Centro Universitário de Belo Horizonte – UNI/BH

Departamento de Engenharia Civil

Disciplina: Hidráulica

Prof.: Eros Faria

MÁQUINAS HIDRÁULICAS

Caio Castro- 11222106

Daniel Tavares- 11316947

Gisélio Cássio- 11223007

Isabelle Góes- 112110786

Jeverton Pires- 11220242

13 de novembro de 2015

Máquinas Hidráulicas – Bombas HidráulicasIntrodução

Para orientação das particularidades e detalhes de cada equipamento, foi consultado o manual

de instalação de bombas da marca Dancor. O arquivo foi importante para entender o princípio

de funcionamento, os dimensionamentos de tubulação e a escolha dos tipos de bombas. A

consulta foi importante para entendimento prático dos detalhes de instalação e constatação da

importância em conhecer previamente o projeto para dimensionamento correto.

1. Descrição e condições gerais de instalação das bombas

Bombas Hidráulicas são máquinas que transformam a energia mecânica que recebem dos

motores (força motriz) em energia hidráulica, possibilitando transportar e elevar fluidos a

grandes distâncias e elevadas alturas.

Classificação das bombas

A) Bombas centrífugas

A movimentação do fluido ocorre pela ação de forças que se desenvolvem na massa do mesmo

em conseqüência da rotação de um eixo no qual é acoplado um disco (rotor, impulsor) dotado

de pás (palhetas, hélice), o qual recebe o fluido pelo seu centro e o expulsa pela periferia, pela

ação da força centrífuga. Em função da direção do movimento do fluído dentro do rotor, estas bombas dividem-se em: A.1 Radiais: A movimentação do fluido dá-se do centro para a periferia do rotor. OBS.: Este tipo

de bomba hidráulica é o mais usado no mundo, principalmente para o transporte de água.A.2 Fluxo Misto: O movimento do fluido ocorre na direção inclinada ao eixo de rotação.

A.3 Fluxo Axial: O movimento do fluido ocorre paralelo ao eixo de rotação.

Figura 1: Bomba Centrífuga

B) Bombas volumétricas

Dá-se o nome de volumétrica porque o fluido ocupa e desocupa espaços no interior da bomba

com volumes conhecidos, sendo que o movimento geral deste fluido dá-se na mesma direção

das forças a ele transmitidas, por isso são chamadas de deslocamento positivo. As Bombas

Volumétricas dividem-se em:

B.1. Êmbolo ou Alternativas (pistão, diafragma, membrana);

B.2. Rotativas (engrenagens, lóbulos, palhetas, helicoidais, fusos, parafusos, peristálticas).

Figura 2: Bomba Volumétrica

Instalação hidráulica

Os diâmetros das tubulações deverão ser adequados à vazão desejada, sem do que deverão

ser, no mínimo, iguais aos dos bocais da bomba (Sucção/Recalque). Entretanto, recomenda-se

utilizar tubos com diâmetros maiores, o que proporciona melhor rendimento do equipamento.

Verifique se os bocais da bomba são para tubos roscáveis ou soldáveis. Use de preferência

curva em substituição aos cotovelos

Instalação elétrica

Verifique a tensão em que será feita a ligação: 110V, 220V ou 440V para motores monofásicos e

220V ou 380V para motores trifásicos conforme a tensão disponível no local.

Observe no Quadro de Seleção de Bitola de Fios para Instalação Elétrica, qual a indicada de

acordo com a distância medida entre a bomba e o quadro de Entrada de Energia (Chave Geral).

É obrigatória a instalação de uma chave de partida com contactor, relé de sobrecarga e falta de

fase para promover a proteção dos motores elétricos, tanto monofásicos, como trifásicos.

Montagem da tubulação de sucção

A tubulação deverá ter apoio próprio para não exercer peso na bomba.

