Apostila+operações+unitárias

OPERAÇÕES UNITÁRIAS

Montagem : Prof. Luciano Cardoso 1


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



PARTE I

INTRODUÇÃO

CONCEITOS GERAIS



 PARTE I - INTRODUÇÃO

A disciplina de Operações Unitárias é aquela que classifica e estuda, separadamente, os principais
processos físico-químicos utilizados na indústria química. Os processos mais comuns encontrados
nas indústrias químicas são a Destilação Atmosférica e a Vácuo, os processos de Absorção e
Adsorção, a Extração Líquido-Líquido e Líquido-Gás, o processo de Filtração, Transporte de
Sólidos, Trituração, Separação, Evaporação, Resfriamento, Secagem, Cristalização, etc.
De uma forma geral, uma operação unitária é aquela etapa física de um um processo industrial e
que, portanto, não envolve a ocorrência de transformações químicas.

* Tipos de Operações Unitárias

- Mecânicas
- Transferência de Massa
- Transferência de Calor

. OPERAÇÕES UNITÁRIAS MECÂNICAS

São 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 se
deformarem 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 o
estudo da Mecânica dos Fluidos , ou seja, o estudo do comportamento desses fluidos quando
submetidos à ação de uma força.


As características mais importantes para o dimensionamento de equipamentos de processos, são a
viscosidade 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 MASSA

São 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 CALOR

São 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

. Principais Equipamentos para a realização da Transferência de Calor :
- Trocadores de Calor
- Evaporadores

 CONCEITOS FUNDAMENTAIS

Alguns conhecimentos são fundamentais para que se possa estudar de forma adequada a disciplina
denominada Operações Unitárias, como conhecimentos sobre conversão de unidades, unidades
que podem ser medidas lineares, de área, de volume, de massa, de pressão, de temperatura, de
energia, de potência. Outro conceito-base para “Operações Unitárias” é o de Balanço, tanto
Material quanto Energético.

 Conversão de Unidades

É necessário conhecer as correlações existentes entre medidas muito utilizadas na Indústria
Química, 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 lineares

1 ft =12 in
1 in =2,54 cm
1 m =3,28 ft
1 m =100 cm = 1.000 mm
1 milha =1,61 km
1 milha =5.280 ft
1 km =1.000 m

Alguns exemplos de correlações entre áreas

1 ft2 = 144 in2
1 m2 = 10,76 ft2
1 alqueire = 24.200 m2
1 km2 = 106 m2

Alguns exemplos de correlações entre volumes

1 ft3 = 28,32 L
1 ft3 = 7,481 gal
1 gal = 3,785 L
1 bbl = 42 gal


1 m3 = 35,31 ft3
1 bbl = 0,159 1 m3

Alguns exemplos de correlações entre massas

1 kg = 2,2 lb
1 lb = 454 g
1 kg = 1.000 g
1 t = 1.000 kg

Alguns exemplos de correlações entre pressões

1 atm = 1,033 kgf/cm2
1 atm = 14,7 psi (lbf/in2)
1 atm = 30 in Hg
1 atm = 10,3 m H2O
1 atm = 760 mm Hg
1 atm = 34 ft H2O
1 Kpa = 10–2 kgf/cm2

Algumas observações sobre medições de pressão:

– Pressão Absoluta = Pressão Relativa + Pressão Atmosférica
– Pressão Barométrica = Pressão Atmosférica
– Pressão Manométrica = Pressão Relativa

Alguns exemplos de correlações entre temperaturas

tºC = (5/9)(tºF – 32)
tºC = (9/5)(tºC) + 32
tK = tºC + 273
tR = tºF + 460 (temperatures absolutas)

Algumas observações sobre medições de temperatura:

Zero absoluto = – 273ºC ou – 460ºF


Alguns exemplos de correlações entre potências

1 HP = 1,014 CV
1 HP = 42,44 BTU/min
1KW = 1,341 HP
1 HP = 550 ft.lbf/s
1KW = 1 KJ/s
1 KWh = 3.600 J
1KW = 1.248 KVA

Alguns exemplos de correlações de energia

1 Kcal = 3,97 BTU
1BTU = 252 cal
1BTU = 778 ft.lbf
1Kcal = 3,088 ft.lbf
1Kcal = 4,1868 KJ
1 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 se
perde, 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



PARTE II

ELEMENTOS DE MECÂNICA DOS FLUIDOS


 PARTE II - ELEMENTOS DE MECÂNICA DOS FLUIDOS

 NOÇÕES DE HIDROSTÁTICA

Hidrostática é o ramo da Física que estuda a força exercida por e sobre líquidos em repouso. Este
nome 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 própria
e tem a capacidade de mudar de forma ao ser submetido à ação e pequenas forças. Lembrando que
a 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 pelo
quociente entre a massa e o volume do corpo, quando este é maciço e homogêneo. A unidade de
massa específica no SI é o kg/m3, mas também é muito utilizada a unidade g/cm3.
1 g/cm3 = 1000 kg/m3.

Importante

Densidade e densidade absoluta são grandezas físicas diferentes. Observe que podemos obter
qualquer das duas grandezas utilizando a fórmula acima, porém, só teremos a densidade absoluta
ou massa específica se o corpo em questão for maciço e homogêneo, de outra forma, o que
estaremos obtendo é uma característica do corpo chamada densidade.

- Massa específica ou densidade absoluta: característica da substância que compõe o corpo.
- Densidade: caracteristica do corpo.

# Pressão

Pressão é uma grandeza física obtida pelo quociente entre a intensidade da força (F) e a área (S)
em que a força se distribui.


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 líquido

A pressão que um líquido de massa específica m, altura h, num local onde a aceleração da
gravidade é g exerce sobre o fundo de um recipiente é chamada de pressão hidrostática e é dada
pela expressão:


Se houver dois ou mais líquidos não miscíveis, teremos:

. Teorema de Stevin

A diferença de pressão entre dois pontos, situados em alturas diferentes, no interior de um líquido
homogêneo 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 plano
horizontal, 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:


. Princípio de Pascal

A pressão aplicada a um líquido em equilíbrio se transmite integralmente a todos os pontos do
líquido e das peredes do recipiente que o contém.

Prensa hidráulica :

. Empuxo

Empuxo é uma força vertical, orientada de baixo para cima, cuja intensidade é igual ao peso do
volume de fluido deslocado por um corpo total ou parcialmente imerso.

. Na Esfera A : E = P
A esfera A está em repouso, flutuando na superfície do líquido. Isto acontece quando a densidade do
corpo é menor que a densidade absoluta do líquido e, neste caso, o empuxo recebido pelo corpo é
igual ao seu peso.


. Na Esfera B : E = P
A esfera B está em repouso e totalmente imersa no líquido. Isto acontece quando a densidade do
corpo é igual à densidade absoluta do líquido e, neste caso, o empuxo recebido pelo corpo é igual ao
seu peso.

Na Esfera : E + N = P
A esfera C está em repouso, apoiada pelo fundo do recipiente. Isto acontece quando a densidade do
corpo é maior que a densidade absoluta do líquido e, neste caso, o empuxo é menor que o peso do
corpo.

