OPERAES UNITRIAS

OPERAES UNITRIAS

OPERAES UNITRIAS

CONTEDOS

PARTE I : INTRODUO - CONCEITOS GERAIS PARTE II : ELEMENTOS DE MECNICAS DOS FLUIDOS

PARTE III : BOMBAS HIDRULICAS

PARTE IV : CALDEIRAS

PARTE V : TROCADORES DE CALOR

PARTE VI : DESTILAOOPERAES UNITRIASPARTE I INTRODUO

CONCEITOS GERAIS

OPERAES UNITRIAS PARTE I - INTRODUO

A disciplina de Operaes Unitrias aquela que classifica e estuda, separadamente, os principais processos fsico-qumicos utilizados na indstria qumica. Os processos mais comuns encontrados nas indstrias qumicas so a Destilao Atmosfrica e a Vcuo, os processos de Absoro e Adsoro, a Extrao Lquido-Lquido e Lquido-Gs, o processo de Filtrao, Transporte de Slidos, Triturao, Separao, Evaporao, Resfriamento, Secagem, Cristalizao, etc. De uma forma geral, uma operao unitria aquela etapa fsica de um um processo industrial e que, portanto, no envolve a ocorrncia de transformaes qumicas.

* Tipos de Operaes Unitrias

- Mecnicas

- Transferncia de Massa

- Transferncia de Calor

. OPERAES UNITRIAS MECNICASSo as operaes de transporte , separao e transporte de fluidos.

Definio de Fluidos :A matria se apresenta basicamente em trs fases de agregao : slida, lquida e gasosa.

As fases lquida e gasosa, so chamadas de fluidas, pois apresentam a propriedade de se deformarem continuamente quando aplicada sobre elas uma fora tangencial, denominada tenso de cisalhamento .

Em outras palavras, um material fluido aquele que apresenta a propriedade de escoar. Conceito Bsico de Mecnica dos Fluidos :Para o estudo das Operaes Unitrias de transporte e de separao de fluidos, importante o estudo da Mecnica dos Fluidos , ou seja, o estudo do comportamento desses fluidos quando submetidos ao de uma fora.

As caractersticas mais importantes para o dimensionamento de equipamentos de processos, so a viscosidade e a presso do fluido.

Transporte e Armazenamento de Fluidos :

So realizados por :

- Bombas : centrfugas ( rotor ) e de deslocamento positivo ( pisto )

- Vlvulas ( controle e bloqueio )

- Linha de tubulaes

- Medidores de vazo

- Vasos pressurizados

Separao de Fluidos :

Realizada por :

- Centrifugao

- Filtrao

. OPERAES UNITRIAS DE TRANSFERNCIA DE MASSA

So as operaes que envolvem a separao de lquidos miscveis.

- Propriedades das solues ( principalmente as diferenas entre os Pontos de Ebulio.

. Principais Operaes de Transferncia de Massa :

- Destilao

- Absoro solues lquido-gs

. OPERAES UNITRIAS DE TRANSFERNCIA DE CALOR

So as operaes de troca trmica entre fluidos.

. Mecanismos de Troca de calor :

- Conduo : contato entre dois corpos fluidos

- Conveco : mistura de fluidos

- Radiao : ondas de calor

. Principais Equipamentos para a realizao da Transferncia de Calor : - Trocadores de Calor

- Evaporadores

CONCEITOS FUNDAMENTAIS

Alguns conhecimentos so fundamentais para que se possa estudar de forma adequada a disciplina denominada Operaes Unitrias, como conhecimentos sobre converso de unidades, unidades que podem ser medidas lineares, de rea, de volume, de massa, de presso, de temperatura, de energia, de potncia. Outro conceito-base para Operaes Unitrias o de Balano, tanto Material quanto Energtico. Converso de Unidades

necessrio conhecer as correlaes existentes entre medidas muito utilizadas na Indstria Qumica, como o caso das medidas de temperatura, de presso, de energia, de massa, de rea, de volume, de potncia e outras que esto sempre sendo correlacionadas.Alguns exemplos de correlaes entre medidas lineares1 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 mAlguns exemplos de correlaes entre reas

1 ft2 = 144 in2

1 m2 = 10,76 ft21 alqueire = 24.200 m2 1 km2 = 106 m2Alguns exemplos de correlaes entre volumes

1 ft3 = 28,32 L

1 ft3 = 7,481 gal

1 gal = 3,785 L1 bbl = 42 gal1 m3 = 35,31 ft31 bbl = 0,159 1 m3Alguns exemplos de correlaes entre massas

1 kg = 2,2 lb

1 lb = 454 g

1 kg = 1.000 g

1 t = 1.000 kg

Alguns exemplos de correlaes entre presses

1 atm = 1,033 kgf/cm21 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 = 102 kgf/cm2Algumas observaes sobre medies de presso:

Presso Absoluta = Presso Relativa + Presso Atmosfrica

Presso Baromtrica = Presso Atmosfrica

Presso Manomtrica = Presso Relativa

Alguns exemplos de correlaes entre temperaturas

tC = (5/9)(tF 32)

tC = (9/5)(tC) + 32

tK = tC + 273

tR = tF + 460 (temperatures absolutas)

Algumas observaes sobre medies de temperatura:

Zero absoluto = 273C ou 460F

Alguns exemplos de correlaes entre potncias

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 correlaes 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 Noo de Balano Material e Balano Energtico

- Balano Material : se baseia na Lei de Lavoisier da Conservao das Massas ; na natureza nada se perde, nada se cria, tudo se transforma.

Igual

Massa que entra ( PROCESSO ( Massa que sai - Balano Energtico : se baseia nas Leis Termodinmicas da Conservao de Energia.

Igual

Energia que entra ( PROCESSO ( Energia que sai

OPERAES UNITRIASPARTE II ELEMENTOS DE MECNICA DOS FLUIDOS PARTE II - ELEMENTOS DE MECNICA DOS FLUIDOS NOES DE HIDROSTTICAHidrosttica o ramo da Fsica que estuda a fora exercida por e sobre lquidos em repouso. Este nome faz referncia ao primeiro fluido estudado, a gua, por isso que,por razes histricas, mantm-se esse nome. Fluido uma substncia que pode escoar facilmente, no tem forma prpria e tem a capacidade de mudar de forma ao ser submetido ao e pequenas foras. Lembrando que a palavra fluido pode designar tanto lquidos como gases.

. ELEMENTOS DE HIDROSTTICA# Massa especfica ou densidade absoluta ( ( )A massa especfica uma caracterstica da substncia que constitui o corpo e obtida pelo quociente entre a massa e o volume do corpo, quando este macio e homogneo. A unidade de massa especfica no SI o kg/m3, mas tambm muito utilizada a unidade g/cm3.

1 g/cm3 = 1000 kg/m3.

Importante

Densidade e densidade absoluta so grandezas fsicas diferentes. Observe que podemos obter qualquer das duas grandezas utilizando a frmula acima, porm, s teremos a densidade absoluta ou massa especfica se o corpo em questo for macio e homogneo, de outra forma, o que estaremos obtendo uma caracterstica do corpo chamada densidade. - Massa especfica ou densidade absoluta: caracterstica da substncia que compe o corpo.

- Densidade: caracteristica do corpo.

# PressoPresso uma grandeza fsica obtida pelo quociente entre a intensidade da fora (F) e a rea (S) em que a fora se distribui.

No caso mais simples a fora (F) perpendicular superfcie (S) e a equao fica simplificada:

A unidade de presso no SI o N/m2, tambm chamado de Pascal.

Relao entre unidades muito usadas:

1 atm = 760 mmHg = 105N/m2.

. Presso de uma coluna de lquidoA presso que um lquido de massa especfica m, altura h, num local onde a acelerao da gravidade g exerce sobre o fundo de um recipiente chamada de presso hidrosttica e dada pela expresso:

Se houver dois ou mais lquidos no miscveis, teremos:

. Teorema de StevinA diferena de presso entre dois pontos, situados em alturas diferentes, no interior de um lquido homogneo em equilbrio, a presso hidrosttica exercida pela coluna lquida entre os dois pontos. Uma consequncia imediata do teorema de Stevin que pontos situados num mesmo plano horizontal, no interior de um mesmo lquido homogneo em quilbrio, apresentam a mesma presso.

Se o ponto A estiver na superfcie do lquido, a presso em A ser igual presso atmosfrica.

Ento a presso p em uma profundidade h dada pela expresso:

. Princpio de PascalA presso aplicada a um lquido em equilbrio se transmite integralmente a todos os pontos do lquido e das peredes do recipiente que o contm.

Prensa hidrulica :

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

. Na Esfera A : E = P

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

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

A esfera C est em repouso, apoiada pelo fundo do recipiente. Isto acontece quando a densidade do corpo maior que a densidade absoluta do lquido e, neste caso, o empuxo menor que o peso do corpo.

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

. Sistema de vasos comunicantes

Para entender esse sistema, importante pensar em um recipiente que possui alguns ramos que so capazes de se comunicar entre si :

Como podemos observar na figura acima, o recipiente est cheio com apenas um lquido em equilbrio, portanto podemos concluir que:

1- A superfcie que estiver sem lquido, ser horizontal e ir atingir a mesma altura de h.2-Quando os pontos do lquido estiverem na mesma altura z, a presso do mesmo ser igual. Portanto:

Com isso pode-se concluir que esses fatos so denominados princpio dos vasos comunicantes.

As duas propriedades acima (1 e 2), percorrem a Lei de Stevin.

Um outro exemplo, porm agora com dois lquidos homogneos, representados por A e B e que no podem se misturar ( imiscveis ) :

Se o sistema estiver em total equilbrio e sob a ao da gravidade, conseguiremos igualar as presses tanto no ponto 1 como no ponto 2 da figura acima, pois eles pertencem ao mesmo lquido, no caso pertencem ao lquido A, e conseguentemente pertencem tambm ao mesmo plano horizontal.

Portanto:

Com isso pode- se concluir que as duas alturas lquidas da figura acima, que so medidas partindo de uma superfcie de separao, so inversamente proporcionais s prprias densidades.

NOES DE HIDRODINMICAA hidrodinmica o estudo de fluidos em movimento. um dos ramos mais complexos da Mecnica dos Fluidos, como se pode ver nos exemplos mais corriqueiros de fluxo, como um rio que transborda, uma barragem rompida, o vazamento de petrleo e at a fumaa retorcida que sai da ponta acesa de um cigarro. Embora cada gota d'gua ou partcula de fumaa tenha o seu movimento determinado pelas leis de Newton, as equaes resultantes podem ser complicadas demais.

Felizmente, muitas situaes de importncia prtica podem ser representadas por modelos idealizados, suficientemente simples parapermitir uma anlise detalhada e fcil compreenso

. ELEMENTOS DE HIDRODINMICA# Viscosidade a propriedade dos fluidos que est associada maior ou menor resistncia que eles oferecem ao seu prprio escolamento.

