Primeira aula de teoria de ME5330. Primeiro semestre de 2014

Transcrição

1 Primeira aula de teoria de ME5330 Primeiro semestre de 04

2 Se não sei ara onde ou qualquer caminho sere! Lewis Carroll ALICE NO PAÍS DAS MARAVILAS Tradução de Clélia Regina Ramos

3 No intuíto de se estabelecer um caminho, aresento o que estudaremos. E que está baseado em um curso de 7 horas distribuídas semanalmente com duas horas aula de teoria e duas horas aula de laboratório. 3

4 OBJETIVO CENTRAL DO CURSO Relacionar e amliar os estudos de mecânica dos fluidos nas rinciais alicações da engenharia química, o que nos lea a estudar: o rojeto de uma instalação hidráulica básica, onde dimensionamos as tubulações, escolhemos a bomba adequada, analisamos o fenômeno de caitação e calculamos o custo de oeração; a determinação exerimental do rendimento da bomba; a associação série e aralelo de bombas hidráulicas; utilização do inersor de frequência tanto no controle da azão do escoamento, como na redução da otência consumida elo sistema; correções das curas características das bombas (CCB) ara fluidos iscosos e determinação do NPS requerido em função da rotação esecífica. 4

5 Projeto de uma instalação de bombeamento Projeto, já estaa na hora! Vamos aresentar as suas etaas básicas a - Dados iniciais como fluido e sua temeratura de escoamento, condições de catação e descarga e a azão desejada! Condições de catação e descarga, o que em a ser isto? Seria conhecer os dados ara calcular a carga inicial e final ( i e f ) 5

6 x x x Para iabilizar o cálculo das cargas mencionadas, amos considerar uma seção x qualquer: z x,0,0 x x g escoamento laminar escoamento turbulento x Para definir a cota z, deemos adotar um lano horizontal de referência (PR) e se a ressão for lida or um manômetro metálico, ode haer necessidade de correção! = eso esecífico = elocidade média g = aceleração da graidade Lembrei! 6

7 a - Com a azão desejada (Q = olume/temo = elocidade média x área da seção formada elo fluido) dimensionamos os tubos, ou seja esecificamos o seu material, seu diâmetro nominal, sua esessura, seu diâmetro interno e a sua área de seção lire, ara tal deemos recorrer a exressão a seguir: Q A 4 a - Tendo o esboço escreemos a equação da cura característica da instalação (CCI), que reresenta a carga que o fluido necessita ara escoar na instalação com uma azão Q. i S f T 3 a - Aí, indo ao local do rojeto, esboçamos a instalação a ser rojetada, definindo desta forma a sua cota crítica, seus comrimentos e seus acessórios hidráulicos. 7

8 5 a - Obtemos a azão de rojeto (Q rojeto ) multilicando a azão desejada (Q) or um fator de segurança, que é no mínimo igual a,. 6 a - Com a azão de rojeto na equação da CCI calculamos a carga manométrica de rojeto ( Brojeto ). 7 a - Com a Q rojeto, o Brojeto e a alicação da instalação, desde de que a iscosidade (m) seja menor que a de referência, escolhemos a bomba. 8

9 8 a - Se a iscosidade do fluido for maior que a iscosidade de referência, efetuamos as correções das curas B = f(q) e do h B = f(q) da bomba. 9 a - No cruzamento da CCI com a CCB obtemos o diâmetro do rotor e o onto de trabalho da bomba (Qt, Bt, h Bt e NPS req ). 9

10 0 a - Verificamos o fenômeno de caitação (aorização e condensação do fluido na rória temeratura de escoamento). Aqui talez haja a necessidade de se usar o conceito de rotação esecífica (arâmetro que classifica as bombas e que ermite estimar o NPS req ). a - Calculamos o consumo de oeração. Se houer alterações no rocesso alimentado ela instalação, já que existe uma bomba resera na casa de máquina erificamos a ossibilidade de se associar as bombas em série ou aralelo. E como os assuntos serão aresentados neste trabalho, no intuíto de facilitar a comreensão do desenolimento do rojeto mencionado? 0

11 Aresento a seguir o caminho adotado neste trabalho ara o desenolimento das aulas de TEORIA e de LABORATÓRIO

12 TEORIA. Pré-requisitos:.. Equação da energia ara regime ermanente.. Cálculos relacionados ao escoamento ermanente de fluido incomressíel em condutos forçados. Etaas de um rojeto de uma instalação hidráulica básica de bombeamento.. Dados iniciais; cálculo das cargas iniciais e finais da instalação a ser rojetada;.. Dimensionamento das tubulações que constituem a instalação;.3. Determinação da equação da cura característica da instalação (CCI);

