Aula 13 - Estações Elevatórias

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2 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ Aula 13 - Estações Elevatórias... seria desejável que os escoamentos fossem inteiramente por gravidade... Entretanto, existem pontos altos ou muito afastados que devem ser atendidos pelo Sistema de Abastecimento fontes de abastecimento de água. Elevatórias de água bruta: destinada a conduzir água não tratada. Elevatórias de água tratada: destinada a conduzir água tratada.

3 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ Normalmente são instaladas após a ETAs para o bombeamento até os reservatórios. Contudo... Podem também estar entre reservatórios Podem ainda estar em algum trecho da rede de distribuição de água (neste caso são conhecidas por boosters).

4 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ Conceito de Bombas Caso se pretenda que um fluido escoe de um ponto de menor energia mecânica para um de maior energia, faz-se necessário a instalação de um equipamento para suprir a energia mecânica adicional, e também a energia dissipada por atrito.

5 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ As bombas são equipamentos mecânicos usados no transporte de líquidos através de tubulações. Recebem energia potencial de um equipamento acionador (motor elétrico, motor de explosão ou turbina), e transformam parte desta potência em energia cinética (movimento) ou energia de pressão (força) ou ambos (dependendo das características técnicas da bomba) cedendo estas energias ao fluído bombeado. Assim, o bombeamento pode ser definido como o efeito de adicionar energia a um fluido para movê-lo de um ponto a outro.

6 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ O uso de bombas hidráulicas ocorre sempre que á a necessidade de aumentar-se a pressão de trabalho de uma substância líquida contida em um sistema, a velocidade de escoamento, ou ambas. Características para escolha da bomba: Vazão do líquido; Diferencial de pressão necessária (carga); Características do líquido (viscosidade, densidade, contaminantes, etc); Condições de temperatura e pressão; Regime de funcionamento; Flexibilidade operacional desejada.

7 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ Classificação das bombas hidráulicas Atualmente, há um predomínio total das bombas centrífugas em sistemas de abastecimento de água...

8 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ As bombas centrífugas apresentam maior rendimento, custo menor de instalação, operação e manutenção. a) Bombas volumétricas (ou de deslocamento positivo): a movimentação do fluído é causada diretamente pela ação de um órgão de impulsão da bomba que obriga o fluído a executar o mesmo movimento a que está sujeito este impulsor (êmbolo, engrenagens, lóbulos, palhetas). Dá-se o nome de volumétrica porque o fluído, de forma sucessiva, ocupa e desocupa espaços no interior da bomba, com volumes conhecidos.

9 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ O movimento do fluído dá-se na mesma direção das forças a ele transmitidas, por isso são chamadas de deslocamento positivo. O intercâmbio de energia é estático e o movimento é alternativo. Não há troca de energia interna (nem cinética) na massa líquida. O líquido confinado em um compartimento sofre um aumento de pressão e é deslocado de uma posição estática para outra posição estática mais elevada. As Bombas Volumétricas dividem-se em: Êmbolo ou Alternativas (pistão, diafragma, membrana); Rotativas (engrenagens, lóbulos, palhetas, helicoidais, fusos, parafusos, peristálticas).

10 10 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/2014 Pistão / Êmbolo (duplo efeito e Multiplex): na subida do êmbolo ocorre a admissão do fluido e na descida ocorre a impulsão.

11 11 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/2014 Alternativas: o movimento do líquido é produzido por um êmbolo que se desloca através de movimento alternativo no interior de um cilindro.

12 12 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/2014 Alternativas

13 13 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/2014 Rotativas: o movimento do líquido é produzido através do movimento de rotação de um elemento mecânico que pode ser engrenagens, lóbulos, parafusos, paletas deslizantes, etc.

14 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ b) Bombas hidrodinâmicas ou bombas cinéticas: são bombas que fornecem energia cinética a água. Essa energia convertese dentro da bomba em energia de pressão, permitindo que água atinja posições mais elevadas dentro de uma tubulação. 2 - Principais componentes de uma bomba 2.1) Rotor: órgão móvel que fornece energia ao fluido. É responsável pela formação de uma depressão no seu centro para aspirar o fluido e de uma sobrepressão (pressão superior àquela das condições normais) na periferia para recalcá-lo.

15 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ ) Difusor (carcaça): canal de seção crescente que recebe o fluido vindo do rotor e o encaminha à tubulação de recalque. Possui seção crescente no sentido do escoamento para transformar a energia cinética em energia de pressão.

