Máquinas de Fluxo Prof. Dr. Emílio Carlos Nelli Silva Escola Politécnica da USP Departamento de Engenharia Mecatrônica e Sistemas Mecânicos

Transcrição

1 1 Máquinas de Fluxo Prof. Dr. Emílio Carlos Nelli Silva Escola Politécnica da USP Departamento de Engenharia Mecatrônica e Sistemas Mecânicos

2 Sistemas de Recalque 2 Introdução Sistemas de recalque e principais componentes Primeira parte: Morfologia das instalações, peculiaridades do comportamento operacional, forma de seleção e recursos de controle de operação Segunda parte: Bombas hidráulicas de fluxo isoladas: formas construtivas, morfologia das associações, triângulos de velocidade e transformação de energia + bombas volumétricas NBR = terminologia de bombas hidráulicas de fluxo Terceira parte: Ejetores e aríetes (carneiros) hidráulicos Válvulas: características operacionais, formas construtivas e metodologia de seleção

3 Sistemas de Recalque: Instalações 3 Morfologia das instalações Grande variedade de sistemas de recalque encontrados porém, alternativas de morfologia e formas de instalação das bombas nas casas de máquinas = restringem-se às apresentadas aqui Instalações de recalque: reservatório de recalque em cota superior Sucção afogada: Sucção não afogada: Desnível geométrico: H g C r C s Altura de sucção: H s C s C b válvula de pé

4 Sistemas de Recalque: Instalações 4 Morfologia das instalações Instalações de recalque: reservatório de recalque em cota inferior Bomba: suprir perdas ao longo do conduto Sucção afogada: Sucção não afogada: Desnível geométrico (valor negativo): H g C r C s Altura de sucção: H s C s C b válvula de pé

5 Sistemas de Recalque: Instalações 5 Bomba com sucção afogada Obs.: Tubulação de sucção: sempre menor comprimento possível e menor número de curvas e conexões = menor perda de carga = menores riscos de cavitação

6 Sistemas de Recalque: Instalações 6 Bomba com sucção não afogada Deve-se ter líquido em contato com o rotor na partida Preenchimento da tubulação de sucção com líquido para início da operação = escorva operação manual - locais específicos da carcaça operação automática = bombas auto-escorvantes necessidade da válvula de pé impede retorno Obs.: entrada da bomba = pressões menores que a atmosférica Obs.: maior altura de sucção teórica = 10,33m ao nível do mar (verificar); perda de carga + temperatura do fluido + cavitação = altura prática = 6 a 7m (formas construtivas especiais > 7m)

7 Sistemas de Recalque: Instalações 7 Instalação de recalque Instalação mais simples: B. Bomba 1. Registro de gaveta 2. Válvula de retenção Válvula de retenção: permitir apenas escoamento ascendente interrupção: retorno do líquido para reservatório inferior início: aceleração do rotor em vazio = evita sobrecarga do acionamento (motor elétrico) Registro de gaveta: isolar condutos de recalque da parte ativa do sistema

8 Sistemas de Recalque: Instalações 8 Determinação da dissipação na instalação Dissipação de energia: perdas de carga local e distribuída Perda de carga localizada: V h s ks 2g k s : coeficiente de perda de carga localizada V= Velocidade média máxima Perda de carga distribuída: 2 L V h f f D 2g D= diâmetro do duto L = comprimento do duto f: coeficiente de perda de carga distribuída, f=f(re,ε/d) diagrama de MOODY V= Velocidade média máxima Perda de carga total (hipóteses perdas locais no duto de sucção e distribuídas no duto de recalque, incompressível e escoamento permanente): h t KQ 8 k 2 g 2 s 1 D 4 s L f D 5 r Q 2 D s : diâmetro do duto de sucção D r : diâmetro do duto de recalque K: constante dimensional da instalação

9 Sistemas de Recalque: Instalações 9 Determinação da dissipação na instalação Velocidade recomendada Aplicação da seguinte equação para dimensionamento de condutos pode levar a situações de + de 1 incógnita: 8 1 L 2 Portanto definidas velocidades recomendadas = reduz número de incógnitas Valor sugerido de velocidade: razões econômicas h t 2 k g s D 4 s f D 5 r Q

10 Sistemas de Recalque: Instalações 10 Determinação da dissipação na instalação Velocidade recomendada Tabela de velocidades recomendadas: função do fluido recalcado e do material do conduto