A- Instale no bocal de sucção uma união;B- Determine os comprimentos dos tubos que serão utilizados na instalação da sucção;C- A válvula de pé deverá ficar 20cm acima do fundo do poço ou 10cm acima do fundo da

cisterna;D- Abra a rosca nas extremidades dos tubos e em seguida vedar com fita rosca.

Montagem da tubulação de recalque

A tubulação deverá ter apoio próprio, para não exercer peso sobre a bomba.

A- Instale no bocal de recalque uma união; B- Instale o conjunto com um “Tê”, um cotovelo e um bujão para facilitar a operação de

escorvamento; C- Instalar outra seção de tubo para adaptar o registro (vide figura anterior); D- Complete a instalação de elevação até o ponto de descarga;

E- Instale uma válvula de retenção próximo da bomba na coluna de elevação, para evitar

variação brusca da pressão, acima ou abaixo do valor nominal de funcionamento, devido à

variação brusca da velocidade da água. Esse fenômeno é chamado de golpe “aríete” a cada

12m.

Aplicação das bombas

Bombas centrífugas: irrigação, drenagem e abastecimento. Bombas rotativas: combate a incêndio e abastecimento doméstico. Bombas a injeção de gás: abastecimento a partir de poços profundos. Carneiro hidráulico e bombas a pistão: abastecimento em propriedades rurais.

2. Semelhança mecânicaTem por objetivo prever, a partir de um modelo, o comportamento hidráulico de um

protótipo. Requisitos básicos da teoria dos modelos: semelhança geométrica, cinemática e

dinâmica entre o protótipo e o modelo.

Semelhança Geométrica: proporcionalidade das dimensões lineares, igualdade de ângulos.

Semelhança Cinemática: as velocidades e acelerações em pontos correspondentes devem ser

vetores paralelos e devem ter relações constantes entre seus módulos.

Semelhança Dinâmica: igualdade do número de Reynolds, do número de Mach e de Euler.

Atendidos esses requisitos, espera-se que o modelo e o protótipo comportem-se de maneiras

idênticas.

3. Velocidade específica

Grandeza importante na escolha do tipo de turbina e da bomba. Definição baseia-se na teoria

da semelhança mecânica e definida para o ponto de rendimento máximo. Para as bombas, a

velocidade específica representa a rotação da bomba modelo, trabalhando com vazão e altura

manométricas iguais à unidade.

É importante mencionar que as bombas hidráulicas que possuem elevada velocidade específica

(bombas axiais) se adaptam melhor às pequenas alturas. Em contrapartida, as bombas

centrífugas se adaptam melhor às grandes alturas, pois têm velocidade reduzida.

Análise de Sistemas de Recalque

1. Curvas características das bombas

Ensaios demonstram que as bombas são capazes de atender valores de vazões e alturas

manométricas além dos pontos para quais elas foram projetadas. Estes pontos em que a

bomba é capaz de operar constitui a faixa de operação de bomba.

Através dos ensaios das bombas é possível obter dados além dos relacionados com a vazão e

altura manométrica. São eles:

Desenvolvimento da potência necessária ao acionamento da bomba Pb com a vazão

recalcada Q;

Variação do rendimento ϰ com a vazão recalcada Q;

Desenvolvimento do NPSH com a vazão recalcada Q;

Os dados acima nos fornecem as informações necessárias que nos permitem gerar as curvas

que descrevem as características ou performance das bombas centrífugas e axiais. As curvas

características Hm x Q (altura manométrica X vazão recalcada) geralmente podem ser expressas

por uma equação do 2º grau do tipo: Hm = aQ² + bQ + c, onde os coeficientes a, b e c podem ser

determinados após a obtenção experimental de três pares Hm e Q e resolvendo o sistema

gerado pela equação anterior.Os gráficos que representam as curvas características nos fornecem informações essenciais

para a escolha da bomba e para o modo de operação da elevatória.

