INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CAMPUS CACHOEIRO DE ITAPEMIRIM CURSO SUPERIOR DE ENGENHARIA MECÂNICA

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GABRIEL VARGAS FRAGA LEANDRO NASCIMENTO VICTORIA

BANCADA DE TESTE DE BOMBAS CENTRÍFUGAS: ELABORAÇÃO DAS CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA

Cachoeiro de Itapemirim 2021

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BANCADA DE TESTE DE BOMBAS CENTRÍFUGAS: ELABORAÇÃO DAS CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Coordenadoria do Curso de Engenharia Mecânica do Instituto Federal do Espírito Santo, como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica.

Orientador: Prof. Me. Hilton Moulin Caliman.

Cachoeiro de Itapemirim 2021

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(Biblioteca Carlos Drummond de Andrade do Instituto Federal do Espírito Santo)

F811b Fraga, Gabriel Vargas.

Bancada de teste de bombas centrífugas: elaboração das curvas caracteristícas de uma bomba centrífuga / Gabriel Vargas Fraga ; Leandro Nascimento Victoria. – 2021.

67 f.: il.; 30 cm.

Orientador: Hilton Moulin Caliman.

Monografia (graduação) – Instituto Federal do Espírito Santo, Coordenadoria do Curso de Engenharia Mecânica, Curso de Engenharia Mecânica, 2021.

1. Bombas centrífugas. 2. Máquinas hidráulicas. 3. Hidráulica. 4.

Fluido hidráulico. I. Victoria, Leandro Nascimento. II. Caliman, Hilton Moulin. III. Instituto Federal do Espírito Santo. IV. Título.

CDD: 621.67

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LEANDRO NASCIMENTO VICTORIA

BANCADA DE TESTE DE BOMBAS CENTRÍFUGAS: ELABORAÇÃO DAS CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Coordenadoria do Curso de Engenharia Mecânica do Instituto Federal do Espírito Santo, como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica.

Aprovado em 19 de março de 2021 COMISSÃO EXAMINADORA

Prof. Me.Hilton Moulin Caliman Instituto Federal do Espírito Santo

Orientador

Prof. Dr. Erick Bernabé Zanelato Instituto Federal do Espírito Santo

Prof. Me. Gabriel Antônio Taquêti Silva Instituto Federal do Espírito Santo

Prof. Me. Sayd Farage David Instituto Federal do Espírito Santo

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Emitido em 19/03/2021

FOLHA DE APROVAÇÃO-TCC Nº 3/2021 - CAI - CCEM (11.02.18.01.08.02.05) NÃO PROTOCOLADO)

(Nº do Protocolo:

(Assinado digitalmente em 29/03/2021 09:46 ) ERICK BERNABE ZANELATO

PROFESSOR DO ENSINO BASICO TECNICO E TECNOLOGICO CAI - CCEM (11.02.18.01.08.02.05)

Matrícula: 2162073

(Assinado digitalmente em 29/03/2021 09:39 ) GABRIEL ANTONIO TAQUETI SILVA

PROFESSOR DO ENSINO BASICO TECNICO E TECNOLOGICO GUA-CCTE (11.02.22.01.08.01.04)

(Assinado digitalmente em 29/03/2021 09:36 ) HILTON MOULIN CALIMAN

(Assinado digitalmente em 29/03/2021 12:34 ) SAYD FARAGE DAVID

Para verificar a autenticidade deste documento entre em https://sipac.ifes.edu.br/documentos/ informando seu número: , ano: 3 2021, tipo: FOLHA DE APROVAÇÃO-TCC, data de emissão: 29/03/2021 e o código de

verificação: 4602db7ee5

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A trajetória até aqui foi árdua, mas com auxílio de algumas pessoas a tornou mais leve.

“Até aqui nos ajudou o Senhor”, Samuel 7:12;

Agradeço primeiramente a Deus por nunca me abandonar e desamparar, por me manter de pé e dar forças para batalhar por meus objetivos e sonhos.

Agradeço a minha família, por todo apoio, carinho e ajuda nos momentos difíceis. E o a compreensão em meio a ausências para me dedicar ao meu sonho. Em especial agradeço minha mãe e irmão.

Agradeço a minha namorada, também por todo apoio, tempo cedido a me ajudar, compreensão, e companhia nos estudos.

Agradeço a todos os amigos que pude ter o privilégio de compartilhar o dia a dia durante todo o tempo em que estivemos na graduação, foram tempos e situações complicadas e difíceis, mas que por fim sei que valerão a pena, tendo na memória grandes recordações para o futuro.

Agradeço ao meu orientador Hilton, por acolher e fazer parte desta pesquisa, nos orientando e dando suporte durante esta caminhada.

Aos professores que tornaram tudo possível, que brigaram por nossos direitos e batalharam pela qualidade do ensino, que estiveram juntos conosco todos dias desta caminhada e que foram cordiais e empáticos, meu muito obrigado!

Por fim, mas não menos importante, gostaria imensamente de agradecer ao Instituto Federal do Espírito Santo, campus Cachoeiro de Itapemirim e toda a sua equipe, por proporcionar a realização de um sonho, amparar e acolher, fornecendo dignamente condições para os estudos.

Por: Leandro Nascimento Victória

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jornada.

Agradeço aos meus familiares, em especial meu pai, mãe e irmão por seu apoio incondicional por todo esse tempo de graduação, essa conquista é nossa.

Agradeço a todos meus amigos, pelo suporte em todos os momentos tanto de alegria quanto de tristeza durante a graduação.

Agradeço a todos os professores, pelo conhecimento transmitido durante o curso e pelos conselhos concedidos, com toda certeza concluirei está graduação uma pessoa melhor.

Agradeço ao meu orientador Hilton, por sua dedicação nos orientando e dando suporte durante esta caminhada.

Agradeço ao IFES por todo o apoio e oportunidades ao decorrer do curso, ao suporte técnico e emocional concedidos aos alunos que é algo de extrema importância.

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Declaramos, para fins de pesquisa acadêmica, didática e técnico-científica, que este Trabalho de Conclusão de Curso pode ser totalmente utilizado, desde que se faça

referência à fonte e aos autores.

Cachoeiro de Itapemirim, 19 de março de 2021.

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centrífugas e posterior elaboração e análise de algumas das principais curvas características das bombas, dentre elas, curva de altura manométrica, rendimento e potência absorvida, todas em função da vazão. Ao decorrer do trabalho dissertamos a respeito do funcionamento de uma bomba centrífuga, os tipos de máquinas hidráulicas, história do bombeamento para o avanço tecnológico da humanidade, e principalmente sobre as curvas características em estudo e suas peculiaridades. Através dessas curvas é possível analisar diversos fatores de avarias que possam ter ocorrido na bomba, assim como o quão eficiente está o sistema de bombeamento, o que ajuda a identificar o momento mais propício para uma parada de manutenção, que acarreta numa vida útil de funcionamento mais longo para o sistema. O trabalho apresenta também uma pequena discussão a respeito dos dados obtidos experimentalmente correlacionando-os com os valores cedidos pelo fabricante do equipamento, conduzindo assim uma análise de erro percentual dos valores obtidos na bancada que foi construída em comparação ao fabricante.

Palavras-chaves: Bombas Hidráulicas, curvas características.

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This work aims to build a test bench for centrifugal pumps and further elaborate and analyze some of the main characteristic curves of the pumps, among them, head gauge curve, yield and absorbed power, all depending on the flow. During the work, we talked about the operation of a centrifugal pump, the types of hydraulic machines, the history of pumping for the technological advancement of humanity, and especially about the characteristic curves under study and their peculiarities. Through these curves it is possible to analyze several factors of damage that may have occurred in the pump, as well as how efficient is the pumping system, which helps to identify the most propitious moment for a maintenance stop, which leads to a service life longer for the system. The work also presents a small discussion about the data obtained experimentally correlating them with the values provided by the equipment manufacturer, thus conducting an analysis of the percentage error of the values obtained in the bench that was built in comparison to the manufacturer.

Keywords: Hydraulic Pumps, characteristic curves.

