UNIVERSIDADE COMUNITRIA DA REGIO DE CHAPEC - UNOCHAPEC

RELATRIO EXPERIMENTO PERDA DE CARGA

CRISTIANO DRUZIANLEANDRO PAULO VIAL

CHAPEC 2015

UNIVERSIDADE COMUNITRIA DA REGIO DE CHAPEC - UNOCHAPEC

RELATRIO EXPERIMENTO PERDA DE CARGA

Por

Cristiano DruzianLeandro Paulo Vial

Curso de Engenharia Mecnica7 PerodoComponente Curricular de Laboratrio em Cincias TrmicasProfessora Micheli Zanetti

Chapec - SC, Maro de 2015

RESUMO

No presente trabalho ser abordado uma forma de adquirir as curvas caractersticas de um bomba centrifuga. Esta forma de aquisio baseia-se em experimentos realizados, onde foi possvel calcular a potncia, vazo, altura manomtrica, o rendimento, presso, entre outros parmetros.O experimento foi realizado em dois estgios:Primeiramente o experimento foi realizado em estado de operao normal de trabalho;

Em um segundo experimento, o mesmo foi realizado em estado cavitao;

A partir destes experimentos, coletou-se dados e calculou-se atravs de formulas parmetros para ento plotar grficos e analisar as mudanas que ocorrem quando variamos alguns parmetros, como, a altura manomtrica e a vazo. Com estes dados podemos descobrir qual o melhor ponto de trabalho para determinada bomba, e assim opera-la de forma que a mesma trabalhe com o seu maior rendimento possvel.O principal objetivo deste experimento similar a teoria pratica, e assim concluir de forma correta sobre os resultados obtidos do mesmo.

LISTA DE GRFICOS

Grfico 1: Carga Manomtrica X Vazo (vlvula totalmente aberta)9Grfico 2: Carga Manomtrica X Vazo (vlvula parcialmente aberta)10Grfico 3: Potncia Hidrulica X Vazo (vlvula totalmente aberta)11Grfico 4: Potncia Hidrulica X Vazo (vlvula parcialmente aberta)11Grfico 5: Vazo X Eficincia (vlvula totalmente aberta)12Grfico 6: Vazo X Eficincia (vlvula parcialmente aberta)13Grfico 7: Presso Adimensional X Vazo adimensional (vlvula parcialmente fechada)16Grfico 8:Vazo Adimensional X presso Adimensional (vlvula totalmente aberta)16

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Variveis envolvida na anlise adimensional de turbomquinas14

Sumrio

RESUMO2LISTA DE GRFICOS3LISTA DE TABELAS41. INTRODUO62. REVISO BIBLIOGRFICA63. MATERIAIS E MTODOS74. RESULTADOS E ANALISES85. PARMETROS ADIMENSIONAIS E CURVAS APRESENTADAS135.1 Coeficiente de Presso ou Altura especfica (CH)155.2 Coeficiente de Vazo ou15Capacidade Especfica (CQ)155.3 Coeficiente de Potncia (CW)156. CONCLUSES17REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS18

1. INTRODUO

O emprego de bombas, ocorre quando necessrio o deslocamento de um fluido de um local para outro, onde no possvel utilizar a ao da gravidade, ou quando a mesma se torna invivel.Nos dias atuais existem diversos tipos e modelos de bombas determinados para aplicaes em geral ou at mesmo para casos especiais, onde ocorre uma demande de uma geometria ou de uma com posio de matria-prima de resistncia mais elevada a determinada situao de trabalho, como por exemplo o transporte de cidos. No presente trabalho estudaremos o comportamento de uma bomba centrifuga, visando determinar seu ponto timo de trabalho e observar o que ocorre quando a mesma passe de um regime de trabalho normal para um regime de operao com cavitao.

