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Máquinas Hidráulicas

VI. 1.1. Definição

Máquinas Hidráulicas são máquinas que trabalham fornecendo, retirando ou modificando a energia do líquido em escoamento.

VI.1.2. Classificação

As máquinas hidráulicas podem ser classificadas em:

  • Máquinas operatrizes - introduzem no líquido em escoamento a energia externa, ou seja, transformam energia mecânica fornecida por uma fonte (um motor elétrico, por exemplo) em energia hidráulica sob a forma de pressão e velocidade (exemplo: bombas hidráulicas);

  • Máquinas motrizes - transformam energia do líquido e a transferem para o exterior, isto é, transformam energia hidráulica em outra forma de energia (exemplos: turbinas, motores hidráulicos, rodas d’água);

  • Mistas - máquinas que modificam o estado da energia que o líquido possui (exemplos: os ejetores e carneiros hidráulicos).

VI.2. Bombas

VI.2.1. 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.

VI.2.2. Classificação

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

  • Turbo-Bombas, Hidrodinâmicas ou Rotodinâmicas - são máquinas nas quais a movimentação do líquido é desenvolvida por forças que se desenvolvem na massa líquida em conseqüência da rotação de uma peça interna (ou conjunto dessas peças) dotada de pás ou aletas chamada de roto;

  • Volumétricas ou de Deslocamento Positivo - são aquelas em que 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 (Figura VI.1).

Figura VI.1 - Esquemas de bombas volumétricas

VI.2.3. Bombas Centrífugas

VI.2.3.1. Definição

Bombas Centrífugas são bombas hidráulicas que têm como princípio de funcionamento a força centrífuga através de palhetas e impulsores que giram no interior de uma carcaça estanque, jogando líquido do centro para a periferia do conjunto girante.

VI.2.3.2. Descrição

Constam de uma câmara fechada, carcaça, dentro da qual gira uma peça, o rotor, que é um conjunto de palhetas que impulsionam o líquido através da voluta (Figura VI.2). O rotor é fixado no eixo da bomba, este contínuo ao transmissor de energia mecânica do motor. A carcaça é a parte da bomba onde, no seu interior, a energia de velocidade é transformada em energia de pressão, o que possibilita o líquido alcançar o ponto final do recalque. É no seu interior que está instalado o conjunto girante (eixo-rotor) que torna possível o impulsionamento do líquido.

Figura VI.2 - Voluta em caracol

A carcaça pode ser do tipo voluta ou do tipo difusor. A de voluta é a mais comum podendo ser simples ou dupla (Figura VI.3). Como as áreas na voluta não são simetricamente distribuídas em torno do rotor, ocorre uma distribuição desigual de pressões ao longo da mesma. Isto dá origem a uma reação perpendicular ao eixo que pode ser insignificante quando a bomba trabalhar no ponto de melhor rendimento, mas que se acentua a medida que a máquina sofra redução de vazões, baixando seu rendimento. Como conseqüência deste fenômeno temos para pequenas vazões, eixos de maior diâmetro no rotor. Outra providência para minimizar este empuxo radial é a construção de bombas com voluta dupla, que consiste em se colocar uma divisória dentro da própria voluta, dividindo-a em dois condutos a partir do início da segunda metade desta, ou seja, a 180o do início da "voluta externa", de modo a tentar equilibrar estas reações duas a duas, ou minimizar seus efeitos.

Figura VI.3 - Voluta dupla

Para vazões médias e grandes alguns fabricantes optam por bombas de entrada bilateral para equilíbrio do empuxo axial e dupla voluta para minimizar o desequilíbrio do empuxo radial. A carcaça tipo difusor não apresenta força radial, mas seu emprego é limitado a bombas verticais tipo turbina, bombas submersas ou horizontais de múltiplos estágios e axiais de grandes vazões. A carcaça tipo difusor limita o corte do rotor de modo que sua faixa operacional com bom rendimento, torna-se reduzida.

VI.2.3.3. 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, nossa visão sobre o assunto.

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

    • baixa pressão (H £ 15 mca);

    • média pressão (15 < H < 50 mca);

    • alta pressão (H ³ 50 mca).

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

  • Quanto a vazão de recalque:

  • pequena (Q £ 50 m3/hora);

  • média ( 50 < Q < 500 m3/hora);

  • grande (Q ³ 500 m3/hora).

  • Quanto à direção do escoamento do líquido no interior da bomba:

    • 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);

    • 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);

    • axial ou helicoidais, quando o escoamento desenvolve-se de forma paralela ao eixo e são especificadas para grandes vazões - dezenas de m3/s - e médias alturas - até 40 m (Figura VI.4);

Figura VI.4 - Bomba axial: cortes

  • Quanto à estrutura do rotor (Figura VI.5):

    • aberto (para bombeamentos de águas residuárias ou bruta de má qualidade);

    • semi-aberto ou semi-fechado (para recalques de água bruta sedimentada);

    • fechado (para água tratada ou potável) .

Figura VI.5 - Tipos de rotores

  • Quanto ao número de rotores:

    • estágio único;

    • 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/cm2, de acordo com a quantidade de estágios da bomba.

  • Quanto ao número de entradas:

    • sucção única, aspiração simples ou unilateral (mais comuns);

    • sucção dupla, aspiração dupla ou bilateral (para médias e grandes vazões).

  • Quanto a admissão do líquido:

    • sucção axial (maioria das bombas de baixa e média capacidades);

    • sucçãolateral (bombas de média e alta capacidades);

    • sucção de topo (situações especiais);

    • sucção inferior (bombas especiais).

  • Quanto a posição de saída:

    • de topo (pequenas e médias);

    • lateral (grandes vazões)

    • inclinada (situações especiais).

    • vertical (situações especiais).

  • Quanto a velocidade de rotação:

    • baixa rotação ( N < 500rpm);

    • média ( 500 £ N £ 1800rpm);

    • alta ( 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 (Figura VI.6):

    • submersas (em geral empregadas onde há limitações no espaço físico - em poços profundos por exemplo);

    • afogadas (mais frequentes para recalques superiores a 100 l/s);

    • altura positiva (pequenas vazões de recalque).

  • Quanto à posição do eixo (Figura VI.6)

    • :eixo horizontal (mais comuns em captações superficiais);

    • eixo vertical (para espaços horizontais restritos e/ou sujeitos a inundações e bombas submersas em geral).

 Figura VI.6 - Bomba de eixo vertical submersa

  • Quanto ao tipo de carcaça:

    • compacta;

    • bipartida (composta de duas seções separadas, na maioria das situações, horizontalmente a meia altura e aparafusadas entre si);

A Figura VI.7 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.

Figura VI.7 - Corte esquemático de uma bomba centrífuga típica

VI.2.3.4. 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, VazãoQ, Altura manométrica H, Rendimento e Potência P.

VI.2.3.5. Altura manométrica ou Carga - H

Altura manométrica de uma bomba é a carga total de elevação que a bomba trabalha. É dada pela expressão

H = hs + hfs + hr + hfr + (vr2/2g)                                                                              Eq. 1

onde:

H = altura manométrica total; hs= altura estática de sucção; hfs= perda de carga na sucção (inclusive NPSHr); hr = altura estática de recalque; hfr = perda de carga na linha do recalque; vr2/2g = parcela de energia cinética no recalque (normalmente desprezível em virtude das aproximações feitas no cálculo da potência dos conjuntos elevatórios (Figura VI.8).

Figura VI.8 - Elementos da altura manométrica

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