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Máquinas Termohidráulicas de Fluxo 20 2. TEORIA GERAL DAS MÁQUINAS DE FLUXO 2. 1. Introdução O homem tem buscado controlar a natureza desde a antiguidade. O homem primitivo transportava água em baldes ou conchas; com a formação de grupos maiores, esse processo foi mecanizado. Assim, as primeiras máquinas de fluxo desenvolvidas foram as rodas de conchas e as bombas de parafuso para elevar a água. Os romanos introduziram a roda Swipe to page de pás em torno de 7 Mais tarde, foram de vento, mas a baixa d produção a poucas c de rodas d’água torn or 47 ida,: -a de cursos d’água. a extrair energia do esente limitava a desenvolvimento e milhares de quilowatts de um único local. Hoje, tiramos proveito de várias máquinas de fluxo. Num dia típico, obtemos água pressurizada de uma torneira, usamos um secador de cabelos, dirigimos um carro no qual máquinas de fluxo operam os sistemas de lubrificação, refrigeração e direção, e trabalhamos num ambiente confortável provido com circulação de ar. A lista poderia ser estendida indefinidamente. O propósito deste capitulo é introduzlr os conceitos necessários para analisar, projetar e aplicar máquinas de fluxo.

A nossa abordagem lida quase que exclusivamente om escoamentos incompressíveis. Inicialmente, a terminologia do assunto é introduzida e as máquinas são classificadas por princ[pio de operação e caracter[sticas físicas. Em vez de tentar uma abordagem de todo o assunto, assunto, concentramos nossa atenção em máquinas nas quais a transferência de energia do fluido, ou para o fluido, dá- se por meio de um elemento rotativo. Equações básicas são revistas e em seguida simplificadas para formas úteis na análise de máquinas de fluxo. As características de desempenho de máquinas típicas são consideradas.

São dados exemplos de plicações de bombas e turbinas em sistemas típicos. 2. 2. Definição de Máquina de Fluido Definição Sistemas Fluidomecânicos: conjunto formado por máquinas elou dispositivos cuja função é extrair ou adicionar energia de/para um fluido de trabalho. O fluido de trabalho pode estar confinado entre as fronteiras do sistema formado pelo conjunto de máquinas e dispositivos, ou escoar através destas fronteiras (o que, para nossa análise, caracteriza um volume de controle na perspectiva da termodinâmica ou da mecânica dos fluidos).

Definição Máquina de Fluido (fluid machinery): é o quipamento que promove a troca de energia entre um sistema mecânico e um fluido, transformando energia mecânica em energia de fluido ou energia de fluido em energia mecânica. 07 de agosto de 2006 Alex N. Brasil 21 No primeiro caso, em que há o aumento do nível energético de um fluido a partir do fornecimento de energia mecânica, por analogia com o gerador elétrico, apenas substituindo energia elétrica por energia de fluido, costuma-se designar a máquina de máquina de fluido geratriz (geradora).

No segundo caso, em que a energia mecânica é produzida a partir da redução do nível nergético de um fluido, pela analogia com o mo produzida a partir da redução do nível energético de um fluido, pela analogia com o motor elétrico, a máquina é usualmente chamada de máquina de fluido motriz (motora). A Figura (2. 1) apresenta um fluxograma representando a classlficação das máquinas de fluido. p = cte p * cte Máquinas de Fluido Máquinas Hidráulicas Máquinas Térmicas Turbomáquinas Máq.

Deslocamento Positivo Operatrizes Motrizes Bombas Líquidos Turbinas Hidráulicas Turbocompressores Turbinas a Vapor Ventiladores Gases de 2006 Alex N. Brasil 22 ?, o fluido é obrigado a mudar o seu estado energético pelo deslocamento de uma fronteira em movimento. Nas máquinas de fluxo, às vezes denominadas de máquinas dinâmicas, o fluido não se encontra em momento algum confinado e sim num fluxo contínuo através da máquina, submetido a trocas de energia devido a efeitos dinâmicos.

Desconsiderando-se a troca de calor com o meio ambiente e possíveis folgas entre as partes fixas e móveis, quando uma máquina de deslocamento positivo pára de funcionar, o fluido de trabalho no seu interior permanecerá, indefinidamente, no estado em que se encontrava no momento m que o movimento cessou e este poderá ser completamente diferente das condições do ambiente externo. Na mesma situação, o fluido de trabalho de uma máquina de fluxo assumirá, imediatamente, as condições ambientais, quando ela deixar de operar.

As máquinas rotativas (rotary machines), como a bomba de engrenagens, e as máquinas alternativas (reciprocating machines), como o compressor de pistão, são exemplos típicos de máquinas de deslocamento positivo, enquanto as turbinas hidráulicas e os ventiladores centrífugos podem ser citados como exemplos de máquinas de fluxo. Definição Máquinas e deslocamento positivo: a transferência de energia é feita por variações de volume que ocorrem devido ao movimento da fronteira na qual o fluido está confinado.