. Peso aparente
É a diferença entre o peso do corpo e o empuxo que ele sofreria quando imerso no fluido.

. Sistema de vasos comunicantes

Para entender esse sistema, é importante pensar em um recipiente que possui alguns ramos que
são 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.


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 não
podem se misturar ( imiscíveis ) :

Se o sistema estiver em total equilíbrio e sob a ação da gravidade, conseguiremos igualar as
pressões 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 plano
horizontal.

Portanto:


Com isso pode- se concluir que as duas alturas líquidas da figura acima, que são medidas partindo
de uma superfície de separação, são inversamente proporcionais ás próprias densidades.

 NOÇÕES DE HIDRODINÂMICA

A hidrodinâmica é o estudo de fluidos em movimento. É um dos ramos mais complexos da Mecânica
dos Fluidos, como se pode ver nos exemplos mais corriqueiros de fluxo, como um rio que
transborda, uma barragem rompida, o vazamento de petróleo e até a fumaça retorcida que sai da
ponta acesa de um cigarro. Embora cada gota d'água ou partícula de fumaça tenha o seu movimento
determinado pelas leis de Newton, as equações resultantes podem ser complicadas demais.
Felizmente, muitas situações de importância prática podem ser representadas por modelos
idealizados, suficientemente simples parapermitir uma análise detalhada e fácil compreensão

. ELEMENTOS DE HIDRODINÃMICA

# Viscosidade

É a propriedade dos fluidos que está associada à maior ou menor resistência que eles oferecem ao
seu 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 do
recipiente que as contém.
Os fluidos com alta viscosidade como o melado ou mel, fluem mais lentamente que aqueles com
baixa 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 fluem
muito lentamente. O grau de viscosidade é importante em muitas aplicações. Por exemplo, a
viscosidade do óleo do motor determina o quanto ele pode efetivamente lubrificar as partes de um
motor de automóvel.


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

dV
V : 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 )


. TIPOS DE VISCOSIDADE

 Viscosidade Dinâmica ( )

Está relacionada com a Lei de Newton, onde a constante ou coeficiente de proporcionalidade “  “é
denominada VISCOSIDADE ABSOLUTA ou VISCOSIDADE DINÂMICA .

 = .V , onde   VISCOSIDADE ABSOLUTA ou VISCOSIDADE DINÂMICA

Os fluidos que obedecem a Lei de Newton para a Viscosidade, são denominados de “FLUIDOS
NEWTONIANOS “ . 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 “FLUIDOS
NÃO 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 Viscosidade

A 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 o
poiseuille (Pl) como nome para o Pa·s, sem êxito internacional. Deve-se prestar atenção em não
confundir o poiseuille com o poise, chamado assim pela mesma pessoa.


Viscosidade Dinâmica

A unidade no Sistema CGS de unidades para a viscosidade dinâmica é o poise (p), cujo nome
homenageia 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 °C
1 poise = 100 centipoise = 1 g/(cm·s) = 0,1 Pa·s.
1 centipoise = 1 mPa·s.

Viscosidade cinemática

Se 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 o
cSt).
1 stokes = 100 centistokes = 1 cm²/s = 0,0001 m²/s.

. Tabelas ilustrativas de Viscosidade

A 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) 0,0154

A 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


Tabela para viscosidades cinemáticas aproximadas a 20ºC de alguns líquidos. Em centistokes (=
10−2 St = 10−6 m2/s).
Óleo Óleo Óleo Óleo Óleo Óleo
Líquido Água Leite Glicerina Mel
combustível vegetal SAE-10 SAE-30 SAE-50 SAE-70
ν (cSt) 1 4 16 43 110 440 650 1735 2200 19600

 Medida ou determinação da viscosidade de um fluido

Na prática, a determinação da viscosidade de um fluido, é feita através de um instrumento
denominado viscosímetro.
Um viscosímetro, também designado por viscómetro, consiste num instrumento usado para medição
da viscosidade de um fluido.
Existem diversos tipos de viscosímetros, de entre os quais se destacam pela sua importância e
aplicação industrial, o viscosímetro capilar ou viscosímetro de Ostwald, o viscosímetro de esfera em
queda ou viscosímetro de bola e o viscosímetro rotativo.
No que diz respeito ao primeiro, o viscosímetro capilar ou de Ostwald, é utilizado para líquidos e
baseia-se na determinação de alguns dos parâmetros relacionados com a fricção desenvolvida por
um 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 tubo
capilar fino ligado a um reservatório superior. O tubo é mantido na vertical e coloca-se uma
quantidade conhecida de um líquido no reservatório, deixando-se escoar sob a acção da gravidade
através do capilar.
A medida da viscosidade é o tempo que a superfície de líquido no reservatório demora a percorrer o
espaço entre duas marcas gravadas sobre o mesmo.
O viscosímetro de esfera em queda ou de bola, possibilita a medição da velocidade de queda de
uma esfera no seio de uma amostra de fluído, cuja viscosidade se pretende determinar. Este tipo de
viscosímetro é baseado na lei de Stokes, enunciada pelo físico e matemático irlandês George
Gabriel Stokes, que nasceu em Skreen a 13 de Agosto de 1819 e que faleceu em Cambridge a 1 de
fevereiro 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 tubo
depende da viscosidade do líquido. Colocando-se a amostra num tubo semelhante, pode determinar-
se aproximadamente a sua viscosidade por comparação com os outros tubos.


Finalmente, o viscosímetro rotativo é o mais usado na indústria e mede a força de fricção de um
motor que gira, devido a um sistema de pesos e roldanas, no seio de um fluído que se pretende
estudar.

. Imagens de Viscosímetros


# Regimes de Escoamentos de Fluidos

Inicialmente, vamos considerar apenas o que é chamado fluido ideal, isto é, um fluido incompressível
e que não tem força interna de atrito ou viscosidade. A hipótese de incompressibilidade é válida com
boa aproximaçãoquando se trata de líquidos; porém, para os gases, só é válida quando o
escoamento 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 de
escoamento.Em geral, a velocidade do elemento varia em módulo e direção, ao longo de sua linha
de escoamento. Se cada elemento que passa por um ponto tiver a mesma linha de escoamento dos
precedentes, o escoamento é denominado estável ou estacionário.

No início de qualquer escoamento, o mesmo é instável, mas, na maioria dos casos, passa a ser
estacionário depois de um certo período de tempo. A velocidade em cada ponto do espaço, no
escoamento estacionário, permanece constante em relação ao tempo, embora a velocidade de uma
determinada 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 do
vetor velocidade do fluido naquele ponto. No fluxo estacionário, as linhas de corrente coincidem com
as de escoamento.

. Tipos de Escoamento

O 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 todas
as moléculas que passam num dado ponto devem possuir a mesma velocidade. O movimento do
fluido pode, em qualquer ponto, ser completamente previsto.


