MÁQUINAS HIDRÁULICAS AT-087

Universidade Federal do Paraná Curso de Engenharia Industrial Madeireira MÁQUINAS HIDRÁULICAS AT-087 Dr. Alan Sulato de Andrade alansulato@ufpr.br

FLUÍDOS LÍQUIDOS

INTRODUÇÃO: Para se movimentar um fluido é necessário dois fatores: O primeiro é um local ou caminho por onde o fluido passará e o segundo é um sistema que forneça energia suficiente ao líquido para este realize o trabalho e percorra o caminho pré-estabelecido. O trabalho a ser realizado será o equivalente ao deslocamento de seu peso pelo caminho préestabelecido.

INTRODUÇÃO: O caminho a ser percorrido pelo líquido é definido pela tubulação, constituída dos tubos e dos acessórios a ela adicionados como válvulas, conexões, cotovelos, expansões, contrações, etc.

INTRODUÇÃO: Quem fornece a energia para movimentar o fluido pela tubulação é a bomba.

INTRODUÇÃO: Para o dimensionamento de um sistema para transporte de fluidos se faz necessário contabilizar os efeitos de cada componente que estão associados a tubulação bem como as características da bomba.

BOMBAS: São consideradas bombas hidráulicas todas as máquinas que recebem trabalho mecânico, fornecido por outra máquina (normalmente um motor elétrico ou a combustão interna), e o transfere para o fluido realizar trabalho. O processo pelo qual ocorre esta transferência de energia são resultados das interações dinâmicas entre um elemento orgânico do dispositivo (rotor) e o fluido, e são geralmente baseadas no escoamento e nas forças detectadas na interface do fluido e a superfície deste sólido.

BOMBAS: As bombas são operadas normalmente com líquidos (bombas d águas), mas existem dispositivos que podem operar com gases (ventiladores), embora os princípios básicos sejam os mesmos em ambos, pode haver diferenças significativas na dinâmica dos escoamentos nestes dois casos. Por exemplo, a cavitação é muito importante no projeto de bombas que operam com líquidos, sendo desprezível nos gases. Os efeitos de compressibilidade são importantes em bombas que operam com gases com número de Mach elevados, o que não acontece com os líquidos.

BOMBAS: As bombas podem ser classificadas de acordo com a forma como transfere a energia para o fluido. Nesta classificação há dois tipos de bombas; 1) Bombas de deslocamento positivo, também chamada de bombas estáticas. Alternativas Rotativas 2) Turbomáquinas ou bombas dinâmicas. Centrifugas Puras ou Radiais Helicoidais Axiais

BOMBAS: No primeiro tipo, o aumento da energia do fluido é obtido por meio do deslocamento de um volume pré determinado. O princípio de funcionamento deste equipamento pode ser observado no coração e nas bombas de encher pneus de bicicletas. No segundo tipo, há uma série de dispositivos (pás, discos, canecas, canais, etc) que aumentam a energia do fluido e se baseia na transferência de quantidade de movimento por interação viscosa entre superfície sólida do elemento e o fluido. Ventiladores, hélices de barcos e aviões, bombas d águas centrífugas e turbo - compressores de automóveis são exemplos deste tipo de equipamento.

BOMBAS DE DESLOCAMENTO POSITIVO: As bombas de deslocamento positivo apresentam uma ou mais câmaras que comunicam a energia de pressão ao fluido, provocando o seu escoamento. Desta forma, proporcionam as condições necessárias para que se realize o escoamento na tubulação de aspiração e na de recalque. Este tipo de bomba pode ser classificada em alternativas e rotativas, e para cada classificação há diversos tipos de bombas.

BOMBAS DE DESLOCAMENTO POSITIVO:

BOMBAS DE DESLOCAMENTO POSITIVO: ALTERNATIVAS Impelem uma quantidade definida de fluido em cada golpe ou volta do dispositivo. O volume do fluido deslocado é proporcional a velocidade. Operam com baios ciclos ou baixas rotações ( 20 rpm)

BOMBAS DE DESLOCAMENTO POSITIVO: ALTERNATIVAS Para cada golpe do pistão, um volume fixo do líquido é impelido pela bomba. Desta forma, resulta num escoamento intermitente. A taxa de fornecimento do líquido é função do volume varrido pelo pistão no cilindro e o número de golpes do pistão por unidade do tempo.

