Disciplina: Sistemas Fluidomecânicos. Características de Desempenho 1ª Parte

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1 Disciplina: Sistemas Fluidomecânicos Características de Desempenho 1ª Parte

2 Características de Desempenho Para especificar uma máquina de fluxo, o engenheiro deve ter em mãos alguns dados essenciais: altura de carga, torque, potência necessária e a eficiência das possíveis opções de escolha. Para uma dada máquina, cada uma destas características varia em função da vazão. As características de desempenho de máquinas similares dependem essencialmente do tamanho e da rotação da operação.

3 Parâmetros de Desempenho As análises apresentadas até o momento são úteis para prever tendências e para oferecer uma primeira aproximação do desempenho de uma máquina de fluxo. Entretanto, devido à complexidade e amplitude das variáveis relacionadas, o desempenho completo de uma máquina de fluxo real tem de ser determinado experimentalmente. Para tal, a bomba, ventilador, soprador ou compressor deve ser montado em uma bancada adequada e instrumentada, com capacidade de medir vazão, velocidade, torque de entrada e aumento de pressão. O teste deve obedecer um procedimento normalizado em acordo como o tipo de máquina testada.

4 O teste consistirá em realizar medições enquanto a vazão é variada desde o bloqueio (vazão zero) até a vazão máxima (descarga máxima). A potência absorvida pela máquina é determinada através do uso de um motor calibrado ou estimada através da velocidade (rotação do motor) e torque medidos, enquanto a eficiência é calculada através do uso das equações 10.8c ou 10.9c: Eficiência de uma turbina: η = W W Eficiência de uma bomba: η = W W Eq. 10.9c 5ª ed. Eq. 10.8c 5ª ed. Este processo foi mostrado no exemplo 10-3.

5 40 Carga da Bomba vrs Vazão Volumétrica Carga da bomba H (m) ,02 0,04 0,06 0,08 0,1 Vazão Volumétrica [m3/s]

6 0,9 Eficiência da Bomba vrs Vazão Volumétrica 0,8 0,7 Eficiência da bomba 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, ,02 0,04 0,06 0,08 0,1 Vazão Volumétrica [m3/s]

7 35 Potência Motor da Bomba vrs Vazão Volumétrica 30 Potência Motor da bomba [hp] ,02 0,04 0,06 0,08 0,1 Vazão Volumétrica [m3/s]

8 Ao final, as características calculadas são dispostas graficamente nas unidades desejadas. Se apropriado, curvas de regressão podem ser aplicadas aos resultados, como ilustrado no exemplo 10-4.

9 Exemplo 10.4 Ajuste por curva dos dados de desempenho de uma bomba. No problema 10.3 (já feito em classe), dados de teste de bomba foram fornecidos e o desempenho foi calculado. Ajuste uma curva parabólica (H = H 0 AQ 2 ) a esses resultados de desempenho calculado de bomba e compare a curva ajustada com os valores medidos.

10 O ajuste para a curva pode ser feito através de uma curva H versus Q 2. Usando uma aproximação linear, a equação da curva ajustada é obtida como: H m = 38, ,146 Q [m 3 /s] H [m] H vrs Q2 Q y = -3252,1x + 38,811 R² = 0, ,002 0,004 0,006 0,008 0,01 Vazão ao quadrado [m 6 /s 2 ]

11 O gráfico abaixo confirma que as diferenças entre a curva ajustada e os valores experimentais são pequenas. 45 Curva Ajustada vrs Curva Experimental Aumento de Carga H [m] ,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 Vazão Volumétrica [m3/s] H ajuste H calculada

12 Como já mencionado, o procedimento básico foi mostrado no exemplo A diferença entre as pressões estáticas de aspiração e de descarga foi usada para calcular o aumento de carga produzida pela bomba. Os procedimentos para teste e análise de resultados relativos à ventiladores, sopradores e compressores são basicamente os mesmos para bombas centrífugas. A diferença reside que sopradores e ventiladores adicionam alturas de carga relativamente pequenas de carga aos fluxos. Por esta razão é preciso enunciar claramente as bases sobre os quais os cálculos de desempenho são feitos. Existem procedimentos padronizados para testes das máquinas de fluxo citadas. Siga o padrão.

13 Curvas Reais e Ideais Curvas de carga-vazão ideal e real de uma bomba centrífuga típica. de pás do impulsor curvadas para trás: Perdas devido à recirculação Curva ideal carga-vazão Altura de Carga H Curva real carga-vazão Ponto aproximado de melhor eficiência Perdas devido ao atrito de escoamento Perdas de choque Vazão volumétrica Q

14 Para qualquer vazão volumétrica em uma máquina real, a altura de carga pode ser significativamente inferior à prevista pela análise idealizada. Causas: 1. Em vazões muito baixas, ocorre a recirculação de fluido. 2. Perdas com atrito e por vazamentos aumentam diretamente com o aumento da vazão volumétrica. 3. Perdas por choque resultam na divergência entre a direção da velocidade relativa e a direção da tangente à pá do impulsor na entrada.

