UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ENGENHARIA QUÍMICA LOQ4085 OPERAÇÕES UNITÁRIAS I

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1 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ENGENHARIA QUÍMICA LOQ4085 OPERAÇÕES UNITÁRIAS I Profa. Lívia Chaguri

2 Conteúdo Bombas Parte 1 - Introdução - Classificação - Bombas sanitárias - Condições ótimas de utilização Profa. Lívia Chaguri

3 Conteúdo Bombas Parte 2 - Cálculo da altura manométrica (projeto) - Balanço energético - Cálculo da perda de carga Profa. Lívia Chaguri

4 Conteúdo Bombas Parte 3 - Curvas características - Curvas características das tubulações - Cavitação Profa. Lívia Chaguri

5 Curvas características Descrevem as características operacionais das bombas; Curva mais importante: altura manométrica x vazão; Observação da relação entre altura de projeto (Hp) e vazão volumétrica (Q); Escolha do tipo de bomba a serem utilizadas. Curvas estáveis para cada altura manométrica existe um único valor de vazão e vice-versa. 5

6 Turbobombas Pás do rotor comunicam aceleração á massa líquida, transformando energia mecânica em cinética; Energia é transformada parcialmente em energia de pressão pelo aumento progressivo na seção da carcaça; Rotação das pás, forma e dimensão das pás, influem na intensidade de energia fornecida ao fluido; Curva característica da bomba é modificada por esses parãmetros; Curvas características das bombas dos fabricantes: baseadas em dados experimentais (ensaios com água para outros fluidos; gráficos de correção). 6

7 Curvas características das tubulações Também chamadas de curvas dos sistemas; Obtidas da equação de altura manométrica, em que a perda de carga é calculada para diversos valores de vazão (Q); Curva caraterística: mostra a variação da altura manométrica com a vazão; Variação da energia por unidade de peso que o sistema solicita em função da vazão. H P v v 2g p z h p (1) 7

8 Exemplo 1 Obter os valores de vazão e os correspondentes valores da altura manométrica, de modo a permitir traçar a curva característica da tubulação esquematizada. Calcular a perda de carga pela fórmula universal e comprimento equivalente. São dados: comprimento total da tubulação 62 m, comprimento equivalente Leq = 32 m e altura manométrica z = 9 m. Para simplificar, supor que a tubulação é de aço 2 40S. O fluido em bombeamento é água a 20 ºC (visco. Cinemát. =1,007*10-6 m 2 /s). 8

9 Exemplo 1 Considerar aço comercial para obter rugosidade. 9

10 Hp (m) Exemplo 1 Curva característica da tubulação Fórmula Universal e comprimento equivalente Q (m3/h) 10

11 Cavitação Origem: quando na entrada do impelidor, a pressão for inferior à pressão de vapor do líquido circulante (na temperatura em que este se encontra). Nestas condições: grande bolha de vapor pode aparecer na seção de entrada da bomba, interrompendo a circulação do fluido. Formação de várias bolhas, colapsando, gerando implosões audíveis e vibrações. Colapsos: provocam corrosões, desgastando e destruindo pedaços do rotor e tubos de aspiração. Rendimento da bomba diminui com a cavitação. 11

12 Cavitação 12

13 NPSH requerido e disponível NPSH requerido (Net Positive Suction Head required) ou simplesmente NPSHr: Fabricantes definem, em função da vazão, qual o valor da energia que deve existir no flange de sucção da bomba, Na entrada do impelidor a pressão seja superior à da vaporização, evitando a cavitação. NPSH r - parâmetro fornecido pelos fabricantes juntamente com a curva das bombas. NPSH r - carga exigida pela bomba para aspirar o fluido do poço de sucção 13

14 NPSH requerido e disponível NPSH d NPSH disponível; Definido como o valor da diferença entre a energia total absoluta na entrada da bomba e a pressão de vapor do líquido, a temperatura em que está sendo bombeado: NPSH d = P s P v γ + V s² 2g (8) NPSH d = energia disponível no líquido na entrada da bomba (m.c.f.); P s = pressão absoluta (P atm +P man ) na entrada da bomba, kgf/m²; P v = pressão (ou tensão, segundo alguns autores) de vapor na temperatura do fluido, kgf/m² 14

15 NPSH requerido e disponível Tabela 1: Pressão atmosférica em função da Altitude 15

16 NPSH requerido e disponível Tabela 2: Valores de pressão de vapor e densidade da água em função da temperatura 16

17 NPSH requerido e disponível Curvas características das bombas dadas por fabricantes que seguem os padrões norte-americanos (a grande maioria, aqui no Brasil), a altura cinética V s² não está incluída. A equação para o cálculo do NPSH d, nesses casos, será simplesmente: 2g NPSH d = P s P v γ (9) Energia disponível, com que o líquido penetra na bomba (NPSH d ) deve ser maior que a energia exigida pela bomba (NPSH r ), para que não haja cavitação. Início de cavitação: NPSH d = NPSH r 17

18 NPSH requerido e disponível Adicionar, por motivo de segurança, de 0,5 a 1,0 m.c.f. ao NPSH r Evitar possíveis oscilações, por exemplo, na pressão e na temperatura do fluido. NPSH d = NPSH r + 1,0 m. c. f (10) 18

19 Escolha da bomba catálogo fabricantes Supondo a altura manométrica Hp=100m Vazão de projeto de Q = 80m³/h Rotação (rpm) 19

20 Escolha da bomba catálogo fabricantes Intervalo de rpm; Curva de performance bomba Mega CPK curvas diferentes variação do diâmetro do rotor da bomba; Curva mais indicada: rotor de φ246 curva superior a de projeto. 20

21 Escolha da bomba catálogo fabricantes Valores numéricos que acompanham cada curva representam a eficiência de operação da bomba naquele ponto. Para a bomba escolhida; eficiência entre 67 e 68,4% (bem próximo ao ponto de máxima eficiência dessa bomba). Eficiência da bomba 21

22 Escolha da bomba catálogo fabricantes Escolhida a bomba, analisar outros dois gráficos fornecidos pelo fabricante; NPSH requerido e Potência da bomba. NPSHr = 5 m P = 40 kw 22

23 Escolha da bomba catálogo fabricantes Escolhida a bomba, analisar outros dois gráficos fornecidos pelo fabricante; NPSH requerido e Potência da bomba. NPSHr = 5 m P = 40 kw 23

24 Exemplo 2 Calcular a altura máxima (zm), a partir do nível da água no reservatório até a linha de centro da bomba para que não haja problemas de cavitação. São especificados: diâmetro de sucção DN = 12 in 40 S (aço); vazão necessária Q = 300m 3 /h; altitude local h= 600 m; temperatura da água 30ºC; acessórios na sucção: válvula de pé com crivo, uma curva de 90º de raio longo e duas reduções graduais; comprimento da tubulação de sucção L= 9 m. A curva da bomba fornecida pelo fabricante e a instalação são fornecidas na figura a seguir: 24

25 Exemplo 2 25

26 Exemplo 2 26

27 Exemplo 2 27

28 Exemplo 2 28

29 Exemplo 2 29

30 Exemplo 2 30

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