ANÁLISE DE BANCADA DE TURBINA PELTON CURVA CARACTERÍSTICA DO SISTEMA

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1 ANÁLISE DE BANCADA DE TURBINA PELTON CURVA CARACTERÍSTICA DO SISTEMA André Pereira da Silva 1 Juliano de Lemos Navarro 1 Leandro Francielle da Silva 1 Leonardo Almeida Lopes 1 Prof. Me. Roberto Caparelli Marçal 2 Resumo: A bomba centrífuga é o equipamento mais usual para transferência de líquidos, desde aplicações domésticas, até inúmeros processos envolvendo bombeamento a altas vazões na atividade industrial. Seu funcionamento parte da conversão de energia cinética de rotação para a energia hidrodinâmica do fluxo de fluido, de modo que tal mecanismo apresenta uma relação com o sistema através da curva características de ambos os elemento, cujo determina a melhor relação entre vazão e altura manométrica para o conjunto. O objetivo do trabalho apresentado é realizar um estudo experimental através da análise de uma bancada de turbina Pelton, na qual será verificado a pressão a vácuo (entrada), pressão de saída e vazão volumétrica variando a frequência e rotação do motor a cada 10 Hz. O fluido utilizado será a água, para que posteriormente seja construído a curva característica do sistema relacionando a altura manométrica calculada através das pressões e a vazão volumétrica medida durante o experimento, com o intuito de observar como se comporta tal relação em um sistema de bombeamento que a princípio é bastante usual. Deste modo, o resultado obtido foi a medida da vazão volumétrica experimental e o cálculo da altura manométrica, sendo assim possível determinar a construção de um gráfico que representa a curva característica do sistema, cujo ambas grandezas apresentam uma relação proporcionalidade. Palavras-Chave: Bomba centrífuga. Transferência. Pressão. Abstract: ANÁLISE DE BANCADA DE TURBINA PELTON CURVA CARACTERÍSTICA DO SISTEMA The centrifugal pump is the most usual equipment for liquid transfer from domestic applications to numerous processes involving high flow pumping in industrial activity. Its operation starts from the conversion of rotational kinetic energy to the hydrodynamic energy of the fluid flow, so that such a mechanism has a relationship with the system through the characteristic curve of both elements, which determines the best relation between flow and head to the set. The objective of the present work is to carry out an experimental study through the analysis of a Pelton turbine workbench in which the vacuum pressure (inlet), outlet pressure and volumetric flow will be checked by varying the frequency and rotation of the motor every 10 Hz. The fluid used will be water, so that the characteristic curve of the system can be constructed by relating the manometric height calculated through the pressures and the volumetric flow rate measured during the experiment, in order to observe how this relationship behaves in a pumping system that at first it is quite usual. In this way, the result obtained was the measurement of the experimental volumetric flow and the calculation of the manometric height, being thus possible to determine the construction of a graph that represents the characteristic curve of the system, both of which have a proportionality relation. Keywords: Centrifugal pump. Transfer. Pressure. 1 Acadêmicos (Engenharia Mecânica, UniEvangélica, Brasil). julianolemos13@outlook.com 2 Docentes (Engenharia Mecânica, UniEvangélica, Brasil). roberto.marcal@docente.unievangelica.edu.br 2219

