Máquinas Hidráulicas

INTRODUÇÃO ÀS MÁQUINAS HIDRÁULICAS

Autor(a): Me. Jean Carlos Rodrigues
Revisor(a): Camilo Gustavo Araújo Alves
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Introdução

Olá, caro(a) aluno! Iniciaremos este capítulo apresentando o conceito de ética e a importância desta para o bom andamento das aulas. Em seguida, você aprenderá sobre o funcionamento das máquinas hidráulicas, os principais conceitos, as classificações e aplicações. Além disso, terá conhecimento das condições gerais de instalação das bombas, bem como de uma instalação elevatória típica, mostrando os principais componentes, os parâmetros e o dimensionamento econômico da tubulação dessa instalação. Verá, também, a descrição e as condições gerais de instalação das turbinas hidráulicas, os tipos mais utilizados de turbinas hidráulicas, o arranjo de uma instalação hidrelétrica e os conceitos de potencial hidráulico bruto e líquido. Boa leitura!

Conceitos de Ética

Prezado(a) estudante, é de seu conhecimento que, ao tratarmos sobre ética em um curso universitário, talvez, seja natural imaginarmos, de imediato, os códigos de ética da profissão.     No entanto o conceito de ética vai além de qualquer código profissional. De maneira geral, a ética lida com o comportamento humano, refletindo quais são os ruins, quais são bons, associando-os ao conceito do que é justo. Como você se comportaria diante de um dilema ético?

REFLITA

Suponha que um professor solicitou um relatório, em que você deve emitir sua opinião sobre o tema “turbinas hidráulicas”. Diante da grande quantidade de conteúdo informativo na internet, você terá dois caminhos: ler mais sobre o assunto e elaborar o relatório com suas palavras, citando corretamente os autores consultados, ou simplesmente copiar e colar o texto como se ele fosse de sua autoria. Qual atitude seria a mais adequada?

Dialogar sobre o comportamento humano, diante dos dilemas que surgem no cotidiano, é uma tarefa intimamente ligada à natureza da ética. Conhecida, também, como uma área da filosofia, a ética não se restringe à delimitação comportamental, mas, costumeiramente, é vista como um norteador do que pode ser, ou não, considerado adequado.

Um dilema ético surge no momento em que nos deparamos com situações contraditórias, decisões difíceis e que levam em consideração valores morais que podem afetar, diretamente, outras pessoas. Seja qual for o caminho escolhido, haverá perda de coisas importantes.

Nas instituições de ensino, o conceito de ética deve promover a reflexão, para que seja possível desenvolver cidadãos e profissionais conscientes, responsáveis e comprometimento com a boa prática.

Conceitos Iniciais sobre Máquinas Hidráulicas

Caro(a) estudante, provavelmente, é de seu conhecimento que, de maneira geral, as máquinas hidráulicas são dispositivos que permitem a troca de energia entre um fluido e um sistema mecânico.         As máquinas hidráulicas que serão abordadas neste capítulo são chamadas, também, de turbomáquinas, são elas: as bombas e as turbinas hidráulicas. A Figura 1.1, a seguir, mostra um fluxograma com as classificações básicas das máquinas hidráulicas; vamos analisá-la.

A imagem representa um fluxograma vertical com as classificações mais comuns das máquinas hidráulicas. A figura é composta por sete retângulos interligados. O primeiro representa a categoria máquinas hidráulicas. Abaixo, surge a primeira ramificação, em que o retângulo de máquinas hidráulicas se divide em outros dois: turbomáquinas e máquinas de deslocamento positivo. Por fim, a subcategoria turbomáquinas se divise em máquinas operatrizes (bombas hidráulicas) e em máquinas motrizes (turbinas hidráulicas).
Figura 1.1 - Classificação das máquinas hidráulicas
Fonte: Elaborada pelo autor.

#PraCegoVer: a imagem representa um fluxograma vertical com as classificações mais comuns das máquinas hidráulicas. A figura é composta por sete retângulos interligados. O primeiro representa a categoria máquinas hidráulicas. Abaixo, surge a primeira ramificação, em que o retângulo de máquinas hidráulicas se divide em outros dois: turbomáquinas e máquinas de deslocamento positivo. Por fim, a subcategoria turbomáquinas se divise em máquinas operatrizes (bombas hidráulicas) e em máquinas motrizes (turbinas hidráulicas).

É importante citar que, em uma turbomáquina, o fluido de trabalho escoa sem sofrer variações consideráveis na massa específica  dele  , ao contrário do que ocorre nas máquinas térmicas.

Ainda, na Figura 1.1, nota-se que as bombas e as turbinas são classificadas como turbomáquinas, que, por sua vez, podem se dividir em máquinas operatrizes e máquinas motrizes. As máquinas motrizes têm o propósito de transformar algum tipo de energia em energia mecânica. Por exemplo, as turbinas conseguem extrair energia do fluido e transformá-la em energia mecânica, para, posteriormente, convertê-la, parcialmente, em energia elétrica. De maneira contrária, as máquinas operatrizes transformam energia mecânica em energia hidráulica para o fluido, como é o caso das bombas.

De forma esquemática, a Figura 1.2 mostra a diferença entre o comportamento das bombas e das turbinas no que diz respeito às transformações energéticas. A parte superior dessa figura, (a), indica que a finalidade de uma bomba é adicionar energia ao fluido por meio do consumo de energia mecânica (trabalho de eixo). Dessa forma, a energia de saída do fluido (E\(_s\)) será maior do que a energia que esse fluido tinha na entrada (E\(_E\)), ou seja, E\(_s\) > E\(_E\). Já parte inferior da figura, (b), mostra que a finalidade de uma turbina é remover energia do fluido. Assim, a energia de saída do fluido (E\(_s\)) será menor do que a energia que esse fluido tinha na entrada (E\(_E\)), ou seja, E\(_s\) < E\(_E\). Em contrapartida, as turbinas geram energia mecânica. Vamos entender isso melhor, analisando a figura a seguir?

A figura apresenta duas imagens em formato de bloco. O primeiro bloco mostra o comportamento energético de uma bomba hidráulica, em que o fluido entra de um lado e sai do outro, recebendo energia do equipamento. O segundo bloco mostra o comportamento de uma turbina hidráulica, em que, durante o escoamento, o fluido transfere parte da energia dele ao equipamento.
Figura 1.2 - (a) Imagem esquemática do comportamento energético das bombas; (b) imagem esquemática do comportamento energético das turbinas.
Fonte: Adaptada de Cengel e Cimbala (2015, p.     647).

#PraCegoVer: a figura apresenta duas imagens em formato de bloco. O primeiro bloco mostra o comportamento energético de uma bomba hidráulica, em que o fluido entra de um lado e sai do outro, recebendo energia do equipamento. O segundo bloco mostra o comportamento de uma turbina hidráulica, em que, durante o escoamento, o fluido transfere parte da energia dele ao equipamento.

As máquinas hidráulicas podem, ainda, ser classificadas como máquinas de deslocamento positivo. Nesse caso, a transferência de energia ocorre por compressão e expansão, ou seja, pela variação do volume do fluido em uma região fechada da bomba. Segundo Cengel e Cimbala (2015), o nosso coração é um ótimo exemplo de bomba de deslocamento positivo. O coração é um órgão que tem algumas válvulas de uma via que se abrem para deixar o sangue das câmaras do coração se expandir, além de outras válvulas, também de uma via, que se abrem à medida que o sangue é empurrado para fora dessas câmaras, quando estas se contraem.