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Figura 2: Fluxograma das máquinas de fluido. ... 21

Figura 3: Diagrama de Moody. ... 28

Figura 4: Representação do comprimento equivalente. ... 37

Figura 5: Altura manométrica por vazão... 41

Figura 6: Curva potência absorvida por vazão. ... 42

Figura 7: Curva de rendimento total por vazão. ... 42

Figura 8: Esquema da bancada de teste de bomba. ... 46

Figura 9: Modelo da bomba utilizada na bancada de testes. ... 47

Figura 10: Medidor de fluxo vazão. ... 51

Figura 11: Manômetro utilizado na bancada de testes. ... 51

Figura 12: Utilizando o tacômetro na Bomba 1. ... 52

Figura 13: Esquema elétrico de alimentação das bombas da bancada. ... 48

Figura 14: Imagem da bancada de teste de bomba. ... 54

Figura 15: Dados motobomba periférica ELETROPLAS ICS-50AB. ... 55

Figura 16: Parâmetros motobomba periférica ELETROPLAS ICS-50AB. ... 55

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Tabela 2: Materiais utilizados na confecção da bancada de testes. ... 47

Tabela 3: Materiais utilizados na confecção do painel elétrico. ... 50

Tabela 4: Descrição dos componentes elétricos. ... 49

Tabela 5: Valores de vazão e altura manométrica. ... 56

Tabela 6: Dados: valor estimado e valor real. ... 59

Tabela 7: Erro percentual calculado. ... 59

Tabela 8: Dados coletados Bomba 1. ... 60

Tabela 9: Dados coletados da Bomba 2... 61

Tabela 10: Incógnitas de interesse Bomba 1. ... 61

Tabela 11: Incógnitas de interesse Bomba 2. ... 61

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com a curva características do fabricante. ... 57

Gráfico 2: Altura Manométrica X Vazão. ... 62

Gráfico 3: Potência Absorvida X Vazão... 63

Gráfico 4: Rendimento Total X Vazão. ... 64

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ℎ_𝑎 - Altura estática de sucção/aspiração.

ℎ_𝑟 - Altura estática de recalque.

ℎ_𝑒 - Altura estática de elevação ou altura geométrica.

𝐻_𝑎 - Altura total de sucção ou manométrica de sucção.

𝐻_𝑏 - Alturas representativas da pressão atmosférica local.

𝐻_𝑟 - Altura total de recalque ou manométrica de recalque.

𝐻 - Altura manométrica de elevação ou manométrica total.

𝐻_𝑢 - Altura útil de elevação.

𝐻_𝑒 - Altura total de elevação.

𝐻_𝑚 - Altura motriz de elevação.

𝐿 - Comprimento da tubulação.

𝐾 - Coeficiente de perda.

𝐿_𝑒- Comprimento equivalente do tubo reto.

𝑐𝑣 - Cavalo vapor.

𝐷 - Diâmetro interno da tubulação.

𝑄 - Descarga (vazão).

𝜆 - Fator experimental dependente do projeto de sucção da bomba.

𝑓 - Fator de atrito.

𝜌 - Massa específica.

𝑅_𝑒 - Número de Reynolds.

𝐽 - Perda de carga.

𝐽_𝑛 - Perda de carga normal.

𝐽_𝑙 - Perda de carga localizada.

𝐽_𝑎 - Perda de carga no encanamento de aspiração.

𝐽_𝑟 - Perda de carga no recalque.

𝐽_𝑒 - Perda hidráulica do líquido escoado.

ℎ_𝑓𝑖 - Perda de carga entre o ﬂange de sucção e o olho do impelidor.

𝛾 - Peso específico do líquido.

𝑝 – Pressão.

𝑃_𝑓𝑠 - Pressão manométrica no ﬂange de sucção.

𝑃_𝑎 - Pressão atmosférica local.

𝑃_𝑣 - Pressão de vapor na temperatura de bombeamento.

𝑃_𝑠 - Pressão no reservatório de sucção.

𝑁_𝑚 - Potencia motriz.

𝑁_𝑒 - Potencia de elevação.

𝑁_𝑢 - Potencia útil.

𝑃_𝑎𝑏𝑠 - Potencia absorvida.

𝜂 – Rendimento.

𝑛 – Rotação.

𝑒 – Rugosidade absoluta.

𝐽_𝑝 - Valor do trabalho mecânico resistente passivo.

𝑣 - Velocidade do escoamento.

𝑉 - Velocidade de escoamento do ﬂuido.

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𝜇 - Viscosidade absoluta.

v - Viscosidade cinemática do ﬂuido na temperatura de bombeamento.

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2 MOTIVAÇÃO ... 18

3 OBJETIVOS ... 19

3.1 OBJETIVO GERAL ... 19

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 19

4 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 20

4.1 MÁQUINAS DE FLUXO ... 20

4.2 BOMBAS CENTRÍFUGAS ... 22

4.3 TIPOS DE MANUTENÇÃO ... 24

4.4 PROPRIEDADES DO FLUIDO ... 25

4.4.1 Número de Reynolds 𝑹𝒆 ... 25

4.4.2 Escoamento Laminar ... 25

4.4.3 Escoamento Turbulento ... 26

4.4.4 Teorema de Bernoulli ... 26

4.4.5 Perda de Carga... 27

4.4.6 Perda de Carga Normal 𝑱𝒏 ... 27

4.4.7 Fator de Atrito ... 27

4.5 TRANSFORMAÇÃO DA ENERGIA ... 29

4.6 POTÊNCIA HIDRÁULICA ... 32

4.6.1 Potência Motriz ... 32

4.6.2 Potência de Elevação ... 33

4.6.3 Potência Útil ... 33

4.7 POTÊNCIA NO EIXO ... 33

4.8 EFICIÊNCIA DA BOMBA ... 34

4.9 PERDAS DE CARGA ... 34

4.10 CURVAS CARACTERÍSTICAS DAS BOMBAS ... 39

4.10.1 Variação das Grandezas com Descarga ... 40

4.10.2 Curva carga (𝑯) x Vazão (𝑸) ... 40

4.10.3 Curva potência absorvida (𝑷𝒂𝒃𝒔) x Vazão (𝑸) ... 41

4.10.4 Curva Rendimento Total 𝜼𝒎𝒂𝒙 x Vazão 𝑸 ... 42

4.11 FATORES QUE ALTERAM AS CURVAS CARACTERÍSTICAS ... 42

5 MATERIAIS E MÉTODOS ... 46

6 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 54

6.1 VALIDAÇÃO DA BANCADA ... 54

6.2 ERRO PERCENTUAL ... 58

6.3 ANÁLISE DOS DADOS DOS EXPERIMENTOS ... 60

7 CONCLUSÃO ... 65

8 TRABALHOS FUTUROS ... 66

REFERÊNCIAS ... 67

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1 INTRODUÇÃO

As bombas hidráulicas são amplamente utilizadas em todos os ramos da sociedade, sendo de grande importância nos processos industriais, como também está ligado a melhoria das condições de saúde e conforto, ao progresso da ciência e tecnologia das máquinas designadas ao deslocamento de fluidos por escoamento (Macintyre, 1997).

Segundo Gomes et. al (2018, p. 108), o escoamento do fluido para regiões elevadas torna-se possível através da ação de uma bomba, isso facilita a vida na sociedade atual, pois permite o abastecimento de água em localidades afastadas do sistema hídrico mais próximo. A sua operação pressuriza o líquido em escoamento, onde transmite ao fluido o trabalho mecânico (fornecido pelo motor para o seu funcionamento) nas formas de energia cinética e de pressão, tornando-o capaz de vencer grandes alturas e vazões altas com bom rendimento.

As bombas hidráulicas são máquinas geratrizes que tem por finalidade realizar o deslocamento de um fluido em escoamento, caracterizando-as como aquelas que possuem um rotor provido de palhetas acionado por uma fonte externa de energia e em contato com o fluido, podemos salientar três órgãos construtivos básicos: o rotor, o eixo e a carcaça. O rotor é um elemento móvel que transfere energia ao fluido, o eixo de uma bomba tem a tarefa de transmitir potência do motor ao rotor da bomba, e a carcaça é a unidade protetora do rotor e direciona o fluido em sua passagem pelo equipamento (Carvalho, 1999).