Esta resistncia se explica pelo atrito interno que ocorre entre as molculas que compe o fluido, movimentando-se umas contras as outras, e por atrito dessas molculas com as paredes do recipiente que as contm.

Os fluidos com alta viscosidade como o melado ou mel, fluem mais lentamente que aqueles com baixa viscosidade como a gua. Todos os fluidos, lquidos e gases, tm certo grau de viscosidade. Alguns materiais, como o piche, que parecem slidos, so na realidade altamente viscosos e fluem muito lentamente. O grau de viscosidade importante em muitas aplicaes. Por exemplo, a viscosidade do leo do motor determina o quanto ele pode efetivamente lubrificar as partes de um motor de automvel.Um escoamento simples est mostrado na figura abaixo para ilustrar a definio de viscosidade. ( ( F1 ( escoamento (

F1 : fora aplicada sobre a placa superior a favor do sentido de escoamento do fluido. ( : fora ou tenso de cisalhamento ; ( = V : velocidade de escoamento do fluido ; V =

Lei de Newton para a viscosidade

( => = ( .

Ou

( ( V => ( = ( . V ( Lei de Newton ) . TIPOS DE VISCOSIDADE Viscosidade Dinmica (( )Est relacionada com a Lei de Newton, onde a constante ou coeficiente de proporcionalidade ( denominada VISCOSIDADE ABSOLUTA ou VISCOSIDADE DINMICA . ( = ( . V , onde ( ( VISCOSIDADE ABSOLUTA ou VISCOSIDADE DINMICAOs fluidos que obedecem a Lei de Newton para a Viscosidade, so denominados de FLUIDOS NEWTONIANOS . So fluidos que apresentam viscosidade constante.So exemplos de fluidos newtonianos : gua, ar, leo, glicerina, etc.

J os fluidos que no obedecem a Lei de Newton para a Viscosidade, so chamados de FLUIDOS NO NEWTONIANOS . So fluidos que apresentam viscosidade varivel.So exemplos de fluidos newtonianos : Ketchup, amido + gua .

Viscosidade Cinemtica ( ( ) aquela que se obtm quando se relaciona a viscosidade dinmica ( ( ) com a massa especfica ( ( ) do fluido : Unidades de Viscosidade

A unidade fsica de viscosidade no Sistema Internacional de Unidades o pascal-segundo (Pas), que corresponde exatamente a 1 Ns/m ou 1 kg/(ms). Na Frana intentou-se estabelecer o poiseuille (Pl) como nome para o Pas, sem xito internacional. Deve-se prestar ateno em no confundir o poiseuille com o poise, chamado assim pela mesma pessoa.Viscosidade DinmicaA unidade no Sistema CGS de unidades para a viscosidade dinmica o poise (p), cujo nome homenageia a Jean Louis Marie Poiseuille. Si ser mais usado o seu submltiplo: o centipoise (cp). O centipoise mais usado devido a que a gua tem uma viscosidade de 1,0020 cp a 20 C1 poise = 100 centipoise = 1 g/(cms) = 0,1 Pas.

1 centipoise = 1 mPas.Viscosidade cinemticaSe obtm com o cociente da viscosidade dinmica (ou absoluta) e a densidade. A unidade no SI o (m/s). A unidade fsica da viscosidade cinemtica no Sistema CGS o stokes (abreviado S ou St), cujo nome provm de George Gabriel Stokes. s vezes se expressa em termos de centistokes (cS o cSt).

1 stokes = 100 centistokes = 1cm/s = 0,0001 m/s.

. Tabelas ilustrativas de Viscosidade

A tabela abaixo mostra os coeficientes de viscosidade de alguns lquidos (em poise).

Glicerina (20oC)8,3

gua (0oC)0,0179

gua (100oC)0,0028

ter (20oC)0,0124

Mercrio (20oC)0,0154

A tabela abaixo mostra os coeficientes de viscosidade de alguns gases (em poise).

Ar (0oC)0,000171

Ar (20oC)0,000181

Ar (100oC)0,000218

gua (100oC)0,000132

CO2 (15oC)0,000145

Tabela para viscosidades cinemticas aproximadas a 20C de alguns lquidos. Em centistokes (= 102 St = 106 m2/s).LquidoguaLeiteleo combustvelleo vegetalleo SAE-10leo SAE-30Glicerinaleo SAE-50Melleo SAE-70

(cSt)1416431104406501735220019600

Medida ou determinao da viscosidade de um fluido

Na prtica, a determinao da viscosidade de um fluido, feita atravs de um instrumento denominado viscosmetro.

Um viscosmetro, tambm designado por viscmetro, consiste num instrumento usado para medio da viscosidade de um fluido.

Existem diversos tipos de viscosmetros, de entre os quais se destacam pela sua importncia e aplicao industrial, o viscosmetro capilar ou viscosmetro de Ostwald, o viscosmetro de esfera em queda ou viscosmetro de bola e o viscosmetro rotativo.

No que diz respeito ao primeiro, o viscosmetro capilar ou de Ostwald, utilizado para lquidos e baseia-se na determinao de alguns dos parmetros relacionados com a frico desenvolvida por um lquido quando este escoa no interior de um capilar.

Este tipo de viscosmetro essencialmente um tubo em U, sendo que um dos seus ramos um tubo capilar fino ligado a um reservatrio superior. O tubo mantido na vertical e coloca-se uma quantidade conhecida de um lquido no reservatrio, deixando-se escoar sob a aco da gravidade atravs do capilar.

A medida da viscosidade o tempo que a superfcie de lquido no reservatrio demora a percorrer o espao entre duas marcas gravadas sobre o mesmo.

O viscosmetro de esfera em queda ou de bola, possibilita a medio da velocidade de queda de uma esfera no seio de uma amostra de fludo, cuja viscosidade se pretende determinar. Este tipo de viscosmetro baseado na lei de Stokes, enunciada pelo fsico e matemtico irlands 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 mtodo consiste em diversos tubos contendo lquidos padres de viscosidades conhecidas, com uma bola de ao em cada um deles. O tempo que a bola leva A descer o comprimento do tubo depende da viscosidade do lquido. Colocando-se a amostra num tubo semelhante, pode determinar-se aproximadamente a sua viscosidade por comparao com os outros tubos.

Finalmente, o viscosmetro rotativo o mais usado na indstria e mede a fora de frico de um motor que gira, devido a um sistema de pesos e roldanas, no seio de um fludo que se pretende estudar.. Imagens de Viscosmetros

# Regimes de Escoamentos de FluidosInicialmente, vamos considerar apenas o que chamado fluido ideal, isto , um fluido incompressvel e que no tem fora interna de atrito ou viscosidade. A hiptese de incompressibilidade vlida com boa aproximaoquando se trata de lquidos; porm, para os gases, s vlida quando o escoamento tal que as diferenas de presso no so muito grandes.O caminho percorrido por um elemento de um fluido em movimento chamado linha de escoamento.Em geral, a velocidade do elemento varia em mdulo e direo, 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 denominado estvel ou estacionrio.No incio de qualquer escoamento, o mesmo instvel, mas, na maioria dos casos, passa a ser estacionrio depois de um certo perodo de tempo. A velocidade em cada ponto do espao, no escoamento estacionrio, permanece constante em relao ao tempo, embora a velocidade de uma determinada partcula do fluido possa variar ao longo da linha de escoamento.

Linha de corrente definida como uma curva tangente, em qualquer ponto, que est na direo do vetor velocidade do fluido naquele ponto. No fluxo estacionrio, as linhas de corrente coincidem com as 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 molculas do fluido, e todas as molculas que passam num dado ponto devem possuir a mesma velocidade. O movimento do fluido pode, em qualquer ponto, ser completamente previsto.

O escoamento turbulento o contrrio do escoamento laminar. O movimento das molculas do fluido completamente desordenado; molculas que passam pelo mesmo ponto, em geral, no tm a mesma velocidade e torna-se difcil fazer previses sobre o comportamento do fluido.

O escoamento turbulento no interessante devido s desvantagens e perigos que sua presena pode acarretar. Quando um corpo se move atravs de um fluido, de modo a provocar turbulncia, a resistncia ao seu movimento bastante grande. Por esta razo, avies, carros e locomotivas so projetados de forma a evitar turbulncia.# Vazo. Conceitos Bsicos de VazoO conceito de vazo fundamental praticamente para todos os estudos dos fluidos, seja para uma instalao hidrulica de abastecimento, seja para o estudo de drenagem, seja para o estudo de gerao de energia atravs de turbina, para todos estes estudos o parmetro inicial a ser conhecido a vazo. . Conceito de Vazo em Volume ou Simplesmente Vazo ( Q )

Vazo a quantidade em volume de fluido que atravessa uma dada seo do escoamento por unidade de tempo.

Nota: A determinao da vazo pode ser direta ou indireta; considera-se forma direta sempre que para a sua determinao recorremos a equao 3.1 e forma indireta quando recorremos a algum aparelho, como por exemplo Venturi, onde:, sendo a variao de presso entre duas sees do aparelho, respectivamente uma de rea mxima e uma de rea mnima. . Conceito de Vazo em Massa ( Qm ) Vazo em massa a quantidade em massa do fluido que atravessa uma dada seo do escoamento por unidade de tempo.

Nota: O conceito de vazo em massa fundamental para o estudo de escoamentos onde a variao de temperatura no desprezvel. . Conceito de Vazo em Peso ( QG )

Vazo em peso a quantidade de peso do fluido que atravessa uma dada seo do escoamento por unidade de tempo.

. Relao entre Vazo em Peso (QG), Vazo em Massa (Qm) e Vazo em Volume (Q) Para obteno desta relao, evocamos os conceitos de peso especfico ( = G/V) e massa especfica ( = m/v), atravs dos mesmos, obtemos a relao deseja.

. Unidades de QG, Qm e Q Para que possamos evocar as suas principais unidades, introduzimos inicialmente as suas equaes dimensionais.

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

. Clculos da vazo

So ainda muito usadas as unidades litro por segundo e metro cbico por hora (m3/h).

Se tivermos num condutor um fluido em escoamento uniforme, isto , o fluido escoando com velocidade constante, a vazo poder ser calculada multiplicando-se a velocidade (v) do fluido, em dada seo do condutor, pela rea (A) da seo considerada, ou seja:Q = A .v

Para demonstrar, suponha-se um condutor de seo constante :

O volume escoado entre as sees (1) e (2) de rea A igual : V = A . L , onde :

L = v.t ( movimento uniforme ), e da tem-se que :

V = A .v.t

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

. Exemplos prticos

1) Um condutor de 20 cm2 de rea de seco reta despeja gasolina num reservatrio. A velocidade de sada da gua de 60 cm3/s. Qual a vazo do fluido escoado?

