Cap 3 - Bombas

Prévia do material em texto

UNIDADE 3 – INSTALAÇÕES 
ELEVATÓRIAS 
3.1 – Introdução 
3.2 – Principais tipos de bombas 
3.3 - Turbobombas 
Engenharia Civil 
Disciplina: Hidráulica Geral 
2º sem / 2020 
3.1 Introdução 
• Objetivo: Conduzir água de pontos mais baixos para pontos 
mais elevados, visando o atendimento de uma determinada 
demanda. 
 
• São constituídas de: 
 
– Conjunto motor-bomba 
 
– Tubulações 
 
– Acessórios (registros, válvulas, crivos, curvas, derivações, etc...) 
 
– Instalações e obras civis necessárias ao abrigo e proteção do 
sistema. 
 
2 
• O conjunto motor x bomba: 
– transfere a energia de determinada fonte (elétrica, 
eólica, diesel, etc...) para o líquido, de forma a 
promover o seu movimento de um ponto mais baixo 
(menor energia potencial) para um ponto mais alto 
(maior energia potencial). 
 
• Tubulações: 
– de recalque - liga a bomba ao ponto onde vai ser 
descarregado o líquido em escoamento e trabalha 
submetida à pressão maior que a pressão 
atmosférica. 
 
– de sucção - liga o ponto de captação à bomba e, 
geralmente, trabalha submetida à pressão menor que 
a pressão atmosférica local. 
 3 
3.2 Principais tipos de bombas 
• Conforme transformação de energia mecânica em energia hidráulica: 
Volumétricas ou Turbobombas: 
 
• Volumétricas (deslocamento positivo): utilizam a variação de volume do liquido 
no interior de uma câmara fechada para provocar a variação de pressão. A 
movimentação do fluído é causada diretamente pela ação do órgão de impulsão 
da bomba que obriga o fluído a executar o mesmo movimento a que está 
sujeito este impulsor (êmbolo, engrenagens, lóbulos, palhetas). O fluido, de 
forma sucessiva, ocupa e desocupa espaços no interior da bomba, com volume 
conhecido, sendo que o movimento geral deste fluído dá-se na mesma direção 
das forças a ele transmitidas. 
• A variação de volume ocorre pela ação de movimentos rotativos ou alternativos 
– bombas rotativas e bombas pistão. 
 
4 
• Turbobombas (centrífugas) : parte móvel – rotor – que se 
movimenta dentro de uma carcaça, pela ação do motor, 
produzem o movimento do liquido. A energia cinética é 
parcialmente convertida em pressão no interior da bomba, 
permitindo que o liquido alcance posições mais elevadas 
ou mais distantes. 
5 
As turbobombas, por serem as comumente utilizadas, na maioria das 
aplicações, serão as estudadas neste texto. 
• Uma turbobomba consiste basicamente: 
 
• Rotor 
– é o elemento giratório, cuja finalidade é fornecer aceleração ao líquido para que ele 
adquira energia cinética. Consiste basicamente de um disco dotado de pás, podendo 
ser aberto ou fechado 
• Difusor 
– tem seção gradativamente crescente e tem a função de realizar uma ação contínua de 
diminuição da velocidade do líquido com consequente aumento de pressão, fazendo 
com que o líquido ao chegar na saída da bomba e na entrada da tubulação de 
recalque, tenha a velocidade e a pressão necessárias à sua elevação. 
• Carcaça 
– é a peça que envolve o conjunto, é o corpo da bomba propriamente dito. 
 
6 
Através do movimento das pás do rotor o líquido adquire 
energia cinética que é convertida em energia de pressão, 
antes do líquido sair da carcaça através do difusor, de seção 
gradativamente crescente, que realiza uma contínua e 
progressiva diminuição da velocidade do líquido, com 
simultâneo aumento de pressão. 
• Classificação quanto a trajetória da água no rotor: 
– Centrifuga pura ou Radial – fluxo segundo um plano radial 
(normal ao eixo) – forca centrifuga do centro para fora. 
Grandes cargas e vazões relativamente baixas. 
 
