Máquinas Hidráulicas  - Apostilas - Meteorologia, Notas de estudo de Meteorologia. Universidade de São Paulo (USP)
Raimundo
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Máquinas Hidráulicas - Apostilas - Meteorologia, Notas de estudo de Meteorologia. Universidade de São Paulo (USP)

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Apostilas de Meteorologia sobre o estudo das Máquinas Hidráulicas, Definição, Classificação, Bombas, Tipos de curvas características.
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Máquinas HidráulicasVI. 1.1. Definição Máquinas Hidráulicas são máquinas que trabalham fornecendo, retirando ou modificando a energia do líquido em escoamento. VI.1.2. Classificação As máquinas hidráulicas podem ser classificadas em:

Máquinas operatrizes - introduzem no líquido em escoamento a energia externa, ou seja, transformam energia mecânica fornecida por uma fonte (um motor elétrico, por exemplo) em energia hidráulica sob a forma de pressão e velocidade (exemplo: bombas hidráulicas);

Máquinas motrizes - transformam energia do líquido e a transferem para o exterior, isto é, transformam energia hidráulica em outra forma de energia (exemplos: turbinas, motores hidráulicos, rodas d’água);

Mistas - máquinas que modificam o estado da energia que o líquido possui (exemplos: os ejetores e carneiros hidráulicos).

VI.2. BombasVI.2.1. Definição Bombas são máquinas operatrizes hidráulicas que fornecem energia ao líquido com a finalidade de transportá-lo de um ponto a outro. Normalmente recebem energia mecânica e a transformam em energia de pressão e cinética ou em ambas. VI.2.2. Classificação As bombas podem ser classificadas em duas categorias, a saber:

Turbo-Bombas, Hidrodinâmicas ou Rotodinâmicas - são máquinas nas quais a movimentação do líquido é desenvolvida por forças que se desenvolvem na massa líquida em conseqüência da rotação de uma peça interna (ou conjunto dessas peças) dotada de pás ou aletas chamada de roto;

Volumétricas ou de Deslocamento Positivo - são aquelas em que a movimentação do líquido é causada diretamente pela movimentação de um dispositivo mecânico da bomba, que induz ao líquido um movimento na direção do deslocamento do citado dispositivo, em quantidades intermitentes, de acordo com a capacidade de armazenamento da bomba, promovendo enchimentos e esvaziamentos sucessivos, provocando, assim, o deslocamento do líquido no sentido previsto.

São exemplos de bombas rotodinâmicas as conhecidíssimas bombas centrífugas e de bombas volumétricas as de êmbolo ou alternativas e as rotativas (Figura VI.1).

Figura VI.1 - Esquemas de bombas volumétricas VI.2.3. Bombas Centrífugas VI.2.3.1. Definição Bombas Centrífugas são bombas hidráulicas que têm como princípio de funcionamento a força centrífuga através de palhetas e impulsores que giram no interior de uma carcaça estanque, jogando líquido do centro para a periferia do conjunto girante. VI.2.3.2. Descrição Constam de uma câmara fechada, carcaça, dentro da qual gira uma peça, o rotor, que é um conjunto de palhetas que impulsionam o líquido através da voluta (Figura VI.2). O rotor é fixado no eixo da bomba, este contínuo ao transmissor de energia mecânica do motor. A carcaça é a parte da bomba onde, no seu interior, a energia de velocidade é transformada em energia de pressão, o que possibilita o líquido alcançar o ponto final do recalque. É no seu interior que está instalado o conjunto girante (eixo-rotor) que torna possível o impulsionamento do líquido.

Figura VI.2 - Voluta em caracol A carcaça pode ser do tipo voluta ou do tipo difusor. A de voluta é a mais comum podendo ser simples ou dupla (Figura VI.3). Como as áreas na voluta não são simetricamente distribuídas em torno do rotor, ocorre uma distribuição desigual de pressões ao longo da mesma. Isto dá origem a uma reação perpendicular ao eixo que pode ser insignificante quando a bomba trabalhar no ponto de melhor rendimento, mas que se acentua a medida que a máquina sofra redução de vazões, baixando seu rendimento. Como conseqüência deste fenômeno temos para pequenas vazões, eixos de maior diâmetro no rotor. Outra providência para minimizar este empuxo radial é a construção de bombas com voluta dupla, que consiste em se colocar uma divisória dentro da própria voluta, dividindo-a em dois condutos a partir do início da segunda metade desta, ou seja, a 180o do início da "voluta externa", de modo a tentar equilibrar estas reações duas a duas, ou minimizar seus efeitos.

