OPERAÇÕES UNITÁRIAS    Montagem : Prof. Luciano Cardoso   1
OPERAÇÕES UNITÁRIAS                      CONTEÚDOS   PARTE I : INTRODUÇÃO - CONCEITOS GERAIS   PARTE II : ELEMENTOS DE M...
OPERAÇÕES UNITÁRIAS             PARTE I       INTRODUÇÃO   CONCEITOS GERAIS    Montagem : Prof. Luciano Cardoso   3
OPERAÇÕES UNITÁRIAS PARTE I - INTRODUÇÃOA disciplina de Operações Unitárias é aquela que classifica e estuda, separadamen...
As características mais importantes para o dimensionamento de equipamentos de processos, são aviscosidade e a pressão do f...
. Principais Equipamentos para a realização da Transferência de Calor :- Trocadores de Calor- Evaporadores CONCEITOS FUND...
1 m3 = 35,31 ft31 bbl = 0,159 1 m3Alguns exemplos de correlações entre massas1 kg = 2,2 lb1 lb = 454 g1 kg = 1.000 g1 t = ...
Alguns exemplos de correlações entre potências1 HP = 1,014 CV1 HP = 42,44 BTU/min1KW = 1,341 HP1 HP = 550 ft.lbf/s1KW = 1 ...
OPERAÇÕES UNITÁRIAS                   PARTE IIELEMENTOS DE MECÂNICA DOS FLUIDOS        Montagem : Prof. Luciano Cardoso   9
 PARTE II - ELEMENTOS DE MECÂNICA DOS FLUIDOS NOÇÕES DE HIDROSTÁTICAHidrostática é o ramo da Física que estuda a força e...
No caso mais simples a força (F) é perpendicular à superfície (S) e a equação fica simplificada :A unidade de pressão no S...
Se houver dois ou mais líquidos não miscíveis, teremos:. Teorema de StevinA diferença de pressão entre dois pontos, situad...
. Princípio de PascalA pressão aplicada a um líquido em equilíbrio se transmite integralmente a todos os pontos dolíquido ...
. Na Esfera B : E = PA esfera B está em repouso e totalmente imersa no líquido. Isto acontece quando a densidade docorpo é...
Portanto:Com isso pode-se concluir que esses fatos são denominados princípio dos vasos comunicantes.As duas propriedades a...
Com isso pode- se concluir que as duas alturas líquidas da figura acima, que são medidas partindode uma superfície de sepa...
Um escoamento simples está mostrado na figura abaixo para ilustrar a definição de viscosidade.                            ...
. TIPOS DE VISCOSIDADE Viscosidade Dinâmica (     )Está relacionada com a Lei de Newton, onde a constante ou coeficiente...
Viscosidade DinâmicaA unidade no Sistema CGS de unidades para a viscosidade dinâmica é o poise (p), cujo nomehomenageia a ...
Tabela para viscosidades cinemáticas aproximadas a 20ºC de alguns líquidos. Em centistokes (=10−2 St = 10−6 m2/s).        ...
Finalmente, o viscosímetro rotativo é o mais usado na indústria e mede a força de fricção de ummotor que gira, devido a um...
# Regimes de Escoamentos de FluidosInicialmente, vamos considerar apenas o que é chamado fluido ideal, isto é, um fluido i...
O escoamento turbulento é o contrário do escoamento laminar. O movimento das moléculas dofluido é completamente desordenad...
Nota: A determinação da vazão pode ser direta ou indireta; considera-se forma direta sempre quepara a sua determinação rec...
. Relação entre Vazão em Peso (QG), Vazão em Massa (Qm) e Vazão em Volume (Q)Para obtenção desta relação, evocamos os conc...
Para demonstrar, suponha-se um condutor de seção constante :O volume escoado entre as seções (1) e (2) de área A é igual :...
. Resolução :Temos V = 1.200.000 cm3Q = 1.200 cm3/sT=?Aplicando a relação Q = V/ t, tiramos t = V/Qt = 1.200.000/1.200 t =...
. Equação da continuidade nos escoamentosDizemos que um fluido encontra-se escoando em regime permanente quando a velocida...
A velocidade do fluido no ponto A1 é V1, e no ponto A2 é V2 . A1 e A2 são áreas da secção reta dotubo nos dois pontos cons...
Trabalhemos no sistema CGS.Q1 = 90 l/ min = 90 dm3/60s = 90.000 cm3/60sQ1 = 1.500 cm3/s v2 = Q1/A2V2 = 1.500/100V2 = 15 cm...
Esta velocidade média é definida como a velocidade uniforme em toda a seção reta do tubo queproduz a mesma vazão.Verifica-...
A baixas velocidades de escoamento, o fio de líquido colorido permanecia reto e contínuo pelocomprimento do tubo e quando ...
É a resistência ao escoamento devido ao atrito entre o fluido e a tubulação, mas que pode ser maiorou menor devido a outro...
IV. Outras variáveis : fator ( f ) –a. RugosidadeA rugosidade depende do material do tubo. Existem tabelas onde encontramo...
. Expressões da Perda de Carga ( J )I. Método Racional ou ModernoEm função das variáveis hidráulicas apresentadas e utiliz...
II. Acidentais ou localizadasAs perdas de carga acidentais ou localizadas são as perdas que ocorrem nas conexões (curvas,d...
. Princípio de Bernoulli ou Equação de BernoulliO Princípio de Bernoulli, também denominado Equação de Bernoulli ou Trinôm...
Para aplicar a equação se deve realizar as seguintes suposições: Viscosidade (atrito interno) = 0 , ou seja, se considera...
2 ) Qual a vazão de água (em litros por segundo) circulando através de um tubo de 32 mm dediâmetro, considerando a velocid...
Resolução:Utilizando a equação de Bernoulli simplificada e considerando z 1 = 2 m e g = 9,81 m/s2, podemoscalcular a veloc...
6 ) Qual a perda de carga no tubo? Considere: tubo liso PVC            υágua = 1,006 x 10-6 m2/s            Vágua = 5 m/s ...
OPERAÇÕES UNITÁRIAS              PARTE III   BOMBAS HIDRÁULICAS    Montagem : Prof. Luciano Cardoso   42
OPERAÇÕES UNITÁRIAS PARTE III – BOMBAS HIDRÁULICAS1. MÁQUINASSão transformadores de energia (absorvem energia em uma form...
 CLASSIFICAÇÃO GERAL DAS BOMBASAs bombas podem ser classificadas em duas categorias, a saber :- Volumétricas ou de Desloc...
. Resumindo :Bombas Hidráulicas são máquinas motrizes que recebem energia potencial de um motor ou de umaturbina, e transf...
. Quando utilizar as bombas de pistão ?- quando um fluido vaporiza, ou pode eventualmente vaporizar nas condições do proce...
   BOMBAS CENTRÍFUGASBombas Centrífugas são bombas hidráulicas que têm como princípio de funcionamento a forçacentrífuga ...
A carcaça pode ser do tipo voluta ou do tipo difusor. A de voluta é a mais comum podendo sersimples ou dupla (Figura abaix...
. Principais Componentes de uma Bomba HidrodinâmicaRotor: órgão móvel que fornece energia ao fluido. É responsável pela fo...
. Classificação das Turbo-bombas. Quanto à trajetória do fluido dentro do rotora) Bombas radiais ou centrífugas: o fluido ...
Corte de uma bomba de monoestágiob) Bombas de múltiplo estágio: a bomba possui dois ou mais rotores dentro da carcaça. É o...
. Quanto ao posicionamento do eixoa) Bomba de eixo horizontal: é a concepção construtiva mais comum.                      ...
. Quanto ao tipo de rotora) Rotor aberto: usada para bombas de pequenas dimensões. Possui pequena resistência estrutural.B...
(a)                                         (b) Bombas Rotativas de Deslocamento PositivoFuncionam através do movimento r...
. Quando utilizar as bombas rotativas de deslocamento positivo ?- São utilizados para fluidos viscosos quaisquer, desde qu...
 SELOS MECÂNICOS :São sistemas de selagem utilizados quando não se pode deixar o fluido bombeado vazar. Permitemvazamento...
São apertados somente durante a montagem, requerendo cuidados especiais de manutenção.. Falhas mais comuns que prejudcam a...
 VÁLVULAS DE SEGURANÇA DE PRESSÃOSão válvulas que controlam a pressão na tubulação automaticamente pela ação da força de ...
 OPERAÇÃO DE BOMBAS HIDRÁULICAS PARTIDA :. Se a bomba estiver partindo pela primeira vez :- verificar o nível do lubrifi...
 VAZÃO MÍNIMA DE OPERAÇÃO :Para bombas centrífugas, a recomendação é de valores em torno de 50% do BEP ( Best EfficiencyP...
Gráfico da fervura da água, do etér etílico e do álcool etílico, variando com a pressãoPRESSÃO DE VAPOR é a pressão na qua...
Chama-se de cavitação o fenômeno que decorre, nos casos em estudo, da ebulição da água nointerior dos condutos, quando as ...
Exemplo de defeito provocado pela cavitação: Corrosão das palhetas da bombaCaracterísticas de uma bomba em cavitação- Qued...
 NPSH , Conceito :. Significado das IniciaisSão as iniciais do termo em inglês NET POSITIVE SUCTION HEAD, cuja tradução p...
 CURVAS CARACTERÍSTICAS DAS BOMBASÉ a representação gráfica em um eixo cartesiano da variação das grandezas característic...
Tipos de curvas característicasMontagem : Prof. Luciano Cardoso    66
 CONSUMO DE ENERGIA DAS BOMBASA função de uma bomba é transferir energia para o fluido, logo sua operação sempre implica ...
 ASSOCIAÇÃO DE BOMBAS HIDRÁULICASMuitas razões, técnicas e econômicas, levam à necessidade de se efetuar a associação de ...
 Bombas em paralelo :É comum em sistemas de abastecimento de água, esgotamento ou serviços industriais, a instalaçãode bo...
OPERAÇÕES UNITÁRIAS             PARTE IV          CALDEIRAS    Montagem : Prof. Luciano Cardoso   70
OPERAÇÕES UNITÁRIAS PARTE IV – CALDEIRAS1. INTRODUÇÃOCaldeira ou Gerador de vapor é um equipamento que se destina a gerar...
2.2.1. Caldeiras flamotubularesNo primeiro caso, os gases quentes passam por dentro de tubos, ao redor dos quais está a ág...
2.2.2. Caldeiras aquotubularesO outro tipo, que é o mais empregado, como o próprio nome indica, tem circulação de água por...
Além de acumular o vapor, o tubulão recebe também a água de alimentação, que vem doeconomizador. O espaço acima do nível d...
Figura 3. Caldeira aquotubular típica.      Figura 4. Superaquecedor.Montagem : Prof. Luciano Cardoso          75
2.3. Causas de deterioração de caldeirasVeremos a seguir três tipos de males que ocorrem em caldeiras, os quais podem ser ...
• Externamente aos tubos, devido à formação de sais de vanádio, no caso de o mesmo estarpresente no óleo combustível, que ...
Figura 5. Exemplo de caldeira flamotubular vetical.Figura 6. Um outro exemplo de caldeira flamotubular vetical.          M...
2.4.2. Caldeiras de tubos horizontaisAs caldeiras de tubos horizontais abrangem vários modelos, desde as caldeiras Cornuál...
Figura 8. Exemplo de caldeira caldeira Lancaster.2.4.5. Caldeiras multitubulares de fornalha internaComo o próprio nome in...
Figura 9. Exemplo de caldeiras multitubulares.2.4.7. Caldeiras LocomóvelAs caldeiras locomóveis, também do tipo multitubul...
2.4.8. Caldeiras escocesasA caldeira escocesa, criada basicamente para uso marítimo, é o modelo de caldeira industrial mai...
O feixe tubular, ou tubos de fogo, é composto de tubos que são responsáveis pela absorção do calorcontido nos gases de exa...
