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UNL-FCT 1 SISTEMAS ELEVATÓRIOS 1. Generalidades A maioria dos sistemas de abastecimento, nos dias actuais, possuem um ou vários conjuntos de bombas, seja para bombear a água de um recurso de superfície ou de poços ou furo, seja para bombear a pontos distantes ou elevados ou para repor a capacidade de adução de adutoras. Os sistemas que funcionam inteiramente por gravidade escasseiam-se cada vez mais, apesar das vantagens seguintes: a) Sem despesas com energia; b) Independente de falhas e interrupções no fornecimento de energia; c) Facilitam a operação e manutenção com a inexistência de equipamentos mecanizados; d) Eliminam o ónus adicional representado pelo pessoal e material necessários à operação e manutenção de estações elevatórias, etc. A localização de muitas cidades em cotas bastante elevadas em relação aos recurso próximos, ou a enorme distância dos recursos que se encontram em posição mais alta que a cidade, constituem obstáculos à adopção de sistemas quem funcionam por gravidade. 2. Classificação Geral das bombas a) Bombas cinéticas: − Centrífugas (fluxo radial, misto e axial); − Periféricas (estágio único e estágios múltiplos); − Especiais (de ejector, de injecção de gás, de aríete hidráulico e electromagnética). b) Bombas de deslocamento directo: − Com movimento alternado (de pistão, de êmbolo, de diafragma); − Com “blow case” (de rotor único – de palheta, de pistão, de membro flexível, de parafuso); − Com movimento rotativo (de rotor múltiplo – de engrenagem, de lóbulo, de pistão circunferencial, de parafuso) Obs.: Actualmente, há um predomínio quase total das bombas centrífugas da citada classificação em sistemas públicos de abastecimento de água, razão pela qual serão as únicas a serem estudadas. 3. Bombas centrífugas Para atender ao seu grande campo de aplicação, as bombas centrífugas são fabricadas nos mais variados modelos. As bombas de fluxo radial são as denominadas centrífugas propriamente ditas. A água penetra na bomba por uma entrada junto ao eixo do rotor, sendo daí UNL-FCT 2 dirigida para a periferia a grande velocidade, graças à força centrífuga gerada pelo rotor em movimentação. As bombas de fluxo radial destinam-se à bombagem de líquidos em geral a posições elevadas. São os tipos de uso comum em captações com grande bombagem, em elevatórias situadas junto a estações de tratamento ou a reservatório, torres e ainda, em estações de reforço de pressão. Quando a pressão a ser gerada for muito elevada, as bombas centrífugas podem Ter dois ou mais rotores fechados; são as bombas de duplo ou múltiplo estágio. A água que sai do primeiro rotor é conduzida para o segundo rotor, de onde sai com a pressão aumentada. Na bomba de fluxo axial, a movimentação da água faz-se no sentido do eixo do rotor. Este se assemelha a uma hélice, sendo por isso conhecida também por bomba de hélice. Sua aplicação é reservada ao bombeamento de grandes vazões e reduzidas alturas. É utilizada, frequentemente, em captações de água de mananciais de superfície com pequena altura de elevação. As bombas de fluxo misto combinam princípios das bombas radiais e axiais. O encaminhamento da água é helicoidal. As bombas de eixo prolongado para a extracção de água de poços profundos são geralmente do tipo de fluxo misto e quase sempre de vários estágios. 3.1. Grandezas características A definição ou escolha de uma bomba centrífuga é feita essencialmente através de vazão de bombeamento e da altura manométrica total capaz de ser produzida pela bomba a esse caudal. Outras grandezas também consideradas são a altura manométrica de sucção, a rotação, a potência absorvida e a eficiência. a) Altura manométrica total (Hman) → corresponde ao desnível geométrico (Hg), verificado entre os níveis da água na tomada e na chegada, acrescido de todas as perdas localizadas e por atrito que ocorrem nas peças e tubulações, quando se bomba um caudal Q. Estas podem ser desdobradas em perdas na sucção (hfsuc) e perdas no a bombagem (hfrec). UNL-FCT 3 Hman = Hgs + Hgr + hLs + hLr + hs + hr. hfr NA Hman total Hgr Hman suc Hgs NA hfs Em consequência, a altura manométrica total pode ser desdobrada em duas parcelas a saber: 1) Altura manométrica de bombagem – soma da altura geométrica de bombagem com as perdas calculadas no trecho correspondente: Hman.rec = Hgr + hLr + hr = Hgr + JLr + KV g 2 2 Hgs – altura geométrica (desnível topográfico de sucção – m) hLs – perda de carga na tubulação de sucção – m hs – perdas de carga localizadas na sucção – m Hgr – altura geométrica de bombagem– m hLr – perda de carga na tubulação de bombagem– m hr – perdas de carga localizadas na bombagem – m ht – perda total = hLs + hLr + hs + hr. 2) altura manométrica de sucção → soma da altura geométrica de sucção com as perdas calculadas no trecho correspondente; Hman.suc = Hgs + hLs + hs = Hgs + JLs + KV g 2 2 b) Vazão (Q) → o caudal a ser bombeado por uma bomba, é função da demanda ou necessidade de água da comunidade a ser abastecida, já definida anteriormente. c) Rotação → é caracterizada pela velocidade que a máquina de accionamento imprime à bomba. No caso de motor eléctrico, essa velocidade é função directa da frequência eléctrica da corrente e do UNL-FCT 4 número de pólos que possui o motor. De acordo com essa velocidade, as bombas podem ser: r/min = 120. f n bomba de alta rotação 3 000 a 3600 r/min bomba de média rotação 1500 a 1 800 r/min bomba de baixa rotação 1200 r/min ou menor d) Eficiência ou rendimento da bomba → é a razão entre a potência útil e a potência útil necessária (potência da bomba) a ser fornecida ao eixo da bomba, para realizar aquele trabalho, uma vez que nem toda a energia cedida pelo motor é aproveitada pela água, devido as perdas existentes na bomba. ηb = Putil Pbomba Pu = Q Hman K . .γ Pu = potência útil (W); Q = vazão (m3/s); H = altura manométrica (m); γ = peso volúmico da água (N/m3); K = factor de compatibilização de unidades. e) Velocidade ou número de rotações por minuto → cada modelo de bomba centrífuga é projectado para trabalhar uma determinada velocidade, que lhe é fornecida pelo motor. − Os motores síncronos têm sua velocidade definida por: r/min. = 120. f n ; f = frequência da corrente (50 Hz), n = número de pólos. − Os motores de indução (assíncronos) geralmente usados nas bombas centrífugas apresentam uma pequena diferença (3-5%) na velocidade calculada pela fórmula. f) Potência absorvida pela bomba (CV) é determinada através da expressão: P = Q Hman b . . . γ η75 ; η b = eficiência da bomba. Tratando-se de água com peso volúmico igual a 9800 N/m3, utiliza-se a fórmula: UNL-FCT 5 P = Q Hman b . . . γ η75 ; Q (l/s), Hman (m) , P (CV). g) Altura de sucção da bomba → os cálculos relativos a sucção de uma bomba envolvem: − Pressão barométrica local, Pa; − pressão de vapor de água, à temperatura do líquido, pv; − altura geométrica de sucção, Hg; − perdas de cargas hidráulicas na tubulação e nas peças utilizada na sucção, hfs; − uma característica particular de cada bomba, variável com o caudal de bombeamento, conhecida por “net positive suction head”, NPSH (carga líquida positiva de sucção). − Esses valores, expressos em altura de coluna de água (m), relacionam-se através da seguinte expressão: Pa = Hg + pv + Σhfs + NPSH ou NPSH = (pa –pv) – (Hgs + Σhfs) ou ainda NPSH = (pa – pv) – Hmans → chamado de NPSH disponível. − Nesta fórmula, (pa – pv) será conhecida em cada local em função da altitude e da temperatura da água. − Verifica-se então que se o NPSH for alto, Hman.suc deverá ser baixo, isto é, Hg ou Σhfs, ou ambos, deverão ser baixos. − NPSH disponível > 1,2 NPSH requerido e no mínimo NPSH requerido + 0,50m. − O valor do NPSH requerido é tirado do catálogo do fabricante. Obs.: Caso o NPSHd < NPSHr, ocorrerá no interior da bomba o fenómeno denominado de cavitação, que consiste na formação de bolhas de vapor de água que circulando em alta velocidade e se chocando com o rotor e carcaça danifica-os. 3.2. Curvas Características das bombas As bombas centrífugas