. Resoluo :

Sabemos que a vazo Q dada por Q = V/T ou Q = Av

Neste caso, torna-se evidente que devemos usar a relao Q = Av, porque conhecemos a velocidade do fluido e a rea da seco reta do condutor.

V = 60 cm3/s A = 20 cm2Q = A.v

Q = 20 x 60

Q = 1.200 cm3/s

Suponha que, no exemplo, o reservatrio tenha 1.200.000 cm3 de capacidade. Qual o tempo necessrio para ench-lo?. Resoluo :

Temos V = 1.200.000 cm3Q = 1.200 cm3/s

T = ?

Aplicando a relao Q = V/ t, tiramos t = V/Q

t = 1.200.000/1.200 t = 1.000 segundos

t = 16 minutos 40 s2) Uma bomba transfere leo diesel em um reservatrio razo de 20 m3/h. Qual o volume do reservatrio, sabendo-se que ele est completamente cheio aps 3 horas de funcionamento de bomba ?

. Resoluo :

Temos que Q = 20 m3/h

t = 3 h

V = ?

Q = V/ t => V = Q x t

V = 20 x 3

V = 60 m3. Equao da continuidade nos escoamentos

Dizemos que um fluido encontra-se escoando em regime permanente quando a velocidade, num dado ponto, no varia com o tempo.

Assim, considerando vrios pontos quaisquer no interior de um fluido, estes estaro em regime permanente, desde que toda partcula que chegue a cada um desses pontos, passe com a mesma velocidade e na mesma direo. Porm no h obrigao que as velocidades sejam iguais em todos os pontos. O importante que toda partcula que passe por cada um deles isoladamente tenha a mesma velocidade .Se unirmos os pontos da figura acima , teremos trajetria de qualquer partcula que tenha passado

pelo ponto mais baixo da curva. Esta trajetria conhecida pelo nome de Linha de Corrente.Suponha-se, agora, um fluido qualquer escoando em regime permanente no interior de um condutor de seco reta varivel.

A velocidade do fluido no ponto A1 V1, e no ponto A2 V2 . A1 e A2 so reas da seco reta do tubo nos dois pontos considerados.

J foi visto que Q = V/ t e Q = Av, portanto pode-se escrever que:

V/ t = Av

V = A v t

Sabe-se, ainda, que a massa especfica definida pela relao:

= m/V

m = V

m = Avt

Pode-se, ento, dizer tendo em vista esta ltima equao, que a massa de fluido passando atravs da seco A1 por segundo m = 1A1v1; e que a massa de fluido que atravessa a seco A2, em cada segundo igual a m = 2A2v2.

Est sendo supondo aqui que a massa especfica do fluido varia ponto a ponto no interior do tubo. A massa de fluido, porm, permanece constante, desde que nenhuma partcula fluida possa atravessar as paredes do condutor.

Portanto, possvel escrever:

1.A1.v1 = 2.A2.v2 Esta a Equao da Continuidade nos escoamentos em regime permanente. Se o fluido for incompressvel, no haver variao de volume e, portanto, 1 = 2 e a Equao da Continuidade toma uma forma mais simples, qual seja A1.v1 = A2.v2 ou Q1 = Q2.Esta relao mostra que onde a rea da seco do condutor for maior, a velocidade de scoamento da massa fluida menor e vice-versa.. Exemplos prticos

1) Um duto de seco retangular possui um estreitamento cuja rea de seco de 100 cm2.

Certo lquido flui no duto razo de 90 litros/min. Calcular a velocidade do lquido no estreitamento.

. Resoluo : O problema fornece vazo do lquido 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/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 Equao da Continuidade:

A1.v1 = A2 . v2 => v2 =

=> v2 = => v2 = = 1,3 cm / s

Nmero de Reynolds ( NR )

Quando a velocidade de um fluido que escoa em um tubo excede certo valor crtico, o regime de escoamento passa de lamelar para turbulento, exceto em uma camada extremamente fina junto parede do tubo, chamada camada limite, onde o escoamento permanece laminar.Alm da camada limite, onde o escoamento turbulento, o movimento do fluido altamente irregular, caracterizado por vrtices locais e um grande aumento na resistncia ao escoamento.

O regime de escoamento, se lamelar ou turbulento, determinado pela seguinte quantidade adimensional, chamada Nmero de Reynolds :

NR = r D v / (

onde r a densidade do fluido, (, seu coeficiente de viscosidade, v, o mdulo da sua velocidade mdia de escoamento para frente e D, o dimetro do tubo.

Esta velocidade mdia definida como a velocidade uniforme em toda a seo reta do tubo que produz a mesma vazo.

Verifica-se experimentalmente que o escoamento de um fluido qualquer : lamelar se NR < 2.000

turbulento se NR > 3.000

instvel, isto , mudando de um regime para outro, se 2.000 < NR < 3.000Por exemplo, a 20oC, ( = 1 x 10-2 poise para a gua. Em um tubo de 1 cm de dimetro, o mdulo da velocidade mdia mxima de escoamento laminar v = 20 cm/s. E o escoamento turbulento para velocidades mdias 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 dimetro, o mdulo da velocidade mdia mxima de escoamento laminar v = 278 cm/s. E o escoamento turbulento para velocidades mdias de escoamento acima de 420 cm/s.

Com a Lei de Stokes viu-se que a fora resistiva sobre uma esfera que se move em um fluido viscoso com uma velocidade no muito grande proporcional ao mdulo desta velocidade.Por outro lado, a fora resistiva sobre qualquer objeto slido que se move em um fluido viscoso com velocidades maiores aproximadamente proporcional ao mdulo da velocidade ao quadrado.Reynolds, estudando a causa destas duas diferentes leis de atrito nos fluidos, descobriu que a mudana da lei de primeira potncia para a de segunda potncia no era gradual, mas sim, brusca, e ocorria, para qualquer fluido dado e qualquer aparato de medida, sempre na mesma velocidade crtica.

Reynolds mostrou experimentalmente que esta mudana acontecia simultaneamente com a mudana no regime do escoamento do fluido no aparato de medida, de laminar para turbulento.

O experimento consistia em introduzir um fio de lquido colorido no centro de um tubo atravs do qual o mesmo lquido, sem corante, escoava com uma velocidade controlada.

A baixas velocidades de escoamento, o fio de lquido colorido permanecia reto e contnuo pelo comprimento do tubo e quando certa velocidade crtica era atingida, a linha colorida era violentamente agitada e sua continuidade destruda por curvas e vrtices, revelando assim fluxo turbulento. Exatamente nesta velocidade crtica que a lei de atrito no fluido passava de uma lei de primeira potncia para uma de segunda potncia.# Perda de Carga . Conceito

Quando um lquido escoa de um ponto para outro no interior de um tubo, ocorrer sempre uma perda de energia, denominada perda de presso (Sistemas de ventilao ou exausto) ou perda de carga (Sistemas de bombeamento de lquidos). Esta perda de energia devida principalmente ao atrito do fludo com uma camada estacionria aderida parede interna do tubo. O emprego de tubulaes no transporte de fludos pode ser realizada de duas formas: tubos fechados e canais abertos. Em suma, perda de carga a energia perdida pela unidade de peso do fluido quando este escoa. No cotidiano a perda de carga muito utilizada, principalmente em instalaes hidrulicas. Por exemplo, quanto maior as perdas de cargas em uma instalao de bombeamento, maior ser o consumo de energia da bomba. Para estimar o consumo real de energia necessrio que o clculo das perdas seja o mais preciso possvel.

No caso de escoamentos reais, a preocupao principal so os efeitos do atrito. Estes provocam a queda da presso, causando uma "perda", quando comparado com o caso ideal, sem atrito. Para simplificar a anlise, a "perda" ser dividida em distribudas (devidas ao atrito em pores de rea constante do sistema) e localizadas (devidas ao atrito atravs de vlvulas, ts, cotovelos e outras pores do sistema de rea no-constante). Como os dutos de seo circular so os mais comuns nas aplicaes de engenharia, a anlise bsica ser feita para geometria circular. Os resultados podem ser estendidos a outras formas pela introduo do dimetro hidrulico. A perda de carga total (Hp) considerada como a soma das perdas distribudas (hf) devidas aos efeitos de atrito no escoamento completamente desenvolvido em tubos de seo constante, com as perdas localizadas (hs) devidas a entradas, acessrios, mudanas de rea etc. Consequentemente, consideram-se as perdas distribudas 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 tubulao. o atrito entre o fluido (no nosso caso a gua) e a tubulao, quando o fluido est em movimento. a resistncia ao escoamento devido ao atrito entre o fluido e a tubulao, 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 turbulncia), o dimetro do tubo e a quantidade de conexes, registros, etc existentes no trecho analisado.

. Variveis Hidrulicas que influem na Perda de CargaI. Comprimento da tubulao ( l )Quanto maior o comprimento da tubulao, maior a perda de carga. O comprimento diretamente proporcional perda de carga. O comprimento identificado pela letra l (do ingls length, comprimento)

II. Dimetro da tubulao ( d )

Quanto maior o dimetro, menor a perda de carga. O dimetro inversamente proporcional perda de carga.

III. Velocidade ( v )

Quanto maior a velocidade do fluido, maior a perda de carga.

IV. Outras variveis : fator ( f )

a. RugosidadeA rugosidade depende do material do tubo. Existem tabelas onde encontramos esses valores em funo da natureza do material do tubo.

b. Tempo de usoO tempo de uso, ou seja, a idade do tubo tambm uma varivel a ser considerada, devido principalmente ao tipo de material que for utilizado (ferro fundido, ao galvanizado, ao soldado com revestimento, etc.). O envelhecimento de um tubo provoca incrustaes ou corroses que podero alterar desde o fator de rugosidade ou at o dimetro interno do tubo.

c. Viscosidade do fluidoA viscosidade, ou seja, o atrito intermolecular do fluido tambm influencia a perda de carga em um sistema. Lquidos com viscosidades diferentes vo possuir perdas de cargas distintas ao passar dentro de uma mesma tubulao.

. Expresses da Perda de Carga ( J )I. Mtodo Racional ou ModernoEm funo das variveis hidrulicas apresentadas e utilizando o chamado mtodo moderno ou racional, Darcy e Weisbach chegaram expresso geral da perda de carga vlida para qualquer lquido:

onde:

J = Perda de Carga

l = comprimento

d = dimetro

f = fator - viscosidade, rugosidade, idade do tubo, etc.

II. . Mtodo EmpricoEsse mtodo consiste em aplicar uma frmula emprica criada para gua em uma tubulao feita com determinado material. Dentre as vrias frmulas criadas com esse mtodo, muitas vezes se adota a frmula de Fair-Whipple-Hsiao (FWH), pois a que melhor se adapta a muitos projetos, como os para tubulaes em PVC de at 100 mm de dimetro.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. NormaisAs perdas de cargas normais ocorrem ao longo de um trecho de tubulao retilneo, com dimetro constante. Se houver mudana de dimetro, muda-se o valor da perda de carga.