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17 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ ) vedação: tem a função de impedir vazamento onde o eixo atravessa a carcaça. Se a pressão do líquido bombeado no interior do difusor for maior que a pressão atmosférica, sua função é evitar que o líquido vaze para fora da bomba. Se a pressão for menor, sua função é evitar a entrada de ar para dentro da bomba.

18 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ ) Mancais: são elementos de apoio do eixo (os eixos das bombas centrifugas são suportados pelos mancais). Os mancais também tem a função de manter o conjunto rotativo (eixo, rotor, luva) na posição correta em relação às partes estacionárias da bomba.

19 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ Classificação das turbobombas 3.1) Quanto à trajetória do fluido dentro do rotor (classificação mais importante) a) Bombas radiais ou centrífugas: o fluido entra no rotor na direção axial e sai na direção radial. A força predominante é a centrífuga (as bombas centrífugas são as mais utilizadas) Caracterizam-se pelo recalque de pequenas vazões em grandes alturas.

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21 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ b) Bombas Axiais: o fluido entra no rotor na direção axial e sai também na direção axial. Caracterizam-se pelo recalque de grandes vazões em pequenas alturas.

22 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ c) Bombas diagonais ou de fluxo misto: O fluido entra no rotor na direção axial e sai numa direção entre axial e a radial. Caracterizam-se pelo recalque de médias vazões a médias alturas.

23 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ ) Quanto ao número de entradas para a aspiração e sucção. a) Bombas de sucção simples ou de entrada unilateral: a entrada do líquido se faz através de uma única boca de sucção.

24 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ b) Bombas de dupla sucção: a entrada do líquido se faz por duas bocas de sucção, paralelamente ao eixo de rotação. Esta configuração equivale a dois rotores simples montados em paralelo. O rotor de dupla sucção tem a vantagem de proporcionar o equilíbrio dos empuxos axiais, acarretando um melhor rendimento da bomba, eliminando a necessidade de rolamento de grandes dimensões. É muito usado nas bombas de descargas médias.

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26 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ ) Quanto ao número de rotores dentro da carcaça a) Bombas de simples estágio ou unicelular: a bomba possui um único rotor dentro da carcaça. Teoricamente é possível projetar uma bomba com um único estágio para qualquer situação de altura manométrica e de vazão. Entretanto, as dimensões excessivas e o baixo rendimento fazem com que os fabricantes limitem a altura manométrica para 100 m.

27 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ b) Bombas de múltiplos estágios: a bomba possui dois ou mais rotores dentro da carcaça, sendo o resultado da associação de rotores em série dentro da carcaça. Permite a elevação do líquido a grandes alturas (> 100 m), sendo o rotor radial o indicado para esta associação.

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29 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ ) Quanto ao posicionamento do eixo a) Bomba de eixo horizontal: é a concepção construtiva mais comum.

30 30 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/2014 b) Bomba de eixo vertical: usada na extração de água de poços profundos.

31 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ ) Quanto à pressão desenvolvida a) Bomba de baixa pressão H m. b) Bomba de média pressão 15 m < H m < 50 m. d) Bomba de alta pressão H m 50 m. 3.6) Quanto ao tipo de rotor a) Rotor aberto: usada para bombas de pequenas dimensões. Possui pequena resistência estrutural. Baixo rendimento.

32 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ Dificulta o entupimento, podendo ser usado para bombeamento de líquidos sujos. b) Rotor semi-aberto ou semi-fechado: possui apenas um disco onde são afixadas as palhetas. c) Rotor fechado: usado no bombeamento de líquidos limpos. Possui discos dianteiros com as palhetas fixas em ambos. Evita a recirculação da água, ou seja, o retorno da água à boca de sucção.

33 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ Esquemas de rotores fechado (a), semi-aberto (b) e aberto (c)

34 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ ) Quanto à posição do eixo da bomba em relação ao nível da água 34 a) Bomba de sucção positiva: o eixo da bomba situa-se acima do nível d água do reservatório de sucção.

35 35 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/2014 b) Bomba de sucção negativa ou afogada: o eixo da bomba situa-se abaixo do nível d água do reservatório de sucção.