Black (1974) afirma que o elemento girante no interior da carcaça de uma bomba transfere movimento de rotação para a massa de fluido contida em seu interior, desta forma o fluido é forçado para fora da mesma, através da abertura de saída devido a força centrífuga conforme demonstrado na Figura 1. A baixa pressão desenvolvida, em consequência, possibilita a pressão atmosférica a forçar mais água para dentro da carcaça através da abertura de entrada.

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Figura 1: Vista em corte de uma bomba centrífuga.

Fonte: Extraído e modificado de Potter & Wiggert (2010).

Tendo em vista que ao decorrer da utilização da bomba seus componentes sofrem desgastes, ocasionados pelo seu funcionamento, a eficiência é reduzida, com isso faz- se uso de algumas técnicas para averiguar o estado que a bomba se encontra, a fim de elaborar um plano de manutenção preditiva e preventiva. Uma ferramenta que auxilia o engenheiro a identificar tais problemas são as curvas características.

Portanto a análise das curvas características das bombas é um estudo importante que pode ser realizado, elas são representações gráficas que mostram a funcionalidade da bomba centrífuga, as quais nos permitem realizar observações a respeito de seu funcionamento. Portanto, neste trabalho temos como objetivo principal elaborar e analisar as curvas da bomba referentes a: altura manométrica, potência e rendimento, todos em função da vazão escoada, estas sendo elaboradas pela bancada de teste, e por fim comparar os resultados com os dados teóricos.

Como método de construção das curvas características elaboramos uma bancada de testes de bombas hidráulicas, onde é possível controlar diversos parâmetros que possibilitaram a elaboração das curvas. Após os ensaios foi realizada uma comparação entre os dados das curvas adquiridos durante os testes e as curvas teóricas.

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2 MOTIVAÇÃO

Ao analisar as curvas características das bombas, é possível verificar as mudanças no seu desempenho de forma gradativa, estando associada a alguns aspectos que influenciam no desempenho final, fazendo com que seu rendimento diminua. A fim de solucionar este problema, a bancada de testes permite a análise gráfica dos parâmetros de trabalho atual, possibilitando a criação de um plano de manutenção adequado para diferentes tipos de solicitações.

Isso permite identificar possíveis erros de fabricação reduzindo assim os custos, o que posteriormente levaria a um gasto em manutenção precoce, pois com a formulação das curvas características na bancada, e comparando-as com os dados elaborados pelo fabricante, possíveis anormalidades poderão ser identificadas antes mesmo de colocá- las em operação, evitando gastos desnecessários com manutenção, isso permite obter confiabilidade nas bombas e, além disso, aumentar a vida útil do produto.

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3 OBJETIVOS

3.1 OBJETIVO GERAL

O objetivo principal é obter as curvas características de funcionamento de uma bomba centrífuga nova, por meio das medições executadas na bancada, analisando os parâmetros, baseados nas curvas características teóricas das bombas centrífugas. Serão avaliadas as curvas de desempenho em relação à altura manométrica, potência e rendimento, todas em função da vazão escoada, após a realização dos testes.

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Construção da bancada de testes de bomba;

• Realização de testes e análise dos parâmetros em relação a vazão;

• Elaboração dos gráficos das curvas características da bomba;

• Comparar os dados obtidos experimentalmente com os dados teóricos.

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4 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

4.1 MÁQUINAS DE FLUXO

Para Munson, Young e Okiishi (2004) as máquinas de fluxo podem ser definidas como

“dispositivos mecânicos que extraem energia de um fluido (turbina) ou que adicionam energia ao fluido (bomba)” (Munson, Yong, Okiishi, 2004, p. 705). Para Nogueira (2010) às máquinas de fluxo são como um transformador de energia no qual um fluido que em sua passagem pela máquina, interage com um elemento rotativo (rotor), não estando confinado em nenhum momento.

De acordo com Nogueira (2010) máquinas de fluído são normalmente subdivididas em dois tipos principais: as máquinas de deslocamento positivo e as turbo máquinas. Nas máquinas de deslocamento positivo a transferência de energia é feita por variações de volume que ocorrem devido ao movimento da fronteira na qual o fluido está confinado, e podem ser rotativas, como as bombas de engrenagens, ou alternativas, como o compressor de pistão. Já nas turbomáquinas, que são equipamentos fluido mecânicos que direcionam o fluxo com pás fixadas num elemento rotativo, não há volume confinado e funcionam cedendo energia para um fluido em constante movimento.

Ambos os tipos podem ser segregados em máquinas hidráulicas e máquinas térmicas, e como pode ser visto na Figura 2, máquina hidráulica é aquela na qual o fluido que troca sua energia não varia sensivelmente de massa específica em seu percurso através da máquina, e máquina térmica é aquela em que o fluido em seu percurso através da máquina varia sensivelmente de massa específica e volume específico (NOGUEIRA, 2010).

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Figura 2: Fluxograma das máquinas de fluido.

Fonte: Adaptada (NOGUEIRA, 2010).

Para muitos líquidos, a temperatura tem pouca influência sobre a massa específica, e sob pressões moderadas, eles podem ser considerados incompressíveis (FOX, 2010).

Portanto para máquinas hidráulicas a massa específica não sofre alteração, e consequentemente considera-se ρ constante.

Após esta breve introdução sobre diferentes tipos de máquinas de fluido, será dado foco na turbomáquina (máquina de fluxo), ao qual será utilizada neste trabalho.

Segundo Nogueira (2010), a maioria das máquinas de fluxo funcionam sobre os mesmos princípios básicos. Porém, esta consideração é válida apenas quando o fluido de trabalho é considerado um fluido ideal, pois as propriedades do fluido, como volume específico e viscosidade, podem variar de fluido para fluido e, com isso, influenciar consideravelmente nas características construtivas dos diferentes tipos de máquinas. São exemplos de máquinas de fluxo: as turbinas hidráulicas, os ventiladores, as bombas centrífugas, as turbinas a gás e a vapor.

De acordo com Nogueira (2010) uma máquina de fluxo tem a finalidade de, como máquina motriz, transformar um tipo de energia que a natureza nos oferece em trabalho mecânico, ou, como máquina operadora, fornece energia a um fluido para, por exemplo, transportá-lo de um local de baixa pressão para outro de alta pressão. Quando uma

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máquina de fluxo trabalha como motriz é chamada de turbina e quando trabalha como operadora é chamada de bomba. No caso das bombas o fluido de trabalho pode estar no estado líquido ou gasoso. As bombas para líquidos são usualmente chamadas de bombas rotativas, enquanto que as para gases são chamadas de compressores rotativos ou de turbocompressores.

Pode-se diferenciar os tipos de turbo máquinasde acordo com a geometria do percurso do fluido. Nas máquinas de fluxo radiais a trajetória do fluido é essencialmente radial, com mudanças no raio de entrada para a saída, essas máquinas são denominadas centrífugas. Já nas máquinas de fluxo axiais a trajetória do fluido é aproximadamente paralela à linha de centro da máquina e o raio de percurso não varia significativamente (Nogueira, 2010).

Neste trabalho faremos uso de bombas centrífugas, a qual será descrita na seção a seguir de forma mais minuciosa, para melhor entendimento dos princípios básicos utilizados para a formulação deste trabalho.

4.2 BOMBAS CENTRÍFUGAS

Entre as máquinas de fluxo radial a mais comum é a bomba centrífuga. “Esse tipo de bomba é constituído de dois elementos principais: um rotor em um eixo e uma carcaça (voluta) que envolve o rotor.” (Munson, Young e Okiishi, 2004, p. 713). Moraes Jr (2011), define sua popularidade por sua capacidade de possibilitar bom rendimento a localidades elevadas e com grande vazão.

