Síntese final do curso

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1 Síntese final do curso O objetivo do curso foi estudar o projeto de uma instalação de bombeamento básica, ou seja, aquela que apresentava uma entrada e uma saída. As etapas que constituem este tipo de projeto encontram-se mencionada no mindmapping a seguir: 1

2 Para facilitar o desenvolvimento deste projeto foram estudados: 1. os cálculos e as determinações de perda de carga; 2. a correção da CCB em função da variação da rotação; 3. a utilização do inversor de freqüência, tanto para para controle de vazão, como para a determinação da CCI prática; 4. Através das bancadas 7 e 8 (vide esquema abaixo) viabilizar: 2

3 a. associação em série de bombas hidráulicas; b. associação em paralelo de bombas hidráulicas. bombas iguais 3

4 bombas diferentes 5. Cooreção das curvas que formam a CCB ao se transportar um fluido viscoso. Para fluidos com cviscosidades superiores a 20 mm²/s, deve-se corrigir as curvas através dos coeficientes: Para tal os mesmo devem ser determinados nos diagrama dados a seguir 1. Os coeficientes permitem o preencimento da tabela: 1 Diagramas extraídos das páginas 65 e 66 do livro Bombas de Processo: Inspeção escrito por Silvio Marques de Oliveira e editado pela Nobel,

5 Valores da viscosidade não encontram-se bem legível, os seu valores estão abaixo: 5

6 Valores da viscosidade não encontram-se bem legível, os seu valores estão abaixo: 6

7 Neste nosso último encontro, objetiva-se detalhar um pouco mais a escolha preliminar da bomba. Isto porque existem muitos tipos de bomba e cada um deles com suas características geométricas, atendendo uma faixa de vazões e de cargas, portanto na escolha da bomba, além dela atender o par H B e Q, deve operar com o melhor rendimento possível e para isto, deve-se escolher a geometria conveniente para uma dada instalação. Para esta escolha, vamos evocar a sua classificação básica onde é importante salientar que não existe uma terminologia homogênea sobre bombas, pois existem vários critérios para designá-las; entretanto, poderemos classificá-las em duas grandes categorias: a) bombas centrífugas (também chamadas Turbo-bombas); b) bombas volumétricas ou de deslocamento positivo. A bomba centrífuga tem por princípio de funcionamento a transferência de energia mecânica para o fluido a ser bombeado em forma de energia cinética. Por sua vez, esta energia cinética é transformada em energia potencial (energia de pressão) sendo esta a sua característica principal. O movimento rotacional de um rotor inserido em uma carcaça (corpo da bomba) é o orgão funcional responsável por tal transformação. A classificação das bombas centrífugas é feita em função dos tipos e formas dos rotores. 7

8 Em relação ao tipo tem-se: a) radiais ou puras quando à direção do fluido bombeado é perpendicular ao eixo de rotação. b) fluxo misto ou Semi-Axial quando a direção do fluido bombeado é inclinada em relação ao eixo de rotação. c) fluxo Axial quando a direção do fluido bombeado é paralela em relação ao eixo de rotação. 8

9 Em relação aos rotores se tem: 9

10 Abaixo damos alguns exemplos práticos para a seleção de tipos de rotores em função do líquido bombeado: Líquidos limpos ou com baixa quantidade de sólidos em suspensão, sólidos de pequenos diâmetros e não abrasivos. rotores radiais, fluxo simples ou duplo, fechado. rotores semi-axiais, fluxo simples ou duplo, fechado ou aberto. 10

11 Líquidos viscosos sem sólidos. rotores radiais, fluxo simples ou duplo, fechado. Líquidos com sólidos em suspensão e tamanho de sólidos máximo de acordo com o manual técnico. rotores com uma, duas ou três pás, dependendo do tamanho dos sólidos, fechado. Águas com peixes, batatas, laranjas e outras frutas. rotor de pá única, fechado. Esgoto bruto sem prégradeamento com fibras longas. rotor de pá única, fechado. Lodo e material fibroso (com fibras curtas), com pouco teor de gases ou ar. rotor radial de duas ou três pás, aberto. Lodo com alto teor de gases e ar. rotor de pá única, fechado ou rotor recuado. Caldo de cana: com baixa quantidade de bagacilho. com média quantidade de bagacilho. rotor radial fechado. rotor radial com duas ou três pás, fechado. Caldo com bagacilho após a primeira moenda quando da não utilização do cush-cush. rotor de pá única, fechado. 11

