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 Centrífugas
Bombas 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.
Exercicio
1. Escreva a equação da curva de Instalação para o
sistema com os dados abaixo:
Hgeo= 20mm
f = 0.024
Conduta de sucção
D = 200mm
Leq=12m
Conduta de pressão
D = 150mm
L = 300m
Numero de cotovelos = 8
fcotovelos= 0.5
Numero de valvulas = 1
fvalvulas=2.0
Rendimentos de bomba
Perdas 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 ɳ𝑏 - 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 (ɳ𝑚 )
-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.
ɳ = ɳ𝑏 ɳ𝑚
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:
𝛾𝐻𝑄
𝑃𝑏 =
ɳ
Pb = potência em Kgm/s,
Q = vazão em m3/s
H = altura manométrica,
ɳ. = rendimento total
𝛾= 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)
H (m)
ɳ%
0
17
0
23
16
49.5
46
13.5
61
69
10.5
63.5
92
6.6
53
115
2
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/s
H – altura de elevação por fase m
n – velocidade de rotação rpm ou rps
valores típicos de velocidade específica
Bombas radiais lentas: 10 – 40 rpm
Bombas radiais rápidas: 40 – 80 rpm
Bombas diagonais: 80 – 100 rpm
Bombas 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
H (m)
20.0
rendimento
0.04
20.4
54
0.06
20.4
65
0.08
20.2
72
0.1
19.6
75
0.12
18.4
74
0.14
17.0
70
0.16
15.0
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:
𝑵𝑷𝑺𝑯𝒅𝒊𝒔𝒑𝒐𝒏𝒊𝒗𝒆𝒍
𝑷 𝒂 − 𝑷𝒗
= ±𝑯 +
× 𝟏𝟎 − 𝒉𝒇
𝜸
Onde:
+H – carga ou altura de água na sucção (entrada afogada)
-H – altura de aspiração
Pa – pressão atmosferica no local
Pv – pressão de vapor
𝛾- peso específico
hf – soma de todas perdas de carga na sucção
para que uma bomba funcione bem, é preciso que o 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑣𝑒𝑙 ≥
𝑁𝑃𝑆𝐻𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜
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
𝐻𝑎 − 𝐻𝑠 − 𝐻𝑣
𝜎=
𝐻
•
•
•
•
•
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.
𝐷=𝐾 𝑄
Que é a conhecida fórmula de Bresse, aplicável
às instalações de funcionamento contínuo
K 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
𝐷=
1
1.3𝑋 4
𝑄
Sendo:
𝑛𝑜 𝑑𝑒 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑒𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑖𝑎
𝑋=
24
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)
Exercicio
1. (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)
Q (L/min)
45
0
42.7
3024
39.6
4536
35
6048
30.5
7560
22.8
9072
15.25
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 20C = 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.