manual hidraulica

MANUAL DE HIDRÁULICA

FÁBIO FERRAZ

INSTALAÇÃO DE BOMBEAMENTO

CARACTERÍSTICAS DA SUCÇÃO

ALTURA DE SUCÇÃODistância entre o nível dinâmico da captação e o bocal de sucção da bomba.

NIVEL ESTÁTICODistância vertical em metros, entre a borda do reservatório de sucção e o nível (lâmina) da água, antes do início do bombeamento.

NIVEL DINÂMICODistância vertical em metros, entre a borda do reservatório de sucção e o nível mínimo da água, durante o bombeamento da vazão desejada.

COMPRIMENTO DA TUBULAÇÃO DE SUCÇÃO - Extensão linear em metros de tubo utilizados na instalação, desde a válvula de pé até o bocal de entrada da bomba.

CARACTERÍSTICAS DO RECALQUE

ALTURA DE RECALQUE (AR) – Desnível entre o bocal de sucção da bomba e o ponto de maior elevação do fluido até o destino final da instalação (reservatório, etc.).

COMPRIMENTO DA TUBULAÇÃO DE RECALQUE - Extensão linear em metros de tubo, desde a saída da bomba até o ponto final da instalação.

ALTURA MANOMÉTRICA TOTAL (AMT) - Altura total exigida pelo sistema, a qual a bomba deverá ceder energia suficiente ao fluido para vencê-la. Leva-se em consideração os desníveis geométricos de sucção e recalque e as perdas de carga por atrito em acessórios, válvulas e tubulações.AMT = Altura Sucção + Altura Recalque + Perdas de Carga (tubulações, válvulas e acessórios).Unidades mais comuns: mca, kgf/cm² , Lbf/Pol².Onde: 1 kgf/cm² = 10 mca = 14,223 Lbf/Pol².

OBS: Com tanques pressurizados teremos: AMT = Altura Sucção + Altura Recalque + Perdas +P tanque recalque – P tanque sucção

PERDA DE CARGA NAS TUBULAÇÕES (DISTRIBUÍDA) - Atrito exercido na parede interna do tubo quando da passagem do fluido pelo seu interior. É mensurada obtendo-se, através de coeficientes, um valor percentual sobre o comprimento total da tubulação, em função do diâmetro interno da tubulação, do material da mesma e da vazão desejada.

PERDA DE CARGA NOS ACESSÓRIOS (LOCALIZADA) - Atrito exercido na parede interna dos acessórios e válvulas, quando da passagem do fluido. É mensurada obtendo-se, através de coeficientes, um comprimento equivalente em metros de tubulação, definido em função do diâmetro nominal e do material da conexão.

COMPRIMENTO EQUIVALENTE – Comprimento retificado que permite substituir os acessórios por um comprimento de tubulação reta de mesmo diâmetro e material, na qual ocorra uma perda de carga igual aquela que acontecerá no acessório.

Ex:Uma curva de 90º, de PVC, com um diâmetro de 3/4“, possui um comprimento equivalente a um tubo de 0,5 m de PVC com 3/4“ de diâmetro.

CONCEITO: Sendo a hidráulica o ramo da física que estuda o comportamento dos fluidos, tanto em repouso como em movimento, é necessário conhecer-se algumas definições básicas destes comportamentos.

Temos que, todas as bombas tem como finalidade básica o transporte de fluidos incompressíveis* com viscosidade baixa, dos quais o mais conhecido e bombeado é a água.

A água em seu estado líquido possui propriedades físico-químicas diversas, cujas principais são apresentadas a seguir:

OBS: Fluidos incompressíveis – a massa específica do fluido tem variação desprezível.

PROPRIEDADES DOS FLUIDOS

Peso Específico (): É o peso da substância pelo volume ocupado pela mesma, cuja expressão é definida por:

= P/V , kgf/m³ (onde P = m.g)

O peso específico da água, a 4ºC, é igual a 1000 kgf/m³

OBS: 1 kgf = m.g = 1kg . 9,80665m/s2 = 9,80665N.

