DESENVOLVIMENTO DE BANCADA DE TESTES PARA …

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

ENZO DELL’ ANTONIO

DESENVOLVIMENTO DE BANCADA DE TESTES PARA LEVANTAMENTO DE

CURVAS CARACTERÍSTICAS DE BOMBAS DE VÁCUO DE ANEL LÍQUIDO

FLORIANÓPOLIS/SC

2012






Trabalho apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia de Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina como parte dos requisitos para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico.

Orientador: Prof. Vicente de Paulo Nicolau

FLORIANÓPOLIS/SC

2012






Este Trabalho de Graduação foi julgado adequado para a obtenção do título de Engenheiro

Mecânico e aprovado em sua forma final pela Comissão examinadora e pelo Curso de

Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina.

Prof. Lauro César Nicolazzi, Dr. Prof. Dylton do Vale Pereira Filho

Coordenador do Curso Professor da disciplina

Comissão Examinadora:

Prof. Vicente de Paulo Nicolau, Dr. - Orientador

Edevaldo Brandílio Reinaldo, Engº.

Prof. Dylton do Vale Pereira Filho, M. Eng.

Agradecimentos

Ao orientador desse trabalho, Vicente de Paulo Nicolau, pela paciência, compreensão e

oportunidades de aprendizado trazidas com suas propostas de trabalho.

A equipe do Laboratório de Ciências Térmicas: Edevaldo Brandílio Reinaldo, Daniel

Tancredi, Emanuel Ribeiro, Fábio do Monte Sena, Valdir Manzano, Hugo Kiyodi Oshiro,

Gilmar Ribeiro e Fernando López.

Aos meus amigos de graduação, em especial: Estevam Miscow Machado, Ricardo Hatanaka,

Pablo Pelizza, Pedro Rist, Rodrigo Blödorn, Luiz Guilherme Schweitzer, Felipe dos Santos

Sell e Jhonatan Vinicius Erhart.

A Claudia Hoffmann, pelo seu amor, carinho, apoio e incentivo.

Resumo

A grande utilização das bombas de vácuo de anel líquido como equipamento para a

geração de vácuo na indústria, a fabricação e comercialização desses dispositivos por

empresas nacionais sem a apresentação das especificações relativas às suas capacidades e a

escassez de estudos nacionais relativos ao assunto propiciaram a confecção deste trabalho.

Neste contexto, o presente trabalho apresenta uma revisão dos conceitos físicos básicos sobre

a tecnologia do vácuo e as bombas de vácuo de anel líquido (Bannwarth, 2005), expõe a

montagem de uma bancada para a realização dos testes necessários e exibe os resultados

obtidos, para três bombas distintas, através dos testes efetuados. A bancada desenvolvida teve

a incorporação de vários instrumentos de medição. Tais instrumentos foram utilizados para

medir vazão de ar, pressões diversas, vazão de água, temperaturas e potência elétrica. Uma

planilha eletrônica de cálculo foi montada contendo os diversos procedimentos para se

alcançar os valores desejados bem como para se traçar os gráficos necessários. As vazões de

ar foram medidas à pressão atmosférica e suas equivalentes também foram calculadas para as

pressões de vácuo obtidas ao longo de cada ensaio, sendo estas denominadas de vazão de ar

expandido. Os ensaios foram realizados de forma a se aferir o desempenho das bombas para

condições normais de operação e avaliar a influência sobre o desempenho de parâmetros,

como a altura do reservatório de água e a vazão de água consumida. Os resultados obtidos

para as condições normais de utilização apontaram um comportamento similar entre as

bombas, com uma pressão de sucção máxima de 99.191 Pa (pressão de sucção absoluta de

2.919 Pa), caracterizando assim um regime de vácuo primário e evidenciaram diferenças em

relação às vazões de ar succionadas em função da pressão de sucção, com a vazão de ar

expandido apresentando um valor máximo de 174,4 m3.h

-1. Ao ser avaliada a influência da

altura do reservatório de água sobre o desempenho os resultados apresentados demonstram

que o reservatório ao ser posicionado a uma altura de 2,0 m gerou melhores resultados na

vazão de ar sem afetar criticamente os outros parâmetros estudados. Os resultados da

influência da vazão de água sobre a pressão de sucção das BVAL apontaram que,

independentemente da situação do teste, a ocorrência de uma redução na vazão de água

sempre causa uma redução no nível de vácuo gerado. Também se verificou para estes ensaios

a possibilidade do acontecimento de cavitação nas tubulações.

Abstract

The great use of liquid ring vacuum pumps as an equipment for generating vacuum in the

industry, the manufacturing and the marketing of these devices by national companies without

submitting the specifications of their capabilities and the lack of national studies on this

subject led to the writing of this work. In this context, this paper presents a review of the basic

physical concepts about the technology of vacuum and liquid ring vacuum pumps

(Bannwarth, 2005), exposes the assembly of a workbench to perform the necessary tests and

displays the results obtained, for three different pumps, through the tests that were performed.

The developed workbench had the incorporation of several measuring instruments. These

instruments were used to measure air flow, several pressures, water flow, temperature and

electrical power. An electronic spreadsheet was assembled containing the various procedures

to achieve the desired values and to draw the necessary charts. The air flow rates were

measured at atmospheric pressure and their equivalents were also calculated for the vacuum

pressures obtained during each test, and these were designate expanded air flow. Assays were

conducted in order to assess the performance of the pumps for normal operating conditions

and evaluating the influence on parameters performance, such as the height of the water

reservoir and the water flow consumed. The results obtained for normal use showed a similar

behaviour between the pumps, with a maximum suction pressure of 99,191 Pa (absolute

suction pressure of 2,919 Pa), thus characterizing a coarse vacuum system and showed

differences in relation to the sucked air flows as a function of the suction pressure, with the

expanded air flow having a maximum value of 174.4 m3.h

-1. When evaluating the height

influence of the water reservoir on the performance, the obtained results demonstrate that by

positioning the reservoir at a height of 2.0 m better results are generated in air flow without

affecting the others studied parameters critically. The results of the water flow´s influence on

the suction pressure of the LRVP indicated that, regardless of the status of the test, the

occurrence of a reduction in water flow always causes a decrease in the generated vacuum

level. It was also found for these trials the cavitation occurrence possibility in the piping

system.

Lista de Símbolos

BVAL : Bomba de vácuo de anel líquido

DIN : Instituto Alemão de Normalização

M : Número de Mach

et al. : e outros

Re : Número de Reynolds

c : Velocidade local do som no meio

v : Velocidade do escoamento

Kn : Número de Knudsen

λ : Caminho livre molecular

D : Diâmetro da tubulação

Kb : Constante de Boltzmann

T : Temperatura do gás

σ : Diâmetro da partícula

P, Pest : Pressão total, Pressão estática

CNTP : Condições Normais de Temperatura e Pressão

ρ : Massa específica do fluido

µ : Viscosidade dinâmica do fluido

HEI : Instituto de Transferência de Calor

SI : Sistema Internacional de Unidades

ASME : American Society of Mechanical Engineers

PVC : Policloreto de polivinila

I : Inclinação do manômetro de álcool

ρar : Massa específica do ar atmosférico

Qcorrigida : Vazão de ar corrigida

Qexp : Vazão de ar expandido

Patm : Pressão atmosférica local

Pabs : Pressão de sucção absoluta

Lista de Tabelas Tabela 2.1 – Divisão das faixas de vácuo de acordo com a norma DIN 28400. ..................................... 5

Tabela 2.2 – Classificação do tipo de escoamento no vácuo pelo número de Knudsen. ........................ 9

Tabela 2.3 – Faixas de operação e medição de vácuo. .......................................................................... 16

Tabela 3.1 – Condições atmosféricas na realização dos ensaios. .......................................................... 26

Lista de Ilustrações Figura 1.1 – Vista explodida de uma bomba de vácuo de anel líquido com duplo estágio de compressão. ............................................................................................................................................. 1

Figura 1.2 – Estágios de compressão de uma BVAL. ............................................................................. 2

Figura 2.1 – Relação entre pressão manométrica e absoluta (Fonte: Heat Exchange Institute-HEI). ... 11

Figura 2.2 – Faixas de medição para dispositivos medidores de vácuo conforme a norma DIN 28400 - Parte 2 (Outubro 1980). ......................................................................................................................... 13

Figura 2.3 – Curva da pressão de vapor da água em diferentes faixas de vácuo (Bannwarth, 2005, p. 10). ........................................................................................................................................................ 15

Figura 3.1 – Bancada de teste para bombas de vácuo, com o bocal e tanque de ar no primeiro plano. Micromanômetro e medidor de vazão de água à esquerda, manômetro de mercúrio à direita e termômetros no plano de fundo. ............................................................................................................ 18

Figura 3.2 – Bocal construído conforme a modelo ASME (1971)........................................................ 19

Figura 3.3 – Bancada esquemática para ensaio das BVAL. .................................................................. 20