são capazes de trabalhar com sensível variação de vazão, de pressão e de rotação. As curvas características destas máquinas permitem relacionar o caudal bombeado com a pressão gerada, com a potência absorvida, com o rendimento e, às vezes, com a altura máxima de sucção. De modo geral, as curvas têm o aspecto do apresentado: UNL-FCT 6 Rendimento Hman Potência (%) (m) Rendimento (cv) 80 160 60 120 H - Q 100 40 80 80 P - Q 20 40 60 40 0 20 20 0 0 400 800 1200 1600 2000 2400 Tipos de curvas características → de acordo com a forma que assume ao variar a altura manométrica com o caudal. H H H (a) (b) (c) Q Q Q a) rising → à medida que o caudal diminui, a altura manométrica aumenta. b) steep → é uma curva do mesmo tipo de a), mostrando grande diferença de altura manométrica para diferentes valores de vazão. c) flat → a altura manométrica varia pouco com o caudal. Estas curvas são chamadas estáveis porque para determinada altura manométrica corresponde um só valor do caudal e vice-versa. − Curvas instáveis H H (d) (c) Q1 Q2 Q Q1 Q2 Q3 Q UNL-FCT 7 As curvas d) e e) são instáveis porque para determinada altura manométrica correspondem dois ou mais valores do caudal. A curva d) é denominada “dropig”. A aplicação de bombas com este tipo de curvas depende muito das características dos sistemas de tubulações. A curva e) é própria de algumas bombas centrífugas de elevada rotação específica que podem ser usadas com tubulações cujas curvas tenham grande inclinação. 3.3. Variação das Curvas Características Com o diâmetro do rotor: cada carcaça pode trabalhar com rotores diferentes. A cada diâmetro corresponde uma curva característica. Se a forma e a rotação se mantiverem constantes, a variação do diâmetro do rotor dá origem a curvas características paralelas sendo que as superiores referem-se aos diâmetros maiores. Assim, se o diâmetro de certa bomba for modificado, as curvas características da máquina apresentam relações bem definidas com características originais, expressas pelas equações: Q Q D D 2 1 2 1 = H H D D 2 1 2 1 2 = ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ P P D D 2 1 2 1 3 = ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ , nas quais as grandezas afectadas do índice 1 referem-se às características primitivas e as de índice 2, as características com o rotor raspado. Geralmente a raspagem do rotor pode ser feita de até 20% do valor máximo do diâmetro sem afectar apreciavelmente o rendimento da máquina. Com a rotação: conservando a forma e o diâmetro do rotor, a energia transferida ao fluido circulante varia com a rotação. A curva característica da bomba também se modifica porque a altura manométrica cresce com o número de giros de rotor na unidade de tempo. Podemos analisar os efeitos da rotação por meio das expressões: Q Q n n 2 1 2 1 = H H n n 2 1 2 1 2 = ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ UNL-FCT 8 P P n n 2 1 2 1 3 = ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ Assim, como no caso anterior, as grandezas afectadas pelo índice 1 referem-se às características originais e as do índice 2 são as da bomba com nova rotação. Com a forma do rotor: para alguns tipos de bomba, principalmente as de maior porte, foram desenvolvidos rotores de forma diversas, que fornecem curvas características diferentes. Quando isto ocorre, compete ao fabricante levantar as curvas correspondentes aos rotores de uso possível na mesma carcaça. 