2. REVISO BIBLIOGRFICA

As bombas so equipamentos destinados para adicionar energia ao fluido que est escoando, e assim promover o seu deslocamento transferindo-o de um local para o outro. Tm-se as bombas de deslocamento positivo e as bombas centrfugas. As bombas de deslocamento positivo impelem uma quantidade definida do fludo em cada golpe ou volta do dispositivo; as bombas centrfugas, ao contrrio, impelem um volume que depende da presso de descarga ou da energia adicionada. (FOUST1982).Uma bomba centrifuga constituda basicamente por um rotor que gira no interior de uma carcaa. O fluido entra na bomba nas vizinhanas do eixo do rotor propulsor e lanado para a periferia pela ao centrifuga. Atualmente as bombas centrfugas so as mais utilizadas, devido a suas diversas vantagens, sendo as principais o baixo custo de produo, ocupam pequenos espaos e trabalham de forma silenciosa. Um grande inimigo das bombas o efeito de cavitao, o qual um fenmeno que ocorre em um lquido quando a velocidade de escoamento to elevada que a presso cai abaixo da presso de vapor, o que provoca vaporizao e o consequente aparecimento de bolhas no interior do fluxo. Essas bolhas implodem assim que a velocidade do escoamento cai e a presso aumenta, o que faz com que o lquido circundante seja violentamente agitado, gerando-se ondas de choque que podem provocar danos microscpicos em objetos prximos. Esses danos, ao longo do tempo, podem atingir dimenses considerveis, por isso a cavitao , em geral, uma ocorrncia indesejvel (engel 2006)A imploso das bolhas causam, alm destes danos a longo prazo, vibraes, rudos e diminuem a eficincia. Para se evitara a cavitao devemos garantir que, a presso local em toda parte dentro da bomba permanea acima da presso de vapor.As curvas caracterstica de uma bomba, geralmente so fornecidas pelo fabricante e tem por objetivo informar qual melhor faixa de operao para que a mesma apresente seu rendimento mximo e no trabalhe sobre o efeito de cavitao.

3. MATERIAIS E MTODOS

Para a realizao deste experimento utilizou-se uma bomba centrifuga com potncia de 1/3 CV, com rotor de 10,4 cm de dimetro e rotao de operao de 3380 RPM, acoplado a um reservatrio de agua aproximadamente 200 litros. O fluido escoante era apenas gua a temperatura ambiente.No intervalo entre a bomba e o tanque, utilizava-se tubulao de dimetro igual, alm de diversos acessrio acoplados, como vlvulas, rotmetros e manmetros, estes destinados a determinao da presso, na entrada e na sida da bomba, e de vazo. O sistema estava montado de forma que o fluido escoasse pela tubulao, siando pelo tanque percorrendo o percurso e retornando para o mesmo, ou seja, funcionava em um circuito fechado (volume de controle).Iniciou-se o experimento retirando-se todo o ar de dentro da tubulao, aps foi ligado a bomba e realizado as medies de vazo e presso, na regio entrada e de sada da bomba, para cada intervalo da vazo onde a mesma era alterada em 5 em 5 litros por minuto (L/min), iniciando em 0 (L/min) at a vazo mxima de 48 (L/min) para operao normal de trabalho (vlvula totalmente aberta) e at 38 (L/min) em operao de trabalho com cavitao, onde a vlvula permanecia parcialmente aberta (metade).

4. RESULTADOS E ANALISES

As curvas caractersticas de uma bomba so construdas baseando-se nos dados de vazo volumtrica, altura manomtrica, eficincia e potncia.Estes dados so calculados atravs de outros dados obtidos atravs do experimento e por parmetros j conhecidos do fluido escoante como:Vazo Volumtrica = Q = Vazo (L/min) / 60000Altura manomtrica = H = Carga da Bomba Onde:Ps = Presso de sada da bomba, obtida atravs do experimento por um manmetro de Bourdon.Pe = Presso de entrada na bomba, obtida atravs de um manmetro tipo tubo U.g = Acelerao da gravidade (9,81 m/s);H2O = Densidade do fluido escoante (997,045 kg/m);Para encontra a presso de entrada aplicou-se um clculo de manometria, levando em considerao o tubo U e o fluido manomtrico o mercrio o qual tem densidade Hg = 13533,615 (kg/m), conhecendo a variao de altura (h) obtida pelo tubo U, foi possvel determinar a presso de entrada por:

Sabendo o valor da presso de entrada, determinou-se o valor da carga da bomba e assim plotou-se o primeiro grfico tanto para operao em trabalho normal como para a operao em trabalho de cavitao, segue os grfico a abaixo:

Grfico 1: Carga Manomtrica X Vazo (vlvula totalmente aberta)

Grfico 2: Carga Manomtrica X Vazo (vlvula parcialmente aberta)

Analisando-se o grfico 1, conclumos que medida que a vazo aumenta a carga da bomba diminui. Isto ocorre devido ao fato que ao aumentarmos a vazo, aumenta-se a quantidade de fluido a ser transportado elevando assim a perda de carga do sistema proveniente de atrito e turbulncias, e com isto diminuindo-se a eficincia do sistema.Realizando agora a anlise no grfico 2, notamos que a carga da bomba sofre um decrscimo mais acentuado, devido ao fato que ao ocorrer a cavitao ocorre a formao de bolhas de vapor no liquido devido presso da bomba ser menor do que a presso de vapor de fluido, assim conclumos que a cavitao faz com que a bomba possua uma capacidade menor de carga.Aps analisarmos a vazo versus a altura manomtrica, analisou-se a potncia hidrulica da bomba (P) versus a vazo. Tambm para os dois estgios.A potncia hidrulica foi determinada como:

Segue os grficos abaixo:

Grfico 3: Potncia Hidrulica X Vazo (vlvula totalmente aberta)

Grfico 4: Potncia Hidrulica X Vazo (vlvula parcialmente aberta)Analisando-se os grficos 3 e 4, observamos que medida que aumentamos a vazo aumentamos tambm a potncia hidrulica. Porm aps atingirmos um valor mximo, comea ocorre um decrscimo de potncia, diminuindo assim a eficincia do sistema, tanto para a operao em trabalho normal como para a operao em trabalho de cavitao.Este ponto mximo de potncia determinado como ponto timo de operao ou ponto de trabalho, sendo este o ponto ideal a ser utilizado em um processo, o qual ir garantir uma maior rendimento (ser visto a seguir nos grficos) com um menor consumo de energia.Conhecendo a potncia hidrulica da bomba, podemos encontrar qual ser a eficincia da bomba () atravs da formula:

Onde:Pf = Potencia fornecida = 0,33333 CV = 245,16625 Watts (W);Multiplica-se por 100 para chegar com o valor em porcentagem. Assim temos que o rendimento versus a vazo nos proporcionara:

Grfico 5: Vazo X Eficincia (vlvula totalmente aberta)

Grfico 6: Vazo X Eficincia (vlvula parcialmente aberta)

Atravs deste dois grficos (5 e 6), chegamos concluso que do mesmo que a potncia, a eficincia, tambm, se eleva at um ponto mximo e comea a cair, este ponto mximo o ponto timo de trabalho, sendo que para operao normal ser com uma vazo de 35 L/min (5,83E-04 m/s), proporcionara uma eficincia mxima de 27,50 % e ter uma potncia hidrulica de 64,08 W e uma carga de bomba de 13,12 metros , j para o estgio de trabalho em cavitao o ponto timo de trabalho ser com uma vazo de 30 L/min (5,00E-04 m/s), proporcionara uma eficincia mxima de 23,77 % e ter uma potncia hidrulica de 58,28 W e uma carga de bomba de 11,93 metros