13 .4. Escolha reliminar da bomba e estabelecimento do seu onto de trabalho;.5. Conceito de suercaitação e caitação e estabelecimento das condições ara que este fenômeno não ocorra na instalação a ser rojetada;.6. Esecificação do motor elétrico e cálculo da otência consumida ela instalação hidráulica de bombeamento; 3. Rotação esecífica 4. Correção das curas de bomba ara o bombeamento de fluido iscoso. 3

14 5. A utilização do inersor de frequência. 6. Associação série e aralelo de bombas hidráulicas. Estes assuntos estarão sendo desenolidos interligados às atiidades de laboratório! 4

15 LABORATÓRIO. Determinação da carga total em secções de uma instalação hidráulica de bombeamento e cálculo das erdas de carga antes e deois da bomba. Determinação do coeficiente de erda de carga distribuída (f) e do comrimento equialente (Leq) 3. Determinação da azão elo arâmetro Reynolds raiz de f 4. Correção da CCB em função do escorregamento existente no acolamento da bomba hidráulica com o motor elétrico (utilização do tacômetro) 5

16 5. Estudos ligados à caitação e a sua isualização no laboratório. 6. Determinação do rendimento da bomba. 7. Exeriência do inersor de frequência. 8. Exeriência da associação em série de bombas hidráulicas. 9. Exeriência da associação em aralelo de bombas hidráulicas. 0. Influência da erda de carga na azão máxima de oeração de uma bomba hidráulica 6

17 Como este material será utilizado em um curso de formação dos futuros engenheiros químicos eu roonho uma metodologia de aaliação. 7

18 0,4 M 0, fator 8,0 M 4,0 0,8 fator 4,0 M, fator 8,0 M P P M, fator 0,8 P M M fator A Lab Lab Lab Lab L L Lab i roas roas Critério de aaliação 8

19 As roas (P, P e P 3 ) serão constituídas de duas artes cada uma alendo 5,0. A rimeira arte ocorrerá em 80 minutos e será sem consulta. A segunda arte ocorrerá 0 minutos aós o término da rimeira e será com consulta aos aontamentos e tendo a duração máxima de 60 minutos. Nestas roas a matéria aaliada será tanto referente as aulas de teoria como as de laboratório. Já as roas de laboratório (P L e P L ) ocorrerão semre uma semana antes das semanas de roas (da P e da P) e terão uma arte rática de 0 minutos e uma teórica de 80 minutos, sem consulta e onde a matéria aaliada será referente as aulas de laboratório. 9

20 Otei em aresentar este trabalho na internet, rimeiro ara democratizar o seu uso e romer limites de utilização e segunda ara estar aberto ara uma melhoria continua. Existem bibliografias ara o seu acomanhamento? 0

21 Sim e as aresento a seguir, salientando que encontramse com link na ágina:

22 BIBLIOGRAFIA BÁSICA - Mecânica dos fluídos ara engenharia química ublicado no sítio: htt:// MACINTYRE, Archibald Joseh. Bombas e instalações de bombeamento a edição Rio de Janeiro: LTC, 008. SANTOS, Sérgio Loes dos. Bombas & Instalações idráulicas - 3 a edição BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR GOMIDE, R. Oerações com fluídos Oerações Unitárias Volume II a. arte Edição do Autor, 997 MATTOS, E.E./Falco, R. Bombas Industriais Rio de Janeiro, Editora Interciência Ltda., 998 Outras bibliografias comlementares encontram-se disoníel na ágina: htt:// mentar_4.htm

23 Para facilitar os estudos roostos, iniciamos eocando alguns conceitos que foram abordados no curso de mecânica dos fluidos básica. Ainda bem, ois eu já esqueci raticamente tudo! 3

24 No intuíto de ajudar a recordar, amliarei a síntese de mecânica dos fluidos básica e ou iniciar recordando o conceito de ressão, escalas de ressão, ressão em um onto fluido, carga de ressão e equação manométrica. Isto foi estudado em ESTÁTICA DOS FLUIDOS 4

25 Em se tratando de uma ressão constante, ou média, temos: F N A Quando consideramos a ressão atmosférica igual a zero, assamos a trabalhar na escala efetia ou relatia, ou seja, aquela que adota como zero da escala a ressão atmosférica. Pressão em um onto fluido ertencente a um fluido contínuo, incomressiel, em reouso e na escala efetia: h

26 A cota h é denominada de carga de ressão e sua unidade é semre uma unidade de comrimento acrescida do nome do fluido considerado, exemlo: mmg h E qual aarelhos lêem a carga de ressão?

27 Um exemlo seria o barômetro que mede a ressão barométrica, ou seja, a ressão atmosférica local.

28 Em relação ao ácuo absoluto temos: atmlocal g h Entendi!

29 Neste caso a escala obserada é a escala absoluta, que adota como o zero o ácuo absoluto, ou seja, ausência total de matéria, e or isto mesmo, nesta escala só existem ressões ositias, teoricamente, a ressão oderia ser nula que corresonderia ao ácuo absoluto. E o barômetro trabalha nesta escala!