3.4. Associação de curva característica da bomba com característica da tubulação O estudo do comportamento funcional de bombas centrífugas fica bastante facilitado conhecendo-se a chamada curva característica da tubulação que, conforme figura abaixo, indica para cada caudal de bombeamento a correspondente altura manométrica total. Essa curva é obtida calculando-se previamente as perdas de carga nas tubulações de sucção e de bombagem para várias vazões de escoamento. Somadas ao desnível geométrico, fornecem os pontos para o traçado da curva. Como se sabe, a perda de carga é função também da rugosidade do tubo. Hm = Hg + r Q2 ou 1,85 H C1 C2 H’1 H1 Perda de Carga Desnível Geométrico Hg Q1 Q A associação num mesmo gráfico da curva característica (Q,H) da bomba com a curva característica da tubulação permitirá conhecer exactamente o ponto de fornecimento da bomba. A figura abaixo mostra que para que o caudal Q1 possa escoar pela tubulação de bombagem se exige uma altura H1. Se a bomba tiver uma curva UNL-FCT 9 característica passando pelo mesmo ponto P definido por Q1 e H1, ela satisfará exactamente as exigências do problema. Uma outra bomba com curva b, por exemplo, poderá bombear um caudal Q2 > Q1, ou proporcionar uma elevação Hb acima da necessidade para bombear um caudal Q1, ocasionando , neste caso, desperdício de energia. Por outro lado,uma bomba de curva c só poderá bombear para a mesma tubulação um caudal Q3 < Q1 . H P1 Hb b H1 P P2 a b Q3 Q1 Q2 Q Funcionamento em paralelo → é comum em abastecimento de água, instalar-se duas ou mais bombas centrífugas para funcionarem simultaneamente. Para se saber as exactas condições em que irão funcionar, será necessário conhecer também a curva característica da tubulação. Para o traçado da curva Q, H representativa de bombas ou funcionamento paralelo, tomam-se para cada altura a soma das vazões correspondentes de cada bomba. Se as bombas forem idênticas, tomam-se vazões em dobro, ou em triplo do caudal de uma bomba, conforme se tenha duas ou três unidades em operação simultânea. UNL-FCT 10 a) H H Bomba 1 A Bomba 2 A Bomba 3 Bomba 2 B Bomba 2 Bomba 1 Bomba 1 Q Q1 Q2 Q3 Q Q2B Q2A Funcionamento em série → quando se associam bombas em série, o traçado da curva resultante é obtida somando-se as alturas geradas pelas bombas para cada caudal considerado. No caso de bombas iguais, as alturas resultantes são múltiplas da altura de uma só. H H2 H1 Bomba 2 Bomba 1 Q1 Q2 Q 3.5. Noções sobre Motores Eléctricos para Accionamento de Bombas Classificação e características gerais → os motores eléctricos de corrente alternada usualmente utilizados para o accionamento de bombas hidráulicas pertencem a uma das seguintes categorias: 1) motor síncrono; 2) motor assíncrono; 2.1) com rotor de gaiola; 2.2) com rotor bobinado. O motor síncrono tem uma velocidade de rotação rigorosamente definida pela frequência de corrente e pelo número de pólos de conformidade com a seguinte expressão: UNL-FCT 11 n = 120. f p ; n = número de rotação por minuto, f = frequência da corrente, p = número de pólos. O campo prático de aplicação dos motores síncronos é o das grandes instalações, geralmente quando a potência das bombas ultrapassa de 500 HP, e as velocidades necessitam ser baixas. Devido a sua maior eficiência, o dispêndio com energia eléctrica em grandes instalações, passa a ter significativo valor na economia geral do sistema. O custo inicial, entretanto, é elevado e a fabricação ainda restrita em nosso país. Nos motores assíncronos, a velocidade de rotação não coincide exactamente com a velocidade de sincronismo. Devido a carga há uma ligeira redução na rotação , da ordem de 3 a 5%, em que é conhecida por escorregamento. O motor assíncrono com rotor de gaiola é o tipo de uso mais corrente nas pequenas e médias instalações de bombeamento. O rotor não possui nenhum enrolamento, não existindo contacto eléctrico do induzido com o exterior. O rendimento é elevado. A partida é feita utilizando-se chaves eléctricas apropriadas. As instalações com bombas da ordem de até 500cv utilizam quase que exclusivamente motores desse tipo. Potência de motores para accionamento de bombas → a rigor, a potência de placa do motor deve ser o suficiente para cobrir o valor da potência absorvida pela bomba, cujo cálculo é: P = Q Hman b . . . γ η75 Convém, entretanto, que seja ligeiramente superior, pois a bomba poderá eventualmente funcionar com o caudal maior do que a prevista (conduta nova que admite escoamento maior devido a perda de carga ser menor que a recalcada; tubulação descarregando em cota inferior à prevista) e exigir uma potência maior