UNIVERSIDADE COMUNITRIA DA REGIO DE CHAPEC - UNOCHAPEC

RELATRIO EXPERIMENTO PERDA DE CARGA

CRISTIANO DRUZIAN

LEANDRO PAULO VIAL

CHAPEC

2015

UNIVERSIDADE COMUNITRIA DA REGIO DE CHAPEC - UNOCHAPEC

RELATRIO EXPERIMENTO PERDA DE CARGA

Por

Cristiano Druzian

Leandro Paulo Vial

Curso de Engenharia Mecnica

7 Perodo

Componente Curricular de Laboratrio em

Cincias Trmicas

Professora Micheli Zanetti

Chapec - SC, Maro de 2015

RESUMO

No presente trabalho ser abordado uma forma de adquirir as curvas

caractersticas de um bomba centrifuga. Esta forma de aquisio baseia-se em

experimentos realizados, onde foi possvel calcular a potncia, vazo, altura

manomtrica, o rendimento, presso, entre outros parmetros.

O experimento foi realizado em dois estgios:

Primeiramente o experimento foi realizado em estado de operao

normal de trabalho;

Em um segundo experimento, o mesmo foi realizado em estado

cavitao;

A partir destes experimentos, coletou-se dados e calculou-se atravs de

formulas parmetros para ento plotar grficos e analisar as mudanas que

ocorrem quando variamos alguns parmetros, como, a altura manomtrica e a

vazo. Com estes dados podemos descobrir qual o melhor ponto de trabalho

para determinada bomba, e assim opera-la de forma que a mesma trabalhe com

o seu maior rendimento possvel.

O principal objetivo deste experimento similar a teoria pratica, e assim

concluir de forma correta sobre os resultados obtidos do mesmo.

LISTA DE GRFICOS

Grfico 1: Carga Manomtrica X Vazo (vlvula totalmente aberta) ........................................... 9

Grfico 2: Carga Manomtrica X Vazo (vlvula parcialmente aberta) ...................................... 10

Grfico 3: Potncia Hidrulica X Vazo (vlvula totalmente aberta) .......................................... 11

Grfico 4: Potncia Hidrulica X Vazo (vlvula parcialmente aberta) ....................................... 11

Grfico 5: Vazo X Eficincia (vlvula totalmente aberta) .......................................................... 12

Grfico 6: Vazo X Eficincia (vlvula parcialmente aberta) ....................................................... 13

Grfico 7: Presso Adimensional X Vazo adimensional (vlvula parcialmente fechada) .......... 16

Grfico 8:Vazo Adimensional X presso Adimensional (vlvula totalmente aberta) ................ 16

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Variveis envolvida na anlise adimensional de turbomquinas ................................ 14

Sumrio

RESUMO ..................................................................................................................................... 2

LISTA DE GRFICOS .............................................................................................................. 3

LISTA DE TABELAS ................................................................................................................. 4

1. INTRODUO ....................................................................................................................... 6

2. REVISO BIBLIOGRFICA ................................................................................................ 6

3. MATERIAIS E MTODOS ................................................................................................... 7

4. RESULTADOS E ANALISES .............................................................................................. 8

5. PARMETROS ADIMENSIONAIS E CURVAS APRESENTADAS ........................... 13

5.1 Coeficiente de Presso ou Altura especfica (CH) ............................................... 15

5.2 Coeficiente de Vazo ou ............................................................................................ 15

Capacidade Especfica (CQ) ............................................................................................. 15

5.3 Coeficiente de Potncia (CW) .................................................................................... 15

6. CONCLUSES .................................................................................................................... 17

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ..................................................................................... 18

1. INTRODUO

O emprego de bombas, ocorre quando necessrio o deslocamento de

um fluido de um local para outro, onde no possvel utilizar a ao da

gravidade, ou quando a mesma se torna invivel.

