Notas de Aula: Máquinas de Fluxo em Engenharia de Produção, Notas de aula de Teoria das Máquinas

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Máquinas de Fluxo

Nas máquinas de deslocamento a energia transferida é substancialmente de pressão , sendo que a energia cinética transferida é muito pequena, podendo ser desprezada.

Em função do princípio de deslocamento utilizado, existem diversos tipos construtivos de máquinas, que podem ser agrupados dentro dos princípios de deslocamento por engrenagens, palhetas, pistões e parafusos.

As máquinas de deslocamento possuem algumas características marcantes:

• funcionam, normalmente, com média e baixa rotação;
• relação entre potência e peso (= potência específica) média a baixa;
• funciona com altas e muito altas pressões de trabalho;
• operam eficientemente com fluidos de viscosidade elevada;
• trabalha, na maior parte dos casos, com vazão intermitente;
• no processo de transformação de energia predomina a energia de pressão;
• projeto e características construtivas mais simples.

São exemplos de máquinas de deslocamento:

Fluido de trabalho Designação líquido bomba de engrenagens, de cavidade progressiva, de parafuso gás (neutro) compressor alternativo, compressor rotativo vapor (freon, amônia, etc) compressor alternativo, compressor rotativo gás de combustão motor alternativo de pistão

As máquinas de fluxo podem ser classificadas:

1.2.1 Segundo o sentido de transmissão da energia

• Máquinas onde os fluidos cedem energia para a máquina, que a converte em trabalho mecânico. De um modo geral, destinam-se a acionar outras máquinas, principalmente, geradores de energia elétrica. Os tipos mais comuns são:
  • Turbinas hidráulicas
  • Moinhos de vento
  • Rodas d’água
  • Gerador eólico
• Máquinas que recebem trabalho mecânico, geralmente de outra máquina, que o converte em energia cedida para os fluidos, causando aumento na energia do fluido. São exemplos deste tipo:
  • Bombas
  • Ventiladores
  • Turbocompressores

A Figura 1, a seguir, esquematiza essa classificação.

Máquinas de Fluxo

Figura 1 – Classificação das máquinas de fluxo segundo o sentido de transformação de energia

1.2.2 Segundo a direção do escoamento do fluido

• axiais – o escoamento é predominantemente na direção do eixo do rotor, conforme Figura 2c. Exemplo: ventiladores, hélices;
• radiais – o escoamento é predominantemente na direção radial do rotor, conforme Figura 2a. Exemplo: bomba centrífuga;
• mistas – o escoamento se processa na diagonal, parte axial e parte radial, conforme Figura 2b. Exemplo: turbina Francis.

(a) (b) (c)

Figura 2 – Classificação das máquinas de fluxo segundo a direção do escoamento de fluido

1.2.3 Segundo a forma dos canais entre as pás do rotor

As máquinas de fluxo podem ser classificadas em:

Máquinas de Fluxo

As máquinas de deslocamento podem ser classificadas em:

1.3.1 Máquinas alternativas – onde o fluido recebe a ação da força

diretamente de um pistão ou êmbolo ou de uma membrana flexível (diafragma), conforme Figura 5. Podem ser:

• Máquinas alternativas de pistão ou êmbolo
• Máquinas alternativas de diafragma

1.3.2 Máquinas rotativas – onde o fluido recebe a ação de forças

provenientes de uma ou mais peças dotadas de movimento rotativo que, comunicando energia de pressão, provocam seu escoamento, conforme Figuras 6, 7 e 8. Podem ser:

• Máquinas rotativas de palhetas
• Máquinas rotativas de pistão
• Máquinas rotativas de engrenagens
• Máquinas rotativas de lóbulos
• Máquinas rotativas de parafuso

Figura 5 – Máquinas de deslocamento alternativa de êmbolo ou pistão

Máquinas de Fluxo

Figura 6 – Máquinas de deslocamento rotativa de parafuso

Máquinas de Fluxo

2.1.1 Definição

Bombas são máquinas operatrizes hidráulicas que fornecem energia ao líquido com a finalidade de transportá-lo de um ponto a outro. Normalmente recebem energia mecânica e a transformam em energia de pressão e cinética ou em ambas.

2.1.2 Classificação

As bombas podem ser classificadas em duas categorias, a saber:

• Turbo-Bombas, Hidrodinâmicas ou Rotodinâmicas - são máquinas onde a movimentação do líquido é desenvolvida por forças que atuam na massa líquida em conseqüência da rotação de uma peça interna (ou conjunto dessas peças) dotada de pás ou aletas chamada de rotor ;
• Volumétricas ou de Deslocamento Positivo - são máquinas onde a movimentação do líquido é causada diretamente pela movimentação de um dispositivo mecânico da bomba, que induz ao líquido um movimento na direção do deslocamento do citado dispositivo, em quantidades intermitentes, de acordo com a capacidade de armazenamento da bomba, promovendo enchimentos e esvaziamentos sucessivos, provocando, assim, o deslocamento do líquido no sentido previsto.

