Manual Laboratório-MaqFluxo-1º2010A

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PONTIFICIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS INSTITUTO POLITÉCNICO DA PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA/MECATRÔNICA

LABORATÓRIO DE FLUIDOMECÂNICOS: PRÁTICAS DE MÁQUINAS DE FLUXO

PROFA CÉLIA MARA SALES BUONICONTRO BELO HORIZONTE EDIÇÃO - 2010

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SUMÁRIO

Apresentação...................................................................................................

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1ª aula: Introdução ao estudo das máquinas de fluxo.........................................

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2ª aula: Carneiro hidráulico................................................................................... 25

3ª aula: Curvas características de uma bomba centrífuga................................... 35

4ªaula: Associação de bombas em série e paralelo............................................. 58

5ª aula: Curvas características de uma turbina Pelton. (Bancada Gilkes)........... 75

6ª aula: Curvas características de uma turbina Francis. (Bancada Gilkes).....

97

7ª aula: Curvas características de uma turbina Pelton. (Bancada Armifield)......

120

Referências........................................................................................................... 121

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APRESENTAÇÃO As aulas de laboratório de Máquinas de Fluxo correspondem à 2ª etapa da disciplina “Laboratório de Fluidomecânicos” ofertada aos cursos de Engenharia Mecânica e Engenharia Mecatrônica. O objetivo é dar aos alunos uma visão prática da aplicação de algumas máquinas de fluxo na engenharia,

bem como, a

apresentação de problemas e soluções experimentais envolvendo tais máquinas, para estimular a percepção prática indispensável na vida profissional do futuro engenheiro. O engenheiro deve sempre ter em vista soluções econômicas e eficazes, a partir dos equipamentos e dos recursos disponíveis e não como o resultado da mais avançada técnica existente, e é dessa forma, que os alunos devem encarar as soluções apresentadas no laboratório. No entanto, o objetivo só será alcançado se o aluno, durante a aula, estiver atento aos fatos envolvidos e à sua influência nos resultados, pois é na interpretação dos resultados que terá oportunidade de simular e analisar os problemas que enfrentará em sua vida profissional. Para que os alunos alcancem essa visão mais objetiva da engenharia, dos fenômenos físicos que regem o funcionamento das máquinas de fluxo, dos processos de medição e de suas grandezas variáveis, bem como dos detalhes de sua instalação, montagem e manutenção, as aulas de laboratório de Máquinas de Fluxo foram assim distribuídas: 1ª aula: Introdução ao estudo das máquinas de fluxo. 2ª aula: Carneiro hidráulico. 3ª aula: Curvas características de uma bomba centrífuga. 4ªaula: Associação de bombas em série e paralelo. 5ª aula: Curvas características de uma turbina Pelton. (Bancada Gilkes) 6ª aula: Curvas características de uma turbina Francis. (Bancada Gilkes) 7ª aula: Curvas características de uma turbina Pelton. (Bancada Armifield)

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AULA DE LABORATÓRIO N.º 1 INTRODUÇÃO AO ESTUDO DAS MÁQUINAS DE FLUXO 1.INTRODUÇÃO Máquinas de fluxo são aquelas que fornecem ou extraem energia de um fluido. Classificam-se em máquinas térmicas e em máquinas hidráulicas. A compressibilidade e a incompressibilidade do fluido podem ser traduzidas na variação ou não do seu volume específico; e essa variação é o que vai caracterizar o tipo de trabalho da máquina de fluxo. Lembrando que: volume específico (ν) é o volume que ocupa 1 kg de peso da substância e pode ser determinado como:

ν=

1

γ

onde γ é o peso específico do fluido

A máquina térmica é aquela na qual o fluido atravessa tendo seu volume específico alterado. É o caso das turbinas a gás e dos compressores. O estudo desse tipo de máquina obedece aos princípios da Termodinâmica. A máquina hidráulica é aquela na qual o fluido atravessa mantendo seu volume específico constante. É o caso das bombas, turbinas hidráulicas e ventiladores. Todo corpo sólido, líquido ou gás é compressível, porém em determinadas situações a compressibilidade pode ser considerada desprezivel. Um líquido bombeado é considerado incompressível e, portanto tem o seu volume específico constante. A bomba responsável pelo bombeamento desse fluido é considerada uma máquina hidráulica. No caso do ar, por exemplo, para avaliar o tipo da máquina deve-se levar em conta a relação de compressão. Se a relação de compressão é menor que 1000 mm.c.água, o fluido pode ser considerado incompressível, não havendo variação do seu volume específico. Nesse caso, o trabalho de modificação da energia do fluido é feito pelo ventilador, que é considerado uma máquina hidráulica. Se a relação de compressão é maior que 1000 mm.c.de água, o fluido é

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compressível, havendo variação do seu volume específico. Para essa situação, o trabalho de modificação da energia do fluido é feito pelo compressor, que é considerado uma máquina térmica.

2. MÁQUINAS HIDRÁULICAS As máquinas hidráulicas se classificam quanto à forma de transformar a energia hidráulica em: 1) Máquinas hidráulicas operatrizes:

Exemplo: bombas, ventiladores. 2) Máquinas hidráulicas motrizes:

Exemplo: turbinas, motores hidráulicos, moinhos de vento. 3) Máquinas hidráulicas mistas:

Exemplo: carneiro hidráulico, ejetores, aspersores. 2.1 MÁQUINAS HIDRÁULICAS OPERATRIZES De uma maneira geral as máquinas hidráulicas operatrizes dividem-se em dois grupos:

6

-

Máquinas hidráulicas volumétricas ou de deslocamento positivo.

-

Turbomáquinas ou máquinas rotodinâmicas.

2.1.1 MÁQUINAS HIDRÁULICAS VOLUMÉTRICAS Como máquinas hidráulicas volumétricas, tem-se as bombas volumétricas, que se caracterizam por possuirem duas ou mais câmaras com volume variável, com o objetivo de variar a pressão. Utilizam–se da lei PV = cte. Quando o volume aumenta, a pressão cai; então a bomba aspira; quando o volume diminui, a pressão aumenta; então a bomba recalca. Para provocar a variação de volume, as bombas volumétricas utilizam o movimento alternativo ou o movimento rotativo. Nas bombas alternativas, o fluido recebe a ação das forças diretamente de um pistão ou êmbolo (pistão alongado) ou de uma membrana flexível (diafragma). Podem ser projetadas com simples efeito (vazão intermitente) ou duplo efeito (vazão contínua). Podem ser acionadas manualmente ou através de uma máquina motriz (máquina a vapor, motor elétrico, motor à combustão interna e outros). Apresentam algumas vantagens em relação às bombas centrífugas: são autoescorvantes; desenvolvem pressões mais elevadas; são mais eficientes para altas pressões e baixas vazões. E também apresentam algumas desvantagens: possuem vazão pulsátil; ocupam grande espaço; funcionam à baixa velocidade; requerem fundações mais rígidas; apresentam grandes vibrações; possuem válvulas; apresentam custo de manutenção elevado. As figuras 1 a 5 apresentam alguns modelos de bombas volumétricas alternativas e exemplos do ciclo de operação de algumas dessas bombas .

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Figura 1: Vista do modelo de uma bomba de pistão de simples efeito (a) e de uma bomba de pistão de duplo efeito (b)

Figura 2: Ciclo de operação de uma bomba de pistão de simples efeito

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Figura 3: Vista do modelo de uma bomba de êmbolo de simples efeito e de uma bomba de êmbolo de duplo efeito

Figura 4: Ciclo de operação de uma bomba de êmbolo de duplo efeito

Figura 5: Ciclo de operação de uma bomba de diafragma de simples efeito

As bombas volumétricas rotativas são muito utilizadas, por

bombearem

grande variedade de líquidos numa faixa ampla de pressões, descargas,

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viscosidades e temperaturas. Não podem funcionar com líquido que contenham substâncias em suspensão ou partículas abrasivas, uma vez que, sendo as folgas mínimas, a bomba ficaria sujeita a uma paralisação ou a um rápido desgaste. Podem ser utilizadas em: sistemas de lubrificação sob pressão; processos químicos; comandos e controles hidráulicos; transmissões hidráulicas; bombeamento de petróleo e de gases liquefeitos de petróleo; indústrias de alimentos; instalações de queimadores de óleo e outros. As figuras 6 a 11 apresentam alguns modelos de bombas volumétricas rotativas de um ou mais rotores.

Figura 6: Vista do modelo e foto de uma bomba de engrenagens retas

Figura 7: Vista do modelo de uma bomba de engrenagens internas

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Figura 8: Vista do modelo de uma bomba de palhetas deslizantes

Figura 9: Vista do modelo de uma bomba de lóbulos triplos (a) e de uma bomba de palhetas flexíveis (b)

Figura 10: Vista do modelo de uma bomba de pistões radiais (a) e de uma bomba de cavidade progressiva (b)

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Figura 11: Vista do modelo de uma bomba de parafuso (a) e de uma bomba peristáltica (b)

2.1.2 TURBOMÁQUINAS Como máquinas hidráulicas operatrizes, tipo turbomáquinas, tem-se as turbobombas e os ventiladores, que se caracterizam por possuir um ou mais rotores, são os responsáveis em transmitir a energia ao fluido e tem como princípio de funcionamento a equação de Euler. •

TURBOBOBOMBAS De acordo com a geometria do rotor as turbobombas podem se classificar em

radiais, conforme figura 12; axiais, figura 13a; ou diagonais, figura 13b.

Figura 12: Vista de rotores radiais: aberto (A), semiaberto (B) e fechado (C)

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Figura 13: Vista de um rotor axial (a) e de um rotor helicoidal (b)

De acordo com o número de entradas, encontram-se turbobombas com rotores de simples ou dupla sucção, conforme figura 14a; e de acordo com o número de rotores, encontram-se bombas monocelulares e multicelulares, conforme figura 14b.

Figura 14: Vista de um rotor de dupla sucção(a) e de uma bomba multicelular (b)

Pode-se, ainda, classificar as turbobombas de acordo com a pressão desenvolvida em: -

baixa pressão: quando a pressão desenvolvida é inferior a 15 m.c.H2O;

-

média pressão: quando a

pressão

desenvolvida

está

entre 15 e

50 m.c.H2O; -

alta pressão: quando a pressão desenvolvida é superior a 50 m.c.H2O.

E, finalmente, quanto ao posicionamento do eixo, pode-se encontrar turbobombas com eixo vertical e turbobombas com eixo horizontal. Basicamente, as turbobombas são constituídas dos seguintes órgãos:

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-

principais: rotor e difusor;

-

complementares: eixo, anéis de desgaste, caixa de gaxetas ou selo mecânico, rolamentos, acoplamento e base da bomba;

A figura 15 apresenta a vista das partes de uma turbobomba e a figura 16 apresenta modelos de turbobombas radiais em corte.

Figura 15: Vista das partes de uma turbobomba radial

Figura 16: Modelos de turbobombas radiais em corte

Geralmente, um dos maiores problemas que ocorre no sistema de vedação da turbobomba é a ocorrência de vazamento do produto bombeado, para instalações com sucção negativa, ou entrada de ar, para instalações com sucção

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positiva, no trecho em que o eixo da bomba atravessa a carcaça. Para essa vedação utiliza-se a caixa de gaxetas ou o selo mecânico ilustrados nas figuras 17a e 17b.

Figura 17: Vista de um modelo de selo mecânico (a) de uma caixa de gaxetas (b)

•

VENTILADORES O ventilador é uma turbomáquina hidráulica que transforma energia mecânica

em energia hidráulica, sendo a energia de pressão que o rotor cede ao fluido menor que 1000 mm.c.H2O. Os ventiladores podem ser classificados quanto à pressão desenvolvida como: -

baixa pressão: quando a pressão desenvolvida é inferior a 100 mm.c.H2O;

-

média pressão: quando a pressão desenvolvida está entre 100

e

300 mm.c.H2O; -

alta pressão : quando a pressão desenvolvida está entre 300 e 1000 mm.c.H2O.

E quanto à geometria do rotor os ventiladores, também, podem ser classificados: ventiladores radiais ou centrífugos; ventiladores hélicocentrífugos; ventiladores axiais, conforme ilustra a figura 18.

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Figura 18: Vista de alguns modelos de ventiladores

Os ventiladores centrífugos podem apresentar pás com diversos formatos, conforme figura 19.

Figura 19: Vista de alguns modelos de ventiladores centrífugos com formatos de pás diferentes

Quanto ao número de entradas, tem-se ventiladores que possuem rotores de simples ou dupla sucção; e quanto ao número de rotores, existem ventiladores que são montados com um ou dois rotores. A figura 20 apresenta um modelo de um ventilador de dupla sucção.

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Figura 20: Vista do modelo de um ventilador com dupla sucção

2.2 MÁQUINAS HIDRÁULICAS MOTRIZES Como exemplo de máquinas hidráulicas motrizes, existem as turbinas hidráulicas que funcionam segundo o princípio das turbomáquinas. Classificam-se de acordo com o seu grau de reação e de acordo com a trajetória da água no rotor. O grau de reação (r) de uma turbomáquina é determinado pela relação: r=

Hp Hth∞

Onde: Hp: energia de pressão comunicada ao rotor; Hth∞: energia total (pressão e cinética) comunicada ao rotor de uma bomba ideal. Considerando-se o grau de reação, as turbinas podem ser classificadas em: -

turbinas de ação: o grau de reação é igual a zero e o rotor só recebe da água energia cinética. É o caso das turbinas tipo Pelton;

-

turbinas de reação: o grau de reação é diferente de zero e o rotor recebe da água energia cinética e energia de pressão. È o caso das turbinas tipo Francis, e das turbinas tipo Kaplan e Hélice.

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Considerando a trajetória da água no rotor as turbinas classificam-se em: -

turbina tangencial: é o caso da turbina Pelton;

-

turbina radial : é o caso da turbina Francis;

-

turbina axial: é o caso da turbina Kaplan e da turbina Hélice.

A figura 21 apresenta alguns modelos de turbinas hidráulicas.

Figura 21: Vista de um rotor Pelton (a), um Francis (b) e um rotor Kaplan (c)

2.3 MÁQUINAS HIDRÁULICAS MISTAS O ejetor é apresentado como exemplo de máquina hidráulica mista que tem diversas aplicações na engenharia, sendo que uma delas é a utilização em instalações de bombeamento de poços profundos, conforme figura 22. O ejetor utiliza o principio do Venturi, pois tem uma seção variável, crescente e decrescente, para provocar a variação de velocidade (Q=VA) e consequentemente, a variação de pressão (princípio do teorema de Bernoulli). A água que vem da bomba chega ao ejetor com alta pressão (pressão do recalque da bomba mais o peso da coluna líquida). A diminuição da seção, na entrada do ejetor, aumenta a velocidade e reduz a pressão, fazendo com que a água do poço seja aspirada para dentro do ejetor. As energias – pressão e cinética - somam-se; e tanto a água que veio da bomba, quanto a água que foi aspirada do poço, entram numa seção crescente fazendo com que haja queda de velocidade e aumento de pressão. Esta será suficiente para que toda água chegue até à entrada da bomba.

