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Um estudo sobre bombas centrífugas, incluindo objetivos, funcionamento, curvas características e manometria. As curvas são classificadas como estáveis e instáveis, e a importância do npsh é discutida. O texto também aborda a verificação da compatibilidade da vazão com o serviço da bomba.
Tipologia: Exercícios
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Curso de Engenharia Mecânica (Ênfase Mecatrônica) Instituto Politécnico – IPUC MG Rômulo Castro Silva PRÁTICA 0 7 : CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA (Leandro Pires Gonçalves) Belo Horizonte 2022
Rômulo Castro Silva PRÁTICA 07 : CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA Relatório acadêmico apresentado à disciplina de Laboratório de Fluidomecânicos referente ao curso de Engenharia Mecânica da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, como ativididade de avaliação. Orientador: Leandro Pires Gonçalves Belo Horizonte 2022
Levantar a curva característica de uma bomba centrifuga e analisar as curvas de desempenho obtidas. 3 CONCEITUAÇÃO TEÓRICA Amplamente utilizadas para os trabalhos de engenharia, as bombas centrifugas são capazes de trabalhar com sensível variação de vazão, de pressão e de rotação. As curvas características das bombas centrífugas relacionam a vazão recalcada com a altura manométrica alcançada (H), com a potência absorvida (P) e com o rendimento (ɳ). Muitas vezes também apresentam a altura máxima de sucção (Hs,máx) ou a energia específica positiva líquida de sucção requerida pela bomba (NPSH ou net positive suction head). De modo geral, as curvas características apresentam o aspecto da figura abaixo: Curva característica de uma bomba centrífuga Onde: H = altura de elevação manométrica ou carga total Q = vazão ou capacidade da bomba P = potência absorvida ou potência no eixo ɳ = rendimento
Nesse tipo de bomba, a energia mecânica é transferida ao líquido pelas forças centrífugas geradas no rotor. Considerando a mesma carcaça, a intensidade dessas forças variam com as dimensões, forma e número de giros do rotor. Assim, ao modificarmos qualquer destes três parâmetros, alteramos, de modo correspondente, a curva característica da máquina. As curvas de H x Q e de ɳ x Q não sofrem alteração significativa para um rotor que tenha forma, diâmetro e rotação definidos, independente do líquido bombeado, desde que não possua viscosidade elevada. Portanto, a curva característica da bomba representa as condições hidráulicas operacionais da máquina trabalhando a determinada rotação (giros na unidade de tempo). Altura Manométrica Define-se a altura manométrica de um sistema elevatório como sendo a quantidade de energia que deve ser absorvida por 1 (um) quilograma de fluido que atravessa a bomba, energia esta necessária para que o mesmo vença o desnível da instalação, a diferença de pressão entre os 2 (dois) reservatórios (caso exista) e a resistência natural que as tubulações e acessórios oferecem ao escoamento dos fluidos (perda de carga). Altura manométrica de uma instalação com reservatórios abertos
Variação das curvas características As curvas características das bombas centrífugas são sensíveis às variações do diâmetro, da rotação e da forma do rotor. Assim, alterada uma dessas grandezas, a curva característica da bomba se modificará.