– Axial ou propulsora – fluxo segundo a direção do eixo da 
bomba, sendo empregadas para grandes vazões e baixas 
alturas manométricas. Não utilizam a força centrifuga, mas 
a forca de sustentação. Para aumentar esta força, o rotor 
possui perfil aerodinamico, com aspecto de hélice. 
 
– Mista – ou diagonais, possuem um rotor cujo fluxo é 
diagonal ao eixo, sendo um tipo intermediário entre radial e 
axial. Podem estar submersas no líquido a ser bombeado. 
São indicadas para cargas médias. 
7 
3.3 Turbobombas 
8 
Possuem rotor em hélice, projetados segundo a teoria da sustentação das asas e da 
propulsão das hélices. O fluxo é axial e a transformação de energia cinética em pressão dá-
se pela ação propulsora da hélice e não pela força centrífuga. É indicada ao bombeamento 
de grandes vazões e alturas de elevação da ordem de 40 m. 
• são de baixo custo, operam numa ampla faixa de condições de pressão e 
vazão e fornecem bons rendimentos quando utilizadas adequadamente. É 
o tipo mais comumente empregado no bombeamento de água limpa 
9 
10 
- Bombas pequenas 
-Baixa resistência 
- Baixo rendimento 
- Dificulta entupimento 
(pode ser utilizado para 
“água suja” 
- Água limpa 
- Evita recirculação de água 
- Maior rendimento (pouca 
perda de água) 
- Tipo mais utilizado 
- Só um disco onde são 
fixadas as palhetas 
- Dificulta entupimento 
(pode ser utilizado para 
“água suja” 
• Carcaça ou corpo da bomba: 
• Feita geralmente em ferro fundido abriga o rotor em seu 
interior. 
 
• As carcaças das bombas de escoamento radial podem se 
apresentar como CARACOL (voluta ou espiral) ou TURBINA 
(circular) e para as bombas de escoamento axial e misto, o 
formato e geralmente cilíndrico. 
11 
• Dentro da carcaça 
pode-se ter: 
 
– Único rotor – simples 
estágio (Normalmente 
altura manométrica 
(Hm) < 100 metros 
 
– Dois ou mais rotores – 
múltiplos estágios – É o 
resultado da associação 
de rotores em SÉRIE 
dentro da carcaça. 
Permite a elevação do 
líquido a alturas maiores 
do que 100 metros. 
Muito usada para poços 
profundos de água 
12 
• SUCÇÃO DUPLA (CARCAÇA BIPARTIDA): 2 ENTRADAS PARA 
ASPIRAÇÃO 
 
– O rotor permite a entrada do líquido por dois sentidos opostos, 
paralelamente ao eixo de rotação. 
 
– O rotor tem forma simétrica em relação a um plano normal ao eixo. 
Equivale hidraulicamente a dois rotores simples ligados em 
paralelo e é capaz de elevar, teoricamente, uma descarga dupla da 
que se obteria com o rotor simples. Geralmente fornecem um bom 
rendimento e são indicadas para descargas médias. 
13 
• A partir do ponto de 
captação: 
– Crivo 
– válvula de pé 
– Tubulação 
– curva de 90º de raio 
longo 
– redução excêntrica 
– Bomba 
– Redução concêntrica 
– Válvula de retenção 
– Registro de gaveta 
– Canalização de 
recalque 
14 
MONTAGEM DAS TURBOBOMBAS 
• CRIVO - função de impedir o acesso de materiais grosseiros no interior 
da tubulação de sucção e da bomba 
 
• VÁLVULA DE PÉ - função de manter a tubulação de sucção e a bomba 
cheias de água. É uma válvula de retenção que se instala na 
extremidade inferior da tubulação de sucção, com o objetivo de 
impedir o retorno do liquido quando a bomba para de funcionar. 
15 
• CURVA DE 90˚ - deve ser de raio longo, por permitir uma melhor 
orientação das linhas de corrente e causar menor perda de carga que 
as curvas de raio curto e cotovelos. 
 