Figura 3: Curva característica das bombas centrífugas Figura 4: Curva característica das bombas axiais

Podemos verificar que nos gráficos de potência, por exemplo, que a potência Pb na bombacentrífuga (Figura 3-b) cresce com o aumento da vazão Q. Já nas bombas axiais (Figura 4-b)acontece o inverso, onde recomenda-se que a partida dos motores que acionam essas bombasse faça com o registro de totalmente aberto, pois, nesta situação a potência de acionamento émínima.

Notamos que nos gráficos das bombas axiais, representados pelas Figuras 4-a e 4-b existe umainstabilidade destacada por um trecho tracejado, ou seja, para uma altura manométrica Hm oupotência Pb é possível que a bomba esteja recalcando um dos valores compreendidos na faixaestável. Esta situação de instabilidade também é encontrada em curvas de bombas centrífugasinstáveis, onde recomenda-se que a bomba trabalhe fora desta faixa duvidosa.

1.1.Influência da rotação na curva característica da bomba

As bombas são acionadas por motores cujas rotações podem variar em função do tipo de

motor acoplado. A mudança de rotação provoca então variações na performance destas

bombas. É possível prever estas variações desde que se conheça a curva característica da

bomba numa rotação n1 e a nova rotação n2. Com as equações abaixo é possível obter para

cada ponto da curva à rotação n1, outro ponto da curva característica à rotação n2.

, sendo: n a rotação, Pb a potência da bomba e Q a

vazão.

Devido à da semelhança mecânica apresentada na situação podemos eliminar os termos n1 e n2

das equações apresentadas anteriormente para obter novas equações que nos permitem

calcular a curva experimental de uma dada bomba.

ou , sendo K uma constante de proporcionalidade de uma dada

curva de isorrendimento.

Figura 5: Influência da rotação na curva característica Hm x Q (mesma eficiência entre os pontos A1-A2 e B1-B2)

Figura 6: Curvas características da bomba Hm x Q e ϰ x Q

Mesmo conhecendo-se o valor de K, não é possível determinar o valor do rendimento com este

procedimento, conforme apresentado na figura abaixo.

Figura 6: Curvas características da bomba Hm x Q e de isorrendimento Hm = KQ²

1.2.Influência do diâmetro do rotor na curva característica da bomba

Assim como a variação da rotação, a variação do diâmetro do rotor, dentro de certos limites,

tem influência nas curvas sobre as curvas de performance da bomba. Algumas vezes, a

mudança de diâmetro, viável para bombas centrífugas onde as faces do rotor são paralelas, é

realizada através de raspagem do rotor. Este procedimento pode acarretar redução no

rendimento, sendo as raspagens limitadas à 20%.

Figura 7: Curvas características da bomba Hm x Q, NPSH x Q e Pb x Q a uma dada rotação.

As equações abaixo são aplicadas quando há uma mudança no diâmetro do rotor e das demais

dimensões da bomba, na mesma razão de semelhança geométrica, para casos das rotações do

modelo e protótipo serem iguais:

Para casos onde há mudança apenas do diâmetro do motor, deformando a relação de

semelhança geométrica “k”, temos as seguintes equações que não apresentam muita precisão:

, onde é o diâmetro do rotor após a raspagem, é o diâmetro do rotor

original, Q2 é a vazão através do rotor modificado e Q1 é a vazão do rotor original. Entretanto, J.

Karassik recomenda a utilização da equação:

para

2. Curva da bomba versus curva do sistema de tubulação

A bomba tem sua operação definida, em dado sistema, em função das condições deste em

termos de altura geométrica e perda de carga toral. Assim, a interseção das curvas

característica da bomba com a curva carcaterística do sistema de tubulação define o ponto de

operação da bomba.