Estas podem ser rotativas como a bomba de engrenagens ou alternativas como o compressor de pistão. Máquinas de Fluxo (Turbomáquinas): dispositivos fluidomecânicos que direcionam o fluxo com lâm pistão. Máquinas de Fluxo (Turbomáquinas): dispositivos fluidomecânicos que direcionam o fluxo com lâminas ou pás fixadas num elemento rotativo. Em contraste com as máquinas de deslocamento positivo não há volume confinado numa urbomáquina.

Funcionam cedendo ou recebendo energia de um fluido em constante movimento. Ex. : Máquinas de fluxo: Tabela 2. 1 – Exemplos de máquinas de fluxo. Fluido de trabalho Liquido gás (neutro) vapor (água, freon, etc. ) gás de combustão Designação turbina hidráulica e bomba centrífuga ventilador, turbocompressor turbina a vapor, turbocompressor frigorífico turbina a gás, motor de reação A Tabela (2. 1 ) apresenta alguns exemplos de máquinas de fluxo com seus respectivos fluidos de trabalho.

Ex. : Máquinas de deslocamento: Tabela 2. 2 – Exemplos de máquinas de deslocamento. Fluido e trabalho Líquido gás (neutro) vapor (freon, amônia, etc. ) gás de combustão Designação bomba de engrenagens, de cavidade progressiva, de parafuso compressor alternativo, compressor rotativo compressor alternativo, compressor rotativo motor alternativo de pistão 07 de agosto de 2006 Alex N. Brasil 23 Tabela 2. 3 – Características principais das máquinas de fluxo e de deslocamento.

Máquinas de fluxo alta rotação potência especifica elevada (potência/peso) não há dispositivos com movimento alternativo médias e baixas pressões de trabalho nao operam eficientemente com fluidos de viscosidade elevada vazão ontínua energia cinética sso de transformação transformação de energia na maioria dos casos, projeto hidrodinâmico e caracteristicas construtivas mais complexas que as máquinas de deslocamento Máquinas de deslocamento baixas e médias rotações potência especifica média p/ baxa (potência/ peso) várias têm dispositivos com movimento alternativo altas e muito altas pressões de trabalho adequadas para operar com fluidos de viscosidade elevada na maior parte dos casos, vazão intermitente energia cinética não tem papel significativo no processo de transformação de energia na maioria dos casos, rojeto hidrodinâmico e características construtivas mais simples que as máquinas de fluxo As Tabelas (2. 2) e (2. 3) apresentam respectlvamente exemplos de máquinas de deslocamento e as principais características das máquinas de fluxo e de deslocamento. Quando se compara as áreas de aplicação das máquinas de fluxo com as das máquinas de êmbolo (deslocamento), observa-se uma grande superposição.

Assim, para a compressão de gases são usados compressores de êmbolo e turbocompressores; para a elevação de água sen,’em as bombas de êmbolo e as bombas rotativas; a turbina gás faz concorrência com o motor de combustão interna; o vapor produzido em uma caldeira pode ser usado para fornecer trabalho mecânico tanto através de uma turbina a vapor quanto através de uma máquina a vapor de êmbolo. A situação desta concorrência de ambos os tipos de máquinas é bastante clara. Para grandes vazões volumétricas as vantagens das máquinas de fluxo são decisivas, enquanto que para pequenas vazões normalmente as máquinas de êmbolo são preferidas. Ainda mais, o campo de aplicação d pequenas vazões normalmente as máquinas de êmbolo são preferidas. Ainda mais, o campo de aplicação das máquinas de fluxo é limitado inferiormente, em potência, pelo das máquinas de êmbolo. Não existe, entretanto, nenhuma limltação superior para o campo de aplicação das máquinas de fluxo, do ponto de vista de sua construção.

Quanto maior a vazão volumétrica desejada, ou seja quanto maior a potência da máquina, melhor será seu rendimento e, em geral, menores serão também seus custos de construção por unidade de potência. Na prática, o campo de aplicação das máquinas de fluxo só é limitado pelos desejos dos usuários. Fica, portanto, reservado às máquinas de luxo a conversão de grandes potências, campo onde o peso da máqulna e o espaço necessário para sua instalação são muito menores para estas do que para as máquinas de êmbolo. Como a técnica sempre se desenvolve no sentido da construção de unidades cada vez maiores, a importância das máquinas de fluxo está sempre em ascensão. 2. 4.