11 Sistemas de Recalque: Instalações 11 Associação de condutos Instalações: rede de condutos de dimensões variadas = associações em série e paralelo de condutos Associação em série Representação e equacionamento: Perda de carga:

12 Sistemas de Recalque: Instalações 12 Associação de condutos Associação em paralelo Representação e equacionamento: Perda de carga: Obs.: associação em série e paralelo = associações mistas ou compostas instalações complexas

13 Sistemas de Recalque: Instalações 13 Adução por gravidade Energia associada ao campo gravitacional: responsável pelo escoamento = não há trabalho de máquina

14 Sistemas de Recalque 14 Curvas características de bombas hidráulicas de fluxo Curva característica de carga em função da vazão ao longo de toda a faixa de operação da máquina Cotas cheias: carga da bomba Cotas tracejadas: indicam perda de carga entre seções de determinação da carga da bomba Obs.: mesmo com vazão nula, há perda de carga no interior da máquina

15 Sistemas de Recalque 15 Curvas características de bombas hidráulicas de fluxo Exemplo: Bomba KSB

16 Sistemas de Recalque 16 Curvas características de bombas hidráulicas de fluxo Exemplo: Bomba KSB

17 Sistemas de Recalque: Curvas Características Tipos de curvas características Valores de referência = análises qualitativas Rotores radiais 10 n q 30 ou 0,19 K 0,57 17 Geometria, triângulo de velocidade e curvas características Faixa recomendada de operação da máquina: deve ser centrada no rendimento máximo (nesse caso, 1,35)

18 Sistemas de Recalque: Curvas Características Tipos de curvas características Valores de referência = análises qualitativas Rotores radiais 30 n q 50 ou 0,57 K 0,95 18 Geometria, triângulo de velocidade e curvas características Faixa recomendada de operação da máquina: deve ser centrada no rendimento máximo (nesse caso, 1,325) Curvas características: muito próximas das dos rotores radiais anteriores

19 Sistemas de Recalque: Curvas Características Tipos de curvas características Valores de referência = análises qualitativas Rotores mistos fechados 50 n q 80 ou 0,95 K 1,52 Geometria, triângulo de velocidade e curvas características 19 Faixa recomendada de operação da máquina: deve ser centrada no rendimento máximo (nesse caso, 1,275) Curvas características: muito diferentes das dos rotores radiais

20 Sistemas de Recalque: Curvas Características Tipos de curvas características Valores de referência = análises qualitativas Rotores mistos abertos 80 n q 160 ou 1,52 K 3,04 Geometria, triângulo de velocidade e curvas características Faixa recomendada de operação da máquina: deve ser centrada no rendimento máximo (nesse caso, 1,2) Curvas características: muito próximas das dos rotores axiais (seguintes) inflexão 20

21 Sistemas de Recalque: Curvas Características Tipos de curvas características Valores de referência = análises qualitativas Rotores axiais 140 n q 400 ou 2,66 K 7,06 21 Geometria, triângulo de velocidade e curvas características Faixa recomendada de operação da máquina: deve ser centrada no rendimento máximo (nesse caso, 1,15) Curvas características: decrescentes com a vazão inflexão (d 0 ) (d 2 )

22 Sistemas de Recalque: Curvas Características Tipos de curvas características Observações sobre as curvas de bombas Curvas características de uma bomba hidráulica de fluxo são definidas pelo projeto de seu rotor e de sua carcaça Podem ser então encontradas curvas instáveis para qualquer forma construtiva = grandezas com comportamento crescente e depois decrescente com a vazão Operação na região de instabilidade: pode conduzir a escoamentos pulsantes, vibrações, oscilações abruptas de carga e sobrecarga do sistema Operação fora da faixa recomendada: deterioração do escoamento, induzindo vibrações, aumento de esforços sobre os mancais, descolamento do escoamento e escoamentos secundários no rotor (carga parcial = operação + crítica) 22

23 Sistemas de Recalque: Curvas Características Influências externas sobre as curvas de uma bomba 23 Podem alterar as características de operação de uma bomba Relacionadas com as próprias condições operacionais e com a viscosidade do fluido recalcado Condições operacionais: associadas ao tempo de operação da máquina Viscosidade: também está relacionada ao tempo de uso da instalação em questão + recalque de fluidos diferentes (Exemplo: instalações de recalque de combustíveis)

