(Parte 1 de 3)

JULIANO PATRICIO NOGUEIRA – RA 0515531

Relatório de Estágio apresentado ao curso de Engenharia Mecânica da Faculdade Anhanguera de Jundiaí, como parte dos requisitos necessários para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico.

Orientador: Prof. Eduardo Godoi

FACULDADE ANHANGUERA DE JUNDIAÍ ENGENHARIA MECÂNICA JUNDIAÍ / 2010

Em primeiro lugar agradeço a Deus pela oportunidade concedida.

De modo especial, a minha esposa, filho e pais que sempre foram meus incentivadores e melhores amigos.

À Elos & PPR Bombas e Válvulas Ltda, em particular na pessoa dos engenheiros Silas Silvestre e Paulo Sergio da Silva, pela disponibilização de equipamentos e tempo para a elaboração desses trabalho.

Este trabalho aborda assuntos de fundamental importância para o correto dimensionamento de bombas centrífugas como, por exemplo, as curvas características de performance. Serão definidos como a empresa ELOS & PPR Bombas e Válvulas Ltda obtém uma curva característica para um determinado equipamento, o tipo de curvas existentes, além de conceitos sobre altura manométrica, potência consumida, vazão, rendimento, entre outros assuntos. Demonstrando a importância da leitura e analise gráfica de uma curva para uma correta utilização e otimização operacional de uma planta industrial.

Palavras-chave: BOMBA CENTRÍFUGA, CURVA, RENDIMENTO, NPSH.

Figura 1 - Foto da planta industrial da ELOS & PPR em Piracicaba-SP15
Figura 2 – Exemplo de Bomba centrífuga16
Figura 3 - Exemplo de funcionamento de bomba centrífuga18
Figura 4 - Curva teórica de funcionamento19
Figura 5 - Curva real de funcionamento20
Figura 6 - Instalação de manômetros no sistema21
Figura 7 - Exemplo de bancada de testes2
Figura 8 - Levantamento da curva característica23
Figura 9 - Curva característica com diâmetros diferentes23
Figura 10 - Exemplo de curva inclinada "Rising"24
Figura 1 - Exemplo de curva íngreme "Step"25
Figura 12 - Exemplo de curva plana "Flat"25
Figura 13 - Exemplo de curva instável Ascendente/Descendente “Drooping”26
Figura 14 - Exemplo de curva instável tipo “Cela”26
Figura 15 - Exemplo de curva "Over Loading"27
Figura 16 - Exemplo de curva "no Over Loading"28
Figura 17 - Exemplo de curva de potência de bomba de fluxo axial28
Figura 18 - Exemplo de curva de vazão x rendimento29
Figura 19 - Exemplo de curva de isorendimento30
Figura 20 - Exemplo de curva de vazão x NPSHr30
Figura 21 - Exemplo de curva característica31
Figura 2 - Exemplo de perdas localizadas34
Figura 23 - Curva do sistema x curva da bomba35
Figura 24 - Exemplo do ponto de melhor rendimento36
Figura 25 - Exemplo de alteração do diâmentro do rotor37
Figura 26 - Exemplo de mudança de rotação37
Figura 27 - Variação na parcela estática da Altura Manométrica Total do sistema38
Figura 28 - Exemplo de fechamento/abertura de válvulas39
velocidade específica45

LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 29 - Série de bombas geometricamente semelhantes admitindo a mesma Figura 30 - Tipos de rotores x velocidade específica ................................................ 46

Figura 32 - Tolerância para o teste de performance49
Figura 3 - Bomba BSH 150-500 em funcionamento51
Figura 34 - Leitura da rotação51
Figura 35 - Leitura da vazão52
Figura 36 - Leitura da altura manométrica52
Figura 37 - Medição do nível de ruído53
Figura 38 - Medição da temperatura do mancais53
Figura 39 - Anexo A (Folha de dados da bomba centrífuga)58
Figura 40 - Anexo B (Curva característica)59

Figura 31 - Exemplo de montagem de bomba centrífuga ......................................... 47 Figura 41 - Anexo C (Relatório teste de performance) .............................................. 61