Figura 3.4 – Reservatório de água para testes ao nível do solo. ............................................................ 21

Figura 3.5 – Reservatório de água para testes com variação de altura. ................................................. 21

Figura 3.6 – Medidor de vazão ultrassônico Eesiflo 6000. ................................................................... 22

Figura 3.7 – Termômetro OMEGA, HH21 e HH82A. .......................................................................... 23

Figura 3.8 – Esquema do posicionamento do termopar para medição das temperaturas de saída da água após sua passagem pela bomba e de entrada na mesma. ....................................................................... 23

Figura 3.9 – Manômetro de mercúrio para medição do nível de vácuo gerado pelas BVAL. .............. 24

Figura 3.10 – Reservatório de ar para amortecimento das vibrações nas colunas de mercúrio. ........... 24

Figura 3.11 – Micromanômetro de álcool e bocal com tomadas de pressão nas paredes do reservatório de admissão de ar. ................................................................................................................................. 25

Figura 3.12 – Medidor Yokogawa CW120 com detalhe na sua conexão com o motor elétrico. .......... 26

Figura 4.1 – Bomba de vácuo de anel líquido denominada Bomba 1. .................................................. 30

Figura 4.2 – Vazões de ar atmosférico e de ar expandido versus pressão de sucção para a Bomba 1. . 30

Figura 4.3 – Vazão de água em função da pressão de sucção para a Bomba 1. .................................... 31

Figura 4.4 – Potência consumida pelo motor elétrico em função da pressão de sucção para a Bomba 1. ............................................................................................................................................................... 32


Figura 4.6 – Vazões de ar atmosférico e de ar expandido versus pressão de sucção para a Bomba 2. . 33

Figura 4.7 – Vazão de água em função da pressão da pressão de sucção para a Bomba 2. ................. 34

Figura 4.8 – Potência consumida pelo motor elétrico em função da pressão de sucção para a Bomba 2. ............................................................................................................................................................... 35


Figura 4.10 – Vazões de ar atmosférico e de ar expandido versus pressão de sucção para a Bomba 3. 36

Figura 4.11 – Vazão de água em função da pressão de sucção para a Bomba 3. .................................. 37

Figura 4.12 – Potência consumida pelo motor elétrico em função da pressão de sucção para a Bomba 3. ............................................................................................................................................................ 37

Figura 5.1 – Reservatório de água posicionado a uma altura de 4,1 metros. ........................................ 38

Figura 5.2 – Vazão de ar atmosférico na Bomba 2 para o reservatório de água em diferentes alturas. 40

Figura 5.3 – Vazão de água na Bomba 2 para o reservatório de água em diferentes alturas. ............... 40

Figura 5.4 – Potência no motor da Bomba 2 para o reservatório de água em diferentes alturas. ......... 41

Figura 5.5 – Vazão de ar atmosférico na Bomba 3 para o reservatório de água em diferentes alturas. 42

Figura 5.6 – Vazão de água na Bomba 3 para o reservatório de água em diferentes alturas. ............... 42

Figura 5.7 – Potência no motor da Bomba 3 para o reservatório de água em diferentes alturas. ......... 43

Figura 5.8 – Influência da vazão de água de alimentação na pressão de sucção da Bomba 1. ............. 44

Figura 5.9 – Influência da vazão de água de alimentação na pressão de sucção da Bomba 2 com o reservatório de água posicionado 0,7 m de altura. ................................................................................ 45

Figura 5.10 – Influência da vazão de água de alimentação na pressão de sucção da Bomba 2 com o reservatório de água posicionado 1,1 m de altura. ............................................................................... 46




Sumário

1. Introdução ....................................................................................................................................... 1

1.1. Considerações Iniciais ............................................................................................................. 1

1.2. Objetivos ................................................................................................................................. 3

1.3. Estrutura do Trabalho ............................................................................................................. 3

2. Fundamentação Teórica .................................................................................................................. 5

2.1. Vácuo ....................................................................................................................................... 5

2.2. Tipos de escoamentos e parâmetros adimensionais .............................................................. 6

2.2.1. Número de Mach ............................................................................................................ 7

2.2.2. Número de Knudsen ........................................................................................................ 8

2.2.3. Número de Reynolds ....................................................................................................... 9

2.3. As relações entre as pressões e suas unidades ..................................................................... 10

2.4. Medidores de pressão ........................................................................................................... 11

2.5. Pressão de vapor ................................................................................................................... 13

2.5.1. Pressão de vapor da água no vácuo .............................................................................. 14

2.5.2. Cavitação ....................................................................................................................... 16

3. Desenvolvimento da bancada de testes e dos ensaios realizados................................................ 18

3.1. Montagem da bancada de testes .......................................................................................... 18

3.2. Aquisição e tratamento dos dados ....................................................................................... 26

4. Resultados ..................................................................................................................................... 29

4.1. Resultados da Bomba 1 ......................................................................................................... 29

4.2. Resultado da Bomba 2 .......................................................................................................... 32

4.3. Resultado da Bomba 3 .......................................................................................................... 35

5. Influência da altura do reservatório e da vazão de água .............................................................. 38

5.1. Influência da altura do reservatório sobre a Bomba 1.......................................................... 39



5.4. Influência da vazão de água sobre a Bomba 1 ...................................................................... 44



6. Conclusão ...................................................................................................................................... 49

Referências ............................................................................................................................................ 51

1

1. Introdução

1.1. Considerações Iniciais

O presente trabalho versa sobre o desenvolvimento de uma bancada para o

levantamento de curvas características de bombas de vácuo de anel líquido (BVAL), aborda

também os ensaios realizados, a metodologia empregada e os resultados obtidos. Procurou-se,

por meio das curvas características obtidas nos diversos ensaios, realizar um uso mais

eficiente das bombas de vácuo estudadas em suas devidas aplicações.

Existe atualmente uma grande variedade de bombas usando diferentes princípios de

projeto para produzir vácuo. Porém, segundo Veizades (2004, p. 126), bombas de vácuo de

anel líquido são os dispositivos mais utilizados para geração de vácuo na indústria. As

bombas de vácuo são amplamente utilizadas na indústria petroquímica, de alimentos,

farmacêutica, em setores manufatureiros e na saúde. Alguns processos típicos onde seu uso

ocorre seria em secadores, colunas de destilação, resfriadores por evaporação,

degaseificadores, reatores químicos, processos de liofilização, sucção médica, laboratórios de

análise e extrusoras.

As bombas de vácuo ensaiadas neste trabalho (BVAL) podem ser classificadas como

bombas rotativas de deslocamento positivo, sendo aplicadas em extrusoras de cerâmicas. O

princípio de funcionamento de uma bomba de anel líquido é semelhante à de uma bomba de

palhetas rotativas, sendo que, na primeira as palhetas ou mais apropriadamente as pás são

fixadas no rotor e não se deslocam radialmente, como ocorre na segunda.

Figura 1.1 – Vista explodida de uma bomba de vácuo de anel líquido com duplo estágio de compressão.

Para os modelos de bomba estudados, a sucção dos gases é realizada por um anel de

líquido formado como resultado da excentricidade relativa entre o invólucro da bomba e o

rotor de palhetas rotativas (Figura 1.2). Como resultado dessa excentricidade tem-se, para

2

cada revolução do motor, o quase completo enchimento de cada câmara entre as pás do rotor

seguido de seu parcial esvaziamento. Assim, esse ato de enchimento seguido de esvaziamento

de cada câmara do rotor cria uma ação de êmbolo no interior de cada câmara formada entre as

pás do rotor, a qual é responsável pela sucção desejada dos gases.

Figura 1.2 – Estágios de compressão de uma BVAL.

Na BVAL os seus componentes estão posicionados de modo a admitir gás quando a

câmara do rotor está sendo esvaziada do líquido, e em seguida, para permitir que o gás seja

descarregado, assim que a compressão estiver concluída. As áreas de vedação entre as portas

de entrada e de descarga são projetadas para fechar as áreas do rotor e para separar os fluxos

de entrada e descarga. O líquido mais comumente usado para este trabalho é a água, a qual é

sugada através da bomba e depois ejetada juntamente com os gases que são retirados do

reservatório no qual se deseja obter vácuo.

As referidas bombas apresentam um atrito muito baixo entre as suas partes móveis e

são acionadas por um motor elétrico de indução. Nas três bombas ensaiadas no trabalho, duas

3

eram impulsionadas por um motor elétrico com potência de 5,52 kW e uma com motor

elétrico com potência de 7,35 kW.

As bombas ensaiadas também podem ser empregadas em outras aplicações industriais.

Deste modo, buscou-se uma melhor especificação de suas capacidades facilitando a seleção e

o entendimento do seu funcionamento por parte dos usuários.

Para a correta realização do ensaio, foi necessário o controle simultâneo de vários

parâmetros. Tal controle foi feito com a utilização, na bancada de testes, de diversos

instrumentos de medição. Os parâmetros medidos foram os seguintes: as temperaturas de

entrada e saída da água na bomba, a vazão de água consumida, a potência elétrica consumida,

a pressão no bocal de sucção de ar e a pressão de vácuo gerada.

