Capítulo 5 – Bombas



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Capítulo 5 – Bombas

1. Máquinas Hidráulicastrabalham fornecendo, retirando ou modificando a energia do líquido em escoamento;

2. Classificação:

    1. Máquinas operatrizes introduzem no líquido a energia externa; transformam energia mecânica fornecida por uma fonte em energia hidráulica sob a forma de pressão e velocidade (exemplo: bombas hidráulicas);

    2. Máquinas motrizes  transformam energia do líquido e a transferem para o exterior; (exemplos: turbinas, motores hidráulicos, rodas d’água);

    3. Mistas máquinas que modificam o estado da energia que o líquido possui (exemplos: os ejetores e carneiros hidráulicos);

3. Bombas

3.1 São máquinas operatrizes hidráulicas que fornecem energia ao líquido com a finalidade de transportá-lo de um ponto a outro;

3.2 Recebem energia mecânica e a transformam em energia de pressão e cinética ou em ambas;

3.3 As bombas podem ser classificadas em duas categorias, a saber:



  • Volumétricas - movimentação causada diretamente por um dispositivo mecânico da bomba. Exemplo: bombas de êmbolo ou alternativas e as rotativas

  • Turbo-Bombas - movimentação é desenvolvida em conseqüência da rotação de uma ou mais peças internas, chamadas de roto. Exemplo: bombas centrífugas;

3.4 Bombas Volumétricas

  • Característica de funcionamento  transferência direta da energia mecânica cedida pela fonte motora em energia potencial (energia de pressão);

  • Transferência obtida pela movimentação de um orgão mecânico da bomba, que obriga o fluido a executar o mesmo movimento do qual ele está animado;

  • O líquido, sucessivamente enche e depois é expulso dos espaços com volume determinado no interior da bomba, dai resultando o nome de bombas volumétricas;







3.5. Tubo-Bombas (Bombas centrífugas)

  • Característica de funcionamento: transferência de energia mecânica para o fluido a ser bombeado em forma de energia cinética através de palhetas e impulsores que giram no interior de uma carcaça estanque, jogando líquido do centro para a periferia do conjunto girante.

  • Energia cinética é transformada em energia potencial (energia de pressão) sendo esta a sua característica principal;

  • Um rotor inserido em uma carcaça (corpo da bomba) é o órgão funcional responsável por tal transformação;

  • O rotor, que é um conjunto de palhetas que impulsionam o líquido através da voluta; é fixado no eixo da bomba,

  • A 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. Pode ser do tipo voluta ou do tipo difusor. A de voluta é a mais comum podendo ser simples ou dupla;



Figura - Voluta em caracol



  • Classificações Importantes


Quanto à trajetória do fluido

a) Bombas radiais ou centrífugas: sua característica básica é trabalhar com

pequenas vazões a grandes alturas, com predominância de força centrífuga;

são as mais utilizadas atualmente.

b) Bombas axiais: trabalha com grandes vazões a pequenas alturas.

c) Bombas diagonais ou de fluxo misto: caracterizam-se pelo recalque de

médias vazões a médias alturas, sendo um tipo combinado das duas anteriores.
Quanto ao posicionamento do eixo

a) Bomba de eixo vertical: utilizada em poços subterrâneos profundos.

b) Bomba de eixo horizontal: é o tipo construtivo mais usado.
Quanto à posição do eixo da bomba em relação ao nível da água

a) Bomba de sucção positiva: quando o eixo da bomba situa-se acima do

nível do reservatório.

b) Bomba de sucção negativa ("afogada"): quando o eixo da bomba situa-se

abaixo do nível do reservatório.

(a) (b)

FIGURA - Classificação das bombas com relação à posição do eixo em

relação ao nível d'água.





  • Válvula de pé com crivo  p/ bomba acima do nível do reservatório, ela impede o retorno do líquido quando a bomba é desligada. Tubulação e bomba sempre cheios (escorvados);

  • Crivo  impede entrada de partículas sólidas;

  • Redução excêntrica  > que a entrada da bomba; evita acúmulo de bolhas de ar na entrada da bomba;

  • Motor  fornece energia mecânica à bomba (elétrica ou combustão);

  • Bomba  Adiciona energia ao escoamento da água;

  • Válvula de retenção  protege a bomba contra o retorno da água; mantém a coluna líquida na parada do motor;

  • Registro  visa à manutenção da válvula de retenção e controle de vazão (gaveta);

  • Para bomba auto-escorvada (sucção negativa) dispensa-se a válvula com pé, pois a tubulação se mantém cheia; necessário registro na tubulação para manutenção;

