Tema 2: Turbo máquina Hidráulicas,2.1 Definição Máquinas Hidráulicas -são máquinas que trabalham fornecendo, retirando ou modificando a energia do líquido em escoamento.2.1.1 Tipos de Máquinas Hidráulicas Bombas- são máquinas fornecem energia aos fluidos. Esta energia pode ser na forma de pressão, energia cinética ou potencial.Turbinas (motores)-são máquinas que retiram energia de fluidos e convertem-na em energia mecânica.

2.2 Classificação de Bombas

• Turbo-Bombas, Hidrodinâmicas ou Rotodinâmicas - são máquinas nas quais a movimentação do líquido é desenvolvida por forças que se desenvolvem na massa líquida em conseqüência da rotação de uma peça interna (ou conjunto dessas peças) dotada de pás ou aletas chamada de roto;

• Volumétricas ou de Deslocamento Positivo - são aquelas em que a

movimentação do líquido é causada diretamente pela movimentação de um dispositivo mecânico da bomba, que induz ao líquido um movimento na direção do deslocamento do citado dispositivo, em quantidades intermitentes, de acordo com a capacidade de armazenamento da bomba, promovendo enchimentos e esvaziamentos sucessivos, provocando, assim, o deslocamento do líquido no sentido previsto.

Exemplos de bombas rotodinâmicas: bombas centrífugas.

• Exemplos de bombas volumétricas: bombas êmbolo ou alternativas e as rotativas

2.3 Bombas CentrífugasBombas Centrífugas - são bombas hidráulicas que têm como princípio de funcionamento a força centrífuga através de palhetas e impulsores que giram no interior de uma carcaça estanque, jogando líquido do centro para a periferia do conjunto girante.

Componentes de Bombas Centrífugas

Rotor - que é um conjunto de palhetas que impulsionam o líquido através da voluta, é fixado no eixo da bomba.

carcaça - é a parte da bomba onde, no seu interior, a energia de velocidade é transformada em energia de pressão, o que possibilita o líquido alcançar o ponto final do recalque. É no seu interior que está instalado o conjunto girante (eixo-rotor) que torna possível o impulsionamento do líquido.

Elementos fundamentais de um sistema de transporte de fluidos

Exprimindo a equação de Bernoulli em unidades de altura e rearranjando-a podemos obter:

chamada curva característica da instalação ou simplesmente curva da instalação.Representa a energia necessária para transportar o caudal de fluido desejado na referida instalação. É uma exigência do sistema e não depende da bomba que se usa.

Exercicio1. Escreva a equação da curva de Instalação para o sistema com os dados abaixo:Hgeo= 20mmf = 0.024Conduta de sucçãoD = 200mmLeq=12mConduta de pressãoD = 150mmL = 300mNumero de cotovelos = 8fcotovelos= 0.5Numero de valvulas = 1fvalvulas=2.0

Rendimentos de bombaPerdas de Energia - A quantidade de energia elétrica a ser fornecida para que o conjunto motor-bomba execute o recalque, não é totalmente aproveitada para elevação do líquido, tendo em vista que não é possível a existência de máquinas que transformem energia sem consumo nesta transformação. Rendimentos da bomba - Rendimento de uma bomba é a relação entre a potência fornecida pela bomba ao líquido (potência útil) e a cedida a bomba pelo eixo girante do motor (potência motriz).

-A relação entre a energia cedida pelo eixo do motor ao da bomba (que resulta na potência motriz) e a fornecida inicialmente ao motor é denominada de rendimento mecânico do motor ()

-A relação entre a energia cedida pelo rotor ao líquido

(que resulta na potência de elevação) e a fornecida

inicialmente ao motor é chamada de rendimento total.

Potência solicitada pela bomba - Pb

Denomina-se de potência motriz (também chamada de potência do conjunto motor-bomba) a potência fornecida pelo motor para que a bomba eleve uma vazão Q a uma altura H. Nestes termos temos:

Pb = potência em Kgm/s,

Q = vazão em m3/sH = altura manométrica,= rendimento total= peso especifico do liquido

Curvas características da bomba

Exercicio:1

Uma bomba centrifuga tem curvas caracteristicas dadas na tabela abaixo. A bomba é usada para transportar agua de um reservatório inferior para um superior por uma conduta de 800m de comprimento 15cm de diâmetro, a diferença de niveis nos reservatórios é de 8m. Desprezando as perdas localizadas determine o caudal volumétrico e a potência consumida pela bomba. (f=0.016)