• REDUÇÃO EXCÊNTRICA - tem a função de adaptar a tubulação às 
dimensões de entrada da bomba, deve ser instalada com a 
excentricidade voltada para baixo, conforme indicado na figura, de 
forma a impedir que o ar em suspensão na água, nela se acumule 
prejudicando o funcionamento do sistema. 
 
• REDUÇÃO CONCÊNTRICA - tem a função de adaptar a saída da 
bomba às dimensões da tubulação de recalque. 
16 
• MOTOR DE ACIONAMENTO - fornece energia mecânica às 
bombas. Geralmente a fonte de energia dos motores é 
elétrica, mas pode ser de combustão. 
 
• BOMBA - dispositivo utilizado para adicionar energia ao 
escoamento da água. 
 
• VÁLVULA DE RETENÇÃO – impede o retorno da água em 
escoamento para o interior da bomba, quando do seu 
desligamento e impede a propagação das ondas de sobre-
pressão (golpe de aríete) quando das paradas bruscas, 
causadas por interrupção de energia. 
– Indispensável em qualquer instalação de recalque. Seu 
dimensionamento é função da intensidade do golpe de ariete. Eminstalações de grande porte, podem ser necessários outros 
dispositivos de proteção além da válvula de retenção. 
 
• REGISTRO DE GAVETA - controla as vazões de operação. 
17 
• TUBULAÇÃO DE SUCÇÃO - deve ser a mais curta possível. Devem ser 
evitados trechos horizontais, porém quando for indispensável a sua 
existência, ele deve possuir uma pequena inclinação, para permitir a 
ascenção do ar. 
 
• A 2ª figura mostra o esquema de montagem de uma bomba centrífuga 
afogada. Nesse caso é dispensável a instalação da válvula de pé, uma 
vez que as bombas afogadas, estão permanentemente escorvadas. 
18 
19 
• Bombas centrífugas - princípio de funcionamento a força centrífuga 
- Não são capazes de expulsar o ar do seu interior causando a 
sucção necessária para elevar o líquido até o rotor, para que ele 
seja acelerado. 
 
• Assim, é necessário que a tubulação de sucção e a bomba estejam 
preenchidas com líquido no início da operação, para que este 
possa ser submetido a ação da força centrífuga através do 
movimento do rotor. 
 
• A válvula de pé, quando nova, garante a manutenção da água no 
interior da bomba e da tubulação de sucção entre os intervalos de 
operação. Com o tempo, porém, é comum o seu desgaste 
tornando-se necessário a eliminação do ar do interior da 
canalização e da bomba a cada início de operação. 
 
• O processo de retirada do ar do interior da bomba e da tubulação 
é denominado ESCORVA. 
 
20 
• COMO ESCORVAR: 
 
• Se o reservatório de sucção é superior à linha de centro da bomba, basta 
encher o reservatório e abrir as válvulas de sucção e recalque que a 
bomba estará escorvada. 
 
• Se o reservatório é mais baixo que a bomba e a tubulação de sucção tem 
válvula de pé, basta abrir o furo de escorvamento (se houver) e colocar 
água até encher o tubo de sucção e a bomba (ESCORVA MANUAL). 
• Se a tubulação de recalque tem válvula de retenção, basta colocar um 
sistema de “By-Pass”, entre as partes posteriores e anteriores da válvula, 
sendo necessário somente abrir o registro de bloqueio do “By-Pass”, 
deixando também o furo de escorvamento aberto. Após a operação 
recolocar o tampão no furo de escorvamento. 
 