no seu eixo. A potência eléctrica Pe consumida pelo conjunto motor-bomba, expressa em quilowatt é dada pela fórmula: Pe = 0,736 Q Hman b . . . γ η75 ; γ, Q, H têm o mesmo significado já referido anteriormente e η é a eficiência global do conjunto. η = ηbomba x ηmotor UNL-FCT 12 4. Estações Elevatórias Definição: conjunto das edificações, instalações e equipamentos, destinados a abrigar, proteger, operar, controlar e manter os conjuntos elevatórios(motor- bomba) que promovem a bombagem da água. Partes componentes → as estações elevatórias são compostas de: 1) sala das máquinas e dependências complementares; 2) poço de sucção; 3) condutas e acessórios; 4) órgãos de manobra e de segurança 5) instrumentação 6) equipamentos eléctricos; 7) dispositivos auxiliares. Sala das máquinas e dependências complementares: na sala das máquinas são instalados os conjuntos elevatórios e, na maioria dos casos, os equipamentos eléctricos como cabines de comando, chaves de partida e protecção dos motores, e os instrumentos para leitura de medições eléctricas ou hidráulicas. O dimensionamento da sala deverá ser adequado de modo que esse conjunto possa ser montado com relativa folga, permitindo a livre circulação dos operadores e a fácil realização de trabalhos de manutenção ou reparação. Sendo previsto acréscimo no número de unidades de bombeamento, deverá ser reservado espaço suficiente para a instalação das mesmas e dos dispositivos que deverão acompanhá-las. A iluminação deverá ser abundante e, tanto quanto possível natural, sendo aconselhável, por isso, a colocação de janelas amplas. Deverá haver livre circulação de ar para evitar a excessiva elevação de temperatura causada pelo aquecimento dos motores. Entre as dependências auxiliares, são consideradas indispensáveis, uma pequena sala para uso do operador e uma instalação sanitária com bacia, lavatório e chuveiro. De acordo com a importância da estação, outros compartimentos como oficina, depósito de materiais, vestiários e copa poderão ser adicionados. Poço de sucção: é o compartimento de dimensões limitadas, de onde parte a tubulação que conduz água para a bomba. Às vezes, não existe de facto um tanque com essas características pois a tomada é feita directamente no rio, poço, represa ou em amplo reservatório. Conforme a situação do nível de água no poço de sucção em relação à boca de entrada da bomba, há dois casos a considerar: UNL-FCT 13 − poço com nível de água abaixo da bomba: há uma altura de sucção a ser vencida pela bomba, necessitando a mesma ser escorvada para poder funcionar; − poço com nível de água acima da bomba: há uma carga permanente sobre a boca da bomba, que neste caso trabalha afogada. Em abastecimento de água é mais comum encontrar-se o caso de poço situado abaixo da bomba. Apresenta a vantagem de se podermontar o conjunto de bombagem ao nível do terreno, ou mais acima, em ambiente claro e ao abrigo das inundações. Entretanto, devido a necessidade de escorva a operação torna-se mais trabalhosa. O poço com nível de água acima da bomba exige a construção da sala das bombas em cota baixa. Encontra-se o caso de bombas de eixo vertical que são imersas no poço com accionamento feito por motor colocado directamente acima do poço. O sistema de bombas afogadas ou semi-enterrados, para a transferência de água para reservatório elevados. Constituem desvantagens o maior custo das escavações e estruturas e o perigo de inundações na sala das bombas. 