Apostila+operações+unitárias
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  1. 1. OPERAÇÕES UNITÁRIAS Montagem : Prof. Luciano Cardoso 1
  2. 2. OPERAÇÕES UNITÁRIAS CONTEÚDOS PARTE I : INTRODUÇÃO - CONCEITOS GERAIS PARTE II : ELEMENTOS DE MECÂNICAS DOS FLUIDOS PARTE III : BOMBAS HIDRÁULICAS PARTE IV : CALDEIRAS PARTE V : TROCADORES DE CALOR PARTE VI : DESTILAÇÃO Montagem : Prof. Luciano Cardoso 2
  3. 3. OPERAÇÕES UNITÁRIAS PARTE I INTRODUÇÃO CONCEITOS GERAIS Montagem : Prof. Luciano Cardoso 3
  4. 4. OPERAÇÕES UNITÁRIAS PARTE I - INTRODUÇÃOA disciplina de Operações Unitárias é aquela que classifica e estuda, separadamente, os principaisprocessos físico-químicos utilizados na indústria química. Os processos mais comuns encontradosnas indústrias químicas são a Destilação Atmosférica e a Vácuo, os processos de Absorção eAdsorção, a Extração Líquido-Líquido e Líquido-Gás, o processo de Filtração, Transporte deSólidos, Trituração, Separação, Evaporação, Resfriamento, Secagem, Cristalização, etc.De uma forma geral, uma operação unitária é aquela etapa física de um um processo industrial eque, portanto, não envolve a ocorrência de transformações químicas.* Tipos de Operações Unitárias- Mecânicas- Transferência de Massa- Transferência de Calor. OPERAÇÕES UNITÁRIAS MECÂNICASSão as operações de transporte , separação e transporte de fluidos. Definição de Fluidos :A matéria se apresenta basicamente em três fases de agregação : sólida, líquida e gasosa.As fases líquida e gasosa, são chamadas de fluidas, pois apresentam a propriedade de sedeformarem continuamente quando é aplicada sobre elas uma força tangencial, denominada “tensão de cisalhamento” .Em outras palavras, um material fluido é aquele que apresenta a propriedade de escoar. Conceito Básico de Mecânica dos Fluidos :Para o estudo das Operações Unitárias de transporte e de separação de fluidos, é importante oestudo da Mecânica dos Fluidos , ou seja, o estudo do comportamento desses fluidos quandosubmetidos à ação de uma força. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 4
  5. 5. As características mais importantes para o dimensionamento de equipamentos de processos, são aviscosidade e a pressão do fluido. Transporte e Armazenamento de Fluidos :São realizados por :- Bombas : centrífugas ( rotor ) e de deslocamento positivo ( pistão )- Válvulas ( controle e bloqueio )- Linha de tubulações- Medidores de vazão- Vasos pressurizados Separação de Fluidos :Realizada por :- Centrifugação- Filtração. OPERAÇÕES UNITÁRIAS DE TRANSFERÊNCIA DE MASSASão as operações que envolvem a separação de líquidos miscíveis.- Propriedades das soluções  principalmente as diferenças entre os Pontos de Ebulição.. Principais Operações de Transferência de Massa :- Destilação- Absorção – soluções líquido-gás. OPERAÇÕES UNITÁRIAS DE TRANSFERÊNCIA DE CALORSão as operações de troca térmica entre fluidos.. Mecanismos de Troca de calor :- Condução : contato entre dois corpos fluidos- Convecção : mistura de fluidos- Radiação : ondas de calor Montagem : Prof. Luciano Cardoso 5
  6. 6. . Principais Equipamentos para a realização da Transferência de Calor :- Trocadores de Calor- Evaporadores CONCEITOS FUNDAMENTAISAlguns conhecimentos são fundamentais para que se possa estudar de forma adequada a disciplinadenominada Operações Unitárias, como conhecimentos sobre conversão de unidades, unidadesque podem ser medidas lineares, de área, de volume, de massa, de pressão, de temperatura, deenergia, de potência. Outro conceito-base para “Operações Unitárias” é o de Balanço, tantoMaterial quanto Energético. Conversão de UnidadesÉ necessário conhecer as correlações existentes entre medidas muito utilizadas na IndústriaQuímica, como é o caso das medidas de temperatura, de pressão, de energia, de massa, de área,de volume, de potência e outras que estão sempre sendo correlacionadas.Alguns exemplos de correlações entre medidas lineares1 ft =12 in1 in =2,54 cm1 m =3,28 ft1 m =100 cm = 1.000 mm1 milha =1,61 km1 milha =5.280 ft1 km =1.000 mAlguns exemplos de correlações entre áreas1 ft2 = 144 in21 m2 = 10,76 ft21 alqueire = 24.200 m21 km2 = 106 m2Alguns exemplos de correlações entre volumes1 ft3 = 28,32 L1 ft3 = 7,481 gal1 gal = 3,785 L1 bbl = 42 gal Montagem : Prof. Luciano Cardoso 6
  7. 7. 1 m3 = 35,31 ft31 bbl = 0,159 1 m3Alguns exemplos de correlações entre massas1 kg = 2,2 lb1 lb = 454 g1 kg = 1.000 g1 t = 1.000 kgAlguns exemplos de correlações entre pressões1 atm = 1,033 kgf/cm21 atm = 14,7 psi (lbf/in2)1 atm = 30 in Hg1 atm = 10,3 m H2O1 atm = 760 mm Hg1 atm = 34 ft H2O1 Kpa = 10–2 kgf/cm2Algumas observações sobre medições de pressão:– Pressão Absoluta = Pressão Relativa + Pressão Atmosférica– Pressão Barométrica = Pressão Atmosférica– Pressão Manométrica = Pressão RelativaAlguns exemplos de correlações entre temperaturastºC = (5/9)(tºF – 32)tºC = (9/5)(tºC) + 32tK = tºC + 273tR = tºF + 460 (temperatures absolutas)Algumas observações sobre medições de temperatura:Zero absoluto = – 273ºC ou – 460ºF Montagem : Prof. Luciano Cardoso 7
  8. 8. Alguns exemplos de correlações entre potências1 HP = 1,014 CV1 HP = 42,44 BTU/min1KW = 1,341 HP1 HP = 550 ft.lbf/s1KW = 1 KJ/s1 KWh = 3.600 J1KW = 1.248 KVAAlguns exemplos de correlações de energia1 Kcal = 3,97 BTU1BTU = 252 cal1BTU = 778 ft.lbf1Kcal = 3,088 ft.lbf1Kcal = 4,1868 KJ1 cal = 4,18 J Noção de Balanço Material e Balanço Energético- Balanço Material : se baseia na Lei de Lavoisier da Conservação das Massas ; na natureza nada seperde, nada se cria, tudo se transforma. Igual Massa que entra  PROCESSO  Massa que sai- Balanço Energético : se baseia nas Leis Termodinâmicas da Conservação de Energia. Igual Energia que entra  PROCESSO  Energia que sai Montagem : Prof. Luciano Cardoso 8
  9. 9. OPERAÇÕES UNITÁRIAS PARTE IIELEMENTOS DE MECÂNICA DOS FLUIDOS Montagem : Prof. Luciano Cardoso 9
  10. 10.  PARTE II - ELEMENTOS DE MECÂNICA DOS FLUIDOS NOÇÕES DE HIDROSTÁTICAHidrostática é o ramo da Física que estuda a força exercida por e sobre líquidos em repouso. Estenome faz referência ao primeiro fluido estudado, a água, é por isso que, por razões históricas,mantém-se esse nome. Fluido é uma substância que pode escoar facilmente, não tem forma própriae tem a capacidade de mudar de forma ao ser submetido à ação e pequenas forças. Lembrando quea palavra fluido pode designar tanto líquidos como gases.. ELEMENTOS DE HIDROSTÁTICA# Massa específica ou densidade absoluta (  )A massa específica é uma característica da substância que constitui o corpo e é obtida peloquociente entre a massa e o volume do corpo, quando este é maciço e homogêneo. A unidade demassa específica no SI é o kg/m3, mas também é muito utilizada a unidade g/cm3.1 g/cm3 = 1000 kg/m3. ImportanteDensidade e densidade absoluta são grandezas físicas diferentes. Observe que podemos obterqualquer das duas grandezas utilizando a fórmula acima, porém, só teremos a densidade absolutaou massa específica se o corpo em questão for maciço e homogêneo, de outra forma, o queestaremos obtendo é uma característica do corpo chamada densidade.- Massa específica ou densidade absoluta: característica da substância que compõe o corpo.- Densidade: caracteristica do corpo.# PressãoPressão é uma grandeza física obtida pelo quociente entre a intensidade da força (F) e a área (S)em que a força se distribui. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 10
  11. 11. No caso mais simples a força (F) é perpendicular à superfície (S) e a equação fica simplificada :A unidade de pressão no SI é o N/m2, também chamado de Pascal.Relação entre unidades muito usadas:1 atm = 760 mmHg = 105N/m2.. Pressão de uma coluna de líquidoA pressão que um líquido de massa específica m, altura h, num local onde a aceleração dagravidade é g exerce sobre o fundo de um recipiente é chamada de pressão hidrostática e é dadapela expressão: Montagem : Prof. Luciano Cardoso 11
  12. 12. Se houver dois ou mais líquidos não miscíveis, teremos:. Teorema de StevinA diferença de pressão entre dois pontos, situados em alturas diferentes, no interior de um líquidohomogêneo em equilíbrio, é a pressão hidrostática exercida pela coluna líquida entre os dois pontos.Uma consequência imediata do teorema de Stevin é que pontos situados num mesmo planohorizontal, no interior de um mesmo líquido homogêneo em quilíbrio, apresentam a mesma pressão.Se o ponto A estiver na superfície do líquido, a pressão em A será igual à pressão atmosférica.Então a pressão p em uma profundidade h é dada pela expressão: Montagem : Prof. Luciano Cardoso 12
  13. 13. . Princípio de PascalA pressão aplicada a um líquido em equilíbrio se transmite integralmente a todos os pontos dolíquido e das peredes do recipiente que o contém.Prensa hidráulica :. EmpuxoEmpuxo é uma força vertical, orientada de baixo para cima, cuja intensidade é igual ao peso dovolume de fluido deslocado por um corpo total ou parcialmente imerso.. Na Esfera A : E = PA esfera A está em repouso, flutuando na superfície do líquido. Isto acontece quando a densidade docorpo é menor que a densidade absoluta do líquido e, neste caso, o empuxo recebido pelo corpo éigual ao seu peso. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 13
  14. 14. . Na Esfera B : E = PA esfera B está em repouso e totalmente imersa no líquido. Isto acontece quando a densidade docorpo é igual à densidade absoluta do líquido e, neste caso, o empuxo recebido pelo corpo é igual aoseu peso.Na Esfera : E + N = PA esfera C está em repouso, apoiada pelo fundo do recipiente. Isto acontece quando a densidade docorpo é maior que a densidade absoluta do líquido e, neste caso, o empuxo é menor que o peso docorpo.. Peso aparenteÉ a diferença entre o peso do corpo e o empuxo que ele sofreria quando imerso no fluido.. Sistema de vasos comunicantesPara entender esse sistema, é importante pensar em um recipiente que possui alguns ramos quesão capazes de se comunicar entre si : Como podemos observar na figura acima, o recipiente está cheio com apenas um líquido em equilíbrio, portanto podemos concluir que:1- A superfície que estiver sem líquido, será horizontal e irá atingir a mesma altura de h.2-Quando os pontos do líquido estiverem na mesma altura z, a pressão do mesmo será igual. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 14
  15. 15. Portanto:Com isso pode-se concluir que esses fatos são denominados princípio dos vasos comunicantes.As duas propriedades acima (1 e 2), “percorrem” a Lei de Stevin.Um outro exemplo, porém agora com dois líquidos homogêneos, representados por A e B e que nãopodem se misturar ( imiscíveis ) :Se o sistema estiver em total equilíbrio e sob a ação da gravidade, conseguiremos igualar aspressões tanto no ponto 1 como no ponto 2 da figura acima, pois eles pertencem ao mesmo líquido,no caso pertencem ao líquido A, e conseguentemente pertencem também ao mesmo planohorizontal.Portanto: Montagem : Prof. Luciano Cardoso 15
  16. 16. Com isso pode- se concluir que as duas alturas líquidas da figura acima, que são medidas partindode uma superfície de separação, são inversamente proporcionais ás próprias densidades. NOÇÕES DE HIDRODINÂMICAA hidrodinâmica é o estudo de fluidos em movimento. É um dos ramos mais complexos da Mecânicados Fluidos, como se pode ver nos exemplos mais corriqueiros de fluxo, como um rio quetransborda, uma barragem rompida, o vazamento de petróleo e até a fumaça retorcida que sai daponta acesa de um cigarro. Embora cada gota dágua ou partícula de fumaça tenha o seu movimentodeterminado pelas leis de Newton, as equações resultantes podem ser complicadas demais.Felizmente, muitas situações de importância prática podem ser representadas por modelosidealizados, suficientemente simples parapermitir uma análise detalhada e fácil compreensão. ELEMENTOS DE HIDRODINÃMICA# ViscosidadeÉ a propriedade dos fluidos que está associada à maior ou menor resistência que eles oferecem aoseu próprio escolamento.Esta resistência se explica pelo atrito interno que ocorre entre as moléculas que compõe o fluido,movimentando-se umas contras as outras, e por atrito dessas moléculas com as paredes dorecipiente que as contém.Os fluidos com alta viscosidade como o melado ou mel, fluem mais lentamente que aqueles combaixa viscosidade como a água. Todos os fluidos, líquidos e gases, têm certo grau de viscosidade.Alguns materiais, como o piche, que parecem sólidos, são na realidade altamente viscosos e fluemmuito lentamente. O grau de viscosidade é importante em muitas aplicações. Por exemplo, aviscosidade do óleo do motor determina o quanto ele pode efetivamente lubrificar as partes de ummotor de automóvel. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 16
