Maquinas de Fluxo 2_ BOMBAS

BOMBAS CLASSIFICAÇÃO, DESCRIÇÃO E SELEÇÃO

MARCELO M. GALARÇA

Instalação de Bombeamento Típica (1) (1) Casa Casa de bom bomba bass (M)-Motor (B)-Bomba (2) Poço (resev. de sucção) (3) Linha de sucção (VPC) (VPC) – Válv. de pé com com crivo crivo (CL) (CL) – Cotove Cotovelo lo 90° 90° (RE) – Redução Redução excêntrica excêntrica (4) Linha de recalque (VR) (VR) – Válv. Válv. reten retenção ção (R)) – Regi (R Regist stro ro (C) – Cotovelo, Cotovelo, curva... curva... (5) Reservatório de recalque

Instalação de Bombeamento Típica (1) (1) Casa Casa de bom bomba bass - Edific ificaç açõões desti estina nad das a ab abrig rigar o conjunto motor-bomba (M) Motor de acionamento - Encarregado pel peloo ac acionamento ento - Elétrico - Combustão: Gasolina (diesel) - Turbina hidr. ou a gás - A escolha depende de: - Custo de energia - Grau de mobilidade - Segurança - Comodidade operacional - Etc.

Instalação de Bombeamento Típica (B) Bomb (B) Bombaa - Sucção do fluido: do reservatório de sucção, impulsionando com o rotor até o rese reserv rvató atóri rioo de reca recalq lque ue.. (VPC) Válv. pé com crivo - Unidirecional; permite a passagem do fluido no sentido ascendente. - Mantém a carcaça da bomba e a linha de sucção cheias (bomba escorvada), . - Evita que a bomba aspire ar.

Válvula de pé com crivo

Instalação de Bombeamento Típica (RE) Redução excêntrica - Liga o final da linha de sucção à boca de entrada da bomba. A excentricidade visa evitar a formação de bolsas de ar. - Aplicadas geralmente para linhas de sucção com diâmetros acima de 4”. (VR) Válvula de retenção - Unidirecional. Instalada na saída da bomba, antes do registro de recalque (R). - Impede que o peso da coluna de recalque recaia sobre a bomba (evitando vazamentos) - Impedir o refluxo do fluido no caso de defeito na VPC.

Redução excêntrica

Instalação de Bombeamento Típica (R) Registro de recalque - Controle da vazão de recalque, abrindo ou fechando. - Após a válvula de retenção (VR). - Existem diferentes tipos, o mais comum é o registro de gaveta. Existem outros acessórios, vai depender da finalidade e complexidade do sistema. Porém estes re resentam uma com osi ão comum.

Bombas: Deslocamento positivo (volumétrica)

Bomba de êmbolo

Bomba de engrenagem rotativa

Bomba de rolete

Surgiram no início da era industrial, séc. XIX. Usadas para deslocamento de fluidos altamente viscosos. Bomba helicoidal

Bombas: Centrífugas Voluta e Rotor de uma Bomba Centrífuga

Bombas Tipos de Rotor

Rotor Fechado

Rotor SemiSemi-aberto

Bombeamento de líquidos limpos

Depois do rotor fechado é o mais comum.

Rotor Aberto Baixa resistência estrutural Pode provocar recirculação a carcaça da bomba.

Energia Cedida pela Bomba ao Fluido

Energia Cedida pela Bomba ao Fluido 

Bomba Acima do Nível do Reservatório de Aspiração


Bomba Abaixo do Nível do Reserv. de Aspiração (Afogada)


Leitura Instrumental da Altura Manométrica em Bombas

1

2

Curva do Sistema 

As curvas apresentam duas partes distintas Com o fluido em movimento, gerando carga de velocidade nos reservatórios de descarga e sucção e as perdas de carga. 2

J a Independe da vazão do sistema; carga de pressão nos reservatórios de descarga e sucção, e a altura geométrica.

ha

+

J r +

+ hr +

va

2

− vr

2g

p3 − p0

ρ g

Associação de Sistemas 



Sistemas de bombeamento muitas vezes são compostos por várias tubulações interligadas, cada uma com os respectivos acessórios (curvas, reduções, válvulas, etc.) com naç o e s s emas eve ser e a e mo o separado, ou seja, a obtenção da curva de cada trecho e após isso, faz-se as devidas associações.  