24 Sistemas de Recalque: Curvas Características Influências externas sobre as curvas de uma bomba Tempo de operação Vida útil da máquina: estende-se por décadas Alteram-se as superfícies do rotor das demais partes do órgãos em contato com o escoamento Incrustações, desgaste por abrasão (cavitação), oxidação e atrito com partículas em suspensão Ocorrem mudanças nas curvas da bomba: 24

25 Sistemas de Recalque: Curvas Características Influências externas sobre as curvas de uma bomba Viscosidade 25 Operação da máquina com fluidos cujas características físicas são muito diferentes que as dos fluidos comuns (água) alterações nas curvas das bombas Viscosidade cinemática da água: ν=10-6 m 2 /s (curvas por fabricantes) Limite para bombas de fluxo convencionais: 500x10-6 m 2 /s Formas construtivas especiais: até 1000x10-6 m 2 /s Acima: bombas volumétricas (menor sensibilidade) Obs.: quanto maior a viscosidade, maior será a sensibilidade à cavitação

26 Sistemas de Recalque: Curvas Características 26 Influências externas sobre as curvas de uma bomba Viscosidade Coeficientes de correção para o cálculo de carga, vazão e rendimento: literatura Exemplo: mm 2 /s Fluidos newtonianos homogêneos Rotores radiais Carga disponível=suficiente para não haver cavitação

27 Sistemas de Recalque: Curvas Características 27 Influências externas sobre as curvas de uma bomba Viscosidade Exemplo: Bomba Sulzer ZA para água e óleo

28 Sistemas de Recalque 28 Ponto de funcionamento de uma bomba hidráulica de fluxo Nível de energia a ser transferido ao fluido: energia potencial (desnível geométrico) + perdas de carga Equilíbrio entre a energia fornecida e a utilizada = condição operacional da bomba H g C r C s que podeser, ou a 0: H B 2 C C k f Q r s 8 2 g s 1 D 4 s L D 5 r

29 Sistemas de Recalque: Ponto de Funcionamento 29 Escolha de uma bomba hidráulica de fluxo Escolha da bomba = determinação de seu ponto de funcionamento Exemplo: bomba KSB ETANORM , a 3500 rpm Dados: H g = 25m; f=0,02; L=1000 m; D=0,2 m; Assim: Δh t =5164,2 Q 2 Obs.: grandezas variam com o diâmetro do rotor, conforme leis de semelhança

30 Sistemas de Recalque: Operação das Bombas Regulagem por manobra de válvula 30 Válvula de controle de vazão Introduz variação na perda de carga localizada no sistema B. Bomba 1. Válvula de controle de vazão 2. Válvula de retenção Obs.1: n q >60: Potência decresce com vazãoevitar esse tipo de regulagem Obs.2: mesmo em máquinas radiais de grande porte: usar essa regulagem apenas próximo ao ponto ótimo

31 Sistemas de Recalque: Operação das Bombas 31 Regulagem por associação de bombas Instalações com demanda muito variável Permite que as bombas operem próximas de seu ponto de máximo rendimento Quanto maior o número de bombas associadas menor o porte maior poderá ser a sua rotação Obs.: não há sentido falar em associação de rotores no mesmo eixo!

32 Sistemas de Recalque: Operação das Bombas Regulagem por associação de bombas Associação de bombas em paralelo 32 Equacionamento: 2 bombas: Curvas: 1 bomba e associação n bombas: n n Obs.: características de cavitação e rendimento: mais convenientes para H g >H dim (perda de carga) qasp q1 n 0,5

33 Sistemas de Recalque: Operação das Bombas Regulagem por associação de bombas Associação de bombas em série 33 Curvas: 1 bomba e associação: Equacionamento: 2 bombas: n bombas: n n Obs.1: cavitação e rendimento: mais convenientes para H g H dim Obs.2: carga (pressão) interna às máquinas: cresce com o avançar do escoamento qass q1 n -0,75

34 Sistemas de Recalque: Operação das Bombas Regulagem por by-pass By-pass no recalque da bomba: operá-la sempre próximo da melhor condição operacional 34 Ponto de funcionamento de bomba regulada por by-pass Figura: simplificação Obs.: haverá sempre uma vazão máxima no by-pass Obs.2: pior rendimento: vazão no by-pass = perdas volumétricas Obs.3: limitada a bombas hidráulicas de elevada rotação específica = P decresce com Q