Equação 1 - Altura manométrica da bomba21
Equação 2 - Altura manométrica da bomba21
Equação 3 - Potência hidráulica32
Equação 4 - Potência útil da bomba32
Equação 5 - Potência consumida pela bomba3
Equação 6 - Rendimento total34
Equação 7 - Rendimento da bomba35
Equação 8 - Vazão proporcional à rotação40
Equação 9 - Altura manométrica varia com o quadrado da rotação40
Equação 10 - Potência varia ao cubo da rotação40
Equação 1 - NPSHr varia ao quadrado da rotação41
Equação 12 - Variação da Vazão - Altura - Potência41
Equação 13 - Variação da vazão em função da redução do diâmetro do rotor42
rotor42
Equação 15 - Variação da potência em função da redução do diâmetro do rotor42

LISTA DE EQUAÇÕES Equação 14 - Variação da altura monométrica em função da redução do diâmetro do Equação 16 - Velocidade específica ou rotação específica ...................................... 43

ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas ANSI - American National Standard Institute API - American Petroleum Institute DIN - Deutsches Institut fur Normang HI - Hydraulic Institute ISO - International Organization for Standartization NPSH - Net Inlet Suction Head NPSHr - Net Inlet Suciton Head Required BEP - Best Efficiency Point BEN - Bomba Elos Normalizada BES - Bomba Multi-estágio Standard BSH - Bomba API 610 8ª Edição

Q - Vazão

Q1 - Nova vazão Qt - Vazão no ponto de trabalho Qfe - Vazão com a válvula fechada Qab - Vazão com a válvula aberta

Qótimo - Vazão no melhor ponto de trabalho H - Altura manométrica

H1 - Nova altura manométrica Ht - Altura manométrica no ponto de trabalho Hfe - Altura manométrica com a válvula fechada Hab - Altura manométrica com a válvula aberta

Hótimo - Altura manométrica no melhor ponto de trabalho P - Potência consumida

P1 - Potência com a nova rotação Pt - Vazão no ponto de trabalho

Ph - Potência hidráulica - Rendimento

t - Rendimento no ponto de trabalho

tot - Rendimento total N - Rotação

N1 - Nova rotação D - Diâmetro do rotor

D1 - Novo diâmetro do rotor - Peso especifico

Pd - Pressão de descarga Ps - Pressão de sucção

Nq - Velocidade especifica ou rotação especifica g - Aceleração da gravidade

Vd - Velocidade do fluído na descarga Vs - Velocidade do fluído na sucção

Zsd - Diferença de cota entre as linhas de centro dos manômetros da sucção e descarga

RESUMO16
LISTA DE ILUSTRAÇÕES17
LISTA DE EQUAÇÕES19
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS20
LISTA DE SÍMBOLOS21
1. INTRODUÇÃO14
1.1. A INSTITUIÇÃO E O ESTÁGIO15
1.2. Histórico da ELOS & PPR15
1.3. O departamento de Vendas e Aplicações16
2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA16
2.1. Curvas características da bomba18
2.2. Curvas Teórica e Real de Funcionamento19
2.3. Curva de Altura Manométrica da Bomba20
2.4. Tipos de Curvas Características “H x Q” de Bombas24
2.4.1. Curva Inclinada (“Rising”)24
2.4.2. Curva Íngreme (“Step”)24
2.4.3. Curva Plana (“Flat”)25
2.4.4. Curva Instável Ascendente/Descendente (“Drooping”)25
2.4.5. Curva Instável Tipo “Cela”26
2.5. Curva de Potência Consumida da Bomba26
2.5.1. Tipos de Curvas de Potência Consumida27
2.5.1.1. Curva de Potência Consumida de Bomba de Fluxo Radial27
2.5.1.3. Curva de Potência Consumida de Bomba de Fluxo Axial28
2.5.2. Curva de Rendimento da Bomba29
2.5.3. Curvas de isorendimento29
2.5.4. Curva de NPSH Requerido da Bomba30
2.5.5. Apresentação Típica das Curvas Características de Bombas Centrífugas31
2.6. Potência consumida pela bomba31
2.6.1. Potência Hidráulica32

SUMÁRIO 2.5.1.2. Curva de Potência Consumida de Bomba de Fluxo Misto ou Semi-axial . 28 2.6.2. Potência Consumida pela Bomba ................................................................ 32

2.8. PONTO DE TRABALHO35
2.8.1. Ponto de Melhor Rendimento35
2.8.2. Fatores que Modificam o Ponto de Trabalho36
2.8.3. Alteração do ponto de trabalho atuando na bomba37
2.8.4. Alteração do ponto de trabalho atuando no sistema37
2.9. Efeito da mudança de rotação nas curvas características39
2.9.1. Efeito da variação do diâmetro do rotor nas curvas características41
2.10. VELOCIDADE ESPECÍFICA43
2.10.1. Aplicações da Velocidade Específica4
3. ATIVIDADES PROGRAMADAS DO ESTÁGIO46
3.1. Montagem e desmontagem de bombas47
3.2. Acompanhamento de testes de performance48
REFERÊNCIAS54

1.1. INTRODUÇÃO

Na atualidade, as bombas centrifugas estão presentes na maioria das plantas industriais, instalações de petróleo, sistemas de fornecimento de água, sistemas de recolhimento de esgotos etc.

