Aula 6 - Estações de bombeamento

Prévia do material em texto

B R U N O S E G A L L A P I Z Z O L A T T I 
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA 
CENTRO DE EDUCAÇÃO SUPERIOR NORTE - RS 
FREDERICO WESTPHALEN 
 
1	
  
EAM	
  1022	
  
	
  
Hidráulica	
  	
  
	
  
Estações	
  de	
  bombeamento	
  
Bombas hidráulicas 
!  Equipamento que transforma a energia: 
!  Máquina hidráulica motora: 
" Transforma energia hidráulica em energia mecânica: ex turbinas 
hidráulicas e rodas d’água; 
!  Máquina hidráulica geradora: transforma energia mecânica 
(cinética e potêncial) em energia hidráulica. 
2	
  
Classificação das bombas 
3	
  
Bombas centrífugas 
!  São bombas hidráulicas que têm como princípio de 
funcionamento a força centrífuga através de palhetas 
e impulsores que giram no interior de uma carcaça 
estanque, jogando líquido do centro para a periferia 
do conjunto girante. 
4	
  
5	
  
6	
  
Classificação das bombas 
!  Quanto à trajetória do fluido dentro do rotor; 
!  Bombas radiais ou centrifugas: fluido entra na direção axial e 
sai na direção radial; 
 
 
!  Bombas axiais: o fluido entra no rotor na direção axial e sai 
também na direção axial. 
7	
  
Classificação das bombas centrifugas 
!  Quanto à trajetória do fluido dentro do rotor; 
 
8	
  
8	
  
Bombas	
  de	
  fluxo	
  radial	
  
Bomba	
  de	
  fluxo	
  axial	
  
Bombas	
  de	
  fluxo	
  misto	
  
Classificação das bombas centrifugas 
!  Quanto ao tipo de rotor; 
 
9	
  
Fechado	
  
Semiaberto	
  
Aberto	
  
Classificação das bombas centrifugas 
!  Quanto ao nível de água; 
 
10	
  
Afogada	
  	
  Não	
  afogada	
  
Potência do conjunto (motor-bomba) 
Onde: 
!  P = potência (cv); 
!  γ = peso específico do fluido a ser elevado (kgf/m3); 
!  Q = vazão (m3/s); 
!  Hman = altura manométrica (m); 
!  η = rendimento do conjunto; 
!  η = ηmotor. ηbomba. 
11	
  
P = γ ⋅Q ⋅Hman
75 ⋅η
1	
  cv	
  =	
  0,986	
  HP	
   1	
  kgf	
  =	
  9,81	
  N	
  
12	
  
Hg	
  Hg	
  
Hr	
  
Hman	
  
Hs	
  
hs	
  
Lr	
  
Ls	
  
hr	
  
Alturas	
  consideradas	
  no	
  dimensionamento	
  
Hman = Hg + hs + hr
Esquema hidráulico 
!  Bomba horizontal não afogada. 
13	
  
Esquema hidráulico 
!  Bomba horizontal afogada. 
14	
  
Esquema hidráulico 
!  Bomba vertical afogada. 
15	
  
Alterações nas condições de funcionamento 
16	
  
Q1
Q2
=
rpm1
rpm2
H1
H2
=
rpm1( )
2
rpm2( )
2
P1
P2
=
rpm1( )
3
rpm2( )
3
Para	
  uma	
  mesma	
  bomba	
  (variação	
  da	
  rotação):	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
	
  
Para	
  rotação	
  constante	
  e	
  variação	
  do	
  diâmetro	
  do	
  rotor:	
  
rpm1	
  e	
  rpm2	
  	
  velocidade	
  de	
  rotação	
  da	
  bomba;	
  
Q1	
  e	
  Q2	
  	
  vazão	
  de	
  bombeamento;	
  
H1	
  e	
  H2	
  	
  altura	
  manométrica	
  total	
  da	
  bomba;	
  
P1	
  e	
  P2	
  	
  potência	
  consumida	
  pela	
  bomba;	
  
D1	
  e	
  D2	
  diâmetro	
  do	
  rotor.	
  