Série Paralelo


Associação em Série 

Para cada vazão, o valor de altura manométrica total será a SOMA das alturas de cada sistema

Associação de Sistemas


Associação em Paralelo 

Para cada altura manométrica, o valor da vazão total do sistema será a soma da vazão de cada tubulação.



Associação Mista 

A associação é a combinação dos anteriormente descritos. 

Inicialmente faz-se a associação dos sistemas paralelos 2 e 3, e chamamos de sistema 5.


Associação Mista 

Basta, após, associar os sistemas 1 + 5 + 4 em série.


Bombeamento simultâneo a 2 ou mais reservatórios distintos

Neste sistema a bomba pode alimentar ambos os reservatórios ou cada um individualmente.


Para resolver podemos proceder... Somente para o Res. 1: Traça-se a curva da tubulação 1 com base no Res. 1.  Somente para o Res. 2: Traça-se a curva da tubulação 2 com base no Res. 2.  Ambos os reservatórios sendo abastecidos: Nota-se que os sistemas estão em paralelo, traça-se a curva resultante do sistema em paralelo. 


Apenas para ressaltar a importância das curvas, sobrepomos elas à curva da bomba!

Curvas de Bomba 

Obtenção da curva característica 

Muito semelhante aos ventiladores, o sistema para obtenção de curva para bombas é basicamente o apresentado abaixo. -

Curvas de Bomba 


Com os vários pontos, traça-se a curva.

Curvas de Bomba 


Diâmetros diferentes de um mesmo equipamento 

Famílias

Curvas de Bomba 

Tipos de curvas Instável (drooping)

Estável

Flat

Acentuada

Instável

Curvas de Bomba 

Tipos de curvas de Potência “No over loading”

“Over loading”

(bombas de fluxo misto)

(bombas de fluxo radial)

bombas de fluxo axial

Curvas de Bomba 

Cálculo da potência 

Potência hidráulica: o trabalho feito por uma bomba centrífuga é o produto do peso líquido deslocado, pela altura desenvolvida.

 Pot H= ρ Qh T  Pot  

W; ρ ≡

m

3

;Q ≡

m3 s

;h

T≡

m2 



2

s 

Potência consumida: para calcular o consumo basta utilizarmos o rendimento da bomba, obtido através do fabricante.

PotConsumo

η G

H≡

kg

ρ gH manQ = [ H man ≡ m ] η G

= 80 − 0,9367 +5,802E-3 3

H

man

2 man

H

+ 5, 46E-3

− 3, 028E-5

(

(

Pot Consumo

=

Pot H

Pot Consumo

η

2

QH man × 0,37

Q[m³ / h]; Pot[cv]

2 QH − 1, 514E-5 ( Q man H ) + man )

QH man ) + 8, 346E-8 (

=

Q man H )

2

2

Q : (m s); H man : (m); Validade: 20 < Q < 250 e 15
< 100

η

Curvas de Bomba 

Curvas de Rendimento 

Como vimos o rendimento é dado pela razão entre a Potência Hidráulica e a consumida. Graficamente, a curva se apresenta como abaixo. Muito semelhante aos ventiladores!

η =

Pot H Pot Consumo

Curvas de Bomba 

Curvas de Iso-rendimento 

Podem ser encontradas, em catálogos, curvas de rendimento para um único diâmetro de bomba, ou para um conjunto de diâmetros (mais comum)

Exemplo de curva de catálogo

Ponto de Operação

Alterações do Ponto de Operação 

Modificação atuando no sistema: 

Fechamento parcial da válvula de descarga, aumentando a perda de carga. Para uma bomba com curva estável, ocorre um decréscimo na vazão.


