Estas Ntas de Aula têm pr finalidade exclusiva servir de material de api da disciplina, n curs de Engenharia de Prduçã d d nã tend valr cmercial e nã send autrizad seu us cm utras finalidades. Nã se destina a substituir a Bibligrafia Básica e Cmplementar da disciplina, ser vind unicamente cm rteir de estuds.
Denmina-se Sistema Fluidmecânic cnjunt frmad pr máquinas e dispsitivs cuja funçã é extrair u adicinar energia de um fluid de trabalh. Os sistemas fluidmecânics sã cnstituíds pr: máquinas de fluid; sistemas hidráulics e pneumátics. As máquinas de fluid sã agentes frnecedres u receptres de energia mecânica, através da transfrmaçã da energia d/a fluid nas frmas de energia de pressã u cinética. As máquinas de fluid dividem-se, em funçã d tip de energia que predmina na transfrmaçã, em dis grandes grups: máquinas de flux; máquinas de deslcament. Nas máquinas de flux escament d fluid é rientad pr mei de lâminas u aletas slidárias a um element rtativ rtr. Nestas máquinas fluid nã está cnfinad dentr de sua carcaça, tda interaçã entre fluid e máquina resulta ds efeits dinâmics na crrente fluida. Nas máquinas de flux a energia transferida é substancialmente cinética, através da variaçã da velcidade d fluid entre as pás, desde a entrada até a saída d rtr, a baixa pressã u baixs diferenciais de pressã. As máquinas de flux pssuem algumas características marcantes: funcinam, nrmalmente, cm alta rtaçã; relaçã entre ptência e pes (= ptência específica) elevada; funcina cm médias e baixas pressões de trabalh; nã peram eficientemente cm fluids de viscsidade elevada; trabalha, cm vazã cntínua; n prcess de transfrmaçã de energia predmina a energia cinética; prjet e características cnstrutivas cmplexas. Sã exempls de máquinas de flux: Fluid de trabalh líquid gás (neutr) vapr (água, fren, etc) gás de cmbustã Designaçã turbina hidráulica e bmba centrífuga ventiladr, turbcmpressr turbina a vapr, turbcmpressr frigrífic turbina a gás, mtr de reaçã
Nas máquinas de deslcament a energia transferida é substancialmente de pressã, send que a energia cinética transferida é muit pequena, pdend ser desprezada. Em funçã d princípi de deslcament utilizad, existem diverss tips cnstrutivs de máquinas, que pdem ser agrupads dentr ds princípis de deslcament pr engrenagens, palhetas, pistões e parafuss. As máquinas de deslcament pssuem algumas características marcantes: funcinam, nrmalmente, cm média e baixa rtaçã; relaçã entre ptência e pes (= ptência específica) média a baixa; funcina cm altas e muit altas pressões de trabalh; peram eficientemente cm fluids de viscsidade elevada; trabalha, na mair parte ds cass, cm vazã intermitente; n prcess de transfrmaçã de energia predmina a energia de pressã; prjet e características cnstrutivas mais simples. Sã exempls de máquinas de deslcament: Fluid de trabalh líquid gás (neutr) vapr (fren, amônia, etc) gás de cmbustã Designaçã bmba de engrenagens, de cavidade prgressiva, de parafus cmpressr alternativ, cmpressr rtativ cmpressr alternativ, cmpressr rtativ mtr alternativ de pistã As máquinas de flux pdem ser classificadas:.. Segund sentid de transmissã da energia - Máquinas nde s fluids cedem energia para a máquina, que a cnverte em trabalh mecânic. De um md geral, destinam-se a acinar utras máquinas, principalmente, geradres de energia elétrica. Os tips mais cmuns sã: Turbinas hidráulicas Minhs de vent Rdas d água Geradr eólic - Máquinas que recebem trabalh mecânic, geralmente de utra máquina, que cnverte em energia cedida para s fluids, causand aument na energia d fluid. Sã exempls deste tip: Bmbas Ventiladres Turbcmpressres A Figura, a seguir, esquematiza essa classificaçã.
