relatorio variador de frequencia

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CENTRO UNIVERSITÁRIO FEI
Mecânica dos Fluidos para Engenharia Química
VARIADOR DE FREQUENCIA 
Amanda Gomes RA: 11.116.364-8
Ana Beatriz	RA: 11.115.931-5
Barbara Tezoto RA:11.115.381-3
Daniela Schiavon RA: 11.116.054-5
Patrick Wecchi RA: 11.116.473-7
Tamires Mercês RA: 11.116.425-7
São Bernardo do Campo, 10 de abril de 2018
SUMÁRIO
Resumo ................................................................................................................ 3
Introdução ............................................................................................................ 4
Revisão Bibliográfica .......................................................................................... 5
Procedimento Experimental ................................................................................ 11
Resultados e Discussões ..................................................................................... 12
Conclusões ......................................................................................................... 14
Referências Bibliográficas ................................................................................. 15
RESUMO
	Nesse experimento estudou-se a bomba IMBIL levantando a curva HB = f(Q) e comparando-a com a curva fornecida pelo fabricante, levando em conta as perdas na tubulação de sucção e descarga, as quais foram calculadas a partir da medição dos seus comprimentos. Além disso, foi estudada outra bomba supostamente idêntica, obtida pela instituição ao mesmo tempo que a bomba estudada pelo grupo, com o mesmo tempo de operação, e comparado seu funcionamento, indicando as possíveis causas das diferenças observadas. 
	Foi notado um claro desgaste da bomba, o que era de se esperar pelo tempo de funcionamento da mesma. Além disso houve uma pequena diferença na comparação com a bomba estudada pelo outro grupo. 
INTRODUÇÂO
O objetivo dessa experiência foi fazer o levantamento de duas curvas manométricas em função da vazão e de sua frequência. Esse levantamento de dados foi pela frequência de 60Hz e de 50Hz.
Calculando a potencia das duas bombas na mesma vazão, comparando a potencia exigida pelo motor elétrico quando esta é conseguida com a válvula globo totalmente aberta, utilizando o variador de frequência para diminuir a rotação e a potencia exigida quando esta mesma vazão é conseguida coma válvula parcialmente fechada, sem o uso do variador de frequência.
Alem disso foi analisado os possíveis materiais em um projeto de uma tubulação para o transporte de acido sulfúrico ( T > 100F e concentração > 90% ).
REVISAO BIBLIOGRAFICA
Variador de frequência é um aparelho eletrônico capaz de variar a velocidade de giro de um motor de indução trifásico. Ele transforma corrente alternada fixa em corrente alternada variável, controlando assim a potência consumida pela carga.
	Motores de indução trifásicos têm seu funcionamento baseado no campo magnético girante que surge quando um sistema de alimentação de corrente alternada é aplicado em pólos defasados de 120°. A velocidade de rotação do motor está ligada a velocidade proporcionada por esse campo magnético girante (velocidade síncrona Ns), sendo esta proporcional à frequência de rede em Hz (f). Matematicamente:
Onde: p é o número de pólos do motor.
	Este tipo de motor é largamente encontrado na indústria, pois é ideal em quase todo tipo de operação, devido ao fato de terem alta eficiência, baixo custo, robustez e também pela configuração do sistema de distribuição de energia ser feito em corrente alternada.
	O variador de frequência tem como principal função através da mudança de frequência, a variação da rotação do motor trifásico. Alternando, assim, a velocidade em que o motor trabalha, facilmente. A freqüência de entrada (dada pela rede) determina a velocidade síncrona, assim, se a freqüência aumentar ou diminuir a velocidade irá aumentar e diminuir também, respectivamente. O variador de freqüência atua nessa variação.
	Com o uso deste aparelho é possível controlar a velocidade do motor sem grandes perdas de torque, aceleração suave (rampa de aceleração), frenagem direta (dispensa freios mecânicos), além de muitas outras possibilidades.
	Alguns dos benefícios de se utilizar um variador de freqüência são:
Automatização, segurança e flexibilidade em processos industriais;
diminuição de choques mecânicos na partida do motor;
precisão de processos;
menos intervenção humana;
economia de energia elétrica;
maior durabilidade de componentes mecânicos.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Abriu-se a válvula globo toda e regulou-se a frequência no variador de frequência para 55 rpm. Ligou-se a bomba e mediu-se as pressões de sucção e recalque para as vazões de 16 m3/h, 13m3/h, 10 m3/h e 7 m3/h. As diferentes vazões foram obtidas pelo fechamento da válvula e os valores lidos no rotâmetro. E a primeira vazão foi a máxima, obtida pela abertura completa da válvula.
O procedimento foi repetido para 45 rpm e vazões de 13 m3/h, 10 m3/h, 7 m3/h e 4m3/h. As vazões foram anotadas, bem como todos as pressões para os cálculos.
RESULTADOS E DISCUSSÃO 
Parte 1. Cálculos referentes ao laboratório
Para cada uma das quatro diferentes vazões e diferentes frequências monta-se a tabela 1:
Tabela 1 referente a coleta de dados no laboratório
	
