Sistemas de Água I - Aula 14- Estações Elevatórias
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AULA 14 - ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS – CONTINUAÇÃO
VARIAÇÃO DAS CURVAS CARACTERÍSTICAS DAS BOMBAS
As curvas características das bombas podem variar:
a) variando a rotação do rotor (para um mesmo diâmetro);
b) variando o diâmetro do rotor (para uma mesma rotação);
c) variando a forma do rotor (competência do próprio
fabricante);
d) com o tempo de uso.
Os recursos “a” e “b” são muito utilizados na prática para evitar
sobrecarga no motor.
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a) Variação da rotação do rotor (D = cte):
Nesses caso o diâmetro é mantido constante.
O rendimento deverá ser mantido o mesmo para ambas as
rotações (a rotação conhecida e rotação a ser calculada).
São utilizadas as chamadas equações de Rateaux, mantendose constantes o diâmetro e o rendimento.
Elas valem para pontos homólogos, representam a variação da
vazão (Q), da altura manométrica (Hm), da potência de eixo
(Pot) e do rendimento total (ηt), com variação da rotação (n).
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Q1 n1

Q2 n2
;
Hm1
Hm 2
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 n1 
   ;
 n2 
Pot1  n1 
  
Pot 2  n2 
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Influência da rotação nas curvas características de uma bomba centrífuga
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A figura seguinte (diagrama de colina) apresenta a vazão (Q)
versus altura manométrica (Hm) com curvas de rendimento
total (ηt) e rotação (n) constantes.
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b) Variação da diâmetro do rotor (n = cte):
Nesses caso a rotação n é mantida constante. Esta é uma operação mais
indicada para bombas centrífugas.
A operação consiste na usinagem (raspagem) do rotor até um valor
correspondente a 20% no máximo do diâmetro original sem afetar o seu
rendimento.
As equações de Bergeron e Karassik são utilizadas, mantendo-se
constantes a rotação e o rendimento:
Q1 D1

;
Q2 D2
H m1
H m2
2
H m1 H m2
 Q1 
Pot1  D1 
   
 2  cte ;
  
