MANUAL DE HIDRÁULICA

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1 MANUAL DE HIDRÁULICA FÁBIO FERRAZ INSTALAÇÃO DE BOMBEAMENTO 1

2 COMPRIMENTO DA TUBULAÇÃO DE SUCÇÃO - Extensão linear em metros de tubo utilizados na instalação, desde a válvula de pé até o bocal de entrada da bomba. NIVEL ESTÁTICO Distância vertical em metros, entre a borda do reservatório de sucção e o nível (lâmina) da água, antes do início do bombeamento. NIVEL DINÂMICO Distância vertical em metros, entre a borda do reservatório de sucção e o nível mínimo da água, durante o bombeamento da vazão desejada. CARACTERÍSTICAS DA SUCÇÃO ALTURA DE SUCÇÃO Distância entre o nível dinâmico da captação e o bocal de sucção. CARACTERÍSTICAS DO RECALQUE ALTURA DE RECALQUE (AR) Desnível entre o bocal de sucção da bomba e o ponto de maior elevação do fluido até o destino final da instalação (reservatório, etc.). COMPRIMENTO DA TUBULAÇÃO DE RECALQUE - Extensão linear em metros de tubo, desde a saída da bomba até o ponto final da instalação. 2

3 EXEMPLO TÍPICO DE UMA INSTALAÇÃO DE BOMBEAMENTO AR = 6 m AS = 1,5 m COMPRIMENTO DA TUB. DE RECALQUE = 16,5 m COMPRIMENTO DA TUB. DE SUCÇÃO = 3,5 m ALTURA MANOMÉTRICA TOTAL (AMT) - Altura total exigida pelo sistema, a qual a bomba deverá ceder energia suficiente ao fluido para vencê-la. Levase em consideração os desníveis geométricos de sucção e recalque e as perdas de carga por atrito em acessórios, válvulas e tubulações. AMT = Altura Sucção + Altura Recalque + Perdas de Carga (nas tubulações, válvulas e acessórios). Unidades mais comuns: mca, kgf/cm², Lbf/Pol². Onde: 1 kgf/cm² = 10 mca = 14,223 Lbf/Pol². OBS: Com tanques pressurizados teremos: AMT = Altura Sucção + Altura Recalque + Perdas + (P tanque recalque P tanque sucção) 3

4 PERDA DE CARGA NAS TUBULAÇÕES (DISTRIBUÍDA) Atrito exercido na parede interna do tubo quando da passagem do fluido pelo seu interior. PERDA DE CARGA NOS ACESSÓRIOS (LOCALIZADA) Atrito exercido na parede interna dos acessórios e válvulas, quando da passagem do fluido. COMPRIMENTO EQUIVALENTE Comprimento retificado que permite substituir os acessórios por um comprimento de tubulação reta de mesmo diâmetro e material, na qual ocorra uma perda de carga igual aquela que acontecerá no acessório. Ex: Uma curva de 90º, de PVC, com um diâmetro de 3/4, possui um comprimento equivalente a um tubo de 0,5 m de PVC com 3/4 de diâmetro. 4

5 PROPRIEDADES DOS FLUIDOS CONCEITO: Sendo a hidráulica o ramo da física que estuda o comportamento dos fluidos, tanto em repouso como em movimento, é necessário conhecer-se algumas definições básicas destes comportamentos. Temos que, todas as bombas tem como finalidade básica o transporte de fluidos incompressíveis* com viscosidade baixa, dos quais o mais conhecido e bombeado é a água. A água em seu estado líquido possui propriedades físicoquímicas diversas, cujas principais são apresentadas a seguir: OBS: Fluidos incompressíveis a massa específica do fluido tem variação desprezível. PROPRIEDADES DOS FLUIDOS Peso Específico ( ): É o peso da substância pelo volume ocupado pela mesma, cuja expressão é definida por: = P/V, kgf/m³ (onde P = m.g) O peso específico da água, a 4ºC, é igual a 1000 kgf/m³ OBS: 1 kgf = m.g = 1kg. 9,80665m/s 2 = 9,80665N. Volume Específico (ve): É o volume ocupado por 1 kg do produto. ve = V/m, em m³/kg Este volume varia de acordo com a temperatura: Para água a Patm teremos: 28º C, ve = 0,00100 m³/kg 90º C, ve = 0,00103 m³/kg 100ºC, ve = 1,673 m³/kg 5