35 Sistemas de Recalque: Operação das Bombas Regulagem por variação de rotação Não influencia a curva de dissipação do sistema Altera as curvas características da bomba Nova curva: Leis de Semelhança (D constante) 35 2 Hm n m m n m 2 Hp n p Qp n p 3 2 Q P m n m NPSH m n m 3 2 P n NPSH n p p p p Possibilidade de operar bomba em pontos de funcionamento numa estreita faixa em torno do ponto ótimo problema: para variação contínua = forma mais onerosa

36 Sistemas de Recalque: Operação das Bombas Comparação entre regulagem por válvula, by-pass e variação da rotação 36 Figura: comparação qualitativa Regulagem por by-pass pode impor cavitação Figura: menor vazão a ser recalcada = 220 m 3 /h vazão na bomba = 480 m 3 /h (máxima), vazão no bypass = 260 m 3 /h Menor que 220 m 3 /h = vazão na bomba que leva à cavitação

37 Sistemas de Recalque: Operação das Bombas Regulagem por manobra de pás do rotor 37 Bombas de elevada rotação específica, mistas abertas e axiais, e porte elevado, podem ter suas pás movimentadas durante a operação = turbinas Kaplan Vantagem: operar sempre próximo do máximo rendimento

38 Sistemas de Recalque: Operação das Bombas Adequação das curvas da bomba à operação Intervenções alteram definitivamente o rotor Usinagem do diâmetro externo Cálculo por semelhança, mesmo não sendo respeitada plenamente Cálculo aproximado das novas condições operacionais: mantida a rotação constante 38 H H m p D D m p n O índice n varia entre os valores 2 e 3 Correções iguais ou acima de 6% no diâmetro: n=2 Correções iguais ou abaixo de 1% no diâmetro: n=3 Obs.: o rendimento do rotor se reduz com a usinagem Obs.: carga absoluta requerida aumenta com a redução de diâmetro, particularmente em sobrecarga (até 5%, variação da carga desprezível) Q Q m p D D m p n

39 Sistemas de Recalque: Operação das Bombas 39 Adequação das curvas da bomba à operação Afilamento da saída das pás Redução de espessura aumento do ângulo de saída e da largura de saída do canal Aumenta em cerca de 5% a carga na região do ponto ótimo e também o rendimento Obs.: mínimo recomendado: e min = 2mm

40 Sistemas de Recalque: Operação das Bombas 40 Condições limites de operação Operação fora do ponto de máximo rendimento = condições de anormais de operação: podem levar a danos sério ou até definitivos Sobrecarga: risco de cavitação Carga parcial: risco de cavitação diminui, mas a máquina é submetida a vibrações e pulsos de pressão, conseqüências da recirculação e do descolamento do escoamento. Q condição operacional Portanto: determinar Q mínima de operação Bombas de pequeno e médio porte: determinada a partir da elevação de temperatura imposta pela redução do rendimento operacional Bombas de grande porte: elevaçãpo de temperatura + comportamento hidráulico sob carga parcial

41 Sistemas de Recalque: Operação das Bombas Condições limites de operação Elevação de temperatura Curvas características + variação de temperatura do líquido entre entrada e saída da bomba (qualitativas): Sulzer (1986) propõe ΔT max =20 o C 41 Variação de temperatura (empírica): 3 9,81x10 2 TB H 1 c Bombas pequenas (<=100kW): Pu Qmin ct Obs.: redução da vazão impõe também aumento dos esforços axiais e radiais induzidos pelo escoamento mancais max c: calor específico do fluido recalcado H: altura de elevação Grandezas da bomba: medidas no pto de análise

42 Sistemas de Recalque: Partida e Parada 42 Partida com válvula de controle de vazão fechada Tubulação cheia ou vazia Bomba acelera até sua rotação de regime, com Q=0 (1) Abertura: (2) Bombas de elevada potência: válvula parcialmente aberta vazão mínima Usar somente com n q reduzido = potência cresce com Q

43 Sistemas de Recalque: Partida e Parada 43 Partida com retenção fechada e controle aberto Válvula de retenção instalada à saída da bomba: conduto preenchido com líquido Coluna = desnível geométrico da instalação: deverá ser vencido(a) pela bomba: Várias rotações da bomba até o regime permanente

