendência de líquido para evaporar.
Assim, quanto maior for à pressão de vapor para um determinado líquido maior será a sua
volatilidade e menor será a sua temperatura de ebulição, isto em comparação com outros
líquidos com menores pressões de vapor para uma mesma temperatura de referência.
14
A temperatura de um líquido está profundamente ligada à pressão de vapor do mesmo,
sendo que a temperatura é a maior responsável por alterar essa propriedade física (Çengel e
Boles, 2006, p. 94). Assim, para qualquer que seja a temperatura, a tendência é para o líquido
se vaporizar até que atinja o equilíbrio termodinâmico com o vapor. Esse equilíbrio, em
termos cinéticos, ocorre quando a taxa de líquido vaporizado é igual à taxa de vapor
condensado.
Para uma substância líquida a sua ebulição acontece quando a sua pressão de vapor e a
pressão do sistema ao qual faz parte se igualam. Essa condição de igualdade recebe o nome de
ponto de ebulição e ele é definido como a temperatura de ebulição do líquido à pressão de
uma atmosfera. Considerando um sistema aberto, a temperatura de ebulição de uma
substância líquida diminui em locais com maior altitude, onde a pressão atmosférica é menor,
isto ocorre devido ao fato de que a pressão de vapor do líquido precisa se igualar a um valor
menor de pressão atmosférica.
2.5.1. Pressão de vapor da água no vácuo
Sendo a água considerada o material fundamental com que os engenheiros de processo
e técnicos têm que lidar todos os dias, torna-se assim, para a engenharia do vácuo sob um
processo com transferência de massa térmica em vigor, mais clara e prática a divisão das
faixas de operação de vácuo conforme os pontos termométricos fixos da água (Bannwarth,
2005, p. 9). Essa divisão das faixas de operação pode ser observada na Figura 2.3.
15
Figura 2.3 – Curva da pressão de vapor da água em diferentes faixas de vácuo (Bannwarth, 2005, p. 10).
Conforme essa divisão, o intervalo de ebulição da água pura para valores de
temperatura se situa entre 0 °C e 100 °C correspondendo, desta maneira, a valores de pressão
entre 6,11 mbar a 1013 mbar. Esse intervalo de pressões é equivalente à faixa de vácuo
normal ou vácuo primário, nas quais o processo de ebulição acontece sempre como
vaporização pura, ou seja, sem a presença de sublimação. Os processos com pressões mais
baixas do que 6,11 mbar, envolvendo a água, a vaporização ocorre por meio da sublimação da
fase sólida (gelo) com uma temperatura abaixo de 0 °C. Esses processos devem então ser
atribuídos às faixas de alto e ultra alto vácuo (Bannwarth, 2005:9).
Na Tabela 2.3, as faixas de operação e medição do vácuo divididas em milibar e Torr
são comparadas com os pontos de ebulição específicos da água pura, do mercúrio, do metanol
e do álcool etílico em °C. A partir desta tabela também é perceptível à diferença entre as
pressões de vapor de cada um dos fluidos e que a relação entre a temperatura de ebulição e a
pressão apresenta uma derivada negativa.
16
Tabela 2.3 – Faixas de operação e medição de vácuo, adaptado de Bannwarth (2005, p. 11).
2.5.2. Cavitação
A cavitação é um fenômeno que se origina em quedas repentinas de pressão dentro de
um escoamento, geralmente observada em sistemas hidráulicos. Ela ocorre quando bolhas de
vapor se formam dentro do escoamento de um líquido como consequência de reduções locais
na pressão, como, por exemplo, nas palhetas do rotor de uma bomba. De acordo com Fox et
al. (2006, p. 35 - 36) nesses pontos, a pressão no local de início da cavitação pode ser igual ou
menor que a pressão de vapor do líquido para a temperatura de trabalho, sendo que, quando a
pressão em um líquido é reduzida abaixo da pressão de vapor, o líquido pode passar
abruptamente para a fase vapor, num fenômeno que lembra o espocar do flash de uma
máquina fotográfica.