Modificação atuando no sistema: 

A curva do sistema pode ser modificada de outras formas. Porém, nem todas elas representam a modificação do sistema em exemplo, mas sim... a existência (ou criação) de um OUTRO sistema. Por exem lo:     

Variações nas pressões dos reservatórios; Mudança no diâmetro das linhas; Inclusão ou adição de acessórios na linha; Modificação do Lay-out das linhas; Outras...


Modificação atuando na bomba: 

Modificar o sistema, utilizando a bomba pode ser feito de duas principais formas: mudar a rotação; mudar o diâmetro.

Rotação 1 > Rotação 2

Diam 1 > Diam 2

Leis de Afinidades Relações Entre Vazão, Pressão, Potência, Diâmetro e Rotação

Cálculo do Diâmetro do Rotor 

O seguinte procedimento pode ser utilizado: Ex: 110m3/h, 25m


Achamos o ponto: Q1= 113 m³/h, H1=25,5m


Calculamos usando as duas equações abaixo. 

Optamos pelo resultado de maior diâmetro, por segurança;

Velocidade Específica (rotação espec.) 

Bombas geometricamente semelhantes  características de desempenho semelhantes. 

Uma base de comparação entre os vários tipos de bombas centrífugas, é dada pelo fator que relaciona os três principais características do desempenho de uma bomba:  

a altura manométrica; e a rotação.


Gráfico para seleção: 

Variam MUITO as faixas de seleção, de autor para autor. O recomendado é SEMPRE consultar o fabricante antes de tomar a decisão por este ou aquele equipamento!

nq (rpm) < 10

Tipo de bomba (rotor) Des ocamento pos t vo parafusos, palhetas, etc.

m o o,

engrenagens,

10 a 40

Centrí fuga radial ou pura

35 a 85

Centrí fuga tipo Francis, ou seja, a helicoidal.

80 a 150 125 a 500

Centrí fuga de fluxo misto ou semi-axial Axial

ó u os,


Gráfico para seleção:

Cavitação 

Um aumento de velocidade é acompanhado por uma diminuição na pressão. 



Ex. Asa de avião. A força de pressão na região inferior da asa é maior do que a da superior  sustentação. Se a diferença entre estas velocidades é alta, a diferença entre as . 



Efeitos compressíveis para gases e a cavitação nos escoamentos de líquidos.

A cavitação ocorre quando a pressão no fluido é reduzida a pressão de vapor e o líquido evapora. 

É possível identificar isto utilizando a equação de Bernoulli.

Cavitação 

Aumento da velocidade devido redução de área 

a pressão diminuirá (em coordenadas de linha de corrente!). Esta diminuição pode ser baixa o suficiente para atingir o valor da sua pressão de vapor. 

Exemplo simples: mangueira de jardim. (som típico de cavitação)

Cavitação 

O fenômeno... Ebulição (apesar da temperatura ser baixa)...  ... temos a formação de bolhas de vapor nas zonas de baixa pressão.  Quando o fluido escoa para uma região de pressão mais alta (baixa , ...  produzindo implosões que causam transientes de pressão na vizinhança das bolhas.  ... geração de ruído em excesso...  ... as bolhas colapsando próximas de uma fronteira física elas podem, depois de um certo tempo, danificar a superfície na área de cavitação (danificação do rotor, voluta, eixo, etc.). 

Cavitação 

Exemplo

Cavitação 

Exemplo

1

3

2

4

Cavitação 

Rotor cavitado

Cavitação 

Logo, definimos: 

 

Cavitação: processo de vaporização vaporização do fluido quando a pressão absoluta baixa até alcançar a pressão de vapor do líquido, na temperatura em que se encontra. Nome: Cavitação  produzir CAVIDADES.