44 Sistemas de Recalque: Partida e Parada 44 Partida com controle aberto e tubulação vazia Aceleração sem oposição da bomba: vazão se eleva rapidamente Cavitação Máquinas de elevada n q : potência decresce com vazão Obs.: evitar cavitação: válvula fechada = caso anterior

45 Sistemas de Recalque: Partida e Parada 45 Parada com válvula de retenção Em princípio = corte de energia motor elétrico Massa fluida perde velocidadeinversão de sentido de deslocamento = escoamento por gravidade Válvula de retenção = bloqueia escoamento descendente Obs.: gradiente intenso de carga na face da válvula de retenção: exigem-se sistemas de proteção

46 Sistemas de Recalque: Partida e Parada Parada sem válvula de retenção Em princípio = corte de energia motor elétrico Massa fluida perde velocidade inversão de sentido de deslocamento = escoamento por gravidade 46 Ausência da válvula de retenção = escoamento freia e inverte sentido de rotação do rotor bomba = freio Obs.: podem ocorrer rotações extremas = problemas estruturais

47 Sistemas de Recalque: Partida e Parada 47 Auxílios ao bloqueio por válvula de retenção 1. Válvula de controle programável à saída da bomba: fechar dentro das condições adequadas = retenção bloqueia o escoamento apenas quando os gradientes de pressão não são elevados ( em menor energia cinética do escoamento) 2. Aumento da inércia das massas móveis da bomba: instalação de volante = desaceleração controlada gradientes de pressão controlados

48 Sistemas de Recalque: Bombas Hidráulicas 48 Bombas hidráulicas de fluxo Fluxo radial e misto Menores rotações específicas Vazões menores Cargas maiores

49 Sistemas de Recalque: Bombas Hidráulicas 49 Bombas hidráulicas de fluxo Fluxo radial e misto Projeções em planta e em elevação de bomba radial: f h

50 Sistemas de Recalque: Bombas Hidráulicas 50 Bombas hidráulicas de fluxo Fluxo radial e misto Corte dos rotores e da carcaça das bombas instaladas na Usina Reversível Rosshag 2 rotores em série = elevar a carga fornecida = menores diâmetros e menores solicitações individuais Obs.: rotores pequenos: fundidos e não usinados; rotores grandes: sob encomenda e totalmente usinados VOITH

51 Sistemas de Recalque: Bombas Hidráulicas 51 Bombas hidráulicas de fluxo Fluxo radial e misto Bombas submersas para poços profundos Poços profundos: altura de succção não afogada superior a cerca de 7m Conjunto motor-bomba: mergulhado no fluido Pequenos diâmetros externos do conjunto motorbomba = menores custos de perfuração mista: radial:

52 Sistemas de Recalque: Bombas Hidráulicas 52 Bombas hidráulicas de fluxo Fluxo radial e misto Bombas verticais para poços profundos Desloca-se o rotor até o líquido Motor: na superfície eixo longo Exemplo de aplicação: fluidos inflamáveis e explosivos Limitações: relacionadas ao eixo longo, difícil de apoiar e sujeito a vibrações eixo 50 m

53 Sistemas de Recalque: Bombas Hidráulicas 53 Bombas hidráulicas de fluxo Fluxo axial Interesse por elevadas vazões se sobrepõe às alturas de elevação Pequena ocupação de espaço pelas pás elevadas vazões Dispensam carcaça: baixas velocidades de saída b

54 Sistemas de Recalque: Bombas Hidráulicas 54 Bombas hidráulicas de fluxo Fluxo axial Bomba com rotor de pás axiais reguláveis bombas Kaplan Usina Termelétrica Altbach (Alemanha) bomba: recalque de água para resfriamento

55 Sistemas de Recalque: Bombas Hidráulicas 55 Bombas hidráulicas de fluxo Fluxo axial Bomba com eixo inclinado Peculiaridade da instalação: variador de rotação entre motor e rotor Usina Hidrelétrica Hieflau (Alemanha) Voith

56 Sistemas de Recalque: Bombas Hidráulicas 56 Bombas de fluxo com rotores associados Em série Incrementar a altura total de elevação Reduzir o diâmetro do rotor reduzir máquina Exemplo: bombas submersas Faces de pressão e sucção únicas Q cte, altura total aumenta 1. Eixo 2. Rotor 3. Difusor 4. Tirante 5. Flange de entrada 6. Flange de saída Relação entre rotações específicas de 1 rotor e da associação: n n qr qass j 0,75