Q (m3/h) 0 23 46 69 92 115 H (m) 17 16 13.5 10.5 6.6 2

ɳ%

0 49.5 61 63.5 53 10

Velocidade específica e lei de afinidades

•A velocidade específica serve para caracterizar a rapidez de rotação de um impulsor. Cada forma particular de rotor tem uma velocidade específica típica.Pela análise dimensional pode-se mostrar que:

Q – caudal volumétrico por fase m3/sH – altura de elevação por fase mn – velocidade de rotação rpm ou rps

valores típicos de velocidade específica

Bombas radiais lentas: 10 – 40 rpmBombas radiais rápidas: 40 – 80 rpmBombas diagonais: 80 – 100 rpmBombas axiais: 200 – 500 rpm

Alterações nas condições de funcionamento de bombas

Variando o número de rotações a que uma bomba funciona altera-se a posição da curva característica da bomba:

Exercicio

1. Uma bomba centrifuga de 20Hp, 40L/s e 30m de altura manométrica está funcionando com 1750rpm. Quais serão as consequências de uma alteração de velocidade para 1450rpm.

2. Uma bomba fornece 0.019m3/s contra uma carga de 16.76m com uma velocidade rotativa de 1750rpm. Determine a sua velocidade especifica

3. Considere uma bomba cujas as curvas caracteristicas a 1000 rpm são dadas na tabela abaixo.

a) Indique o tipo de rotor b) Pretende-se reduzir o caudal para 0.12m3/s encarrando duas possibilidades:

Reduzir a velocidade de rotação Introduzir a perda de pressão a saida da bomba.

Qual das duas operações implica maior consumo de energia.

Q(m3/s) 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 H (m) 20.0 20.4 20.4 20.2 19.6 18.4 17.0 15.0 rendimento 54 65 72 75 74 70 62

Associação de bombas em série e em paralelo

•Instalando-se duas ou mais bombas em série, deve-se considerer a soma das Alturas de elevação que caracterizam cada uma das bombas, admitindo-se a mesma vazão unitária.

Se as bombas trabalharem em paralelo, admite-se a mesma altura manométrica, somando-se as vazões das unidades instaladas, desde que não seja alterada a altura manométrica (bombas semelhantes).

Canalização de sucção

Caracteristicas de Canalização•Deve ser a mais curta possível, evitando-se ao máximo peças especiais, como curvas, cotovelos, etc.

•A tubulação deve ser sempre ascendente até atingir a bomba. Podem-se admitir trechos perfeitamente horizontais.

•Sempre que diversas bombas tiverem suas canalizações de sucção ligadas a uma tubulação única ( de maior diâmetro), as conexões deverão ser feitas por meio de Y ( junções), evitando-se o emprego de tês.

•A canalização de sucção geralmente tem um diâmetro comercial imediatamente superior ao da tubulação de recalque.

Alturas máximas de sucção

A disposição e o assentamento das bombas

NPSH: Energia disponível no líquido na entrada da bomba

A sigla NPSH do ingês “Net Positive Suction Head” é adotada universalmente para designar a energia disponível na sucção, ou seja, a carga positiva e efectiva na sucção. Há dois valores a considerar:

•NPSH requerido, que é uma caracteristica hidráulica da bomba, fornecida pelo fabricante;

•NPSH disponível, que é uma característica das instalações de sucção, que se pode calcular:

Onde:

+H – carga ou altura de água na sucção (entrada afogada)

-H – altura de aspiração

Pa – pressão atmosferica no local

Pv – pressão de vapor

- peso específico

hf – soma de todas perdas de carga na sucção

 

para que uma bomba funcione bem, é preciso que o

Cavitação

Quando a pressão absoluta em um determinado ponto se reduz a valores abaixo de um certo ,limite, alcançando o ponto de ebulição da água esse liquido começa a ferver e as condutas ou peças (de bombas, turbinas ou tubulações) passam a apresentar, em parte, bolsas de vapor, ou cavidades preenchidas com vapor, denomina-se cavitação.

Sempre que a pressão em algum ponto de uma bomba ou turbina atinge o limite crítico ( pressão de vapor), as condições de funcionamento tornam-se precárias e as máquinas começam a vibrar, em consequência da cavitação

Os efeitos da cavitação transmitem-se para estruturas próximas , reduzindo o rendimento e podendo causar sérios danos materiais às instalações.