O escoamento turbulento é o contrário do escoamento laminar. O movimento das moléculas do
fluido é completamente desordenado; moléculas que passam pelo mesmo ponto, em geral, não têm
a 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 presença
pode acarretar. Quando um corpo se move através de um fluido, de modo a provocar turbulência, a
resistência ao seu movimento é bastante grande. Por esta razão, aviões, carros e locomotivas são
projetados de forma a evitar turbulência.

# Vazão

. Conceitos Básicos de Vazão

O conceito de vazão é fundamental praticamente para todos os estudos dos fluidos, seja para uma
instalação hidráulica de abastecimento, seja para o estudo de drenagem, seja para o estudo de
geração de energia através de turbina, para todos estes estudos o parâmetro inicial a ser conhecido
é 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 por
unidade de tempo.


Nota: A determinação da vazão pode ser direta ou indireta; considera-se forma direta sempre que
para a sua determinação recorremos a equação 3.1 e forma indireta quando recorremos a algum
aparelho, 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 escoamento
por unidade de tempo.

Nota: O conceito de vazão em massa é fundamental para o estudo de escoamentos onde a variação
de 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 por
unidade de tempo.


. 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 massa
específica (ρ = m/v), através dos mesmos, obtemos a relação deseja.

. Unidades de QG, Qm e Q

Para que possamos evocar as suas principais unidades, introduzimos inicialmente as suas equações
dimensionais.

Conhecendo-se as equações dimensionais, podemos estabelecer as suas principais unidades, por
exemplo:

. Cálculos da vazão

São 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 com
velocidade constante, a vazão poderá ser calculada multiplicando-se a velocidade (v) do fluido, em
dada seção do condutor, pela área (A) da seção considerada, ou seja:

Q = A .v


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

V
Como Q = , tem-se : Q = A . v
t

. Exemplos práticos

1) Um condutor de 20 cm 2 de área de secção reta despeja gasolina num reservatório. A velocidade
de 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 = Av
Neste caso, torna-se evidente que devemos usar a relação Q = Av, porque conhecemos a
velocidade do fluido e a área da secção reta do condutor.

V = 60 cm3/s A = 20 cm2
Q = A.v
Q = 20 x 60
Q = 1.200 cm3/s

Suponha que, no exemplo, o reservatório tenha 1.200.000 cm 3 de capacidade. Qual o tempo
necessário para enchê-lo?


. Resolução :

Temos V = 1.200.000 cm3
Q = 1.200 cm3/s
T=?
Aplicando a relação Q = V/ t, tiramos t = V/Q
t = 1.200.000/1.200 t = 1.000 segundos
t = 16 minutos 40 s

2) Uma bomba transfere óleo diesel em um reservatório à razão de 20 m3/h. Qual é o volume do
reservatório, sabendo-se que ele está completamente cheio após 3 horas de funcionamento de
bomba ?

. Resolução :

Temos que Q = 20 m3/h
t=3h
V=?
Q = V/ t => V = Q x t
V = 20 x 3
V = 60 m3


. Equação da continuidade nos escoamentos

Dizemos que um fluido encontra-se escoando em regime permanente quando a velocidade, num
dado ponto, não varia com o tempo.

Assim, considerando vários pontos quaisquer no interior de um fluido, estes estarão em regime
permanente, desde que toda partícula que chegue a cada um desses pontos, passe com a mesma
velocidade e na mesma direção. Porém não há obrigação que as velocidades sejam iguais em todos
os pontos. O importante é que toda partícula que passe por cada um deles isoladamente tenha a
mesma velocidade .
Se unirmos os pontos da figura acima , teremos trajetória de qualquer partícula que tenha passado
pelo 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 condutor
de secção reta variável.


A velocidade do fluido no ponto A1 é V1, e no ponto A2 é V2 . A1 e A2 são áreas da secção reta do
tubo nos dois pontos considerados.
Já foi visto que Q = V/ t e Q = Av, portanto pode-se escrever que:
V/ t = Av
V=Avt
Sabe-se, ainda, que a massa específica é definida pela relação:
μ = m/V
m = μV
m = μAvt
Pode-se, então, dizer tendo em vista esta última equação, que a massa de fluido passando através
da secção A1 por segundo é m = μ1A1v1; e que a massa de fluido que atravessa a secção A2, em
cada segundo é igual a m = μ2A2v2.
Está sendo supondo aqui que a massa específica do fluido varia ponto a ponto no interior do tubo. A
massa de fluido, porém, permanece constante, desde que nenhuma partícula fluida possa atravessar
as paredes do condutor.
Portanto, é possível escrever:

μ1.A1.v1 = μ2.A2.v2

Esta é a Equação da Continuidade nos escoamentos em regime permanente. Se o fluido for
incompressível, não haverá variação de volume e, portanto, μ1 = μ2 e a Equação da Continuidade
toma 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 scoamento
da massa fluida é menor e vice-versa.

. Exemplos práticos

1) 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 = Q2
Q1 = A2 v2
Logo, v2 = Q1/A2
Deve-se estar atentos para as unidades.


Trabalhemos no sistema CGS.
Q1 = 90 l/ min = 90 dm3/60s = 90.000 cm3/60s
Q1 = 1.500 cm3/s v2 = Q1/A2
V2 = 1.500/100
V2 = 15 cm/s

2) 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 cm2

Aplica-se a Equação da Continuidade:

A1.v1
A1.v1 = A2 . v2 => v2 =
A2

40x5 200
=> v2 = => v2 = = 1,3 cm / s
150 150

Número de Reynolds ( NR )

Quando a velocidade de um fluido que escoa em um tubo excede certo valor crítico, o regime de
escoamento passa de lamelar para turbulento, exceto em uma camada extremamente fina junto à
parede do tubo, chamada camada limite, onde o escoamento permanece laminar.
Além da camada limite, onde o escoamento é turbulento, o movimento do fluido é altamente
irregular, caracterizado por vórtices locais e um grande aumento na resistência ao escoamento.
O regime de escoamento, se lamelar ou turbulento, é determinado pela seguinte quantidade
adimensional, chamada Número de Reynolds :

NR = r D v / 

onde r é a densidade do fluido, , seu coeficiente de viscosidade, v, o módulo da sua velocidade
média de escoamento para frente e D, o diâmetro do tubo.


Esta velocidade média é definida como a velocidade uniforme em toda a seção reta do tubo que
produz 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 < 3.000

Por exemplo, a 20oC,  = 1 x 10-2 poise para a água. Em um tubo de 1 cm de diâmetro, o módulo da
velocidade média máxima de escoamento laminar é v = 20 cm/s. E o escoamento é turbulento para
velocidades 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 velocidade
média máxima de escoamento laminar é v = 278 cm/s. E o escoamento é turbulento para
velocidades 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 fluido
viscoso 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 com
velocidades maiores é aproximadamente proporcional ao módulo da velocidade ao quadrado.
Reynolds, estudando a causa destas duas diferentes leis de atrito nos fluidos, descobriu que a
mudança 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 velocidade
crítica.
Reynolds mostrou experimentalmente que esta mudança acontecia simultaneamente com a
mudança 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 do
qual o mesmo líquido, sem corante, escoava com uma velocidade controlada.


