Instalação de Recalque
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- Maria Vitória Castilho Varejão
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1 : Instalação de Recalque Instalação de Recalque Máquinas É um transformador de energia (absorve energia em uma forma e restitui em outra). máquina hidráulica motora: transforma a energia hidráulica em energia mecânica (ex.: turbinas hidráulicas e rodas d água); máquina hidráulica geradora: transforma a energia mecânica em energia hidráulica. 1
2 : Instalação de Recalque - Bombas Volumétricas: São as bombas de êmbulo ou pistão e as bombas diafragma. O intercâmbio de energia é estático e o movimento é alternativo. A quantidade do liquido é definida pela dimensão da bomba. - TurboBombas ou Bombas Hidrodinâmicas: o órgão (rotor) fornece energia ao fluido em forma de energia cinética. O rotor se move sempre com movimento rotativo. Quanto maior a rotação, maior é a vazão. Bombas Volumétricas Bombas de Pistão: Utilizadas em roda d água 2
3 : Instalação de Recalque Bombas Volumétricas Bombas de Diafragma: Ilustração de Bombas Volumétricas 3
4 : Instalação de Recalque Ilustração de Bombas Volumétricas a. Bomba de pistão que comprime e expele fluído. b. Bomba de diafragma comprimindo e expelindo fluído, devido ao movimento do eixo fora de centro. Carneiro hidráulico: Bombas Volumétricas 4
5 : Instalação de Recalque Principais componentes de uma Bomba Rotor: móvel que fornece energia ao fluido Difusor: canal de seção crescente que recebe o fluido vindo do rotor e o encaminha à tubulação de recalque 5
6 : Instalação de Recalque Classificação das Bombas Quanto à trajetória do fluido dentro do rotor: Bombas radiais ou centrífugas Bombas Axiais Bombas diagonais ou de fluxo misto Quanto ao número de entradas para sucção: Bombas de sucção simples ou de entrada unilateral Bombas de dupla sucção 6
7 : Instalação de Recalque Quanto ao número de rotores dentro da carcaça: Bombas de simples estágio Bombas de múltiplo estágio Quanto ao posicionamento do eixo: Bomba de eixo horizontal Bomba de eixo vertical 7
8 : Instalação de Recalque Quanto à pressão desenvolvida: Bomba de baixa pressão: Bomba de média pressão: Bomba de alta pressão: Hm 15m 15m < Hm < 50m Hm 50m Quanto ao tipo de rotor: Aberto Semi-fechado Fechado 8
9 : Instalação de Recalque Quanto a posição do eixo da bomba em relação ao nível da água: Bomba de sucção negativa ou afogada Bomba de sucção positiva Potência necessária ao funcionamento da bomba: Pot Q Hm 0,735 Q Hm (cv) Pot ( kw) Tabela Folga para motores elétricos Potência exigida pela bomba Folga < 2 cv 30% 2 a 5 cv 25% 5 a 10 cv 20% 10 a 20 cv 15% > 20 cv 10% Fonte: Bernardo et al. (2008). 9
10 : Instalação de Recalque INSTALAÇÃO TÍPICA DE RECALQUE Registro de gaveta Válvula de retenção Ampliação Redução excêntrica concêntrica Redução excêntrica Motor Bomba Curva de 90º Válvula de pé Crivo EXEMPLO Dimensionar uma instalação de bombeamento de água sabendo que a vazão a ser recalcada é de 15 L s -1, as tubulações de sucção e recalque são de PVC e apresentam comprimentos de 11 e 130 metros, respectivamente. A cota da água é de 7 metros; a cota do conjunto motobomba é de 10 metros e a cota do reservatório é de 29 metros. Desconsiderar as perdas de carga localizada. 10