2 1. Introdução Uma bomba é um equipamento que transfere energia de uma determinada fonte para um liquido, em consequência do que, este liquido pode deslocar-se de um ponto para outro, inclusive vencer desníveis. De uma maneira geral, as bombas devem apresentar características como, resistência adequada para resistir aos esforços provenientes da operação (pressão, erosão, mecânicas). Devem apresentar uma facilidade de operação ligada a manutenção e usabilidade. Por fim, necessitam de apresentar um alto rendimento com baixas perdas de carga e um custo de aquisição e operação compatíveis com as condições dos mercados (FERRO, 2018). Contudo, quando se trata de mudanças das variáveis de processo, no entanto, nem sempre é feita da forma mais eficiente possível, seja pela falta de espaço no ambiente, pela falta de tecnologia para o aumento do rendimento ou devido ao alto custo de implantação da mesma. Em vários ambientes industriais, muitas das vezes, se faz necessário variar a vazão dos fluidos em um sistema de bombeamento, sendo o método mais utilizado, as válvulas de controle, que consiste na variação da perda de carga nas linhas do sistema. Contudo, se comparado a outros métodos o uso de válvulas se torna menos eficiente, pois a alteração da curva do sistema causa interferência em fatores de operações, como o aumento da pressão de descarga (MATTOS & FALCO, 1988). No entanto, para que se tenha resultados satisfatórios de operação, se faz necessário a escolha de um sistema adequado e eficiente, que atenda as condições para determinada aplicação. No caso das bombas, nem sempre será escolhida da forma mais eficiente, pois, se trata de atender as necessidades com o menor custo possível. Para determinar qual bomba utilizar, existe diversos catálogos com descrições sobre: Informações técnicas, aplicações, dimensões, características particulares, curvas características de cada modelo, entre outras características (MATTOS & FALCO, 1988). 1.1 Bombas Centrífugas Uma bomba centrífuga desenvolve a transformação de energia através do emprego de forças centrifugas. As bombas centrífugas possuem pás cilíndricas, com geratrizes paralelas ao eixo de rotação, sendo essas pás fixadas a um disco e a uma coroa circular, compondo o rotor da bomba (FERRO, 2018). Denominada, também, de centrifuga pura, o fluido nessa bomba entra axialmente no rotor, passa pelos canais formados por pás de curvatura simples que não provocam a rotação da partícula de fluido. O fluido é expulso do rotor na direção do raio. Em algumas bombas bem 2220

3 projetadas, a entrada (início) das pás pode ser de curvatura dupla ou em dois planos, para que a transição da direção axial para a radial aconteça com suavidade, ou seja, para o fluido possa ser admitido dentro do canal entre as pás sem muitos choques (mudanças bruscas no sentido do escoamento) ou turbulências excessivas. Estas bombas são utilizadas quando se necessita de cargas manométricas mais significativas do que as vazões (SANTOS, 2007). Outro tipo de bomba centrífuga é a bomba centrífuga helicoidal. Esse tipo de bomba é denominado Francis. O fluido entra axialmente no rotor, cujas pás são de dupla curvatura ou em dois planos, segue uma trajetória, que é uma curva reserva, atinge o bordo de saída das pás, que pode ser paralelo ao eixo ou ligeiramente inclinada. Nessa bomba, parte da energia fornecida ao fluido é devido à força centrifuga e parte devido à força de arrasto. A bomba centrifuga helicoidal é utilizada para cargas manométricas e vazões com valores médios (SANTOS, 2007). Por outro lado, a bomba centrífuga diagonal que recebe também o nome de semi-axial. O fluido entra axialmente no rotor. Na passagem pelos canais formados pelas pás que possuem dupla curvatura, esta é mais acentuada que a da pá do tipo anterior, sendo a trajetória uma hélice cônica. O bordo de saída das pás é bem inclinado em relação ao eixo. Nessa bomba, parte da energia fornecida ao fluido é devida à força centrifuga (com menos intensidade em relação à bomba anterior). A bomba centrífuga diagonal é utilizada para vazões mais significativas quando comparadas com as cargas atendidas (SANTOS, 2007). Já a bomba axial, o fluido entra axialmente e, ao passar pelo rotor, as trajetórias das partículas de fluido transformam-se em hélices cilíndricas. Na saída do rotor, o escoamento é paralelo ao eixo. A energia transmitida ao fluido é devida puramente às forças de arrasto. Embora muitos utilizem o nome de centrífuga axial, a força centrífuga decorrente da rotação das pás não é responsável pelo aumento da carga de pressão. As pás do rotor da bomba axial são estudadas e projetadas segundo a teoria da sustentação das asas e da propulsão das hélices. Estas bombas são utilizadas quando o interesse por vazão é muito mais significativo do que em relação às cargas atendidas (SANTOS, 2007). 1.2 Curva característica As curvas características de bombas centrífugas traduzem através de gráficos o seu funcionamento, bem como, a interdependência entre as diversas grandezas operacionais. As curvas 2221