6 PROPRIEDADES DOS FLUIDOS Massa específica (ρ): É a massa por unidade de volume (maciço), cuja expressão é: ρ = m/v = 1/ve, kg/m³ Densidade (d): É a massa por unidade de volume, cuja expressão é: d = m/v, kg/m³ Exemplo: Uma esfera oca de ferro tem massa de 760g e volume de 760 cm 3. O volume da região oca é de 660 cm 3. Determine a densidade e a massa específica da esfera. d = m/v esfera = 760g/760cm 3 = 1 g/cm 3 ρ = m/v ferro = 760g/(760cm 3-660cm 3 ) = 7,6 g/cm 3 OBS: Para líquidos não há distinção entre densidade e massa específica. PROPRIEDADES DOS FLUIDOS Pressão (P): Define-se como a força necessária para deslocar-se o fluido por unidade de área, expressa por: P = F/A Unidades: kgf/cm², Lbf/pol²(Psi), Atmosfera (atm), Pascal (N/m 2 ), bar; Obs: Psi pound per square inch (libra por polegada quadrada). Dentro desta unidade de medida encontramos duas escalas: psia e psig. 6

7 PROPRIEDADES DOS FLUIDOS Tipos de pressão 1. Pressão Absoluta (Pabs): É a pressão medida em relação ao vácuo total ou zero absoluto; 2. Pressão Atmosférica (Patm): É o peso da massa de ar que envolve a terra até uma altura de ± 80 km sobre o nível do mar e que age sobre todos os corpos. A este nível, a Patm = 10,33 mca ou 1,033 kgf/cm² (760 mm de Hg); 3.Pressão Manométrica (Pman): É a pressão medida adotando-se como referência a pressão atmosférica, denominada também pressão relativa ou efetiva. Mede-se com auxílio de manômetros, cuja escala em zero é a pressão atmosférica local. Quando o valor da pressão medida no manômetro é menor que a pressão atmosférica local, teremos pressão relativa negativa, ou vácuo parcial; PROPRIEDADES DOS FLUIDOS Tipos de pressão (zero absoluto) 7

8 PROPRIEDADES DOS FLUIDOS Tipos de pressão 4.Pressão de Vapor (Po ): É a situação do fluido onde, a uma determinada temperatura, coexistem as fases do estado líquido e de vapor. Para água a temperatura ambiente de 20ºC, a pressão de vapor é de 0,239 mca. Já para a água a 100ºC, a pressão de vapor é de 10,33 mca = 1 atm. Quanto maior a temperatura maior a pressão de vapor! PROPRIEDADES DOS FLUIDOS Tipos de Vazão 1. Vazão Volumétrica (Q): É a relação entre o volume do fluido que atravessa uma determinada seção de um conduto, e o tempo gasto para tal, sendo: Q = V/t Unidades: m³/s, m³/h, l/s, GPM (1GPM=3,785 l/min) 2. Vazão Mássica (QM): É a relação entre a massa do fluido que atravessa uma determinada seção de um conduto, e o tempo gasto para tal, sendo: Qm = m/t Unidades: kg/s, kg/h, Lb/h 8

9 PROPRIEDADES DOS FLUIDOS Velocidade (Ve): É a relação entre a vazão volumétrica do fluido escoado e a área de seção por onde escoa, sendo: Ve = Q/A Unidades: m/s, pés/s, m/min Viscosidade - Tipos 1. Viscosidade Absoluta (µ): É a resistência imposta pelas camadas do fluido ao escoamento das mesmas. É uma característica do fluido. Com o movimento do mesmo, dependendo da velocidade, ocorrerá um maior ou menor atrito das partículas com as paredes da tubulação; Unidades: N.s/m² 2. Viscosidade Cinemática ( ): É a relação entre a viscosidade absoluta (µ) e a massa específica (ρ). Assim: = µ/ρ Unidades: m²/s, stokes, centistokes Onde: 1 m²/s = 10 4 stokes =10 6 centistokes MÁQUINAS HIDRÁULICAS Máquinas Hidráulicas são máquinas que trabalham fornecendo, retirando ou modificando a energia do líquido em escoamento. As máquinas hidráulicas podem ser classificadas em: Máquinas operatrizes (bombas) - transformam energia mecânica fornecida por uma fonte (um motor elétrico) em energia hidráulica sob a forma de pressão e velocidade; 9