11 : Instalação de Recalque Dimensionamento das tubulações de recalque e sucção: critério de velocidade Dimensionamento das tubulações de recalque e sucção: critério de velocidade 4Q 40,015 D 0,113 m 113 mm V 1,5 11
12 : Instalação de Recalque Dimensionamento das tubulações de recalque e sucção: critério de velocidade 4Q 40,015 D 0,113 m 113 mm V 1,5 Recalque Sucção 4 (101,6 mm) 5 (127,0 mm) Cálculo da perda de carga na sucção (hf S ): EQUAÇÃO DE HAZEN-WILLIAMS hf 10,646 Q C 1,852 L D 4,87 hf = perda de carga contínua, m; Q = vazão, m 3 s -1 ; C = coeficiente que depende da natureza da parede do tubo (material e estado); 12
13 : Instalação de Recalque Tabela - Valores do Coeficiente de Hazen-Williams (C)* Tipos de conduto C Alumínio 130 Aço corrugado 60 Aço com juntas loc-bar, novas 130 Aço com juntas loc-bar, usadas 90 a 100 Aço galvanizado 125 Aço rebitado, novo 110 Aço rebitado, velho 85 a 90 Aço soldado, novo 130 Aço soldado, usado 90 a 100 Aço soldado com revestimento especial 130 Aço zincado 120 Cimento-amianto 130 a 140 Concreto, bom acabamento 130 Concreto, acabamento comum 120 Ferro fundido, novo 130 Ferro fundido, usado 90 a 100 Plásticos 140 a 145 PVC rígido 145 a 150 * Citados por E. T. Neves. Cálculo da perda de carga na sucção (hf S ): EQUAÇÃO DE HAZEN-WILLIAMS hf 10,646 Q C 1,852 L D 4,87 hf = perda de carga contínua, m; Q = vazão, m 3 s -1 ; C = coeficiente que depende da natureza da parede do tubo (material e estado); L = comprimento da tubulação, m; e D = diâmetro da tubulação, m. 13
14 : Instalação de Recalque Cálculo da perda de carga na sucção (hf S ): hf 10,646 Q C 1,852 L D 4,87 1,852 0, hf 10,646 0, , ,127 m Cálculo da perda de carga no recalque (hf R ): : hf 10,646 Q C 1,852 L D 4,87 14
15 : Instalação de Recalque Cálculo da perda de carga no recalque (hf R ): : hf 10,646 Q C 1,852 L D 4,87 1,852 0, hf 10,646 3, 9521 m 4, ,1016 Cálculo da altura manométrica (Hm): Hm H GS H GR hf S hf R Hm 319 0,1128 3, , 0649 m 15
16 : Instalação de Recalque SELEÇÃO DA BOMBA Hm = 26,0649 m Q = 0,015 m 3 s -1 SELEÇÃO DA BOMBA 16
17 : Instalação de Recalque SELEÇÃO DA BOMBA Hm = 26,0649 m Q = 0,015 m 3 s -1 SELEÇÃO DA BOMBA Hm = 26,0649 m Q = 0,015 m 3 s -1 x = 54 m 3 h -1 17
18 : Instalação de Recalque SELEÇÃO DA BOMBA 26,0649 m 54 m 3 h -1 SELEÇÃO DA BOMBA 26,0649 m 54 m 3 h -1 18
19 : Instalação de Recalque SELEÇÃO DA BOMBA 26,0649 m 54 m 3 h -1 Modelo SELEÇÃO DA BOMBA Modelo
20 : Instalação de Recalque SELEÇÃO DA BOMBA Modelo ,0649 m 54 m 3 h -1 SELEÇÃO DA BOMBA Modelo ,0649 m 54 m 3 h -1 20
21 : Instalação de Recalque SELEÇÃO DA BOMBA Modelo ,0649 m PP 54 m 3 h -1 SELEÇÃO DA BOMBA Modelo ,0649 m PP 54 m 3 h -1 21
22 : Instalação de Recalque POTÊNCIA DO MOTOR DA BOMBA Q Hm Pot 75 em que: Pot = potência necessária ao sistema, cv; Q = vazão bombeada, L s -1 ; Hm = altura manométrica, m; η = rendimento da bomba, decimal. POTÊNCIA DO MOTOR DA BOMBA Pot Q Hm ,0649 Pot 6, ,76 cv Pot 6,9 cv20% 8, 3 cv 22
23 : Instalação de Recalque A Hm e a Q será como inicialmente projetada? Modelo ,0649 m PP 54 m 3 h -1 Curva característica da tubulação 23