BOMBAS DE DESLOCAMENTO POSITIVO: ALTERNATIVAS Eficiência Volumétrica: volume real < volume total devido a vazamentos ou enchimento incompleto. h v > 95% para bombas bem ajustadas. Eficiência Mecânica: h m = < 100%, devido a perdas por atrito mecânico e atrito ao fluido.

BOMBAS DE DESLOCAMENTO POSITIVO: ALTERNATIVAS Podem ser : duplex, triplex, - O número de cilindro. simples ou duplo efeito - Quando utiliza um ou dois lados de seu volume para impelir o fluido.

BOMBAS DE DESLOCAMENTO POSITIVO: ALTERNATIVAS Aplicações: - bombeamento de água de alimentação de caldeiras, óleos e de lamas, - imprimem as pressões mais elevadas dentre as bombas, - pequena capacidade, - podem ser usadas para vazões moderadas.

BOMBAS DE DESLOCAMENTO POSITIVO: ALTERNATIVAS Vantagens: - podem operar com líquidos voláteis e muito viscosos - capaz de produzir pressão muito alta. Desvantagens: - produz fluxo pulsante; - capacidade; - opera com baixa velocidade; - necessita de mais manutenção;

BOMBAS DE DESLOCAMENTO POSITIVO: ROTATIVAS Resulta em escoamento contínuo, O rotor da bomba provoca uma pressão reduzida no lado da entrada, o que possibilita a admissão do líquido à bomba, pelo efeito da pressão externa. À medida que o elemento gira, o líquido fica retido entre os componentes do rotor e a carcaça da bomba.

BOMBAS DE DESLOCAMENTO POSITIVO: ROTATIVAS O líquido bombeado é empurrado pelos dentes das engrenagens. A vazão é proporcional ao volume entre os dentes e à velocidade das engrenagens. Uma das engrenagens é movimentada por um motor.

BOMBAS DE DESLOCAMENTO POSITIVO: ROTATIVAS

BOMBAS DE DESLOCAMENTO POSITIVO: ROTATIVAS Características: - Utilizadas principalmente nas indústrias farmacêuticas, de alimentos e de petróleo. - Eficientes para fluidos viscosos, graxas e tintas; - Operam em faixas moderadas de pressão; - Capacidade pequena e média; - Utilizadas para medir "volumes líquidos".

BOMBAS DE DESLOCAMENTO POSITIVO: ROTATIVAS Tipos: - Engrenagens; - atuada externamente ( as 2 engrenagens giram em sentidos opostos); - atuada internamente ( só um rotor motriz ); - Rotores lobulares: bastante usada em alimentos; - Parafusos helicoidais ( maiores pressões); - Palhetas: fluidos pouco viscosos e lubrificantes; - Peristáltica: pequenas vazões, permite transporte asséptico.

As turbobombas são caracterizadas por possuírem um elemento rotatório (conhecido como rotor) que exerce sobre o fluido uma força causando uma aceleração do mesmo. Essa aceleração não possui a mesma direção e sentido do movimento do líquido em contato com o elemento que gera o movimento, ao contrário das bombas de deslocamento positivo. As forças geradas irão transferir quantidade de movimento ao fluido a ser bombeado.

CLASSIFICAÇÃO As bombas centrífugas podem ser classificadas de acordo com a trajetória do líquido no rotor e com número de rotores empregados. Segundo a trajetória do líquido há as bombas centrífugas puras ou radiais e as de fluxo misto ou diagonal. As bombas são classificadas segundo o número de rotores em bombas de estágio simples e as de múltiplos estágios.

CLASSIFICAÇÃO Quanto a altura manométrica (para recalque de água limpa): baixa pressão (H 15 mca=147kpa); média pressão (15 < H < 50 mca=147kpa - 490kPa); alta pressão (H 50 mca=490kpa). Quanto a vazão de recalque: pequena (Q 50 m³/hora); média ( 50 < Q < 500 m³/hora); grande (Q 500 m³/hora).

BOMBA CENTRÍFUGA PURA OU RADIAL Neste tipo de bomba o líquido entra no rotor paralelamente ao eixo de rotação, sendo dirigido pelas pás para a periferia do rotor com uma trajetória normal ao eixo. Desta forma, a trajetória das partículas são curvas praticamente planas contidas em planos radiais. As bombas deste tipo são de "simples" construção com as pás apresentando curvatura em apenas um plano, o que as qualificam para a produção em série.