• Tanto na escorva manual como por by-pass, a válvula de pé deve estar 
fechada de forma a permitir a manutenção da água de escorva na 
tubulação de sucção e no corpo da bomba. Por essa razão, deve ser 
constantemente vistoriada e providenciadas as necessárias manutenções. 
21 
22 
Parâmetros hidráulicos de uma instalação de recalque 
23 
24 
25 
26 
27 
As potências nominais padronizadas pela ABNT, para os 
motores elétricos, são em 
CV: 1/3, 1/2, 3/4, 1, 1 1/2, 2, 2 1/2, 3, 4, 5, 7 1/2, 10, 15, 20, 25, 
30, 40, 50, 60, 75, 100, 125, 
150, 200, 250, 300. 
• Exercício 1 
• Determinar a potência instalada no sistema, para elevar 
uma Q = 25 l/s num desnível de 70m por uma tubulação de 
diâmetro interno Di=150mm, numa extensão de 1.000m. 
Considerando que no trecho vão ser instaladas as seguintes 
peças: 
• 1 curva 90° Leq = 6.D 
• 1 ampliação gradual Leq = 12.D 
• 1 válvula de pé com crivo Leq = 250.D 
• 1 válvula de retenção Leq = 100.D 
• 1 registro de gaveta Leq = 8.D 
 
• Considerar: C=150 (pvc); rendimento da bomba 0,67 e 
rendimento do motor 0,78 
 
28 
Dimensionamento econômico da tubulação 
29 
30 
31 
Dimensionamento econômico da tubulação 
K depende de fatores econômicos envolvidos na implantação e na manutenção da 
elevatória, tais como a tarifa de energia elétrica ou do combustível e dos preços de 
tubulação e equipamentos utilizados. 
K varia entre 0,6 e 1,6, sendo o valor mais frequente em torno de 1,0; entretanto, por 
segurança, adota-se K = 1,3 (ou 1,2). 
 
Drecalque = arredonda-se para o valor mais próximo 
Dsucção = diâmetro imediatamente superior ao do recalque. 
Curvas características 
• Curva característica da bomba 
• Curva característica da tubulação 
• Curva característica do sistema. 
 
• As bombas são projetadas para trabalhar com vazões e 
alturas manométricas previamente estabelecidas. 
 
 
• O conjunto de pontos em que a bomba é capaz de 
trabalhar forma a faixa de operação da bomba – 
representada através da CURVA CARACTERÍSTICA DA 
BOMBA ou curva de performance. 
32 
• São relações entre (para um determinado diâmetro do rotor): 
– a vazão (Q) e a altura manométrica total (Hman), 
– Q e potência absorvida (P) 
– Q e rendimento 
– Q e NPSH requerido 
 
• São fornecidos pelo fabricante e determinadas através de ensaios diretos ou 
efetuados em modelos reduzidos. 
33 
Curva característica de uma bomba centrífuga 
34 
Exemplo de catálogo 
fornecido pelo fabricantes: 
• Exercício 2 – Enade 2005 
35 
• CURVA CARACTERÍSTICA DA TUBULAÇÃO - Indica para cada vazão de 
bombeamento a altura manométrica total correspondente (para um 
determinado diâmetro). 
 
• É obtida calculando-se previamente as perdas de carga nas tubulações 
de sucção e recalque, para várias vazões em escoamento, que somadas 
ao desnível geométrico fornece os pontos para o traçado da curva. 
36 
• CURVA CARACTERÍSTICA DO SISTEMA é a associação num mesmo 
gráfico da curva característica da bomba com a da tubulação. 
 
• Permite conhecer exatamente o ponto de funcionamento do conjunto 
bomba-tubulação. 
37 
 
38 
 
39 
• Exercício 3: 
 
• Certa bomba, empregada num processo industrial, possui a curva 
característica Hm x Q representada na figura a seguir por “B”. Esta 
bomba aspira água de um poço de sucção e alimenta um reservatório. 
Sabendo-se que o desnível entre o reservatório e o poço é de 13,0 m e 
que um vacuômetro e um manômetro instalados na sucção e no 
recalque, bem próximos da bomba, com os centros dos mostradores 
nivelados, acusam as pressões de V = -0,5 kgf/cm² e M = 2,5kgf /cm², 
respectivamente, pede-se: 
 
• A) a equação e a curva característica da tubulação; 
 
• B) o novo ponto de funcionamento da bomba, se a regulagem de um 
registro acarretasse um aumento de perda de carga dado por h” = 
0,08Q² (sendo Q a vazão em l/s e h” a perda de carga localizada em m). 
 
