ST 713 SISTEMAS DE RECALQUE DE ÁGUA E ESGOTO

Prof. Dr. Ariovaldo José da Silva

BOMBAS ALTERNATIVAS

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Princípio de Funcionamento

• São bombas volumógenas e de deslocamento positivo: o líquido enche os espaços existentes no corpo da bomba (câmaras ou cilindros) e, em seguida, é expulso pela ação do movimento do pistão.

• A aspiração do líquido ocorre devido ao vácuo produzido no interior da bomba. A diferença de pressão provoca a abertura da válvula de recalque.

• São auto-escorvantes e podem funcionar como bombas de ar.

• O acionamento pode ser manual ou empregando uma máquina motriz.

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Classificação – Hydraulic Institute Standards (1983)

• Bombas acionadas por vapor (steam pumps): possuem uma haste com pistão em cada extremidade. Um dos pistões recebe vapor e o outro desloca-se no interior do cilindro da bomba, atuando sobre o líquido.

– Deslocamento horizontal– Deslocamento vertical– Propulsão por êmbolo – Propulsão por pistão– Simplex: um cilindro– Duplex: dois cilindros

Figura1 Representação de uma bomba de ação direta (Macyntire, 1997)

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Classificação (Hydraulic Institute Standards,1983)• Bombas de potência ou bombas de força (power pumps): São

acionadas por motores elétricos ou de combustão interna. O movimento étransmitido por sistema eixo-manivela-biela-cruzeta-pistão.

Figura 2: Bomba de êmbolo, de potência, simples efeito, simplex. (a) horizontal e, (b) vertical (Macyntire, 1997).

a

b

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Classificação (Hydraulic Institute Standards,1983)

Figura 3. Bomba de pistão, de potência, horizontal, duplo efeito, simplex (Macyntire, 1997)

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Classificação (Hydraulic Institute Standards,1983)

• Bombas de descarga controlada (bombas dosadoras): deslocam com precisão um volume predeterminado de líquido em um tempo preestabelecido. São acionada por motores e utilizam o mecanismo eixo de manivela-biela.

– Bomba dosadora de êmbolo– Bomba dosadora de pistão– Bomba dosadora de diafragma

• Acoplamento mecânico direto• Acoplamento hidráulico

– Controle da vazão manual– Controle automático

Figura 4 Bomba de diafragma, atuação por óleo pela ação de êmbolo horizontal (Macyntire, 1997).

Funcionamento: o êmbolo atua sobre o óleo na câmara 1, o qual desloca a membrana elástica (diafragma). O líquido passa pela câmara 2. O tipo simplex exige um amortecedor de pulsações no início da linha de recalque.

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Dimensionamento e InstalaçãoTa e Tr representam, respectivamente, as energias exigidas por kgfde líquido para manter abertas as válvulas de aspiração e de recalque.

J´a e J´r representam, respectivamente, as energias exigidas por kgf de líquido para adquirir as acelerações nos encanamentos de aspiração e de recalque, em conseqüência da intermitência da descarga.

ha: altura estática de aspiração, ou seja, é a diferença de cotas entre o nível do centro da bomba e o da superfície livre do reservatório de captação.

hr: altura estática de recalque, ou seja, é a diferença de cotas entre os níveis onde o líquido é abandonado ao sair pelo tubo de recalque e o nível do centro da bomba.

he: altura estática de elevação, ou seja, é a diferença de cotas entre os níveis em que o líquido é abandonado ao sair pelo tubo de recalque e o nível livre do reservatório de captação (altura topográfica ou altura geométrica).

Há: altura total de aspiração, diferença entre as alturas representativas da pressão atmosférica local (Hb) e da pressão reinante na entrada da bomba.

Já: perda de carga no encanamento de aspiração

Hr: altura total de recalque, diferença entre as alturas representativas da pressão na saída da bomba e a atmosférica

Jr: perda de carga no encanamento de recalque

Hu : altura útil de elevação, ou, energia que a unidade de peso de líquido adquire em sua passagem pela bomba.Figura 5 Balanço energético em

instalação de bomba de êmbolo

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Dimensionamento

aaaa

aa

ba TJJgvhpHH ++++=−= '2

2

λ

rae hhh +=

rrrrbr

r TJJhHpH +++=−= 'γ

Altura total de aspiração (Há)

Altura total de recalque (Hr)

Altura manométrica de elevação

ouppH ar

γγ−=

Altura estática de elevação (he)

gvTTJJJJhHHH a

rararaera 2''

2

+++++++=+=

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Dimensionamento

• Valores adotados na prática:Para há, o máximo e para hr, o mínimo.