Volume Específico (ve): É o volume ocupado por 1 kg do produto.

ve = V/m, em m³/kg

Este volume varia de acordo com a temperatura:Para água a Patm teremos: • 28º C, ve = 0,00100 m³/kg• 90º C, ve = 0,00103 m³/kg• 100ºC, ve = 1,673 m³/Kg


Massa específica (ρ): É a massa por unidade de volume (maciço), cuja expressão é: ρ = m/V = 1/ve , kg/m³

Densidade (d): É a massa por unidade de volume, cuja expressão é: d = m/V , kg/m³

Exemplo: Uma esfera oca de ferro tem massa de 760g e volume de 760 cm3. O volume da região oca é de 660 cm3. Determine a densidade e a massa específica da esfera.

d = m/Vesfera = 760g/760cm3 = 1 g/cm3

ρ = m/Vferro = 760g/(760cm3-660cm3) = 7,6 g/cm3

OBS: Para líquidos não há distinção entre densidade e massa específica.


Densidade relativa (dr): A densidade relativa é a comparação entre a massa específica de um líquido e a massa específica de água destilada, à temperatura padrão de 4ºC. Por tratar-se de uma relação entre massas específicas, constitui-se em um número adimensional.

dr = ρ/ρH2O (a 4ºC)

A água, a 4ºC, possui densidade relativa máxima = 1, pois: dr = ρ/ρH2O (a 4ºC) =(1000 kg/m³) /(1000 kg/m³) = 1


Pressão (P): Define-se como a força necessária para deslocar-se o fluido por unidade de área, expressa por:

P = F/AUnidades: kgf/cm², Lbf/pol²(Psi), Atmosfera (atm), Pascal (N/m2), bar;Obs:Psi – pound per square inch (libra por polegada quadrada).

Dentro desta unidade de medida encontramos duas escalas: psia e psig.


psia: pounds per square inch absolute – libras por polegada quadrada absoluta (inclui a pressão atmosférica), esta pressão varia de acordo com a altitude. Uma atmosfera é igual a 14,696 psia.

psia = psig + 14,696

psig: pounds per square inch gauge – libras por polegada quadrada manométrica (medida).


1. Pressão Absoluta (Pabs): É a pressão medida em relação ao vácuo total ou zero absoluto;

2. Pressão Atmosférica (Patm): É o peso da massa de ar que envolve a terra até uma altura de ± 80 km sobre o nível do mar e que age sobre todos os corpos. A este nível, a Patm = 10,33 mca ou 1,033 kgf/cm² (760 mm de Hg);

3.Pressão Manométrica (Pman): É a pressão medida adotando-se como referência a pressão atmosférica, denominada também pressão relativa ou efetiva. Mede-se com auxílio de manômetros, cuja escala em zero é a pressão atmosférica local. Quando o valor da pressão medida no manômetro é menor que a pressão atmosférica local, teremos pressão relativa negativa, ou vácuo parcial;

Tipos de pressão


PROPRIEDADES DOS FLUIDOSTipos de pressão

(zero absoluto)

4.Pressão de Vapor (Po ): É a situação do fluido onde, a uma determinada temperatura, coexistem as fases do estado líquido e de vapor. Para água a temperatura ambiente de 20ºC, a pressão de vapor é de 0,239 mca. Já para a água a 100ºC, a pressão de vapor é de 10,33 mca = 1 atm. Quanto maior a temperatura, maior é a pressão de vapor!

