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Projeto de Bombas Centro Universitário da FEI Bombas & Instalações Hidráulicas NM 7710 Turma: Data : PROJETO - Grupo: Alunos que participaram do trabalho (obrigatório): Nº nome : Energética NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 2 de 49 Projeto de Bombas Sumário 1. Objetivo .............................................................................................................. 3 2. Proposta............................................................................................................. 3 3. Critérios.............................................................................................................. 4 4. Características do fluido..................................................................................... 5 5. Responsabilidade da linha ................................................................................. 5 6. Escolha dos materiais dos tubos........................................................................ 6 7. Diâmetros da Tubulação .................................................................................... 7 8. Meios de ligação do tubos.................................................................................. 8 9. Válvulas.............................................................................................................. 9 10. Pré Seleção das Bombas................................................................................. 13 11. Carga necessária ............................................................................................. 13 12. Cálculo da CCI ................................................................................................. 22 13. Seleção da bomba ........................................................................................... 25 14. Cavitação ......................................................................................................... 30 15. Seleção do motor elétrico................................................................................. 32 16. Cálculo de Custo de Operação na Linha.......................................................... 36 17. Demonstrativo de Custos de Instalação........................................................... 36 18. Verificação de Montagem do Conjunto Moto-Bomba....................................... 35 19. Estudo de Viabilidade do By-Pass ................................................................... 45 20. Plano Emergencial ........................................................................................... 47 21. Referência Bibliográfica ................................................................................... 49 NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 3 de 49 Projeto de Bombas 1 OBJETIVO O objetivo desse trabalho é elaborar o projeto de uma instalação hidráulica industrial aplican- do os conceitos estudados durante as aulas da disciplina de Bombas e Instalações Industriais. Todo o projeto será elaborado com base na vazão e pressão que a instalação deverá operar, assim, partiremos desde a escolha do material do tubo até o estudo da possibilidade de cavitação na instalação. 2 PROPOSTA A proposta para a realização desse estudo consiste em projetar a instalação hidráulica que te- nha um sistema de bombeamento para que possa transportar o fluido, que nesse caso é água com aditivo, do reservatório (R), que fica após o trocador de calor, até o equipamento que faz o engarra- famento deste produto (E). A instalação terá a capacidade de transportar esse fluido a uma tempera- tura média de 40ºC e as bombas serão escolhidas em função da carga de trabalho que é de 16 horas por dia a uma vazão de 80m³/h. Figura 1 Localização do reservatório R e equipamento E. NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 4 de 49 Projeto de Bombas Figura 2 Localização do reservatório R e equipamento E. O projeto consiste em estudar a melhor condição técnico-econômica com o intuito de oferecer uma excelente relação de custo x benefício, permitindo um baixo custo de instalação e operação. Para tal, será avaliado a possibilidade de reduzir a energia consumida, além de observar pontos de melhorias e otimização desta instalação. Além disso, estará sendo considerada a instalação de uma bomba reserva, em paralelo com a bomba principal. Para a lavagem da linha, estará sendo considerado um estudo de viabilidade de by-pass, pro- piciando economia de energia ao cliente. 3 CRITÉRIOS • Vazão de 80 m³/h; • Regime de 16 horas por dia; • Seção de entrada do equipamento igual a 100mm; • Pressão na entrada do equipamento de 2,2 Kgf/cm²; • Tubulação entre os prédios deve ser próxima ao chão; NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 5 de 49 Projeto de Bombas • Altura do chão onde está instalado o reservatório R até o chão onde está o equipamento E i- gual a 13m; • Necessário bomba reserva; • Verificar viabilidade da instalação de um by-pass para lavagem interna do reservatório. 