PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS Graduação em Engenharia Mecânica
ASSOCIAÇÃO DE BOMBAS EM SÉRIE E PARALELO
Aluno: Lucas Tadeu R. E. de Souza Laboratório de Fluidomecânicos - Turma 03 Professor: Leandro Pires Gonçalves
Belo Horizonte 2014
1. INTRODUÇÃO. A prática realizada no dia 07 de maio do ano corrente, intitulada “ ASSOCIAÇÃO DE BOMBAS EM SÉRIE E PARALELO”, tem como objetivo
analisar o comportamento das bombas associadas em série e em paralelo. Para isso foram simuladas situações na bancada do laboratório apresentada neste trabalho, que possibilitaram arrecadar dados de vazão (Q), Pressões (M) e (V), para a obtenção das curvas características para rotação de 2800 rpm e para a rotação de 1400 rpm das bombas 1 e 2, submetendo as bombas ao trabalho associadas em série e associadas em paralelo. Para o êxito esperado são necessários alguns cuidados para que os valores obtidos nos medidores sejam os mais exatos possíveis.
2. CONCEITUAÇÃO TEÓRICA. A associação de bombas seja em paralelo ou em série tem a finalidade de aumentar a vazão recalcada e ampliar a capacidade do sistema de vencer desníveis e grandes pressões.
2.1 Associação em série. A associação em série é implantada para resolução de problemas de instalações com alturas manométricas elevadas ou quando se torna necessário o desenvolvimento de grandes pressões, para isso aumenta a energia fornecida ao fluido. Para a associação em série existem duas maneiras: - Colocação de mais de um rotor no mesmo eixo da bomba, neste caso teremos uma bomba multicelular, que traz como vantagem a eliminação da multiplicação das casas de bombas e a unificação das unidades de acionamento e controle, elevando o rendimento e reduzindo os custos.
Figura 1: Associação em série em uma mesma carcaça.
- Colocação de duas ou mais bombas independentes interligadas. Nesse caso,
a descarga de cada bomba é conectada à sucção da seguinte, de modo que a vazão será a mesma em todas as bombas, enquanto que a pressão total do sistema será a soma das pressões desenvolvidas pelas bombas associadas.
Figura 2: Associação em série de bombas independentes.
Para se obter a curva característica de duas bombas associadas em série, Hman = f (Q), para bombas iguais ou diferentes, é necessário somar as alturas manométricas correspondentes aos mesmos valores de vazão.
Figura 3: Processo de obtenção da curva da associação em série.
2.1 Associação em paralelo. A associação em paralelo é utilizada no abastecimento de água de cidades, bem como serviços industriais, o objetivo é aumentar a vazão recalcada e possibilitar maior flexibilidade através da retirada ou colocação das unidades em funcionamento, que demanda uma manutenção preventiva. Pode ser feita de duas maneiras diferentes: - Colocação de um rotor de dupla sucção. Justaposição de dois rotores pelo
costado, que traz a vantagem do equilíbrio dos empuxos axiais.
Figura 4: Associação em paralelo em uma mesma carcaça.
- Colocação de duas ou mais bombas independentes interligadas. Nessa associação, a tubulação de recalque de cada bomba é conectada à tubulação de recalque do sistema, de modo que a pressão, na saída, será a mesma em todas as bombas, enquanto que a vazão total será a soma das vazões desenvolvidas pelas bombas associadas.
Figura 5: Associação em paralelo de bombas independentes.
A curva característica, Hman = f (Q), do conjunto, é obtida a partir das curvas de cada uma das bombas, somando-se as vazões correspondentes aos mesmos valores de alturas manométricas, conforme figura 6.
Figura 6: Processo de obtenção da curva da associação em paralelo.
3. DESCRIÇÃO DO EXPERIMENTO. ESQUEMA DA BANCADA DE TESTE DO LABORATÓRIO
FIGURA 7: Vista de frente da bancada de teste da associação de bombas.
3.1 Equipamentos da bancada de teste 1) Conjunto moto bomba 1. 2) Conjunto moto bomba 2. 3) Reservatório. 4) Medidores de vazão. 5) Medidores de pressão. 6) Registros controladores de vazão. 7) Quadro elétrico de comando e controle.
3.2 Partes Componentes da Bancada 3.2.1 Conjunto moto bomba 1. É uma bomba centrífuga acionada por um motor elétrico de dupla velocidade de rotação que apresenta as seguintes características.
