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Simulao de uma bomba centrfuga operando o software

Ansys/cfxIrvylle Raimunda M.Cavalcante1, Marayanne C. chaves de almeida2, Srgio

Jnior3

1Universidade de Braslia (UnB)Gama-DF: FGA

{irvylle,mara_yanne}@hotmail.com, sttsjr@gmail.com

Abstract.Pumps are generatrices machines because they provide energy to

the fluid through the working axis. These machines generally must have

characteristics such as: structural strength, ease of operation, high

performance and economy. The operation principle of centrifugal pumps is

based on creating a zone of low pressure and high pressure where the

pressure in the pump inlet is lower than the outlet. Software Ansys CFX has a

set of applications that allow the full development and solution to a dynamic

problem of computational fluid dynamics (CFD). This article describes some

characteristics curves and simulations (head, income, potencial flow, viscous

flow), as velocity triangles, loss of a centrifugal pump using it for the Software

Ansys 17.

Resumo.Bombas so mquinas geratrizes, pois fornecem energia ao fluidoatravs de trabalho de eixo. Essas mquinas de maneira geral apresentam:

resistncia estrutural, facilidade de operao, alto rendimento e economia.

Com base nisso, o princpio de funcionamento de bombas centrfugas baseia-

se na criao de uma zona de baixa presso e uma de alta presso. O

Software Ansys CFX possui um conjunto de aplicaes que permitem a

completa elaborao e soluo de um problema de dinmica dos fluidos

computacional (CFD). O presente artigo descreve algumas caractersticas e

simulaes de curvas (altura manomtrica, rendimento, escoamento

potencial, escoamento viscoso), assim como tringulos de velocidade e perdas

de uma bomba centrfuga utilizando para isso o Software Ansys 17.

1. Introduo

Com o estudo amplo de mquinas de fluxo, destaca-se a importncia das bombasque tm como fluido de trabalho o lquido, na qual trabalham de maneira que o fluidoreceba energia atravs do trabalho mecnico rotacional do eixo, podendo assim, superaralturas e vencer determinados obstculos impostos, seja pela geografia local ou pelaconstruo. Assim, ao analisar as fontes de energia oferecidas pela natureza importante termos diferentes formas de se aproveitar o potencial energtico.

Com isso, as bombas de uma maneira geral devem apresentar as seguintescaractersticas principais: (GOMES,2005)

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a) Resistncia:estruturalmente adequadas para resistir aos esforos provenientesda operao(presso, eroso , mecnicos).

b) Facilidade de operao: adaptveis as mais usuais fontes de energia e queapresentem manuteno simplificada.

c) Alto rendimento:transforme a energia com o mnimo de perdas.

d) Economia:custos de aquisio e operao compatveis com as condies demercado.

No trabalho em anlise, empregamos o estudo de bombas centrfugas que umaturbomquina utilizada para bombear lquidos elevando, pressurizando e transferindo-osde um local para outro, sendo, portanto, aquela que desenvolve a transformao deenergia atravs do emprego de foras centrifugas. As bombas centrfugas possuem pscilndricas, com geratrizes paralelas ao eixo de rotao, sendo essas ps fixadas a umdisco e auma coroa circular, compondo o rotor da bomba.( MACINTYRE, 1983)

O funcionamento da bomba centrfuga baseia-se, praticamente, na criao deuma zona de baixa presso e de uma zona de alta presso. Para o funcionamento, necessrio que a carcaa esteja completamente cheia de liquido e, portanto, que o rotoresteja mergulhado no lquido. Devido rotao do rotor, comunicada por uma fonteexterna de energia (geralmente um motor eltrico), o liquido que se encontra entre aspalhetas no interior do rotor arrastado do centro para a periferia pelo efeito da foracentrfuga. Produz-se assim uma depresso interna ao rotor, o que acarreta um fluxovindo atravs da conexo de suco. O liquido impulsionado sai do rotor pela suaperiferia, em alta velocidade e lanado na carcaa que contorna o rotor.(VIANA,1986)

Na carcaa grande parte da energia cintica do liquido (energia de velocidade) transformada em energia de presso durante a sua trajetria para a boca de recalque.Faz-se necessria essa transformao de energia porque as velocidades do liquido nasada do rotor, seriam prejudiciais s tubulaes de recalque e tambm porque a energiade velocidade pode ser facilmente dissipada por choques nas conexes e peas dascanalizaes de recalque. (STEPANOFF, 1990)

O rotor de uma bomba centrfuga uma turbina que cede energia para o fluido medida que este escoa continuamente pelo interior de suas palhetas. Embora a foracentrfuga seja uma ao particular das foras de inrcia, ela do nome a esta classe debombas. A potncia a ser fornecida externa bomba, seja um motor eltrico, ummotor a diesel, uma turbina a vapor, etc. A transferncia de energia efetuada por umou mais rotoresque giram dentro do corpo da bomba, movimentando o fluido e

transferindo a energia sob a forma de energia cintica: aumento de velocidade e estapode ser convertida em energia de presso. (ABRAHIM, 2005)

