Prática 5 - Bombas

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LABORATÓRIO DE FLUIDOS 
 
Prática 5: Análise operacional de bombas centrífugas de água operando individualmente. 
 
Objetivo 
 
Analisar parâmetros operacionais de duas bombas centrífugas de água operando 
individualmente. 
 
Fundamentos 
 
A altura manométrica (H) de uma bomba centrífuga é o valor que representa o ganho de 
energia de pressão do líquido entre a entrada e a saída da bomba. Representa também a energia 
que a bomba deve transmitir ao fluido para o transporte de uma determinada vazão volumétrica 
(Q) até o ponto final designado pelo sistema. 
Para um dado sistema de tubulações com suas perdas distribuídas e localizadas, variações 
de elevação, etc., a carga líquida (altura manométrica) necessária aumenta com a vazão 
volumétrica. Por outro lado, a carga líquida disponível da maioria das bombas diminui com o 
aumento da vazão, pelo menos na maioria de seu intervalo operacional recomendado. Assim, a 
curva de sistema e a curva de desempenho da bomba se cruzam como mostra a Figura 1, e isso 
estabelece o ponto de operação. 
 
 
Figura 1: Ponto de Operação. 
 
É desejável que o ponto de operação esteja próximo do ponto de eficiência ótima da 
bomba. Na maioria dos casos, porém, a bomba não funciona com sua eficiência ótima. Se a 
eficiência (𝜂) é importante, a bomba deve ser selecionada com cuidado (ou, então, uma nova 
bomba deve ser projetada), para que o ponto operacional esteja o mais próximo possível do ponto 
de eficiência ótima. Em alguns casos, pode ser possível alterar a velocidade de rotação do eixo, 
para que uma bomba existente possa operar muito próxima a seu ponto de projeto (o ponto de 
eficiência ótima). 
 
Metodologia 
 
A bancada de ensaios analisada neste trabalho possui duas bombas de água, em tese, 
idênticas. O sistema é dotado de um rotâmetro, manômetros na sucção e recalque de cada bomba 
e diversas válvulas que permitem que as bombas operem individualmente, em série ou em 
paralelo. Durante os experimentos são realizadas medições de pressão na entrada e saída de cada 
bomba e sua respectiva vazão. A Figura 2 apresenta a bancada. 
 
 
Figura 2: Bancada de testes. 
 
A bancada apresenta duas bombas denominadas bomba inferior e bomba superior, devido 
a suas respectivas posições na bancada. As pressões manométricas podem ser medidas antes 
(sucção) e depois (recalque) de cada uma das bombas. Com relação à medição de pressão da 
bomba inferior, a qual encontra-se afogada, a pressão no recalque é feita por meio de um 
manômetro de Bourdon. Já a pressão de aspiração é medida por um manômetro em U com água, 
o qual é possível medir o desnível por meio de uma trena. As medições de pressões na bomba 
superior podem ser realizadas por meio de um manômetro de Bourdon (recalque) e um 
vacuômetro de Bourdon (admissão). A instrumentação das bombas é apresentada na Figura 3. 
Por fim, a vazão volumétrica pode ser medida por meio de um rotâmetro (Figura 4). Além disso, 
também pode ser medido o desnível entre as tomadas de pressão dos manômetros por meio de 
uma trena. 
 
 
Figura 3: Instrumentação das bombas. 
Bomba Inferior 
Bomba Superior 
 
 
Figura 4: Rotâmetro da bancada de ensaios. 
 
Ressalta-se que as bombas são idênticas. Entretanto, uma delas passou por um processo 
de retificação no rotor e, consequentemente, não possui o mesmo rendimento anterior ao reparo. 
A Figura 5 apresenta as etiquetas do conjunto motobomba. As bombas possuem potência nominal 
de 1 cv, rotação nominal de 3500 rpm, diâmetro de sucção de 1,5 polegada, diâmetro de descarga 
de 1 polegada, diâmetro e largura de rotor (tipo fechado) de 128 mm e 3 mm, altura manométrica 
mínima e máxima de 6 e 30 mca (metro de coluna d’água) e vazão volumétrica máxima de 15 
m³/h. As curvas de altura manométrica, potência (N) e NPSH (net positive suction head) 
requerido em função da vazão volumétrica estão disponíveis em anexo. 
 