Figura VI.3 - Voluta dupla Para vazões médias e grandes alguns fabricantes optam por bombas de entrada bilateral para equilíbrio do empuxo axial e dupla voluta para minimizar o desequilíbrio do empuxo radial. A carcaça tipo difusor não apresenta força radial, mas seu emprego

é limitado a bombas verticais tipo turbina, bombas submersas ou horizontais de múltiplos estágios e axiais de grandes vazões. A carcaça tipo difusor limita o corte do rotor de modo que sua faixa operacional com bom rendimento, torna-se reduzida.

VI.2.3.3. Classificação A literatura técnica sobre classificação de bombas é muito variada, havendo diferentes interpretações conceituais. Aqui apresentamos uma classificação geral que traduz, a partir de pesquisas bibliográficas e textos comerciais, nossa visão sobre o assunto.

Quanto a altura manométrica (para recalque de água limpa): baixa pressão (H £ 15 mca); média pressão (15 < H < 50 mca); alta pressão (H ³ 50 mca).

(OBS: Para recalques de esgotos sanitários, por exemplo, os limites superiores podem ser significativamente menores.

Quanto a vazão de recalque: pequena (Q £ 50 m3/hora); média ( 50 < Q < 500 m3/hora); grande (Q ³ 500 m3/hora). Quanto à direção do escoamento do líquido no interior da bomba:

radial ou centrífuga pura, quando o movimento do líquido é na direção normal ao eixo da bomba (empregadas para pequenas e médias descargas e para qualquer altura manométrica, porém caem de rendimento para grandes vazões e pequenas alturas além de serem de grandes dimensões nestas condições);

diagonal ou de fluxo misto, quando o movimento do líquido é na direção inclinada em relação ao eixo da bomba (empregadas em grandes vazões e pequenas e médias alturas, estruturalmente caracterizam-se por serem bombas de fabricação muito complexa);

axial ou helicoidais, quando o escoamento desenvolve-se de forma paralela ao eixo e são especificadas para grandes vazões - dezenas de m3/s - e médias alturas - até 40 m (Figura VI.4);

Figura VI.4 - Bomba axial: cortes

Quanto à estrutura do rotor (Figura VI.5): aberto (para bombeamentos de águas residuárias ou bruta de má

qualidade); semi-aberto ou semi-fechado (para recalques de água bruta

sedimentada); fechado (para água tratada ou potável) .

Figura VI.5 - Tipos de rotores Quanto ao número de rotores:

estágio único; múltiplos estágios (este recurso reduz as dimensões e melhora o

rendimento, sendo empregadas para médias e grandes alturas manométricas como, por exemplo, na alimentação de caldeiras e na captação em poços profundos de águas e de petróleo, podendo trabalhar até com pressões superiores a 200 kg/cm2, de acordo com a quantidade de estágios da bomba.

Quanto ao número de entradas: sucção única, aspiração simples ou unilateral (mais comuns); sucção dupla, aspiração dupla ou bilateral (para médias e grandes

vazões). Quanto a admissão do líquido:

sucção axial (maioria das bombas de baixa e média capacidades); sucção lateral (bombas de média e alta capacidades); sucção de topo (situações especiais); sucção inferior (bombas especiais).

Quanto a posição de saída: de topo (pequenas e médias); lateral (grandes vazões) inclinada (situações especiais). vertical (situações especiais).

Quanto a velocidade de rotação:

baixa rotação ( N < 500rpm); média ( 500 £ N £ 1800rpm); alta ( N > 1800rpm).

OBS: As velocidades de rotação tendem a serem menores com o crescimento das vazões de projeto, em função do peso do líquido a ser deslocado na unidade de tempo. Pequenos equipamentos, trabalhando com água limpa, têm velocidades da ordem de 3200rpm. Para recalques de esgotos sanitários, por exemplo, em virtude da sujeira abrasiva na massa líquida, os limites superiores podem ser significativamente menores: N < 1200rpm.

Quanto à posição na captação (Figura VI.6): submersas (em geral empregadas onde há limitações no espaço físico -

em poços profundos por exemplo); afogadas (mais frequentes para recalques superiores a 100 l/s); altura positiva (pequenas vazões de recalque).

Quanto à posição do eixo (Figura VI.6) :eixo horizontal (mais comuns em captações superficiais); eixo vertical (para espaços horizontais restritos e/ou sujeitos a

inundações e bombas submersas em geral).

Figura VI.6 - Bomba de eixo vertical submersa Quanto ao tipo de carcaça:

compacta; bipartida (composta de duas seções separadas, na maioria das

situações, horizontalmente a meia altura e aparafusadas entre si); A Figura VI.7 mostra um corte esquemático de uma bomba centrífuga típica de média pressão para pequenas vazões e para funcionamento afogado ou com altura positiva, eixo horizontal e carcaça compacta, fluxo radial com rotor fechado em monoestágio de alta rotação, sucção única, entrada axial e saída de topo.