Tipos de pressão


1. Vazão Volumétrica (Q): É a relação entre o volume do fluido que atravessa uma determinada seção de um conduto, e o tempo gasto para tal, sendo:

Q = V/t

Unidades: m³/s, m³/h, ℓ/s, GPM (1GPM=3,785 ℓ/min)

2. Vazão Mássica (QM): É a relação entre a massa do fluido que atravessa uma determinada seção de um conduto, e o tempo gasto para tal, sendo:

Qm = m/t

Unidades: kg/s, kg/h, Lb/h

Tipos de Vazão


Velocidade (Ve): É a relação entre a vazão volumétrica do fluido escoado e a área de seção por onde escoa, sendo:

Ve = Q/AUnidades: m/s, pés/s, m/min

1. Viscosidade Absoluta (µ): É a resistência imposta pelas camadas do fluido ao escoamento das mesmas.

É uma característica do fluido. Com o movimento do mesmo, dependendo da velocidade, ocorrerá um maior ou menor atrito das partículas com as paredes da tubulação;

Unidades: N.s/m²

2. Viscosidade Cinemática (): É a relação entre a viscosidade absoluta (µ) e a massa específica (ρ) sendo:

= µ/ρUnidades: m²/s, stokes, centistokes

Onde: 1 m²/s = 104 stokes =106 centistokes

Viscosidade - Tipos


Máquinas Hidráulicas são máquinas que trabalham fornecendo, retirando ou modificando a energia do líquido em escoamento.

As máquinas hidráulicas podem ser classificadas em:

Máquinas operatrizes (bombas) - transformam energia mecânica fornecida por uma fonte (um motor elétrico) em energia hidráulica sob a forma de pressão e velocidade;

CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

Máquinas motrizes ou geratrizes (turbinas, motores hidráulicos, rodas d’água)- transformam energia do líquido e a transfere para o exterior, isto é, transformam energia hidráulica em outra forma de energia;




Mistas (carneiros hidráulicos)- máquinas que modificam o estado da energia que o líquido possui.O carneiro hidráulico, também chamado bomba de aríete hidráulico, é uma máquina mista, com característica de geratriz e de operatriz, que funciona pelo movimento da água através de válvulas, de modo que a única fonte de energia é a própria descarga e a altura da água disponível na captação.




Carneiro hidráulico

No momento em que atinge uma velocidade elevada, a válvula de escape (v) fecha-se repentinamente (“Golpe de Aríete”), ocasionando uma sobrepressão que possibilita, automaticamente, a elevação de uma parcela de água através da válvula (e) que nele penetra a uma altura superior à aquela de onde a água proveio, sem necessitar do auxílio de qualquer força motriz externa, bastando para isso que se tenha uma pequena queda hidráulica.

1. DEFINIÇÃO: São Máquinas Hidráulicas Operatrizes, isto é, máquinas que recebem energia potencial (força motriz de um motor ou turbina), e transformam parte desta potência em energia cinética (movimento) e energia de pressão (força), cedendo estas duas energias ao fluido bombeado, de forma a recirculá-lo ou transportá-lo de um ponto a outro.

2. CLASSIFICAÇÃO: Devido a grande diversidade das bombas existentes, adotaremos uma classificação resumida, dividindo-as em dois grandes grupos:

A. Bombas Centrífugas ou Turbo-Bombas, também conhecidas como Hidrodinâmicas ou Rotodinâmicas;

B. Bombas Volumétricas, também conhecidas como de Deslocamento Positivo.

CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE BOMBAS HIDRÁULICAS

3. DIFERENÇAS BÁSICAS:A.Nas Bombas Centrífugas, a movimentação do fluido ocorre pela ação de forças que se desenvolvem na massa do mesmo, em consequência da rotação de um eixo no qual é acoplado um disco (rotor) dotado de pás (palhetas, hélice), o qual recebe o fluido pelo seu centro e o expulsa pela periferia, pela ação da força centrífuga.

Em função da direção do movimento do fluido dentro do rotor, estas bombas dividem-se em:

•Centrífugas Radiais;•Centrífugas de Fluxo Misto;•Centrífugas de Fluxo Axial.


Bombas Centrífugas

A.1.Centrífugas Radiais (puras): A movimentação do fluido dá-se do centro para a periferia do rotor, no sentido perpendicular ao eixo de rotação;OBS.: Este tipo de bomba hidráulica é o mais usado no mundo, principalmente para o transporte de água.São empregadas para pequenas e médias descargas, e para qualquer altura manométrica, porém caem de rendimento para grandes vazões e pequenas alturas além de serem de grandes dimensões nestas condições.