57 Sistemas de Recalque: Bombas Hidráulicas 57 Bombas de fluxo com rotores associados Em paralelo Incrementar Q no sistema Redução de dimensões e massa com relação à associoção de bombas independentes Sucções específicas para cada rotor, mas 1 saída altura total cte, Q aumenta Forma construtiva: espeços vazios suficientes para fluxos elevados Relação entre rotações específicas de 1 0,5 rotor e da associação: n n i qr qass KSB

58 Sistemas de Recalque: Bombas Hidráulicas 58 Bombas de fluxo com rotores associados Em série e paralelo Características das duas associações simples: incrementos de vazão e altura de elevação, em máquinas pequenas e com poucas partes (sempre com relação à associação de bombas) VOITH Conjunto 1: dois rotores associados em série Conjunto 2: dois rotores associados em série Conjuntos 1 e 2: associados em paralelo 3. Sucção (entrada) 4. Carcaça (saída) Relação entre rotações específicas de 1 rotor e da associação: 0,75 0,5 n n j i qr qass

59 Sistemas de Recalque: Bombas Hidráulicas 59 Bombas de fluxo com rotores associados Configurações de rotores em associações Algumas montagens possíveis de rotores quando da configuração de associações Rotores indicam montagem física; linhas = condutos

60 Sistemas de Recalque: Bombas Hidráulicas 60 Formas construtivas especiais Podem ser encontradas composição de rotores diferentes ou rotores com pás fora dos padrôes já vistos Exemplo: bomba de fluxo radial munida de um indutor: maior pressão na sucção do rotor radial reduz sensibilidade à cavitação Peso e volume reduzidos e alto desempenho em pequenos intervalos de tempo. Aplicação: área aero-espacial

61 Sistemas de Recalque: Bombas Hidráulicas 61 Formas construtivas especiais Exemplo: bomba de fluxo radial auto-escorvante Pode ser usada nas 2 posições

62 Sistemas de Recalque: Bombas Hidráulicas 62 Formas construtivas especiais Exemplo: bomba de pás retas Nome comercial: Vortex Rotações muito elevadas

63 Sistemas de Recalque: Bombas Hidráulicas 63 Formas construtivas especiais Exemplo: Bomba centrífuga para circulação extra-corpórea de sangue Competem com bombas peristálticas Normalmente: bomba peristáltica. Exemplo:

64 Sistemas de Recalque: Bombas Hidráulicas 64 Rotores para bombas hidráulicas de fluxo Forma contrutiva dos rotores: identifica as bombas de fluxo define suas características operacionais Rotores para líquidos limpos = sem a presença de sólidos em suspensão em proporção elevada (ex: água com areia em suspensão) Obs.: mais pás = menor volume vazio = menor Q Obs.: maior variação de diâmetro = mais energia ao fluido Vazões crescentes Cargas decrescentes

65 Sistemas de Recalque: Bombas Hidráulicas 65 Rotores para bombas hidráulicas de fluxo Fluidos com sólidos em suspensão ou líquidos sujos Esgoto in natura, pastas, massas, minérios

66 Sistemas de Recalque: Bombas Hidráulicas 66 Rotores para bombas hidráulicas de fluxo Rotor axial de bomba para implante cardíaco Suplementação da ação de corações debilitados Diâmetro externo: 12 mm Pesquisas sugerem que o fluxo axial = menos hemólise

67 Sistemas de Recalque: Bombas Hidráulicas 67 Triângulos de velocidade em bombas hidráulicas de fluxo Bombas radiais e mistas: face de sucção Triângulos retângulos em todas as 3 condições operacionais analisadas Triângulo de linhas contínuas: máximo rendimento 1 1 Sob carga parcial: velocidade absoluta (e Q) menor * 1 1 Em sobrecarga: velocidade absoluta (e Q) maior * 1 1 Últimos dois casos: entrada com choque = perdas adicionais *