10 MÁQUINAS HIDRÁULICAS Máquinas Hidráulicas são máquinas que trabalham fornecendo, retirando ou modificando a energia do líquido em escoamento. As máquinas hidráulicas podem ser classificadas em: Máquinas motrizes ou geratrizes (turbinas, rodas d água)- transformam energia hidráulica em outra forma de energia (ex: mecânica); OBS: Em algumas Produção média: fazendas costumava a usar as rodas d'água litros/dia. para acionar um moinho de milho para fazer fubá ou acionar uma máquina como um engenho de cana para alambique. Bomba hidráulica acionada por roda d'água. MÁQUINAS HIDRÁULICAS Máquinas Hidráulicas são máquinas que trabalham fornecendo, retirando ou modificando a energia do líquido em escoamento. As máquinas hidráulicas podem ser classificadas em: Mistas (carneiros hidráulicos)- máquinas que modificam o estado da energia que o líquido possui. O carneiro hidráulico, também chamado bomba de aríete hidráulico, é uma máquina mista, com característica de geratriz e de operatriz, que funciona pelo movimento da água através de válvulas, de modo que a única fonte de energia é a própria descarga e a altura da água disponível na captação. 10

11 Carneiro hidráulico No momento em que atinge uma velocidade elevada, a válvula de escape (v) fecha-se repentinamente, ocasionando uma sobrepressão que possibilita, automaticamente, a elevação de uma parcela de água através da válvula (e), chegando a uma altura superior à aquela da fonte de alimentação, sem necessitar do auxílio de qualquer força motriz externa, bastando para isso que se tenha uma pequena queda hidráulica. BOMBAS HIDRÁULICAS 1. DEFINIÇÃO: Bombas são Máquinas Hidráulicas Operatrizes, isto é, máquinas que recebem energia de um motor, e transformam parte desta potência em energia cinética (movimento) e energia de pressão (força), cedendo estas duas energias ao fluido bombeado, de forma a transportálo de um pto a outro. Ver figura 2. CLASSIFICAÇÃO: Bombas Centrífugas; Bombas Volumétricas, também conhecidas como de Deslocamento Positivo. 11

12 Bombas Centrífugas BOMBAS HIDRÁULICAS 3. DIFERENÇAS BÁSICAS: Nas Bombas Centrífugas, a movimentação do fluido ocorre pela ação de forças que se desenvolvem na massa do mesmo, em consequência da rotação de um eixo no qual é acoplado um disco (rotor) dotado de pás (palhetas, hélice), o qual recebe o fluido pelo seu centro e o expulsa pela periferia, pela ação da força centrífuga. Em função da direção do movimento do fluido dentro do rotor, estas bombas dividem-se em: Centrífugas Radiais; Centrífugas de Fluxo Misto; Centrífugas de Fluxo Axial. Bombas Centrífugas BOMBAS HIDRÁULICAS CLASSIFICAÇÃO DAS BOMBAS CENTRÍFUGAS Centrífugas Radiais: A movimentação do fluido dá-se do centro para a periferia do rotor, no sentido perpendicular ao eixo de rotação; OBS.: Essa bomba é a mais usada no mundo, principalmente para o transporte de água. São empregadas para pequenas e médias descargas, e para qualquer altura manométrica, porém caem de rendimento para grandes vazões e pequenas alturas além de serem de grandes dimensões nestas condições. Raio 12