Figura Classificaçã das máquinas de flux segund sentid de transfrmaçã de energia.. Segund a direçã d escament d fluid - axiais escament é predminantemente na direçã d eix d rtr, cnfrme Figura c. Exempl: ventiladres, hélices; - radiais escament é predminantemente na direçã radial d rtr, cnfrme Figura a. Exempl: bmba centrífuga; - mistas escament se prcessa na diagnal, parte axial e parte radial, cnfrme Figura b. Exempl: turbina Francis. (a) (b) (c) Figura Classificaçã das máquinas de flux segund a direçã d escament de fluid..3 Segund a frma ds canais entre as pás d rtr As máquinas de flux pdem ser classificadas em: 3
- máquinas de açã: sã máquinas acinadas pr um u mais jats livres de alta velcidade. Cada jat é acelerad em um bcal separad d rtr. Nestas máquinas rtr gira mesm sem estar chei de fluid e tda energia dispnível d escament é cnvertida em energia cinética à pressã atmsférica. A Figura 3 mstra exempls de máquinas de açã; Figura 3 Exempls de máquinas de flux de açã - máquinas de reaçã: sã máquinas nde parte da energia d fluid é transfrmada em energia cinética antes da entrada n rtr, durante sua passagem pr perfis ajustáveis (distribuidr), e restante da transfrmaçã crre n própri rtr. Nestas máquinas rtr fica preenchid de líquid. A Figura 4 mstra exempls de máquinas de reaçã. Figura 4 Exempls de máquinas de flux de reaçã 4
As máquinas de deslcament pdem ser classificadas em:.3. Máquinas alternativas nde fluid recebe a açã da frça diretamente de um pistã u êmbl u de uma membrana flexível (diafragma), cnfrme Figura 5. Pdem ser: - Máquinas alternativas de pistã u êmbl - Máquinas alternativas de diafragma.3. Máquinas rtativas nde fluid recebe a açã de frças prvenientes de uma u mais peças dtadas de mviment rtativ que, cmunicand energia de pressã, prvcam seu escament, cnfrme Figuras 6, 7 e 8. Pdem ser: - Máquinas rtativas de palhetas - Máquinas rtativas de pistã - Máquinas rtativas de engrenagens - Máquinas rtativas de lóbuls - Máquinas rtativas de parafus Figura 5 Máquinas de deslcament alternativa de êmbl u pistã 5
Figura 6 Máquinas de deslcament rtativa de parafus 6
Figura 7 Máquina de deslcament rtativa de lóbuls Figura 8 Máquina de deslcament rtativa de engrenagens 7
.. Definiçã Bmbas sã máquinas peratrizes hidráulicas que frnecem energia a líquid cm a finalidade de transprtá-l de um pnt a utr. Nrmalmente recebem energia mecânica e a transfrmam em energia de pressã e cinética u em ambas... Classificaçã As bmbas pdem ser classificadas em duas categrias, a saber: Turb-Bmbas, Hidrdinâmicas u Rtdinâmicas - sã máquinas nde a mvimentaçã d líquid é desenvlvida pr frças que atuam na massa líquida em cnseqüência da rtaçã de uma peça interna (u cnjunt dessas peças) dtada de pás u aletas chamada de rtr; Vlumétricas u de Deslcament Psitiv - sã máquinas nde a mvimentaçã d líquid é causada diretamente pela mvimentaçã de um dispsitiv mecânic da bmba, que induz a líquid um mviment na direçã d deslcament d citad dispsitiv, em quantidades intermitentes, de acrd cm a capacidade de armazenament da bmba, prmvend enchiments e esvaziaments sucessivs, prvcand, assim, deslcament d líquid n sentid previst. Sã exempls de bmbas rtdinâmicas as cnhecidíssimas bmbas centrífugas e de bmbas vlumétricas as de êmbl u alternativas e as rtativas...3 Bmbas centrífugas..3.. Classificaçã A literatura técnica sbre classificaçã de bmbas é muit variada, havend diferentes interpretações cnceituais. Aqui apresentams uma classificaçã geral que traduz, a partir de pesquisas bibligráficas e texts cmerciais, uma visã sbre assunt. Quant à altura manmétrica (para recalque de água limpa): baixa pressã (H < 5 mca); média pressã (5 < H < 50 mca); alta pressã (H > 50 mca). 8
(OBS: Para recalque de esgts sanitáris, pr exempl, s limites superires pdem ser significativamente menres.) Quant à vazã de recalque: pequena (Q < 50 m 3 /hra); média ( 50 < Q < 500 m 3 /hra); grande (Q > 500 m 3 /hra). Quant à direçã d escament d líquid n interir da bmba: radial u centrífuga pura, quand mviment d líquid é na direçã nrmal a eix da bmba (empregadas para pequenas e médias descargas e para qualquer altura manmétrica, prém caem de rendiment para grandes vazões e pequenas alturas além de serem de grandes dimensões nestas cndições), cm mstra a Figura 9; diagnal u de flux mist, quand mviment d líquid é na direçã inclinada em relaçã a eix da bmba (empregadas em grandes vazões e pequenas e médias alturas, estruturalmente caracterizam-se pr serem bmbas de fabricaçã muit cmplexa); axial u helicidais, quand escament desenvlve-se de frma paralela a eix e sã especificadas para grandes vazões - dezenas de m 3 /s - e médias alturas - até 40 m, cm mstra a Figura 0. Figura 9 Bmba centrífuga radial 9
Figura 0 Bmba centrífuga axial 0
Quant à estrutura d rtr: abert - para bmbeaments de águas residuárias u bruta de má qualidade; semi-abert u semi-fechad - para recalques de água bruta sedimentada; fechad - para água tratada u ptável. Quant a númer de rtres: Figura Tips de rtres estági únic; múltipls estágis - este recurs reduz as dimensões e melhra rendiment, send empregadas para médias e grandes alturas manmétricas cm, pr exempl, na alimentaçã de caldeiras e na captaçã em pçs prfunds de águas e de petróle, pdend trabalhar até cm pressões superires a 00 kg/cm, de acrd cm a quantidade de estágis da bmba. Quant a númer de entradas: sucçã única, aspiraçã simples u unilateral - mais cmuns; sucçã dupla, aspiraçã dupla u bilateral - para médias e grandes vazões. Quant à admissã d líquid: sucçã axial - mairia das bmbas de baixa e média capacidades; sucçã lateral - bmbas de média e alta capacidades; sucçã de tp - situações especiais; sucçã inferir - bmbas especiais. Quant à psiçã de saída: de tp - pequenas e médias; lateral - grandes vazões; inclinada - situações especiais. vertical - situações especiais.