24 : Instalação de Recalque Curva característica da tubulação Hm HGT K Q 1,852 26, K 0,015 26, K K,852 0, , ,5 Hm HGT K Q Curva característica da tubulação 1,852 26, K 0,015 26, K K,852 0, , ,5 Equação: Hm ,5 Q 1,852 24
25 : Instalação de Recalque Traçar a curva característica da tubulação Hm ,5 Q 1,852 Q (m 3 h -1 ) Q (m 3 s -1 ) Hm (m) ,0 10 2,7778E-03 22,2 20 5,5556E-03 22,6 30 8,3333E-03 23,4 40 1,1111E-02 24,3 50 1,3889E-02 25,5 60 1,6667E-02 26,9 70 1,9444E-02 28,6 80 2,2222E-02 30,4 Traçar a curva característica da tubulação 25
26 : Instalação de Recalque Traçar a curva característica da tubulação Traçar a curva característica da tubulação PT 26
27 : Instalação de Recalque Traçar a curva característica da tubulação PT 27,1 m 62 m 3 /h Formas para obtenção da vazão de projeto - Fechamento do registro; - Redução da rotação; - Usinagem do rotor. 27
28 : Instalação de Recalque Fechamento do registro PT 27,1 m 62 m 3 /h Fechamento do registro 27,1 m 62 m 3 /h 28
29 : Instalação de Recalque Fechamento do registro 27,1 m 62 m 3 /h Fechamento do registro 27,1 m 62 m 3 /h 29
30 : Instalação de Recalque Fechamento do registro 27,1 m 62 m 3 /h Fechamento do registro 27,1 m 62 m 3 /h 30
31 : Instalação de Recalque Fechamento do registro 27,1 m 62 m 3 /h Fechamento do registro 27,1 m 62 m 3 /h 31
32 : Instalação de Recalque Fechamento do registro 27,1 m 62 m 3 /h Fechamento do registro 29 m 27,1 m 54 m 3 /h 62 m 3 /h 32
33 : Instalação de Recalque Fechamento do registro 29 m 27,1 m Adição de perda de carga de 1,9 m 54 m 3 /h 62 m 3 /h Cálculo da Potência Q = 54 m 3 h -1 = 15 L s -1 Hm = 29 m Pot Q Hm 75 33
34 : Instalação de Recalque Cálculo da Potência Q = 54 m 3 h -1 = 15 L s -1 Hm = 29 m Q Hm Pot Pot 7, 6 cv 75 0,76 Redução da Rotação e Usinagem do Rotor 27,1 m PT 62 m 3 /h 34
35 : Instalação de Recalque Redução da Rotação e Usinagem do Rotor 27,1 m 62 m 3 /h Redução da Rotação e Usinagem do Rotor 27,1 m 62 m 3 /h 35
36 : Instalação de Recalque Redução da Rotação e Usinagem do Rotor Redução da Rotação e Usinagem do Rotor 36
37 : Instalação de Recalque Redução da Rotação e Usinagem do Rotor Redução da Rotação e Usinagem do Rotor 37
38 : Instalação de Recalque Redução da Rotação e Usinagem do Rotor Redução da Rotação e Usinagem do Rotor 26,0649 m 54 m 3 h -1 38
39 : Instalação de Recalque Usinagem do Rotor Usinagem do Rotor 50 m 3 /h 62 m 3 /h 39
40 : Instalação de Recalque Usinagem do Rotor 3 Q1 62 m / h e D1 160 mm 3 Q2 54 m / h e D2? 3 Q3 50 m / h e D3 150 mm Usinagem do Rotor 3 Q1 62 m / h e D1 160 mm 3 Q2 54 m / h e D2? 3 Q3 50 m / h e D3 150 mm D2 D2153,3 mm
41 : Instalação de Recalque Redução da Rotação 3 Q1 62 m / h e n Q2 54 m / h e n2? rpm Redução da Rotação 3 Q1 62 m / h e n Q2 54 m / h e n2? rpm Q1 Q 2 n n n 2 n rpm 41
42 : Instalação de Recalque Cálculo da Potência Usinagem do Rotor e Redução da Rotação: Pot Q Hm ,0649 Pot 6, ,76 cv Potência da bomba Fechamento do registro: Usinagem do rotor e Redução da rotação: 7,6 cv 42