Provoca: Remoção de pedaços de rotor e tubulação junto à entrada da bomba;  Afeta o rendimento (altera a curva característica);  Trepidação e vibração do sistema;  Ruídos;  Aumento da potência do eixo (bombas);  Queda da potência do eixo (turbinas);  No caso da água a corrosão por cavitação varia em função da temperatura com maiores efeitos para temperaturas próximas de 45ºC. 

Cavitação 

Materiais que resistem a corrosão por cavitação: Ferro fundido;  Alumínio;  Bronze;  Bronze-fosforoso;  Bronze-Manganês;  Aço fundido;  Aço doce laminado;  Aço-Níquel-Cromo;  Ligas de aço inoxidáveis especiais. 



Bombas que trabalham com material químico 

Revestimento de neoprene.

Cavitação 

Condições de cavitação 

A queda de pressão, desde a entrada da sucção até a entrada da bomba depende de: Altura estática de sucção; Com rimento da tubula ão; Rugosidade dos tubos; Perdas localizadas (acessórios).

   





O projeto adequado da linha de sucção minimiza o aparecimento da cavitação. Normalmente bombas bombas afogadas não correm o risco de cavitar.

Cavitação 

A curva da bomba “sente” o efeito. 

Como a água vaporiza à pressão e temperatura constantes... Ao iniciar a cavitação em determinado ponto, isso é observado diretamentee na curva. diretament

Net Positive Suction Head (NPSH) 

Caracterizar as condições para que ocorra boa "aspiração“. 

NPSH (APLS – Altura Positiva Líquida de Sucção) 





Esta grandeza representa a disponibilidade de energia com que o lí uido enetra na boca de entrada da bomba. É a pressão mínima em termos absolutos, em mCA, acima da pressão de vapor do produto, a fim de evitar a formação de bolhas de vapor.

Podemos dividir em:  

NPSHr – Requerido (ou NPSR – Net Positive Suction Required) NPSHd – Disponível (ou NPSA – Net Positive Suction Available)

NPSHr x NPSHd

•NPSR (NPSHr) – Requerido •Característica da bomba dado pelo fabricante; • Varia com a velocidade e a vazão; •NPSA NPSHd – Dis onível •Característica do sistema; •Refere-se as condições na entrada do flange de sucção;


Aplicando a eq. da energia entre os pontos:  

[0]: sup. Livre no reservatório de captação [1]: entrada da bomba (altura do centro da bomba) 2

h0

+

H 0

H0

=

+

2

=

2g

H man

=

ha

+

γ

+

+

2g

Ja

patm

γ

h0

=0

já que é o ponto (0), nosso referencial

V 0

=0

(velocidade superficial do fluido no reservatório nula)

Net Positive Suction Head (NPSH) Com a equação anterior...





PRESSÃO ESTÁTICA ABSOLUTA (entrada da bomba) p1

2

=

γ 

Hatm

−

ha

−

Ja −

V 1

2g

ALTURA TOTAL DE ASPIRAÇÃO (fornecida pelo vacuômetro) 2 p1 V 1 Ha = Hatm − = ha + Ja + ρ g 2g



ENERGIA TOTAL ABSOLUTA (na entrada da bomba) p1

ρ g

2

+

V 1

2g

=

Hatm

−

ha

−

Ja


Altura Positiva Líquida de Aspiração ou Sucção Disponível  



NPSHd  Sistema! Diferença entre a energia total absoluta e a pressão de vapor do líquido (hv) Disponibilidade da energia com que o líquido penetra na boca de entrada da bomba

 p1 NPSHd =  ρ g 

+

2 V 1 

− 2g 

v

h NPSHd ≥ Hatm

−

ha − Ja

−

hv

Caso geral de NPSHd:  

Quando H 0 for diferente de H atm; Quando a bomba estiver acima (-) ou abaixo (+) do nível do reservatório.