A baixas velocidades de escoamento, o fio de líquido colorido permanecia reto e contínuo pelo
comprimento do tubo e quando certa velocidade crítica era atingida, a linha colorida era
violentamente agitada e sua continuidade destruída por curvas e vórtices, revelando assim fluxo
turbulento. Exatamente nesta velocidade crítica é que a lei de atrito no fluido passava de uma lei de
primeira potência para uma de segunda potência.

# Perda de Carga

. Conceito

Quando um líquido escoa de um ponto para outro no interior de um tubo, ocorrerá sempre uma
perda de energia, denominada perda de pressão (Sistemas de ventilação ou exaustão) ou perda de
carga (Sistemas de bombeamento de líquidos). Esta perda de energia é devida principalmente ao
atrito do fluído com uma camada estacionária aderida à parede interna do tubo. O emprego de
tubulações no transporte de fluídos pode ser realizada de duas formas: tubos fechados e canais
abertos. Em suma, perda de carga é a energia perdida pela unidade de peso do fluido quando este
escoa. 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 o
consumo de energia da bomba. Para estimar o consumo real de energia é necessário que o cálculo
das perdas seja o mais preciso possível.
No caso de escoamentos reais, a preocupação principal são os efeitos do atrito. Estes provocam a
queda da pressão, causando uma "perda", quando comparado com o caso ideal, sem atrito. Para
simplificar a análise, a "perda" será dividida em distribuídas (devidas ao atrito em porções de área
constante do sistema) e localizadas (devidas ao atrito através de válvulas, tês, cotovelos e outras
porções do sistema de área não-constante). Como os dutos de seção circular são os mais comuns
nas aplicações de engenharia, a análise básica será feita para geometria circular. Os resultados
podem 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 no
escoamento completamente desenvolvido em tubos de seção constante, com as perdas localizadas
(hs) devidas a entradas, acessórios, mudanças de área etc. Consequentemente, consideram-se as
perdas 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 o
escoamento em uma tubulação. É o atrito entre o fluido (no nosso caso a água) e a tubulação,
quando o fluido está em movimento.


É a resistência ao escoamento devido ao atrito entre o fluido e a tubulação, mas que pode ser maior
ou menor devido a outros fatores tais como o tipo de fluido (viscosidade do fluido), ao tipo de
material do tubo (um tubo com paredes rugosas causa maior turbulência), o diâmetro do tubo e a
quantidade de conexões, registros, etc existentes no trecho analisado.

. Variáveis Hidráulicas que influem na Perda de Carga

I. Comprimento da tubulação ( l )

Quanto maior o comprimento da tubulação, maior a perda de carga. O comprimento é diretamente
proporcional 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 perda
de carga.

III. Velocidade ( v )
Quanto maior a velocidade do fluido, maior a perda de carga.


IV. Outras variáveis : fator ( f ) –

a. Rugosidade

A rugosidade depende do material do tubo. Existem tabelas onde encontramos esses valores em
função da natureza do material do tubo.

b. Tempo de uso

O tempo de uso, ou seja, a idade do tubo também é uma variável a ser considerada, devido
principalmente ao tipo de material que for utilizado (ferro fundido, aço galvanizado, aço soldado com
revestimento, etc.). O envelhecimento de um tubo provoca incrustações ou corrosões que poderão
alterar desde o fator de rugosidade ou até o diâmetro interno do tubo.

c. Viscosidade do fluido

A viscosidade, ou seja, o atrito intermolecular do fluido também influencia a perda de carga em um
sistema. Líquidos com viscosidades diferentes vão possuir perdas de cargas distintas ao passar
dentro de uma mesma tubulação.


. Expressões da Perda de Carga ( J )

I. Método Racional ou Moderno

Em função das variáveis hidráulicas apresentadas e utilizando o chamado método moderno ou
racional, Darcy e Weisbach chegaram à expressão geral da perda de carga válida para qualquer
líquido:

onde:
J = Perda de Carga
l = comprimento
d = diâmetro
f = fator - viscosidade, rugosidade, idade do tubo, etc.

II. . Método Empírico

Esse método consiste em aplicar uma fórmula empírica criada para água em uma tubulação feita
com determinado material. Dentre as várias fórmulas criadas com esse método, muitas vezes se
adota 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 Carga

As perdas de carga podem ser de dois tipos :

I. Normais

As perdas de cargas normais ocorrem ao longo de um trecho de tubulação retilíneo, com diâmetro
constante. Se houver mudança de diâmetro, muda-se o valor da perda de carga.


II. Acidentais ou localizadas

As 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 saídas
de reservatórios. Essas peças causam turbulência, alteram a velocidade do fluido, aumentam o atrito
e provocam choques das partículas líquidas.

O método que será utilizado para calcular as perdas de carga localizadas é o método dos
comprimentos equivalentes ou virtuais. Em uma tabela já existem todas as conexões e válvulas nos
mais diversos diâmetros e a comparação com a perda de carga normal em uma tubulação de
mesmos diâmetros.
Por exemplo: A perda de carga existente em um registro de gaveta aberto de 20 mm equivale a
perda de carga existente em um tubo de PVC de 20 mm (mesmo diâmetro) com 0,20 m de
comprimento:


. Princípio de Bernoulli ou Equação de Bernoulli

O 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 de
uma 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 possui
o fluido permanece constante ao longo de seu percurso. A energia de um fluido em qualquer
momento 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 destes

mesmos 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.


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 se

aplica 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-se

a Equação de Torricelli , aplicada ao escoamento de fluidos através de pequenos orifícios :

v= 2 gH

 EXERCÍCIOS RESOLVIDOS DE APLICAÇÃO – Hidrostática / Hidrodinâmica ; vazão e perda
de carga

1 ) Qual a pressão manométrica dentro de uma tubulação onde circula ar se o desnível do nível do
mercúrio observado no manômetro de coluna é de 4 mm?

Considere: densidade do Mercúrio = ρhg = 13600 kg/m3 e aceleração gravitacional g = 9,81 m/s2

Resolução:

Observando o Princípio de Stevin, calculamos a pressão manométrica da tubulação através da
seguinte equação:

pmanométrica = ρhg . g . h = 13600 x 9,81 x 0,004 = 533,6 Pa

A pressão absoluta é a soma dessa pressão com a pressão atmosférica (101325 Pascals).


2 ) Qual a vazão de água (em litros por segundo) circulando através de um tubo de 32 mm de
diâmetro, considerando a velocidade da água como sendo 4 m/s? Lembre-se que 1 m3 = 1000 litros

Resolução :

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/s

3 ) Qual a velocidade da água que escoa em um duto de 25 mm se a vazão é de 2 litros/s?

Solução: Vazão = V . A
Logo: V = Vazão / A

Logo, V = 0,002/0,00049 = V = 4,08 m/s

4 ) Qual a velocidade da água através de um furo na lateral de um tanque, se o desnível entre o furo
e a superfície livre é de 2 m ?


Resolução:

Utilizando a equação de Bernoulli simplificada e considerando z 1 = 2 m e g = 9,81 m/s2, podemos
calcular 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 escoa
água 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.


