CARACTERÍSTICAS HIDRÁULICAS DE UMA MOTO-BOMBA DE
DIAFRAGMA
1EVANDRO M. KOLLING
2CELSO SCHÖNWALD
3SILVIO C. SAMPAIO
4ANDERSON COLDEBELLA
1Eng
oAgrícola, Prof., União Pan-americana de Ensino, UNIPAN, Cascavel – PR.
2
Eng
oAgrícola, Profissional Autônomo, Cascavel – PR
3
Eng
oAgrícola, Prof. Universidade Estadual do Oeste do Paraná, UNIOESTE,
Cascavel – PR.
4
Eng
ode Pesca, Mestrando em Eng
oAgrícola, Universidade Estadual do Oeste do
Paraná, UNIOESTE, Cascavel – PR.
Resumo:
A seleção de um modelo de moto-bomba que não seja o mais apropriado acarreta em conseqüências como: consumo excessivo de energia, sobrecarga no motor e ocorrência de cavitação, com conseqüente diminuição no rendimento e na vida útil da moto-bomba.O trabalho consiste em caracterizar a moto-bomba de diafragma, marca SHURFLO modelo 2088, muito empregada em sistemas solares de bombeamento, a fim de contribuir para seleção racional desta. Os parâmetros medidos foram: a altura manométrica (Hm), tensão (V), corrente (A), e vazão (Q). Os resultados mostraram que os valores máximos obtidos para Hm, η, Pot, e a Q foram de 19 mca, 36%, 50 W, e 0,68 m3/h, respectivamente. O comportamento observado nas curvas características foram exponencial, linear, e polinomial para Hm x Q, Pot x Q, η x Q, respectivamente.Palavras – chave: bomba, diafragma; hidráulica.
Abstract:
The selection of a pump model that is not the most appropriate, carts consequences as: excessive consumption of energy, overload in the motor and cavity flow occurrence with consequent decrease in the revenue and in the useful life of the pump.The work extends in the study and evaluation of a diaphragm pump, it marks SHURFLO model 2088, that now has few available data for its knowledge and employment. The measured parameters were: the height (Hm), tension (v) and the current (A), and discharge (Q). The results of the they showed that the maximum values obtained for Hm, revenue (h), potency (Pot), and Q was of 19 mca, 36%, 50 W, and 0,68 m3/h, respectively. The behavior observed in the characteristic curves was exponential, lineal, and polinomial for Hm x Q, Pot x Q, h x Q, respectively.Keywords: pump, diaphragm, hydraulics
1. Introdução:
A amplitude das bombas hidráulicas é visualizada através de suas curvas características, que descrevem o seu comportamento. As curvas características da moto-bomba são obtidas por meio de testes específicos em bancadas de ensaio, que retratam grandezas que caracterizam o seu funcionamento. Elas são representadas nos diagramas de altura manométrica (Hm), potência (Pot), rendimento (?) e NPSH requerido em função da vazão (Q), mantidas constantes os demais parâmetros envolvidos no escoamento tais como a densidade e viscosidade do fluido, rotação e diâmetro do rotor da bomba (YANAGI, 1997 e PORTO, 1998). A seleção de um modelo de bomba que não seja o mais apropriado para determinada situação, bem como a inadequação do seu ponto de operação ao de projeto, acarretam conseqüências , como: consumo excessivo de energia, sobrecarga no motor e ocorrência de cavitação com conseqüente diminuição de rendimento e vida útil da bomba (MACYNTYRE, 1980).As moto-bombas de diafragma são frequentemente utilizadas junto a sistemas solares de bombeamento de água, por permitirem operação normal mesmo quando sujeitas a variação da tensão fornecida pelos painéis fotovoltaicos, conforme THOMAS 1987. Entretanto, ainda são
poucas as informações que respaldem a escolha racional destas. Tendo em vista a problemática e diante da escassez de informações sobre as moto-bombas de diafragma existentes no mercado, tem-se como objetivo levantar e caracterizar o comportamento hidráulico de uma moto-bomba de diafragma, para o caso, marca SHURFLO modelo 2088, a fim de otimizar sistemas solares de natureza comum.
