Hidráulica dos Sistemas de Recalque

Hidráulica HIDRÁULICA DOS SISTEMAS DE RECALQUE 1 Profa Albanise Barbosa Marinho Agosto de 2023 Universidade Federal da Paraíba UFPB Centro de Tecnologia CT Departamento de Engenharia Civil e Ambiental DECA 2 1 Instalações de recalque Um dos problemas mais frequentes da Hidráulica é o transporte de líquidos de um ponto para outro Se o transporte for feito em sentido descendente aproveitase a energia potencial do líquido o transporte é feito por gravidade Se o sentido for ascendente há necessidade de se fornecer energia ao líquido isso é feito pela bomba através do sistema de recalque 3 Um sistema de recalque ou elevatório é o conjunto de tubulações acessórios bombas e motores necessário para transportar uma certa vazão de água ou qualquer outro líquido de um reservatório inferior R1 na cota Z1 para outro reservatório superior R2 na cota Z2 Z1 por meio de bombeamento Sistema de recalque Nos casos mais comuns de sistema de abastecimento de água ambos os reservatórios estão abertos para a atmosfera e com níveis constantes o que permite tratar o escoamento como permanente 1 Instalações de recalque Um sistema de recalque é composto normalmente por três partes a Tubulação de Sucção é a tubulação que liga o reservatório inferior à bomba Inclui acessórios tais como válvula de pé crivo registros curvas reduções etc b Conjunto MotorBomba é o coração do sistema que transforma energia elétrica em mecânica e a transmite ao líquido c Tubulação de Recalque é a canalização que liga a bomba ao reservatório superior Inclui acessórios como registros válvulas de retenção curvas manômetros etc 4 Válvula de pé com crivo Válvula de pé com crivo Mantém tubo sucção CHEIO 7 Obs As tubulações de sucção e de recalque funcionam em escoamento permanente e uniforme daí podese resolver os seus problemas basicamente pelas equações da conservação da energia Teorema de Bernoulli e da conservação da massa equação da continuidade 1 Instalações de recalque 8 Tubulação de sucção Usar diâmetro comercial imediatamente superior ao diâmetro de recalque A canalização de sucção deve ser a mais curta possível evitando ao máximo peças especiais como curvas cotovelos etc A tubulação de sucção deve ser sempre ascendente até atingir a bomba A altura máxima de sucção acrescida das perdas de carga deve satisfazer as especificações estabelecidas pelo fabricante 9 Tubulação de recalque Na tubulação de recalque geralmente encontramos as seguintes peças Ampliação concêntrica para ajuste do diâmetro Válvula de retenção unidirecional que impede que o peso da coluna de água seja sustentado pela bomba o que poderia desalinhála e impede o refluxo do líquido fazendo a bomba funcionar como turbina o que lhe provocaria danos Válvula de gaveta com função de regular a vazão e permitir reparos no sistema Tubulação de recalque 11 11 Tubulações órgãos e dispositivos auxiliares 12 a1 Filtro ou crivo Tem por finalidade evitar a entrada de corpos estranhos na bomba folhas galhos etc Deve ter uma área útil de passagem superior a seção da tubulação de sucção O crivo serve como o primeiro filtro do sistema Necessita de limpezas periódicas 11 Tubulações órgãos e dispositivos auxiliares a Órgãos acessórios da sucção 13 11 Tubulações órgãos e dispositivos auxiliares a2 Válvula de pé É uma peça conectada na extremidade da tubulação de sucção em instalações de bombas não afogadas Assegura passagem de água somente no sentido poçobomba Com isso mantém a tubulação de sucção sempre cheia de água mesmo quando cessa a sucção a Órgãos acessórios da sucção 14 a3 Tubo de sucção a4 Curva de raio longo Utilizada quando a tubulação de Sucção tem um trecho vertical e outro horizontal Curvas curtas geram mudanças bruscas no escoamento da água aumentando a hf localizada Além disso podem favorecer o acúmulo de ar 11 Tubulações órgãos e dispositivos auxiliares 15 a5 Redução excêntrica Excêntrica porque o centro da seção de entrada não está alinhado com o centro da seção de saída ou seja as aberturas não têm o mesmo centro A redução do diâmetro na entrada da bomba deve ser excêntrica para evitar acumulação de ar Liga dois tubos de diâmetros diferentes contudo por ser excêntrica mantem os dois tubos na mesma linha em um dos lados 11 Tubulações órgãos e dispositivos auxiliares Parte retilínea para cima Esgoto 16 a6 Vacuômetro Indica a pressão negativa ou vácuo parcial na entrada da bomba 11 Tubulações órgãos e dispositivos auxiliares b Órgãos acessórios do recalque b1 Manômetro Indica a pressão na saída da bomba Tem o significado da carga positiva conferida pela bomba à água observada no ponto de medição b Órgãos acessórios do recalque b2 Ampliação concêntrica Estabelece a ligação entre a saída da bomba e a tubulação de recalque Na saída da Bomba encontrase um diâmetro normalmente menor que o da Linha de Recalque Devese adotar uma Ampliação Concêntrica assumindo que a saída da Linha de Recalque se inicia como uma tubulação vertical 19 b3 Válvula de retenção Destinada a manter o fluxo numa só direção é instalada na linha de recalque para evitar que numa inesperada paralisação do bombeamento a água retorne com grande impacto golpe de aríete e atue diretamente contra a bomba São peças robustas fabricadas em ferro fundido ou aço e de dimensões avantajadas b Órgãos acessórios do recalque Válvula de retenção horizontal são indicadas para serviços em linhas de fluídos em geral e vapor Válvula de retenção com portinhola O fluxo irá fluir no sentido de escoamento levantando a portinhola que não permitirá o retorno A grande vantagem desse tipo de válvula é sua passagem reta proporcionando pequena perda de carga Válvula de retenção vertical se aplica tão somente em fluxos ascendentes e portanto concebida para operar sempre na posição vertical 20 Válvulas de retenção Válvula de retenção horizontal Válvula de retenção com portinhola Válvula de retenção vertical Válvula de retenção em PVC 21 b4 Registro de gaveta Colocado na tubulação de recalque logo após a válvula de retenção suas funções são de regular a vazão e permitir reparos na válvula de retenção b5 Tubulação de recalque b6 Curva de raio longo b Órgãos acessórios do recalque Figura Esquema de um sistema de recalque 2 Altura geométrica ou altura estática Hg 23 Altura geométrica é o desnível estático que a vazão de um líquido qualquer deve vencer para passar do reservatório inferior R1 ao reservatório superior R2 𝐻𝑔 𝐻𝑠 𝐻𝑟 Onde Hs altura estática de sucção Hr altura estática de recalque 2 Altura geométrica ou altura estática Hg 24 21 A altura de sucção Hs é a distância vertical do NA do reservatório inferior R1 ao eixo da bomba Poderá ser negativo ou positivo dependendo da posição do eixo da bomba em relação ao NA do reservatório inferior R1 Será positiva quando o NA do R1 estiver abaixo do eixo da bomba e negativa em caso contrário 2 Altura geométrica ou estática HG 25 Fonte SOARES 2012 Máquinas Hidráulicas NA Altura Geométrica Altura de recalque Altura sucção Bomba NA 2 Altura geométrica ou estática HG 27 2 Altura geométrica ou altura estática Hg 28 A altura de recalque Hr é a distância vertical do eixo da bomba ao ponto de descarga do recalque se o recalque for afogado tomamos como referência o NA do reservatório superior R2 3 Altura manométrica Hm Altura manométrica ou altura total de elevação é a carga que a bomba deve fornecer para que o líquido seja transportado de R1 para R2 𝐻𝑚 𝐻𝐺 𝐻 A perda de carga total compreende as perdas de carga distribuídas e as localizadas que ocorrem tanto no trecho de sucção quanto no de recalque HG altura geométrica HG Hs Hr ΣH somatório das perdas de carga na sucção e recalque 29 3 Altura manométrica Hm 𝐻𝑚 𝐻𝐺 𝐻 𝐻𝑟 𝐽𝑟 𝐿𝑟 σ 𝑘 𝑉𝑟2 2𝑔 30 𝐻𝑠 𝐽𝑠 𝐿𝑠 σ 𝑘 𝑉𝑠2 2𝑔 𝐻 𝐻𝑟 𝐻𝑠 𝐻𝑚 𝐻𝐺 𝐻𝑟 𝐻𝑠 31 4 Potência dos conjuntos elevatórios É a potência necessária para que a vazão Q seja transportada do reservatório R1 ao R2 𝑃 𝛾 𝑄 𝐻𝑚 𝜂 75 Onde P potência em CV peso específico do fluido bombeado em kgfcm3 Q vazão em m3s Hm altura manométrica em m rendimento global do conjunto motobomba 32 4 Potência dos conjuntos elevatórios 33 5 Diâmetro econômico da linha de recalque A escolha do diâmetro econômico pode ser feita por meio de critérios ditos práticos velocidade econômica fórmulas empíricas Bresse e ABNT ou análise econômica Pela equação da continuidade 𝑄 𝐴 𝑥 𝑉 sabese que uma mesma vazão pode ser conduzida em tubulações de diferentes diâmetros internos Alterandose o diâmetro interno da tubulação a velocidade média de escoamento também se modifica como consequência 34 5 Diâmetro econômico da linha de recalque Existe um diâmetro de recalque conveniente para o qual o custo das instalações é mínimo 51 O critério econômico considera não somente o custo da tubulação mas também as despesas de operação energia Logo são analisados dois custos Custo I Custos de investimentos representa o custo das tubulações assentamento e da Energia elétrica Custo II Custo operacional representa o custo com despesas de operação manutenção da bomba e energia 35 Considerações econômicas Custos de instalação e de operação Custos de instalação bomba motor tubulação e acessórios Os preços das bombas dependem do tamanho determinado pela vazão pressão e rendimento A pressão é influenciada pelas perdas na tubulação que são inversamente proporcionais ao diâmetro quanto maior o diâmetro menor a perda de carga A redução na pressão diminui também a potência do motor 36 Considerações econômicas Custos de operação número de horas de operação diárias determinando o consumo de energia O rendimento da bomba merece consideração Nos casos em que o uso é de poucas horas por dia podese considerar a diminuição da vazão e com isso o tamanho da bomba e da potência estendendo o serviço por mais horas se for conveniente 5 Diâmetro econômico da linha de recalque Maior perda de carga Exige maior potência do conjunto motobomba Maior custo do conjunto elevatório Maiores gastos com energia embora o custo da tubulação seja menor Análise Diâmetro menor que DR Velocidades altas Altura manométrica maior 5 Diâmetro econômico da linha de recalque Análise Diâmetro maior que DR Maior despesa na implantação custos elevados Menor perda de carga Menor altura manométrica Exige menor potência Menor gasto de energia Velocidade de escoamento menor 5 Diâmetro econômico da linha de recalque Na escolha do diâmetro a nível de projeto devese escolher uma faixa de diâmetro que leve a um CUSTO TOTAL MÏNIMO somandose os custos de investimento e de operação da instalação de bombeamento Exemplo de uma simulação utilizando o chamado critério do custo total mínimo para definição do diâmetro de uma instalação de bombeamento 5 Diâmetro econômico da linha de recalque 52 Critério das velocidades econômicas Velocidade na sucção Vs 15 m s1 no máximo 20 m s1 Velocidade no recalque Vr 25 m s1 no máximo 30 m s1 𝑫 𝟒𝑸 𝝅 𝑽 Admitir o diâmetro comercial imediatamente superior ao calculado para sucção e o imediatamente inferior para o recalque Quanto maior a velocidade de escoamento maior é a perda de carga e por sua vez aumenta o risco de corrosão e também a sensibilidade aos efeitos do golpe de aríete Em função disso a velocidade de escoamento nas tubulações de recalque deve estar dentro dos limites sendo a faixa mais utilizada 1 a 2 m s1 41 Exemplo 01 Estimar o diâmetro de recalque através do método das velocidades econômicas para uma estação elevatória com capacidade para 35 m3 h1 42 53 Critério utilizando a fórmula de Bresse É recomendado sua utilização quando o sistema tem funcionamento contínuo ou seja 24 horas por dia 𝑫𝒓 𝑲 𝑸 𝑲 𝟒 𝝅𝑽 DR diâmetro de recalque em m Q vazão em m³ s1 K coeficiente econômico que consiste na relação entre os custos com tubulação investimento e os com a operação da instalação operacional é usualmente 12 varia de 08 a 15 5 Diâmetro econômico da linha de recalque Como o valor do diâmetro calculado raramente coincide com o valor padronizado comercialmente é comum adotar o diâmetro comercial mais próximo ao calculado Para o diâmetro da tubulação de sucção adotase o diâmetro comercial imediatamente superior ao diâmetro adotado para o recalque 43 5 Diâmetro econômico da linha de recalque Diâmetro econômicos em função da vazão para os valores usuais de K 44 Uma adutora está sendo projetada para transportar uma vazão contínua de 36 m3 h1 Estime o diâmetro econômico para a tubulação de recalque com velocidade máxima de 2 m s1 Exemplo 02 45 5 Diâmetro econômico da linha de recalque 54 Critério utilizando a fórmula da ABNT NB 9266 É recomendada para utilização em que o sistema tem funcionamento intermitente ou seja não contínuo 24 hdia T número de horas de funcionamento da bomba por dia 𝑫𝑹 𝟏 𝟑 𝑻 𝟐𝟒 𝟎𝟐𝟓 𝑸 𝑫𝑹 𝟎 𝟓𝟖𝟔𝑻𝟎𝟐𝟓 𝑸 Quando o diâmetro calculado não coincidir com o diâmetro comercial adotase o diâmetro comercial mais próximo para a tubulação de recalque e imediatamente acima para a tubulação de sucção 46 Exemplo 03 Um projeto de irrigação é abastecido por uma estação de bombeamento que bombeia 36 m3h de água durante oito horas por dia Estimar os diâmetros econômicos para as tubulações de sucção e recalque Estimase que um edifício com 55 pequenos apartamentos seja habitado por 275 pessoas A água de abastecimento é recalcada do reservatório inferior para o superior por meio de conjuntos elevatórios Dimensionar a linha de recalque admitindo um consumo diário provável de 200 L hab1 máximo As bombas terão capacidade para recalcar o volume consumido diariamente em apenas 6 horas de funcionamento Exemplo 04 albanisemarinhoacademicoufpbbr