Ponto de trabalho (ou Ponto de operação) As curvas estáveis, principalmente o tipo rising, apresentam as maiores alturas manométricas quando a vazão é nula. Este ponto onde a curva cortam o eixo das ordenadas, é chamado de shut off. Nesta situação as bombas trabalham com suas rotações normais, mas com os registros das tubulações fechados. O ponto de trabalho é o ponto de equilíbrio de funcionamento do sistema de recalque. Abrindo gradualmente o registro, começa o escoamento do fluido e as correspondentes perdas de carga, diminuindo o valor da altura manométrica. Com o aumento da vazão de escoamento, progressivamente a energia cinética vai aumentando e, consequentemente a pressão vai diminuindo até atingir o equilíbrio, no ponto em que as curvas características da bomba e do sistema se cruzam. Este ponto é o ponto de trabalho PT, conforme mostra a figura abaixo: Ponto de trabalho
Em seguida, traçamos as parábolas de isoeficiência, por meio das quais podemos escolher a rotação e a vazão desejadas, dentro do campo de operação da máquina. Como os pontos das curvas de isoeficiência obedecem às equações abaixo, podemos escrever: 𝐻 1 𝐻 2
2 𝑜𝑢
Parábolas de isoeficiência Portanto, a equação das parábolas de isoeficiência será: 𝑄 22 𝐻 2
Assim o valor da força aplicada ao freio é transmiti da ao painel digital. Para o cálculo da potência efetiva transmitida pelo eixo da turbina pode-se considerar: 𝑁𝑒𝑓 = 𝑀. 𝜔 𝑀 =
Onde: F: força exercida pelo braço em N; R: comprimento do braço em m. (na instalação R = 0,16 m; M: torque em kgfm; Nef: potência efetiva em kgfm/s; n: rotação em rpm; w : velocidade angular em radianos / segundo. Na bancada do laboratório, a queda líquida da turbina (H) corresponde à altura manométrica da bomba (Hman pode ser feito através da fórmula: 𝐻𝑚𝑎𝑛 = 𝑀 + 𝑉 + 𝑦 Onde: M: leitura do manômetro; V: leitura do vacuômetro; Y: cota entre os mostradores do manômetro e vacuômetro. A bomba instalada está afogada, então a leitura do vacuômetro seria nula e na bancada o valor do y pode ser desconsiderado, portanto temos: 𝐻𝑚𝑎𝑛 = 𝑀𝑥 10 , 2 A medição da vazão é feita por meio de um vertedor triangular, assim a vazão para esse tipo de vertedor é dada por: 𝑄 = 1 , 4. 𝐻 5 (^2). 𝑡𝑎𝑛
Sendo: Q = vazão; H = altura da lâmina d’água sobre o vertedor, medida a uma distância (L) do vertedor, pelo menos igual a 4 x H; α = ângulo do vértice do triângulo.
A figura abaixo apresenta uma vista de frente da instalação do laboratório constituída essencialmente das seguintes partes: Vista de frente da bancada de teste da bomba 1 - Bomba centrífuga a ser ensaiada. 2 - Motor de acionamento. 3 - Medidor de força. 4 - Medidor de pressão. 5 - Medidor de rotação. 6 - Painel digital. 7 - Registro para controle de vazão. 8 - Medidor de vazão. 9 - Reservatório inferior. 10 - Reservatório superior
Após realizar o experimento para as três rotações, obtemos os seguintes dados listados na tabela abaixo. Curvas carcterísticas de uma bomba centrífuga Rotação Medida Força no eixo Manômetro Vazão recalcada Altura Manométrica Potência no eixo Vazão recalcada Potência útil Rendimento total n
F M Q' Hman Nef Q Nabsor η rpm (N)^ Bar m³/min m kgf x m/s m³/s kgf x m/s % 1400 (^1) 1,56 0,5 42 0 5,5284 3,730272 0,00000 0,000 0, (^2) 1,87 0,5 46 0,002 5,5692 4,471544 0,00003 0,186 4, (^3) 2,19 0,5 49 0,012 5,5998 5,236728 0,00020 1,120 21, (^4) 2,52 0,5 49 0,022 5,5998 6,025824 0,00037 2,053 34, (^5) 2,76 0, 546 0,031 5,5692 6,599712 0,00052 2,877 43, (^6) 3,91 0, 477 0,069 4,8654 9,349592 0,00115 5,595 59, (^7) 4,76 0,3 83 0,086 3,9066 11,38211 0,00143 5,599 49, (^8) 5,21 0, 305 0,115 3,111 12,45815 0,00192 5,963 47, (^9) 5,67 0,1 77 0,137 1,8054 13,5581 0,00228 4,122 30, (^10) 6,05 0,1 45 0,145 1,479 