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1 CAP.1 INTRODUÇÃO ÀS MÁQUINAS HIDRÁULICAS Definição -MÁQUINA: É um transformador de energia (absorve energia em uma forma e restitui em outra). -MÁQUINA HIDRÁULICA: É uma máquina através da qual escoa água, e que tem a finalidade de trocar energia hidráulica, do escoamento, em energia mecânica, fornecida ou cedida por outra máquina. O escoamento flui continuamente e opera transformações do tipo: Emecânica  Ecinética  Epressão
2 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.
4 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.
5 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)
6 2. Conceito geral das Máquinas Hidráulicas
7 Sistema hidrodinâmico rotativo de uma bomba hidráulica de fluxo
8 energia de pressão Energia cinética Energia potencial
9 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
10 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
11 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.
12 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.
13 BOMBAS ALTERNATIVAS Nas bombas de êmbolo, o órgão que produz o movimento do fluido éum pistão que, em movimentos alternativos aspira e expulsa o fluido bombeado.
14 BOMBAS ROTATIVAS
15 BOMBAS ROTATIVAS
16 BOMBAS ROTATIVAS
17 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
18 Esquema do sistema hidrodinâmico fixo de uma bomba hidráulica
19 ⋅ 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 ESCOAMENTO 43.2-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.
20 Sistema de vedação por gaxeta
21 As bombas são equipamentos mecânicos que fornecem energia mecânica a um fluido incompressível.
22 Princípio de funcionamento Carcaça
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 funcionamento Carcaça Descarga 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). Voluta Sucção Pás Rotor
28 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.
29 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.
30 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
31 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.
34 Impulsor de uma bomba com sucção dupla
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
35 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.
36 Número de rotores: Um rotor: Simples estágio
39 Bomba auto-escorvante
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. Dois tipos de escorva Bomba auto-escorvante
40 Vantagens das bombas centrífugas:
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 Menores custos de manutenção que outros tipos de bombas Operação silenciosa (depende da rotação)
41 Desvantagens das bombas centrífugas:
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
42 Bomba de turbina regenerativa
Também chamada de bomba cinética ela gera maior pressão que as bombas centrifugas
43 Bombas 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.
44 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.
45 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
46 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.
47 A cavitação é uma situação que pode ocorrer em qualquer tipo de bomba
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.
48 9.3.2.1. Bombas tipo pistão, com válvulas de retenção
Bombas alternativas 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
50 Bombas 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.
51 Bombas de diafragma
52 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. a) b) c) 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
53 Exemplos de bombas rotativas
56 9.4. Bombas sanitárias As bombas sanitárias são especificamente projetadas para manusear alimentos. Conseqüentemente devem preencher uma 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
58 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.
59 Condições 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 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 = m2/s).
60 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.
61 Rotatória, parafuso, engrenagens Alternativas
Bombas Características Centrifuga radial Centrifuga axial Rotatória, parafuso, engrenagens Alternativas Vazão na descarga Estacionária Pulsante NPSH: altura de sucção máxima permitida 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 - média Pequena
62 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:
63 -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.
64 Turbina Pelton com seis (06) jatos
65 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 cv, para um desnível de 320m
67 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
68 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.
70 TURBINAS FRANCIS Rotores Francis lento normal rápido
72 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.
73 Rotor Kaplan, com as pás em ângulo de 30o.
TURBINAS HÉLICE, BULBO E KAPLAN Rotor Kaplan, com as pás em ângulo de 30o.
75 Rotor Hélice -Axial de simples regulagem (foto à direita), rotor Kaplan -Axial de dupla regulagem
77 Tipo: Francis Rápida; Local: Rio Paraná - PR - BR; N de Turb.: de reserva = 20; Potência Unitária Máxima: [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
78 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
80  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
81  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
82 Classificação das Máquinas de Fluxo, segundo a direção do escoamento
83 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
84  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
85 3. QUANTO AO NÚMERO DE ROTORES DENTRO DA CARCAÇA
 BOMBAS DE SIMPLES ESTÁGIO OU UNICELULAR ⋅ POSSUI UM ÚNICO ROTOR DENTRO DA CARCAÇA BOMBAS DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS OU MULTICELULAR ⋅ POSSUI DOIS OU MAIS ROTORES DENTRO DA CARCAÇA ⋅ASSOCIAÇÃO DE ROTORES EM SÉRIE DENTRO DA CARCAÇA
86 4. QUANTO AO POSICIONAMENTO DO EIXO
 BOMBAS DE EIXO HORIZONTAL ⋅ CONCEPÇÃO CONSTRUTIVA MAIS COMUM
87  BOMBAS DE EIXO VERTICAL
⋅ USADA NA EXTRAÇÃO DE ÁGUA DE POÇOS PROFUNDOS
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