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8. INSTALAES ELEVATRIAS
8.1 Mquinas
So transformadores de energia (absorvem energia em uma forma e
restituem em outra).
8.1.1 Classificao das Mquinas Hidrulicas
Entre os diversos tipos de mquinas, as mquinas fluidas so aquelas que
promovem um intercmbio entre a energia do fluido e a energia mecnica.
Dentre elas, as mquinas hidrulicas se classificam em motora e geradora.
- mquina hidrulica motora: transforma a energia hidrulica em energia
mecnica (ex.: turbinas hidrulicas e rodas dgua); e
- mquina hidrulica geradora: transforma a energia mecnica em
energia hidrulica.
8.1.2 Classificao das Bombas Hidrulicas
- Bombas volumtricas: o rgo fornece energia ao fluido em forma de presso.
So as bombas de mbulo ou pisto e as bombas diafragma. O intercmbio de
energia esttico e o movimento alternativo.
- TurboBombas ou Bombas Hidrodinmicas: o rgo (rotor) fornece energia ao
fluido em forma de energia cintica. O rotor se move sempre com movimento
rotativo.
8.2 Principais Componentes de uma Bomba Hidrodinmica
Rotor: rgo mvel que fornece energia ao fluido. responsvel pela formao
de uma depresso no seu centro para aspirar o fluido e de uma sobrepresso na
periferia para recalc-lo (Figura 46).
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Difusor: canal de seo crescente que recebe o fluido vindo do rotor e o
encaminha tubulao de recalque. Possui seo crescente no sentido do
escoamento com a finalidade de transformar a energia cintica em energia de
presso (Figura 46).
Figura 46 Corte do rotor e difusor.
8.3 Classificao das Turbobombas
8.3.1 Quanto trajetria do fluido dentro do rotor
a) Bombas radiais ou centrfugas: o fluido entra no rotor na direo axial e sai
na direo radial. Caracterizam-se pelo recalque de pequenas vazes em
grandes alturas. A fora predominante a centrfuga.
b) Bombas axiais: o fluido entra no rotor na direo axial e sai tambm na
direo axial. Caracterizam-se pelo recalque de grandes vazes em
pequenas alturas. A fora predominante a de sustentao.
(Difusor)
rotor
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a b
Figura 47 Bomba com rotores radial (a) e axial (b).
8.3.2 Quanto ao nmero de entradas para a aspirao e suco
a) Bombas de suco simples ou de entrada unilateral: a entrada do lquido se
faz atravs de uma nica boca de suco.
b) Bombas de dupla suco: a entrada do lquido se faz por duas bocas de
suco, paralelamente ao eixo de rotao. Esta configurao equivale a dois
rotores simples montados em paralelo. O rotor de dupla suco apresenta a
vantagem de proporcionar o equilbrio dos empuxos axiais, o que acarreta
uma melhoria no rendimento da bomba, eliminando a necessidade de
rolamento de grandes dimenses para suporte axial sobre o eixo.
8.3.3 Quanto ao nmero de rotores dentro da carcaa
a) Bombas de simples estgio ou unicelular: a bomba possui um nico rotor
dentro da carcaa. Teoricamente possvel projetar uma bomba com um
nico estgio para qualquer situao de altura manomtrica e de vazo. As
dimenses excessivas e o baixo rendimento fazem com que os fabricantes
limitem a altura manomtrica para 100 m.
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Foto: Schneider Moto bombas
Figura 48 Corte de uma bomba monoestgio.
b) Bombas de mltiplo estgio: a bomba possui dois ou mais rotores dentro da
carcaa. o resultado da associao de rotores em srie dentro da carcaa.
Essa associao permite a elevao do lquido a grandes alturas (> 100 m),
sendo o rotor radial o indicado para esta associao.
Figura 49 Corte de uma bomba de mltiplo estgio.
8.3.4 Quanto ao posicionamento do eixo
a) Bomba de eixo horizontal: a concepo construtiva mais comum.
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Figura 50 Bomba de eixo horizontal.
b) Bomba de eixo vertical: usada na extrao de gua de poos profundos.
Figura 51 Corte de uma bomba de eixo horizontal.
8.3.5 Quanto ao tipo de rotor
a) Rotor aberto: usada para bombas de pequenas dimenses. Possui pequena
resistncia estrutural. Baixo rendimento. Dificulta o entupimento, podendo ser
usado para bombeamento de lquidos sujos.
b) Rotor semi-aberto ou semi-fechado: possui apenas um disco onde so
afixadas as palhetas.
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c) Rotor fechado: usado no bombeamento de lquidos limpos. Possui discos
dianteiros com as palhetas fixas em ambos. Evita a recirculao da gua, ou
seja, o retorno da gua boca de suco.
Foto: Schneider Moto bombas
Figura 52 Esquemas de rotores fechado, semi-aberto e aberto,
respectivamente.
8.3.6 Quanto posio do eixo da bomba em relao ao nvel da gua.
a) Bomba de suco positiva: o eixo da bomba situa-se acima do nvel dgua
do reservatrio de suco (Figura 53a).
b) Bomba de suco negativa ou afogada: o eixo da bomba situa-se abaixo do
nvel dgua do reservatrio de suco (Figura 53b).
8.4 Princpio de funcionamento de uma bomba centrfuga ou radial
Se imaginarmos um vaso cilndrico aberto, parcialmente cheio de gua e
submetido a uma fora externa que promova o seu giro em torno do eixo de
simetria, teremos uma situao mostrada na Figura 54.
Atingido o equilbrio, a gua sobe pelas pareces do vaso, compondo uma
superfcie livre chamada de parabolide de revoluo. Quando a velocidade
angular for suficientemente grande, a gua subir nas paredes do vaso a ponto
de descobrir sua regio central (Figura 55).
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a b
Figura 53 Instalao com bomba de suco positiva (a) e afogada (b).
Figura 54 Vaso girante e o parabolide de revoluo.
Figura 55 Depresso e sobrepresso em um vaso girante.
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Assim, consideremos um vaso cilndrico fechado e totalmente cheio de
gua, e interligado por tubulaes a dois reservatrios: um inferior e ao qual se
liga pelo centro, e outro superior e ao qual se liga pela periferia. Ao acionarmos
o rotor, a depresso central aspira o fluido que, sob ao da fora centrfuga,
ganha na periferia a sobreposio que o recalca para o reservatrio superior
(Figura 56). Dessa forma, ter sido criada uma bomba centrfuga.
Figura 56 Princpio de funcionamento da bomba centrfuga.
8.5 Altura Manomtrica da Instalao
A altura manomtrica (Hm) de uma instalao de bombeamento
representa a energia (por unidade de peso) que o equipamento ir transferir
para o fluido, a fim de satisfazer s necessidades do projeto, ou seja, a sua
demanda. Existem duas maneiras de calcular Hm:
- Primeira expresso da Altura Manomtrica
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Utilizada para o caso da bomba em funcionamento (j instalada). A
equao de Bernoulli aplicada entre a entrada (e) e a sada (s) de uma bomba
(Figura 57), fornece:
s
2ss
e
2ee Z
g2
vpHmZ
g2
vp++
=+++
ou
)ZZ(g2
vvppHm es
2e
2ses +
+
=
Figura 57 Instalao tpica com manmetro sada da bomba e vacumetro
entrada.
Pela figura tem-se:
=
VMpp es
)nulooupequenomuito(0g2
vv 2e2s
0)ZZ(y es =
Portanto:
=VM
Hm (primeira expresso da altura manomtrica)
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Obs: para as bombas de suco positiva, o valor lido no vacumetro negativo
e para as bombas de suco negativa ou afogada, o valor lido no vacumetro
positivo.
- Segunda expresso da altura manomtrica
A equao da energia aplicada entre os pontos 1 e 2 da figura anterior
fornece:
)21(2
222
1
211 htZ
g2
vpHmZ
g2
vp+++
=+++
sendo ht a perda de carga total.
0pp 12 =
(reservatrios sujeitos presso atmosfrica)
g2
v
g2
vv 22122
(perda na sada computada em ht)
Portanto: )21(G htHHm += (segunda expresso da altura manomtrica)
Exerccio: Em uma instalao de bombeamento, as leituras do manmetro e do
vacumetro indicam, respectivamente, 3,0 kgf cm-2 e -0,7 kgf cm-2. Encontre a
altura manomtrica da bomba nessa condio.
8.6 Escolha da Bomba e Potncia Necessria ao seu Funcionamento
Basicamente a seleo de uma bomba para uma determinada situao,
funo de:
- vazo a ser recalcada (Q); e
- altura manomtrica da instalao (Hm).
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- Vazo a ser recalcada
A vazo a ser recalcada depende essencialmente de trs elementos:
consumo dirio da instalao, jornada de trabalho da bomba e do nmero de
bombas em funcionamento (bombas em paralelo).
Para o dimensionamento de um sistema de irrigao, o consumo de gua
funo, basicamente, da demanda evapotranspiromtrica, do tipo e do estdio
de desenvolvimento da cultura e da eficincia do sistema de irrigao. Esse
assunto ser abordado na disciplina IT 157 (Irrigao).
- Altura manomtrica da instalao
O levantamento topogrfico do perfil do terreno permite determinar: o
desnvel geomtrico da instalao (HG), o comprimento das tubulaes de
suco e de recalque e o nmero de peas especiais dessas tubulaes. Com
os comprimentos das tubulaes e o nmero de peas especiais, a perda de
carga facilmente calculada pelo conhecimento dos dimetros de suco e de
recalque. A Figura 58 ajuda a entender melhor o problema:
Figura 58 Altura manomtrica de uma instalao com reservatrios abertos.
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A altura manomtrica ser calculada por:
Hman = Ho + H ou Hm = HG + ht
- Clculo dos dimetros de suco e de recalque
- Dimetro de recalque
a) Frmula de Bresse
Recomendada para funcionamento contnuo, ou seja: 24 h dia-1.
QKDR =
em que:
DR = dimetro de recalque, em m;
Q = vazo em m3 s-1; e
K = coeficiente econmico {balano entre os gastos com tubulao
(investimento) e os gastos com a operao da instalao (custo
operacional - 0,8 a 1,3)}.
O valor de K est tambm relacionado com a velocidade, ou seja:
2
2R
2R
2R K
1 4
K
D
D .
4
D
Q 4v
pi=
pi=
pi=
b) Frmula da ABNT (NB 92/66)
Recomendada para funcionamento intermitente ou no contnuo:
Q 24
T 3,1D
25,0
R
=
em que T o nmero de horas de funcionamento da bomba por dia.
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- Dimetro de suco (Ds)
o dimetro comercial imediatamente superior ao dimetro de recalque
calculado pelas frmulas anteriores.
Observaes importantes:
a) O correto fazer um balano econmico entre o custo da tubulao e o custo
da manuteno do sistema. A manuteno do sistema envolve gastos com
energia eltrica (ou combustvel), lubrificantes, mo-de-obra, etc. (Figura 59).
Recomenda-se a anlise de cinco dimetros comerciais, sendo o
intermedirio calculado pela frmula de Bresse, para K = 1.
b) Quando o dimetro calculado pela frmula de Bresse ou da ABNT no
coincidir com o dimetro comercial, procedimento usual admitir o dimetro
comercial imediatamente superior ao calculado para a suco e o
imediatamente inferior par o recalque.
Figura 59 Avaliao entre o custo da tubulao e manuteno.
c) Alm das frmulas vistas anteriormente para clculo dos dimetros, pode-se
adotar o critrio das chamadas velocidades econmicas, cujos limites so:
- na suco: vs < 1,5 m s-1 (no mximo 2,0 m s-1)
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- no recalque: vr < 2,5 m s-1 (no mximo 3,0 m s-1)
Como valores mdios pode-se adotar vs = 1,0 m s-1 e vr = 2,0 m s-1.
Adotadas as velocidades, o clculo dos dimetros facilmente determinado pela
equao da continuidade (Q = A V), j que se conhece a vazo, ou seja:
sV
Q4Ds
pi= e
rV
Q4Dr
pi=
Exerccio: Considere os seguintes dados de um sistema de bombeamento:
- Dotao de rega (supondo 24h de bombeamento): 0,65 L s-1 ha-1
- rea irrigada: 20 ha
- Jornada diria de trabalho: 8 h dia-1
Para estas condies, encontre os dimetros das tubulaes.
1311-1 sm 039,0sL398
24ha20 hasL 65,0Q ===
Q 24
T 3,1D
25,0
R
= mm195m195,0039,0 24
8 3,1D
25,0
R ==
=
Dimetros comerciais disponveis: 0,150 m e 0,200 m
)sm5,2(sm20,2
4
)150,0(
039,0
A
Qv 1-1-
2R
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- Potncia necessria ao funcionamento da bomba (Pot)
A potncia absorvida pela bomba calculada por:
(kw) 75
H Q 735,0Pot ou (cv)
75
H Q Pot mm
=
=
- Potncia instalada (N) ou potncia do motor
O motor que aciona a bomba dever trabalhar sempre com uma folga ou
margem de segurana a qual evitar que o mesmo venha, por uma razo
qualquer, operar com sobrecarga. Portanto, recomenda-se que a potncia
necessria ao funcionamento da bomba (Pot) seja acrescida de uma folga,
conforme especificao a seguir (para motores eltricos):
Potncia exigida pela Bomba (Pot) Margem de segurana recomendada (%)
At 2 cv 50%
De 2 a 5 cv 30%
De 5 a 10 cv 20%
De 10 a 20 cv 15%
Acima de 20 cv 10%
Para motores a leo diesel recomenda-se uma margem de segurana de
25% e a gasolina, de 50% independente da potncia calculada.
Finalmente para a determinao da potncia instalada (N), deve-se
observar que os motores eltricos nacionais so fabricados com as seguintes
potncias comerciais, em cv (Motores Kohlbach 1200 rpm 60 Hz):
1/4 1/3 1/2 3/4 1 1 2 3 4 5 7 10 12 15 20 25
30 40 50 60 75 100 125
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8.7 Peas Especiais numa Instalao Tpica de Bombeamento
A Figura 60 mostra as peas especiais utilizadas numa instalao de
bombeamento.
Fonte: Schneider Moto bombas
Figura 60 Esquema tpico de instalao de uma motobomba centrfuga.
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8.7.1 Na linha de suco
1) Vlvula de p com crivo
Instalada na extremidade inferior da tubulao de suco. uma vlvula
unidirecional, isto , s permite a passagem do lquido no sentido ascendente.
Com o desligamento do motor de acionamento da bomba, esta vlvula mantm
a carcaa ou corpo da bomba e a tubulao de suco cheia do lquido
recalcado, impedindo o seu retorno ao reservatrio de suco ou captao.
Nestas circunstncias, diz-se que a vlvula de p com crivo mantm a bomba
escorvada (a funo da carcaa e tubulao desta vlvula a de impedir a
entrada de partculas slidas ou corpos estranhos como: folhas, galhos, etc). A
vlvula deve estar mergulhada a uma altura mnima de:
)metrosemDeh(1,0D 5,2h ss +=
para evitar a entrada de ar e formao de vrtices.
2) Curva de 90o
Imposta pelo traado da linha de suco.
3) Reduo Excntrica
Liga o final da tubulao entrada da bomba, de dimetro geralmente
menor. Essa excentricidade visa evitar a formao de bolsas de ar entrada da
bomba. So aconselhveis sempre que a tubulao de suco tiver um dimetro
superior a 4 (100 mm).
8.7.2 Na linha de recalque
1) Ampliao concntrica
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Liga a sada da bomba de dimetro geralmente menor tubulao de
recalque.
2) Vlvula de reteno
unidirecional e instalada sada da bomba, antes da vlvula de gaveta.
Suas funes so:
- impedir que o peso da coluna de gua do recalque seja sustentado
pela bomba o que poderia desalinh-la ou provocar vazamentos na
mesma;
- impedir que, com o defeito da vlvula de p e estando a sada da
tubulao de recalque afogada (no fundo do reservatrio superior), haja
um refluxo do lquido, fazendo a bomba funcionar como turbina, o que
viria a provocar danos mesma;
- possibilitar, atravs de um dispositivo chamado by-pass, a escorva da
bomba.
3) Vlvula de gaveta
Instalada aps a vlvula de reteno. Suas funes so de regular a
vazo e permitir reparos na vlvula de reteno.
Observao: a bomba centrfuga deve ser sempre ligada e desligada com a
vlvula de gaveta fechada, devendo-se proceder de modo contrrio nas bombas
axiais.
Exerccio: Continuando o exerccio anterior, calcular a altura manomtrica da
instalao considerando os seguintes dados:
- Altura de suco: 4,0m;
- Altura de recalque: 53,0m;
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92
- Comprimento de suco: 6,0m;
- Comprimento de recalque: 210,0m;
- Material: PVC;
- Peas:
- Suco:
1 vlvula de p; 1 curva de 90o; 1 reduo excntrica;
- Recalque:
1 vlvula de reteno; 1 vlvula de gaveta; 6 curvas de 90o ; 1 ampliao.
Clculo da Altura Manomtrica:
htHHm G += RSG HHH += RS hththt +=
a) Perda de carga contnua calculada por Hazen-Williams e localizada calculada
pelo mtodo dos dimetros equivalentes:
RS hththt +=
LfLLv +=
Comprimento fictcio: Suco (250 + 30 + 6 = 286 x 0,200)
Lf = 57,2 m 2,632,576LvS =+= m
( )( ) ( )
m42,02,63 20,0 145
039,0 641,10hts
87,485,1
85,1
== ;
Comprimento fictcio: Recalque (100 + 8 + 180 + 12 = 300 x 0,150)
Lf = 45,0 m 25545210LvR =+= m
( )( ) ( )
m93,6255 150,0 145
039,0 641,10htr
87,485,1
85,1
==
m35,793,642,0ht =+=
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( ) m0,65m35,6435,70,530,4Hm =++=
b) Perda de carga contnua calculada por Darcy-Weisbach e localizada
calculada pelo Borda-Belanger:
b.1) Tubulao de suco:
137.2431002,1
24,12,0NR
6=
=
0003,0
200
06,0
D
e== 0175,0f =
LDg
Qfhf
52pi=
28 m04,06
)2,0(81,9
(hf
52=
pi=
20,039
0,0175
)8
Perda de carga localizada (h)
g2
VKh
2
= m18,0)81,9(2
)24,1(3,2h
2
==
m22,018,004,0htS =+= b.2) Tubulao de recalque:
529.3231002,1
2,215,0NR
6=
=
0004,0
150
06,0
D
e== f = 0,0176
m12,6210)15,0(81,9
(hf
52=
pi=
20,039
)
0,0176
8
Perda de carga localizada (h)
m33,1)81,9(2
2,24,5h
2
==
m45,733,112,6htR =+=
Pea K 1 vlvula de p 1,75 1 curva de 90 0,40 1 reduo excntrica 0,15 TOTAL 2,30
Pea K 1 vlvula de reteno 2,50 1 vlvula de gaveta 0,20 6 curvas de 90 2,40 1 ampliao 0,30 TOTAL 5,40
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m67,745,722,0ht =+=
( ) m0,65m67,6467,70,530,4Hm =++=
8.8 Curvas Caractersticas das Bombas
Constituem-se numa relao entre a vazo recalcada com a altura
manomtrica, com a potncia absorvida, com o rendimento e s vezes com a
altura mxima de suco. Pode-se dizer que as curvas caractersticas
constituem-se no retrato de funcionamento das bombas nas mais diversas
situaes.
Estas curvas so obtidas nas bancadas de ensaio dos fabricantes. As
mais comuns so:
Hm = f (Q); Pot = f (Q); = f (Q).
Obs: o aspecto das curvas Hm = f (Q) e Pot = f (Q) refere-se apenas regio de
rendimento aceitvel ( > 40%).
a b
Figura 61 Curvas caractersticas de bombas centrfugas (a) e axiais (b).
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8.8.1 Algumas concluses tiradas das curvas caractersticas das bombas
a) o aspecto achatado das curvas de rendimento das bombas centrfugas
mostra que tal tipo de bomba mais adequado onde h necessidade
de variar vazo. A vazo pode ser variada sem afetar
significativamente o rendimento da bomba;
b) a potncia necessria ao funcionamento das bombas centrfugas
cresce com o aumento da vazo e decresce nas axiais. Isto mostra
que, as bombas radiais devem ser ligadas com a vlvula de gaveta
fechada, pois nesta situao, a potncia necessria para acion-las
mnima. O contrrio ocorre com as bombas axiais; e
c) Para bombas radiais, o crescimento da altura manomtrica no causa
sobrecarga no motor; especial ateno deve ser dada quando a altura
manomtrica diminui. Quando Hm diminui, aumenta a vazo, o que
poder causar sobrecarga no motor.
8.9 Curvas Caractersticas do Sistema ou da Tubulao
A segunda expresso da altura manomtrica fornece:
tGm hHH += (para reservatrios abertos)
aft hhh +=
As perdas de carga acidentais podem ser includas nas perdas de carga
distribudas, desde que se use o mtodo dos comprimentos equivalentes (Le).
Ento, pode-se escrever que:
242
2
t Q KD . g 2
Q 16
D
Le fh =
pi= , onde Le o comprimento normal da
canalizao somado ao comprimento correspondente s peas especiais.
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52 D g 2
16 f LeK
pi= = constante para uma determinada instalao.
Se fosse utilizada a equao de Hazen-Williams, teramos:
852,1
63,2t D C 335,0
Q4 LeLe Jh
pi==
852,1852,1852,1
63,2tQ 'KQ
D C 335,0
4 LeLe Jh =
pi==
Ento Hm do sistema :
2G Q KHHm += (Eq. de Darcy)
852,1G Q 'KHHm += (Eq de H.W)
Essas equaes, quando representadas graficamente, tem o seguinte aspecto:
Figura 62 Curva caracterstica da tubulao.
8.10 Ponto de Operao do Sistema
A interseco da curva caracterstica da bomba com a curva caracterstica
da tubulao define o ponto de trabalho ou ponto de operao da bomba, ou
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seja: para a vazo de projeto da bomba, a altura manomtrica da bomba igual
quela exigida pelo sistema.
A curva caracterstica da bomba associada curva caracterstica do
sistema tem o seguinte aspecto:
Figura 63 Ponto de funcionamento do sistema.
Continuando o exerccio, encontre a bomba em catlogo do fabricante e
calcule a potncia instalada
- Escolha da bomba (Figura a seguir catlogo do fabricante)
13113 hm4,140hs3600 sm039,0Q == ; m0,65Hm =
rpm3500GM
17GMmm185rotorD =
- Potncia instalada considerando que a bomba ir trabalhar fora do ponto de
projeto
m0,65Hm = ; m0,57HG = ; 13 h.m4,140Q =
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Equao de H.W
85,1' Q KHGHm += 85,1' 4,140 K5765 += 000852,0K ' =
85,1Q000852,057Hm += (Q em m3.h-1)
Atribuindo-se valores a Q, na equao anterior, teremos os seguintes
valores para Hm:
Q 0 50 80 110 130 140,4 170 200 230
Hm 57,0 58,18 59,83 62,09 63,94 65,00 68,40 72,39 76,94
Com os pontos desse quadro, traa-se a curva caracterstica da
tubulao. Onde essa curva cortar a curva caracterstica da bomba, ficar
definido o ponto de operao ou de trabalho da bomba.
13 hm175Q = m0,69Hm = 3,80= %
CV69,55803,0753600
0,691751000
753600
HmQPot ==
=
A potncia necessria ao motor ser:
Folga = 10%
N = 1,10 (55,69) = 61,26 CV
O motor eltrico comercial que atende o caso o de 60 CV.
Obs.: a vazo inicial (Q = 140,4 m3 h-1) poder ser obtida fechando-se o registro
de gaveta, at que a altura manomtrica corresponda a essa vazo. A manobra
do registro de gaveta introduz uma perda de carga acidental, fazendo mudar a
curva caracterstica da tubulao para uma posio mais inclinada.
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. . . . . . . .
Ponto de projeto
.
Curva do sistema
3
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100
8.11 Cavitao Altura da Instalao das Bombas
8.11.1 Introduo
Convm salientar que a cavitao um fenmeno observvel em lquidos,
no ocorrendo sob quaisquer condies normais em slidos ou gases.
Pode-se comparativamente associar a cavitao ebulio em um liquido:
Ebulio: um lquido "ferve" ao elevar-se a sua temperatura, com a
presso sendo mantida constante. Sob condies normais de presso (760mm
Hg), a gua ferve a 100o C.
Cavitao: um lquido "ferve" ao diminuir sua presso, com a temperatura
sendo mantida constante. temperatura de 20o C a gua ferve presso
absoluta de 0,24 m.c.a = 17,4 mm Hg. A presso com que o lquido comea a
ferver chama-se presso de vapor ou tenso de vapor. A tenso de vapor
funo da temperatura (diminu com a diminuio da temperatura).
Um lquido ao atingir a presso de vapor libera bolhas de ar (bolhas de
vapor), dentro das quais o lquido se vaporiza.
8.11.2 Ocorrncia da Cavitao
O aparecimento de uma presso absoluta entrada da bomba, menor ou
igual a presso de vapor do lquido, na temperatura em que este se encontra,
poder ocasionar os seguintes efeitos (Figura 64):
- Se a presso absoluta do lquido na entrada da bomba for menor ou igual
presso de vapor e se ela (a presso) se estender a toda a seo do
escoamento, poder formar-se uma bolha de vapor capaz de interromper o
escoamento.
- Se esta presso for localizada a alguns pontos da entrada da bomba, as bolhas
de vapor liberadas sero levadas pelo escoamento para regies de altas
presses (regio de sada do rotor). Em razo da presso externa maior que a
presso interna ocorre a imploso das bolhas (colapso das bolhas), responsvel
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101
pelos seguintes efeitos distintos da cavitao (ocorrem simultaneamente esses
efeitos):
Figura 64 Ilustrao de bomba com cavitao.
a) Efeito qumico - com as imploses das bolhas so liberados ons livres de
oxignio que atacam as superfcies metlicas (corroso qumica dessas
superfcies).
b) Efeito mecnico - atingindo a bolha regio de alta presso, seu dimetro ser
reduzido (inicia-se o processo de condensao da bolha), sendo a gua
circundante acelerada no sentido centrpeto. Com o desaparecimento da
bolha, ou seja: com a condensao da bolha as partculas de gua
aceleradas se chocam cortando umas o fluxo das outras, provocando o
chamado golpe de arete e com ele uma sobre presso que se propaga em
sentido contrrio, golpeando com violncia as paredes mais prximas do
rotor e da carcaa, danificando-as (Figura 65).
8.11.3 Altura Mxima de Suco das Bombas
Para que uma bomba trabalhe sem cavitar, torna-se necessrio que a
presso absoluta do lquido na entrada da bomba, seja superior presso de
vapor, temperatura de escoamento do lquido. A equao de Bernoulli
desenvolvida entre o nvel da gua no reservatrio (0) e a entrada da bomba (1)
pode ser apresentada por (fazendo p1 = pv (presso de vapor)):
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Figura 65 Efeito da cavitao no interior da bomba.
hs g2
vvppHs
21
2ovatm
+
(1)
Pode-se notar que pv, v1 e hs agem desfavoravelmente, ou seja, quanto
maiores, menor dever ser a altura de suco. Os valores de v1 e hs podero
ser reduzidos, utilizando-se tubulaes de suco com dimetros grandes. O
valor de pv pode ser reduzido operando com lquidos baixa temperatura.
Na expresso (1), patm e pv so tabelados. Na falta de tabela, a presso
atmosfrica poder ser calculada por:
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103
A 0012,010patm =
; em que A = altitude em metros.
Presso de Vapor e densidade da gua.
Temperatura (oC) Tenso de Vapor
mm Hg kgf.cm-2 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120
12,7 17,4 23,6 31,5 41,8 54,9 71,4 92,0 117,5 148,8 136,9 233,1 288,5 354,6 433,0 525,4 633,7 760,0 906,0 1075,0 1269,0 1491,0
0,0174 0,0238 0,0322 0,0429 0,0572 0,0750 0,0974 0,1255 0,1602 0,2028 0,2547 0,3175 0,3929 0,4828 0,5894 0,7149 0,8620 1,0333 1,2320 1,4609 1,7260 2,0270
Na expresso 1, foi levada em conta apenas a perda de carga existente
at entrada da bomba. Considerando-se que as bolsas de vapor sero levadas
para a sada do rotor, devemos adicionar referida expresso a perda de carga
H* que leva em conta a perda existente entre a entrada da bomba e a sada do
rotor (porque na sada que ocorre o colapso das bolhas). Essa perda no
calculada pelas expresses usuais de perda de carga.
Sendo assim, a expresso (1) pode ser rescrita como:
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104
*Hhsg2
vvppHs
21
2ovatm
+
(2)
H* tem muita importncia no clculo da Hsmax; juntamente com g2
v 21 constituem
as grandezas relacionadas com a bomba.
8.11.4 NPSH disponvel na instalao e NPSH requerido pela bomba
NPSH Net positive suction Head.
APLS Altura positiva lquida de suco.
Pela equao (3), separando o primeiro membro as grandezas que
dependem das condies locais da instalao (condies ambientais) e no
segundo membro as grandezas relacionadas com a bomba (desprezando-se vo),
tem-se:
g2
v*Hhs
ppmaxHs
21vatm +
+
, ou
4342144444 344444 21
)bombapela(requeridoNPSH
21
)instalaona(disponvelNPSH
vatm
g2
v*H hs
pmaxHs
p+
+
+
NPSHd NPSHr
NPSHd uma preocupao do tcnico de campo.
NPSHr geralmente fornecido pelo fabricante.
8.11.5 Medidas destinadas a dificultar o aparecimento da cavitao, por
parte do usurio
a) trabalhar com lquidos frios (menor temperatura, menor pv);
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105
b) tornar a linha de suco a mais curta e reta possvel (diminui a perda de
carga); e
c) selecionar o dimetro da tubulao de suco de modo que a velocidade no
ultrapasse a 2 m s-1 (diminui a perda de carga).
Ainda com relao ao projeto proposto, verificar se a bomba escolhida
correr risco de cavitar:
Estudo quanto cavitao.
m0,6Ls;mm200Ds;m0,69Hm;hm175Q 13 ====
m0,3NPSHr = (retirado do catlogo do fabricante valor em destaque)
m400Altitude =
C25T o=
m52,9100
400 12,00,10
patm=
=
mca322,0pv
=
(Tabelado)
m2,63Lvs =
( )( ) ( )
m6362,0 2,63 200,0 145
04861,0 641,10hts
87,485,1
85,1==
( ) m56,46362,00,4322,052,9htsHspvpatmNPSHd =++=
++
=
Como rd NPSHNPSH > , a bomba no cavitar.
8.12 Associao de Bombas
Razes de naturezas diversas levam necessidade de se associar
bombas:
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106
a) inexistncia no mercado de bombas que possam, isoladamente, atender a
vazo de demanda;
b) inexistncia no mercado de bombas que possam, isoladamente, atender a
altura manomtrica de projeto;
c) aumento da demanda com o decorrer do tempo.
As associaes podem ser em paralelo ou em srie (Figura 66). As razes
(a) e (c) requerem a associao em paralelo e a razo (b), associao em srie.
Figura 66 Associao de bombas em paralelo (a) e em srie (b).
8.12.1 Associao em Paralelo
Para a obteno da curva caracterstica das bombas associadas em
paralelo as vazes se somam para uma mesma altura manomtrica. Esta
associao muito utilizada em abastecimento de gua de cidades e em
indstrias.
Uma bomba de dupla suco possui dois rotores em paralelo, onde as
vazes se somam para a mesma altura manomtrica ( um caso particular de
associao em paralelo).
a b
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A interseo entre a curva caracterstica da associao e a curva
caracterstica do sistema indica o ponto de trabalho da associao em paralelo.
A seguir apresentando um esquema da associao em paralelo:
Figura 67 Curvas caractersticas de uma associao em paralelo.
8.12.2 Associao em Srie
Para traado da curva caractersticas das bombas associadas em srie,
as alturas manomtricas se somam para uma mesma vazo. Nas bombas de
mltiplos estgios os rotores esto associados em srie numa mesma carcaa.
Na associao em srie, deve se ter o cuidado de verificar se a flange da suco
e a carcaa a partir da segunda bomba suportam as presses desenvolvidas.
Observando a Figura 68, se a bomba B for desligada, a bomba A no
conseguir vencer a altura manomtrica (curva caracterstica do sistema se situa
acima da curva da bomba A). Haver recirculao do lquido e sobre
aquecimento do mesmo (situao perigosa).
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Figura 68 Curvas caractersticas de uma associao em srie.
8.13 Bombas com dispositivos especiais
8.13.1 Bomba centrfuga com injetor
Esta bomba permite que o motor e o corpo da bomba sejam localizados
na superfcie do terreno. A bomba , geralmente, de eixo horizontal que tem
como princpio bsico, o retorno de uma certa quantidade de gua do tubo de
elevao que desce at o injetor mergulhado na gua (Figura 69). Esta
quantidade de gua cria, pelo princpio dos tubos Venturi, um vcuo acima do
injetor, que somado alta velocidade da gua, faz com que o lquido se eleve
at o limite de suco da bomba. Com isso, uma bomba centrfuga comum que
s consegue aspirar uma coluna de 5 a 6 m, pode passar a ter uma altura de
suco muito maior, havendo casos de suces a 60 metros.
A simplicidade de instalao da bomba injetora nem sempre
compensada pelo seu baixo rendimento mecnico, causado pela perda por atrito
na tubulao de retorno da gua e no tubo Venturi, alm das perdas comuns a
outros tipos de Bombas. Da seu uso no muito generalizado.
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Figura 69 Bomba centrfuga com injetor.
8.13.2 Bomba centrfuga auto-escorvante ou auto-aspirante
Especialmente usadas em pequenos trabalhos de irrigao, as bombas
centrfugas auto-escorvante apresentam a vantagem de no necessitar do uso
de vlvula de p no tubo de suco e de no exigir que este esteja cheio de
gua para dar incio ao funcionamento da bomba.
Fazendo parte do corpo da bomba h uma ampla cmara, que recebe a
gua enquanto vai ocorrendo a escorva automtica do conjunto. Aps o
enchimento do corpo da bomba e posto o motor a funcionar, a gua dentro do
rotor impelida para a cmara (Figura 70 a). Este movimento cria,
instantaneamente, um vcuo no centro do rotor, que aspira ar do tubo de suco
e gua de dentro da cmara. Estes se misturam na periferia do rotor e so
impelidos para a cmara, onde o ar se separa da gua por diferena de
densidade. Esta, pela fora da gravidade, desce para o rotor e, ao ser
novamente impelida para a cmara, nova quantidade de ar do tubo de suco
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aspirada, repetindo-se o ciclo, at a chegada da gua de suco, isto , at a
escorva da bomba.
Uma vez completada a escorva e, conseqentemente, eliminado todo o
ar, as passagens 1 e 2 (Figura 70 b) se transformam em uma passagem comum,
sem circulao interna, e o bombeamento se processa normalmente. Uma
vlvula de reteno interna, semelhante vlvula de p, situada na ligao do
tubo de suco com a bomba, fechando-se automaticamente, quando a bomba
pra de funcionar, mantm a coluna lquida nos tubos e na bomba, pois retm a
gua do tubo de elevao e, por no permitir a passagem de gua ou ar, segura
tambm, por suco, a coluna do tubo de aspirao da bomba, deixando todo o
conjunto escorvado e pronto para funcionar normalmente.
Figura 70 Corte esquemtico de uma bomba centrfuga auto-escorvante.
a b