Nos dias atuais existem diversos tipos e modelos de bombas

determinados para aplicaes em geral ou at mesmo para casos especiais,

onde ocorre uma demande de uma geometria ou de uma com posio de

matria-prima de resistncia mais elevada a determinada situao de trabalho,

como por exemplo o transporte de cidos.

No presente trabalho estudaremos o comportamento de uma bomba

centrifuga, visando determinar seu ponto timo de trabalho e observar o que

ocorre quando a mesma passe de um regime de trabalho normal para um regime

de operao com cavitao.

2. REVISO BIBLIOGRFICA

As bombas so equipamentos destinados para adicionar energia ao fluido

que est escoando, e assim promover o seu deslocamento transferindo-o de um

local para o outro.

Tm-se as bombas de deslocamento positivo e as bombas centrfugas.

As bombas de deslocamento positivo impelem uma quantidade definida do fludo

em cada golpe ou volta do dispositivo; as bombas centrfugas, ao contrrio,

impelem um volume que depende da presso de descarga ou da energia

adicionada. (FOUST1982).

Uma bomba centrifuga constituda basicamente por um rotor que gira

no interior de uma carcaa. O fluido entra na bomba nas vizinhanas do eixo do

rotor propulsor e lanado para a periferia pela ao centrifuga.

Atualmente as bombas centrfugas so as mais utilizadas, devido a suas

diversas vantagens, sendo as principais o baixo custo de produo, ocupam

pequenos espaos e trabalham de forma silenciosa.

Um grande inimigo das bombas o efeito de cavitao, o qual um

fenmeno que ocorre em um lquido quando a velocidade de escoamento to

elevada que a presso cai abaixo da presso de vapor, o que provoca

vaporizao e o consequente aparecimento de bolhas no interior do fluxo. Essas

bolhas implodem assim que a velocidade do escoamento cai e a presso

aumenta, o que faz com que o lquido circundante seja violentamente agitado,

gerando-se ondas de choque que podem provocar danos microscpicos em

objetos prximos. Esses danos, ao longo do tempo, podem atingir dimenses

considerveis, por isso a cavitao , em geral, uma ocorrncia indesejvel

(engel 2006)

A imploso das bolhas causam, alm destes danos a longo prazo,

vibraes, rudos e diminuem a eficincia. Para se evitara a cavitao devemos

garantir que, a presso local em toda parte dentro da bomba permanea acima

da presso de vapor.

As curvas caracterstica de uma bomba, geralmente so fornecidas pelo

fabricante e tem por objetivo informar qual melhor faixa de operao para que

a mesma apresente seu rendimento mximo e no trabalhe sobre o efeito de

cavitao.

3. MATERIAIS E MTODOS

Para a realizao deste experimento utilizou-se uma bomba centrifuga

com potncia de 1/3 CV, com rotor de 10,4 cm de dimetro e rotao de

operao de 3380 RPM, acoplado a um reservatrio de agua aproximadamente

200 litros. O fluido escoante era apenas gua a temperatura ambiente.

No intervalo entre a bomba e o tanque, utilizava-se tubulao de dimetro

igual, alm de diversos acessrio acoplados, como vlvulas, rotmetros e

manmetros, estes destinados a determinao da presso, na entrada e na sida

da bomba, e de vazo. O sistema estava montado de forma que o fluido

escoasse pela tubulao, siando pelo tanque percorrendo o percurso e

retornando para o mesmo, ou seja, funcionava em um circuito fechado (volume

de controle).

Iniciou-se o experimento retirando-se todo o ar de dentro da tubulao,

aps foi ligado a bomba e realizado as medies de vazo e presso, na regio

entrada e de sada da bomba, para cada intervalo da vazo onde a mesma era

alterada em 5 em 5 litros por minuto (L/min), iniciando em 0 (L/min) at a vazo

mxima de 48 (L/min) para operao normal de trabalho (vlvula totalmente

aberta) e at 38 (L/min) em operao de trabalho com cavitao, onde a vlvula

permanecia parcialmente aberta (metade).