Quant à velcidade de rtaçã: baixa rtaçã - n < 500rpm; média rtaçã - 500 < n < 800rpm; alta rtaçã - n > 800rpm. OBS: As velcidades de rtaçã tendem a serem menres cm cresciment das vazões de prjet, em funçã d pes d líquid a ser deslcad na unidade de temp. Pequens equipaments, trabalhand cm água limpa, têm velcidades da rdem de 300rpm. Para recalques de esgts sanitáris, pr exempl, em virtude da sujeira abrasiva na massa líquida, s limites superires pdem ser significativamente menres: n < 00rpm. Quant à psiçã na captaçã: submersas - em geral empregadas nde há limitações n espaç físic, em pçs prfunds pr exempl; afgadas - mais frequentes para recalques superires a 00 l/s; altura psitiva - pequenas vazões de recalque. Quant à psiçã d eix: eix hrizntal - mais cmuns em captações superficiais; eix vertical - para espaçs hrizntais restrits e/u sujeits a inundações e bmbas submersas em geral. Quant a tip de carcaça: cmpacta; bipartida - cmpsta de duas seções separadas, na mairia das situações, hrizntalmente a meia altura e aparafusadas entre si. A Figura mstra um crte esquemátic de uma bmba centrífuga típica de média pressã para pequenas vazões e para funcinament afgad u cm altura psitiva, eix hrizntal e carcaça cmpacta, flux radial cm rtr fechad em mnestági de alta rtaçã, sucçã única, entrada axial e saída de tp...3. Grandezas características Uma bmba destina-se a elevar um vlume de fluid a uma determinada altura, em um cert interval de temp, cnsumind energia para desenvlver este trabalh e para seu própri mviment, implicand, pis, em um rendiment característic. Estas, entã, sã as chamadas grandezas características das bmbas, ist é, Vazã Q, Altura manmétrica H, Rendiment e Ptência P.
Figura Crte esquemátic de uma bmba centrífuga típica..3.3 Altura manmétrica u Carga - H Altura manmétrica de uma bmba é a carga ttal de elevaçã que a bmba trabalha. É dada pela expressã () e esquematizada pela Figura 3. nde: H = h s + h fs + h r + h fr + (v r /g) () H = altura manmétrica ttal; h s = altura estática de sucçã; h fs = perda de carga na sucçã (inclusive NPSH r ); h r = altura estática de recalque; h fr = perda de carga na linha d recalque; v r /g = parcela de energia cinética n recalque, nrmalmente desprezível em virtude das aprximações feitas n cálcul da ptência ds cnjunts elevatóris...3.4 Rendiments..3.4. Perdas de Energia A quantidade de energia elétrica a ser frnecida para que cnjunt mtrbmba execute recalque, nã é ttalmente aprveitada para elevaçã d líquid, tend em vista que nã é pssível a existência de máquinas que transfrmem energia sem cnsum nesta transfrmaçã. Cm tda máquina cnsume energia para seu funcinament, entã, haverá cnsum n mtr, na transfrmaçã da energia elétrica em mecânica e na bmba na 3
transfrmaçã desta energia mecânica em hidráulica, cm esquematiza a Figura 4. Figura 3 - Elements da altura manmétrica Figura 4 - Esquema das demandas de energia ns cnjunts 4
..3.4.. Rendiments da bmba B Rendiment de uma bmba é a relaçã entre a ptência frnecida pela bmba a líquid (ptência útil) e a cedida à bmba pel eix girante d mtr (ptência mtriz). Uma bmba recebe energia mecânica através de um eix e cnsume parcela desta energia n funcinament de suas engrenagens, além d que parte da energia cedida pel rtr a líquid perde-se n interir da própria bmba em cnseqüência das perdas hidráulicas diversas, da recirculaçã e ds vazaments, de md que só parte da energia recebida d mtr é cnvertida em energia hidráulica útil. A relaçã entre a energia útil, u seja, aprveitada pel fluid para seu escament fra da bmba (que resulta na ptência útil) e a energia cedida pel rtr é denminada de rendiment hidráulic intern da bmba. A relaçã entre a energia cedida a rtr e a recebida pel eix da bmba é denminada de rendiment mecânic da bmba. A relaçã entre a energia útil, u seja, aprveitada pel fluid para seu escament fra da bmba (ptência útil) e a energia inicialmente cedida a eix da bmba é denminada rendiment hidráulic ttal da bmba e é simblizada pr b. A Tabela apresenta rendiments de bmbas. Tabela - Rendiments hidráulics aprximads das bmbas centrífugas Q (l/s) 5,0 7,5 0 5 0 5 30 40 50 80 00 00 b (%) 55 6 64 68 7 76 80 83 85 86 87 88 A relaçã entre a energia cedida pel eix d mtr a da bmba (que resulta na ptência mtriz) e a frnecida inicialmente a mtr é denminada de rendiment mecânic d mtr, m (Tabela ). A relaçã entre a energia cedida pel rtr a líquid (que resulta na ptência de elevaçã) e a frnecida inicialmente a mtr é chamada de rendiment ttal. É prdut b. m =. Este rendiment é tant mair quant mair fr a vazã de recalque para um mesm tip de bmba. Tabela - Rendiments mecânics médis CV 3 5 6 7,5 0 5 % 7 75 77 8 8 83 84 85 CV 0 30 40 60 80 00 50 50 % 86 87 88 89 89 90 9 9..3.5 Ptência slicitada pela bmba - P b Denmina-se de ptência mtriz (também chamada de ptência d cnjunt mtr-bmba) a ptência frnecida pel mtr para que a bmba eleve uma vazã Q a uma altura H. Nestes terms tems: 5
