CAP.1 INTRODUÇÃO ÀS MÁQUINAS HIDRÁULICASCAP.1 INTRODUÇÃO ÀS MÁQUINAS HIDRÁULICAS

DefiniçãoDefinição

-MÁQUINA-MÁQUINA: É um transformador de energia (absorve : É um transformador de energia (absorve energia em uma forma e restitui em outra).energia em uma forma e restitui em outra).

--MÁQUINA HIDRÁULICAMÁQUINA HIDRÁULICA: É uma máquina através da qual : É uma máquina através da qual escoa água, e que tem a finalidade de trocar energia escoa água, e que tem a finalidade de trocar energia hidráulica, do escoamento, em energia mecânica, fornecida hidráulica, do escoamento, em energia mecânica, fornecida ou cedida por outra máquina.ou cedida por outra máquina.O escoamento flui continuamente e opera transformações do O escoamento flui continuamente e opera transformações do tipo: tipo: Emecânica Emecânica Ecinética Ecinética Epressão Epressão

A água é conduzida através do rotor transferindo energia para ele, que é a faz girar transmitindo potência através do eixo para uma máquina externa.

-BOMBA HIDRÁULICA: máquina hidráulica que recebe energia de outra máquina (ex: motor).

-MÁQUINA HIDRÁULICA MOTRIZ OU TURBINA: máquina hidráulica que fornece energia mecânica para ser transformada.

CLASSIFICAÇÃO DAS MÁQUINAS- MÁQUINAS DE FLUIDOS- MÁQUINAS ELÉTRICAS-MÁQUINAS FERRAMENTAS--MÁQUINAS DE FLUIDOS: são aquelas que promovem um intercâmbio entre a energia do fluido e a energia mecânica.- MÁQUINAS HIDRÁULICAS - fluido utilizado para promover o intercâmbio de energia não varia sensivelmente de peso específico (γ) ao passar pela máquina (escoamento incompressível).- MÁQUINAS TÉRMICAS - fluido utilizado para promover o intercâmbio de energia varia sensivelmente de peso específico (γ) ao passar pela máquina.

CLASSIFICAÇÃO DAS MÁQUINAS HIDRÁULICAS

- MOTORAS-GERADORAS

MÁQUINA HIDRÁULICA MOTORA -transforma energia hidráulica em energia mecânica (Ex: Turbinas Hidráulicas e Rodas d’água).

MÁQUINA HIDRÁULICA GERADORA - transforma energia mecânica em energia hidráulica (Ex: Bombas Hidráulicas e Ventiladores)

2. Conceito geral das Máquinas Hidráulicas

Sistema hidrodinâmico rotativo de uma bomba hidráulica de fluxo

energia de pressão Energia cinética Energia potencial

3. Bombas Hidráulicas

•Máquina através da qual escoa água •Recebe energia mecânica fornecida por outra máquina e a transforma em energia hidráulica

Emecânica Ecinética Ehidráulica

•Comunica ao fluido um acréscimo de energia com a finalidade de transportá-lo de uma posição de menor energia potencial para outra de maior energia potencial

3.1. Tipos de Bombas Hidráulicas

•As bombas hidráulicas são classificadas de acordo com o mecanismo de transferência de energia em:

-BOMBAS DE DESLOCAMENTO POSITIVO OU ALTERNATIVAS-BOMBAS HIDRODINÂMICAS OU TURBO-BOMBAS-BOMBAS ESPECIAIS

•A transferência de energia pode se dar por:

E mecânica E cinética E pressão

Emecânica E pressão

BOMBAS ESPECIAIS•Geralmente devem ser fabricadas com materiais especiais para cada tipo de aplicação;•Exemplo: bomba peristáltica•Aplicação da bomba peristáltica: dosadores de substâncias químicas que não podem entrar em contato com metais ou lubrificantes usados nas bombas.

O tubo flexível é amassado progressivamente pelo rolete, a pressão aumenta e empurra o fluido no tubo.