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.



PARTE III

BOMBAS HIDRÁULICAS



 PARTE III – BOMBAS HIDRÁULICAS

1. MÁQUINAS

São 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 energia
hidráulica.

Dessa forma, por exemplo, as bombas hidráulicas são máquinas motrizes que sugam ou empurram
um fluido, obrigando-o a água a subir. Há muitos tipos de bombas.

2. BOMBAS HIDRÁULICAS

Uma bomba hidráulica é um dispositivo que adiciona energia aos líquidos, tomando energia
mecânica de um eixo, de uma haste ou de um outro fluido: ar comprimido e vapor são os mais
usuais. As formas de transmissão de energia podem ser: aumento de pressão, aumento de
velocidade ou aumento de elevação – ou qualquer combinação destas formas de energia. Como
consequência, facilita-se o movimento do líquido. É geralmente aceito que o líquido possa ser uma
mistura 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 são
chamadas de bombas apenas eventualmente. Como exemplos, há a bomba de vácuo, destinada a
esgotar 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 vapores
são normalmente chamadas pelos técnicos de ventiladores ou ventoinhas, sopradores ou
compressores.


 CLASSIFICAÇÃO GERAL DAS BOMBAS

As bombas podem ser classificadas em duas categorias, a saber :

- Volumétricas ou de Deslocamento Positivo : são aquelas em que a movimentação do líquido é
causada diretamente pela movimentação de um dispositivo mecânico da bomba, que induz ao
líquido um movimento na direção do deslocamento do citado dispositivo, em quantidades
intermitentes, de acordo com a capacidade de armazenamento da bomba, promovendo enchimentos
e esvaziamentos sucessivos, provocando, assim, o deslocamento do líquido no sentido previsto.

- Turbo-Bombas, Hidrodinâmicas ou Rotodinâmicas : são máquinas nas quais a movimentação
do líquido é desenvolvida por forças que se desenvolvem na massa líquida em consequência da
rotação 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 bombas
volumétricas as de êmbolo ou alternativas e as rotativas ( figura abaixo ) .

Esquemas de bombas volumétricas


. Resumindo :

Bombas Hidráulicas são máquinas motrizes que recebem energia potencial de um motor ou de uma
turbina, e transforma parte desse energia em potência :

 Energia de pressão ( força ) : Bombas de Deslocamento Direto
 Energia cinética : Bombas Cinéticas

As bombas cedem estas duas formas de energia ao fluido bombeado, para fazê-lo recircular ou
transportá-lo de um ponto a outro.

 TIPOS DE BOMBAS HIDRÁULICAS

 BOMBAS VOLUMÉTRICAS OU DE DESLOCAMENTO POSITIVO : o órgão fornece energia ao
fluido em forma de pressão. São as bombas de êmbulo ou pistão e as bombas diafragma. O
intercâmbio de energia é estático e o movimento é alternativo.

. Bombas de Pistão

Funcionam 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 é
transferida para o fluido.

As bombas de pistão podem ser :
- Um único pistão : Simplex
- Dois pistãos : Duplex
- Muitos pistãos


. 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 2.000
atm ;
- como bombas dosadoras.

. Bombas de Diafragma

Funcionam através do movimento hidráulico de um pistão sob uma membrana flexível, chamada de
diafragma, que serve para reter uma porção de fluido em seu interior e expulsá-lo no movimento
inverso 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 150
kgf / cm2
- como bombas dosadoras.


 BOMBAS CENTRÍFUGAS

Bombas Centrífugas são bombas hidráulicas que têm como princípio de funcionamento a força
centrífuga através de palhetas e impulsores que giram no interior de uma carcaça estanque, jogando
líquido 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.

. Descrição

Constam de uma câmara fechada, carcaça, dentro da qual gira uma peça, o rotor, que é um conjunto
de palhetas que impulsionam o líquido através da voluta (Figura abaixo ). O rotor é fixado no eixo da
bomba, 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 em
energia de pressão, o que possibilita o líquido alcançar o ponto final do recalque. É no seu interior
que está instalado o conjunto girante (eixo-rotor) que torna possível o impulsionamento do líquido.


A carcaça pode ser do tipo voluta ou do tipo difusor. A de voluta é a mais comum podendo ser
simples ou dupla (Figura abaixo). Como as áreas na voluta não são simetricamente distribuídas em
torno do rotor, ocorre uma distribuição desigual de pressões ao longo da mesma. Isto dá origem a
uma reação perpendicular ao eixo que pode ser insignificante quando a bomba trabalhar no ponto de
melhor 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, eixos
de maior diâmetro no rotor. Outra providência para minimizar este empuxo radial é a construção de
bombas 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 dupla

Para vazões médias e grandes alguns fabricantes optam por bombas de entrada bilateral para
equilíbrio do empuxo axial e dupla voluta para minimizar o desequilíbrio do empuxo radial. A carcaça
tipo 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 tipo
difusor limita o corte do rotor de modo que sua faixa operacional com bom rendimento, torna-se
reduzida.


. Principais Componentes de uma Bomba Hidrodinâmica

Rotor: órgão móvel que fornece energia ao fluido. É responsável pela formação de uma depressão
no 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 de
recalque. Possui seção crescente no sentido do escoamento com a finalidade de transformar a
energia cinética em energia de pressão ; são aletas estacionárias que oferecem ao fluido um canal
de 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 )


. Classificação das Turbo-bombas

. Quanto à trajetória do fluido dentro do rotor

a) 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 a
centrífuga. Pelo fato das bombas centrífugas serem as mais utilizadas, será abordado, neste
material, 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 a
de sustentação.

. Quanto ao número de entradas para a aspiração e sucção

a) Bombas de sucção simples ou de entrada unilateral: a entrada do líquido se faz através de uma
única boca de sucção.

b) Bombas de dupla sucção: a entrada do líquido se faz por duas bocas de sucção, paralelamente ao
eixo de rotação. Esta configuração equivale a dois rotores simples montados em paralelo. O rotor de
dupla sucção apresenta a vantagem de proporcionar o equilíbrio dos empuxos axiais, o que acarreta
uma melhoria no rendimento da bomba, eliminando a necessidade de rolamento de grandes
dimensões para suporte axial sobre o eixo.

. Quanto ao número de rotores dentro da carcaça

a) 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 altura
manométrica e de vazão. As dimensões excessivas e o baixo rendimento fazem com que os
fabricantes limitem a altura manométrica para 100 m.


Corte de uma bomba de monoestágio

b) Bombas de múltiplo estágio: a bomba possui dois ou mais rotores dentro da carcaça. É o
resultado 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 o
indicado para esta associação.

Corte de uma bomba de múltiplo estágio


. Quanto ao posicionamento do eixo

a) Bomba de eixo horizontal: é a concepção construtiva mais comum.

Bomba com eixo horizontal

b) Bomba de eixo vertical: usada na extração de água de poços profundos.