Diâmetro externo do rotor = 130 mm; Número de palhetas = 7; Rotação de acionamento baixa = 1400 rpm; Pressão máxima para a baixa rotação = 0,6 kg/cm2; Vazão máxima para baixa rotação = 21; Potência máxima para baixa rotação = ... Hp; Rotação de acionamento alta = 2800 rpm; Pressão máxima para a alta rotação = 2,5 kg/cm2; Vazão máxima para a alta rotação = 40; Potência máxima para a alta rotação = 5,5 Hp.
3.2.2 Conjunto moto bomba 2. Também é uma bomba centrífuga com características análogas à anterior, que ao invés de ter acionamento por um motor elétrico é acionada por um motor dinamométrico capaz de permitir o valor do torque no seu eixo de rotação.
3.2.3 Reservatório. Recipiente com capacidade para 1200 litros, particionado em duas partes, sendo uma para vazão recalcada e outra para a vazão aspirada. Possui interligação entre as partes que permite o nível constante de água e funcionamento contínuo.
3.2.4 Medidor de vazão. O medidor utilizado são dois medidores tipo rotâmetro instalados em derivação na saída de cada bomba. O rotâmetro, também conhecido como fluxômetro, consiste em um tubo de vidro de seção crescente dentro do qual existe um flutuador de metal que se movimenta conforme a velocidade do fluido
3.2.5 Medidores de pressão. Estão instalados na bancada dois vacuômetros, sendo um na entrada da bomba 1 e outro na entrada da bomba 2, e dois manômetros, sendo um manômetro na saída da bomba 1 e o outro na saída da bomba 2. São do tipo Bourdon e fornecem a altura manométrica das bombas.
3.2.6 Registros controladores de vazão. A bancada possui três registros maiores do tipo gaveta para controlar a vazão do sistema ou para a manutenção e ainda dois registros menores para associar as bombas em série ou paralelo. Para as associações os registros devem apresentar a seguinte configuração: - para associação em série os registros 10 e 12 fechados; registros 9, 11, 13 e 14 abertos. - para a associação em paralelo o registro 11 fechado; registros 9, 10, 12 ,13 e 14 abertos.
FIGURA 5: Esquema analítico do conjunto da bancada de teste da associação de bombas.
LEGENDA DA FIGURA ACIMA: 1. Conjunto moto-bomba 1. 2. Conjunto moto-bomba 2. 3. Reservatório de aspiração. 4. Reservatório de recalque. 5. Medidores de vazão tipo rotâmetro. 6. Manômetros. 7. Vacuômetros. 8. Manovacuômetro. 9. Registro gaveta na linha da aspiração da bomba 1. 10. Registro gaveta na linha da aspiração da bomba 2. 11. Registro gaveta para a associação em série ou em paralelo. 12. Registro gaveta para controle de vazão da bomba 1. 13. Registro gaveta para controle de vazão da bomba 2 e para controle de vazão da associação em série ou paralelo. 14. Registro para comunicação entre os reservatórios. 15. Válvula de pé.
3.2.7 Quadro elétrico de comando e controle O quadro elétrico de comando é composto de: um amperímetro; um voltímetro; dois wattímetros para a determinação da potência elétrica absorvida em cada conjunto moto-bomba; um interruptor geral; um comando de proteção e seletivo para as duas velocidades de cada conjunto moto-bomba. A alimentação elétrica padrão é trifásica –220/380 v –, a frequência é de 50 ou 60 Hz e a potência máxima requerida é de 8,5 kW.
Foto: Quadro elétrico de comando e controle.
3.3 Procedimento Experimental 3.3.1 Procedimentos iniciais, cuidados especiais que antepõem o experimento: Verificar a abertura do reservatório. Verificar se a conexão elétrica está efetuada de modo correto segundo o esquema da bancada e segundo a tensão disponível.
Verificar a funcionabilidade dos aparelhos de medição segundo instrução particular de cada instrumento.
Inserir alimentação elétrica transmitida pelo interruptor geral.
Controlar a tensão da linha por meio de um voltímetro.
Controlar a lubrificação das bombas.
Colocar em funcionamento sucessivamente as duas bombas, ligando primeiro a bomba 1 e em seguida a bomba 2, tendo o cuidado de verificar o posicionamento de abertura dos registros para evitar o refluxo.
Verificar se as bombas estão escorvadas.
3.3.2 Obtenção das curvas Hman = f(Q) para a rotação de 1400 rpm ou para a rotação de 2800 rpm para a bomba 1: Para colocar em funcionamento somente a bomba 1, deve-se inicialmente fechar os registros 10, 11 e 13 e abrir os registros 9, 12 e 14. Ligar o conjunto posicionando a chave de comando na rotação desejada, conforme indicação no painel de controle.
