Guia Completo dos Tubos de Sucção: Projeto, Função e Aplicações

Tubos de sucção são componentes essenciais na maioria dos tipos de turbinas como Kaplan, Francis e turbinas de reação. O componente é como um tubo projetado com áreas aumentando gradualmente que conecta a saída do rotor a um canal de fuga. Com suas duas extremidades, uma é conectada à saída do rotor e a outra extremidade é submersa abaixo do nível da água no canal de fuga. Neste componente, a energia cinética é convertida em pressão estática.

Hoje você conhecerá a definição, aplicações, função, diagrama, tipos e funcionamento de um tubo de sucção. Também conhecerá as vantagens e desvantagens deste tubo de sucção em suas diversas aplicações.

O que é um tubo de sucção?

Um tubo de sucção é um tubo de conexão instalado geralmente na saída ou saída de uma turbina para converter a energia cinética da água na saída em pressão estática. Com este componente, o desperdício da energia cinética da água é evitado. Em um tubo de sucção, o diâmetro é menor próximo à entrada e maior próximo à sua saída. Esta saída está sempre submersa na água. Aço fundido e concreto de cimento são os materiais usados na fabricação de um tubo de sucção.

Como mencionado anteriormente, tubos de sucção são geralmente usados em turbinas de potência como reação, Kaplan e Francis. O sistema está localizado logo abaixo do rotor e permite desacelerar a velocidade de fluxo de saída do rotor.

Tubos de sucção são usados em turbinas para evitar o problema de refluxo, por isso estão localizados entre a saída da turbina e o canal de fuga. Turbinas como Pelton ou impulso não precisam de tubo de sucção porque a altura disponível para a turbina é muito grande. Isso resulta em pressão acima da atmosférica na saída da turbina. Devido à pressão acima da atmosférica da água na saída da turbina, o refluxo de água nunca ocorrerá.

Aplicações de tubos de sucção

Aplicações de tubos de sucção em turbinas já foram mencionadas acima. São usados para aumentar a pressão da baixa pressão de saída da turbina para a pressão do ambiente ao qual o fluido é rejeitado. A função primária de um tubo de sucção é converter a energia cinética da água em energia de pressão, diminuir a velocidade da água e aumentar a pressão da água antes de juntar-se ao canal de fuga. Este tubo é usado para aumentar gradualmente a área da seção transversal.

Diagrama de um tubo de sucção:

Tubo de sucção em turbina Kaplan.

Tipos de tubos de sucção

Abaixo estão os diversos tipos de tubos de sucção:

Tubo de sucção cônico:

Tipos cônicos de tubos de sucção permitem sua direção de fluxo em linha reta e divergente. Geralmente feitos com chapas de aço doce, tendo formato cônico e diâmetro externo maior que a entrada. O ângulo cônico do tubo de sucção não é muito largo para induzir divergência do fluxo da parede do tubo de sucção. Também, o ângulo não deve ser muito curto, porque um tubo de sucção mais longo é necessário para oferecer perda substancial de energia cinética.

Tubo de sucção de cotovelo simples:

Estes tipos de tubos de sucção têm formato de cotovelo. Frequentemente usado em turbina Kaplan. A área da seção transversal permanece a mesma por todo o comprimento do tubo de sucção, enquanto sua entrada e saída são circulares. Tubos de sucção de cotovelo são usados em posições de baixa queda e a turbina é montada próxima ao canal de fuga. Isso ajuda a minimizar o custo de perfuração e o diâmetro de saída é tão amplo quanto a posição para recuperar energia cinética na saída do rotor.

Tubo de sucção Moody:

Nos tipos de tubo de sucção Moody, a saída é dividida em duas seções e tem uma entrada. Este tubo é semelhante a um tubo de sucção cônico. Tipos de tubo de sucção Moody ajudam a reduzir o movimento giratório da água.

Tubo de sucção de cotovelo com seção transversal variável:

Estes tipos de tubos de sucção com seções transversais variáveis são melhorias de um tubo de sucção de cotovelo simples. Sua entrada é circular enquanto a saída é retangular. Geralmente, a seção horizontal do tubo de sucção é inclinada para cima para evitar que o ar atinja a área de saída. O tubo de sucção varia em seção transversal da entrada para a saída. Esta saída está abaixo do canal de fuga.