II. Acidentais ou localizadasAs perdas de carga acidentais ou localizadas so as perdas que ocorrem nas conexes (curvas, derivaes), vlvulas (registros de gaveta, registros de presso, vvulas de descarga) e nas sadas de reservatrios. Essas peas causam turbulncia, alteram a velocidade do fluido, aumentam o atrito e provocam choques das partculas lquidas.

O mtodo que ser utilizado para calcular as perdas de carga localizadas o mtodo dos comprimentos equivalentes ou virtuais. Em uma tabela j existem todas as conexes e vlvulas nos mais diversos dimetros e a comparao com a perda de carga normal em uma tubulao de mesmos dimetros.

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 dimetro) com 0,20 m de comprimento:

. Princpio de Bernoulli ou Equao de Bernoulli

OPrincpio de Bernoulli, tambm denominadoEquao de Bernoulli ouTrinmio de Bernoulli, ou aindaTeorema de Bernoulli descreve o comportamento de umfluido movendo-se ao longo de umalinha de corrente e traduz para os fluidos oprincipio da conservao da energia.

Foi exposto porDaniel Bernoulli em sua obraHidrodinmica (1738) e expressa que numfluido ideal (semviscosidade nematrito) em rgime de circulao por um conduto fechado, aenergia que possui o fluido permanece constante ao longo de seu percurso. A energia de um fluido em qualquer momento consta de trs componentes:

1. Cintica: a energia devida velocidade que possua o fluido.

2. Potencial gravitacional: a energia devida altitude que um fluido possua.

3. Energia de fluxo: a energia que um fluido contm devido presso que possui.

A seguinte equao conhecida como Equao de Bernoulli (Trinmio de Bernoulli) consta destes mesmos termos.

onde:

V =velocidade do fluido na seo considerada.

g =acelerao gravitacional

z = altura na direo dagravidade desde umacota de referncia.

P =presso ao longo da linha de corrente.

=densidade do fluido. Para aplicar a equao se deve realizar as seguintes suposies:

Viscosidade (atrito interno) = 0 , ou seja, se considera que a linha de corrente sobre a qual se aplica se encontra em uma zona no viscosa do fluido.

Caudal constante

Fluxo incompressvel, onde constante.

A equao se aplica ao longo de umalinha de corrente ou em um fluxo irrotacional. Sob determinadas condies, possvel fazer a simplificao da Equao de Bernoulli, chegando-se a Equao de Torricelli , aplicada ao escoamento de fluidos atravs de pequenos orifcios : v =

EXERCCIOS RESOLVIDOS DE APLICAO Hidrosttica / Hidrodinmica ; vazo e perda de carga1 ) Qual a presso manomtrica dentro de uma tubulao onde circula ar se o desnvel do nvel do mercrio observado no manmetro de coluna de 4 mm?Considere: densidade do Mercrio = hg = 13600 kg/m3 e acelerao gravitacional g = 9,81 m/s2

Resoluo:

Observando o Princpio de Stevin, calculamos a presso manomtrica da tubulao atravs da seguinte equao:

pmanomtrica = hg . g . h = 13600 x 9,81 x 0,004 = 533,6 Pa

A presso absoluta a soma dessa presso com a presso atmosfrica (101325 Pascals).2 ) Qual a vazo de gua (em litros por segundo) circulando atravs de um tubo de 32 mm de dimetro, considerando a velocidade da gua como sendo 4 m/s? Lembre-se que 1 m3 = 1000 litros

Resoluo :

Primeiramente, calcula-se a rea da seco transversal do tubo:

Agora, pode-se determinar a vazo no tubo:

Vazo = V . A = 4 x 0,000803 = 0,0032 m3 /s x 1000 = 3,2 L/s

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

Soluo: Vazo = V . A

Logo: V = Vazo / A

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

4 ) Qual a velocidade da gua atravs de um furo na lateral de um tanque, se o desnvel entre o furo e a superfcie livre de 2 m ?

Resoluo:

Utilizando a equao de Bernoulli simplificada e considerando z1 = 2 m e g = 9,81 m/s2, podemos calcular a velocidade da gua pela equao a seguir:

5 Qual a perda de carga em 100 m de tubo liso de PVC de 32 mm de dimetro por onde escoa gua a uma velocidade de 2 m/s?

Resoluo:

Inicialmente devemos calcular o Nmero de Reynolds:

Com o nmero 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

gua = 1,006 x 10-6 m2/s

Vgua = 5 m/s

gua = 1000 kg/m3Resoluo :

. Clculo do nmero de Reynolds:

. Clculo da perda de carga:

Com o nmero de Reynolds, podemos agora obter o fator de atrito atravs do diagrama de Moody, onde se obtm o fator de atrito f = 0,095.

OPERAES UNITRIASPARTE IIIBOMBAS HIDRULICAS

OPERAES UNITRIAS PARTE III BOMBAS HIDRULICAS 1. MQUINASSo transformadores de energia (absorvem energia em uma forma e restituemi em outra ).Entre os diversos tipos de mquinas, as mquinas fluidas so aquelas que promovem um intercm-bio entre a energia do fluido e a energia mecnica.Dentre elas, as mquinas hidrulicas se classificam em motora e geradora.- mquina hidrulica motora ou motriz : transforma a energia hidrulica em energia mecnica ( ex. : turbinas hidrulicas e rodas dgua ).- mquina hidrulica geradora ou geratriz ou operatriz : transforma a energia mecnica em energia hidrulica.

Dessa forma, por exemplo, as bombas hidrulicas so mquinas motrizes que sugam ou empurram um fluido, obrigando-o a gua a subir.H muitos tipos de bombas. 2. BOMBAS HIDRULICASUma bomba hidrulica um dispositivo que adiciona energia aos lquidos, tomando energia mecnica de um eixo, de uma haste ou de um outro fluido: ar comprimido e vapor so os mais usuais. As formas de transmisso de energia podem ser: aumento de presso, aumento de velocidade ou aumento de elevao ou qualquer combinao destas formas de energia. Como consequncia, facilita-se o movimento do lquido. geralmente aceito que o lquido possa ser uma mistura de lquidos e slidos, nas quais a fase lquida prepondera.

Outras mquinas destinadas a adicionar energia aos fluidos na forma de vapor e gases s so chamadas de bombas apenas eventualmente. Como exemplos, h a bomba de vcuo, destinada a esgotar ar e gases, e a bomba manual de ar, destinada a encher pneumticos, bolas de futebol, brinquedos e botes inflveis, etc. As mquinas que se destinam a manusear ar, gases ou vapores so normalmente chamadas pelos tcnicos de ventiladores ou ventoinhas, sopradores ou compressores.

CLASSIFICAO GERAL DAS BOMBASAs bombas podem ser classificadas em duas categorias, a saber :

- Volumtricas ou de Deslocamento Positivo : so aquelas em que a movimentao do lquido causada diretamente pela movimentao de um dispositivo mecnico da bomba, que induz ao lquido um movimento na direo 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 lquido no sentido previsto.- Turbo-Bombas, Hidrodinmicas ou Rotodinmicas : so mquinas nas quais a movimentao do lquido desenvolvida por foras que se desenvolvem na massa lquida em consequncia da rotao de uma pea interna (ou conjunto dessas peas) dotada de ps ou aletas chamada de roto;

So exemplos de bombas rotodinmicas as conhecidssimas bombas centrfugas e de bombas volumtricas as de mbolo ou alternativas e as rotativas ( figura abaixo ) .

Esquemas de bombas volumtricas. Resumindo :

Bombas Hidrulicas so mquinas motrizes que recebem energia potencial de um motor ou de uma turbina, e transforma parte desse energia em potncia :

Energia de presso ( fora ) : Bombas de Deslocamento Direto Energia cintica : Bombas Cinticas

As bombas cedem estas duas formas de energia ao fluido bombeado, para faz-lo recircular ou transport-lo de um ponto a outro. TIPOS DE BOMBAS HIDRULICAS BOMBAS VOLUMTRICAS OU DE DESLOCAMENTO POSITIVO : o rgo fornece energia ao fluido em forma de presso. So as bombas de mbulo ou pisto e as bombas diafragma. O intercmbio de energia esttico e o movimento alternativo.. Bombas de PistoFuncionam atravs da ao de umm pisto sob uma poro de fluido presa em uma cmara. Quando o pisto se move, o fluido impulsiondado para fora. Desse modo, a energia do pisto transferida para o fluido.

As bombas de pisto podem ser :

- Um nico pisto : Simplex

- Dois pistos : Duplex

- Muitos pistos

. Quando utilizar as bombas de pisto ?

- quando um fluido vaporiza, ou pode eventualmente vaporizar nas condies do processo;

- com altas presses de descarga, atingindo valoresbem acima das bombas centrfugas : at 2.000 atm ;

- como bombas dosadoras.

. Bombas de DiafragmaFuncionam atravs do movimento hidrulico de um pisto sob uma membrana flexvel, chamada de diafragma, que serve para reter uma poro de fluido em seu interior e expuls-lo no movimento inverso do pisto. Possui vlvulas de admisso e de descarga.

. Quando utilizar as bombas de diafragma ?

- quando o fluido corrosivo, pois simplifica, o material de construo;

- com altas presses de descarga, atingindo valores bem acima das bombas centrfugas : at 150 kgf / cm2 - como bombas dosadoras. BOMBAS CENTRFUGAS Bombas Centrfugas so bombas hidrulicas que tm como princpio de funcionamento a fora centrfuga atravs de palhetas e impulsores que giram no interior de uma carcaa estanque, jogando lquido do centro para a periferia do conjunto girante.

Portanto, funcionam atravs do movimento rotativo de engrenagens ( lbulos, plahetas ou fusos ) , que retm o fluido no espao formado entre a carcaa e as engrenagens.

. Descrio Constam de uma cmara fechada, carcaa, dentro da qual gira uma pea, o rotor, que um conjunto de palhetas que impulsionam o lquido atravs da voluta (Figura abaixo ). O rotor fixado no eixo da bomba, este contnuo ao transmissor de energia mecnica do motor.

A carcaa a parte da bomba onde, no seu interior, a energia de velocidade transformada em energia de presso, o que possibilita o lquido alcanar o ponto final do recalque. no seu interior que est instalado o conjunto girante (eixo-rotor) que torna possvel o impulsionamento do lquido.

A carcaa pode ser do tipo voluta ou do tipo difusor. A de voluta a mais comum podendo ser simples ou dupla (Figura abaixo). Como as reas na voluta no so simetricamente distribudas em torno do rotor, ocorre uma distribuio desigual de presses ao longo da mesma. Isto d origem a uma reao perpendicular ao eixo que pode ser insignificante quando a bomba trabalhar no ponto de melhor rendimento, mas que se acentua a medida que a mquina sofra reduo de vazes, baixando seu rendimento. Como conseqncia deste fenmeno temos para pequenas vazes, eixos de maior dimetro no rotor. Outra providncia para minimizar este empuxo radial a construo de bombas com voluta dupla, que consiste em se colocar uma divisria dentro da prpria voluta, dividindo-a em dois condutos a partir do incio da segunda metade desta, ou seja, a 180o do incio da "voluta externa", de modo a tentar equilibrar estas reaes duas a duas, ou minimizar seus efeitos.