As vazões de ar foram medidas em condições de pressão atmosférica e também foram

calculadas para as pressões de vácuo obtidas ao longo de cada ensaio, sendo estas

denominadas de vazão de ar expandido.

Por fim, uma planilha de cálculo foi montada, contendo os diversos procedimentos

para se chegar aos resultados desejados, bem como traçar os gráficos necessários.

1.2. Objetivos

O objetivo deste trabalho é realizar o desenvolvimento de uma bancada de ensaio para

o levantamento de curvas características de bombas de vácuo de anel líquido, bem como

realizar uma série de ensaios para três bombas de tamanhos e geometrias diferentes, avaliando

assim, os seus desempenhos para diferentes situações.

1.3. Estrutura do Trabalho

O presente trabalho está dividido basicamente em duas partes distintas. Na primeira

delas, busca-se o desenvolvimento de uma bancada de testes para a realização dos ensaios das

bombas de vácuo de anel líquido. A segunda parte corresponde à avaliação dos resultados

obtidos e a comparação entre os três modelos de bombas estudados.

A respeito da organização do trabalho tem-se:

• Capítulo 1: nele é realizada uma breve explanação sobre as bombas estudadas e seu

princípio de funcionamento, a metodologia aplicada ao desenvolvimento da bancada e dos

ensaios e os objetivos do trabalho.

• Capítulo 2: expõe os princípios físicos do vácuo, realizando especial abordagem em

relação aos seus fatores classificatórios e a alguns parâmetros adimensionais utilizados. Nesse

4

capítulo são também colocados e explanados alguns conceitos relacionados à pressão e

pressão de vapor.

• Capítulo 3: capítulo destinado ao desenvolvimento da bancada de teste e da

metodologia empregada nos ensaios; nele é apresentada a estruturação da bancada, os

equipamentos utilizados e o tratamento dos dados.

• Capítulo 4: capítulo dedicado à apresentação e análise dos resultados obtidos dos

ensaios ao se avaliar o seu funcionamento em condições normais. Foi realizada uma

comparação dos resultados entre as bombas para se avaliar a influência das suas

características construtivas.

• Capítulo 5: nesta parte são descritos os resultados alcançados ao ser avaliar os

desempenhos obtidos pela BVAL ao operarem fora das suas condições normais de

funcionamento. Avaliou-se separadamente a influência da altura do reservatório e da vazão de

água sobre cada bomba e foram comparados os resultados obtidos entre as bombas.

• Capítulo 6: nesse último capítulo são expostas as conclusões do trabalho, buscando

salientar as contribuições do mesmo em relação ao assunto abordado. Também são propostas

sugestões para trabalhos posteriores.

5

2. Fundamentação Teórica

2.1. Vácuo

Uma definição comumente utilizada é a de que o vácuo pode ser definido como a total

ausência de matéria de um determinado volume, ou seja, o seu completo esvaziamento.

Porém, formalmente o termo vácuo é definido pela norma número 28400 (Parte 1, Julho

1979) do Instituto Alemão de Normalização (Deutsches Institut für Normung - DIN)

conforme: “Vácuo é o estado de um gás, no qual a densidade de suas partículas é menor do

que a da atmosfera na superfície da terra. Como dentro de certos limites, a densidade das

partículas depende do lugar e tempo, um limite superior de vácuo não pode ser determinado”.

Conforme Bannwarth (2005, p. 1) na prática, o estado de um gás pode ser definido

principalmente como vácuo em casos nos quais, a pressão do gás é menor que a pressão

atmosférica (menor que a pressão do ar no respectivo local).

A obtenção de vácuo perfeito é impossível, contudo, é possível se obter certo nível de

vácuo, sendo este nível definido como uma pressão em um determinado sistema abaixo da

pressão barométrica. Contudo, para conveniência, ao se trabalhar com vácuo, utiliza-se o

termo pressão absoluta na engenharia do vácuo. Outro termo conveniente de se trabalhar é a

pressão manométrica.

Desta forma, também com o intuito de se facilitar o trabalho com o vácuo, o mesmo

pode ser classificado em faixas. Essas faixas são definidas de acordo com a densidade das

partículas do gás, ou pela pressão do gás contido em um recipiente (Bannwarth, 2005:9). Os

limites inferiores aproximados dessas faixas estão listados na Tabela 2.1, como valores de

pressão absoluta para diferentes unidades.

Tabela 2.1 – Divisão das faixas de vácuo de acordo com a norma DIN 28400 - Parte 1 (Julho 1979).

Unidade Vácuo Primário Vácuo Médio Alto Vácuo Ultra Alto Vácuo

Pascal [Pa] 1x1015 à 1x102 1x102 à 1x10-1 1x10-1 à 1x10-5 < 1x10-5

Milibar [mbar] 1x103 à 1 1 à 1x10-3 1x10-3 à 1x10-7 < 1x10-7

6

2.2. Tipos de escoamentos e parâmetros adimensionais

No campo do vácuo, o tipo de escoamento que o gás sofre desempenha um importante

papel e depende do respectivo tipo de vácuo existente (Bannwarth, 2005 p. 8). De tal modo, o

conhecimento exato do regime de escoamento vivente é de fundamental importância para o

projeto de plantas de vácuo e para a determinação da tubulação a ser utilizada em sua

construção. Portanto, em decorrência dessa necessidade de se saber o regime de escoamento

existente e para facilitar o seu estudo são utilizadas diversas classificações para o mesmo.

Desta forma, o escoamento de gases pode ser classificado em diversas maneiras, sendo

que, em uma dessas se utiliza a velocidade do mesmo para classificá-lo. Nessa classificação o

escoamento é subdividido em escoamentos de velocidades muito baixas, escoamentos com

velocidades próximas a do som e escoamentos com velocidades supersônicas (Bannwarth,

2005 p. 23). Porém, para se realizar essa divisão em relação às velocidades dos escoamentos

se faz necessário o uso de um fator adimensional chamado de número de Mach (M) que será

descrito no trabalho.

É importante lembrar ainda algumas classificações que são usadas no trato com

fluidos, tais como, entre escoamentos laminar e turbulento, compressível e incompressível,

interno e externo.

A primeira classificação citada leva em consideração a diferença entre os regimes

laminares e turbulentos de escoamento. Desta forma, conforme Fox et al. (2006, p. 34) um

escoamento é classificado como laminar quando as suas partículas fluidas deslocam-se em

camadas lisas, ou lâminas, seguindo um único sentido. Por outro lado, quando as partículas

fluidas rapidamente se misturam, no decorrer do movimento ao longo do escoamento, devido

às flutuações aleatórias no campo tridimensional de velocidades, é então classificado como

turbulento.

Como essa visualização da movimentação das partículas do fluido é inviável de ser

realizada, utiliza-se um parâmetro adimensional chamado número de Reynolds (Re) para se

diferenciar escoamento laminares de turbulentos. O número de Reynolds será mais bem

detalhado no decorrer do trabalho.

A classificação entre escoamento interno e externo é efetuada da seguinte forma

segundo Fox et al. (2006, p. 36): Os escoamentos internos, ou em dutos são escoamentos

completamente envoltos por superfícies sólidas, já os escoamentos externos são aqueles que

ocorrem sobre corpos imersos num fluido não confinado. De forma geral, tanto o escoamentos

7

internos como o externos podem ser laminares ou turbulentos, compressíveis ou

incompressíveis.

Outro fator relevante ao se estudar os escoamentos segundo Bannwarth (2005, p. 23),

é que em qualquer escoamento, independentemente do tipo de fluido, existem forças ativas

que aceleram ou retardam o mesmo. Entre essas forças existe uma distinção entre as forças de

pressão e de atrito, sendo que as forças gravitacionais geralmente podem ser desconsideradas

em escoamentos de gases pelo fato de as mesmas não apresentarem variações consideráveis.

Há também os escoamentos, nos quais as forças de atrito são pequenas ou realmente não

existem, os quais são chamados de escoamentos invíscidos e são apenas uma idealização

teórica.

2.2.1. Número de Mach

O número de Mach é um fator adimensional que relaciona a velocidade local do som

no meio (c) com a velocidade do escoamento (v) através da Equação (2.1). O valor desse

grupo adimensional indica se o escoamento se processa em velocidades tão elevadas que os

efeitos da compressibilidade do fluido devem ser levados em conta.

v

Mc

= (2.1)

Uma importante ressalva a ser realizada é que, no caso de escoamentos de baixa

velocidade, a temperatura do gás pode ser considerada constante se esta não for afetada por

influências externas. Em contrapartida, para os escoamentos com velocidades próximas e

acima da velocidade do som, as leis da dinâmica dos gases são aplicáveis (Bannwarth 2005, p.

23).