	Exp. 4 – Variador de Frequência
	
	
	f = 45 Hz
	f = 50 Hz
	f = 55 Hz
	f = 60 Hz
	
	Ensaios
	Q
	pe (-)
	ps
	Q
	pe (-)
	ps
	Q
	pe (-)
	ps
	Q
	pe (-)
	ps
	
	1
	13
	200
	0,95
	15
	240
	1,20
	16
	260
	1,50
	19
	310
	1,80
	
	2
	10
	160
	1,10
	12
	190
	1,40
	13
	200
	1,75
	15
	240
	2,00
	
	3
	7
	120
	1,20
	9
	150
	1,50
	10
	150
	1,90
	12
	170
	2,20
	
	4
	4
	95
	1,30
	6
	110
	1,60
	7
	110
	2,00
	9
	130
	2,40
	
Sendo:
[Q] = vazão [m3/h]
[pe] = pressão de entrada [mmHg]
[ps] = pressão de saída [kgf/cm2]
Primeiramente acham-se as velocidades de sucção e recalque através do uso da seguinte fórmula:
Fórmula da velocidade em função da vazão e do diâmetro da tubulação.
Onde:
[v] = velocidade [m/s]
[Q] = vazão [m3/s]
[D] = diâmetro da tubulação [m]
Sabendo-se que os diâmetros de sucção e recalque são, respectivamente De = 52,5 mm e Ds = 40,9 mm
Em seguida, com os dados coletados, encontram-se as cargas manométricas da bomba através de Bernoulli:
Equação de Bernoulli ajeitada para encontrar a carga manométrica da bomba em função das pressões e velocidades de entrada e saída.
Onde:
[HB] = carga manométrica da bomba [m]
[ps] = pressão de saída [kgf/m2]
[pe] = pressão de entrada [mmHg]
[γ] = peso específico [kgf/m3]
[vs] = velocidade de saída [m/s]
[ve] = velocidade de entrada [m/s]
[g] = aceleração da gravidade [m/s2]
	[Δz] = variação de cota [m] 
	