Figura VI.7 - Corte esquemático de uma bomba centrífuga típica VI.2.3.4. Grandezas características Uma bomba destina-se a elevar um volume de fluido a uma determinada altura, em um certo intervalo de tempo, consumindo energia para desenvolver este trabalho e para seu próprio movimento, implicando, pois, em um rendimento característico. Estas, então, são as chamadas grandezas características das bombas, isto é, Vazão Q, Altura manométrica H, Rendimento h e Potência P. VI.2.3.5. Altura manométrica ou Carga - H Altura manométrica de uma bomba é a carga total de elevação que a bomba trabalha. É dada pela expressão H = hs + hfs + hr + hfr + (vr2/2g) Eq. 1 onde: H = altura manométrica total; hs= altura estática de sucção; hfs= perda de carga na sucção (inclusive NPSHr); hr = altura estática de recalque; hfr = perda de carga na linha do recalque; vr2/2g = parcela de energia cinética no recalque (normalmente desprezível em virtude das aproximações feitas no cálculo da potência dos conjuntos elevatórios (Figura VI.8).

Figura VI.8 - Elementos da altura manométrica VI. 2.3.6. Rendimentos VI. 2.3.6.1. Perdas de Energia A quantidade de energia elétrica a ser fornecida para que o conjunto motor-bomba execute o recalque, não é totalmente aproveitada para elevação do líquido, tendo em vista que não é possível a existência de máquinas que transformem energia sem consumo nesta transformação. Como toda máquina consume energia para seu funcionamento, então, haverá consumo no motor, na transformação da energia elétrica em mecânica e na bomba na transformação desta energia mecânica em hidráulica (Figura VI.9) VI.2.3.6.2. Rendimentos da bomba - hb Rendimento de uma bomba é a relação entre a potência fornecida pela bomba ao líquido (potência útil) e a cedida a 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 conseqüência 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.

Figura VI.9 - Esquema das demandas de energia nos conjuntos 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 mecânicoda bomba. 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 hidráulicototal da bomba e é simbolizada por hb (Tabela VI.1). Tabela VI.1 - Rendimentos hidráulicos aproximados das bombas centrífugas

Q (l/s) 5,0 7,5 10 15 20 25 30 40 50 80 100 200 hb(%) 55 61 64 68 72 76 80 83 85 86 87 88

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 mecânicodo motor, hm(Tabela VI.2). A relação entre a energia cedida pelo rotor ao líquido (que resulta na potência de elevação) e a fornecida inicialmente ao motor é chamada de rendimento total. É o produto hb. hm= h. Este rendimento é tanto maior quanto maior for a vazão de recalque para um mesmo tipo de bomba. Tabela VI.2 - Rendimentos mecânicos médios

CV 1 2 3 5 6 7,5 10 15 % 72 75 77 81 82 83 84 85 CV 20 30 40 60 80 100 150 250 % 86 87 88 89 89 90 91 92

VI. 2.3.7. 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: Pb= (g . Q . H) / h). , onde Eq. VI.2 Pb = potência em Kgm/s, g = peso específico do líquido. Q = vazão em m3/s,

H = altura manométrica, h = rendimento total ( = hb.hm ).

Se quisermos expressar em cavalos-vapor - CV (unidade alemã) Pb = (g . Q . H) / (75 . h)., Eq. VI. 3 ou em horse-power - HP (unidade inglesa) . Eq.VI.4 Pb = (g . Q . H) / (76 . h).

Nota: Embora sendo 1CV » 0,986HP, esta diferença não é tão significativa, pois a folga final dada ao motor e o arredondamento para valores comerciais de potência praticamente anulam a preocupação de se trabalhar com CV ou HP. Como g é aproximadamente igual 1000 Kg/m3para água, então podemos empregar

Pb = (Q . H) / (75 . h) , Eq. VI.5 para Q em litros por segundo.

VI.2.3.8. Curvas características da bomba É a representação gráfica em um eixo cartesiano da variação das grandezas características (Figura VI.10).

Figura VI.10 - Representação gráfica de uma curva característica De acordo com o traçado de H x Q as curvas características podem ser classificadas como:

flat - altura manométrica variando muito pouco com a variação de vazão; drooping - para uma mesma altura manométrica podemos ter vazões diferentes; steep - grande diferença entre alturas na vazão de projeto e a na vazão zero

(ponto de shut off ); rising - altura decrescendo continuamente com o crescimento da vazão.

As curvas tipo drooping são ditas instáveis e são próprias de algumas bombas

centrífugas de alta rotação e para tubulações e situações especiais, principalmente em sistemas com curvas de encanamento acentuadamente inclinadas. As demais são consideradas estáveis, visto que estas para cada altura corresponde uma só vazão, sendo a rising a de melhor trabalhabilidade (Figura VI.11).