Onde: P b = ptência em Kgm/s; = pes específic d líquid; Q = vazã em m 3 /s; H = altura manmétrica em m; = rendiment ttal ( = b. m ). P b = (. Q. H) / () Se quiserms expressar em cavals-vapr - CV (unidade alemã) u em hrse-pwer - HP (unidade inglesa) P b = (. Q. H) / (75. ) (3) P b = (. Q. H) / (76. ) (4)..3.6 Curvas características da bmba É a representaçã gráfica em um eix cartesian da variaçã das grandezas características, cm mstrad na Figura 5. Figura 5 - Representaçã gráfica de uma curva característica De acrd cm traçad de H x Q as curvas características pdem ser classificadas cm: flat - altura manmétrica variand muit puc cm a variaçã de vazã; drping - para uma mesma altura manmétrica pdems ter vazões diferentes; 6
steep - grande diferença entre alturas na vazã de prjet e na vazã zer (pnt de shut ff pressã máxima d equipament); rising - altura decrescend cntinuamente cm cresciment da vazã. As curvas tip drping sã ditas instáveis e sã próprias de algumas bmbas centrífugas de alta rtaçã e para tubulações e situações especiais, principalmente em sistemas cm curvas de encanament acentuadamente inclinadas. As demais sã cnsideradas estáveis, vist que nestas, para cada altura crrespnde uma só vazã, send a rising a de melhr trabalhabilidade, cm mstra a Figura 6. Figura 6 - Tips de curvas características 7
..3.6. Curvas de Desempenh de Bmba Centrífugas A curva característica da bmba é funçã particular d prjet e da aplicaçã requerida de cada bmba, dependend d tip e quantidade de rtres utilizads, tip de caracl, sentid d flux, velcidade específica da bmba, ptência frnecida, etc. Tda curva pssui um pnt de trabalh característic, chamad de pnt ótim, nde a bmba apresenta seu melhr rendiment. Esse pnt é a intersecçã da curva característica da bmba(ccb) cm a curva característica d sistema(ccs), cm mstra a Figura 8. A curva característica d sistema é btida fixand-se a altura gemétrica ttal d sistema (sucçã + recalque) na rdenada e, a partir deste pnt, calcula-se as perdas de carga cm valres intermediáris de vazã, até a vazã ttal requerida, cnsiderand-se cmpriment da tubulaçã, diâmetr e tip de tub, temp de us, acessóris e cnexões, cm mstra a Figura 7. Figura 7 - Curva característica d sistema Figura 8 - Curvas típicas d sistema e de eficiência da bmba (intersecçã pnt de ótim ) 8
Os fabricantes de bmbas tentam adequar a curva d sistema, frnecida pel usuári, cm a curva de uma bmba que satisfaça estas necessidades tã prximamente quant pssível. Um sistema de bmbeament pera n pnt de interseçã da curva da bmba cm a curva de resistência d sistema. A interseçã das duas curvas define pnt peracinal de ambs, bmba e prcess. Prém, é impssível que um pnt peracinal atenda tdas as cndições peracinais desejadas. Pr exempl, quand a válvula de descarga é estrangulada, a curva de resistência d sistema deslca-se para a esquerda, send acmpanhada pel deslcament d pnt peracinal. A curva característica d sistema u curva de resistência d sistema u curva de carga d sistema é a variaçã n flux relacinada à carga d sistema. Ela deve ser desenvlvida pel usuári cm base nas cndições de serviç. Estas cndições incluem lay-ut físic, as cndições de prcess, e as características d fluid. Representa a relaçã entre a vazã e as perdas hidráulicas em um sistema, na frma gráfica e, cm as perdas pr atrit variam cm quadrad da vazã, a curva d sistema tem a frma parabólica. As perdas hidráulicas em sistemas de tubulaçã sã cmpstas de perdas pr atrit n tub, válvulas, ctvels e utr acessóris, perdas de entrada e saída, e perdas pr mudanças na dimensã d tub, em cnseqüência de amplificaçã u reduçã d diâmetr. O desempenh de uma bmba é mstrad pela sua curva característica de desempenh, nde sua capacidade (vazã vlumétrica) é pltada cntra a carga desenvlvida. A curva de desempenh da bmba também mstra sua eficiência (PME), a ptência de entrada requerida (em HP), NPSH r, a velcidade (em rpm), e utras infrmações cm tamanh da bmba e tip, tamanh d impulsr, etc. Esta curva é cnstruída para uma velcidade cnstante (rpm) e um determinad diâmetr de impulsr (u série de diâmetrs). Ela é gerada pr testes executads pel fabricante da bmba. A curva de uma bmba específica é cnstruída cm base em um fluid de massa específica igual a.0 (água nas C.N.T.P.). Outras densidades devem ser cnsideradas pel usuári. Uma curva de desempenh típica, Figura 8, é um gráfic da Carga Ttal versus Vazã vlumétrica, para um diâmetr específic de impulsr. O gráfic cmeça cm flux zer. A carga crrespnde neste mment a pnt de carga da bmba desligada. A curva entã decresce até um pnt nde flux é máxim e a carga mínima. Este pnt às vezes é chamad de pnt de esgtament. Além desse pnt a bmba nã pde perar. A faixa de peraçã da bmba é d pnt de carga desligad a pnt de esgtament. A tentativa de perar uma bmba além d limite direit da curva resultará em cavitaçã e eventual destruiçã da bmba. Em resum, através d gráfic da "curva de carga x curva da bmba", vcê pde determinar: Em que pnt da curva a bmba irá perar; 9