  17. 17. Um escoamento simples está mostrado na figura abaixo para ilustrar a definição de viscosidade.   F1  escoamento F1 : força aplicada sobre a placa superior a favor do sentido de escoamento do fluido. : força ou tensão de cisalhamento ; = F A dVV : velocidade de escoamento do fluido ; V= dx Lei de Newton para a viscosidade F dV F dV  => = . A dx A dx Ou   V =>  = .V ( Lei de Newton ) Montagem : Prof. Luciano Cardoso 17
  18. 18. . TIPOS DE VISCOSIDADE Viscosidade Dinâmica ( )Está relacionada com a Lei de Newton, onde a constante ou coeficiente de proporcionalidade “  “édenominada VISCOSIDADE ABSOLUTA ou VISCOSIDADE DINÂMICA . = .V , onde   VISCOSIDADE ABSOLUTA ou VISCOSIDADE DINÂMICAOs fluidos que obedecem a Lei de Newton para a Viscosidade, são denominados de “FLUIDOSNEWTONIANOS “ . São fluidos que apresentam viscosidade constante.São exemplos de fluidos newtonianos : água, ar, óleo, glicerina, etc.Já os fluidos que não obedecem a Lei de Newton para a Viscosidade, são chamados de “FLUIDOSNÃO NEWTONIANOS” . São fluidos que apresentam viscosidade variável.São exemplos de fluidos newtonianos : Ketchup, amido + água . Viscosidade Cinemática (  )É aquela que se obtém quando se relaciona a viscosidade dinâmica (  ) com a massa específica (  ) do fluido : = k  Unidades de ViscosidadeA unidade física de viscosidade no Sistema Internacional de Unidades é o pascal-segundo (Pa·s),que corresponde exatamente a 1 N·s/m² ou 1 kg/(m·s). Na França intentou-se estabelecer opoiseuille (Pl) como nome para o Pa·s, sem êxito internacional. Deve-se prestar atenção em nãoconfundir o poiseuille com o poise, chamado assim pela mesma pessoa. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 18
  19. 19. Viscosidade DinâmicaA unidade no Sistema CGS de unidades para a viscosidade dinâmica é o poise (p), cujo nomehomenageia a Jean Louis Marie Poiseuille. Sói ser mais usado o seu submúltiplo: o centipoise (cp).O centipoise é mais usado devido a que a água tem uma viscosidade de 1,0020 cp a 20 °C1 poise = 100 centipoise = 1 g/(cm·s) = 0,1 Pa·s.1 centipoise = 1 mPa·s.Viscosidade cinemáticaSe obtém com o cociente da viscosidade dinâmica (ou absoluta) e a densidade. A unidade no SI é o(m²/s). A unidade física da viscosidade cinemática no Sistema CGS é o stokes (abreviado S ou St),cujo nome provém de George Gabriel Stokes. Às vezes se expressa em termos de centistokes (cS ocSt).1 stokes = 100 centistokes = 1 cm²/s = 0,0001 m²/s.. Tabelas ilustrativas de ViscosidadeA tabela abaixo mostra os coeficientes de viscosidade de alguns líquidos (em poise). Glicerina (20oC) 8,3 o Água (0 C) 0,0179 o Água (100 C) 0,0028 o Éter (20 C) 0,0124 o Mercúrio (20 C) 0,0154A tabela abaixo mostra os coeficientes de viscosidade de alguns gases (em poise). Ar (0oC) 0,000171 o Ar (20 C) 0,000181 o Ar (100 C) 0,000218 o Água (100 C) 0,000132 o CO2 (15 C) 0,000145 Montagem : Prof. Luciano Cardoso 19
  20. 20. Tabela para viscosidades cinemáticas aproximadas a 20ºC de alguns líquidos. Em centistokes (=10−2 St = 10−6 m2/s). Óleo Óleo Óleo Óleo Óleo ÓleoLíquido Água Leite Glicerina Mel combustível vegetal SAE-10 SAE-30 SAE-50 SAE-70ν (cSt) 1 4 16 43 110 440 650 1735 2200 19600 Medida ou determinação da viscosidade de um fluidoNa prática, a determinação da viscosidade de um fluido, é feita através de um instrumentodenominado viscosímetro.Um viscosímetro, também designado por viscómetro, consiste num instrumento usado para mediçãoda viscosidade de um fluido.Existem diversos tipos de viscosímetros, de entre os quais se destacam pela sua importância eaplicação industrial, o viscosímetro capilar ou viscosímetro de Ostwald, o viscosímetro de esfera emqueda ou viscosímetro de bola e o viscosímetro rotativo.No que diz respeito ao primeiro, o viscosímetro capilar ou de Ostwald, é utilizado para líquidos ebaseia-se na determinação de alguns dos parâmetros relacionados com a fricção desenvolvida porum líquido quando este escoa no interior de um capilar.Este tipo de viscosímetro é essencialmente um tubo em U, sendo que um dos seus ramos é um tubocapilar fino ligado a um reservatório superior. O tubo é mantido na vertical e coloca-se umaquantidade conhecida de um líquido no reservatório, deixando-se escoar sob a acção da gravidadeatravés do capilar.A medida da viscosidade é o tempo que a superfície de líquido no reservatório demora a percorrer oespaço entre duas marcas gravadas sobre o mesmo.O viscosímetro de esfera em queda ou de bola, possibilita a medição da velocidade de queda deuma esfera no seio de uma amostra de fluído, cuja viscosidade se pretende determinar. Este tipo deviscosímetro é baseado na lei de Stokes, enunciada pelo físico e matemático irlandês GeorgeGabriel Stokes, que nasceu em Skreen a 13 de Agosto de 1819 e que faleceu em Cambridge a 1 defevereiro de 1903.Este método consiste em diversos tubos contendo líquidos padrões de viscosidades conhecidas,com uma bola de aço em cada um deles. O tempo que a bola leva A descer o comprimento do tubodepende da viscosidade do líquido. Colocando-se a amostra num tubo semelhante, pode determinar-se aproximadamente a sua viscosidade por comparação com os outros tubos. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 20
  21. 21. Finalmente, o viscosímetro rotativo é o mais usado na indústria e mede a força de fricção de ummotor que gira, devido a um sistema de pesos e roldanas, no seio de um fluído que se pretendeestudar.. Imagens de Viscosímetros Montagem : Prof. Luciano Cardoso 21
  22. 22. # Regimes de Escoamentos de FluidosInicialmente, vamos considerar apenas o que é chamado fluido ideal, isto é, um fluido incompressívele que não tem força interna de atrito ou viscosidade. A hipótese de incompressibilidade é válida comboa aproximaçãoquando se trata de líquidos; porém, para os gases, só é válida quando oescoamento é tal que as diferenças de pressão não são muito grandes.O caminho percorrido por um elemento de um fluido em movimento é chamado linha deescoamento.Em geral, a velocidade do elemento varia em módulo e direção, ao longo de sua linhade escoamento. Se cada elemento que passa por um ponto tiver a mesma linha de escoamento dosprecedentes, o escoamento é denominado estável ou estacionário.No início de qualquer escoamento, o mesmo é instável, mas, na maioria dos casos, passa a serestacionário depois de um certo período de tempo. A velocidade em cada ponto do espaço, noescoamento estacionário, permanece constante em relação ao tempo, embora a velocidade de umadeterminada partícula do fluido possa variar ao longo da linha de escoamento.Linha de corrente é definida como uma curva tangente, em qualquer ponto, que está na direção dovetor velocidade do fluido naquele ponto. No fluxo estacionário, as linhas de corrente coincidem comas de escoamento.. Tipos de EscoamentoO movimento de fluidos pode se processar, fundamentalmente, de duas maneiras diferentes:– escoamento laminar (ou lamelar);– escoamento turbulento.O escoamento laminar caracteriza-se pelo movimento ordenado das moléculas do fluido, e todasas moléculas que passam num dado ponto devem possuir a mesma velocidade. O movimento dofluido pode, em qualquer ponto, ser completamente previsto. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 22
  23. 23. O escoamento turbulento é o contrário do escoamento laminar. O movimento das moléculas dofluido é completamente desordenado; moléculas que passam pelo mesmo ponto, em geral, não têma mesma velocidade e torna-se difícil fazer previsões sobre o comportamento do fluido.O escoamento turbulento não é interessante devido às desvantagens e perigos que sua presençapode acarretar. Quando um corpo se move através de um fluido, de modo a provocar turbulência, aresistência ao seu movimento é bastante grande. Por esta razão, aviões, carros e locomotivas sãoprojetados de forma a evitar turbulência.# Vazão. Conceitos Básicos de VazãoO conceito de vazão é fundamental praticamente para todos os estudos dos fluidos, seja para umainstalação hidráulica de abastecimento, seja para o estudo de drenagem, seja para o estudo degeração de energia através de turbina, para todos estes estudos o parâmetro inicial a ser conhecidoé a vazão.. Conceito de Vazão em Volume ou Simplesmente Vazão ( Q )Vazão é a quantidade em volume de fluido que atravessa uma dada seção do escoamento porunidade de tempo. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 23
  24. 24. Nota: A determinação da vazão pode ser direta ou indireta; considera-se forma direta sempre quepara a sua determinação recorremos a equação 3.1 e forma indireta quando recorremos a algumaparelho, como por exemplo Venturi, onde: , sendo a variação de pressão entre duas seções do aparelho,respectivamente uma de área máxima e uma de área mínima.. Conceito de Vazão em Massa ( Qm )Vazão em massa é a quantidade em massa do fluido que atravessa uma dada seção do escoamentopor unidade de tempo.Nota: O conceito de vazão em massa é fundamental para o estudo de escoamentos onde a variaçãode temperatura não é desprezível.. Conceito de Vazão em Peso ( QG )Vazão em peso é a quantidade de peso do fluido que atravessa uma dada seção do escoamento porunidade de tempo. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 24
  25. 25. . Relação entre Vazão em Peso (QG), Vazão em Massa (Qm) e Vazão em Volume (Q)Para obtenção desta relação, evocamos os conceitos de peso específico (γ = G/V) e massaespecífica (ρ = m/v), através dos mesmos, obtemos a relação deseja.. Unidades de QG, Qm e QPara que possamos evocar as suas principais unidades, introduzimos inicialmente as suas equaçõesdimensionais.Conhecendo-se as equações dimensionais, podemos estabelecer as suas principais unidades, porexemplo:. Cálculos da vazãoSão ainda muito usadas as unidades litro por segundo e metro cúbico por hora (m3/h).Se tivermos num condutor um fluido em escoamento uniforme, isto é, o fluido escoando comvelocidade constante, a vazão poderá ser calculada multiplicando-se a velocidade (v) do fluido, emdada seção do condutor, pela área (A) da seção considerada, ou seja: Q = A .v Montagem : Prof. Luciano Cardoso 25
  26. 26. Para demonstrar, suponha-se um condutor de seção constante :O volume escoado entre as seções (1) e (2) de área A é igual : V = A . L , onde :L = v.t ( movimento uniforme ), e daí tem-se que : V = A .v.t VComo Q = , tem-se : Q = A . v t. Exemplos práticos1) Um condutor de 20 cm 2 de área de secção reta despeja gasolina num reservatório. A velocidadede saída da água é de 60 cm 3/s. Qual a vazão do fluido escoado?. Resolução :Sabemos que a vazão Q é dada por Q = V/T ou Q = AvNeste caso, torna-se evidente que devemos usar a relação Q = Av, porque conhecemos avelocidade do fluido e a área da secção reta do condutor.V = 60 cm3/s A = 20 cm2Q = A.vQ = 20 x 60Q = 1.200 cm3/sSuponha que, no exemplo, o reservatório tenha 1.200.000 cm 3 de capacidade. Qual o temponecessário para enchê-lo? Montagem : Prof. Luciano Cardoso 26