4. Parâmetros Hidráuilicos

4.1 – Altura Manométrica (Hm)  energia absorvida por unidade de peso de líquido ao atravessar a bomba; energia de saída menos a energia de entrada;





Pressão Atmosférica = 0

Energia Cinética = desprezível  V=0

Z2 -Z1= Desnível Geométrico – Hg ; Hm= Hg + h1,2

4.2 – Potência

Para o Brasil – unidade cv





  • Potência Requerida: a bomba deve receber uma potência superior a potência hidráulica, pois há perdas no seu interior;

  • A relação entre Potência Hidráulica (PH) e a Potência absorvida pela bomba (PB) é denominado rendimento ou eficiência da bomba - b;

  • Rendimento varia segundo a Q, Hm, e o tipo de bomba, estando entre 30 e 90%.



  • Para avaliação da potência do conjunto elevatório (motor e bomba) – em cv

, sendo que

4.3 – Dimensionamento econômico da bomba



  • Considerações

    •  pequenos  perda de carga maior  Hm e Potência do conjunto mais elevadas  conjunto mais caro e com maior despesa com energia, embora a tubulação seja menor;

    •  maiores  alto custo para implantação  menor perda de carga  Potencia reduzida  custo menor para aquisição e manutenção;

  • Diâmetro Econômico  é o mais conveniente economicamente;

  • Funcionamento Contínuo  sistema em funcionamento por 24h



  • K depende : fatores econômicos de implantação e manutenção, varia de 0,6 a 1,6  adota-se em geral K=1,2;

  • Funcionamento Descontínuo  reservatórios residenciais ou edifícios

Onde X  nº de horas de funcionamento por dia;

Exercicio 5.1

Dimensionar um sistema elevatório para um edifício residencial, cujo consumo diário é 128.000litros. As características do sistema estão relacionadas a seguir:

- Característica da Sucção:

Altura geométrica de sucção: 3,0m;

Comprimento da tubulação: 6,0m;

Singularidades:

1 válvula de pé com crivo;

4 joelhos de 90º


- Características do Recalque

Altura geométrica de recalque: 40,0m;

Comprimento da tubulação: 48,0m;

Singularidades:

1 registro de gaveta;

1 tê de passagem direta;

8 joelhos de 90º;

1 válvula de retenção tipo leve


Material das tubulações: ferro galvanizado com costura (e=0,15mm)

Viscosidade da água: 1,01x10-6 m²/s;

Tempo previsto para funcionamento das bombas: 5 horas por dia;

Rendimento estimado para o conjunto motor-bomba: 60%

Curvas Características das Bombas


  • Bombas são projetadas para atender: vazões e Hmanométricas previamente definidas;

  • No entanto, elas podem atingir outros valores de vazões e de Hm, além dos pontos projetados;

  • O conjunto dos pontos em que a bomba é capaz de atingir (operar) constitui a faixa de operação das bombas. Além da vazão e da Hm, busca-se obter nos ensaios das bombas as seguintes informações:

  • Desenvolvimento da potência necessária ao acionamento da bomba (PB) com a vazão recalcada Q  PBxQ;

  • Variação do rendimento x Q;

  • Variação do NPHS x Q  cavitação;

  • Gráficos de avaliação;




  • Curvas características de HmxQ traduzem a seguinte fórmula (equação do 2º grau)

Onde a,b e c são obtidos de forma experimental com 03 pares.



  • Análise gráfica – PB x Q  >PB >Q



  • As informações trazidas pelas curvas são essenciais para a escolha da bomba e para o modo de operação da elevatória;

Influência da rotação na curva característica da Bomba

  • Bombas são acionadas por motores, cujas rotações variam segundo o tipo de motor acoplado.



  • A1 e A2 têm a mesma eficiência; B1 e B2 também são considerados homólogos;

  • Um modelo de bomba pode ser acionado por dois tipos de motores, com rendimentos n1 en2; É possível obter para cada ponto da curva à rotação n1, outro ponto equivalente para a curva n2  teoria da semelhança mecânica;




  • Quando não se conhece a curva experimental de rendimento, utiliza-se a seguinte fórmula


Influência do diâmetro do rotor na curva característica







Curva da Bomba x curva do sistema de tubulação



  • Ponto de operação da bomba  interseção da curva característica da bomba com a curva do sistema de tubulação;



Curva do Sistema de tubulação

  • Equação do sistema de tubulação para situação em que os pontos 1 e 2 estão sujeitos à mesma pressão atmosférica (Método dos comprimentos equivalentes);





Operação de Múltiplas Centrífugas



  • Operação: série e em paralelo;

  • Ponto de operação é obtido pela interseção da Curva Característica do sistema (Cs) com a curva resultante da associação das bombas;