Que mudanças acntecerã se a curva de carga d sistema u a curva de desempenh da bmba mudarem...3.7 Descriçã d funcinament de bmbas centrífugas Os principais requisits para que uma bmba centrífuga tenha um desempenh satisfatóri, sem apresentar nenhum prblema, sã: instalaçã crreta, peraçã cm s devids cuidads e, manutençã adequada. Mesm tmand tds s cuidads cm a peraçã e manutençã, s engenheirs freqüentemente enfrentam prblemas de falhas n sistema de bmbeament. Uma das cndições mais cmuns que brigam a substituiçã de uma bmba n prcess é a inabilidade para prduzir a vazã u a carga desejada. Existem muitas utras cndições nas quais uma bmba, apesar de nã sfrer nenhuma perda de flux, u carga, é cnsiderada defeitusa e deve ser retirada de peraçã mais ced pssível. As causas mais cmuns sã: prblemas de vedaçã (vazaments, perda de jat, refrigeraçã deficiente, etc.); prblemas relacinads a partes da bmba u d mtr: perda de lubrificaçã refrigeraçã cntaminaçã pr óle Uma bmba centrífuga é, na mairia das vezes, equipament mais simples em qualquer planta de prcess. Seu prpósit é cnverter a energia de uma fnte mtriz principal (um mtr elétric u turbina), a princípi, em velcidade u energia cinética, e entã, em energia de pressã d fluid que está send bmbead. As transfrmações de energia acntecem em virtude de duas partes principais da bmba: impulsr e a vluta, u difusr. 0
O impulsr é a parte giratória que cnverte a energia d mtr em energia cinética; A vluta u difusr é a parte estacinária que cnverte a energia cinética em energia de pressã. O líquid entra n bcal de sucçã e, lg em seguida, n centr de um dispsitiv rtativ cnhecid cm impulsr. Quand impulsr gira, ele imprime uma rtaçã a líquid situad nas cavidades entre as palhetas externas, prprcinand-lhe uma aceleraçã centrífuga. Cm as lâminas d impulsr sã curvas, fluid é impulsinad nas direções radial e tangencial pela frça centrífuga. Cm deslcament da massa inicial d fluid d centr d rtr para sua extremidade, frma-se um vazi (vácu), send este, pnt de menr pressã da bmba. Obviamente, nvas e sucessivas massas d fluid prvenientes da captaçã cuparã este espaç, pela açã da pressã atmsférica u utra frça qualquer. Paralelamente, a massa d fluid que é arrastada para a periferia d rtr, agra cmprimida entre as pás e as faces internas dd mesm, recebe uma crescente energia de pressã, derivada da energia ptencial e da energia cinética, anterirmente frnecidas a sistema. O crescente alargament da área de escament, assim cm as características cnstrutivas d interir da carcaça da bmba casinam a alta pressã na descarga da bmba, elevand fluid à altura desejada. As Figuras 9 e 0 mstram crtes laterais de bmba centrífuga indicand mviment d líquid. Figura 9 - Trajetória d flux de líquid dentr de uma bmba centrífuga A energia criada pela frça centrífuga é energia cinética. A quantidade de energia frnecida a líquid é prprcinal à velcidade na extremidade, u periferia, da hélice d impulsr. Quant mais rápid impulsr mve-se, u quant mair é impulsr, mair será a velcidade d líquid na hélice, e tant mair será a energia frnecida a líquid.
Esta energia cinética d líquid ganha n impulsr, tende a diminuir pelas resistências que se põem a flux. A primeira resistência é criada pela carcaça da bmba, que reduz a velcidade d líquid. N bcal de descarga, líquid sfre desaceleraçã e sua velcidade é cnvertida em pressã, de acrd cm princípi de Bernulli. Entã, a carga desenvlvida (pressã, em terms de altura de líquid) é aprximadamente igual à energia de velcidade na periferia d impulsr. Figura 0 - Trajetória d flux de líquid dentr de uma bmba centrífuga..3.7. Cmpnentes gerais de bmbas centrífugas Figura - Cmpnentes gerais de uma Bmba Centrífuga
Carcaça UNIVERSITAS Centr Universitári e Itajubá Curs de Engenharia de Prduçã As carcaças geralmente sã de dis tips: em vluta e circular. Os impulsres estã cntids dentr das carcaças. Carcaças em vluta prprcinam uma carga mais alta; carcaças circulares sã usadas para baixa carga e capacidade alta. Figura - Crte de uma bmba mstrand a carcaça em vluta A vluta é um funil encurvad que aumenta a área n pnt de descarga, cm mstrad nas Figuras 9 e 0. Cm a área da seçã transversal aumenta, a vluta reduz a velcidade d líquid e aumenta a sua pressã. Um ds principais prpósits de uma carcaça em vluta é ajudar a equilibrar a pressã hidráulica n eix da bmba. Prém, ist acntece melhr quand se pera à capacidade recmendada pel fabricante. Bmbas d tip em vluta funcinand a uma capacidade mais baixa que fabricante recmenda, pde imprimir uma tensã lateral n eix da bmba, aumentar desgaste e prvcar gtejament ns lacres, mancais, e n própri eix. Carcaças em dupla vluta sã usadas quand as estcadas radiais ficam significantes a vazões reduzidas. A carcaça circular tem palhetas defletras estacinárias, difusr, em vlta d impulsr, que cnvertem a energia de velcidade em energia de pressã. Cnvencinalmente, s difusres se aplicam às bmbas de múltipls estágis. As carcaças pdem ser prjetadas cm carcaças sólidas u carcaças bipartidas. A carcaça sólida implica que tda a carcaça, inclusive bcal de descarga, cmpõe uma peça única, fundida u usinada. Numa carcaça fendida, duas u mais partes sã firmadas juntas. Quand as partes da carcaça sã divididas n plan hrizntal, a carcaça é descrita cm bipartida hrizntalmente (u bipartida axialmente). Quand a divisã é n plan vertical 3