NPSHd≥ p h − Ja − vh) 0 γ − ( ± a


Altura Positiva Líquida de Sucção Requerida  

NPSHr  Bomba! Para defini-lo devemos identificar as parcelas de energia envolvidas. 2

V 0

∆h

Parcela de energia necessária para que o líquido penetre na bomba Parcela de energia necessária para vencer as perdas de energia provindas da variação da velocidade relativa (W 1) e perdas devido ao aumento de velocidade absoluta C 1.

 W12 ∆h =  λ1  2g

+ λ 2

2 C 1 



2g 

Pressões dinâmicas devido à velocidade absoluta na entrada do rotor. W 1 

λ1 , λ 2

→ coeficientes

empíricos C  devido à turbulência entre entrada e pás. 1


Altura Positiva Líquida de Sucção Requerida 

NPSHr  Bomba! NPSH req = ∆

 W12 =h  λ1  2g

+ λ 2

C 12 



2g 

Este termo geralmente é negligenciado, por ser 2 g pequeno.

V 0

NPSHr  dado graficamente pelo fabricante


Condição para evitar cavitação NPSHd≥ NPSHr + 0, 6 Fator de segurança em írico



Pelo equacionamento já apresentado, pode-se chegar em: 2   V 0 ha < H man −  J a + hv + + σ H man  2g  

σ =

∆h

H man

Esse termo representa o NPSHr. (método teórico, mas não muito usual!)

Número de Thoma ou Fator de Cavitação da Bomba


Condição para evitar cavitação 2   V 0 ha < H man −  J a + hv + + σ H man  2g   

h = ne ativo: a bomba deve ser instalada abaixo do nível do lí uido



(afogada) ha = positivo: a bomba deve ser instalada acima do nível do líquido.

σ =

∆h

H man

Esse valor é obtido através de gráficos em função da rotação específica. Não devemos utilizar esse método para obter o NPSHr, é SEMPRE recomendado usar valores do fabricante.


A nível de curiosidade... ϕ

Tipo de Bomba

0,0011

Centrífugas radiais

,

e co a s e co-ra a s

0,00145

σ

4

= ϕ nq 3

Axiais


EXEMPLO: 

Suponhamos que uma bomba de modelo hipotético Ex.1 seja colocada para operar com 35 m c.a. de H MAN , vazão de 32,5 m³/h, altura de sucção de 2,0 metros e perda por atrito na sucção de 1,5 m c.a.. A altura em relação ao nível do mar onde a mesma será instalada é de º


EXEMPLO: 

Suponhamos que uma bomba de modelo hipotético Ex.1 seja colocada para operar com 35 m c.a. de H MAN , vazão de 32,5 m³/h, altura de sucção de 2,0 metros e perda por atrito na sucção de 1,5 m c.a.. A altura em relação ao nível do mar onde a mesma será instalada é de º


EXEMPLO: 

Suponhamos que uma bomba de modelo hipotético Ex.1 seja colocada para operar com 35 m c.a. de H MAN , vazão de 32,5 m³/h, altura de sucção de 2,0 metros e perda por atrito na sucção de 1,5 m c.a.. A altura em relação ao nível do mar onde a mesma será instalada é de º NPSHd≥ Hatm H atm

= 9,58

−

ha − Ja

−

hv

mca (retirado da tabela)

hv

=

0, 433 mca (retirado da tabela)

ha

=

2m

J a

= 1,5mca

NPSHd ≥ 5,64mca

Net Positive Suction Head (NPSH)

mca NPSHr=4,95 mca


EXEMPLO: 

Suponhamos que uma bomba de modelo hipotético Ex.1 seja colocada para operar com 35 m c.a. de H MAN , vazão de 32,5 m³/h, altura de sucção de 2,0 metros e perda por atrito na sucção de 1,5 m c.a.. A altura em relação ao nível do mar onde a mesma será instalada é de º OK! Não irá cavitar! NPSHd≥ NPSHr + 0, 6

5,64mca ≥ 4,95+0,6 5,64mca

≥ 5,55mca

Porém é aconselhável evitar: -Aumento de vazão; -Aumento do nível dinâmico na captação (reduz a altura manométrica); -Aumento da temperatura da água.