Q1
Q2
=
D1
D2
H1
H2
=
D1( )
2
D2( )
2
P1
P2
=
D1( )
3
D2( )
3
Exemplo 
!  Qual a potência de bomba necessária para elevação 
de 10 L/s de água. Considerando a seguinte situação: 
Altura de sucção 2,0 m, altura de recalque 38,0 m, 
perda de carga total 2,5 m. Considere rendimento de 
do conjunto 75 %. 
17	
  
Escolha da bomba 
!  Vazão de bombeamento; 
!  Altura manométrica total capaz de ser produzida 
pela bomba a essa vazão; 
!  Outras grandezas: a rotação, a potência absorvida e a 
eficiência. 
18	
  
Rotação da bomba 
!  Rotação caracterizada pela velocidade que a máquina de 
acionamento imprime à bomba. No caso de motor 
elétrico, essa velocidade é função direta da frequência ou 
ciclagem da corrente e do número de polos que possui o 
motor; 
!  Bomba de alta rotação 3.000 a 3.600 rpm; 
!  Bomba de média rotação 1.500 a 1.800 rpm; 
!  Bomba de baixa rotação 1.200 rpm ou menor; 
!  f = frequência da corrente (60hz); 
!  n = número de polos. 
19	
  
rpm = 120 ⋅ f
n
Curvas características 
!  As bombas centrífugas são máquinas que podem 
trabalhar à mesma rotação, sob diferentes condições 
de vazão e de altura manométrica; 
!  Cada bomba é projetada para elevar uma 
determinada vazão a uma altura manométrica total 
em condições de máximo desempenho, a medida que 
o par Q, Hman se afasta destas condições, o 
rendimento da bomba tende a cair. 
20	
  
NPSH (net positive suction head) 
!  Energia disponível no líquido na entrada da bomba, que 
faz com que o líquido alcance as pás do rotor da bomba. 
"  NPSHd (disponível) > característica do sistema 
"  NPSHr (requerido) > característica da bomba 
Onde: 
!  +H = carga ou altura da água na sucção (entrada afogada); 
!  -H = altura de aspiração; 
!  pa = pressão atmosférica (kgf/cm2) ; 
!  pv = pressão de vapor (para 20 0C = 0,02383 kgf/cm2); 
!  γ = peso específico da água (1,0kgf/cm3); 
!  hs = soma das perdas de carga na sucção. 
 
NPSHd > NPSHr 
21	
  
NPSHd = ±H +
(pa − pv )
γ
×10− hs
Curva característica de bombas 
22	
  
Curva característica de bombas 
23	
  
Curva característica de bombas 
24	
  
Exemplo 
!  Em um sistema de bombeamento afogado se deseja 
que a vazão de 22 m3/h de água se eleve 34,0 m. 
Sabe-se que a perda de carga total no sistema é de 
2,0 m. De posse da curva característica da bomba 
MSA 22 R 1 ¼, determine: 
!  Potência da bomba; 
!  Rotações por min; 
!  Diâmetro do rotor. 
!  V e r i f i q u e s e a b o m b a e s t a f u n c i o n a n d o 
adequadamente. Pressão atmosférica 0,95 kgf/cm2, e 
carga hidráulica acima da sucção 1 m, hs = 0,30 m. 
 
25	
  
Escolha das bombas 
26	
  
Associação de bombas centrífugas 
!  Razões técnicas: 
!  quando um desnível elevado acarretar em um rotor de grande 
diâmetro e alta rotação, e com isso altas acelerações 
centrífugas e dificuldades na especificação de materiais. 
!  Razões econômicas: 
!  quando o custo de duas bombas menores é inferior ao de uma 
bomba de maiores dimensões para fazer o mesmo serviço; 
!  Aumento da demanda no decorrer do tempo. 
27	
  
Associação de bombas centrífugas 
!  Com visão no final do plano antieconômico 
dimensionar a bomba para a situação de vazão 
máxima; 
!  A situação mais comum é aquela em que todas as 
bombas da associação são iguais, o que facilita a 
manutenção do sistema. 
28	
  
Associação de bombas centrífugas 
!  Associação em série: a entrada 
da segunda bomba é conectada à 
saída da primeira bomba. 
Mesma vazão, mas as alturas de 
elevação de cada uma são 
somadas para obter a altura de 
elevação total. 
29	
  
Associação de bombas centrífugas 
30	
  
•  	
   Associação em paralelo: cada bomba recalca a mesma parte da 
vazão total do sistema, mas a altura total de elevação é a mesma. 
Associação de bombas em paralelo 
!  Cada bomba é responsável por parcela da vazão total a ser recalcada; 
!  Bombas em paralelo vantagem operacional: se houver falha no 
funcionamento em uma das bombas, acontecerá apenas uma redução da 
vazão bombeada pelo sistema; 
!  Flexibilização operacional no sistema: como a vazão é variável pode-se 
retirar ou colocar bombas em funcionamento em função das necessidades e 
sem prejuízo da vazão requerida; 
!  Sistema de segurança: caso de falhas da bomba; 
!  A curva combinada das bombas em paralelo é obtida pela soma das vazões 
correspondentes à mesma altura das bombas; 
!  Vazão - uma bomba isolada sempre fornecerá mais vazão do que esta 
mesma bomba associada em paralelo com outra igual porque a variação na 
perda de carga no recalque é diferente. 
31	
  
