7 - Maquinas Elevatorias

Conteúdo

Docente Teóricas: Maria Manuela Oliveira

0. Introdução 1. Sistemas de abastecimento de água 1.1 Conceitos gerais. Principais componentes 1.2 Estações elevatórias 1.3 Choque hidráulico 2. Sistemas de drenagem de águas residuais 2.1 Conceitos gerais. Principais componentes 2.2 Estações elevatórias 2.3 Órgãos especiais 3. Sistemas de drenagem de águas pluviais 3.1 Conceitos gerais. Principais componentes 3.2 Órgãos especiais 3.2. Soluções técnicas não correntes 4. Conceitos básicos de qualidade da água, de tratamento de água para abastecimento público e de tratamento de águas residuais.

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Docente Teóricas: Maria Manuela Oliveira 2

1. 2 Máquinas Elevatórias

Maquinas Elevatórias (sistemas de saneamento básico)


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Bomba: Máquina hidráulica capaz de elevar a pressão de um fluído, isto é, de lhe comunicar energia. Objetivos:

• Elevação de água (abastecimentos ou residuais) • Injeção de líquidos em processos de tratamento

Principais tipos:

• Bombas ou turbo bombas ; • Bombas Volumétricas; • Ejetores ou Ejeto-compressores; • Injetores de ar (“ air lift”); • Parafuso de Arquimedes


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As bombas podem ser classificadas pela sua aplicação, diretamente relacionada com as características da bomba, ou pela forma com imprime energia no fluído, em:

• Turbo bombas; • Bombas de deslocamento positivo; • Bombas especiais.

Bombas centrífugas: O aumento de pressão resulta do recurso à força centrífuga imprimida ao fluído por uma roda ou propulsor, que se move dentro de um corpo ou caixa e que orienta o fluido desde a entrada até à saída. De acordo com a forma do impulsores ou rotor, podemos ter 3 classes:

• Bombas Centrífugas propriamente ditas ou de escoamento radial; • Bombas de escoamento misto; • Bombas de escoamento axial


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Bomba de escoamento radial

Bomba de escoamento axial


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Bombas centrífugas ou de escoamento radial: A pressão é desenvolvida principalmente por ação da força centrífuga. O fluído entra axialmente pelo centro e abandona e sai radialmente pela periferia.

Bombas de direção radial ou perpendicular ao eixo

Estas bombas adaptam-se principalmente a grandes alturas de elevação.

De acordo com a entrada do líquido: Bomba de aspiração simples Entrada é por um único lado

Bomba de aspiração dupla Entrada é pelos dois lados


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Bomba Centrífuga:


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Bombas de escoamento misto: A pressão é desenvolvida parte pela força centrífuga e parte pela ação das pás sobre o líquido. O fluído entra axialmente e sai numa direção intermédia entre axial e radial.

Bombas mistas ou helicocentrífugas

Estas bombas adaptam-se essencialmente a médias alturas de elevação.


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Bombas de escoamento axial: A pressão é desenvolvida essencialmente pela ação de sucção. O caudal entra axialmente e sai também quase axialmente, paralelamente ao eixo.

Bombas axiais ou de hélice

Estas bombas adaptam-se a baixas alturas de elevação.

Bomba semi-axiais


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Nas bombas de escoamento radial ou misto, o impulsor pode ser aberto (2ª figura) ou fechado (1ª figura) . Pode ainda ser semi- aberto, em que as pás estão solidarizadas a uma tampa de ambos os lados.

Bomba centrifuga ou de escoamento radial Bomba de escoamento misto Bomba de escoamento axial

Rotor aberto Rotor fechado Rotor semi-aberto


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Classificação quanto à forma da caixa: Voluta ou espiral: Desenhada de modo a manterem-se velocidades iguais à volta do impulsor e a reduzir a velocidade da água na passagem para a seção de saída. Circular ou tipo turbina: Com seção constante e concêntrica com o impulsor, contornado por pás fixas que guiam o escoamento e reduzem a velocidade da água, transformando-a em energia de pressão.