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Figura 22: Vista do corte do ejetor (a) e do esquema da instalação com ejetor (b)

3. MÁQUINAS TÉRMICAS A máquina térmica é aquela que utiliza energia térmica de um fluido para realizar um determinado tipo de trabalho. Ela pode funcionar como máquina operatriz ou como máquina motriz, utilizando os mesmos princípios de uma máquina volumétrica ou de uma turbomáquina. Como exemplo, tem-se os compressores e as turbinas a gás. 3.1 COMPRESSORES Compressores são máquinas térmicas operatrizes que transformam trabalho mecânico em energia comunicada a um gás numa relação de compressão superior a 1000 mmc de água. Chegam a desenvolver pressões superiores a 30 kgf/cm2 e, conforme seu princípio de funcionamento, classificam-se em volumétricos, também conhecidos como deslocamento positivo ou rotodinâmicos, também conhecidos como turbocompressores. Os compressores volumétricos, ou de deslocamento positivo, utilizam-se da variação de volume para produzir aumento de pressão. A variação de volume se dá pelo movimento alternativo (diafragma, êmbolo ou pistão), ou pelo movimento rotativo (palhetas, parafusos, lóbulos, etc). No compressor alternativo de diafragma, conforme figura 23, o movimento pode ser feito diretamente ou indiretamente por meio de óleo, que é comprimido por

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um pistão secundário. O acionamento desse tipo de compressor normalmente é rotativo, mas eventualmente, em pequenas unidades, é adotado também o acionamento direto através de motores eletromagnéticos.

Figura 23: Compressores de diafragma

O compressor alternativo de êmbolo é acionado por um conjunto de biela manivela, que converte o movimento rotativo em alternativo. Cada êmbolo efetua o percurso de ida e volta na direção do cabeçote, estabelecendo o ciclo de operação. A figura 24 apresenta dois modelos de compressores alternativos.

Figura 24: Vista do modelo de um compressor alternativo simples estágio(a)

e um de duplo

estágio(b)

Os compressores alternativos podem ser de simples efeito, quando apenas uma das faces do êmbolo, ou pistão, comprime o gás, conforme figura 25, ou de duplo efeito, quando as duas faces do êmbolo ou pistão, comprimem o gás.

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Figura 25.: Etapas de funcionamento de um compressor alternativo de simples efeito

Na etapa de admissão, o pistão se movimenta em sentido contrário ao cabeçote, fazendo com que haja uma tendência de depressão no interior do cilindro, o que propicia a abertura da válvula de sucção. O gás é então aspirado. Ao inverterse o sentido de movimentação do pistão, a válvula de sucção se fecha, e o gás é comprimido até que a pressão interna do cilindro seja suficiente para promover a abertura da válvula de descarga. Isso caracteriza a etapa de compressão. Quando a válvula de descarga se abre, a movimentação do pistão faz com que o gás seja expulso do interior do cilindro. Essa situação corresponde à etapa de descarga e dura até que o pistão encerre o seu movimento no sentido do cabeçote. Ocorre, porém, que nem todo o gás anteriormente comprimido é expulso do cilindro. A existência de um espaço morto ou volume morto, compreendido entre o cabeçote e o pistão, no ponto final do deslocamento deste, faz com que a pressão no interior do cilindro não caia instantaneamente, quando se inicia o curso de retorno. Nesse momento, a válvula de descarga se fecha, mas a de admissão só se abrirá quando a pressão interna cair o suficiente para permitir a entrada do ar. Essa etapa, em que as duas válvulas estão bloqueadas, e o pistão se movimenta em sentido inverso ao do cabeçote, denomina-se etapa de expansão, e precede a etapa de admissão de um novo ciclo. A figura 26 apresenta dois tipos de compressores de êmbolo.

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Figura 26.: Compressores de êmbolo

O compressor volumétrico rotativo de palhetas deslizantes possui um rotor ou tambor central que gira excentricamente em relação à carcaça, conforme figura 27. Esse tambor possui rasgos radiais que se prolongam por todo o seu comprimento e nos quais são inseridas palhetas retangulares. Quando o tambor gira, as palhetas deslocam-se radialmente sob a ação da força centrífuga e se mantêm em contato com a carcaça. O gás penetra pela abertura de sucção e ocupa os espaços definidos entre as palhetas. Devido à excentricidade do rotor e às posições das aberturas de sucção e descarga, os espaços constituídos entre as palhetas se vão reduzindo, de modo a provocar a compressão progressiva do gás. A variação do volume contido entre duas palhetas vizinhas, desde o fim da admissão até o início da descarga, define, em função da natureza do gás e das trocas térmicas, uma relação de compressão interna fixa para a máquina. Assim, a pressão do gás, no momento em que é aberta a comunicação com a descarga, poderá ser diferente da pressão reinante nessa região. 0 equilíbrio é, no entanto, quase instantaneamente atingido, e o gás descarregado.

Figura 27: Compressor volumétrico rotativo de palhetas deslizantes

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O compressor volumétrico rotativo de parafusos possui dois rotores em forma de parafusos, que giram em sentido contrário, mantendo entre si uma condição de engrenamento, conforme figura 28. A conexão do compressor com o sistema se faz através das aberturas de sucção e descarga, diametralmente opostas. O gás penetra pela abertura de sucção e ocupa os intervalos entre os filetes dos rotores. A partir do momento em que há o engrenamento de um determinado filete, o gás nele contido fica encerrado entre o rotor e as paredes da carcaça. A rotação faz então com que o ponto de engrenamento vá se deslocando para frente, reduzindo o espaço disponível para o gás e provocando a sua compressão. Finalmente, é alcançada a abertura de descarga, e o gás é liberado.

Figura 28: Compressores volumétricos rotativos de parafuso

Os compressores volumétricos tipo Scroll são utilizados principalmente em sistemas de ar condicionado residenciais e comerciais. São vantajosos por ocuparem pouco espaço; são mais leves, possuem baixo nível de ruído, pouca vibração e são muito eficientes.

A figura 29 apresenta um modelo de um

compressor tipo Scroll.

Figura 29: Compressores volumétricos tipo Scroll

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Os compressores dinâmicos ou turbocompressores são utilizados para grandes massas de ar, possuem um ou mais rotores do tipo radial centrífugo, ou axial, que, trabalhando com alta rotação, transmitem às partículas gasosas energia cinética e energia de pressão. O compressor centrífugo radial é indicado quando se necessita de uma grande quantidade de ar constante. É constituído por um rotor com pás inclinadas como turbina. O ar é empurrado pelo rotor por causa de sua alta rotação e lançado através de um difusor radial onde grande parte da energia cinética é transformada em energia de pressão. Podem ter um ou mais estágios, conforme figura 30.

Figura 30 : modelos de compressores radiais

O compressor axial trabalha com altas rotações e é usado para grandes capacidades de ar. Caracteriza-se principalmente por possuir discos com palhetas em seu entorno. A carcaça que cobre estes discos também possui palhetas fixas, e cada par de palhetas fixas e móveis constitui um estágio. As palhetas rotativas do rotor transmitem velocidade ao ar, e a velocidade é transformada em pressão nas palhetas estacionárias, conforme figura 31.

Figura 31: modelo de um turbocompressor axial

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4. TRABALHO A APRESENTAR 4.1 Como tarefa da primeira aula de laboratório, o aluno deverá apresentar um trabalho conforme orientação de um dos itens abaixo: 4.1.1 Bombas

volumétricas:

Apresentar

o

esquema

de

uma

bomba

de

engrenagens e de uma bomba de palhetas deslizantes, descrevendo seu princípio de funcionamento. Dar um exemplo de aplicação prática na engenharia, de cada bomba. 4.1.2 Turbobombas: Apresentar o esquema de uma instalação industrial, utilizando uma turbobomba radial, e um, utilizando uma turbobomba axial. Identificar os componentes da instalação e explicar o funcionamento de cada uma das turbobombas. 4.1.3 Ventiladores:

Apresentar

o

esquema

de

uma

instalação,

utilizando

ventiladores radiais. Identificar os componentes da instalação. 4.1.4 Turbinas: Apresentar exemplos de usinas hidrelétricas onde estão utilizadas as turbinas do tipo: Pelton, Francis e Kaplan. Apresentar os dados técnicos da usina. 4.1.5 Ejetores: Apresentar um outro exemplo de aplicação do ejetor, explicando seu funcionamento. 4.1.6 Compressores: Apresentar o esquema de um sistema com ar comprimido em uma planta industrial utilizando um compressor volumétrico. Identificar os componentes do sistema. 4.2 Bibliografia: No final de cada trabalho o aluno deverá relacionar as referências consultadas para a elaboração do trabalho. Apresentar a notação correta, conforme normas da ABNT.

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AULA DE LABORATÓRIO N.º 2 CARNEIRO HIDRÁULICO 1.INTRODUÇÃO O carneiro hidráulico, também conhecido como “aríete hidráulico”, foi inventado pelos irmãos franceses Joseph-Michel e Etienne Montgolfier em 1797. Classifica-se como uma máquina hidráulica mista e tem características de uma máquina hidráulica operatriz e de uma máquina hidráulica motriz, pois, o seu funcionamento origina-se de uma fonte de energia hidráulica proveniente da vazão e queda da água disponível na captação. Funciona em decorrência do surgimento do golpe de aríete, que permite elevar uma parcela da água que nele penetra a uma altura superior àquela de onde a água proveio, sem necessitar do auxílio de qualquer motor externo. O rendimento volumétrico do carneiro é muito baixo, havendo considerável perda de vazão. Assim é que, apesar de conseguir elevações de nível que podem superar até 8 vezes a queda disponível, o rendimento total da conversão de energia é ainda baixo.

2. DESCRIÇÃO DO FUNCIONAMENTO Consta o carneiro de uma câmara (1), geralmente feita em ferro fundido, que armazena certo volume de água e de ar, conforme figura 1. Pelo fundo, a câmara liga-se à tubulação de adução por meio de um orifício guarnecido por uma válvula unidirecional dotada de mola calibrável, ou uma válvula basculante (V). No conjunto 2, conforme figura 1, desliza uma válvula motora composta de martelo e castelo. O martelo possui a face superior tronco-cônica e assenta-se contra uma sede conhecida como castelo, de mesma conicidade quando se acha na sua posição extrema superior. A válvula martelo é dotada de furos, em toda a sua periferia, furos pelos quais verte a água do tubo de adução sempre que a válvula não está em sua posição de fechamento.

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Figura 1: Vista da câmara e da válvula martelo

Os dois conjuntos - câmara e castelo - estão posicionados abaixo do reservatório de adução na cota H e a câmara está em comunicação direta com o tubo de recalque, conforme figura 2. Estando a coluna em repouso a pressão dentro da câmara deverá ser γh.

Figura 2: Representação da montagem do laboratório

Para obter o funcionamento do carneiro, libera-se a válvula martelo do corpo 2, colocando-se em sua posição inferior, abertura total. Estabelece-se, então, um fluxo de água do reservatório na cota H para o exterior, vertendo a água livremente pelo corpo 2, passando pelos orifícios da válvula, conforme linhas de fluxo representadas na Figura 1. Sendo a seção de escoamento formada pelos furos da válvula martelo e pelo espaço que se segue entre a mesma e a sede cônica, ou seja, o castelo, o regime

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de escoamento ali, antes que a água verta livremente, é forçado, sob forte aceleração da água. Aceleração essa que implica na redução da pressão, o que causa o desequilíbrio da válvula martelo dentro do corpo 2. Esta é, então, impelida para cima, com aceleração crescente, pois em sua face inferior, atua a pressão da adutora, que é γH, a menos da dedução devido à velocidade e às perdas por atrito. Tal pressão vence o peso próprio da válvula, mais a pressão na face superior que, é baixa, e se reduz à medida que a válvula sobe, estrangulando a seção de passagem. A subida da válvula martelo cria um progressivo efeito de frenagem sobre a massa líquida em escoamento. Quando ela atinge o seu ponto superior, fica vedada a passagem da água e produz-se, pelo fechamento brusco, um golpe de aríete. Esse golpe gera uma sobrepressão local que se propaga em onda de intensidade decrescente, no sentido montante. Tal onda, ligeiramente amortecida pelo trabalho de deformação das paredes do tubo, atinge a válvula vizinha e a força a abrir-se, dando entrada a um certo volume de líquido ∆V para dentro da câmara. Nesse instante, já a sobrepressão na adutora foi aliviada, e a diferença de pressão obriga o fechamento da válvula, que se situa na parte inferior da câmara. O ar, comprimido na parte superior da câmara, reage expandindo-se e expulsando o excesso de volume de água ∆V pela tubulação de recalque. Enquanto isso, à sobrepressão na válvula martelo (2), segue-se uma depressão devido ao fluxo em sentido contrário ao que o fenômeno causou. A válvula, que fechava a passagem no ponto superior do castelo (corpo 2), cai, obrigada pelo seu peso próprio e pela pressão atmosférica, que venceu a depressão criada na sua face inferior. Com a queda da válvula, a passagem livre para a adutora fica novamente aberta, e o ciclo recomeça, voltando a haver fluxo direto na adutora.

3. INFORMAÇÕES QUANTO À INSTALAÇÃO DO CARNEIRO Na instalação, o volume de ar contido na câmara 1 não pode ser muito pequeno, para que sua variação de volume, dentro dos níveis de pressões extremas a que é submetido, permita uma vazão recalcada satisfatória , por ciclo.

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É necessário, igualmente, que a distância do reservatório de origem até o carneiro não seja muito pequena, a fim de que a onda de sobrepressão não encontre menor resistência para se propagar pelo tubo adutor, do que para abrir a válvula V. É recomendável que o comprimento do tubo de alimentação varie entre 3 a 8 vezes o desnível H da admissão. Se o valor de H for de 2 a 2,5 m, então o comprimento do tubo não deve ser inferior a 6H. Se o valor de H for menor que 2 m, então o tubo de alimentação deve ser igual de 8H a 10H. Para o recalque, o tubo deve ser o mais reto possível, ou seja, com o mínimo de curvas para evitar perdas. Deverá ter um diâmetro de 1/3 a ½ do valor correspondente ao tubo de alimentação do carneiro. Recomenda-se o valor de h, altura de recalque entre 6H e 10H. O rendimento energético do carneiro é baixo. Tem-se:

ηT = (Potência hidráulica saída)/(Potência hidráulica entrada) Ou seja,

ηt = γqh / γQH

(1)

onde: h = altura de recalque;

H = altura de queda;

q = vazão recalcada;

Q = vazão aduzida. A tabela 01 apresenta alguns valores de rendimentos apresentados pelos fabricantes. TABELA 1 RELAÇÃO: h/H

RENDIMENTO TOTAL: ηT

RENDIMENTO VOLUMÉTRICO: ηv

2/1

0,70

0,35

3/1

0,57

0,19

4/1

0,48

0,12

5/1

0,40

0,08

6/1

0,36

0,06

7/1

0,28

0,04

Fonte: Andrade (1972)

As tabelas 2 e 3 apresentam algumas recomendações de fabricantes para instalações do carneiro hidráulico.