Exemplo 
!  Calcular as condições de operação de duas bombas 
centrífugas idênticas operando em série e em 
paralelo. Q = 60 L/s; Hman = 45 m. 
32	
  
Curva característica do sistema elevatório 
33	
  
Escolha de bombas e ponto de operação 
!  Análise das curvas do sistema elevatório e das bombas 
disponíveis no mercado, passíveis de serem utilizadas em cada 
caso; 
!  Análise do tipo de operação do sistema de bombeamento (com 
uma bomba, bombas em paralelo e bombas em série) 
!  A curva característica vairepresentar as condições hidráulicas 
operacionais da bomba trabalhando com determinado número de giros 
na unidade de tempo 
!  Análise: 
!  Etapas do projeto 
!  Padronização de equipamentos eletro-mecânicos 
!  Estudo dos transientes hidráulicos 
!  Na operação: NPSHd>NPSHr 
34	
  
Canalização de sucção 
!  Deve ser a menor possível; 
!  Evitar ao máximo conexões; 
!  Tubulação ascendente até chegar a bomba, 
admitindo trechos horizontais; 
!  Normalmente o diâmetro é o diâmetro comercial 
imediatamente superior ao de recalque. 
35	
  
Pré-dimensionamento econômico (recalque) 
!  Fórmula de Bresse (adução contínua); 
!  Fórmula de Forchheimer (adução descontínua). 
K = 0,9 e 1,4 (depende do preço da eletricidade, dos materiais e maquinas 
utilizados); 
X = número de horas de funcionamento/24. 
36	
  
D = K ⋅ Q
D = K ⋅X 14 ⋅ Q
Exemplo 
!  Determine o diâmetro econômico e velocidade nas 
tubulações de sucção e recalque de uma estação de 
bombeamento de capacidade de transportar 200 m3/
h, que funciona 24 hr por dia. K = 1,2. 
37	
  
Cavitação 
!  Processo de criação e colapso de bolhas, originadas quando a 
pressão do líquido atinge a tensão máxima do vapor do 
líquido na sua temperatura; 
!  Pode aparecer em estruturas fixas (válvulas, orifícios, curvas, 
sifões, etc.) e em máquinas hidráulicas (bombas e turbinas); 
!  Sério problema na operação de bombas, pois pode: 
!  Reduzir a capacidade e eficiência da bomba 
!  Causar danos ao rotor 
!  Provocar ruídos e vibração na bomba 
!  Existe perigo de cavitação principalmente quando as bombas 
operam com altas velocidades de rotação e capacidade 
superior àquela relativa ao ponto ótimo de funcionamento. 
38	
  
Cavitação 
39	
  
Componentes de Estação de bombeamento 
!  Sala das máquinas e dependências complementares; 
!  Poço de sucção; 
!  Tubulações e órgãos acessórios; 
!  Equipamentos elétricos; 
!  Dispositivos auxiliares. 
40	
  
Sala das máquinas e dependências 
complementares; 
!  Onde ficam os conjuntos elevatórios, cabine de comando, 
chaves de partida, instrumentos de leitura de medições 
elétricas ou hidráulicas, etc; 
!  Dimensionamento com folga para o conjunto e para 
operação e manutenção; 
!  Circulação de ar para evitar o aquecimento dos motores; 
!  Dependências auxiliares: sala para o operador e 
instalação sanitária com bacia, lavatório e chuveiro. 
41	
  
Poço de sucção 
!  É uma estrutura de transição que recebe a água afluente e as coloca 
à disposição das unidades de recalque 
!  Às vezes, não existe de fato um tanque com essas características, 
pois a tomada é feita diretamente no rio, poço, represa ou em amplo 
reservatório; 
!  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; 
!  Importante manter a submergência adequada na sucção para evitar 
a formação de vórtice 
42	
  
Vórtices em poço de sucção 
!  Redução da vazão recalcada; 
!  Quando ocorre o arraste de ar no poço a presença de 1% 
de ar (em volume) no escoamento reduz a eficiência da 
bomba em 15%; 
!  Pode provocar vibrações estruturais importantes, 
acelerando o desgaste em componentes das bombas; 
!  A variação rápida da pressão no rotor da bomba, 
provocada pelo centro do vórtice, pode ocasionar 
vibração e cavitação. 
43	
  