68 Sistemas de Recalque: Bombas Hidráulicas 68 Triângulos de velocidade em bombas hidráulicas de fluxo Bombas radiais e mistas: face de pressão Existindo difusores à saída da bomba, c 2 = paralela à entrada das pás Não é possível caracterizar saída paralela às pás no ponto ótimo Abaixo: 2 triângulos: real (linhas contínuas) e ideal (linas tracejadas) Obs.1: base igual (velocidade tangencial) Obs.2: altura igual (velocidade meridiana) Obs.3: se conhecida a diferença entre as projeções das velocidades absolutas na direção tangencial, Δc u obtenho triângulo real partindo do ideal

69 Sistemas de Recalque: Bombas Hidráulicas 69 Triângulos de velocidade em bombas hidráulicas de fluxo Bombas radiais e mistas: face de pressão Explicação: Equação de Euler: Y th u 2 c u2 u 1 c u1 Entrada irrotacional: Aplicada ao triângulo ideal: Trabalho específico real (< ideal): Fator de redução: Y u th th 2 Y u c 2 u2 c * u2 Yu 2 c u2 YY th Y * Escorregamento (obtido usando ΔY): cuc c u2 u2

70 Sistemas de Recalque: Bombas Hidráulicas 70 Transformação de energia em bombas hidráulicas de fluxo Trabalho específico: equação de Euler: Trabalho específico nas pás: afetado pelo rendimento hidráulico: Y p Y Potência nas pás: th Y t u 2 c Y u2 th h u 1 c u1 P p gq H r t Q r Y t

71 Sistemas de Recalque: Bombas Hidráulicas 71 Transformação de energia em bombas hidráulicas de fluxo Vazão mássica pelo rotor: vazão nominal + fuga pelos labirintos (perdas volumétricas) Como para turbinas: m r m m l Perdas por atrito lateral, impostas por tensões de cisalhamento nas folgas entre rotor e carcaça P i 1 P p m l m P al 1 th th l P p g H th h P p P Y i h P m m H th Q l Q Q gq 1 l p i h l Q Y m h m m

72 Sistemas de Recalque: Bombas Hidráulicas 72 Transformação de energia em bombas hidráulicas de fluxo Potência útil: deve suprir as perdas nos mancais e vedações P u P i P mv P u Pi m Acoplamento para a transmissão entre o motor elétrico e a bomba: P motor P u acopl

73 Sistemas de Recalque: Bombas Hidráulicas 73 Transformação de energia em bombas hidráulicas de fluxo Representação esquemática do fluxo de potência em bombas hidráulicas de fluxo:

74 Sistemas de Recalque: Bombas Hidráulicas 74 Transformação de energia em bombas hidráulicas de fluxo Contribuição de cada componente para as perdas - bombas de fluxo de alta qualidade:

75 Sistemas de Recalque: Bombas Estáticas 75 Bombas alternativas Instalação operada por bomba alternativa de simples efeito:

76 Sistemas de Recalque: Bombas Estáticas 76 Bombas alternativas Bomba alternativa de duplo efeito Atenua inconvenientes do caso anterior (solicitações cíclicas)

77 Sistemas de Recalque: Bombas Estáticas 77 Bombas alternativas Curvas características:

78 Sistemas de Recalque: Bombas Estáticas 78 Bombas alternativas Bomba de concreto 2 pistões de simples efeito e válvulas rotativas Caminhões-betoneira

79 Sistemas de Recalque: Bombas Estáticas Outras bombas estáticas Circulação de óleo lubrificante - motores a combustão interna: Bomba de engrenagens Bomba de engrenagens com com dentado externo dentado interno e externo 79 Bomba de parafuso de simples efeito Bomba de parafuso de duplo efeito

80 Sistemas de Recalque: Bombas Estáticas Outras bombas estáticas 80 Bomba de parafuso (extrusora) ex.: mangueiras e tubos Bomba de palhetas ex.: recalque de combustível (impede formação de vapor)

81 Sistemas de Recalque: Ejetores e Aríetes 81 Ejetores e Aríetes hidráulicos Alternativas de recalque de fluidos Não se enquadram na definição de máquinas Indicados para pequenos aproveitamentos (sítios, bombas de brinquedos, etc.) Limitações de rendimento (ejetores) e vazão máxima (aríetes) aplicações específicas

82 Sistemas de Recalque: Ejetores e Aríetes 82 Ejetores Práticos e baratos Ex. importante de aplicação: altura de sucção não afogada supera o limite 7m Rendimento reduzido: rendimento volumétrico máximo ~ 30% sistemas de baixa potência (fator limitante = custo) sucção