Figura 8: Interseção da curva característica da bomba CB e curva do sistema de tubulação CS

A equação do sistema de tubulação é obtida pela equação: Hm = Hg + Δh1-2 sendo Hm a altura

manométrica, Hg a altura geométrica e Δh1-2 a perda de carga total na tubulação ( h1-2 = h'1-2 +

h”1-2). A perda de carga total pode ser representada por:

A equação característica do sistema é dependente somente da vazão e pode ser representanda

por (para instalação cuja a altura geométrica, diâmetro e comportamento virtual sejam

conhecidos):

sendo . Dependenndo da equação de perda de carga utilizada os

valores de r e n correspondem a:

n = 1,85 e para a equação de Hazen-Williams

n = 2 e para a equação Universal

A equação da curva do sistema é a seguinte quando for utilizada a expressão geral para perda

de carga localizada (Δh”=KU²/2g):

sendo e

Para determinar a curva característica do sitema de tubulação e traçar a curva correspondente,

atribuindo valores a Q é necessário conhecer as equações acima, assim como as características

fisicas do sitema (altura geometríca, coeficiente de perda de carga, diâmetro e comprimento da

tubulação).

Portanto, o ponto de operação da bomba pode ser determinado pela leitura gráfica das

coordenadas do ponto de interseção da curva da bomba com a curva do sistema.

3. Operação de múltiplas bombas centrífugas

As exigências das instalações são muito variadas em termos de vazão e altura manométrica e

nem sempre é possível encontrar essas características em uma bomba somente. A associação

das bombas em paralelo e em série pode resolver este problema. O ponto de operação do

sistema é obtido pela interseção da curva característica do sistema de tubulação com a curva

resultante da associação das bombas.

A) Bombas em paralelo

A associação em paralelo é muito utilizada nos casos em que uma bomba somente não

atende à elevatória em termos de vazão ou quando se deseja aumentar a capacidade do

sistema por partes. A curva caraterística do sistema resultante da associação em paralelo é

obtida adicionando as abcissas (Q) das curvas características de cada bomba, para uma mesma

altura manométrica (AD = AB + AC).

Figura 9

B) Bombas em série

A associação de bombas em série é mais interessante para vencer uma altura manométrica

muito elevada. A curva resultante deste tipo de associação é obtida somando as ordenadas

(Hm) das curvas características de cada bomba, para uma mesma vazão (AD = AB + AC).

Figura 10

Associação das bombas em paralelo e em série

Figura 11: Exemplo de bombas em paralelo e em série

4. Cavitação

Chama-se de cavitação o fenômeno que decorre, nos casos em estudo, da ebulição da água no

interior dos condutos, quando as condições de pressão caem a valores inferiores a pressão de

vaporização. No interior das bombas, no deslocamento das pás, ocorrem inevitavelmente

rarefações no líquido, isto é, pressões reduzidas devidas à própria natureza do escoamento ou

ao movimento de impulsão recebido pelo líquido, tornando possível a ocorrência do fenômeno

e, isto acontecendo, formar-se-ão bolhas de vapor prejudiciais ao seu funcionamento, caso a

pressão do líquido na linha de sucção caia abaixo da pressão de vapor (ou tensão de vapor)

originando bolsas de ar que são arrastadas pelo fluxo. Estas bolhas de ar desaparecem

bruscamente condensando-se, quando alcançam zonas de altas pressões em seu caminho

através da bomba. Como esta passagem gasoso-líquido é brusca, o líquido alcança a superfície

do rotor em alta velocidade, produzindo ondas de alta pressão em áreas reduzidas. Estas

pressões podem ultrapassar a resistência à tração do metal e arrancar progressivamente

partículas superficiais do rotor, inutilizando-o com o tempo.

Figura 12: Efeitos da cavitação

Conclusão

As bombas hidráulicas são consideradas uma das Maravilhas Modernas como abordado até em

um documentário exibido pelo renomado canal de TV americano, o History. Conforme

estudado nos tópicos do trabalho, cada tipo de bomba tem sua particularidade, seu princípio

de funcionamento. No entanto a função básica das bombas hidráulicas é de transportar

líquidos de um ponto a outro. E para que haja água potável em nossas casas é imprescindível a

utilização de bombas na captação e na distribuição.