PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE GOIÁS ESCOLA DE ENGENHARIA ENGENHARIA AMBIENTAL E CIVIL AULA 4 SISTEMAS ELEVATÓRIOS

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1 PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE GOIÁS ESCOLA DE ENGENHARIA ENGENHARIA AMBIENTAL E CIVIL AULA 4 SISTEMAS ELEVATÓRIOS Prof. Dr. Fernando Ernesto Ucker 2015

2 SISTEMAS ELEVATÓRIOS Um sistema de recalque ou elevatório é o conjunto de tubulações, acessórios, bombas e motores necessário para transportar uma certa vazão de água ou qualquer outro líquido de um reservatório (ou ponto) inferior para outro reservatório (ou ponto) superior. Nos casos mais comuns de sistema de abastecimento de água, ambos os reservatórios estão abertos para a atmosfera e com níveis constantes, o que permite tratar o escoamento como permanente.

3 BOMBAS E TURBINAS Bombas e Turbinas são máquinas que promovem as trocas entre as energias mecânicas e hidráulicas. Há uma divisão geral dos tipos de máquinas hidráulicas em: TURBINAS: Recebem energia hidráulica, via de regra de quedas d água e a transforma em energia mecânica. BOMBAS: Recebem energia mecânica de motores e a transforma em energia hidráulica.

4 TURBINAS São constituídas basicamente de: 1) DISTRIBUIDOR: orienta a água até o rotor e regula a vazão turbinada; 2) ROTOR: peça dotada de um eixo sobre o qual estão dispostas pás. Nestas, a água provoca rotação, movimentando o eixo e gerando potência no gerador. GERALMENTE APLICADAS EM HIDRELÉTRICAS

5 TURBINAS Os principais componentes são: BARRAGEM; TOMADA D ÁGUA; CONDUTO FORÇADO; CASA DE FORÇA; CANAL DE FUGA.

11 TURBINAS

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19 BOMBAS HIDRÁULICAS TIPOS DE BOMBAS: 1) AFOGADAS: quando a cota de instalação do eixo da bomba está abaixo da cota do nível d água no reservatório inferior; 2) NÃO AFOGADAS: quando a cota de instalação do eixo da bomba está acima da cota do nível d água no reservatório inferior.

20 BOMBAS HIDRÁULICAS E 1 : Energia hidráulica na entrada E 2 E 1 = W E 2 : Energia hidráulica na saída W : Energia mecânica no eixo E 2 > E 1 = elevação da água

21 SISTEMAS ELEVATÓRIOS

22 COMPOSIÇÃO DO SISTEMA DE RECALQUE A)Tubulação de Sucção: é constituída pela canalização que liga o reservatório inferior à bomba, incluindo os acessórios necessários, como válvula de pé com crivo, registro, curvas etc.

23 TUBULAÇÃO DE SUCÇÃO

24 COMPOSIÇÃO DO SISTEMA DE RECALQUE B) Conjunto Elevatório: Que é constituído por uma ou mais bombas e respectivos motores elétricos ou a combustão interna.

25 CONJUNTO ELEVATÓRIO

26 COMPOSIÇÃO DO SISTEMA DE RECALQUE C) Tubulação de Recalque: é constituída pela canalização que liga a bomba ao reservatório superior, incluindo registros, válvula de retenção, manômetros, curvas e, eventualmente, equipamentos para o controle dos efeitos do golpe de aríete.

27 TUBULAÇÃO DE RECALQUE

28 CLASSIFICAÇÕES DAS BOMBAS Quanto à trajetória da água no rotor Radial ou Centrífuga Mista Axial

29 CLASSIFICAÇÕES DAS BOMBAS Quanto ao número de rotores na bomba Simples estágio; Múltiplos estágios.

30 CLASSIFICAÇÕES DAS BOMBAS Quanto ao tipo de rotores Fechado Semi-aberto Aberto Rotor Fechado: Pás compreendidas entre dois discos paralelos -> mais eficiente que os demais, porém recomendado para água limpa.

31 FUNCIONAMENTO O rotor cede energia cinética ao fluido, deslocando suas partículas para a extremidade periférica do rotor (força centrífuga).

32 FUNCIONAMENTO As partículas são comprimidas entre as pás e a face interna do rotor (energia de pressão).

33 FUNCIONAMENTO

34 FUNCIONAMENTO

35 FUNCIONAMENTO

36 COMPONENTES Válvula de pé: responsável por impedir o retorno do líquido após desligamento ou perda de pressão (a bomba não pode trabalhar a seco); Crivo: tem a finalidade de impedir a entrada de partículas sólidas; Redução excêntrica: evitar o acúmulo de bolhas de ar na seção de entrada da bomba.

37 COMPONENTES Válvula de Retenção: proteção contra o retorno da água e manutenção da coluna líquida na parada do motor; Válvula ou Registro: fica logo após a válvula de retenção, visando a manutenção desta e o controle da vazão (o mais utilizado é o de gaveta).

38 CÁLCULOS

39 CÁLCULOS Aplicando Bernoulli: Antes e Depois da bomba

41 CÁLCULOS Aplicando Bernoulli: É necessário adicionar mais uma energia, para vencermos as perdas... Antes e Depois da bomba

43 CÁLCULOS

44 CÁLCULOS

45 Altura Manométrica (Hm ou Hman) CÁLCULOS

46 CÁLCULOS Potência Hidráulica (W): Potência Hidráulica (cv):

47 CÁLCULOS Porém, a energia que chega na bomba não é repassada para o fluido, e antes de chegar no fluido ela tem uma pequena perda, simbolizada pelo rendimento no motor (ηm) e depois há outra perda na própria bomba (ηb). Perdas na bomba (ηb): asperezas da superfície interna; vazamentos em junções; atrito; energia dissipada no atrito entre o fluido e a bomba.

