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MÁQUINAS HIDRÁULICAS

AT-087

Universidade Federal do Paraná

Curso de Engenharia Industrial Madeireira

Dr. Alan Sulato de Andrade

[email protected]

SISTEMAS DE TRANSPORTE DE

FLUÍDOS LÍQUIDOS


FLUÍDOS - BOMBAS

INTRODUÇÃO:

Para se movimentar um fluido é necessário dois

fatores: O primeiro é um local ou caminho por onde o

fluido passará e o segundo é um sistema que forneça

energia suficiente ao líquido para este realize o

trabalho e percorra o caminho pré-estabelecido. O

trabalho a ser realizado será o equivalente ao

deslocamento de seu peso pelo caminho pré-

estabelecido.


FLUÍDOS - BOMBAS

INTRODUÇÃO:

O caminho a ser percorrido pelo líquido é definido pela

tubulação, constituída dos tubos e dos acessórios a

ela adicionados como válvulas, conexões, cotovelos,

expansões, contrações, etc.


FLUÍDOS - BOMBAS

INTRODUÇÃO:

Quem fornece a energia para movimentar o fluido pela

tubulação é a bomba.


FLUÍDOS - BOMBAS

INTRODUÇÃO:

Para o dimensionamento de um sistema para

transporte de fluidos se faz necessário contabilizar os

efeitos de cada componente que estão associados a

tubulação bem como as características da bomba.


FLUÍDOS - BOMBAS

BOMBAS:

São consideradas bombas hidráulicas todas as

máquinas que recebem trabalho mecânico, fornecido

por outra máquina (normalmente um motor elétrico ou

a combustão interna), e o transfere para o fluido

realizar trabalho. O processo pelo qual ocorre esta

transferência de energia são resultados das

interações dinâmicas entre um elemento orgânico do

dispositivo (rotor) e o fluido, e são geralmente

baseadas no escoamento e nas forças detectadas na

interface do fluido e a superfície deste sólido.


FLUÍDOS - BOMBAS

BOMBAS:

As bombas são operadas normalmente com líquidos (bombas d’águas), mas existem dispositivos que podem operar com gases (ventiladores), embora os princípios básicos sejam os mesmos em ambos, pode haver diferenças significativas na dinâmica dos escoamentos nestes dois casos. Por exemplo, a cavitação é muito importante no projeto de bombas que operam com líquidos, sendo desprezível nos gases. Os efeitos de compressibilidade são importantes em bombas que operam com gases com número de Mach elevados, o que não acontece com os líquidos.


FLUÍDOS - BOMBAS

BOMBAS:

As bombas podem ser classificadas de acordo com a forma como transfere a energia para o fluido. Nesta classificação há dois tipos de bombas;

1) Bombas de deslocamento positivo, também chamada de bombas estáticas. Alternativas

Rotativas

2) Turbomáquinas ou bombas dinâmicas. Centrifugas Puras ou Radiais

Helicoidais

Axiais


FLUÍDOS - BOMBAS

BOMBAS:

No primeiro tipo, o aumento da energia do fluido é obtido por meio do deslocamento de um volume pré determinado. O princípio de funcionamento deste equipamento pode ser observado no coração e nas bombas de encher pneus de bicicletas.

No segundo tipo, há uma série de dispositivos (pás, discos, canecas, canais, etc) que aumentam a energia do fluido e se baseia na transferência de quantidade de movimento por interação viscosa entre superfície sólida do elemento e o fluido. Ventiladores, hélices de barcos e aviões, bombas d’águas centrífugas e turbo - compressores de automóveis são exemplos deste tipo de equipamento.


FLUÍDOS - BOMBAS

BOMBAS DE DESLOCAMENTO POSITIVO:

As bombas de deslocamento positivo apresentam uma ou mais câmaras que comunicam a energia de pressão ao fluido, provocando o seu escoamento. Desta forma, proporcionam as condições necessárias para que se realize o escoamento na tubulação de aspiração e na de recalque. Este tipo de bomba pode ser classificada em alternativas e rotativas, e para cada classificação há diversos tipos de bombas.