De acordo com Black (1974) o funcionamento deste tipo de bomba, se dá pelo movimento de rotação que cria uma região de baixa pressão no interior da carcaça, possibilitando a pressão atmosférica a promover o escoamento do fluido no reservatório de captação em direção à bomba. A energia cinética é cedida ao fluido a partir do movimento de rotação do rotor, forçando a água para fora da carcaça.

Macintyre (1997) afirma que para seu funcionamento, a bomba centrífuga necessita ser preenchida com o líquido a ser bombeado, isto é, deve ser escorvada devido ao fato de

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que a queda de pressão na região de entrada da bomba é uma função da massa específica do fluido contido na carcaça. Como a massa específica do ar é muito pequena, a queda de pressão não é suficiente para que a pressão atmosférica promova o escoamento a partir do reservatório de captação. Dessa forma é necessário que a bomba esteja preenchida com o líquido a ser bombeado no momento da partida.

Segundo Black (1974) o rendimento de uma bomba centrífuga é determinado pelo tipo de rotor. Para atingir um dado conjunto de condições de operação, as palhetas e outros detalhes são projetados a fim de garantir os parâmetros desejados, podendo variar dependendo do tipo de serviço e/ou valor de carga. Os rotores podem ser do tipo aberto, semiaberto e fechado, sendo o rotor fechado geralmente utilizado por apresentar um maior rendimento, sendo suas palhetas fundidas integralmente em ambos os lados, e são projetadas para impedir retenção de materiais fibrosos entre as partes fixas e o rotor.

A classificação do rotor devido ao fluxo é dividida em rotor de fluxo axial, usado para obter um escoamento de líquido na direção do eixo de rotação, o rotor de fluxo misto, empregado para recalcar grandes quantidades de líquido com pequenas cargas e o rotor de fluxo radial, que tem entrada axial e saída radial e é empregado para grandes cargas e pequenas vazões. Ainda segundo Black (1974) a bomba centrífuga é uma máquina desbalanceada por natureza, devido a serem submetidas a um empuxo resultante, tornando necessário contrabalancear esta carga. Os métodos de balanceamento mais utilizados têm sido o balanceamento natural onde são utilizados rotores opostos, e o balanceamento mecânico sendo feito através da utilização de discos de balanceamento.

Já a carcaça usualmente é uma peça fundida bipartida no plano horizontal ou diagonal, com as conexões de admissão e descarga fundidas integralmente com sua parte inferior, podendo ser do tipo de admissão simples ou dupla. A admissão dupla é a mais utilizada, devido aos empuxos nas extremidades serem equalizados quando ocorrem variações na pressão, seja no lado de descarga ou no de admissão (Black, 1974).

Para a instalação da bomba deve-se levar em conta a altura de sucção, pois a sucção é afetada pela temperatura, altitude, e perdas por atrito no tubo, válvula de pé e crivo. A

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tubulação também afeta a localização da bomba, devido ao seu arranjo ser o mais simples possível, visando diminuir a perda de carga (Black, 1974).

4.3 TIPOS DE MANUTENÇÃO

As principais justificativas para se realizar uma manutenção preditiva e preventiva nas bombas centrífugas são: as reduções de custos com paradas não programadas da bomba, o desempenho da bomba, o aumento da produção, o aumento da vida útil do equipamento e a redução dos acidentes na manutenção corretiva da bomba.

A manutenção preditiva a partir das análises de desgaste ou do estado de degradação de um equipamento estabelece suas condições reais de uso. Esse tipo de manutenção necessita de dados acolhidos da manutenção preventiva. Através dos dados obtidos pelo monitoramento, caracteriza a necessidade de adotar parâmetros e técnicas de ensaios para programar alterações na mudança do desempenho do maquinário, tais como:

corrente elétrica, tensão, análise de vibrações, análise de temperaturas, lubrificação e ultrassonografia (BRANCO FILHO, 2008).

A manutenção preventiva da mesma forma da manutenção preditiva trata-se de atuação realizada de maneira a reduzir ou evitar a falha ou a queda no desempenho do equipamento, obedecendo a um plano de manutenção preventiva previamente elaborada, porém ao contrário da preditiva baseia-se em intervalos de tempos definidos, isso é, manutenção baseada no tempo (PEREIRA, 2011).

Tendo em vista que uma máquina parada compromete toda a produção, a manutenção corretiva é a primeira atitude tomada para que esta produção volte à normalidade. Ou seja, a manutenção corretiva é uma técnica de gerência reativa que espera pela falha da máquina ou equipamento, antes que seja tomada qualquer ação de manutenção. A manutenção corretiva é o mais caro dos métodos de gerência de manutenção. Os maiores valores em dinheiro associados a este tipo de gerência de manutenção são: alto custo de estoques de peças sobressalentes, altos custos de trabalho extra, elevado tempo de paralisação da máquina, e baixa disponibilidade de produção (PEREIRA, 2011).

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4.4 PROPRIEDADES DO FLUIDO

Nesta seção serão apresentados os parâmetros importantes para a análise do fluido de trabalho.

4.4.1 Número de Reynolds (𝑹𝒆)

É a relação entre a força de inércia e a força devido à viscosidade do ﬂuido. É possível caracterizar o tipo de escoamento como laminar ou turbulento através deste parâmetro (Fox, 2010).

𝑅𝑒 =

^{𝐷 .𝑉 .𝜌}

𝜇

=

^{𝐷 .𝑉}

𝑣 (4.1)

Conhecidos os valores de 𝑉, 𝐷 e 𝑣, calcula-se o número de Reynolds, caracterizando os escoamentos da seguinte maneira:

𝑅𝑒 < 2000, Escoamento laminar.

𝑅𝑒 > 4000, Escoamento turbulento.

Lembrando que essa afirmação é válida para escoamento interno apenas, para um escoamento externo as considerações são outras. Para 2000 ≤ 𝑅𝑒 ≤ 4000, na prática, o regime de escoamento é turbulento, só sendo laminar quando a velocidade de escoamento for muito baixa, o diâmetro muito pequeno e/ou ﬂuido for muito viscoso (Fox, 2010).

4.4.2 Escoamento Laminar

No regime laminar, a estrutura do escoamento é caracterizada pelo movimento suave em lâminas ou camadas. É o escoamento quando todas as linhas de corrente são paralelas e as velocidades de cada ponto são invariáveis em direção e grandeza (Fox, 2010).

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4.4.3 Escoamento Turbulento

A estrutura do escoamento no regime turbulento é caracterizada por movimentos tridimensionais aleatórios de partículas ﬂuidas. As partículas movem-se em todas as direções com velocidades variáveis, em direção e grandeza, de um ponto para o outro e, no mesmo ponto, de um momento para o outro (Fox, 2010).

4.4.4 Teorema de Bernoulli

O teorema de Bernoulli pode ser considerado um caso particular do princípio de conservação de energia, assumindo que a energia total de um ﬂuido se conserva durante todo seu percurso quando não há aporte externo de energia (Fox, 2010). A equação 4.2 relaciona as variações de energia de pressão, energia cinética e energia potencial gravitacional ao longo de uma linha de corrente:

𝑍₁+𝑃₁ 𝛾 +𝑉₁²

2𝑔 = 𝑍₂+𝑃₂ 𝛾 +𝑉₂²

2𝑔 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 (4.2)

Para que possa ser aplicado o teorema de Bernoulli as seguintes condições devem ser satisfeitas: Escoamento em regime permanente, escoamento ao longo de uma linha de corrente, escoamento incompressível, e escoamento sem atrito (Fox, 2010).