13 Bombas Centrífugas BOMBAS HIDRÁULICAS CLASSIFICAÇÃO DAS BOMBAS CENTRÍFUGAS Centrífugas de Fluxo Misto: O movimento do fluido ocorre na direção inclinada (diagonal) ao eixo de rotação; Empregadas em grandes vazões e pequenas e médias alturas, estruturalmente caracterizam-se por serem bombas de fabricação muito complexa. Bombas Centrífugas BOMBAS HIDRÁULICAS CLASSIFICAÇÃO DAS BOMBAS CENTRÍFUGAS Centrífugas de Fluxo Axial: O movimento do fluido ocorre paralelo ao eixo de rotação; São especificadas para grandes vazões - dezenas de m 3 /s - e médias alturas - até 40 m. 13

14 Bombas Volumétricas BOMBAS HIDRÁULICAS Nas Bombas Volumétricas, ou de Deslocamento Positivo, a movimentação do fluido é causada diretamente pela ação do impulsor da bomba que obriga o fluido a executar o mesmo movimento a que está sujeito este impulsor (êmbolo, engrenagens, lóbulos, palhetas). Dá-se o nome de volumétrica porque o fluido, de forma sucessiva, ocupa e desocupa espaços no interior da bomba, com volumes conhecidos, sendo que o movimento geral deste fluido dá-se na mesma direção das forças a ele transmitidas, por isso a chamamos de deslocamento positivo. As Bombas Volumétricas dividem-se em: Êmbolo ou Alternativas (pistão, diafragma, membrana); Rotativas (engrenagens, lóbulos, palhetas, helicoidais, fusos, parafusos, etc.). Bombas Volumétricas BOMBAS HIDRÁULICAS Êmbolo ou Alternativas (pistão, diafragma, membrana) 14

15 Bombas Volumétricas BOMBAS HIDRÁULICAS Rotativas (engrenagens, lóbulos, palhetas, helicoidais, fusos, parafusos, etc.) Simulação Simulação Campo de emprego das Bombas 15

16 Aplicações quanto à posição na captação 1) Submersas (em geral empregadas onde há limitações no espaço físico - em poços profundos por exemplo); 2) Afogadas (mais frequentes para recalques superiores a 100 l/s); 3) Altura positiva (pequenas vazões de recalque). Funcionamento BOMBAS HIDRÁULICAS 16

17 Funcionamento BOMBAS HIDRÁULICAS A bocal de sucção; B olho do impelidor; C pás; D carcaça; E seção de maior área. D p/ E: área menor (pequena folga) p/ área maior => transformação de velocidade em pressão... Voltar BOMBAS HIDRÁULICAS Tipos de rotores: rotor (impelidor), constitui-se de um disco provido de pás (palhetas) que impulsionam o fluido (figuras abaixo); São os mais empregados nas bombas centrífugas pois apresentam melhores rendimentos. São utilizados para líquidos limpos (sem sólidos em suspensão). Usados para líquidos viscosos, líquidos com elevada concentração de sólidos abrasivos em suspensão e líquidos sujos (esgotos). Usados para líquidos viscosos ou sujos, pastas, etc. 17

18 CAVITAÇÃO Fenômeno físico que ocorre em bombas centrífugas no momento em que o fluido succionado tem sua pressão reduzida, atingindo valores iguais ou inferiores a sua pressão de vapor. AINDA SOBRE CAVITAÇÃO... A cavitação é denunciada pelo som de bombeamento de pedras ou de borbulhamento, e provocada por deficiência de pressão de sucção. Assim, num ponto qualquer do rotor, existindo uma pressão baixa, é provocada a formação de bolhas no líquido. Estas bolhas são formadas pela vaporização do líquido, ao encontrar uma região de pressão inferior à sua pressão de vapor. As bolhas de vapor são conduzidas pelo fluxo até atingir pressões mais elevadas no interior da bomba onde ocorre a implosão das mesmas com a condensação do vapor e retorno ao estado líquido. Este fenômeno de vaporização e sucessiva condensação recebe a denominação de cavitação. 18