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TABELA 2 Volume de água de Nº

adução em litros/min

Diâmetro das canalizações Adução

Recalque

2

3 - 7,5

3/4”

3/8”

3

6 –15

1”

½”

4

11 – 26

1 ¼”

½”

5

22 – 53

2”

3/4”

6

45 - 94

2 ½”

1”

Fonte: Companhia Liderwood Industrial TABELA 3 Diâmetro dos encanamentos Nº

Água elevada (litros/ hora)

Vazão aduzida Adução

Recalque

Valores da relação h/H

Litros/min

2

6/1

8/1

10/1

12/1

32

20

12

-

44

28

18

-

44

28

18

11

10

64

40

25

16

15

95

60

38

24

20

128

80

50

31

25

160

100

63

40

160

100

63

40

35

225

140

88

55

45

285

180

112

72

285

180

112

72

60

380

240

150

95

75

480

300

186

120

480

300

186

120

100

640

400

250

160

125

800

500

330

200

5

3/4”

3/8”

7 3

5

6

7

7

25

45

75

1”

2”

2 ½”

3”

½”

1”

1 ¼”

1 ½”

Fonte: Companhia Liderwood Industrial

30

4. ESQUEMA DA INSTALAÇÃO DO CARNEIRO DO LABORATÓRIO A figura 3 apresenta um esquema da instalação do laboratório com o uso da qual tem-se condições para as medidas do rendimento energético e rendimento volumétrico do carneiro.

Figura 3: Esquema da montagem do laboratório

LEGENDA DA FIGURA 3 1. Câmara. 2. Corpo da Válvula. 3. Tanque de captação (nível constante). 4. Linha adutora. 5. Linha de recalque. 6. Tanque superior. 7. Tanque para a medição da vazão recalcada. 8. Tanque para medição das perdas de vazão. 9. Tubo de plástico para medição da variação de nível do tanque 7. 10. Tubo de plástico para medição da variação de nível do tanque 8.

31

5. TESTES A SEREM REALIZADOS Os testes a serem realizados no laboratório consistem em: 5.1 Estabelecer um curso para a válvula 2 da figura 1. O curso da válvula é determinado pelo posicionamento da porca na haste rosqueada. Para a instalação do laboratório, o passo da rosca é de 1,25 mm. Podese variar esse curso variando o número de voltas da porca na haste de 1 a 3 voltas e meia. 5.2 Para cada curso da válvula, estabelecer um tempo de funcionamento para o carneiro. 5.3 Após o tempo estabelecido, medir a variação do nível dos tanques, através dos tubos de plástico transparente. 5.4 Calcular as vazões recalcada (q), perdida (q’) e aduzida (Q). O tanque 7 coleta a vazão recalcada (q) pelo carneiro, enquanto o tanque 8 coleta a vazão perdida (q’). Sendo: q = S7 x h7 / t

(2)

q’ = S8 x h8 / t

(3)

Q = q + q’ (4)

Onde: S7 = área da base do tanque 7(S7 = 1.632 cm2); h7 = variação do nível do tanque 7; S8 = área da base do tanque 7 (S8 = 3.706 cm2); H8 = variação do nível do tanque 8; t = tempo de funcionamento. 5.5 Calcular os rendimentos energéticos e volumétricos do carneiro para os diversos cursos da válvula. Para o cálculo desses rendimentos considera-se: ηt = q x h / Q x H

(5)

e

ηv = q / Q

(6)

Sendo: ηt = rendimento energético do carneiro;

ηv = rendimento volumétrico do

carneiro; q = vazão recalcada em l/min; Q = vazão aduzida para o carneiro em l/min;

32

h = altura de elevação da água ( h = 3,85 m); H = altura de queda disponível ( H = 1,85 m). 5.6 Registrar os resultados na folha de teste.

6. RELATÓRIO A APRESENTAR A apresentação do relatório deve seguir o seguinte roteiro: 6.1 .Introdução: 6.1.1. Objetivo: Descrever sucintamente os objetivos pretendidos na experiência proposta. 6.1.2. Conceituação teórica: • Apresentar os conceitos teóricos relativos aos objetivos apresentados. • Descrever o fenômeno do golpe de aríete.

6.2

Desenvolvimento:

6.2.1 Procedimento experimental: Fazer uma descrição sucinta do experimento. 6.2.2 Equipamentos: Apresentar uma especificação dos equipamentos utilizados na experiência e um esquema da instalação com legenda. 6.2.3

Dados obtidos: Apresentar as fórmulas utilizadas e a folha de teste preenchida.

6.3

Análise dos dados: • Fazer uma análise dos dados obtidos, procedimentos de utilização dos

dados, exatidão dos resultados e possíveis causas de erro. • Fazer uma comparação entre os resultados obtidos para os diferentes

cursos da válvula. 6.4

Conclusão: Fazer um comentário claro e ordenado sobre as conclusões tiradas dos resultados do trabalho.

6.5

Bibliografia: Relacionar as referências consultadas para a elaboração do relatório, conforme recomendação da ABNT. (consultar site da biblioteca da PUC Minas).

33

FOTOS DA BANCADA DO LABORATÓRIO

34

✄--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------FOLHA DE TESTE DO CARNEIRO RESPONSAVEL:

CURSO:

DATA:___/___/___

Abertura da válvula

Curso da válvula

Tempo

Variação do nível do tq 7

Volume do tq 7

Variação do nível do tq 8

Volume do tq 8

Vazão recalcada

Vazão perdida

Vazão aduzida

Rendimento volumétrico

Rendimento total

A

C

(t)

(h7)

(V7)

(h8)

(V8)

(q)

(q’)

(Q)

(η ηv)

(η ηt)

%

mm

min

cm

cm

3

cm

cm

l/min

l/min

l/min

%

%

Dados: H = 1,85 m

Área da base do tanque 7 : h7 = 1632 cm

h = 3,85 m

Área da base do tanque 8: h8 = 3706 cm

2

2

3

35

AULA DE LABORATÓRIO Nº 3 CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA 1.INTRODUÇÃO Quando se pretende desenvolver o projeto do rotor de uma bomba centrífuga toma-se como ponto de partida as condições de operação, ou seja, a vazão (Q) e a altura manométrica (Hman), em que a máquina irá trabalhar. A rotação de acionamento (n) e todas as dimensões do rotor são determinadas para que a bomba possa produzir, nas condições de projeto, o seu melhor desempenho. No entanto, a bomba projetada poderá ser solicitada a operar em condições diversas às do projeto, e para tal, há a necessidade de se conhecer o seu comportamento em tais condições. Normalmente, o fabricante, através de testes realizados no modelo ou protótipo e registrados sob a forma de curvas características, verifica todas as possibilidades de funcionando da bomba dentro de um determinado campo de aplicação. As bombas podem ser acionadas por motores elétricos de corrente contínua ou corrente alternada, por motores de combustão interna à gasolina ou à diesel, por turbinas a vapor, por motores hidráulicos; mas em situações mais comuns de bombeamento, a bomba trabalha acoplada a um motor elétrico de rotação constante. Se houver a necessidade de variar a vazão, normalmente se fazem alterações na abertura do registro de recalque. Se a bomba trabalha nas condições de projeto, deverá desempenhar o seu melhor rendimento (ηmax), consumindo potência (N) mínima; mas se as condições de trabalho são modificadas, é importante saber o que acontece com o desempenho da bomba. Portanto, para o usuário, conhecer as curvas características das bombas é importante, pois: 1. Possibilita a escolha correta do equipamento destinado a executar determinado tipo de serviço. 2. Permite fazer uma previsão do desempenho da máquina, quando, por razões diversas, houver a necessidade de variar as condições de serviço.

36

Quanto se faz o ensaio de uma bomba, inicialmente, é estabelecida uma rotação de acionamento, uma vez que, a cada rotação, a bomba desempenha um determinado comportamento.

A partir dessa rotação, a abertura do registro de

recalque é alterada, de modo que os dados apurados permitem registrar as seguintes curvas: 1. Curva Hman = f (Q): Variação da altura manométrica em função da vazão para a rotação constante. 2. Curva N = f (Q): Variação da potência necessária ao acionamento em função da vazão para a rotação constante. 3. Curva η = f (Q): Variação do rendimento em função da vazão para a rotação constante. Para uma bomba radial centrífuga comum (pás inclinadas para trás, ou seja, ângulo menor que 90º), as curvas acima mencionadas têm o aspecto representado na figura 1.

Figura 1: Curvas características de uma bomba centrífuga, para rotação constante

A alteração na rotação de acionamento da bomba provoca modificações em seu comportamento e, consequentemente, nas curvas características; então, repetir o teste para outras rotações significa apresentar as possibilidades do campo de aplicação de uma mesma bomba, já que em outras rotações a bomba poderá também demonstrar um bom desempenho. Pelas leis da semelhança mecânica sabe-se que para pontos de mesmo rendimento situados sobre curvas de diferentes rotações, são válidas as Equações de Rateaux onde tem-se:

37

Q n = ' ' Q n

(1)

n  H =  '  ' H n 

2

3

(2)

N n =   (3) N '  n' 

Sendo: H = altura manométrica; Q = vazão; N = potência na rotação; n = rotação. Assim, se o teste da bomba for feito para diferentes rotações, os pontos de mesmo rendimento podem ser anotados nas curvas de H = f (Q), de forma a se obter o traçado da curva de isorrendimento, conforme figura 2 :

Figura 2: Processo de obtenção da curva de isorrendimento

A partir da construção de várias curvas de isorrendimento, considerando as diferentes rotações do teste, obtém-se o chamado diagrama topográfico da bomba, cujo aspecto é mostrado na figura 3.

38

Figura 3: Diagrama topográfico de uma bomba centrífuga operando diferentes rotações

As curvas de isorrendimento ou isoeficiência são chamadas de parábolas de isorrendimento e obedecem à seguinte equação: Q2 = cte H

(4)

Os diagramas topográficos, também chamados de diagramas de isoeficiência de uma bomba, constituem, assim, o mais completo retrato do desempenho da bomba, pois espelham o seu comportamento em todas as condições de serviço em que a mesma pode operar. Algumas vezes, contudo, o fabricante prefere fornecer o diagrama de isoeficiência, não em função de diferentes rotações, mas sim em função de rotores de diversos diâmetros que a bomba comporta. Vale lembrar que, se há necessidade de adequar a bomba a uma determinada situação é mais econômico variar o diâmetro externo do rotor através do processo de usinagem do que variar a rotação, pois, nesse caso, haveria sérios inconvenientes, como exigência de um motor de acionamento de corrente continua, ou no caso do motor de corrente alternada, seria necessário um variador mecânico de rotação, ou de um conversor de freqüência. O aspecto das curvas seria o mesmo, conforme figura 4, já que a variação do diâmetro provocará o mesmo deslocamento nas curvas que a rotação, pois a velocidade

tangencial

U,

uma

das

grandezas

responsáveis

pela

energia

desenvolvida pela bomba, é diretamente proporcional ao raio e à rotação, ou seja,

39

Hman α U

sendo U = ω r.

(5)

Figura 4: Diagrama topográfico de uma bomba centrífuga para rotores de diferentes diâmetros

2. ESQUEMA DA BANCADA DE TESTE DO LABORATÓRIO A figura 5 apresenta uma vista de frente da instalação do laboratório constituída essencialmente das seguintes partes: 1- Bomba centrífuga a ser ensaiada. 2 - Motor de acionamento. 3 - Medidor de força. 4 - Medidor de pressão. 5 - Medidor de rotação. 6 - Painel digital. 7 - Registro para controle de vazão. 8 - Medidor de vazão. 9 - Reservatório inferior. 10 - Reservatório superior

Figura 5: Vista de frente da bancada de teste da bomba

40

3. PARTES COMPONENTES DA BANCADA 3.1 Bomba a ser ensaiada A bomba existente na instalação é uma bomba centrífuga, conforme figura 6, com rotor do tipo radial, que apresenta as seguintes dimensões:
D2 (diâmetro externo do rotor) = 139,7 mm;
D1 (diâmetro interno do rotor) = 41,27 mm;
β2 (ângulo de inclinação da palheta à saída) = 30,50;
β1 (ângulo de inclinação da palheta à entrada) = 440;
b2 ( largura do rotor à saída ) = 3,97 mm;
b1 ( largura do rotor à entrada ) = 10,71 mm;
Z (número de palhetas ) = 5.

Figura 6: Vista explodida da bomba

3.2 Motor de acionamento Um motor dinamométrico com carcaça pendular é o responsável pelo acionamento da bomba. Suas principais características são:
Potência: 3 cv;

Rotação nominal: 3000 rpm;

Amperagem: 15 A; Corrente: Contínua.

Voltagem: 220 V;

41

A seguir é apresentado, conforme figura 7, um diagrama que explica o funcionamento da parte elétrica da instalação. O diagrama mostra como se processa a mudança na natureza da corrente, ou seja, de corrente alternada para corrente contínua.

Figura 7: Diagrama de bloco da parte elétrica

Para elucidar ainda mais a parte elétrica do sistema, são úteis algumas observações. Considerando a seguinte expressão:

n= Onde:

Varm− RaIa− 2∆v kΦ

(6)

42


n = rotação; Varm = tensão aplicada na armadura; RaIa = queda de tensão na armadura; 2 ∆v = queda de tensão na escova (constante); k = constante de projeto no motor; Φ = fluxo (constante devido à montagem). Assim, mantendo Varm constante, haverá ligeira variação da velocidade com a carga mecânica provocada pela variação de Ia (Ra = constante da máquina). A esta variação da velocidade dá-se o nome de Regulagem de Máquina, sendo esta definida por: reg (%) =

nvazio − nc arg a x100 nvazio

(7)

Por isso, para se levantar a característica da bomba em uma rotação constante, é necessário o ajuste da velocidade do motor para cada ponto da curva da bomba, ou seja: Tensão constante no campo Tensão ajustável na armadura

fluxo constante; velocidade ajustável.

3.3 Medidor de força A função deste medidor é medir a força exercida pelo braço do motor dinamométrico e, consequentemente, permitir a determinação do torque e da potência no eixo da bomba. A figura 8 apresenta uma vista do conjunto, que é constituído essencialmente das seguintes partes: 1)

Base do conjunto.

2)

Braço

do

motor

dinamométrico de comprimento R. 3)

Figura 8: Vista do medidor de força

Célula de carga

43

A célula de carga é utilizada na montagem como transdutor de medição de força. Seu principio baseia-se na variação da resistência ôhmica de um sensor denominado extensômetro ou “strain gage”, quando submetido a uma deformação. O extensômetro ou “strain gage”, conforme figura 9, é um resistor composto de uma finíssima camada de material condutor, depositado sobre um composto isolante, que é colado sobre a estrutura em teste com auxílio de adesivos como epóxi ou cianoacrilatos. Pequenas variações de dimensões da estrutura são transmitidas mecanicamente ao “strain gage”, que transforma essas deformações físicas em variações equivalentes de sua resistência elétrica, motivo pelo qual são definidos como transdutores.

Figura 9: Sensor tipo extensômetro

Na célula de carga são utilizados quatro extensômetros ligados entre si segundo a ponte de Wheatstone, conforme figura 10, e o desbalanceamento da mesma, em virtude da deformação dos extensômetros, é proporcional à força que a provoca. É através da medição desse desbalanceamento que se obtém o valor da força aplicada.

Figura 10: Modelo de uma ponte de Weatstone

44

Na condição de equilíbrio inicial tem-se: R Gauge1 = R Gauge2 = R Gauge3 = R Gauge4 = R Os extensômetros são colados a uma peça metálica denominada corpo da célula de carga modelo S de alumínio anodizado, conforme figura 11, e inteiramente solidários a sua deformação. A força exercida pelo braço do motor dinamométrico atua, portanto, sobre o corpo da célula de carga e sua deformação é transmitida aos extensômetros que, por sua vez, medirão sua intensidade.