2
Q1
Q2
Pot 2  D2 
 Q2 
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Os diâmetros (D) são referidos aos diâmetros externos do
rotor na saída da bomba.
A 2ª equação é teórica. Existe uma correção do diâmetro,
baseada em resultados experimentais em bombas centrífugas.
O fabricante de bombas centrífugas aproveita a mesma
carcaça, de tal forma que ela possa receber rotores de vários
diâmetros, sem afetar sensivelmente a hidráulica do conjunto.
Assim, os rotores são fornecidos pelo fabricante, em diâmetros
padrões, cobrindo uma faixa operacional da bomba.
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É importante salientar que neste caso, a rotação da bomba
permanece constante.
Correção do diâmetro do rotor recomendado por Karassik, para bombas centrífugas
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Curva do fabricante para uma série de bombas
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Curvas Fornecidas pelo Fabricante
Para permitir uma escolha rápida de uma família de bombas dentre
aquelas disponíveis, o fabricante fornece um diagrama, chamado de
diagrama de quadrículas, no qual se entra com a vazão e a altura
manométrica desejadas e se determina qual a família mais adequada.
A construção deste diagrama leva em consideração a rotação da
bomba, e uma faixa de rendimentos considerada adequada pelo
fabricante para a classe de bombas em questão.
A junção das quadrículas de uma série de bombas num único
diagrama permite a visualização global de toda a série.
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Os números (ou letras) dentro das quadrículas representam a família de
bombas.
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c) variando a forma do rotor (competência do próprio
fabricante);
d) com o tempo de uso.
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CAVITAÇÃO
A cavitação é um fenômeno observável em líquidos (não ocorre sob
quaisquer condições normais em sólidos ou gases).
Cavitação e ebulição: processos termodinamicamente semelhantes
Ebulição: um líquido "ferve" ao elevar-se a sua temperatura, com a
pressão sendo mantida constante.
A pressão de 100kPa, a água ferve a 99,62oC.
Cavitação: um líquido "ferve" ao diminuir sua pressão, com a
temperatura sendo mantida constante. À temperatura de 20oC a água
“ferve” à pressão de 2,43 kPa.
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A pressão com que o líquido começa a “ferver” chama-se
pressão de vapor ou tensão de vapor.
Ela é função da temperatura (diminuí com a diminuição da
temperatura).
Um líquido ao atingir a pressão de vapor libera bolhas de ar
(bolhas de vapor), dentro das quais o líquido se vaporiza.
Ocorrência da cavitação: O aparecimento de uma pressão
absoluta à entrada da bomba, menor ou igual a pressão de vapor
do líquido, na temperatura em que este se encontra, poderá
ocasionar os seguintes efeitos:
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a) Se a pressão absoluta do líquido na entrada da bomba for menor
ou igual à pressão de vapor e se ela (a pressão) se estender a
toda a seção do escoamento, poderá formar-se uma bolha de
vapor capaz de interromper o escoamento.
b) Se esta pressão for localizada a alguns pontos específicos da
entrada da bomba, as bolhas de vapor liberadas serão levadas
pelo escoamento para regiões de altas pressões (região de saída
do rotor).
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Por ser a pressão externa maior que a pressão interna ocorre
a implosão das bolhas (colapso das bolhas), responsável pelos
seguintes efeitos distintos da cavitação (ocorrem
simultaneamente):
Efeito químico: com as implosões das bolhas são liberados
íons livres de oxigênio que atacam as superfícies metálicas
(corrosão química dessas superfícies).
Efeito mecânico: quando a bolha atingir a região de alta
pressão, seu diâmetro será reduzido (inicia-se o processo de
condensação da bolha), sendo a água circundante acelerada
no sentido centrípeto.
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Com o desaparecimento da bolha (condensação da bolha), as
partículas de água aceleradas se chocam cortando umas o fluxo
das outras.
Isso provoca um golpe de aríete e com ele uma sobrepressão que
se propaga em sentido contrário, golpeando com violência as
paredes mais próximas do rotor e da carcaça.
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ALTURA MÁXIMA DE SUCÇÃO DAS BOMBAS
Para que uma bomba trabalhe sem cavitar, torna-se
necessário que a pressão absoluta do líquido na entrada da
bomba, seja superior à pressão de vapor, à temperatura de
escoamento do líquido.
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Aplicando a equação da energia entre o nível da água no reservatório (o)
e a entrada da bomba (1) (referência em o):
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NPSH disponível na instalação e NPSH requerido pela bomba
NPSH: Net Positive Suction Head.
Idéia: pressão utilizada (disponível) > pressão necessária
(requerida).
Prática: Energia disponível > Energia requerida pelo fabricante.
 NPSHd < NPSHr → Cavitação.
 NPSHd = NPSHr → Cavitação (normalmente).
 NPSHd > NPSHr → Pode ou não haver Cavitação.
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Observações:
a) O NPSH disponível na instalação da bomba (NPSHd) é uma
responsabilidade do técnico em campo. O NPSH requerido
pela bomba (NPSHr) poderá ser fornecido pelo fabricante
ou calculado com o auxílio das equações mostradas em
sala;
b) Em lugar da curva (Q, NPSH), alguns fabricantes