Com o REGISTRO (13) FECHADO, fazer as leituras do Manômetro (M) em kgf/cm2 – instalado à saída da bomba 1 - do Vacuômetro em mmHg – instalado à entrada da bomba 1 - e do Rotâmetro (Q’) em m3/h – instalado à saída da bomba 1. Obtidas as leituras, fazer a anotação na folha de teste.
Abrir parcialmente o registro (13), repetir a operação para diversas posições de abertura deste registro e anotar os resultados na folha de teste.
Repetir a operação para os resultados duvidosos.
3.3.3 Obtenção das curvas Hman = f(Q) para a rotação de 1400 rpm ou para a rotação de 2800 rpm para a bomba 2: Para colocar em funcionamento somente a bomba 2, deve-se inicialmente fechar os registros 9, 11, 12 e 13 e abrir os registros 10 e 14. Ligar o conjunto posicionando a chave de comando na rotação desejada, conforme indicação no painel de controle. Com o REGISTRO (13) FECHADO, fazer as leituras do Manômetro (M) em kgf/cm2 – instalado à saída da bomba 2 - do Vacuômetro em mmHg – instalado à entrada da bomba 2 - e do Rotâmetro (Q’) em m3 /h – instalado à saída da bomba 2. Obtidas as leituras, fazer a anotação na folha de teste.
Abrir parcialmente o registro (13), repetir a operação para diversas posições de abertura deste registro e anotar os resultados na folha de teste.
Repetir a operação para os resultados duvidosos.
3.3.4 Obtenção das curvas Hman = f(Q) para a rotação de 1400 rpm ou para a rotação de 2800 rpm para as bomba 1 e 2 associadas em paralelo: Para colocar em funcionamento as bomba 1 e 2 em paralelo, deve-se inicialmente fechar os registros 11, 12 e 13 e abrir os registros 9, 10 e 14. Ligar os conjuntos posicionando as chaves de comando na rotação desejada, conforme indicação no painel de controle.
Com os REGISTROS (12 e 13) FECHADOS, fazer as leituras do Manômetro (M) em kgf/cm2 – instalado à saída da bomba 2 - do Vacuômetro em mmHg – instalado à entrada da bomba 2 - e dos Rotâmetros (Q 1’ e Q2’) em m3 /h – instalados à saída das bomba 1 e 2. Obtidas as leituras, fazer a anotação na folha de teste.
Abrir totalmente o registro (12) e parcialmente o registro (13) e repetir a operação para diversas posições de abertura desse registro, anotando os resultados na folha de teste.
Repetir a operação para os resultados duvidosos.
3.3.5 Obtenção das curvas Hman = f(Q) para a rotação de 1400 rpm ou para a rotação de 2800 rpm para as bombas 1 e 2 associadas em série: Para colocar em funcionamento as bombas 1 e 2 em série, deve-se inicialmente fechar os registros 10, 12 e 13 e abrir os registros 9, 11, e 14. Ligar os conjuntos posicionando as chaves de comando na rotação desejada, conforme indicação no painel de controle.
Com o REGISTRO (13) FECHADO, fazer as leituras do Manômetro (M) em kgf/cm2 – instalado à saída da bomba 2 - do Vacuômetro em mmHg – instalado à entrada da bomba 1 - e do Rotâmetro (Q’) em m3 /h – instalado à saída da bomba 2. Obtidas as leituras, fazer a anotação na folha de teste.
Abrir parcialmente o registro (13) e repetir a operação para diversas posições de abertura do mesmo anotando os resultados na folha de teste.
Repetir a operação para os resultados duvidosos.
3.3.6 Construção das curvas Hman = f(Q) para a bomba 1, para a bomba 2, para a associação em paralelo e para a associação em série: Após a realização dos testes, completar as demais colunas da folha de teste, tendo o cuidado com a homogeneidade das unidades das diversas grandezas. Com os dados da folha de teste construir as curvas Hman = f(Q), para a bomba 1, para a bomba 2, para a associação em paralelo e para a associação em série.
4. DADOS OBTIDOS Fórmulas utilizadas: Para encontrar a altura manométrica (Hman) . Hman
M
V
Onde, M: leitura do manômetro e V: leitura do vacuômetro. Obs.- se atentando as transformações das unidades de medidas para o cálculo do Hman em mca. Foi considerado: 1 kgf/cm2 = 10 mca e 760 mmHg =10 mca
Para encontrar a vazão em m ^3/s.
Para encontrar a vazão Q’ total em m^3/h.