Voluta duplaPara vazes mdias e grandes alguns fabricantes optam por bombas de entrada bilateral para equilbrio do empuxo axial e dupla voluta para minimizar o desequilbrio do empuxo radial. A carcaa tipo difusor no apresenta fora radial, mas seu emprego limitado a bombas verticais tipo turbina, bombas submersas ou horizontais de mltiplos estgios e axiais de grandes vazes. A carcaa tipo difusor limita o corte do rotor de modo que sua faixa operacional com bom rendimento, torna-se reduzida.

. Principais Componentes de uma Bomba HidrodinmicaRotor: rgo mvel que fornece energia ao fluido. responsvel pela formao de uma depresso no seu centro para aspirar o fluido e de uma sobrepresso na periferia para recalc-lo.

Difusor: canal de seo crescente que recebe o fluido vindo do rotor e o encaminha tubulao de recalque. Possui seo crescente no sentido do escoamento com a finalidade de transformar a energia cintica em energia de presso ; so aletas estacionrias que oferecem ao fluido um canal de rea crescente desde o rotor at a carcaa.

Voluta : o rotor descarrega fluido num canal de rea de seo reta contnua e crescente. Aumentando a rea, a velocidade diminui, reduzindo assim a formao de turbilhes.

sada

em caracol ( difusor )

. Classificao das Turbo-bombas. Quanto trajetria do fluido dentro do rotor

a) Bombas radiais ou centrfugas: o fluido entra no rotor na direo axial e sai na direo radial. Caracterizam-se pelo recalque de pequenas vazes em grandes alturas. A fora predominante a centrfuga. Pelo fato das bombas centrfugas serem as mais utilizadas, ser abordado, neste material, todo o seu princpio de funcionamento e critrios de seleo.

b) Bombas Axiais: o fluido entra no rotor na direo axial e sai tambm na direo axial. Caracterizam-se pelo recalque de grandes vazes em pequenas alturas. A fora predominante a de sustentao.. Quanto ao nmero de entradas para a aspirao e suco

a) Bombas de suco simples ou de entrada unilateral: a entrada do lquido se faz atravs de uma nica boca de suco.

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

. Quanto ao nmero de rotores dentro da carcaa

a) Bombas de simples estgio ou unicelular: a bomba possui um nico rotor dentro da carcaa. Teoricamente possvel projetar uma bomba com um nico estgio para qualquer situao de altura manomtrica e de vazo. As dimenses excessivas e o baixo rendimento fazem com que os fabricantes limitem a altura manomtrica para 100 m.

Corte de uma bomba de monoestgiob) Bombas de mltiplo estgio: a bomba possui dois ou mais rotores dentro da carcaa. o resultado da associao de rotores em srie dentro da carcaa.

Essa associao permite a elevao do lquido a grandes alturas (> 100 m), sendo o rotor radial o indicado para esta associao.

Corte de uma bomba de mltiplo estgio

. Quanto ao posicionamento do eixo

a) Bomba de eixo horizontal: a concepo construtiva mais comum.

Bomba com eixo horizontal

b) Bomba de eixo vertical: usada na extrao de gua de poos profundos.

Corte de uma bomba de eixo vertical

. Quanto ao tipo de rotor

a) Rotor aberto: usada para bombas de pequenas dimenses. Possui pequena resistncia estrutural. Baixo rendimento. Dificulta o entupimento, podendo ser usado para bombeamento de lquidos sujos.b) Rotor semi-aberto ou semi-fechado: possui apenas um disco onde soafixadas as palhetas.

c) Rotor fechado: usado no bombeamento de lquidos limpos. Possui discosdianteiros com as palhetas fixas em ambos. Evita a recirculao da gua, ou seja, o retorno da gua boca de suco.

Esquemas de rotores fechado (a), semi-aberto (b) e aberto (c).

. Quanto posio do eixo da bomba em relao ao nvel da gua.

a) Bomba de suco positiva: o eixo da bomba situa-se acima do nvel dgua do reservatrio de suco .

b) Bomba de suco negativa ou afogada: o eixo da bomba situa-se abaixo do nvel dgua do reservatrio de suco .

(a) (b)

Bombas Rotativas de Deslocamento PositivoFuncionam atravs do movimento rotativo de engrenagens ( lbulos, palhetas ou fusos ) , que retm fluido no espao entre a carcaa e as engrenagens.

. Quando utilizar as bombas rotativas de deslocamento positivo ?

- So utilizados para fluidos viscosos quaisquer, desde que no contenham slidos em suspenso.

A folga entre a carcaa e a ponta da engrenagem ( lbulos, palhetas ou fusos ) mnimo, sendo proibitiva a presena de slidos em suspenso e utilizando o prprio fluido como lubrificante. ELEMENTOS MECNICOS DAS BOMBAS GAXETAS :

So componentes utilizados para a vedao das bombas centrfugas . So montadas em torno do eixo da bomba e apertadas por um outro componente chamado preme-gaxetas.

No podem ser totalmente apertadas, devendo permitir um vazamento em mdia de 40 a 60 gotas por minuto para a lubrificao e refrigerao.

SELOS MECNICOS :So sistemas de selagem utilizados quando no se pode deixar o fluido bombeado vazar. Permitem vazamento 100 vezes menores que as gaxetas.

So formados por componentes mecnicos mais elaborados, requerendo melhor eficincia de lubrificao e resfriamento, sendo muitas vezes utilizados outros fluidos ( gua, etilenoglicol ), que deve ser limpo.

So apertados somente durante a montagem, requerendo cuidados especiais de manuteno.

. Falhas mais comuns que prejudcam a vedao das bombas

- montagem e ajustes dimensionais deficientes ;

- quando se usa fluido externo : baixo fluxo ou presso, acarretando falta de lubdificao e refrigerao ;

- quando no se usa fluido externo : gaxetas muito apertadas ou entupimento nos canais de selagem do prprio fluido bombeado ;- golpe de presso no bombeamento, transmitindo para a caixa de vedao tenses paralelas ao eixo da bomba. FILTROS DE SUCAOSo instalados na suco das bombas para proteg-las da presena de slidos estranhos, que poderiam danific-las internamente.

Com a continuidade operacional os filtros permanentes tendem a limitar o fluxo para a bomba, podendo provocar danos mecnicos nas mesmas. Para facilitar a limpeza, a maior parte dos fabricantes prev um dreno no ponto mais baixo.

VLVULAS DE SEGURANA DE PRESSO

So vlvulas que controlam a presso na tubulao automaticamente pela ao da fora de uma mola. Podem ser para presses positivas ou para vcuo.

Sua aplicao est relacionada com as bombas hidrulicas conforme :

- montada na linha de suco para proteo da bomba contra golpes de presso;- se a bomba for centrfuga, a vvula de segurana na descarga no se faz necessria ;

- se a bomba for de deslocamento positivo, fundamental haver algum tipo de proteo contra alta presso.

Uma vlvula de segurana projetada para proteger o sistema e no para operar permanentemente aberta.

OPERAO DE BOMBAS HIDRULICAS

PARTIDA : . Se a bomba estiver partindo pela primeira vez : - verificar o nvel do lubrificante ;

- veriificar se o aterramento est conectado ;

- verificar se a proteo do acoplamento est instalada ;

- verificar se a drenagem da base est desobstruda ;

- verificar o sistema de selagem ;

- se o trabalho for a quente, abrir o sistema de aquecimento.

. Antes da partida :

- se o produto tem a tendncia de cristalizar ou possui slidos em suspenso, manter abertas as linhas de aquecimento e de resfriamento da selagem por uns 15 minutos ;

- abrir toda a vlvula de suco ;- verificar a presena de lquido na bomba ;

- verificar se existe algum vazamento no selo ;

- partir a bomba com a vlvula de descarga fechada e observar a elevao da presso ( SOMENTE PARA BOMBAS CENTRFUGAS ) ;

- abrir lentamente a vlvula de descarga, evitando mant-la fechada por muito tempo ( SOMENTE PARA BOMBAS CENTRFUGAS ) .. Aps a partida :

- verificar se h vazamentos na vedao ;

- verificar se h rudos anormais, principalmente na regio do selo ;

- verificar se h vibraes anormais .

* Observaes :

- partir com a vlvula de suco fechada danifica a bomba ;

- partir com a vlvula de descarga aberta, provoca picos de amperagem, que deve desarmar o motor eltrico ( SOMENTE PARA BOMBAS CENTRFUGAS ) .

VAZO MNIMA DE OPERAO :Para bombas centrfugas, a recomendao de valores em torno de 50% do BEP ( Best Efficiency Point Ponto de Melhor Eficincia ) . Entretanto, muitos fabricantes estabelecem valores em torno de 5 a 20% da vazo do BEP .

Se uma bomba operar continuamente com vazes abaixo dos valores mnimos recomendados, haver danos mecnicos na bomba produzido pela elevao da temperarutura at a vaporizao do fluido. ESCORVA :

As bombas centrfugas no so capazes, normalmente, de aspirar o fluido quando esse se encontra abaixo da sua linha. Nesse caso necessrio encher a bomba manualmente antes da partida. Esse procedimento chama-se escorva.

Para que a escorva seja realizada preciso que exista uma vlvula de reteno no incio da tubulao.

Se a escorva for aquecida, a bomba no parte.

PRESSO DE VAPOR :

A temperatura na qual um lquido ferve chamada de Ponto de Ebulio (PE) . O ponto de ebulio por sua vez, varia com a presso atmosfrica. Assim, quanto menor a presso, menor o PE. Ento, a fervura de qualquer lquido varia com a presso atmosfrica.Grfico da fervura da gua, do etr etlico e do lcool etlico, variando com a presso

PRESSO DE VAPOR a presso na qual um lquido ferve. Todo lquido tem a sua presso de vapor que varia com a temperatura.

. Concluses :

- se a presso de suco abaixar, o lquido bombeado pode ferver e se tornar vapor ;

- temperaturas baixas evitam a fervura de lquidos.