3) Tubulações e órgãos acessórios → as estações elevatórias compreendem além das bombas propriamente ditas, um conjunto de tubulações, peças especiais e órgãos acessórios. As tubulações das casas de bombas são geralmente de ferro fundido com juntas de flange. Em se tratando de diâmetro maiores utilizam-se também tubos de aço. Além do menor peso e da elevada resistência às pressões, têm a vantagem de poderem ser confeccionados com maior facilidade para quaisquer especificações e também de poderem ser cortados, soldados ou ajustados no próprio local de montagem. Os principais órgãos acessórios conectados às tubulações de uma estação elevatória são as válvulas de seccionamento, as válvulas de retenção, as válvulas-de-pé e os manómetros e vacuómetros. As válvulas de seccionamento utilizadas em estações elevatórias são do tipo de cunha ou borboleta, flangeadas. Nas instalações normais de bomba centrífuga, a válvula é colocada na tubulação de saída ou de bombagem, imediatamente após a válvula de retenção. As válvulas de retenção são dispositivos destinados a permitir a passagem da água numa só direcção. São instaladas na conduta de saída para que, numa inesperada paralisação do bombeamento, o golpe causado pelo retorno da água não cause danos à bomba. UNL-FCT 14 − Válvulas de pé são dispositivos conectadas na extremidade da conduta de aspiração em instalações de bombas não afogadas. Assegurando a passagem da água somente em direcção à bomba permitem que as condutas de sucção mantenham-se sempre cheias mesmo quando a bomba for paralisada. Nessas condições, quando ela for novamente ligada, poderá iniciar o bombeamento sem dificuldades. − Os manómetros são conectados, respectivamente, junto à saída e à entrada da bomba, através de uma tubulação de diâmetro reduzido. Obs.: A escorva é o processo de enchimento da bomba e respectiva tubulação de sucção com água. Nessa operação, a válvula de pé é indispensável, pois se ela não existisse, toda a água voltaria para o poço de sucção. Existem dois sistemas de escorva: Utilização de válvula de pé na extremidade da conduta de sucção e enchimento deste e da bomba com água adicionada pela parte superior da bomba. Formação de vácuo parcial na tubulação de sucção e na bomba, através de ejector ou de bomba de vácuo. 4. Equipamento eléctrico: incluem-se nesta categoria as protecções dos motores, os instrumentos de controlo, os transformadores, os seccionadores, etc. Os instrumentos de controlo são voltímetros e amperímetros, ligados a cada fase da corrente e, as vezes, o frequencímetro. São montados sobre painel ou em cabina metálica que abriga também as chaves de partida, as chaves de seccionamento e outros dispositivos auxiliares. 5. Dispositivos auxiliares → algumas estações elevatórias, dependendo da importância, contam ainda com os seguintes aparelhos, equipamentos ou dispositivos: medidor de caudal; medidor de nível; dispositivo para escorva da bomba; ponte rolante ou pórtico. O medidor de caudal é colocado à saída da estação e destina-se a medir a quantidade total de água bombeada. Os principais são: de velocidade (Woltmann), electromagnéticos, ultra-sónicos. Os medidores de nível destinam-se a indicar a posição do nível de água no poço de tomada, reservatório de alimentação das bombas ou no local de chegada da água. Existem vários tipos, sendo os mais comuns os de flutuador, os pneumáticos e os eléctricos (radar e ultra-sónicos) . A ponte rolante numa estação elevatória destina-se à movimentação de peças, tubulações e equipamentos pesados. Só se justifica em grandes instalações. << /ASCII85EncodePages false /AllowTransparency false /AutoPositionEPSFiles true /AutoRotatePages /All /Binding /Left /CalGrayProfile (Dot Gain 20%) /CalRGBProfile (sRGB IEC61966-2.1) /CalCMYKProfile (U.S. Web Coated \050SWOP\051 v2) /sRGBProfile (sRGB IEC61966-2.1) /CannotEmbedFontPolicy /Warning /CompatibilityLevel 1.4 /CompressObjects /Tags /CompressPages true /ConvertImagesToIndexed true /PassThroughJPEGImages true /CreateJDFFile false /CreateJobTicket false /DefaultRenderingIntent /Default /DetectBlends true /DetectCurves 0.0000 /ColorConversionStrategy /LeaveColorUnchanged /DoThumbnails false /EmbedAllFonts true /EmbedOpenType false /ParseICCProfilesInComments true /EmbedJobOptions true /DSCReportingLevel 0 /EmitDSCWarnings false /EndPage -1 /ImageMemory 1048576 /LockDistillerParams false /MaxSubsetPct 100 /Optimize true /OPM 1 /ParseDSCComments true /ParseDSCCommentsForDocInfo true /PreserveCopyPage true /PreserveDICMYKValues true 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