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Forma da caixa em Voluta ou espiral: Fluxo de líquido numa bomba centrífuga de voluta simples

Bomba centrífuga de voluta dupla


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Classificação quanto ao número de impulsores: De um só andar Quando existe um só impulsor;

De andares múltiplos Quando existe mais de um impulsor. Neste caso os impulsores podem estar ligados em série ou em paralelo. Pode ainda haver séries de andares ligadas em paralelo e então a ligação é mista.

http://www.slideshare.net/JorgeGonzaloRegalado/bombas-centrfugas-25030729







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Classificação quanto ao sentido de rotação :

• Sentido direto • Sentido inverso

Classificação quanto à posição do eixo:

• Bombas de eixo horizontal Para instalação a seco A grande vantagem é a maior facilidade e montagem e manutenção O principal inconveniente é a exigência de maior área em planta


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• Bombas de eixo Vertical Permitem a imersão Dispensam escorvamento ou ferragem Existe a possibilidade de bomba imersa com motor a seco Podem ainda ser de corpo suspenso ou de corpo apoiado • Bombas de eixo inclinado


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Exemplos de Bombas Centrífugas:

in Hidráulica Urbana 2012/2013, Ana Cláudia David


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Funcionamento das bombas: Grandezas Caraterísticas: As bombas centrífugas são caraterizadas pelos seguintes parâmetros que interferem no seu funcionamento: 1. Caudal:

Volume de líquido bombado na unidade de tempo (m3/s ou l/s) – Q

2. Carga absoluta na aspiração acima da tensão do vapor: É a diferença entre a altura total de aspiração, referida à pressão absoluta, e a tensão do vapor do líquido (m)

H0 = h0 + Ha – hv H0 – Tensão do vapor do líquido; h0 – Altura total de aspiração em (m) Hv – Tensão de vapor (m)


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3. Alturas de elevação:

Aumento de pressão que a bomba pode comunicar ao fluido (mca) – H, também designada por altura manométrica da bomba.



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4. Pelas potências e rendimentos: A potência traduz a energia fornecida à bomba, por unidade de tempo

Potência útil da bomba, Pu: Potência correspondente ao trabalho realizado pela bomba

Pu = ϒQHW = ϒ𝑄𝐻

736 CV =

ϒ𝑄𝐻

1000 kw

Potência absorvida pela bomba, Pa: Potência fornecida ao eixo da bomba

Pa = ϒ𝑄𝐻

η Χ 736 CV =

ϒ𝑄𝐻

1000 Χ η KW

Rendimento da bomba, η : Traduz a eficiência da Bomba, ou seja, a razão entre a potência útil (aproveitada pelo fluído ) e a potência absorvida pela bomba.

η = 𝑃𝑢

𝑃𝑎


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Balanço Energético a uma bomba e Altura manométrica:

Tomando por hipótese :um escoamento incompressível Energia por unidade de peso

Altura manométrica da bomba:

velocidades à entrada e saída da bomba ≈ iguais e Δ z≈ 0 Altura manométrica da bomba: Potência fornecida ao fluído: Rendimento:

P – pressão no eixo da seção; Z – cota geométrica do eixo da seção em relação a um plano de referência V – velocidade média na seção

Potência da bomba:

bhp – brake horsepower; T – Binário; w– velocidade angular



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5. Pelas velocidades de rotações: em número de rotações por minuto (rpm):

Baixa rotação: N< 500 rpm Rotação média : 500 < N < 1800 rpm Alta rotação : N > 1800 rpm

Alguns valores típicos para sistemas de saneamento básico: • Água s/ transporte sólido: N ≈ 1450 ou 2900 rpm; • Águas residuais: N entre 580 a 1450 rpm

Bombas monocelulares a funcionar a 1450 rpm, têm por norma limite de 60 m de altura de elevação. Para alturas > 60 m :

6. Pela velocidade específica

Bombas multicelulares a 1450 rpm

Bombas monocelulares a 2900 rpm


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Funcionamento das bombas: Curvas Características

As curvas caraterísticas são representações gráficas, diagramas em colina, que para determinada bomba a determinada rotação traduzem as relações entre o caudal Q, a altura total H, a potência absorvida P e o rendimento η.

Síntese das possíveis condições de funcionamento

Análise comparativa

Seleção da bomba, ou grupo de bombas


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Exemplos:

Curva caraterística principal da bomba, ou curva de carga (H) em função do caudal (Q). Permite perceber a relação entre H e Q, para uma determinada N (rpm).

Pode apresentar diferentes configurações, de acordo com as condições de funcionamento hidráulico. A configuração interfere na escolha da bomba.



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Exemplos:

Curvas “carga x vazão”, “potência x vazão”, “ rendimento x vazão” (+ NPSH x vazão), são por norma fornecidas em conjunto, para um mesmo N.



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Exemplos:

Curvas entre as grandezas caraterísticas de uma bomba, que permitem aferir características de funcionamento e leis de afinidades de uma bomba. Diâmetro do rotor (D)

Velocidade de rotação (N)



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Curva característica da instalação

A curva característica da instalação, traduz a relação caudal Q, altura de elevação H, requeridas pela própria instalação.