4 CARACTERÍSTICAS DO FLUIDO Temperatura: 40ºC Densidade: 1g/cm³ Viscosidade: 1,8cSt Agressividade: Não agressivo ao Aço Carbono; Temperatura de Fusão (1atm): 0ºC Temperatura de Vaporização (1atm): 100ºC 5 RESPONSABILIDADE DA LINHA A instalação a ser considerada é de alta responsabilidade, pois o como é a linha que levará o fluido ao equipamento que engarrafa, pode fazer que a empresa não venda esses produtos durante o tempo que estará parado essa linha. Pode-se mensurar o prejuízo financeiro através da seguinte formula: Horas Paradas x Taxa de Produção x Preço Unitário do Produto. Para evitar problemas de interrupção de bombeamento da água, será instalado em paralelo à bomba principal uma bomba que ficará de reserva, com a mesma capacidade de bombeamento. Essa condição estará prevista caso a bomba principal entre em manutenção ou cause algum imprevisto. Dessa forma, a chance de interrupção da produção por falta de bombeamento da água é me- nor. Deve-se ressaltar que o cliente tem a responsabilidade em realizar a manutenção adequadamente e com periodicidade. Além disso, o corpo técnico-operacional dessa empresa deve realizar os cuida- dos da bomba e válvulas conforme indicado nos catálogos dos fabricantes. NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 6 de 49 Projeto de Bombas 6 ESCOLHA DO MATERIAL DO TUBO Com base no fluído que irá passar pela tubulação, que é água com aditivos e nas condições de trabalho da instalação, iremos adotar tubo de aço-carbono, pois é o que apresenta menor relação cus- to/resistência mecânica, além de ser fácil de soldar, conformar e encontrar no mercado. O tubo será sem costura Schedule 40. O material será o ASTM A-53 conforme a norma AN- SI/ASME B.31 e as especificações da ASTM (American Society for Testing and Materials). É importante mencionar que a água é um fluído corrosivo, porém a corrosão com água no tu- bo de aço demora muito a ocorrer, portanto esse fator não nos influenciou na escolha do material do tubo. Tabela 1 Composição química do material ASTM A-53. RT (Mpa) LE (Mpa) DurezaNORMA AÇO C Mn P máx S máx Si Ni Cr Mo Cu V máx min min máx Gr A Máx 0.25 Máx 0,95 0,05 0,04 Máx 0,40 Máx 0,40 Máx 0,15 Máx 0,40 0,08 330 205 ASTM A 53 Gr B Máx 0.30 Máx 1,20 0,05 0,05 Máx 0,40 Máx 0,40 Máx 0,15 Máx 0,40 0,08 415 240 Fonte: http://www.pipesystem.com.br/Artigos_Tecnicos/Tubos_Aco/Quimica_Tubos/quimica_tubos.html NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 7 de 49 Projeto de Bombas 7 CÁLCULOS DO DIÂMETRO DA TUBULAÇÃO 7.1 Fórmula 7.2 Cálculo do Diâmetro da tubulação de Sucção Para o cálculo do diâmetro da tubulação de sucção de água na bomba, será considerado a fai- xa de velocidade de 1 a 2 m/s, de acordo com a informação levantada na tabela TG-1 pg. 183 do Li- vro Bombas e Instalações Hidráulicas. Foi considerado o cálculo nos extremos para que o mesmo seja encontrado um diâmetro de tubulação normalizado e que atenda a melhor condição de custo x benefício. 7.2.1 Diâmetro para velocidade de 1m/s 7.2.2 Diâmetro para velocidade de 2m/s Conclusão: “Dentro das velocidades proposta para sucção da água foi encontrada a tubulação normalizada de 6”. NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 8 de 49 Projeto de Bombas 7.3 Cálculo do Diâmetro da tubulação de Recalque Para o cálculo do diâmetro da tubulação de água em redes de instalações industriais, será con- siderado a faixa de velocidade de 2 a 4 m/s, de acordo com a informação levantada na tabela TG-1 pg. 183 do Livro Bombas e Instalações Hidráulicas. Foi considerado o cálculo nos extremos para que o mesmo seja encontrado um diâmetro de tubulação normalizado e que atenda a melhor condição de custo x benefício. 7.3.1 Diâmetro para velocidade de 2m/s 7.3.2 Diâmetro para velocidade de 4m/s Conclusão: “Dentro das velocidades proposta para recalque da água foi encontrada a tubula- ção normalizada de 4”. 8 MEIOS DE LIGAÇÃO Para garantir uma boa condição de soldabilidade, foi confirmado o uso do material da tubula- ção de aço baixo carbono especificado na norma ANSI/ASME B.31. Com esse material e os diâmetros da tubulação de 4” e 6”, o grupo escolheu como meio de li- gação dos tubos aos cotovelos a solda e para instalação de equipamentos na tubulação (válvulas, bombas, tanque e máquina ) foi utilizado flange. Ressaltando que o fluido nela percorre não causa quaisquer danos às juntas soldadas e flangeadas. NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 9 de 49 Projeto de Bombas 9 VÁLVULAS 9.1 Válvula gaveta Será utilizada na saída do reservatório e saída das bombas para bloqueio do fluxo, para reali- zação de manutenção em trechos específicos. Haverá aplicação tanto na tubulação de 4” e 6” e o ma- terial desta será de ferro fundido. Figura 3 - Válvula Gaveta. NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 10 de 49 Projeto de Bombas Fonte: Site do Fabricante Niagara 9.2 Válvula retenção Será utilizada depois da saída da bomba, com o intuito de impedir o retorno do fluido à bom- ba, evitando assim o golpe de aríete com a queda da energia elétrica. Haverá aplicação tanto na tubu- lação de 4” e o material desta será de ferro fundido. Figura 4 - Válvula de Retenção. NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 11 de 49 Projeto de Bombas Fonte: Site do Fabricante Niagara 9.3 Válvula globo Será utilizada na entrada do equipamento, tendo por objetivo controlar a vazão de entrada do equipamento engarrafador. Haverá aplicação tanto na tubulação de 4” e o material desta será de ferro fundido. Figura 