Segundo Cengel e Cimbala (2015), um exemplo de turbina de deslocamento positivo comum no cotidiano de todos é o hidrômetro (medidor de água), mostrado na Figura 1.3, que tem na entrada das residências. No hidrômetro, a água entra, forçadamente, para dentro de uma câmara fechada que, por sua vez, está conectada a um eixo de saída que gira conforme a água entra. O hidrômetro regista cada rotação de 360° do eixo de saída, e o medidor é calibrado de forma precisa, com o volume já conhecido da câmara de fluido.

Bombas, Descrição e Condições Gerais de Instalação

Com base em Baptista e Lara (2010), é comum classificar as bombas levando em consideração o processo de transformação de energia no interior delas; assim, os tipos mais significativos seriam as bombas volumétricas e as turbobombas. As bombas volumétricas receberam essa denominação pelo fato de utilizarem a variação de volume do líquido no interior de uma câmara fechada para promover a variação de pressão desejada. A variação volumétrica ocorre devido aos movimentos alternativos ou rotativos. A Figura 1.4 mostra a imagem de três bombas. A bomba de pistão (a) realiza movimento alternativo, já as bombas de engrenagem (b) e de palhetas (c) realizam movimento rotativo. Verifique a figura a seguir, para entender melhor esses conceitos.

A figura mostra uma imagem com três desenhos esquemáticos das bombas alternativas e rotativas: (a) uma bomba de pistão; (b) uma bomba de engrenagens; (c) uma bomba de palhetas.
Figura 1.4 - Desenhos esquemáticos de bombas alternativas e rotativas: (a) bomba de pistão; (b) bomba de engrenagens; (c) bomba de palhetas
Fonte: Baptista e Lara (2010, p. 131).

#PraCegoVer: a figura mostra uma imagem com três desenhos esquemáticos das bombas alternativas e rotativas: (a) uma bomba de pistão; (b) uma bomba de engrenagens; (c) uma bomba de palhetas.

É possível imaginar a grande diversidade de bombas existentes. Diante disso, apresentamos a Figura 1.5, que mostra um quadro de classificação dos principais tipos de bombas, feito a partir da forma como a energia é fornecida ao fluido a ser transportado. Verifique essa figura, apresentada a seguir, para somar ainda mais conhecimento ao campo de estudos que estamos nos debruçando aqui.

A imagem representa um fluxograma horizontal, com as classificações mais comuns das bombas hidráulicas. A figura é composta por oito retângulos interligados. O primeiro representa a categoria bombas, que se divide em outros dois: dinâmica ou turbobomba (centrífuga) e volumétrica ou deslocamento positivo. Por fim, a subcategoria turbobomba se divise em: radial, fluxo misto e fluxo axial, enquanto a subcategoria bomba volumétrica se divide em bombas alternativas (pistão, êmbolo e diafragma) e bombas rotativas (engrenagem, lóbulos, parafusos e palhetas deslizantes).
Figura 1.5 - Classificação das bombas hidráulicas
Fonte: Elaborada pelo autor.

#PraCegoVer: a imagem representa um fluxograma horizontal, com as classificações mais comuns das bombas hidráulicas. A figura é composta por oito retângulos interligados. O primeiro representa a categoria bombas, que se divide em outros dois: dinâmica ou turbobomba (centrífuga) e volumétrica ou deslocamento positivo. Por fim, a subcategoria turbobomba se divise em: radial, fluxo misto e fluxo axial, enquanto a subcategoria bomba volumétrica se divide em bombas alternativas (pistão, êmbolo e diafragma) e bombas rotativas (engrenagem, lóbulos, parafusos e palhetas deslizantes).

Segundo Baptista e Lara (2010), as turbobombas são as mais utilizadas atualmente. Estas apresentam uma parte móvel, chamada de rotor, que se movimenta dentro da carcaça. As bombas podem ter, no mesmo eixo, um único rotor ou vários rotores dentro da carcaça, sendo classificadas, respectivamente, como de simples estágio e múltiplos estágios. As bombas com múltiplos estágios são bastante utilizadas em sistemas em que é necessário elevar o fluido a alturas manométricas maiores. A Figura 1.6 mostra uma bomba centrífuga de simples estágio do fabricante Sulzer, e a Figura 1.7, uma bomba centrífuga industrial de vários estágios. Analise ambas as figuras, a seguir, e note a diferença na quantidade de rotores que estão no mesmo eixo.

As turbobombas também podem admitir o fluido tanto por sucção simples quanto por sucção dupla (quando o fluido entra dos dois lados). Então, para vazões maiores, as bombas de sucção dupla são as mais indicadas, por proporcionarem um maior equilíbrio do rotor, minimizando as vibrações do conjunto. Observa-se, na Figura 1.6, a presença de um único rotor dentro da carcaça da bomba. Esse modelo deve ser utilizado em aplicações que exigem maior vazão e menores alturas manométricas, além de líquido limpo ou pouco poluído.

A figura mostra uma bomba centrífuga de simples estágio. A imagem é composta por uma carcaça de metal amarela, com um rotor acoplado ao um eixo metálico na parte interna da bomba.
Figura 1.6 - Bomba centrífuga de simples estágio
Fonte: Sergey Ryzhov / 123RF.

#PraCegoVer: a figura mostra uma bomba centrífuga de simples estágio. A imagem é composta por uma carcaça de metal amarela, com um rotor acoplado ao um eixo metálico na parte interna da bomba.

Já na Figura 1.7, é possível notar os vários rotores dentro da carcaça da bomba, todos em um mesmo eixo. As bombas centrífugas multiestágios são mais apropriadas para os serviços que exigem alta pressão e pouca vazão.

A figura contém a imagem da carcaça aberta de uma bomba centrífuga azul de múltiplos estágios, ou seja, com vários rotores na cor cobre acoplados em um mesmo eixo metálico, no interior da carcaça.
Figura 1.7 - Bomba centrífuga industrial de vários estágios
Fonte: Sergey Ryzhov / 123RF.

#PraCegoVer: a figura contém a imagem da carcaça aberta de uma bomba centrífuga azul de múltiplos estágios, ou seja, com vários rotores na cor cobre acoplados em um mesmo eixo metálico, no interior da carcaça.

No que diz respeito à trajetória do fluido no rotor, as turbobombas, ou bombas centrífugas, podem ser classificadas como: axiais, radiais ou mistas. As bombas radiais, também chamadas de bombas centrífugas, têm essa denominação devido à trajetória do escoamento do fluido, pois ele é impulsionado pela força de rotação do centro para fora. A Figura 1.8 mostra um desenho esquemático dessas três classificações: (a) representa uma bomba de fluxo radial; (b) uma bomba de fluxo axial; (c) uma bomba de fluxo misto. Verifique a figura a seguir, para um melhor entendimento.