Figura VI.11 - Tipos de curvas características VI. 2.3.9. Associação de bombas A) Associações típicas Dependendo da necessidade física ou da versatilidade desejada nas instalações elevatórias o projetista pode optar por conjuntos de bombas em série ou em paralelo. Quando o problema é de altura elevada geralmente a solução é o emprego de bombas em série e quando temos que trabalhar com maiores vazões a associação em paralelo é a mais provável. Teoricamente temos que bombas em série somam alturas e bombas em paralelo somam vazões. Na prática, nos sistemas de recalque, isto dependerá do comportamento da curva característica da bomba e da curva do encanamento, como estudaremos adiante. Para obtermos a curva característica de uma associação de bombas em série somamos as ordenadas de cada uma das curvas correspondentes. Exemplo: se quisermos a curva

de duas bombas iguais dobram-se estas ordenadas correspondentes a mesma vazão. Quando a associação é em paralelo somam-se as abcissas referentes a mesma altura manométrica. Nesta situação para duas bombas iguais dobram-se as vazões correspondentes (Figura VI.12).

Figura VI.12 - Curvas características de associações de duas bombas iguais B) Bombas em paralelo É comum em sistemas de abastecimento de água, esgotamento ou serviços industriais, a instalação de bombas em paralelo, principalmente com capacidades idênticas, porém não exclusivas. Esta solução torna-se mais viável quando a vazão de projeto for muito elevada ou no caso em que a variação de vazão for perfeitamente predeterminada em função das necessidades de serviço. No primeiro caso o emprego de bombas em paralelo permitirá a vantagem operacional de que havendo falha no funcionamento em uma das bombas, não acontecerá a interrupção completa e, sim, apenas uma redução da vazão bombeada pelo sistema. No caso de apenas uma bomba aconteceria a interrupção total, pelo menos temporária, no fornecimento. Na segunda situação a associação em paralelo possibilitará uma flexibilização operacional no sistema, pois como a vazão é variável poderemos retirar ou colocar bombas em funcionamento em função das necessidades e sem prejuízo da vazão requerida. A associação de bombas em paralelo, no entanto requer precauções especiais por parte do projetista. Algumas "lembranças" são básicas para se ter uma boa análise da situação, como por exemplo, quando do emprego de bombas iguais com curvas estáveis:

Vazão - uma bomba isolada sempre fornecerá mais vazão do que esta mesma bomba associada em paralelo com outra igual porque a variação na perda de carga no recalque é diferente (V. estudo de curvas do sistema);

NPSHr- este será maior com uma só bomba em funcionamento, pois neste caso a vazão de contribuição de cada bomba será maior que se a mesma estiver funcionando em paralelo;

Potência consumida - este item dependerá do tipo de fluxo nas bombas, onde temos para o caso de fluxo radial potência maior com uma bomba, fluxo axial potência maior com a associação em completo funcionamento e, no caso de fluxo misto, será necessário calcularmos para as diversas situações para podermos indicar o motor mais adequado.

Para outras situações, como nos casos de associação com bombas diferentes, sistemas com curvas variáveis, bombas com curva drooping, por exemplo, as análises tornam-se mais complexas, mas não muito difíceis de serem desenvolvidas. C) Bombas em série Quando a altura manométrica for muito elevada, devemos analisar a possibilidade do emprego de bombas em série, pois esta solução poderá ser mais viável, tanto em termos técnicos como econômicos. Como principal precaução neste tipo de associação, devemos verificar se cada bomba a jusante tem capacidade de suporte das pressões de montante na entrada e de jusante no interior da sua própria carcaça. Para melhor operacionalidade do sistema é aconselhável a associação de bombas idênticas, pois este procedimento flexibiliza a manutenção e reposição de peças. D) Conclusões Diante da exposição anterior podemos concluir que:

na associação em paralelo devemos trabalhar com bombas com características estáveis, que o diâmetro de recalque seja adequado para não gerar perdas de carga excessivas e que a altura manométrica final do sistema nunca ultrapasse a vazão zero de qualquer uma das bombas associadas (V. curvas do sistema);

na associação em série selecionar bombas de acordo com as pressões envolvidas;e, no geral,

selecionar bombas iguais para facilitar a manutenção; indicar motores com capacidade de atender todos pontos de trabalho do

sistema; no caso de ampliações, conhecimento prévio das curvas das bombas e do

sistema em funcionamento. E) Recomendações técnicas especiais Para projetos de elevatórias recomenda-se que, no caso de associações em paralelo, o número fique limitado a três bombas com curvas iguais e estáveis. Se houver necessidade do emprego de um número maior ou de conjuntos diferentes, devemos desenvolver um estudo dos pontos de operação, tanto nas sucções como no ponto (ou nos pontos!) de reunião no recalque, principalmente para que não hajam desníveis manométricos que prejudiquem as hipóteses operacionais inicialmente previstas. Quanto ao posicionamento das sucções apresentamos na Figura VI.13, algumas situações recomendadas para instalações bem como outras não recomendadas, mas que freqüentemente são encontradas por falta de uma orientação técnica conveniente.