mbar [103 N/m2] Torr [mm Hg] Água Hg Etanol Metanol1013 760 100 357 78,3 64,71000 750 99,6 356,2 78 64,2800 600 93,5 344 71 56,5600 450 85,5 329 61,5 48400 300 75 309 54 40,5200 150 60,1 278 45 32100 75 45,7 251 29,5 16,580 60 41 242 24 1160 45 36,4 232 17 5,550 37,5 32,5 225 14 340 30 29 218 11,5 030 22,5 24 208 8 -3,5
20 15 17,2 196 3,5 -815 12 14 190 -1 -11,512 9 9,7 181 -4 -15,510 7,5 7 176 -9 -19,68 6 3,8 170 -12,5 -24
6 4,5 -0,2 162 -17 -20,54 3 -5 152 -21,5 -322 1,5 -13 135,5 -28 -381 0,75 -20,3 119 -38,5 -47,5
1000 750800 600 -22,7 115,5 -42 -50,5600 450 -25,4 110 -45,5 -53400 300 -29,3 102 -48,5 -56,5200 150 -36 89 -53 -61100 75 -42 77,5 -60 -67,580 60 -43,7 73,5 -63 -7040 30 -50 63 -68 -74,510 7,5 -60,5 42,5 -75 -838 6 -62 39,8 -77 -854 3 -67 31 -81 -88,5
1000 750 -76,3 14,4 -87 -94800 600 -77,8 12 -88,5 -95400 300 -82 5 -91,5 -98100 75 -90 -9 -94 -10080 60 -91,5 -1140 30 -96 -1710 7,5 -101,5 -298 6 -103 -314 3 -106 -361 0,75 -112 -42
1000 750800 600 -113400 300 -116
80 60 -12240 30 -124,510 7,5 -129,58 6 -1304 3 -132,51 0,75 -137 -100
1000 750800 600 -137,5400 300 -139,5100 75 -143,5
Temperatura de Ebulição [°C]Faixas de Medição
Pico
bar
Mili
bar
Mic
roba
rN
anob
ar
Tor
rM
ilito
rrM
icro
torr
Nan
otor
rPi
coto
rr
Eva
pora
ção
Sub
limaç
ão
-6
Vác
uo G
ross
eiro
Vác
uo
Inte
rmed
iário
6,11 4,58 0 162,5 -15,6
1 0,75
Vácuo Médio
100 75 -121,5
Alto Vácuo
Ultra Alto Vácuo
-25
Vácuo Primário
23,4 17,53 20 201 5
17
Estas bolhas de vapor que se formaram no escoamento devido à baixa pressão, podem
vir a serem carregadas e até chegarem a uma região em que a pressão cresça novamente a um
valor superior à pressão de vapor. Nesse ponto, conforme Fox et al. (2006, p. 35), irão ocorrer
o crescimento e o colapso, ou implosão, das bolhas de vapor. Se esta etapa ocorrer próxima às
superfícies sólidas poderá causar sérios danos por erosão às superfícies do material.
18
3. Desenvolvimento da bancada de testes e dos
ensaios realizados
O desenvolvimento da bancada utilizada na realização dos experimentos (Figura 3.1)
demonstrou-se como um pequeno desafio pelo fato de que, foram testadas três bombas
diferentes. Desta forma, foi necessária, principalmente nas tubulações de água e ar, a
existência de certa mobilidade entre os equipamentos utilizados nas medições.
Figura 3.1 – Bancada de teste para bombas de vácuo, com o bocal e tanque de ar no primeiro plano. Micromanômetro e medidor de vazão de água à esquerda, manômetro de mercúrio à direita e termômetros no plano de fundo.
3.1. Montagem da bancada de testes
Cada bomba com o seu respectivo motor elétrico foi instalada na bancada conforme o
esquema mostrado na Figura 3.3 e fisicamente na Figura 3.1. A construção da bancada e a
disposição dos instrumentos de medição utilizados foram realizadas com o objetivo de
19
facilitar a aquisição dos dados, de forma que, apenas uma pessoa fosse capaz de realizar a
aquisição dos dados de forma rápida e eficiente.
Um fator importante para a realização dos testes foi a construção de um bocal de
sucção do ar ambiente para a tubulação e consequentemente para a bomba em teste (Figura
3.2). Esse bocal foi acoplado a um reservatório de ar que tinha como função reduzir as
interferências e variações externas sobre o escoamento. Sua utilização foi importante para que
se pudesse realizar a medição da vazão de ar succionada pela BVAL.