Esta formulação do teorema de Bernoulli não considera a perda de energia devido ao atrito, viscosidade e turbilhonamento. Portanto, a equação precisa ser adaptada para ser utilizada para os líquidos reais, incluindo o termo J que representará esta perda (Fox, 2003)., tornando a equação da seguinte forma:

𝑍₁+𝑃₁ 𝛾 +𝑉₁²

2𝑔 = 𝑍₂+𝑃₂ 𝛾 +𝑉₂²

2𝑔+ 𝐽 (4.3)

(28)

4.4.5 Perda de Carga

A perda de carga (𝐽) representa a energia perdida pelo líquido no escoamento. Esta perda de energia pode ser devido a dois fatores: perda de carga normal (𝐽_𝑛), aquela que ocorre em trechos retos de tubulação, ou perda de carga localizada (𝐽_𝐿), aquela que ocorre em acessórios como, válvulas e conexões (Fox, 2010). Para determinar 𝐽 utilizamos a seguinte relação:

𝐽 = 𝐽_𝑛+ 𝐽_𝐿 (4.4)

4.4.6 Perda de Carga Normal (𝑱_𝒏)

A perda de carga normal é a perda proveniente dos trechos retos da tubulação devido ao atrito das partículas do ﬂuido com as paredes da tubulação pela qual o ﬂuido escoa. Ela pode ser obtida a partir de diversas fórmulas teórico-experimentais, sendo a mais usual a fórmula de Darcy-Weisbach (Fox, 2010), que é mostrada na equação 4.5:

𝐽𝑛 = 𝑓 .𝐿 𝐷 .𝑉²

2𝑔 (4.5)

4.4.7 Fator de Atrito

É um número adimensional, representado pela letra 𝑓, e expressa o atrito feito pelas paredes da tubulação sobre o ﬂuido escoando. O cálculo deste fator deve ser feito de acordo com o tipo de escoamento (Fox, 2010).

Escoamento Laminar:

𝑓 =64

𝑅𝑒 (4.6)

Para regime laminar o fator de atrito é uma função apenas do número de Reynolds.

(29)

Escoamento turbulento:

¹

√𝑓= −2,0 log ( ^𝑒

3,7𝐷+ ^2,51

𝑅𝑒√𝑓) (4.7)

Para um escoamento turbulento o fator de atrito é uma função do número de Reynolds e da rugosidade relativa.

Para escoamentos turbulentos a equação (4.7) é implícita para 𝑓, sendo complicada de se utilizar na prática, necessitando de um método iterativo para obtê-lo. Pensando nisto, Moody a ﬁm de facilitar a determinação do fator de atrito de uma tubulação para diversos padrões de escoamento, elaborou um diagrama com dados experimentais (Fox, 2010), onde 𝑓 pode ser obtido com auxílio de gráﬁcos, necessitando do diâmetro (𝐷), da rugosidade relativa (𝜖/𝐷) e do número de Reynolds (𝑅𝑒), como pode-se ver na Figura 3.

Figura 3: Diagrama de Moody.

Fonte: Adaptado (ÇENGEL; GHAJAR, 2012).

(30)

4.5 TRANSFORMAÇÃO DA ENERGIA

A bomba hidráulica é um dispositivo utilizado para adicionar energia ao fluido, ela recebe energia mecânica que movimenta o rotor e a fornece ao fluido na forma de energia cinética, o fluido utiliza esta energia para executar trabalho, exercido pelo deslocamento de seu peso entre duas posições, superando as resistências existentes em seu percurso.

Devido a isso precisamos analisar alguns conceitos importantes para o estudo de bombas hidráulicas, os quais serão descritos a seguir (Macintyre, 1997).

Altura estática de sucção/aspiração (ℎ_𝑎): é a diferença de altura geométrica entre o plano horizontal que passa pelo centro da bomba e o da superfície livre do reservatório de captação. Também conhecida por static suction head, independe se o reservatório de sucção é pressurizado ou não (Macintyre, 1997).

Altura estática de recalque (ℎ_𝑟): é a diferença de cotas entre os níveis onde o líquido é abandonado ao sair pelo tubo de recalque no meio ambiente e o nível do centro da bomba. Também conhecida por static discharge head, independe se o reservatório de descarga é pressurizado ou não (Macintyre, 1997).

Altura estática de elevação ou altura geométrica (ℎ_𝑒): é a diferença de cotas entre os níveis em que o líquido é abandonado no meio ambiente, ao sair pelo tubo de recalque, e o nível livre no reservatório de captação. Também conhecido por altura topográfica, se o tubo de descarga está posicionado acima do nível do reservatório de descarga, então o desnível deve referir-se à linha de centro do tubo de descarga (Macintyre, 1997).

ℎ_𝑒 = ℎ_𝑎+ ℎ_𝑟 (4.8)

Altura total de sucção ou manométrica de sucção (𝐻_𝑎): é a diferença entre as alturas representativas da pressão atmosférica local (𝐻_𝑏) e da pressão reinante na entrada da bomba, que supomos ser igual à da entrada do rotor, também conhecido por total suction head (Macintyre, 1997).

(31)

𝐻_𝑎 = ℎ_𝑎+𝑉₀²

2𝑔 + 𝐽_𝑎 (4.9)

Onde 𝐽_𝑎 é a perda de carga no encanamento de aspiração.

Altura total de recalque ou manométrica de recalque (𝐻_𝑟): é a diferença entre as alturas representativas da pressão na saída da bomba e a atmosférica, que supusemos ser a reinante na saída da tubulação de recalque (Macintyre, 1997).

𝐻_𝑟 = (𝑝₃/𝛾 + 𝑖) − 𝐻_𝑏 (4.10)

Dois casos devem ser considerados:

A tubulação de recalque abandona livremente o líquido na atmosfera.

O líquido é conduzido pela tubulação a um reservatório superior de tal modo que, acima da boca do tubo de recalque, haja uma camada de líquido capaz de absorver toda a energia cinética devida à velocidade 𝑉₄² com que sai do tubo.

No caso 1 temos:

𝐽_𝑟 = (𝑝₃

𝛾 + 𝑖 + 𝑉₃²) − (ℎ_𝑟+ 𝐻_𝑏+ 𝑉₄²) (4.11)

Onde 𝐽_𝑟 é a perda de carga no recalque. Se a tubulação tiver seção constante, 𝑉₃ será igual a 𝑉₄, podemos reescrever 𝐻_𝑟 como:

𝐻_𝑟 = ℎ_𝑟+ 𝐽_𝑟 (4.12)

(32)

Já no segundo caso, aplicando a mesma equação entre a seção de saída da bomba e o nível livre do líquido no reservatório superior onde supomos ser nula a velocidade, temos:

𝐽_𝑟^′ = (𝑝₃

𝛾 + 𝑖 + 𝑉₃²) − (ℎ_𝑟+ 𝐻_𝑏) (4.13)

Onde 𝐽_𝑟^′ é a perda de carga na tubulação de recalque e na entrada do reservatório superior. Reescrevendo as equações temos:

𝐻_𝑟 = ℎ_𝑟+ 𝐽_𝑟^′ −𝑉₃²

2𝑔 (4.14)

Altura manométrica de elevação ou manométrica total (𝐻): é a diferença entre as alturas representativas das pressões na saída e na entrada da bomba (Macintyre, 1997), temos:

𝐻 = 𝐻_𝑎 + 𝐻_𝑟

𝐻 = (ℎ_𝑎+𝑉₀²

2𝑔+ 𝐽_𝑎) + (ℎ_𝑟+ 𝐽_𝑟)

𝐻 = ℎ_𝑒+ 𝐽_𝑎+ 𝐽_𝑟 +^𝑉⁰²

2𝑔 (4.15)

Altura útil de elevação (𝐻_𝑢): é a energia que a unidade de peso de líquido adquire em sua passagem pela bomba (Macintyre, 1997).

𝐻_𝑢 = ℎ_𝑒 + 𝐽_𝑎+ 𝐽_𝑟+𝑉₃²

2𝑔 (4.16)

(33)

Quando os diâmetros de entrada e saída forem iguais, temos que as velocidades de entrada e saída serão iguais, logo, 𝐻 = 𝐻_𝑢.

Altura total de elevação (𝐻_𝑒): é a energia total que o rotor deve fornecer a cada unidade de peso de líquido, levando em consideração as perdas de natureza hidráulica que ocorrem no interior da bomba (Macintyre, 1997).

𝐻_𝑒 = 𝐻_𝑢+ 𝐽_𝑒 (4.17)

Onde 𝐽_𝑒 é a perda hidráulica do líquido escoado.