Corte de uma bomba de eixo vertical


. Quanto ao tipo de rotor

a) 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 as
palhetas 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 de
sucção .

b) Bomba de sucção negativa ou afogada: o eixo da bomba situa-se abaixo do nível d’água do
reservatório de sucção .


(a) (b)

 Bombas Rotativas de Deslocamento Positivo

Funcionam através do movimento rotativo de engrenagens ( lóbulos, palhetas ou fusos ) , que retém
fluido no espaço entre a carcaça e as engrenagens.


. 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, sendo
proibitiva 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 do
eixo 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 gotas
por minuto para a lubrificação e refrigeração.


 SELOS MECÂNICOS :

São sistemas de selagem utilizados quando não se pode deixar o fluido bombeado vazar. Permitem
vazamento 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.


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 e
refrigeração ;
- quando não se usa fluido externo : gaxetas muito apertadas ou entupimento nos canais de selagem
do próprio fluido bombeado ;
- golpe de pressão no bombeamento, transmitindo para a caixa de vedação tensões paralelas ao
eixo da bomba.

 FILTROS DE SUCÇAO

São instalados na sucção das bombas para protegê-las da presença de sólidos estranhos, que
poderiam 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 dos
fabricantes prevê um dreno no ponto mais baixo.


 VÁLVULAS DE SEGURANÇA DE PRESSÃO

São válvulas que controlam a pressão na tubulação automaticamente pela ação da força de uma
mola. 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 alta
pressão.

Uma válvula de segurança é projetada para proteger o sistema e não para operar permanentemente
aberta.


 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 as
linhas 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 ( SOMENTE
PARA BOMBAS CENTRÍFUGAS ) ;
- abrir lentamente a válvula de descarga, evitando mantê-la fechada por muito tempo ( SOMENTE
PARA 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 o
motor elétrico ( SOMENTE PARA BOMBAS CENTRÍFUGAS ) .


 VAZÃO MÍNIMA DE OPERAÇÃO :

Para bombas centrífugas, a recomendação é de valores em torno de 50% do BEP ( Best Efficiency
Point – Ponto de Melhor Eficiência ) . Entretanto, muitos fabricantes estabelecem valores em torno
de 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 do
fluido.

 ESCORVA :

As bombas centrífugas não são capazes, normalmente, de aspirar o fluido quando esse se encontra
abaixo da sua linha. Nesse caso é necessário encher a bomba manualmente antes da partida. Esse
procedimento chama-se escorva.
Para que a escorva seja realizada é preciso que exista uma válvula de retenção no início da
tubulação.
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 ebulição
por 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.


Gráfico da fervura da água, do etér etílico e do álcool etílico, variando com a pressão

PRESSÃO DE VAPOR é a pressão na qual um líquido ferve. Todo líquido tem a sua pressão de
vapor 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 fenômeno
Como qualquer outro líquido, a água também tem a propriedade de vaporizar-se em determinadas
condições de temperatura e pressão. E assim sendo temos, por exemplo, entra em ebulição sob a
pressão atmosférica local a uma determinada temperatura, por exemplo, a nível do mar (pressão
atmosférica normal) a ebulição acontece a 100 oC. A medida que a pressão diminui a temperatura de
ebulição também se reduz. Por exemplo, quanto maior a altitude do local menor será a temperatura
de ebulição. Em consequência desta propriedade pode ocorrer o fenômeno da cavitação nos
escoamentos hidráulicos.


Chama-se de cavitação o fenômeno que decorre, nos casos em estudo, da ebulição da água no
interior dos condutos, quando as condições de pressão caem a valores inferiores a pressão de
vaporização. No interior das bombas, no deslocamento das pás, ocorrem inevitavelmente rarefações
no líquido, isto é, pressões reduzidas devidas à própria natureza do escoamento ou ao movimento
de 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 linha
de sucção caia abaixo da pressão de vapor (ou tensão de vapor) originando bolsas de ar que são
arrastadas pelo fluxo. Estas bolhas de ar desaparecem bruscamente condensando-se, quando
alcançam zonas de altas pressões em seu caminho através da bomba. Como esta passagem
gasoso-líquido é brusca, o líquido alcança a superfície do rotor em alta velocidade, produzindo ondas
de alta pressão em áreas reduzidas. Estas pressões podem ultrapassar a resistência à tração do
metal 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 a
bomba, maiores serão estes efeitos. Além de provocar o desgaste progressivo até a deformação
irreversível dos rotores e das paredes internas da bomba, simultaneamente esta apresentará uma
progressiva queda de rendimento, caso o problema não seja corrigido. Nas bombas a cavitação
geralmente ocorre por altura inadequada da sucção (problema geométrico), por velocidades de
escoamento 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


Exemplo de defeito provocado pela cavitação: Corrosão das palhetas da bomba

Características de uma bomba em cavitação

- Queda de rendimento
- Marcha irregular
- Vibração provocada pelo desbalanceamento
- Ruído provocado pela implosão das bolhas

Como evitar a cavitação

Primeiramente, elaborando-se um bom projeto para a linha de sucção. Segundo, aplicando-se uma
manutenção preventiva.


 NPSH , Conceito :

. Significado das Iniciais

São as iniciais do termo em inglês NET POSITIVE SUCTION HEAD, cuja tradução para o
Português, seria o equivalente a “Balanço no Topo da Sucção Positiva” ou “Altura Livre Positiva de
Sucção “.

. Significados Técnicos / Definições

 NPSH (Net Positive Sucction Head) : pressão residual com que o fluido chega na entrada da
bomba que vai fazer com que a pressão do fluido no interior da bomba não atinja a pressão de vapor
do 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 tipo
de 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 - Conceito

Altura manométrica total é a energia por unidade de peso que o sistema solicita para transportar o
fluido do reservatório de sucção para o reservatório de descarga, com uma determinada vazão. Essa
energia será fornecida por uma bomba, que será o parâmetro fundamental para o selecionamento da
mesma.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.


 CURVAS CARACTERÍSTICAS DAS BOMBAS

É a representação gráfica em um eixo cartesiano da variação das grandezas características da
bomba (Figura abaixo ) .

Representação gráfica de uma curva característica

De acordo com o traçado de H (altura) x Q (vazão) as curvas características podem ser
classificadas 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 alta
rotação e para tubulações e situações especiais, principalmente em sistemas com curvas de
encanamento acentuadamente inclinadas. As demais são consideradas estáveis, visto que estas
para cada altura corresponde uma só vazão, sendo a rising a de melhor trabalhabilidade (Figura
abaixo ) .


Tipos de curvas características


 CONSUMO DE ENERGIA DAS BOMBAS

A função de uma bomba é transferir energia para o fluido, logo sua operação sempre implica em
consumo 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 OPERAÇÃO

Se a temperatura de operação mudar, haverá mudança na viscosidade do fluido e na pressão de
vapor.

. 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 limalhas
metálicas 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 o
consumo de energia . Se a viscosidade subir muito, o bombeamento diminui a vazão e a bomba
poderá trabalhar em vazio, podendo ser danificada por falta de refrigeração.


