Aula 10: Bombas Hidrodinâmicas e Sistemas de Bombeamento

1 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA SUPERIOR DE AGRICULTURA LUIZ DE QUEIROZ DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE BIOSSISTEMAS LEB 0472 HIDRÁULICA Prof Fernando Campos Mendonça AULA 10 ROTEIRO Tópicos da aula 1 Bombas hidrodinâmicas sistemas constituintes 2 Rotores 3 Terminologia utilizada em sistemas de recalque 4 Curvas características das bombas hidrodinâmicas 5 Projeto de um sistema de recalque 6 Exercício para entrega Provinha Aula 10 2 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA SUPERIOR DE AGRICULTURA LUIZ DE QUEIROZ DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE BIOSSISTEMAS LEB 0472 HIDRÁULICA Prof Fernando Campos Mendonça Aula 10 Bombas Hidráulicas e Sistemas de Bombeamento 1 Bombas Hidrodinâmicas Sistemas constituintes 11 SFH Sistema Fixo Hidrodinâmico Carcaça seção de entrada e seção de saída Função guiar o líquido 12 SRH Sistema Rotativo Hidrodinâmico Rotor eixo e acoplamento motoreixo Função fornecer energia ao líquido 3 13 Sistemas Auxiliares a Apoio pelo menos 2 mancais b Vedação isola o eixo na transição do meio externo para o interno Gaxeta cordão de amianto entrelaçado Ajustes devido ao desgaste Selo mecânico estanque sem ajustes c Lubrificação óleo graxa Grandes bombas possuem lubrificação forçada 2 Rotores 21 Tipos a Abertos líquidos com sólidos em suspensão b Fechados líquidos sem sólidos em suspensão 22 Número a Monoestágio apenas um rotor b Multiestágio mais de um rotor pressões mais elevadas 4 3 Terminologia 31 Sucção e recalque SUCÇÃO HgS altura geométrica de sucção hfS perda de carga na sucção HmS altura manométrica de sucção HmS HgS hfS RECALQUE HgR altura geométrica de recalque hfR perda de carga no recalque HmR altura manométrica de recalque HmR HgR hfR SISTEMA DE BOMBEAMENTO HmT altura manométrica total HmT HmS HmR 5 32 Potência a Potência hidráulica Pothid Pothid x Q x Hm b Potência absorvida Pabs Pabs 𝑃𝑜𝑡ℎ𝑖𝑑 𝜂𝑏 b rendimento da bomba c Potência do motor elétrico Potência necessária na bomba Potência do motor elétrico HP ou CV CV kW 0 04 075 88 055 041 07 100 144 a 43 074 071 12 150 111 a 25 110 121 16 200 65 a 25 147 161 150 20 de folga 150 15 de folga d Potências nominais de motores elétricos padronizados Norma ABNT em CV 112 18 16 14 13 12 34 1 15 2 3 4 5 6 75 10 125 15 20 25 30 40 50 60 75 100 125 150 200 4 Curvas características das bombas hidrodinâmicas Provenientes de ensaios de bombas a uma rotação constante Rotações mais utilizadas rotação dos motores elétricos 3500 RPM 1750 RPM 1120 RPM casual 6 41 Curva Vazão x Pressão Q x Hm Bombas geralmente têm várias opções de rotores diâmetros variados Cada rotor tem sua própria curva 42 Curva Vazão x Rendimento Q x b Capacidade de conversão de energia motriz motor em hidráulica bomba 43 Curva Vazão x Potência Q x Pot Junto com a curva Q x b é utilizada para calcular o consumo de energia e escolher o motor da bomba 44 NPSH Net Positive Suction Head ou APLS altura positiva líquida de sucção NPSHd disponível disponibilidade de energia com que o líquido entra na bomba Depende das condições locais Característica da instalação da bomba 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑 𝑃𝑎𝑡𝑚 𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙 𝛾 𝐻𝑔𝑠 ℎ𝑓𝑠 𝐻𝑉 Hv pressão de vapor do líquido NPSHr requerido limite de pressão de sucção no qual o desempenho em perda de carga total da bomba é reduzido em 3 devido à cavitação É a energia que deve estar disponível no interior da bomba para evitar a cavitação NPSHr é fornecido pelo fabricante Cavitação fenômeno em que o líquido atinge pressão inferior à pressão atmosférica Patm de tal monta que se torna inferior à sua pressão de vapor Hv O líquido entra em ebulição à temperatura ambiente e transformase em vapor Em seguida recebe um acréscimo de energia das pás do rotor e a pressão tornase superior à Patm Nesse momento ocorrem explosões de curta duração mas de grande intensidade 7 Efeito erosão de partículas metálicas da cavidade de bombeamento e do rotor Para evitar a cavitação NPSHd NPSHr Observando a equação do NPSHd 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑 𝑃𝑎𝑡𝑚 𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙 𝛾 𝐻𝑔𝑠 ℎ𝑓𝑠 𝐻𝑉 Concluise que os únicos termos em que é possível modificar são Hgs e hfs hfs é função do material e do comprimento da tubulação de sucção Hgs é o desnível da água à sucção da bomba a Altura máxima de sucção 𝐻𝑔𝑆 𝑚𝑎𝑥 𝑃𝑎𝑡𝑚 𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙 𝛾 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑟 ℎ𝑓𝑠 𝐻𝑉 b Casa de bombas flutuante c Casa de bombas móvel d Bomba auxiliar em série 8 42 Exemplos 421 Dados Altitude 900 m Líquido água a 30oC Hv 0433 mca Sucção Hgs 4 m Q 35 m3h hfs 1 mca NPSHr 6 mca catálogo da bomba Pedese a O NPSHd b Verificar se haverá cavitação c Determinar a máxima altura geométrica de sucção para evitar a cavitação Solução a 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑 𝑃𝑎𝑡𝑚 𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙 𝛾 𝐻𝑔𝑠 ℎ𝑓𝑠 𝐻𝑉 𝑃𝑎𝑡𝑚 𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙 1033 012 900 100 925 𝑚𝑐𝑎 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑 925 4 1 0433 NPSHd 3817 mca b NPSHr NPSHd haverá cavitação c Para não haver cavitação 𝐻𝑔𝑆 𝑚𝑎𝑥 𝑃𝑎𝑡𝑚 𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙 𝛾 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑟 ℎ𝑓𝑠 𝐻𝑉 𝐻𝑔𝑆 𝑚𝑎𝑥 925 6 1 0433 HgsMax 1817 mca 9 5 Projeto de um sistema de recalque 51 Passos para o dimensionamento a Definir o diâmetro da tubulação de recalque DR b Calcular a perda de carga no recalque hfR c Calcular a altura manométrica de recalque HmR d Definir o diâmetro da tubulação de sucção DS e Calcular a perda de carga na sucção hfS f Calcular a altura manométrica de sucção HmS g Calcular a altura manométrica total h Dimensionar a bomba i Dimensionar o motor j Calcular o NPSHd k Verificar o risco de cavitação l Determinar a máxima altura de sucção Esquema Figura no caderno Dados 1 Cotas a Nível da água 96 m b Bomba 100 m c Reservatório 134 m 2 Altitude local 500 m 3 Comprimentos a Recalque LR 300 m b Sucção LS 10 m 4 Líquido água a 20oC Hv 0239 mca Vazão Q 30 m3h 5 Material da tubulação PVC C 150 6 Acessórios a Sucção 1 válvula de pé com crivo 1 curva 90o raio longo 1 redução excêntrica 10 b Recalque 1 válvula de retenção 1 registro de gaveta 3 curvas 90o raio longo Solução a Cálculos preliminares Hgs 100 96 4 m Hgr 134 100 34 m Patm local 1033 012 x 500 100 973 mca b Diâmetro de sucção Critério de velocidade de escoamento V 10 ms 𝐷 4 𝑄 𝜋 𝑉 𝐷 4 00083 𝜋 10 0 m mm Diâmetros comerciais disponíveis 100 mm e 125 mm DI 976 mm e 120 mm Velocidade de escoamento c Dc 𝑉 4 𝑄 𝜋 𝐷2 D 100 mm 𝑉 4 00083 𝜋 009762 111 ms D 125 mm 𝑉 4 00083 𝜋 01202 073 ms Diâmetro escolhido 100 mm DI 976 mm c Perdas de carga na sucção 𝐽 1065 𝑄 𝐶 1852 1 𝐷487 𝐽 1065 00083 150 1852 1 00976487 00117 mm 11 Perdas de carga localizadas Le 1 válvula de pé com crivo Le 1 x 183 m 183 m 1 redução excêntrica Le 1 x 04 m 04 m 1 curva 90o raio longo Le 1 x 21 m 21 m Total Le 208 m L L Le 10 208 308 m hfR 00117 x 308 04 mca d Altura manométrica de sucção HmS HgS hfS Hms 4 04 44 m e Diâmetro de recalque Critério de velocidade de escoamento V 12 ms 𝐷 4 𝑄 𝜋 𝑉 𝐷 4 00083 𝜋 12 0094 m 94 mm Diâmetros comerciais disponíveis 100 mm e 75 mm DI 976 mm e 725 mm Velocidade de escoamento c Dc 𝑉 4 𝑄 𝜋 𝐷2 D 100 mm 𝑉 4 00083 𝜋 009762 11 ms D 75 mm 𝑉 4 00083 𝜋 007252 20 ms Diâmetro escolhido 100 mm f Perdas de carga no recalque 𝐽 1065 𝑄 𝐶 1852 1 𝐷487 𝐽 1065 00083 150 1852 1 00976487 00117 mm 12 Perdas de carga localizadas Le 1 válvula de retenção Le 1 x 64 m 64 m 1 registro de gaveta Le 1 x 07 m 07 m 3 curvas 90o raio longo Le 3 x 21 m 63 m Total Le 134 m L L Le 300 134 3134 m hfR 00117 x 3134 37 mca g Altura manométrica de recalque HmR HgR hfR HmR 34 37 377 mca h Altura manométrica total HmT HmS HmR 44 377 HmT 421 mca i Cálculo do NPSHd NPSHd Patm HgS hfS Hv Água a 20oC Hv 0239 mca NPSHd 973 4 04 0239 NPSHd 5091 mca 50 mca j Escolha e dimensionamento da bomba e motor HmT 421 mca Thebe RL16 3500 RPM Q 30 m3h Rotor 155 mm NPSHd 50 mca 65 Potência absorvida pela bomba Pabs γ Q Hm 75 η Pabs 1000 00083 421 75 065 72 cv Potência do motor Pm 12 x 72 87 cv 10 cv 13 k Risco de cavitação Catálogos Bomba Thebe RL16 Curvas no catálogo Q 30 m3h NPSHr 27 mca NPSHd 50 mca NPSHd NPSHr Sem risco de cavitação l Máxima altura de sucção Thebe RL16 Hgsmax Patm NPSHr hfs Hv Hgsmax 973 27 04 0239 62 m 6 Exercício 10 Provinha LEB 0472 Hidráulica Nome Data Dados Q 30 m3h HmT 40 mca Bomba Thebe RL16 Catálogo entregue durante a aula Pedese a O diâmetro do rotor a utilizar b O rendimento da bomba c A potência necessária no eixo Pabs em cv d A potência do motor a utilizar Pm em cv e O motor padronizado a adquirir