perpendicular a eix de rtaçã, a carcaça é descrita cm bipartida verticalmente, u carcaça bipartida radialmente. Impulsr O impulsr é a parte giratória principal, que frnece a aceleraçã centrífuga para fluid. Os impulsres fechads necessitam de anéis de desgaste e estes anéis representam utr prblema de manutençã. Impulsres aberts e semi-aberts têm mens prbabilidade de entupir, mas necessitam ajuste manual da vluta u placa traseira, para impulsr alcançar uma fixaçã adequada e prevenir recirculaçã interna. O númer de impulsres determina númer de estágis da bmba: uma bmba de um únic estági só tem um impulsr e é melhr para serviçs de baixa carga. Uma bmba de dis estágis tem dis impulsres em série, para serviçs de carga média. Uma bmba de multi-estágis tem três u mais impulsres em série, para serviçs de carga alta. Eix O prpósit básic d eix de uma bmba centrífuga é transmitir trque de partida e durante a peraçã, enquant apóia impulsr e utras partes giratórias. Ele tem que fazer este trabalh cm uma deflexã menr que a liberaçã mínima entre as partes giratórias e estacinárias. 4
..4 Camp de aplicaçã de bmbas O camp de aplicaçã de bmbas é vast e sujeit a regiões de superpsiçã, trnand-se difícil definir qual a melhr máquina para determinada aplicaçã. Deve-se definir inicialmente se a melhr sluçã é empreg de uma máquina de deslcament u uma máquina de flux. Se a aplicaçã a ser cnsiderada encntra-se em faixas de médias e grandes vazões, as máquinas de flux sã mais adequadas (bmbas centrífugas, bmbas de flux mist e bmbas axiais), enquant para aplicações em faixas de médias e grandes alturas de elevaçã e pequenas vazões, as máquinas de deslcament sã mais adequadas (bmbas alternativas e bmbas rtativas). A Figura 3 apresenta camp de aplicaçã de bmbas, que cnfirma as afirmações acima narradas. Figura 3 Camp de aplicaçã de bmbas Cm existem áreas de superpsiçã entre s camps de aplicaçã ds diferentes tips de bmbas, utrs critéris, cm viscsidade d líquid a ser bmbead, presença de sólids em suspensã, variaçã da vazã, facilidade de manutençã, custs, etc., devem ser levads em cnsideraçã para a esclha d tip de máquina. 5
..5 Seleçã de bmbas..5. Velcidade de rtaçã específica (n qa ) Para a seleçã d tip de máquina mais adequad para determinada situaçã é fundamental parâmetr velcidade de rtaçã específica. A velcidade de rtaçã específica está assciada à frma e às prpriedades ds rtres de máquinas de flux e seu valr serve de base para caracterizar séries de máquinas gemetricamente semelhantes em catálgs de fabricantes. Cm base em ensais de mdels, pesquisadres e fabricantes determinaram faixas de valres de velcidade de rtaçã específica (n qa ) para as quais s diverss tips de máquinas pssuem melhr rendiment. A Tabela 3 apresenta faixas de velcidade de rtaçã específica para diferentes tips de bmbas. Tabela 3 Valres de n qa para diferentes tips de bmbas Tip de bmba Valres de n qa Bmba de deslcament psitiv < 30 Bmba centrífuga 30 a 50 Bmba semi-axial u de flux mist 50 a 450 Bmba axial 450 a 000 Para facilitar ainda mais a seleçã da bmba mais adequada para determinada aplicaçã, alguns autres apresentam gráfics cm a velcidade de rtaçã específica assciada cm utrs parâmetrs característics da máquina. A Figura 4 apresenta um gráfic elabrad pel Bureau f Reclamatin/USA para seleçã de bmbas em funçã d rendiment ttal, da vazã e da velcidade de rtaçã específica...5. Velcidade Específica (n s ) A velcidade específica (n s ) é um índice adimensinal de prjet, que identifica a semelhança gemétrica de bmbas. É usada para classificar s impulsres de acrd cm seus tips e prprções. Bmbas de mesm n s, mas de tamanhs diferentes, sã cnsideradas gemetricamente semelhantes, send uma bmba um tamanh múltipl da utra. A frmula seguinte é usada para calcular a velcidade específica: Onde: n Q n s H 0,75 0,5 = (5) 6
n s = velcidade específica adimensinal n = númer de rtações pr minut Q = vazã em m 3 /s H = carga manmétrica em m Figura 4 Gráfic de = f(n qa ) para diferentes tips de bmba e para diversas faixas de vazã A velcidade específica determina a frma geral u classe ds impulsres. Cnfrme a velcidade específica aumenta, a relaçã d diâmetr de saída d impulsr, D, para de entrada u diâmetr d lh, D, diminui. Esta relaçã se trna.0 para um impulsr de flux axial. Os Impulsres de Flux Radial desenvlvem carga principalmente pr frça centrífuga. Os impulsres radiais geralmente sã prjets de baix flux e carga alta. Bmbas de velcidades específicas mais altas desenvlvem carga em parte pr frça centrífuga, e em parte pr frça axial. Uma velcidade específica mais alta indica um tip de bmba cm geraçã de carga mais pr frças axiais e mens pr frças centrífugas. Um flux axial u bmba de prpulsr cm uma velcidade específica de 0.000 u mair, gera sua carga exclusivamente pr frças axiais. Impulsres de flux axiais sã prjetads para baix flux e carga alta. 7
