Unidade 7 - Projeto de uma Instalação Hidráulica Básica

Na sua lida pela água o homem teve de procurar recursos para facilitar a sua obtenção.

As bombas hidráulicas no mundo atual são necessárias numa série de atividade do nosso cotidiano.

Heródoto (484-425 A.C.) foi o primeiro historiador a descrever um tipo de bomba. Arquimedes por volta de 250 A.C. inventou a bomba de parafuso e depois Ctesibius, em 120 A.C., construiu a primeira bomba empregada em navios.

Hero ou Heron, já na era cristã foi “discípulo” de Ctesibius.

A bomba centrífuga teve um de seus primeiros desenhos feito por Leonardo da Vinci (1452-1519).

James Watts, também introduziu certos melhoramentos, isto em 1736 à 1819............

Como somos responsáveis pela criação de nossa história, convido a todos a “embarcar” nesta história e com persistência, dedicação e disciplina fazer com que ela também represente a criação de um mundo melhor.

Eu com o Manoel no laboratório e a nossa esquerda os conjuntos motobombas

7.1 Introdução

Nesta unidade, organizamos os conceitos já estudados e introduzimos alguns novos, com a finalidade de apresentarmos uma seqüência possível de execução do projeto de uma instalação hidráulica básica.

Consideramos uma instalação hidráulica básica, aquela que apresenta apenas uma entrada e uma saída, ou seja, aquela que opera com uma única vazão e que transporta água, ou fluidos similares na mesma.

Para o transporte de fluidos com viscosidade relativamente superiores deve-se recorrer a certos ajustes, os quais não serão objetos desta unidade.

Desenvolvemos esta unidade, considerando uma instalação de recalque, onde desejamos no projeto da instalação desenvolver as seguintes etapas:

1ª - dimensionar as tubulações;

2ª  - estabelecer um esquema da instalação;

3ª  - obter a equação da curva característica da instalação;

4ª  - estabelecer a vazão de projeto;

5ª  - especificar a escolha preliminar da bomba;

6ª  - obter o ponto de trabalho da bomba preliminarmente escolhida;

7ª  - verificar o fenômeno de cavitação;

8ª  - especificar o motor elétrico adequado;

9ª  - especificar o custo de operação.

Ao iniciarmos um projeto de uma instalação de bombeamento, devemos conhecer os seguintes dados:

• vazão desejada - Q

• fluido e temperatura de escoamento - e com ela, obtemos o seu peso específico (g) e a sua viscosidade, por exemplo à cinemática (n)

• carga total na seção de captação - H_O

• carga total na seção terminal - H_ST

A partir destes dados, salientando que no desenvolvimento de um projeto jamais teremos uma única solução, nem regras fixas, daí o fato de não termos a pretensão de sermos o “dono da verdade”, ou seja a criatividade de cada um pode originar uma outra solução tão boa, ou até mesmo melhor a aqui apresentada.

7.2 Dimensionamento da Tubulação

Em função do fluido a ser transportado e da sua temperatura de escoamento, procura-se estabelecer o material da tubulação.

Apresento a seguir uma tabela que pode auxiliar nesta escolha porém deixo claro que:

1 - dependendo da aplicação, considera-se outros fatores;

2 - os tubos de PVC hoje ganham espaço nas aplicações industriais;

3 - o objetivo de nosso trabalho é ser uma referência bibliográfica básica, o que eqüivale dizer que outras fontes devem ser consultadas1;

4 - a tabela 7.1 fornece a faixa de velocidade recomendada, que é denominada de velocidade econômica.

Nota: Uma outra consulta recomendada neste ponto:

Telles, Pedro Carlos da Silva – Tubulação industriais: materiais, projeto e desenho – Livros Técnicos e Científicos S.a Editora S.A

Por outro lado, sabemos que para o escoamento de gás perfeito até cerca de 75 m/s o escoamento é considerado como incompressível, daí a tabela 7.2.

Após o preestabelecimento do material e da velocidade econômica, calcula-se o diâmetro da tubulação como mostramos a seguir.

Através do diâmetro calculado pela equação 7.1, consultando uma tabela normalizada, especificamos o diâmetro nominal.

Devemos salientar, que dependendo da fonte de consulta encontramos certas variações das velocidades econômicas, para ilustrar o mencionado, apresentamos na tabela 7.3 as velocidades recomendadas pela Alvenius Equipamentos Tubulares S/A e na tabela 7.4 e gráfico 7.1 os valores recomendados para linhas de recalque curtas recomendados pela Companhia Sulzer.