No presente estudo serão enfocados os princípios fundamentais de operação de bombas centrifugas, as características principais do banco de provas, área contida nas dependências da ELOS & PPR Bombas e Válvulas Ltda onde são executados os testes de performance nos equipamentos, a sistemática e avaliação dos resultados obtidos durante a realização dos testes, as chamadas curvas características de funcionamento.

O objetivo principal deste trabalho É garantir ao cliente, através da leitura, interpretação e analise gráfica das curvas características de uma bomba centrifuga, se a mesma atinge os resultados (ponto de operação, vazão, pressão e rendimento) previamente estabelecido, fazendo um comparativo de ensaio de performance em bancada de teste com as tolerâncias estabelecidas pelas normas de fabricação.

Este trabalho será dividido em três capítulos: o primeiro abordará o histórico da empresa; o segundo, os fundamentos hidráulicos aplicados durante o estagio; e o terceiro, a descrição das atividades desenvolvidas no período de estagio.

1.2. A INSTITUIÇÃO E O ESTÁGIO

Figura 1 - Foto da planta industrial da ELOS & PPR em Piracicaba-SP Fonte: ELOS & PPR Bombas e Válvulas Ltda “catalogo de produtos” - 2010

A ELOS & PPR, foi criada com a finalidade de agrupar as experiências de mais de 15 anos, adquiridas pelas empresas Elos Ind. e Com. de Bombas e Peças Ltda e PPR Ind. Com. Ltda.

A ELOS & PPR Bombas e Válvulas Ltda é a matriz, inscrita CNPJ n° 04.233.624/001-0, está localizada na rua Dr. Plínio Camilo n°585 – Distrito Uninorte, na cidade de Piracicaba-SP, onde será realizado o estágio.

1.3. Histórico da ELOS & PPR

Com mais de 25 anos de existência no mercado criando soluções para os mais diversos segmentos industriais. Tendo como política da qualidade:

Garantia de produtos e serviços que atendam as necessidades de nossos clientes;

Eficácia e melhoria contínua dos processos;

Parceria com nossos clientes, fornecedores e colaboradores; Missão:

Apresentar soluções para atender nossos clientes superando suas expectativas;

Apresentar preços competitivos;

Qualidade de fornecimento;

1.4. O departamento de Vendas e Aplicações

O estágio curricular foi realizando no departamento de vendas e aplicações da empresa Elos & PPR, localizada na cidade de Piracicaba no interior de São Paulo. Neste Capítulo, serão obcordados assuntos de fundamental importância para o correto dimensionamento de bombas centrífugas, ou seja, serão estudadas as curvas características das bombas.

Será definida a altura manométrica da bomba, potência consumida, rendimentos, entre outros assuntos; será mostrado como o fabricante traça a curva de uma bomba, os vários tipos de curvas, etc. Portanto, a perfeita compreensão deste capítulo é de extrema importância para o pessoal envolvido com bombas centrífugas.

1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA

se no interior da carcaça com folgas batentes justas. Ver figura abaixo

A denominação “Bomba Centrífuga” caracteriza o movimento de centrifugação do líquido pelo(s) rotor(es). Esses são dotados de pás e posicionam-

Figura 2 – Exemplo de Bomba centrífuga Fonte: SILVA, Jairo Torres da; IVO, Lúcio Antonio Moreira; OLIVEIRA, Paulo Soares de;

PELLEGRINO, Sérgio Lins. BOMBAS centrífugas passo a passo. 3.ed. SALVADOR: Turbotech engenharia Ltda., 1999. 356p.

Para o funcionamento da bomba, é necessário que a carcaça esteja completamente cheia de líquido, e, portanto, que o rotor esteja mergulhado no líquido.

O funcionamento da bomba centrífuga baseia-se praticamente na criação de uma zona de baixa pressão e de uma zona de alta pressão.