BOMBA CENTRÍFUGA PURA OU RADIAL

BOMBA HELICOIDAL As pás neste tipo de bomba apresentam dupla curvatura, com a borda de saída bastante inclinada em relação ao eixo. Desta forma, a trajetória da partícula é uma hélice cônica e reversa. O rotor usualmente possui somente uma base para a fixação das pás em forma de cone ou ogiva.

BOMBA HELICOIDAL

BOMBA AXIAL Neste tipo de bomba não é propriamente uma bomba centrífuga, sendo seu projeto baseado na teoria de sustentação das asas e da propulsão das hélices ou ainda segundo a teoria do vórtice forçado. A trajetória da partícula de fluido no interior começa de forma paralela ao eixo e se transforma em uma hélice cilíndrica, formando uma hélice de vórtice forçado, pois ao escoamento axial sobrepõe-se um vórtice forçado pelo movimento das pás.

BOMBA AXIAL

As principais partes componentes de uma bomba centrífuga são o rotor e o difusor. No rotor, que recebe energia mecânica do motor, o fluido recebe quantidade de movimento e aumenta sua energia cinética. Em essência o rotor é um disco ou uma peça em formato cônico, que pode ou não ser dotados de pás. No caso do rotor não possuir pás a transferência de quantidade de movimento para o fluido ocorre por interação viscosa da superfície do disco com o fluido. No rotor com pá, a interação é inercial.

Elementos construtivos de um equipamento Em destaque os elementos voluta e rotor

Elementos construtivos de um equipamento Em destaque os elementos eixo e rolamentos

Rotor com indutor

Equipamento de efeito simples Equipamento de múltiplo efeito

Instalação

Instalação: convencional

Instalação: injetora

Instalação: submersa

A operação normal de bombeamento consiste em fornecer energia ao fluido para que possa executar o trabalho representado pelo deslocamento de seu peso entre duas posições, vencendo as resistências que se apresentem em seu percurso. Como estamos falando de trabalho é interessante estabelecer uma convenção que permite indicar a situação de cada parcela da energia cedida ao liquido. Tomando como referência a figura, será definido índices para representar cada região especifica do sistema de bombeamento.

Estes Índices são: Nível de referência 0 - Representa o ponto na seção de entrada da bomba. É o ponto onde o escoamento médio da veia liquida atravessa a seção de entrada da bomba, 1 - Representa os pontos situados na superfície gerada pela rotação do bordo de entrada do rotor. denominado de entrada do rotor, 2 - Representa os pontos situados na superfície gerada pelo bordo de saída do rotor, 3 - Representa os pontos situados na saída da bomba.

A seleção do equipamento dependerá basicamente de dois fatores: 1) Vazão volumétrica a ser transportada e 2) Altura manométrica do sistema de bombeamento. Fonte: HIDRAULICA, PROFESSOR: ENG RICARDO VITOY - MÁQUINAS DE FLUXO E BOMBEAMENTO

Vazão volumétrica a ser transportada: Água como insumo de processos: Vazão = Demanda * quantidade de produto a ser produzido Ex : Em uma usina de açúcar = 100l água / kg de açúcar produzido Em uma Cervejaria = 5l água / 1l de cerveja produzido Em uma indústria de Celulose e Papel = 100l a 600l de água / kg de celulose e papel produzidos Água como fluído de suporte: Vazão = Demanda * n operários Ex : 70l água / dia x operário Água para atender necessidades pessoais: Vazão = Demanda * (clima,nível social, cultura,etc) Ex : 150l a 350l água / dia x habitante

Vazão volumétrica: Dados e estimativas podem ser identificados pela NBR 5626 - Instalações Prediais de Água Fria

Vazão volumétrica:

Vazão volumétrica: Reservatórios: A NBR 5626:1998 estabelece que o volume de água reservado para uso doméstico deve ser, no mínimo, o necessário para atender 24 horas de consumo normal do edifício, sem considerar o volume de água para combate a incêndio.

Altura manométrica No estudo dos sistemas de transporte de fluídos, levantamos a informação das alturas estáticas e dinâmicas para a determinação da altura manométrica.