 
Figura 5: Etiquetas do conjunto motobomba. 
 
Procedimentos 
 
As medições da temperatura ambiente (por meio de um termômetro de bulbo) e da pressão 
atmosférica (por meio de um barômetro de Torricelli) são fundamentais para a determinação das 
massas específicas dos fluidos envolvidos no experimento. A Tabela 1 apresenta estas 
informações. 
 
Tabela 1: Condições Ambiente. 
Variável Valor 
Pressão Ambiente 685 mmHg 
Temperatura Ambiente 22 ºC 
 
As incertezas de medição dos instrumentos são apresentadas na Tabela 2. 
 
Tabela 2: Incerteza dos instrumentos. 
Instrumento Incerteza 
Manômetro de Bourdon ± 0,05 atm 
Vacuômetro de Bourdon ± 0,05 atm 
Trena ± 1 mm 
Termômetro de bulbo ± 1 ºC 
Barômetro de Torricelli ± 10 mmHg 
Rotâmetro ± 250 L/h 
 
O sistema foi operado com cada uma das bombas individualmente. A bomba inferior é 
classificada como bomba afogada, então nenhum procedimento prévio deve ser realizado antes 
da sua partida. Porém a bomba superior é uma bomba classificada como acima do nível do 
reservatório de admissão de água, logo ela deve estar escorvada antes da sua partida. Ao dar 
partida em uma bomba, a válvula à sua descarga é fechada continuamente e para cada posição de 
fechamento são medidas as pressões e a vazão volumétrica. 
As Tabelas 3 e 4 apresentam os dados coletados durante o experimento. Reitera-se que as 
pressões apresentadas nestas tabelas são manométricas. 
 
Tabela 3: Medições da bomba superior. 
Parâmetros medidos Ponto 1 Ponto 2 Ponto 3 Ponto 4 Ponto 5 
Pressão de recalque (atm) 2 2,45 2,75 2,15 2,55 
Pressão de sucção (atm) -0,1 -0,05 -0,04 -0,07 -0,05 
Vazão volumétrica (L/h) 8750 6500 3000 8000 5000 
Diferença de cota entre os pontos de 
medição dos manômetros 
 380 mm 
 
Tabela 4: Medições da bomba inferior. 
Parâmetros medidos Ponto 1 Ponto 2 Ponto 3 Ponto 4 Ponto 5 
Pressão de recalque (atm) 1,7 2,1 2,55 2,35 2,3 
Comprimento da coluna do 
manômetro em U de sucção (mm) 
515 540 580 560 555 
Vazão volumétrica (L/h) 8500 7500 3750 5500 6000 
Diferença de cota entre os pontos 
De medição dos manômetros 
 520 mm 
 
Relatório 
 
• O relatório deve conter os seguintes tópicos abaixo, dispostos de forma adequada ao longo 
das seções (introdução, referencial teórico, metodologia, resultados, conclusões, referências 
bibliográficas). Siga as instruções dos arquivos “Instruções para escrita acadêmica” e 
“requisitos básicos para escrita do relatório”. Use como modelo de relatório o arquivo 
“Modelo de relatório”, aplicando todas as seções apresentadas. O documento “Fontes para 
trabalhos acadêmicos” apresenta fontes para a busca por trabalhos acadêmicos, úteis no 
desenvolvimento do relatório. Utilize o conteúdo presente neste roteiro de prática, 
aprofundando-o. 
 
• Apresente no referencial teórico maior detalhamento de bombas centrífugas de água e 
sistemas de bombeamento. Apresente também trabalhos que foram desenvolvidos analisando 
bombas centrífugas e sistema de bombeamento. 
 
• Apresente as equações da literatura, faça as deduções e considerações (idealizações) até 
chegar nas equações que serão aplicadas nos cálculos. 
 
• Apresente as tabelas de dados fornecidos e calculados nas unidades do SI sempre que for de 
interesse. 
 