2. Material e métodos:
O cumprimento do objetivo passou pela montagem de uma bancada de ensaios, constituída de dois tanques de 250 litros de água em diferentes níveis, sendo um destes a base para a moto-bomba de diafragma de onde se retirou a água para o bombeamento. Na tubulação de sucção foi instalada uma válvula de pé, para impedir o retorno da água, e um manômetro de coluna líquida, com escala milimétrica, contendo como líquido manométrico o mercúrio. Desta forma determinou-se a pressão na entrada e saída da moto-bomba, de modo a verificar a altura manométrica, ou seja, a altura em que ocorre o recalque da água na qual o sistema opera e, possibilitando assim, a sua alteração para levantamento dos dados concernentes á caracterização do sistema moto-bomba. Na tubulação de recalque foi instalada uma válvula de gaveta para alteração da altura manométrica. O sistema conduz o fluido do tanque de nível inferior até o de nível superior, passando por um recipiente previamente calibrado e de volume conhecido, a fim da determinação da vazão. O segundo tanque foi ligado ao primeiro por uma canalização, de maior diâmetro, de modo a permitir o retorno da água ao tanque inicial, e manter assim o nível de água no sistema. Junto à moto-bomba instalou-se os aparelhos multi-teste, utilizando-se de dois multímetros digitais, um MINIPA modelo ET – 2060 e um BRYMEN modelo BM600, e uma fonte variadora de tensão, a qual deu suporte para o levantamento das características hidráulicas da moto-bomba, necessário a obtenção da vazão do sistema. A coleta de dados referentes à tensão e corrente, permitiu levantar a potência consumida pelo sistema. A moto-bomba trabalha com corrente contínua, por isso usou-se uma fonte alternativa que possibilitou a variação da tensão, e conseqüentemente diferentes variações de potência consumida (no caso a fonte). As diferentes alturas manométricas ao qual o sistema foi submetido foram analisadas anteriormente respeitando a capacidade da moto-bomba e da bancada de ensaio, determinadas por meio de catálogos do fabricante e por meio de análises preliminares.Moto-bomba
O modelo utilizado para o desenvolvimento da pesquisa tem capacidade de bombeamento de até 30 mca, com vazão de 12 l/min trabalhando a uma voltagem de 12 volts, segundo informações técnicas do catálogo da moto-bomba. A moto-bomba de diafragma classificada como de deslocamento positivo, apresenta como detalhe construtivo, três cavidades (os diafragmas), movimentadas através de um sistema de excêntrico. Essas moto-bombas são constituídas de material selecionado e específico para a aplicação e exposição a fluidos corrosivos, águas com altos índices de salinidade, ou com produtos químicos os quais podem ser alterados quando em contato com material não adequado.
Determinação da vazão, altura manométrica e rendimento.
A vazão foi determinada pelo método direto, utilizando-se de um cronômetro e um recipiente de volume conhecido.
A altura manométrica foi determinada a partir da equação de Bernoulli, utilizando-se das pressões aplicada à entrada e saída da moto-bomba, e determinadas com auxilio do manômetro de mercúrio diferencial.
O rendimento da moto-bomba foi determinado a partir da relação entre a potência hidráulica e absorvida pela bomba.
η=100* Ph/Pb (Eq.1)
em que:
η - rendimento da moto-bomba, %;
Ph – potência hidráulica fornecida pela moto-bomba, W;
corrente medida nos multímetros).
A potência hidráulica fornecida pela moto-bomba foi calculada, segundo VIANA (1995). Ph= γ*Hm(mca)*Q(m3/s) = (em kW) (Eq.2)
102 em que:
γ - Peso específico da água, kgf/m3; Hm – Altura manométrica, mca; Q – Vazão do sistema, m3/s.
3. Resultados e discussão:
A partir dos dados coletados, obteve-se as características hidráulicas da moto-bomba, relacionando as curvas de altura manométrica (Hm), rendimento (η) e potência (Pot), em função da vazão (Q) respectiva, conforme segue.Comportamento Hm
XQ
Observa-se na Figura 1 que a Hm variou entre 4 e 19 metros de coluna de água, sendo que a vazão se limitou à 0,10 e 0,65 m3.h-1, respectivamente. Cada curva representa o comportamento em uma potência especifica, para o caso 50, 40, 30, 20 W. O comportamento da Hm x Q foi exponencial diferindo do comportamento de bombas centrífugas em que a concavidade de suas curvas é inversa (OLIVEIRA 1996). Nota-se que a medida que se eleva a vazão a curva decresce potencialmente. O coeficiente de determinação (R2) da Tabela 1, indica o ajuste das equações, de modo a verificar-se que as curvas Hm x Q do modelo escolhido representa perfeitamente os dados coletados.