* O FENMENO DA CAVITAO . Descrio do fenmeno

Como qualquer outro lquido, a gua tambm tem a propriedade de vaporizar-se em determinadas condies de temperatura e presso. E assim sendo temos, por exemplo, entra em ebulio sob a presso atmosfrica local a uma determinada temperatura, por exemplo, a nvel do mar (presso atmosfrica normal) a ebulio acontece a 100oC. A medida que a presso diminui a temperatura de ebulio tambm se reduz. Por exemplo, quanto maior a altitude do local menor ser a temperatura de ebulio. Em consequncia desta propriedade pode ocorrer o fenmeno da cavitao nos escoamentos hidrulicos. Chama-se de cavitao o fenmeno que decorre, nos casos em estudo, da ebulio da gua no interior dos condutos, quando as condies de presso caem a valores inferiores a presso de vaporizao. No interior das bombas, no deslocamento das ps, ocorrem inevitavelmente rarefaes no lquido, isto , presses reduzidas devidas prpria natureza do escoamento ou ao movimento de impulso recebido pelo lquido, tornando possvel a ocorrncia do fenmeno e, isto acontecendo, formar-se-o bolhas de vapor prejudiciais ao seu funcionamento, caso a presso do lquido na linha de suco caia abaixo da presso de vapor (ou tenso de vapor) originando bolsas de ar que so arrastadas pelo fluxo. Estas bolhas de ar desaparecem bruscamente condensando-se, quando alcanam zonas de altas presses em seu caminho atravs da bomba. Como esta passagem gasoso-lquido brusca, o lquido alcana a superfcie do rotor em alta velocidade, produzindo ondas de alta presso em reas reduzidas. Estas presses podem ultrapassar a resistncia trao do metal e arrancar progressivamente partculas superficiais do rotor, inutilizando-o com o tempo.

Quando ocorre a cavitao so ouvidos rudos e vibraes caractersticos e quanto maior for a bomba, maiores sero estes efeitos. Alm de provocar o desgaste progressivo at a deformao irreversvel dos rotores e das paredes internas da bomba, simultaneamente esta apresentar uma progressiva queda de rendimento, caso o problema no seja corrigido. Nas bombas a cavitao geralmente ocorre por altura inadequada da suco (problema geomtrico), por velocidades de escoamento excessivas (problema hidrulico) ou por escorvamento incorreto (problema operacional).

Causas da cavitao

- Filtro da linha de suco saturado

- Respiro do reservatrio fechado ou entupido

- Linha de suco muito longa

- Muitas curvas na linha de suco (perdas de cargas)

- Estrangulamento na linha de suco

- Altura esttica da linha de suco

- Linha de suco congelada

Exemplo de defeito provocado pela cavitao: Corroso das palhetas da bomba

Caractersticas de uma bomba em cavitao

- Queda de rendimento

- Marcha irregular

- Vibrao provocada pelo desbalanceamento

- Rudo provocado pela imploso das bolhas Como evitar a cavitao

Primeiramente, elaborando-se um bom projeto para a linha de suco. Segundo, aplicando-se uma manuteno preventiva. NPSH , Conceito :. Significado das Iniciais

So as iniciais do termo em ingls NET POSITIVE SUCTION HEAD, cuja traduo para o Portugus, seria o equivalente a Balano no Topo da Suco Positiva ou Altura Livre Positiva de Suco . . Significados Tcnicos / Definies

( NPSH (Net Positive Sucction Head) : presso residual com que o fluido chega na entrada da bomba que vai fazer com que a presso do fluido no interior da bomba no atinja a presso de vapor do fluido.

( NPSH requerido : presso requerida pela bomba para que a mesma funcione.

( NPSH disponvel : presso com que o fluido chega at a entrada da bomba (energia que o tipo de instalao fornece ao fluido). . Obs.: para que a bomba funcione sem cavitao necessrio que o NPSH disponvel seja 10% maior que o NPSH requerido.. ALTURA MANOMTRICA TOTAL - ConceitoAltura manomtrica total a energia por unidade de peso que o sistema solicita para transportar o fluido do reservatrio de suco para o reservatrio de descarga, com uma determinada vazo. Essa energia ser fornecida por uma bomba, que ser o parmetro fundamental para o selecionamento da mesma. importante notar que em um sistema de bombeamento, a condio requerida a vazo, enquanto que a altura manomtrica total uma consequncia da instalao.

CURVAS CARACTERSTICAS DAS BOMBAS

a representao grfica em um eixo cartesiano da variao das grandezas caractersticas da bomba (Figura abaixo ) .

Representao grfica de uma curva caracterstica

De acordo com o traado de H (altura) x Q (vazo) as curvas caractersticas podem ser classificadas como: flat - altura manomtrica variando muito pouco com a variao de vazo;

drooping - para uma mesma altura manomtrica podemos ter vazes diferentes;

steep - grande diferena entre alturas na vazo de projeto e a na vazo zero (ponto de shut off );

rising - altura decrescendo continuamente com o crescimento da vazo.

As curvas tipo drooping so ditas instveis e so prprias de algumas bombas centrfugas de alta rotao e para tubulaes e situaes especiais, principalmente em sistemas com curvas de encanamento acentuadamente inclinadas. As demais so consideradas estveis, visto que estas para cada altura corresponde uma s vazo, sendo a rising a de melhor trabalhabilidade (Figura abaixo ) .

Tipos de curvas caractersticas CONSUMO DE ENERGIA DAS BOMBAS A funo de uma bomba transferir energia para o fluido, logo sua operao sempre implica em consumo de energia.

. Como minimizar o consumo de energia de uma bomba ?

Basta operar considerando :

- vlvulas de suco sempre abertas ;

- manter o fluido na temperatura recomendada ; temperatura baixa aumenta a viscosidade, dificultando o trabalho da bomba ;

- evitar o aumento da presso no tanque de descarga ;

- minimizar o uso de recirculao ;

- ajustar a vazo da bomba para o mais prximo possvel do BEP ;

- manter os filtros limpos ;

- partir as bombas centrfugas ( e somente elas ) com a descarga fechada.

TEMPERATURA DE OPERAO Se a temperatura de operao mudar, haver mudana na viscosidade do fluido e na presso de vapor. . O que acontece se a temperatura de operao mudar ?

- bombas de engrenagens ( e outras de deslocamento positivo ) operando em altas temperaturas :

A viscosidade ser baixa e haver falta de lubrificao entre as engrenagens, produzindo limalhas metlicas de desgaste .

- bombas de engrenagens ( e outras de deslocamento positivo ) operando em baixas temperaturas :

A viscosidade ser alta, dificultando a movimentao do lquido, fornaando rolamentos e mancais, desgastando essas peas.

- bombas centrfugas operando em temperaturas altas : Risco de cavitao e danos para a bomba.- bombas centrfugas operando em temperaturas baixas : A viscosidade ser alta, aumentando o consumo de energia . Se a viscosidade subir muito, o bombeamento diminui a vazo e a bomba poder trabalhar em vazio, podendo ser danificada por falta de refrigerao. ASSOCIAO DE BOMBAS HIDRULICASMuitas razes, tcnicas e econmicas, levam necessidade de se efetuar a associao de bombas. Por exemplo : - inexistncia no mercado, de bombas que possam , isoladamente atender a vazo de demanda ;

- inexistncia no mercado, de bombas que possam, isoladamente atender a altura manomtrica do projeto ;

- aumento da demanda ( vazo ) com o decorrer do tempo.

. Tipos de Associao de Bombas . Em Srie

. Em Paralelo Bombas em srie :Quando a altura manomtrica for muito elevada, devemos analisar a possibilidade do emprego de bombas em srie, pois esta soluo poder ser mais vivel, tanto em termos tcnicos como econmicos. Como principal precauo neste tipo de associao, devemos verificar se cada bomba a jusante tem capacidade de suporte das presses de montante na entrada e de jusante no interior da sua prpria carcaa. Para melhor operacionalidade do sistema aconselhvel a associao de bombas idnticas, pois este procedimento flexibiliza a manuteno e reposio de peas.

associao de bombas em srie Bombas em paralelo :

comum em sistemas de abastecimento de gua, esgotamento ou servios industriais, a instalao de bombas em paralelo, principalmente com capacidades idnticas, porm no exclusivas. Esta soluo torna-se mais vivel quando a vazo de projeto for muito elevada ou no caso em que a variao de vazo for perfeitamente predeterminada em funo das necessidades de servio.

No primeiro caso o emprego de bombas em paralelo permitir a vantagem operacional de que havendo falha no funcionamento em uma das bombas, no acontecer a interrupo completa e, sim, apenas uma reduo da vazo bombeada pelo sistema. No caso de apenas uma bomba aconteceria a interrupo total, pelo menos temporria, no fornecimento.

Na segunda situao a associao em paralelo possibilitar uma flexibilizao operacional no sistema, pois como a vazo varivel poderemos retirar ou colocar bombas em funcionamento em funo das necessidades e sem prejuzo da vazo requerida.

Em resumo :

Teoricamente temos que bombas em srie somam alturas e bombas em paralelo somam vazes. Na prtica, nos sistemas de recalque, isto depender do comportamento da curva caracterstica da bomba e da curva do encanamento, como estudaremos adiante.OPERAES UNITRIASPARTE IVCALDEIRAS

OPERAES UNITRIAS PARTE IV CALDEIRAS

1. INTRODUOCaldeira ou Gerador de vapor um equipamento que se destina a gerar vapor atravs de um troca trmica entre o combustvel e a gua , sendo que isto feito por este equipamento construdo com chapas e tubos cuja finalidade fazer com que gua se aquece e passe do estado lquido para o gasoso, aproveitando o calor liberado pelo combustvel que faz com as partes metlicas da mesma se aquea e transfira calor gua produzindo o vapor.

A finalidade de se gerar o vapor veio da revoluo industrial e os meios da poca que se tinha era de pouca utilizao , mas o vapor no inicio serviu para a finalidade de mover mquinas e turbinas para gerao de energia e locomotivas, com advento da necessidade industrial se fez necessrio necessidade de cozimentos e higienizao e fabricao de alimentos, se fez necessrio evoluo das caldeiras.

Com isto se utiliza o vapor em lacticnios, fabricas de alimentos ( extrato de tomate, doces), gelatinas, curtumes, frigorficos, industrias de vulcanizao, usinas de acar e lcool, tecelagem , fabricas de papel e celulose entre outras.2. CALDEIRAS2.1. Descrio

As caldeiras ou geradores de vapor, so equipamentos destinados a transformar gua em vapor.

A energia necessria operao, isto , o fornecimento de calor sensvel gua at alcanar a temperatura de ebulio, mais o calor latente a fim de vaporizar a gua e mais o calor de superaquecimento para transform-la em vapor superaquecido, dada pela queima de um combustvel.2.2. ClassificaoConforme o tipo, as caldeiras podem ser classificadas em:

Flamotubulares;

Aquotubulares.2.2.1. Caldeiras flamotubularesNo primeiro caso, os gases quentes passam por dentro de tubos, ao redor dos quais est a gua a ser aquecida e evaporada. Os tubos so montados maneira dos feixes de permutadores de calor, com um ou mais passos dos gases quentes atravs do mesmo. Na figura 01, podemos ver em corte uma caldeira deste tipo. As caldeiras flamotubulares so empregadas apenas para pequenas capacidades e quando se quer apenas vapor saturado de baixa presso.Figura 1. Caldeira flamotubular de traseira molhada, com dois passes, para leo e gs.