A figura ilustra três classificações (a, b, c) para as turbobombas ou bombas centrífugas. A ilustração (a) representa a vista lateral em corte da bomba de fluxo radial. O elemento horizontal, em vermelho, representa o rotor. No lado direito da ilustração, há uma seta, indo da direita para esquerda, que indica o local de entrada do fluido. Na parte superior da figura, há outra seta, vertical, apontando para cima, e indica a região de saída do fluido. A ilustração (b) representa a vista em corte da bomba de fluxo axial. Na parte inferior da figura, as setas curvadas de baixo para cima representam a região de entrada do fluido. Há um eixo azul-claro na posição vertical. Acopladas ao eixo, é possível observar as lâminas fixas, na cor cinza, e o rotor, na cor azul. Por fim, a ilustração (c) mostra uma bomba de fluxo misto. Na parte inferior dela, as setas curvadas de baixo para cima representam a região de entrada do fluido. Após o local de entrada, a ilustração apresenta um eixo vertical azul-claro, com um rotor, nessa mesma cor, acoplado. Na parte superior, há outra seta, vertical, indicada para cima, que mostra a região de saída do fluido.
Figura 1.8 - (a) Representa uma bomba de fluxo radial; (b) representa uma bomba de fluxo axial; c) representa uma bomba de fluxo misto
Fonte: Houghtalen, Hwang e Akan (2012, p. 87).

#PraCegoVer: a figura ilustra três classificações (a, b, c) para as turbobombas ou bombas centrífugas. A ilustração (a) representa a vista lateral em corte da bomba de fluxo radial. O elemento horizontal, em vermelho, representa o rotor. No lado direito da ilustração, há uma seta, indo da direita para esquerda, que indica o local de entrada do fluido. Na parte superior da figura, há outra seta, vertical, apontando para cima, e indica a região de saída do fluido. A ilustração (b) representa a vista em corte da bomba de fluxo axial. Na parte inferior da figura, as setas curvadas de baixo para cima representam a região de entrada do fluido. Há um eixo azul-claro na posição vertical. Acopladas ao eixo, é possível observar as lâminas fixas, na cor cinza, e o rotor, na cor azul. Por fim, a ilustração (c) mostra uma bomba de fluxo misto. Na parte inferior dela, as setas curvadas de baixo para cima representam a região de entrada do fluido. Após o local de entrada, a ilustração apresenta um eixo vertical azul-claro, com um rotor, nessa mesma cor, acoplado. Na parte superior, há outra seta, vertical, indicada para cima, que mostra a região de saída do fluido.

Nas bombas axiais, o fluido escoa no sentido do eixo da bomba. Elas são amplamente utilizadas em aplicações que demandam maiores vazões e alturas manométricas menores. Por último, as bombas mistas, também denominadas bombas diagonais, têm um tipo de rotor que faz com que o escoamento do fluido seja diagonal ao eixo, sendo, dessa maneira, um projeto intermediário em relação às bombas axiais e centrífugas.

Instalação Elevatória Típica

As instalações elevatórias são estações de bombeamento ou de recalque de fluido, que permitem retirá-lo da zona de drenagem e transportá-lo até uma determinada altura ou elevação. Para aprofundar um pouco mais o conhecimento obtido até aqui, a partir de nossas discussões sobre o conteúdo, verifique o infográfico interativo a seguir, que apresenta o esquema de uma instalação elevatória típica com os componentes principais dela (BAPTISTA; LARA, 2010).

Esquema de instalação elevatória típica

Fonte: Adaptada de Baptistae Lara (2010).

#PraCegoVer: o infográfico apresenta título “Esquema de instalação elevatória típica” e forma de pop-up, com imagem de fundo com oito botões para interagir e realizar a leitura do conteúdo de cada botão. A imagem é de um esquema de instalação elevatória típica ilustrado na cor azul, com as seguintes partes identificadas no desenho: válvula de pé, crivo, redução excêntrica, motor, bomba, redução concêntrica, válvula de retenção e registro de gaveta. Ao clicar nos oito botões, eles nos dão os respectivos conteúdos: 1º botão “Válvula de pé: tem como objetivo manter a tubulação de sucção cheia, impedindo o retorno do fluido, quando a bomba não está em funcionamento”; 2º botão “Crivo: evita a entrada de partículas sólidas”; 3º botão “Redução excêntrica: une o tubo de sucção de maior diâmetro à entrada da bomba de menor diâmetro e evita acúmulo de bolhas de ar, separação da coluna líquida e cavitação”; 4º botão “Redução concêntrica: une o tubo de saída da bomba à tubulação de recalque”; 5º botão “Motor: fornece energia mecânica à bomba. Pode ser tanto um motor elétrico quanto um motor de combustão”; 6º botão “Válvula de retenção: evita o retorno do fluido, mantendo a coluna líquida na tubulação”; 7º botão “Registro de gaveta: esse elemento é instalado logo após a válvula de retenção. Realiza o controle da vazão e seu fechamento, além de permitir a manutenção da bomba ou da tubulação de sucção (o registro de gaveta é o mais utilizado)”; 8º botão “Bomba: dispositivo que adiciona energia ao fluido para que este vença todas as perdas de carga existentes no percurso e alcance o destino final”.

Destacam-se alguns elementos importantes de uma instalação elevatória típica e que apresentam as seguintes funções:

a) válvula de pé: é uma válvula de retenção, ou seja, tem como objetivo manter a tubulação de sucção cheia, impedindo o retorno do fluido, quando a bomba não está em funcionamento. Essa válvula é de grande importância quando a bomba hidráulica está acima do nível do fluido, de modo que a instalação dela é feita na extremidade inferior da tubulação de sucção;

b) crivo: está acoplado à válvula de pé (evita a entrada de partículas sólidas);

c) redução excêntrica: tem como função unir o tubo de sucção (de maior diâmetro) à entrada da bomba (de menor diâmetro). Evita acúmulo de bolhas de ar, separação da coluna líquida e cavitação;

d) motor de acionamento: fornece energia mecânica à bomba. Pode ser tanto um motor elétrico quanto um motor de combustão;

e) válvula de retenção: evita o retorno do fluido, mantendo a coluna líquida na tubulação;

f) registros: esse elemento é instalado logo após a válvula de retenção, realizando o controle da vazão. O fechamento do registro permite a manutenção da bomba ou da tubulação de sucção (registro de gaveta é o mais utilizado);

g) bomba: dispositivo que adicionará energia ao fluido para que ele vença todas as perdas de carga existentes no percurso e alcance o destino final.

Baptista e Lara (2010) afirmam que, nas situações em que a bomba está acima do poço de sucção, a instalação é classificada como de sucção positiva; entretanto, quando o eixo da bomba está abaixo do nível do poço, diz-se que esta está afogada ou em sucção negativa, conforme ilustrado na Figura 1.9 (a) e 9(b).

