capítulo 5 bombas de água - university of são paulo

Capítulo 5

Bombas de água

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Bombas de água

• As bombas de água são dispositivos projetados para converterenergia mecânica em energia hidráulica. Em geral, as bombasde água podem ser classificadas em duas categorias básicas:

1. Bombas turbo-hidráulicas;

2. Bombas de deslocamento positivo.

• As bombas turbo-hidráulicas movimentam fluidos com umapalheta rotativa ou outro fluido em movimento.

• As bombas de deslocamento positivo movimentam fluidosestritamente através do deslocamento preciso de máquinas.


Bombas centrífugas (fluxo radial)

• O conceito envolve uma “bomba” simples composta por doistubos retos conectados de modo a formar um “T”,

• As bombas centrífugas modernas são construídas com baseno mesmo princípio hidráulico, mas com novas configurações,projetadas para melhorar a eficiência. Essas bombas são emgeral formadas por duas partes:



1. O elemento rotativo, que costuma ser chamado de impulsor.

2. O invólucro, que abriga o elemento rotativo e sela o líquidopressurizado no interior.

Áreas transversais de uma bomba centrífuga.



• Em essência, a energia mecânica da bomba é convertida empressão de energia no líquido.

• A teoria das bombas centrífugas baseia-se no princípio daconservação do momentum angular.

• O princípio da conservação do momentum angular requer queo coeficiente de tempo de mudança no momentum angularem um corpo de fluido seja igual ao torque resultante da forçaexterna que atua sobre o corpo.

• O diagrama a seguir pode ser utilizado para analisar essarelação.



Diagrama do vetor de velocidade



• O torque aplicado ao impulsor da bomba deve ser igual àdiferença do momentum angular na entrada e na saída doimpulsor. Ele pode ser escrito da seguinte maneira:

• Essa equação pode ser simplificada para

• A entrada de força da bomba pode ser calculada como



• A força de saída da bomba pode ser escrita como

• A eficiência de uma bomba é definida pelo coeficiente entre aforça na saída e a força na entrada da bomba:

• A eficiência do motor é definida como o coeficiente de forçaaplicado à bomba pelo motor (Pi) e a força de entrada domotor (Pm):



• A eficiência geral do sistema da bomba é, portanto,

• Ou


Bombas propulsoras (fluxo axial)

• O impulso linear é definido como a integral do produto daforça e do tempo, dt de t’ a t’’, durante o qual a força atua nocorpo:

• O princípio do momentum de impulso requer que o impulsolinear de uma força (ou sistema de forças) atuando sobre umcorpo durante um intervalo de tempo seja igual à mudança nomomentum linear no corpo durante o tempo.

(força) (tempo) = (massa) (mudança na velocidade)

• ou



• A relação pode ser aplicada a um corpo de fluido emmovimento constante tomando-se um volume de controleentre duas seções, conforme mostrado abaixo.

Bomba

propulsora



• Aplicando a relação do momentum de impulso, entre asseções 1 e 4, podemos escrever a seguinte equação:

• Ignorando as perdas e aplicando o princípio de Bernoulli entreas seções 1 e 2, temos:

• e entre as seções 3 e 4, podemos escrever



Subtraindo a equação

da equação e observando que V2 = V3 para

a mesma área de seção transversal, temos

A saída de força total da bomba pode ser escrita como


Bombas a jato (fluxo misto)

• As bombas a jato exploram a energia contidaem uma corrente de fluxo de alta pressão. Ofluido pressurizado é ejetado por umesguicho a alta velocidade em umatubulação, transferindo sua energia para ofluido a ser distribuído, como se vê na figuraao lado.

• As bombas a jato costumam ser utilizadasem conjunto com uma bomba centrífuga.

• Elas costumam ser leves e de tamanhocompacto.


Curvas características da bomba centrífuga

• As curvas características das bombas são representaçõesgráficas do desempenho operacional esperado para a bomba.


Curvas características da bomba centrífuga

• As características de determinada bombavariam com a velocidade rotacional.

• Contudo, se as características foremconhecidas para uma velocidaderotacional, então as características paraqualquer outra velocidade rotacionalcom o mesmo tamanho de impulsorpode ser obtida utilizando-se as leis deafinidade:


Bomba simples e análise de tubulações

• Considere o sistema de tubulação com bombas mostrado nafigura abaixo.

Bomba simples e tubulação.