São exemplos de bombas rotodinâmicas as conhecidíssimas bombas centrífugas e de bombas volumétricas as de êmbolo ou alternativas e as rotativas.

2.1.3 Bombas centrífugas

2.1.3.1. Classificação

A literatura técnica sobre classificação de bombas é muito variada, havendo diferentes interpretações conceituais. Aqui apresentamos uma classificação geral que traduz, a partir de pesquisas bibliográficas e textos comerciais, uma visão sobre o assunto.

• Quanto à altura manométrica (para recalque de água limpa):

o baixa pressão (H < 15 mca); o média pressão (15 < H < 50 mca); o alta pressão (H > 50 mca).

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(OBS: Para recalque de esgotos sanitários, por exemplo, os limites superiores podem ser significativamente menores.)

• Quanto à vazão de recalque: o pequena (Q < 50 m^3 /hora); o média ( 50 < Q < 500 m^3 /hora); o grande (Q > 500 m^3 /hora).
• Quanto à direção do escoamento do líquido no interior da bomba:

o radial ou centrífuga pura , quando o movimento do líquido é na direção normal ao eixo da bomba (empregadas para pequenas e médias descargas e para qualquer altura manométrica, porém caem de rendimento para grandes vazões e pequenas alturas além de serem de grandes dimensões nestas condições), como mostra a Figura 9; o diagonal ou de fluxo misto , quando o movimento do líquido é na direção inclinada em relação ao eixo da bomba (empregadas em grandes vazões e pequenas e médias alturas, estruturalmente caracterizam-se por serem bombas de fabricação muito complexa); o axial ou helicoidais , quando o escoamento desenvolve-se de forma paralela ao eixo e são especificadas para grandes vazões - dezenas de m^3 /s - e médias alturas - até 40 m, como mostra a Figura 10.

Figura 9 – Bomba centrífuga radial

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• Quanto à estrutura do rotor:

o aberto - para bombeamentos de águas residuárias ou bruta de má qualidade; o semi-aberto ou semi-fechado - para recalques de água bruta sedimentada; o fechado - para água tratada ou potável.

Figura 11 – Tipos de rotores

• Quanto ao número de rotores:

o estágio único ; o múltiplos estágios - este recurso reduz as dimensões e melhora o rendimento, sendo empregadas para médias e grandes alturas manométricas como, por exemplo, na alimentação de caldeiras e na captação em poços profundos de águas e de petróleo, podendo trabalhar até com pressões superiores a 200 kg/cm^2 , de acordo com a quantidade de estágios da bomba.

• Quanto ao número de entradas:

o sucção única, aspiração simples ou unilateral - mais comuns; o sucção dupla, aspiração dupla ou bilateral - para médias e grandes vazões.

• Quanto à admissão do líquido:

o sucção axial - maioria das bombas de baixa e média capacidades; o sucção lateral - bombas de média e alta capacidades; o sucção de topo - situações especiais; o sucção inferior - bombas especiais.

• Quanto à posição de saída:

o de topo - pequenas e médias; o lateral - grandes vazões; o inclinada - situações especiais. o vertical - situações especiais.

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• Quanto à velocidade de rotação:

o baixa rotação - n < 500rpm; o média rotação - 500 < n < 1800rpm; o alta rotação - n > 1800rpm.

OBS: As velocidades de rotação tendem a serem menores com o crescimento das vazões de projeto, em função do peso do líquido a ser deslocado na unidade de tempo. Pequenos equipamentos, trabalhando com água limpa, têm velocidades da ordem de 3200rpm. Para recalques de esgotos sanitários, por exemplo, em virtude da sujeira abrasiva na massa líquida, os limites superiores podem ser significativamente menores: n < 1200rpm.

• Quanto à posição na captação:

o submersas - em geral empregadas onde há limitações no espaço físico, em poços profundos por exemplo; o afogadas - mais frequentes para recalques superiores a 100 l/s; o altura positiva - pequenas vazões de recalque.

• Quanto à posição do eixo:

o eixo horizontal - mais comuns em captações superficiais; o eixo vertical - para espaços horizontais restritos e/ou sujeitos a inundações e bombas submersas em geral.

• Quanto ao tipo de carcaça:

o compacta ; o bipartida - composta de duas seções separadas, na maioria das situações, horizontalmente a meia altura e aparafusadas entre si.

A Figura 12 mostra um corte esquemático de uma bomba centrífuga típica de média pressão para pequenas vazões e para funcionamento afogado ou com altura positiva, eixo horizontal e carcaça compacta, fluxo radial com rotor fechado em monoestágio de alta rotação, sucção única, entrada axial e saída de topo.