A imagem é dividida em parte “a” e “b”. A parte (a) contém o esquema de uma instalação elevatória simplificada de sucção positiva. A parte inferior dessa primeira ilustração mostra um componente chamado de crivo, que está acoplado à válvula de pé, ambos estão anexados a uma tubulação vertical e mergulhados na água, dentro do reservatório inferior. Acima, a tubulação se curva para a esquerda, com uso da curva de raio longo, e conecta a bomba hidráulica a um motor. Acima desse conjunto, há uma redução concêntrica, uma válvula de retenção, um registro de gaveta e o tubo de recalque que direciona o fluxo de água para um reservatório que está na parte superior da figura. A parte (b) mostra o esquema de uma instalação elevatória simplificada de sucção negativa. A parte inferior dessa segunda ilustração, mais à direita, mostra o motor seguido de um eixo que o mantém acoplado de forma concêntrica a uma bomba, localizada mais a esquerda. Subindo, saem duas tubulações da bomba, uma tubulação vertical longa, que alcança o reservatório superior na parte mais alta da ilustração, e a outra tubulação vertical parte da região central da bomba e vai até o reservatório inferior, que está um pouco acima da bomba.
Figura 1.9 - Comparativo entre os tipos de instalação: (a) sucção positiva; (b) sucção negativa
Fonte: Adaptada de Baptista e Lara (2010, p. 134).

#PraCegoVer: a imagem é dividida em parte “a” e “b”. A parte (a) contém o esquema de uma instalação elevatória simplificada de sucção positiva. A parte inferior dessa primeira ilustração mostra um componente chamado de crivo, que está acoplado à válvula de pé, ambos estão anexados a uma tubulação vertical e mergulhados na água, dentro do reservatório inferior. Acima, a tubulação se curva para a esquerda, com uso da curva de raio longo, e conecta a bomba hidráulica a um motor. Acima desse conjunto, há uma redução concêntrica, uma válvula de retenção, um registro de gaveta e o tubo de recalque que direciona o fluxo de água para um reservatório que está na parte superior da figura. A parte (b) mostra o esquema de uma instalação elevatória simplificada de sucção negativa. A parte inferior dessa segunda ilustração, mais à direita, mostra o motor seguido de um eixo que o mantém acoplado de forma concêntrica a uma bomba, localizada mais a esquerda. Subindo, saem duas tubulações da bomba, uma tubulação vertical longa, que alcança o reservatório superior na parte mais alta da ilustração, e a outra tubulação vertical parte da região central da bomba e vai até o reservatório inferior, que está um pouco acima da bomba.

Nas instalações em que a bomba se encontra afogada, os elementos utilizados na sucção serão um pouco diferentes em relação aos apresentados no infográfico. A válvula de pé não será mais necessária, visto que a tubulação estará sempre cheia, por ficar abaixo do nível do poço. Assim, deve-se acrescentar um registro na tubulação de sucção, próximo à bomba, para o caso de esta precisar passar por manutenção.

Parâmetros Hidráulicos de uma Instalação de Recalque

Para realizar o projeto de uma instalação de recalque, é fundamental compreender bem os principais parâmetros hidráulicos que estão associados a ele. Alguns desses parâmetros são: a altura manométrica de sucção, a altura geométrica de sucção, a perda de carga na sucção e no recalque, a altura manométrica de recalque, a potência e o rendimento de todo o conjunto elevatório. A Figura 1.10, ilustrada a seguir, mostra esses parâmetros hidráulicos para uma instalação elevatória típica.

A imagem contém o esquema de uma instalação elevatória. A parte inferior da figura mostra um componente chamado de crivo, que está acoplado à válvula de pé, ambos estão anexados a uma tubulação vertical e mergulhados na água, dentro de um reservatório. Acima, existe uma indicação de nível mínimo para o reservatório. Em seguida, a tubulação recebe o nome de tubo de sucção. Então, a tubulação se curva para a direita, com uso da curva de raio longo. Mais à direita, a redução excêntrica é conectada à tubulação. Um pouco mais para a direita, encontra-se a bomba hidráulica e um motor. Acima desse conjunto, há quatro componentes, uma redução concêntrica, uma válvula de retenção, um registro de gaveta e o tubo de recalque que conduz o fluido para um reservatório na parte superior da figura. Na imagem, também são identificados alguns parâmetros hidráulicos. São eles: H\(_s\) = altura manométrica de sucção, hs = altura geométrica de sucção, Δ hs = perda de carga na sucção, H\(_r\) = altura manométrica de recalque, h\(_r\) = altura geométrica de recalque, Δ hr = perda de carga no recalque e Hm = altura manométrica total (altura geométrica de recalque + altura geométrica de sucção).
Figura 1.10 - Esquema de parâmetros hidráulicos de uma instalação elevatória típica
Fonte: Adaptada de Baptista e Lara (2010, p. 136).

#PraCegoVer: a imagem contém o esquema de uma instalação elevatória. A parte inferior da figura mostra um componente chamado de crivo, que está acoplado à válvula de pé, ambos estão anexados a uma tubulação vertical e mergulhados na água, dentro de um reservatório. Acima, existe uma indicação de nível mínimo para o reservatório. Em seguida, a tubulação recebe o nome de tubo de sucção. Então, a tubulação se curva para a direita, com uso da curva de raio longo. Mais à direita, a redução excêntrica é conectada à tubulação. Um pouco mais para a direita, encontra-se a bomba hidráulica e um motor. Acima desse conjunto, há quatro componentes, uma redução concêntrica, uma válvula de retenção, um registro de gaveta e o tubo de recalque que conduz o fluido para um reservatório na parte superior da figura. Na imagem, também são identificados alguns parâmetros hidráulicos. São eles: H\(_s\) = altura manométrica de sucção, hs = altura geométrica de sucção, Δ hs = perda de carga na sucção, H\(_r\) = altura manométrica de recalque, h\(_r\) = altura geométrica de recalque, Δ hr = perda de carga no recalque e Hm = altura manométrica total (altura geométrica de recalque + altura geométrica de sucção).

Na Figura 1.10, destacam-se alguns elementos importantes de uma instalação elevatória típica, que têm as seguintes identificações:

a) H\(_s\) = altura manométrica de sucção;

b) hs = altura geométrica de sucção;

c) Δ hs = perda de carga na sucção;

d) H\(_r\) = altura manométrica de recalque;

e) h\(_r\) = altura geométrica de recalque;

f) Δ h\(_r\) = perda de carga no recalque;

g) Hm = altura manométrica total (altura geométrica de recalque + altura geométrica de sucção).

Negri (2012) afirma que o conceito de altura manométrica está associado à energia por unidade de peso que será fornecida ao fluido para que este vença o desnível geométrico, as perdas de carga e a diferença de pressões nos reservatórios. Então, aplicando a Equação de Bernoulli entre os pontos 1 e 2 da Figura 1.10 a expressão para se calcular a altura manométrica é representada pela Equação 1:

\(Hm = Z_2 - Z_1 + \frac{P_2}{\gamma } - \frac{P_1}{\gamma } + \frac{V_2 ^2}{2.g} - \frac{V_1 ^2}{2.g} + \Delta h_{total}\)                           Equação 1

Sabendo que: \(\Delta h_{total} = \Delta h_s + \Delta h_r\)                                                         Equação 2

Para que o valor da altura manométrica esteja em metro “m”, é importante que as demais grandezas físicas estejam de acordo com sistema internacional de unidades, ou seja:

  • z\(_1\) e z\(_2\): cotas dos pontos 1 e 2 em m (metro);
  • v\(_1\)e v\(_2\): velocidade do fluxo nos pontos analisados em m/s;
  • g: aceleração da gravidade em m/s².
  • p\(_1\) e p\(_2\): pressão do fluido nos pontos analisados em Pa (pascal).
  • γ: peso específico do fluido analisado em N/m³.