4. RESULTADOS E ANALISES

As curvas caractersticas de uma bomba so construdas baseando-se

nos dados de vazo volumtrica, altura manomtrica, eficincia e potncia.

Estes dados so calculados atravs de outros dados obtidos atravs do

experimento e por parmetros j conhecidos do fluido escoante como:

Vazo Volumtrica = Q = Vazo (L/min) / 60000

Altura manomtrica = H = Carga da Bomba

Onde:

Ps = Presso de sada da bomba, obtida atravs do experimento por um

manmetro de Bourdon.

Pe = Presso de entrada na bomba, obtida atravs de um manmetro tipo tubo

U.

g = Acelerao da gravidade (9,81 m/s);

H2O = Densidade do fluido escoante (997,045 kg/m);

Para encontra a presso de entrada aplicou-se um clculo de manometria,

levando em considerao o tubo U e o fluido manomtrico o mercrio o qual

tem densidade Hg = 13533,615 (kg/m), conhecendo a variao de altura (h)

obtida pelo tubo U, foi possvel determinar a presso de entrada por:

Sabendo o valor da presso de entrada, determinou-se o valor da carga da bomba e assim plotou-se o primeiro grfico tanto para operao em trabalho

normal como para a operao em trabalho de cavitao, segue os grfico a

abaixo:

Grfico 1: Carga Manomtrica X Vazo (vlvula totalmente aberta)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0,00E+00 1,00E-04 2,00E-04 3,00E-04 4,00E-04 5,00E-04 6,00E-04 7,00E-04 8,00E-04 9,00E-04

Ca

rga T

ota

l D

a B

om

ba (

m)

Vazo (m/s)

Curva Caractestica H versus QValvula Totalmente Aberta

Grfico 2: Carga Manomtrica X Vazo (vlvula parcialmente aberta)

Analisando-se o grfico 1, conclumos que medida que a vazo aumenta

a carga da bomba diminui. Isto ocorre devido ao fato que ao aumentarmos a

vazo, aumenta-se a quantidade de fluido a ser transportado elevando assim a

perda de carga do sistema proveniente de atrito e turbulncias, e com isto

diminuindo-se a eficincia do sistema.

Realizando agora a anlise no grfico 2, notamos que a carga da bomba

sofre um decrscimo mais acentuado, devido ao fato que ao ocorrer a cavitao

ocorre a formao de bolhas de vapor no liquido devido presso da bomba ser

menor do que a presso de vapor de fluido, assim conclumos que a cavitao

faz com que a bomba possua uma capacidade menor de carga.

Aps analisarmos a vazo versus a altura manomtrica, analisou-se a

potncia hidrulica da bomba (P) versus a vazo. Tambm para os dois estgios.

A potncia hidrulica foi determinada como:

Segue os grficos abaixo:

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0,00E+00 1,00E-04 2,00E-04 3,00E-04 4,00E-04 5,00E-04 6,00E-04 7,00E-04

Ca

rga D

a B

om

ba

(m

)

Vazo (m/s)

Curva Caraerstica H versus Q Valvula Parcialmente Aberta

Grfico 3: Potncia Hidrulica X Vazo (vlvula totalmente aberta)

Grfico 4: Potncia Hidrulica X Vazo (vlvula parcialmente aberta)

Analisando-se os grficos 3 e 4, observamos que medida que

aumentamos a vazo aumentamos tambm a potncia hidrulica. Porm aps

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0,00E+001,00E-042,00E-043,00E-044,00E-045,00E-046,00E-047,00E-048,00E-049,00E-04

Po

tn

cia

Hid

ru

lic

a P

(W

)

Vazo Q (m/s)

POTNCIA HIDRLICA P VERSUS VAZO QVALVULA TOTALMENTE ABERTA

0

10

20

30

40

50

60

70

0,00E+00 1,00E-04 2,00E-04 3,00E-04 4,00E-04 5,00E-04 6,00E-04 7,00E-04

Po

tn

cia

Hid

ru

lic

a P

(W

)

Vazo Q (m/s)

POTNCA HIDRLICA P VERSUS VAZO QVALVULA PARCIALMENTE ABERTA

atingirmos um valor mximo, comea ocorre um decrscimo de potncia,

diminuindo assim a eficincia do sistema, tanto para a operao em trabalho

normal como para a operao em trabalho de cavitao.

