Tema 2: Turbo máquina Hidráulicas,

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1 Tema 2: Turbo máquina Hidráulicas, 2.1 Definição Máquinas Hidráulicas -são máquinas que trabalham fornecendo, retirando ou modificando a energia do líquido em escoamento Tipos de Máquinas Hidráulicas Bombas- são máquinas fornecem energia aos fluidos. Esta energia pode ser na forma de pressão, energia cinética ou potencial. Turbinas (motores)-são máquinas que retiram energia de fluidos e convertem-na em energia mecânica.

2 2.2 Classificação de Bombas Turbo-Bombas, Hidrodinâmicas ou Rotodinâmicas - são máquinas nas quais a movimentação do líquido é desenvolvida por forças que se desenvolvem na massa líquida em conseqüência da rotação de uma peça interna (ou conjunto dessas peças) dotada de pás ou aletas chamada de roto; Volumétricas ou de Deslocamento Positivo - são aquelas em que a movimentação do líquido é causada diretamente pela movimentação de um dispositivo mecânico da bomba, que induz ao líquido um movimento na direção do deslocamento do citado dispositivo, em quantidades intermitentes, de acordo com a capacidade de armazenamento da bomba, promovendo enchimentos e esvaziamentos sucessivos, provocando, assim, o deslocamento do líquido no sentido previsto.

3 Exemplos de bombas rotodinâmicas: bombas centrífugas.

4 Exemplos de bombas volumétricas: bombas êmbolo ou alternativas e as rotativas

5 2.3 Bombas Centrífugas Bombas Centrífugas - são bombas hidráulicas que têm como princípio de funcionamento a força centrífuga através de palhetas e impulsores que giram no interior de uma carcaça estanque, jogando líquido do centro para a periferia do conjunto girante.

6 Componentes de Bombas Centrífugas Rotor - que é um conjunto de palhetas que impulsionam o líquido através da voluta, é fixado no eixo da bomba.

7 carcaça - é a parte da bomba onde, no seu interior, a energia de velocidade é transformada em energia de pressão, o que possibilita o líquido alcançar o ponto final do recalque. É no seu interior que está instalado o conjunto girante (eixo-rotor) que torna possível o impulsionamento do líquido.

8 Elementos fundamentais de um sistema de transporte de fluidos

9 Exprimindo a equação de Bernoulli em unidades de altura e rearranjando-a podemos obter: chamada curva característica da instalação ou simplesmente curva da instalação. Representa a energia necessária para transportar o caudal de fluido desejado na referida instalação. É uma exigência do sistema e não depende da bomba que se usa.

10

11 Exercicio 1. Escreva a equação da curva de Instalação para o sistema com os dados abaixo: H geo = 20mm f = Conduta de sucção D = 200mm L eq =12m Conduta de pressão D = 150mm L = 300m Numero de cotovelos = 8 f cotovelos = 0.5 Numero de valvulas = 1 f valvulas =2.0

12 Rendimentos de bomba Perdas de Energia - A quantidade de energia elétrica a ser fornecida para que o conjunto motor-bomba execute o recalque, não é totalmente aproveitada para elevação do líquido, tendo em vista que não é possível a existência de máquinas que transformem energia sem consumo nesta transformação. Rendimentos da bomba ɳ b - Rendimento de uma bomba é a relação entre a potência fornecida pela bomba ao líquido (potência útil) e a cedida a bomba pelo eixo girante do motor (potência motriz).

13 -A relação entre a energia cedida pelo eixo do motor ao da bomba (que resulta na potência motriz) e a fornecida inicialmente ao motor é denominada de rendimento mecânico do motor (ɳ m ) -A relação entre a energia cedida pelo rotor ao líquido (que resulta na potência de elevação) e a fornecida inicialmente ao motor é chamada de rendimento total. ɳ = ɳ b ɳ m

14 Potência solicitada pela bomba - Pb Denomina-se de potência motriz (também chamada de potência do conjunto motor-bomba) a potência fornecida pelo motor para que a bomba eleve uma vazão Q a uma altura H. Nestes termos temos: Pb = potência em Kgm/s, P b = γhq ɳ

15 Q = vazão em m3/s H = altura manométrica, ɳ. = rendimento total γ= peso especifico do liquido Curvas características da bomba

16 Exercicio: Uma bomba centrifuga tem curvas caracteristicas dadas na tabela abaixo. A bomba é usada para transportar agua de um reservatório inferior para um superior por uma conduta de 800m de comprimento 15cm de diâmetro, a diferença de niveis nos reservatórios é de 8m. Desprezando as perdas localizadas determine o caudal volumétrico e a potência consumida pela bomba. (f=0.016) Q (m3/h) H (m) ɳ %

17 Velocidade específica e lei de afinidades A velocidade específica serve para caracterizar a rapidez de rotação de um impulsor. Cada forma particular de rotor tem uma velocidade específica típica. Pela análise dimensional pode-se mostrar que: Q caudal volumétrico por fase m 3 /s H altura de elevação por fase m n velocidade de rotação rpm ou rps

18 valores típicos de velocidade específica Bombas radiais lentas: rpm Bombas radiais rápidas: rpm Bombas diagonais: rpm Bombas axiais: rpm

19 Alterações nas condições de funcionamento de bombas Variando o número de rotações a que uma bomba funciona altera-se a posição da curva característica da bomba:

20 Exercicio 1. Uma bomba centrifuga de 20Hp, 40L/s e 30m de altura manométrica está funcionando com 1750rpm. Quais serão as consequências de uma alteração de velocidade para 1450rpm. 2. Uma bomba fornece 0.019m 3 /s contra uma carga de 16.76m com uma velocidade rotativa de 1750rpm. Determine a sua velocidade especifica

21 3. Considere uma bomba cujas as curvas caracteristicas a 1000 rpm são dadas na tabela abaixo. a) Indique o tipo de rotor b) Pretende-se reduzir o caudal para 0.12m 3 /s encarrando duas possibilidades: Reduzir a velocidade de rotação Introduzir a perda de pressão a saida da bomba. Qual das duas operações implica maior consumo de energia. Q(m3/s) H (m) rendimento

22 Associação de bombas em série e em paralelo Instalando-se duas ou mais bombas em série, deve-se considerer a soma das Alturas de elevação que caracterizam cada uma das bombas, admitindo-se a mesma vazão unitária.

23 Se as bombas trabalharem em paralelo, admite-se a mesma altura manométrica, somando-se as vazões das unidades instaladas, desde que não seja alterada a altura manométrica (bombas semelhantes).

24 Canalização de sucção Caracteristicas de Canalização Deve ser a mais curta possível, evitando-se ao máximo peças especiais, como curvas, cotovelos, etc. A tubulação deve ser sempre ascendente até atingir a bomba. Podem-se admitir trechos perfeitamente horizontais. Sempre que diversas bombas tiverem suas canalizações de sucção ligadas a uma tubulação única ( de maior diâmetro), as conexões deverão ser feitas por meio de Y ( junções), evitando-se o emprego de tês. A canalização de sucção geralmente tem um diâmetro comercial imediatamente superior ao da tubulação de recalque.

25 Alturas máximas de sucção

26 A disposição e o assentamento das bombas

27 NPSH: Energia disponível no líquido na entrada da bomba A sigla NPSH do ingês Net Positive Suction Head é adotada universalmente para designar a energia disponível na sucção, ou seja, a carga positiva e efectiva na sucção. Há dois valores a considerar: NPSH requerido, que é uma caracteristica hidráulica da bomba, fornecida pelo fabricante; NPSH disponível, que é uma característica das instalações de sucção, que se pode calcular:

28 Onde: NPSH disponivel = ±H + P a P v γ 10 h f +H carga ou altura de água na sucção (entrada afogada) -H altura de aspiração P a pressão atmosferica no local P v pressão de vapor γ- peso específico h f soma de todas perdas de carga na sucção para que uma bomba funcione bem, é preciso que o NPSH disponivel NPSH requerido

29 Cavitação Quando a pressão absoluta em um determinado ponto se reduz a valores abaixo de um certo,limite, alcançando o ponto de ebulição da água esse liquido começa a ferver e as condutas ou peças (de bombas, turbinas ou tubulações) passam a apresentar, em parte, bolsas de vapor, ou cavidades preenchidas com vapor, denomina-se cavitação. Sempre que a pressão em algum ponto de uma bomba ou turbina atinge o limite crítico ( pressão de vapor), as condições de funcionamento tornam-se precárias e as máquinas começam a vibrar, em consequência da cavitação

30 Os efeitos da cavitação transmitem-se para estruturas próximas, reduzindo o rendimento e podendo causar sérios danos materiais às instalações.

31 Critério adotado para o exame das condições de funcionamento de uma instalação Onde σ = H a H s H v H H altura efectiva da bomba H a altura correspondente a pressão atmosferica H v altura devido a pressão atmosférica local H s altura de sucção das bombas

32 Gráfico número de thoma vs velocidade específica

33 Canalização de recalque. Dimensionamento econômico. Formula de Bresse Teoricamente, o diâmetro de uma linha recalque pode ser qualquer, mas de ponto de vista dos custos existe um diâmetro conveniente para o qual o custo total das instalações é um minimo. D = K Q Que é a conhecida fórmula de Bresse, aplicável às instalações de funcionamento contínuo K varia de

34 Para o dimensionamento das linhas de recalque de bombas que funcionam apenas algumas horas por dia, propôs-se a fórmula D = 1.3X 1 4 Q Sendo: X = no de horas de bombeamento por dia 24

35 Diâmetro de uma linha recalque

36 Exercicio Dimensionar a linha de recalque esquematizada na figura abaixo com o critério de economia, calcule a potência do motor para as condições seguintes: Vazão=30l/s Período de funcionamento=24horas Altura de sucção = 2.5m Altura de recalque=37.5m Altura geométrica = 40m

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38 Informações necessárias a aquisição das bombas 1. Natureza do líquido a recalcar - água limpa, água suja, esgoto, etc. 2. Vazão necessária 3. Altura manométrica -Altura de recalque -Comprimento total do encanamento de recalque -Diâmetro da canalização de recalque. -Peças especiais existentes no encanamento de recalque -Material da canalização de recalque e o estado em que se encontra. -Altura de aspiração

39 -Comprimento total da canalização de sucção -Diâmetro da canalização da sucção -Peças especiais existentes no encanamento de sucção -Material da canalização de sucção e o estado em que se encontra. 4. Periodo de funcionamento da bomba 5. Corrente eléctrica disponivel no local -Número de fases ( monofásica ou trifásica) -Tensão eléctrica -Ciclagem (50 ou 60 ciclos)

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