Adotar o valor máximo para H porque esta grandeza entra na fórmula de potência motriz e é medida por intermédio de um manômetro e de um vacuômetro. O valor experimental do rendimento total η é determinado.

NHQ

.75..γη =

Máxima altura estática de aspiração

++++−< aaa

avba TJJ

gvhHh '2

2

γ

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Dimensionamento

Energia despendida para aceleração do líquido na linha de aspiração (J´a )

gkCvLJ aa

a ....' η

=

La: comprimento da linha de aspiração, em pés

va: velocidade na linha de aspiração, em pés por segundo

η: número de rpm do eixo de manivela

C: 0,200 para simplex, duplo efeito

0, 200 para duplex, simples efeito

0,115 para duplex, duplo efeito

0,066 para triplex de simples ou duplo efeito

K: fator representativo da compressibilidade do líquido

1,4 para água quente

2,5 para óleo quente

g: aceleração da gravidade = 9,82 m/s2

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Exemplo – Cálculo de J´a

Uma bomba de 2” x 5” (diâmetro x curso), triplex, gira a 360 rpm e desloca 21 m3/h de água ao longo de um tubo de aspiração tendo 4” de diâmetro e 8 m de extensão. Calcular J´a.paraencanamento de aço galvanizado.

Solução: Utilizando o ábaco de Fair-Whipple-Hsiao (Fig. 6 e 7) obtêm-se a velocidade de escoamento va..Para Q = 21 m3/h =5,83 L/s, va equivale a, aproximadamente, 0,74 m/s

mJ a 23,1082,94,1

066,036074,08' =×

×××=

A energia dependida pela bomba para acelerar o líquido equivale a 10,23 m.c.a.

12Figura 6 Ábaco de Fair-Whipple-Hsiao para encanamento de cobre ou latão (adaptado de

Macyntire, 1997)

13Figura 7 Ábaco de Fair-Whipple-Hsiao para encanamento de aço galvanizado (adaptado de Macyntire, 1997)

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Como reduzir J´a

• Aumentar a seção do encanamento

• Substituir o comando de manivela de impulsão pelo de ação direta (bomba de ação direta)

• Utilizar duas bombas de duplo efeito ligadas aos mesmo encanamento e acionadas por manivelas defasadas de 90º.

• Pode-se usar uma bomba tríplex com as manivelas defasadas 120º, conseguindo, dessa forma, melhor uniformidade de vazão.

• Empregar a chamada “câmara de ar”, cuja finalidade é obter velocidade praticamente constante nos encanamentos.

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Ruptura da massa líquida

• A aceleração na canalização de recalque poderá provocar ruptura da coluna líquida quando o seu valor negativo for suficientemente grande para provocar, numa dada seção do encanamento, pressão que permita a vaporização do líquido na temperatura em que se encontra.

• Essa depressão é devida à inércia da massa líquida e deve ser evitada.

• Para evitar a ruptura numa dada seção da tubulação de recalque, a pressão (P/γ) nesse ponto deverá ser maior do que a pressão de vapor do líquido.

• A pressão em determinada seção da tubulação de recalque tende a diminuir quanto menor for a cota desse ponto em relação a extremidade superior da tubulação, ou seja, sempre que o encanamento tender para o plano horizontal.

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Descarga nas bombas de êmbolo ou de pistão

( ) λ.'.23eRmV Ω=

teórica

real

QQ

=λ

( ) ληπ⋅⋅⋅

⋅= '

120/ 23 RDsmQ

Bombas de simples efeito2R’ = curso do êmbolo (m);

Ωe =a área nítida de sua face ativa (m2)

λ é um coeficiente menor que a unidade, denominado rendimento volumétrico

λ Varia de 0,85 (bombas pequenas) a 0,98 (bombas de grandes dimensões e boa qualidade).

Para bombas de simples efeito a descarga será:

( ) ( ) ληπ⋅−⋅

⋅= '

60/ 23 RdDsmQ

Para bombas de duplo efeito a descarga será:

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Potência Motriz (N)

( )η

γ⋅⋅⋅

=75

HQcvN

( )η⋅

⋅⋅=

751000 HQcvN

Para água:

O rendimento total nas bombas de êmbolo varia de 0,65 a 0,85

ερλη ⋅⋅=Onde:

λ - rendimento volumétrico

ρ – rendimento mecânico

ε − rendimento hidráulico

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Câmara de Ar

• O objetivo da câmara de ar é manter descarga da bomba de êmbolo praticamente constante.