36 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ Altura Manométrica da Instalação A altura manométrica (H m ) de uma instalação de bombeamento representa a energia (por unidade de peso) que o equipamento irá transferir para o fluido, a fim de satisfazer às necessidades do projeto. Existem dois casos que devem ser considerados no cálculo da Hm: Da bomba em funcionamento (já instalada). Hm da bomba a ser instalada.

37 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ Bomba de sucção positiva (instalação típica com manômetro (M) à saída da bomba e vacuômetro (V) à entrada

38 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/2014 Exercícios: 1) Em uma instalação de bombeamento, as leituras do manômetro e do vacuômetro indicam, respectivamente, 3,0 kgf cm -2 e -0,7 kgf cm -2. Encontre a altura manométrica da bomba nessa condição. 38 2) No sistema de recalque da Figura abaixo, a perda de carga na sucção é de 1,2 mca e a perda de carga no recalque é de 12,3 mca. Pede-se: a) a altura manométrica de recalque; b) a altura manométrica de sucção; e c) a altura manométrica total.

39 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ Escolha da bomba e potência necessária ao seu funcionamento A seleção de uma bomba para uma determinada situação é função da: Vazão a ser recalcada (Q); Altura manométrica da instalação (H m ). a) Vazão a ser recalcada: depende de três elementos: consumo diário, jornada de trabalho da bomba e do número de bombas em funcionamento (caso das instalações com bombas associadas em paralelo).

40 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ b) Altura manométrica da instalação: o levantamento topográfico do perfil do terreno permite determinar: o desnível geométrico da instalação (H G ), o comprimento das tubulações de sucção e de recalque e o número de peças especiais dessas tubulações. Com os comprimentos das tubulações e o número de peças especiais, a perda de carga é calculada pelo conhecimento dos diâmetros de sucção e de recalque. A altura manométrica será calculada por: Hm = H G + Δh t

41 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ ) Cálculo dos diâmetros de sucção e de recalque Segundo a equação da continuidade (Q = A.V), uma mesma vazão pode ser transportada em tubulações de diferentes diâmetros, variando a velocidade de escoamento. Contudo, a variação do diâmetro produz reflexos diretos sobre o investimento e o custo operacional da instalação, que são: Investimento: despesas na aquisição dos tubos; Custo operacional: despesas com a operação do sistema.

42 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ Assim, quanto maior o diâmetro da instalação, maior o investimento, mas menor será o custo operacional. Com o aumento do diâmetro (para uma mesma vazão), a velocidade de escoamento diminui e, consequentemente, a perda de carga, refletindo na diminuição da altura manométrica e na potência necessária ao bombeamento (menor consumo de energia). O correto é fazer um balanço econômico entre o custo da tubulação e o custo da manutenção do sistema.

43 43 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/2014 A manutenção do sistema envolve gastos com energia elétrica (ou combustível), lubrificantes, mão-de-obra, etc.

44 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ Diâmetro de recalque (D R ) a) Fórmula de Bresse: recomendada para funcionamento contínuo, ou seja: 24 horas dia -1. D R = K. Q sendo D R em metros e Q em m 3 s -1. K é um coeficiente econômico: balanço entre os gastos com tubulação (investimento) e os gastos com a operação da instalação (custo operacional) (K= 0,8 a 1,3; valor comum K=1).

45 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ O valor de K está também relacionado com a velocidade: b) Fórmula recomendada pela NBR 5626: Instalação predial de água fria. D R em m; Q em m 3 /s; e T = número de horas de funcionamento da bomba por dia.

46 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/2014 Diâmetro de sucção (D s ): é o diâmetro comercial imediatamente superior ao diâmetro de recalque calculado pelas fórmulas anteriores. 46 Observações importantes: a) Na análise econômica, recomenda-se a análise de cinco diâmetros comerciais, sendo o intermediário calculado pela fórmula de Bresse, para K = 1. b) Quando o diâmetro calculado pela fórmula de Bresse ou da ABNT não coincidir com o diâmetro comercial, é procedimento usual admitir o diâmetro comercial imediatamente superior ao calculado para a sucção e o imediatamente inferior para o recalque.

47 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ c) Pode-se adotar o critério das velocidades econômicas, cujos limites são: na sucção: V s < 1,5 m/s (no máximo 2,0 m/s). no recalque: V r < 2,5 m/s (no máximo 3,0 m/s). Como valores médios pode-se adotar Vs = 1,0 ms -1 e Vr = 2,0 ms -1. O cálculo dos diâmetros é determinado pela equação da continuidade, já que se conhece a vazão:

48 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ Potência necessária ao seu funcionamento a) Potência necessária ao funcionamento da bomba (Pot): a potência absorvida pela bomba é calculada por: Sendo η o rendimento da bomba b) Potência instalada (N) ou potência do motor: O motor que aciona a bomba deverá trabalhar sempre com uma folga ou margem de segurança que evitará que o mesmo venha operar com sobrecarga.