  27. 27. . Resolução :Temos V = 1.200.000 cm3Q = 1.200 cm3/sT=?Aplicando a relação Q = V/ t, tiramos t = V/Qt = 1.200.000/1.200 t = 1.000 segundost = 16 minutos 40 s2) Uma bomba transfere óleo diesel em um reservatório à razão de 20 m3/h. Qual é o volume doreservatório, sabendo-se que ele está completamente cheio após 3 horas de funcionamento debomba ?. Resolução :Temos que Q = 20 m3/ht=3hV=?Q = V/ t => V = Q x tV = 20 x 3V = 60 m3 Montagem : Prof. Luciano Cardoso 27
  28. 28. . Equação da continuidade nos escoamentosDizemos que um fluido encontra-se escoando em regime permanente quando a velocidade, numdado ponto, não varia com o tempo.Assim, considerando vários pontos quaisquer no interior de um fluido, estes estarão em regimepermanente, desde que toda partícula que chegue a cada um desses pontos, passe com a mesmavelocidade e na mesma direção. Porém não há obrigação que as velocidades sejam iguais em todosos pontos. O importante é que toda partícula que passe por cada um deles isoladamente tenha amesma velocidade .Se unirmos os pontos da figura acima , teremos trajetória de qualquer partícula que tenha passadopelo ponto mais baixo da curva. Esta trajetória é conhecida pelo nome de Linha de Corrente.Suponha-se, agora, um fluido qualquer escoando em regime permanente no interior de um condutorde secção reta variável. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 28
  29. 29. A velocidade do fluido no ponto A1 é V1, e no ponto A2 é V2 . A1 e A2 são áreas da secção reta dotubo nos dois pontos considerados.Já foi visto que Q = V/ t e Q = Av, portanto pode-se escrever que:V/ t = AvV=AvtSabe-se, ainda, que a massa específica é definida pela relação:μ = m/Vm = μVm = μAvtPode-se, então, dizer tendo em vista esta última equação, que a massa de fluido passando atravésda secção A1 por segundo é m = μ1A1v1; e que a massa de fluido que atravessa a secção A2, emcada segundo é igual a m = μ2A2v2.Está sendo supondo aqui que a massa específica do fluido varia ponto a ponto no interior do tubo. Amassa de fluido, porém, permanece constante, desde que nenhuma partícula fluida possa atravessaras paredes do condutor.Portanto, é possível escrever: μ1.A1.v1 = μ2.A2.v2Esta é a Equação da Continuidade nos escoamentos em regime permanente. Se o fluido forincompressível, não haverá variação de volume e, portanto, μ1 = μ2 e a Equação da Continuidadetoma uma forma mais simples, qual seja A1.v1 = A2.v2 ou Q1 = Q2.Esta relação mostra que onde a área da secção do condutor for maior, a velocidade de scoamentoda massa fluida é menor e vice-versa.. Exemplos práticos1) Um duto de secção retangular possui um estreitamento cuja área de secção é de 100 cm2.Certo líquido flui no duto à razão de 90 litros/min. Calcular a velocidade do líquido no estreitamento.. Resolução :O problema fornece vazão do líquido no interior do duto em sua parte mais larga.Sabe-se que:Q1 = Q2Q1 = A2 v2Logo, v2 = Q1/A2Deve-se estar atentos para as unidades. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 29
  30. 30. Trabalhemos no sistema CGS.Q1 = 90 l/ min = 90 dm3/60s = 90.000 cm3/60sQ1 = 1.500 cm3/s v2 = Q1/A2V2 = 1.500/100V2 = 15 cm/s2) Calcular a velocidade do fluido na parte mais larga do condutor mostrado na figura abaixo: v1 = 5 ,0 cm/s v2 = ? A1 = 40 cm2 A2 = 150 cm2Aplica-se a Equação da Continuidade: A1.v1A1.v1 = A2 . v2 => v2 = A2 40x5 200=> v2 = => v2 = = 1,3 cm / s 150 150Número de Reynolds ( NR )Quando a velocidade de um fluido que escoa em um tubo excede certo valor crítico, o regime deescoamento passa de lamelar para turbulento, exceto em uma camada extremamente fina junto àparede do tubo, chamada camada limite, onde o escoamento permanece laminar.Além da camada limite, onde o escoamento é turbulento, o movimento do fluido é altamenteirregular, caracterizado por vórtices locais e um grande aumento na resistência ao escoamento.O regime de escoamento, se lamelar ou turbulento, é determinado pela seguinte quantidadeadimensional, chamada Número de Reynolds : NR = r D v / onde r é a densidade do fluido, , seu coeficiente de viscosidade, v, o módulo da sua velocidademédia de escoamento para frente e D, o diâmetro do tubo. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 30
  31. 31. Esta velocidade média é definida como a velocidade uniforme em toda a seção reta do tubo queproduz a mesma vazão.Verifica-se experimentalmente que o escoamento de um fluido qualquer é: lamelar se NR < 2.000 turbulento se NR > 3.000 instável, isto é, mudando de um regime para outro, se 2.000 < N R < 3.000Por exemplo, a 20oC,  = 1 x 10-2 poise para a água. Em um tubo de 1 cm de diâmetro, o módulo davelocidade média máxima de escoamento laminar é v = 20 cm/s. E o escoamento é turbulento paravelocidades médias de escoamento acima de 30 cm/s.Para o ar a 20oC,  = 1,81 x 10-4 poise. Em um tubo de 1 cm de diâmetro, o módulo da velocidademédia máxima de escoamento laminar é v = 278 cm/s. E o escoamento é turbulento paravelocidades médias de escoamento acima de 420 cm/s.Com a Lei de Stokes viu-se que a força resistiva sobre uma esfera que se move em um fluidoviscoso com uma velocidade não muito grande é proporcional ao módulo desta velocidade.Por outro lado, a força resistiva sobre qualquer objeto sólido que se move em um fluido viscoso comvelocidades maiores é aproximadamente proporcional ao módulo da velocidade ao quadrado.Reynolds, estudando a causa destas duas diferentes leis de atrito nos fluidos, descobriu que amudança da lei de primeira potência para a de segunda potência não era gradual, mas sim, brusca,e ocorria, para qualquer fluido dado e qualquer aparato de medida, sempre na mesma velocidadecrítica.Reynolds mostrou experimentalmente que esta mudança acontecia simultaneamente com amudança no regime do escoamento do fluido no aparato de medida, de laminar para turbulento.O experimento consistia em introduzir um fio de líquido colorido no centro de um tubo através doqual o mesmo líquido, sem corante, escoava com uma velocidade controlada. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 31
  32. 32. A baixas velocidades de escoamento, o fio de líquido colorido permanecia reto e contínuo pelocomprimento do tubo e quando certa velocidade crítica era atingida, a linha colorida eraviolentamente agitada e sua continuidade destruída por curvas e vórtices, revelando assim fluxoturbulento. Exatamente nesta velocidade crítica é que a lei de atrito no fluido passava de uma lei deprimeira potência para uma de segunda potência.# Perda de Carga. ConceitoQuando um líquido escoa de um ponto para outro no interior de um tubo, ocorrerá sempre umaperda de energia, denominada perda de pressão (Sistemas de ventilação ou exaustão) ou perda decarga (Sistemas de bombeamento de líquidos). Esta perda de energia é devida principalmente aoatrito do fluído com uma camada estacionária aderida à parede interna do tubo. O emprego detubulações no transporte de fluídos pode ser realizada de duas formas: tubos fechados e canaisabertos. Em suma, perda de carga é a energia perdida pela unidade de peso do fluido quando esteescoa. No cotidiano a perda de carga é muito utilizada, principalmente em instalações hidráulicas.Por exemplo, quanto maior as perdas de cargas em uma instalação de bombeamento, maior será oconsumo de energia da bomba. Para estimar o consumo real de energia é necessário que o cálculodas perdas seja o mais preciso possível.No caso de escoamentos reais, a preocupação principal são os efeitos do atrito. Estes provocam aqueda da pressão, causando uma "perda", quando comparado com o caso ideal, sem atrito. Parasimplificar a análise, a "perda" será dividida em distribuídas (devidas ao atrito em porções de áreaconstante do sistema) e localizadas (devidas ao atrito através de válvulas, tês, cotovelos e outrasporções do sistema de área não-constante). Como os dutos de seção circular são os mais comunsnas aplicações de engenharia, a análise básica será feita para geometria circular. Os resultadospodem ser estendidos a outras formas pela introdução do diâmetro hidráulico. A perda de carga total(Hp) é considerada como a soma das perdas distribuídas (hf) devidas aos efeitos de atrito noescoamento completamente desenvolvido em tubos de seção constante, com as perdas localizadas(hs) devidas a entradas, acessórios, mudanças de área etc. Consequentemente, consideram-se asperdas distribuídas e localizadas em separado.Em resumo :A Perda de Carga pode ser definida como sendo a perda de energia que o fluido sofre durante oescoamento em uma tubulação. É o atrito entre o fluido (no nosso caso a água) e a tubulação,quando o fluido está em movimento. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 32
  33. 33. É a resistência ao escoamento devido ao atrito entre o fluido e a tubulação, mas que pode ser maiorou menor devido a outros fatores tais como o tipo de fluido (viscosidade do fluido), ao tipo dematerial do tubo (um tubo com paredes rugosas causa maior turbulência), o diâmetro do tubo e aquantidade de conexões, registros, etc existentes no trecho analisado.. Variáveis Hidráulicas que influem na Perda de CargaI. Comprimento da tubulação ( l )Quanto maior o comprimento da tubulação, maior a perda de carga. O comprimento é diretamenteproporcional à perda de carga. O comprimento é identificado pela letra l (do inglês length,comprimento)II. Diâmetro da tubulação ( d )Quanto maior o diâmetro, menor a perda de carga. O diâmetro é inversamente proporcional à perdade carga.III. Velocidade ( v )Quanto maior a velocidade do fluido, maior a perda de carga. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 33
  34. 34. IV. Outras variáveis : fator ( f ) –a. RugosidadeA rugosidade depende do material do tubo. Existem tabelas onde encontramos esses valores emfunção da natureza do material do tubo.b. Tempo de usoO tempo de uso, ou seja, a idade do tubo também é uma variável a ser considerada, devidoprincipalmente ao tipo de material que for utilizado (ferro fundido, aço galvanizado, aço soldado comrevestimento, etc.). O envelhecimento de um tubo provoca incrustações ou corrosões que poderãoalterar desde o fator de rugosidade ou até o diâmetro interno do tubo.c. Viscosidade do fluidoA viscosidade, ou seja, o atrito intermolecular do fluido também influencia a perda de carga em umsistema. Líquidos com viscosidades diferentes vão possuir perdas de cargas distintas ao passardentro de uma mesma tubulação. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 34
  35. 35. . Expressões da Perda de Carga ( J )I. Método Racional ou ModernoEm função das variáveis hidráulicas apresentadas e utilizando o chamado método moderno ouracional, Darcy e Weisbach chegaram à expressão geral da perda de carga válida para qualquerlíquido:onde:J = Perda de Cargal = comprimentod = diâmetrof = fator - viscosidade, rugosidade, idade do tubo, etc.II. . Método EmpíricoEsse método consiste em aplicar uma fórmula empírica criada para água em uma tubulação feitacom determinado material. Dentre as várias fórmulas criadas com esse método, muitas vezes seadota a fórmula de Fair-Whipple-Hsiao (FWH), pois é a que melhor se adapta a muitos projetos,como os para tubulações em PVC de até 100 mm de diâmetro. J = 8,69 x 106 x Q x 101,75 x d -4,75. Tipos de Perda de CargaAs perdas de carga podem ser de dois tipos :I. NormaisAs perdas de cargas normais ocorrem ao longo de um trecho de tubulação retilíneo, com diâmetroconstante. Se houver mudança de diâmetro, muda-se o valor da perda de carga. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 35