43 : Instalação de Recalque Potência da bomba Fechamento do registro: Usinagem do rotor e Redução da rotação: 7,6 cv 6,9 cv CAVITAÇÃO A água ferve quando aumenta a temperatura ou diminui-se a pressão. Na pressão de 1 atm (10,33 mca) a água ferve a temperatura de 100 C, na pressão de 0,24 atm, a água ferve a 20 C. Cavitação é a ebulição da água na tubulação de sucção quando a pressão atinge a de vapor. Esse fenômeno é capaz de interromper o escoamento. Quando acontece em partes localizadas da tubulação de sucção, a água chega ao rotor, onde sua pressão é aumentada, ocasionando a implosão das bolhas de vapor, provocando corrosão química (íons livres de O 2 ) e golpes físicos na parede do rotor. 43
44 : Instalação de Recalque CAVITAÇÃO NPSH NPSH D ( disponível na instalação) R ( requerido pela bomba) NPSH = Net Positive Suction Head (altura positiva líquida de sucção) NPSH D P atm H Smáx Pv hf S NPSH R 2 v hf 2 g rotor NPSH D NPSH P R atm H H Pv hf NPSH H P NPSH Pv hf S máx smáx P atm S NPSH Pv hf R R LS S máx hf CS atm R S CAVITAÇÃO Calcule a altura máxima de sucção para que a bomba não cavite considerando que a temperatura máxima da água é de 25 ºC e o sistema de bombeamento está instalado à 820 m de altura. H smáx P atm NPSH R Pv hf LS hf CS 44
45 : Instalação de Recalque NPSH R NPSH R 27,
46 : Instalação de Recalque NPSH R NPSH R 46
47 : Instalação de Recalque NPSH R 4,5 CAVITAÇÃO Tabela - Pressão atmosférica, em função da altitude Altitude (m) Pressão (mca) Altitude (m) Pressão (mca) 0 10, , , , , , , , , , , , , , , ,03 47
48 : Instalação de Recalque CAVITAÇÃO Pressão atmosférica, em função da altitude: 0,0065 z P 10, ,2568 em que: P = pressão atmosférica local, mca; e Z = altitude do local, m. CAVITAÇÃO Pressão atmosférica, em função da altitude: 0,0065 z P 10, ,2568 P 10,3287 0, ,2568 P 9,3626 mca 48
49 : Instalação de Recalque CAVITAÇÃO Tabela - Pressão de vapor da água, em função da temperatura Temperatura (ºC) Pressão (mca) Temperatura (ºC) Pressão (mca) 15 0, , , , , , , ,26 CAVITAÇÃO Tabela - Pressão de vapor da água, em função da temperatura Temperatura (ºC) Pressão (mca) Temperatura (ºC) Pressão (mca) 15 0, , , , , , , ,26 49
50 : Instalação de Recalque CAVITAÇÃO Cálculo da perda de carga localizada na sucção (hf LS ): 2 v hf LS K 2g 4 Q v D 4 0,015 v 2 0,127 v 1,1841 m s hf LS v K 2g Valores do coeficiente de perda de carga localizada K, segundo J. M. Azevedo Netto Peça K Peça K Ampliação gradual 0,30* Junção 0,40 Bocais 2,75 Medidor Venturi 2,50** Comporta, aberta 1,00 Redução gradual 0,15* Controlador de vazão 2,50 Registro de ângulo 5,00 Cotovelo de 90º 0,90 Registro de gaveta 0,20 Cotovelo de 45º 0,40 Registro de globo 10,00 Crivo 0,75 Saída de canalização 1,00 Curva de 90º 0,40 Tê, passagem direta 0,60 Curva de 45º 0,20 Tê, saída de lado 1,30 Curva de 22½º 0,10 Tê, saída bilateral 1,80 Entrada em canalização 0,50 Válvula de pé 1,75 Entrada de borda 1,00 Válvula de retenção 2,50 Pequena derivação 0,03 Velocidade 1,00 (*) Com base na velocidade maior (seção menor); (**) Relativa à velocidade na canalização. hf LS 3,05 2 1, ,81 hf LS 0,2180 CAVITAÇÃO Cálculo da perda de carga contínua na sucção (hf CS ): hf CS 10,646 Q C 1,852 L D 4,87 1,852 0, hf CS 10,646 0, 1128 m 4, ,127 50