O bocal foi construído em fibra de vidro, conforme modelo da Sociedade Americana
de Engenheiros Mecânicos (American Society of Mechanical Engineers – ASME, 1971). Para
este modelo de bocal também é fornecida pela própria ASME a Equação (3.1), a qual é
pertinente para a correção da vazão de ar que passa através do bocal.
Figura 3.2 – Bocal construído conforme a modelo ASME (1971).
610
0,9975 0,00653Re
C = − × (3.1)
A dimensionalização apropriada do reservatório de água foi a segunda etapa realizada
no desenvolvimento da bancada de testes. Este fator apresentou influência sobre a realização
dos ensaios em razão de que a água era utilizada em um circuito fechado como está
demonstrado na Figura 3.3 pelas setas que ilustram o sentido de movimentação da água.
20
A influência da água ocorreu devido ao aumento da temperatura que a mesma sofria
após a sua passagem pela bomba. Assim, o primeiro reservatório utilizado apresentou-se
ineficaz para a realização dos testes em razão da sua capacidade volumétrica de apenas 120 l.
Deste modo, por questões de logística e para minimizar a influência do aumento da
temperatura da água foram utilizados dois reservatórios diferentes. Para os testes executados
ao nível do solo, o reservatório utilizado apresentava uma capacidade de 1.000 l (Figura 3.4) e
para os testes executados com o objetivo de se estudar as variações causadas pela alteração da
altura do reservatório de água o mesmo apresentava uma capacidade de 250 l (Figura 3.5).
Figura 3.3 – Bancada esquemática para ensaio das BVAL.
21
Figura 3.4 – Reservatório de água para testes ao nível do solo.
Figura 3.5 – Reservatório de água para testes com variação de altura.
A linha de tubulações de entrada de água para o teste com o reservatório no nível do
solo e com o reservatório com variações de altura foi montada utilizando basicamente os
mesmos componentes. Os elementos usados em comum foram, principalmente, canos de
policloreto de polivinila (PVC) com 32 mm de diâmetro e um registro de esfera para controlar
a vazão consumida, a qual foi medida com o uso de um medidor ultrassônico, e um registro de
gaveta que foi usado para evitar vazamentos quando da alternância entre as bombas a serem
avaliadas.
O medidor de vazão ultrassônico em questão, apresentado na Figura 3.6, é um modelo
Eesiflo 6000 série Flowmeter. Na linha de água de alimentação da bomba, comum para os
dois reservatórios, também foi utilizada uma mangueira de 20 mm de diâmetro com a qual se
obteve uma grande flexibilidade da linha facilitando assim as movimentações e as alterações
22
das bombas necessárias. Nas tubulações de água, outros variados componentes também foram
utilizados, entretanto sem apresentarem relevância para o trabalho.
Figura 3.6 – Medidor de vazão ultrassônico Eesiflo 6000.
Na linha de alimentação de água, também foram medidas as pressões manométricas
para conhecimento e registro dos valores uma vez que, os comprimentos e diâmetros usados
poderiam afetar os resultados. As perdas de carga causadas pelos componentes da linha de
alimentação também foram calculadas para verificar se as suas influências poderiam causar
interferências nos resultados.
Para a tubulação de saída das bombas também foram utilizados canos de PVC, porém
esses com o maior diâmetro possível (60 mm no tubo e 75 mm nos joelhos) para não causar
nenhuma obstrução ao escoamento.
Também foi realizada para a linha de água a medição das temperaturas de entrada
(apenas água) e saída (água misturada com o ar aspirado pela bomba) das tubulações. Para
tanto, utilizaram-se dois termopares do tipo K e dois termômetros OMEGA, um modelo
HH21 e um modelo HH82A, conforme está demonstrado na Figura 3.7.
O termopar de medição da temperatura de entrada da água na linha foi disposto o mais
próximo possível ao início da tubulação no fundo do reservatório. Já o termopar de medição
da temperatura de saída da água misturada com o ar da linha foi colocado alguns centímetros
para dentro do cano, conforme esquema demonstrado na Figura 3.8, para, desta forma, obter-
se uma medição mais exata da temperatura da mistura pelo fato de que esta era expelida em
forma de jato pela bomba.