FLUÍDOS - BOMBAS



FLUÍDOS - BOMBAS


ALTERNATIVAS

Impelem uma quantidade definida de fluido em cada golpe ou volta do dispositivo.

O volume do fluido deslocado é proporcional a velocidade.

Operam com baios ciclos ou baixas rotações (≈20 rpm)


FLUÍDOS - BOMBAS


ALTERNATIVAS

Para cada golpe do pistão, um volume fixo do líquido é impelido pela bomba.

Desta forma, resulta num escoamento intermitente. A taxa de fornecimento do líquido é função do volume varrido pelo pistão no cilindro e o número de golpes do pistão por unidade do tempo.


FLUÍDOS - BOMBAS


ALTERNATIVAS Eficiência Volumétrica:

volume real < volume total devido a vazamentos ou enchimento incompleto.

h v > 95% para bombas bem ajustadas.

Eficiência Mecânica:

h m = < 100% , devido a perdas por atrito mecânico e atrito ao fluido.


FLUÍDOS - BOMBAS


ALTERNATIVAS

Podem ser :

duplex, triplex, - O número de cilindro.

simples ou duplo efeito - Quando utiliza um ou dois

lados de seu volume para impelir o fluido.


FLUÍDOS - BOMBAS


ALTERNATIVAS

Aplicações:

- bombeamento de água de alimentação de caldeiras,

óleos e de lamas,

- imprimem as pressões mais elevadas dentre as

bombas,

- pequena capacidade,

- podem ser usadas para vazões moderadas.


FLUÍDOS - BOMBAS


ALTERNATIVAS

Vantagens:

- podem operar com líquidos voláteis e muito viscosos

- capaz de produzir pressão muito alta.

Desvantagens:

- produz fluxo pulsante;

- capacidade;

- opera com baixa velocidade;

- necessita de mais manutenção;


FLUÍDOS - BOMBAS


ROTATIVAS

Resulta em escoamento contínuo,

O rotor da bomba provoca uma pressão reduzida no lado da entrada, o que possibilita a admissão do líquido à bomba, pelo efeito da pressão externa. À medida que o elemento gira, o líquido fica retido entre os componentes do rotor e a carcaça da bomba.


FLUÍDOS - BOMBAS


ROTATIVAS

O líquido bombeado é empurrado pelos dentes das engrenagens.

A vazão é proporcional ao volume entre os dentes e à velocidade das engrenagens. Uma das engrenagens é movimentada por um motor.


FLUÍDOS - BOMBAS


ROTATIVAS


FLUÍDOS - BOMBAS


ROTATIVAS

Características:

- Utilizadas principalmente nas indústrias farmacêuticas, de alimentos e de petróleo.

- Eficientes para fluidos viscosos, graxas e tintas;

- Operam em faixas moderadas de pressão;

- Capacidade pequena e média;

- Utilizadas para medir "volumes líquidos".


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ROTATIVAS

Tipos:

- Engrenagens;

- atuada externamente ( as 2 engrenagens giram em

sentidos opostos);

- atuada internamente ( só um rotor motriz );

- Rotores lobulares: bastante usada em alimentos;

- Parafusos helicoidais ( maiores pressões);

- Palhetas: fluidos pouco viscosos e lubrificantes;

- Peristáltica: pequenas vazões, permite transporte

asséptico.


FLUÍDOS - BOMBAS

TURBOBOMBAS OU BOMBAS DINÂMICAS:

As turbobombas são caracterizadas por possuírem um elemento rotatório (conhecido como rotor) que exerce sobre o fluido uma força causando uma aceleração do mesmo. Essa aceleração não possui a mesma direção e sentido do movimento do líquido em contato com o elemento que gera o movimento, ao contrário das bombas de deslocamento positivo. As forças geradas irão transferir quantidade de movimento ao fluido a ser bombeado.


FLUÍDOS - BOMBAS


CLASSIFICAÇÃO

As bombas centrífugas podem ser classificadas de

acordo com a trajetória do líquido no rotor e com

número de rotores empregados. Segundo a trajetória

do líquido há as bombas centrífugas puras ou radiais e

as de fluxo misto ou diagonal. As bombas são

classificadas segundo o número de rotores em bombas

de estágio simples e as de múltiplos estágios.