  • Bombas em paralelo: quando uma bomba somente não atende a elevatória em termos de vazão ou quando se deseja aumentar a capacidade do sistema por partes AD=AB+AC  a curva resultante é obtida adicionando-se as abcissas (Q) das curvas características de cada bomba para uma mesma Hm;

  • Bombas em série: quando se tem uma altura manométrica muito elevada;Curva resultante: AD=AB+AC – Soma-se as ordenadas Hm das curva características de cada bomba,para uma mesma vazão;





















5 – CAVITAÇÃO

  • Fenômeno de formação de cavas num líquido devido a diminuição da pressão, segundo a pressão de vapor, a uma temperatura constante;

  • Quando Pabsoluta Pvapor do líquido, parte deste se vaporiza, formando bolhas;

  • Têm-se as seguintes conseqüências:

  • As bolhas se expandem e ocupam toda a seção  interrompem o fluxo do líquido;

  • As bolhas danificam a bomba;

  • Provocam barulhos e vibrações (colapso de bolhas);

  • Alteração das curvas características (bolhas e turbulências);

  • Não ocorre cavitação  Pressão reinante> pressão de vapor (tab. 2.3);

  • Figura: P0  exposto a Pa e P1 menor pressão instalada de recalque;

  • Aplicando-se Bernoulli :

,

Z1-Z0= hs; V0=0

P0= Pressão Atmosférica (Patm) , P1 = Pressão de Vapor (Pv)

h 0,1 = hs+h* (fim da tubulação de sucção e a entrada do rotor);

Condição para cavitação P1=Pvapor;



  • Nota-se que somente a Patm é positiva  o facilita o fenômeno da sucção; os demais dificultam;

  • Para que não haja cavitação  posicionar o eixo da bomba numa altura inferior à altura hs;

  • Outra condição de se verificar a cavitação: separação da equação em termos ligados à instalação ou ao líquido bombeado dos termos que dependem da bomba

Líquido = NPSHd bomba = NPSHr



  • NPSHd  (disponível) representa a carga existente na tubulação para permitir a sucção do fluido;

  • NPSHr  (requerida) representa a carga energética que a bomba necessita para succionar o líquido sem cavitar;

  • Depende da velocidade e varia conforme a vazão;

  • São dados fornecidos pelo fabricante da bomba por meio de um gráfico (NPSHr x Q);

  • A equação pode ser reescrita:



  • Encontra-se NPSHd e compara-se com NPSHr (do fabricante), para a mesma vazão da bomba;

  • Quando o fabricante não fornece o gráfico, pode-se calcular um valor aproximado pela expressão:



  • Margem de segurança: líquidos apresentam impurezas (gases) que ocasionam cavitação  importante margem de segurança ( 0,6m no líquido bombeado ou 20% no valor teórico)



6 – Estações Elevatórias

  • Bombas  devem ser abrigadas em edificações;

  • Devem ter iluminação, ventilação e serem espaçosas;

  • Deve-se prever 02 bombas, sendo uma reserva;

  • Se utilizado 03 bombas, cada uma deverá ter uma capacidade para elevar de 50% do valor nominal do sistema;

  • Deve-se ter cuidados com:

  • Poço de sucção;

  • Peças especiais;

  • Canalização de sucção;

  • Canalização de recalque;

6.1 – Poço de sucção:

  • Retangulares, quadrados ou círculos;

  • Dimensões folgadas para o assentamento das peças;

  • Velocidade de entrada no tubo < 0,90m/s;

  • Profundidade útil do poço de sucção;



  • Paredes devem se estender pelo menos 10x o diâmetro da boca de aspiração;

6.2 – Peças especiais: crivo, registros, válvulas de pé;

6.3 – Assentamento de bomba: assentadas em nível, em perfeito alinhamento com os motores; necessário execução de base de assentamento que absorva as vibrações;

6.4 – Canalização da Sucção:

  • A mais curta possível, evitando-se peças especiais;

  • Tubulação ascendente até atingir a bomba;

  • Diâmetro de sucção > diâmetro de recalque;

7 – Velocidade máxima nas tubulações

  • Velocidade da água na boca de entrada das bombas – 1,50 à 5,0 m/s; toma-se 3,0m/s como temo médio;

  • Boca de saída: velocidades são mais elevadas, podendo atingir o dobro dos valores de entrada;

  • Tubulações e recalque de grandes extensões  dimensionadas pelo critério econômico, utilizando-se o diâmetro comercial mais vantajoso; velocidades são mais baixas – de 0,65 à 1,50 m/s;

8 – Golpe de Aríete

  • Fd

  • Yt

  • yty




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