A velcidade específica identifica aprximadamente a relaçã aceitável entre diâmetr d lh d impulsr, (D ) e diâmetr máxim d impulsr (D ) em um impulsr bem prjetad. ns: 500 a 5.000; D /D >.5 bmba de flux radial ns: 5.000 a 0.000; D /D <.5 bmba de flux mist ns: 0.000 a 5.000; D /D =.0 bmba de flux axial A velcidade específica também é usada n dimensinament de uma bmba nva pr ampliaçã de escala de uma bmba menr de mesma velcidade específica. O desempenh e cnstruçã da bmba menr sã usads para predizer desempenh e mdelar a cnstruçã da bmba nva...5.3 Velcidade específica de sucçã (n ss ) É um númer adimensinal, u índice, que define as características de sucçã de uma bmba. É calculad pela mesma fórmula de n s, substituind H pr NPSH r. Em bmbas de múltipls estágis NPSH r é basead n impulsr d primeir estági. A velcidade específica de sucçã é usada cmumente cm base para calcular a faixa peracinal segura de capacidade para uma bmba. Quant mais alt n ss é, mais reduzida é a faixa peracinal segura de seu pnt de melhr eficiência. Os númers variam entre 3.000 e 0.000. A mairia ds usuáris prefere que suas bmbas tenham n ss na faixa de 8.000 a.000 para peraçã ótima e livre de prblemas...5.4 Leis de afinidade As Leis de Afinidade sã expressões matemáticas que definem mudanças na capacidade da bmba, quand crrem mudanças na velcidade da bmba, n diâmetr d impulsr, u ambs. De acrd cm as leis de afinidade: A capacidade, Q varia na prprçã direta da relaçã d diâmetr d impulsr, D, u da relaçã de velcidade n : Q Q D = (6) Q Q D n = (7) A carga, H varia na prprçã direta d quadrad da razã de diâmetrs d impulsr, D, u d quadrad da razã de velcidade n: n 8
H = H D D (8) H = H n n (9) A ptência varia na prprçã direta d cub da relaçã de diâmetrs d impulsr, u cub da relaçã de velcidades: P = P D D 3 (0) P = P n n 3 () Onde subscrit se refere à cndiçã inicial e à nva cndiçã. Quand variam tant diâmetr d impulsr cm a velcidade da bmba, as equações pdem ser cmbinadas para dar: Q = Q n n D D 3 () H = H n D n D (3) P = P n n 3 D D 5 (4) Esta equaçã é usada para calcular diâmetr de um impulsr a partir de uma dada curva de desempenh de uma bmba de mair diâmetr. Obs.: As Leis de Afinidade só sã válidas sb cndições de eficiência cnstante. 9
. VENTILADORES Ventiladres sã estruturas mecânicas utilizadas para cnverter energia mecânica de rtaçã, aplicada em seus eixs, em aument de pressã d ar. A ventilaçã geral é um ds métds dispníveis para cntrle de um ambiente cupacinal. Cnsiste em mvimentar ar num ambiente através de exaustres u ventiladres; também chamada ventilaçã mecânica. Um exaustr pde insuflar ar num ambiente, tmand ar extern, u exaurir ar desse mesm ambiente para exterir, para iss basta bservar psicinament da hélice na hra da mntagem d equipament. Pdem ser afixads em paredes, tubulações, telhads u em circulaçã de ar livre, cm uma sluçã ecnômica e eficiente em diversas aplicações cm: Ventilaçã Ambiental: para renvaçã de ar (calr excessiv, umidade, fumaças, etc); Exaustã de gases u peira gerads em prcesss industriais; Cass nde necessite um flux de ar cm baixa pressã estática. Existem certas grandezas imprtantes para funcinament e para desempenh de ventiladres. Sã elas: Númer de rtações pr minut; Diâmetr de saída d rtr; Vazã; Altura de elevaçã; Ptência; Rendiment.... Altura de elevaçã Representa desnível energétic entre dis pnts e é expressa em altura de cluna de líquid. Altura ttal de elevaçã (H t ) é a energia ttal cedida pel rtr d ventiladr a ar. Uma parte desta energia é perdida n própri ventiladr (h), pr atrit e turbilhnament (perdas hidráulicas). Altura útil (H) é a energia adquirida pel fluid durante a passagem pel ventiladr. É definida pr H = H t h. Altura mtriz de elevaçã (H m ) é a energia mecânica frnecida pel eix d mtr. Uma parte desta energia é perdida sb a frma de perdas mecânicas, H p, ns mancais e na transmissã pr crreia. Pde-se escrever H m = H t + H p. 30
... Ptências A ptência é a energia frnecida para efetuar trabalh na unidade de temp. A cada altura de elevaçã existe uma ptência cm a mesma designaçã. A ptência, P [kw] necessária para instalaçã de um ventiladr é: nde: = massa específica d ar, kg/m 3 ; Q = Vazã d ventiladr, m 3 /s; ρ Q H = 000 η H = altura de elevaçã (ttal, útil u mtriz), m; = rendiment ttal d ventiladr. P (5)...3 Rendiments É a relaçã entre a ptência aprveitada e a frnecida. Rendiment hidráulic ( h ) é a relaçã entre a ptência útil e a ptência ttal; Rendiment mecânic ( m ) é a relaçã entre a ptência ttal útil e a ptência mtriz; Rendiment ttal () é prdut d rendiment hidráulic pel rendiment mecânic. A ptência snra d ventiladr, W s é a ptência snra ttal irradiada pel ventiladr, (expressa em watts). O nível de ptência snra, NW s (em decibéis, db) é dad pr: W 0 lg 0 s NW s = (6) 3
As curvas características de um ventiladr expressam seu desempenh para uma dada massa específica d ar. Para uma dada rtaçã, sã efetuadas determinações de P eix, e Q, para diversas psições da válvula cônica. Os resultads sã apresentads em gráfics nde s valres de pressã e sã pltads em funçã de Q. Um cnjunt típic de curvas características é mstrad na Figura 5. Figura 5 Características de um ventiladr centrífug A perda de carga de um sistema de ventilaçã industrial pde ser expressa em funçã da vazã d ventiladr, Q, pela equaçã: K sv = ceficiente de perda d sistema de ventilaçã. P = K sv Q (7) A equaçã acima representa a família de curvas parabólicas cnhecida cm curvas características d sistema. A resistência a escament apresentada pr um sistema, nã é brigatriamente fixa. A adiçã de nvs cmpnentes, a variaçã da abertura de válvulas reguladras, a depsiçã de material particulad em meis filtrantes, sã alguns ds fatres que alteram esta resistência, mdificand, prtant, ceficiente K sv. 3
