5 Estações elevatórias (EE)

Transcrição

1 5 Estações elevatórias (EE) Esgotamento por gravidade mais econômico Estudo prévio comparativo outras soluções Todavia, são necessárias EE nos casos de: Terrenos planos e extensos Esgotamento de áreas novas em cotas inferiores àquelas já existentes Reversão de esgoto de uma bacia para outra Descarga em interceptores, emissários, ETEs ou corpos receptores, quando não possível por gravidade. TH028 - Saneamento Ambiental I 1

2 5.1 - Principais componentes de uma EE Equipamento eletromecânico: Bomba Motor Tubulações: Sucção Barrilete Recalque Construção civil: Poço de sucção Casa de bombas Fonte Figura: EPUSP PHD uc=disciplina TH028 - Saneamento Ambiental I 2

3 5.2 - Bombas BOMBAS CINÉTICAS BOMBAS DE DESLOCAMENTO POSITIVO TH028 - Saneamento Ambiental I 3

4 CENTRÍFUGAS Fluxo radial Fluxo misto Fluxo axial Rendimento Custo BOMBAS CINÉTICAS Periféricas Especiais Estágio único Estágio múltiplo Ejetor pneumático Ar comprimido Carneiro hidráulico BOMBAS DE DESLOCAMENTO POSITIVO Alternativas Rotativas Pistão Êmbolo Diafragma Rotor simples Rotor múltiplo Palheta Pistão Elemento Flexível Parafuso Engrenagem Rotor lobular Pistão oscilatório Parafuso TH028 - Saneamento Ambiental I 4

5 ROTORES A - Bombas centrífugas ABERTO Mais usado em sistema de esgoto SEMI-ABERTO FECHADO Corte de uma bomba centrífuga horizontal de simples estágio TH028 - Saneamento Ambiental I 5

6 Classificação segundo a trajetória do líquido no rotor Fluxo Radial Fluxo misto Fluxo axial Sucção simples Sucção dupla* Grande altura de elevação Vazão relativamente pequena Altura de elevação relativ. pequena Vazão grande Pequena altura de elevação Vazão elevada TH028 - Saneamento Ambiental I 6

7 Classificação em função da rotação específica Velocidade específica (N q ) Parâmetro importante na seleção do tipo de bomba Representa a velocidade de rotação da bomba modelo, trabalhando com vazão e altura manométrica iguais a unidade. Com base na teoria da semelhança dinâmica, tem-se: Faixa de operação das turbobombas com relação a velocidade específica: Tipo de bomba Velocidade específica Radial Mista Axial Fonte: Heller TH028 - Saneamento Ambiental I 7

8 TH028 - Saneamento Ambiental I 8

9 Classificação de acordo com a disposição do conjunto motor-bomba Localização da bomba em relação ao nível de água Bomba afogada Bomba não afogada TH028 - Saneamento Ambiental I 9

10 Conjunto de eixo horizontal Conjunto de eixo vertical Conjunto motorbomba submerso Auto escorvante Eixo prolongado Bomba submersa TH028 - Saneamento Ambiental I 10

11 Recalque de esgoto com bombas centrífugas ESGOTO: Líquido contendo materiais particulados (~70mm de diâmetro) Indicado: Rotor aberto Bocas de inspeção, junto à sucção e recalque para permitir limpezas Bombas com abertura superior a 100 mm Bombas afogadas (exceto as auto-escorvantes), para permitir: funcionamento sem necessidade de escorvar, dispensa de válvula de pé e condições de automatização TH028 - Saneamento Ambiental I 11

12 B - Bombas parafuso Um eixo rotativo acoplado a uma, duas ou três lâminas helicoidais, girando num plano inclinado 22 a 40 Menores ângulos: Bombeia mais, só que ocupa mais espaço Fabricados: Parafusos de 30 a 40 Elevação máxima: 9m Indicados para grandes Q e pequenas alturas Vantagens: Dispensa poço de sucção Operação em larga faixa de variação da Q afluente, com baixa queda de rendimento. TH028 - Saneamento Ambiental I 12

13 C - Ejetor pneumático Utilizados onde Q inicial é pequena e Q final de projeto não exceda capacidade do ejetor. Vazões: 2 a 38 l/s Capacidade do ejetor: 45 a 680 l Altura geométrica: 15m Condições normais de projeto: 1 ciclo/min (enchendo em 30s) TH028 - Saneamento Ambiental I 13