12 Já as bombas de deslocamento positivo, ao contrário das bombas centrífugas, têm por característica de funcionamento a transferência direta da energia mecânica cedida pela fonte motora em energia potencial (energia de pressão). Esta transferência é obtida pela movimentação de um orgão mecânico da bomba, que obriga o fluido a executar o mesmo movimento do qual ele está animado. O líquido, sucessivamente enche e depois é expulso dos espaços com volume determinado no interior da bomba; dai resultando o nome de bombas volumétricas. A variação destes orgãos mecânicos (êmbolos, diafragma, engrenagens, parafusos, etc), é responsável pela variação na classificação das bombas volumétricas ou de deslocamento positivo, as quais se dividem em: a. Bombas de êmbolo ou alternativas, b. Bombas rotativas Nas bombas de êmbolo, o orgão que produz o movimento do fluido é um pistão que, em movimentos alternativos aspira e expulsa o fluido bombeado como é demonstrado na figura abaixo: 12

13 A denominação genérica bomba rotativa, designa uma série de bombas volumétricas comandadas por um movimento de rotação, daí a origem do nome. As bombas rotativas podem ser de parafusos (screw pumps), engrenagens, palhetas, lóbulos, entre outras, conforme mostram as figuras abaixo: O funcionamento volumétrico de todas elas consiste no preenchimento dos insterstícios entre o componente girante e a carcaça, sendo que a somatória de todos eles, menos o vazamento natural (recirculação), corresponde a vazão total fornecida pela bomba. Nestas bombas, quando a velocidade é constante, a descarga e a pressão são praticamente constantes, embora rigorosamente falando, haja apenas flutuações. 13

14 Determinamos a vazão de projeto e com esta a carga manométrica de projeto, e agora como sabemos o tipo de bomba? Para responder a pergunta anterior, vamos introduzir o conceito de velocida (ou rotação) específica ( n S ). A velocida (ou rotação) específica ( n S ) é originada pela combinação de dois adimensionais, o coeficiente manométrico ( ψ = Q coeficiente de vazão ( φ = n 3 D r diâmetro do rotor da expressão final, isto resulta: g H n 2 B 2 r D ) e o ) de tal forma que se elimina o n S = φ ψ = Q n D 3 r g HB 2 n D 2 r = n Q ( g H ) 4 3 B Pode-se observar que a expressão anterior é adimensional, desde que sejam utilizadas as equações adimensionais mencionadas a seguir: [] n = 1 T [ Q] = 3 L 1 T [ g] = L 2 T [ HB ] = L A velocidade (rotação) especifica tem três aplicações práticas. 1. A primeira permite determinar o tipo de impelidor e a eficiência máxima de acordo com as condições operacionais. 2. A segunda permite em função dos resultados existentes para bombas semelhantes, determinar tanto a geometria básica do impelidor, como o desempenho aproximado do impelidor. 14

15 3. A terceira permite determinar a rotação máxima que uma bomba pode operar em condições satisfatórias em função do tipo de bomba e de características do sistema. Embora a velocidade (rotação) específica seja um parâmetro adimensional, é prática comum utilizar uma equação de engenharia na forma do n S, onde os parâmetros n e Q são especificados em unidades convenientes, porém inconsistentes, quando isto é feito, a velocidade (rotação) específica não é um parâmetro sem unidade e sua magnitude depende das unidades empregadas para calculá-la. Como é comum se recorrer às normas americanas e européias para se obter o tipo de impelidor e a eficiência, é importante que se tenha claro as unidades que serão consideradas. n s USA = ( n,rpm) ( Q,gpm) 3 ( H,pé) 4 B 1 2 ignorou - se o g n S europa = ( n,hz) g H Q, m B, m 2 s 3 2 s n S SI = ω Q ( g H ) 4 3 B ω = 2πn Outro ponto importante é se observar a relação entre as unidades anteriores: n S SI = 3, n S USA n S SI = 2π n Seuropa n S USA = n Seuropa 15

16 Em nosso curso, estaremos analisando somente a primeira aplicação prática, ou seja, a determinação do tipo de impelidor e a eficiência máxima de acordo com as condições operacionais. A seguir apresentam-se alguns gráficos que são amplamente utilizados para a determinação do tipo de impelidor e a eficiência máxima de acordo com as condições operacionais. 1º - A eficiência máxima como função da velocidade específica da bomba para os três tipos principais de bombas dinâmicas. As escalas horizontais mostram: a velocidade específica de bomba adimensional (Nsp = n S p unidades comuns nos EUA ), a velocidade específica de bomba em N S = S p,us n e a velocidade USA específica de bomba em unidades comuns na Europa (Nsp,Eu = n S europeu ) 2. Observação: Considera-se que 1 m³/s = 15850,32 gpm = 2118,88 cfm (pés³/min) e 1 m = 3,2808 pés 2 Gráfico obtido na página 684 do livro Mecânica dos Fluidos Fundamendo e Aplicações escrito por Yunus A. Çengel e John M. Cimbala e editado pela McGraw Hill,