Critério adotado para o exame das condições de funcionamento de uma instalação

• Onde• H – altura efectiva da bomba• Ha – altura correspondente a pressão atmosferica

• Hv – altura devido a pressão atmosférica local

• Hs – altura de sucção das bombas

Gráfico número de thoma vs velocidade específica

Canalização de recalque. Dimensionamento econômico. Formula de Bresse

Teoricamente, o diâmetro de uma linha recalque pode ser qualquer, mas de ponto de vista dos custos existe um diâmetro conveniente para o qual o custo total das instalações é um minimo.

Que é a conhecida fórmula de Bresse, aplicável às instalações de funcionamento contínuoK varia de 0.7-1.5

Para o dimensionamento das linhas de recalque de bombas que funcionam apenas algumas horas por dia, propôs-se a fórmula

Sendo:

Diâmetro de uma linha recalque

Exercicio

Dimensionar a linha de recalque esquematizada na figura abaixo com o critério de economia, calcule a potência do motor para as condições seguintes:

Vazão=30l/s

Período de funcionamento=24horas

Altura de sucção = 2.5m

Altura de recalque=37.5m

Altura geométrica = 40m

Informações necessárias a aquisição das bombas

1. Natureza do líquido a recalcar

- água limpa, água suja, esgoto, etc.

2. Vazão necessária

3. Altura manométrica

-Altura de recalque-Comprimento total do encanamento de recalque-Diâmetro da canalização de recalque.-Peças especiais existentes no encanamento de recalque-Material da canalização de recalque e o estado em que se encontra.-Altura de aspiração

-Comprimento total da canalização de sucção-Diâmetro da canalização da sucção-Peças especiais existentes no encanamento de sucção-Material da canalização de sucção e o estado em que se encontra.

4. Periodo de funcionamento da bomba

5. Corrente eléctrica disponivel no local

-Número de fases ( monofásica ou trifásica)-Tensão eléctrica-Ciclagem (50 ou 60 ciclos)

Exercicio1. (7.0V) A curva de uma bomba é representada pelos pares H, Q da tabela abaixo. Estime a

vazão quando a bomba é usada para mover água entre dois reservatórios, através de 370m de

tubulação de aço comercial com 300mm de diâmetro interno, contendo duas curvas de 90º e

uma valvula de gaveta aberta. A altura total de elevação é de 15m. Qual deverá ser a perda de

carga adicional introduzida pela válvula de gaveta se for desejado se reduzir a vazão pela

metade?

H (m) 45 42.7 39.6 35 30.5 22.8 15.25 Q (L/min) 0 3024 4536 6048 7560 9072 10584

O único fabricante de bombas centrífugas de Chimoio possui dois tipos de impulsores de diâmetros D1=0.4m e D2=0.32m. os pontos de funcionamento óptimos obtidos num ensaio a 300rpm são respectivamente Q=30L/s, H=160m e Q=30L/s H=100m. Um cliente seu precisa de uma bomba para elevar um caudal de 25L/s a uma altura de 70m usando um motor a 1500rpm que solução recomendaria ao seu cliente.

2. (6.5V) Calcule o comprimento máximo da canalização de sucção L da figura abaixo com o

objetivo de se evitar cavitação na bomba B.

Dados:

- H = 1,5 m

- Canalização de sucção de ferro fundido novo

- Diâmetro da sucção = 200 mm

- Vazão = 175 m3/h

- Pressão de vapor de Água à 20C = 0.25m

- Altitude local = 600 m

-NPSHreq= 0.8m

- Desprezar as perdas localizadas

1. (7.0V) Uma fábrica extrai água de uma lagoa situada 75 m acima do nível da fábrica.

Actualmente a frábrica é abastecida por uma conduta de ferro fundido de 300 m de comprimento

e 15 cm de diâmetro. Por questões de controle existem na conduta 5 válvulas de cunha e uma

válvula de globo normalmente abertas, 3 cotovelos de 90º standard e 2 cotovelos de 45º

standard. A água é fornecida à pressão atmosférica. O director da fábrica afirma que

presentemente, mesmo sem uma bomba, o sistema de abastecimento de água é capaz de

satisfazer as necessidades máximas da fábrica embora não saiba dizer qual o caudal máximo. No

entanto, espera-se duplicar a produção da fábrica o que implicaria duplicar o caudal de água. O

director pretende saber se seria mais económico instalar uma bomba na linha existente ou instalar

uma nova tubagem de diâmetro maior sem se empregar uma bomba. Para assistir o director

determine:

a) A potência da bomba necessária para duplicar o caudal.

b) O diâmetro da conduta para duplicar o caudal.