14 5.3 - Motores Motor Elétrico Motor de combustão interna Motores de corrente contínua Motores de corrente alternada De ignição por faísca De ignição instantânea Aplicações que necessitam ajuste fino e controle preciso da velocidade $$ Síncrono Indução Rotação constante $$ Custo comparável com rotores de indução quando Pot 5000cv e quando necessário elevado binário do motor-bomba, devido alta inércia da bomba Monofásico Trifásico Para acionar cargas de pequena Pot ( 5cv) Com rotor bobinado P/ acionar bombas com rotação variável Com rotor em gaiola Mais usado: simples, confiável e econômico. P/ acionar bombas com rotação constante (ajuste da Q aflu e Q recalque depende do cuidado na seleção do conjunto elevatório e do bom dimensionamento do poço de sucção). Atualmente: uso conjunto com inversor de frequência para variar rotação. TH028 - Saneamento Ambiental I 14

15 5.4 - Altura manométrica Altura manométrica representa a energia absorvida pelo líquido em escoamento por unidade de peso deste, ao atravessar a bomba TH028 - Saneamento Ambiental I 15

16 Sistema de recalque com bomba horizontal não afogada ΣΔHr NA Hg,r Motor e bomba NA Poço de sucção Hg,s ΣΔHs Hg,s> 0 Eixo da bomba Altura manométrica total (H m ) H m = Hg + ΣΔHs + ΣΔHr Hg = Hg,s + Hg,r TH028 - Saneamento Ambiental I 16

17 Sistema de recalque com bomba horizontal afogada ΣΔHr NA Hg NA Poço de sucção Motor e bomba ΣΔHs Eixo da bomba Altura manométrica total (H m ) Hg,s< 0 H m = Hg + ΣΔHs + ΣΔHr Hg = Hg,s + Hg,r TH028 - Saneamento Ambiental I 17

18 Sistema de recalque com bomba vertical afogada ΣΔHr NA Motor Hg NA Bomba Poço de sucção Altura manométrica total (H m ) H m = Hg + ΣΔHr TH028 - Saneamento Ambiental I 18

19 5.5 - Potência Potência fornecida pela bomba Potência para elevar a vazão do líquido, de modo a vencer a altura manométrica total = Eficiência ou Rendimento da bomba η = = P l Potência líquida fornecida pela bomba (kw; N.m/s) ϒ Peso específico da água (N/m³) Q Vazão (m³/s) H Altura manométrica total (m) P b Potência consumida pela bomba (kw; N.m/s) TH028 - Saneamento Ambiental I 19

20 Potência Potência motriz (potência do conjunto motor-bomba) - potência fornecida pelo motor para que a bomba eleve uma vazão Q a uma altura H. P b = (γ.q. H) /η) P b = potência em Kgm/s, γ = peso específico do líquido. Q = vazão em m 3 /s, H = altura manométrica, η = rendimento total ( = η b.η m ). Tabela VI.1 - Rendimentos hidráulicos aproximados das bombas centrífugas Q (l/s) 5,0 7, h b (%) Tabela VI.2 - Rendimentos mecânicos médios CV , % Fonte: TH028 - Saneamento Ambiental I 20

21 5.6 - Curvas características das bombas centrífugas As bombas centrífugas podem trabalhar à mesma rotação, sob diferentes condições de vazão e de altura manométrica. Altura Para diversos φ do rotor: Q x Altura manométrica Q x Potência consumida Q x Eficiência da bomba Q x NPSH Q

22 Curvas fornecidas pelo fabricante Cada bomba: Par [Q,H] máximo rendimento À medida que se afasta do par ótimo Q,H rendimento cai TH028 - Saneamento Ambiental I 22

23 Influência do rotor nas características da bomba Potência Rendimento Altura Manométrica Pontos A1; A2; A3 são homólogos, ou seja, mesmo rendimento TH028 - Saneamento Ambiental I 23

24 Lei da semelhança Para um mesmo rotor, girando a velocidades diferentes: = Variando-se o diâmetro do rotor de uma bomba com rotação constante: = ϕ ϕ = = ϕ ϕ Fig. Anterior, fornecida pelo fabricante = = ϕ ϕ Pontos 1 e 2 devem ser homólogos (ter mesma eficiência) para poder aplicar a Lei da Semelhança. N Velocidade de rotação da bomba Q vazão de bombeamento relativa a N H Altura manométrica total da bomba relativa a N P Potência consumida pela bomba relativa a N φ Diâmetro do rotor TH028 - Saneamento Ambiental I 24