5 - Válvula Globo. NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 12 de 49 Projeto de Bombas Fonte: Site do Fabricante Niágara NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 13 de 49 Projeto de Bombas 10 PRÉ-SELEÇÃO DA BOMBA Pretendemos utilizar na instalação bomba de deslocamento não-positivo, ou seja, bomba di- nâmica, pois sua finalidade é o transporte de fluído, exatamente o que pretendemos fazer em nossa instalação. Com a bomba de deslocamento não-positivo temos alta vazão e baixa pressão em relação as bombas de deslocamento positivo, exatamente conforme critérios mencionados acima: vazão de 80 m³/h e pressão de 2,2 Kgf/cm². Entre os modelos de bombas dinâmicas, pretendemos utilizar o modelo centrífuga radial, pois nessa bomba o fluído deve entrar axialmente no rotor e conforme croqui da instalação esse é o me- lhor modelo. Porém, somente após os cálculos de perda de carga, carga necessária e rotação especifica é que poderemos determinar qual tipo e modelo de bomba utilizar. 11 CÁLCULO DA CARGA NECESSÁRIA 11.1 Determinação dos coeficientes da perda de carga distribuída “f” Para determinar o coeficiente da perda de carga distribuída para tubulação de 6” e 4” usare- mos o diagrama de Moody-Rouse. Para utilizar o diagrama, primeiramente iremos calcular o número de Reynolds e a rugosidade relativa equivalente D/K e assim com esses valores entraremos no diagrama e acharemos o valor da perda de carga f para ambas as tubulações. 11.1.1 Viscosidade cinemática do fluído Fluído: água Temperatura: 40ºC NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 14 de 49 Projeto de Bombas Figura 6 – Gráfico da Viscosidade do Fluido. Fonte: Bombas & Instalações Hidráulicas, 2007. Transformação de unidades: smcStÁgua smcSt C /10658,0658,0 /101 26 º40 26 − − ×⇒= = 11.2 Perdas de carga equivalentes Usaremos as tabelas TG-4 e TG-5 do livro de Bombas e Instalações Hidráulicas para deter- minar as perdas de carga equivalentes dos componentes da nossa instalação. NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 15 de 49 Projeto de Bombas Figura 7 Tabela TG-4. Fonte: Bombas & Instalações Hidráulicas, 2007. Figura 8 Tabela TG-5. Fonte: Bombas & Instalações Hidráulicas, 2007. NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 16 de 49 Projeto de Bombas 11.3 Perda de carga distribuída “f” para tubulação de 6” 3 5 1035,3 106,4 154,0 ×⇒ × ⇒ −K D mK mD aço 5106,4 154,0 −×= = 5 6 1034,2Re 10658,0 154,01 Re ×=⇒ × × ⇒ × = −ν DV smC /10658,0 26 º40 −×=ν Do diagrama de Moody-Rouse ⇒⇒⇒⇒ f = 0,025 11.4 Perda de carga distribuída “f” para tubulação de 4” 3 5 1022,2 106,4 1023,0 ×⇒ × ⇒ −K D mK mD aço 5106,4 1023,0 −×= = 5 6 1011,3Re 10658,0 1023,02 Re ×=⇒ × × ⇒ × = −ν DV smC /10658,0 26 º40 −×=ν Do diagrama de Moody-Rouse ⇒⇒⇒⇒ f = 0,026 Figura 9 Diagramade moody-rouse. Fonte: Bombas & Instalações Hidráulicas, 2007. NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 17 de 49 Projeto de Bombas 11.5 Determinação da carga manométrica Equação: recalquesucção e HpHp g Vsp ZHnec ++++∆−= 2 2 γ 11.5.1 Determinação da carga manométrica – fluído passando pela bomba BT Equação: recalquesucção HpHpHnec ++×× × + × +−= 8,91023,0 )360080(8 10 102,2 14 42 2 3 4 π 11.5.1.1 Determinação da perda de carga equivalente da tubulação de sucção Tabela 2 Comprimento equivalente da tubulação de 6”. Tubulação de aço - 6" Componentes Qtd Leq. (m) Ltotal (m) Saída da canalização 1 5,00 5,00 Válvula gaveta 2 2,00 4,00 Cotovelo 90º 2 4,90 9,80 Te saída lateral e bilateral 2 3,40 6,80 Comprimento equivalente da tubulação 1 27,00 27,00 Total 52,60 mHpHp sucçãosucção 620,0 8,9154,0 )360080(60,52025,08 52 2 =⇒ ×× ××× = π NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 18 de 49 Projeto de Bombas 11.5.1.2 Determinação da perda de carga equivalente da tubulação de recalque Tabela 3 Comprimento equivalente da tubulação de 4”. Tubulação de aço - 4" Componentes Qtd Leq. (m) Ltotal (m) Entrada da canalização 1 1,60 1,60 Válvula de retenção portinhola normal 1 5,18 5,18 Válvula gaveta 2 1,30 2,60 Válvula globo reta com guia 1 45,70 45,70 Cotovelo 90º 1 3,00 3,00 Te saída direta 2 2,10 4,20 Comprimento equivalente da tubulação 1 41,00 41,00 Total 106,28 mHpHp recalquerecalque 074,10 8,91023,0 )360080(28,106026,08 52 2 =⇒ ×× ××× = π 11.5.1.3 Determinação da carga manométrica mHBHnec 07,19074,10620,0 8,91023,0 )360080(8 10 102,2 14 42 2 3 4 =⇒++ ×× × + × +−= π 11.5.2 Determinação da carga manométrica – fluído passando pela bomba reserva BR Equação: recalquesucção HpHpHnec ++×× × + × +−= 8,91023,0 )360080(8 10 102,2 14 42 2 3 4 π NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 19 de 49 Projeto de Bombas 11.5.2.1 Determinação da perda de carga equivalente da tubulação de sucção Tabela 4 Comprimento equivalente da tubulação de 6”. Tubulação de aço - 6" Componentes Qtd Leq. (m) Ltotal (m) Saída da canalização 1 5,00 5,00 Válvula gaveta 2 2,00 4,00 Cotovelo 90º 3 4,90 14,70 Te saída direta 1 3,40 3,40 Te saída lateral e bilateral 1 10,00 10,00 Comprimento equivalente da tubulação 1 29,00 29,00 Total 66,10 mHpHp sucçãosucção 779,0 8,9154,0 )360080(10,66025,08 52 2 =⇒ ×× ××× = π 11.5.2.2 Determinação da perda de carga equivalente da tubulação de recalque Tabela 5 Comprimento equivalente da tubulação de 4”. Tubulação