Segundo Baptista e Lara (2010), outro parâmetro hidráulico importante para se analisar em uma instalação de recalque é a potência e o rendimento do conjunto elevatório. A potência hidráulica em uma instalação de recalque pode ser definida como o trabalho por unidade de tempo realizado sobre o fluido. Assim, essa potência pode ser expressa pela Equação 3.

\({{P}_{H}}=~\gamma .Q.{{H}_{m}}\)                               Equação 3

Em que:

  • P\(_H\) = Potência hidráulica em W;
  • γ = peso específico do fluido analisado em N/m³;
  • Q = vazão bombeada em m³/s;
  • H\(_m\) = altura manométrica em m.

Para se selecionar uma bomba, é comum que o cálculo da potência hidráulica seja feito em cavalo vapor (cv); dessa forma, a Equação 4 será escrita como:

\({{P}_{H}}=~\frac{\gamma .Q.Hm}{75}\)                                       Equação 4

Em que:

  • P\(_H\) = Potência hidráulica em (cv);
  • γ = peso específico do fluido analisado em kgf/m³;
  • Q = vazão bombeada em m³/s;
  • H\(_m\) = altura manométrica em m.

Com os cálculos da potência hidráulica requerida P\(_H\), da vazão Q a ser recalcada e da altura manométrica (Hm) da instalação e conhecendo o bem o fluido, têm-se as condições básicas para realizar a seleção da bomba hidráulica mais adequada. Porém é importante levar em consideração que a vazão a ser recalcada depende, basicamente, de três aspectos: as horas de trabalho da bomba, a quantidade de bombas em operação e o gasto da instalação em 24h.

Outro aspecto relevante, abordado por Baptista e Lara (2010), é que, para o líquido receber a potência requerida de P\(_H\), a potência da bomba deverá ser superior à potência hidráulica, visto que há perdas de energia no interior da bomba. Essas perdas se devem a diversos fatores, dentre eles:

  • rugosidade interna das paredes da superfície da bomba;
  • energia dissipada por atrito entre as partes móveis da bomba;
  • vazamento entre as junções;
  • recirculação de líquido no interior da bomba.

A razão entre a potência hidráulica P\(_H\) (Equação 4) e a potência absorvida pela bomba P\(_B\) (Equação 5) é definida como a eficiência da bomba η\(_B\).  Para se avaliar o desempenho do conjunto elevatório (bomba e motor), em termos de potência, é necessário considerar, também, o rendimento do motor \(η_M\).

\({{P}_{B}}=~\frac{\gamma .Q.Hm}{75.\mathbf{\eta B}}\)                                            Equação 5

Com o intuíto de manter a integridade do conjunto motor-bomba, é recomendado que o motor de acionamento da bomba trabalhe com boa margem de segurança para evitar a sobrecarga. A Tabela 1.1 apresenta a margem de segurança adotada para o caso do motor de acionamento ser elétrico. Então, vamos nos aprodundar nesse assunto, analisando a tabela a seguir.

Potência exigida pela bomba Margem de segurança recomendada
Até 2 cv 50%
De 2 a 5 cv 30%
De 5 a 10 cv 20%
De 10 a 20 cv 15%
Acima de 20 cv 10%
Tabela 1.1 - Margem de segurança adotada de acordo com a potência exigida pela bomba
Fonte: Adaptada de Macintyre (2008, p. 238).

#PraCegoVer: a tabela representando a margem de segurança adotada de acordo com a potência exigida pela bomba. A tabela contém seis linhas e duas colunas. O título da primeira linha da primeira coluna é “Potência exigida pela bomba”; as demais linhas dessa coluna apresentam, na sequência, de cima para baixo: até 2 cv, de 2 a 5 cv, de 5 a 10 cv, de 10 a 20 cv e acima de 20 cv. O título da primeira linha da segunda coluna é “Margem de segurança recomendada”; as demais linhas dessa coluna apresentam, na sequência, também de cima para baixo, os seguintes valores: 50%, 30%, 20%, 15% e 10%.

Outras duas possibilidades para o motor de acionamento da bomba seriam: os motores a óleo diesel e os motores a gasolina. Adota-se para os a diesel uma margem de 25%, e, para os abastecidos com gasolina, uma margem de segurança de 50%, independente da potência exigida calculada.

Dimensionamento Econômico da Tubulação

Baptista e Lara (2010) afirmam existir um diâmetro de recalque ideal para o qual o custo da instalação será minimizado. O critério econômico considera não somente o custo da tubulação em si mas também as despesas de todo o conjunto elevatório. Então, serão analisados, por meio da Figura 1.11, os seguintes custos:

  • Custo I – custo das tubulações em função do diâmetro;
  • Custo II – custo operacional: implantação do conjunto motor-bomba, manutenção e gastos com energia;
  • Custo III – soma dos Custos I e II.
A imagem mostra um gráfico que representa o custo, no eixo vertical, e o diâmetro da tubulação, no eixo horizontal. O gráfico contém três curvas. A curva Custo I tem origem na parte inferior da figura, no ponto “B”, e sobe, suavemente, de maneira inclinada, da esquerda para a direita. A curva Custo II tem origem no ponto “C” e desce, com leve inclinação, da esquerda para a direita. A curva Custo III representa a soma dos Custos I e II e ocupa a região superior da imagem, tendo origem no ponto “D”. A figura também apresenta uma linha vertical que indica o diâmetro mínimo e uma linha horizontal, representando o custo mínimo.
Figura 1.11 - Despesas versus diâmetro numa instalação elevatória
Fonte: Adaptada de Baptista e Lara (2010, p. 138).

#PraCegoVer: a imagem mostra um gráfico que representa o custo, no eixo vertical, e o diâmetro da tubulação, no eixo horizontal. O gráfico contém três curvas. A curva Custo I tem origem na parte inferior da figura, no ponto “B”, e sobe, suavemente, de maneira inclinada, da esquerda para a direita. A curva Custo II tem origem no ponto “C” e desce, com leve inclinação, da esquerda para a direita. A curva Custo III representa a soma dos Custos I e II e ocupa a região superior da imagem, tendo origem no ponto “D”. A figura também apresenta uma linha vertical que indica o diâmetro mínimo e uma linha horizontal, representando o custo mínimo.

Baptista e Lara (2010) reforçam a importância de se realizar o dimensionamento da tubulação, tendo em vista os fatores apresentados na Figura 1.11 já que, para pequenos diâmetros de tubulação, verifica-se um aumento na perda de carga distribuída e, por consequência, será necessário um conjunto motor-bomba com maior potência e altura manométrica. De maneira contrária, para maiores diâmetros de tubulação, observa-se um aumento significativo no custo de instalação.

SAIBA MAIS

Sabia que é importante identificar as perdas de carga que o fluido terá durante o escoamento já no início do projeto? Esse cálculo fornecerá ao projetista uma grandeza importante para realizar a seleção da bomba, denominada altura manométrica.

Lembrando que o conceito de perda de carga está associado à energia perdida pelo fluido durante o escoamento. A perda de carga distribuída trata da energia perdida pelo fluido durante o escoamento, devido ao atrito com as paredes internas da tubulação. A perda de carga localizada diz respeito à energia perdida pelo fluido na interação com os elementos ou as singularidades que estão no percurso, por exemplo: válvulas, bocais, curvas, reduções etc.