  36. 36. II. Acidentais ou localizadasAs perdas de carga acidentais ou localizadas são as perdas que ocorrem nas conexões (curvas,derivações), válvulas (registros de gaveta, registros de pressão, vávulas de descarga) e nas saídasde reservatórios. Essas peças causam turbulência, alteram a velocidade do fluido, aumentam o atritoe provocam choques das partículas líquidas.O método que será utilizado para calcular as perdas de carga localizadas é o método doscomprimentos equivalentes ou virtuais. Em uma tabela já existem todas as conexões e válvulas nosmais diversos diâmetros e a comparação com a perda de carga normal em uma tubulação demesmos diâmetros.Por exemplo: A perda de carga existente em um registro de gaveta aberto de 20 mm equivale aperda de carga existente em um tubo de PVC de 20 mm (mesmo diâmetro) com 0,20 m decomprimento: Montagem : Prof. Luciano Cardoso 36
  37. 37. . Princípio de Bernoulli ou Equação de BernoulliO Princípio de Bernoulli, também denominado Equação de Bernoulli ou Trinômio de Bernoulli,ou ainda Teorema de Bernoulli descreve o comportamento de um fluido movendo-se ao longo deuma linha de corrente e traduz para os fluidos o principio da conservação da energia.Foi exposto por Daniel Bernoulli em sua obra Hidrodinâmica (1738) e expressa que num fluido ideal(sem viscosidade nem atrito) em régime de circulação por um conduto fechado, a energia que possuio fluido permanece constante ao longo de seu percurso. A energia de um fluido em qualquermomento consta de três componentes:1. Cinética: é a energia devida à velocidade que possua o fluido.2. Potencial gravitacional: é a energia devida à altitude que um fluido possua.3. Energia de fluxo: é a energia que um fluido contém devido à pressão que possui.A seguinte equação conhecida como “Equação de Bernoulli” (Trinômio de Bernoulli) consta destesmesmos termos.onde: V = velocidade do fluido na seção considerada. g = aceleração gravitacional z = altura na direção da gravidade desde uma cota de referência. P = pressão ao longo da linha de corrente. ρ = densidade do fluido. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 37
  38. 38. Para aplicar a equação se deve realizar as seguintes suposições: Viscosidade (atrito interno) = 0 , ou seja, se considera que a linha de corrente sobre a qual seaplica se encontra em uma zona ‘não viscosa’ do fluido. Caudal constante Fluxo incompressível, onde ρ é constante. A equação se aplica ao longo de uma linha de corrente ou em um fluxo irrotacional.Sob determinadas condições, é possível fazer a simplificação da Equação de Bernoulli, chegando-sea Equação de Torricelli , aplicada ao escoamento de fluidos através de pequenos orifícios : v= 2 gH EXERCÍCIOS RESOLVIDOS DE APLICAÇÃO – Hidrostática / Hidrodinâmica ; vazão e perdade carga1 ) Qual a pressão manométrica dentro de uma tubulação onde circula ar se o desnível do nível domercúrio observado no manômetro de coluna é de 4 mm?Considere: densidade do Mercúrio = ρhg = 13600 kg/m3 e aceleração gravitacional g = 9,81 m/s2Resolução:Observando o Princípio de Stevin, calculamos a pressão manométrica da tubulação através daseguinte equação:pmanométrica = ρhg . g . h = 13600 x 9,81 x 0,004 = 533,6 PaA pressão absoluta é a soma dessa pressão com a pressão atmosférica (101325 Pascals). Montagem : Prof. Luciano Cardoso 38
  39. 39. 2 ) Qual a vazão de água (em litros por segundo) circulando através de um tubo de 32 mm dediâmetro, considerando a velocidade da água como sendo 4 m/s? Lembre-se que 1 m3 = 1000 litrosResolução :Primeiramente, calcula-se a área da secção transversal do tubo:Agora, pode-se determinar a vazão no tubo:Vazão = V . A = 4 x 0,000803 = 0,0032 m3 /s x 1000 = 3,2 L/s3 ) Qual a velocidade da água que escoa em um duto de 25 mm se a vazão é de 2 litros/s?Solução: Vazão = V . ALogo: V = Vazão / ALogo, V = 0,002/0,00049 = V = 4,08 m/s4 ) Qual a velocidade da água através de um furo na lateral de um tanque, se o desnível entre o furoe a superfície livre é de 2 m ? Montagem : Prof. Luciano Cardoso 39
  40. 40. Resolução:Utilizando a equação de Bernoulli simplificada e considerando z 1 = 2 m e g = 9,81 m/s2, podemoscalcular a velocidade da água pela equação a seguir:5 – Qual a perda de carga em 100 m de tubo liso de PVC de 32 mm de diâmetro por onde escoaágua a uma velocidade de 2 m/s? Resolução: Inicialmente devemos calcular o Número de Reynolds:Com o número de Reynolds e o Diagrama de Moody, obtemos para o tubo liso que o fator de atrito f= 0,02. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 40
  41. 41. 6 ) Qual a perda de carga no tubo? Considere: tubo liso PVC υágua = 1,006 x 10-6 m2/s Vágua = 5 m/s ρágua = 1000 kg/m3 Resolução :. Cálculo do número de Reynolds: . Cálculo da perda de carga: Com o número de Reynolds, podemos agora obter o fator de atrito através do diagrama de Moody, onde se obtém o fator de atrito f = 0,095. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 41
  42. 42. OPERAÇÕES UNITÁRIAS PARTE III BOMBAS HIDRÁULICAS Montagem : Prof. Luciano Cardoso 42
  43. 43. OPERAÇÕES UNITÁRIAS PARTE III – BOMBAS HIDRÁULICAS1. MÁQUINASSão transformadores de energia (absorvem energia em uma forma e restituemi em outra ).Entre os diversos tipos de máquinas, as máquinas fluidas são aquelas que promovem um intercâm-bio entre a energia do fluido e a energia mecânica.Dentre elas, as máquinas hidráulicas se classificam em motora e geradora.- máquina hidráulica motora ou motriz : transforma a energia hidráulica em energia mecânica ( ex. :turbinas hidráulicas e rodas d’água ).- máquina hidráulica geradora ou geratriz ou operatriz : transforma a energia mecânica em energiahidráulica.Dessa forma, por exemplo, as bombas hidráulicas são máquinas motrizes que sugam ou empurramum fluido, obrigando-o a água a subir. Há muitos tipos de bombas.2. BOMBAS HIDRÁULICASUma bomba hidráulica é um dispositivo que adiciona energia aos líquidos, tomando energiamecânica de um eixo, de uma haste ou de um outro fluido: ar comprimido e vapor são os maisusuais. As formas de transmissão de energia podem ser: aumento de pressão, aumento develocidade ou aumento de elevação – ou qualquer combinação destas formas de energia. Comoconsequência, facilita-se o movimento do líquido. É geralmente aceito que o líquido possa ser umamistura de líquidos e sólidos, nas quais a fase líquida prepondera.Outras máquinas destinadas a adicionar energia aos fluidos na forma de vapor e gases só sãochamadas de bombas apenas eventualmente. Como exemplos, há a bomba de vácuo, destinada aesgotar ar e gases, e a bomba manual de ar, destinada a encher pneumáticos, bolas de futebol,brinquedos e botes infláveis, etc. As máquinas que se destinam a manusear ar, gases ou vaporessão normalmente chamadas pelos técnicos de ventiladores ou ventoinhas, sopradores oucompressores. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 43
  44. 44.  CLASSIFICAÇÃO GERAL DAS BOMBASAs bombas podem ser classificadas em duas categorias, a saber :- Volumétricas ou de Deslocamento Positivo : são aquelas em que a movimentação do líquido écausada diretamente pela movimentação de um dispositivo mecânico da bomba, que induz aolíquido um movimento na direção do deslocamento do citado dispositivo, em quantidadesintermitentes, de acordo com a capacidade de armazenamento da bomba, promovendo enchimentose esvaziamentos sucessivos, provocando, assim, o deslocamento do líquido no sentido previsto.- Turbo-Bombas, Hidrodinâmicas ou Rotodinâmicas : são máquinas nas quais a movimentaçãodo líquido é desenvolvida por forças que se desenvolvem na massa líquida em consequência darotação de uma peça interna (ou conjunto dessas peças) dotada de pás ou aletas chamada de roto;São exemplos de bombas rotodinâmicas as conhecidíssimas bombas centrífugas e de bombasvolumétricas as de êmbolo ou alternativas e as rotativas ( figura abaixo ) . Esquemas de bombas volumétricas Montagem : Prof. Luciano Cardoso 44
  45. 45. . Resumindo :Bombas Hidráulicas são máquinas motrizes que recebem energia potencial de um motor ou de umaturbina, e transforma parte desse energia em potência : Energia de pressão ( força ) : Bombas de Deslocamento Direto Energia cinética : Bombas CinéticasAs bombas cedem estas duas formas de energia ao fluido bombeado, para fazê-lo recircular outransportá-lo de um ponto a outro. TIPOS DE BOMBAS HIDRÁULICAS BOMBAS VOLUMÉTRICAS OU DE DESLOCAMENTO POSITIVO : o órgão fornece energia aofluido em forma de pressão. São as bombas de êmbulo ou pistão e as bombas diafragma. Ointercâmbio de energia é estático e o movimento é alternativo.. Bombas de PistãoFuncionam através da ação de umm pistão sob uma porção de fluido presa em uma câmara.Quando o pistão se move, o fluido é impulsiondado para fora. Desse modo, a energia do pistão étransferida para o fluido.As bombas de pistão podem ser :- Um único pistão : Simplex- Dois pistãos : Duplex- Muitos pistãos Montagem : Prof. Luciano Cardoso 45
  46. 46. . Quando utilizar as bombas de pistão ?- quando um fluido vaporiza, ou pode eventualmente vaporizar nas condições do processo;- com altas pressões de descarga, atingindo valoresbem acima das bombas centrífugas : até 2.000atm ;- como bombas dosadoras.. Bombas de DiafragmaFuncionam através do movimento hidráulico de um pistão sob uma membrana flexível, chamada dediafragma, que serve para reter uma porção de fluido em seu interior e expulsá-lo no movimentoinverso do pistão. Possui válvulas de admissão e de descarga.. Quando utilizar as bombas de diafragma ?- quando o fluido é corrosivo, pois simplifica, o material de construção;- com altas pressões de descarga, atingindo valores bem acima das bombas centrífugas : até 150kgf / cm2- como bombas dosadoras. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 46
  47. 47.  BOMBAS CENTRÍFUGASBombas Centrífugas são bombas hidráulicas que têm como princípio de funcionamento a forçacentrífuga através de palhetas e impulsores que giram no interior de uma carcaça estanque, jogandolíquido do centro para a periferia do conjunto girante.Portanto, funcionam através do movimento rotativo de engrenagens ( lóbulos, plahetas ou fusos ) ,que retém o fluido no espaço formado entre a carcaça e as engrenagens.. DescriçãoConstam de uma câmara fechada, carcaça, dentro da qual gira uma peça, o rotor, que é um conjuntode palhetas que impulsionam o líquido através da voluta (Figura abaixo ). O rotor é fixado no eixo dabomba, este contínuo ao transmissor de energia mecânica do motor.A carcaça é a parte da bomba onde, no seu interior, a energia de velocidade é transformada emenergia de pressão, o que possibilita o líquido alcançar o ponto final do recalque. É no seu interiorque está instalado o conjunto girante (eixo-rotor) que torna possível o impulsionamento do líquido. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 47
  48. 48. A carcaça pode ser do tipo voluta ou do tipo difusor. A de voluta é a mais comum podendo sersimples ou dupla (Figura abaixo). Como as áreas na voluta não são simetricamente distribuídas emtorno do rotor, ocorre uma distribuição desigual de pressões ao longo da mesma. Isto dá origem auma reação perpendicular ao eixo que pode ser insignificante quando a bomba trabalhar no ponto demelhor rendimento, mas que se acentua a medida que a máquina sofra redução de vazões,baixando seu rendimento. Como conseqüência deste fenômeno temos para pequenas vazões, eixosde maior diâmetro no rotor. Outra providência para minimizar este empuxo radial é a construção debombas com voluta dupla, que consiste em se colocar uma divisória dentro da própria voluta,dividindo-a em dois condutos a partir do início da segunda metade desta, ou seja, a 180 o do início da"voluta externa", de modo a tentar equilibrar estas reações duas a duas, ou minimizar seus efeitos. Voluta duplaPara vazões médias e grandes alguns fabricantes optam por bombas de entrada bilateral paraequilíbrio do empuxo axial e dupla voluta para minimizar o desequilíbrio do empuxo radial. A carcaçatipo difusor não apresenta força radial, mas seu emprego é limitado a bombas verticais tipo turbina,bombas submersas ou horizontais de múltiplos estágios e axiais de grandes vazões. A carcaça tipodifusor limita o corte do rotor de modo que sua faixa operacional com bom rendimento, torna-sereduzida. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 48