2.1.3.2 Grandezas características

Uma bomba destina-se a elevar um volume de fluido a uma determinada altura, em um certo intervalo de tempo, consumindo energia para desenvolver este trabalho e para seu próprio movimento, implicando, pois, em um rendimento característico. Estas, então, são as chamadas grandezas características das bombas, isto é, Vazão Q , Altura manométrica H , Rendimento
e Potência P.

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transformação desta energia mecânica em hidráulica, como esquematiza a Figura 14.

Figura 13 - Elementos da altura manométrica

Figura 14 - Esquema das demandas de energia nos conjuntos

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2.1.3.4.2. Rendimentos da bomba –
B

Rendimento de uma bomba é a relação entre a potência fornecida pela bomba ao líquido ( potência útil ) e a cedida à bomba pelo eixo girante do motor ( potência motriz ). Uma bomba recebe energia mecânica através de um eixo e consume parcela desta energia no funcionamento de suas engrenagens, além do que parte da energia cedida pelo rotor ao líquido perde-se no interior da própria bomba em conseqüência das perdas hidráulicas diversas, da recirculação e dos vazamentos, de modo que só parte da energia recebida do motor é convertida em energia hidráulica útil.

A relação entre a energia útil, ou seja, aproveitada pelo fluido para seu escoamento fora da bomba (que resulta na potência útil) e a energia cedida pelo rotor é denominada de rendimento hidráulico interno da bomba. A relação entre a energia cedida ao rotor e a recebida pelo eixo da bomba é denominada de rendimento mecânico da bomba. A relação entre a energia útil, ou seja, aproveitada pelo fluido para seu escoamento fora da bomba (potência útil) e a energia inicialmente cedida ao eixo da bomba é denominada rendimento hidráulico total da bomba e é simbolizada por
b. A Tabela 1 apresenta rendimentos de bombas.

Tabela 1 - Rendimentos hidráulicos aproximados das bombas centrífugas Q (l/s)

b(%) 55 61 64 68 72 76 80 83 85 86 87 88

A relação entre a energia cedida pelo eixo do motor ao da bomba (que resulta na potência motriz) e a fornecida inicialmente ao motor é denominada de rendimento mecânico do motor ,
m (Tabela 2). A relação entre a energia cedida pelo rotor ao líquido (que resulta na potência de elevação) e a fornecida inicialmente ao motor é chamada de rendimento total. É o produto
b.
m=
. Este rendimento é tanto maior quanto maior for a vazão de recalque para um mesmo tipo de bomba.

Tabela 2 - Rendimentos mecânicos médios CV 1 2 3 5 6 7,5 10 15

% 72 75 77 81 82 83 84 85

CV 20 30 40 60 80 100 150 250

% 86 87 88 89 89 90 91 92

2.1.3.5 Potência solicitada pela bomba - Pb

Denomina-se de potência motriz (também chamada de potência do conjunto motor-bomba ) a potência fornecida pelo motor para que a bomba eleve uma vazão Q a uma altura H. Nestes termos temos:

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• steep - grande diferença entre alturas na vazão de projeto e na vazão zero (ponto de shut off – pressão máxima do equipamento );
• rising - altura decrescendo continuamente com o crescimento da vazão.

As curvas tipo drooping são ditas instáveis e são próprias de algumas bombas centrífugas de alta rotação e para tubulações e situações especiais, principalmente em sistemas com curvas de encanamento acentuadamente inclinadas. As demais são consideradas estáveis, visto que nestas, para cada altura corresponde uma só vazão, sendo a rising a de melhor trabalhabilidade, como mostra a Figura 16.

Figura 16 - Tipos de curvas características

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2.1.3.6.1 Curvas de Desempenho de Bomba Centrífugas

A curva característica da bomba é função particular do projeto e da aplicação requerida de cada bomba, dependendo do tipo e quantidade de rotores utilizados, tipo de caracol, sentido do fluxo, velocidade específica da bomba, potência fornecida, etc.

Toda curva possui um ponto de trabalho característico, chamado de “ponto ótimo”, onde a bomba apresenta o seu melhor rendimento. Esse ponto é a intersecção da curva característica da bomba(CCB) com a curva característica do sistema(CCS), como mostra a Figura 18.

A curva característica do sistema é obtida fixando-se a altura geométrica total do sistema (sucção + recalque) na ordenada e, a partir deste ponto, calcula-se as perdas de carga com valores intermediários de vazão, até a vazão total requerida, considerando-se o comprimento da tubulação, diâmetro e tipo de tubo, tempo de uso, acessórios e conexões, como mostra a Figura 17.

Figura 17 - Curva característica do sistema

Figura 18 - Curvas típicas do sistema e de eficiência da bomba (intersecção – “ponto de ótimo”)