No vídeo indicado a seguir, o professor Marcos Vianna, da Bloom Consultoria, mostra como calcular as perdas de carga contínuas e localizadas em tubulações transportando água fria em temperatura ambiente.

Saiba mais acessando:

AssiStir

Ainda segundo os autores supracitados, quando a instalação elevatória apresenta funcionamento contínuo, ou seja, operando nos três turnos e parando somente para manutenção, a determinação do diâmetro econômico de recalque é calculada utilizando a Equação de Bresse (Equação 6).

Operação contínua (24 h/dia):

Fórmula de Bresse

\(\text{Dr}=K.\surd Q\)                                                     Equação 6

Em que:

D\(_r\) = diâmetro de recalque (m)

Q = Vazão (m³/s)

K = 1,2 (valor usual) 0,6 < K < 1,6

O valor da constante K dependerá de fatores como: preços dos equipamentos, da tubulação, dos acessórios, da manutenção, da implementação, das tarifas de energia, dentre outros.

Em várias outras situações, a operação do conjunto motor-bomba pode não ser contínua, por exemplo, no caso de bombeamento de água nos edifícios. Para esses casos, a Associação Brasileira de Normas Técnicas recomenda que o diâmetro econômico seja obtido pela Equação 7.

Operação descontínua (< 24 h/dia):

\(\text{Dr}=0,586.\text{X}{{\text{ }\!\!~\!\!\text{ }}^{\frac{1}{4}}}.\surd \text{Q}\)                                                   Equação 7

Em que:

X = número de horas de funcionamento por dia;

Q = Vazão (m³/s);

D\(_r\) = diâmetro de recalque (m).

REFLITA

E se, após calcular o diâmetro, você não conseguir encontrar em nenhum fabricante uma tubulação comercial com as dimensões desejas, o que fazer?

a) Para tubulação de recalque, deve-se adotar a tubulação comercial com o valor de diâmetro mais próximo possível ao calculado.

b) Para o diâmetro de sucção, seleciona-se o comercial imediatamente superior ao adotado para o recalque.

Vimos, neste tópico, a classificação das bombas quanto ao processo de transformação de energia. Assim, foi possível compreender que estas podem ser turbobombas ou bombas volumétricas. Descobrimos, também, que a segunda maneira de classificar uma bomba hidráulica é quanto à trajetória do fluido dentro do rotor; como isso, foram apresentadas as subclassificações: bombas axiais, bombas radiais e bombas mistas. Em seguida, foram apresentados os principais parâmetros hidráulicos de uma instalação de recalque, como: altura manométrica e geométrica de sucção, altura manométrica e geométrica de recalque, bem como os componentes típicos, como: crivo, válvula de pé, tubo de sucção, redução excêntrica, redução concêntrica, válvula de retenção, registro de gaveta e tubo de recalque. Por último, você pôde aprender a metodologia para se realizar o dimensionamento econômico da tubulação.

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Vamos Praticar

Um edifício de 12 andares, com 4 apartamentos por andar, terá uma estação de bombeamento de água operando 10 horas por dia. Considera-se um consumo aproximado de 200 litros/morador/dia e um valor médio de 4 habitantes para cada apartamento. Calcule os diâmetros das tubulações de recalque e sucção.

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As instalações elevatórias são estações de bombeamento ou de recalque de fluido, que permitem retirá-lo da zona de drenagem e transportá-lo até determinada altura ou elevação. A figura a seguir mostra o esquema de uma instalação elevatória típica com os componentes principais.

A figura contém o esquema de uma instalação elevatória típica com os componentes principais dela. A parte inferior da figura mostra um componente chamado de crivo, que está acoplado à válvula de pé, ambos estão anexados a uma tubulação vertical e mergulhados na água, dentro de um reservatório. Acima, existe uma indicação de nível mínimo para o reservatório. Em seguida, a tubulação recebe o nome de tubo de sucção. Então, a tubulação se curva para a direita com uso da curva de raio longo. Mais à direita, a redução excêntrica é conectada à tubulação. Um pouco mais para a direita, encontra-se a bomba hidráulica e um motor. Acima desse conjunto, há quatro componentes, uma redução concêntrica, uma válvula de retenção, um registro de gaveta e o tubo de recalque.
Figura: Instalação elevatória
Fonte: Baptista e Lara (2010, p.134).

#PraCegoVer: a figura contém o esquema de uma instalação elevatória típica com os componentes principais dela. A parte inferior da figura mostra um componente chamado de crivo, que está acoplado à válvula de pé, ambos estão anexados a uma tubulação vertical e mergulhados na água, dentro de um reservatório. Acima, existe uma indicação de nível mínimo para o reservatório. Em seguida, a tubulação recebe o nome de tubo de sucção. Então, a tubulação se curva para a direita com uso da curva de raio longo. Mais à direita, a redução excêntrica é conectada à tubulação. Um pouco mais para a direita, encontra-se a bomba hidráulica e um motor. Acima desse conjunto, há quatro componentes, uma redução concêntrica, uma válvula de retenção, um registro de gaveta e o tubo de recalque.

Sobre a função realizada por cada um dos elementos que fazem parte da instalação hidráulica mostrada na figura, é correto afirmar que:

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Turbinas, Descrição e Condições Gerais de Instalação

As turbinas são dispositivos que têm o propósito de converter a energia hidráulica de um escoamento em energia mecânica; portanto, esse equipamento retira energia do fluido. De maneira simplificada, uma turbina consiste em: uma carcaça ou voluta, um rotor, um distribuidor e um tubo. A carcaça é o elemento que abriga os componentes de uma turbina, o rotor é o componente responsável pelas transformações de energia, o distribuidor ajuda a direcionar o fluxo e contribui com os processos de transformação de energia.

As turbinas, segundo Cengel e Cimbala (2015), são classificadas como de ação (impulso) ou de reação. Nas turbinas de ação, a pressão estática permanecerá constante dentro do rotor. Já nas turbinas de reação, verifica-se uma redução na pressão estática do fluido ao passar pelo rotor. As turbinas também podem ser classificadas de acordo com a direção do escoamento através do rotor. A Figura 1.12 apresenta um diagrama simplificado das principais classificações das turbinas. Analise-a para entender melhor.

A figura mostra um diagrama simplificado das principais turbinas. A imagem é composta por 9 blocos. Analisando a imagem da esquerda para a direita, o primeiro bloco se chama turbinas hidráulicas. Esse bloco se divide em outros dois, o bloco superior se chama turbina de reação, e o bloco inferior, turbina de ação. O bloco turbina de reação se divide em outros três, com os nomes, respectivamente, de cima pra baixo: turbinas tubulares, turbinas de escoamento axial e turbina Francis. O bloco turbinas de escoamento axial divise-se em turbinas de pás fixas e turbinas Kaplan. Na parte inferior da figura, na outra ponta, o bloco turbinas de ação aponta para o subtipo turbinas Pelton.
Figura 1.12 - Diagrama simplificado das principais classificações das turbinas
Fonte: Elaborada pelo autor.