• C) A equação e a curva característica da tubulação caso o reservatório 
que recebe o escoamento esteja sujeito a uma pressão de 10mca. 
 
• *Desconsiderar a carga cinética 
40 
 
41 
• Uma mesma bomba, poderá fornecer vazões e 
alturas manométricas diferentes, em função de 
variações nas suas condições de operação: 
 
– diâmetro do rotor 
– Rotação 
– envelhecimento das tubulações 
– variação dos níveis de sucção e recalque 
42 
Variação nas curvas características com as 
condições de operação das bombas 
• Variação da curva característica com o envelhecimento das tubulações. 
43 
• Variação do ponto de funcionamento com os níveis de sucção e recalque 
44 
• Variação da curva 
característica com o 
diâmetro do rotor: 
 
• A cada diâmetro do rotor, 
corresponde uma curva 
característica. Mantendo-
se a forma e a rotação 
constantes, a variação do 
diâmetro do rotor dá 
origem a curvas 
características paralelas 
sendo que as superiores 
referem-se aos diâmetros 
maiores. 
 
• Geralmente a raspagem do 
rotor pode ser feita até 
20% do valor máximo do 
diâmetro sem afetar 
significativamente o 
rendimento da máquina. 
 
• As relações que devem ser 
obedecidas entre as novas 
características da bomba e 
as características anteriores 
são (na figura): 45 Consultar o fabricante!! 
• Influência da rotação na curva característica da bomba 
 
• As bombas podem ser acionadas por motores de diferentes rotações. A 
diferença de rotação do motor provoca variações nas curvas características 
da bomba, alterando a sua faixa de aplicação. 
 
• O aumento da rotação do rotor de uma bomba, provoca o aumento da altura 
manométrica (para mesma vazão) 
 
• As seguintes relações devem ser satisfeitas: 
46 
Vale p/ ptos de 
mesmo 
rendimento!! 
Consultar o fabricante!! 
 
47 
• Exercício 4: 
 
• A especificação de uma instalação elevatória prevê a necessidade de 
umabomba recalcando 35 m³/h de água, numa altura manométrica de 
17,5 m entre dois reservatórios cujo desnível e de 12,0 m. Analisar a 
possibilidade de utilização da bomba, cuja curva característica Hm x Q 
e mostrada no gráfico a seguir. Para tanto, pede-se: 
 
• a) Traçar a curva característica Hm x Q da tubulação e determinar o 
ponto de trabalho da bomba escolhida neste sistema; 
 
• b) Para que a bomba em análise atenda exatamente a especificação, 
determine: 
– b.1) Diâmetro do rotor da bomba, a ser obtido através da raspagem, 
supondo que a rotação de acionamento da bomba seja mantida (1750 
rpm); 
– b.2) a rotação do motor de acionamento da bomba, caso sejam mantidas 
todas as dimensões da bomba – Como será o traçado da curva da bomba, 
para a nova rotação do motor determinado 
48 
 
49 
 
50 
Cavitação 
• Se a altura de sucção for excessiva para determinada bomba, esta 
estará sujeita ao fenômeno de cavitação. 
• A cavitação ocorre quando a pressão absoluta na entrada da bomba, 
se reduz a valores menores que a pressão de vapor do líquido em 
escoamento. 
 
• Alcançando o ponto de vaporização do líquido, este se evapora 
formando bolhas de vapor. As bolhas, são conduzidas pela corrente, 
sendo destruídas por esmagamento ao atingir a região de maior 
pressão do rotor, na saída das pás. A destruição das bolhas, provoca 
choques violentos do líquido com as paredes do rotor e do difusor, 
causando uma destruição mecânica do material. 
 
