IT 503 – Fundamentos de Hidráulica Outubro/2006 Profs. Daniel Fonseca de Carvalho e Leonardo Duarte Batista da Silva 77 8. INSTALAÇÕES ELEVATÓRIAS 8.1 Máquinas É um transformador de energia (absorve energia em uma forma e restitui em outra). 8.1.1 Classificação das Máquinas Hidráulicas Entre os diversos tipos de máquinas, as máquinas fluidas são aquelas que promovem um intercâmbio entre a energia do fluido e a energia mecânica. Dentre elas, as máquinas hidráulicas se classificam em motora e geradora. - máquina hidráulica motora : transforma a energia hidráulica em energia mecânica (ex.: turbinas hidráulicas e rodas d’água); e - máquina hidráulica geradora : transforma a energia mecânica em energia hidráulica. 8.1.2 Classificação das Bombas Hidráulicas - Bombas volumétricas : o órgão fornece energia ao fluido em forma de pressão. São as bombas de êmbulo ou pistão e as bombas diafragma. O intercâmbio de energia é estático e o movimento é alternativo. - TurboBombas ou Bombas Hidrodinâmicas : o órgão (rotor) fornece energia ao fluido em forma de energia cinética. O rotor se move sempre com movimento rotativo. 8.2 Principais Componentes de uma Bomba Hidrodinâmica Rotor : órgão móvel que fornece energia ao fluido. É responsável pela formação de uma depressão no seu centro para aspirar o fluido e de uma sobrepressão na periferia para recalcá-lo (Figura 47).
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IT 503 – Fundamentos de Hidráulica Outubro/2006
Profs. Daniel Fonseca de Carvalho e Leonardo Duarte Batista da Silva
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8. INSTALAÇÕES ELEVATÓRIAS
8.1 Máquinas
É um transformador de energia (absorve energia em uma forma e restitui
em outra).
8.1.1 Classificação das Máquinas Hidráulicas
Entre os diversos tipos de máquinas, as máquinas fluidas são aquelas que
promovem um intercâmbio entre a energia do fluido e a energia mecânica.
Dentre elas, as máquinas hidráulicas se classificam em motora e geradora.
- máquina hidráulica motora: transforma a energia hidráulica em energia
mecânica (ex.: turbinas hidráulicas e rodas d’água); e
- máquina hidráulica geradora: transforma a energia mecânica em
energia hidráulica.
8.1.2 Classificação das Bombas Hidráulicas
- Bombas volumétricas: o órgão fornece energia ao fluido em forma de pressão.
São as bombas de êmbulo ou pistão e as bombas diafragma. O intercâmbio de
energia é estático e o movimento é alternativo.
- TurboBombas ou Bombas Hidrodinâmicas: o órgão (rotor) fornece energia ao
fluido em forma de energia cinética. O rotor se move sempre com movimento
rotativo.
8.2 Principais Componentes de uma Bomba Hidrodinâmica
Rotor: órgão móvel que fornece energia ao fluido. É responsável pela formação
de uma depressão no seu centro para aspirar o fluido e de uma sobrepressão na
periferia para recalcá-lo (Figura 47).
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Difusor: canal de seção crescente que recebe o fluido vindo do rotor e o
encaminha à tubulação de recalque. Possui seção crescente no sentido do
escoamento com a finalidade de transformar a energia cinética em energia de
pressão (Figura 47).
Figura 47 – Corte do rotor e difusor.
8.3 Classificação das Turbobombas
8.3.1 Quanto à trajetória do fluido dentro do rotor
a) Bombas radiais ou centrífugas: o fluido entra no rotor na direção axial e sai
na direção radial. Caracterizam-se pelo recalque de pequenas vazões em
grandes alturas. A força predominante é a centrífuga.
b) Bombas axiais: o fluido entra no rotor na direção axial e sai também na
direção axial. Caracterizam-se pelo recalque de grandes vazões em
pequenas alturas. A força predominante é a de sustentação.
(Difusor)
rotor
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a b
Figura 48 – Bomba com rotores radial (a) e axial (b).
8.3.2 Quanto ao número de entradas para a aspiração e sucção
a) Bombas de sucção simples ou de entrada unilateral: a entrada do líquido se
faz através de uma única boca de sucção.
b) Bombas de dupla sucção: a entrada do líquido se faz por duas bocas de
sucção, paralelamente ao eixo de rotação. Esta configuração equivale a dois
rotores simples montados em paralelo. O rotor de dupla sucção apresenta a
vantagem de proporcionar o equilíbrio dos empuxos axiais, o que acarreta
uma melhoria no rendimento da bomba, eliminando a necessidade de
rolamento de grandes dimensões para suporte axial sobre o eixo.
8.3.3 Quanto ao número de rotores dentro da carcaça
a) Bombas de simples estágio ou unicelular: a bomba possui um único rotor
dentro da carcaça. Teoricamente é possível projetar uma bomba com um
único estágio para qualquer situação de altura manométrica e de vazão. As
dimensões excessivas e o baixo rendimento fazem com que os fabricantes
limitem a altura manométrica para 100 m.
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Foto: Schneider Moto bombas Figura 49 – Corte de uma bomba monoestágio.
b) Bombas de múltiplo estágio: a bomba possui dois ou mais rotores dentro da
carcaça. É o resultado da associação de rotores em série dentro da carcaça.
Essa associação permite a elevação do líquido a grandes alturas (> 100 m),
sendo o rotor radial o indicado para esta associação.
Figura 50 – Corte de uma bomba de múltiplo estágio.
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8.3.4 Quanto ao posicionamento do eixo
a) Bomba de eixo horizontal: é a concepção construtiva mais comum.
Figura 51 – Bomba de eixo horizontal.
b) Bomba de eixo vertical: usada na extração de água de poços profundos.
Figura 52 – Corte de uma bomba de eixo horizontal.
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8.3.5 Quanto ao tipo de rotor
a) Rotor aberto: usada para bombas de pequenas dimensões. Possui pequena
resistência estrutural. Baixo rendimento. Dificulta o entupimento, podendo ser
usado para bombeamento de líquidos sujos.
b) Rotor semi-aberto ou semi-fechado: possui apenas um disco onde são
afixadas as palhetas.
c) Rotor fechado: usado no bombeamento de líquidos limpos. Possui discos
dianteiros com as palhetas fixas em ambos. Evita a recirculação da água, ou
seja, o retorno da água à boca de sucção.
Foto: Schneider Moto bombas Figura 53 – Esquemas de rotores fechado, semi-aberto e aberto,
respectivamente.
8.3.6 Quanto à posição do eixo da bomba em relação ao nível da água.
a) Bomba de sucção positiva: o eixo da bomba situa-se acima do nível d’água
do reservatório de sucção.
b) Bomba de sucção negativa ou afogada: o eixo da bomba situa-se abaixo do
nível d’água do reservatório de sucção.
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a b
Figura 54 – Instalação com bomba de sucção positiva (a) e afogada (b).
8.4 Princípio de funcionamento de uma bomba centrífuga ou radial
Se imaginarmos um vaso cilíndrico aberto, parcialmente cheio de água e
submetido a uma força externa que promova o seu giro em torno do eixo de
simetria, teremos uma situação mostrada na Figura 55.
Figura 55 – Vaso girante e o parabolóide de revolução.
Atingido o equilíbrio, a água sobe pelas pareces do vaso, compondo uma
superfície livre chamada de parabolóide de revolução. Quando a velocidade
angular for suficientemente grande, a água subirá nas paredes do vaso a ponto
de descobrir sua região central (Figura 56).
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Figura 56 – Depressão e sobrepressão em um vaso girante.
Assim, consideremos um vaso cilíndrico fechado e totalmente cheio de
água, e interligado por tubulações a dois reservatórios: um inferior e ao qual se
liga pelo centro, e outro superior e ao qual se liga pela periferia. Ao acionarmos
o rotor, a depressão central aspira o fluido que, sob ação da força centrífuga,
ganha na periferia a sobreposição que o recalca para o reservatório superior
(Figura 57). Dessa forma, terá sido criada uma bomba centrífuga.
Figura 57 – Princípio de funcionamento da bomba centrífuga.
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8.5 Altura Manométrica da Instalação
- Primeira expressão da Altura Manométrica (Hm)
Usada para o caso da bomba em funcionamento (já instalada).
A equação de Bernoulli aplicada entre a entrada (e) e a saída (s) de uma
bomba (Figura 58), fornece:
s
2ss
e
2ee Z
g2vp
HmZg2
vp++
γ=+++
γ ou
)ZZ(g2vvpp
Hm es
2e
2ses −+
−+
γ−
=
Figura 58 – Instalação típica com manômetro à saída da bomba e vacuômetro à
entrada.
Pela figura tem-se: γ−
=γ− VMpp es
)nulooupequenomuito(0g2vv 2
e2
s ≈−
0)ZZ(y es ≈−=
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Portanto: γ−
=VMHm (primeira expressão da altura manométrica)
Obs: para as bombas de sucção positiva, o valor lido no vacuômetro é negativo
e para as bombas de sucção negativa ou afogada, o valor lido no vacuômetro é
positivo.
- Segunda expressão da altura manométrica (Hm)
A equação da energia aplicada entre os pontos 1 e 2 da figura anterior
fornece:
)21(2
222
1
211 htZ
g2vp
HmZg2
vp−+++
γ=+++
γ
sendo ht a perda de carga total.
0pp 12 =
γ−
(reservatórios sujeitos à pressão atmosférica)
g2v
g2vv 22
12
2 ≈− (perda na saída – computada em ht)
Portanto: )21(G htHHm −+= (segunda expressão da altura manométrica)
8.6 Escolha da Bomba e Potência Necessária ao seu Funcionamento
Basicamente a seleção de uma bomba para uma determinada situação, é
função de:
- vazão a ser recalcada (Q); e
- altura manométrica da instalação (Hm).
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- Vazão a ser recalcada
A vazão a ser recalcada depende essencialmente de três elementos:
consumo diário da instalação, jornada de trabalho da bomba e do número de
bombas em funcionamento (bombas em paralelo).
Para o dimensionamento de um sistema de irrigação, o consumo de água
é função, basicamente, da demanda evapotranspirométrica, do tipo e do estádio
de desenvolvimento da cultura e da eficiência do sistema de irrigação. Esse
assunto será abordado na disciplina IT 157 (Irrigação).
- Altura manométrica da instalação
O levantamento topográfico do perfil do terreno permite determinar: o
desnível geométrico da instalação (HG), o comprimento das tubulações de
sucção e de recalque e o número de peças especiais dessas tubulações. Com
os comprimentos das tubulações e o número de peças especiais, a perda de
carga é facilmente calculada pelo conhecimento dos diâmetros de sucção e de
recalque. A Figura 59 ajuda a entender melhor o problema:
Figura 59 – Altura manométrica de uma instalação com reservatórios abertos.
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A altura manométrica será calculada por:
Hman = Ho + ∆H ou
Hm = HG + ht
- Cálculo dos diâmetros de sucção e de recalque
- Diâmetro de recalque
a) Fórmula de Bresse
Recomendada para funcionamento contínuo, ou seja: 24 horas.dia-1.
Q . KDR =
sendo:
DR em m e Q em m3.s-1;
K = coeficiente econômico {balanço entre os gastos com tubulação
(investimento) e os gastos com a operação da instalação (custo
operacional - 0,8 a 1,3)}.
O valor de K está também relacionado com a velocidade, ou seja:
2
2R
2R
2R K
1 . 4K
D . D . 4
D . Q . 4v
π=
π=
π=
b) Fórmula da ABNT (NB – 92/66)
Recomendada para funcionamento intermitente ou não contínuo:
Q . 24T . 3,1D
25,0
R
=
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sendo
DR em m, Q em m3.s-1; e
T = número de horas de funcionamento da bomba por dia.
- Diâmetro de sucção (Ds)
É o diâmetro comercial imediatamente superior ao diâmetro de recalque
calculado pelas fórmulas anteriores.
Observações importantes:
a) O correto é fazer um balanço econômico entre o custo da tubulação e o custo
da manutenção do sistema. A manutenção do sistema envolve gastos com
energia elétrica (ou combustível), lubrificantes, mão-de-obra, etc. (Figura 60).
Recomenda-se a análise de cinco diâmetros comerciais, sendo o
intermediário calculado pela fórmula de Bresse, para K = 1.
b) Quando o diâmetro calculado pela fórmula de Bresse ou da ABNT não
coincidir com o diâmetro comercial, é procedimento usual admitir o diâmetro
comercial imediatamente superior ao calculado para a sucção e o
imediatamente inferior par o recalque.
Figura 60 – Avaliação entre o custo da tubulação e manutenção.
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c) Além das fórmulas vistas anteriormente para cálculo dos diâmetros, pode-se
adotar o critério das chamadas velocidades econômicas, cujos limites são:
- na sucção: vs < 1,5 m.s-1 (no máximo 2,0 m.s-1)
- no recalque: vr < 2,5 m.s-1 (no máximo 3,0 m.s-1)
Como valores médios pode-se adotar vs = 1,0 m.s-1 e vr = 2,0 m.s-1.
Adotadas as velocidades, o cálculo dos diâmetros é facilmente determinado pela
equação da continuidade, já que se conhece a vazão (Q = A . v), ou seja:
rs v .
Q . 4Drev . Q . 4Ds
π=
π=
Considere os seguintes dados de um sistema de bombeamento:
- Dotação de rega (supondo 24h de bombeamento): 1,0 L.s-1.ha-1
- Área irrigada: 20 ha
- Jornada diária de trabalho: 8 h.dia-1
Para estas condições, encontre os diâmetros das tubulações.