23
Figura 3.7 – Termômetro OMEGA, HH21 e HH82A.
Figura 3.8 – Esquema do posicionamento do termopar para medição das temperaturas de saída da água após sua passagem pela bomba e de entrada na mesma.
Para a montagem da tubulação de sucção do ar ambiente também foram utilizados
canos de PVC com diâmetro de 32 milímetros. Nessa linha, também se utilizou um registro de
esfera, para assim se obter certo controle sobre o nível de vácuo gerado.
A medição do nível de vácuo gerado foi feita com o uso de um manômetro de
mercúrio (Figura 3.9), o qual foi conectado a tubulação de ar no espaço entre o registro de
controle e a bomba. Um reservatório de ar (Figura 3.10) também foi utilizado em conjunto
com o manômetro de mercúrio com a função de realizar um amortecimento das vibrações nas
colunas de mercúrio. Essas vibrações dificultavam a efetuação de uma leitura exata dos
valores de vácuo gerados e eram causadas pela descompressão da câmara de vácuo e
vibrações da bomba.
24
Figura 3.9 – Manômetro de mercúrio para medição do nível de vácuo gerado pelas BVAL.
Figura 3.10 – Reservatório de ar para amortecimento das vibrações nas colunas de mercúrio.
A vazão de ar succionada pelas BVAL foi medida com o uso do bocal descrito
anteriormente montado na entrada do reservatório de ar da linha de ar (Figura 3.11). Pode-se
também notar na Figura 3.11 que o reservatório apresenta pontos de tomada de pressão
instalados em sua parede. Essas tomadas de pressão estão conectadas entre si e a um
micromanômetro de coluna de álcool (Figura 3.11), donde se obtiveram valores de pressão
estática e, consequentemente após as corretas conversões e o uso da Equação 3.2, a
velocidade do ar através do bocal. Assim, para se encontrar o valor da vazão de ar bastou
conhecer a área do bocal e multiplicá-la pelos valores de velocidade obtidos.
25
Figura 3.11 – Micromanômetro de álcool e bocal com tomadas de pressão nas paredes do reservatório de admissão de ar.
2 est
ar
Pv
I ρ= (3.2)
onde:
v = velocidade do escoamento através do bocal em m.s-1
Pest = é a pressão estática na parede do bocal de sucção em Pa
I = é a inclinação do manômetro de álcool em escala
ρar = massa específica do ar atmosférico em kg.m-3
Outro parâmetro que se teve interesse em monitorar foi o consumo de potência elétrica
no motor de acionamento durante os ensaios. Esse fator se mostrou importante tanto para a
segurança do equipamento como para a do operador por razão de que em algumas condições
de teste o motor operava consideravelmente acima da sua potência nominal. Assim, foi
conectado aos fios de alimentação do motor um medidor Yokogawa modelo CW 120,
conforme demonstrado na Figura 3.12. Com esse dispositivo foi possível monitorar variados
parâmetros referentes ao funcionamento do motor elétrico como potência, tensão elétrica,
frequência e amperagem.
26
Figura 3.12 – Medidor Yokogawa CW120 com detalhe na sua conexão com o motor elétrico.
3.2. Aquisição e tratamento dos dados
A aquisição dos dados foi efetuada semelhantemente para todos os ensaios realizados,
sendo que, para tanto se utilizou uma tabela para a coleta de todos os parâmetros necessários
para a avaliação dos ensaios através do uso dos equipamentos apresentados anteriormente. É
importante lembrar que, todos os ensaios foram realizados sem interrupções com o objetivo
de se minimizarem as influências nos resultados que poderiam ser causadas pelas alterações
nas condições atmosféricas. Também se tentou realizar os ensaios para uma mesma bomba
sob condições atmosféricas similares, para que este fator não interferisse significativamente
na comparação entre os resultados obtidos (Tabela 3.1).
Tabela 3.1 – Condições atmosféricas na realização dos ensaios.