Nota 2: Extraído do Manual – Fundamentos hidráulicos para instalaciones con bombas centrífugas – Sulzer Frères, Société Anonyme, Winterthur, Suiza

Uma outra forma de determinar o diâmetro e através da equação 7.2, que é válida para instalações que não funcionam continuamente (instalações em edifícios) que é a fórmula de Forscheimmer.

onde:

D_er = diâmetro econômico para o recalque (m)

Q = vazão desejada (m³/s)

n = número de horas/dia de funcionamento das bombas.

Com (D_er) na tabela normalizada de tubos, especificamos o diâmetro de recalque comercial.

Se houver tubulação de sucção, ou a tubulação antes da bomba, o seu diâmetro deve ser um diâmetro comercial acima.

Nota: Já que existe mais de uma possibilidade para a escolha do diâmetro de recalque e como hoje, podemos recorrer as máquinas programáveis é comum efetuar-se um estudo econômico para a escolha do diâmetro mais adequado.

Vamos imaginar que em um dado projeto, temos a possibilidade de recorrermos aos diâmetros D₁, D₂, D₃ e D₄ .

Para especificarmos o diâmetro adequado, podemos executar um estudo econômico como mostra a tabela 7.5.

7.3 Esquema de Instalação

O esquema da instalação a ser projetada é geralmente representado por um desenho isométrico com a finalidade de estabelecer:

• os comprimentos dos tubos;

• os tipos de acessórios necessários.

Uma boa referência bibliográfica para este item é o livro Tubulações Industriais escrito por Silva Telles.

7.4 Curva Característica da Instalação - (CCI)

7.4.1 Definição de C.C.I.

É a curva que representa os lugares geométricos que caracterizam a energia por unidade de peso, que o fluido necessita fornecer ou receber de uma máquina hidráulica, de tal forma que origine um escoamento em regime permanente em uma dada instalação a uma vazão Q.

Para uma instalação de bombeamento o fluido recebe energia por unidade de peso e a CCI é representada por H_S = f (Q).

Para que não haja dúvida no conceito da CCI, devemos responder as seguintes questões propostas:

1ª - Um fluido escoando em regime permanente, em uma dada instalação a uma vazão Q, apresenta perda de carga?

2ª - Se a energia por unidade de peso que o fluido possui, for inferior a perda de carga total, que ele dissiparia ao percorrer a instalação com uma vazão Q, pode haver o escoamento em regime permanente sem a presença da bomba hidráulica?

3ª - A energia por unidade de peso que o fluido possui sendo igual a perda de carga total que ele dissiparia ao percorrer a instalação com uma vazão Q é condição necessária e suficiente para que haja o escoamento em regime permanente com uma vazão Q?

4ª - Se a energia por unidade de peso que o fluido possui é igual a soma da cota crítica (Zc) com a perda de carga total (H_pT), isto garante que haja o escoamento em regime permanente? 

5ª - Como calculamos a energia por unidade de peso que o fluido possui?

6ª - Considerando uma instalação de bombeamento com uma entrada e uma saída, como determinamos a energia por unidade de peso que deve ser vencida para que o fluido escoe em regime permanente com uma vazão Q?

7.4.2 Equação da CCI

A equação da CCI pode ser obtida pela diferença entre a energia por unidade de peso a ser vencida e a energia por unidade de peso que o fluido possui, ou em outras palavras aplicando-se a equação da energia entre o nível de captação e a seção terminal, como mostramos a seguir:

Supondo uma instalação de recalque com D_sucção diferente do diâmetro de recalque e com a seção terminal apresentando a carga cinética, temos:

Supondo ainda que Z_ST - Z₀ = Z_C, que representa a cota crítica a ser vencida, temos:

onde:

Podemos representar a equação da CCI pela equação 7.3:

onde:

y = 1,0 para V_ST = V_R ou

y = 0 para V_ST = 0

Apresentamos a seguir um programa em BASIC baseado na calculadora PB-700 da CASIO, para a resolução da equação 7.3.

Para os dados acima, devemos notar que a tubulação de sucção é de 3”, enquanto que a tubulação de recalque é de 2”.

Nota: Podemos estabelecer através da equação da CCI se a instalação hidráulica pode ou não operar em queda livre (H_S = 0) e também determinar a vazão de queda livre, como mostramos a seguir:

Através da equação 7.4 estabelecemos que a condição para que exista o escoamento em queda livre é que: H_est<0.

Se desejarmos resolver a equação 7.3 sem auxílio de um máquina programável é comum considerarmos o B_inst como sendo constante, para tal temos duas possibilidades:

1ª - Admite-se f_recalque = f_sucção = 0,02

2ª - Determina-se tanto o f_sucção como o f_recalque no escoamento hidraulicamente rugoso, ou seja:

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