O fluido entra na bomba por um bocal de suco. Neste bocal a presso

manomtrica pode ser superior (positiva) ou inferior (presso negativa, vcuo) atmosfrica. Do bocal de suco o fluido encaminhado a um ou mais rotores quecedem energia ao fluido, seguindo-se um dispositivo de converso de energia cintica

https://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_el%C3%A9tricohttps://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_el%C3%A9tricohttps://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_el%C3%A9tricohttps://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_a_dieselhttps://pt.wikipedia.org/wiki/Rotorhttps://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_el%C3%A9tricohttps://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_a_dieselhttps://pt.wikipedia.org/wiki/Rotor

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em energia potencial de presso. O fluido sai da bomba pelo bocal de recalque. Aenergia cedida ao fluido se apresenta sob a forma de diferena de presso entre a sucoe o recalque da bomba. Esta energia especfica (energia por unidade de massa) conhecida como altura manomtrica total (Hman). Em funo desta transferncia deenergia que podemos elevar, pressurizar ou transferir fluidos.( CARLSON, 2000)

Figura.1 Cortes na bomba centrfuga.

Fonte: (BRASIL,2006)

1.1 Componentes de uma bomba centrfuga

Bombas centrfugas constituda essencialmente de duas partes:a) Uma parte mvel: rotor solidrio a um eixo (denominado conjunto girante)

b) uma parte estacionaria carcaa (com os elementos complementares: caixa degaxetas, mancais, suportes estruturais, adaptaes para montagens etc,.).

Figura.2 Ilustrao de uma bomba centrfuga e seus elementos

Fonte: (USP,2009)

1.2 Vantagens Das Bombas Centrfugas

a) Maior flexibilidade de operao uma nica bomba pode abranger uma grandefaixa de trabalho (variando a rotao e o dimetro do rotor).

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b) Presso mxima No existe perigo de se ultrapassar, em uma instalao qualquera presso mxima (Shuttoff) da bomba quando em operao .

c) Presso Uniforme Se no houver alterao de vazo a presso se mantmpraticamente constante.

d) Baixo custo So bombas que apresentam bom rendimento e construorelativamente simples.

Existem vrias formas de classificao das bombas centrfugas, porm,simplificadamente, citaremos somente a classificao segundo o ngulo que a direodo lquido ao sair do rotor forma com a direo do eixo, na qual podem ser classificadasem: de fluxo radial, de fluxo axial ou de fluxo misto.

No trabalho em questo temos a anlise de uma bomba centrfuga, de fluxoradial, por meio do uso o software Ansys, em que foram definida as condies decontorno na entrada e na sada, averiguado o tringulo de velocidades existentes ao selevar em considerao o comportamento vetorial das velocidades: absoluta(V),relativa(W) e tangencial (u), a altura manomtrica e o escoamento potencial e viscoso,levando em considerao uma bomba definida com ps para frente, em rotao de 2250RPM, com vazo mssica de 170 kg/s e o ngulo de sada maior que 90(2).

2. Metodologia

Para a realizao da simulao, como objetivo de estudo na rea de mquinas de fluxo

computacional, utilizou-se o Software Ansys CFX que possui um conjunto deaplicaes que permitem a completa elaborao e soluo de um problema de dinmicados fluidos computacional (CFD). Foi tambm, ao longo desse estudo, produzidoclculos tericos, afim de efetuar analogia com os dados da simulao. Outrossim,definiu-se ao operar o software, caractersticas do problema, estabelecendo os seguintesitens:

I. Regime permanente, propriedades dos fluidos constantes, realizando anlise deescoamento viscoso e no viscoso.

II. Condies de fronteira:

a) Partes mveis: as partes da bomba que rotacional, aplicou-se a condio de nodeslizamento na parede dos componenetes.

b) Partes fixas: Aplicou-se tambm a condio de no deslizamento na parede doscomponentes fixos.

c) Entrada: Definiu-se a entrada de vazo mssica(170 kg/s) como condio defronteira. Considerou-se um escoamento subsnico, sem turbulncia e semcavitao.

d) Sada: definiu-se um valor de presso como condio de fronteira (600 KPa) esem cavitao.

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3. Resultados

Como resultados obtidos da simulao, temos que as condies de fronteiras

acima foram aplicadas ao Software Ansys CFX, assim como suas propriedades fsicasde escoamento, obtendo-se os seguintes trminos:

Figura 3. Grfico de presses

Fonte: ANSYS(cfx)

Na entrada da bomba utilizou-se a entrada de vazo mssica, na sada da bombaum valor de presso definido e nas partes fixas e rotacionais da mquina usou-se acondio de no deslizamento na parede dos componentes.