Ao se classificar o tipo de escoamento que um fluido sofre em relação a sua

compressibilidade, os escoamentos são divididos entre incompressíveis, nos quais se

desconsideram as variações na massa específica do fluido, e compressíveis, que são aqueles

em que as variações de massa específica não são desprezíveis. Um cuidado importante que

deve ser feito ao se avaliar a compressibilidade de um fluido é a observação de dois fatores

que determinam a sua condição de estado. Esses fatores, os quais devem ser levados em

consideração, são a pressão e a temperatura do fluido (Fox et al., 2006 p. 35).

Para o escoamento de gases, de acordo com Fox et al. (2006, p. 36) estes podem ser

tratados como incompressíveis se apresentarem um valor de número de Mach menor que 0,3,

devido ao fato que para M < 0,3 a variação máxima da massa especifica de um gás é inferior a

8

5% (cinco por cento). Por exemplo, um valor de M = 0,3 para o ar nas condições padrão de

temperatura e pressão, corresponde a uma velocidade de aproximadamente 100 m.s-1 para o

escoamento. Assim, quando um carro se desloca na velocidade máxima permitida em uma

rodovia (110 km/h), o ar escoando em torno dele apresenta pequena variação na sua massa

especifica, embora isto possa parecer um pouco contraditório a nossa intuição.

Ao se tratar dos líquidos, sob pressões moderadas, estes podem ser considerados

incompressíveis. Entretanto, os efeitos de compressibilidade nos líquidos podem ser

importantes para pressões elevadas. Outra ressalva é que, para a maioria dos líquidos a sua

massa específica é pouco influenciada pela temperatura (Fox et al., 2006 p. 35). Uma

consequência particularmente importante nos escoamentos dos líquidos, devido aos efeitos da

compressibilidade, é a cavitação, a qual será tratada posteriormente.

Os escoamentos compressíveis apresentam uma subclassificação, esta é feita entre

escoamentos subsônicos e supersônicos. Os escoamentos subsônicos são aqueles em que a sua

velocidade é menor que a do som (M < 1) e nos supersônicos maior que a do som (M > 1).

Contudo, pelas condições da realização deste trabalho não se faz necessário um maior

aprofundamento nesse estudo.

2.2.2. Número de Knudsen

No campo do vácuo, como visto anteriormente, o tipo de escoamento existente

depende do respectivo regime de vácuo prevalecente. Sendo assim, de acordo com a lei de

Hagen-Poiseuille, escoamento laminar existe em vácuo primário. Por outro lado, na faixa de

alto vácuo, o atrito interno já não é mais decisivo, gerando então condições para que as

colisões entre as moléculas do gás e a parede do tubo ocorram mais frequentemente do que as

colisões entre as próprias moléculas. Esse tipo de escoamento é chamado de escoamento

molecular de Knudsen, no qual a velocidade média molecular e o caminho médio das

partículas das moléculas do gás determinam o tipo de processo de fluxo (Bannwarth, 2005 p.

8).

Ainda, de acordo com Bannwarth (2005, p. 8), entre os regimes de vácuo primário e

alto vácuo existe um intervalo, e essa faixa entre os dois regimes de vácuo é chamada de

vácuo médio. A faixa de vácuo médio é, para o campo do vácuo, uma zona de transição entre

os escoamentos de Hagen-Poisseuille e Knudsen. A faixa de vácuo acima do alto vácuo é

chamada de ultra alto vácuo.

Desta forma, para classificar esses diferentes tipos de escoamentos que se encontram

no campo do vácuo se utiliza um parâmetro adimensional que é o número de Knudsen (Kn).

9

Ele é definido como a razão entre o comprimento do caminho livre médio molecular (λ) em

metros e uma escala de comprimento fisicamente representativa (D) também em metros, no

caso do trabalho, o diâmetro da tubulação utilizada.

nK

D

λ= (2.2)

O caminho livre médio molecular é definido como a distância, ou espaço, entre duas

colisões sucessivas das moléculas de um gás. Lembrando que, num gás, suas moléculas estão

em constante movimento, chocando-se frequentemente umas com as outras. Para um gás

ideal, o caminho livre médio pode ser prontamente calculado pela seguinte equação:

22b

k T

Pλ

πσ= (2.3)

onde:

Kb = constante de Boltzmann = 1,380658x10-23 J.K-1

T = temperatura do gás em K

σ = diâmetro da partícula em metros m

P = pressão total em Pa

Para a dinâmica das partículas na atmosfera, e assumindo as Condições Normais de

Temperatura e Pressão (CNTP), isto é: 25 °C, 1 atm, nós temos λ = 8×10−8 m. Assim, pelo

número de Knudsen, os diferentes tipos de escoamento podem ser subdivididos de acordo

com a Tabela 2.2.

Tabela 2.2 – Classificação do tipo de escoamento no vácuo pelo número de Knudsen (Bannwarth, 2005, p. 8).

Escoamento de Hagen-Poiseuille Zona de Transição

Escoamento Molecular de Knudsen

Kn < 0,5 0,5 < Kn < 3,0 Kn > 3,0

Portanto, independente do tipo de escoamento ocorrendo nas tubulações, a razão entre

o caminho livre médio e o diâmetro é decisiva, tendo em vista que, a razão aumenta com a

diminuição da pressão.

2.2.3. Número de Reynolds

O número de Reynolds (Re) é um número adimensional usado na mecânica dos fluidos

como parâmetro no estudo dos escoamentos. Seu uso é para o cálculo do regime de

escoamento de um determinado fluido sobre uma superfície. O seu significado físico é uma

10

razão entre as forças de inércia e as forças viscosas de um determinado fluido sobre certas

condições de temperatura e pressão. Ele é definido conforme a equação abaixo:

vD

Reρ

µ= (2.3)

onde:

ρ = massa específica do fluido em kg.m-3

µ = viscosidade dinâmica do fluido em N.s.m-2

ν = velocidade do escoamento em m.s-1

D = diâmetro da tubulação em m

A importância fundamental do número de Reynolds é a possibilidade de se avaliar a

estabilidade do escoamento, podendo assim se obter uma indicação se o escoamento flui de

forma laminar ou turbulenta. Escoamentos nos quais o número de Reynolds apresenta valores

grandes (Re>4000) são em geral turbulentos. São considerados escoamentos laminares

aqueles em que o número de Reynolds é pequeno (Re ≤ 2300). Quando o número de Reynolds

se situa entre esses dois valores é dito então que o escoamento está em transição.

2.3. As relações entre as pressões e suas unidades

A Figura 2.1 demonstra graficamente as relações entre as pressões manométrica e

absoluta. Como dito anteriormente, vácuo perfeito não pode existir na superfície da terra, mas,

no entanto, isto cria um conveniente ponto de referência para a medição da pressão (Fox et

al., 2006 p. 50)

11

Figura 2.1 – Relação entre pressão manométrica e absoluta (Heat Exchange Institute-HEI).

Observando a figura, pode-se notar que a pressão barométrica é o nível da pressão

atmosférica acima do vácuo perfeito. Outras observações que podem ser realizadas é que, a

pressão manométrica é medida acima da pressão barométrica, enquanto a pressão absoluta

sempre se refere ao vácuo perfeito como ponto de referência. A pressão absoluta é

comumente utilizada ao se tratar das condições do vácuo, e a mesma é geralmente expressa

em polegadas de mercúrio [in Hg], milímetros de mercúrio [mm Hg] ou microns de mercúrio

[µm Hg].

No sistema internacional de unidades (SI), a unidade para pressões é o Pascal [Pa] ou

Newton por metro quadrado [N.m-2], e neste trabalho estas serão as unidades utilizadas.

Porém, na tecnologia do vácuo, outra unidade que é utilizada na prática e é aproximadamente

equivalente a 1 mm de Hg é o Torr (Torricelli).

A pressão atmosférica padrão por definição se refere à pressão exata de

101.325 Pa, ou a pressão correspondente a 0,760 metros de mercúrio (760 mm de Hg) de

densidade igual a 13,5951 g.cm-3 e numa aceleração da gravidade de 9,80665 m.s

-2.

2.4. Medidores de pressão

12

Segundo o Instituto de Transferência de Calor, dependendo da sua aplicação, é

possível medir vácuo por uma variedade de instrumentos. Uma lista representativa é mostrada

abaixo:

• Manômetro de mercúrio: Utiliza mercúrio dentro de um tubo de vidro com formato em

U. Uma abertura em um lado do manômetro irá medir a pressão em relação à pressão

barométrica local. Por outro lado, se um lado do manômetro estiver fechado, medir-se-á então

a pressão absoluta.

• Manômetro de Bourdon: Mede vácuo (em relação à pressão barométrica local) por

meio de um sensor de tubo flexível.

• Manômetro de diafragma: Utiliza um diafragma que se flexiona quando sob pressão.

• Manômetro eletrônico: Converte pressão em um sinal elétrico que pode ser

transmitido, gravado ou mostrado.

