Máquinas de FluxoProf. Eduardo Siqueira Engenheiro Mecânico – UFSC 2003 MBA Gestão Empresarial – FGV 2012 Programa Bombas : Classificação, tipos, aplicações: • Bomba de pistão, Bomba de engrenagem, Bomba centrífuga • Instalações de recalque: altura geométricas e manométricas; • Cálculo das perdas de carga e da potência desenvolvida; • Equação fundamental das bombas centrífugas. Teoria de Euler; • Rotação específica. Seleção do tipo do rotor da bomba e principais dimensões. • Principais componentes da bomba centrífuga. Caixa espiral, eixo, selo mecânico; Programa • Verificação quanto à cavitação. NPSH disponível e requerido. Coeficiente de Thoma, altura de sucção para evitar cavitação. • Dimensionamento da tubulaçãó; • Seleção de bombas, curvas e associações em série e paralelo; • Curva da Tubulação. Rendimento total do sistema. Análise da variação das diversas curvas características de uma bomba centrífuga. Programa Turbinas: Tipos e classificações das turbinas hidráulicas. • Potência hidráulica energia e potência de um fluido; • Condutos forçados – sobre pressão e golpe de ariete; • Principais tipos e utilização de turbinas: Francis, Kaplan e Pelton; • Principais componentes embutidos no concreto para as turbinas hidráulicas; • Seleção da turbina a ser instalada pelos critérios da rotação especifíca. Programa Laboratório • Ensaios de cavitação; • Projeto mecânico de uma máquina de fluxo: bomba ou turbina. Fluxograma Definição Máquina Hidráulica: é aquela em que o fluido que intercambia (troca) sua energia não varia sensivelmente de densidade em seu percurso através da máquina. Considera-se a hipótese de ρ = cte . Máquina Térmica: é aquela em que o fluido em seu percurso através da máquina varia sensivelmente de densidade e volume específico. Não se pode considerar ρ ≠ cte . Tipos Máquinas de Fluxo (Turbomáquinas): dispositivos fluido mecânicos que direcionam o fluxo com lâminas ou pás fixadas num elemento rotativo. Em contraste com as máquinas de deslocamento positivo não há volume confinado numa turbomáquina. Funcionam cedendo ou recebendo energia de um fluido em constante movimento. Tipos Máquinas de deslocamento positivo: a transferência de energia é feita por variações de volume que ocorrem devido ao movimento da fronteira na qual o fluido está confinado. Estas podem ser rotativas como a bomba de engrenagens ou alternativas como o compressor de pistão. Características principais das máquinas de fluxo e de deslocamento Campo de Aplicação Campo de Aplicação Campo de Aplicação Finalidade Máquina motriz, transformar um tipo de energia que a natureza nos oferece em trabalho mecânico. Máquina operadora, fornecer energia a um fluido para, por exemplo, transportá-lo de um local de baixa pressão para outro de alta pressão. Quando uma máquina de fluxo trabalha como motriz, é chamada de turbina e, quando trabalha como operadora, de bomba. Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas • Tipo de rotor: Aberto Fechado Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas • Trajetória do fluido no rotor: Radial Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas • Trajetória do fluido no rotor: Diagonal: Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas • Curva Característica Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas • Curva Característica Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas Curvas características – Bomba KSB Meganorm Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas Curvas características – Bomba KSB Meganorm Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas • Rendimento Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas • Rendimentos da bomba – ηB Rendimento de uma bomba é a relação entre a potência fornecida pela bomba ao líquido (potência útil) e a cedida à bomba pelo eixo girante do motor (potência motriz). Uma bomba recebe energia mecânica através de um eixo e consume parcela desta energia no funcionamento de suas engrenagens, além do que parte da energia cedida pelo rotor ao líquido perde-se no interior da própria bomba em consequência das perdas hidráulicas diversas, da recirculação e dos vazamentos, de modo que só parte da energia recebida do motor é convertida em energia hidráulica útil Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas • Rendimentos da bomba – ηB Rendimento de uma bomba é a relação entre a potência fornecida pela bomba ao líquido (potência útil) e a cedida à bomba pelo eixo girante do motor (potência motriz). Uma bomba recebe energia mecânica através de um eixo e consume parcela desta energia no funcionamento de suas engrenagens, além do que parte da energia cedida pelo rotor ao líquido perde-se no interior da própria bomba em consequência das perdas hidráulicas diversas, da recirculação e dos vazamentos, de modo que só parte da energia recebida do motor é convertida em energia hidráulica útil Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas • Rendimentos da bomba – ηB A relação entre a energia útil, ou seja, aproveitada pelo fluido para seu escoamento fora da bomba (que resulta na potência útil) e a energia cedida pelo rotor é denominada de rendimento hidráulico interno da bomba. A relação entre a energia cedida ao rotor e a recebida pelo eixo da bomba é denominada de rendimento mecânico da bomba. Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas • Rendimentos da bomba – ηB A relação entre a energia útil, ou seja, aproveitada pelo fluido para seu escoamento fora da bomba (potência útil) e a energia inicialmente cedida ao eixo da bomba é denominada rendimento hidráulico total da bomba e é simbolizada por ηb. Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas • Rendimentos da bomba – ηB A relação entre a energia cedida pelo eixo do motor ao da bomba (que resulta na potência motriz) e a fornecida inicialmente ao motor é denominada de rendimento mecânico do motor, ηm Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas • Potência solicitada pela bomba - Pb Denomina-se de potência motriz (também chamada de potência do conjunto motor-bomba) a potência fornecida pelo motor para que a bomba eleve uma vazão Q a uma altura H. Nestes termos temos: Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas • Potência solicitada pela bomba - Pb Onde: Pb = potência em Kgm/s; γ = peso específico do líquido; Q = vazão em m3/s; H = altura manométrica em m; η = rendimento total ( = ηb.ηm ). Dividi-se por 0,75 para HP Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas • Associação de Bombas em Série · São utilizadas em instalações que requerem resolver problemas de alturas elevadas. · Empregadas em condições de alta pressão ou quando se requer grandes mudanças de altura manométrica. · As bombas utilizadas podem ser iguais ou diferentes · Neste tipo de conexão as bombas trabalham com a mesma vazão, sendo que a altura manométrica é determinada pela contribuição das altura manométricas de cada uma das bombas. · Bombas em estágio são consideradas bombas em série e utilizadas quando Hman é maior que 50m. Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas • Associação de Bombas em Série • Rendimento de duas bombas em série Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas • Associação de Bombas em Série Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas • Associação de Bombas em Série Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas • Associação de Bombas em Paralelo Utilizada em sistemas onde se requer aumentar a vazão e tendo flexibilidade em relação à demanda podendo conectar ou desligar unidades em funcionamento. · Devido à existência de perdas de carga, a vazão resultante da associação de bombas em paralelo é sempre menor que a soma algébrica da vazão de cada uma das bombas funcionando isoladamente. · Recomenda-se utilizar bombas iguais para evitar recirculação de correntes desde a bomba de maior potência para a de menor potência. · Bombas de aspiração dupla ou de entrada bilateral (rotor germinado) trabalham como bombas em paralelo. Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas • Associação de Bombas em Paralelo Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas • Associação de Bombas em Paralelo Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas A tabela abaixo fornece os dados de altura manométrica e vazão da curva característica de uma bomba centrifuga. A partir destes dados tabele e grafique o resultado de 02 bombas iguais conectadas em serie e de 02 bombas iguais conectadas em paralelo. Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas serie Paralelo Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas XS = altura geométrica de sucção (mCL) XR = altura geométrica de recalque (mCL) Ps = pressão manométrica no tanque de sucção (Pa) PR= pressão manométrica no tanque de recalque (Pa) Pa = pressão atmosférica local (Pa) hRS = perda de carga total na sucção (mCL) hRR = perda de carga total no recalque (mCL) hR = perda de carga total na linha = hRS + hRR VS = velocidade no tanque de sucção (m/s) VR = velocidade no tanque de recalque (m/s) Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas • Cálculo da perda de carga. A perda de carga, ou energia, resulta do atrito interno do líquido, isto é, da sua viscosidade, da resistência oferecida pelas paredes em virtude da rugosidade e das alterações nas trajetórias das partículas líquidas impostas pelas peças intercaladas nos encanamentos. As fórmulas para o calculo da perda de carga são do tipo em que o expoente da velocidade é 2 e o do diâmetro é 1. A expressão conhecida como fórmula de Darcy é valida para qualquer líquido e denominada de formula universal ou racional. Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas • Cálculo da perda de carga. Para estimar o fator de atrito (f) existem inúmeras correlações propostas. Uma solução rápida e com relativa precisão para o calculo do coeficiente de atrito é o uso de diagramas. Os mais difundidos são o diagrama de Moody e o diagrama de Hunter Rouse. Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas Comprimentos equivalentes: O método dos comprimentos equivalentes consiste em adicionar um comprimento real (L) que pode ser obtido a partir de tabelas de comprimento equivalente fornecidas pelo fabricante ou tabelas de L/D. O uso de Tabelas L/D é bastante prático, uma vez que para obter o comprimento equivalente por este método basta multiplicar o valor do diâmetro pelo valor fornecido pela tabela L/D. Máquinas Hidráulicas Turbomáquinas Operatrizes 1. Bombas Exercício: Uma bomba deve alimentar 30 m3/h de água a 22oC um tanque aberto para a atmosfera, situado 9,5 m acima do eixo da bomba a partir de um tanque de sucção, também aberto para a atmosfera e situado a 2m acima do eixo da bomba. O tubo de sucção é de aço carbono com costura, diâmetro nominal de 65 série 40 e tem 10 m de comprimento geométrico. O recalque também de aço carbono, diâmetro nominal 50, série 40, tem 16m de comprimento. Há um cotovelo na secção de sucção e dois na secção de recalque, havendo ainda, nesta tubulação, uma válvula de retenção e uma válvula gaveta de 50mm. Pedem-se as alturas de sucção, de recalque e total e a potência útil necessária. Rugosidade ε = 0,05mm. Densidade da água = 1000 kg/ m3; viscosidade 10-3 Pa.s Pressão atm = 10,333 mCA;