A execução de um ensaio iniciava-se pela coleta dos dados referentes à temperatura
ambiente [°C] por meio de um termômetro de mercúrio, da pressão atmosférica [Pa] através
de um barômetro de mercúrio e da inclinação utilizada no micromanômetro de coluna de
álcool, a qual era possível selecionar para escalas de 1:2, 1:5, 1:10 e 1:25. A inclinação do
T. amb. [°C] P. atm. [Pa ] T. amb. [°C] P. atm. [Pa ] T. amb. [°C] P. atm. [Pa ]
Ensaio 1 21,7 102112 18,1 102925 - -
Ensaio 2 21 102045 17,9 102925 - -
Ensaio 3 21 101898 - - - -
Ensaio 4 - - 19 101218 20 102672
Ensaio 5 - - 10 102232 19,5 102885
Ensaio 6 - - - - 17 103072
Bomba 1 Bomba 2 Bomba 3
27
micromanômetro utilizada para cada bomba foi diferente devido a sua sensibilidade para as
distintas velocidades do ar medidas no bocal.
O próximo passo na realização dos ensaios era ligar a bomba e abrir completamente os
registros de controle de vazão da água e do ar e nesta sequência, para que a bomba não
enchesse de água e esta viesse a vazar pelo bocal de entrada de ar. Para os ensaios realizados
sem o objetivo de se avaliar a influência da vazão de água, o registro de controle da vazão de
água era sempre mantido aberto e o registro de controle de vazão do ar era fechado, de forma
a se obter reduções constantes da pressão no bocal de sucção.
Desta forma, para cada posição do registro de controle de vazão do ar foram medidos e
anotados os seguintes parâmetros: a pressão no bocal de sucção de ar [Pa], o nível das colunas
[mm], tanto da direita como da esquerda, no manômetro de mercúrio para medir a pressão de
sucção, a vazão de água consumida pela bomba [l.min-1], a potência elétrica consumida pelo
motor [kW], as temperaturas de entrada e saída [°C] da BVAL (conforme a Figura 3.8) e as
alturas das colunas [mm] no manômetro de água para medir a pressão da água na entrada da
bomba.
Assim, após a aquisição dos dados de cada ensaio, estes foram inseridos em uma
planilha de cálculo para o seu tratamento. Os dados da pressão no bocal de sucção de ar
obtidos nos ensaios foram aplicados na Equação 3.2 para a obtenção dos seus respectivos
valores de velocidade do ar. Em seguida, obteve-se o valor da vazão de ar atmosférico [m3.h
-1]
ao se multiplicar a velocidade do ar no bocal pela área do mesmo (0,00264 m2) e se realizar a
devida conversão de unidades. Desta forma, com o manômetro de álcool instalado na bancada
se obteve a vazão de ar atmosférico, isto em razão de que, a medição ocorre antes do registro
de estrangulamento existente na tubulação. Porém, correções em função da pressão de sucção
foram adotadas para se obter a vazão de ar expandido, a qual ocorre de fato na entrada da
bomba.
Com os valores da velocidade do ar no bocal obtidos, também foi calculado o número
de Reynolds (Equação 2.3) para cada ponto medido. Para tanto, o diâmetro do bocal (0,058 m)
foi utilizado como dimensão característica e a viscosidade cinemática do ar foi considerada
para uma temperatura de 20 °C (1,50x10-5 m2.s
-1). O número de Reynolds foi então utilizado
para calcular o fator de correção para a vazão de ar atmosférico no bocal de acordo com a
Equação 3.1, o qual foi multiplicado pela vazão de ar encontrada anteriormente para se obter a
vazão de ar atmosférico corrigida (Qcorrigida) [m3.h
-1].
Os dados obtidos em mm Hg relativos à pressão de sucção manométrica de ar foram
tratados de forma a se obter a pressão de sucção absoluta para cada ponto em Pascal [Pa]. A
28
pressão de sucção absoluta foi encontrada ao se realizar a diferença entre o valor da pressão
atmosférica local e a pressão de sucção manométrica encontrada para cada ponto em mca.
A pressão de sucção absoluta também teve a sua escala convertida para milibar [mbar]
para facilitar a classificação do tipo de regime de vácuo existente de acordo com as tabelas e
figuras apresentadas no capítulo anterior.