de aço - 4" Componentes Qtd Leq. (m) Ltotal (m) Entrada da canalização 1 1,60 1,60 Válvula de retenção portinhola normal 1 5,18 5,18 Válvula gaveta 2 1,30 2,60 Válvula globo reta com guia 1 45,70 45,70 Cotovelo 90º 3 3,00 9,00 Te saída direta 1 2,10 2,10 Te saída lateral e bilateral 1 6,70 6,70 Comprimento equivalente da tubulação 1 44,00 44,00 Total 116,88 mHpHp recalquerecalque 562,9 8,91023,0 )360008(88,100026,08 52 2 =⇒ ×× ××× = π NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 20 de 49 Projeto de Bombas 11.5.2.3 Determinação da carga manométrica mHBHnec 71,18562,9779,0 8,91023,0 )360008(8 10 102,2 14 42 2 3 4 =⇒++ ×× × + × +−= π 11.5.3 Determinação da carga manométrica – fluído passando pelo by-pass Equação: "4"642 2 3 4 8,91023,0 )360080(8 10 102,2 14 HpHpHnec ++ ×× × + × +−= π 11.5.3.1 Determinação da perda de carga equivalente da tubulação de sucção Tabela 6 Comprimento equivalente da tubulação de 6”. Tubulação de aço - 6" Componentes Qtd Leq. (m) Ltotal (m) Saída da canalização 1 5,00 5,00 Válvula gaveta 1 2,00 2,00 Cotovelo 90º 2 4,90 9,80 Redução 6x4 1 2,70 2,70 Te saída lateral e bilateral 1 10,00 10,00 Comprimento equivalente da tubulação 1 25,00 25,00 Total 54,50 mHpHp sucçãosucção 642,0 8,9154,0 )360080(50,54025,08 52 2 =⇒ ×× ××× = π NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 21 de 49 Projeto de Bombas 11.5.3.2 Determinação da perda de carga equivalente da tubulação de recalque Tabela 7 Comprimento equivalente da tubulação de 4”. Tubulação de aço - 4" Componentes Qtd Leq. (m) Ltotal (m) Entrada da canalização 1 1,60 1,60 Válvula gaveta 2 1,30 2,60 Válvula globo reta com guia 1 45,70 45,70 Cotovelo 90º 3 3,00 9,00 Te saída lateral e bilateral 1 6,70 6,70 Comprimento equivalente da tubulação 1 44,00 44,00 Total 109,60 mHpHp recalquerecalque 388,10 8,91023,0 )360080(6,109026,08 52 2 =⇒ ×× ××× = π 11.5.3.3 Determinação da carga manométrica mHBHnec 41,19388,10642,0 8,91023,0 )360080(8 10 102,2 14 42 2 3 4 =⇒++ ×× × + × +−= π 11.5.4 Determinação da carga manométrica – fluído passando pelo by-pass Dados para lavagem da tubulação sem a utilização de bomba: 2 2 33 /55,0Pr 4 /2,2 Pr /8%10/80 cmKgfessão cmKgf essão hmVazãohmVazão =⇒= =⇒×= Equação: "4"642 2 3 4 8,91023,0 )36008(8 10 1055,0 14 HpHpHnec ++ ×× × + × +−= π NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 22 de 49 Projeto de Bombas 11.5.4.1 Determinação da perda de carga equivalente da tubulação de sucção Tabela 8 Comprimento equivalente da tubulação de 6”. Tubulação de aço - 6" Componentes Qtd Leq. (m) Ltotal (m) Saída da canalização 1 5,00 5,00 Válvula gaveta 1 2,00 2,00 Cotovelo 90º 2 4,90 9,80 Redução 6x4 1 2,70 2,70 Te saída lateral e bilateral 1 10,00 10,00 Comprimento equivalente da tubulação 1 25,00 25,00 Total 54,50 mHpHp sucçãosucção 0064,0 8,9154,0 )36008(50,54025,08 52 2 =⇒ ×× ××× = π 11.5.4.2 Determinação da perda de carga equivalente da tubulação de recalque Tabela 9 Comprimento equivalente da tubulação de 4”. Tubulação de aço - 4" Componentes Qtd Leq. (m) Ltotal (m) Entrada da canalização 1 1,60 1,60 Válvula gaveta 2 1,30 2,60 Válvula globo reta com guia 1 45,70 45,70 Cotovelo 90º 2 3,00 6,00 Te saída lateral e bilateral 1 6,70 6,70 Comprimento equivalente da tubulação 1 31,00 31,00 Total 93,60 mHpHp recalquerecalque 0887,0 8,91023,0 )36008(60,93026,08 52 2 =⇒ ×× ××× = π NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 23 de 49 Projeto de Bombas 11.5.4.3 Determinação da carga manométrica mHnecHnec 40,80887,00064,0 8,91023,0 )36008(8 10 1055,0 14 42 2 3 4 −=⇒++ ×× × + × +−= π 12 CÁLCULO DA CCIPara a confecção da CCI, será considerada a instalação envolvida no trabalho da bomba titu- lar; na prática, a variação entre as CCIs das bombas titular e reserva são desprezíveis. Mais adiante, na análise do By Pass, será levantada a CCI desta. Para a CCI, serão necessários os dados da instalação e da operação, relacionados abaixo. Tabela 10 - Dados para cálculos da CCI Sucção Recalque Di (m) 0,154 0,1023 Ltotal (m) 52,6 107,28 f (Moody-Rouse) 0,025 0,026 Condições de Contorno: • Vazão de Consumo: Q = 80 m³/h; • Pressão de Entrada na máquina deve ser: pEntrada = 2,2 kgf/cm² Sendo assim, o balanço de energia na instalação é: 12.1 Dedução da Fórmula da CCI 6,00,00 peBeepB HHHHHHHH ++−=→=−+ ∑ = ⋅⋅+++−= L i i i i i entradaentrada B g v D L f g vp ZH 1 22 0 22γ NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 24 de 49 Projeto de Bombas 12.2 Cálculo do Hestática e de K 12.3 Equação da CCI Esta é a equação da CCI. Agora, é necessário selecionar uma bomba e sobrepor a curva do ro- tor desta com a da CCI e identificar o ponto de funcionamento da instalação. :, 18 8 2 4 2 1 5420 42 22 ondeQ D L f Dg p ZH gD Q g v D Q v L i i i i entrada entrada B ii ⋅ ⋅+⋅ ⋅ ++−= ⇒ ⋅⋅ ⋅ =→ ⋅ ⋅ = ∑ =πγ ππ K D L f Dg H p Z L i i i i entrada Estática entrada = ∑ ⋅+⋅ ⋅ =+− =1 542 ;0 18 π γ mH hmQ B = = ][ /][ 32001749,08 QH nec ⋅+= NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 25 de 49 Projeto de Bombas 12.4 Curva da CCI Figura 11 Curva CCI. 13 SELEÇÃO DA BOMBA Após uma análise do catálogo de produtos dos fabricantes MARK GRUNDFOS, IMBIL e KSB, para as condições de serviço da instalação (Temperatura de 40ºC, fluido pouco viscoso, limpo e não-reativo), optou-se pelo catálogo da KSB. 