Campo de Aplicação O campo de aplicação (aplication range) dos diferentes tipos de máquinas de fluido é tão amplo e sujeito a regiões de superposição, que, multas vezes, torna-se difícil definir qual a melhor máquina para determinada aplicação, por exemplo, no aso de bombas (pumps) e compressores (compressors), deve- se definir se a melhor solução é o emprego 07 de agosto de 2006 24 de uma máquina de deslocamento positivo ou de uma máquina de fluxo. Ou, mesmo para um tipo de máquina de fluxo, por exemplo, as turbinas hidráulicas, deve-se definir qual dela um tipo de máquina de fluxo, por exemplo, as turbinas hidráulicas, deve-se definir qual delas atende melhor às características de um determinado aproveitamento hidrelétrico. No entanto, existem situações em que a supremacla de um tipo de máquina sobre o outro é tão evidente que a seleção pode er feita já nas etapas iniciais de um projeto. Tomando-se para análise o caso dos compressores, normalmente caracterizados pela vazão de gás aspirado e pela pressão na descarga, pode se constatar (Fig. 2. ) o dom[nio absoluto dos compressores centrífugos e axiais (máquinas de fluxo) para regiões de grandes vazões, principalmente em situações, como nos motores de avião, em que a relação requerida entre a potência de propulsão e o peso da máquna seja a maior possível e que apresente um formato favorável do ponto de vista aerodinâmico. Entretanto, na gama das pequenas e médias vazões e elevadas relações de ressão entre descarga e admissão, os compressores alternativos de êmbolo ou pistão mantêm o seu predomínio, com avanços tecnológicos significativos e um consumo energético favorável. No entanto, eles têm cedido espaço para os compressores de palhetas e de parafuso para as situações de médias vazões e pressões não tão elevadas. Na Figura (2. 2), procura-se mostrar a distinção entre os termos ventilador (fan) e compressor (compressor) para denominar máquinas que trabalham com gás.

Num ventilador, a alteração na densidade entre a admissão e a descarga da máquina é tão pequena que o gás pode ser onsiderado como um fluido incompressível (diferenças de pressão até IO kPa ou 1000 mmca), enquanto num compressor, fluido incompressível (diferenças de pressão até 10 kPa ou 1000 mmca), enquanto num compressor, a alteração de densidade é significativa, não podendo ser desconsiderada. Para uma faixa de diferença de pressão entre a descarga e a admissão da máquna da ordem de 10 a 300 kPa (1000 a 3000 mmca), também é usual a denominação de soprador (blower). Figura 2. 2 – Campo de aplicação de ventiladores e compressores. 25 Para o caso das máquinas de fluido geradoras que trabalham om líquidos, denominadas de bombas (Fig. 2. ), a situação é semelhante a dos compressores, havendo o predomínio das máquinas de fluxo (bombas centrífugas, bombas de fluxo misto e bombas axials) para a região de médias e grandes vazões, enquanto as bombas alternativas e rotativas (máquinas de deslocamento positivo) dominam a faixa de médias e grandes alturas de elevação e pequenas vazões. Figura 2. 3 – Campo de aplicação de bombas. Como existem áreas de superposição entre os campos de aplicação dos diferentes tipos de bombas, outros critérios, como viscosldade do liquido bombeado, presença de sólidos em uspensão, variação ou não da vazão em função da variação da resistência do sistema ao escoamento, facilidade de manutenção, custos, etc. , devem ser levados em consideração para a seleção da máquina mais adequada ara um determinado tipo de aplicação. Já a Figura (2. 4), ampo de aplicação (máquinas de fluxo motoras), levando em consideração a altura de queda, a vazão e a potência.

Embora fique evidenciada a existência de regiões em que prepondera um determinado tipo de máqulna, por exemplo, turbina Kaplan, para grandes vazões e pequenas alturas de queda, e, turbina Pelton, para as aiores alturas de queda, existem faixas de altura de queda e vazão em que mais de um tipo de máquina poderia ser utilizado. Nesse caso também serão empregados critérios adicionais de seleção, como custo do gerador elétrico, risco de cavitação, custo de construção civil, flexibilidade de operação, facilidade de manutenção, entre outros. As turbinas Michell-Banki, também denominadas de turbinas Ossberger, praticamente inexistentes nas centrais hidrelétricas acima de 1000 kW (Fig. 2. ), merecem ser citadas pela sua grande utilização em micro e mini-centrais, em virtude da facilidade de fabricação, baixo custo e bom endimento para situações de flutuação de vazão. 26 Figura 2. 4 – Campo de aplicação de turbinas hidráulicas. 2. 5. Máquinas de Fluxo (Turbomáquinas) Máquina de Fluxo (turbomachine) pode ser definida como um transformador de energia (sendo necessariamente o trabalho mecânico uma das formas de energia) no qual o meio operante é um fluido que, em sua passagem pela máquina, interage com um elemento rotativo, não se encontrando, em qualquer instante, confinado. Todas as máquinas de fluxo funcionam, teoricamente, segundo os mesmos princí iOS o ue traz a possibilidade de utilização do mesmo mét PAGF