#PraCegoVer: a figura mostra um diagrama simplificado das principais turbinas. A imagem é composta por 9 blocos. Analisando a imagem da esquerda para a direita, o primeiro bloco se chama turbinas hidráulicas. Esse bloco se divide em outros dois, o bloco superior se chama turbina de reação, e o bloco inferior, turbina de ação. O bloco turbina de reação se divide em outros três, com os nomes, respectivamente, de cima pra baixo: turbinas tubulares, turbinas de escoamento axial e turbina Francis. O bloco turbinas de escoamento axial divise-se em turbinas de pás fixas e turbinas Kaplan. Na parte inferior da figura, na outra ponta, o bloco turbinas de ação aponta para o subtipo turbinas Pelton.

A seleção de uma turbina deve considerar a relação entre queda líquida em metros e a vazão em (m³/s). Conforme Aslan, Arslan e Yasar (2008), a potência produzida nos terminais do gerador tem relação direta com: a vazão de fluido, a queda líquida e aspectos construtivos do conjunto turbina-gerador.

Um dos locais mais conhecidos, que faz uso das turbinas hidráulicas, são as usinas hidrelétricas. Segundo denominação da ANEEL (2002), as hidrelétricas são sistemas com função de aproveitar a energia das águas, transformando-a em energia elétrica. Essa transformação pode ser dividida em 3 etapas: a primeira etapa ocorre por meio da conversão da energia potencial gravitacional da água do reservatório em energia cinética, em seguida, essa energia cinética se transforma em energia mecânica de rotação das pás da turbina, a qual está acoplada a um gerador que produzirá a energia elétrica. A Figura 1.13 ilustra os três principais tipos de turbinas utilizados, de acordo, com a especificidade de cada uma. São elas:

  • turbinas Pelton: altas quedas e baixas vazões;
  • turbinas Kaplan: baixas quedas com grandes volumes de água;
  • turbinas Francis: alturas de quedas médias.
A imagem mostra um desenho esquemático das turbinas Pelton (a), Francis (b) e Kaplan (c), da esquerda para a direita. A turbina Pelton (a) representada por um defletor, uma agulha, várias pás-conchas fixadas em um rotor circular e, na parte superior, há um jato de água colidindo contra as pás-conchas. A imagem da turbina Francis (b) está no centro da figura e tem três setas indicando o sentido do fluxo da água. Do lado esquerdo, a seta indica a entrada da água, na região central, há um eixo vertical em rotação, e, do lado direito, uma seta está apontada para as pás diretrizes. A imagem mais à direita é a da turbina Kaplan (c). Ela mostra um eixo vertical acoplado a um rotor, e são indicados alguns elementos centrais: as pás com ângulo variável, as pás diretrizes e a caixa espiral.
Figura 1.13 - Turbinas Pelton (a), Francis (b) e Kaplan (c)
Fonte: Adaptada de Turbinas... (2021, on-line).

#PraCegoVer: a imagem mostra um desenho esquemático das turbinas Pelton (a), Francis (b) e Kaplan (c), da esquerda para a direita. A turbina Pelton (a) representada por um defletor, uma agulha, várias pás-conchas fixadas em um rotor circular e, na parte superior, há um jato de água colidindo contra as pás-conchas. A imagem da turbina Francis (b) está no centro da figura e tem três setas indicando o sentido do fluxo da água. Do lado esquerdo, a seta indica a entrada da água, na região central, há um eixo vertical em rotação, e, do lado direito, uma seta está apontada para as pás diretrizes. A imagem mais à direita é a da turbina Kaplan (c). Ela mostra um eixo vertical acoplado a um rotor, e são indicados alguns elementos centrais: as pás com ângulo variável, as pás diretrizes e a caixa espiral.

O nome “turbina Francis” tem relação com o criador dela, o engenheiro inglês James Bicheno Francis, que a projetou, pela primeira vez, em 1848. Ela é classificada como uma turbina de reação e foi desenvolvida a partir da turbina Dowd. É uma turbina que opera em quedas d’agua entre 20 e 700 metros e tem alta eficiência, o que a torna uma das mais utilizados no mundo para geração de energia elétrica. Existem diversas geometrias possíveis para os rotores das turbinas Francis, dependendo de velocidade específica.

A turbina Kaplan também obteve esse nome em homenagem ao criador dela, o engenheiro austríaco Victor Kaplan, que projetou o primeiro modelo, em 1912. As turbinas Kaplan surgiram por meio do aperfeiçoamento da turbina Hélice. No sistema de Kaplan, as pás são móveis e podem ser orientadas, variando a inclinação, com base no fluxo.

A turbina Pelton, conhecida, também, como roda Pelton, leva o último sobrenome do engenheiro estadunidense Lester Allen Pelton, que a patenteou em 1880. O formato dela lembra as antigas rodas d’água dos moinhos. Tem um bocal que funciona como distribuidor, com formato apropriado para guiar o fluido até as pás do rotor. Seu rotor apresenta várias pás na periferia em formato de conchas, como ilustra a imagem “a” da Figura 1.13, vista anteriormente.

Arranjo das Instalações Hidrelétricas

Com o aumento populacional, o gasto com energia elétrica cresceu intensamente. Esse fato, aliado à realidade geográfica e fluvial brasileira, torna bastante viável o uso de hidrelétricas, permitindo que ao Brasil esteja dentre os líderes mundiais na produção de energia, por meio desse tipo de usina. A energia produzida pelas hidrelétricas é obtida a partir da transformação da energia potencial gravitacional da água em energia elétrica, através de um gerador que utiliza o princípio da indução eletromagnética. Um sistema típico de geração hidrelétrica apresentará os elementos sistematizados a seguir, de acordo com Baptista e Lara (2010).

Barragem

barreira que permite desviar a água dos rios e criar o desnível necessário ao funcionamento da instalação hidrelétrica.

Gerador

máquina responsável pela conversão da energia mecânica contida no movimento de rotação das turbinas em energia elétrica.

Casa de força

local onde se abriga geradores, turbinas e demais acessórios elétricos e hidráulicos.

Vertedouro

permite o controle sobre o nível de água no reservatório.

Túnel forçado

é a tubulação que leva a água sobre pressão desde o ponto de tomada até as turbinas.

Túnel de fuga

canal de saída da água para o meio natural, após esta passar pelas turbinas.

Tomada d’agua

permite captar e conduzir a vazão de água do reservatório até a turbina. Pode estar ou não vinculada a uma barragem.

  1. Barragem
  2. Gerador
  3. Casa de força
  4. Vertedouro
  5. Túnel forçado
  6. Túnel de fuga
  7. Tomada d’agua

Continuando nossos estudos, analise a Figura 1.14, que mostra a vista longitudinal de um arranjo típico de uma instalação hidrelétrica com uma turbina do tipo Francis, em que se destacam as estruturas de tomada de água com barragem.

A figura mostra um corte da vista longitudinal de uma instalação hidrelétrica. Da esquerda para a direita, o primeiro elemento é a tomada de água, logo acima se encontra a barragem. A tubulação liga o centro da barragem, passando pelo conduto força e pela casa de força. A medida Hb que aparece na figura indica o desnível entre a superfície da água no reservatório até a entrada da turbina.
Figura 1.14 - Vista longitudinal de uma instalação hidrelétrica com uma turbina do tipo Francis
Fonte: Adaptada de Baptista e Lara (2010, p. 129).