• Deve ser aplicada preferencialmente na tubulação de aspiração

• Quando a bomba pára, a pressão do ar na câmara de recalque deve ser correspondente à da coluna do líquido, representada pela diferença de cotas entre a extremidade superior do tubo de recalque e o nível do líquido na câmara.

• O ar da câmara de aspiração, quando a bomba está parada encontra-se sob depressão equivalente a coluna de líquido representada pela diferença entre as cotas do nível livre de líquido na cãmara e no reservatório inferior.

• Quando a bomba opera com vazão superior a média, o líquido penetra na câmara de ar, aumentando sua pressão. Quando ocorre deficiência de descarga, a câmara “libera” o líquido excedente para compensação.

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Câmara de ar

• Na câmara de aspiração, quando a bomba solicita maior volume de líquido, este é fornecido pela câmara de ar, a qual se expande, reduzindo a pressão e proporcionando a aspiração do líquido no reservatório inferior.

• O volume de ar nas câmaras pode ser adotado:– 22 vezes a descarga aspirada em cada ciclo do êmbolo, nas de 1 cilindro

(simplex), de simples efeito;– 10 vezes a referida descarga nas bombas simplex de duplo efeito;– 5 vezes a descarga nas bombas duplex de duplo efeito; e– 2 vezes a descarga nas bombas triplex de duplo efeito

• Entre as bombas de êmbolo dotadas de câmaras de ar são comuns:– Bombas de duplo efeito – câmaras de ar na aspiração e no recalque;– Bombas de simples efeito com êmbolo diferencial

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Bombas de êmbolo com câmara de ar

Figura 8. Bombas de êmbolo com câmaras de ar. (a) duplo efeito; (b) êmbolo diferencial de simples efeito

a b

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Recomendações Práticas para Instalação

• Pressões: Não há restrições, desde que o material seja resistente e a potência do motor adequada.

• Velocidade da água no tubo de aspiração (sucção):– Linhas curtas (< 50 m), adota-se v ± 1,5 m/s– Linhas longas (> 50 m), adota-se v ± 0,75 m/s

• Velocidade da água no tubo de recalque– Linhas curtas: 1,5 < v < 2,0 m/s– Linhas Longas: v da ordem de 1 m/s

• Abertura livre de entrada do líquido no crivo do tubo de aspiração:– 2 a 3 vezes a área da seção de escoamento do tubo

• Abertura livre das válvulas: – 1,5 a 2 vezes a área dos tubos de aspiração e de recalque conforme se trate de

válvulas de aspiração ou de recalque• Válvula de Alívio

– Deve ser prevista para bombas de êmbolo e graduada para pressão ligeiramente superior à máxima pressão de operação da bomba. Consultar catálogos de fabricantes.

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Exercício• Quais os valores estimados para os rendimentos volumétrico e total de uma

bomba de êmbolo cujo eixo de manivela gira a 500 rpm, sendo a pressão no recalque de 70 kgf/cm2 e o líquido, óleo de 7 centistokes?

Solução:

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Resolução do Exercício

• Converter a viscosidade dada em centistokes (cST) para SSU (Segundos Saybolt Universal), 7cST = 50 SSU. Entrando com o valor da viscosidade em SSU e o da rotação (500 rpm) no gráfico de Warren E. Wilson, obtêm-se o ponto A. A partir do ponto A, traça-se a reta AB paralela às retas inclinadas do gráfico. A partir do ponto B, traça-se uma reta horizontal até encontrar com a reta vertical levantada a partir da abscissa equivalente á pressão de recalque dada (70 kgf/cm2). Então, lê-se na reta inclinada mais próxima :

– Rendimento volumétrico: λ = 90%– Rendimento total: η = 90%

Exercício 2: Dados o mesmo coeficientes de viscosidade (50 SSU) e pressão de recalque (70 kgf/cm2) encontrar a rotação do eixo da manivela para resultar em aumento dos rendimentos volumétrico e total para 92%.

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Exercício 3 (resolvido – Macyntire, pg.346)

• Determinar o esforço na haste do êmbolo, a descarga e a potência de uma bomba de êmbolo para água, de duplo efeito, para os seguintes dados:– Curso do êmbolo, l: 350 mm = 2R’– Diâmetro do êmbolo D = 220 mm– Diâmetro da haste d = 45 mm– Número de rotações por minuto do eixo da manivela η = 120 rpm– Altura total de aspiração Ha = 3,20 m.c.a.– Altura total de recalque Hr = 25,30 m.c.aDesprezar o atrito lateral do êmbolo com o cilindro.

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Bibliografia

• Macyntire, Archibald Joseph. Bombas e Instalações de Bombeamento, 2ª. Edição, 1997. Cap. 16 – Bombas Alternativas.