apresentam a curva (Q, Hsmáx) para bombas operando com
água fria ao nível do mar, devendo-se corrigi-la em
condições diferentes;
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c) V12/2g é uma parcela de energia responsável pela entrada
do líquido na bomba, daí fazer parte do NPSHr;
d) Um sinal (-) deverá ser usado para Hsmáx quando a bomba
estiver afogada;
e) Na prática, o NPSHd deverá ser maior que o NPSHr em pelo
menos 15% (NPSHd ≥ 1,15 NPSHr);
f) Para duas ou mais bombas operando em paralelo, devem-se
tomar cuidados especiais no funcionamento de uma só
bomba, pois neste caso cresce também a potência exigida
pela bomba e o NPSHr;
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No ponto onde a bomba opera isoladamente, precisa ser
verificado se o NPSHd > NPSHr, evitando, assim, a
ocorrência da cavitação.
Além disso, o motor selecionado deve ter capacidade
suficiente para atender a esse ponto de funcionamento;
g) Quanto maior o NPSHr, maior a tendência da bomba à
cavitação; por essa razão deve-se selecionar bombas com
valores de NPSHr pequenos;
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Medidas destinadas a dificultar o aparecimento da cavitação:
a) Trabalhar sempre com líquidos frios (menor temperatura, menor Pv);
b) Tornar a linha de sucção o mais curta e reta possível (diminui a perda
de carga);
c) Selecionar o diâmetro da tubulação de sucção, de modo que a
velocidade não ultrapasse 2 m/s;
d) Usar redução excêntrica à entrada da bomba (evita a formação de
bolsas de ar);
e) Instalar a válvula de pé, tomando-se o cuidado de evitar a sucção de
ar.
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ASSOCIAÇÃO DE BOMBAS
Razões que levam à necessidade de se associar bombas:
a) Inexistência no mercado de bombas que possam, isoladamente,
atender a vazão de demanda;
b) inexistência no mercado de bombas que possam, isoladamente,
atender a altura manométrica de projeto;
c) aumento da demanda (vazão) com o decorrer do tempo.
As associações podem ser em paralelo ou em série.
As razões (a) e (c) requerem a associação em paralelo e a razão (b),
associação em série.
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Exemplos de associação de bombas em paralelo
Exemplos de associação de bombas em série
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Associação em Paralelo: para a obtenção da curva
característica das bombas associadas em paralelo as vazões se
somam para uma mesma altura manométrica.
Esta associação é muito utilizada em abastecimento de água
de cidades e em indústrias.
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Uma bomba de dupla sucção possui dois rotores em paralelo,
em que as vazões se somam para a mesma altura
manométrica (é um caso particular da associação em paralelo).
A interseção entre a curva característica da associação e a
curva característica do sistema indica o ponto de trabalho da
associação em paralelo.
As curvas características das bombas B1 e B2 estão
apresentadas na figura, bem como a curva característica do
sistema (S) e da associação das bombas (B1 + B2) em paralelo.
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Na figura P1 e P2 são os pontos de trabalho das bombas B1 e B2,
funcionando isoladamente, e P3, o ponto de trabalho da associação
em paralelo.
Pode-se tirar as seguintes conclusões:
a) Se as duas bombas funcionarem isoladamente, a vazão de
cada uma seria Q1 e Q2 e a vazão total Q1 + Q2, maior do que a
vazão Q3 da associação em paralelo.
Essa diferença de vazão (Q1 + Q2 > Q3) será tanto mais
acentuada quanto mais inclinada for a curva do sistema ou
quanto mais achatadas forem as curvas características das
bombas.
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b) Na associação em paralelo, a vazão de cada bomba é obtida
projetando-se, horizontalmente, o ponto P3 até encontrar a
curva característica de cada bomba, sendo a vazão da bomba
B1 igual a Q1 e a vazão da bomba B2 igual a Q2.
c) Na situação de a curva característica coincidir com P4 ou ficar à
sua esquerda, a bomba (B1) não conseguirá atingir a altura
manométrica da associação em paralelo.
Sendo assim, a bomba (B2) fornecerá toda a vazão. Nesse caso,
não tem sentido a associação em paralelo, pois ocorrerá um
sobreaquecimento da bomba (B1), a qual não conseguirá
atingir a altura manométrica (situação perigosa).
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Associação em série: Para traçado da curva características das
bombas associadas em série, as alturas manométricas se
somam para uma mesma vazão.
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Nas bombas de múltiplos estágios os rotores estão associados em
série numa mesma carcaça.
As curvas características das bombas B1 e B2, a curva característica
do sistema (S) e da associação (B1 + B2) em série, estão
apresentadas na figura.
Na associação em série, a altura manométrica de cada bomba é
obtida projetando-se, verticalmente, o ponto p até encontrar a
curva característica de cada bomba.
A altura manométrica da bomba B1 (na associação) é H1 e da
bomba B2, é H2.
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Observação: se a bomba B2 for desligada, a B1 não conseguirá
vencer a altura manométrica (a curva característica do sistema
situa-se acima da curva da bomba B1) e haverá recirculação e
sobreaquecimento do líquido (situação perigosa).
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Será postada uma lista de exercícios no site do
Departamento referente ao conteúdo abordado
neste capítulo.
Favor consultar livros de hidráulica básica.