25 Conhecido: Curva da bomba HxQ à rotação N 1 Desconhecido N E para que a curva passe pelo ponto especificado pelo sistema P E (Q E,H E ) Curva de rendimento fornecida pelo fabricante: Não se conhece a curva experimental de rendimento da bomba Como P 1 e P E são homólogos, podese aplicar Lei da Semelhança: = = H E H 1 = ² = ² = Ou H = K Q² Q E Q 1 Curva de isorendimento: = N E K: Constante de proporcionalidade de uma dada curva de issorendimento TH028 - Saneamento Ambiental I 25

26 5.7 - Curva característica do sistema elevatório E ponto de funcionamento da bomba Altura manométrica (m) Curva da bomba Curva do sistema Ponto de operação Vazão de bombeamento ΔH Hg

27 Característica do sistema elevatório Bomba centrífuga PONTO ÓTIMO DE OPERAÇÃO Eficiência máxima As cargas radiais sobre os mancais estão a um mínimo no ponto ótimo Q bombeamento > Q ponto ótimo Pressão absoluta disponível necessária para se evitar a cavitação aumenta, consequentemente, a cavitação pode tornar-se um problema. Q bombeamento << Q ponto ótimo recirculação do líquido bombeado dentro do rotor vibração e perdas hidráulicas na bomba cavitação Para minimizar ou evitar problemas citados: Vazão entre 60% a 120% da Q pontoótimo TH028 - Saneamento Ambiental I 27

28 5.8 - Cavitação PROBLEMAS: Causa dano ao rotor Provoca ruído e vibração na bomba Reduz capacidade e eficiência da bomba Causas: altura inadequada da sucção (problema geométrico) velocidade de escoamento excessiva (problema hidráulico) escorva incorreta (problema operacional) TH028 - Saneamento Ambiental I 28

29 Cavitação - Descrição Propriedade do fluido: Vaporiza a uma determinada condição de temperatura e pressão. Teorema de Bernoulli: Fluido escoando, ao ser acelerado, tem uma redução de pressão para que sua energia mecânica se mantenha constante = h Em certos pontos: Vertedor, bomba hidráulica, turbina, válvula, bocal VELOCIDADE PRESSÃO Queda repentina Se pressão cai abaixo da pressão de vapor Origina VAPOR Quando atinge zonas de alta pressão IMPLOSÃO Brusca variação de pressão Altas velocidades ao atingir superfície do rotor (altas pressões em áreas reduzidas). Se pressão for maior que resistência do material do rotor Desgaste TH028 - Saneamento Ambiental I 29

30 NPSH Carga de sucção positiva (Net Positive Suction Head) No caso de bombas, o ponto mais crítico da cavitação ocorre na sucção. Disponível no sistema!"#$ % = &'( *&+,-.,0 Σ 0 Bomba Bomba não afogada afogada Hg,s > 0 Hg,s < 0 Requerida pela bomba NPSH r Fornecida pelo fabricante Depende de elementos de projeto da bomba Depende da vazão Há casos que se desconhece a curva NPSH Gráfico Coeficiente de cavitação (Coeficiente de Thoma) TH028 - Saneamento Ambiental I 30

31 Funcionamento da bomba sem cavitação NPSH d > NPSH r Disponível no sistema Requerido pela bomba Folga mínima: 0,5m ou 20% Para Q máx em cada bomba do sistema: 1m ou 30% Melhor: 1,5m ou 35% TH028 - Saneamento Ambiental I 31

32 5.8 - Escolha da bomba Ponto de operação: intersecção das curvas características do sistema com da bomba Escolha da bomba: pesquisar nas curvas características das bombas disponíveis no mercado aquela que eleva a vazão de projeto à sua respectiva altura manométrica, operando o máximo possível de seu ponto de melhor eficiência, ou seja, máximo rendimento. Q bomba não saia dos limites de 60% e 120% da vazão correspondente ao ponto de maior rendimento Família de curvas: Deve-se considerar: Variação do nível do poço de sucção, variação da perda de carga pelo envelhecimento da tubulação, TH028 - Saneamento Ambiental I 32