Folha de teste BOMBA 1 MANÔMETRO M’ M Kgf/cm2 mca
0,5 0,45 0,2 0,15 0,1 0,1 0,1
5,0 4,5 2,0 1,5 1,0 1,0 1,0
VACUÔMETRO V’ V mmHg mca
0 0 65 80 83 85 85
0 0 0,85 1,05 1,09 1,11 1,11
BOMBA 2 ALTURA VAZÃO MANÔMETRO MANOMÉTRICA Q’ M’ Hman M mca m3 /h Kgf/cm2 mca
VACUÔMETRO mmHg
V mca
ALTURA VAZÃO MANOMÉTRICA Q’ Hman mca m3 /h
5,00 4,50 2,85 2,55 2,09 2,11 2,11
0 0 50 75 85 90
0 0 0,66 0,98 1,11 1,18
5,80 6,00 3,66 3,18 3,11 3,08
0 9,29 27 30 31,2 31,4 31,5
0,58 0,6 0,3 0,22 0,2 0,19
5,8 6,0 3,0 2,2 2,0 1,9
ASSOCIAÇÃO EM PARALELO Kgf/cm2
M mca
0,50 0,50 0,40 0,30 0,20 0,19
5,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,9
M’
0 8 26,8 30,3 31,5 31,7
ASSOCIAÇÃO EM SÉRIE
Hman mca
Q’1
Q’2
mmHg
V mca
m3 /h
m3 /h
0 0 40 65 85 90
0 0 0,52 0,85 1,11 1,18
5,00 5,00 4,52 3,85 3,11 3,08
0 12 18 22 25 26
0 11 18 23 26 27
V’
V’
M’ Q total m3 /h Kgf/cm2
0 23 36 45 51 53
1,20 1,20 0,70 0,40 0,38 0,30 0,30
M mca
12,0 12,0 7,0 4,0 3,8 3,0 3,0
mmHg
V mca
Hman mca
m3/h
0 0 60 100 110 115 117
0 0 0,78 1,31 1,44 1,51 1,53
12 12 7,78 5,31 5,24 4,51 4,53
0 4,9 26,0 34,4 35,6 36,0 36,2
V’
Q’
Gráficos de análise: Bomba 1- Hman =f(Q)
Hman(mca)
Q(m^3/h) y=4,9705-0,0248*X-0,0020*X^2 Bomba 2- Hman =f(Q)
Hman(mca)
Q(m^3/h) Y=5,8893+0,0212*X-0,0035*X^2
Para a associação em paralelo Hman =f(Q1)
Hman(mca)
Q(m^3/h) Y=4,9916+0,0746*X -0,0058*X^2
Hman =f(Q2)
Hman(mca)
Q(m^3/h) Y=4,9856+0,0607*X -0,0049*X^2
Hman =f(Q total)
Hman(mca)
Q(m^3/h) Y=4,9885+0,0336*X -0,0013*X^2
Para a associação em série Hman =f(Q )
Hman(mca)
Q(m^3/h) Y= 12,1377-0,0471*X-0,0044*X^2
5. ANÁLISE DOS DADOS Existem três tipos de erros que podem influenciar na medição, são eles o erro sistemático, erro aleatório e o erro grosseiro. Analisando sistematicamente cada tipo de erro no experimento a começar pelo erro sistemático que ocorre por um desgaste do sistema, por falta de calibração do instrumento ou ainda fatores ambientais, conclui-se que este seja o fator mais determinante para alguns pontos destoantes das curvas traçadas. O erro aleatório que se deve ao atrito entre superfícies, pelas folgas, instabilidade interna do sistema e condições
ambientais,
não
possui
uma
importância
relevante,
se
considerarmos que todas medições estão submetidas a condições muito próximas. Por fim o erro grosseiro decorrente de uma leitura errada da medição ou descuido na manipulação dos instrumentos, não ocorreu tendo em vista os dados obtidos. Comparando os gráficos sobre as curvas características das bombas em especial os de Hman =f(Q ) que já conhecemos seu modelamento, verificou-se o que era esperado, quando as bombas estão associadas em paralelo o objetivo de aumenta a vazão foi alcançado, mesmo para uma mesma altura manométrica e para associação em série se obteve vazões consideráveis para maiores alturas.
6. CONCLUSÃO Constatou-se pelo presente experimento que dependendo da aplicação alguns detalhes construtivos da instalação podem fazer muita diferença, como a associação em série ou em paralelo de bombas, que não precisão ser iguais.
7. REFERÊNCIAS MARA, Célia. Laboratório de Fluidomecânicos: Pratica de Mecânica dos Fluidos. Material didático do curso de Graduação em Engenharia Mecânica, PUC-MG. Belo Horizonte, 2010.