Figura 2. Caldeira flamotubular de trs passes.

2.2.2. Caldeiras aquotubularesO outro tipo, que o mais empregado, como o prprio nome indica, tem circulao de gua por dentro dos tubos e os gases quentes envolvendo-os. So usados para instalaes de maior porte e na obteno 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:

Cmara de combusto

Tubos

Coletores

Tubulo

Superaquecedor

Sopradores de fuligem

Pr-aquecedor de ar.

Economizado

Alvenaria (refratrios)

Queimadoras

Ventiladores

Chamin

Vlvulas de seguranaA cmara de combusto a regio onde se d a queima do combustvel, com produo dos gases de combusto que fornecem calor gua.

Os tubos servem para a circulao de vapor e gua dentro da caldeira, a fim de permitir a troca de calor entre os gases quentes de combusto e a gua ou vapor.

Os coletores so peas cilndricas, s quais chegam e saem conjuntos de tubos, cuja finalidade, como o prprio nome indica, coletar gua ou vapor.

O tubulo um tambor horizontal, situado no ponto mais alto do corpo principal da caldeira, ao qual acham-se conectados, atravs de tubos, os coletores, que se encontram em nveis diferentes dentro da caldeira.

A gua circula vrias vezes atravs do conjunto tubulo-coletores descendo pelos tubos externos e retornando pelos internos. Essa circulao natural provocada pela diferena de presso exercida pelas colunas lquidas e pelas correntes de conveco formadas. A coluna externa contendo somente gua mais pesada do que a coluna interna contendo gua + vapor, promovendo ento a circulao. A parte vaporizada vai se armazenando no tubulo, enquanto o lquido volta a circular.Alm de acumular o vapor, o tubulo recebe tambm a gua de alimentao, que vem do economizador. O espao acima do nvel dgua no tubulo, chama-se espao de vapor.

Para evitar o arraste de gotculas de lquido junto ao vapor no espao de vapor existem chicanas com a finalidade de separar o lquido arrastado.

O vapor saturado separado no tubulo passa a outro conjunto de serpentinas, o superaquecedor, onde obtido o seu superaquecimento. As serpentinas do superaquecedor tm suas extremidades ligadas a dois coletores de vapor. O superaquecedor pode situar-se na zona de radiao ou conveco, conforme o grau de superaquecimento para o qual as caldeiras so projetadas.

O pr-aquecedor de ar utilizado para, aproveitando parte do calor dos gases residuais de combusto, aquecer o ar de alimentao das chamas.

No economizador, a gua de a1imentao passa por uma serpentina ou feixe tubular, a fim de aproveitar tambm o calor dos gases residuais da combusto, para depois ir, ento, ao tubulo j pr-aquecido, o que representa uma economia de energia.

As paredes da caldeira so revestidas internamente de tijolos refratrios, resistentes a altas temperaturas, que protegem as partes metlicas estruturais da caldeira contra deteriorao por alta temperatura e produzem homogeneizao da temperatura por reflexo do calor das chamas.

Os maaricos das caldeiras so semelhantes aos dos fornos.

Os sopradores de fuligem so tubos providos de orifcios, inseridos transversalmente aos tubos das serpentinas, em diversos locais da caldeira. So ligados, externamente caldeira, ao sistema de vapor. Durante a operao da caldeira, h deposio de fuligem nos tubos, o que dificulta a transferncia de calor. De tempos em tempos, ento, injetado vapor atravs deste sistema com a finalidade de remover a fuligem. Para melhorar a atuao dos mesmos, os sopradores geralmente tm movimento de rotao, atuando assim em maior rea.

Os ventiladores tm a finalidade de movimentar o ar de combusto at os queimadores na cmara de combusto e os gases da cmara de combusto at a chamin. Existem dois tipos funcionais de ventiladores: de tiragem forada, que apanha o ar atmosfrico e o envia atravs dos dutos da caldeira para os queimadores e o de tiragem induzida, instalado na sada da caldeira, que succiona os gases de combusto de dentro da cmara e os conduz chamin.

A chamin a parte que conduz os gases de combusto atmosfera (em altura suficientemente grande para que no venham a ser danosos ao meio ambiente).

As vlvulas de segurana so vlvulas especiais, instaladas no tubulo, cuja finalidade dar sada ao vapor no caso deste atingir uma presso superior a um mximo admitido pelas condies de segurana operacional.

Figura 3. Caldeira aquotubular tpica.

Figura 4. Superaquecedor.

2.3. Causas de deteriorao de caldeirasVeremos a seguir trs tipos de males que ocorrem em caldeiras, os quais podem ser agravados pela ocorrncia de mais de um, simultaneamente.2.3.1. SuperaquecimentoO superaquecimento consiste na elevao da temperatura de componentes ou de partes de componentes, acima da temperatura mxima a que o material pode resistir sem sofrer danos.

Esta elevao de temperatura localizada pode ser devida:_ Deposies nas paredes dos tubos: externas > devido ao leo combustvel;

internas > devido incrustao de material existente na gua.

_ Incidncia de chama, provocada por: funcionamento anormal

deficincia de montagem

defeito do queimador.

_ Circulao deficiente de gua devido a:

Obstrues internas;

Falha de alimentao._ Deteriorao do refratrio2.3.2. Corroso Internamente aos tubos, tubulo, coletores etc., devido a deficincia de tratamento da gua e, no caso da presena de oxignio( O2 )e dixido de carbono (CO2) dissolvidos, devido a m desaerao. Externamente aos tubos, devido formao de sais de vandio, no caso de o mesmo estar presente no leo combustvel, que agem como catalisadores na formao de cido sulfrico a partir de S02 (formado pela combusto de produtos de enxofre, que se encontram no leo combustvel). Na parte externa da caldeira, devido s condies atmosfricas.2.3.3. Deteriorao mecnicaAparecimento de trincas e ruptura de materiais devido a:

- Fadiga trmica

- Fluncia ou creep

- Choques trmicos

- Exploso na cmara de combusto

- Uso imprprio das ferramentas de limpeza

- Recalque das fundaes.2.4. Tipos de Caldeiras FlamotubularesAs caldeiras de tubos de fogo ou tubos de fumaa, fogotubulares, flamotubulares ou ainda gs-tubulares so aquelas em que os gases provenientes da combusto (gases quentes) circulam no interior dos tubos e a gua a ser aquecida ou vaporizada circula pelo lado de fora.

Este tipo de caldeira o de construo mais simples, e pode ser classificado quanto distribuio dos tubos, que podem ser tubos verticais ou horizontais.2.4.1. Caldeiras de Tubos VerticaisNas caldeiras de tubos verticais, os tubos so colocados verticalmente num corpo cilndrico fechado nas extremidades por placas, chamadas espelhos. A fornalha interna fica no corpo cilndrico logo abaixo do espelho inferior. Os gases de combusto sobem atravs dos tubos, aquecendo e vaporizando a gua que est em volta deles.

As fornalhas externas so utilizadas principalmente no aproveitamento da queima de combustveis de baixo poder calorfico, tais como: serragem, palha, casca de caf e de amendoim e leo combustvel (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 horizontaisAs caldeiras de tubos horizontais abrangem vrios modelos, desde as caldeiras Cornulia e Lancaster, de grande volume de gua, at as modernas unidades compactas. As principais caldeiras horizontais apresentam tubules internos nos quais ocorre a combusto e atravs dos quais passam os gases quentes. Podem ter de 1 a 4 tubules por fornalha.2.4.2.1. Tipos de caldeiras de tubos horizontais2.4.3. Caldeiras de CornuliaAa caldeiraa Cornulia, um dos primeiros modelos desenvolvidos, constituda de um tubulo horizontal ligando a fornalha ao local de sada de gases. de funcionamento simples, porm de rendimento muito baixo.

Suas principais caractersticas so: presso mxima de operao de 10 kgf/cm, vaporizao especfica 12 a 14 kg de vapor/m e mximo de 100m de superfcie.

Figura 7. Exemplo de caldeira Cornulia.

2.4.4. Caldeiras Lancaster

Aa caldeira aLancaster so de construo idntica anterior, porm tecnicamente mais evoluda.

Pode ser constituda de dois a quatro tubules internos e suas caractersticas so: rea de troca trmica de 120 a 140m e vaporizao de 15 a 18 kg de vapor/m. Algumas delas apresentam tubos de fogo e de retorno, o que apresenta uma melhoria de rendimento trmico em relao s anteriores.

Figura 8. Exemplo de caldeira caldeira Lancaster.

2.4.5. Caldeiras multitubulares de fornalha internaComo o prprio nome indica possui vrios tubos de fumaa. Podem ser de trs tipos:2.4.5.1. Tubos de fogo diretos

Os gases percorrem o corpo da caldeira uma nica vez.2.4.5.2. Tubos de fogo de retornoOs gases provenientes da combusto no tubulao 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 externa

Em algumas caldeiras deste tipo a fornalha constituda pela prpria alvenaria, situada abaixo do corpo cilndrico.

Os gases quentes provindos da combusto entram inicialmente em contato com a base inferior do cilindro, retornando pelos tubos de fogo.

Na caldeira multitubular, a queima de combustvel efetuada em uma fornalha externa, geralmente construda em alvenaria instalada abaixo do corpo cilndrico. Os gases quentes passam pelos tubos de fogo, e podem ser de um ou dois passes. A maior vantagem poder queimar qualquer tipo de combustvel.

Na figura a seguir, temos um exemplo de caldeira multitubular:

Figura 9. Exemplo de caldeiras multitubulares.2.4.7. Caldeiras Locomvel As caldeiras locomveis, tambm do tipo multitubular, tm como principal caracterstica apresentar uma dupla parede em chapa na fornalha, pela qual a gua circula.

Sua maior vantagem est no fato de ser fcil a sua transferncia de local e de poder produzir energia eltrica. usada em serrarias junto matria-prima e em campos de petrleo.

Figura 10. Exemplo de caldeiras locomvel.

2.4.8. Caldeiras escocesasA caldeira escocesa, criada basicamente para uso martimo, o modelo de caldeira industrial mais difundido no mundo. destinada queima de leo ou gs, tendo ainda presso mxima de 18 kgf/cm, rendimento trmico em torno de 83% e taxa de vaporizao de 30 a 35 kg de vapor/m.2.4.9. Vantagens e Desvantagens das Caldeiras Flamotubulares2.4.9.1. VantagensAs principais vantagens das caldeiras deste tipo so:

custo de aquisio mais baixo;

exigem pouca alvenaria;

atendem bem a aumentos instantneos de demanda de vapor.2.4.9.2. DesvantagensComo desvantagens, apresentam:

baixo rendimento trmico;

partida lenta devido ao grande volume interno de gua;

limitao de presso de operao (mx. 15 kgf/cm);

baixa taxa de vaporizao (kg de vapor / m . hora);

capacidade de produo limitada;

dificuldades para instalao de economizador, superaquecedor e pr-aquecedor2.5. Partes das Caldeiras Flamotubulares

As caldeiras flamotubulares apresentam as seguintes partes principais: corpo, espelhos, feixe tubular ou tubos de fogo e caixa de fumaa.