A criação da zona de baixa pressão decorre do fato de que o líquido, recebendo através das pás o movimento de rotação do rotor, fica sujeito à força centrífuga que faz com que as partículas do líquido se desloquem em direção à periferia do rotor. Este deslocamento acarreta a criação de um vazio (baixa pressão) na região central, vazio este que será preenchido por igual quantidade de líquido proveniente da fonte, estabelecendo-se assim a primeira condição para o funcionamento que é um fluxo contínuo (regime permanente).

A criação da zona de alta pressão na periferia, alta pressão esta que é a responsável pela possibilidade de transporte do fluido e atendimento das condições finais do processo, deve-se ao fato de que o líquido que parte para a periferia, sob a ação da força centrífuga, vai encontrar um aumento progressivo na área de escoamento (ver figura abaixo), que causará queda de velocidade e aumento de pressão (Teorema de Bernouilli). Está, assim, criada a alta pressão na periferia, necessária para que a bomba cumpra a sua função.

Então, poderíamos afirmar, resumidamente, que o rotor fornece energia ao fluido, aumentando sua energia cinética e sua energia de pressão, sendo em seguida, grande parte da energia cinética transformada em energia de pressão devido ao aumento progressivo da área da carcaça na região de difusão, após o líquido atravessar a voluta. A maior parte do aumento de pressão do fluido no interior da bomba ocorre durante sua passagem desde a entrada até a saída do canal formado pelas pás do rotor, devido aos chamados “efeito centrífugo” e “efeito de difusão”. Entretanto, uma parcela do ganho de pressão é normalmente obtida após a saída do rotor, quando o fluido é orientado através de uma região de área crescente (região difusora).

radial o grau de reação é em torno de 70%

A relação entre a quantidade de energia que implica aumento da pressão estática do fluido passando através do rotor, e a energia total transferida pelo rotor ao fluido, recebe a denominação de “grau de reação” do rotor. Em rotores de fluxo O aumento progressivo da área na carcaça pode ser obtido de duas formas

Utilizando a carcaça em voluta com região difusora;

Utilizando a carcaça com difusor.

Figura 3 - Exemplo de funcionamento de bomba centrífuga Fonte: SILVA, Jairo Torres da; IVO, Lúcio Antonio Moreira; OLIVEIRA, Paulo Soares de;

PELLEGRINO, Sérgio Lins. BOMBAS centrífugas passo a passo. 3.ed. SALVADOR: Turbotech engenharia Ltda., 1999. 356p.

O vácuo parcial criado no bocal de sucção da bomba (ponto A na figura acima) faz com que o fluido atinja o olho do rotor (ponto B).

o fluido tem a velocidade tangencial da extremidade das pás

O movimento de rotação do rotor, pela ação da força centrífuga expulsa o fluido através de suas pás (C) acelerando-o na direção da rotação. Ao deixar o rotor, 1.1. Curvas características da bomba

A determinação do ponto de trabalho, isto é, vazão, altura manométrica, potência consumida e rendimento de uma bomba operando em um sistema, é função das características da bomba e do sistema. Assim sendo, torna-se necessário aprofundar nossos conhecimentos sobre as curvas características das bombas. Estas curvas são fornecidas pelos fabricantes e normalmente traduzem o desempenho da bomba quando operando com água limpa à temperatura ambiente. São três as curvas características tradicionais:

Curva da altura manométrica (H) x vazão (Q)

Curva de potência consumida (P) x vazão (Q)

Curva de rendimento total (η) x vazão (Q)

Estas curvas são obtidas através de experiências do fabricante, que fazem a bomba vencer diversas alturas manométricas com diversas vazões, verificando também a potência consumida e o rendimento da bomba.

1.2. Curvas Teórica e Real de Funcionamento

Uma bomba centrífuga ideal, onde não houvesse perdas internas de energia, teria uma curva característica teórica de altura manométrica (H) versus vazão (Q) com a seguinte forma:

Figura 4 - Curva teórica de funcionamento Fonte: SILVA, Jairo Torres da; IVO, Lúcio Antonio Moreira; OLIVEIRA, Paulo Soares de;

PELLEGRINO, Sérgio Lins. BOMBAS centrífugas passo a passo. 3.ed. SALVADOR: Turbotech engenharia Ltda., 1999. 356p.

Porém, numa bomba real existem perdas de energia interna devido às seguintes causas:

Atrito entre o líquido e o rotor;

Mudanças bruscas na direção do escoamento;

Fugas de líquido entre interstícios (folgas); Recirculação interna (ex.: entre o rotor e a lingüeta da voluta).