• Assim, a cavitação é a destruição do material do rotor ou do difusor, 
pela ação perfuradora do líquido, originária do esmagamento das 
bolhas de vapor, formadas pela baixa pressão atuante na entrada da 
bomba. Sua ocorrência provoca desgaste anormal do rotor, produz 
fortes ruídos e vibrações e, reduz a capacidade de bombeamento e a 
eficiência da bomba. 
51 
 
52 
53 
54 
Percebe-se nessa equação que somente a Patm tem sinal positivo, mostrando que esta 
facilita a sucção, enquanto as demais, dificultam. 
• Essa equação pode ser reorganizada, de maneira a deixar de um lado os 
termos que dependem da instalação ou do liquido bombeado e do 
outro, termos que dependem da bomba: 
55 
*
2
2
1 h
g
V
hs
pv
hs
Patm








• NPSH, ou energia líquida positiva (net positive suction head) 
 
• NPSH disponível - energia que o líquido possui, num ponto imediatamente anterior ao flange de sucção 
da bomba acima de sua pressão de vapor, ou seja, é a energia que o líquido dispõe na entrada da bomba. 
 
• NPSH requerido - energia requerida pelo líquido para chegar, à partir do flange de sucção e vencendo as 
perdas de carga dentro da bomba, ao ponto onde vai ganhar energia para ser recalcado (como líquido e 
não como vapor). É a energia do líquido que a bomba necessita para funcionar satisfatoriamente. É 
uma característica da bomba. É determinado por testes de laboratório ou cálculo. Normalmente é 
fornecido pelos fabricantes. 
 
• Para que a bomba funcione satisfatoriamente é necessário, que o NPSH disponível seja maior que o 
NPSH requerido 
 
56 
 
57 
• Resumindo, a avaliação das condições de cavitação pode ser realizada 
calculando o NPSH disponível para a vazão de operação da bomba, 
comparando com o valor de NPSH requerido obtido na curva fornecida pelo 
fabricante, para a mesma vazão de operação da bomba. 
 
• Se o NPSHr e igual ou superior ao NPSHd na instalação, conclui-se que deve 
haver cavitação na bomba. 
58 
 
59 
 
60 
 
61 
 
62 
Associação de bombas 
• As exigências das instalações são muito variadas em 
termos de vazão e altura manométrica e nem sempre e 
possível encontrar essas características em uma bomba 
somente. 
 
• Pode-se recorrer a associação de bombas: 
– Em serie 
– Em paralelo 
63 
• Em paralelo: 
• A associação em paralelo é utilizada em casos em que uma bomba somente 
não atende à elevatória em termos de vazão ou quando se deseja aumentar a 
capacidade do sistema por partes. 
 
• Curva resultante: para cada altura manométrica somam-se as vazões 
(mantém-se a altura manométrica). 
 
• Isto, no entanto, só ocorre para fins de curva característica, uma vez que a 
vazão total resultante, dependerá do conduto. Não adianta associar 2 bombas 
em paralelo, visando uma duplicação de vazões se a tubulação não tiver 
condições de transportar a vazão pretendida, com a potência disponível. 
64 
• Em série: 
• A associação em serie e utilizada para vencer uma altura manométrica 
muito elevada. 
 
• Deve ser evitada em projetos novos. Quando necessária, deve ser 
substituída pela utilização de bombas de múltiplos estágios. 
 
• Curva resultante: para cada vazão somam-se as alturas manométricas 
(mantém-se a vazão). 
65 
• Exercício 5: 
 
 
66 
 
67 
 
68 
 
69 
 
70 
 
71 
• Exercício 6: 
 
72 
• Dimensionar a instalação 
elevatória mostrada na 
figura, destinada ao 
abastecimento do 
reservatório superior de 
água de um prédio com 
consumo de 40 m³/dia. 
 
• Número de horas de 
funcionamento = 6,67 
horas 
72 
 
73 
74