Figura VI.13 - Arranjos de sucções

Exemplo VI.1 Dado que a equação hipotética de uma bomba centrífuga "A" é H = 70,00 - 0,00625 x Q2 desenhar as curvas (a) característica da bomba A, (b) de duas bombas A em série e (c) de duas bombas A em paralelo. Solução: (a) Arma-se uma tabela com os diversos valores de H encontrados a partir da equação H = 70,00 - 0,00625 x Q2, correspondentes aos valores de Q variando de 10 em 10 l/s (Q de 10 a 100 l/s) e organizamos a tabela mostrada a seguir e colocamos estes valores em um gráfico plano de H em função de Q, como na figura esquematizada abaixo da tabela.

Vazão Q (l/s) Altura H (m) 0 70,00 10 69,38 20 67,50 30 64,38 40 60,00 50 54,38 60 47,50

70 39,38 80 30,00 90 19,38 100 7,50

Curva da bomba A (b) Idem para a equação H = 2 x (70,00 - 0,00625 x Q2);

(c) Idem para H = 70,00 - 0,00625 x (Q/2)2 com Q variando de 10 a 200l/s.

Curva das associações das bombas A + A e A//A VI. 2.3.10. Série homóloga É o conjunto de bombas de tamanhos diferentes porém com as mesmas proporções, geometricamente semelhantes. Em uma série desta natureza temos:

. Eqs. VI.6 onde:

D = diâmetro do rotor, H = altura manométrica, N = velocidade de rotação, P = potência, Q = vazão. Estas expressões indicam que um acréscimo no diâmetro, mantendo-se a velocidade constante, elevará a altura na razão do quadrado dessa variação, a vazão no cubo e a potência requerida na quinta, o que pode trazer problemas para o motor caso o mesmo não tenha nominalmente capacidade suficiente. De modo análogo variações na velocidade de rotação alteram linearmente a vazão, a altura na razão do quadrado do produto N x D e a potência exigida no cubo daquela variação. VI.2.3.11. Velocidade específica É aquela que uma série homóloga teria para elevar na unidade de tempo, a uma altura unitária, um volume unitário de água com o máximo rendimento:

ou

Eq. VI.7 se de aspiração dupla e "i" estágios. Se Ns< 80 Þ radial; Se 80 £ Ns£ 150 Þ diagonal;

Se Ns> 150Þ axial. Observamos, pois, que a determinação da velocidade específica permite a identificação da bomba quanto ao escoamento interno e que é uma grandeza muito importante para o fabricante deste tipo de equipamento. Veremos, também, que ela é significativa no estudo da cavitação. VI. 2.4. Cavitação VI. 2.4.1. Descrição do fenômeno Como qualquer outro líquido, a água também tem a propriedade de vaporizar-se em determinadas condições de temperatura e pressão. E assim sendo temos, por exemplo, entra em ebulição sob a pressão atmosférica local a uma determinada temperatura, por exemplo, a nível do mar (pressão atmosférica normal) a ebulição acontece a 100oC. A medida que a pressão diminui a temperatura de ebulição também se reduz. Por exemplo, quanto maior a altitude do local menor será a temperatura de ebulição (V. Tabela 4). Em consequência desta propriedade pode ocorrer o fenômeno da cavitação nos escoamentos hidráulicos. 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. Quando ocorre a cavitação são ouvidos ruídos e vibrações característicos e quanto maior for a bomba, maiores serão estes efeitos. Além de provocar o desgaste progressivo até a deformação irreversível dos rotores e das paredes internas da bomba, simultaneamente esta apresentará uma progressiva queda de rendimento, caso o problema não seja corrigido. Nas bombas a cavitação geralmente ocorre por altura inadequada da sucção (problema geométrico), por velocidades de escoamento excessivas (problema hidráulico) ou por escorvamento incorreto (problema operacional). VI. 2.4.2. NPSH Em qualquer cálculo de altura de sucção de bombas tem de ser levada em consideração que não deve ocorrer o fenômeno da cavitação e, para que possamos garantir boas condições de aspiração na mesma, é necessário que conheçamos o valor do NPSH (net positive suction head). O termo NPSH (algo como altura livre positiva de sucção) comumente utilizado entre os fornecedores, fabricantes e usuários de bombas pode ser dividido em dois tipos: o requerido (NPSHr) e o disponível (NPSHd). O NPSHr é uma característica da bomba e pode ser determinado por testes de laboratório ou cálculo hidráulico, devendo ser informado pelo fabricante do equipamento. Podemos dizer que NPSHr é a energia necessária para o líquido ir da entrada da bomba e, vencendo as perdas dentro desta, atingir a borda da pá do rotor, ponto onde vai receber a energia de recalque, ou seja, é a energia necessária para vencer as perdas de carga desde o flange de sucção até as pás do rotor, no ponto onde o líquido recebe o incremento de velocida-de. Em resumo NPSHré a energia do líquido que a bomba necessita para seu funcionamento interno. Normalmente, o NPSHr é fornecido em metros de coluna de água (mca). O NPSHr pode ser calculado através da expressão: NPSHr = s . Hman Eq. VI.8 onde o coeficiente de cavitaçãos pode ser determinado pela expressão j .( Ns )4/3, sendo j um fator de cavitação que corresponde aos seguintes valores:

para bombas radiais Þ 0,0011; diagonais Þ 0,0013; axiais Þ 0,00145.

O NPSHd é uma característica do sistema e define-se como sendo a disponibilidade de energia que um líquido possui, num ponto imediatamente anterior ao flange de sucção da bomba, acima de sua tensão de vapor. Pode ser calculado através da expressão: NPSHd = ± hs + [(Patm - hv) / g ] - hfs Eq. VI.9

Em resumo, o NPSHd é a energia disponível que possui o líquido na entrada de sucção da bomba. Portanto os fatores que influenciam diretamente o NPSH são a altura estática de sucção, o local de instalação, a temperatura de bombeamento e o peso específico, além do tipo de entrada, diâmetro, comprimento e acessórios na linha de sucção que vão influenciar nas perdas de carga na sucção.

Para que não ocorra o fenômeno da cavitação, é necessário que a energia que o líquido dispõe na chegada ao flange de sucção, seja maior que a que ele vai consumir no interior da bomba, isto é, que o NPSH disponível seja maior que o NPSH requerido, NPSHd ³ NPSHr. Teoricamente é recomendado uma folga mínima de 5%, ou seja, NPSHd ³ 1,05 x NPSHr, sendo esta folga limitada a um mínimo de 0,30m, isto é, 1,05 x NPSHr ³ NPSHr + 0,30m.

VI. 2.4.3. Altura de sucção Chama-se de altura de sucção a diferença entre as cotas do eixo da bomba e o nível da superfície livre da água a ser elevada, quando a água na captação está submetida a pressão atmosférica. Neste caso é função da pressão atmosférica do local (Tabela 3). Na realidade a altura de sucção não é limitada somente pela pressão atmosférica local, mas, também, pelas perdas de carga pelo atrito e pela turbulência ao longo da sucção e no interior da bomba até que o líquido receba a energia do rotor e, além disso, pela necessidade de evitar a cavitação. Como as condições de pressão atmosférica variam de acordo com a altitude do local e as de pressão de vapor com a temperatura do fluido a recalcar, os fabricantes não têm condições de fornecer a altura de sucção da bomba, mas devem apresentar a curva de variação do NPSHr, determinada nos laboratórios da indústria (V. Exemplo de cálculo na página seguinte). VI. 2.4.4. Vórtice Denomina-se de vórtice o movimento em espiral gerado a partir da superfície livre de um líquido quando este escoa por um orifício, quando este orifício encontra-se a uma profundidade inferior a um determinado limite. Como a entrada de água na sucção de um bombeamento assemelha-se a situação descrita, caso não sejam tomadas precauções, poderá haver condições favoráveis ao aparecimento do problema. O crescimento contínuo do vórtice pode dar origem a entrada de ar no interior da bomba provocando cavitação no interior da mesma. Portanto o dimensionamento poços de sucção deve ser efetuado de modo a impedir a entrada de ar nas instalações. Algumas recomendações são básicas para se evitar o fenômeno, a saber:

o bocal de entrada da tubulação de sucção deve distar das paredes pelo menos duas vezes o diâmetro e submerso em pelo menos três vezes (mínimo de 0,50m);

o bocal deve ter forma alargada (boca de sino) quando não existir válvula de ou crivo e folga mínima para o fundo do poço de 0,5 a 1,5 vezes diâmetro da sucção;

a largura (ou diâmetro) do poço de sucção multiplicada pela profundidade do líquido acima do bocal equiavala a uma área, no mínimo, 10 vezes maior que a seção horizontal do mesmo poço;

a velocidade de aspiração seja inferior as da Tabela VI.5. VI. 2.4.5. Escorvamento Escorvar uma bomba é encher de líquido sua carcaça e toda a tubulação de sucção, de modo que ela entre em funcionamento sem possibilidade de bolhas de ar em seu interior. No caso de bombas com sucção positiva este escorvamento é mantido com a utilização das válvulas de pé, principalmente em sucções com diâmetros inferiores a 400mm, sendo o enchimento executado através do copo de enchimento para pequenas bombas e de by pass na válvula de retenção no recalque. Para grandes instalações recorrem-se às bombas de vácuo ou ejetores. Para grandes valores de NPSHr utilizam- se instalações com bombas afogadas ou submersas, onde temos o chamado auto- escorvamento .