19 AINDA SOBRE CAVITAÇÃO... ZONA DE BAIXA PRESSÃO Formação das bolhas de vapor. ZONA DE ALTA PRESSÃO Pressão sobre as bolhas e implosão e condensação; Onda de choque que retira material do rotor e carcaça. Tubulação AINDA SOBRE CAVITAÇÃO... Como mostra a figura abaixo, a cavitação provoca destruição da superfície do rotor. Características de uma bomba em cavitação: Queda de rendimento; Vibração provocada pelo desbalanceamento; Ruído Característico: A cavitação produz um ruído semelhante de de grãos de areia ou bolas de gude ; Oscilações nas Indicações da Corrente: É uma consequência direta das alterações na performance, tendo em vista que a potência consumida é função da pressão (AMT) e da Vazão, que variam em uma condição de cavitação. 19

20 DEFINIÇÃO DE NPSH NPSH - Sigla da expressão inglesa - Net Positive Suction Head (algo como altura livre positiva de sucção) a qual divide-se em: NPSH disponível e NPSH requerido. NPSH disponível - é a carga energética líquida e disponível na instalação para permitir a sucção do fluido, a qual deve ser superior a pressão de vapor do fluido bombeado. Esta variável depende das características do sistema (perdas de carga na sucção e altura de sucção) e do fluido; DEFINIÇÃO DE NPSH NPSH requerido (fabricante) é a carga mínima com a qual o líquido deve chegar ao rotor em que ganhará energia e será recalcado, ainda como líquido. É determinado nos laboratórios de hidráulica dos fabricantes de bombas e varia com a vazão (diretamente), como mostrado na Figura abaixo. Este valor depende das características da bomba e deve ser fornecido pelo fabricante da mesma; OBS: A existência de uma margem entre o NPSH d e o NPSH r visa garantir que não ocorrerá cavitação. Hoje, após experimentos de vários autores e consultores, verificou-se que na maioria dos casos, uma margem segura para o NPSH é: NPSHd > NPSHr + 1,5 mca REQUERIDO PELO FABRICANTE 20

21 AINDA SOBRE CAVITAÇÃO... Para evitar-se a cavitação de uma bomba, dependendo da situação, deve-se adotar as seguintes providências: Reduzir-se a altura de sucção (AS) e o comprimento desta tubulação (hfs), aproximando-se ao máximo a bomba da captação; Reduzir-se as perdas de carga na sucção (hfs), com o aumento do diâmetro dos tubos e conexões; Refazer todo o cálculo do sistema e a verificação do modelo da bomba; NPSH d (disponível) = Ho - Hv - AS - hfs AINDA SOBRE CAVITAÇÃO... Para evitar-se a cavitação de uma bomba, dependendo da situação, deve-se adotar as seguintes providências: Quando possível, sem prejudicar a vazão e/ou a pressão final requeridas no sistema, pode-se eliminar a cavitação trabalhando-se com registro na saída da bomba estrangulado, ou, alterando-se o diâmetro do rotor da bomba. Estas porém são providências que só devem ser adotadas em último caso, pois podem alterar substancialmente o rendimento hidráulico do conjunto. 21

22 AINDA SOBRE CAVITAÇÃO... Cálculos de NPSH NPSH d (disponível) = Ho - Hv - AS - hfs, que é uma característica da instalação hidráulica. É a energia que o fluido possui, num ponto imediatamente anterior ao flange de sucção da bomba, acima da sua pressão de vapor. Esta variável deve ser calculada por quem dimensionar o sistema, utilizando-se de coeficientes tabelados e dados da instalação; Onde: Ho = Pressão atmosférica local, em mca (TABELA 1); AS = Altura de sucção, em metros (dado da instalação); hfs = Perdas de carga no escoamento pela tubulação de sucção, em metros; Hv = Pressão de vapor do fluido escoado, em metros (TABELA 2); 22

23 Cálculos de NPSH NPSH E CAVITAÇÃO Estudo de caso 1 3. EXEMPLO 1: Suponhamos que uma bomba de modelo hipotético seja colocada para operar com 35 mca de AMT, vazão de 32,5 m 3 /h, altura de sucção de 1,5 metros e perda por atrito na sucção de 1,0 mca. A altura em relação ao nível do mar onde a mesma será instalada é de aproximadamente 600 metros, e a temperatura da água é de 30ºC, verificaremos: A. VERIFICAÇÃO DO NPSH r : Conforme curva característica do exemplo citado, para os dados de altura (mca) e vazão (m³/h) indicados, o NPSHr da bomba é aproximadamente 5 mca, confira: B. CÁLCULO DO NPSH d : Sabendo-se que: NPSH d = Ho - Hv AS - hfs Onde: Ho = 9,58 (tabela 1) Hv = 0,433 (tabela 2) AS = 1,5 metros (altura sucção) hfs = 1,0 metros (perda calculada para o atrito na sucção) Temos que: NPSH d = 9,58-0,433-1,5 1,0 = 6,647 mca Assim: NPSHd > NPSHr + 1,5 mca 23

