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TM-251

TM-251. Máquinas Hidráulicas. Curso de Engenharia Mecânica – Sexto Semestre. 60 horas/aula. Prof. Marcos C. Campos. Tópicos da disciplina :. Cap í tulo 1 - Introdução Cap í tulo 2 - Grandezas de funcionamento Cap í tulo 3 - Perdas, potências e rendimentos

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Presentation Transcript

  1. TM-251 Máquinas Hidráulicas Curso de Engenharia Mecânica – Sexto Semestre 60 horas/aula Prof. Marcos C. Campos Tópicos da disciplina : Capítulo 1 - Introdução Capítulo 2 - Grandezas de funcionamento Capítulo 3 - Perdas, potências e rendimentos Capítulo 4 - Triângulos de velocidade e representação Capítulo 5 - Equação fundamental Capítulo 6 - Análise da equação fundamental Capítulo 7 - Semelhança e coeficientes adimensionais Capítulo 8 - Cavitação Capítulo 9 - Estudo de bombas e ventiladores Capítulo 10 - Empuxo axial e vedações Capítulo 11 - Caixa espiral e tubo de sucção

  2. Bibliografia Básica: • Bran, R. e Souza, Z. Máquinas de Fluxo • Macintyre, A.J. Máquinas Motrizes Hidráulicas • Macintyre, A.J. Bombas e Instalações de Bombeamento • Pfleiderer, C. Máquinas de Fluxo • Stepanoff, A.J. Pompes Centrifuges et Pompes Helices • Eck, B. Fans • Grivchenko, G.I. Hydraulic Machines – Turbines and Pumps • Bibliografia Complementar: • Brown, G. Mechanical and Electrical Engineering • Carvalho, D.F. Usinas hidroelétricas - turbinas • Daugherty Hydraulic Turbines • Encinas, P.M. Turbo Máquinas Hidráulicas • Mansana, T. Ventiladores • Mataix, C. Mecânica de Fluidos e Máquinas Hidráulicas • Pafhkoi, N.N. Hidráulica • Sedille, N. Ventilateurs • Schreiber, G. Usinas Hidrelétricas

  3. Avaliação : Primeiro TE - Capítulo 1 - Introdução Capítulo 2 - Grandezas de funcionamento Capítulo 3 - Perdas, potências e rendimentos Capítulo 4 - Triângulos de velocidade e representação Capítulo 5 - Equação fundamental Capítulo 6 - Análise da equação fundamental Segundo TE – Capítulo 7 - Semelhança e coeficientes adimensionais Capítulo 8 - Cavitação Capítulo 9 - Estudo de bombas e ventiladores Capítulo 10 - Empuxo axial e vedações Capítulo 11 - Caixa espiral e tubo de sucção

  4. Cap. 1 – Introdução Pode-se dizer que as máquinas de fluido são um dos pilares fundamentais da indústria e das centrais elétricas modernas. Encontra-se máquinas deste tipo desde em aplicações de geração de energia até eletro-domésticos, passando por siderúrgicas, indústrias de papel e celulose, mineração, petro-química e outros inúmeros processos. Quase sempre estas máquinas estão associadas a motores ou geradores elétricos de diversos tipos e características. Devido a esta importância, sempre se busca uma melhor associação destes elementos, visando: - Maior desempenho do conjunto; - Menor consumo de energia ou maior geração de energia; - Menores custos de operação e manutenção; - e outros objetivos mais específicos.

  5. Motoras Térmicas Geradoras Motoras Hidráulicas Geradoras Motoras Térmicas Geradoras Motoras Hidráulicas Geradoras 1.1 – Classificação das máquinas de fluidos As máquinas de fluido, podem ser classificadas em dois tipos básicos: máquinas de fluxo e de deslocamento positivo. Máquinas de fluxo Máquinas de fluido Máquinas de deslocamento positivo

  6. Máquinas de fluxo: São assim designadas pois o fluido de trabalho passa de maneira contínua pelo elemento principal da máquina, o rotor. Máquina de deslocamento positivo: São assim chamados porque o fluido realiza trabalho (ou consome trabalho) somente em uma fase do deslocamento do elemento principal (pistão, palheta etc.). Máquina Térmica: É a máquina que trabalha com fluidos considerados compressíveis (gases vapor d'água e etc). Máquina Hidráulica: É a máquina que trabalha com fluidos considerados incompressíveis dentro da faixa normal de pressão (água, óleos e etc). Máquina Motora: É assim designada a máquina que retira trabalho mecânico (torque x rotação) da energia contida no fluido. Máquina Geradora: É assim designada a máquina que fornece energia para o escoamento do fluido.

  7. Exemplos: Máquinas de Fluxo Hidráulicas: Fluido -> Água e outros líquidos: Maquina Motora: Turbinas hidráulicas. Máquina Geradora: Bombas hidráulicas. Fluido -> Ar e outros gases: Máquina Motora: Turbinas eólicas. Máquina Geradora: Ventiladores e exaustores Máquinas de Fluxo Térmicas: Motora: Turbina a vapor. Geradora: Turbo-compressor.

  8. Máquinas de Deslocamento Positivo Hidráulicas: Motora (poucas aplicações): Turbina de pistão a óleo Geradora: Bombas de engrenagens Exemplos: Máquinas de Deslocamento Positivo Térmicas: Motora: Motor de combustão interna. Geradora: Compressores de ar.