CLASSIFICAÇÃO DAS BOMBAS CENTRÍFUGAS

Bombas Centrífugas

A.2.Centrífugas de Fluxo Misto (hélico-centrífugas e helicoidais): O movimento do fluido ocorre na direção inclinada (diagonal) ao eixo de rotação;

Empregadas em grandes vazões e pequenas e médias alturas, estruturalmente caracterizam-se por serem bombas de fabricação muito complexa.


Bombas Centrífugas


A.3.Centrífugas de Fluxo Axial (propulsora): O movimento do fluido ocorre paralelo ao eixo de rotação;São especificadas para grandes vazões - dezenas de m3/s - e médias alturas - até 40 m.


Bombas Centrífugas


B. Nas Bombas Volumétricas, ou de Deslocamento Positivo, a movimentação do fluido é causada diretamente pela ação do órgão de impulsão da bomba que obriga o fluido a executar o mesmo movimento a que está sujeito este impulsor (êmbolo, engrenagens, lóbulos, palhetas).Dá-se o nome de volumétrica porque o fluido, de forma sucessiva, ocupa e desocupa espaços no interior da bomba,com volumes conhecidos, sendo que o movimento geral deste fluido dá-se na mesma direção das forças a ele transmitidas, por isso a chamamos de deslocamento positivo. As Bombas Volumétricas dividem-se em:

• B.1.Êmbolo ou Alternativas (pistão, diafragma, membrana);• B.2.Rotativas (engrenagens, lóbulos, palhetas, helicoidais, fusos, parafusos, etc.).


Bombas Volumétricas

B.1.Êmbolo ou Alternativas (pistão, diafragma, membrana)



B.2.Rotativas (engrenagens, lóbulos, palhetas, helicoidais, fusos, parafusos, etc.)



Campo de emprego das Bombas

Resumo quanto à posição na captação

1) Submersas (em geral empregadas onde há limitações no espaço físico - em poços profundos por exemplo);

2) Afogadas (mais frequentes para recalques superiores a 100 l/s);

3) Altura positiva (pequenas vazões de recalque).

4. Funcionamento das Bombas Centrífugas Radiais:

A Bomba Centrífuga tem como base de funcionamento a criação de duas zonas de pressão diferenciadas, uma de baixa pressão (sucção) e outra de alta pressão (recalque).Para que ocorra a formação destas duas zonas distintas de pressão, é necessário existir no interior da bomba a transformação da energia mecânica, que é fornecida pela máquina motriz (motor), primeiramente em energia cinética, a qual irá deslocar o fluido, e posteriormente, em maior escala, em energia de pressão, a qual irá adicionar “carga” ao fluido para que ele vença as alturas de deslocamento e as perdas existentes.


Funcionamento


Para expressar este funcionamento, existem três partes fundamentais na bomba (Figura 1):

• corpo (carcaça), que envolve o rotor, acondiciona o fluido, e direciona o mesmo para a tubulação de recalque (Figuras 1 e 2);


Funcionamento


• rotor (impelidor), constitui-se de um disco provido de pás (palhetas) que impulsionam o fluido (Figuras 4, 5 e 6);


Funcionamento

Usados para líquidos viscosos ou sujos, pastas, etc.

Usados para líquidos viscosos, líquidos com elevada concentração de sólidos abrasivos em suspensão e líquidos sujos (esgotos).

São os mais empregados nas bombas centrífugas pois apresentam melhores rendimentos.São utilizados para líquidos limpos (sem sólidos em suspensão).

Tipos de rotores


CAVITAÇÃO

Fenômeno físico que ocorre em bombas centrífugas no momento em que o fluido succionado pela mesma tem sua pressão reduzida, atingindo valores iguais ou inferiores a sua pressão de vapor.

A cavitação é denunciada pelo som de bombeamento de pedras ou de borbulhamento, e provocada por deficiência de pressão de sucção.