14,46676 0,00242 3,574 24, 1600 (^1) 7,82 0,178 0,170 1,8156 21,3705 0,00283 5,144 24, (^2) 7,61 0, 230 0,150 2,346 20,79661 0,00250 5,865 28, (^3) 7,2 0,300 0,130 3,06 19,67616 0,00217 6,630 33, (^4) 6,98 0,360 0,120 3,672 19,07494 0,00200 7,344 38, 5 6,71 0,413 0,110 4,2126 18,33709 0,00183 7,723 42, (^6) 5,99 0,501 0,100 5,1102 16,36947 0,00167 8,517 52, (^7) 5,39 0,589 0,080 6,0078 14,72979 0,00133 8,010 54, (^8) 4,64 0,647 0,060 6,5994 12,68019 0,00100 6,599 52, (^9) 3,55 0,714 0,035 7,2828 9,70144 0,00058 4,248 43, (^10) 2,03 0,704 0 7,1808 5,547584 0,00000 0,000 0, 1800 (^1) 2,5 0,8 90 0 9,078 7,686 0,00000 0,000 0, (^2) 3,6 0, 90 0,019 9,18 11,06784 0,00032 2,907 26, (^3) 4,6 0, 90 0,043 9,18 14,14224 0,00072 6,579 46, (^4) 5,95 0, 809 0,07 8,2518 18,29268 0,00117 9,627 52, (^5) 6,92 0, 728 0,099 7,4256 21,27485 0,00165 12,252 57, (^6) 7,81 0, 615 0,122 6,273 24,01106 0,00203 12,755 53, (^7) 8,69 0, 506 0,150 5,1612 26,71654 0,00250 12,903 48, (^8) 9,25 0, 375 0,170 3,825 28,4382 0,00283 10,838 38, (^9) 9,72 0, 272 0,190 2,7744 29,88317 0,00317 8,786 29, (^10) 9,83 0, 223 0,200 2,2746 30,22135 0,00333 7,582 25,
Analisando os gráficos gerados junto aos valores obtidos na prática, para o primeiro gráfico referente a Hman em função de Q, de cara notamos que o comportamento das curvas surgiu como o esperado, e é notavel a influência da variação da rotação do eixo da bomba. Podemos concluir então que, para um aumento na rotação do eixo da bomba, aumenta-se assim a altura manométrica, de forma diretamente proporcional, sem notáveis variações na vazão. Para o segundo gráfico gerado referente a ɳt em função de Q, neste caso notou- se uma pequena discrepância nos valores obtidos para a curva referente à rotação de 14 00rpm, que pode ser justificada por diversos fatores, tal como erros na medição, ou deslizamento do eixo devido à alta rotação, dificultando assim a mensuração dos dados. Porem, pelas quatro primeiras medidas e dotando do conhecimento teórico, sabemos que estimando o comportamento dessa curva, ela se localizaria abaixo das demais curvas referentes às rotações seguintes. Permitindo assim dizer que a potência efetiva no eixo aumenta de forma diretamente proporcional com o aumento da rotação do eixo, o que é plausível de se perceber já que a força no eixo deveria aumentar com o aumento da rotação. Para o terceiro gráfico referente a Nef em função de de Q , notamos também uma simetria nas curvas, mostrando novamente um comportamento esperado do sistema, sendo possível perceber de forma clara a influência do rendimento diante da rotação imposta. Assim, nota-se que quanto maior a rotação imposta, maior a potência do conjunto.
A prática efetuada nos permitiu observar como é feito uma construção da curva característica de uma bomba centrífuga através dos processos práticos utilizados. Os gráficos encontrados foram fiéis aos esperados, tirando apenas o fato da primeira curva de rotação para o grafico do rendimento total. Onde encontramos um pequeno erro associado ao experimento que acasionou numa distorção da curva caractéristicas, porem detendo dos conhecimentos e dos primeiros valores obtidas para a mesma, podemos supor o seu comportamento. Assim a prática nos permitiu observar como os fatores variam de acordo com a rotação imposta no eixo. Assim com valores consistentes e curvas semelhantes de comparação podemos confirmar o sucesso da prática apesar de um possivel erro de medição presente, onde mesmo assim, não influênciou na metodologia do estudo. Podemos dizer que as curvas topográficas podem ser construidas em função da Vazão, da altura manométrica e da rotação ou diâmetro do rotor, assim utilizando o diametro ou a rotação obtemos o mesmo diagrama.