Este ponto mximo de potncia determinado como ponto timo de

operao ou ponto de trabalho, sendo este o ponto ideal a ser utilizado em um

processo, o qual ir garantir uma maior rendimento (ser visto a seguir nos

grficos) com um menor consumo de energia.

Conhecendo a potncia hidrulica da bomba, podemos encontrar qual

ser a eficincia da bomba ( ) atravs da formula:

Onde:

Pf = Potencia fornecida = 0,33333 CV = 245,16625 Watts (W);

Multiplica-se por 100 para chegar com o valor em porcentagem. Assim

temos que o rendimento versus a vazo nos proporcionara:

Grfico 5: Vazo X Eficincia (vlvula totalmente aberta)

0

5

10

15

20

25

30

0,00E+00 1,00E-04 2,00E-04 3,00E-04 4,00E-04 5,00E-04 6,00E-04 7,00E-04 8,00E-04 9,00E-04

EF

ICI

NC

IA (

%)

VAZO (M/S)

VAZO Q VERSUS EFICINCIA nVALVULA TOTALMENTE ABERTA

Grfico 6: Vazo X Eficincia (vlvula parcialmente aberta)

Atravs deste dois grficos (5 e 6), chegamos concluso que do mesmo

que a potncia, a eficincia, tambm, se eleva at um ponto mximo e comea

a cair, este ponto mximo o ponto timo de trabalho, sendo que para operao

normal ser com uma vazo de 35 L/min (5,83E-04 m/s), proporcionara uma

eficincia mxima de 27,50 % e ter uma potncia hidrulica de 64,08 W e uma

carga de bomba de 13,12 metros , j para o estgio de trabalho em cavitao o

ponto timo de trabalho ser com uma vazo de 30 L/min (5,00E-04 m/s),

proporcionara uma eficincia mxima de 23,77 % e ter uma potncia hidrulica

de 58,28 W e uma carga de bomba de 11,93 metros

5. PARMETROS ADIMENSIONAIS E CURVAS APRESENTADAS

A anlise dimensional particularmente til no planejamento e na

execuo de experimentos. Como as caractersticas de uma bomba so

normalmente determinadas experimentalmente, de se esperar que a anlise

dimensional e as consideraes de similaridade sejam muito uteis no estudo e

0

5

10

15

20

25

30

0,00E+00 1,00E-04 2,00E-04 3,00E-04 4,00E-04 5,00E-04 6,00E-04 7,00E-04 8,00E-04 9,00E-04

EF

ICI

NC

IA (

%)

VAZO (M/S)

VAZO Q VERSUS EFICINCIA nVALVULA PARCIALMENTE ABERTA

documentao destas caractersticas. De fato, o desenvolvimento e utilizao de

turbomquinas em prticas de engenharia tem-se beneficiado muito da

aplicao da anlise dimensional, provavelmente a uma extenso maior que

qualquer outra rea da mecnica dos fluidos aplicada (Potter & Wiggert 2010).

Esta analise adimensional, tem capacitado fabricantes de bombas e

turbinas a testar e desenvolver um nmero relativamente pequeno de

turbomquinas e, subsequentemente, produzir uma srie de unidades comerciais

que cobrem um amplo espectro de demandas de carga e de escoamentos em geral.