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Curva característica da instalação

Cruzando ambas as curvas determina-se o Ponto de funcionamento de uma bomba, ou ponto de trabalho, que se traduz pelo ponto representativo das caraterísticas de operação dessa bomba quando integrada numa determinada instalação, proporcionando um rendimento máximo.



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Alterações das Curvas Caraterísticas

A alteração de algumas caraterísticas na instalação como por exemplo o envelhecimento da tubagem e as variações dos níveis de aspiração e de compressão levam à alteração da localização do ponto de funcionamento da bomba, por alteração da curva característica da instalação. O envelhecimento da tubagem : •Aumento das perdas de carga, o que implica:

• Aumento das alturas manométricas; • Diminuição do caudal bombado.



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Variações dos níveis de aspiração e de compressão: •Alteram a altura geométrica

• Ripagens da curva da instalação.



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Associação de bombas em série e em paralelo: A associação de bombas permite satisfazer condições de funcionamento em situações em que , por exemplo: 1. O caudal debitado por um única bomba não é suficiente para a H;

2. O caudal varia e precisamos de uma bomba para caudais mais baixos e outra para caudais mais

elevados;

3. O caudal debitado por única bomba é suficiente , mas não satisfaz a altura de elevação H necessária;

4. A altura manométrica varia;

5. Quando a curva do sistema é muito ingreme


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Associação de bombas em paralelo: Nas situações 1 e 2: 1. O caudal debitado por um única bomba não é suficiente para a H;

2. O caudal varia e precisamos de uma bomba para caudais mais baixos e outra para caudais mais

elevados;



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Associação de bombas em série: Nas situações 3, 4 e 5: 3. O caudal debitado por única bomba é suficiente , mas não satisfaz a altura de elevação H

necessária;

4. A altura manométrica varia;

5. Quando a curva do sistema é muito ingreme


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Exemplo de associação de bombas em série e em paralelo Utilização de bombas multicelulares ou de andares:

• Objetivo: Aumentar a altura de elevação com uma única bomba.



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Exemplo de associação de bombas em série e em paralelo Utilização de bombas roda dupla ou geminada:

• Objetivo: Aumentar o caudal elevado por uma bomba monocelular


As bombas não têm que ser iguais


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Necessidade de Válvula antirretorno Objetivo: Impedir que o escoamento reflua em caso de paragem dos grupos de bombagem, evitando assim quer o esvaziamento da conduta de compressão, quer a rotação da bomba em sentido inverso, funcionando como turbina. Localização: •Na alimentação das bombas em carga, (aspiração negativa) Válvula colocada na conduta de compressão.

•Quando a cota de aspiração é < à cota do eixo da bomba (aspiração positiva) Válvula colocada na conduta de aspiração. Desta forma impede-se tanto o esvaziamento da conduta de aspiração, como que a bomba desferre


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Necessidade de Válvula antirretorno


VR quer na conduta de aspiração, quer na conduta de compressão


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Posição altimétrica da bomba: Cavitação e NPSH

Cavitação na bomba: É o fenómeno de formação de bolhas de vapor numa área onde a pressão do fluido desce até à pressão de vaporização e o subsequente desaparecimento das mesmas numa zona de pressões mais elevadas . Como consequências: • Quebra de rendimento • Queda da pressão e aumento da área exposta à cavitação • Erosão • Ruído e Vibração

Principais causas: • Altura inadequada na aspiração, ( problema geométrico); • Velocidades de escoamento excessivas (problema hidráulico) • Escorvamento incorreto (problema operacional).


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Como evitar: • Pressão altimétrica da bomba:

• A pressão à entrada da bomba, tem que ser tal que os abaixamentos localizados de pressão no interior da bomba e as flutuações turbulentas de pressão não façam descer a pressão à entrada da bomba até à tensão de vaporização do líquido.

P > P vapor

• Assegurar que (NPSH) requerido < (NPSH) disponível para todos os pontos de funcionamento da

bomba, isto é, que a energia que o líquido dispõs à entrada da bomba seja superior à que vais ser consumida no seu interior, com uma folga recomendável mínima de 5% , com um valor limite mínimo de 0,30 m.

(NPSH Disp ≥ 1,05 (NPSH) Req

1,05 (NPSH) Req ≥ (NPSH)req + 0,30 m


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NPSH: Net Positive Suction Head, ou Carga absoluta útil na aspiração O NPSH, representa a energia do fluído de que uma bomba necessita para o seu funcionamento interno, ou seja, energia de pressão mínima, em termos absolutos em ( m.c.a.) que a água deve dispor à entrada da bomba para evitar a ocorrência de cavitação.