Altura motriz de elevação (𝐻_𝑚): é a grandeza que mostra o trabalho exterior necessário a ser fornecido ao rotor, por unidade de peso de fluido escoado, para que supere o trabalho resistente mecânico desenvolvidos nos mancais (Macintyre, 1997).

𝐻_𝑚 = 𝐻_𝑒 + 𝐽_𝑝 (4.18)

Onde 𝐽_𝑝 é o valor do trabalho mecânico resistente passivo.

4.6 POTÊNCIA HIDRÁULICA

Nas bombas precisamos analisar ou considerar as seguintes potências: Potência motriz, potência de elevação e potência útil (Macintyre, 1997).

4.6.1 Potência Motriz

Essa potência é denominada como consumo de energia da bomba, é a potência fornecida pelo motor ao eixo da bomba, e é medida através de um freio dinamométrico (Macintyre, 1997).

(34)

𝑁_𝑚 = 𝛾 . 𝑄 . 𝐻_𝑚 (4.19)

Onde 𝛾 é o peso específico do líquido, 𝑄 é a descarga e 𝐻_𝑚 é a altura motriz de elevação.

4.6.2 Potência de Elevação

Nem toda a potência fornecida ao eixo da bomba é aproveitada na transmissão de energia ao líquido pelo rotor (Macintyre, 1997).

𝑁_𝑒 = 𝛾 . 𝑄 . 𝐻_𝑒 (4.20)

Onde 𝛾 é o peso específico do líquido, 𝑄 é a descarga e 𝐻_𝑒 é a altura total de elevação.

4.6.3 Potência Útil

Somente parte da energia cedida pelo rotor é utilizada pelo líquido para a realização de trabalho do escoamento, que é a altura útil (Macintyre, 1997).

𝑁_𝑢 = 𝛾 . 𝑄 . 𝐻_𝑢 (4.21)

Onde 𝛾 é o peso específico do líquido, 𝑄 é a descarga e 𝐻_𝑢 é a altura útil de elevação.

4.7 POTÊNCIA NO EIXO

A potência motriz, adotando a utilização da água, é dada por

𝑁_(𝐶.𝑉.) =1000 𝑄 𝐻

75 (4.22)

(35)

Sendo, inicialmente, o rendimento total máximo em torno de 70 a 75%, embora o valor varie, normalmente, de 63 a 84%.

4.8 EFICIÊNCIA DA BOMBA

A eficiência da bomba é definida como a relação entre o potencial adicionado pela bomba ao fluido e a potência que é fornecida pela bomba.

𝜂 =𝑝𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑑𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑒𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 𝑎𝑜 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑓𝑜𝑟𝑛𝑒𝑐𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑒𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎

= 𝑝𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 ú𝑡𝑖𝑙 𝑝𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜

(4.23)

4.9 PERDAS DE CARGA

Segundo Macintyre (1997) o líquido ao escoar por um dispositivo, como tubulações, válvulas, conexões, cede energia para vencer as resistências ao escoamento, devidas à atração molecular no próprio líquido, e as resistências dos dispositivos. Ao trabalhar com problemas envolvendo instalações de bombeamento, como também em praticamente todas as questões envolvendo escoamento de fluidos, é imprescindível calcular a perda de carga associada, ou seja, a perda de energia no sistema. Podem ser definidos como fatores que influenciam na perda de carga em um sistema, a viscosidade, o número de Reynolds, a rugosidade dos encanamentos.

A perda de carga é composta por duas parcelas, pela perda de carga por dutos ou tubulações, devido ao atrito no escoamento plenamente desenvolvido entre pontos da tubulação com área constante, e perda de carga por acessórios, devido ao escoamento através de acessórios como válvulas, joelhos, registros e em porções do sistema de área variável tais como saídas de reservatórios, bocais convergentes e divergentes (Alé, 2011)

(36)

𝐽 = 𝐽_𝐿+ 𝐽_𝑎 (4.24)

Segundo Fox (2010) a perda de carga causadas pelos efeitos de atrito no escoamento, representam a maior parcela na soma final dos efeitos, dessa forma, são consideradas os dois efeitos separadamente. O balanço de energia usado para avaliar a perda de carga por atrito, considerando um escoamento completamente desenvolvido em um tubo de área constante, é dado por:

𝑝₁− 𝑝₂

𝜌 = 𝑔(𝑧₂− 𝑧₁) + ℎ_𝑙 (4.25)

Se o tubo é horizontal, pode-se fazer 𝑧₁ = 𝑧₂, portanto:

𝑝₁ − 𝑝₂ 𝜌 =∆𝑝

𝜌 = ℎ_𝑙 (4.26)

Dessa forma, considerando a perda de carga para um escoamento completamente desenvolvido em tubos de área constante, a perda de carga é independente da orientação do tubo, sendo função dos detalhes do escoamento através dos tubos.

Para escoamento laminar, a queda de pressão pode ser calculada analiticamente para o escoamento completamente desenvolvido em um tubo horizontal,

ℎ_𝑙 = (64 𝑅𝑒)𝐿 𝑉²

2𝐷 (4.27)

(37)

No escoamento turbulento, avaliar a queda de pressão analiticamente não é possível, sendo necessário recorrer a métodos experimentais e utilizar a análise dimensional para correlaciona-los. Dessa forma, com 𝑓 sendo o fator de atrito, a perda de carga torna-se:

ℎ_𝑙 = 𝑓𝐿 𝑉²

2𝐷 (4.28)

𝑓 ≡ 𝜙₂(𝑅𝑒,∈

𝐷) (4.29)

O fator de atrito é determinado experimentalmente, e os resultados foram publicados por L. F. Moody, como mostra a Figura 3.

Para perdas de cargas menores, são avaliados os efeitos da passagem do fluido através de uma variedade de acessórios, curvas e mudanças súbitas de área. Essa perda de carga, dependendo do dispositivo, podem ser calculadas de duas formas,

ℎ_𝑙𝑚 = 𝐾𝑉²

2 (4.30)

Onde o coeficiente de perda, 𝐾, deve ser determinado experimentalmente para cada situação, ou pela equação

ℎ_𝑙𝑚 = 𝑓𝐿_𝑒 𝐷

𝑉²

2 (4.31)

Onde 𝐿_𝑒 é o comprimento equivalente do tubo reto (Fox, 2010).

(38)

O comprimento equivalente em metros de canalização retilínea (𝐿_𝑒) é tabelado segundo o tipo de acessório, o material utilizado e o diâmetro da tubulação. Se substituirmos um certo acessório por uma tubulação retilínea com o comprimento igual ao comprimento equivalente (com igual material e diâmetro) ambos originariam a mesma perda de carga, conforme demonstrado na Figura 4.

Figura 4: Representação do comprimento equivalente.

Fonte: Adaptado (ALÉ, 2011).

Para perdas de cargas em diversos acessórios, diferentemente da tubulação, temos a

(39)

Tabela 1, onde é mostrado o comprimento equivalente adimensional (𝐿_𝑒/𝐷):

(40)

Tabela 1: Perda de carga localizada.

Tipo de Acessório Comprimento equivalente dividido pelo diâmetro (𝐿_𝑒/𝐷)

Válvula de globo aberta 340

Válvula de gaveta aberta 8

Válvula de gaveta 3/4 aberta 35

Válvula do tipo borboleta aberta 45

Válvula de esfera aberta 3

Válvula de retenção tipo globo 600 Válvula de retenção tipo em ângulo 55 Válvula de pé com crivo: de disco móvel 75

Cotovelo padronizado 90º 30

Cotovelo padronizado 45° 16

Tê padronizado fluxo direto 20

Tê padronizado fluxo ramal 60

Fonte: Adaptado (ALÉ, 2011).

4.10 CURVAS CARACTERÍSTICAS DAS BOMBAS

Quando fabricado uma bomba, certos parâmetros foram estabelecidos no sentido de funcionar com seu melhor rendimento, para valores predeterminados de 𝑄, 𝐻 e 𝑛. No entanto é possível trabalhar com valores diversos dessas grandezas. Portanto, é importante saber o que acontece com as demais grandezas, quando uma delas assume um valor diferente daquele para o qual a bomba foi projetada, e saber se o rendimento se mantém aceitável com as novas condições. Denominadas por M. Rateau, as grandezas 𝑄, 𝐻, 𝑛, 𝑁 e 𝜂 foram denominadas de grandezas características do funcionamento de uma turbobomba (Macintyre, 1997).