A vazão de ar expandido, ou seja, a qual é encontrada na entrada da bomba após o
registro de controle de vazão do ar foi obtida em sequência e para o seu cálculo, utilizou-se a
seguinte equação:
expcorrigida atm
abs
Q PQ
P= (3.3)
onde:
Qexp é a vazão de ar expandido em m3.h
-1
Qcorrigida é a vazão de ar atmosférico corrigida em m3.h
-1
Patm é a pressão atmosférica local em Pa
Pabs é a pressão de sucção absoluta em Pa
Os valores obtidos de vazão de água e de potência elétrica consumida pelas bombas
nos ensaios foram convertidos para unidades utilizadas na prática, para assim facilitar a leitura
de futuros gráficos. A medição da pressão de sucção da água também sofreu uma
transformação de unidades de mm de coluna de água para Pascal.
Os parâmetros adimensionais utilizados para a avaliação do tipo de escoamento de ar
existente dentro da tubulação, durante a realização dos experimentos, também foram
calculados nessa etapa do trabalho, sendo estes o número de Mach e o número de Knudsen
citados no capítulo 2.
29
4. Resultados
A avaliação dos resultados obtidos foi realizada individualmente para cada modelo de
bomba de vácuo de anel líquido estudada levando em consideração neste capítulo apenas os
ensaios realizados com o reservatório de água localizado ao nível do solo. As bombas foram
classificadas através das suas características construtivas, desta forma, obtendo-se três
modelos distintos.
Com os dados obtidos a partir dos ensaios foram realizados vários gráficos com curvas
para cada BVAL. Tais curvas estão listadas, conforme segue:
• Curvas de vazão de ar atmosférico x pressão de sucção;
• Curvas de vazão de ar expandido x pressão de sucção;
• Curvas de consumo de água x pressão de sucção;
• Curvas de consumo de potência elétrica x pressão de sucção.
Para todas as curvas geradas foram ajustados polinômios, desta forma, criando-se
oportunidades para o uso destas curvas específicas, nas quais os pontos experimentais bem
como as dispersões entre estes são omitidos da figura, em catálogos de produtos. Curvas de
pressão de sucção da água, medidas anteriormente a entrada na bomba, em função da pressão
de sucção, também foram traçadas para cada BVAL, contudo não serão apresentadas no
presente trabalho devido ao seu interesse secundário.
4.1. Resultados da Bomba 1
A primeira bomba avaliada se caracterizava construtivamente por apresentar apenas
um rotor, sendo que, este possui maior largura que os apresentados nos outros modelos
testados, e pelo fato de ser impulsionada por um motor com potência nominal de 7,355 kW.
Outra característica dessa bomba é a posição dos encaixes para a admissão de ar, bem como
para a saída da mistura de ar com água, os quais se encontram paralelos ao plano formado
pela sua base e opostos entre si, como pode ser notado na Figura 4.1. A posição de admissão
de água para as três bombas estudadas são similares, e também se encontram paralelamente ao
plano formado pela base das bombas.
30
Figura 4.1 – Bomba de vácuo de anel líquido denominada Bomba 1.
Os resultados obtidos, após o tratamento dos dados referentes aos testes realizados
com a Bomba 1, para as vazões medidas em função da pressão de sucção são apresentados na
Figura 4.2. A pressão de sucção está em escala absoluta, ou seja, está seria uma pressão
negativa em relação à pressão ambiente. Ainda nesta figura, os polinômios apresentados
foram ajustados as suas respectivas séries de dados experimentais.
Figura 4.2 – Vazões de ar atmosférico e de ar expandido versus pressão de sucção para a Bomba 1.
Na Figura 4.3 são indicadas as vazões de água em função da pressão de sucção da
bomba. Pelo gráfico é possível se observar que o volume de água, em circulação pela bomba,
Admissão de ar
Admissão de água
31
aumenta quase linearmente com o nível de vácuo estabelecido, chegando próximo a 1,2 m3.h
-1
na situação em que o registro de estrangulamento se encontra fechado e, consequentemente, a
vazão de ar se reduz ao mínimo.
Figura 4.3 – Vazão de água em função da pressão de sucção para a Bomba 1.