48 CÁLCULOS Portanto, considerando as perdas de energia, tem -se: Potência do conjunto elevatório (W): Potência do conjunto elevatório (cv):

49 CÁLCULOS Na prática, adota-se ainda uma folga para os motores elétricos: 50% para bombas até 2 HP; 30% para bombas até 2 a 5 HP; 20% para bombas até 5 a 10 HP; 15% para bombas até 10 a 20 HP; 10% para bombas acima de 20 HP; 1cv = 0,98632 HP 1W = 0, HP 1cv = 735,499 W

50 CÁLCULOS Diâmetro da Tubulação de Recalque: Fórmula de Bresse: Aplicável às instalações de funcionamento contínuo. K varia entre 0,6 e 1,6: normalmente utiliza-se K = 1,2 -> e é comum adotar o diâmetro mais próximo

51 CÁLCULOS Para o dimensionamento das linhas de recalque de bombas que funcionam apenas algumas horas por dia, recomenda-se a equação de Forcheimmer: 1 D = 1, 3. X 4. Q Onde X = nº de horas de funcionamento 24 horas Para o dimensionamento da tubulação de sucção, recomendase utilizar o diâmetro comercial imediatamente superior ao de recalque.

52 EXERCÍCIO 1 Uma estação elevatória deve recalcar m³.dia -1 desde um reser vatório com o nível na cota de 100,00 para um reser vatório na cota 133,00 através de uma canalização com 3 km de comprimento (aço galvanizado, f = 0,040). Sendo 15 horas o tempo de trabalho da instalação. Calcule a potência da bomba necessária. OBS: Considere rendimento de 75% da bomba e considere o efeito das perdas locais em comprimento vir tual de canalização: Sucção Recalque 1 válvula de pé com crivo = 65m; 1 curva de 90º = 3m; 1 registro de gaveta = 1,7m; 1 registro de gaveta = 1,7m; 1 válvula de retenção = 20m; 2 curvas de 90º = 6m (total); 3 curvas de 45º = 5,4m (total); Saída da tubulação = 7,5m.

53 EXERCÍCIO 1 Passo 1) Dimensionamento da tubulação de recalque. Passo 2) Cálculo da perda de carga. Passo 3) Cálculo da altura manométrica. Passo 4) Cálculo da potência da bomba.

54 EXERCÍCIO 1 Passo 1) Dimensionamento da tubulação de recalque. X = X = nº de horas de funcionamento 24 horas 15 horas 24 horas = 0,625 D = 1, 3. X 1 4. Q Q = m³.dia -1 => passar para m³.s => lembrar que a bomba só funciona por 15 horas.

55 EXERCÍCIO 1 Passo 1) Dimensionamento da tubulação de recalque. X = X = nº de horas de funcionamento 24 horas 15 horas 24 horas = 0,625 D = 1, 3. X 1 4. Q Q = m³.dia -1 => passar para m³.s => lembrar que a bomba só funciona por 15 horas. Q = 2.160/( ) Q = 0,040 m³/s

56 EXERCÍCIO 1 Passo 1) Dimensionamento da tubulação de recalque. X = 0,625 Q = 0,040 m³/s D = 1, 3. X 1 4. Q D = 1, 3. (0, 625) , 040 D =?

57 EXERCÍCIO 1 Passo 1) Dimensionamento da tubulação de recalque. X = 0,625 Q = 0,040 m³/s D = 1, 3. X 1 4. Q D = 1, 3. (0, 625) , 040 D = 0,23 m Tubulação de recalque => 250 mm Tubulação de sucção => 300 mm

58 EXERCÍCIO 1 Passo 2) Cálculo da perda de carga: Achar L virtual: L Virtual = L total + perdas localizadas L Virtual = x m f. L. V 2 Hf = D.2g Não tem velocidade, mas tem vazão, logo: Q = V. A => V = Q A => V = Q.4 π.d 2, logo:

59 EXERCÍCIO 1 Passo 2) Cálculo da perda de carga: Achar L virtual: L Virtual = L total + perdas localizadas L Virtual = somatório de todas as perdas localizadas L Virtual = 3000 m + 110,3 m L Virtual = 3.110,3 m f. L. V 2 Hf = D.2g Não tem velocidade, mas tem vazão, logo: Q = V. A => V = Q A => V = Q.4 π.d 2, logo:

60 EXERCÍCIO 1 Passo 2) Cálculo da perda de carga: Hf = f. L. Q.4 π.d 2 2 D.2g Hf = f. L. 16. Q2 π. D 5.2g Hf = 0, , ,040 2 π 2. 0, ,81 Hf = x m

61 EXERCÍCIO 1 Passo 2) Cálculo da perda de carga: Hf = f. L. Q.4 π.d 2 2 D.2g Hf = f. L. 16. Q2 π. D 5.2g Hf = 0, , ,040 2 π 2. 0, ,81 Hf = 16, 85 m

62 EXERCÍCIO 1 Passo 3) Cálculo da altura manométrica: Hman = Hgeom + Hf

63 EXERCÍCIO 1 Passo 3) Cálculo da altura manométrica: Hman = Hgeom + Hf Hman = ( ) + 16,85 Hman = x m

64 EXERCÍCIO 1 Passo 3) Cálculo da altura manométrica: Hman = Hgeom + Hf Hman = ( ) + 16,85 Hman = 49, 85 m

65 EXERCÍCIO 1 Passo 4) Cálculo da potência da bomba: P cv = γ. Q. Hman 75.n P cv = , , ,75 P cv = 35,4 cv P cv 40, 0 cv

66 PRÓXIMA AULA Curvas características, escolhas de bombas, cavitação, economia, etc...