BOMBAS DE DESLOCAMENTO POSITIVO

•O escoamento do fluido é causado pelo aumento de pressão comunicado pela bomba través de elementos com movimento alternativo ou rotativo.•Exemplos de BOMBAS ALTERNATIVAS: bombas de pistão, ou êmbolo, e bombas de diafragma.

•Exemplos de BOMBAS ROTATIVAS: A denominação genérica Bomba Rotativa designa uma série de bombas volumétricas comandadas por um movimento de rotação, daí a origem do nome. As bombas rotativas podem ser de Engrenagens, Lóbulos ou Palheta.

•Aplicação das bombas de deslocamento positivo: casos onde é necessário uma vazão constante independente de variação da carga sobre a bomba, e também quando o volume deve ser medido com precisão já que a vazão produzida pela bomba é função apenas da sua rotação.

BOMBAS ALTERNATIVASNas bombas de êmbolo, o órgão que produz o movimento do fluido éum pistão que, em movimentos alternativos aspira e expulsa o fluido bombeado.

BOMBAS ROTATIVAS

BOMBAS ROTATIVAS

BOMBAS ROTATIVAS

BOMBAS HIDRODINÂMICAS•Conhecidas também como Bombas Hidráulicas de Fluxo•Transfere quantidade de movimento para o líquido através da aceleração provocada por um elemento rotativo dotado de pás denominado rotor.PRINCIPAIS COMPONENTES DE UMA BOMBA RADIAL CENTRÍFUGA

Esquema do sistema hidrodinâmico fixo de uma bomba hidráulica

⋅ ROTOR⋅ ÓRGÃO MÓVEL QUE FORNECE ENERGIA AO FLUIDO⋅ DIFUSOR⋅ CANAL DE SEÇÃO CRESCENTE QUE RECEBE O FLUIDO VINDO DO ROTOR E O ENCAMINHA À TUBULAÇÃO DE RECALQUE.⋅ SEÇÃO CRESCENTE NO SENTIDO DO ESCOAMENTO43.2-Sistema Auxiliar (AS)É composto por elementos necessários, mas não ligados, ao funcionamento da máquina. São os:-Sistema de vedação: impede a fuga da água pelos interstícios entre a caixa e o rotor ou o eixo. O vazamento não deve ser totalmente eliminado, pois a água também age como lubrificante a sua falta pode levar ao desgaste prematuro do vedante..-Sistema de lubrificação.

Sistema de vedação por gaxeta

As bombas são equipamentos mecânicos que fornecem energia mecânica a um fluido incompressível.

Classificação das bombasClassificação das bombas

Dividem-se em 2 grandes grupos de acordo a forma como a energia é fornecida ao fluido.

Bombas cinéticas (centrífugas)

Bombas de deslocamento positivo

No caso de fluidos compressíveis são denominados compressores e ventiladores.

Bombas centrífugas:Bombas centrífugas:

A energia é fornecida continuamente ao fluido por um rotor, que gira a alta velocidade aumentando a energia cinética que depois é transformada em energia de pressão.

Princípio de funcionamentoPrincípio de funcionamento

O líquido é succionado pela ação de um impulsor que gira rapidamente dentro da carcaça. O movimento produz uma zona de vácuo (no centro) e outra de alta pressão (na periferia).

CarcaçaCarcaça

RotorRotor

SucçãoSucção

PásPás

DescargaDescarga

VolutaVoluta

Bomba com Difusor: o fluido escoa através de uma série de palhetas fixas que formam um anel difusor. Isso permite uma mudança uma conversão mais eficiente da energia cinética em energia de pressão que a bomba de voluta simples.

Figura 9.2. Escoamento dentro de uma bomba centrífuga. a) Bomba de voluta simples; b) Bomba com difusor.

O fluido entra no centro da carcaça devido ao vácuo e é acelerado pelas pás do rotor que gira a alta velocidade. Pela ação da força centrífuga, o fluido é descarregado na voluta ou no difusor, onde é desacelerado. A energia cinética é convertida em energia de pressão. Quanto maior é o número de palhetas menor é a perda por turbulência.