  49. 49. . Principais Componentes de uma Bomba HidrodinâmicaRotor: órgão móvel que fornece energia ao fluido. É responsável pela formação de uma depressãono seu centro para aspirar o fluido e de uma sobrepressão na periferia para recalcá-lo.Difusor: canal de seção crescente que recebe o fluido vindo do rotor e o encaminha à tubulação derecalque. Possui seção crescente no sentido do escoamento com a finalidade de transformar aenergia cinética em energia de pressão ; são aletas estacionárias que oferecem ao fluido um canalde área crescente desde o rotor até a carcaça.Voluta : o rotor descarrega fluido num canal de área de seção reta contínua e crescente.Aumentando a área, a velocidade diminui, reduzindo assim a formação de turbilhões. saída em caracol ( difusor ) Montagem : Prof. Luciano Cardoso 49
  50. 50. . Classificação das Turbo-bombas. Quanto à trajetória do fluido dentro do rotora) Bombas radiais ou centrífugas: o fluido entra no rotor na direção axial e sai na direção radial.Caracterizam-se pelo recalque de pequenas vazões em grandes alturas. A força predominante é acentrífuga. Pelo fato das bombas centrífugas serem as mais utilizadas, será abordado, nestematerial, todo o seu princípio de funcionamento e critérios de seleção.b) Bombas Axiais: o fluido entra no rotor na direção axial e sai também na direção axial.Caracterizam-se pelo recalque de grandes vazões em pequenas alturas. A força predominante é ade sustentação.. Quanto ao número de entradas para a aspiração e sucçãoa) Bombas de sucção simples ou de entrada unilateral: a entrada do líquido se faz através de umaúnica boca de sucção.b) Bombas de dupla sucção: a entrada do líquido se faz por duas bocas de sucção, paralelamente aoeixo de rotação. Esta configuração equivale a dois rotores simples montados em paralelo. O rotor dedupla sucção apresenta a vantagem de proporcionar o equilíbrio dos empuxos axiais, o que acarretauma melhoria no rendimento da bomba, eliminando a necessidade de rolamento de grandesdimensões para suporte axial sobre o eixo.. Quanto ao número de rotores dentro da carcaçaa) Bombas de simples estágio ou unicelular: a bomba possui um único rotor dentro da carcaça.Teoricamente é possível projetar uma bomba com um único estágio para qualquer situação de alturamanométrica e de vazão. As dimensões excessivas e o baixo rendimento fazem com que osfabricantes limitem a altura manométrica para 100 m. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 50
  51. 51. Corte de uma bomba de monoestágiob) Bombas de múltiplo estágio: a bomba possui dois ou mais rotores dentro da carcaça. É oresultado da associação de rotores em série dentro da carcaça.Essa associação permite a elevação do líquido a grandes alturas (> 100 m), sendo o rotor radial oindicado para esta associação. Corte de uma bomba de múltiplo estágio Montagem : Prof. Luciano Cardoso 51
  52. 52. . Quanto ao posicionamento do eixoa) Bomba de eixo horizontal: é a concepção construtiva mais comum. Bomba com eixo horizontalb) Bomba de eixo vertical: usada na extração de água de poços profundos. Corte de uma bomba de eixo vertical Montagem : Prof. Luciano Cardoso 52
  53. 53. . Quanto ao tipo de rotora) Rotor aberto: usada para bombas de pequenas dimensões. Possui pequena resistência estrutural.Baixo rendimento. Dificulta o entupimento, podendo ser usado para bombeamento de líquidos sujos.b) Rotor semi-aberto ou semi-fechado: possui apenas um disco onde sãoafixadas as palhetas.c) Rotor fechado: usado no bombeamento de líquidos limpos. Possui discosdianteiros com aspalhetas fixas em ambos. Evita a recirculação da água, ou seja, o retorno da água à boca de sucção. Esquemas de rotores fechado (a), semi-aberto (b) e aberto (c).. Quanto à posição do eixo da bomba em relação ao nível da água.a) Bomba de sucção positiva: o eixo da bomba situa-se acima do nível d’água do reservatório desucção .b) Bomba de sucção negativa ou afogada: o eixo da bomba situa-se abaixo do nível d’água doreservatório de sucção . Montagem : Prof. Luciano Cardoso 53
  54. 54. (a) (b) Bombas Rotativas de Deslocamento PositivoFuncionam através do movimento rotativo de engrenagens ( lóbulos, palhetas ou fusos ) , que retémfluido no espaço entre a carcaça e as engrenagens. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 54
  55. 55. . Quando utilizar as bombas rotativas de deslocamento positivo ?- São utilizados para fluidos viscosos quaisquer, desde que não contenham sólidos em suspensão.A folga entre a carcaça e a ponta da engrenagem ( lóbulos, palhetas ou fusos ) é mínimo, sendoproibitiva a presença de sólidos em suspensão e utilizando o próprio fluido como lubrificante. ELEMENTOS MECÃNICOS DAS BOMBAS GAXETAS :São componentes utilizados para a vedação das bombas centrífugas . São montadas em torno doeixo da bomba e apertadas por um outro componente chamado “preme-gaxetas”.Não podem ser totalmente apertadas, devendo permitir um vazamento em média de 40 a 60 gotaspor minuto para a lubrificação e refrigeração. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 55
  56. 56.  SELOS MECÂNICOS :São sistemas de selagem utilizados quando não se pode deixar o fluido bombeado vazar. Permitemvazamento 100 vezes menores que as gaxetas. São formados por componentes mecânicos mais elaborados, requerendo melhor eficiência de lubrificação e resfriamento, sendo muitas vezes utilizados outros fluidos ( água, etilenoglicol ), que deve ser limpo. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 56
  57. 57. São apertados somente durante a montagem, requerendo cuidados especiais de manutenção.. Falhas mais comuns que prejudcam a vedação das bombas- montagem e ajustes dimensionais deficientes ;- quando se usa fluido externo : baixo fluxo ou pressão, acarretando falta de lubdificação erefrigeração ;- quando não se usa fluido externo : gaxetas muito apertadas ou entupimento nos canais de selagemdo próprio fluido bombeado ;- golpe de pressão no bombeamento, transmitindo para a caixa de vedação tensões paralelas aoeixo da bomba. FILTROS DE SUCÇAOSão instalados na sucção das bombas para protegê-las da presença de sólidos estranhos, quepoderiam danificá-las internamente.Com a continuidade operacional os filtros permanentes tendem a limitar o fluxo para a bomba,podendo provocar danos mecânicos nas mesmas. Para facilitar a limpeza, a maior parte dosfabricantes prevê um dreno no ponto mais baixo. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 57
  58. 58.  VÁLVULAS DE SEGURANÇA DE PRESSÃOSão válvulas que controlam a pressão na tubulação automaticamente pela ação da força de umamola. Podem ser para pressões positivas ou para vácuo.Sua aplicação está relacionada com as bombas hidráulicas conforme :- montada na linha de sucção para proteção da bomba contra golpes de pressão;- se a bomba for centrífuga, a vávula de segurança na descarga não se faz necessária ;- se a bomba for de deslocamento positivo, é fundamental haver algum tipo de proteção contra altapressão.Uma válvula de segurança é projetada para proteger o sistema e não para operar permanentementeaberta. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 58
  59. 59.  OPERAÇÃO DE BOMBAS HIDRÁULICAS PARTIDA :. Se a bomba estiver partindo pela primeira vez :- verificar o nível do lubrificante ;- veriificar se o aterramento está conectado ;- verificar se a proteção do acoplamento está instalada ;- verificar se a drenagem da base está desobstruída ;- verificar o sistema de selagem ;- se o trabalho for a quente, abrir o sistema de aquecimento.. Antes da partida :- se o produto tem a tendência de cristalizar ou possui sólidos em suspensão, manter abertas aslinhas de aquecimento e de resfriamento da selagem por uns 15 minutos ;- abrir toda a válvula de sucção ;- verificar a presença de líquido na bomba ;- verificar se existe algum vazamento no selo ;- partir a bomba com a válvula de descarga fechada e observar a elevação da pressão ( SOMENTEPARA BOMBAS CENTRÍFUGAS ) ;- abrir lentamente a válvula de descarga, evitando mantê-la fechada por muito tempo ( SOMENTEPARA BOMBAS CENTRÍFUGAS ) .. Após a partida :- verificar se há vazamentos na vedação ;- verificar se há ruídos anormais, principalmente na região do selo ;- verificar se há vibrações anormais .* Observações :- partir com a válvula de sucção fechada danifica a bomba ;- partir com a válvula de descarga aberta, provoca picos de amperagem, que deve desarmar omotor elétrico ( SOMENTE PARA BOMBAS CENTRÍFUGAS ) . Montagem : Prof. Luciano Cardoso 59
  60. 60.  VAZÃO MÍNIMA DE OPERAÇÃO :Para bombas centrífugas, a recomendação é de valores em torno de 50% do BEP ( Best EfficiencyPoint – Ponto de Melhor Eficiência ) . Entretanto, muitos fabricantes estabelecem valores em tornode 5 a 20% da vazão do BEP .Se uma bomba operar continuamente com vazões abaixo dos valores mínimos recomendados,haverá danos mecânicos na bomba produzido pela elevação da temperarutura até a vaporização dofluido. ESCORVA :As bombas centrífugas não são capazes, normalmente, de aspirar o fluido quando esse se encontraabaixo da sua linha. Nesse caso é necessário encher a bomba manualmente antes da partida. Esseprocedimento chama-se escorva.Para que a escorva seja realizada é preciso que exista uma válvula de retenção no início datubulação.Se a escorva for aquecida, a bomba não parte. PRESSÃO DE VAPOR :A temperatura na qual um líquido ferve é chamada de Ponto de Ebulição (PE) . O ponto de ebuliçãopor sua vez, varia com a pressão atmosférica. Assim, quanto menor a pressão, menor o PE.Então, a fervura de qualquer líquido varia com a pressão atmosférica. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 60
  61. 61. Gráfico da fervura da água, do etér etílico e do álcool etílico, variando com a pressãoPRESSÃO DE VAPOR é a pressão na qual um líquido ferve. Todo líquido tem a sua pressão devapor que varia com a temperatura.. Conclusões :- se a pressão de sucção abaixar, o líquido bombeado pode ferver e se tornar vapor ;- temperaturas baixas evitam a fervura de líquidos.* O FENÔMENO DA CAVITAÇÃO. Descrição do fenômenoComo qualquer outro líquido, a água também tem a propriedade de vaporizar-se em determinadascondições de temperatura e pressão. E assim sendo temos, por exemplo, entra em ebulição sob apressão atmosférica local a uma determinada temperatura, por exemplo, a nível do mar (pressãoatmosférica normal) a ebulição acontece a 100 oC. A medida que a pressão diminui a temperatura deebulição também se reduz. Por exemplo, quanto maior a altitude do local menor será a temperaturade ebulição. Em consequência desta propriedade pode ocorrer o fenômeno da cavitação nosescoamentos hidráulicos. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 61