A leitura dos erros depende do tipo de manômetro utilizado e a ordem crescente de

precisão é: medidores mecânicos (os quais utilizam a ação das forças de pressão para a

exibição de pressão), manômetros e medidores eletrônicos. Na Figura 2.2 estão demonstradas,

através de um diagrama, as faixas de medições de diversos dispositivos para medição de

vácuo.

Como será observado no decorrer do trabalho, as bombas de vácuo de anel líquido

trabalham na faixa de vácuo primário, e desta forma, a faixa de medição de pressão necessária

para o estudo das bombas está dentro das capacidades de medição do manômetro de mercúrio.

13

Figura 2.2 – Faixas de medição para dispositivos medidores de vácuo conforme a norma DIN 28400 - Parte 2 (Outubro 1980).

2.5. Pressão de vapor

A pressão de vapor é a pressão exercida pelo vapor de um determinado líquido quando

a quantidade deste que evapora é a mesma que se condensa, ou seja, o vapor exerce pressão

sobre o líquido que o gerou de forma a se encontrarem em equilíbrio dinâmico. De uma

maneira geral, a pressão de vapor é uma medida da tendência de líquido para evaporar.

Assim, quanto maior for à pressão de vapor para um determinado líquido maior será a sua

volatilidade e menor será a sua temperatura de ebulição, isto em comparação com outros

líquidos com menores pressões de vapor para uma mesma temperatura de referência.

14

A temperatura de um líquido está profundamente ligada à pressão de vapor do mesmo,

sendo que a temperatura é a maior responsável por alterar essa propriedade física (Çengel e

Boles, 2006, p. 94). Assim, para qualquer que seja a temperatura, a tendência é para o líquido

se vaporizar até que atinja o equilíbrio termodinâmico com o vapor. Esse equilíbrio, em

termos cinéticos, ocorre quando a taxa de líquido vaporizado é igual à taxa de vapor

condensado.

Para uma substância líquida a sua ebulição acontece quando a sua pressão de vapor e a

pressão do sistema ao qual faz parte se igualam. Essa condição de igualdade recebe o nome de

ponto de ebulição e ele é definido como a temperatura de ebulição do líquido à pressão de

uma atmosfera. Considerando um sistema aberto, a temperatura de ebulição de uma

substância líquida diminui em locais com maior altitude, onde a pressão atmosférica é menor,

isto ocorre devido ao fato de que a pressão de vapor do líquido precisa se igualar a um valor

menor de pressão atmosférica.

2.5.1. Pressão de vapor da água no vácuo

Sendo a água considerada o material fundamental com que os engenheiros de processo

e técnicos têm que lidar todos os dias, torna-se assim, para a engenharia do vácuo sob um

processo com transferência de massa térmica em vigor, mais clara e prática a divisão das

faixas de operação de vácuo conforme os pontos termométricos fixos da água (Bannwarth,

2005, p. 9). Essa divisão das faixas de operação pode ser observada na Figura 2.3.

15

Figura 2.3 – Curva da pressão de vapor da água em diferentes faixas de vácuo (Bannwarth, 2005, p. 10).

Conforme essa divisão, o intervalo de ebulição da água pura para valores de

temperatura se situa entre 0 °C e 100 °C correspondendo, desta maneira, a valores de pressão

entre 6,11 mbar a 1013 mbar. Esse intervalo de pressões é equivalente à faixa de vácuo

normal ou vácuo primário, nas quais o processo de ebulição acontece sempre como

vaporização pura, ou seja, sem a presença de sublimação. Os processos com pressões mais

baixas do que 6,11 mbar, envolvendo a água, a vaporização ocorre por meio da sublimação da

fase sólida (gelo) com uma temperatura abaixo de 0 °C. Esses processos devem então ser

atribuídos às faixas de alto e ultra alto vácuo (Bannwarth, 2005:9).

Na Tabela 2.3, as faixas de operação e medição do vácuo divididas em milibar e Torr

são comparadas com os pontos de ebulição específicos da água pura, do mercúrio, do metanol

e do álcool etílico em °C. A partir desta tabela também é perceptível à diferença entre as

pressões de vapor de cada um dos fluidos e que a relação entre a temperatura de ebulição e a

pressão apresenta uma derivada negativa.

16

Tabela 2.3 – Faixas de operação e medição de vácuo, adaptado de Bannwarth (2005, p. 11).

2.5.2. Cavitação

A cavitação é um fenômeno que se origina em quedas repentinas de pressão dentro de

um escoamento, geralmente observada em sistemas hidráulicos. Ela ocorre quando bolhas de

vapor se formam dentro do escoamento de um líquido como consequência de reduções locais

na pressão, como, por exemplo, nas palhetas do rotor de uma bomba. De acordo com Fox et

al. (2006, p. 35 - 36) nesses pontos, a pressão no local de início da cavitação pode ser igual ou

menor que a pressão de vapor do líquido para a temperatura de trabalho, sendo que, quando a

pressão em um líquido é reduzida abaixo da pressão de vapor, o líquido pode passar

abruptamente para a fase vapor, num fenômeno que lembra o espocar do flash de uma

máquina fotográfica.

mbar [103 N/m2] Torr [mm Hg] Água Hg Etanol Metanol1013 760 100 357 78,3 64,71000 750 99,6 356,2 78 64,2800 600 93,5 344 71 56,5600 450 85,5 329 61,5 48400 300 75 309 54 40,5200 150 60,1 278 45 32100 75 45,7 251 29,5 16,580 60 41 242 24 1160 45 36,4 232 17 5,550 37,5 32,5 225 14 340 30 29 218 11,5 030 22,5 24 208 8 -3,5

20 15 17,2 196 3,5 -815 12 14 190 -1 -11,512 9 9,7 181 -4 -15,510 7,5 7 176 -9 -19,68 6 3,8 170 -12,5 -24

6 4,5 -0,2 162 -17 -20,54 3 -5 152 -21,5 -322 1,5 -13 135,5 -28 -381 0,75 -20,3 119 -38,5 -47,5

1000 750800 600 -22,7 115,5 -42 -50,5600 450 -25,4 110 -45,5 -53400 300 -29,3 102 -48,5 -56,5200 150 -36 89 -53 -61100 75 -42 77,5 -60 -67,580 60 -43,7 73,5 -63 -7040 30 -50 63 -68 -74,510 7,5 -60,5 42,5 -75 -838 6 -62 39,8 -77 -854 3 -67 31 -81 -88,5

1000 750 -76,3 14,4 -87 -94800 600 -77,8 12 -88,5 -95400 300 -82 5 -91,5 -98100 75 -90 -9 -94 -10080 60 -91,5 -1140 30 -96 -1710 7,5 -101,5 -298 6 -103 -314 3 -106 -361 0,75 -112 -42

1000 750800 600 -113400 300 -116

80 60 -12240 30 -124,510 7,5 -129,58 6 -1304 3 -132,51 0,75 -137 -100

1000 750800 600 -137,5400 300 -139,5100 75 -143,5

Temperatura de Ebulição [°C]Faixas de Medição

Pico

bar

Mili

bar

Mic

roba

rN

anob

ar

Tor

rM

ilito

rrM

icro

torr

Nan

otor

rPi

coto

rr

Eva

pora

ção

Sub

limaç

ão

-6

Vác

uo G

ross

eiro

Vác

uo

Inte

rmed

iário

6,11 4,58 0 162,5 -15,6

1 0,75

Vácuo Médio

100 75 -121,5

Alto Vácuo

Ultra Alto Vácuo

-25

Vácuo Primário

23,4 17,53 20 201 5

17

Estas bolhas de vapor que se formaram no escoamento devido à baixa pressão, podem

vir a serem carregadas e até chegarem a uma região em que a pressão cresça novamente a um

valor superior à pressão de vapor. Nesse ponto, conforme Fox et al. (2006, p. 35), irão ocorrer

o crescimento e o colapso, ou implosão, das bolhas de vapor. Se esta etapa ocorrer próxima às

superfícies sólidas poderá causar sérios danos por erosão às superfícies do material.

18

3. Desenvolvimento da bancada de testes e dos

ensaios realizados

O desenvolvimento da bancada utilizada na realização dos experimentos (Figura 3.1)

demonstrou-se como um pequeno desafio pelo fato de que, foram testadas três bombas

diferentes. Desta forma, foi necessária, principalmente nas tubulações de água e ar, a

existência de certa mobilidade entre os equipamentos utilizados nas medições.

Figura 3.1 – Bancada de teste para bombas de vácuo, com o bocal e tanque de ar no primeiro plano. Micromanômetro e medidor de vazão de água à esquerda, manômetro de mercúrio à direita e termômetros no plano de fundo.

3.1. Montagem da bancada de testes

Cada bomba com o seu respectivo motor elétrico foi instalada na bancada conforme o

esquema mostrado na Figura 3.3 e fisicamente na Figura 3.1. A construção da bancada e a

disposição dos instrumentos de medição utilizados foram realizadas com o objetivo de

19

facilitar a aquisição dos dados, de forma que, apenas uma pessoa fosse capaz de realizar a

aquisição dos dados de forma rápida e eficiente.