FLUÍDOS - BOMBAS


CLASSIFICAÇÃO

Quanto a altura manométrica (para recalque de água limpa):

baixa pressão (H ≥ 15 mca=147kPa);

média pressão (15 < H < 50 mca=147kPa - 490kPa);

alta pressão (H ≤ 50 mca=490kPa).

Quanto a vazão de recalque:

pequena (Q ≥ 50 m³/hora);

média ( 50 < Q < 500 m³/hora);

grande (Q ≤ 500 m³/hora).


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BOMBA CENTRÍFUGA PURA OU RADIAL

Neste tipo de bomba o líquido entra no rotor

paralelamente ao eixo de rotação, sendo dirigido pelas

pás para a periferia do rotor com uma trajetória normal

ao eixo. Desta forma, a trajetória das partículas são

curvas praticamente planas contidas em planos radiais.

As bombas deste tipo são de "simples" construção com

as pás apresentando curvatura em apenas um plano, o

que as qualificam para a produção em série.


FLUÍDOS - BOMBAS


BOMBA CENTRÍFUGA PURA OU RADIAL


FLUÍDOS - BOMBAS


BOMBA HELICOIDAL

As pás neste tipo de bomba apresentam dupla

curvatura, com a borda de saída bastante inclinada em

relação ao eixo. Desta forma, a trajetória da partícula é

uma hélice cônica e reversa. O rotor usualmente

possui somente uma base para a fixação das pás em

forma de cone ou ogiva.


FLUÍDOS - BOMBAS


BOMBA HELICOIDAL

http://www.weatherford.com.br/weatherford/groups/public/documents/artificiallift/images/ip_pcpump.jpg


FLUÍDOS - BOMBAS


BOMBA AXIAL

Neste tipo de bomba não é propriamente uma bomba

centrífuga, sendo seu projeto baseado na teoria de

sustentação das asas e da propulsão das hélices ou

ainda segundo a teoria do vórtice forçado. A trajetória

da partícula de fluido no interior começa de forma

paralela ao eixo e se transforma em uma hélice

cilíndrica, formando uma hélice de vórtice forçado, pois

ao escoamento axial sobrepõe-se um vórtice forçado

pelo movimento das pás.


FLUÍDOS - BOMBAS


BOMBA AXIAL


FLUÍDOS - BOMBAS


As principais partes componentes de uma bomba centrífuga são o rotor e o difusor. No rotor, que recebe energia mecânica do motor, o fluido recebe quantidade de movimento e aumenta sua energia cinética. Em essência o rotor é um disco ou uma peça em formato cônico, que pode ou não ser dotados de pás. No caso do rotor não possuir pás a transferência de quantidade de movimento para o fluido ocorre por interação viscosa da superfície do disco com o fluido. No rotor com pá, a interação é inercial.


FLUÍDOS - BOMBAS


Elementos construtivos de um equipamento

Em destaque os elementos “voluta” e “rotor”


FLUÍDOS - BOMBAS


Elementos construtivos de um equipamento

Em destaque os elementos “eixo” e “rolamentos”


FLUÍDOS - BOMBAS



FLUÍDOS - BOMBAS


Rotor com indutor


FLUÍDOS - BOMBAS


Equipamento de efeito simples Equipamento de múltiplo efeito


FLUÍDOS - BOMBAS


Instalação


FLUÍDOS - BOMBAS


Instalação: convencional


FLUÍDOS - BOMBAS


Instalação: injetora


FLUÍDOS - BOMBAS


Instalação: submersa


FLUÍDOS - BOMBAS


A operação normal de bombeamento consiste em fornecer energia ao fluido para que possa executar o trabalho representado pelo deslocamento de seu peso entre duas posições, vencendo as resistências que se apresentem em seu percurso. Como estamos falando de trabalho é interessante estabelecer uma convenção que permite indicar a situação de cada parcela da energia cedida ao liquido. Tomando como referência a figura, será definido índices para representar cada região especifica do sistema de bombeamento.