5. PARMETROS ADIMENSIONAIS E CURVAS APRESENTADAS

A anlise dimensional particularmente til no planejamento e na execuo de experimentos. Como as caractersticas de uma bomba so normalmente determinadas experimentalmente, de se esperar que a anlise dimensional e as consideraes de similaridade sejam muito uteis no estudo e documentao destas caractersticas. De fato, o desenvolvimento e utilizao de turbomquinas em prticas de engenharia tem-se beneficiado muito da aplicao da anlise dimensional, provavelmente a uma extenso maior que qualquer outra rea da mecnica dos fluidos aplicada (Potter & Wiggert 2010). Esta analise adimensional, tem capacitado fabricantes de bombas e turbinas a testar e desenvolver um nmero relativamente pequeno de turbomquinas e, subsequentemente, produzir uma srie de unidades comerciais que cobrem um amplo espectro de demandas de carga e de escoamentos em geral. As grandezas que intervm no fenmeno de escoamento incompressvel de um fluido, atravs de uma bomba so:

Tabela 1: Variveis envolvida na anlise adimensional de turbomquinasSmboloVarivel Dimenses Unidades

Massa especfica do fluidoML-3Kg/m3

Viscosidade dinmica do fluidoML-1 T-1Ns/m2

Q Vazo atravs da mquinaL3 T-1M3/s

HAltura manomtricaLm

Rotao do rotor ou da bombaT-1Rad/s

DDimetro do rotorLm

K Mdulo de elasticidade volumtricaML-1 T-2N/m2

Rugosidade absoluta interna da mquinaLm

WPotncia hidrulicaML2 T-3Watts (W)

A partir desta tabela realiza-se uma srie de dedues e simplificaes, apenas levando-se em considerao as unidades de medias das variveis, as quais tornam-se muito extensas e trabalhosas para demonstra-las, portanto optou-se por no detalhar as mesma, pois este detalhamento encontrados em livros especficos do assunto.Assim chegamos a determinao dos seguintes parmetro abaixo.

5.1 Coeficiente de Presso ou Altura especfica (CH)

5.2 Coeficiente de Vazo ouCapacidade Especfica (CQ)

5.3 Coeficiente de Potncia (CW)

A partir destas formulas determinou-se a presso e a vazo adimensional, para assim poder determinar o comportamento da bomba para qualquer fluido. Realizando esta anlise, observou-se que o tamanho da bomba inversamente proporcional s perdas viscosas do sistema, est anlise vlida tanto para a operao de trabalho normal como tambm para operao de trabalho com cavitao.

Grfico 7: Presso Adimensional X Vazo adimensional (vlvula parcialmente fechada)

Grfico 8:Vazo Adimensional X presso Adimensional (vlvula totalmente aberta)

6. CONCLUSESCom realizao do experimento, verificamos o comportamento de uma bomba centrifuga atravs da variao da vazo na bomba.Em operao normal de trabalho normal, (vlvula totalmente aberta), no ocorreu o fenmeno de cavitao, porm quando a vlvula permaneceu parcialmente fechada, este fenmeno veio aparecer quando a vazo apresentava um valor de 17,5 L/min, podendo ser observada na tubulao atravs da formao de bolhas e por produzir um rudo diferente do normal.Chegou-se concluso tambm que para qualquer bomba, temos um valor mximo de rendimento que est relacionado com a vazo e a presso do sistema. Este valor mximo de rendimento foi apresentado anteriormente e conhecido como ponto timo de trabalho, ou seja, o ponto ideal de funcionamento da bomba, pois ser aonde ocorrer o maior rendimento e o menor consumo energtico.Analisando as curvas dos grficos, chegamos concluso, que as mesmas apresentam o comportamento esperado conforme a literatura.O experimento realizado de suma importncia, pois conseguiu-se similar a teoria prtica a e assim introduzir uma melhor compreenso e aprendizado do contedo.

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

Deniculi, W, Bombas Hidrulicas, Universidade Federal de Viosa Minas Gerais, 1993.

Fox, R. W, Pritchard, P.J, McDonold, A.T, Introduo a Mecnica dos Fluidos, LTC, 7 Edio, 2009.

engel, Y. A, Cimbala. J. M. Mecnica dos Fludos Fundamentos e Aplicaes, Mc Graw Hill, 1 Edio, 2006.