Vórtices em poço de sucção 
44	
  
Vórtices em poço de sucção 
45	
  
Vórtices em poço de sucção 
46	
  
Vórtices em poço de sucção 
47	
  
Vórtices em poço de sucção 
48	
  
Vórtices em poço de sucção 
49	
  
Tubulações e Órgãos acessórios 
!  Tubulações: tubulação de sucção, barrilete e tubulação 
recalque; 
!  As tubulações das casas de bombas são geralmente de ferro 
fundido com juntas de flange; 
!  Os principais órgãos acessórios: 
!  Válvula de bloqueio -> interrompe o fluxo da canalização. Trabalha em 
duas posições: aberta ou fechada (válvula de gaveta e válvula borboleta); 
!  Válvula de retenção -> permite a passagem da água numa só direção 
(evita o refluxo da água); 
!  Manômetros -> são conectados, respectivamente, junto à saída e à 
entrada da bomba, através de uma tubulação de diâmetro reduzido. 
Quando há escoamento indica a Hman 
50	
  
Válvulas de bloqueio 
51	
  
Manômetros 
52	
  
Sistema de escorva de bombas 
!  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 
(Bomba afogada não precisa); 
 
 
!  Válvula de pé: tipo especial de válvula de retenção, é 
instalada na extremidade da tubulação de sucção. 
Assegura a passagem da água somente em direção à 
bomba e permitem que as tubulações de sucção 
mantenham-se sempre cheias mesmo quando a bomba 
for paralisada. 
53	
  
Equipamento elétrico 
!  Inclui-se nesta categoria as chaves de partida e proteção 
dos motores, os instrumentos de controle e, 
eventualmente, os transformadores; 
!  Os instrumentos de controle são voltímetros e 
amperímetros, ligados a cada fase da corrente e, as vezes, 
o frequencímetro; 
!  São montados sobre painel ou em cabine metálica que 
abriga também as chaves de partida, as chaves de 
seccionamento e outros dispositivos auxiliares. 
54	
  
Painel de comando 
55	
  
Dispositivos auxiliares 
!  Medidor de vazão: é colocado à saída da estação e destina-se 
a medir a quantidade total de água bombeada. Ex.: Venturi; 
!  Medidor 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 
elétricos; 
!  Dispositivo para escorva da bomba; 
!  Ponte rolante: destina-se à movimentação de peças, 
tubulações e equipamentos pesados. Só se justifica em 
grandes instalações 
56	
  
Exercícios 
!  Calcular a potência de uma bomba centrífuga para 
uma estação elevatória, e o custo mensal de energia 
elétrica com seu funcionamento? η = 0,7 
!  Sistema de adução de água; 
!  População = 5000 habitantes; 
!  Consumo per capita q = 200 L/hab.dia; 
!  Considerar só perda de carga distribuída; 
!  Tubulação PVC nova (C=140); 
!  Velocidade máx. = 1,20 m/s; 
!  Custo kwh = R$ 0,80; 
!  Tempo de funcionamento 19h; 
!  1 cv = 756 W. 
57	
  
HR = 60 m 
Hs = 7 m 
Exercícios 
!  Uma estação de bombeamento com rendimento de 
70 % foi concebida para a capacidade de 25 L/s e 
com altura manométrica de 30,0 m. O conjunto 
motor-bomba tem a frequência de 60 Hz e tem dois 
polos. No entanto por problemas mecânicos o 
conjunto esta funcionando com a rotação 30% 
abaixo da qual informa o fabricante da bomba. 
Determine as condições de operação deste sistema 
de bombeamento. 
58	
  
Exercícios 
!  Construa a curva do sistema e determine o ponto de 
operação de uma estação de bombeamento de PVC 
novo (C = 140) que tem 0,2 m de diâmetro, e 
comprimento de 3000 m, a altura de sucção é de 3 m 
e de recalque 45 m. Desconsidere as perdas de carga 
localizadas. Considere a curva característica da 
bomba abaixo. 
59	
  
Exercício 
60	
  
Exercícios 
!  Dimensionar uma instalação de bombeamento, para 
atender a demanda de 200 m³/h durante 24 h/dia, 
recalcando a uma altura de 24,0 m, faça o esquema 
de como é a instalação. f = 0,018, rendimento de 
70%. 
61	
  
62	
  
Comprimento	
  equivalente	
  
FIM 
63