FLUÍDOS - BOMBAS


Estes Índices são:

0 - Representa o ponto na seção de entrada da bomba. É o ponto onde o escoamento médio da

veia liquida atravessa a seção de entrada da bomba,

1 - Representa os pontos situados na superfície gerada pela rotação do bordo de entrada do rotor.

denominado de entrada do rotor,

2 - Representa os pontos situados na superfície gerada pelo bordo de saída do rotor,

3 - Representa os pontos situados na saída da bomba.

Nível de referência


FLUÍDOS - BOMBAS


A seleção do equipamento dependerá basicamente de dois fatores:

1) Vazão volumétrica

a ser transportada e

2) Altura manométrica

do sistema de

bombeamento.

Fonte: HIDRAULICA, PROFESSOR: ENG° RICARDO VITOY - MÁQUINAS DE FLUXO E BOMBEAMENTO


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Vazão volumétrica a ser transportada:

Água como insumo de processos: Vazão = Demanda * quantidade de produto a ser produzido

Ex : Em uma usina de açúcar = 100l água / kg de açúcar produzido

Em uma Cervejaria = 5l água / 1l de cerveja produzido

Em uma indústria de Celulose e Papel = 100l a 600l de água / kg de celulose e papel produzidos

Água como fluído de suporte: Vazão = Demanda * n° operários

Ex : 70l água / dia x operário

Água para atender necessidades pessoais: Vazão = Demanda * (clima,nível social, cultura,etc)

Ex : 150l a 350l água / dia x habitante


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Vazão volumétrica:

Dados e estimativas podem ser identificados pela NBR 5626 - Instalações Prediais de Água Fria


FLUÍDOS - BOMBAS




FLUÍDOS - BOMBAS



Reservatórios:

A NBR 5626:1998 estabelece que o volume de água reservado para uso doméstico deve ser, no mínimo, o necessário para atender 24 horas de consumo normal do edifício, sem considerar o volume de água para combate a incêndio.


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Altura manométrica

No estudo dos sistemas de transporte de fluídos,

levantamos a informação das alturas estáticas e

dinâmicas para a determinação da altura manométrica.


FLUÍDOS - BOMBAS


ALTURAS ESTÁTICAS

Estas alturas representam os desníveis topográficos de

uma instalação de bombeamento e são divididas em

três tipos distintas, sendo representadas pela letra h

minúscula.

* O Nível de Referencia (NR) pode ser adotado como o

eixo do equipamento ou mesmo o nível do mar


FLUÍDOS - BOMBAS


A primeira é chamada de altura estática de aspiração (ha) e compreende o desnível topográfico entre a linha de centro da bomba e o nível do reservatório de aspiração, representado pela superfície livre do reservatório. O reservatório pode estar localizado acima ou abaixo da linha de centro da bomba, contudo a altura estática de aspiração continuará sendo representada pelo desnível. No caso do reservatório estar acima da bomba esta altura será positiva e, caso esteja abaixo, será negativa por estar contra o referencial.

+

-

NR


FLUÍDOS - BOMBAS


A segunda é a altura estática de recalque (hr) e corresponde à diferença de cotas entre o nível onde líquido deixa a tubulação de recalque e a linha do centro da bomba, que serve de referencial. Na determinação desta altura deve-se estar atento a como o liquido deixa a tubulação de recalque. Se a saída for livre, o nível será medido na linha de centro da tubulação, sendo válida esta referência para quando o líquido é abandonado acima da linha da superfície livre do reservatório de saída. Se a tubulação descarregar o fluido abaixo desta linha, a referencia passará a ser o nível do reservatório de saída.

NR


FLUÍDOS - BOMBAS


Por último leremos a altura estática de elevação (he) que corresponde á diferença de cotas entre os níveis onde o liquido deixa a tubulação de recalque e o da superfície livre do reservatório de aspiração da bomba. A altura estática de elevação pode ser facilmente como:

he=-ha+hr


FLUÍDOS - BOMBAS


i


FLUÍDOS - BOMBAS


NR

8m

4m

NR

2m

8m

Calcular ha,hr e he


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ALTURAS DINÂMICAS

As alturas dinâmicas (aspiração e recalque) consistem na diferença de

energia referente ao movimento do escoamento entre o reservatório de

aspiração até a unidade de bombeamento e da unidade de bombeamento

até o reservatório de recalque . Neste cálculo é considerando a parcela

de energia perdida entre os trajetos (Ja e Jr).