O corpo da caldeira, tambm chamado de casco ou carcaa, construdo a partir de chapas de ao carbono calandradas e soldadas. Seu dimetro e comprimento esto relacionados capacidade de produo de vapor. As presses de trabalho so limitadas (normalmente mximo de 20 kgf/cm) pelo dimetro do corpo destas caldeiras.

Os espelhos so chapas planas cortadas em forma circular, de modo que encaixem nas duas extremidades do corpo da caldeira e so fixadas atravs de soldagem. Sofrem um processo de furao, por onde os tubos de fumaa devero passar. Os tubos so fixados por meio de mandrilamento ou soldagem.O feixe tubular, ou tubos de fogo, composto de tubos que so responsveis pela absoro do calor contido nos gases de exausto usados para o aquecimento da gua. Ligam o espelho frontal com o posterior, podendo ser de um, dois ou trs passes.

2.6. Figura 11. Partes das caldeiras flamotubulares.

A caixa de fumaa o local por onde os gases da combusto fazem a reverso do seu trajeto, passando novamente pelo interior da caldeira (pelos tubos de fogo).

O desenho a seguir mostra os componentes de uma caldeira flamotubular tpica.

Figura 12. Caldeira flamotubular tpica2.7. Eficincia de uma caldeira fogotubularA eficincia de uma caldeira fogotubular no um clculo misterioso. esta breve explanao tem o objetivo de orientar tcnicos e engenheiros sobre a eficincia das caldeiras e para os usurios do programa eficincia steammaster.

e, se para muitos o assunto j repetitivo, para outros pode ser muito esclarecedor. persistindo dvidas entre em contato. eficincia da combusto eficincia de combusto a indicao da habilidade do queimador em queimar o combustvel.

a quantidade de combustvel no queimado e o ar em excesso so usados para definir a eficincia de combusto de um queimador. a maior parcela das perdas apresentadas por uma caldeira se d pelos gases da combusto que so lanados pela chamin. se um queimador no consegue obter uma queima limpa com baixo excesso de ar, ento regulado para trabalhar com excesso de ar, sendo que este excesso de ar s abaixa a temperatura da chama e reduz a capacidade de gerao da caldeira, rebaixando tambm drasticamente a eficincia.2.7.1. Eficincia TrmicaEficincia trmica a medida da eficcia da troca de calor da caldeira. Ela mede a habilidade em transferir calor do processo de combusto para a gua ou vapor na caldeira. Por ser unicamente uma medida da eficcia da troca de calor da caldeira, ela no leva em conta a radiao e perdas de conveco do casco da caldeira, coluna dgua, ou outros componentes. Desta forma no verdadeira sua indicao do uso do combustvel na caldeira; Contudo, aliada verificao da combusto, pode nos fornecer uma boa indicao de como est a eficincia da caldeira. De fato, se voc verifica que no h pontos com temperaturas muito altas, no casco ou outras partes da caldeira, no h vazamentos de vapor ou gases de combusto. Uma simples anlise da temperatura e composio dos gases da chamin pode nos oferecer dados confiveis para o clculo da eficincia. Alm disto existem graficos fornecido pela Steammaster com a estimativa das perdas diversas de acordo com a carga de trabalho.2.7.2. Eficincia da CaldeiraEficincia da caldeira a eficincia pura da transferncia de calor do combustvel para o vapor, a qual leva em conta a radiao e perdas de conveces. uma indicao verdadeira da eficincia total da caldeira.

Como descrito no ASME POWER TEST CODE, PTC 4.1, a eficincia combustvel-vapor de uma caldeira pode ser determinada por 02 mtodos; o mtodo entrada-sada e o mtodo perdas de calor.2.7.2.1. Mtodo entrada-sada

A eficincia por este mtodo baseada na proporo da sada e entradas de calor na caldeira. Ela calculada em se dividindo a sada da caldeira (Kcal) pela entrada da caldeira (Kcal) e multiplicando por 100. A entrada atual e sada da caldeira so determinadas pela instrumentao e os dados so usados nos clculos que resultam na eficincia combustvel para vapor sendo ainda hoje o mtodo mais difcil de se realizar devido necessidade de se conhecer com preciso, no mnimo os seguintes parmetros: vazo de vapor, gua, combustvel e a temperatura destes.2.7.2.2. Mtodo perdas de calorO mtodo de medida de eficincia Equilbrio de Calor baseado na considerao de todas as perdas de calor da caldeira. O mtodo para clculo atual consiste da subtrao de 100% do total das perdas, sendo que o valor resultante a eficincia combustvel vapor da caldeira.2.7.3. Perdas na chamin a maior poro das perdas do calor onde muito dinheiro jogado fora todos os dias. Este um bom indicador da eficincia da caldeira. A temperatura na chamin a temperatura dos gases de combusto (seco ou mido) deixando a caldeira e refletindo diretamente na energia que no se transferiu do combustvel para o vapor ou gua quente.

Quanto menor a temperatura na chamin, maior ser a eficincia da caldeira, e hoje nenhuma caldeira no Brasil consegue temperaturas de chamin menores que a Steammaster.2.7.4. Perdas de Conveco e Radiao Todas as caldeiras tm perdas de conveco e radiao. As perdas representam a radiao do calor da caldeira para o ambiente.

Radiaes e perdas de conveces expressas em Kcal/h, so essencialmente constantes na rea de caldeira, mas variam entre diferentes tipos de caldeiras, tamanhos, presses de operao e carga de trabalho. Todas as caldeiras Steammaster FOUR, so isoladas com 100 mm de l de rocha de alta densidade, com proteo em ao inoxidvel (toda a caldeira isenta de amianto).2.7.5. Componentes da Eficincia A eficincia da caldeira, quando calculada pelo mtodo de equilbrio de calor ASME, inclui perdas na chamin e radiao e conveces. Mas que fatores tm efeito maior na eficincia de uma caldeira? Em uma primeira discusso, o projeto da caldeira o maior fator.

So fatores-chaves para entendermos os clculos de eficincia da caldeira:Temperatura dos gases (Temperatura da chamin); Especificaes do combustvel; Ar excesso; Temperatura do ar ambiente; Perdas por radiao e conveco. 2.7.5.1. Temperatura dos gases

a temperatura dos gases combustos assim que saem da caldeira.

Um modo em potencial de manipular um valor de eficincia utilizar uma temperatura dos gases menor do que a real nos clculos. Quando estiver analisando um clculo de eficincia, verifique a temperatura dos gases. Ela real? Ela prxima ou menor do que a temperatura dos fluidos (gua) no interior da caldeira?

Para caldeiras FOUR Steammaster, garantimos temperaturas de gases de chamin to baixas quanto 45C acima da gua da caldeira, para 100% da carga. E isto s a Steammaster faz.

No seja tolo em estimar temperaturas de chamin. Tenha certeza da prova dela.2.7.5.2. Especificao do Combustvel

A especificao do combustvel pode tambm ter um efeito dramtico sobre a eficincia. No caso de combustveis gasosos, o maior teor de hidrognio forma mais vapor de gua durante a combusto. Este vapor de gua usa energia assim que muda de fase no processo de combusto. (A gua que acaba de ser formada na combusto do hidrognio formando H2O, se evapora exigindo para isto seu calor de vaporizao que ento lanado na chamin). Esta a razo porque o leo combustvel queima em um nvel de eficincia maior do que o gs natural.

Quando estiver analisando o clculo ou eficincia garantida, verifique as especificaes do combustvel, a representao do combustvel que voc usar na caldeira? A representao da eficincia da combusto usando baixo teor de hidrognio poder no ser uma avaliao apurada do seu consumo de combustvel.2.7.5.3. Excesso de ar

Excesso de ar o ar extra provido para o queimador, alm do ar requerido para a completa combusto. Ele fornecido para o queimador porque uma queima sem ar suficiente ou o estritamente necessrio (queima estequiomtrica) no e possvel em queimadores industriais.

Mudanas sazonais na temperatura e presso baromtrica, podem causar excesso de ar em uma caldeira numa mdia de 5% a 10%, ou provocar a queima num nvel de baixo excesso de ar podendo resultar em alto CO e fuligem na caldeira.

O ar ento provido em excesso para o queimador permitindo um fator de segurana, jogando fora porm energia em potencial que poderia ser transferida para gua na caldeira. Neste caso, ar em excesso acima do tecnicamente correto, reduz a eficincia da caldeira, aumentando drasticamente as perdas nos gases da chamin, lembre-se que o ar entra no queimador, a temperatura ambiente sai na chamin a centenas de graus acima.

Um projeto de queimador de qualidade permitir queima a um nvel mximo de excesso de ar em torno de 15% (3% como 02).

O O2 representa a porcentagem de oxignio no gs. Excesso de ar medido por coleta (amostra) no gs. Para por exemplo 15% de excesso de ar, O2 3%.

O fato que, mesmo com a capacidade terica do queimador de rodar com nvel de excesso de ar menor que 15%, raramente esto disponveis para isto na prtica. O nvel de excesso de ar real para uma caldeira em operao 15%, se um fator de segurana apropriado estiver sendo mantido. Se menos que 15% de excesso de ar estiver sendo usado para calcular a eficincia, isto pouco provvel de se obter, pelo menos no por muito tempo e voc estar provavelmente baseando seu uso de combustvel numa eficincia maior do que a real no dia-a-dia. Solicite ao vendedor do

equipamento para recalcular a eficincia a um valor de excesso real.2.7.5.4. Temperatura ambiente:

A temperatura ambiente pode ter um efeito dramtico na eficincia da caldeira. Uma variao de 5C na temperatura ambiente pode ter uma conseqncia na eficincia de 1% ou mais. A maioria das casas de caldeira so relativamente quentes. Logo, a maioria dos clculos de eficincia so baseados em temperaturas ambientes de 26 C.

Quando analisar os clculos da eficincia garantida, verifique as condies do ar ambiente utilizado. Se um valor maior que 26 C for utilizado, ele no est consistente com a boa prtica. E, se a caldeira ficar do lado de fora (da casa), a eficincia ser ainda menor, independentemente do projeto da caldeira. Para determinar seu uso atual de combustvel, pea para que a eficincia seja calculada nas condies de ambiente reais.2.7.5.5. Perdas de conveco e radiaoAs perdas de conveco e radiao representam as perdas de calor do vaso de presso. Caldeiras so isoladas para minimizar estas perdas. No entanto, toda caldeira tem perdas de conveco e radiao.

s vezes, a eficcia representada sem as perdas de conveco e radia