24 NPSH E CAVITAÇÃO Estudo de caso 1 NPSH E CAVITAÇÃO Estudo de caso 1 Ponto de Funcionamento 32,5 24

25 NPSH E CAVITAÇÃO Estudo de caso 2 3. EXEMPLO 2: Suponhamos que uma bomba seja colocada para operar com uma vazão de 47 m 3 /h, altura de sucção de 1,5 metros e perda por atrito na sucção de 1,0 mca. A altura em relação ao nível do mar onde a mesma será instalada é de aproximadamente 150 metros, e a temperatura da água é de 20ºC. Ache a altura manométrica, o NPSH disponível e diga se a bomba irá cavitar. NPSH E CAVITAÇÃO Estudo de caso 2 22,5 Pto de Funcion. 8,3 25

26 NPSH E CAVITAÇÃO Estudo de caso 2 3. EXEMPLO 2: Suponhamos que uma bomba seja colocada para operar com uma vazão de 47 m 3 /h, altura de sucção de 1,5 metros e perda por atrito na sucção de 1,0 mca. A altura em relação ao nível do mar onde a mesma será instalada é de aproximadamente 150 metros, e a temperatura da água é de 20ºC. Ache a altura manométrica, o NPSH disponível e diga se a bomba irá cavitar. A. VERIFICAÇÃO DO NPSH r : Conforme curva característica do exemplo citado, para a vazão indicada, o NPSHr da bomba é 8,3 mca e AMT é 22,5 mca. B. CÁLCULO DO NPSH d : Sabendo-se que: NPSH d = Ho - Hv AS - hfs Onde: Ho = 10,16 (tabela 1) Hv = 0,239 (tabela 2) AS = 1,5 metros (altura sucção) hfs = 1,0 metros (perda calculada para o atrito na sucção) Temos que: NPSH d = 10,16-0,239-1,5 1,0 = 7,421 mca Assim: NPSHd < NPSHr + 1,5 mca => cavitação NPSH E CAVITAÇÃO Estudo de caso 3 3. EXEMPLO 3: Suponhamos que uma bomba seja colocada para operar com uma vazão de 47 m 3 /h, altura de sucção de -1 metros e perda por atrito na sucção de 1,5 mca. A altura em relação ao nível do mar onde a mesma será instalada é de aproximadamente 150 metros, e a temperatura da água é de 20ºC. Ache a altura manométrica, o NPSH disponível e diga se a bomba irá cavitar. 26

27 NPSH E CAVITAÇÃO Estudo de caso 3 3. EXEMPLO 3: Suponhamos que uma bomba seja colocada para operar com uma vazão de 47 m 3 /h, altura de sucção de -1 metros e perda por atrito na sucção de 1,5 mca. A altura em relação ao nível do mar onde a mesma será instalada é de aproximadamente 150 metros, e a temperatura da água é de 20ºC. Ache a altura manométrica, o NPSH disponível e diga se a bomba irá cavitar. A. VERIFICAÇÃO DO NPSH r : Conforme curva característica do exemplo citado, para a vazão indicada, o NPSHr da bomba é 8,3 mca e AMT é 22,5 mca. B. CÁLCULO DO NPSH d : Sabendo-se que: NPSH d = Ho - Hv AS - hfs Onde: Ho = 10,16 (tabela 1) Hv = 0,239 (tabela 2) AS = -1,0 metros (altura sucção) hfs = 1,50 metros (perda calculada para o atrito na sucção) Temos que: NPSH d = 10,16-0, ,0 1,5 = 9,421 mca Assim: NPSHd > NPSHr + 1,5 mca 27