Tipos de escoamento:

Axial: Descarrega o fluido axialmente (é adequado para altas vazões, mas desenvolve baixas pressões)

Radial: Descarrega o fluido na periferia radialmente (desenvolve altas pressões, adequado para baixas vazões)

Misto

Tipos de rotores:

Fechado: Para líquidos que não contém substâncias em suspensão

Semi-aberto: Incorpora uma parede no rotor para prevenir que matéria estranha se aloje no rotor e interfira na operação.

Aberto: Palhetas montadas sobre o eixo. Vantagem: líquidos com sólidos em suspensão. Desvantagem: sofrer maior desgaste.

Tipos de entrada:

Simples: Utilizada em pequenas unidades

Dupla: Quando há entradas simétricas em ambos os lados do impulsor. Nesse caso há melhor distribuição dos esforços mecânicos, além de proporcionar uma área de sucção maior, o que permite trabalhar com uma menor altura positiva na sucção (NPSH) e diminui a possibilidade de cavitação. Impulsor de uma bomba

com sucção dupla

As bombas centrífugas podem ser :

- Fluxo axial: simples ou múltiplo estágio impulsor aberto/fechado

- Fluxo misto sucção simples auto-escorvante estágio simples

- Fluxo radial sucção dupla não-escorvante múltiplo estágio

Nos dois últimos casos, o impulsor pode ser aberto, semi-aberto ou fechado.

Número de rotores:

Um rotor: Simples estágio

Vários rotores: Múltiplos estágios (vários rotores operando em série) que permitem o desenvolvimento de altas pressões

A bomba centrífuga deve ser escorvada antes de funcionar (a linha de sucção deve estar cheia de líquido). Quando a bomba tem ar a pressão desenvolvida é muito pequena devido à baixa densidade do ar.

Bomba auto-escorvante

Dois tipos de escorva

Vantagens das bombas centrífugas:

a) Construção simples

b) Baixo custo

c) Fluido é descarregado a uma pressão uniforme, sem pulsações

d) A linha de descarga pode ser estrangulada (parcialmente fechada) ou completamente fechada sem danificar a bomba

e) Permite bombear líquidos com sólidos

f) Pode ser acoplada diretamente a motores

g) Não há válvulas envolvidas na operação de bombeamento

h) Menores custos de manutenção que outros tipos de bombas

i) Operação silenciosa (depende da rotação)

Desvantagens das bombas centrífugas:

a) Não servem para altas pressões

b) Sujeitas à incorporação de ar precisam ser escorvadas

c) A máxima eficiência da bomba ocorre dentro de um curto intervalo de condições

d) Não bombeia eficientemente líquidos muito viscosos

Bomba de turbina regenerativa

Também chamada de bomba cinética ela gera maior pressão que as bombas centrifugas

Bombas de deslocamento positivoBombas de deslocamento positivo

A energia é fornecida periodicamente, mediante superfícies sólidas móveis, que deslocam porções de fluido desde a sucção até a linha de descarga. A pressão de saída é regulada através de válvulas de descarga unidireccionais.

Princípio de funcionamento

As bombas de deslocamento positivo liberam um determinado volume de fluido de acordo com a velocidade do sistema. Quando a vazão do processo diminui, a pressão aumenta e o fluxo da bomba deve ser dirigido para outro lugar, de maneira que se evite a sobre-pressurização.

Para proteger a bomba e o sistema, o fluido deve ser desviado a um by-pass, ou aliviado dentro da própria bomba, enviando o fluido da zona de alta pressão (descarga) para a de baixas pressões (sucção).

Válvulas de alívio internas:

Muitos fabricantes fornecem bombas que incorporam válvulas de alívio internas. Quando uma válvula de alívio interna se aproxima do valor máximo de pressão permitido, esta se abre e o fluido é dirigido internamente para a zona de sucção da bomba. Operações desse tipo proporcionam proteção contra a sobre-pressurização do sistema e limita a possibilidade de destruição da bomba e de componentes do sistema.