FLUÍDOS - BOMBAS


ALTURA DINÂMICA DE ASPIRAÇÃO Esta altura representa a energia necessária ao fluido para deslocar desde

o reservatório de aspiração até a entrada da bomba, vencendo todos as

resistências da linha e com uma vazão específica.


FLUÍDOS - BOMBAS


ALTURA DINÂMICA DE ASPIRAÇÃO

Pode ser determinada como:

Onde ha é a altura estática de aspiração, Pa,Va e Ja correspondem a

pressão do reservatório, a velocidade e as perdas na tubulação de

aspiração, respectivamente.

aa

aa

Jg

Vh

PHa

2

2


FLUÍDOS - BOMBAS


ALTURA DINÂMICA DE RECALQUE

Esta altura representa a energia necessária ao fluido para deslocar desde a saída da bomba até o reservatório de recalque, vencendo todos as resistências da linha e com uma vazão específica.


FLUÍDOS - BOMBAS


ALTURA DINÂMICA DE RECALQUE

Pode ser determinada como:

Onde hr é a altura estática de recalque, Pr,Vr e Jr correspondem a pressão

do reservatório, a velocidade e as perdas na tubulação de recalque,

respectivamente.

rr

r Jg

VhHr

2

P 2r


FLUÍDOS - BOMBAS


ALTURA MANOMÉTRICA

A altura manométrica representa a quantidade de energia que a bomba deve fornecer ao fluido para que se desloque desde o reservatório de aspiração até a saída da tubulação de recalque.

Je

hg

aV

rV

γ

PaH

Jr

ha

hg

aV

rV

γ

PaH

rJ

aJ

rh

ah

g

aV

rV

γ

PaH

rJ

g

rV

rh

γaJ

g

aV

ah

γ

PaH

HrHaH

2

22Pr

2

22Pr

2

22Pr

2

2Pr

2

2

Diversas combinações

e opções de arranjos -

Nível de referencia

exatamente no eixo do

equipamento


FLUÍDOS - BOMBAS


ALTURA MANOMÉTRICA

Casos especiais.

Jr

ha

hH

Jr

ha

hg

aV

rV

H

Jr

ha

hg

aV

rV

γ

PaH

00

2

22

0

2

22Pr

Reservatórios que

operam abertos

(pressão

atmosférica)

Velocidades de

escoamento iguais

entre as linhas

(tubulações de

mesmo diâmetro)


FLUÍDOS - BOMBAS


ALTURAS DINÂMICAS


FLUÍDOS - BOMBAS


NR

6m

3m

NR

1m

4m

Calcular a altura manométrica para ambos os casos.

A - Considerar:

Pa=101KPa

Va=1m/s

Ja=0,2m

Vr=5m/s

Jr=0,3m

Pr=101KPa

B - Considerar:

Pa=101KPa

Va=1m/s

Ja=0,2m

Vr=1m/s

Jr=0,5m

Pr=240KPa


FLUÍDOS - BOMBAS


A altura manométrica pode ser calculada através da relação entre as pressões da linha de recalque e aspiração. Onde pr e pa correspondem a pressões em determinados pontos das linhas de recalque e aspiração e m a distância entre o manômetro instalado na linha de recalque e o vacuômetro da linha de aspiração. Usualmente, estes dois manômetros são instalados na mesma altura, desta forma m=0.

mpp

H ar


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Manômetro

m

Vacuômetro

Manômetro Vacuômetro

m=0


FLUÍDOS - BOMBAS


ALTURA ÚTIL DE ELEVAÇÃO

Consiste na energia que a unidade de líquido adquire em sua passagem pela bomba.

g

VJJh

g

VVHH

g

VP

g

Vi

PH

rrae

aru

aarru

22

22

222

22


FLUÍDOS - BOMBAS


ALTURA TOTAL DE ELEVAÇÃO

Consiste na energia total que o rotor deve fornecer ao fluído.