VI.2.4.6. Precauções contra o aparecimento de cavitação Para evitar que aconteça cavitações nas instalações de bombeamento alguns procedimentos são elementares, tanto na fase de projetos como na de operação, a saber:

tubulação de sucção a mais curta possível; escorvamento completo; NPSHd³ NPSHr + 0,30m; medidas antivórtices; limitação da velocidade máximade aspiração em função do diâmetro

(Tabela VI.5); indicação clara da posição de abertura e de fechamento das peças

especiais; ligeira inclinação ascendente em direção à entrada da bomba nos

trechos horizontalizados (para facilitar o deslocamento das bolhas de ar na fase de escorvamento);

conecção da sucção com a entrada da bomba através de uma redução excêntrica (também para facilitar o escorvamento);

não projetar registros nas sucções positivas; emprego de crivos ou telas na entrada da sucção; emprego de válvula de retenção nas sucções positivas;

Tabela VI.5 - Máximas velocidades de sucção

Diâmetro (mm) Velocidade máxima (m/s) 50 0,75 75 1,10 100 1,30 150 1,45 200 1,60 250 1,60 300 1,70

VI.3. Operacionalidade das Bombas CentrífugasVI.3.1. Ocorrências As bombas centrífugas são equipamentos mecânicos e, portanto, estão sujeitas a problemas operacionais que vão desde uma simples redução de vazão até o não funcionamento generalizado ou colapso completo. Mesmo que o equipamento tenha sido bem projetado, instalado e operado, mesmo assim estará sujeito a desgastes físicos e mecânicos com o tempo. Os problemas operacionais podem surgir das mais diversas origens como imperfeições no alinhamento motor-bomba, falta de lubrificação ou lubrificação insuficiente ou qualidade inadequada do lubrificante, etc, colocação e aperto das gaxetas, localização do equipamento, dimensiona-mento das instalações de sucção e recalque, bem como suas próprias instalações, fundações e apoios na casa de bombas, qualidade da energia fornecida, etc.

Entrada de ar, sentido de rotação incorreta do rotor e entrada de sólidos no interior das bombas também não são ocorrências raras de acontecerem, principalmente nas fases iniciais de operação do bombeamento. De um modo geral operar uma bomba com vazão reduzida implica em aumento do empuxo radial e da temperatura do líquido bombeado, além de gerar um retorno de fluxo, extremamente prejudicial a estrutura do rotor. Por outro lado vazões excessivas provocam aumento do NPSHr e redução do NPSHd e, consequentemente, aumentando a possibilidade de surgimento de cavitação. Também o excesso de vazão aumentará a potência requerida podendo, com isso, causar danos significativos ao sistema de fornecimento de energia mecânica (motor). Os principais defeitos que ocorrem em bombas centrífugas são descarga insuficiente ou nula, pressão deficiente, perca da escorva após partida, consumo excessivo de energia, rápidos desgastes dos rolamentos e gaxetas, aquecimentos, vibrações e ruídos. E as principais causas são presença de ar ou vapor d’água dentro do sistema, válvulas pequenas ou inadequadamente abertas, submergência insuficiente, corpos estranhos no rotor, problemas mecânicos, refrigeração inadequada, lubrificação má executada, desgaste dos componentes, desvios de projeto e erros de montagem. VI.3.2. Procedimentos de manutenção preventiva Em um programa de manutenção na operação de uma estação elevatória, é indispensável que sejam feitas observações e inspeções diárias, mensais, semestrais e anuais, em todas as instalações eletromecânicas. Diariamente o operador deverá anotar, caso ocorram, variações de corrente, temperaturas excessivas nos mancais da caixa de gaxetas, vibrações anormais e ruídos estranhos. O surgimento de alterações como estas, indicam a necessidade imediata de inspeções corretivas. Como procedimentos preventivos, mensalmente deverão ser verificados o alinhamento do conjunto motor-bomba, a lubrificação das gaxetas, a temperatura dos mancais e os níveis do óleo e corrigí-los, se necessário. Semestralmente o pessoal da manutenção deverá substituir o engaxetamento, verificar o estado do eixo e das buchas quanto a presença de estrias e, através da caixa de gaxetas, examinar o alinhamento e nivelamento dos conjuntos motor-bombas e verificar se as tubulações de sucção ou de recalque estão forçando indevidamente alguma das bombas e, finalmente, medir as pressões nas entradas e saídas das bombas. Independente de correções eventuais, anualmente devem ser providenciadas uma revisão geral no conjunto girante, no rotor e no interior da carcaça, verificar os intervalos entre os anéis, medir a folga do acoplamento, substituir as gaxetas, trocar o óleo e relubrificar os mancais. É claro que esse acompanhamento sistemático não dá garantias que não ocorrerá situações emergenciais, mas a certeza que este tipo de ocorrência será muito mais raro é inquestionável. VI.4. Informações ComplementaresVI.4.1. Número de conjuntos Um sistema de abastecimento da água não pode sofrer soluções de continuidade sob pena de ter sua eficiência, medida pelo binômio quantidade e qualidade, comprometida. É tecnicamente inadmissível que em linhas por recalque o bombeamento seja interrompido por falta de funcionamento dos equipamentos de pressurização em decorrência de problemas mecânicos normais, de manutenção preventiva, etc. Para que tal situação não ocorra as estações elevatórias são dimensionadas com conjuntos de reserva de modo que sempre que ocorrer impossibilidade de funcionamento de alguma máquina, esta seja substituída por entre outra de igual