Assim, num ponto qualquer do rotor, existindo uma pressão baixa, é provocada a formação de bolhas no líquido.

Estas bolhas são formadas pela vaporização do líquido, ao encontrar uma região de pressão inferior à sua pressão de vapor.

As bolhas de vapor são conduzidas pelo fluxo até atingir pressões mais elevadas no interior da bomba onde ocorre a implosão das mesmas com a condensação do vapor e retorno ao estado líquido.

Este fenômeno de vaporização e sucessiva condensação recebe a denominação de cavitação.

AINDA SOBRE CAVITAÇÃO...

ZONA DE BAIXA PRESSÃO• Formação das bolhas

de vapor.

ZONA DE ALTA PRESSÃO• Pressão sobre as bolhas e

implosão e condensação;

• Onda de choque que retira material do rotor e carcaça.

Tubulação


Como mostra a figura abaixo, a cavitação provoca destruição da superfície do rotor.

Características de uma bomba em cavitação:

• Queda de rendimento;

• Vibração provocada pelo desbalanceamento;

• Ruído Característico: A cavitação produz um ruído semelhante de “de grãos de areia” ou “bolas de gude”;


• Oscilações nas Indicações da Corrente: É uma consequência direta das alterações na performance, tendo em vista que a potência consumida é função da pressão (AMT) e da Vazão, que variam em uma condição de cavitação.

NPSH - Sigla da expressão inglesa - Net Positive Suction Head (algo como altura livre positiva de sucção) a qual divide-se em: NPSH disponível e NPSH requerido.

• NPSH disponível - é a carga energética líquida e disponível na instalação para permitir a sucção do fluido, a qual deve ser superior a pressão de vapor do fluido bombeado. Esta variável depende das características do sistema (perdas de carga na sucção e altura de sucção) e do fluido;

DEFINIÇÃO DE NPSH

• NPSH requerido (fabricante) – é a carga mínima com a qual o líquido deve chegar ao ponto do rotor em que ganhará energia e será recalcado, ainda como líquido.

É determinado nos laboratórios de hidráulica dos fabricantes de bombas e varia com a vazão (diretamente), como mostrado na Figura abaixo.

Este valor depende das características da bomba e deve ser fornecido pelo fabricante da mesma;

OBS: (NPSHd > NPSHr). Em projetos, o NPSHd deve ser cerca de 20% ou no mínimo 0,5 m.c.a maior do que o NPSHr.

DEFINIÇÃO DE NPSH

NPSHd (disponível) = Ho - Hv - h - hs, que é uma característica da instalação hidráulica. É a energia que o fluido possui, num ponto imediatamente anterior ao flange de sucção da bomba, acima da sua pressão de vapor. Esta variável deve ser calculada por quem dimensionar o sistema, utilizando-se de coeficientes tabelados e dados da instalação;

Onde: Ho = Pressão atmosférica local , em mca (TABELA 1);h = Altura de sucção, em metros (dado da instalação);hs = Perdas de carga no escoamento pela tubulação de sucção, em metros;Hv = Pressão de vapor do fluido escoado, em metros (TABELA 2);

Cálculos de NPSH

Cálculos de NPSH

3. EXEMPLO 1: Suponhamos que uma bomba de modelo hipotético seja colocada para operar com 35 mca de AMT, vazão de 32,5 m3/h, altura de sucção de 2,5 metros e perda por atrito na sucção de 1,6 mca. A altura em relação ao nível do mar onde a mesma será instalada é de aproximadamente 600 metros, e a temperatura da água é de 30ºC, verificaremos:

A. VERIFICAÇÃO DO NPSHr:Conforme curva característica do exemplo citado, para os dados de altura (mca) e vazão (m³/h) indicados, o NPSHr da bomba é 4,95 mca, confira:

B. CÁLCULO DO NPSHd:Sabendo-se que: NPSHd = Ho - Hv – h - hsOnde:Ho = 9,58 (tabela 1)Hv = 0,433 (tabela 2)h = 2,5 metros (altura sucção)hs = 1,60 metros (perda calculada para o atrito na sucção)Temos que: NPSHd = 9,58 - 0,433 - 2,5 - 1,60 = 5,04 mca