Um fator importante para a realização dos testes foi a construção de um bocal de

sucção do ar ambiente para a tubulação e consequentemente para a bomba em teste (Figura

3.2). Esse bocal foi acoplado a um reservatório de ar que tinha como função reduzir as

interferências e variações externas sobre o escoamento. Sua utilização foi importante para que

se pudesse realizar a medição da vazão de ar succionada pela BVAL.

O bocal foi construído em fibra de vidro, conforme modelo da Sociedade Americana

de Engenheiros Mecânicos (American Society of Mechanical Engineers – ASME, 1971). Para

este modelo de bocal também é fornecida pela própria ASME a Equação (3.1), a qual é

pertinente para a correção da vazão de ar que passa através do bocal.

Figura 3.2 – Bocal construído conforme a modelo ASME (1971).

610

0,9975 0,00653Re

C = − × (3.1)

A dimensionalização apropriada do reservatório de água foi a segunda etapa realizada

no desenvolvimento da bancada de testes. Este fator apresentou influência sobre a realização

dos ensaios em razão de que a água era utilizada em um circuito fechado como está

demonstrado na Figura 3.3 pelas setas que ilustram o sentido de movimentação da água.

20

A influência da água ocorreu devido ao aumento da temperatura que a mesma sofria

após a sua passagem pela bomba. Assim, o primeiro reservatório utilizado apresentou-se

ineficaz para a realização dos testes em razão da sua capacidade volumétrica de apenas 120 l.

Deste modo, por questões de logística e para minimizar a influência do aumento da

temperatura da água foram utilizados dois reservatórios diferentes. Para os testes executados

ao nível do solo, o reservatório utilizado apresentava uma capacidade de 1.000 l (Figura 3.4) e

para os testes executados com o objetivo de se estudar as variações causadas pela alteração da

altura do reservatório de água o mesmo apresentava uma capacidade de 250 l (Figura 3.5).

Figura 3.3 – Bancada esquemática para ensaio das BVAL.

21

Figura 3.4 – Reservatório de água para testes ao nível do solo.

Figura 3.5 – Reservatório de água para testes com variação de altura.

A linha de tubulações de entrada de água para o teste com o reservatório no nível do

solo e com o reservatório com variações de altura foi montada utilizando basicamente os

mesmos componentes. Os elementos usados em comum foram, principalmente, canos de

policloreto de polivinila (PVC) com 32 mm de diâmetro e um registro de esfera para controlar

a vazão consumida, a qual foi medida com o uso de um medidor ultrassônico, e um registro de

gaveta que foi usado para evitar vazamentos quando da alternância entre as bombas a serem

avaliadas.

O medidor de vazão ultrassônico em questão, apresentado na Figura 3.6, é um modelo

Eesiflo 6000 série Flowmeter. Na linha de água de alimentação da bomba, comum para os

dois reservatórios, também foi utilizada uma mangueira de 20 mm de diâmetro com a qual se

obteve uma grande flexibilidade da linha facilitando assim as movimentações e as alterações

22

das bombas necessárias. Nas tubulações de água, outros variados componentes também foram

utilizados, entretanto sem apresentarem relevância para o trabalho.

Figura 3.6 – Medidor de vazão ultrassônico Eesiflo 6000.

Na linha de alimentação de água, também foram medidas as pressões manométricas

para conhecimento e registro dos valores uma vez que, os comprimentos e diâmetros usados

poderiam afetar os resultados. As perdas de carga causadas pelos componentes da linha de

alimentação também foram calculadas para verificar se as suas influências poderiam causar

interferências nos resultados.

Para a tubulação de saída das bombas também foram utilizados canos de PVC, porém

esses com o maior diâmetro possível (60 mm no tubo e 75 mm nos joelhos) para não causar

nenhuma obstrução ao escoamento.

Também foi realizada para a linha de água a medição das temperaturas de entrada

(apenas água) e saída (água misturada com o ar aspirado pela bomba) das tubulações. Para

tanto, utilizaram-se dois termopares do tipo K e dois termômetros OMEGA, um modelo

HH21 e um modelo HH82A, conforme está demonstrado na Figura 3.7.

O termopar de medição da temperatura de entrada da água na linha foi disposto o mais

próximo possível ao início da tubulação no fundo do reservatório. Já o termopar de medição

da temperatura de saída da água misturada com o ar da linha foi colocado alguns centímetros

para dentro do cano, conforme esquema demonstrado na Figura 3.8, para, desta forma, obter-

se uma medição mais exata da temperatura da mistura pelo fato de que esta era expelida em

forma de jato pela bomba.

23

Figura 3.7 – Termômetro OMEGA, HH21 e HH82A.

Figura 3.8 – Esquema do posicionamento do termopar para medição das temperaturas de saída da água após sua passagem pela bomba e de entrada na mesma.

Para a montagem da tubulação de sucção do ar ambiente também foram utilizados

canos de PVC com diâmetro de 32 milímetros. Nessa linha, também se utilizou um registro de

esfera, para assim se obter certo controle sobre o nível de vácuo gerado.

A medição do nível de vácuo gerado foi feita com o uso de um manômetro de

mercúrio (Figura 3.9), o qual foi conectado a tubulação de ar no espaço entre o registro de

controle e a bomba. Um reservatório de ar (Figura 3.10) também foi utilizado em conjunto

com o manômetro de mercúrio com a função de realizar um amortecimento das vibrações nas

colunas de mercúrio. Essas vibrações dificultavam a efetuação de uma leitura exata dos

valores de vácuo gerados e eram causadas pela descompressão da câmara de vácuo e

vibrações da bomba.

24

Figura 3.9 – Manômetro de mercúrio para medição do nível de vácuo gerado pelas BVAL.

Figura 3.10 – Reservatório de ar para amortecimento das vibrações nas colunas de mercúrio.

A vazão de ar succionada pelas BVAL foi medida com o uso do bocal descrito

anteriormente montado na entrada do reservatório de ar da linha de ar (Figura 3.11). Pode-se

também notar na Figura 3.11 que o reservatório apresenta pontos de tomada de pressão

instalados em sua parede. Essas tomadas de pressão estão conectadas entre si e a um

micromanômetro de coluna de álcool (Figura 3.11), donde se obtiveram valores de pressão

estática e, consequentemente após as corretas conversões e o uso da Equação 3.2, a

velocidade do ar através do bocal. Assim, para se encontrar o valor da vazão de ar bastou

conhecer a área do bocal e multiplicá-la pelos valores de velocidade obtidos.

25

Figura 3.11 – Micromanômetro de álcool e bocal com tomadas de pressão nas paredes do reservatório de admissão de ar.

2 est

ar

Pv

I ρ= (3.2)

onde:

v = velocidade do escoamento através do bocal em m.s-1

Pest = é a pressão estática na parede do bocal de sucção em Pa

I = é a inclinação do manômetro de álcool em escala

ρar = massa específica do ar atmosférico em kg.m-3

Outro parâmetro que se teve interesse em monitorar foi o consumo de potência elétrica

no motor de acionamento durante os ensaios. Esse fator se mostrou importante tanto para a

segurança do equipamento como para a do operador por razão de que em algumas condições

de teste o motor operava consideravelmente acima da sua potência nominal. Assim, foi

conectado aos fios de alimentação do motor um medidor Yokogawa modelo CW 120,

conforme demonstrado na Figura 3.12. Com esse dispositivo foi possível monitorar variados

parâmetros referentes ao funcionamento do motor elétrico como potência, tensão elétrica,

frequência e amperagem.

26

Figura 3.12 – Medidor Yokogawa CW120 com detalhe na sua conexão com o motor elétrico.

3.2. Aquisição e tratamento dos dados

A aquisição dos dados foi efetuada semelhantemente para todos os ensaios realizados,

sendo que, para tanto se utilizou uma tabela para a coleta de todos os parâmetros necessários

para a avaliação dos ensaios através do uso dos equipamentos apresentados anteriormente. É

importante lembrar que, todos os ensaios foram realizados sem interrupções com o objetivo

de se minimizarem as influências nos resultados que poderiam ser causadas pelas alterações

nas condições atmosféricas. Também se tentou realizar os ensaios para uma mesma bomba

sob condições atmosféricas similares, para que este fator não interferisse significativamente

na comparação entre os resultados obtidos (Tabela 3.1).

Tabela 3.1 – Condições atmosféricas na realização dos ensaios.

A execução de um ensaio iniciava-se pela coleta dos dados referentes à temperatura

ambiente [°C] por meio de um termômetro de mercúrio, da pressão atmosférica [Pa] através

de um barômetro de mercúrio e da inclinação utilizada no micromanômetro de coluna de

álcool, a qual era possível selecionar para escalas de 1:2, 1:5, 1:10 e 1:25. A inclinação do

T. amb. [°C] P. atm. [Pa ] T. amb. [°C] P. atm. [Pa ] T. amb. [°C] P. atm. [Pa ]

Ensaio 1 21,7 102112 18,1 102925 - -

Ensaio 2 21 102045 17,9 102925 - -

Ensaio 3 21 101898 - - - -

Ensaio 4 - - 19 101218 20 102672

Ensaio 5 - - 10 102232 19,5 102885

Ensaio 6 - - - - 17 103072

Bomba 1 Bomba 2 Bomba 3

27

micromanômetro utilizada para cada bomba foi diferente devido a sua sensibilidade para as

distintas velocidades do ar medidas no bocal.