Figura 11: Modelo de célula de carga

O sinal elétrico (sinal analógico) gerado pelo sensor normalmente é um sinal de baixa energia, difícil de ser indicado; por isso quase sempre passa por uma unidade de tratamento de sinais onde será amplificado, filtrado e processado. O dispositivo mostrador recebe o sinal tratado e, através de recursos eletrônicos, transforma-o em um número inteligível ao usuário (sinal digital), ou seja, produz uma indicação direta perceptível, conforme figura 12.

Figura 12: Tratamento do sinal mecânico

45

A conversão do sinal analógico para digital é feita por um conversor A/D que recebe uma tensão analógica de entrada e, depois de um certo tempo, produz um código digital de saída que representa a entrada analógica. As figuras 13, 14 e 15 apresentam um exemplo genérico de como é feita a transformação do sinal.

Figura 13: Representação do sinal analógico

Os sinais analógicos (sinais elétricos) podem ser representados por uma soma de senóides de frequência mínima e maior que zero que representam a informação por meio de sua amplitude

Figura 14: Representação do sinal binário

46

O sinal digital é representado pelo código binário, o qual, para representar uma dada informação (sinal analógico), precisa de um certo número de variáveis binárias. A conversão do sinal analógico/digital é feita de acordo com a tensão gerada que pode se transformar em uma palavra de n bits, conforme exemplo da figura 15.

Figura 15 Conversão analógico/digital

O braço de comprimento R, conforme figura 8, exerce pressão sobre a célula de carga que, a partir da deformação, envia o sinal para o painel digital onde se lê o valor da força F aplicada. Considerando: F: força exercida pelo braço em N; R: comprimento do braço em m (na instalação R = 0,16 m); M: torque em kgfm; Nef: potência efetiva em kgfm/s; n: rotação em rpm; ω : velocidade angular em radianos / segundo. E como:

N

= M

× ω

(8)

Sendo:

M =

F × R 9 , 81

(9) e ω = 2 π × n (10 ) 60

E efetuando os cálculos das constantes de (9) e (10) tem-se: Nef

= 1 , 708 × 10

−3

× F × n

(11)

47

3.4 Medidor de pressão Na verdade, interessa medir a altura manométrica da instalação (Hman). De forma geral, utiliza-se a fórmula: Hman = M + V + y

(12)

Onde: M: leitura do manômetro; V: leitura do vacuômetro; Y: cota entre os mostradores do manômetro e vacuômetro. A bomba instalada está afogada, então a leitura do vacuômetro seria nula e na bancada o valor do y pode ser desconsiderado, portanto temos:

Hman = M

(13)

Onde: M = leitura no painel digital em Bar. Então,

Hman = M × 10,2 em metros de coluna d’água.

(14)

Para medir o valor da pressão à saída da bomba foi montado um transdutor elétrico de pressão piezorresistivo, que basicamente utiliza o mesmo princípio da célula de carga já mencionada no item 3.3, conforme figura 16. Dá-se o nome de "efeito piezorresistivo" à alteração de resistência de um condutor elétrico submetido a uma determinada tensão mecânica. Condutor que pode ser um fio ou, como é mais comum ser encontrado, um metal depositado em uma placa de filme fino.

Figura 16: A configuração da "ponte de Wheatstone"

48

O transdutor de pressão do laboratório é o modelo PSI 420 da Zürich Indústria e Comércio LTDA, cujas características estão apresentadas, nas figuras 17, 18 e 19.

Características: Grau de Proteção do Invólucro: IP-65 (conforme normas ABNT). Material do Invólucro: Aço inoxidável AISI 304 (316 opcional). Vedações: Anéis o’ring, borracha nitrílica. Tipo de Sensor: Piezorresistivo. Sobrepressão: 2 X Fundo de escala. Sinal de Saída: 4 - 20 mA (opcional:0 – 5 Vcc / 0 - 10 Vcc) Precisão do Sinal:< 0,1%. Resolução da Saída Analógica: Infinita. Temperatura do Fluído: -40 +125°C (opcional até 400 °C). Temperatura do Invólucro: 55°C. Precisão, Histerese, Repetibilidade, Linearidade: 0,5% F.E. (Opcional 0,25% F.E ou 0,1%F.E).

Figura 17: Modelo e características do transdutor PSI 420 da Zürich Indústria e Comércio LTDA

Figura 18: Diagrama esquemático de um manômetro com sensor piezorresistivo .

Figura 19: Instruções de ligação do transdutor

49

O sinal de saída do transdutor elétrico de pressão é um sinal elétrico de amplitude apropriada, resposta de frequência, duração de um impulso, que são causados pela variação da resistência do transdutor, conforme já mencionado no item 3.3, que passa por uma unidade de tratamento de sinais de forma a torná-lo perceptível como sinal digital no painel de leitura. 3.5 Medidor de rotação A medição da rotação é feita por um sensor rotativo óptico acoplado diretamente ao eixo do motor para medir a posição do eixo do mesmo, conforme figura 20. É também conhecido como encoder e tem a forma de um disco com marcas ou perfurações; possui longa vida útil, alta precisão e médio custo e fornece medidas absolutas ou incrementais, de acordo com as necessidades de cada aplicação. O princípio de funcionamento consiste na colocação de emissores e receptores de luz na parte móvel, fixa à base do movimento ou vice-versa, o que permite a passagem ou a reflexão apenas de feixes seletivos de luz emitidos, e que serão detectados pelos receptores e indicarão a posição da parte móvel em relação à fixa.

Figura 20: Vista do medidor de rotação

O sensor fornece uma resposta discreta em função da luminosidade, ou seja, uma saída do tipo “ligado-desligado”. Para isso, é instalado um circuito eletrônico, conforme figura 21, tendo como base um comparador, que transforma a resposta do sensor em uma resposta eletrônica discreta, fornecendo um nível de tensão dentro de padrões estabelecidos.

50

Figura 21: Diagrama esquemático do sensor ativado pela luz

3.6 Medidor de vazão A medição da vazão é feita por meio de um vertedor triangular. Os vertedores são dispositivos largamente empregados na medição de águas correntes, consistindo de uma abertura com geometria definida e colocada no alto de uma parede, equivalendo, desse modo, a um orifício sem a borda superior, por onde a água escoa livremente. Para medições de vazões pequenas e irregulares emprega-se, de preferência, o vertedor triangular, conforme figura 22.

Figura 22: Vista do vertedor triangular

51

A vazão para este tipo de vertedor é dada por: 5 2

Q = 1, 4 H tg

α 2

(15)

Sendo: Q = vazão; H = altura da lâmina d’água sobre o vertedor, medida a uma distância (L) do vertedor, pelo menos igual a 4 x H; α = ângulo do vértice do triângulo. No caso da instalação, α =90º. Então,

Q = 1,4 H

5 2

(16)

Na instalação, entretanto, dispensa-se o cálculo de Q, tendo em vista a existência de uma escala duplamente calibrada onde se tem de um lado, o valor da lâmina d’água H em m, e do outro, o valor da vazão Q’ em m3/min. Chamando de: Q’ = vazão em m3/min; Q =vazão em m3/s. Tem-se: Q=

Q' 60

(17)

4.TESTE A SER REALIZADO O teste consiste em simular situações na bancada que possibilitem levantar dados de vazão (Q), Pressão (M), força (F) e rotação (n) para a obtenção das curvas características da bomba e consequentemente construir o diagrama topográfico. Antes de iniciar o teste, são necessários alguns cuidados, para que os valores obtidos nos medidores sejam os mais exatos possíveis.

52

4.1 Procedimentos iniciais: •

Antes de LIGAR a unidade, ZERAR o controle de rotação. Uma chave especial impede a partida sempre que o mesmo não estiver zerado.

•

Fechar o registro de recalque antes da partida e antes do desligamento, a fim de evitar sobrecarga no motor.

•

Verificar se os indicadores do painel digital estão ZERADOS.

•

Verificar se o braço do motor-dinamométrico está corretamente assentado sobre o topo da célula de carga.

•

Trocar a água quando a mesma apresentar sinais de descoloração.

•

Antes de começar qualquer teste, assegurar-se de que a unidade esteja corretamente nivelada.

4.2 Realização do teste para a obtenção das curvas Hman = f(Q),

N = f(Q) e

η = f(Q) para n constante:

Etapas do teste: •

Ligado o conjunto, girar o controle de rotações até que o motor adquira a rotação desejada.

•

Com o REGISTRO FECHADO, fazer as leituras no painel digital, da força (F) em N, da Pressão (M) em Bar e rotação (n) em rpm. A vazão (Q’) será lida na escala do vertedor em m3/min sendo, nesse caso, Q’ = zero. Obtidas as leituras, fazer a anotação na folha de teste.

•

Abrir um pouco o registro para que haja a fluência de uma pequena vazão. Antes de fazer as leituras de F, Hman e Q’, CORRIGIR A ROTAÇÂO que sofreu uma pequena variação ao ser alterada a carga mecânica da bomba.

•

CORRIGIDA A ROTAÇÂO fazer as novas leituras de F, Hman e Q’ e anotar os resultados na folha de teste.

53

•

Repetir a operação para diversas posições de abertura do registro e anotar os resultados sem se esquecer de CORRIGIR para cada operação a rotação.

•

Repetir a operação para os resultados duvidosos.

•

Procedendo de maneira análoga à descrita efetuar os testes para diversas rotações.

4.3 Construção das curvas Hman = f(Q), N = f(Q) e η = f(Q) para as diversas rotações e obtenção do diagrama topográfico: •

Após a realização do teste completar as demais colunas da folha de teste: A potência no eixo utilizando, fórmula (11) é calculada para cada vazão. O rendimento total, também calculado para cada vazão é dado pela

fórmula:

ηt =

N absorvida N efet

(18)

Sendo: N absorvida = γQHman

(19)

Onde: Q= •

Q' ; 60

Hman = M

;

Hman = M × 10 , 2

Com os dados da folha de teste construir as curvas Hman = f(Q), N = f(Q) e η = f(Q) para as diversas rotações.

•

A construção do diagrama topográfico será feita tomando-se os pontos de mesmo rendimento nas curvas de η = f(Q) e marcando-os nas curvas de Hman = f(Q). A união desses pontos formará as curvas de isorrendimento, conforme apresentado na figura 2.

54

5. RELATÓRIO A APRESENTAR A apresentação do relatório deve seguir o seguinte roteiro: 5.1 Introdução: 5.1.1. Objetivo: Descrever sucintamente os objetivos pretendidos na experiência proposta. 5.1.2. Conceituação teórica: Apresentar os conceitos teóricos relativos aos objetivos apresentados aos parâmetros utilizados no traçado das curvas. 5.2 Desenvolvimento: 5.2.1 Procedimento experimental: Fazer uma descrição sucinta do experimento e do processo de obtenção do diagrama topográfico. 5.2.3 Equipamentos: Apresentar uma especificação dos equipamentos utilizados na experiência e um esquema da instalação com legenda. 5.2.4 Dados obtidos: Apresentar as fórmulas utilizadas e as folhas de teste preenchidas. 5.2.5 Gráficos de análise: Fazer os gráficos Hman =f(Q), ηt=f(Q), Nef = f(Q) para as diferentes rotações utilizadas no teste. 5.2.6

Diagrama topográfico: Construir o diagrama topográfico da bomba com, no mínimo, três curvas de isorrendimento.

5.3 Análise dos dados: •

Fazer uma análise dos dados obtidos, procedimentos de utilização dos dados, exatidão dos resultados e possíveis causas de erro.

•

Responder: Por que, normalmente, os fabricantes preferem apresentar as curvas das bombas para diversos rotores semelhantes, com diâmetros diferentes, ao invés de apresentá-las para um mesmo rotor, com rotações diferentes, como foi feito o teste no nosso laboratório? Justifique.

5.4 Conclusão: Fazer um comentário claro e ordenado sobre as conclusões tiradas dos resultados do trabalho. 5.5 Bibliografia : Relacionar

as referências consultadas para a elaboração do

relatório, conforme recomendação da ABNT. (consultar site da biblioteca da PUC Minas).

55

FOTOS DA BANCADA DO LABORATÓRIO

56

✄-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------PÁGINA 1 FOLHA DE TESTE DA BOMBA RESPONSAVEL: ROTAÇÃO

n rpm

CURSO:

DATA:___/___/___

FORÇA NO EIXO

POTÊNCIA NO EIXO

MANÔMETRO

ALTURA MANOMÉTRICA

VAZÃO RECALCADA

VAZÃO RECALCADA

POTÊNCIA ÚTIL

RENDIMENTO TOTAL

F

Nef

M

Hman

Q’

Q

Nabsorv

ηt

3

Kgfm/s

%

N

Kgfm/s

Bar

m

3

m /min

m /s

57

✄-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------PÁGINA 2 FOLHA DE TESTE DA BOMBA RESPONSAVEL: ROTAÇÃO

n rpm

CURSO:

DATA:___/___/___

FORÇA NO EIXO

POTÊNCIA NO EIXO

MANÔMETRO

ALTURA MANOMÉTRICA

VAZÃO RECALCADA

VAZÃO RECALCADA

POTÊNCIA ÚTIL

RENDIMENTO TOTAL

F

Nef

M

Hman

Q’

Q

Nabsorv

ηt

3

Kgfm/s

%

N

Kgfm/s

Bar

m

3

m /min

m /s

58

AULA DE LABORATÓRIO N.º 4 ASSOCIAÇÃO DE BOMBAS EM SÉRIE E PARALELO 1.INTRODUÇÃO É frequente associar bombas em instalações elevatórias de água ou esgoto, em instalações industriais, com o objetivo de ampliar o campo de variação da vazão e da altura manométrica, flexibilizar a operação do sistema e aumentar a segurança operacional. Pode-se associar duas ou mais bombas numa mesma instalação em série ou em paralelo. 1. 1 Associação em série A associação em série visa aumentar a energia fornecida ao fluido e é utilizada em instalações com grandes alturas de elevação, ou então, quando há necessidade do desenvolvimento de grandes pressões. É possível obter a associação em série de duas maneiras diferentes: -

Colocação de mais de um rotor no mesmo eixo da bomba (bombas multicelulares), conforme figura 1.

Figura 1: Associação em série em uma mesma carcaça

-

Colocação de duas ou mais bombas independentes interligadas, conforme figura 2. Nesse caso, a descarga de cada bomba é conectada à sucção da seguinte, de modo que a vazão será a mesma em todas as bombas, enquanto que a pressão total do sistema será a soma das pressões desenvolvidas pelas bombas associadas.

59

Figura 2: Associação em série de bombas independentes

A curva característica, Hman = f (Q), do conjunto, é obtida a partir das curvas de cada uma das bombas, somando-se as alturas manométricas correspondentes aos mesmos valores de vazão, conforme figura 3.

Figura 3: Processo de obtenção da curva da associação em série

1.2 Associação em paralelo A associação em paralelo visa aumentar a vazão recalcada e dar ao sistema uma maior flexibilidade, em termos de atendimento da demanda, através da retirada ou colocação das unidades em funcionamento. É muito utilizada em abastecimento de água de cidades e serviços industriais. Pode ser feita, também, de duas maneiras diferentes: -

Colocação de um rotor de dupla sucção, conforme figura 4.