FIGURA 1 - Curvas Hm x Q da moto-bomba, sob diferentes potências de acionamento. TABELA 1 - Equações ajustadas para Hm (mca) em função de Q (m3.h-1)
Comportamento Pot
x
Q
Na Figura 2, observa-se uma linearidade das curvas que representam as alturas manométricas
Pot(W) Equação R2 20 Hm = 39,629e-6,6289Q 0,9881 30 Hm = 53,752e-5,3366Q 0,9749 40 Hm= 81,393e-5,0771Q 0,9675 50 Hm= 114,52e-4,9362Q 0,9704 0 5 10 15 20 25 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 Q(m3/h) HM(m) Pot50 Pot40 Pot30 Pot20
testas, no caso, 4, 7.5, 11, 13, 15, 19 m.c.a. As potências se encontram em um intervalo de 20 e 50 W; e a vazão entre 0,10 e 0,65 m3.h-1. Nota-se na Tabela 2, que o ajuste foi excelente, obtendo-se coeficiente de determinação acima de 0,99. A potência cresceu proporcionalmente aos aumentos da vazão. O ajuste linear é idêntico ao observado por DONG (2001) em análise de uma micro-bomba de diafragma.
FIGURA 2 - Curvas Pot x Q da Moto-bomba, sob diferentes alturas manométricas. TABELA 2 – Equações ajustadas para Pot (W) em função de Q (m3.h-1).
Comportamento de
η
XQ
O rendimento observado na Figura 3, ficou entre 15 e 36%, enquanto a vazão se restringiu ao intervalo de 0,10 e 0,65 m3.h-1, para as curvas que representam as potências de 50, 40, 30, 20, respectivamente. O comportamento de η e Pot assemelha-se aos encontrados em moto-bombas centrífugas. Observa-s e ainda, que o η da moto-bomba é mais elevado próximo à vazão em que o fabricante recomenda, com redução abaixo e acima deste valor. As curvas de η x Q, foram ajustadas com polinômios de segunda ordem, conforme Tabela 3. O ajuste é similar ao encontrado por PROTOGEROPOULOS E PEARCE (2001). Dos dados do fabricante verifica-se que a Q máxima obtida no experimento correspondeu a 97%, enquanto que a Hm chegou a 63%, visto que não foi possível ultrapassar este valor em decorrência das restrições do manômetro.
0 10 20 30 40 50 60 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 Q(m3/h) POT(W) Hm4 Hm7,5 Hm11 Hm13 Hm15 Hm19 Hm Equação R2 4 Pot = 94,073Q - 12,872 0,9909 7,5 Pot = 96,269Q- 5,9704 0,9936 11 Pot = 100,21Q+ 0,5879 0,9934 13 Pot = 107,83Q+ 1,7869 0,9938 15 Pot = 109,65Q+ 1,9729 0,9976 19 Pot = 125,23Q+ 7,3894 0,9986
FIGURA 3 - Curvas η x Q da Moto-bomba, sob diferentes potências de acionamento.
TABELA 3 – Equações de ajuste para η (% )em função de Q (m3.h-1).
4. Conclusões:
A partir dos resultados obtidos conclui-se: - A curva Hm x Q apresentou comportamento exponencial - A curva Pot x Q apresentou comportamento linear- A curva de η x Q apresentou comportamento polinomial; de 2º ordem.
5. Referências
DONG, Xu. WANG, Li. DING, Guifu. ZHOU, Yong. et all. Characteristics and fabrication of
NiTi/Si diaphragm micropump. Sensors and Actuators A 93 (2001) p.87-92.
MACINTYRE, A.J. Bombas e instalações de bombeamento. Rio de Janeiro: Guanabarra Dois, 1980. 667p.
OLIVEIRA, R.A., Desempenho de bomba centrífuga operando com esterco bovino líquido. Viçosa: UFV, 1996. 73p. Tese de Doutorado.
PORTO, R.M Hidráulica básica. São Carlos: EESC-USP, 1998. 540p.
PROTOGEROPOULOS, C., PEARCE, S. Laboratory evaluation and system sizing charts for a second generation direct PV-powered, low cost submersible solar pump. Solar energy, v 68, nº 05, pp 453-474. 2001
THOMAS, M.C. Water pumping: the solar alternative. Center Photovoltaic Systems Design S.N.L. Estados Unidos. 1987. 67p.
VIANA, A.N.C. Comportamento, manutenção e especificações de bombas hidráulicas de
Pot Equação R2 20 η= -580,85Q2 + 229,5Q + 6,725 0,7865 30 η = -303,36Q2 + 148,68Q + 13,817 0,9191 40 η= -253,66Q2 + 151,36Q + 11,251 0,9517 50 η= -128,3Q2 + 58,545Q + 31,322 0,9708 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 Q(m3/h) Rendimento(%) pot50 pot40 pot30 pot20
fluxo. FUPAI (Fundação de Pesquisa e Assessoramento à Indústria). Itajubá-MG. 1995. 118p.
YANAGI, T.Jr., T.; FERREIRA, E.; COLOMBO, A. et al. Método matemático para a estimativa analítica das curvas de desempenho de bombas centrífugas. Revista Ciência e Agrotecnologia. Lavras, v.21, n.4, p.484-490, out./dez. 1997.