30 Outro exemlo seria o iezômetro que mede a carga de ressão (h)

31 Só sere ara ressão efetia ositia e não eleada.

32 Ok! E o que em a ser ressão manométrica? 3

33 A PRESSÃO MANOMÉTRICA ( m ) é lida nos manômetros metálicos tio bourdon m = é a ressão registrada em um manômetro metálico ou de Bourdon e que se encontra na escala efetia, a escala que adota como zero a ressão atmosférica local, que também é chamada de ressão barométrica. m ext int atm ext 0 Na figura temos um manoacuômetro já que existem duas escalas, a ositia e negatia.

34 O rincíio de funcionamento deste tio de aarelho é o rincíio da "língua da sogra" como mostra o esquema a seguir e onde a ressão manométrica é igual a ressão interna menos a ressão externa. ext MANÔMETRO METÁLICO TIPO BOURDON Se só existir a escala ositia o aarelho é chamado de manômetro, só escala negatia é chamado de acuômetro e ambas é chamado de manoacuômetro m int m ext int

35 Manoacuômetro = aresenta a escala negatia e a escala ositia m Se ext int atm ext m int

36 Para não esquecer a diferença entre ressão manométrica e barométrica!

37 Recordando a equação manométrica!

38 É a equação que alicada nos manômetros de coluna de líquidos, resulta em uma diferença de ressões entre dois ontos fluidos, ou na ressão de um onto fluido. Para se obter a equação manométrica, dee-se adotar um dos dois ontos como referência. Parte-se deste onto, marcando a ressão que atua no mesmo e a ela soma-se os rodutos dos esos esecíficos com as colunas descendentes (+S*h descendente ), subtrai-se os rodutos dos esos esecíficos com as colunas ascendentes (-S*h ascendente ) e iguala-se à ressão que atua no onto não escolhido como referência.

39 Alicando-se a equação manométrica ao esboço abaixo, resulta: Vamos recordar também a equação da continuidade alicada a um escoamento considerado incomressíel e em regime ermanente! Adotando -se como referência o onto () : x O h h g O O h g x O

40 Vamos considerar duas seções: A e A e escreer a equação da continuidade: Entre elas não existe acúmulo nem falta de massa! m Q m entra Q m A m Para o escoamento incomressíel, temos: saí t A cte A A Q Q cte

41 Alicando-se A equação da continuidade a equação é manométrica ao D fundamental esboço ara dimensionar abaixo, Qresulta: A 4 os tubos, isto orque semre conhecemos a azão desejada e em função da instalação conhecemos também a elocidade econômica. ref Adotando -se como referência o onto () : x O h h g O O h g x O E aí calculamos o diâmetro de referência.

42 W A artir deste onto, recordamos a equação de Bernoulli e ara isto amos lembrar do teorema de trabalho e energias, ou seja: total E otencial E cinética

43 g z cte g z g z g z g z g g z z g z z g dt A z z g dt A dt A dt A m E z z g dt A z z g m E cinética otencial Equação de Bernoulli

44 Alicando a equação de Bernoulli ao tubo de Pitot. m d d h g g se : tem 0 e ainda e Z Como Z g Z g Z

45 Outra alicação da equação de Bernoulli é no medidor de azão tio Venturi. Q real C d A G gh m D D G 4

46 Equação da energia ara regime ermanente em uma instalação com uma entrada e uma saída e na resença de uma máquina hidráulica. Vamos considerar o trecho ao lado. Neste caso efetuamos um balanço de carga, onde temos 4 termos: inicial M final if 46

47 onde: inicial M i-f x z carga inicial e carga manométrica x x x g x final da erda de carga da seção inicial a final quando for bomba quando for turbina M M carga final máquina x x B T Re Re Re m A D 4 D D E como calculamos as erdas? 47

48 Aesar de existirem árias ossibilidades ara o cálculo das erdas, otamos em calculá-las elas equações a seguir: = åh f + åh S ou = Þ h f = f L D g e h S = K S g ( ) åh f Þ h f = f L + å Leq D g h f = erda distribuída; f = coeficiente de erda de carga distribuída L = comrimento da tubulação; D = diâmetro hidráulico h S = erda singular ou localizada; k S = coeficiente de erda de carga localizada = elocidade média do escoamento; g = aceleração da graidade Leq = comrimento equialente 48

49 Até ara conhecer o conhecimento de cada um em relação a mecânica dos fluidos básica, amos alicar os conceitos estudados lá e aqui sintetizados na rimeira aula de laboratório. Este era meu medo! 49