60

Figura 4: Associação em paralelo em uma mesma carcaça

-

Colocação de duas ou mais bombas independentes interligadas, conforme figura 5. Nessa associação, a tubulação de recalque de cada bomba é conectada à tubulação de recalque do sistema, de modo que a pressão, na saída, será a mesma em todas as bombas, enquanto que a vazão total será a soma das vazões desenvolvidas pelas bombas associadas.

Figura 5: Associação em paralelo de bombas independentes

A curva característica, Hman = f (Q), do conjunto, é obtida a partir das curvas de cada uma das bombas, somando-se as vazões correspondentes aos mesmos valores de alturas manométricas, conforme figura 6.

61

Figura 6: Processo de obtenção da curva da associação em paralelo

2. ESQUEMA DA BANCADA DE TESTE DO LABORATÓRIO A figura 7 apresenta uma vista de frente da instalação do laboratório, que é constituída essencialmente das seguintes partes: 1) Conjunto moto bomba 1. 2) Conjunto moto bomba 2. 3) Reservatório. 4) Medidores de vazão. 5) Medidores de pressão. 6) Registros controladores de vazão. 7) Quadro elétrico de comando e controle.

62

Figura 7: Vista de frente da bancada de teste da associação de bombas

3. PARTES COMPONENTES DA BANCADA 3.1 Conjunto moto bomba 1 Trata-se de uma bomba centrífuga, acionada por um motor elétrico de dupla velocidade de rotação com as seguintes características:


Diâmetro externo do rotor = 130 mm;


Número de palhetas = 7;
Rotação de acionamento baixa = 1400 rpm;
Pressão máxima para a baixa rotação = 0,6 kg/cm2;
Vazão máxima para baixa rotação = 21;
Potência máxima para baixa rotação = ... Hp;
Rotação de acionamento alta = 2800 rpm;
Pressão máxima para a alta rotação = 2,5 kg/cm2;

63


Vazão máxima para a alta rotação = 40;
Potência máxima para a alta rotação = 5,5 Hp. 3.2 Conjunto moto bomba 2 Trata-se de uma bomba centrífuga com características análogas à anterior, mas acionada por um motor dinamométrico capaz de permitir o valor do torque no seu eixo de rotação. 3.3 Reservatório A bancada possui um reservatório, com capacidade de 1200 litros, dividido em duas partes: uma para a vazão recalcada e outra para a vazão aspirada, com um sistema de intercâmbio entre as partes, permitindo nível de água constante e funcionamento contínuo do grupo. 3.4 Medidores de vazão Trata-se de dois medidores tipo rotâmetro instalados em derivação na saída de cada bomba. O rotâmetro, também conhecido como fluxômetro, consiste em um tubo de vidro de seção crescente dentro do qual existe um flutuador de metal que se movimenta conforme a velocidade do fluido. Ele é montado na posição vertical, diretamente na linha de acionamento do

fluido,

conforme

figura

8.

A

extremidade de menor diâmetro está na parte inferior e é a entrada do fluido. A folga ou o espaço anular entre o flutuador e o diâmetro interno do tubo forma um orifício de área variável. O flutuador alcança uma posição de equilíbrio, quando a força ascendente do fluido, passando pelo espaço anular, torna-se igual à força descendente do flutuador. A vazão

64

(Q’) é lida diretamente em uma escala graduada no próprio tubo. Figura 8: Vista do rotâmetro da bancada de teste

Chamando de: Q’ = vazão em m3/h e Q =vazão em m3/s. Teremos: Q=

Q' 3600

(1)

Obs: Para a associação em paralelo considerar

Q

' total

'

'

1

2

= Q +Q

(2)

3.5 Medidores de pressão Estão instalados na bancada dois vacuômetros, sendo um na entrada da bomba 1 e outro na entrada da bomba 2, e dois manômetros, sendo um manômetro na saída da bomba 1 e o outro na saída da bomba 2. Os medidores de pressão utilizados na bancada são do tipo Bourdon. Este manômetro consiste em um tubo de seção oval dobrado de maneira circular, como mostra a figura 9. Uma das extremidades (inferior) é selada e presa a um quadrante pivotado. A outra extremidade (superior) está conectada a um sistema dentado que, por sua vez, está conectado aos dentes de uma engrenagem que movimenta o ponteiro. Ou seja, a deformação produzida no tubo é amplificada mecanicamente e transformada em movimento angular de um ponteiro associado a uma escala previamente calibrada.

65

Figura 9: Vista do manômetro de Bourdon

Os medidores de pressão permitem determinar a altura manométrica de cada bomba, do conjunto associado em série e do conjunto associado em paralelo, pois sabemos que: Hman = M + V + y

(3)

Onde: M: leitura do manômetro; V: leitura do vacuômetro; Y: cota entre os mostradores do manômetro e vacuômetro. Considerando Y = 0, temos: Hman = M + V

(4\

Obs. Como os manômetros apresentam a escala em kgf/cm2 e os vacuômetros em mmHg, deve-se ter o cuidado de transformar as unidades das medidas para o cálculo do Hman em mca. Podemos considerar: 1 kgf/cm2 = 10 mca e 760 mmHg =10 mca

66

3.6 Registros controladores de vazão Na bancada, estão instalados três registros maiores, tipo gaveta, que são utilizados para controlar a vazão do conjunto ou para a manutenção do mesmo e dois registros menores, que são utilizados para associar as bombas em série ou em paralelo, conforme figura 10. Para estabelecer a associação em série o posicionamento dos registros deve permanecer: -

registros 10 e 12 fechados; registros 9, 11, 13 e 14 abertos.

Para a associação em paralelo deve-se manter: -

registro 11 fechado; registros 9, 10, 12 ,13 e 14 abertos.

Figura 10: Esquema analítico do conjunto

LEGENDA DA FIGURA 9: 1. Conjunto moto-bomba 1. 2. Conjunto moto-bomba 2. 3. Reservatório de aspiração. 4. Reservatório de recalque. 5. Medidores de vazão tipo rotâmetro. 6. Manômetros. 7. Vacuômetros.

67

8. Manovacuômetro. 9. Registro gaveta na linha da aspiração da bomba 1. 10. Registro gaveta na linha da aspiração da bomba 2. 11. Registro gaveta para a associação em série ou em paralelo. 12. Registro gaveta para controle de vazão da bomba 1. 13. Registro gaveta para controle de vazão da bomba 2 e para controle de vazão da associação em série ou paralelo. 14. Registro para comunicação entre os reservatórios. 15. Válvula de pé. 3.7 Quadro elétrico de comando e controle O quadro elétrico de comando está montado sobre um suporte antivibratório e é composto de: -

um amperímetro; um voltímetro; dois watímetros para a determinação da potência elétrica absorvida em cada conjunto moto-bomba; um interruptor geral; um comando de proteção e seletivo para as duas velocidades de cada conjunto moto-bomba.

A alimentação elétrica padrão é trifásica –220/380 v –, a frequência é de 50 ou 60 Hz e a potência máxima requerida é de 8,5 kW.

4.TESTES A SEREM REALIZADOS Os testes consistem em simular situações na bancada que possibilitem levantar dados de vazão (Q), Pressões (M) e (V), para a obtenção das curvas características para alta rotação (2800 rpm) e para a baixa rotação (1400 rpm) da bomba1, da bomba 2; das duas bombas trabalhando associadas em série e das duas bombas trabalhando associadas, em paralelo. Antes de se iniciar os testes, são necessários alguns cuidados para que os valores obtidos nos medidores sejam os mais exatos possíveis.

68

4.1 Procedimentos iniciais: • Verificar a abertura do reservatório. • Verificar se a conexão elétrica está efetuada de modo correto segundo o

esquema da bancada e segundo a tensão disponível. • Verificar a funcionabilidade dos aparelhos de medição segundo instrução

particular de cada instrumento. • Inserir alimentação elétrica transmitida pelo interruptor geral. • Controlar a tensão da linha por meio de um voltímetro. • Controlar a lubrificação das bombas. • Colocar em funcionamento sucessivamente as duas bombas, ligando primeiro

a bomba 1 e em seguida a bomba 2,

tendo o cuidado de verificar o

posicionamento de abertura dos registros para evitar o refluxo. • Verificar se as bombas estão escorvadas.

4.2 Realização dos testes com o objetivo de analisar o comportamento das bombas associadas em série e em paralelo: 4.2.1 Obtenção das curvas Hman = f(Q) para a rotação de 1400 rpm ou para a rotação de 2800 rpm para a bomba 1: Etapas do teste: •

Para colocar em funcionamento somente a bomba 1, deve-se inicialmente fechar os registros 10, 11 e 13 e abrir os registros 9, 12 e 14.

•

Ligar o conjunto posicionando a chave de comando na rotação desejada, conforme indicação no painel de controle.

•

Com o REGISTRO (13) FECHADO, fazer as leituras do Manômetro (M) em kgf/cm2 – instalado à saída da bomba 1 - do Vacuômetro em mmHg –

69

instalado à entrada da bomba 1 - e do Rotâmetro (Q’) em m3/h – instalado à saída da bomba 1. Obtidas as leituras, fazer a anotação na folha de teste. •

Abrir parcialmente o registro (13), repetir a operação para diversas posições de abertura deste registro e anotar os resultados na folha de teste.

•

Repetir a operação para os resultados duvidosos.

4.2.2 Obtenção das curvas Hman = f(Q) para a rotação de 1400 rpm ou para a rotação de 2800 rpm para a bomba 2: Etapas do teste: •

Para colocar em funcionamento somente a bomba 2, deve-se inicialmente fechar os registros 9, 11, 12 e 13 e abrir os registros 10 e 14 .

•

Ligar o conjunto posicionando a chave de comando na rotação desejada, conforme indicação no painel de controle.

•

Com o REGISTRO (13) FECHADO, fazer as leituras do Manômetro (M) em kgf/cm2 – instalado à saída da bomba 2 - do Vacuômetro em mmHg – instalado à entrada da bomba 2 - e do Rotâmetro (Q’) em m3/h – instalado à saída da bomba 2. Obtidas as leituras, fazer a anotação na folha de teste.

•

Abrir parcialmente o registro (13), repetir a operação para diversas posições de abertura deste registro e anotar os resultados na folha de teste.

•

Repetir a operação para os resultados duvidosos.

4.2.3 Obtenção das curvas Hman = f(Q) para a rotação de 1400 rpm ou para a rotação de 2800 rpm para as bomba 1 e 2 associadas em paralelo: Etapas do teste: •

Para colocar em funcionamento as bomba 1 e 2 em paralelo, deve-se inicialmente fechar os registros 11, 12 e 13 e abrir os registros 9, 10 e 14.

•

Ligar os conjuntos posicionando as chaves de comando na rotação desejada, conforme indicação no painel de controle.

70

•

Com os REGISTROS (12 e 13) FECHADOS, fazer as leituras do Manômetro (M) em kgf/cm2 – instalado à saída da bomba 2 - do Vacuômetro em mmHg – instalado à entrada da bomba 2 - e dos Rotâmetros (Q1’ e Q2’) em m3/h – instalados à saída das bomba 1 e 2. Obtidas as leituras, fazer a anotação na folha de teste.

•

Abrir totalmente o registro (12) e parcialmente o registro (13) e repetir a operação para diversas posições de abertura desse registro, anotando os resultados na folha de teste.

•

Repetir a operação para os resultados duvidosos.

4.2.4 Obtenção das curvas Hman = f(Q) para a rotação de 1400 rpm ou para a rotação de 2800 rpm para as bombas 1 e 2 associadas em série: Etapas do teste: •

Para colocar em funcionamento as bombas 1 e 2 em série, deve-se inicialmente fechar os registros 10, 12 e 13 e abrir os registros 9, 11, e 14.

•

Ligar os conjuntos posicionando as chaves de comando na rotação desejada, conforme indicação no painel de controle.

•

Com o REGISTRO (13) FECHADO, fazer as leituras do Manômetro (M) em kgf/cm2 – instalado à saída da bomba 2 - do Vacuômetro em mmHg – instalado à entrada da bomba 1 - e do Rotâmetro (Q’) em m3/h – instalado à saída da bomba 2. Obtidas as leituras, fazer a anotação na folha de teste.

•

Abrir parcialmente o registro (13) e repetir a operação para diversas posições de abertura do mesmo anotando os resultados na folha de teste.

•

Repetir a operação para os resultados duvidosos.

4.3 Construção das curvas Hman = f(Q) para a bomba 1, para a bomba 2, para a associação em paralelo e para a associação em série:

71

•

Após a realização dos testes, completar as demais colunas da folha de teste, tendo o cuidado com a homogeneidade das unidades das diversas grandezas.

•

Com os dados da folha de teste construir as curvas Hman = f(Q), para a bomba 1, para a bomba 2,

para a associação em paralelo e para a

associação em série.

5. RELATÓRIO A APRESENTAR A apresentação do relatório deve seguir o seguinte roteiro: 5.1.Introdução: 5.1.1. Objetivo: Descrever sucintamente os objetivos pretendidos na experiência proposta. 5.1.2. Conceituação teórica: Apresentar os conceitos teóricos relativos aos objetivos apresentados e aos parâmetros utilizados no traçado das curvas. 5.2 Desenvolvimento: 5.2.1 Procedimento experimental: Descrever o processo utilizado para a obtenção das curvas de associação em série e paralelo, tanto através do

processo

gráfico quanto através dos dados do teste. 5.2.2 Equipamentos: Apresentar um esquema da montagem identificando e especificando os equipamentos e os instrumentos utilizados, e como foram feitas as medições de cada parâmetro. 5.5.3

Dados obtidos: Apresentar as fórmulas utilizadas e as folhas de teste preenchidas.

5.5.4 Gráficos de análise: 5.5.4.1 Para a associação em paralelo, fazer os gráficos: •

Hman =f(Q), para cada bomba.

•

Hman =f(Q), para as duas bombas associadas em paralelo utilizando o processo gráfico, conforme figura 6.

•

Hman =f(Q), para as duas bombas associadas em paralelo utilizando os dados do teste.

72

Simular a curva de uma instalação, apresentando sua equação com valores; indicar o ponto de operação da associação e de cada bomba na associação. 5.5.4.2 Para a associação em série fazer os gráficos: •

Hman =f(Q), para cada bomba.

•

Hman =f(Q), para as duas bombas associadas em série utilizando o processo gráfico, conforme figura 3.

•

Hman =f(Q), para as duas bombas associadas em série utilizando os dados do teste. Simular a curva de uma instalação, apresentando sua equação com valores;

indicar o ponto de operação da associação e de cada bomba na associação.

5.3 Análise dos dados: •

Fazer uma análise dos dados obtidos, procedimentos de utilização dos dados, exatidão dos resultados e possíveis causas de erro.

•

Fazer um estudo comparativo das curvas apresentadas pelos dois processos (gráfico e dados do teste).

•

A partir da 1ª curva da instalação simulada, analisar graficamente o que ocorre com ponto de operação quando as bombas estão associadas em paralelo. Indicar os valores no gráfico.

•

A partir da 2ª curva da instalação simulada, analisar graficamente o que ocorre com ponto de operação quando as bombas estão associadas em série. Indicar os valores no gráfico.