51 : Instalação de Recalque CAVITAÇÃO H H s máx s máx P atm 9,3626 NPSH R Pv hf LS hf CS 4,5 0,32 0,2180 0,1128 H s máx 4,2118 m Custos mensais da energia elétrica C C C T A C D Em que: C = custo mensal de energia elétrica; C C = custo do consumo energético; T A = taxa adicional a ser paga; e C D = custo de demanda. 51
52 : Instalação de Recalque Custo do consumo energético (C C ): C C E preço do kwh Em que: C C = custo do consumo energético; e E = energia mensal, kw. Taxa adicional a ser paga (T A ): cos T 1 A C C 1 cos Em que: cos Φ 1 = fator de potência da instalação; cos Φ = fator de potência do motor; Potência Nominal (Hp) Rendimento (%) Cos Ф 1/4 0,58 0,72 1,15 1/3 0,64 0,73 1,35 1/2 0,69 0,75 1,85 3/4 0,73 0,75 2,65 1 0,75 0,78 3,30 1 ½ 0,79 0,78 4,70 2 0,80 0,80 6,00 2 ½ 0,81 0,80 7,40 3 0,81 0,80 8,80 4 0,81 0,83 11,5 5 0,81 0,83 14,5 7 ½ 0,86 0,85 20,0 10 0,86 0,85 26,0 15 0,86 0,87 39,0 20 0,86 0,87 50,0 25 0,86 0,87 65,0 30 0,86 0,87 78,0 Corrente com plena carga 220 v 52
53 : Instalação de Recalque Custo de demanda (C D ): C D P D preçodo kw P D V I P cos ( kw) Em que: P D = pico de demanda; kw V = voltagem da linha; W cos Φ = fator de potência; e I P = corrente de partida, amperes. Custo de demanda (C D ): I P N kva / HP 3 V Em que: I P = corrente de partida, ampres; N = potência instalada em cv ou Hp; V = voltagem da linha; e kva/hp = potência aparente com o rotor bloqueado, por unidade de potência nominal do motor, em função da letra de código do motor, dada pela tabela seguinte. 53
54 : Instalação de Recalque Custo de demanda (C D ): Aplicada UFMS Potência aparente em função da letra de código do motor Letra código Letra código kva/hp do motor do motor kva/hp A 0,00-3,14 L 9,00-9,99 B 3,15-3,54 M 10,00-11,19 C 3,55-3,99 N 11,20-12,49 D 4,00-4,49 P 12,50-13,99 E 4,50-4,99 R 14,00-15,99 F 5,00-5,59 S 16,00-17,99 G 5,60-6,29 T 18,00-19,99 H 6,30-7,09 U 20,00-22,39 J 7,10-7,99 V 22,40-20,00 K 8,00-8,99 Let d Custos mensais da energia elétrica Calcular o custo mensal de energia elétrica considerando que a motobomba irá operar por 12 horas diárias. Dados do motor: Potência do motor a ser considerada é a exigida pelo ponto de projeto; e Código do motor letra F. Dados da instalação elétrica: Fator de potência da companhia elétrica (cos Φ 1 ) de 0,88; Voltagem da rede (V) de 220W; Custo kwh de R$ 0,18. CC E preço do kwh E kw horas E (10 0,735) (12 h / dia C C ,18 C C R$476,28 30 dias ) E kw 54
55 : Instalação de Recalque Custos mensais da energia elétrica T A cos1 CC 1 TA cos 0,88 476,28 1 T 0,85 A R$16,81 I P C P D D N kva/ HP I 3 V ,30 I ,0889 A V I P cos ,0889 0,85 3 PD PD 45,05 kw P preço do kw C 45,05 0,18 C R$8,11 D D P D P C C C T A C D C 476,28 16,81 8,11 C R$501,20 Sistemas de partida de motores elétricos Importante para diminuir o pico de demanda por meio da diminuição da corrente de partida. Tipos de partida: Partida direta Partida estrela-triângulo Partida compensadora Partida série-paralelo Conversor de frequência Soft-starter 55
56 : Instalação de Recalque FIM 56
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INSTALAÇÕES DE RECALQUE Prof. Hugo Alexandre Soares Guedes E-mail: hugo.guedes@ufpel.edu.br Website: wp.ufpel.edu.br/hugoguedes/ MÁQUINA DESIGNAÇÃO GENÉRICA DADA A TODO TRANSFORMADOR DE ENERGIA. ELA ABSORVE
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