15 É prática comum fabricantes apresentarem dados de testes dos diversos diâmetros de impulsores compatíveis com uma mesma carcaça, em um único gráfico: Diâmetro do impulsor Ponto de melhor eficiência Altura de Carga H Eficiência, % Carga total Potência de alimentação Altura de sucção positiva líquida NPSH Vazão volumétrica Q

16 Os requisitos de NPSH Net Positive Suction Head, altura de sucção positiva líquida requerida para evitar cavitação são mostradas na parte inferior do gráfico, para os diâmetros extremos. Cavitação e NPSH são assuntos a serem abordados mais a frente.

17 Verifica-se que a potência absorvida é mínima no bloqueio e aumenta com a vazão. Assim, para minimizar a carga de partida, pode ser adequado acionar a bomba com a válvula de descarga fechada, desde que seja aberta em um curto espaço de tempo (risco de sobreaquecimento).

18 A eficiência da bomba aumenta com a capacidade até o ponto de melhor eficiência (PME ou BEP Best Efficiency Point), degradando-se após isto. Para um mínimo consumo de energia, deve-se operar tão próximo do PME quanto possível.

19 O procedimento de teste para turbinas é similar ao de bombas, exceto que um dinamômetro é empregado para absorver a potência produzida pela turbina, enquanto a rotação e o torque são medidos. Turbinas são construídas normalmente para operar a uma rotação constante que é um múltiplo ou submúltiplo da frequência de potência elétrica a ser produzida. Desta forma, os testes de turbina são conduzidos a rotação constante sob carga variável, enquanto mede-se o consumo de água e estima-se a eficiência. O exemplo 10.5 usa uma turbina de impulsão (turbinas Pelton melhoradas) para ilustrar resultados típicos de testes. Turbinas de impulsão são normalmente empregadas quando a altura de carga excede cerca de 300m.

20 Nível do reservatório Linha de energia Linha piezométrica Carga líquida sobre a roda Carga bruta da usina Bocal de água Pá

21 Nível do reservatório Linha de energia Linha piezométrica Carga líquida sobre a roda Carga bruta da usina Tubo de adução Uma turbina de impulsão é suprida com água com altura de carga elevada por meio de um tubo de adução.

22 A água é acelerada através de um bocal e descarregada como um jato livre de alta velocidade em pressão atmosférica. O jato choca-se contra as pás em forma de concha da roda giratória, de modo que a energia cinética do jato é transferida. A potência gerada pela turbina é controlada por meio da velocidade do jato, mantida constante através da variação da vazão no caso de variação da altura de carga. Bocal de água Pá

23 Quando uma grande quantidade de água é disponível, potência adicional pode ser obtida através da conexão de duas ou mais rodas a um único eixo ou ainda fazendo-se um arranjo para que dois ou mais jatos atinjam uma única roda.

24 Nível do coletor coletor

25 Nível do reservatório Linha de energia Linha piezométrica Carga líquida sobre a roda Carga bruta da usina Altura de carga bruta disponível é a diferença entre os níveis do reservatório de suprimento e do coletor. Altura de carga efetiva ou líquida, H, usada para estimar eficiência, é a diferença entre altura de carga total na entrada do bocal e a elevação da linha de centro do bocal. Na prática, a altura de carga líquida é cerca de 85 a 95% da altura de carga bruta.

26 Reduzem o desempenho: atrito viscoso no fluido entre rotor e carcaça, atrito nos mancais, atrito entre jato e a pá. O gráfico abaixo mostra resultados típicos de testes com H constante.

27 Torque e potência em % do máximo H = constante Potência Torque Real Ideal Real Ideal Pico de eficiência corresponde ao pico de potência, em testes com H e Q constantes. Pico de eficiência teórico ocorre quando velocidade da roda é metade da velocidade do jato (ex.10.5) Pico de eficiência real em velocidade da roda um pouco menor que a metade da velocidade do jato. Razão entre velocidade da roda e velocidade do jato

28 Exemplo 10.5 Velocidade ótima para turbina de impulsão (Pelton melhorada) Uma roda Pelton é uma forma de impulsão bem adaptada a situações de elevada altura de carga e baixa vazão. Considere o arranjo abaixo, no qual o jato atinge a pá tangencialmente e é defletido a um ângulo. Obtenha uma expressão para o torque exercido pela corrente de água sobre a roda e a correspondente potência produzida. Mostre que a potência é máxima quando a velocidade da pá, U = r. é metade da velocidade do jato, V. R = raio médio jato

29 Volume de controle VC gira com a roda

30 Bibliografia Robert W. Fox, Alan T. McDonald Introdução à Mecânica dos Fluidos. Rio de Janeiro RJ, 4ª.Ed.; Editora Afijada. ISBN-10: ISBN-13: