Maquinas de Fluxo

Público MÁQUINAS DE FLUXO Roteiro Aula Prática 2 Público ROTEIRO DE AULA PRÁTICA NOME DA DISCIPLINA MÁQUINAS DE FLUXO Unidade U1 Fundamentos de máquina de fluxo análise de turbomáquinas e curvas características de bombas centrífugas Aula A3 Curvas características de bombas centrífugas OBJETIVOS Definição dos objetivos da aula prática Obter as curvas características de uma bomba centrífuga Analisar as curvas características obtidas SOLUÇÃO DIGITAL Microsoft Excel O Microsoft Excel mais conhecido por apenas Excel é um editor de planilhas produzido pela Microsoft para computadores que utilizam o sistema operacional Microsoft Windows além de computadores Macintosh da Apple Inc e dispositivos móveis como o Windows Phone Android ou o iOS Microsoft Excel com licença estudantil httpswwwmicrosoftcompt breducationproductsoffice PROCEDIMENTOS PRÁTICOS E APLICAÇÕES ProcedimentoAtividade nº 1 Determinação das curvas características de uma bomba centrífuga Atividade proposta Calcular e traçar as curvas características de uma máquina de fluxo utilizando dados fornecidos e o software Excel Os alunos deverão realizar cálculos para determinar a Altura Manométrica H Potência Hidráulica Ph e Mecânica Pm e Eficiência n da máquina em função da Vazão Volumétrica Q e traçar as respectivas curvas HQ PxQ e nxQ 3 Público Procedimentos para a realização da atividade As bombas centrífugas são amplamente utilizadas em indústrias e sistemas de bombeamento de água por sua capacidade de movimentar grandes volumes de fluido com eficiência Elas operam convertendo energia mecânica em energia hidráulica através da rotação de um impulsor Quando o fluido entra no centro do impulsor ele é acelerado e empurrado para a periferia pela força centrífuga aumentando sua velocidade e pressão Uma das principais ferramentas para avaliar o desempenho de uma bomba centrífuga são suas curvas características Elas fornecem informações cruciais sobre como a bomba responde a diferentes condições operacionais permitindo otimizar seu uso em várias aplicações Curva H Q Altura Manométrica vs Vazão Mostra a relação entre a altura manométrica ou seja a pressão gerada pela bomba e a vazão volumétrica Normalmente à medida que a vazão aumenta a altura manométrica diminui Esse comportamento ocorre porque a bomba tem um limite de energia que pode ser transferido ao fluido e com maior quantidade de fluido vazão maior a capacidade de gerar pressão é reduzida Curva PQ Potência vs Vazão Relaciona a potência absorvida pela bomba e a vazão À medida que a vazão aumenta a bomba requer mais energia para manter o fluxo resultando em um aumento da potência consumida Essa informação é essencial para garantir que a bomba esteja operando de forma eficiente evitando sobrecargas no sistema Curva nQ Eficiência vs Vazão É uma das mais importantes pois mostra como a eficiência da bomba varia com a vazão A eficiência tende a atingir um pico em uma determinada vazão conhecido como ponto de operação ideal onde a bomba trabalha de maneira mais eficiente Operar fora desse ponto pode resultar em perdas de energia e maior desgaste do equipamento Agora que compreendemos as curvas características de uma bomba centrífuga é hora de colocar esses conceitos em prática O Quadro 1 mostra os dados coletados de uma bomba centrífuga Quadro 1 Dados coletados DADOS Bomba centrífuga PkPa entrada P kPa saída u I A cos Qm3s g 172369 0 220 13 0436 096 0000000 99700 981 145870 8031 220 17 0436 096 0000250 99700 981 131000 101592 220 23 0436 096 0000489 99700 981 125300 10532 220 25 0436 096 0000822 99700 981 110316 110735 220 26 0436 096 0001069 99700 981 827371 1232645 220 27 0436 096 0001550 99700 981 65212 12951 220 28 0436 096 0001950 99700 981 551581 135456 220 29 0436 096 0002119 99700 981 4 Público Para caracterizar o desempenho de uma bomba centrífuga é necessário conhecer a altura de elevação a potência consumida no acionamento e sua eficiência sendo que cada um desses parâmetros são função da vazão A altura de elevação H da bomba pode ser calculada por Sendo P é a pressão V é a velocidade média e z é a altura de referência Essas variáveis são medidas nas seções de descarga saída e sucção entrada da bomba A potência mecânica consumida pela bomba pode ser determinada a partir de parâmetros elétricos para tal é necessário conhecer as características do motor Para um motor elétrico trifásico a potência mecânica é calculada por 𝑷𝒎 𝒖 𝑰 𝜼𝐌 𝐜𝐨𝐬 𝝋 Sendo u é tensão I é a corrente elétrica M é a eficiência do motor elétrico e cos é o fator de potência A eficiência da bomba pode ser obtida pela razão entre a potência hidráulica fornecida ao fluido e a potência mecânica consumida em seu acionamento assim 𝑩 𝑷𝒉 𝑷𝒎 𝝆𝒈𝑯𝑸 𝑷𝒎 Agora com base no Quadro 1 determine as curvas características curvas HQ PxQ e nxQ desta bomba Avaliando os resultados Você deverá entregar um relatório formato docx contendo As curvas características de altura potência e eficiência em função da vazão além de responder às seguintes questões Quais foram as alturas manométricas potências e eficiências encontradas em cada ponto Qual é a geometria das curvas características apresentadas Qual é a correlação entre as curvas características Checklist Potência Mecânica Pm calculada corretamente Potência Hidráulica Ph calculada corretamente Eficiência n calculada corretamente 5 Público Altura Manométrica H calculada corretamente Curva HQ Altura Manométrica x Vazão Curva PQ Potência Hidráulica x Vazão Curva nQ Eficiência x Vazão Responder as perguntas Elaborar o relatório RESULTADOS Resultados do experimento Ao final dessa aula prática você deverá enviar um arquivo em word contendo as informações dos cálculos realizados dos gráficos plotados das perguntas respondidas e em conjunto com um texto conclusivo a respeito das informações obtidas O arquivo não pode exceder o tamanho de 2Mb Referências bibliográficas ABNT quando houver Resultados de Aprendizagem Esperase que o aluno adquira conhecimento sobre as curvas características de uma bomba centrífuga O aluno deve realizar anotações do experimento detalhando os procedimentos realizados assim como traçar as curvas características de desempenho da bomba H x Q Altura de elevação em função da vazão Pm x Q Potência mecânica de acionamento em função da vazão n x Q Eficiência em função da vazão NOME DA DISCIPLINA MÁQUINAS DE FLUXO Unidade U2Análise dimensional leis de similaridade e associações de bombas centrífuga Aula A3Associação de bombas centrífugas OBJETIVOS Definição dos objetivos da aula prática Descrever o objetivo da aula prátoca SOLUÇÃO DIGITAL Microsoft Excel 6 Público O Microsoft Excel mais conhecido por apenas Excel é um editor de planilhas produzido pela Microsoft para computadores que utilizam o sistema operacional Microsoft Windows além de computadores Macintosh da Apple Inc e dispositivos móveis como o Windows Phone Android ou o iOS Microsoft Excel com licença estudantil httpswwwmicrosoftcompt breducationproductsoffice PROCEDIMENTOS PRÁTICOS E APLICAÇÕES ProcedimentoAtividade nº 2 Inserir o nome do experimento Associação de Bombas Atividade proposta Nesta atividade os alunos irão determinar as curvas características de bombas associadas em série e em paralelo observando como essas associações afetam a altura manométrica a vazão e a potência do sistema Utilizando dados fornecidos e o Excel os alunos deverão calcular as variáveis e traçar as curvas HQ Altura Manométrica x Vazão para uma única bomba e para as associações Procedimentos para a realização da atividade Considere o seguinte cenário Você trabalha como engenheiro responsável por um sistema de bombeamento em uma planta industrial que precisa garantir o transporte de água para diferentes setores da fábrica Cada setor possui requisitos distintos de pressão e vazão o que exige um ajuste no sistema de bombas para atender às necessidades da operação de forma eficiente Atualmente há uma bomba única operando no sistema e você precisa avaliar o desempenho dela em comparação com possíveis associações de bombas para melhorar o transporte de fluido Sua tarefa é analisar e comparar três cenários 1 Bomba Única Você começará avaliando a bomba já instalada determinando suas curvas características e identificando seu ponto de operação Sistema considerando uma única bomba Válvula Vacuômetro mmHg Vacuômetro Kgfvm² Manômetro Kgfcm² Vazão m³h Altura Manométrica Kgfcm² Altura Manométric a m Fechado 0 0 180 00 180 1799 12 Aberto 140 019032834 110 36 129 1290 Aberto 180 024470787 090 40 114 1144 7 Público 2 Associação em Série de Bombas Diferentes Em alguns setores da planta a altura manométrica necessária é muito maior do que a que a bomba atual pode fornecer A solução proposta é adicionar uma segunda bomba em série para aumentar a altura manométrica Ambas as bombas têm características diferentes e você deve determinar a curva H x Q para essa configuração OBS Uma das bombas possui a mesma característica do caso 1 Sistema considerando duas bombas ligadas em série Válvula Vacuômetro mmHg Vacuômetro Kgfvm² Manômetro Kgfcm² Vazão m³h Altura Manométrica Kgfcm² Altura Manométrica m Fechado 0 0 37 0 370 3699 12 Aberto 220 02990874 15 48 180 1798 Aberto 240 032627716 13 50 163 1626 3 Associação em Paralelo de Bombas Diferentes Em outros setores a demanda de vazão é elevada mas a pressão requerida é moderada Para lidar com essa demanda a proposta é associar duas bombas diferentes em paralelo de modo a aumentar a vazão sem alterar significativamente a pressão Assim será necessário analisar como as bombas em paralelo atendem a essa demanda Você deve determinar a curva H x Q para essa configuração OBS Uma das bombas possui a mesma característica do caso 1 Sistema considerando duas bombas ligadas em paralelo Válvula Vacuômetro mmHg Vacuômetro Kgfvm² Manômetro Kgfcm² Vazão m³h Altura Manométrica Kgfcm² Altura Manométrica m Fechado 0 0 18 0 18 1799 12 Aberto 110 0149543698 13 30 145 1449 Aberto 240 0326277158 10 51 133 1326 A curva característica H x Q de cada sistema pode ser obtida a por meio da equação a seguir 𝑯𝒎𝑸 𝒂𝑸𝟐 𝒃𝑸 𝒄 Avaliando os resultados Você deverá entregar um relatório formato docx contendo As curvas características obtidas para o sistema com uma única bomba e para as associações em série e paralelo além de responder às seguintes questões Por que a equação 𝑯𝒎𝑸 pôde ser utilizada Como a altura manométrica total varia entre as bombas associadas em série e em paralelo 8 Público Como a vazão total varia em ambas as associações Quais são as vantagens de associar bombas em série e em paralelo em sistemas de bombeamento Em quais situações seria mais eficiente utilizar bombas associadas em série E em paralelo OBS Mostrar todos os cálculos no relatório Checklist Realizar o cálculo dos coeficientes a b e c para todos os casos Determinar o valor de H em função da vazão Q faça a variação de 0 até 45 m3s Traçar as curvas características de cada caso Traçar um gráfico contendo as três curvas Responder as questões Elaborar o relatório RESULTADOS Resultados do experimento Ao final dessa aula prática você deverá enviar um arquivo em word contendo as informações dos cálculos realizados dos gráficos plotados das perguntas respondidas e em conjunto com um texto conclusivo a respeito das informações obtidas O arquivo não pode exceder o tamanho de 2Mb Referências bibliográficas ABNT quando houver Resultados de Aprendizagem Esperase que o aluno adquira conhecimento sobre as associações de bombas e as curvas características da associação O aluno deve realizar anotações do experimento detalhando os procedimentos realizados assim como traçar as curvas características de desempenho da bomba H x Q Altura de elevação em função da vazão 9 Público NOME DA DISCIPLINA MÁQUINAS DE FLUXO Unidade U3Cavitação curva de carga de sistemas e aplicação a sistemas de fluidos Aula A3 Cavitação em turbo máquinas OBJETIVOS Definição dos objetivos da aula prática Avaliar as condições de pressão e vazão para verificar a possibilidade de cavitação na bomba de sucção negativa Calcular perdas de carga e comprimento equivalente Leq considerando os componentes da tubulação Propor ajustes no sistema para minimizar o risco de cavitação e melhorar o desempenho do sistema de refrigeração SOLUÇÃO DIGITAL Microsoft Excel As soluções podem ser realizadas com o software Microsoft Excel mas não há obrigatoriedade O Microsoft Excel mais conhecido por apenas Excel é um editor de planilhas produzido pela Microsoft para computadores que utilizam o sistema operacional Microsoft Windows além de computadores Macintosh da Apple Inc e dispositivos móveis como o Windows Phone Android ou o iOS Microsoft Excel com licença estudantil httpswwwmicrosoftcompt breducationproductsoffice PROCEDIMENTOS PRÁTICOS E APLICAÇÕES ProcedimentoAtividade nº 1 Seleção de bomba e análise de cavitação Atividade proposta Analisar o fenômeno da cavitação em um sistema de bombeamento de uma Usina Termoelétrica por meio de cálculos específicos para verificar a ocorrência de cavitação e a adequação dos parâmetros do sistema Procedimentos para a realização da atividade A cavitação é um fenômeno que ocorre em sistemas de bombeamento e turbomáquinas quando a pressão do fluido cai abaixo do seu ponto de vapor formando bolhas de vapor dentro 10 Público do líquido Esse fenômeno geralmente começa em regiões de alta velocidade e baixa pressão como restrições ou curvas nas tubulações e dentro das bombas onde o fluido passa por uma rápida redução de pressão Quando essas bolhas de vapor entram em regiões de maior pressão elas colapsam de forma abrupta liberando microjatos de alta pressão e ondas de choque O colapso das bolhas de cavitação próximo a superfícies metálicas pode causar erosão comprometendo a integridade dos componentes do sistema especialmente de bombas e turbinas Esse desgaste gradual conhecido como erosão por cavitação reduz a eficiência e pode levar a falhas estruturais Além dos danos físicos a cavitação também gera ruído e vibrações excessivas prejudicando o desempenho e a estabilidade do sistema Para evitar a cavitação é fundamental projetar os sistemas de forma a manter a pressão do fluido acima do ponto de vapor o que pode ser feito controlando as condições de operação como pressão de entrada velocidade e temperatura do fluido No cenário atual você trabalha em uma equipe de engenharia que foi contratada com urgência para investigar um problema no sistema de refrigeração de uma Usina Termoelétrica que vem sofrendo apagões recorrentes e perdas na produção de energia Uma análise preliminar sugere que a bomba de água utilizada no sistema de refrigeração pode estar sofrendo cavitação levando à perda de desempenho A formação e colapso de bolhas de vapor dentro da bomba podem estar causando danos aos componentes reduzindo a eficiência de bombeamento e aumentando as vibrações e ruídos o que compromete a estabilidade do sistema de refrigeração O objetivo da sua equipe é analisar as condições de operação da bomba verificando se a cavitação realmente está ocorrendo e identificando as possíveis causas como pressão de entrada insuficiente ou velocidades elevadas de escoamento Com base nessa análise é essencial propor soluções para minimizar o risco de cavitação garantindo que o sistema de refrigeração funcione de forma eficiente e evitando novos apagões que possam impactar a produção de energia da usina Figura 1 Efeito da cavitação em uma bomba Fonte httpsimagesappgooglRdL8f8NidrA7JJc57 11 Público O esquema da usina pode ser visto na Figura 2 onde está destacado a parte de interesse para sua equipe Figura 2 Esquema da usina termoelétrica Fonte httpsimagesappgooglVFgGgx7rna2aWHLW7 A bomba utilizada no sistema de refrigeração necessita fazer uma operação com altura de elevação de 30 m com vazão de 50 m³h e líquido bombeado água a 25º C O comprimentoaltura da tubulação de sucção deverá ser verificada na planta da usina e a de recalque é de 114 m Para este sistema de bombeamento com sucção negativa Figura 3 é necessário que verifique também os diâmetros da tubulação de sucção e de recalque Além disso há um cotovelo de 90º e uma curva 45º na região de recalque e um T de passagem direta na sucção Sua equipe deve estipular os valores de comprimentoaltura da tubulação de sucção assim como o diâmetro Figura 3 Bomba de sucção negativa Fonte Verde 2018 12 Público Tabela 1 Equações de regressão para 𝐿𝑒𝑞 Fonte Filippo Filho 2015 Tabela 2 Pressão e temperatura de saturação da água Fonte Borgnakke e Sonntag 2012 O catálogo para seleção de bombas pode ser encontrado no link abaixo httpstinyurlcomtetgrle 13 Público Apresente os cálculos para a verificação de cavitação para este sistema que possui uma tubulação de aço Avaliando os resultados Você deverá elaborar um relatório detalhado mostrando todos os cálculos realizados para verificar a ocorrência de cavitação e garantir a eficiência do sistema de bombeamento na usina O relatório deve conter as seguintes seções Introdução Apresentação do problema de cavitação no sistema de bombeamento e sua importância para o desempenho da usina Cálculos para Verificação de Cavitação Cálculo das Perdas de Carga Determinação do NPSH Análise dos Resultados Avaliar se a bomba está operando em condições seguras contra a cavitação com base nos cálculos realizados Discutir o impacto das perdas de carga e dos componentes de tubulação no desempenho da bomba Conclusões e Recomendações Checklist Descrever o problema de cavitação e sua importância para o sistema de bombeamento da usina Explicar os objetivos geral e específicos da análise Calcular a pressão de entrada na bomba considerando a altura de sucção e a pressão atmosférica Consultar a tabela de pressão e temperatura de saturação da água para obter a pressão de vapor a 25C Identificar e listar os elementos da tubulação cotovelo curva de 45º e T de passagem direta Calcular o comprimento equivalente Leq para cada componente usando as equações de regressão Somar o comprimento equivalente ao comprimento total da tubulação e calcular a perda de carga total Determinar o NPSH disponível no sistema e comparar com o NPSH requerido da bomba usando o catálogo fornecido 14 Público RESULTADOS Resultados do experimento Ao final dessa aula prática você deverá enviar um arquivo em word contendo as informações obtidas no experimento os cálculos realizados em conjunto com um texto conclusivo a respeito das informações obtidas O arquivo não pode exceder o tamanho de 2Mb Referências bibliográficas ABNT quando houver Resultados de Aprendizagem Ao final desta atividade os alunos deverão ser capazes de compreender o fenômeno de cavitação em sistemas de bombeamento e identificar suas causas aplicar conceitos de hidráulica para calcular o NPSH Net Positive Suction Head disponível e requerido determinando as condições necessárias para evitar cavitação NOME DA DISCIPLINA MÁQUINAS DE FLUXO Unidade U3Cavitação curva de carga de sistemas e aplicação a sistemas de fluidos Aula A4Curvas de carga de sistemas OBJETIVOS Definição dos objetivos da aula prática Determinar e analisar a perda de carga localizada em um sistema de tubulação utilizando um manômetro digital para medir as diferenças de pressão em acessórios variados SOLUÇÃO DIGITAL Laboratório Virtual Algetec Laboratório Virtual Algetec simulador Perda de Carga Localizada O laboratório virtual é uma plataforma para simulação de procedimentos em laboratório e deve ser acessado preferencialmente por computador PROCEDIMENTOS PRÁTICOS E APLICAÇÕES ProcedimentoAtividade nº 1 Perda de Carga Localizada Atividade proposta Os alunos deverão realizar um experimento para determinar a perda de carga localizada em um sistema de tubulação Utilizando um manômetro digital os alunos irão medir as pressões antes e depois de componentes específicos como válvulas e curvas para calcular a diferença de pressão gerada por cada elemento Procedimentos para a realização da atividade 15 Público Configuração 1 POSICIONANDO AS VÁLVULAS Feche as válvulas de controle 3 4 5 6 8 9 clicando com o botão esquerdo do mouse sobre elas 2 POSICIONANDO AS VÁLVULAS Conecte o manômetro digital clicando com o botão esquerdo do mouse sobre ele e selecione o tubo indicado 16 Público Visualize o painel elétrico clicando com o botão esquerdo do mouse na câmera com o nome Painel Elétrico localizada dentro do painel de visualização no canto superior esquerdo da tela Habilite as duas bombas clicando com o botão esquerdo do mouse sobre as chaves indicadas 17 Público Habilite o popup do controle de vazão clicando com o botão direito do mouse sobre a chave indicada Aumente a vazão clicando e segurando o botão esquerdo do mouse sobre o local indicado e arraste para a direita 18 Público Ligue o sistema clicando com o botão esquerdo do mouse sobre o botão Liga 3 REALIZANDO AS MEDIÇÕES Visualize a bancada clicando com o botão esquerdo do mouse na câmera com o nome Bancada 19 Público Habilite o popup do manômetro digital clicando sobre ele com o botão direito do mouse Repita o procedimento anterior para habilitar os popups do manômetro principal e do rotâmetro 20 Público Altere a vazão clicando com o botão esquerdo do mouse e arrastando e realize as novas medições Faça ao menos 5 medições para cada acessório Para remover o manômetro digital do tubo de venture click no tubo de conexão 21 Público Após as medições no tubo de venture repita os passos anteriores para realizar as medições na placa de orifício Configuração 2 POSICIONANDO AS VÁLVULAS Feche a válvula de controle 7 e abra a 8 clicando com o botão esquerdo do mouse sobre elas Repita os passos anteriores para cada um dos acessórios da linha da válvula 08 sendo eles a válvula gaveta filtro válvula esfera e as seções de contração e expansão 22 Público OBS trabalhe com as válvulas 01 e 02 abertas Avaliando os resultados O manômetro digital fornecerá a pressão em dois pontos específicos da tubulação antes e depois do elemento onde ocorre a perda de carga ou seja fornecerá a perda de carga de cada acessório medido Pois a perda de carga localizada ΔP é a diferença entre as pressões medida nos dois pontos 𝛥𝑃 𝑃1 𝑃2 Essa diferença de pressão ΔP representa a perda de carga causada pelo elemento específico Você também pode converter a perda de carga em metros de coluna de água mca ou em outra unidade de altura de coluna de líquido use a equação 𝛥𝐻 𝛥𝑃 𝜌 𝑔 Sendo ΔH é a perda de carga em metros de coluna de água m ΔP é a diferença de pressão Pa ou Nm² ρ é a densidade do fluido kgm³ g é a aceleração da gravidade 981 ms² Após realizar o experimento e anotar os dados de cada acessório elabore um relatório com os seguintes componentes Imagens do passo a passo da execução da aula prática Imagens dos popups com os dados obtidos para cada acessório 23 Público Análise dos dados para cada acessório e o gráfico Vazão x Perda de carga para cada um deles A reposta das seguintes perguntas A O que é perda de carga localizada e por que ela ocorre em sistemas de tubulação B Quais são as outras formas de se determinar a perda de carga localizada C Em quais situações práticas é necessário calcular a perda de carga localizada Dê um exemplo de aplicação industrial Checklist Acessar o Algetec Acessar a prática Perda de Carga localizada no laboratório de Mecânica dos Fluídos e Bombas Ler o Sumário Teórico Perda de Carga localizada Realizar o experimento conforme instruído no roteiro Realizar a variação da vazão e anotar os valores de perda de carga e de vazão Plotar os gráficos Responder as perguntas Elaborar e entregar o relatório RESULTADOS Resultados do experimento Ao final dessa aula prática você deverá enviar um arquivo em word contendo as informações obtidas no experimento os cálculos realizados em conjunto com um texto conclusivo a respeito das informações obtidas O arquivo não pode exceder o tamanho de 2Mb Referências bibliográficas ABNT quando houver Resultados de Aprendizagem Como resultados dessa prática os alunos deverão compreender e diferenciar a perda de carga localizada e distribuída utilizar e interpretar medições com instrumentos como manômetro digital e rotâmetro calcular a perda de carga aplicando corretamente as fórmulas analisar o impacto de diferentes componentes sobre o sistema de escoamento e desenvolver habilidades práticas de medição cálculo e interpretação de dados documentando os resultados de forma clara em um relatório detalhado