A Figura 4.4 apresenta a relação entra a potência consumida pelo motor elétrico
utilizado para o acionamento da bomba, ao longo do ensaio, com a pressão de sucção. A
medição da potência da bomba foi realizada na fiação de alimentação da mesma (Figura 4.5),
sendo inclusas, portanto as perdas ocorridas no próprio motor. Na figura, nota-se que, o valor
medido de potência referente à certas pressões de sucção ultrapassa a capacidade nominal do
motor instalado (7,355 kW), desta forma, podendo ocasionar a queima do mesmo.
32
Figura 4.4 – Potência consumida pelo motor elétrico em função da pressão de sucção para a Bomba 1.
4.2. Resultado da Bomba 2
A bomba demonstrada na Figura 4.5 foi denominada de número 2 e se caracterizava
construtivamente por possuir dois rotores com a mesma largura, assim apresentando dois
estágios de bombeamento. Está bomba era impulsionada por um motor elétrico com potência
nominal de 5,516 kW. A posição dos encaixes da bomba para a admissão de ar bem como para
a saída da mistura de ar com água se encontram perpendiculares ao plano formado pela sua
base, em contrapartida a admissão de água se encontra posicionada paralelamente ao plano
mencionado, como pode ser notado na figura abaixo.
33
Figura 4.5 – Bomba de vácuo de anel líquido denominada Bomba 2.
A sequência dos ensaios efetuados foi similar para todas as bombas, bem como a
apresentação dos seus resultados. Assim, na Figura 4.6 têm-se os valores de vazões de ar
atmosférico e ar expandido medidas em função da pressão de sucção, que está em escala
absoluta. Os polinômios citados foram ajustados às suas respectivas séries de dados
experimentais. Na figura, nota-se uma maior dispersão nos pontos obtidos para os maiores
níveis de vácuo, e isso ocorre em razão da dificuldade de medição para pequenas vazões de
ar.
Figura 4.6 – Vazões de ar atmosférico e de ar expandido versus pressão de sucção para a Bomba 2.
Admissão de água
Admissão de ar
Saída da mistura ar + água
34
Os valores das vazões de água em função da pressão de sucção da Bomba 2 são
apresentados na figura abaixo. Similarmente a Bomba 1 os valores de vazão de água em
circulação pela bomba também aumentam de forma aproximadamente linear com o aumento
do nível de vácuo estabelecido. Como se pode observar no gráfico, a vazão de água chega a
valores de 2,4 m3.h
-1 na situação em que o registro de estrangulamento se encontra fechado e
consequentemente, a vazão de ar se reduz ao mínimo.
Figura 4.7 – Vazão de água em função da pressão de sucção para a Bomba 2.
A relação entra a potência consumida pelo motor elétrico utilizado para o acionamento
da bomba, ao longo do ensaio, com a pressão de sucção é apresentada na Figura 4.8. A
medição da potência da bomba foi realizada do mesmo modo que para a Bomba 1, e esta se
manteve abaixo da potência nominal da Bomba 2, como é possível observar na figura, não
apresentando assim perigos para o motor elétrico.
35
Figura 4.8 – Potência consumida pelo motor elétrico em função da pressão de sucção para a Bomba 2.
4.3. Resultado da Bomba 3
A última bomba avaliada no trabalho, denominada Bomba 3, está demonstrada na
Figura 4.9, e se caracterizava construtivamente por possuir dois rotores com larguras distintas
e também apresentar dois estágios de bombeamento. Igualmente a Bomba 2, esta bomba
também é impulsionada por um motor elétrico com potência nominal de 5,516 kW, e as
posições dos seus encaixes são similares.
Figura 4.9 – Bomba de vácuo de anel líquido denominada Bomba 3.
Admissão de água
Admissão de ar
Saída da mistura ar + água
36
Na Figura 4.10 são apresentados os valores de vazões de ar atmosférico e ar
expandido medidas em função da pressão de sucção, que está em escala absoluta, para a
respectiva bomba. A figura também contêm os polinômios de ajuste para cada série de dados
experimentais. Para os maiores níveis de vácuo se têm maiores dispersões nos pontos obtidos,
em razão da dificuldade de medição das menores vazões de ar.
Figura 4.10 – Vazões de ar atmosférico e de ar expandido versus pressão de sucção para a Bomba 3.
Ao serem comparadas as figuras 4.6 e 4.10 se nota que, apesar de ambas as bombas
possuírem dois estágios de compressão, as vazões obtidas com a Bomba 3 são maiores do que
as obtidas com a Bomba 2, a qual apresenta um dos seus rotores mais estreito.