capacidade para manter o pleno funcionamento da linha. O número de conjuntos de reserva deve ser compatível com as condições operacionais e deve ser de, pelo menos, um conjunto de reserva. VI. 4.2. Seleção São condições fundamentais para seleção das bombas, as hidráulicas do escoamento, ou seja, o ponto de funcionamento do sistema, a natureza do projeto, as características da água a ser recalcada, os equipamentos existentes no mercado e a similaridade com os já instalados e em operação para flexibilizar a reposição de peças defeituosas ou desgastadas. Além disso, também deve ser elaborado um estudo intensivo da dimensão da obra e etapas de construção, e um programa de que facilite a operação e manutenção dos serviços. VI. 4.3. Manual de instruções Seguir as instruções recomendadas pelos fabricantes dos equipamentos quanta a sua instalação, operação e manutenção é essencial para um bom desempenho e garantia técnica dos conjuntos. Para grandes máquinas os fabricantes, geralmente, além de fornecerem os manuais acompanham supervisionando toda a montagem e o funcionamento inicial visando corrigir eventuais problemas na montagem, tais como desalinhamentos, fundações, apoios, e chumbamentos conecções com as tubulações, operações de partida e manobras das válvulas e parada, etc. VI. 4.4. Casa de bombas As bombas deverão está alojadas em uma edificação denominada de casa de bombas. Este edifício deverá ter dimensões tais que tenham espaços suficientes para permitirem com certa comodidade montagens e desmontagens dos equipamentos e circulação de pessoal de operação e manutenção, de acordo com as normas técnicas em vigor e com as recomendações dos fabricantes. Por exemplo, um espaço mínimo de 1,50m entre cada conjunto. Também deve ter espaço e estrutura para instalação de equipamentos de manutenção e serviço tais como vigas (para instalação de pontes rolantes, roldanas, etc), pórticos (para passagens livres) e aberturas em pisos e paredes. Estudos sobre a disposição dos equipamentos, drenagem dos pisos são essenciais. Na elaboração de projeto arquitetônico é importante o estudo da iluminação, ventilação e acústica. O emprego de degraus deve ser restrito, mas sempre que for necessário não poderão ser economizados corrimãos. VI. 4.5. Acessórios e dispositivos complementares São procedimentos convencionais o emprego de registro nas sucções afogadas (nunca nas acima do nível da água) e somente em casos justificados poderão não ser indicados registros de manobras e válvulas de retenção após bomba. Nas sucções positivas torna-se obrigatório o emprego de válvulas de pé (inúteis no caso de bombas afogadas) para manutenção do escorvamento. Qualquer que seja a situação devemos instalar crivos ou telas na entrada da sucção. Instalações de manômetros na entrada da bomba e na saída também são muito importantes nas tarefas de inspeção do equipamento. A conecção da tubulação horizontal de sucção, quando existir, deverá ser conectada a entrada da bomba através de uma redução excêntrica voltada para cima de modo a facilitar o escorvamento do trecho a montante. Todas as tubulações deverão ser dispostas de maneira que possam permitir reparos e manutenção das peças especiais e conecções com um mínimo de perturbações no sistema, principalmente sem provocar tracionamentos nas demais peças. As aparentes deverão ser em ferro fundido flangeado (juntas rígidas) e com juntas de dilatação e de

fácil desmontagem (juntas gibault, por exemplo) visto que estas tubulações estão sujeitas as intempéries, vibrações e choques acidentais no dia a dia operacional. Em tubulações com diâmetros inferiores a 100mm poderão ser empregados galvanizados rosqueáveis, por questões econômicas e, normalmente serem instalações mais simples. O projeto das tubulações deve evitar ao máximo alargamento ou reduções bruscas na continuidade das seções

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