5.4 Conclusão: Fazer um comentário claro e ordenado sobre as conclusões tiradas dos resultados do trabalho. 5.5. Bibliografia: Relacionar as referências consultadas para a

elaboração do

relatório. A elaboração deve obedecer à recomendação da ABNT. (consultar site da biblioteca da PUC Minas)

73

FOTOS DA BANCADA DO LABORATÓRIO

74

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------FOLHA DE TESTE DA ASSOCIAÇÃO RESPONSAVEL:

CURSO:

DATA:___/___/___

BOMBA 1 MANÔMETRO

M’ Kgf/cm

2

VACUÔMETRO

BOMBA 2 ALTURA MANOMÉTRICA

VAZÃO

MANÔMETRO

M

V’

V

Hman

Q’

M’

mca

mmHg

mca

mca

m /h

3

Kgf/cm

2

VACUÔMETRO

Kgf/cm

2

VAZÃO

M

V’

V

Hman

Q’

mca

mmHg

mca

mca

m /h

ASSOCIAÇÃO EM PARALELO M’

ALTURA MANOMÉTRICA

3

ASSOCIAÇÃO EM SÉRIE

M

V’

V

Hman

Q’1

Q’2

Q total

M’

mca

mmHg

mca

mca

m /h

3

m /h

3

m /h

3

Kgf/cm

2

M

V’

V

Hman

Q’

mca

mmHg

mca

mca

m /h

3

75

AULA DE LABORATÓRIO Nº 5 CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UMA TURBINA PELTON 1.INTRODUÇÃO A turbina Pelton é uma turbina de impulso ou de ação, que aproveita somente a energia cinética da água, sendo que não existe diferença de pressão entre entrada e saída, e o grau de reação é igual a zero. Foi patenteada pelo engenheiro Lester Allan Pelton, em 1880, na Califórnia. Ele teve a idéia de desenvolver uma roda com várias conchas na periferia para aproveitar a energia cinética de um jato de água, proveniente de um tubo de pressão, que incidia diretamente sobre a mesma. A turbina Pelton é o modelo de turbina hidráulico pouco utilizado, pois a sua aplicação fica restrita às quedas altas e relativamente ao pequeno volume de água. Características naturais pouco comuns, principalmente no Brasil. Ela possui um rotor e um distribuidor. O rotor, conforme figura 1, é formado por várias pás em formato de conchas dispostas simetricamente ao redor do disco do rotor que gira, fixo ao eixo.

Figura 1: Vista do rotor e dos detalhes da concha da turbina Pelton

O distribuidor, do tipo injetor, difere-se dos outros modelos, por se tratar de um bico, regulado por uma agulha, o qual incide um jato de água cilíndrico sobre as pás do rotor, conforme ilustra a figura 2.

76

Figura 2: Vista do rotor e do distribuidor da turbina Pelton

A quantidade de jatos varia podendo ser com um, dois, quatro e seis jatos. A figura 3 apresenta uma turbina Pelton com 2 injetores.

Figura 3: Vista da turbina Pelton com dois injetores

Quando se pretende desenvolver o projeto de uma turbina toma-se como ponto de partida os dados da usina hidroelétrica, ou seja, a vazão aduzida (Q) e a queda útil (H), que a máquina irá trabalhar. A rotação (n) da turbina é determinada de acordo com o a frequência (f) da energia elétrica a ser gerada (Hertz), e do

77

número de pares de pólos (p) do gerador, que estará acoplado à turbina, pois sabese que: f = pn

(1)

Onde, f = frequência em Hz; p= número de pares do gerador; n = rotação em rps. A partir dos valores estabelecidos para Q, H e n, pode-se definir o tipo de turbina mais adequada para aquela usina e calcular todas as dimensões do rotor, para que a turbina possa produzir, nas condições de projeto, o seu melhor desempenho. No entanto, embora a turbina seja projetada para trabalhar em condições definidas, a variação da demanda da energia elétrica pelo centro consumidor, bem como as variações de nível do reservatório e da vazão aduzida, podem exigir o seu funcionamento em condições diferentes daquelas para as quais ela foi projetada. Daí ser de fundamental importância, para o engenheiro, o conhecimento básico e o modo de obtenção das curvas características de uma turbina hidráulica. Assim, o conhecimento das variações das grandezas que intervem no funcionamento da turbina e do seu correlacionamento permite, não só adequar o projeto para que a turbina produza o melhor rendimento possível, como também ajustá-la para que ela, depois de instalada, continue, se possível, trabalhando com o seu rendimento máximo, ou próximo dele. Para se verificar o projeto da turbina ou as condições de trabalho da turbina na usina as curvas mais importantes são: 1. Curva η = f (n): Variação do rendimento em função da rotação para queda e vazão constantes cujo aspecto está representado na figura 4. 2. Curva Nef = f (n): Variação da potência efetiva em função da rotação para queda e vazão constantes cujo aspecto está representado na figura 4. 3. Curva Q = f (n): Variação da vazão aduzida em função da rotação para queda e vazão constantes cujo aspecto está representado na figura 4.

78

Figura 4: Curvas características de uma turbina Pelton para queda e vazão constantes

4. Se variar a abertura do distribuidor (variação da vazão), mantendo constante a

queda

e

construir

as

curvas de isorrendimento sobre as curvas de

Nef = f(n), tem-se o diagrama topográfico da turbina, cujo aspecto está representado na figura 5.

Figura 5: Diagrama topográfico em função da potencia efetiva para a turbina Pelton

5. Da mesma forma, se variar a abertura do distribuidor (variação da vazão), mantendo constante a queda, e construir as curvas de isorrendimento sobre as curvas de Q = f (n), tem-se o diagrama topográfico da turbina, cujo aspecto está representado na figura 6.

79

Figura 6: Diagrama topográfico em função da vazão para a turbina Pelton

6. Curva η = f (Q): Variação do rendimento em função da vazão para queda e a rotação constante cujo aspecto está representado na figura 7. 7. Curva η = f (Nef): Variação do rendimento em função da vazão para queda e a rotação constante cujo aspecto está representado na figura 7.

Figura 7: Curvas características de uma turbina Pelton para queda e rotação constantes

Normalmente, o teste para o levantamento das curvas, acima mencionadas, pode ser realizado levando-se em conta as seguintes considerações: 1. Se a turbina é de pequena capacidade, compatível com os recursos de que dispõe o laboratório, ela pode ser ensaiado diretamente, porém utilizando qualquer valor de queda útil na bancada.

80

2. Se a turbina é de pequena capacidade, compatível com os recursos de que dispõe o laboratório, pode ser ensaiada diretamente, porém utilizando o valor de queda unitária para a bancada. Para essa situação, a orientação para a interpretação dos resultados deve seguir as leis determinadas pela teoria da semelhança mecânica onde:

n

1

n , H

=

(2)

Q

1

=

Q H

(3)

e

N

1

=

N

(4)

H H

E o aspecto do diagrama pode ser exemplificado, conforme figura 8.

Figura 8: Diagrama topográfico de uma turbina Pelton para queda unitária

3. Se a turbina é de grande capacidade e, portanto, com dimensões que não permitem que possa ser ensaiada no laboratório, recorre-se aos ensaios com o modelo reduzido da turbina no laboratório, porém utilizando-se de qualquer valor de queda útil na bancada. A interpretação dos resultados deve seguir as leis da semelhança mecânica: n

n

'

=

1 k

H

H

'

, (5)

Q

Q

'

=k

2

H

H

'

(6) e

N

N

'

=k

2

H

H '

H H

E o aspecto do diagrama pode ser exemplificado na figura 5.

'

(7)

81

4. Se a turbina é de grande capacidade e, portanto, com dimensões que não permitem que possa ser ensaiada no laboratório, recorre-se aos ensaios com o modelo reduzido da turbina no laboratório, porém utilizando-se do valor de queda unitária na bancada. A interpretação dos resultados também deve seguir as leis da semelhança mecânica.

n

11

=

nk , (8) H

Q

11

=

Q

k

2

(9)

e

H

N

11

=

N

k

2

(10)

H H

O diagrama passa, então, a ter uma forma semelhante à da figura 8, conforme figura 9.

Figura 9: Diagrama topográfico do modelo de uma turbina Pelton para queda unitária

Os diagramas nos permitem ter uma visão global do desempenho da máquina, mostrando o seu comportamento em todas as condições possíveis.

2. ESQUEMA DA BANCADA DE TESTE DO LABORATÓRIO A figura 10 apresenta uma vista de frente da instalação do laboratório sendo esta constituída, essencialmente das seguintes partes: 1) Turbina a ser ensaiada.

82

2) Conjunto variador de velocidade e bomba centrífuga. 3) Medidor de força (freio dinamométrico). 4) Medidor de queda líquida (manômetro). 5) Medidor de vazão. 6) Medidor de rotação. 7) Painel digital. 8) Registro para controle de vazão. 9) Reservatório inferior. 10) Reservatório superior.

Figura 10: Vista de frente da bancada de teste da turbina Pelton

3. PARTES COMPONENTES DA BANCADA 3.1 Turbina a ser ensaiada A Turbina Pelton existente na instalação do laboratório apresenta as seguintes características nominais:

83


Rotação = 1450 rpm; Potência efetiva = 0,3 kW; Vazão = 0,167 m3/min; Queda líquida = 18 m; Número de conchas = 16; Diâmetro nominal = 4”; A figura 11 apresenta a vista explodida da turbina Pelton.

Figura 11: Vista explodida da turbina Pelton

A figura 12 apresenta uma vista do rotor e do injetor da Turbina Pelton.

Figura 12: Vista do rotor e do injetor da turbina Pelton

3.2 Conjunto variador de velocidade e bomba centrífuga A bancada possui um conjunto variador de velocidade e um motor dinamométrico responsável pelo acionamento da bomba centrífuga, que fornece energia hidráulica para a turbina simulando a vazão e queda da usina hidrelétrica. As características destes componentes estão apresentadas nos itens 3.1 e 3.2 da aula n°3.

84

3.3 Medidor de força Tem como função medir a força exercida pelo braço acoplado ao freio da turbina. A variação da força aplicada no freio permitirá simular a variação do consumo da energia fornecida ao gerador. A figura 13 apresenta uma vista do conjunto constituído essencialmente das seguintes partes: 1) Freio acoplado ao eixo da turbina. 2) Braço do freio. 3) Célula de carga.

Figura 13: Vista do conjunto freio e medidor de força

As características da célula de carga estão apresentadas no item 3.3 da aula n°3. O valor da força aplicada ao freio é transmiti da ao painel digital. Para o cálculo da potência efetiva transmitida pelo eixo da turbina pode-se considerar: F: força exercida pelo braço em N; R: comprimento do braço em m. (na instalação R = 0,16 m; M: torque em kgfm; Nef: potência efetiva em kgfm/s; n: rotação em rpm; ω : velocidade angular em radianos / segundo.

85

Como: N efet = Mϖ

(11)

Sendo:

M =

ω=

F ×R 9 ,81

2π × n 60

(12)

(13)

Efetuando os cálculos das constantes de (12) e (13) temos que:

N

ef

= 1, 708 × 10 −3 × F × n

(14)

3.4 Medidor de pressão Na bancada do laboratório, a queda líquida da turbina (H) corresponde à altura manométrica da bomba (Hman). Como já foi mencionado na aula n° 3 o cálculo da altura manométrica da bomba pode ser feito através da fórmula: H = Hman = M + V + y

(15)

Onde: M: leitura do manômetro; V: leitura do vacuômetro; Y: cota entre os mostradores do manômetro e vacuômetro. A bomba instalada está afogada, então a leitura do vacuômetro seria nula e na bancada o valor do y pode ser desconsiderado, portanto temos: : H = M Onde: M = leitura no painel digital em Bar.

(16)

86

Então, H = M × 10,2 em metros de coluna d’água.

(17)

Para medir o valor da pressão à saída da bomba foi montado um transdutor elétrico de pressão piezorresistivo, cujas características estão apresentadas no item 3.4 da aula n° 3. O valor da leitura do transdutor é transmitido ao painel digital . 3.5 Medidor de rotação A medição da rotação é feita por um sensor rotativo óptico acoplado diretamente ao eixo da turbina para medir a posição do mesmo. As características desse tipo de medidor estão apresentadas no item 3.5 da aula n° 3. 3.6 Medidor de vazão A medição da vazão é feita por meio de um vertedor triangular cujas características estão apresentadas no item 3.6 da aula n° 3. Como já foi mencionado, a vazão para esse tipo de vertedor é dada por: 5 2

Q = 1, 4 H tg

α 2

(18)

Sendo: Q = vazão; H = altura da lâmina d’água sobre o vertedor, medida a uma distância (L) do vertedor, pelo menos igual a 4 x H; α = ângulo do vértice do triângulo. No caso da instalação, α =90º. Então,

Q = 1, 4 H

5 2

(19)

Na instalação, entretanto, dispensa-se o cálculo de Q, tendo em vista a existência de uma escala duplamente calibrada em que se tem, de um lado, o valor da lâmina d’água H em m, e do outro, o valor da vazão Q’ em m3/min.

87

Chamando de:

Q’ = vazão em m3/min e Q =vazão em m3/s.

Teremos: Q=

Q' 60

(20)

4.TESTE EXPERIMENTAL A SER REALIZADO O teste consiste em simular situações na bancada que possibilitem levantar dados de vazão (Q), Pressão (M), força (F) e rotação (n) para a obtenção das curvas características da turbina. Antes de iniciar o teste são necessários alguns cuidados para que os valores obtidos nos medidores sejam os mais exatos possíveis. 4.1 Procedimentos iniciais: •

Antes de LIGAR a unidade, ZERAR o controle de rotação. Uma chave especial impede a partida sempre que o mesmo não estiver zerado.

• Fechar o registro de recalque antes da partida e antes do desligamento a fim

de evitar sobrecarga no motor. • Verificar se os indicadores do painel digital estão ZERADOS. • Verificar se a escala medidora da vazão está zerada. Caso não esteja, corrigir

a localização do “zero” pela escala móvel. • Verificar se o braço do freio está corretamente assentado sobre o topo da

célula de carga. • Adicionar um pouco de óleo à lona de freio antes de cada experiência. Isto

evita o “agarramento” quando as rotações forem baixas. • Trocar a água quando a mesma apresentar sinais de descoloração. • Antes de começar qualquer teste, assegurar-se de que a unidade esteja

corretamente nivelada.

88

4.2 Realização do teste para a obtenção das curvas Nef = f(n), η = f(n) e Q = f(n) para queda líquida (H) e abertura do distribuidor (α) constantes: 4.2.1 Etapas do teste: • Fixar uma abertura da agulha do distribuidor de modo que esteja assegurada

a constância da vazão. • Abrir totalmente o registro e acionar o controle de rotação do motor até que o

manômetro acuse o valor da queda líquida desejado. • Apertar o freio dinamométrico até que a turbina pare de girar. • Fazer as leituras no painel digital, da força (F) em N, da Pressão (M) em Bar e

rotação (n) em rpm. A vazão (Q’) será lida na escala do vertedor em m3/min. Obtidas as leituras, fazer a anotação na folha de teste. • Desapertar a sapata do freio dinamométrico de modo que a turbina tenha uma

pequena rotação. • Repetir a experiência para cada nova posição das sapatas de freio até que a

turbina gire sem nenhuma carga. Anotar sempre as leituras na folha de testes. • Determinar a potência efetiva pela expressão (14):

N

ef

= 1 , 708 × 10

−3

× F × n

Sendo: - F: força exercida pelo braço em N; n: rotação da turbina em rpm; Nef : potência efetiva em kgfm/s. • Determinar a potência do jato pela expressão:

N Sendo:

j

= γQH

(21)

89

- γ = peso específico em kgf/m3; Q = vazão útil em m3/s; Nj = potência do jato em kgfm/s. 3

Observação: γH2O= 10 kgf/m 3

e

Q' Q[ m ] = [ m s

3

60 min

]

• Determinar o rendimento total da turbina pela expressão:

η

t

=

N N

ef

(22)

j

• Repetir a operação para os resultados duvidosos. • Procedendo de maneira análoga à descrita, efetuar os testes para diversas

aberturas do distribuidor. 4.2.2 Construção do diagrama topográfico da turbina em função da potência efetiva: • Efetuados os cálculos levar os resultados para um gráfico, procurando adotar

escalas adequadas. • Para construir o diagrama topográfico basta: -

Construir as curvas de Nef = f(n) e η = f(n) para diversas posições da agulha do distribuidor da turbina.