ALTURAS ESTÁTICAS Estas alturas representam os desníveis topográficos de uma instalação de bombeamento e são divididas em três tipos distintas, sendo representadas pela letra h minúscula. * O Nível de Referencia (NR) pode ser adotado como o eixo do equipamento ou mesmo o nível do mar

A primeira é chamada de altura estática de aspiração (h a ) e compreende o desnível topográfico entre a linha de centro da bomba e o nível do reservatório de aspiração, representado pela superfície livre do reservatório. O reservatório pode estar localizado acima ou abaixo da linha de centro da bomba, contudo a altura estática de aspiração continuará sendo representada pelo desnível. No caso do reservatório estar acima da bomba esta altura será positiva e, caso esteja abaixo, será negativa por estar contra o referencial. + - NR

A segunda é a altura estática de recalque (h r ) e corresponde à diferença de cotas entre o nível onde líquido deixa a tubulação de recalque e a linha do centro da bomba, que serve de referencial. Na determinação desta altura deve-se estar atento a como o liquido deixa a tubulação de recalque. Se a saída for livre, o nível será medido na linha de centro da tubulação, sendo válida esta referência para quando o líquido é abandonado acima da linha da superfície livre do reservatório de saída. Se a tubulação descarregar o fluido abaixo desta linha, a referencia passará a ser o nível do reservatório de saída. NR

Por último leremos a altura estática de elevação (h e ) que corresponde á diferença de cotas entre os níveis onde o liquido deixa a tubulação de recalque e o da superfície livre do reservatório de aspiração da bomba. A altura estática de elevação pode ser facilmente como: h e =-h a +h r

8m 4m NR 2m 8m NR Calcular h a,h r e h e

ALTURAS DINÂMICAS As alturas dinâmicas (aspiração e recalque) consistem na diferença de energia referente ao movimento do escoamento entre o reservatório de aspiração até a unidade de bombeamento e da unidade de bombeamento até o reservatório de recalque. Neste cálculo é considerando a parcela de energia perdida entre os trajetos (Ja e Jr).

ALTURA DINÂMICA DE ASPIRAÇÃO Esta altura representa a energia necessária ao fluido para deslocar desde o reservatório de aspiração até a entrada da bomba, vencendo todos as resistências da linha e com uma vazão específica.

ALTURA DINÂMICA DE ASPIRAÇÃO Pode ser determinada como: Pa Ha h a V 2g 2 a J a Onde ha é a altura estática de aspiração, P a, V a e J a correspondem a pressão do reservatório, a velocidade e as perdas na tubulação de aspiração, respectivamente.

ALTURA DINÂMICA DE RECALQUE Esta altura representa a energia necessária ao fluido para deslocar desde a saída da bomba até o reservatório de recalque, vencendo todos as resistências da linha e com uma vazão específica.

ALTURA DINÂMICA DE RECALQUE Pode ser determinada como: Hr Pr h r V 2g 2 r J r Onde hr é a altura estática de recalque, P r, V r e J r correspondem a pressão do reservatório, a velocidade e as perdas na tubulação de recalque, respectivamente.

ALTURA MANOMÉTRICA A altura manométrica representa a quantidade de energia que a bomba deve fornecer ao fluido para que se desloque desde o reservatório de aspiração até a saída da tubulação de recalque. J e h g a V r V γ Pa H J r h a h g a V r V γ Pa H r J a J r h a h g a V r V γ Pa H r J g r V r h γ a J g a V a h γ Pa H Hr Ha H 2 2 2 Pr 2 2 2 Pr 2 2 2 Pr 2 2 Pr 2 2 Diversas combinações e opções de arranjos - Nível de referencia exatamente no eixo do equipamento

ALTURA MANOMÉTRICA Casos especiais. H H H V 2 V Pa 2 Pr r a γ g 2 V 2 V 2 r a 0 g 2 a r 0 0 h h J a r h h J a h h J r Reservatórios que operam abertos (pressão atmosférica) Velocidades de escoamento iguais entre as linhas (tubulações de mesmo diâmetro)

ALTURAS DINÂMICAS

Calcular a altura manométrica para ambos os casos. A - Considerar: Pa=101KPa Va=1m/s Ja=0,2m B - Considerar: Pa=101KPa Va=1m/s Ja=0,2m Vr=5m/s Jr=0,3m Pr=101KPa 6m 3m NR 1m 4m Vr=1m/s Jr=0,5m Pr=240KPa NR

A altura manométrica pode ser calculada através da relação entre as pressões da linha de recalque e aspiração. Onde p r e p a correspondem a pressões em determinados pontos das linhas de recalque e aspiração e m a distância entre o manômetro instalado na linha de recalque e o vacuômetro da linha de aspiração. Usualmente, estes dois manômetros são instalados na mesma altura, desta forma m=0. H p r p a m