O próximo passo na realização dos ensaios era ligar a bomba e abrir completamente os

registros de controle de vazão da água e do ar e nesta sequência, para que a bomba não

enchesse de água e esta viesse a vazar pelo bocal de entrada de ar. Para os ensaios realizados

sem o objetivo de se avaliar a influência da vazão de água, o registro de controle da vazão de

água era sempre mantido aberto e o registro de controle de vazão do ar era fechado, de forma

a se obter reduções constantes da pressão no bocal de sucção.

Desta forma, para cada posição do registro de controle de vazão do ar foram medidos e

anotados os seguintes parâmetros: a pressão no bocal de sucção de ar [Pa], o nível das colunas

[mm], tanto da direita como da esquerda, no manômetro de mercúrio para medir a pressão de

sucção, a vazão de água consumida pela bomba [l.min-1], a potência elétrica consumida pelo

motor [kW], as temperaturas de entrada e saída [°C] da BVAL (conforme a Figura 3.8) e as

alturas das colunas [mm] no manômetro de água para medir a pressão da água na entrada da

bomba.

Assim, após a aquisição dos dados de cada ensaio, estes foram inseridos em uma

planilha de cálculo para o seu tratamento. Os dados da pressão no bocal de sucção de ar

obtidos nos ensaios foram aplicados na Equação 3.2 para a obtenção dos seus respectivos

valores de velocidade do ar. Em seguida, obteve-se o valor da vazão de ar atmosférico [m3.h

-1]

ao se multiplicar a velocidade do ar no bocal pela área do mesmo (0,00264 m2) e se realizar a

devida conversão de unidades. Desta forma, com o manômetro de álcool instalado na bancada

se obteve a vazão de ar atmosférico, isto em razão de que, a medição ocorre antes do registro

de estrangulamento existente na tubulação. Porém, correções em função da pressão de sucção

foram adotadas para se obter a vazão de ar expandido, a qual ocorre de fato na entrada da

bomba.

Com os valores da velocidade do ar no bocal obtidos, também foi calculado o número

de Reynolds (Equação 2.3) para cada ponto medido. Para tanto, o diâmetro do bocal (0,058 m)

foi utilizado como dimensão característica e a viscosidade cinemática do ar foi considerada

para uma temperatura de 20 °C (1,50x10-5 m2.s

-1). O número de Reynolds foi então utilizado

para calcular o fator de correção para a vazão de ar atmosférico no bocal de acordo com a

Equação 3.1, o qual foi multiplicado pela vazão de ar encontrada anteriormente para se obter a

vazão de ar atmosférico corrigida (Qcorrigida) [m3.h

-1].

Os dados obtidos em mm Hg relativos à pressão de sucção manométrica de ar foram

tratados de forma a se obter a pressão de sucção absoluta para cada ponto em Pascal [Pa]. A

28

pressão de sucção absoluta foi encontrada ao se realizar a diferença entre o valor da pressão

atmosférica local e a pressão de sucção manométrica encontrada para cada ponto em mca.

A pressão de sucção absoluta também teve a sua escala convertida para milibar [mbar]

para facilitar a classificação do tipo de regime de vácuo existente de acordo com as tabelas e

figuras apresentadas no capítulo anterior.

A vazão de ar expandido, ou seja, a qual é encontrada na entrada da bomba após o

registro de controle de vazão do ar foi obtida em sequência e para o seu cálculo, utilizou-se a

seguinte equação:

expcorrigida atm

abs

Q PQ

P= (3.3)

onde:

Qexp é a vazão de ar expandido em m3.h

-1

Qcorrigida é a vazão de ar atmosférico corrigida em m3.h

-1

Patm é a pressão atmosférica local em Pa

Pabs é a pressão de sucção absoluta em Pa

Os valores obtidos de vazão de água e de potência elétrica consumida pelas bombas

nos ensaios foram convertidos para unidades utilizadas na prática, para assim facilitar a leitura

de futuros gráficos. A medição da pressão de sucção da água também sofreu uma

transformação de unidades de mm de coluna de água para Pascal.

Os parâmetros adimensionais utilizados para a avaliação do tipo de escoamento de ar

existente dentro da tubulação, durante a realização dos experimentos, também foram

calculados nessa etapa do trabalho, sendo estes o número de Mach e o número de Knudsen

citados no capítulo 2.

29

4. Resultados

A avaliação dos resultados obtidos foi realizada individualmente para cada modelo de

bomba de vácuo de anel líquido estudada levando em consideração neste capítulo apenas os

ensaios realizados com o reservatório de água localizado ao nível do solo. As bombas foram

classificadas através das suas características construtivas, desta forma, obtendo-se três

modelos distintos.

Com os dados obtidos a partir dos ensaios foram realizados vários gráficos com curvas

para cada BVAL. Tais curvas estão listadas, conforme segue:

• Curvas de vazão de ar atmosférico x pressão de sucção;

• Curvas de vazão de ar expandido x pressão de sucção;

• Curvas de consumo de água x pressão de sucção;

• Curvas de consumo de potência elétrica x pressão de sucção.

Para todas as curvas geradas foram ajustados polinômios, desta forma, criando-se

oportunidades para o uso destas curvas específicas, nas quais os pontos experimentais bem

como as dispersões entre estes são omitidos da figura, em catálogos de produtos. Curvas de

pressão de sucção da água, medidas anteriormente a entrada na bomba, em função da pressão

de sucção, também foram traçadas para cada BVAL, contudo não serão apresentadas no

presente trabalho devido ao seu interesse secundário.

4.1. Resultados da Bomba 1

A primeira bomba avaliada se caracterizava construtivamente por apresentar apenas

um rotor, sendo que, este possui maior largura que os apresentados nos outros modelos

testados, e pelo fato de ser impulsionada por um motor com potência nominal de 7,355 kW.

Outra característica dessa bomba é a posição dos encaixes para a admissão de ar, bem como

para a saída da mistura de ar com água, os quais se encontram paralelos ao plano formado

pela sua base e opostos entre si, como pode ser notado na Figura 4.1. A posição de admissão

de água para as três bombas estudadas são similares, e também se encontram paralelamente ao

plano formado pela base das bombas.

30

Figura 4.1 – Bomba de vácuo de anel líquido denominada Bomba 1.

Os resultados obtidos, após o tratamento dos dados referentes aos testes realizados

com a Bomba 1, para as vazões medidas em função da pressão de sucção são apresentados na

Figura 4.2. A pressão de sucção está em escala absoluta, ou seja, está seria uma pressão

negativa em relação à pressão ambiente. Ainda nesta figura, os polinômios apresentados

foram ajustados as suas respectivas séries de dados experimentais.

Figura 4.2 – Vazões de ar atmosférico e de ar expandido versus pressão de sucção para a Bomba 1.

Na Figura 4.3 são indicadas as vazões de água em função da pressão de sucção da

bomba. Pelo gráfico é possível se observar que o volume de água, em circulação pela bomba,

Admissão de ar

Admissão de água

31

aumenta quase linearmente com o nível de vácuo estabelecido, chegando próximo a 1,2 m3.h

-1

na situação em que o registro de estrangulamento se encontra fechado e, consequentemente, a

vazão de ar se reduz ao mínimo.

Figura 4.3 – Vazão de água em função da pressão de sucção para a Bomba 1.

A Figura 4.4 apresenta a relação entra a potência consumida pelo motor elétrico

utilizado para o acionamento da bomba, ao longo do ensaio, com a pressão de sucção. A

medição da potência da bomba foi realizada na fiação de alimentação da mesma (Figura 4.5),

sendo inclusas, portanto as perdas ocorridas no próprio motor. Na figura, nota-se que, o valor

medido de potência referente à certas pressões de sucção ultrapassa a capacidade nominal do

motor instalado (7,355 kW), desta forma, podendo ocasionar a queima do mesmo.

32

Figura 4.4 – Potência consumida pelo motor elétrico em função da pressão de sucção para a Bomba 1.

4.2. Resultado da Bomba 2

A bomba demonstrada na Figura 4.5 foi denominada de número 2 e se caracterizava

construtivamente por possuir dois rotores com a mesma largura, assim apresentando dois

estágios de bombeamento. Está bomba era impulsionada por um motor elétrico com potência

nominal de 5,516 kW. A posição dos encaixes da bomba para a admissão de ar bem como para

a saída da mistura de ar com água se encontram perpendiculares ao plano formado pela sua

base, em contrapartida a admissão de água se encontra posicionada paralelamente ao plano

mencionado, como pode ser notado na figura abaixo.