As características gráficas de um ventiladr centrífug, assim cm as de uma bmba centrífuga, mudam de psiçã quand a velcidade muda. Sã utilizads diverss critéris para classificar s ventiladres, mas s mais utilizads sã: a) segund nível energétic de pressã que estabelecem Baixa pressã: até kpa (00 mmca); Média pressã: entre e 8 kpa (00 a 800 mmca); Alta pressã: entre 8 e 5 kpa (800 a 500 mmca); Turb-cmpressres: acima de 5 kpa (500 mmca). b) segund a mdalidade cnstrutiva Centrífugs ar entra na caixa u vluta, paralelamente a eix d mtr e é descarregad perpendicularmente à direçã de entrada d ar; Axiais rtr se assemelha a uma hélice. O ar entra e sai d ventiladr paralelamente a eix...6. Principais ventiladres centrífugs Ventiladr centrífug de pás inclinadas para frente eficiência mais elevada que d ventiladr de pás retas, mas nã é adequad para trabalhar cm ar cntend material particulad; nã é adequad para trabalhs de alta pressã; Ocupa puc espaç. É bastante utilizad na ventilaçã geral diluidra e na ventilaçã para cnfrt ambiental, pis ar insuflad para dentr d ambiente está praticamente isent de partículas. 33
Figura 6 Ventiladr centrífug de pás inclinadas para frente Ventiladr centrífug de pás inclinadas para trás Trabalha cm velcidades maires que s anterires e pssui características imprtantes: Apresenta eficiência mais elevada; É silencis; Tem aut-limitaçã de ptência decrrente da frma de sua curva de ptência. Se mtr de acinament fr selecinad para pic da curva de ptência, nã existirá perig de crrer sbrecarga. Figura 7 Ventiladr centrífug de pás inclinadas para trás 34
..6. Ventiladres axiais Ventiladr axial prpulsr Indicad para mvimentar grandes vazões de ar, cm pequens diferenciais de pressã. Vantagem: cnstruíd cm grande simplicidade e, cnseqüentemente, baix cust; Nrmalmente é instalad sem dut. Muit utilizad na ventilaçã geral diluidra. Figura 8 Ventiladr axial prpulsr Ventiladr de tub axial Trabalha cm pressões maires que ventiladr axial prpulsr, cm um rendiment mair. Ist é pssível devid a rtr cm pás de melhr perfil aerdinâmic que anterir e a presença d tub axial. 35
Para aumentar ainda mais a eficiência, pdem ser afixadas n interir d tub axial, aletas estabilizadras d flux. Figura 9 Ventiladr de tub axial As leis ds ventiladres sã decrrentes da aplicaçã da teria da similaridade às máquinas de flux. Elas sã resumidas a seguir. Ventiladr trabalhand cm ar, cm massa específica () cnstante e rtações diferentes As equações de similaridade, anterirmente aplicadas às bmbas, n Q = Q n H = H n n P = P n n 3 Também sã aplicadas para s ventiladres, acrescentand-se: NW s = NW s n + 50 lg n n, n = rtações ds ventiladres, rpm. 36
Ventiladres gemetricamente semelhantes, trabalhand cm mesma rtaçã (n=cte) e cm massas específicas iguais (=cte) Q = Q D D 3 H = H D D P = P D D 5 NW s = NW s D + 70 lg D D, D = diâmetrs ds rtres ds ventiladres Ventiladres gemetricamente semelhantes, trabalhand cm rtações diferentes e cm massas específicas iguais (=cte) Q = Q n n D D 3 H = H n n D D P = P n n 3 D D 5 Estas leis devem ser aplicadas cm cautela, pis para grandes variações de vazã e rtres de tamanhs muit diferentes, a similaridade deixa de existir. Um ventiladr cnectad a um sistema de duts, apresenta uma vazã prprcinal à perda de carga prduzida pela tubulaçã de acrd cm a equaçã (7). Quand pltams as curvas características d ventiladr e d sistema de duts em um únic diagrama, a vazã de ar frnecida pel ventiladr crrespnderá a pnt de interseçã das duas curvas, cm mstra a Figura 30. Neste 37
pnt, acréscim de pressã prduzid pel ventiladr equilibra a resistência a escament ferecida pel sistema de duts. Figura 30 Pnt de equilíbri Ventiladr-sistema Obviamente, as cndições reais de peraçã de um ventiladr cnectad a um sistema de tubulações pdem ser bem diferentes das cndições de teste em labratóri, muitas vezes fazend cm que seu desempenh seja diferente d previst. A principal causa desta divergência é a instalaçã de acessóris cm curvas, variações de diâmetr d dut, etc., próxim à sucçã d ventiladr. A presença de acessóris próxims à descarga também afeta desempenh, embra em menr intensidade...8. Assciaçã em série Dis ventiladres ligads em série têm a mesma vazã e suas pressões ttais sã smadas. Na figura abaix, as curvas características típicas de um ventiladr e a resultante da assciaçã de dis ventiladres, em série. A Figura 3 apresenta um esquema das curvas características de ventiladres em série...8. Assciaçã em paralel Quand dis ventiladres sã assciads em paralel, a pressã ttal prduzida pels ventiladres é única e as suas vazões individuais se smam. A Figura 3 apresenta um esquema das curvas características de ventiladres em paralel. 38
Figura 3 Curvas características de dis ventiladres em série Figura 3 Curvas características de dis ventiladres em paralel 39