Figura 4. Condies de contorno

Fonte: ANSYS(cfx)

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Figura 5. Condies de contorno

Fonte: ANSYS(cfx)

Figura 6. Grfico de presses

Fonte: ANSYS(cfx)

Ao realizar a simulao do programa, obtemos como resultados, grficos depresso nas ps e na parte do rotor da mquina. Ao analisar estes grficos, podemosverificar a presso de entrada e sada da bomba, como pode-se observar nas figurasabaixo e acima:

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Figura 7. Grfico de presses

Fonte: ANSYS(cfx)

1.1 Equao do salto energtico:

Para o clculo da equao do salto energtico em funo da vazo, utilizou-sealguns dados fornecido pelo programa, como: reas de entrada (0,00165372 m) e sada(0,00507219 m) e espessura da p(6,2 mm). O ngulo de sada da pfoi calculado coma ajuda do Software CATIA (158) e a velocidade angular era um valor previamente

conhecido (235,62rad/s). Com todos esses dados foi-se capaz de calcular K1 e K2 paramontar a equao abaixo.

K1= U2= (wR2)= 447,689 m/s

K2= U2cotg158/ Db = -16617,84

Y = k1 k2Q

[Y = 447,689 + 16617,84 Q]

Portanto, podemos achar o valor da altura manomtrica, dividindo o salto energticopela gravidade, temos que Hman = Y/g = 74,43 m

Com 10 valores diferentes de vazes, fez-se uma tabela no software Excel e emseguida montou-se um grfico para melhor anlise, como pode-se ver abaixo:

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Figura 7. Grfico de presses

Fonte: ANSYS(cfx)

Grfico resultante da simulao acima, representa o salto energtico xvazo:

Figura 8. Grfico do Salto energtico

Fonte: EXCEL

1.2 Medio do ngulo de sada2

Aplicou-se a frmula matemtica para comprimento da circuferncia dependentedo ngulo, para realaizar a medida do ngulo2 no software CATIA com as posiescorretas das ps na circunferncia, como segue os passos abaixo:

I. L= (

x x r) /180

II. (360 x x 89,6)/180= 564,23 mm

III. Espessura da p: 6,2 mm

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IV. L= 564,23 5(6,2)= 533,23 mm

V. Espaamentos simtricos: 533,23/5= 106.65 mm

VI. ngulo entre as ps: 68,04

VII. ngulo es espessura das ps: 3,95

Com isso, realizamos a medio do ngulo de sada, pelo software CATIA: obtendo umngulo2= 158,47

Figura 9. Medio do ngulo2

Fonte: CATIA

1.3 Curva da eficincia:

A curva de eficincia para os dados em questo, em especial para a vazoespecificada de 017 m/s, temos que:

Portanto, temos a curva produzida abaixo pelo Ansys(CFX):

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Figura 10. Curva de rendimento

Fonte: CATIA

1.4 Tringulos de velocidade

Para os tringulos de velocidade na entrda e na sada, foi especificado como pvoltadapara frente (2>90), portanto:

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Figura 11. Pvoltada pra frente

Fonte: PUCRS

Para o tringulo de velocidade na sada temos:

Para o tringulo de velocidade na entrada temos:

4. Concluso

Conclui-se que o princpio de funcionamento das bombas centrfugas estassociado criao de zonas de presses diferentes na entrada e na sada, sendo nestecaso, maiores na superfcie de controle de entrada e menores na superfcie de controlede sada. Com a rotao do rotor, gerada a partir da energia proveniente de um motoreltrico, o fluido encontrado nas ps do motor impulsionado para fora atravs doprincpio da fora centrfuga, entrando em contato com a carcaa, aonde, contorna orotor e nesta tem transformada sua energia cintica em energia de presso.

Neste estudo possvel observar que as vantagens de se usar bombas centrfugas,na qual podem ser utilizadas para uma maior faixa de trabalho. No existindo mudanasde vazo, a presso mantida de forma, praticamente, contnua.

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A desvantagem, a princpio, estrelacionada com a no operao eficiente damquina com o uso de fluidos mais viscosos, pois com o passar do tempo, ter-se-ia umacorrente a mais no motor eltrico

Assim, destaca-se a suma importncia do software Ansys(CFX) para as devidassimulaes realizadas, juntamente com sua complexidade relacionada a dinmica defluidos computacional.

5. Referncias Bibliogrficas

GOMES, H. P. Eficincia hidrulica e energtica em saneamento: anlise econmica de!ro"etos#. $ssocia%&o 'rasileira de Engenharia Sanitria e $m(iental, )**+.

M$-/01E, $.2. M3uinas motri4es hidrulicas. 1io de 2aneiro: Guana(ara 5ois,

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