Alívio externo e válvulas de by-pass: No projeto do sistema de processo, quando se utilizam bombas de deslocamento positivo e o risco de queda de vazão existe, é necessário considerar um arranjo de by-pass externo que devolva o líquido para a sucção.

A válvula de by-pass externa ou outro dispositivo de controle abrirão a uma pressão pré-determinada, permitindo que a pressão não exceda níveis muito altos e evitando que a bomba cavite.

Válvula reguladora de pressão

As válvulas de alívio internas são projetadas para proteger o sistema por curtos períodos de tempo. Quando o fluido recircula dentro da bomba, a potência introduzida pela bomba se dissipa na forma de calor, aumentando a temperatura do produto. Mesmo se o período de tempo é curto a temperatura do produto pode subir até o ponto de evaporação na zona de baixas pressões. Quando há cavitação na zona de baixas pressões pode ocorrer a destruição da bomba.

Cavitação em uma bomba de deslocamento positivo com dispositivo de segurança temporário.

A cavitação é uma situação que pode ocorrer em qualquer tipo de bomba. Acontece quando há falta de fornecimento de líquido e a bomba trabalha com uma vazão menor daquela para a qual foi projetada. As causas comuns da cavitação são a diminuição da pressão de sucção, NPSH insuficiente, ou operação a velocidades muito altas.

A cavitação diminui a eficiência, desgasta os metais das pás do rotor, gera vibração mecânica e ruído.

O NPSH do sistema também depende da velocidade do rotor.

9.3.2. Bombas alternativas9.3.2. Bombas alternativas

9.3.2.1. Bombas tipo pistão, com válvulas de retenção9.3.2.1. Bombas tipo pistão, com válvulas de retenção

Quando o pistão se desloca para a esquerda, a pressão no cilindro se reduz, a válvula de retenção na linha de sucção se abre e o líquido entra.

Quando o pistão chega ao final do cilindro, o movimento se inverte e o pistão se desloca para a direita. Aumenta a pressão no cilindro e a válvula de admissão fecha. A pressão aumenta e a válvula de descarga se abre e o líquido sai pressurizado.

Linha de descarga

Válvulas de retenção

Linha de sucção

Pistão

cilindro

Bombas de diafragmaBombas de diafragma

Funcionam como bombas de pistão. O movimento é alternativo e provocado por um elemento flexível de metal, borracha ou plástico. É adequada para fluídos tóxicos e corrosivos pois se elimina o contato do líquido com os selos mecânicos.

Bombas de diafragmaBombas de diafragma

9.3.3. Bombas rotativas9.3.3. Bombas rotativas

Na Figura 9.6 pode-se observar o princípio de funcionamento das bombas rotativas. Dentre as bombas rotativas, a de lóbulos é a mais amplamente usada na indústria de alimentos.

Posição 0º: O fluido escoa através do lóbulo superior. O selo é no lóbulo inferior. Posição 90º: O fluido escoa através do lóbulo inferior. O selo é no lóbulo superior. Movimento reverso

a) b) c)

Exemplos de bombas rotativas

9.4. Bombas sanitárias9.4. Bombas sanitárias

As bombas sanitárias são especificamente projetadas paramanusear alimentos. Conseqüentemente devem preencheruma série de requisitos para serem adequadas:

• Altamente resistentes à corrosão• Facilmente desmontáveis para limpeza• Não provocam a formação de espuma• O sistema de lubrificação não deve contaminar o alimento• O atrito entre as partes internas deve ser mínimo para não

haver incorporação de elementos metálicos no alimento

• O desenho mecânico das superfícies deve apresentar curvas suaves, sem espaços mortos, nos quais o alimento possa acumular-se.

• O sistema de gaxetas ou o selo mecânico deve vedar perfeitamente a carcaça

Bomba de lóbulos sanitária.

Condições ótimas de utilização das bombasCondições ótimas de utilização das bombas

Todas as bombas têm condições ótimas de utilização, ou seja, são mais adequadas para um determinado tipo de fluido, em uma faixa de pressão e a uma dada vazão volumétrica.