13.1 Determinar a rotação da bomba Para se determinar a rotação da bomba, utiliza-se a teoria de rotação específica, em que se compara, por semelhança, a bomba a ser escolhida com uma bomba fictícia chamada unidade, dotada de HB=1 m e Q = 1m³/s. 4/3Hb Qn nq × = 0 5 10 15 20 25 30 35 0 20 40 60 80 100 120 Q (m³/h) H B ( m ) CC I Ponto de Fun- cionamento da Instalação Solici- tado. NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 26 de 49 Projeto de Bombas Sabe-se que a vazão de consumo necessária é 80 m³/h. De posse da CCI, é possível determi- nar a carga manométrica necessária. No caso, para Q = 80 m³/h, HB = 19,2 m (Vide CCI). Assim, é possível agora calcular a rotação específica da bomba unidade para as duas rotações usuais, 3500 rpm e 1750 rpm. Para n = 3500 rpm tem-se: rpmnqnq 88,56 2,19 3600 803500 4/3 =⇒ × = Para n = 1750 rpm tem-se: rpmnqnq 44,28 2,19 3600 801750 4/3 =⇒ × = Com os dados da rotação específica, entra-se na tabela de tipo de bombas e verifica-se o tipo de bomba necessária à instalação. A preferência é dada à bomba centrífuga radial, mais barata e mais abundante no mercado. Tabela 11 – Classificação das Bombas – Rotação Específica nq (rpm) Tipo de Bomba <10 Deslocamento Positivo 10 a 40 Centrífuga Radial 35 a 85 Centrífuga Helicoidal 80 a 150 Centrífuga Diagonal 125 a 500 Axial Fonte: Sergio Lopes – Bombas e Instalações Hidráulicas Rotação escolhida: 1750 rpm Tipo de bomba: Centrífuga radial. 13.2 Escolha da bomba no diagrama de pré-seleção Agora, entra-se com a vazo de consumo e com a carga manométrica necessária no diagrama de tijolos da KSB, cuja rotação das bombas é de 1750 rpm para selecionar a bomba. NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 27 de 49 Projeto de Bombas Figura 12 Curva CCI. Fonte: Bombas & Instalações Hidráulicas, 2007. Pelo diagrama, a bomba selecionada é a 65-200, em que o diâmetro da boca de saída vale 65 mm e o diâmetro nominal do rotor é 200 mm. 13.3 Escolha do diâmetro do Rotor e Determinação do ponto de funcionamento Agora, com as curvas características da bomba, seleciona-se o rotor adequado ao serviço. NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 28 de 49 Projeto de Bombas Figura 13 Curva CCB – Escolha do Rotor. Fonte: Site da KSB. O primeiro rotor a ser testado será o de máximo rendimento, o de 219 mm. A seguir, a sobreposição das curvas CCI e CCB da bomba em questão: Figura 14 Curva CCB – Escolha do Rotor. No ponto de funcionamento: Q = 83,9 m³/h HB = 20,1 m ηB ~ 77% (Vide curva topográfica da bomba) NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 29 de 49 Projeto de Bombas Neste ponto é preciso uma análise crítica da situação. A instalação irá operar, nesta situação, com uma margem de segurança para a vazão de 4,7%. Este fato força a considerar uma possibilidade importante: no caso da CCI estar um pouco deslocada para a esquerda, devido a erros de projeto ou ao fechamento de válvula de fluxo, a vazão prevista de projeto ficará muito próxima da vazão de consumo, podendo chegar a ser um pouco menor. Este fato gera um problema de decisão. Analisando outros catálogos de outros fabricantes, constatou-se que a situação praticamente não muda. A combinação desta vazão com a altura mano- métrica necessária para a pressão de entrada na máquina ser igual a 2,2 kgf/cm² favorece esta situa- ção. A alternativa seria escolher uma outra bomba com mais capacidade, mas percebeu-se o risco de se superdimensioná-la, o que acarretaria em um custo alto de aquisição e um mais alto ainda de operação, visto que uma bomba maior gastaria bem mais energia. Porém, na hipótese de boa qualidade do projeto e de implementação, o ganho é grande, pois o gasto de energia fica bem racionalizado, tanto porque a instalação trabalharia próximo ao necessário, quanto porque esta bomba, na combinação HB;Q mantém um rendimento muito próximo ao rendi- mento máximo da bomba, 79%. Sendo assim, tomou-se a decisão de se manter esta bomba. Para tal, dois cuidados terão de ser tomados: • O controle de qualidade sobre os materiais de projeto, tubos, válvulas, cotovelos, flanges, tee e sobre a montagem da instalação deverá ser forte, com o objetivo de evi- tar desvios na CCI; e • Na operação da instalação, deve-se aumentar a qualidade processo, com o intuito de evitar o fechamento da válvula de fluxo, evitando assim o deslocamento da CCI. Portanto: Bomba Selecionada: KSB Meganorm 65-200 – Drotor = 219 mm. NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 30 de 49 Projeto de Bombas 14 CAVITAÇÃO Cavitação é a vaporização do fluido que acontece quando a pressão de um escoamento dimi- nui, por qualquer motivo, e alcança a pressão de vapor, correspondente a sua temperatura. As principais conseqüências da cavitação são: erosão do rotor (arrancamento de material – pitting), diminuição drástica do rendimento, vibrações e ruídos.Esse fenômeno representa um grande problema nas instalações hidráulicas. No projeto de uma instalação, após a seleção da bomba, devemos verificar sempre se existe a possibilidade de cavi- tação da bomba. 