FACULDADE DE ENGENHARIA DE SÃO PAULO - FESP LABORATÓRIO DE FENÔMENOS DE TRANSPORTE - BT1 CENTRO TECNOLÓGICO DE HIDRÁULICA - CTH APOSTILA DO EXPERIMENTO - BOMBAS HIDRÁULICAS Esta apostila contém o roteiro da experiência que será desenvolvida no decorrer da aula, é formada por uma introdução, que aborda de maneira sucinta a história, a função, os componentes de um sistema de sucção/recalque e os conceitos que serão utilizados no experimento; o procedimento experimental e a sua folha de dados e de determinações experimentais, em anexo. 1 - Introdução Bombas hidráulicas são máquinas de fluxo, cuja função é fornecer energia ao fluido, a fim de possibilitar o transporte e/ou recalque, através da conversão de energia mecânica de seu rotor proveniente de um motor a combustão ou de um motor elétrico. Desta forma, as bombas hidráulicas são tidas como máquinas hidráulicas que fornecem energia ao fluido. Figura 1.1 - Representação de uma instalação de recalque. O fluido entra na bomba através da tubulação de sucção, perpendicularmente em direção ao centro de um rotor acoplado ao eixo do motor. O rotor, ao girar, confere ao fluido um movimento rotativo que segue em direção à carcaça da bomba. A carcaça é a parte fixa da bomba, que redireciona convenientemente o fluxo em direção à saída, ou seja, à tubulação de recalque. Neste processo é conferido ao fluido um acréscimo de pressão que permite o seu transporte a certas distâncias e/ou alturas. É interessante notar que na tubulação de sucção, o líquido está normalmente sob baixas pressões, em geral menor que a pressão atmosférica e ao passar pelo rotor, recebe um acréscimo de pressão determinado pelas características intrínsecas de cada bomba (geometria, diâmetro, tamanho do rotor, potência do motor, etc). Nessa região de baixas pressões pode ocorrer o fenômeno da CAVITAÇÃO que sumariamente é semelhante a ebulição, o fluido atingi níveis de pressão de vapor, formando bolhas de vapor que colapsam ao atingir regiões de pressões mais altas,
este efeito causa um processo destrutivo e erosivo que provoca estragos, principalmente no rotor e palhetas e é identificado por ruídos e vibrações. É por este motivo que cada bomba apresenta uma série de curvas características que permitem conhecer o seu desempenho. Estas curvas características são obtidas experimentalmente e são fornecidas pelos fabricantes. 1.1 - Classificações mais importantes de bombas hidráulicas 1.1.1 - Quanto à trajetória do fluido: - Bombas radiais ou centrífugas: sua característica básica é trabalhar com pequenas vazões a grandes alturas, fazem a transformação de energia mecânica em hidráulica por meio de forças centrífugas; são as mais utilizadas atualmente; - Bombas axiais: trabalha com grandes vazões a pequenas alturas; - Bombas diagonais ou de fluxo misto: caracterizam-se pelo recalque de médias vazões a médias alturas, sendo um tipo combinado das duas anteriores; 1.1.2 - Quanto ao posicionamento do eixo: - Bomba de eixo vertical: utilizada em poços subterrâneos profundos; - Bomba de eixo horizontal: é o tipo construtivo mais usado; 1.1.3 - Quanto à posição do eixo da bomba em relação ao nível da água: - Bomba de sucção positiva: quando o eixo da bomba situa-se acima do nível do reservatório; - Bomba de sucção negativa ("afogada"): quando o eixo da bomba situa-se abaixo do nível do reservatório; Figura 1.2 - Inst. de Bombas: posicionamento do eixo em relação ao nível d água. 1.2 - Associações de bombas Muitas vezes, entretanto, apenas uma bomba não é suficiente para atender as necessidades dos sistemas de bombeamento, então é feita uma associação de bombas. Dependendo da necessidade do sistema de bombeamento são feitas associações em série ou em paralelo. Na associação em série o recalque da primeira bomba conecta-se à sucção da segunda bomba, a vazão que passa em cada uma das bombas é a mesma e a altura total de elevação da associação é a soma das alturas totais das bombas. Na associação em paralelo as bombas operam com a mesma altura total de elevação, já a vazão da associação é a soma das vazões recalcadas pelas bombas. A figura abaixo ilustra o arranjo de uma bomba isolada, duas bombas em série e duas bombas em paralelo.