  62. 62. Chama-se de cavitação o fenômeno que decorre, nos casos em estudo, da ebulição da água nointerior dos condutos, quando as condições de pressão caem a valores inferiores a pressão devaporização. No interior das bombas, no deslocamento das pás, ocorrem inevitavelmente rarefaçõesno líquido, isto é, pressões reduzidas devidas à própria natureza do escoamento ou ao movimentode impulsão recebido pelo líquido, tornando possível a ocorrência do fenômeno e, isto acontecendo,formar-se-ão bolhas de vapor prejudiciais ao seu funcionamento, caso a pressão do líquido na linhade sucção caia abaixo da pressão de vapor (ou tensão de vapor) originando bolsas de ar que sãoarrastadas pelo fluxo. Estas bolhas de ar desaparecem bruscamente condensando-se, quandoalcançam zonas de altas pressões em seu caminho através da bomba. Como esta passagemgasoso-líquido é brusca, o líquido alcança a superfície do rotor em alta velocidade, produzindo ondasde alta pressão em áreas reduzidas. Estas pressões podem ultrapassar a resistência à tração dometal e arrancar progressivamente partículas superficiais do rotor, inutilizando-o com o tempo.Quando ocorre a cavitação são ouvidos ruídos e vibrações característicos e quanto maior for abomba, maiores serão estes efeitos. Além de provocar o desgaste progressivo até a deformaçãoirreversível dos rotores e das paredes internas da bomba, simultaneamente esta apresentará umaprogressiva queda de rendimento, caso o problema não seja corrigido. Nas bombas a cavitaçãogeralmente ocorre por altura inadequada da sucção (problema geométrico), por velocidades deescoamento excessivas (problema hidráulico) ou por escorvamento incorreto (problema operacional).Causas da cavitação- Filtro da linha de sucção saturado- Respiro do reservatório fechado ou entupido- Linha de sucção muito longa- Muitas curvas na linha de sucção (perdas de cargas)- Estrangulamento na linha de sucção- Altura estática da linha de sucção- Linha de sucção congelada Montagem : Prof. Luciano Cardoso 62
  63. 63. Exemplo de defeito provocado pela cavitação: Corrosão das palhetas da bombaCaracterísticas de uma bomba em cavitação- Queda de rendimento- Marcha irregular- Vibração provocada pelo desbalanceamento- Ruído provocado pela implosão das bolhasComo evitar a cavitaçãoPrimeiramente, elaborando-se um bom projeto para a linha de sucção. Segundo, aplicando-se umamanutenção preventiva. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 63
  64. 64.  NPSH , Conceito :. Significado das IniciaisSão as iniciais do termo em inglês NET POSITIVE SUCTION HEAD, cuja tradução para oPortuguês, seria o equivalente a “Balanço no Topo da Sucção Positiva” ou “Altura Livre Positiva deSucção “.. Significados Técnicos / Definições NPSH (Net Positive Sucction Head) : pressão residual com que o fluido chega na entrada dabomba que vai fazer com que a pressão do fluido no interior da bomba não atinja a pressão de vapordo fluido. NPSH requerido : pressão requerida pela bomba para que a mesma funcione. NPSH disponível : pressão com que o fluido chega até a entrada da bomba (energia que o tipode instalação fornece ao fluido).. Obs.: para que a bomba funcione sem cavitação é necessário que o NPSH disponível seja 10%maior que o NPSH requerido.. ALTURA MANOMÉTRICA TOTAL - ConceitoAltura manométrica total é a energia por unidade de peso que o sistema solicita para transportar ofluido do reservatório de sucção para o reservatório de descarga, com uma determinada vazão. Essaenergia será fornecida por uma bomba, que será o parâmetro fundamental para o selecionamento damesma.É importante notar que em um sistema de bombeamento, a condição requerida é a vazão,enquanto que a altura manométrica total é uma consequência da instalação. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 64
  65. 65.  CURVAS CARACTERÍSTICAS DAS BOMBASÉ a representação gráfica em um eixo cartesiano da variação das grandezas características dabomba (Figura abaixo ) . Representação gráfica de uma curva característicaDe acordo com o traçado de H (altura) x Q (vazão) as curvas características podem serclassificadas como: flat - altura manométrica variando muito pouco com a variação de vazão; drooping - para uma mesma altura manométrica podemos ter vazões diferentes; steep - grande diferença entre alturas na vazão de projeto e a na vazão zero (ponto de shut off ); rising - altura decrescendo continuamente com o crescimento da vazão.As curvas tipo drooping são ditas instáveis e são próprias de algumas bombas centrífugas de altarotação e para tubulações e situações especiais, principalmente em sistemas com curvas deencanamento acentuadamente inclinadas. As demais são consideradas estáveis, visto que estaspara cada altura corresponde uma só vazão, sendo a rising a de melhor trabalhabilidade (Figuraabaixo ) . Montagem : Prof. Luciano Cardoso 65
  66. 66. Tipos de curvas característicasMontagem : Prof. Luciano Cardoso 66
  67. 67.  CONSUMO DE ENERGIA DAS BOMBASA função de uma bomba é transferir energia para o fluido, logo sua operação sempre implica emconsumo de energia.. Como minimizar o consumo de energia de uma bomba ? Basta operar considerando :- válvulas de sucção sempre abertas ;- manter o fluido na temperatura recomendada ; temperatura baixa aumenta a viscosidade,dificultando o trabalho da bomba ;- evitar o aumento da pressão no tanque de descarga ;- minimizar o uso de recirculação ;- ajustar a vazão da bomba para o mais próximo possível do BEP ;- manter os filtros limpos ;- partir as bombas centrífugas ( e somente elas ) com a descarga fechada. TEMPERATURA DE OPERAÇÃOSe a temperatura de operação mudar, haverá mudança na viscosidade do fluido e na pressão devapor.. O que acontece se a temperatura de operação mudar ?- bombas de engrenagens ( e outras de deslocamento positivo ) operando em altas temperaturas :A viscosidade será baixa e haverá falta de lubrificação entre as engrenagens, produzindo limalhasmetálicas de desgaste .- bombas de engrenagens ( e outras de deslocamento positivo ) operando em baixas temperaturas :A viscosidade será alta, dificultando a movimentação do líquido, fornaçando rolamentos e mancais,desgastando essas peças.- bombas centrífugas operando em temperaturas altas : Risco de cavitação e danos para a bomba.- bombas centrífugas operando em temperaturas baixas : A viscosidade será alta, aumentando oconsumo de energia . Se a viscosidade subir muito, o bombeamento diminui a vazão e a bombapoderá trabalhar em vazio, podendo ser danificada por falta de refrigeração. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 67
  68. 68.  ASSOCIAÇÃO DE BOMBAS HIDRÁULICASMuitas razões, técnicas e econômicas, levam à necessidade de se efetuar a associação de bombas.Por exemplo :- inexistência no mercado, de bombas que possam , isoladamente atender a vazão de demanda ;- inexistência no mercado, de bombas que possam, isoladamente atender a altura manométrica doprojeto ;- aumento da demanda ( vazão ) com o decorrer do tempo.. Tipos de Associação de Bombas. Em Série. Em Paralelo Bombas em série :Quando a altura manométrica for muito elevada, devemos analisar a possibilidade do emprego debombas em série, pois esta solução poderá ser mais viável, tanto em termos técnicos comoeconômicos. Como principal precaução neste tipo de associação, devemos verificar se cada bombaa jusante tem capacidade de suporte das pressões de montante na entrada e de jusante no interiorda sua própria carcaça. Para melhor operacionalidade do sistema é aconselhável a associação debombas idênticas, pois este procedimento flexibiliza a manutenção e reposição de peças. associação de bombas em série Montagem : Prof. Luciano Cardoso 68
  69. 69.  Bombas em paralelo :É comum em sistemas de abastecimento de água, esgotamento ou serviços industriais, a instalaçãode bombas em paralelo, principalmente com capacidades idênticas, porém não exclusivas. Estasolução torna-se mais viável quando a vazão de projeto for muito elevada ou no caso em que avariação de vazão for perfeitamente predeterminada em função das necessidades de serviço.No primeiro caso o emprego de bombas em paralelo permitirá a vantagem operacional de quehavendo falha no funcionamento em uma das bombas, não acontecerá a interrupção completa e,sim, apenas uma redução da vazão bombeada pelo sistema. No caso de apenas uma bombaaconteceria a interrupção total, pelo menos temporária, no fornecimento.Na segunda situação a associação em paralelo possibilitará uma flexibilização operacional nosistema, pois como a vazão é variável poderemos retirar ou colocar bombas em funcionamento emfunção das necessidades e sem prejuízo da vazão requerida.Em resumo :Teoricamente temos que bombas em série somam alturas e bombas em paralelo somam vazões. Naprática, nos sistemas de recalque, isto dependerá do comportamento da curva característica dabomba e da curva do encanamento, como estudaremos adiante. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 69
  70. 70. OPERAÇÕES UNITÁRIAS PARTE IV CALDEIRAS Montagem : Prof. Luciano Cardoso 70
  71. 71. OPERAÇÕES UNITÁRIAS PARTE IV – CALDEIRAS1. INTRODUÇÃOCaldeira ou Gerador de vapor é um equipamento que se destina a gerar vapor através de um trocatérmica entre o combustível e a água , sendo que isto é feito por este equipamento construído comchapas e tubos cuja finalidade é fazer com que água se aquece e passe do estado líquido para ogasoso, aproveitando o calor liberado pelo combustível que faz com as partes metálicas da mesmase aqueça e transfira calor à água produzindo o vapor.A finalidade de se gerar o vapor veio da revolução industrial e os meios da época que se tinha era depouca utilização , mas o vapor no inicio serviu para a finalidade de mover máquinas e turbinas parageração de energia e locomotivas, com advento da necessidade industrial se fez necessário ànecessidade de cozimentos e higienização e fabricação de alimentos, se fez necessário à evoluçãodas caldeiras.Com isto se utiliza o vapor em lacticínios, fabricas de alimentos ( extrato de tomate, doces),gelatinas, curtumes, frigoríficos, industrias de vulcanização, usinas de açúcar e álcool, tecelagem ,fabricas de papel e celulose entre outras.2. CALDEIRAS2.1. DescriçãoAs caldeiras ou geradores de vapor, são equipamentos destinados a transformar água em vapor.A energia necessária à operação, isto é, o fornecimento de calor sensível à água até alcançar atemperatura de ebulição, mais o calor latente a fim de vaporizar a água e mais o calor desuperaquecimento para transformá-la em vapor superaquecido, é dada pela queima de umcombustível.2.2. ClassificaçãoConforme o tipo, as caldeiras podem ser classificadas em:Flamotubulares;Aquotubulares. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 71
  72. 72. 2.2.1. Caldeiras flamotubularesNo primeiro caso, os gases quentes passam por dentro de tubos, ao redor dos quais está a água aser aquecida e evaporada. Os tubos são montados à maneira dos feixes de permutadores de calor,com um ou mais passos dos gases quentes através do mesmo. Na figura 01, podemos ver em corteuma caldeira deste tipo. As caldeiras flamotubulares são empregadas apenas para pequenascapacidades e quando se quer apenas vapor saturado de baixa pressão. Figura 1. Caldeira flamotubular de traseira molhada, com dois passes, para óleo e gás. Figura 2. Caldeira flamotubular de três passes. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 72
  73. 73. 2.2.2. Caldeiras aquotubularesO outro tipo, que é o mais empregado, como o próprio nome indica, tem circulação de água pordentro dos tubos e os gases quentes envolvendo-os. São usados para instalações de maior porte ena obtenção de vapor superaquecido.Sendo este tipo o mais importante, veremos com mais detalhes seus componentes.2.2.2.1. ComponentesEncontramos nestas caldeiras, geralmente, os seguintes componentes:• Câmara de combustão• Tubos• Coletores• Tubulão• Superaquecedor• Sopradores de fuligem• Pré-aquecedor de ar.• Economizado• Alvenaria (refratários)• Queimadoras• Ventiladores• Chaminé• Válvulas de segurançaA câmara de combustão é a região onde se dá a queima do combustível, com produção dos gasesde combustão que fornecem calor à água.Os tubos servem para a circulação de vapor e água dentro da caldeira, a fim de permitir a troca decalor entre os gases quentes de combustão e a água ou vapor.Os coletores são peças cilíndricas, às quais chegam e saem conjuntos de tubos, cuja finalidade,como o próprio nome indica, é coletar água ou vapor.O tubulão é um tambor horizontal, situado no ponto mais alto do corpo principal da caldeira, ao qualacham-se conectados, através de tubos, os coletores, que se encontram em níveis diferentes dentroda caldeira.A água circula várias vezes através do conjunto tubulão-coletores descendo pelos tubos externos eretornando pelos internos. Essa circulação natural é provocada pela diferença de pressão exercidapelas colunas líquidas e pelas correntes de convecção formadas. A coluna externa contendosomente água é mais pesada do que a coluna interna contendo água + vapor, promovendo então acirculação. A parte vaporizada vai se armazenando no tubulão, enquanto o líquido volta a circular. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 73