São essas perdas de energia que produzem a alteração da forma da curva característica de uma bomba ideal, conforme representado na figura baixo:

Figura 5 - Curva real de funcionamento Fonte: SILVA, Jairo Torres da; IVO, Lúcio Antonio Moreira; OLIVEIRA, Paulo Soares de;

PELLEGRINO, Sérgio Lins. BOMBAS centrífugas passo a passo. 3.ed. SALVADOR: Turbotech engenharia Ltda., 1999. 356p.

A quantificação das perdas entre a condição ideal e a real é dada pela

chamado de Ponto de Projeto da Bomba

grandeza denominada rendimento (ou eficiência). O ponto (H,Q) em que ocorre as menores perdas, ou seja, onde o rendimento é máximo, denomina-se Ponto de Melhor Rendimento ou, mais comumente, BEP (do inglês “Best Efficiency Point”). Este é ponto de operação para o qual a bomba é projetada, por isso ele também é 1.3. Curva de Altura Manométrica da Bomba

A Altura Manométrica de uma bomba é definida como a energia por unidade de peso de líquido, que a bomba fornece ao líquido, para uma determinada vazão. Dessa forma, aplicando o Teorema de Bernoulli entre a entrada e a saída de uma bomba centrífuga (ver figura abaixo), obtemos a seguinte fórmula para a altura manométrica de uma bomba:

Equação 1 - Altura manométrica da bomba Fonte: XAVIER, Emilio A. Tecnologia de bombas centrífugas – seleção e aplicação -

PIRACICABA: ELOS & PPR Bombas e Válvulas Ltda., 2009. 372p.

transportado a uma determinada vazão, é fornecida pela bomba

Isto significa que a energia que o sistema solicita para que o líquido seja

Figura 6 - Instalação de manômetros no sistema Fonte: XAVIER, Emilio A. Tecnologia de bombas centrífugas – seleção e aplicação -

PIRACICABA: ELOS & PPR Bombas e Válvulas Ltda., 2009. 372p.

Se desprezarmos as cargas de velocidade e considerarmos Zsd = 0, temos:

Equação 2 - Altura manométrica da bomba Fonte: XAVIER, Emilio A. Tecnologia de bombas centrífugas – seleção e aplicação -

PIRACICABA: ELOS & PPR Bombas e Válvulas Ltda., 2009. 372p.

H → altura manométrica da bomba (m) pd → pressão lida no manômetro da descarga (kgf/cm²) ps → pressão lida no manômetro da sucção (kgf/cm²) γ → peso específico do fluido (kgf/dm³)

10 → valor para acerto de unidades

O levantamento das curvas características das bombas são realizadas pelo fabricante em bancadas de testes equipadas para tal serviço.

De uma maneira simplificada, as curvas são traçadas da seguinte forma, conforme esquema abaixo:

Figura 7 - Exemplo de bancada de testes Fonte: XAVIER, Emilio A. Tecnologia de bombas centrífugas – seleção e aplicação -

PIRACICABA: ELOS & PPR Bombas e Válvulas Ltda., 2009. 372p.

Considerando-se que:

ps seja a pressão de sucção no flange de sucção da bomba;

pd seja a pressão de descarga no flange de descarga da bomba; a bomba em questão esteja com um diâmetro de rotor conhecido;

exista uma válvula situada logo após a boca de recalque da bomba, com a finalidade de controle de vazão;

exista um medidor de vazão, de qualquer tipo, para obtermos os valores da vazão em cada instante;

1º Passo- Coloca-se a bomba em funcionamento, com a válvula de descarga totalmente fechada (Q = 0); determina-se a pressão desenvolvida pela bomba, que será igual a pressão de descarga menos a pressão de sucção. Com essa pressão diferencial, obtém-se a altura manométrica desenvolvida pela bomba, através da fórmula mostrada. Essa altura manométrica é normalmente conhecida como altura no “shut-off”, ou seja, altura desenvolvida pela bomba correspondente à vazão zero, a qual chamamos de H0.

2º Passo- Abre-se parcialmente a válvula, obtendo-se assim uma nova vazão determinada pelo medidor de vazão, a qual chamaremos de Q1, e procede-se de maneira análoga a anterior, para determinarmos a nova altura desenvolvida pela bomba nesta nova condição, a qual chamaremos de H1.

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