-

Tomar os pontos de mesmo rendimento nas curvas de η = f(n) e marcá-los na curva de Nef = f(n), conforme figura 14.

90

Figura 14 : Processo de obtenção da curva de isorrendimento

Da união dos pontos de mesmo rendimento tem-se a curva de isorrendimento. 4.2.3 Construção do diagrama topográfico da turbina em função da vazão: •

Para construir o diagrama topográfico basta: − Construir as curvas de Q = f(n) e η = f(n) para diversas posições da

agulha do distribuidor da turbina. −

Tomar os pontos de mesmo rendimento nas curvas de Q = f(n) e marcá-los na curva de η = f(n), conforme figura 15.

Figura 15: Processo de obtenção da curva de isorrendimento

Da união dos pontos de mesmo rendimento tem-se a curva de isorrendimento. 4.3 Realização do teste para a obtenção das curvas η = f(Q) e η = f(Nef) para queda líquida (H) e rotação (n) constantes: 4.3.1 Etapas do teste: • Constatar se todos os cuidados enumerados no item 4.1 foram rigorosamente

obedecidos.

91

• Fixar uma pequena abertura da agulha do distribuidor de modo que esteja

assegurada a constância da vazão. • Abrir totalmente o registro e acionar o controle de rotação do motor até que a

queda líquida acusada no manômetro seja a desejada. • Acionar o freio dinamométrico até que a rotação da turbina seja a desejada. • Efetuar as leituras da força (F) e da Vazão (Q’). • Aumentar a abertura da agulha do distribuidor e repetir a experiência

acionando o controle da rotação do motor e o freio da turbina, de modo que a queda e a rotação continuem constantes e iguais aos valores anteriores. • Efetuar todas as leituras, determinar a potência efetiva pela expressão do

item 4.2 e a vazão em m3/s. • Efetuados todos os cálculos levar os resultados a um gráfico. • Repetir a experiência para os resultados duvidosos.

5. RELATÓRIO A APRESENTAR A apresentação do relatório deve seguir o seguinte roteiro: 5.1 Introdução: 5.1.1. Objetivo: •

Descrever sucintamente os objetivos pretendidos na experiência proposta.

5.1.2. Conceituação teórica: • Apresentar os conceitos teóricos relativos aos objetivos apresentados e os

conceitos envolvidos nos parâmetros utilizados no traçado das curvas. • Fazer uma descrição sobre a turbina Pelton (aplicação, características do

rotor e distribuidor). .5.2 Desenvolvimento: 5.2.1 Procedimento experimental: Fazer uma descrição sucinta do experimento e dos processos utilizados na obtenção dos diagramas topográficos da turbina.

92

5.5.5

Equipamentos: Apresentar uma especificação dos equipamentos utilizados na experiência e um esquema da instalação com legenda.

5.5.6 Dados obtidos: Para o 1º teste: Variação da força (F) aplicada no freio mantendo constantes a queda (H) e a abertura do distribuidor (α). •

Apresentar as folhas de teste preenchidas com os cálculos efetuados.

•

Fazer os gráficos: ηt = f(n), Nef = f(n) e Q=f(n) para as diversas aberturas.

•

Construir os diagramas topográficos em função da potência efetiva e em função da vazão com, no mínimo, quatro curvas de isorrendimento.

Para o 2º teste: Variação da abertura do distribuidor (α) mantendo constantes a queda (H) e a rotação (n). •

Fazer os gráficos ηt = f(Q), ηt = f(Nef).

5.6 Análise dos dados: • Fazer uma análise dos dados obtidos, procedimentos de utilização dos dados,

exatidão dos resultados e possíveis causas de erro. • Fazer um estudo dos diagramas analisando-se o campo de aplicação da

turbina. • Verifique se esta turbina poderia ser mais indicada para trabalhar em uma

usina de base ou de ponta. 5.7 Conclusão: Fazer um comentário claro e ordenado sobre as conclusões tiradas dos resultados do trabalho. 5.8 Bibliografia: Relacionar as referências consultadas para a elaboração do relatório, conforme recomendação da ABNT. (consultar site da biblioteca da PUC Minas).

93

FOTOS DA BANCADA DO LABORATÓRIO

94 ✄-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------PÁGINA 1 FOLHA DE TESTE DA TURBINA PELTON – 1º TESTE : ABERTURA DO DISTRIBUIDOR E QUEDA CONSTANTES RESPONSÁVEL:

CURSO:

ABERTURA

ROTAÇÃO

FORÇA NO EIXO

α

n

F

%

rpm

N

POTÊNCIA NO EIXO

MANÔMETRO

QUEDA LÍQUIDA

Nef

M

H

Kgfm/s

Bar

m

DATA:___/___/___ VAZÃO ADUZIDA

Q’ 3

m /min

POTÊNCIA DO JATO

RENDIMENTO TOTAL

Q

Nj

ηt

3

Kgfm/s

%

m /s

95 ✄-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------PÁGINA 2 FOLHA DE TESTE DA TURBINA PELTON – 1º TESTE : ABERTURA DO DISTRIBUIDOR E QUEDA CONSTANTES RESPONSÁVEL:

CURSO:

ABERTURA

ROTAÇÃO

FORÇA NO EIXO

α

n

F

%

rpm

N

POTÊNCIA NO EIXO

MANÔMETRO

QUEDA LÍQUIDA

Nef

M

H

Kgfm/s

Bar

m

DATA:___/___/___ VAZÃO ADUZIDA

Q’ 3

m /min

POTÊNCIA DO JATO

RENDIMENTO TOTAL

Q

Nj

ηt

3

Kgfm/s

%

m /s

96 ✄------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------FOLHA DE TESTE DA TURBINA PELTON – 2º TESTE: ROTAÇÃO DA TURBINA E QUEDA CONSTANTES RESPONSÁVEL:

CURSO:

ABERTURA ROTAÇÃO FORÇA NO α %

n rpm

EIXO

POTÊNCIA NO EIXO

MANÔMETRO

QUEDA LÍQUIDA

F

Nef

M

H

N

Kgfm/s

Bar

m

DATA:___/___/___ VAZÃO ADUZIDA

Q’ 3

m /min

POTÊNCIA DO JATO

RENDIMENTO TOTAL

Q

Nj

ηt

3

Kgfm/s

%

m /s

97

AULA DE LABORATÓRIO Nº 6 CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UMA TURBINA FRANCIS 1.INTRODUÇÃO A turbina Francis é uma turbina de reação de fluxo radial que aproveita a energia de pressão e cinética da água, sendo que existe diferença de pressão entre entrada e saída e o grau de reação é diferente de zero. Leva o nome em homenagem ao engenheiro James Bichano Francis (1815-1892) de origem inglesa que migrou para os Estados Unidos onde foi encarregado de desenvolver alguns projetos de aproveitamentos hidráulicos utilizando-se turbinas centrípetas. Em 1838 Samuel Dowd já havia obtido patente de uma turbina centrípeta, mas Francis introduziu alguns aperfeiçoamentos no projeto e por esse motivo a turbina recebeu o seu nome. A turbina Francis tem uma aplicação muito ampla, pois devido às suas características pode trabalhar em aproveitamentos de grandes variações de vazão e queda. Existem turbinas em usinas com quedas de 30 metros como também com quedas de 550 metros, e vazões que variam de 10 a 200 m3/s. Essa versatilidade faz com que a turbina Francis seja a mais empregada em todo o mundo e, principalmente, na maioria das grandes usinas hidrelétricas brasileiras. O rotor da turbina Francis é formado por várias pás fundidas ou soldadas no cubo formando canais onde a água penetra radialmente e sai axialmente. De acordo com a constituição física, existem três tipos de rotores Francis: lento, que possui pás aproximadamente retas; rápido e extra rápido com pás bem encurvadas; normal, cujas pás tem uma inclinação intermediária entre o rotor lento e o rápido, conforme mostra a figura 1. Inicialmente, surgiram os rotores lentos que, posteriormente, evoluíram para os normais e rápidos. Os últimos conseguem maior velocidade angular e maior potência, graças à maior curvatura dos canais.

98

Figura 1: Vista de tipos de rotores diferentes da turbina Francis.

Além do rotor, outros componentes integram a montagem da usina com turbina Francis sendo alguns destacados na figura 2: Caracol ou caixa espiral (1), responsável em distribuir a água em volta do pré-distribuidor, mantendo a velocidade constante; pré-distribuidor (2), cuja função é direcionar a água para o distribuidor evitando turbulência; distribuidor (3) responsável em controlar a vazão e transformar parte da energia de pressão em energia cinética; rotor (4), principal elemento com a responsabilidade de transformar energia hidráulica em energia mecânica; tubo de sucção (5) utilizado para recuperar a energia da queda líquida tomando como referência a saída do rotor e o nível do canal de fuga; servo motor (6), cuja função é comandar a abertura das pás do distribuidor; eixo (7), que transmite torque e rotação do rotor da turbina para o rotor do gerador.

Figura 2: Vista dos componentes de uma turbina Francis

99

A figura 3 apresenta uma vista do anel e das pás do distribuidor da turbina em fase de montagem. A distribuição da água sobre as pás do rotor é feita por uma série de pás distribuidoras ou pás diretrizes - externamente reguladas - as quais distribuem a água de forma simétrica simultaneamente em todas as pás do rotor.

Figura 3: Vista do anel e das pás do distribuidor em fase de montagem.

Pelas características de suas quedas (30150 m), a maioria das usinas hidrelétricas brasileiras de grande porte trabalha com turbinas tipo Francis. A figura 4 apresenta o rotor da maior usina brasileira, a Usina de Itaipu que possui uma queda nominal de 118,4 metros, 20 turbinas do tipo Francis,

sendo cada rotor com

diâmetro externo de 8,6 m, 295 toneladas de peso, vazão de 645 m3/s e potência gerada de 715 MW.

Figura 4: Vista do rotor da turbina Francis da usina Hidrelétrica de Itaipu.

100

Como já mencionado na aula número 5, quando se pretende desenvolver o projeto de uma turbina, toma-se como ponto de partida os dados da usina hidroelétrica, ou seja, a vazão aduzida (Q) e a queda útil (H), que a máquina irá trabalhar. A rotação (n) da turbina é determinada de acordo com o a frequência (f) da energia elétrica a ser gerada (Hertz) e do número de pares de pólos (p) do gerador que estará acoplado à turbina, pois sabe-se que: f = pn

(1)

Onde, f = frequência em Hz; p = número de pares de pólos do gerador;

n=

rotação em rps. A partir dos valores estabelecidos para Q, H e n, pode-se definir o tipo de turbina mais adequada para aquela usina e calcular todas as dimensões do rotor para que a turbina possa produzir, nas condições de projeto, o seu melhor desempenho. No entanto, embora a turbina seja projetada para trabalhar em condições definidas, a variação da demanda da energia elétrica pelo centro consumidor, bem como as variações de nível do reservatório e da vazão aduzida podem exigir o seu funcionamento em condições diferentes daquelas para as quais ela foi projetada. Daí ser de fundamental importância para o engenheiro, o conhecimento básico e o modo de obtenção das curvas características de uma turbina hidráulica. Assim, o conhecimento das variações das grandezas que intervêm no funcionamento da turbina e do seu correlacionamento permite, não só adequar o projeto para que a turbina produza o melhor rendimento possível, como também ajustá-la para que, depois de instalada, continue, se possível, trabalhando com o seu rendimento máximo, ou próximo dele. Para se verificar o projeto da turbina ou as condições de trabalho da turbina, na usina, as curvas mais importantes são:

101

1)

Curva η = f (n): Variação do rendimento em função da rotação para queda e abertura do distribuidor (α) constantes, cujo aspecto está representado na figura 5.

2) Curva Nef = f (n): Variação da potência efetiva em função da rotação para queda e abertura do distribuidor (α) constantes, cujo aspecto está representado na figura 5. 3) Curva Q = f (n): Variação da vazão aduzida em função da rotação para queda e abertura do distribuidor (α) constantes, cujo aspecto está representado na figura 5.

Figura 5: Curvas características de uma turbina Francis para queda e abertura do distribuidor constantes.

4) Ao variar a abertura do distribuidor (variação da vazão) mantendo constante a queda e construir as curvas de isorrendimento sobre as curvas de Nef = f (n), tem-se o diagrama topográfico da turbina, cujo aspecto está representado na figura 6.

102

Figura 6: Diagrama topográfico em função da potencia efetiva para a turbina Francis

5) Da mesma forma, se variar a abertura do distribuidor (variação da vazão), mantendo constante a queda e construir as curvas de isorrendimento sobre as curvas de Q = f (n), tem-se o diagrama topográfico da turbina, cujo aspecto está representado na figura 7.

Figura 7: Diagrama topográfico em função da vazão para a turbina Francis

6) Curva η = f (Q): Variação do rendimento em função da vazão para queda e a rotação constante, cujo aspecto está representado na figura 8. 7) Curva η = f (Nef): Variação do rendimento em função da vazão para queda e a rotação constante, cujo aspecto está representado na figura 8.

103

Figura 8: Curvas características de uma turbina Francis para queda e rotação constantes.

Normalmente, o teste para o levantamento das curvas, acima mencionadas, pode ser realizado levando-se em conta as seguintes considerações: 1. Se a turbina for de pequena capacidade, compatível com os recursos de que dispõe o laboratório, pode ser ensaiada diretamente, porém utilizando-se qualquer valor de queda útil na bancada. 2. Se a turbina for de pequena capacidade, compatível com os recursos de que dispõe o laboratório, pode ser ensaiada diretamente, porém utilizando-se o valor de queda unitária para a bancada. Com isso, a orientação para a interpretação dos resultados deve seguir as leis determinadas pela teoria da semelhança mecânica em que:

n

1

=

n , (2) H

Q

1

=

Q H

(3)

e

N

1

=

N H H

(4)

E o aspecto do diagrama pode ser exemplificado conforme figura 10.