As bombas centrífugas são construídas de modo a fornecerem uma ampla faixa de vazões, desde uns poucos l/min até 3.104 l/min. As pressões de descarga podem atingir algumas centenas de atmosferas. Elas trabalham com líquidos límpidos, líquidos com sólidos abrasivos ou ainda, com alto conteúdo de sólidos, desde que o líquido não seja muito viscoso (500 centi-Stokes).

1 Stoke = 100 centistokes = 1 cm2/s = 0.0001 m2/s).

As bombas alternativas de pistão só podem ser utilizadas para deslocamento de fluidos clarificados e limpos, não podendo manusear fluidos abrasivos. São utilizadas para altas pressões, que somente são alcançadas para esses tipos de bombas, porém fornecem baixas vazões.

Por outro lado, as bombas de diafragma e as peristálticas são específicas para líquidos corrosivos, soluções alcalinas, polpas, líquidos biológicos, etc.

As bombas rotativas são especificamente indicadas para fluidos viscosos, porém não abrasivos. Por isso são usadas, especialmente, com sucos concentrados, chocolate e geléias.

Bombas

Características

Centrifuga radial

Centrifuga axial

Rotatória, parafuso, engrenagens

Alternativas

Vazão na descarga

Estacionária Estacionária Estacionária Pulsante

NPSH: altura de sucção máxima permitida

5 m 5 m 6,5 m 6,5 m

Líquidos Claros, limpos Abrasivos, sujos

Viscosos não abrasivos

Limpos e claros

Faixa de pressão

Baixa - alta Baixa Baixa- Média Baixa até máxima

Faixa de vazão Pequena - máxima

Pequena - máxima

Pequena - média

Pequena

4. Turbinas Hidráulicas

•Transforma a energia hidráulica, do escoamento, em energia mecânica que pode ser aproveitada para realizar trabalho.Epressão Evelocidade Emecânica

4.1. Tipos de Turbinas Hidráulicas

•As turbinas hidráulicas são classificadas de acordo com o processo de conversão da energia hidráulica em energia mecânica como:

-TURBINAS DE AÇÃO-TURBINAS DE REAÇÃO

TURBINAS DE AÇÃO

•Transformam energia cinética em energia mecânica à pressão constante, normalmente à pressão atmosférica.•Exemplo de turbinas de ação: Turbinas Pelton

TURBINAS PELTON•Máquinas de ação, ou de impulso, escoamento tangencial. Operam em altas quedas (maiores que 300m) e baixas vazões.•Podem ser de um (01) jato, dois (02) jatos, quatro (04) jatos, (05 jatos) e seis (06) jatos. O controle da vazão é realizado na agulha e injetor.

Turbina Pelton com seis (06) jatos

TURBINAS PELTON•A roda Pelton é constituída por um rotor dotado de pás igualmente espaçadas pela sua periferia. As pás são de formato especial para receberem um jato d’água e defleti-l o de 180°.

Roda Pelton de 60.000 cv, para um desnível de 320m

TURBINAS DE REAÇÃO•A água tem a pressão variando desde a entrada da turbina até a saída, havendo a seguinte conversão de energia:

Ecinética Epressão Emecânica •Podem ser de dois tipos:

-AXIAL: fluxo da água é paralelo ao eixo do rotor.-MISTA: fluxo na entrada do rotor é radial e após interagir com ele sofre um desvio e passa a ser axial na saída.•Exemplo de turbinas de reação: Turbinas Francis, Turbinas Hélice, Bulbo e Kaplan

TURBINAS FRANCIS•Máquinas de reação do tipo misto. •Podem ser utilizadas em desníveis desde 20 m até 600 m e médias vazões;•O controle da vazão é realizado no distribuidor ou sistema de pás móveis.

TURBINAS FRANCIS

Rotores Francis lento normal rápido

TURBINAS HÉLICE, BULBO E KAPLAN

•Operam grandes vazões e baixas quedas.•Turbinas do tipo hélice: máquinas com pás fixas.•Turbinas do tipo Kaplan: pás móveis, posicionadas para o melhor rendimento.•Turbinas do tipo Bulbo: integra a turbina e o gerador em um só invólucro.