Manômetro Vacuômetro Manômetro m=0 m Vacuômetro

ALTURA ÚTIL DE ELEVAÇÃO Consiste na energia que a unidade de líquido adquire em sua passagem pela bomba. g V J J h g V V H H g V P g V i P H r r a e a r u a a r r u 2 2 2 2 2 2 2 2 2

ALTURA TOTAL DE ELEVAÇÃO Consiste na energia total que o rotor deve fornecer ao fluído. H e H u J bomba Onde: J bomba está associado ao equipamento (Interface entre rotor e fluido)

ALTURA MOTRIZ DE ELEVAÇÃO Consiste na energia a ser fornecida ao rotor, para que vença o trabalho resistente mecânico desenvolvido nos mancais. H m H e J mec Onde: J mec está associado ao trabalho mecânico resistente passivo.

ALTURA DISPONÍVEL DE ELEVAÇÃO Consiste na variação final de energia total entre o reservatório de entrada e de saída. H d H e ( J J J ) bomba a r

POTÊNCIAS: Como a bomba funciona como um sistema dinâmico, deve-se considerar a potência associada para realizar o trabalho de bombeamento. Como a bomba é composta de vários componentes e cada componente possui um rendimento diferente, haverá uma potência associada para cada componente e para cada altura de bombeamento. A potência que é fornecida pelo motor ao eixo da bomba é chamada de potência motriz e é determinada com um freio dinamométrico. Nem toda essa potência é aproveitada pelo rotor, parte é perdida nos mancais do eixo e gaxetas, de forma que a potência que o rotor cede ao liquido corresponde a apenas uma parcela da potência motriz.

POTÊNCIAS: A parcela cedida pelo rotor ao liquido é chamada de potência de elevação. Por sua vez, não é toda a energia cedida pelo rotor ao liquido que é aproveitada para fazer com que o fluido se desloque do reservatório de aspiração ate o saída da tubulação de recalque. Parte é perdida no interior da bomba em conseqüência de perdas hidráulicas diversas, que serão estudas posteriormente. A potência associada a parcela de energia efetivamente recebida pelo fluido para ser bombeado é a potência útil e pode ser correlacionado com a altura manométrica.

POTÊNCIAS: L m. Q. H m Potência Motriz L e. Q. H e Potência de Elevação Expresso em Kgf.m/s 1 kgf.m/s=9,81w 1 CV=735, 5W 1 HP=745,7W L u. Q. H u Potência Útil

RENDIMENTOS: Normalmente: 0,92-0,95 Normalmente: 0,50-0,90 Normalmente: 0,40-0,90

RENDIMENTOS:

SEMELHANÇAS:

CURVAS CARACTERÍSTICAS

CURVAS CARACTERÍSTICAS A função f(h,q,n), em condições reais, é uma superfície, chamada de superfície característica, que é um parabolóide hiperbólica, cuja formula geral é : H An 2 CQ BnQ para uma rotação n constante, a curva (H,Q) será uma parábola; para H constante, a curva (Q,n) será uma hipérbole na qual o eixo pelo centro do sistema de coordenadas; para Q constante a curva (H,n) também será uma parábola. 2

CURVAS CARACTERÍSTICAS De acordo com o formato da curva H = f (Q), teremos diferentes denominações. Assim pode-se ter curva inclinada, curva ascendente-descendente, curva altamente descendente e curva plana H ascendente-descendente Altamente descendente Plana Inclinada Q Bombas com curvas ascendentedescendente apresentam um comportamento instável na região ascendente, e em projetos que utilizem tais máquinas deve-se ter o cuidado de evitar o funcionamento nesta região da curva.

CURVAS CARACTERÍSTICAS Além da curva HxQ, outras duas curvas são de interesse. A primeira delas é a curva rendimento () x vazão e a outra é a curva potência (N) x vazão. O rendimento total pode ser definido como: potência útil cedida ao fluido potência absorvidapela bomba QH Pot abs

CURVAS CARACTERÍSTICAS max N Q Q

CURVAS CARACTERÍSTICAS

Considerar: Pa=101KPa Va=1m/s Ja=0,3m Pr=101KPa Vr=5m/s Jr=0,8m Dr=0,08m 5m 14m NR Selecionar o melhor equipamento em função de H e Q Considerar a carta de operação anterior (n=1750rpm)