Figura 1.3 - Arranjo de Bombas. A vazão, a altura manométrica ou altura total de elevação, a potência hidráulica ou útil e rendimento são os parâmetros hidráulicos de uma bomba: Vazão é volume escoado pela bomba por unidade de tempo. Altura manométrica ou altura de elevação é a carga correspondente à energia transmitida para o escoamento; é a energia na saída da bomba menos a energia na entrada. Potência hidráulica ou útil é o trabalho realizado sobre o líquido ao passar pela bomba, ou a energia total por unidade de tempo. O rendimento considera as perdas de energia do escoamento ao passar pela bomba, relaciona a potência útil (efetivamente transferida para o líquido) com a potência do motor (fornecida pelo motor através do eixo do rotor). 1.3 - Altura manométrica da instalação É definida como sendo a altura geométrica da instalação mais as perdas de carga ao longo da trajetória do fluxo. Altura geométrica é a soma das alturas de sucção e recalque. Fisicamente, é a quantidade de energia hidráulica que a bomba deverá fornecer ao fluido, para que o mesmo seja recalcado a uma altura específica e/ou transportado horizontalmente para outra localidade, vencendo, inclusive, as perdas de carga. A altura manométrica é descrita pela seguinte equação: H m = H G + h f Equação 1 Sendo: H m = altura manométrica da instalação (m); H G = altura geométrica (m); h f = perda de carga total (m).
Todo fluido em escoamento apresenta perda de carga, seja por atrito ao longo dos trechos retos de tubulações ou acidentais, que ocorrem em elementos específicos que compõe a tubulação (curvas, registros, reduções, válvulas, luvas e etc). É tratada em capítulo específico da hidráulica, sendo necessário o conhecimento dos métodos de cálculo a fim de determiná-la e ser considerada no dimensionamento de uma instalação de recalque. Matematicamente a perda de carga pode ser escrita como: h f1-2 = J Le Equação 2 Sendo: h f1-2 = perda de carga entre os pontos 1 e 2 da tubulação (m); J = perda de carga unitária (m/m); L e = comprimento total ou equivalente de tubulação (m). Figura 1.4 - Representação das alturas de sucção e recalque de uma instalação. 2 - Atividades Laboratoriais 2.1 - Objetivo Familiarizar o aluno com uma instalação de recalque composta por duas bombas centrífugas idênticas. Realizar operações com as bombas de forma isolada e em conjunto, associadas em série e paralelo; Estabelecer as curvas que caracterizam o funcionamento de uma bomba: H m = f (Q) / η B = f (Q) / P B = f (Q); Comparar as condições hidráulicas (Q e H m ) determinadas para bomba isolada, em série e em paralelo, com a curva do fabricante. 2.2 - Aparato Experimental As instalações do laboratório didático da Poli USP apresentam duas bombas idênticas, instaladas na mesma cota, podendo funcionar isoladamente ou associadas em série ou em paralelo.