 ASSOCIAÇÃO DE BOMBAS HIDRÁULICAS

Muitas 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 do
projeto ;
- 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 de
bombas em série, pois esta solução poderá ser mais viável, tanto em termos técnicos como
econômicos. Como principal precaução neste tipo de associação, devemos verificar se cada bomba
a jusante tem capacidade de suporte das pressões de montante na entrada e de jusante no interior
da sua própria carcaça. Para melhor operacionalidade do sistema é aconselhável a associação de
bombas idênticas, pois este procedimento flexibiliza a manutenção e reposição de peças.

associação de bombas em série


 Bombas em paralelo :

É comum em sistemas de abastecimento de água, esgotamento ou serviços industriais, a instalação
de bombas em paralelo, principalmente com capacidades idênticas, porém não exclusivas. Esta
solução torna-se mais viável quando a vazão de projeto for muito elevada ou no caso em que a
variação 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 que
havendo 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 bomba
aconteceria a interrupção total, pelo menos temporária, no fornecimento.
Na segunda situação a associação em paralelo possibilitará uma flexibilização operacional no
sistema, pois como a vazão é variável poderemos retirar ou colocar bombas em funcionamento em
função das necessidades e sem prejuízo da vazão requerida.

Em resumo :

Teoricamente temos que bombas em série somam alturas e bombas em paralelo somam vazões. Na
prática, nos sistemas de recalque, isto dependerá do comportamento da curva característica da
bomba e da curva do encanamento, como estudaremos adiante.



PARTE IV

CALDEIRAS



 PARTE IV – CALDEIRAS

1. INTRODUÇÃO

Caldeira ou Gerador de vapor é um equipamento que se destina a gerar vapor através de um troca
térmica entre o combustível e a água , sendo que isto é feito por este equipamento construído com
chapas e tubos cuja finalidade é fazer com que água se aquece e passe do estado líquido para o
gasoso, aproveitando o calor liberado pelo combustível que faz com as partes metálicas da mesma
se 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 de
pouca utilização , mas o vapor no inicio serviu para a finalidade de mover máquinas e turbinas para
geração de energia e locomotivas, com advento da necessidade industrial se fez necessário à
necessidade de cozimentos e higienização e fabricação de alimentos, se fez necessário à evolução
das 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. CALDEIRAS

2.1. Descrição
As 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 a
temperatura de ebulição, mais o calor latente a fim de vaporizar a água e mais o calor de
superaquecimento para transformá-la em vapor superaquecido, é dada pela queima de um
combustível.

2.2. Classificação

Conforme o tipo, as caldeiras podem ser classificadas em:
Flamotubulares;
Aquotubulares.


2.2.1. Caldeiras flamotubulares

No primeiro caso, os gases quentes passam por dentro de tubos, ao redor dos quais está a água a
ser 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 corte
uma caldeira deste tipo. As caldeiras flamotubulares são empregadas apenas para pequenas
capacidades 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.


2.2.2. Caldeiras aquotubulares

O outro tipo, que é o mais empregado, como o próprio nome indica, tem circulação de água por
dentro dos tubos e os gases quentes envolvendo-os. São usados para instalações de maior porte e
na obtenção de vapor superaquecido.
Sendo este tipo o mais importante, veremos com mais detalhes seus componentes.

2.2.2.1. Componentes

Encontramos 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 segurança

A câmara de combustão é a região onde se dá a queima do combustível, com produção dos gases
de 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 de
calor 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 qual
acham-se conectados, através de tubos, os coletores, que se encontram em níveis diferentes dentro
da caldeira.
A água circula várias vezes através do conjunto tubulão-coletores descendo pelos tubos externos e
retornando pelos internos. Essa circulação natural é provocada pela diferença de pressão exercida
pelas colunas líquidas e pelas correntes de convecção formadas. A coluna externa contendo
somente água é mais pesada do que a coluna interna contendo água + vapor, promovendo então a
circulação. A parte vaporizada vai se armazenando no tubulão, enquanto o líquido volta a circular.

Além de acumular o vapor, o tubulão recebe também a água de alimentação, que vem do
economizador. 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 chicanas
com 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 extremidades
ligadas a dois coletores de vapor. O superaquecedor pode situar-se na zona de radiação ou
convecção, 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 de
combustão, aquecer o ar de alimentação das chamas.
No economizador, a água de a1imentação passa por uma serpentina ou feixe tubular, a fim de
aproveitar também o calor dos gases residuais da combustão, para depois ir, então, ao tubulão já
pré-aquecido, o que representa uma economia de energia.
As paredes da caldeira são revestidas internamente de tijolos refratários, resistentes a altas
temperaturas, que protegem as partes metálicas estruturais da caldeira contra deterioração por alta
temperatura 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 das
serpentinas, em diversos locais da caldeira. São ligados, externamente à caldeira, ao sistema de
vapor. Durante a operação da caldeira, há deposição de fuligem nos tubos, o que dificulta a
transferência de calor. De tempos em tempos, então, é injetado vapor através deste sistema com a
finalidade de remover a fuligem. Para melhorar a atuação dos mesmos, os sopradores geralmente
têm movimento de rotação, atuando assim em maior área.
Os ventiladores têm a finalidade de movimentar o ar de combustão até os queimadores na câmara
de combustão e os gases da câmara de combustão até a chaminé. Existem dois tipos funcionais de
ventiladores: de tiragem forçada, que apanha o ar atmosférico e o envia através dos dutos da
caldeira para os queimadores e o de tiragem induzida, instalado na saída da caldeira, que succiona
os 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 suficientemente
grande para que não venham a ser danosos ao meio ambiente).
As válvulas de segurança são válvulas especiais, instaladas no tubulão, cuja finalidade é dar saída
ao vapor no caso deste atingir uma pressão superior a um máximo admitido pelas condições de
segurança operacional.


Figura 3. Caldeira aquotubular típica.

Figura 4. Superaquecedor.


2.3. Causas de deterioração de caldeiras

Veremos a seguir três tipos de males que ocorrem em caldeiras, os quais podem ser agravados pela
ocorrência de mais de um, simultaneamente.

2.3.1. Superaquecimento

O superaquecimento consiste na elevação da temperatura de componentes ou de partes de
componentes, 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 refratário

2.3.2. 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 má
desaeração.


• Externamente aos tubos, devido à formação de sais de vanádio, no caso de o mesmo estar
presente no óleo combustível, que agem como catalisadores na formação de ácido sulfúrico a partir
de 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 mecânica

Aparecimento 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 Flamotubulares

As 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 no
interior 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 distribuição
dos tubos, que podem ser tubos verticais ou horizontais.

2.4.1. Caldeiras de Tubos Verticais

Nas caldeiras de tubos verticais, os tubos são colocados verticalmente num corpo cilíndrico fechado
nas extremidades por placas, chamadas espelhos. A fornalha interna fica no corpo cilíndrico logo
abaixo do espelho inferior. Os gases de combustão sobem através dos tubos, aquecendo e
vaporizando a água que está em volta deles.
As fornalhas externas são utilizadas principalmente no aproveitamento da queima de combustíveis
de baixo poder calorífico, tais como: serragem, palha, casca de café e de amendoim e óleo
combustível (1A, 2A ... etc.)