83 Sistemas de Recalque: Ejetores e Aríetes 83 Aríetes ( Carneiro ) hidráulicos Práticos e baratos Reservatório elevado = desnível > 0 = aríete está afogado Instalação:

84 Sistemas de Recalque: Ejetores e Aríetes 84 Aríetes ( Carneiro ) hidráulicos Detalhe da válvula de 3 vias do aríete Duas posições extremas da válvula: funcionamento 1. Aumento da vazão: menor pressão no obturador 2. Peso age e interrompe o fluxo, desviando-o para ambiente 3. Pressão sobe rapidamente e empurra o peso, fechando saída para ambiente Peso

85 Sistemas de Recalque: Ejetores e Aríetes 85 Aríetes ( Carneiro ) hidráulicos Operam como máquinas volumétricas Atenuar picos de pressão: acumulador = câmara pneumática (igual à encontrada em bombas volumétricas) Também equaliza vazões = escoamento menos pulsante Não existe limite de altura para o recalque Alta confiabilidade Reduzidas vazões sistemas de baixa responsabilidade: enchimento de caixas d água, piscinas, etc.

86 Sistemas de Recalque 86 Válvulas Controlam escoamento em condutos Representam as principais fontes de problema numa instalação: sujeitas a desgastes, vazamentos, panes, etc. menor quantidade possível Objetivo: expor características gerais e de regulagem das válvulas

87 Sistemas de Recalque: Válvulas 87 Classificação Como em bombas, condição de manobra das válvulas: definida pelo sistema a ser controlado Classificação das válvulas:

88 Sistemas de Recalque: Válvulas 88 Componentes de uma válvula 2 partes principais: castelo e corpo Corpo: aloja a sede da válvula e extremidades de fixação à tubulação Castelo: contém guia da haste e elementos de vedação da haste - acesso Internamente: obturador, mecanismo de acionamento do mesmo, e suas respectivas sedes Vedação do mecanismo de acionamento: caixa de gaxetas

89 Sistemas de Recalque: Válvulas 89 Descrição de válvulas Válvulas ou registros de gaveta Válvulas de gaveta: Válvula de gaveta de fechamento rápido: Válvula de gaveta de passagem plena:

90 Sistemas de Recalque: Válvulas Descrição de válvulas Válvulas ou registros de gaveta 90 Coeficiente de perda de carga singular:

91 Sistemas de Recalque: Válvulas 91 Descrição de válvulas Válvulas de macho Válvulas de acionamento rápido (pressões elevadas) Vantagens sobre as de gaveta: menores dimensões e sensibilidade a sedimentos Reduzida perda de carga quando totalmente abertas Obturador cônico vazado: Obturador esférico vazado:

92 Sistemas de Recalque: Válvulas 92 Descrição de válvulas Válvulas de macho Coeficiente de perda de carga localizada para válvula de esfera

93 Sistemas de Recalque: Válvulas 93 Descrição de válvulas Válvulas de globo Válvula de globo: Válvula angular: Válvula de agulha: Válvula em Y: Hidráulica residencial Pequenas vazões e diâmetros Menores perdas

94 Sistemas de Recalque: Válvulas 94 Descrição de válvulas Válvulas de globo Coeficiente de perda de carga localizada Manobra lenta = reduz risco de ocorrência de transitórios Facilidade de montagem e manutenção

95 Sistemas de Recalque: Válvulas 95 Descrição de válvulas Válvulas borboleta Válvula de borboleta de 3 m de diâmetro em fase de fabricação: Duto com válvula de borboleta; (a) obturador simples; (b) obturador reforçado

96 Sistemas de Recalque: Válvulas 96 Descrição de válvulas Válvulas borboleta Coeficiente de perda de carga localizada: Várias condições de formação de zonas mortas em função da forma do obturador Obs.: válvulas borboleta = válvulas de acionamento rápido

97 Sistemas de Recalque: Válvulas 97 Descrição de válvulas Válvulas de rentenção Válvula de retenção e fechamento: Válvula de retenção de portinhola: Válvula de retenção de esfera:

98 Sistemas de Recalque: Válvulas 98 Descrição de válvulas Válvulas de segurança e alívio Válvula de segurança e alívio de mola: Válvula Ventosa Evita formação de vácuo Ar