MAIS EXERCÌCIOS: Cap.9 –– Bombas e Instalações de Bombeamento (Macintyre)

Golpe de Aríete (Water Hammer ) 

Este é um outro fenômeno (problema) enfrentado em instalações hidráulicas. Abordagem apenas INFORMATIVA.  Cálculos pouco mais extensos. 



O QUÊ É GOLPE DE ARÍETE? 

“Variações de pressão, resultantes de variações da vazão, causadas por alguma perturbação, voluntária ou involuntária, que se impõe ao fluxo de líquidos no interior de condutos.”   

Abertura ou fechamento de válvulas; Falhas mecânicas de dispositivos de proteção ou controle; Paradas de bombas (falta de luz por exemplo).


A análise do fenômenos pode evitar: Ruptura de tubulações por sobrepressão (dimensionamento de tubulações com espessuras reduzidas);  Avarias em bombas;  Colapso de junções;  varias em acessórios (válvulas, registros, etc.) 



O fenômeno... 



A energia de pressão, do golpe, se converte em trabalho de compressão do líquido... ... deformando as paredes da tubulação, peças, válvulas, até onde a onde de sobrepressão se propagar.


O fenômeno... 



Pelo 2° postulado de Newton, juntamente com a quantidade de movimento... ... supomos uma partícula fluida de massa m à velocidade V , em determinado instante t .

mV 

=

Ft

Em um fechamento de válvula, por exemplo, feito instantaneamente... a força F tenderia ao infinito! 

Na prática o fechamento leva um tempo determinado, mas apenas para dar ideia do fenômeno.


Cálculo do Golpe de Aríete: 

Existem vários métodos de cálculo. Principais:  



Método de Parmakian ABNT: P-NB-591/77

Dispositivos de proteção: 

Sempre preocupados, também, com: custo operacional, manutenção, eficiência, etc.. 

    

Tubos com espessura (milímetros) superiores a 8x o diâmetro do tubo (metros): Ex.: D=1,20m  esp.=9,6mm. Usar encanamentos de diâmetro grande (velocidades menores); Volantes de inércia (aumentam o custo de energia, motores potentes); Válvulas de alívio; Ventosas (reservatórios de ar); Chaminés de equilíbrio;


Dispositivos de proteção (continuação):   

By-Pass; Válvulas de retenção com molas (usadas em diâmetros de 75 – 600mm); Reservatórios unidirecionais.

Válvulas de alívio

Ventosas

Golpe de Aríete (Water Hammer )

Válvula de retenção com portinhola

Chaminés de Equilíbrio

By--Pass By

Golpe de Aríete (Water Hammer )

Reservatório unidirecional

Seleção de Bomba 

Como sabemos, a seleção do equipamento dependerá, dentre outras coisas, da perda de carga do sistema. 

Vários métodos, mais práticos e com bons resultados podem ser aplicados.    



Equações: universal, Hazen-Williams e Flamant; Ábacos (fabricantes, clássicos); Tabelas (fabricantes, literatura); Programas (fabricantes, ou clássicos).

Por serem extremamente mais simples, e de aplicação direta as fórmulas empíricas são de ampla utilização em sistemas hidráulicos.     

Hazen-Williams; Flamant; Fair-Whipple-Hsiao; Chézy; Etc..

Seleção de Bombas 

Flamant 

Muito utilizada em instalações prediais para tubos de ferro galvanizado b= 0,00023 (tubos de ferro e aço em uso)

1,75

=

V

b= 0,000185 (tubos de ferro e aço novos)

1,25

D

b= 0,000135 (tubos de PVC)

Para diâmetros até 50mm. 

Hazen-Williams 

Mais utilizada em instalações de bombeamento.

J =

10,547 Q1,85 C

1,85

D

4,87

[m/m]; Q[m³/s] J [m/m];

Maquinas de Fluxo 2_ BOMBAS

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