  9. 1.2 - Classificação das máquinas de fluxo hidráulicas quanto ao escoamento

  10. Turbinas Mitchel-Banki

  11. Turbinas Francis

  12. Turbinas Francis

  13. Turbinas Francis

  14. Turbinas Hélice ( turbina tubular)

  15. Turbinas Kaplan

  16. Turbinas Kaplan

  17. Turbinas Kaplan

  18. Turbinas Bulbo

  19. Turbinas Bulbo

  20. Turbinas Pelton

  21. Turbinas Pelton

  22. Turbinas Pelton

  23. 1.3 - Exemplos de máquinas hidráulicas

  24. Tipo: Francis Rápida; N de Turbinas: 18 + 2 de reserva = 20; Potência Unitária Máxima: 740.000 [kW]; Altura de Queda Nominal: 118,40 [m]; Vazão máxima: 710 [m3/s]; Rotação nominal: 91,6 [RPM]; Fabricante: MEP - Mecânica Pesada - Taubaté - SP - Brasil

  25. 1.4 – Conceitos da mecânica dos fluidos: A) Massa específica massa específica [kg/m3] B) Peso específico = peso específico [N/m3] 1.4.1 – Propriedade das substâncias g = aceleração da gravidade = 9,81 m/s2 C) Densidade

  26. U = velocidade [m/s] v(x,y) y u(x,y) x Tensão (perpendicular a y na direção x) Esta tensão (perpendicular a y na direção x) é proprocional ao gradiente de velocidade u (velocidade na direção x) na direção y. Viscosidade absoluta do fluido (N.s/m2) (viscosidade dinâmica) 1.4.1 – Propriedade das substâncias D) Viscosidade absoluta

  27. Viscosidade cinemática do fluido (m2/s) 1.4.1 – Propriedade das substâncias E) Viscosidade cinemática

  28. Viscosidade dinâmica de várias substâncias

  29. Viscosidade cinemática de várias substâncias

  30. F Pressão = Força por unidade de área A Unidade de pressão = N / m2 1.4.2 - Hidrostática A) Pressão

  31. B) Pressão de colunas de líquido pATM p = 101.325 N/m2 + 1.000x9,81x10,34 H2O p=? h = 10,34 m Unidades de pressão: - mmHg (milimetros de mercúrio) - mH20 ou mCA (metro de coluna d´água) - psi (libras por polegada quadrada) - kgf/cm2  (quilograma-força por centímetro quadrado) - Pascal (N/m2) - bar (105 N/m2) - mbar (102 N/m2) p = 101.325 + 101.435 N/m2 p = 202.760 N/m2 p = 2 atm (absoluta)

  32. 1.4.3 – Conservação da massa Volume de controle = VC Superfície de controle = SC dV dV = elemento de volume = elemento de área = elemento de massa = vazão em volume no elem. = taxa de variação de massa no volume de controle = somatória das vazões em massa na sup. de controle

  33. água = fluido incompressível => Tubulação: => Exemplo: Em um escoamento de água com vazão de 1 m3/s em tubulação de diâmetro de 0,5 m. (em regime permanente), calcule a velocidade média. Saída Entrada Escoamento uniforme: A velocidade é constante nas seções (entrada e saída)

  34. => => => Exemplo: Em um escoamento de água com vazão de 1 m3/s em trecho de tubulação em expansão de diâmetro de 0,5 m para 1 m, calcule a velocidade na saída.

  35. 1.4.4 - Conservação da energia Seção 1 Seção 2 = pressão estática na seção = pressão dinâmica na seção = pressão de posição Linhas de corrente A) Equação de Bernoulli: para escoamento sem perdas por atrito Unidade => N/m2

  36. 1 Bernoulli: escoamento sem perdas 2 Condições do problema: Z1 Z2 Exemplo: Descarga de um reservatório através de uma tubulação para atmosfera, calcule a velocidade de saída. H=30 m

  37. 1 2 Unidade => m2/s2 = J/kg energia potencial (Z) para energia de pressão (p) energia de pressão (p) fora de escala para energia cinética (V2/2) g.Z energia potencial (Z) para 1 2 energia de pressão (p) Quais são as transformações de energia que ocorrem em um escoamento deste tipo ?

  38. Unidade => m2/s2 = J/kg Situação mais simples: tubulação reta na horizontal 1 2 Área de escoamento iguais: Tubulação na horizontal: Equação de Bernoulli com perda de carga fica: = perda de pressão [N/m2] B) Equação de Bernoulli com perda de carga

  39. É calculada pela equação geral, que expressa a perda em energia específica do fluido que escoa: onde: f – Fator de atrito. L - Comprimento de tubulação; D - Diâmetro da tubulação; V - Velocidade média do escoamento; B.1) Perda de carga distribuída A perda de carga distribuída é a perda de pressão causada pelo atrito viscoso no escoamento do fluido.

  40. Re - Número de Reynolds  = viscosidade cinemática [m2/s]  = viscosidade absoluta [N.s/m2]  = massa específica [kg/m3]  = Rugosidade absoluta [m] O coeficiente de atrito, f, depende do número de Reynolds e da rugosidade relativa,  / D, da tubulação; e pode ser determinado através do diagrama de Moody.

  41. Diagrama de Moody – Fator de atrito

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