Onde: Jbomba está associado ao equipamento (Interface entre rotor e fluido)

bombaue JHH


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ALTURA MOTRIZ DE ELEVAÇÃO

Consiste na energia a ser fornecida ao rotor, para que vença o trabalho resistente mecânico desenvolvido nos mancais.

Onde: Jmec está associado ao trabalho mecânico resistente passivo.

mecem JHH


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ALTURA DISPONÍVEL DE ELEVAÇÃO

Consiste na variação final de energia total entre o reservatório de entrada e de saída.

)( bombaraed JJJHH


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POTÊNCIAS: Como a bomba funciona como um sistema dinâmico, deve-se considerar

a potência associada para realizar o trabalho de bombeamento. Como a

bomba é composta de vários componentes e cada componente possui

um rendimento diferente, haverá uma potência associada para cada

componente e para cada altura de bombeamento. A potência que é

fornecida pelo motor ao eixo da bomba é chamada de potência motriz e

é determinada com um freio dinamométrico. Nem toda essa potência é

aproveitada pelo rotor, parte é perdida nos mancais do eixo e gaxetas, de

forma que a potência que o rotor cede ao liquido corresponde a apenas

uma parcela da potência motriz.


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POTÊNCIAS: A parcela cedida pelo rotor ao liquido é chamada de potência de

elevação. Por sua vez, não é toda a energia cedida pelo rotor ao liquido

que é aproveitada para fazer com que o fluido se desloque do

reservatório de aspiração ate o saída da tubulação de recalque. Parte é

perdida no interior da bomba em conseqüência de perdas hidráulicas

diversas, que serão estudas posteriormente. A potência associada a

parcela de energia efetivamente recebida pelo fluido para ser bombeado

é a potência útil e pode ser correlacionado com a altura manométrica.


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POTÊNCIAS:

uu

ee

mm

HQL

HQL

HQL

..

..

..

Potência Motriz

Potência de Elevação

Potência Útil

Expresso em Kgf.m/s

1 kgf.m/s=9,81W

1 CV=735, 5W

1 HP=745,7W


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RENDIMENTOS:

Normalmente: 0,92-0,95




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RENDIMENTOS:


FLUÍDOS - BOMBAS


SEMELHANÇAS:


FLUÍDOS - BOMBAS


CURVAS CARACTERÍSTICAS


FLUÍDOS - BOMBAS



A função f(H,Q,n), em condições reais, é uma superfície, chamada de superfície característica, que é um parabolóide hiperbólica, cuja formula geral é :

para uma rotação n constante, a curva (H,Q) será uma parábola;

para H constante, a curva (Q,n) será uma hipérbole na qual o eixo pelo centro do sistema de coordenadas;

para Q constante a curva (H,n) também será uma parábola.

nQBQCnAH 22


FLUÍDOS - BOMBAS



De acordo com o formato da curva H = f (Q), teremos diferentes denominações. Assim pode-se ter curva inclinada, curva ascendente-descendente, curva altamente descendente e curva plana

Altamente descendente

Plana

ascendente-descendente

Inclinada

H

Q

Bombas com curvas ascendente-

descendente apresentam um

comportamento instável na região

ascendente, e em projetos que

utilizem tais máquinas deve-se ter o

cuidado de evitar o funcionamento

nesta região da curva.


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Além da curva HxQ, outras duas curvas são de

interesse. A primeira delas é a curva rendimento () x

vazão e a outra é a curva potência (N) x vazão. O

rendimento total pode ser definido como:

absPot

HQ

bombapelaabsorvidapotência

fluidoaocedidaútilpotência


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Q

max

Q

N


FLUÍDOS - BOMBAS




FLUÍDOS - BOMBAS


NR

5m

14m

Selecionar o melhor equipamento em função de H e Q

Considerar a carta de operação anterior (n=1750RPM)

Considerar:

Pa=101KPa

Va=1m/s

Ja=0,3m

Pr=101KPa

Vr=5m/s

Jr=0,8m

Dr=0,08m

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