14.1 Verificação da Cavitação pelo “NPSH” 14.1.1 Cálculo do NPSH disponível Como o tanque do reservatório é aberto pode-se usar: , conforme gráfico abaixo. Figura 15 – Curva de Pressão de Vaporização da água Fonte: Bombas & Instalações Hidráulicas, 2007. Pressão Atmosférica Local (São Bernardo do Campo) NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 31 de 49 Projeto de Bombas , pois o reservatório encontra-se acima da bomba, a qual está situada 24m de distância do mesmo. , calculado anteriormente. 14.1.2 Obtenção do NPSH requerido Sabendo-se que a vazão no ponto de funcionamento da instalação é 83,9 m³/h, o NPSH reque- rido é encontrado através do gráfico fornecido pelo fabricante. Figura 16 – Dados de NPSHr Fonte: Site da KSB. Então, NPSHr = 3,2m. Conclui-se que não haverá cavitação na bomba pois: NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 32 de 49 Projeto de Bombas 15 SELEÇÃO DO MOTOR ELÉTRICO 15.1 Cálculo da Potência da bomba Nesta etapa, calcula-se a potência necessária solicitada pela bomba para movimentar o fluido no ponto de funcionamento da instalação, utilizando a vazão, a altura manométrica e o rendimento obtido. CV HQ N B B B 1,877,0 1,20 3600 9,83 103 = ⋅⋅ = ⋅⋅ = η γ 15.2 Cálculo da potência do motor elétrico Nesta etapa, calcula-se a potência do motor com a referência na potência solicitada pela bom- ba. A equação geral de cálculo para a potência do motor é: Bm NaN ⋅= )2,11,1( ; adota-se fator 1,1, então: CVNm 9,81,81,1 =⋅= Consultando o catálogo de motores elétricos do fabricante WEG, tem-se: NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 33 de 49 Projeto de Bombas Figura 17 – Dados do Motor WEG Fonte: Site da WEG. Nota-se que o motor de potência mais próxima à calculada, para uma rotação de 1750 rpm é o de potência nominal 10 CV. A seguir, verificamos se a carga que o motor estava sendo exercido era suficiente. 81,0 10 1,8 === Nmotor Nb η Como pode perceber, a carga está dentro do recomendado, que é de 75%. Abaixo está a ficha técnica deste motor. NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 34 de 49 Projeto de Bombas Figura 18 Folha de dados do motor. Fonte: Site da WEG. Para confirmar se o motor escolhido é adequado é necessário determinar o rendimento do mesmo. Esta informação existe na curva de rendimento do motor em função do carregamento do motor. O carregamento pode ser calculado por: %81100 10 1,8 100arg% _min =⋅=⋅= motoralNo B N N ac O mínimo exigido por norma é 75%. Na curva de rendimento do motor: NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 35 de 49 Projeto de Bombas Figura 19 Curva de Rendimento do Motor. %88=Motorη O valor está na região de rendimento máximo do motor, portanto a escolha é aceitável. Motor selecionado: Motor trifásico de Indução, rotor de gaiola, de 4 pólos, com freqüência 60 Hz, potência nominal 10 HP (~10 CV), Carcaça 132S – IP55. NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 36 de 49 Projeto de Bombas 16 CÁLCULO DE CUSTOS DE OPERAÇÃO NA LINHA A equação geral de cálculo de custo de operação é: EnergiaunitárioCustoPeríodooperaçãodeTempoNCusto Motor ____ ⋅⋅⋅= O custo unitário de energia, segundo a Celpe é de 0,47665 R$/kWh; o tempo de operação é de 16 h/dia e o período a ser calculado é de um mês, padronizado para 30 dias. Falta somente o cálculo da potência consumida na rede. O motor elétrico consumirá a energia da rede. Pode-se dimensionar este consumo pela equa- ção: kW CV kW CVN CV N N Motor Motor B Motor 77,6736,02,9 2,9 88,0 1,8 =⋅⋅⋅= === η Agora é possível determinar o custo mensal de operação. mês R kWh R mês dias dias h kWCusto $ 92,1548 $ 47665,0301677,6 =⋅⋅⋅= Este custo foi dimensionado mediante o controle dos rendimentos da bomba e do motor elé- trico no projeto. 17 DEMONSTRAÇÃO DOS CUSTOS DE INSTALAÇÃO Neste ponto do projeto será feita uma análise dos custos referentes à implementação da insta- lação hidráulica. Pode-se dividi-la em duas partes: sucção e recalque. Serão apresentadas tabelas dos componentes para cada uma, constando os respectivos preços e então será calculado o custo total e feita uma análise crítica deste. Cabe ressaltar que se está considerando para o cálculo somente o custo de aquisição dos com- ponentes mecânicos; não entram neste estudo os custos referentes à parte elétrica, às entregas dos equipamentos, à mão-de-obra despendida e os impostos e taxas possíveis. NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 37 de 49 Projeto de Bombas Tabela 12 – Demonstrativo dos Custos de Instalação Parte Tubulação Descrição Pedido Qtde und preço unit Preço Total Tubo Diâmetro 6" SCH 40 - Recalque BR 6 MTS 5 BR R$ 184,87 R$ 924,35 Cotovelo 90º Diâmetro de 6" . 3 PC R$ 82,62 R$ 247,86 Tê diâmetro 6" . 2 PC R$ 139,00 R$ 278,00 Flange Diâmetro 6" . 14 PC R$ 75,60 R$ 1.058,40 Válvula Gaveta F0F0 Diâmetro 6" NIAGARA . 3 PC R$ 3.269,70 R$ 9.809,10 Sucção Conexão de Aço para solda 6" para 4" - 1 PC R$ 83,50 R$ 83,50 Bomba KSB Meganorm 65-200 Ø219mm Rotor - 1 PC R$ 2540,00 R$ 2540,00 Motor Motor Trifásico 4 Pólos 220/380V 1750rpm - 1 PC R$ 1450,00 R$ 1450,00 Válvula Gaveta F0F0 Diâmetro 4" NIAGARA - 3 PC R$ 2.500,80 R$ 7.502,40 Tubo Diâmetro 4" SCH 40 - Recalque BR 6 MTS 8 BR R$ 586,03 R$ 4.688,24 Válvula Globo F0F0 Diâmetro 4" - 1 PC R$ 1.048,32 R$ 1.048,32 Válvula de Portinhola Aço Carbono Diâmetro 4" - 2 PC R$ 830,00 R$ 1.660,00 Conexão de Aço para Solda 2.1/2" para 4" - 1 R$ 83,50 R$ 83,50 Recalque Cotovelo 90º Diâmetro de 4" - 4 PC R$ 32,00 R$ 128,00 Total R$ 31.501,67 Pode-se observar que o custo de válvulas é bastante elevado. No mais, o custo da instalação está padrão e pode ser implementado com certa tranqüilidade econômica. 