TURBINAS HÉLICE, BULBO E KAPLAN

Rotor Kaplan, com as pás em ângulo de 30o.

Rotor Hélice -Axial de simples regulagem (foto à direita), rotor Kaplan -Axial de dupla regulagem

Tipo: Francis Rápida;Local: Rio Paraná - PR - BR;N de Turb.: 18 + 2 de reserva = 20;Potência Unitária Máxima: 740.000 [kW];Altura de Queda Nominal: 118,40 [m];Vazão máxima: 710 [m3/s];Rotação nominal: 91,6 [RPM];Fabricante: MEP - Mecânica Pesada - Taubaté - SP - Brasil

CLASSIFICAÇÃO DAS BOMBAS

QUANTO À TRAJETÓRIA DO FLUIDO DENTRO DO ROTOR

BOMBAS RADIAIS OU CENTRÍFUGAS

⋅ FLUIDO ENTRA NO ROTOR NA DIREÇÃO AXIAL E SAI NA DIREÇÃO RADIAL

⋅ RECALQUE DE PEQUENAS VAZÕES A GRANDES DESNÍVEIS

⋅ FORÇA PREDOMINANTE: CENTRÍFUGA

BOMBAS AXIAIS⋅ FLUIDO ENTRA NO ROTOR NA DIREÇÃO AXIAL E SAI TAMBÉM NA DIREÇÃO AXIAL⋅ RECALQUE DE GRANDES VAZÕES A PEQUENOS DESNÍVEIS⋅ FORÇA PREDOMINANTE: SUSTENTAÇÃO

BOMBAS DIAGONAIS OU DE FLUXO MISTO⋅ FLUIDO ENTRA NO ROTOR NA DIREÇÃO AXIAL E SAI NUMA DIREÇÃO INTERMEDIÁRIA ENTRE A RADIAL E A AXIAL⋅ RECALQUE DE MÉDIAS VAZÕES A MÉDIOS DESNÍVEIS⋅ FORÇA PREDOMINANTE: CENTRÍFUGA E SUSTENTAÇÃO

Classificação das Máquinas de Fluxo, segundo a direção do escoamento

2. QUANTO AO NÚMERO DE ENTRADAS PARA SUCÇÃO

BOMBAS DE SUCÇÃO SIMPLES OU DE ENTRADA UNILATERAL

⋅ ENTRADA DO LÍQUIDO POR UMA ÚNICA BOCA DE SUCÇÃO

BOMBAS DE DUPLA SUCÇÃO OU DE ENTRADA BILATERAL

BOMBAS DE DUPLA SUCÇÃO OU DE ENTRADA BILATERAL.ENTRADA DO LÍQUIDO POR DUAS BOCAS DE SUCÇÃO, PARALELAMENTE AO EIXO DE ROTAÇÃO⋅EQUIVALENTE A DOIS ROTORES SIMPLES MONTADOS EM PARALELO⋅ PROPORCIONA O EQUILÍBRIO DOS EMPUXOS AXIAIS

3. QUANTO AO NÚMERO DE ROTORES DENTRO DA CARCAÇA BOMBAS DE SIMPLES ESTÁGIO OU UNICELULAR⋅ POSSUI UM ÚNICO ROTOR DENTRO DA CARCAÇABOMBAS DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS OU MULTICELULAR⋅ POSSUI DOIS OU MAIS ROTORES DENTRO DA CARCAÇA⋅ASSOCIAÇÃO DE ROTORES EM SÉRIE DENTRO DA CARCAÇA

4. QUANTO AO POSICIONAMENTO DO EIXO BOMBAS DE EIXO HORIZONTAL ⋅ CONCEPÇÃO CONSTRUTIVA MAIS COMUM

BOMBAS DE EIXO VERTICAL⋅ USADA NA EXTRAÇÃO DE ÁGUA DE POÇOS PROFUNDOS