O circuito hidráulico é fechado, apresentando um único reservatório. Há um medidor e vazão, eletromagnético, na tubulação de recalque e um Watímetro na linha de alimentação elétrica de cada bomba. Os tubos de sucção e de recalque de cada bomba estão conectados a manômetros diferenciais do tipo água-mercúrio. A seguir apresentam-se as características gerais da instalação de recalque utilizada no experimento. - D = 130,80 mm (diâmetro do rotor); - Dr = 53,60 mm (diâmetro de recalque); - Ds = 75,60 mm (diâmetro de sucção); - γ w = 1.000 kgf/m³ (peso específico da água); - γ hg = 13.600 kgf/m³ (peso específico do mercúrio); - η M = 77,5% (rendimento do motor elétrico); - g = 9,81 m/s² (aceleração da gravidade); - Conversões: - 1,0 CV = 75 kgf. m/s; - 1,0 CV 1,0 HP 0,7355 KW 736W; A tabela 1 apresenta os dados da curva do fabricante para as bombas B1 e B2 que serão utilizadas no experimento. 2.3 - Procedimento Experimental 2.3.1 - Ensaio com bomba isolada: Tabela 1: Dados do Fabricante (B1=B2) Q [l/s] H m [m] 2,10 8,90 5,00 8,30 7,70 7,30 10,50 5,80 Colocar em operação apenas uma das bombas, ajustar 06 (seis) diferentes vazões, iniciando com a máxima vazão possível. Para cada ajuste de ensaio, deve ser lida a vazão (Q), as cargas de pressão (H máx1 e H mín1 ), respeitando-se o limite: As vazões de ensaio devem variar entre 3 l/s e 13 l/s 2.3.2 - Ensaio com bombas associadas em série: Colocar em operação as 02 (duas) bombas associadas em série, ajustar 06 (seis) diferentes vazões, iniciando com a máxima vazão possível. Para cada ajuste de ensaio, deve ser lida e registrada a vazão (Q), as cargas de pressão para a B1 (H máx1 e H mín1 ) e B2 (H máx2 e H mín2 ), respeitando-se o limite: As vazões de ensaio devem variar entre 3 l/s e 13 l/s OBS: deve-se introduzir perda de carga para compensar a assimetria das tubulações e conseguir a mesma altura manométrica em cada bomba.
2.3.3 - Ensaio com bombas associadas em paralelo: Colocar em operação as 02 (duas) bombas associadas em paralelo, ajustar 06 (seis) diferentes vazões, iniciando com a máxima vazão possível. Para cada ajuste de ensaio, deve ser lida e registrada a vazão (Q), as cargas de pressão para a B1 (H máx1 e H mín1 ) e B2 (H máx2 e H mín2 ), respeitando-se os seguintes limites: As vazões de ensaio devem variar entre 3 l/s e 19,5 l/s OBS: deve-se introduzir perda de carga para compensar a assimetria das tubulações e conseguir a mesma vazão em cada bomba. 3 - DETERMINAÇÕES EXPERIMENTAIS Deverão ser determinados os itens indicados na letra d da folha de dados experimentais, inclusive as questões propostas, conforme indicado: a) Curva do fabricante para as associações em série e paralelo; b) Bomba isolada: Q / H 1 / Hm 1 / P M / η B / η / P B ; c) Bomba em série: Q / H 1 / H 2 / Hm 1 / Hm 2 / Hm final ; d) Bomba em paralelo: Q / H 1 / H 2 / Hm 1 / Hm 2 / Hm méd ; A partir dos dados apresentados e calculados, devem ser traçados os gráficos representativos de: e) Gráfico 1 - Q x Hm: - com os dados do fabricante para bomba isolada, bomba em série e em paralelo; - com dados experimentais para bomba isolada, bomba em série e em paralelo; f) Gráfico 2 - Q x η B - com os dados obtidos experimentalmente; g) Gráfico 3 - Q x P B - com os dados obtidos experimentalmente; 4 - Formulário É apresentado um formulário de equações, a serem utilizadas no relatório. Hm=Hr Hs= ΔH+ ² ² Onde: Hm - altura manométrica [m]...equação 3 η...equação 4 Onde: η B - rendimento da bomba [%] η=η η...equação 5 Onde: η - rendimento global do conjunto motor-bomba [%] P = γ η...equação 6 Onde: P B - potência bomba [CV]
Figura 3.1 - Esquema geral do experimento Figura 3.2 - Curiosidade sobre sistemas de bombeamento