Bomba simples e análise de tubulações

• Desprezando as perdas menores, podemos escrever aequação de energia como

• Ou

• Com Hs = EB – EA = aumento na elevação (altura estática),

• Uma vez determinada a descarga, podemos calcular avelocidade e outras características do fluxo, assim como alinha de energia.


Bombas em paralelo ou em série

Características da bomba para duas bombas em paralelo.



Características da bomba para duas bombas em série.



A curva B na figura abaixo apresenta esquematicamente aoperação de duas bombas idênticas em paralelo.



Instalações multibombas podem ser projetadas para atuar emoperações em série ou em paralelo com o mesmo conjunto debombas.


Bombas e tubos ramificados

• Considere o sistema de tubulações ramificadas simplesrepresentado na figura abaixo:


Bombas e tubos ramificados

• Quando os dois tubos são considerados juntos como um únicosistema, a curva de altura do sistema combinado pode serobtida somando-se as taxas de fluxo (abscissa) das curvas dealtura dos sistemas individuais para cada valor de altura.

• Para analisar as taxas de fluxo de um sistema de tubulaçõesramificadas, esboçamos as curvas de altura individuais e dosistema combinado, bem como a curva característica dabomba.

• O ponto de interseção da curva da bomba com a do sistemamostra a descarga total e a altura manométrica.


Cavitação em bombas de água

• O fenômeno da cavitação torna-se um perigo potencialsempre que a pressão da água em qualquer localização dosistema de bombeamento diminui significativamente abaixoda pressão atmosférica.

• Um lugar comum para a cavitação é próximo das pontas daspalhetas do impulsor, onde a velocidade é muito alta.

• Para evitar a cavitação, a bomba deve ser instalada a umaelevação na qual a altura total de sucção (HS) seja menor doque a diferença entre a altura atmosférica e a altura dapressão de vapor da água.



• O NPSH representa a queda de pressão entre o olho dabomba e a ponta das palhetas do impulsor.

• Dado o valor do NPSH, a elevação máxima da bomba acima doreservatório de fornecimento pode ser facilmentedeterminada considerando-se todos os componentes deenergia que compõem HS na figura a seguir. A expressãoresultante é



Relação de energia e pressão emuma bomba centrífuga.



• Outro parâmetro comumente utilizado para expressar opotencial de cavitação em uma bomba é o parâmetro decavitação, s, que é definido como

• Aplicando a equação acima às relações descritas na figuraanterior, podemos escrever

• Reorganizando


Velocidade específica e semelhança entre bombas

• A maioria das bombas comerciais é especificada por umtermo denominado velocidade específica.

• A velocidade específica de um determinado projeto de bomba(ou seja, o tipo de impulsor e a geometria) pode ser definidade duas maneiras distintas.

• Alguns fabricantes definem a velocidade específica de umprojeto de bomba como a velocidade de giro de um impulsorse seu tamanho fosse reduzido o suficiente para distribuiruma unidade de descarga a uma unidade de altura.



• Desse modo, a velocidade específica pode ser escrita como

• Outros fabricantes definem a velocidade específica para umprojeto de bomba como a velocidade de giro de um impulsorse seu tamanho fosse reduzido o suficiente para distribuiruma unidade de força a uma unidade de altura. Desse modo,a velocidade específica pode ser escrita como



• Na prática, as bombas com altas velocidades específicascostumam ser utilizadas para grandes descargas a alturas debaixa pressão, enquanto as bombas com baixa velocidadeespecífica são usadas para distribuir pequenas descargas aalturas de pressão altas.

• A velocidade específica varia conforme o tipo do impulsor.

• Sua relação com a descarga e a eficiência da bomba émostrada na figura a seguir.



Formas relativas do impulsor e valoresaproximados dos números da forma, S.


Escolha da bomba

• Determinados tipos de bomba são mais apropriados do queoutros dependendo da descarga, da altura e da potênciaexigidas da bomba.

• Para os principais tipos de bomba discutidos neste capítulo, avariedade aproximada de aplicações é apresentada na figura aseguir.

• Na escolha de determinada bomba para uma aplicação emparticular, as condições de projeto são definidas e o modeloespecífico de bomba é escolhido.


Escolha da bomba

Requisitos de descarga, altura e potência de diferentes bombas.


Escolha da bomba

Diagrama para seleção do modelo de bomba.

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