33 Orientação: TH028 - Saneamento Ambiental I 33

34 Orientação: Gruyer (1974), apud Tsutiya & Alem Sobrinho (1999) TH028 - Saneamento Ambiental I 34

35 Catálogo do fabricante Índice de bombas TH028 - Saneamento Ambiental I 35

36 Curvas fornecidas pelo fabricante para cada modelo Cada bomba: Par [Q,H] máximo rendimento À medida que se afasta do par ótimo Q,H rendimento cai TH028 - Saneamento Ambiental I 36

37 5.9 Operação do sistema elevatório Bombas em paralelo Bombas em série TH028 - Saneamento Ambiental I 37

38 Bombas em paralelo TH028 - Saneamento Ambiental I 38

39 Altura manométrica (m) Bombas em paralelo As vazões são somadas Associação bomba 1+2 Bomba 2 Bomba 1 Curva do sistema Ponto de Operação das bombas 1+2 em paralelo ΔH Hg Ponto de operação Bomba 1 Ponto de operação Bomba 2 Vazão

40 Bombas em série TH028 - Saneamento Ambiental I 40

41 Bombas em série As alturas manométricas são somadas Altura manométrica (m) Associação bomba 1+2 Bomba 2 Bomba 1 Curva do sistema Ponto de operação das bombas em série ΔH Hg Vazão

42 Recalques e suas respectivas curvas Fonte: Tsutiya TH028 - Saneamento Ambiental I 42

43 Recalque para um ponto no mesmo nível da sucção Fonte: Tsutiya TH028 - Saneamento Ambiental I 43

44 Recalque para dois pontos situados em cotas iguais Fonte: Tsutiya TH028 - Saneamento Ambiental I 44

45 Recalque para dois pontos alimentados por tubulações de recalque divididos Fonte: Tsutiya TH028 - Saneamento Ambiental I 45

46 Projeto Ver Tsutiya ou EPUSP PHD2412 TH028 - Saneamento Ambiental I 46

47 Poço de sucção Estrutura de transição que recebe água afluente e as coloca à disposição para recalque NÃO RECOMENDADO RECOMENDADO Turbulência no escoamento atrás do tubo de sucção. Se distância entre a parede e o tubo é grande, pode haver formação de vórtice. X G entre 1,0 a 1,2D G de 1,5D TH028 - Saneamento Ambiental I 47

48 NÃO RECOMENDADO RECOMENDADO X X TH028 - Saneamento Ambiental I 48

49 NÃO RECOMENDADO RECOMENDADO Mudança de direção nos tubos de sucção X Escoamento turbulento Divisórias na entrada e entre os tubos X TH028 - Saneamento Ambiental I 49

50 NÃO RECOMENDADO RECOMENDADO X Escoamento turbulento Entrada de ar X Escoamento supercrítico X TH028 - Saneamento Ambiental I 50

51 Tubulação de sucção Deve ser a mais curta possível e sempre ascendente ou horizontal. Evitar peças especiais. Norma ABNT: Estabelece velocidades mínimas e máximas (alguns autores e entidades recomendam valores diferentes) Inclinação ascendente TH028 - Saneamento Ambiental I 51

52 Redução excêntrica Curva de raio longo TH028 - Saneamento Ambiental I 52

53 Órgãos acessórios TH028 - Saneamento Ambiental I 53

54 Retenção de sólidos afluente a EEE Objetivo: Proteger o conjunto motor-bomba e serve como tratamento preliminar Grade de barras Cesto Triturador Peneira TH028 - Saneamento Ambiental I 54

55 Grades mecanizadas TH028 - Saneamento Ambiental I 55

56 Cesto para elevatória de esgoto [Ref. IV] TH028 - Saneamento Ambiental I 56

57 Peneira Triturador TH028 - Saneamento Ambiental I 57

58 Literatura I. TSUTIYA & ALEM SOBRINHO Coleta e transporte de esgoto. II. NUVOLARI, Ariovaldo Esgoto Sanitário; coleta, transporte, tratamento e reuso III. Tsutiya, Milton Tomoyuki Abastecimento de Água. São Paulo: Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. 643p. 4ª. Edição IV. Figuras: EPUSP PHD a V. Cirilo, José Almir et al. (Org.) Hidráulica Aplicada. 2ª. edição rev. e ampl. Porto Alegre: ABRH, 2003 VI. Heller, Léo & Pádua, V.L Abastecimento de água para consumo humano. Ed. UFMG. 2ª.Ed. TH028 - Saneamento Ambiental I 58