#PraCegoVer: a figura mostra um corte da vista longitudinal de uma instalação hidrelétrica. Da esquerda para a direita, o primeiro elemento é a tomada de água, logo acima se encontra a barragem. A tubulação liga o centro da barragem, passando pelo conduto força e pela casa de força. A medida Hb que aparece na figura indica o desnível entre a superfície da água no reservatório até a entrada da turbina.

Segundo Baptista e Lara (2010), a potência hidráulica bruta de um sistema hidrelétrico pode ser calculada pela Equação 8.

\({{P}_{b}}=~\gamma .Q.{{H}_{b}}\)                               Equação 8

Em que:

P\(_b\): potência hidráulica bruta [W];

Q: vazão volumétrica que escoa pela turbina [m³/s];

γ: peso específico da água [N/m3];

H\(_b\): queda bruta ou diferença entre nível da superfície da água no reservatório até a turbina [m];

g: gravidade (9,81 m/s²).

É importante notar que a queda bruta H\(_b\) não é aproveitada totalmente devido às perdas de carga localizadas e distribuídas “ΔH” que existem no percurso da água até a turbina. Então, a queda efetiva “H” que deve ser considerada será a diferença entre a queda bruta e as perdas de carga, como mostra a Equação 9.

H = Hb – ΔH                                                                                           Equação 9

Por consequência, a potência hidráulica disponível será calculada de acordo com a Equação 10.

\({{P}_{d}}=~\gamma .Q.H\)                                                                 Equação 10

E a potência efetivamente transmitida ao gerador será:

\({{P}_{t}}=~\gamma .Q.H.~\text{ }\!\!\eta\!\!~\text{ t}~\), sendo η\(_t\) o rendimento da turbina hidráulica.            Equação 11

Neste tópico, você pôde estudar os principais tipos de turbinas hidráulicas e a classificação quanto ao processo de variação de pressão do fluido em seu interior (turbinas de ação e de reação). Aprendeu, também, que a segunda maneira de classificar uma turbina hidráulica é quanto à trajetória do fluido dentro do rotor, como isso, foram apresentadas as subclassificações: turbinas axiais, turbinas radiais, turbinas tangenciais e turbinas diagonais. Em seguida, foram apresentadas as turbinas mais comuns (Francis, Kaplan e Pelton), as características e as imagens esquemáticas delas. Os principais parâmetros hidráulicos de uma instalação hidrelétrica típica, bem como o cálculo da potência hidráulica bruta e da potência hidráulica líquida, foram apresentados.

praticar
Vamos Praticar

Um sítio tem uma cachoeira com 6 m de altura. Então, construiu-se uma pequena barragem na parte superior; com isso, é possível elevar o nível do rio mais 6 m acima da cachoeira. Assim, o desnível total passa a ser de 12 m. A vazão média do rio é de 4 m³/s. A água dele tem peso específico \(γ=9850N/m³\). Diante disso, responda as questões a seguir.

a) Qual é a potência hidráulica bruta P\(_b\) caso o proprietário construísse um minissistema hidrelétrico com uma turbina instalada próxima ao local de queda da água?

b) Sabendo que o valor total da perda de carga é ΔH = 3m e que a turbina tem eficiência de 90%, conforme informado no catálogo do fabricante, calcule: a queda efetiva “H”, a potência disponível P\(_d\) e a potência transmitida ao gerador P\(_t\).

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As turbinas hidráulicas, também classificadas como turbomáquinas, são dispositivos com o propósito de converter a energia hidráulica de um escoamento em energia mecânica, portanto, esse equipamento retira energia do fluido. De maneira simplificada, uma turbina consiste em: uma carcaça ou voluta, um rotor, um distribuidor e um tubo. As turbinas mais utilizadas são: a Pelton, para altas quedas e baixas vazões, a turbina Kaplan, para baixas quedas com grandes volumes de água, e a turbina Francis, utilizadas em alturas de quedas médias.

Com relação às turbinas hidráulicas e os diferentes tipos construtivos delas, analise as alternativas a seguir e assinale a correta.

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Material Complementar
web

POWER - O poder por trás da energia

Ano: 2016

Comentário: O documentário do History Channel apresenta um pouco da trajetória dos principais pesquisadores envolvidos no desenvolvimento das técnicas de geração de energia mais utilizadas no mundo contemporâneo.

Para conhecer mais sobre o filme, acesse o trailer disponível em

Acessar
Livro

Geração de energia elétrica

Ano: 2011

Editora: Editora Manole

Autor: Lineu Bélico dos Reis

ISBN: 9788520451458

Comentário: A obra apresenta uma visão crítica sobre as principais formas de geração de energia elétrica da atualidade, bem como as principais tecnologias utilizadas, também, na matriz de geração brasileira.

Conclusão

Prezado(a) estudante, chegamos ao fim do nosso estudo. Vimos, de maneira geral, as máquinas hidráulicas e que esses dispositivos permitem a troca de energia entre um fluido e um sistema mecânico. Foi possível compreender que as máquinas hidráulicas são chamadas, também, de turbomáquinas, as quais podem ser as bombas ou as turbinas hidráulicas. Verificamos que as bombas são dispositivos que fornecem energia a um fluido, para que este vença o desnível e as perdas de carga ao longo do percurso. Ainda, abordamos um exemplo de instalação elevatória, os principais parâmetros, componentes e o dimensionamento econômico da tubulação. Por último, vimos os principais tipos de turbinas hidráulicas, as classificações, as aplicações e os principais cálculos de potência associados a uma instalação hidrelétrica típica.

Referências

ANEEL – AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA. Atlas de energia elétrica no Brasil. 1. ed. Brasília: ANEEL, 2002.

ASLAN, Y.; ARSLAN, O.; YASAR, C. A sensitivity analysis for the design of small-scale hydropower plant: Kayabogazi case study. Renewable Energy, [S. l.], v. 33, n. 4, p. 791-801, 2008.

BAPTISTA, M.; LARA, M. Fundamentos de engenharia hidráulica. 3. ed. Belo Horizonte: UFMG, 2010.

CENGEL, Y. A.; CIMBALA, J. M. Mecânica dos fluidos. 3. ed. Porto Alegre: AMGH, 2015.

COMO calcular a perda de carga em tubulações. Por Bloom Consultoria. [S. l.: s. n.], 217. 1 vídeo (9 min 35 s). Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=pk_9HCvajbU&list=RDCMUC3z8doNHBds_GkhFpsZpfCg&index=6. Acesso em: 12 maio 2021.

HOUGHTALEN, R.; HWANG, N.; AKAN, A. Engenharia hidráulica. 4. ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2012.

MACINTYRE, A. J. Equipamentos industriais e de processo. 2. ed. São Paulo: LTC, 2008.

NEGRI, V. J. DE. Handbook of Hydraulic Fluid Technology. 2. ed. Boca Raton: CRC Press., 2012.

POWER – o poder por trás da energia. Por Flanker Brasil. [S. l.: s. n.], 2015. 1 vídeo (1 h 23 min). Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=M3Eo0PiqgHY. Acesso em: 12 maio 2021.

REIS, L. B. dos. Geração de energia elétrica. Barueri: Editora Manole, 2011.

TURBINE selection. [2021]. Disponível em: http://rivers.bee.oregonstate.edu/book/export/html/35. Acesso em: 12 maio 2021.

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