Figura 5. Exemplo de caldeira flamotubular vetical.

Figura 6. Um outro exemplo de caldeira flamotubular vetical.


2.4.2. Caldeiras de tubos horizontais

As caldeiras de tubos horizontais abrangem vários modelos, desde as caldeiras Cornuália e
Lancaster, de grande volume de água, até as modernas unidades compactas. As principais caldeiras
horizontais apresentam tubulões internos nos quais ocorre a combustão e através dos quais passam
os gases quentes. Podem ter de 1 a 4 tubulões por fornalha.

2.4.2.1. Tipos de caldeiras de tubos horizontais

2.4.3. Caldeiras de Cornuália

Aa caldeiraa Cornuália, um dos primeiros modelos desenvolvidos, é constituída de um tubulão
horizontal ligando a fornalha ao local de saída de gases. É de funcionamento simples, porém de
rendimento muito baixo.
Suas principais características são: pressão máxima de operação de 10 kgf/cm², vaporização
específica 12 a 14 kg de vapor/m² e máximo de 100m² de superfície.

Figura 7. Exemplo de caldeira Cornuália.

2.4.4. Caldeiras Lancaster

Aa 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 troca
térmica de 120 a 140m² e vaporização de 15 a 18 kg de vapor/m². Algumas delas apresentam tubos
de fogo e de retorno, o que apresenta uma melhoria de rendimento térmico em relação às anteriores.


Figura 8. Exemplo de caldeira caldeira Lancaster.

2.4.5. Caldeiras multitubulares de fornalha interna

Como o próprio nome indica possui vários tubos de fumaça. Podem ser de três tipos:

2.4.5.1. Tubos de fogo diretos
Os gases percorrem o corpo da caldeira uma única vez.

2.4.5.2. Tubos de fogo de retorno

Os gases provenientes da combustão no tubulação da fornalha circulam tubos de retorno.

2.4.5.3. Tubos de fogo diretos e de retorno

Os gases quentes circulam pelos tubos diretos e voltam pelos de retorno.

2.4.6. Caldeiras multitubulares de fornalha externa
Em algumas caldeiras deste tipo a fornalha é constituída pela própria alvenaria, situada abaixo do
corpo cilíndrico.
Os gases quentes provindos da combustão entram inicialmente em contato com a base inferior do
cilindro, retornando pelos tubos de fogo.
Na caldeira multitubular, a queima de combustível é efetuada em uma fornalha externa, geralmente
construída em alvenaria instalada abaixo do corpo cilíndrico. Os gases quentes passam pelos tubos
de fogo, e podem ser de um ou dois passes. A maior vantagem é poder queimar qualquer tipo de
combustível.
Na figura a seguir, temos um exemplo de caldeira multitubular:


Figura 9. Exemplo de caldeiras multitubulares.

2.4.7. Caldeiras Locomóvel

As caldeiras locomóveis, também do tipo multitubular, têm como principal característica apresentar
uma 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 energia
elétrica. É usada em serrarias junto à matéria-prima e em campos de petróleo.

Figura 10. Exemplo de caldeiras locomóvel.


2.4.8. Caldeiras escocesas

A caldeira escocesa, criada basicamente para uso marítimo, é o modelo de caldeira industrial mais
difundido no mundo. É destinada à queima de óleo ou gás, tendo ainda pressão máxima de 18
kgf/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 Flamotubulares

2.4.9.1. Vantagens

As 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. Desvantagens

Como 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-aquecedor

2.5. Partes das Caldeiras Flamotubulares
As caldeiras flamotubulares apresentam as seguintes partes principais: corpo, espelhos, feixe tubular
ou tubos de fogo e caixa de fumaça.
O corpo da caldeira, também chamado de casco ou carcaça, é construído a partir de chapas de aço
carbono calandradas e soldadas. Seu diâmetro e comprimento estão relacionados à capacidade de
produção de vapor. As pressões de trabalho são limitadas (normalmente máximo de 20 kgf/cm²) pelo
diâmetro do corpo destas caldeiras.
Os espelhos são chapas planas cortadas em forma circular, de modo que encaixem nas duas
extremidades do corpo da caldeira e são fixadas através de soldagem. Sofrem um processo de
furação, por onde os tubos de fumaça deverão passar. Os tubos são fixados por meio de
mandrilamento ou soldagem.


O feixe tubular, ou tubos de fogo, é composto de tubos que são responsáveis pela absorção do calor
contido nos gases de exaustão usados para o aquecimento da água. Ligam o espelho frontal com o
posterior, 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


2.7. Eficiência de uma caldeira fogotubular

A eficiência de uma caldeira fogotubular não é um cálculo misterioso. esta breve explanação tem o
objetivo de orientar técnicos e engenheiros sobre a eficiência das caldeiras e para os usuários do
programa eficiência steammaster.
e, se para muitos o assunto já é repetitivo, para outros pode ser muito esclarecedor. persistindo
dúvidas entre em contato. eficiência da combustão eficiência de combustão é a indicação da
habilidade do queimador em queimar o combustível.
a quantidade de combustível não queimado e o ar em excesso são usados para definir a eficiência
de combustão de um queimador. a maior parcela das perdas apresentadas por uma caldeira se dá
pelos gases da combustão que são lançados pela chaminé. se um queimador não consegue obter
uma queima limpa com baixo excesso de ar, é então regulado para trabalhar com excesso de ar,
sendo que este excesso de ar só abaixa a temperatura da chama e reduz a capacidade de geração
da caldeira, rebaixando também drasticamente a eficiência.

2.7.1. Eficiência Térmica

Eficiência térmica é a medida da eficácia da troca de calor da caldeira. Ela mede a habilidade em
transferir calor do processo de combustão para a água ou vapor na caldeira. Por ser unicamente
uma medida da eficácia da troca de calor da caldeira, ela não leva em conta a radiação e perdas de
convecção do casco da caldeira, coluna d´água, ou outros componentes. Desta forma não é
verdadeira sua indicação do uso do combustível na caldeira; Contudo, aliada à verificação da
combustão, pode nos fornecer uma boa indicação de como está a eficiência da caldeira. De fato, se
você verifica que não há pontos com temperaturas muito altas, no casco ou outras partes da
caldeira, não há vazamentos de vapor ou gases de combustão. Uma simples análise da temperatura
e composição dos gases da chaminé pode nos oferecer dados confiáveis para o cálculo da
eficiência. Além disto existem graficos fornecido pela Steammaster com a estimativa das perdas
diversas de acordo com a carga de trabalho.

2.7.2. Eficiência da Caldeira

Eficiência da caldeira é a eficiência pura da transferência de calor do combustível para o vapor, a
qual leva em conta a radiação e perdas de convecções. É uma indicação verdadeira da eficiência
total da caldeira.
Como descrito no ASME POWER TEST CODE, PTC 4.1, a eficiência combustível-vapor de uma
caldeira pode ser determinada por 02 métodos; o método entrada-saída e o método perdas de calor.


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