4 características são função, principalmente, do tipo de bomba, do tipo de rotor, das dimensões da bomba, da rotação do acionador e da rugosidade interna da carcaça e do rotor. Tais curvas são fornecidas pelos fabricantes das bombas, através de gráficos cartesianos, os quais podem representar o funcionamento médio de um modelo fabricado em série, bem como, o funcionamento de uma bomba específica, cujas curvas foram levantadas em laboratório. Estas curvas podem ser apresentadas em um, ou mais de um gráfico e representam a performance das bombas operando com água fria, a 20o C. Para fluidos com outras viscosidades e peso específico, devem-se efetuar as devidas correções nas mesmas (FERRO, 2018). Entre as várias curvas características de uma bomba a que mais se destaca entre os fabricantes é a curva HxQ, como apresenta a Fig. (6). Na qual, é uma curva que designa uma relação entre a altura manométrica (H) e a vazão volumétrica (Q). A altura manométrica é determinada pela relação entre as pressões de vácuo (entrada da bomba) e pressão na saída da bomba sendo representado como a Energia por Unidade de Peso que a bomba fornece ao fluido em escoamento através da mesma; sendo função do tipo de pás do rotor, gerando vários tipos de curvas, as quais recebem diferentes designações, de acordo com a forma que apresentam (MACINTYRE, 1980). Figura 1 - Curva HXQ Figura 2 Relação entre a curva da bomba e do sistema Fonte: FERRO, 2018 Fonte: FERRO 2018 Contudo, uma outra curva que também está correlacionada a ela e que apresenta a mesma relação (HxQ) é a curva característica do sistema. Diferente da curva característica da bomba, a do sistema apresenta uma relação proporcional entre a altura manométrica (H) e a vazão (Q), logo quanto maior a altura maior é a vazão. Deste modo, com ambas curvas é possível localizar o ponto 2222

5 onde a bomba vai apresentar uma melhor eficiência em relação ao sistema, como apresenta a Fig. (7) (MACINTYRE, 1980). Nesse sentido, o objetivo do trabalho apresentado é fazer a análise de uma bancada de bombeamento, na qual será verificado a pressão a vácuo (entrada), pressão de saída e vazão volumétrica variando a frequência e rotação do motor a cada 10 Hz. O fluido utilizado será a água, para que posteriormente seja construído a curva característica do sistema relacionando a altura manométrica calculada através das pressões e a vazão volumétrica medida durante o experimento, com o intuito de ver como se comporta tal relação em um sistema de bombeamento que a princípio é bastante usual. 2 Metodologia 2.1 Materiais utilizados Bomba Hidráulica (3500 rpm); Vacuômetro; 2 Manômetro; Motor Elétrico Weg (3 KW; 220/380 V); Tanque de Água; Painel de Coluna D água; Bancada de turbina Pelton; Rotâmetro; 2.2 Procedimento experimental O experimento tem como base o livro de Bombas e Instalações de Bombeamento do Macintyre. O ensaio foi realizado no laboratório de hidrodinâmica no centro tecnológico, na qual utilizou-se uma bancada de turbina Pelton. Nesse sentido, estão presentes nesta bancada um rotâmetro (Fig. 3), dois manômetros e um painel de coluna d água. A princípio foi realizado o abastecimento da caixa d água e então ligado a bancada. A ideia do experimento foi verificar a pressão na entrada da bomba (vácuo), a pressão na saída da bomba e a vazão volumétrica variando a frequência e rotação a cada 10 Hz. Logo, foi feito a medição de tais grandezas seis vezes (10 Hz a 60 Hz). Vale ressaltar, as medições de pressão vácuo foi realizado a princípio no painel de coluna d água devido apresentar uma maior precisão. 2223

6 Figura 3 - Rotâmetro Figura 4 - Desnível entre os instrumentos de medição Com todos os dados obtidos foi feito a separação e organização de tais grandezas experimentais através de tabelas, de modo que através do site de conversão WebCalc as pressões medidas em cmh2o, Psi e em mmhg foram convertidas para mh2o. Com os dados padronizados realizou-se o cálculo da altura manométrica (H) através da Eq. 1. Vale ressaltar, que devido a bomba ser afogada as pressões entre os ambos os pontos (saída e entrada) devem ser subtraídas, além disso, como a Fig. 4 apresenta, o desnível (m) entre os manômetros não existe, uma vez que ambos estão no mesmo nível. Portanto, com a altura manométrica calculada e a vazão volumétrica medida realizou-se a construção do gráfico característico do sistema, cujo relaciona tais grandezas. Por fim, foi feito um estudo de como tais grandezas influenciam no comportamento e desempenho da bomba. 2.3 Equações governantes A equação utilizada em toda o experimento está representada pela Eq. 1: H = P + P γ + m (1) 3. Resultados e discussões A Fig. 5 apresenta a bomba centrífuga utilizada para o processo experimental, na qual é possível observar na Tab. 1 todos os dados, necessários para o experimento, coletados da bomba centrífuga. 2224