33


A sequência dos ensaios efetuados foi similar para todas as bombas, bem como a

apresentação dos seus resultados. Assim, na Figura 4.6 têm-se os valores de vazões de ar

atmosférico e ar expandido medidas em função da pressão de sucção, que está em escala

absoluta. Os polinômios citados foram ajustados às suas respectivas séries de dados

experimentais. Na figura, nota-se uma maior dispersão nos pontos obtidos para os maiores

níveis de vácuo, e isso ocorre em razão da dificuldade de medição para pequenas vazões de

ar.


Admissão de água

Admissão de ar

Saída da mistura ar + água

34

Os valores das vazões de água em função da pressão de sucção da Bomba 2 são

apresentados na figura abaixo. Similarmente a Bomba 1 os valores de vazão de água em

circulação pela bomba também aumentam de forma aproximadamente linear com o aumento

do nível de vácuo estabelecido. Como se pode observar no gráfico, a vazão de água chega a

valores de 2,4 m3.h

-1 na situação em que o registro de estrangulamento se encontra fechado e

consequentemente, a vazão de ar se reduz ao mínimo.


A relação entra a potência consumida pelo motor elétrico utilizado para o acionamento

da bomba, ao longo do ensaio, com a pressão de sucção é apresentada na Figura 4.8. A

medição da potência da bomba foi realizada do mesmo modo que para a Bomba 1, e esta se

manteve abaixo da potência nominal da Bomba 2, como é possível observar na figura, não

apresentando assim perigos para o motor elétrico.

35


4.3. Resultado da Bomba 3

A última bomba avaliada no trabalho, denominada Bomba 3, está demonstrada na

Figura 4.9, e se caracterizava construtivamente por possuir dois rotores com larguras distintas

e também apresentar dois estágios de bombeamento. Igualmente a Bomba 2, esta bomba

também é impulsionada por um motor elétrico com potência nominal de 5,516 kW, e as

posições dos seus encaixes são similares.


Admissão de água

Admissão de ar

Saída da mistura ar + água

36

Na Figura 4.10 são apresentados os valores de vazões de ar atmosférico e ar

expandido medidas em função da pressão de sucção, que está em escala absoluta, para a

respectiva bomba. A figura também contêm os polinômios de ajuste para cada série de dados

experimentais. Para os maiores níveis de vácuo se têm maiores dispersões nos pontos obtidos,

em razão da dificuldade de medição das menores vazões de ar.


Ao serem comparadas as figuras 4.6 e 4.10 se nota que, apesar de ambas as bombas

possuírem dois estágios de compressão, as vazões obtidas com a Bomba 3 são maiores do que

as obtidas com a Bomba 2, a qual apresenta um dos seus rotores mais estreito.

A Figura 4.11 apresenta, para a Bomba 3, os valores das vazões de água em função

da pressão de sucção. Os valores de vazão de água, em circulação pela bomba, igualmente as

outras bombas estudadas nesta configuração, também aumentam de forma aproximadamente

linear com o aumento do nível de vácuo estabelecido. Na situação em que o registro de

estrangulamento se encontra fechado e o volume mínimo de ar é succionado, observa-se pelo

gráfico, que a vazão de água é um pouco inferior a encontrada para a Bomba 2, chegando a

valores de 2,1 m3.h

-1.

37


A relação entre a potência consumida pelo motor elétrico, para o acionamento da

bomba, e a pressão de sucção gerada é apresentada na Figura 4.12. A medição da potência da

bomba foi realizada similarmente às outras bombas e, como é possível notar na figura, esta

apresentou valores um pouco superiores aos da Bomba 2. Na figura, também se percebe que

os valores medidos de potência elétrica consumida não são superiores a capacidade nominal

do motor (5,516 kW), alcançando um valor máximo de 4,94 kW, e propiciando boas condições

de uso para o mesmo.


49

6. Conclusão

No presente trabalho, os fundamentos da engenharia do vácuo foram expostos e

discutidos através de uma abordagem experimental, sendo o assunto analisado sob o enfoque

do desempenho das bombas de vácuo de anel líquido e o levantamento das suas curvas

características.

Os resultados obtidos através dos ensaios mostraram a validade da bancada, da

instrumentação escolhida e da metodologia de testes desenvolvidas ao serem capazes de

atender as necessidades para a realização das medições necessárias e para a análise dos

resultados.

Com o levantamento das curvas de desempenho para a condição normal de uso das

BVAL foi possível se realizar comparações entre os resultados obtidos e os seus

comportamentos apresentados. A referida comparação demonstrou um comportamento similar

entre as três bombas e evidenciou diferenças em relação às vazões de ar succionadas em

função da pressão de sucção das BVAL, aonde a Bomba 1 apresentou valores

aproximadamente três vezes maior que das outras bombas.

Ao ser avaliada a influência da altura do reservatório sobre o desempenho, esta leva a

crer na existência de uma altura ideal para o posicionamento do reservatório. Os resultados

apresentados demonstram que o reservatório, ao ser posicionado a uma altura de 2,0 m, gerou

melhores resultados na vazão de ar sem afetar criticamente os outros parâmetros estudados.

Os resultados da influência da vazão de água sobre a pressão de sucção das BVAL

apontaram, para as três bombas, que independentemente da situação do teste, a ocorrência de

uma redução na vazão de água sempre causa uma redução no nível de vácuo gerado. Também

se verificou para estes ensaios a possibilidade do acontecimento de cavitação nas tubulações.

Por fim, uma situação comum se apresentou para os testes realizados aonde a

influência da vazão de água não era avaliada. As vazões de água consumidas pelas bombas

bem como a potência consumida pelos motores apresentaram um comportamento parecido

entre os testes realizados sob as mesmas condições. A avaliação da potência consumida

também se mostrou importante para a adequada determinação do conjunto motriz dos

equipamentos.

Sugestões para pesquisas futuras

Como sugestões para a complementação do trabalho realizado e como pesquisas futuras na

área podem ser considerados os seguintes assuntos:

50

• Análise da influência do vácuo para a ocorrência de cavitação nas tubulações e nas

bombas de vácuo.

• Análise da influência da temperatura da água e do ar e da umidade relativa do ar sobre

o desempenho das bombas de vácuo de anel líquido.

• A determinação das condições ótimas para a utilização das BVAL, considerando a

altura do reservatório, vazão de água e potência consumida.

• O Estudo da influência dos aspectos construtivos das BVAL sobre o seu desempenho.

51

Referências

BANWARTH, Helmut. Liquid Ring Vacuum Pumps, Compressors and Systems.

Weinheim: WILLEY-VCH Verlag Gmbh & Co. KGaA, 2005.

FOX, Robert W.; MACDONALD, Alan T.; PRITCHARD, Philip J.. Introdução à Mecânica

dos Fluidos. 6ª. ed. Rio de Janeiro: LTC - Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 2006.

ÇENGEL, Yunus A.; BOLES, Michael A.. Termodinâmica. 5ª. ed. São Paulo: McGraw-

Hill, 2006.

DIN – 28400-1. Vacuum Technology: Terms And Definitions, Vacuum Pumps. 1979-07.

VEIZADES, Henry G.. Introduction to Gas Removal Systems and Liquid Ring Vacuum

Pumps. Disponível em: <www.vacuum-guide.com>. Acesso em: 04 nov. 2012.

RODIONOV, Yu V.. Liquid Ring Vane Vacuum Pumps. Trends in Deveploment of

Vacuum Thechnology. Jornal TGTU, 2006. Disponível em: <www.tstu.ru>. Acesso em: 04

nov. 2012.

LOPES, R. Classificação dos Principais Processos e Instalações de Acordo com a Faixa

de Vácuo Envolvida. Disponível em: <www.sensum.net>. Acesso em: 04 nov. 2012.

MARQUARDT, Niels. Introduction to The Principles of Vacuum Physics. Institute for

Accelerator Physics and Synchrotron Radiation. Disponível em:

<www.cientificosaficionados.com>. Acesso em: 04 nov. 2012.

MALLICK, D. S.. Compression Process of Liquid Ring Vacuum Pump. Journal – MC,

vol. 86, Abril 2005. Disponível em: <www.ieindia.org>. Acesso em: 04 nov. 2012.

GAMA, Sergio. Introdução à Ciência e Tecnologia do Vácuo. Instituto de Física “Gleb

Wataghin” – UNICAMP, Agosto 2002. Disponível em: <www.portal.ifi.unicamp.br>. Acesso

em: 04 nov. 2012.

HEAT EXCHANGE INSTITUTE. Vacumm and Vacumm Equipment Educational

Primer. Disponível em: <www.heatexchange.org>. Acesso em: 04 nov. 2012.

STERLING. Liquid Ring Vacuum Pumps and liquid Ring Compressors. Technical

Details and Fields of Application. Disponível em: <www.sterlingfluidsystems.com>. Acesso

em: 04 nov. 2012.

ASME. Fluid Meters - Their theory and application. Nova Iorque: Ed. ASME, 1971.

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