104

Figura 10: Diagrama topográfico de uma turbina Francis para queda unitária

3. Se a turbina for de grande capacidade e, portanto, com dimensões que não permitem que possa ser ensaiada no laboratório, recorre-se aos ensaios com o modelo reduzido da turbina no laboratório, porém utilizando-se qualquer valor de queda útil na bancada. A interpretação dos resultados deve seguir as leis da semelhança mecânica: n

n

'

=

1 k

H

H

'

, (5)

Q

Q

'

=k

2

H

H

'

(6) e

N

N

'

=k

2

H

H '

H H

'

(7)

E o aspecto do diagrama pode ser exemplificado conforme figura 6. 4. Se a turbina for de grande capacidade e, portanto, com dimensões que não permitem que possa ser ensaiada no laboratório, recorre-se aos ensaios com o modelo reduzido da turbina no laboratório, porém utilizando-se o valor de queda unitária na bancada. A interpretação dos resultados também deve seguir as leis da semelhança mecânica.

n

11

=

nk , H

(8)

Q

11

=

Q

k

2

(9) e H

N

11

=

N

k

2

(10)

H H

O diagrama passa, então, a ter uma forma semelhante à da figura 10, conforme ilustra a figura 11.

105

Figura11: Diagrama topográfico do modelo de uma turbina Francis para queda unitária

Os diagramas nos permitem ter uma visão global do desempenho da máquina, mostrando o seu comportamento em todas as condições possíveis.

2. ESQUEMA DA BANCADA DE TESTE DO LABORATÓRIO A figura 12 apresenta uma vista de frente da instalação do laboratório sendo esta constituída essencialmente das seguintes partes: 1) Turbina a ser ensaiada. 2) Conjunto variador de velocidade e bomba centrífuga. 3) Medidor de força (freio dinamométrico). 4)

Medidor de queda líquida (manômetro).

5) Medidor de vazão. 6) Medidor de rotação. 7) Painel digital. 8) Registro para controle de vazão. 9) Reservatório inferior. 10) Reservatório superior.

106

Figura 12: Vista de frente da bancada de teste da turbina Francis

3. PARTES COMPONENTES DA BANCADA 3.1 Turbina a ser ensaiada A Turbina Francis existente na instalação apresenta as seguintes características nominais:
Rotação = 2360 rpm; Potência efetiva = 0, 4 kW;

Vazão = 0,240 m3/min;

Queda líquida = 15 m; Número de pás do rotor = 15; Diâmetro nominal = 8 mm. A figura 13 apresenta a vista explodida da turbina Francis.

Figura 13: Vista explodida da turbina Francis

107

3.2 Conjunto variador de velocidade e bomba centrífuga A bancada possui um conjunto variador de velocidade e um motor dinamométrico responsável pelo acionamento da bomba centrífuga que fornece energia hidráulica para a turbina simulando a vazão e queda da usina hidrelétrica. As características dos componentes enumerados estão apresentadas nos itens 3.1 e 3.2 da aula n°3. 3.3 Medidor de força A função deste medidor é medir a força exercida pelo braço acoplado ao freio da turbina. A variação da força aplicada no freio permitirá simular a variação do consumo da energia fornecida ao gerador. A figura 14 apresenta uma vista do conjunto que é constituído essencialmente das seguintes partes: 1) Freio acoplado ao eixo da turbina. 2) Braço do freio. 3) Célula de carga.

Figura 14 Vista do conjunto freio e medidor de força

As características da célula de carga estão apresentadas no item 3.3 da aula n°3. O valor da força aplica ao freio é transmitida ao painel digital.

108

Para o cálculo da potência efetiva transmitida pelo eixo da turbina, podemos considerar: F: força exercida pelo braço em N; R: comprimento do braço em m. (na instalação R = 0,16 m); M: torque em kgfm; N: potência efetiva em kgfm/s; n: rotação em rpm; ω : velocidade angular em radianos / segundo. Como: N efet = Mϖ

(11)

Sendo: M

=

F × R 9 , 81

2π × n 60

ω =

(12)

(13)

Efetuando os cálculos das constantes de (12) e (13) tem-se:

N

ef

= 1, 708 × 10 −3 × F × n

(14)

3.4 Medidor de pressão Para a bancada do laboratório, a queda líquida da turbina corresponde à altura manométrica da bomba (Hman). Como já foi mencionado na aula n° 3 o cálculo da altura manométrica da bomba pode ser feito através da a fórmula: H = Hman = M + V + y

(15)

Onde: M: leitura do manômetro; V: leitura do vacuômetro; Y: cota entre os mostradores do manômetro e vacuômetro. A bomba instalada está afogada, então a leitura do vacuômetro seria nula e na bancada o valor do y pode ser desconsiderado, portanto temos:

109

H =M

(16)

Onde: M = leitura no painel digital em Bar. Então, H = M × 10,2 em metros de coluna d’água.

(17)

Para medir o valor da pressão à saída da bomba foi montado um transdutor elétrico de pressão piezorresistivo, cujas características estão apresentadas no item 3.4 da aula n° 3. O valor da leitura do transdutor é transmitido ao painel digital. 3.5 Medidor de rotação A medição da rotação é feita por um sensor rotativo óptico acoplado diretamente ao eixo d a turbina para medir a posição do mesmo. As características desse tipo de medidor estão apresentadas no item 3.5 da aula n° 3. 3.6 Medidor de vazão A medição da vazão é feita por meio de um vertedor triangular cujas características estão apresentadas no item 3.6 da aula n° 3. Como já foi mencionado, a vazão para esse tipo de vertedor é dada por: 5 2

Q = 1, 4 H tg

α 2

(18)

Sendo: Q = vazão; H = altura da lâmina d’água sobre o vertedor, medida a uma distância (L) do vertedor, pelo menos igual a 4 x H; α = ângulo do vértice do triângulo. No caso da instalação, α =90º.

Então,

Q = 1, 4 H

5 2

(20)

110

Na instalação, entretanto, dispensa-se o cálculo de Q, tendo em vista a existência de uma escala duplamente calibrada, onde se tem, de um lado o valor da lâmina d’água H em m, e do outro o valor da vazão Q’ em m3/min. Chamando de: Q’ = vazão em m3/min; Q =vazão em m3/s. Tem-se: Q=

Q' 60

(21)

4.TESTE A SER REALIZADO O teste consiste em simular situações na bancada que possibilitem levantar dados de vazão (Q), Pressão (M), força (F) e rotação (n) para a obtenção das curvas características da turbina. Antes de iniciar o teste, são necessários alguns cuidados para que os valores obtidos nos medidores sejam os mais exatos possíveis. 4.1 Procedimentos iniciais: • Antes de LIGAR a unidade, ZERAR o controle de rotação. Uma chave

especial impede a partida sempre que o mesmo não estiver zerado. • Fechar o registro de recalque antes da partida e antes do desligamento, a fim

de se evitar sobrecarga no motor. • Verificar se os indicadores do painel digital estão ZERADOS. • Verificar se a escala medidora da vazão está zerada. Caso não esteja, corrigir

a localização do “zero” pela escala móvel. • Verificar se o braço do freio está corretamente assentado sobre o topo da

célula de carga.

111

• Adicionar um pouco de óleo à lona de freio antes de cada experiência. Isto

evita o “agarramento”, quando as rotações forem baixas. • Trocar a água quando a mesma apresentar sinais de descoloração. • Antes de começar qualquer teste, assegurar-se de que a unidade esteja

corretamente nivelada. 4.2 Realização do teste para a obtenção das curvas Nef = f(n), η = f(n) e

Q

= f(n) para queda líquida (H) e abertura do distribuidor (α) constantes: 4.2.1 Etapas do teste: • Fixar uma abertura das pás do distribuidor. • Abrir totalmente o registro e acionar o controle de rotação do motor até que o

manômetro acuse o valor da queda líquida desejado. • Apertar o freio dinamométrico até que a turbina pare de girar. • Fazer as leituras no painel digital, da força (F) em N, da Pressão (M) em Bar e

rotação (n) em rpm. A vazão (Q’) será lida na escala do vertedor em m3/min. Obtidas as leituras, fazer a anotação na folha de teste. • Desapertar a sapata do freio dinamométrico de modo que a turbina tenha uma

pequena rotação. • Repetir a experiência para cada nova posição das sapatas de freio até que a

turbina gire sem nenhuma carga. Anotar sempre as leituras na folha de testes. • Determinar a potência efetiva pela expressão (14):

N

ef

= 1, 708 × 10 −3 × F × n

sendo:

F = força exercida pelo braço em N; n = rotação da turbina em rpm; Nef = potência efetiva em kgfm/s. • Determinar a potência líquida (NL) de entrada pela expressão:

112

N

L

= γ QH

(22)

sendo: - γ: peso específico em kgf/m3; Q: vazão útil em m3/s; NL : potência do jato

em kgfm/s; 3

Observação: γH2O= 10 kgf/m 3

e

Q' Q[ m ] = [ m s

3

60 min

]

• Determinar o rendimento total da turbina pela expressão:

η =N t

N

ef

(23)

L

• Repetir a operação para os resultados duvidosos. • Procedendo de maneira análoga à descrita, efetuar os testes para diversas

aberturas do distribuidor. 4.2.2 Construção do diagrama topográfico da turbina em função da potência efetiva: • Efetuados os cálculos levar os resultados para um gráfico procurando adotar

escalas adequadas. • Para construir o diagrama topográfico basta: -

Construir as curvas de Nef = f(n) e η = f(n) para diversas posições da agulha do distribuidor da turbina.

-

Tomar os pontos de mesmo rendimento nas curvas de η = f(n) e marcá-los na curva de Nef = f(n), conforme figura 15.

113

Figura 15: Processo de obtenção da curva de isorrendimento

Da união dos pontos de mesmo rendimento tem-se a curva de isorrendimento. 4.2.3 Construção do diagrama topográfico da turbina em função da vazão: •

Para construir o diagrama topográfico basta: − Construir as curvas de Q = f(n) e η = f(n) para diversas posições da

abertura das pás do distribuidor da turbina. −

Tomar os pontos de mesmo rendimento nas curvas de Q = f(n) e marcá-los na curva de η = f(n), conforme figura 16.

Figura 16: Processo de obtenção da curva de isorrendimento

114

Da união dos pontos de mesmo rendimento tem-se a curva de isorrendimento. 4.3 Realização do teste para a obtenção das curvas η = f(Q) e η = f(Nef)

para

queda líquida (H) e rotação (n) constantes: 4.3.1 Etapas do teste: • Constatar se todos os cuidados enumerados no item 4.1 foram rigorosamente

obedecidos. • Fixar uma pequena abertura das pás do distribuidor. • Abrir totalmente o registro e acionar o controle de rotação do motor até que a

queda líquida acusada no manômetro seja a desejada. • Acionar o freio dinamométrico até que a rotação da turbina seja a desejada. • Efetuar as leituras da força (F) e da Vazão (Q’). • Aumentar a abertura das pás do distribuidor e repetir a experiência,

acionando o controle da rotação do motor e o freio da turbina, de modo que a queda e a rotação continuem constantes e iguais aos valores anteriores. • Efetuar todas as leituras, determinar a potência efetiva pela expressão do

item 4.2 e a vazão em m3/s. • Efetuados todos os cálculos levar os resultados a um gráfico. • Repetir a experiência para os resultados duvidosos.

5. RELATÓRIO A APRESENTAR A apresentação do relatório deve seguir o seguinte roteiro: 5.1 Introdução: 5.1.1. Objetivo: •

Descrever sucintamente os objetivos pretendidos na experiência proposta.

115

5.1.2. Conceituação teórica: • Apresentar os conceitos teóricos relativos aos objetivos apresentados e os

conceitos envolvidos nos parâmetros utilizados no traçado das curvas. • Fazer uma descrição sobre a turbina Francis (aplicação, características do

rotor e distribuidor) .5.2 Desenvolvimento: 5.2.1 Procedimento experimental: Fazer uma descrição sucinta do experimento e dos processos utilizados na obtenção dos diagramas topográficos da turbina. 5.8.3

Equipamentos: Apresentar uma especificação dos equipamentos utilizados na experiência e um esquema da instalação com legenda.

5.8.4 Dados obtidos: Para o 1º teste: Variação da força (F) aplicada no freio mantendo constantes a queda (H) e a abertura do distribuidor (α). •

Apresentar as folhas de teste preenchidas com os cálculos efetuados.

•

Fazer os gráficos: ηt = f(n), Nef = f(n) e Q=f(n) para as diversas aberturas.

•

Construir os diagramas topográficos em função da potência efetiva e em função da vazão com, no mínimo, quatro curvas de isorrendimento.

Para o 2º teste: Variação da abertura do distribuidor (α) mantendo constantes a queda (H) e a rotação (n). •

Fazer os gráficos ηt = f(Q), ηt = f(Nef).

5.9 Análise dos dados: • Fazer uma análise dos dados obtidos, procedimentos de utilização dos dados,

exatidão dos resultados e possíveis causas de erro. • Fazer um estudo dos diagramas analisando o campo de aplicação da turbina. • Verifique se esta turbina poderia ser mais indicada para trabalhar em uma

usina de base ou de ponta. 5.10 Conclusão: Fazer um comentário claro e ordenado sobre as conclusões tiradas dos resultados do trabalho. 5.11

Bibliografia: Relacionar as referências consultadas para a elaboração do relatório, conforme recomendação da ABNT.

116

FOTOS DA BANCADA DO LABORATÓRIO

117

✄--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------PÁGINA 1 FOLHA DE TESTE DA TURBINA FRANCIS – 1º TESTE: ABERTURA DO DISTRIBUIDOR E QUEDA CONSTANTES RESPONSAVEL:

CURSO:

ABERTURA

ROTAÇÃ O

FORÇA NO EIXO

α

n

%

rpm

DATA:___/___/___

POTÊNCIA NO EIXO

MANÔMETRO

QUEDA LÍQUIDA

VAZÃO ADUZIDA

F

Nef

M

H

Q’

N

Kgfm/s

Bar

m

m /min

3

POTÊNCIA LÍQUIDA

RENDIMENTO TOTAL

Q

NL

ηt

3

Kgfm/s

%

m /s

118

✄--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------PÁGINA 2 FOLHA DE TESTE DA TURBINA FRANCIS – 1º TESTE: ABERTURA DO DISTRIBUIDOR E QUEDA CONSTANTES RESPONSAVEL:

CURSO:

ABERTURA

ROTAÇÃ O

FORÇA NO EIXO

α

n

%

rpm

DATA:___/___/___

POTÊNCIA NO EIXO

MANÔMETRO

QUEDA LÍQUIDA

VAZÃO ADUZIDA

F

Nef

M

H

Q’

N

Kgfm/s

Bar

m

m /min

3

POTÊNCIA LÍQUIDA

RENDIMENTO TOTAL

Q

NL

ηt

3

Kgfm/s

%

m /s

119

✄------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------FOLHA DE TESTE DA TURBINA Francis – 2º TESTE: ROTAÇÃO DA TURBINA E QUEDA CONSTANTES RESPONSAVEL:

CURSO:

ABERTURA

ROTAÇÃ O

FORÇA NO EIXO

α

n

%

rpm

DATA:___/___/___

POTÊNCIA NO EIXO

MANÔMETR O

QUEDA LÍQUIDA

VAZÃO ADUZIDA

F

Nef

M

H

Q’

N

Kgfm/s

Bar

m

m /min

3

POTÊNCIA LÍQUIDA

RENDIMENTO TOTAL

Q

NL

ηt

3

Kgfm/s

%

m /s

120

AULA DE LABORATÓRIO Nº 7 CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UMA TURBINA PELTON BANCADA ARMIFIELD (PÁGINA EM CONSTRUÇÃO)

121

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