NPSH REQ = 𝑃𝑏

ϒ -

𝑃 𝑚𝑖𝑛

ϒ

Traduz a diferença entre a altura piezométrica absoluta no eixo da secção de entrada da bomba e a altura piezométrica no ponto de pressão absoluta mínima. O NPSH requerido é uma caraterística da bomba, que varia com o caudal e velocidade de rotação. Valo fornecido pelo fabricante, ´constante na ficha técnica do equipamento.


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Fatores que influenciam diretamente o NPSH disponível:

• Altura estática da aspiração;

• Local de instalação;

• A temperatura e o peso volúmico do líquido;

• Tipo de entrada, diâmetro, comprimento da conduta de aspiração;

• Acessórios na conduta de aspiração .

Vão influenciar as perdas de carga correspondentes.


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Outros tipos de máquinas elevatórias:

• Bombas volumétricas;

• Ejetores ou Ejeto-compressores;

• Injetores de ar “air lift”

• Parafusos de Arquimedes


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Bombas Volumétricas (ou de deslocamento positivo)

O aumento de pressão é transmitido ao líquido por um órgão móvel, que pode ter:

Movimento alternativo : - Bombas alternativas

Movimento de rotação: - Bombas rotativas

e que induz um movimento do líquido na direção do deslocamento do referido órgão em quantidades intermitentes, de acordo com a capacidade da bomba, promovendo enchimentos e esvaziamentos sucessivos, provocando desta forma o deslocamento do líquido no sentido inverso. Aplicação:

• Caudais baixos a pressões elevadas. Curvas caraterísticas: Q≈ Q(N) Q quase independente de H


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Bombas Volumétricas Alternativas



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Bombas Volumétricas Rotativas



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Bombas Volumétricas Rotativas



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Ejetores Podem ser Ejetores Pneumáticos ou Ejectocompressores. Principio de funcionamento: • Sistema de injeção de ar comprimido que atua sobre o líquido, comprimindo-o e obrigando-o a

elevar-se. • É necessário um compressor, normalmente acionado por motor elétrico

O compressor + Ejetor Grupo elevatório: EJECTOCOMPRESSOR



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Ejetores Aplicação:

• Águas residuais e para caudais relativamente pequenos com Hmáx entre 15 a 20 m. Principais vantagens: • Robustos e sem órgãos móveis; • Simples exploração e manutenção; • Boas condições de higiene e segurança dos operadores do sistema • Proporcionam algum arejamento do líquido, diminuindo, desta forma problemas de cheiros. Principais desvantagens: Consumos elevados de energia; Muito ruidosos; Rendimento de apenas 20 a 50% , ou seja muito reduzido; Limitações significativas das gamas de funcionamento ( H, Q) Elevado custo



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Injetores de ar “ Air Lift” Sistema pneumático em que é feita a injeção de ar comprimido que, emulsionado no líquido, dá lugar a uma mistura de menor densidade que a do líquido dando origem à sua elevação. Principio de funcionamento: Tubo vertical parcialmente mergulhado no líquido + tubo que fornece ar comprimido a determinada profundidade. A altura de elevação produzida depende da submergência do tubo do ar.



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Injetores de ar “ Air Lift”

Aplicação: • Captação de água; • Elevação de águas residuais ou água salgada; • Esvaziamento de reservatórios Principais limitações: • Exigência de um sistema de ar comprimido, composto por um ou mais compressores e respetivo

reservatório; • Rendimento de apenas 20 a 50% , ou seja muito reduzido; • Elevado custo.



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Parafusos de Arquimedes Principio de funcionamento: Montados numa calha cilíndrica ou semicilíndrica inclinada de 25º a 30º, permitindo H elevação até 25 m. O acionamento é feito por um motor elétrico com redutor de velocidade acoplado.



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Parafusos de Arquimedes

Aplicação: Abastecimento de água, águas residuais, etc

Principais vantagens: • Funcionamento contínuo; • Não entopem, ( não têm tubos); • Grandes seções de passagem permitindo o transporte de sólidos de dimensões razoáveis; • Grande gama de caudais; • Elevados rendimentos; • Robustos.

Principais limitações: • Utilização condicionada pela altura de elevação e pela distância que separa os pontos entre os

quais esta se realiza. • Elevado custo, quer do parafuso, quer da obra de construção civil associada.


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