A bomba é projetada para atender a um valor prefixado de número n de rotações, com isso, operará com uma descarga 𝑄, uma altura de elevação 𝐻, proporcionando um rendimento total máximo 𝜂_𝑚á𝑥. Em alguns casos, pode-se desejar que a bomba trabalhe com outros valores de descarga e altura de elevação, e uma das soluções consiste em variar o número de rotações (Macintyre, 1997).

(41)

4.10.1 Variação das Grandezas com Descarga

Segundo Macintyre (1997) a descarga é a grandeza que mais facilmente pode ser variada, podendo utilizar um registro para fazer esse controle, como será utilizado no trabalho proposto. Dessa forma, é do maior interesse saber o comportamento das grandezas característica com sua variação, principalmente a variação de 𝐻, razão pela qual a curva que traduz a função (𝐻, 𝑄) para um valor constante do número de rotações dá-se o nome curva característica principal da bomba.

4.10.2 Curva carga (𝑯) x Vazão (𝑸)

Esta curva é usualmente feita pelo fabricante da bomba, utilizando água como o fluido de bombeamento. A curva da bomba, chamada de head, pode ser definida como energia por unidade de massa, ou peso, que a bomba pode fornecer ao sistema para uma determinada vazão, essa curva auxilia na verificação de um determinado valor de vazão para sua altura manométrica correspondente, ou seja, é importante para analisar qual bomba adotar para o seu sistema de bombeamento.

Considerando uma rotação constante a curva da altura manométrica versus vazão será uma parábola, podendo assumir diferentes denominações como curva inclinada, curva ascendente-descendente, curva altamente descendente e curva plana. Sistemas que utilizem bombas com curva ascendente-descendente deverão evitar a utilização do equipamento na região de ascendência, pois apresentam um comportamento instável (Meneghini; Sarmento, 2017). Dessa maneira, ao elaborar esse tipo de curva, evitará mal funcionamento ocasionando problemas futuros.

(42)

Figura 5: Altura manométrica por vazão.

Fonte: Adaptado (KSB, 2003).

4.10.3 Curva potência absorvida (𝑷_𝒂𝒃𝒔) x Vazão (𝑸)

Esta curva mostra a variação da potência absorvida pela bomba em função da variação da vazão, tal curva é de suma relevância para a seleção do motor de alimentação da bomba, que deve ser capaz de satisfazer os limites dos pontos de operação.

Na curva da potência consumida pela bomba versus vazão no caso em que a vazão for nula, a potência agregada ao escoamento será zero, porém, para manter o equipamento em funcionamento será necessária certa quantidade de energia, que acabará sendo dissipada em calor. Caso a válvula de saída da bomba estiver na posição fechada por um longo período de tempo, ocorrerá superaquecimento no fluido gerando sérios danos ao sistema (Meneghini; Sarmento, 2017).

(43)

Figura 6: Curva potência absorvida por vazão.

Fonte: Adaptada (MATTOS; FALCO, 1998).

4.10.4 Curva Rendimento Total (𝜼_𝒎𝒂𝒙) x Vazão (𝑸)

O rendimento total é o produto dos rendimentos hidráulicos, mecânicos e volumétricos da bomba, esta curva mostra o quão eficiente é uma bomba para determinado sistema.

Podendo ser apresentados, as três curvas em função da vazão (𝑄), da seguinte forma:

Figura 7: Curva de rendimento total por vazão.

Fonte: Adaptada (MATTOS; FALCO, 1998).

4.11 FATORES QUE ALTERAM AS CURVAS CARACTERÍSTICAS

Segundo Macintyre (1997) as curvas das bombas representam a ligação entre o funcionamento das turbobombas com as grandezas características, considerando o comportamento de cada um dos fatores inerentes a elas.

(44)

Influência do peso específico: Uma bomba que trabalhe com um líquido de maior peso específico apresentaria uma maior pressão na saída da bomba, pois a pressão é proporcional ao peso específico do líquido, 𝑝 = 𝛾 . 𝐻, dessa forma as alturas representativas das pressões também variam. A potência motriz varia diretamente com o peso específico, pois 𝑁 = 𝛾 . 𝑄 . 𝐻.

Influência da viscosidade: Com a variação da viscosidade, as perdas por atrito e turbilhonamentos, principalmente no rotor, irão variar, como também a imposição às trajetórias impostas pelas pás do rotor. Dessa forma, fixando os valores da descarga e velocidade, quanto maior a viscosidade, menores serão os valores que sobram para a energia 𝐻 e de 𝜂, e maior a potência consumida.

Influência do tamanho da bomba: Considerando uma série de bombas geometricamente semelhantes, as de menores dimensões têm rendimento mais baixo, pois a espessura das palhetas, as folgas, a rugosidade relativa e as imperfeições são relativamente maiores, quando comparadas as de maiores dimensões, com isso as curvas não são semelhantes.

Efeito da “idade em uso” da bomba: O passar do tempo afeta o comportamento da bomba, sendo pelo desgaste normal e a ineficiente conservação da bomba alteram as curvas características. Portanto, para um mesmo valor de 𝑄, a bomba com muito tempo de utilização apresenta um menor valor de 𝐻 e tem um rendimento menor, necessitando de uma potência maior.

Efeito de materiais em suspensão no líquido: A mistura de elementos sólidos ou pastosos ao fluido de trabalho, trazidas pelo próprio fluido, faz com que apresente um novo comportamento, tornando-o um novo líquido de maior densidade e maior viscosidade.

Efeito da variação da temperatura: O aumento de temperatura provoca uma redução no peso específico do líquido, acarretando numa mudança no valor da potência motriz. O rendimento da bomba não irá variar, mas a viscosidade diminui com a elevação da temperatura, podendo levar a uma alteração no rendimento.

(45)

Rotação da bomba (𝑛): Há uma proporcionalidade entre valores de vazão (𝑄), altura manométrica (H), e potência (𝑁) com a rotação da bomba, com isso, sempre que modificarmos a rotação da bomba, consequentemente irá alterar as curvas características, obedecendo as seguintes correlações:

A vazão é diretamente proporcional à rotação.

𝑄 𝑄

₁

= 𝑛

𝑛

₁ ^(4.32)

A altura manométrica varia com o quadrado da rotação.

𝐻

₁

= ( 𝑛 𝑛

₁

)

2

(4.33)

A potência absorvida varia com o cubo da rotação.

𝑁 𝑁₁ = (𝑛

𝑛₁)

3

(4.33)

Diâmetro do rotor (𝐷): A variação do diâmetro do rotor dá origem às curvas características paralelas sendo que as curvas superiores se referem aos rotores de maiores diâmetros, para uma rotação constante. Com relação a variação do rotor, devemos analisar o caso de duas maneiras diferentes, sendo a primeira relacionada a bombas com geometria semelhante, as quais mantêm uma proporção constante de suas dimensões físicas. Já no segundo caso, analisamos bombas onde a única variação ocorre no diâmetro do rotor, sendo as demais grandezas constantes.

𝑄₁

𝑄₂ = (𝐷₁ 𝐷₂)

3

(4.35)

(46)

𝐻₁

𝐻₂ = (𝐷₁ 𝐷₂)

2 (4.36)

𝑁₁

𝑁₂ = (𝐷₁ 𝐷₂)

5 (4.37)

Segundo caso:

𝑄 𝑄₁= 𝐷

𝐷₁ (4.38)

𝐻

𝐻₁ = (𝐷 𝐷₁)

2 (4.39)

𝑁

𝑁₁ = (𝐷 𝐷₁)

3 (4.40)

Segundo Carvalho (1999) para determinar o comportamento de uma turbo bomba exige- se a associação no plano (𝐻, 𝑄) da curva característica da bomba com a curva característica do sistema, levando em conta a altura manométrica da bomba e a altura manométrica do sistema. Graficamente, a intercessão das duas curvas características define o ponto de operação, onde, para a vazão 𝑄, temos a altura manométrica desenvolvida pela bomba igual à altura manométrica exigida pelo sistema.