7 Tabela 1 - Características da bomba centrífuga GRANDEZAS DA BOMBA I (A) 8/4,63 U (V) 220/380 P (KW) 3 n (RPM) 3460 POLOS 2 COS ø 0,85 n (%) 85 Figura 5 - Bomba centrífuga A Tab. 2 representa a comparação entre os valores teóricos e experimentais da frequência medida. Tabela 2 - Relação entre as frequências teóricas e experimentais FREQUÊNCIA (Hz) FREQUÊNCIA VALORES (Hz) VALOR TEÓRICO VALOR EXPERIMENTAL 11,63 20,05 30,03 40,12 50,05 60,77 Na Tab. 3 estão presentes os valores da vazão medida de acordo com a frequência teórica pré-determinada. Tabela 3 - Dados da vazão volumétrica VAZÃO VOLUMÉTRICA FREQUÊNCIA (Hz) VAZÃO (cm 3 /s) Nesse sentido, os dados das pressões dos manômetros estão presentes na Tab. 4, de modo que a posição na tubulação em que é medido a pressão é apresentado na Fig. 6 e Fig. 7. Figura 6 - Local de medição da pressão de entrada 2225

8 Tabela 4 - Medida das pressões f (Hz) PRESSÃO P''- VÁCUO (mh 2 O) P' (mh 2 O) 10 0,166 0, ,239 2, ,457 4, ,992 7, , , , ,0067 Figura 7 - Local de medição da pressão de saída Logo, com a Eq. 1 calculou-se a altura manométrica (H) para cada vazão, na qual tais resultados são apresentados na Tab. 5. Portanto, com todos os dados obtidos foi realizado a montagem da curva característica da bomba centrifuga (Q x H), em que é representada pela Fig. 8. Figura 8 - Gráfico da curva característica do sistema 2226

9 H (m) CURVA CARACTERÍSTICA DO SISTEMA Q (cm 3 /s) Tabela 5 Dados da altura manométrica ALTURA MANOMÉTRICA H (m) Q (cm3/s) 0 0 0, , , , , , Conclusões Portanto, ao finalizar o experimento foi possível observar como funciona a construção de uma curva característica de um sistema de bombeamento, na qual determinamos as relações das grandezas de altura manométrica (H) e vazão volumétrica (Q). De modo que para um sistema, tal 2227

10 curva apresenta uma relação de proporcionalidade, cujo o aumento da altura manométrica provoca um aumento da vazão. Diferente da curva da bomba, em que tal relação é dada de forma inversa. Nesse sentido, percebeu-se que a medida que a frequência aumentasse a cada 10 Hz a vazão registrada pelo rotâmetro apresentava um aumento de aproximadamente de 50% da vazão anterior. Por outro lado, a altura manométrica não apresentou uma relação constante entre seus dados, devido ao processo de medições de pressões que não apresentou uma boa precisão, uma vez que as escalas dos manômetros e vacuômetros eram muito grandes para o experimento. Entretanto, ainda foi possível determinar a construção da curva caraterística do sistema. Referências MACINTYRE, Archibald Joseph. Bombas e instalações de bombeamento. In: Bombas e instalações de bombeamento. Guanabara, SANTOS, Sergio Lopes dos. Bombas e instalações hidráulicas. São Paulo: LCTE Editora, p , FERRO, Taglia. APOSTILA DE BOMBAS HIDRÁULICAS. Disponível em <consultado em >. DE MATTOS, EDSON E.; DE FALCO, REINALDO. Bombas Industriais, 2ª. Ed Rio de Janeiro, Editora Interciência,