	Para cada frequência calcula-se a rotação da seguinte forma, usando a lei da semelhança:
	Desse modo obtém-se:
	n1 (45 Hz) = 2700 rpm
	n2 (50 Hz) = 3000 rpm
	n3 (55 Hz) = 3300 rpm
	n4 (60 Hz) = 3600 rpm
  	Faz-se então, os cálculos para cada uma das quatro frequências, obtendo-se a tabela 2:
Tabela 2 referente as velocidades de entrada, saída e respectivas cargas manométricas
	f = 45 Hz
	f = 50 Hz
	f = 55 Hz
	f = 60 Hz
	Ve (m/s)
	Vs (m/s)
	HB (m)
	Ve (m/s)
	Vs (m/s)
	HB (m)
	Ve (m/s)
	Vs (m/s)
	HB (m)
	Ve (m/s)
	Vs (m/s)
	HB (m)
	1
	1,67
	2,75
	12,6
	1,92
	3,17
	15,78
	2,05
	3,38
	18,8
	2,44
	4,02
	22,87
	2
	1,28
	2,11
	13,5
	1,54
	2,54
	16,97
	1,67
	2,75
	21,3
	1,92
	3,17
	23,78
	3
	0,90
	1,48
	13,83
	1,15
	1,90
	17,28
	1,28
	2,11
	20,6
	1,54
	2,54
	24,66
	4
	0,50
	0,85
	14,48 
	0,77
	1,27
	17,71
	0,90
	1,48
	21,3
	1,15
	1,90
	26,07 
A partir dos valores coletados, levantou-se as curvas referentes à bomba operando nas diferentes frequências:
Gráfico de Carga x Vazãonas diferentes frequências
	Com as curvas obtidas, verifica-se qual é a economia aproximada de carga (ΔEc) através do espaçamento entre cada uma das curvas:
	Entre f (43 Hz) e f (50 Hz): ΔEc = 3,83 m
	Entre f (43 Hz) e f (55 Hz): ΔEc = 7,53 m 
	Entre f (43 Hz) e f (60 Hz): ΔEc = 11,98 m
A partir do gráfico construído, fixa-se um ponto (F) no extremo da curva de menor frequência (45 Hz) e sobe-se na direção vertical, achando os pontos correspondentes nas curvas restantes (H, I, J):
Gráfico 2 pontuado
De modo que QG = QH = QI = QJ = 13 m3/h
Para o cálculo das potências de eixo, usa-se a seguinte fórmula:
Fórmula de potência de eixo de bomba
Onde:
[NBG] = potência no ponto G [W]
[QG] = vazão no ponto G [m3/s]
[HBG] = carga manométrica da bomba no ponto G [m]
[γ] = peso específico [N/m3]
[ηBG] = rendimento da bomba
Utiliza-se da mesma fórmula para o cálculo das demais potências, variando-se apenas a carga. Para realização do cálculo, é preciso antes encontrar o rendimento da bomba, que é retirado do gráfico fornecido pelo fabricante, para a vazão de 13 m3/h:
Gráfico fornecido pelo fabricante
Para QG temos que o rendimento é aproximadamente igual a 64,5%
Portanto, para a carga de 12,6 m, a potência no ponto G é:
NG = 691,32 W
Para os pontos H, I e J, retiram-se do gráfico as respectivas cargas manométricas:
HBH = 16,43 m
HBI = 20,13 m
HBJ = 24,58 m
Portanto, fazendo-se os cálculos para as potências nos pontos H, I e J, é tido que:
NH = 901,46 W
NI = 1,104 kW
NJ = 1,249 kW
Com tais dados é possível, então calcular qual a economia entre uma bomba operando em 45 Hz e as demais, em módulo:
Entre os pontos G e H:
ε (%) = 30,40%
Entre os pontos G e I:
ε (%) = 59,69%
Entre os pontos G e J: 
ε (%) = 80,67%
Parte 2. Comparação de economia numa indústria.
Para essa parte, utiliza-se uma conta de luz residencial como base de cálculo. Admite-se que uma indústria opere com 8000 h/ano
Sabendo-se que um ano tem 8760 horas, o consumo é calculado por:
Sendo que:
Usando-se uma conta de luz residencial qualquer para base de cálculo:
Custo para um total de energia de 336 kWh = R$ 210,82, o que dá R$ 0,627 a cada kWh.
Cálculo para bomba operando em 45 Hz: 0,69132*8000 = 5.530,56 kWh
Custo = 5.530,56*0,627 = R$ 3.470,10
Repetindo-se os cálculos para 55 Hz e 60 Hz:
Para 55 Hz: Consumo = 1,104*8000 = 8.832kWh; Custo = R$ 5.537,66
Para 60 Hz: Consumo = 1,249*8000 = 9.992 kWh; Custo = R$ 6264,98
Calcula-se então a economia da bomba a 60 Hz em relação à bomba a 45 Hz:
E então da bomba a 60 Hz em relação a bomba a 55 Hz:
Parte 3: Transporte de Acido Sulfurico 
Baseado na pesquisa realizada no Manual de Engenharia Química (Perry & Chilton) da temperatura de vapor do ácido sulfúrico e no cruzamento dos dados de temperatura na tabela fornecida em aula, foi possível determinar que o melhor material para conduzir tal substância é o aço-carbono A53 API5L ou A672 Gr A55 soldado (qualquer diâmetro) com 1,2mm de margem para corrosão. Em relação às válvulas, o material da carcaça deve ser aço-carbono e o mecanismo interno aço inoxidável tipo 410. As extremidades devem ser: até 1” ½ com solda de encaixe e a partir de 2” flangeadas (em aço-carbono).
CONCLUSÃO
O variador de frequência é utilizado em sistemas onda existe a necessidade de alteração da vazão com certa frequência. Para que nao haja um consumo energético desnecessário com a necessidade de se diminuir a vazão na tubulação em algum processo ao fechar-se parcialmente uma válvula, diminui-se a rotação do motor, diminuindo-se consequentemente a vazão, e, assim, economizando energia. 
A experiência em questão utilizou um variador de frequência operando a 60 hz, que seria o modo de operação comum da bomba caso ela estivesse ligada diretamente na rede, e em outras frequências também ( 45, 50 e 55 hz), que implicaram em vazões menores. 
A partir dos dados coletados obteve-se as cargas manométricas para cada bomba e construiu-se o gráfico de carga x vazão para cada frequência de operação do variador. Com este gráfico, foi possível analisar o consumo energético que a bomba tem nas diferentes frequências propostas em comparação ao que seria gasto caso nao houvesse o variador de frequência. 
Em paralelo, para uma situação hipotética do uso da bomba em uma indústria, calculou-se o quanto de economia energética que seria feito caso utiliza-se um variador de frequência, obtendo-se 44,6% diminuindo a frequência em 15hz, e uma economia de 11,61% diminuindo-se a frequência em 5hz.
6.BIBLIOGRAFIA
BRUNETTI, Franco. Mecânica dos fluidos. 2. Ed. Pearson.