Funcionamento dos tubos de sucção

O funcionamento dos tubos de sucção em uma turbina é menos complexo e pode ser facilmente entendido. No caso das turbinas Kaplan e Francis, a altura disponível na entrada é baixa, fazendo com que a turbina seja colocada muito mais próxima ao canal de fuga. Isso ajuda a obter uma altura máxima. A maior parte da pressão da água é convertida em energia mecânica da turbina. A carga de pressão na saída da turbina está abaixo da pressão atmosférica.

Refluxo pode ocorrer desde que a saída de uma turbina está localizada próxima ao canal de fuga e a pressão da água na saída de uma turbina é menor que a pressão atmosférica. Isso ocorre porque a água flui de alta pressão para baixa pressão e a pressão na saída da turbina é menor que a atmosférica e no canal de fuga há pressão atmosférica.

Este refluxo pode causar danos sérios à turbina e suas partes, causando quebra total. Para evitar este problema de refluxo, um tubo de sucção é usado entre a saída da turbina e o canal de fuga. Um tubo de sucção aumentará a pressão da água para pressão atmosférica.

Assista ao vídeo abaixo para saber mais sobre o funcionamento do tubo de sucção:

Aplicando o Princípio de Bernoulli nas seções 1-1 e 2-2

[Carga de Pressão + Carga de Velocidade + Carga de Elevação]_1-1 = [Carga de Pressão + Carga de Velocidade + Carga de Elevação]_2-2

Seja
P₁ = pressão do fluido na seção 1-1 (entrada de um tubo de sucção)
V₁ = velocidade do fluido na seção 1-1 (entrada de um tubo de sucção)
Similarmente,
P₂ = pressão do fluido na seção 2-2 (saída do tubo de sucção)
V₂ = velocidade do fluido na seção 2-2 (saída do tubo de sucção)
ρ = densidade do fluido em fluxo
g = força gravitacional
h_f = perda de carga (energia) no tubo de sucção
H_s = altura vertical do tubo de sucção acima do canal de fuga
y = distância do fundo do tubo de sucção do canal de fuga.
P_a = pressão atmosférica de um fluido.

( P₁ / ρg ) + ( V₁² / 2g ) + ( H_s + y ) = ( P₂ / ρg ) + ( V₂² / 2g ) + ( 0 + h_f )
( P₁ / ρg ) = ( P₂ / ρg ) – ( H_s + y ) + ( V₂² / 2g ) – ( V₁² / 2g ) + h_f

A carga de pressão na seção 2-2 é igual à carga de pressão atmosférica e distância y.
( P₂ / ρg ) = ( P_a / ρg ) + y
( P₁ / ρg ) = ( P_a / ρg ) + y – H_s – y + ( V₂² / 2g ) – ( V₁² / 2g ) + h_f
( P₁ / ρg ) = ( P_a / ρg ) – H_s + ( V₂² / 2g ) – ( V₁² / 2g ) + h_f

Convertendo a equação para nossa necessidade (ou seja, no meio do L.D.S pegando "–" comum)
( P₁ / ρg ) = ( P_a / ρg ) – H_s – [ ( V₁² / 2g ) – ( V₂² / 2g ) – h_f ]

Na equação acima [ ( V₁² / 2g ) – ( V₂² / 2g ) – h_f ] é chamada de carga cinética.
Aqui [ ( V₁² / 2g ) – ( V₂² / 2g ) ] é a carga dinâmica.
Da equação acima, podemos escrever
( P₁ / ρg ) < ( P_a / ρg )
Logo P1 < Pa

A carga de pressão na entrada do tubo de sucção ou saída de uma turbina é menor que a pressão atmosférica. Então, a altura líquida na turbina com o tubo de sucção aumenta.

Vantagens e desvantagens dos tubos de sucção

Vantagens:

Abaixo estão os benefícios dos tubos de sucção em suas diversas aplicações:

• Tubo de sucção previne respingos de água do rotor e leva a água diretamente ao canal de fuga
• A quantidade de energia cinética requerida no canal de fuga é vastamente diminuída
• Desempenho do sistema é aumentado
• A altura da turbina é elevada à medida que a altura aumenta entre a saída da turbina e o canal de fuga

Desvantagens:

As únicas desvantagens dos tubos de sucção são que peso extra é adicionado ao sistema e o custo inicial do tubo de sucção é alto.

Conclusão

O tubo de sucção é um componente essencial na maioria dos tipos de turbinas como Kaplan, Francis e turbinas de reação. O componente é como um tubo projetado com áreas aumentando gradualmente que conecta a saída do rotor ao canal de fuga. Seu propósito é converter a energia cinética da água na saída em pressão estática. Este post discutiu a definição, aplicações, função, tipos e funcionamento dos tubos de sucção.

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