• Apresentar em tabela a análise completa de incerteza fornecida pelo EES dos principais 
parâmetros analisados (Variável ± Incerteza, Derivada Parcial, Incerteza (%)). Discutir sobre 
a influência da instrumentação na incerteza (%). 
 
• Determine a massa específica do ar e da água. Sempre apresente os resultados com a 
incerteza. 
 
• Reescreva a Tabela 3 incluindo as incertezas de medição dos instrumentos. 
 
• Determine o diferencial de pressão (atm) para todos os pontos medidos pelo manômetro reto 
referente à sucção da bomba inferior. Reescreva a Tabela 4 incluindo as incertezas de 
medição dos instrumentos. 
 
• Converta as pressões registradas pelos manômetros em metrode coluna de água (mca). 
Reescreva as Tabelas 3 e 4 substituindo os dados de pressão pelos dados de altura 
manométrica. Inclua a incerteza de medição. 
 
• Faça em um único gráfico a curva HxQ fornecida pelo fabricante (observar o diâmetro e 
largura do rotor, considere todos os pontos disponibilizados no gráfico ou tabela do fabricante 
em anexo) e as curvas experimentais das duas bombas, viabilizando a comparação das três 
curvas supracitadas. Discuta criticamente os resultados. Não una os pontos plotados no 
gráfico e use ajuste de curva polinomial de 2ª ordem para as curvas. 
 
• Determine o rendimento do fabricante das bombas para cada ponto de operação. Use o valor 
de potência apresentado no gráfico NxQ do fabricante (observar o diâmetro e largura do rotor, 
considere todos os pontos disponibilizados no gráfico ou tabela do fabricante em anexo) para 
cada ponto de operação. Sempre apresente os resultados com a incerteza. Discuta 
criticamente os resultados. 
 
• Determine o rendimento experimental das bombas para cada ponto de operação do 
experimento. Considere o gráfico NxQ do fabricante para obter a potência equivalente a cada 
vazão do experimento. Use os valores experimentais de H e do peso especifico da água. 
Sempre apresente os resultados com a incerteza. Discuta criticamente os resultados. 
 
• Faça as curvas experimentais HxQ e ηxQ para cada uma das bombas em gráficos separados 
(um gráfico para cada bomba) com dois eixos “y”, o primeiro “y” para H e o segundo “y” 
para η, use ajuste de curva polinomial de 2ª ordem para as curvas. Não una os pontos plotados 
no gráfico. Discuta criticamente os resultados. 
 
• Faça em um único gráfico a curva ηxQ do fabricante e as curvas experimentais das duas 
bombas, viabilizando a comparação das três curvas supracitadas. Discuta criticamente os 
resultados. Não una os pontos plotados no gráfico e use ajuste de curva polinomial de 2ª 
ordem para as curvas. 
 
• Como dito, uma das bombas passou por um processo de reparo no rotor. Identifique esta 
bomba e analise a perda percentual média de rendimento ocasionada por essa manutenção 
em relação à outra bomba (original) e em relação aos dados do fabricante. Note que não se 
trata de desvio padrão e sim desvio percentual. 
 
• Faça em um único gráfico a curva NPSHreq x Q fornecida pelo fabricante para o diâmetro de 
rotor de 159 mm e a curva teórica NPSHreq x Q calculada pela modelagem matemática 
apresentada em aula. Para fazer a curva teórica é necessário dados de altura manométrica que 
estão disponíveis na curva HxQ do fabricante para o mesmo diâmetro de rotor. Discuta 
criticamente sobre os resultados encontrados. 
 
• Determine o NPSHreq para todos os pontos de operação no ensaio por meio da modelagem 
matemática apresentada em sala. Sempre apresente os resultados com a incerteza. 
 
• Determine, por meio da modelagem matemática apresentada em sala, o NPSHdisp para todos 
os pontos de operação do sistema no ensaio. Sempre apresente os resultados com a incerteza. 
 
• Faça em um único gráfico as curvas NPSHdisp x Q e NPSHreq x Q para os pontos de operação 
do sistema no ensaio realizado. Discuta criticamente os resultados. Avalie as condições nas 
quais ocorre cavitação. 
 
• Discorra criticamente sobre a instrumentação aplicada no experimento. 
 
Anexos