NPSH E CAVITAÇÃO – Estudo de caso 1

Analisando-se a curva característica abaixo, temos:NPSHr de 4,95 mca. Portanto: 5,04 > 4,95 => NPSHd > NPSHr


3. EXEMPLO: Suponhamos que uma bomba seja colocada para operar com uma vazão de 47 m3/h, altura de sucção de 3,5 metros e perda por atrito na sucção de 1,5 mca. A altura em relação ao nível do mar onde a mesma será instalada é de aproximadamente 150 metros, e a temperatura da água é de 20ºC. Ache a altura manométrica, o NPSH disponível e diga se a bomba irá cavitar.



B. CÁLCULO DO NPSHd:Sabendo-se que: NPSHd = Ho - Hv – h - hsOnde:Ho = 10,16 (tabela 1)Hv = 0,239 (tabela 2)h = 3,5 metros (altura sucção)hs = 1,50 metros (perda calculada para o atrito na sucção)Temos que: NPSHd = 10,16 - 0,239 - 3,5 - 1,50 = 4,921 mca

NPSH E CAVITAÇÃO – Estudo de caso 23. EXEMPLO: Suponhamos que uma bomba seja colocada para operar com uma vazão de 47 m3/h, altura de sucção de 3,5 metros e perda por atrito na sucção de 1,5 mca. A altura em relação ao nível do mar onde a mesma será instalada é de aproximadamente 150 metros, e a temperatura da água é de 20ºC. Ache a altura manométrica, o NPSH disponível e diga se a bomba irá cavitar.

3. EXEMPLO: Suponhamos que uma bomba seja colocada para operar com uma vazão de 47 m3/h, altura de sucção de -0,5 metros e perda por atrito na sucção de 1,5 mca. A altura em relação ao nível do mar onde a mesma será instalada é de aproximadamente 150 metros, e a temperatura da água é de 20ºC. Ache a altura manométrica, o NPSH disponível e diga se a bomba irá cavitar.



B. CÁLCULO DO NPSHd:Sabendo-se que: NPSHd = Ho - Hv – h - hsOnde:Ho = 10,16 (tabela 1)Hv = 0,239 (tabela 2)h = -0,5 metros (altura sucção)hs = 1,50 metros (perda calculada para o atrito na sucção)Temos que: NPSHd = 10,16 - 0,239 + 0,5 - 1,50 = 8,921 mca

NPSH E CAVITAÇÃO – Estudo de caso 33. EXEMPLO: Suponhamos que uma bomba seja colocada para operar com uma vazão de 47 m3/h, altura de sucção de -0,5 metros e perda por atrito na sucção de 1,5 mca. A altura em relação ao nível do mar onde a mesma será instalada é de aproximadamente 150 metros, e a temperatura da água é de 20ºC. Ache a altura manométrica, o NPSH disponível e diga se a bomba irá cavitar.

Para evitar-se a cavitação de uma bomba, dependendo da situação, deve-se adotar as seguintes providências:

Reduzir-se a altura de sucção (h) e o comprimento desta tubulação (hs), aproximando-se ao máximo a bomba da captação;

Reduzir-se as perdas de carga na sucção (hs), com o aumento do diâmetro dos tubos e conexões;

Refazer todo o cálculo do sistema e a verificação do modelo da bomba;


NPSHd (disponível) = Ho - Hv - h - hs

Para evitar-se a cavitação de uma bomba, dependendo da situação, deve-se adotar as seguintes providências:

Quando possível, sem prejudicar a vazão e/ou a pressão final requeridas no sistema, pode-se eliminar a cavitação trabalhando-se com registro na saída da bomba “estrangulado”, ou, alterando-se o diâmetro do rotor da bomba.

Estas porém são providências que só devem ser adotadas em último caso, pois podem alterar substancialmente o rendimento hidráulico do conjunto.


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