18 VERIFICAÇÃO DA MONTAGEM DO CONJUNTO MOTO-BOMBA Ao projetar-se uma instalação e escolher-se um conjunto motor-bomba, é necessário certifi- car-se de que o conjunto irá montar-se facilmente à instalação, inclusive considerando a maneabili- dade do conjunto em uma eventual manutenção. A verificação do conjunto se dará em três etapas: • Verificação das medidas do conjunto e confirmação do ajuste ao espaço previsto na instalação • Verificação e definição dos meios de ligação da bomba com os tubos; • Análise sobre a justaposição do conjunto em uma eventual manutenção. Na primeira etapa, serão apresentados os desenhos dos catálogos dos fabricantes, tanto da bomba quanto do motor selecionados, analisando-se descritivamente o ajuste do conjunto na instalação. NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página38 de 49 Projeto de Bombas Figura 20 - Desenho da bomba KSB Meganorm 65-200 – Drotor = 219 mm Cotas em mm DN1 DN2 a f x n1 h1 h2 65-200 100 65 100 500 140 320 180 225 Fonte: Manual Técnico KSB Meganorm NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 39 de 49 Projeto de Bombas Figura 21 - Desenho Motor Trifásico de 4 pólos Carcaça 132S – IP55 Cotas em mm AC L ES Motor 270 481 40 Fonte: Manual Técnico WEG – Motor Carcaça 132S – IP55 Com estas informações, serão calculadas a altura, o comprimento e a largura do conjunto e então será mostrado no desenho da instalação que os conjuntos se ajustam a ela há bastante espaço disponível para a circulação de pessoas, facilitando as manutenções. Cálculo das medidas do conjunto: mmmnBombauraLuraL mmmESLfaoCompriment ChavetaJunçãoMotoroComprimentBombaoComprimentoCompriment mmmhhBombadaAlturaAltura 32,03201_argarg 041,1104140481500100 ___ 405,040522518021__ ==== ==−++=−++= −+= ==+=+== NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 40 de 49 Projeto de Bombas Comparação com o desenho: Figura 22 – Planta da Instalação A figura acima é a planta da instalação em escala. Observa-se que os dois conjuntos motor e bomba estão a 19 m da máquina. Sendo o comprimento de ambos 1,041 m, sobram 17,96 m de espa- ço até a máquina, dando grande mobilidade para pessoal, facilitando operação e manutenção. Quanto ao espaço entre as bombas: observa-se que a distância entre os centros das duas é de 2 m. sendo a largura ou o diâmetro de cada uma igual a 0,32 m, cada uma ocupa 0,16 m da distância, ficando uma distância entre elas igual a 1,68 m, equivalente a uma pessoa de estatura baixa, deitada. É um espaço razoável para uma pessoa que, na necessidade de uma manutenção, precisar ficar entre elas para realizar a operação. Também há uma economia de espaço, o que reduz um pouco o custo de instalação. NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 41 de 49 Projeto de Bombas Figura 23 – Elevação da Instalação A figura acima retrata a elevação da instalação. Observa-se que a bomba está afogada e que o centro dela dista 10 m da seção de entrada da máquina. Sendo a cota vertical do centro da boca de entrada da bomba até a boca de saída desta igual a h2 que é igual a 225 mm ou 22,5 cm, esta se ajus- ta perfeitamente à altura total desta elevação. Referente agora às bocas de entrada e de saída da bomba. A boca de entrada, representada por DN1, possui 100 mm de diâmetro, equivalente a 4”, sendo que o diâmetro da tubulação de sucção vale 6”. Para contornar este problema, soldou-se na extremidade do tubo de sucção uma redução do fabricante NIAGARA, de 6” a 4”, permitindo assim o encaixe entre a ponta do tubo e a boca de en- trada da bomba. Problema semelhante ocorre na seção de saída da bomba para a tubulação de recalque. O di- âmetro da boca de saída, representada por DN2 é de 65 mm, equivalente a 2,5” e ao diÂmetro do tubo de recalque é de 4”. Para contornar a situação, soldou-se à ponta do tubo de recalque também uma redução da NIAGARA, de 2.1/2” a 6”. A perspectiva isométrica da montagem da bomba demonstra a montagem. A figura abaixo mostra a redução utilizada e o catálogo de medidas desta. NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 42 de 49 Projeto de Bombas Figura 24 – Redução Fonte: Manuais Niágara NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 43 de 49 Projeto de Bombas 18.1 Vedação da bomba Demonstrou-se que para a vazão de trabalho na instalação de 83,9 m , a carga manométrica fornecida pela bomba é 20,1 m; multiplicando-se esta carga pelo peso específico da água, tem-se uma pressão na bomba de 20100 kgf/m² = 2,01 kgf/cm² = 2,01bar. Para uma pressão desta ordem de grandeza, com um fluido limpo, pouco viscoso e pouco agressivo, aliado a rotação da bomba de 1750 rpm, relativamente baixa, a vedação por gaxetas é a mais adequada: é mais barata que o selo mecâni- co e possui um nível de serviço alto nas condições impostas. Como trabalha-se apenas duas bombas, sendo uma reserva, a troca e a manutenção do estoque de gaxetas não será muito oneroso. Abaixo há um desenho da bomba retirado do catálogo do fabricante, com a lista de peças in- clusa. Figura 25 – Bomba KSB Meganorm 65-200 – Desenho Esquemático c/ Gaxeta Fonte: Manual Técnico KSB Meganorm NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 44 de 49 Projeto de Bombas Figura 26 – Lista de Materiais da Bomba KSB Meganorm 65-200 Fonte: Manual Técnico KSB Meganorm NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 45 de 49 Projeto de Bombas 19 ESTUDO DE VIABILIDADE DO BY-PASS O By Pass consiste em uma passagem da tubulação que funciona sem a bomba, apenas com a carga disponível da instalação. Deseja-se efetuar a lavagem da tubulação e do maquinário, sendo que: • Vazão tem de ser 10% da vazão de Projeto • A pressão de entrada na máquina tem de ser 25% da pressão da instalação com bom- ba. Sendo assim, necessita-se de uma nova CCI, referente agora ao By Pass,para que seja possí- vel concluir a respeito da viabilidade ou não deste By Pass. 19.1 Cálculo da equação da nova CCI Sabe-se que a equação da CCI é: ⋅+⋅ ⋅ ++−= ∑ = 5 1 420 18 i i L i i entrada entrada B D L f Dg p ZH πγ , sendo que: mmD cm kgf p h m Q entrada ebtrada 100 55,0%252,2 39,8%109,83 2 3 = =⋅= =⋅= Abaixo, tem-se a tabela de perdas de comprimento equivalentes no By Pass: Tabela 13 – Comprimentos Equivalentes da Tubulação de By-Pass Tubulação de aço - 6" Componentes Qtd Leq. (m) Ltotal (m) Saída da canalização 1 5,00 5,00 Válvula esfera 1 2,00 2,00 Cotovelo 90º 2 4,90 9,80 Redução 6x4 1 2,70 2,70 Te saída lateral e bilateral 1 10,00 10,00 Comprimento equivalente da tubulação 1 25,00 25,00 Total 54,50 NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 46 de 49 Projeto de Bombas Tubulação de aço - 4" Componentes Qtd Leq. (m) Ltotal (m) Entrada da canalização 1 1,60 1,60 Válvula esfera 2 1,30 2,60 Válvula globo reta com guia 1 45,70 45,70 Cotovelo 90º 2 3,00 6,00 Te saída lateral e bilateral 1 6,70 6,70 Comprimento equivalente da tubulação 1 31,00 31,00 Total 93,60 Sendo assim, a equação calculada seria: [ ] [ ] mH h m Q QH QH B B B == ⋅+−= ⋅⋅ ⋅+ ⋅+⋅ ⋅ + ⋅ +−= ; 00155,05,8 3600 1 1023,0 60,93 026,0 154,0 50,54 025,0 1,0 1 8,9 8 10 1055,0 14 3 2 2 255423 4 π A curva CCI é dada por: Figura 27 – Curva da CCI do By-Pass Pode-se observar que, utilizando a energia disponível total do By Pass, adquiri-se uma vazão de aproximadamente 110 m³/h, é muito maior do que a vazão exigida de 8,39 m³/h. Portanto, é pos- sível utilizar o By Pass, através da válvula de fluxo.NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 47 de 49 Projeto de Bombas 20 DESCRIÇÃO DO PLANO EMERGÊNCIAL Plano emergencial para casos de problemas no fornecimento de água para o equipamento. 20.1 Plano A O sistema é monitorado por fluxostatos instalados em cada saída de bomba, de modo que é liberada sua atuação quando sua respectiva bomba é acionada via painel de comando elétrico. Quando há falta de fluido, que pode ser ocasionado pelo acionamento do relé térmico de pro- teção do motor elétrico, o fluxostato aciona um sinal sonoro/visual disponibilizado na sala de manu- tenção, de modo que operadores especializados dirijam-se até o local para retirar e realizar os devi- dos reparos na bomba avariada, que terá sua parada acusada por sinalizador vermelho localizado na parte frontal do painel de comando elétrico. Através de ligações elétricas com uso de contatores a bomba avariada tem sua energização cortada e simultaneamente é acionada a bomba reserva para que a produção não seja afetada. 20.2 Plano B Quando o bombeamento de água é comprometido, através de sinalizadores nas máquinas da produção os operadores desligam a mesma e acionam o departamento de manutenção para que no local de bombeamento seja feita a manobra de desvio de fluxo entre as bombas. • Procedimento para substituição de bomba avariada: Localizada a bomba avariada, desligar sua energização no painel de comando elétrico e veri- ficar se seu relé térmico foi acionado por aquecimento excessivo. Nesse caso, pode haver duas situa- ções: Situação 1: relé acionado: • Rearmar o térmico de proteção do motor e religar a bomba para avaliação; • Caso o relé volte a desarmar, deverá ser acionada a bomba reserva para retorno das a- tividades da produção e a mesma encaminhada à manutenção; • Caso o funcionamento se estabilize bastará relatar a ocorrência em livro e analisar as possíveis causas de aquecimento do térmico de proteção do motor elétrico da bomba. NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 48 de 49 Projeto de Bombas Situação 2: relé não-acionado: • Verificar se o rotor da bomba está obstruído através da ventoinha do motor, girando-o manualmente caso esteja travado. O mesmo deve ser encaminhado à manutenção e a bomba reserva deve ser acionada. • Acionamento da bomba reserva: no painel elétrico há duas chaves comutadas para a- cionamento elétrico das bombas com identificação. Para acionar a bomba reserva basta desligar a bomba que apresentar defeito e ligar a bomba reserva. NM7710 – Bombas e Instalações Hidráulicas Página 49 de 49 Projeto de Bombas 21 REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA SANTOS, Sérgio Lopes dos. Bombas e Instalações Hidráulicas. 3º edição TELLES, Pedro Carlos da Silva. Tubulações industriais : materiais, projeto, montagem. Rio de Janeiro: LTC, 2001 Catálogo de Motores Weg. www.weg.com.br Catálogo de Bombas KSB. www.ksb.com.br Catálogo de Válvulas Niágara. www.niagara.com.br
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