As grandezas que intervm no fenmeno de escoamento incompressvel

de um fluido, atravs de uma bomba so:

Tabela 1: Variveis envolvida na anlise adimensional de turbomquinas

Smbolo Varivel Dimenses Unidades

Massa especfica do fluido ML-3 Kg/m3

Viscosidade dinmica do fluido ML-1 T-1 Ns/m2

Q Vazo atravs da mquina L3 T-1 M3/s

H Altura manomtrica L m

Rotao do rotor ou da bomba T-1 Rad/s

D Dimetro do rotor L m

K Mdulo de elasticidade volumtrica ML-1 T-2 N/m2

Rugosidade absoluta interna da mquina L m

W Potncia hidrulica ML2 T-3 Watts (W)

A partir desta tabela realiza-se uma srie de dedues e simplificaes,

apenas levando-se em considerao as unidades de medias das variveis, as

quais tornam-se muito extensas e trabalhosas para demonstra-las, portanto

optou-se por no detalhar as mesma, pois este detalhamento encontrados em

livros especficos do assunto.

Assim chegamos a determinao dos seguintes parmetro abaixo.

5.1 Coeficiente de Presso ou Altura especfica (CH)

5.2 Coeficiente de Vazo ou

Capacidade Especfica (CQ)

5.3 Coeficiente de Potncia (CW)

A partir destas formulas determinou-se a presso e a vazo adimensional,

para assim poder determinar o comportamento da bomba para qualquer fluido.

Realizando esta anlise, observou-se que o tamanho da bomba inversamente

proporcional s perdas viscosas do sistema, est anlise vlida tanto para a

operao de trabalho normal como tambm para operao de trabalho com cavitao.

Grfico 7: Presso Adimensional X Vazo adimensional (vlvula parcialmente fechada)

Grfico 8:Vazo Adimensional X presso Adimensional (vlvula totalmente aberta)

0

0,002

0,004

0,006

0,008

0,01

0,012

0 1 2 3 4 5 6

Va

z

o A

dim

en

sio

na

l

Presso Adimensional

PRESSO ADIMENSIONAL X VAZO ADIMENSIONAL (PARA VALVULA PARCIALMENTE FECHADA)

0

0,002

0,004

0,006

0,008

0,01

0,012

0,014

0,016

0 1 2 3 4 5 6

Va

zo

Ad

ime

ns

ion

al

Presso Adimensional

VAZO ADIMENSIONAL X PRESSO ADIMENSIONAL(VLVULA TOTALMENTE ABERTA)

6. CONCLUSES

Com realizao do experimento, verificamos o comportamento de uma

bomba centrifuga atravs da variao da vazo na bomba.

Em operao normal de trabalho normal, (vlvula totalmente aberta), no

ocorreu o fenmeno de cavitao, porm quando a vlvula permaneceu

parcialmente fechada, este fenmeno veio aparecer quando a vazo

apresentava um valor de 17,5 L/min, podendo ser observada na tubulao

atravs da formao de bolhas e por produzir um rudo diferente do normal.

Chegou-se concluso tambm que para qualquer bomba, temos um

valor mximo de rendimento que est relacionado com a vazo e a presso do

sistema. Este valor mximo de rendimento foi apresentado anteriormente e

conhecido como ponto timo de trabalho, ou seja, o ponto ideal de

funcionamento da bomba, pois ser aonde ocorrer o maior rendimento e o

menor consumo energtico.

Analisando as curvas dos grficos, chegamos concluso, que as

mesmas apresentam o comportamento esperado conforme a literatura.

O experimento realizado de suma importncia, pois conseguiu-se similar

a teoria prtica a e assim introduzir uma melhor compreenso e aprendizado

do contedo.

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

Deniculi, W, Bombas Hidrulicas, Universidade Federal de

Viosa Minas Gerais, 1993.

Fox, R. W, Pritchard, P.J, McDonold, A.T, Introduo a

Mecnica dos Fluidos, LTC, 7 Edio, 2009.

engel, Y. A, Cimbala. J. M. Mecnica dos Fludos

Fundamentos e Aplicaes, Mc Graw Hill, 1 Edio, 2006.