(47)

5 MATERIAIS E MÉTODOS

Essa pesquisa foi elaborada em duas etapas. A primeira etapa trata-se da confecção de uma bancada de testes de bombas hidráulicas para a determinação das curvas características através do esquema abaixo, mostrado na Figura 8.

Figura 8: Esquema da bancada de teste de bomba.

Fonte: Acervo próprio, 2020.

O esquema é composto de duas bombas hidráulicas, podendo funcionar em série e paralelo. A bancada de testes é constituída por 2 (duas) bombas (Figura 10) produzidas pelo fabricante ELETROPLAS modelo ICS-50AB com potência de 1/2 CV, sendo bivolt (110/220V), frequência 60Hz, com vazão máxima 1,8 m³/h, altura manométrica total 28 m.c.a, conexão de entrada e saída de 1”, o material do rotor é de bronze e temperatura máxima da água de 70°C.

(48)

Figura 9: Modelo da bomba utilizada na bancada de testes.

Os materiais utilizados na confecção da bancada de testes estão listados na Tabela 2.

Tabela 2: Materiais utilizados na confecção da bancada de testes.

Materiais Quantidade

1 Bombas ½ CV ELETROPLAS 2 unidades

2 Registros tigre 1” 10 unidades

3 Joelhos 1” 16 unidades

4 Cruzetas 1” 3 unidades

5 Te 1” 15 unidades

6 Registro de Gaveta Bruto em Latão cromado 1” 2 unidades

7 registros 90° 1” 8 metros

8 tubo PVC 1” 12 metros

9 tubo galvanizados 1” 20 metros

10 Caixa d’água 100L 1 unidades

11 Tubo quadrado 10 metros

12 Cantoneira 8 metros

13 Manômetro 2 unidades

14 Vacuômetro 1 unidades

15 Rotâmetro 1 unidades

16 Medidor de fluxo vazão 1 unidades

Fonte: Elaborado pelos pesquisadores, 2020.

(49)

Segue abaixo o esquema elétrico de alimentação das bombas mostrado na Figura 10.

Figura 10: Esquema elétrico de alimentação das bombas da bancada.

A Figura 10 apresenta esquematizado o sistema de alimentação das bombas, sendo estabelecido a alimentação com uma tensão de 220V, a partir deste ponto temos a presença de 2 disjuntores de força e 1 disjuntor de comando. No circuito de força, a partir dos disjuntores, temos os cabos ligados nas portas normalmente abertas do contator, em seguida ligadas no relé térmico, e por fim ligados as bombas.

No circuito de comando, temos na sequência a partir do disjuntor, botoeira de emergência contato normalmente fechado do relé térmico, botoeiras de pulso para acionar a bombas, em paralelo a botoeira é feito uma ligação de selo na porta normalmente aberta do contator que virá a seguir, em seguida tem-se uma botoeira de pulso para desligar a bomba, e por fim o contator.

Em paralelo ao circuito de comando, encontra-se as ligações dos sinalizadores que indicarão qual o estado de funcionamento das bombas, podendo ser de operante (vermelho), pronta para operar (verde) ou relé térmico ativado(amarelo). Sendo esse circuito ligado nas portas logicas do contator, tanto normalmente aberta quanto normalmente fechada.

(50)

A Tabela contém a descrição dos componentes elétricos do esquema elétrico.

Tabela 3: Descrição dos componentes elétricos.

R Fase R

S Fase S

PE Condutor terra

DJ1, DJ2 e DJ3 Disjuntores

K1 e K2 Contatores

RT1 e RT2 Relés térmicos

B1 e B2 Bombas

BE1 e BE2 Botoeiras de emergência

BL1 e BL2 Botoeiras de pulso (ON)

BD1 e BD2 Botoeiras de pulso (OFF)

L1 e L2 Sinaleiro LED (Vermelho/ON)

D1 e D2 Sinaleiro LED (Verde/OFF)

R1 e R2 Sinaleiro LED (Amarelo/ Relé térmico acionado)

(51)

Os materiais utilizados na confecção do painel elétrico de alimentação da bancada de testes estão listados na Tabela 2.

Tabela 4: Materiais utilizados na confecção do painel elétrico.

Materiais Quantidade

1 Painel elétrico 1 unidade

2 Cabos 2,5 m² 20 metros

3 Disjuntores 3 unidades

4 Contatores 2 unidades

5 Relés térmicos 2 unidades

6 Botoeiras de emergência 2 unidades

7 Botões de pulsão 4 unidades

8 Sinaleiros LED 6 unidades

9 Bornes de passagem 9 unidades

10 Canaleta 1 metro

11 Trilho DIN 1 metro

12 Fecho fenda lingueta reta 1 unidade

A segunda etapa refere-se aos testes e elaboração das curvas características das respectivas bombas, sendo todos os experimentos realizados operando cada bomba separadamente. Para obtenção dos dados essenciais à elaboração das curvas características, foram estipulados alguns parâmetros de testes, sendo estes a vazão, a corrente elétrica, a pressão no recalque e a rotação do eixo do motor elétrico. O ensaio da vazão foi aferido através de um medidor de fluxo localizado na saída da tubulação para o reservatório (Figura ).

(52)

Figura 11: Medidor de fluxo vazão.

A corrente elétrica foi medida no cabo de alimentação do painel elétrico com a bomba, utilizando um alicate amperímetro digital.

Utilizando um manômetro de 10 bar (Figura 2) localizado na saída do recalque da bomba, foram coletados os dados de pressão.

Figura 12: Manômetro utilizado na bancada de testes.

(53)

A rotação do motor elétrico foi aferida utilizando um tacômetro foto digital, que mede a velocidade de rotação sem contato, pelo método óptico (Figura ). Foi feito uma marcação na extremidade do eixo do rotor na cor branca, o sensor óptico emite um feixe de luz que é refletida na demarcação, fazendo com que seja computado e processado pelo tacômetro, fornecendo assim a rotação (rpm) do eixo.

Figura 13: Utilizando o tacômetro na Bomba 1.

Todos os testes foram feitos relacionando as incógnitas com a variação do fluxo de água, sendo ele controlado através de registros de gaveta.

Para determinação da altura manométrica, como foi mencionado acima, aferimos uma rotação específica para cada valor de vazão controlado, após obter os valores de rotação utilizamos a equação (4.33) para traçar no gráfico um valor de altura manométrica correspondente à vazão controlada.

A potência hidráulica pôde ser encontrada fazendo uso da equação (4.22), logo após obtenção dos valores de altura manométrica com suas vazões associadas. A potência absorvida foi encontrada mantendo a altura manométrica máxima fixa e variando a vazão, com isso determinamos o quanto da potência nominal estava sendo utilizada. O

(54)

rendimento foi determinado com a razão potência hidráulica pela potência absorvida da bomba e relacionada com a vazão estabelecida.

Os experimentos foram realizados na bancada de teste de bomba, e a partir da coleta dos dados, foi possível elaborar três tipos diferentes de curvas características da bomba.

As três curvas obtidas são as de altura manométrica por vazão, potência por vazão e rendimento por vazão. Para obter os dados referentes à primeira curva, altura manométrica por vazão, variamos a vazão de entrada desde zero até a vazão máxima operacional, obtendo a correspondente altura manométrica para cada vazão, sendo possível a partir deste momento, traçar a curva H X Q.

A curva de potência por vazão demonstra a potência máxima necessária no eixo da bomba nas condições de operação. Foi obtida a partir dos dados coletados para a curva acima, utilizando a equação (4.20).

Na próxima etapa ocorreu a formulação da curva rendimento por vazão, onde o rendimento da bomba é definido pela relação entre a potência fornecida ao fluido e a fornecida pelo motor elétrico à bomba. A equação (4.22) é necessária neste caso, para determinar o rendimento.