  74. 74. Além de acumular o vapor, o tubulão recebe também a água de alimentação, que vem doeconomizador. O espaço acima do nível d’água no tubulão, chama-se espaço de vapor.Para evitar o arraste de gotículas de líquido junto ao vapor no espaço de vapor existem chicanascom a finalidade de separar o líquido arrastado.O vapor saturado separado no tubulão passa a outro conjunto de serpentinas, o superaquecedor,onde é obtido o seu superaquecimento. As serpentinas do superaquecedor têm suas extremidadesligadas a dois coletores de vapor. O superaquecedor pode situar-se na zona de radiação ouconvecção, conforme o grau de superaquecimento para o qual as caldeiras são projetadas.O pré-aquecedor de ar é utilizado para, aproveitando parte do calor dos gases residuais decombustão, aquecer o ar de alimentação das chamas.No economizador, a água de a1imentação passa por uma serpentina ou feixe tubular, a fim deaproveitar também o calor dos gases residuais da combustão, para depois ir, então, ao tubulão jápré-aquecido, o que representa uma economia de energia.As paredes da caldeira são revestidas internamente de tijolos refratários, resistentes a altastemperaturas, que protegem as partes metálicas estruturais da caldeira contra deterioração por altatemperatura e produzem homogeneização da temperatura por reflexão do calor das chamas.Os maçaricos das caldeiras são semelhantes aos dos fornos.Os sopradores de fuligem são tubos providos de orifícios, inseridos transversalmente aos tubos dasserpentinas, em diversos locais da caldeira. São ligados, externamente à caldeira, ao sistema devapor. Durante a operação da caldeira, há deposição de fuligem nos tubos, o que dificulta atransferência de calor. De tempos em tempos, então, é injetado vapor através deste sistema com afinalidade de remover a fuligem. Para melhorar a atuação dos mesmos, os sopradores geralmentetêm movimento de rotação, atuando assim em maior área.Os ventiladores têm a finalidade de movimentar o ar de combustão até os queimadores na câmarade combustão e os gases da câmara de combustão até a chaminé. Existem dois tipos funcionais deventiladores: de tiragem forçada, que apanha o ar atmosférico e o envia através dos dutos dacaldeira para os queimadores e o de tiragem induzida, instalado na saída da caldeira, que succionaos gases de combustão de dentro da câmara e os conduz à chaminé.A chaminé é a parte que conduz os gases de combustão à atmosfera (em altura suficientementegrande para que não venham a ser danosos ao meio ambiente).As válvulas de segurança são válvulas especiais, instaladas no tubulão, cuja finalidade é dar saídaao vapor no caso deste atingir uma pressão superior a um máximo admitido pelas condições desegurança operacional. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 74
  75. 75. Figura 3. Caldeira aquotubular típica. Figura 4. Superaquecedor.Montagem : Prof. Luciano Cardoso 75
  76. 76. 2.3. Causas de deterioração de caldeirasVeremos a seguir três tipos de males que ocorrem em caldeiras, os quais podem ser agravados pelaocorrência de mais de um, simultaneamente.2.3.1. SuperaquecimentoO superaquecimento consiste na elevação da temperatura de componentes ou de partes decomponentes, acima da temperatura máxima a que o material pode resistir sem sofrer danos.Esta elevação de temperatura localizada pode ser devida:_ Deposições nas paredes dos tubos:• externas —> devido ao óleo combustível;• internas —> devido à incrustação de material existente na água._ Incidência de chama, provocada por:• funcionamento anormal• deficiência de montagem• defeito do queimador._ Circulação deficiente de água devido a:• Obstruções internas;• Falha de alimentação._ Deterioração do refratário2.3.2. Corrosão• Internamente aos tubos, tubulão, coletores etc., devido a deficiência de tratamento da água e,no caso da presença de oxigênio( O2 )e dióxido de carbono (CO2) dissolvidos, devido a mádesaeração. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 76
  77. 77. • Externamente aos tubos, devido à formação de sais de vanádio, no caso de o mesmo estarpresente no óleo combustível, que agem como catalisadores na formação de ácido sulfúrico a partirde S02 (formado pela combustão de produtos de enxofre, que se encontram no óleo combustível).• Na parte externa da caldeira, devido às condições atmosféricas.2.3.3. Deterioração mecânicaAparecimento de trincas e ruptura de materiais devido a:- Fadiga térmica- Fluência ou “creep”- Choques térmicos- Explosão na câmara de combustão- Uso impróprio das ferramentas de limpeza- Recalque das fundações.2.4. Tipos de Caldeiras FlamotubularesAs caldeiras de tubos de fogo ou tubos de fumaça, fogotubulares, flamotubulares ou ainda gás-tubulares são aquelas em que os gases provenientes da combustão (gases quentes) circulam nointerior dos tubos e a água a ser aquecida ou vaporizada circula pelo lado de fora.Este tipo de caldeira é o de construção mais simples, e pode ser classificado quanto à distribuiçãodos tubos, que podem ser tubos verticais ou horizontais.2.4.1. Caldeiras de Tubos VerticaisNas caldeiras de tubos verticais, os tubos são colocados verticalmente num corpo cilíndrico fechadonas extremidades por placas, chamadas espelhos. A fornalha interna fica no corpo cilíndrico logoabaixo do espelho inferior. Os gases de combustão sobem através dos tubos, aquecendo evaporizando a água que está em volta deles.As fornalhas externas são utilizadas principalmente no aproveitamento da queima de combustíveisde baixo poder calorífico, tais como: serragem, palha, casca de café e de amendoim e óleocombustível (1A, 2A ... etc.) Montagem : Prof. Luciano Cardoso 77
  78. 78. Figura 5. Exemplo de caldeira flamotubular vetical.Figura 6. Um outro exemplo de caldeira flamotubular vetical. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 78
  79. 79. 2.4.2. Caldeiras de tubos horizontaisAs caldeiras de tubos horizontais abrangem vários modelos, desde as caldeiras Cornuália eLancaster, de grande volume de água, até as modernas unidades compactas. As principais caldeirashorizontais apresentam tubulões internos nos quais ocorre a combustão e através dos quais passamos gases quentes. Podem ter de 1 a 4 tubulões por fornalha.2.4.2.1. Tipos de caldeiras de tubos horizontais2.4.3. Caldeiras de CornuáliaAa caldeiraa Cornuália, um dos primeiros modelos desenvolvidos, é constituída de um tubulãohorizontal ligando a fornalha ao local de saída de gases. É de funcionamento simples, porém derendimento muito baixo.Suas principais características são: pressão máxima de operação de 10 kgf/cm², vaporizaçãoespecífica 12 a 14 kg de vapor/m² e máximo de 100m² de superfície. Figura 7. Exemplo de caldeira Cornuália.2.4.4. Caldeiras LancasterAa caldeira aLancaster são de construção idêntica à anterior, porém tecnicamente mais evoluída.Pode ser constituída de dois a quatro tubulões internos e suas características são: área de trocatérmica de 120 a 140m² e vaporização de 15 a 18 kg de vapor/m². Algumas delas apresentam tubosde fogo e de retorno, o que apresenta uma melhoria de rendimento térmico em relação às anteriores. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 79
  80. 80. Figura 8. Exemplo de caldeira caldeira Lancaster.2.4.5. Caldeiras multitubulares de fornalha internaComo o próprio nome indica possui vários tubos de fumaça. Podem ser de três tipos:2.4.5.1. Tubos de fogo diretosOs gases percorrem o corpo da caldeira uma única vez.2.4.5.2. Tubos de fogo de retornoOs gases provenientes da combustão no tubulação da fornalha circulam tubos de retorno.2.4.5.3. Tubos de fogo diretos e de retornoOs gases quentes circulam pelos tubos diretos e voltam pelos de retorno.2.4.6. Caldeiras multitubulares de fornalha externaEm algumas caldeiras deste tipo a fornalha é constituída pela própria alvenaria, situada abaixo docorpo cilíndrico.Os gases quentes provindos da combustão entram inicialmente em contato com a base inferior docilindro, retornando pelos tubos de fogo.Na caldeira multitubular, a queima de combustível é efetuada em uma fornalha externa, geralmenteconstruída em alvenaria instalada abaixo do corpo cilíndrico. Os gases quentes passam pelos tubosde fogo, e podem ser de um ou dois passes. A maior vantagem é poder queimar qualquer tipo decombustível.Na figura a seguir, temos um exemplo de caldeira multitubular: Montagem : Prof. Luciano Cardoso 80
  81. 81. Figura 9. Exemplo de caldeiras multitubulares.2.4.7. Caldeiras LocomóvelAs caldeiras locomóveis, também do tipo multitubular, têm como principal característica apresentaruma dupla parede em chapa na fornalha, pela qual a água circula.Sua maior vantagem está no fato de ser fácil a sua transferência de local e de poder produzir energiaelétrica. É usada em serrarias junto à matéria-prima e em campos de petróleo. Figura 10. Exemplo de caldeiras locomóvel. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 81
  82. 82. 2.4.8. Caldeiras escocesasA caldeira escocesa, criada basicamente para uso marítimo, é o modelo de caldeira industrial maisdifundido no mundo. É destinada à queima de óleo ou gás, tendo ainda pressão máxima de 18kgf/cm², rendimento térmico em torno de 83% e taxa de vaporização de 30 a 35 kg de vapor/m².2.4.9. Vantagens e Desvantagens das Caldeiras Flamotubulares2.4.9.1. VantagensAs principais vantagens das caldeiras deste tipo são:• custo de aquisição mais baixo;• exigem pouca alvenaria;• atendem bem a aumentos instantâneos de demanda de vapor.2.4.9.2. DesvantagensComo desvantagens, apresentam:• baixo rendimento térmico;• partida lenta devido ao grande volume interno de água;• limitação de pressão de operação (máx. 15 kgf/cm²);• baixa taxa de vaporização (kg de vapor / m² . hora);• capacidade de produção limitada;• dificuldades para instalação de economizador, superaquecedor e pré-aquecedor2.5. Partes das Caldeiras FlamotubularesAs caldeiras flamotubulares apresentam as seguintes partes principais: corpo, espelhos, feixe tubularou tubos de fogo e caixa de fumaça.O corpo da caldeira, também chamado de casco ou carcaça, é construído a partir de chapas de açocarbono calandradas e soldadas. Seu diâmetro e comprimento estão relacionados à capacidade deprodução de vapor. As pressões de trabalho são limitadas (normalmente máximo de 20 kgf/cm²) pelodiâmetro do corpo destas caldeiras.Os espelhos são chapas planas cortadas em forma circular, de modo que encaixem nas duasextremidades do corpo da caldeira e são fixadas através de soldagem. Sofrem um processo defuração, por onde os tubos de fumaça deverão passar. Os tubos são fixados por meio demandrilamento ou soldagem. Montagem : Prof. Luciano Cardoso 82
  83. 83. O feixe tubular, ou tubos de fogo, é composto de tubos que são responsáveis pela absorção do calorcontido nos gases de exaustão usados para o aquecimento da água. Ligam o espelho frontal com oposterior, podendo ser de um, dois ou três passes. 2.6. Figura 11. Partes das caldeiras flamotubulares.A caixa de fumaça é o local por onde os gases da combustão fazem a reversão do seu trajeto,passando novamente pelo interior da caldeira (pelos tubos de fogo).O desenho a seguir mostra os componentes de uma caldeira flamotubular típica. Figura 12. Caldeira flamotubular típica Montagem : Prof. Luciano Cardoso 83

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