A Figura 4.11 apresenta, para a Bomba 3, os valores das vazões de água em função
da pressão de sucção. Os valores de vazão de água, em circulação pela bomba, igualmente as
outras bombas estudadas nesta configuração, também aumentam de forma aproximadamente
linear com o aumento do nível de vácuo estabelecido. Na situação em que o registro de
estrangulamento se encontra fechado e o volume mínimo de ar é succionado, observa-se pelo
gráfico, que a vazão de água é um pouco inferior a encontrada para a Bomba 2, chegando a
valores de 2,1 m3.h
-1.
37
Figura 4.11 – Vazão de água em função da pressão de sucção para a Bomba 3.
A relação entre a potência consumida pelo motor elétrico, para o acionamento da
bomba, e a pressão de sucção gerada é apresentada na Figura 4.12. A medição da potência da
bomba foi realizada similarmente às outras bombas e, como é possível notar na figura, esta
apresentou valores um pouco superiores aos da Bomba 2. Na figura, também se percebe que
os valores medidos de potência elétrica consumida não são superiores a capacidade nominal
do motor (5,516 kW), alcançando um valor máximo de 4,94 kW, e propiciando boas condições
de uso para o mesmo.
Figura 4.12 – Potência consumida pelo motor elétrico em função da pressão de sucção para a Bomba 3.
49
6. Conclusão
No presente trabalho, os fundamentos da engenharia do vácuo foram expostos e
discutidos através de uma abordagem experimental, sendo o assunto analisado sob o enfoque
do desempenho das bombas de vácuo de anel líquido e o levantamento das suas curvas
características.
Os resultados obtidos através dos ensaios mostraram a validade da bancada, da
instrumentação escolhida e da metodologia de testes desenvolvidas ao serem capazes de
atender as necessidades para a realização das medições necessárias e para a análise dos
resultados.
Com o levantamento das curvas de desempenho para a condição normal de uso das
BVAL foi possível se realizar comparações entre os resultados obtidos e os seus
comportamentos apresentados. A referida comparação demonstrou um comportamento similar
entre as três bombas e evidenciou diferenças em relação às vazões de ar succionadas em
função da pressão de sucção das BVAL, aonde a Bomba 1 apresentou valores
aproximadamente três vezes maior que das outras bombas.
Ao ser avaliada a influência da altura do reservatório sobre o desempenho, esta leva a
crer na existência de uma altura ideal para o posicionamento do reservatório. Os resultados
apresentados demonstram que o reservatório, ao ser posicionado a uma altura de 2,0 m, gerou
melhores resultados na vazão de ar sem afetar criticamente os outros parâmetros estudados.
Os resultados da influência da vazão de água sobre a pressão de sucção das BVAL
apontaram, para as três bombas, que independentemente da situação do teste, a ocorrência de
uma redução na vazão de água sempre causa uma redução no nível de vácuo gerado. Também
se verificou para estes ensaios a possibilidade do acontecimento de cavitação nas tubulações.
Por fim, uma situação comum se apresentou para os testes realizados aonde a
influência da vazão de água não era avaliada. As vazões de água consumidas pelas bombas
bem como a potência consumida pelos motores apresentaram um comportamento parecido
entre os testes realizados sob as mesmas condições. A avaliação da potência consumida
também se mostrou importante para a adequada determinação do conjunto motriz dos
equipamentos.
Sugestões para pesquisas futuras
Como sugestões para a complementação do trabalho realizado e como pesquisas futuras na
área podem ser considerados os seguintes assuntos:
50
• Análise da influência do vácuo para a ocorrência de cavitação nas tubulações e nas
bombas de vácuo.
• Análise da influência da temperatura da água e do ar e da umidade relativa do ar sobre
o desempenho das bombas de vácuo de anel líquido.
• A determinação das condições ótimas para a utilização das BVAL, considerando a
altura do reservatório, vazão de água e potência consumida.
• O Estudo da influência dos aspectos construtivos das BVAL sobre o seu desempenho.
51
Referências
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Weinheim: WILLEY-VCH Verlag Gmbh & Co. KGaA, 2005.
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