17 2º - Conforme mencionado, o conhecimento das condições operacionais Q, H B e n permitem a determinação da velocidade especifica e, em função desta, determinar o tipo do impelidor (rotor) e a eficiência máxima esperada 3. 3 Gráficos extraídos das páginas 206 e 207 do livro Bombas Industriais escrito por Edson Ezequiel de Mattos e Reinaldo de Falco e editado pela Editora Interciência,

18 3º - A velocidade especifica pode ser pensada como a velocidade de operação na qual a máquina produz altura de carga unitária a uma vazão volumétrica unitária 4. N(rpm) = N S co 3 [ H( ft) ] 4 1 [ Q( gpm) ] 2 4 Páginas 518 e 519 do livro Introdução à Mecânica dos Fluidos escrito por Robert W. Fox, Alan T. McDonald e Philip J. Pritchard editado pela LTC,

19 Exercício da página 520 do livro Introdução à Mecânica dos Fluidos escrito por Robert W. Fox, Alan T. McDonald e Philip J. Pritchard editado pela LTC, 2006 No ponto de melhor eficiência, uma bomba centrífuga, com diâmetro de rotor D = 8 in, produz H B = 21,9 ft a Q = 300 gpm, com n = 1170 rpm. Calcule as velocidades específicas correspondentes, usando: a. unidades usuais dos USA; b. unidades do SI (rad/s, m³/s, m²/s²); c. unidades européias (Hz, m³/s, m²/s²). Solução: n s USA = ( n,rpm) ( Q,gpm) 3 ( H,pé) 4 B 1 2 ns USA 1170 = ( 219, ) , SSI 4 4 3, ns n 3, , 0, 71 USA S = SI n = 20018, n S = n USA S europa ns europeu = 0, Outra referência 5 a se considerar é a que estabelece que para a escolta da bomba certa, para uma determinada vazão e pressão total, introduz-se o conceito da velocidade específica Ns que compara os tipos à base de uma unidade de pressão e unidade de vazão. Considerando o tipo da bomba geometricamente reduzido para dar essas unidades, tem-se: 5 Páginas 319 e 320 do livro Manual de Hidráulica Azevedo Netto e outros editado pela Editora Edgard Blücher LTDA, 8ª edição, ª reimpressão,

20 No sistema métrico, as unidades são Q = 1 m³/s e H = 1 m; no sistema inglês Q= 1gpm e H = 1 pé; N é a rotação (rpm). Convertem-se as velocidades específicas Ns de um sistema para o outro com o fator x 10-2 Ns: Ns métrico = X 10-2 Ns inglês. Neste texto usa-se o sistema métrico. A Fig mostra a relação de tipos ele rotores e velocidades específicas. Limitações físicas de velocidade tangencial, tamanho de rotor e possibilidade de produção restringem a aplicação de rotores numa gama de velocidades específicas. Em caso de duas entradas num só rotor, a Ns deve ser calculada com a metade de vazão, Q/2; do mesmo modo, em caso de bombas com mais de um estágio, a pressão deve ser dividida pelo número de rotores. Exemplos: 20

21 Existem ainda autores 6 específica ou coeficiente de forma do rotor. que definem a velocidade de rotação 6 Por exemplo: Érico Lopes Henn em seu livro Máquinas de Fluido (páginas de 108 a 112), editado pela editora UFSM,

22 Além de determinar o tipo de impelidor e a eficiência máxima de acordo com as condições operacionais, a velocidade (rotação) específica é importante para a verificação do fenômeno de cavitação. 22

23 onde nq = ns USA = ( n,rpm) ( Q,gpm) 3 ( H,pé) 4 B 1 2 Portanto, conhecida a velocidade (rotação) específica, determina-se o coeficiente de cavitação (ou fator de Thoma) e através deste se NPSH estima o NPSH requerido, já que: σ = H requerido B Outro diagrama importante para se verificar o perigo da cavitação é dado a seguir: Observação: Considera-se que 1 m³/s = 15850,32 gpm = 2118,88 cfm (pés³/min) e 1 m = 3,2808 pés 23

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