49 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ Recomenda-se que a potência necessária ao funcionamento da bomba (Pot) seja acrescida de uma folga, conforme especificação a seguir (para motores elétricos): Para motores a óleo diesel recomenda-se uma margem de segurança de 25% e a gasolina, de 50%, independente da potência calculada.

50 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ Para a determinação da potência instalada (N), deve-se observar que os motores elétricos nacionais são fabricados com as seguintes potências comerciais, em cv. Potências comerciais para motores elétricos (em cv)

51 51 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ Instalação de Bombeamento (peças especiais)

52 52 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ Na linha de sucção

53 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ ) Válvula de pé com crivo: é instalada na extremidade inferior da tubulação de sucção. É uma válvula unidirecional (só permite a passagem do líquido no sentido ascendente). Esta válvula mantém a carcaça e a tubulação de sucção cheia do líquido recalcado, impedindo o seu retorno ao reservatório de sucção (ou captação). Diz-se que a válvula de pé com crivo mantém a bomba escorvada.

54 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ A função do crivo é a de impedir a entrada de partículas sólidas ou corpos estranhos como: folhas, galhos, etc. A válvula deve estar mergulhada a uma altura mínima de: h = 2,5.D s + 0,1 (h e D s em metros) para evitar a entrada de ar e formação de vórtices. 2) Curva de 90 o : imposta pelo traçado da linha de sucção. 3) Redução Excêntrica: liga o final da tubulação à entrada da bomba, de diâmetro menor.

55 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ Essa excentricidade visa evitar a formação de bolsas de ar à entrada da bomba. São aconselháveis sempre que a tubulação de sucção tiver um diâmetro superior a 4 (100 mm). 6.2 Na linha de recalque 1) Ampliação concêntrica: liga a saída da bomba de diâmetro menor à tubulação de recalque.

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57 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ ) Válvula de retenção: é unidirecional, e instalada à saída da bomba, antes da válvula de gaveta. Impedi que o peso da coluna de água do recalque seja sustentado pela bomba (o que poderia desalinhá-la ou provocar vazamentos) e impedi que, com o defeito da válvula de pé e estando a saída da tubulação de recalque afogada haja um refluxo do líquido, fazendo a bomba funcionar como turbina, o que viria a provocar danos à mesma. 3) válvula de gaveta: é instalada após a válvula de retenção. Suas funções são de regular a vazão e permitir reparos na válvula de retenção.

58 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ Observação: a bomba centrífuga deve ser sempre ligada e desligada com a válvula de gaveta fechada. 7 - Curvas Características Curvas Características das Bombas Constituem-se de relações entre: A altura manométrica com a vazão recalcada H m = f(q); A potência absorvida com a vazão recalcada Pot = f(q); O rendimento com a vazão recalcada η= f (Q).

59 59 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/2014 As curvas características são o retrato de funcionamento das bombas nas mais diversas situações, sendo obtidas nas bancadas de ensaio dos fabricantes.

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61 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ O aspecto destas curvas depende do tipo de rotor. As curvas H m = f(q) e Pot = f(q) referem-se apenas à região de rendimento aceitável (η> 40%). Considerações: a) O aspecto achatado das curvas de rendimento das bombas centrífugas mostra que elas são mais adequadas para situações onde há necessidade de variar a vazão (a vazão pode ser variada sem afetar significativamente o rendimento da bomba).

62 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ b) A potência necessária ao funcionamento das bombas centrífugas cresce com o aumento da vazão. Isto mostra que, essas bombas devem ser ligadas com a válvula de gaveta fechada, pois nesta situação, a potência necessária para acioná-las é mínima. c) O crescimento da altura manométrica não causa sobrecarga no motor, entretanto, quando a Hm diminui, aumenta a vazão, o que poderá causar sobrecarga no motor.

63 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ Curvas Características do Sistema (ou da Tubulação) Para as curvas características do sistema devem ser incluídas as perdas de carga. As perdas nas singularidades são incluídas utilizando-se o método dos comprimentos equivalentes (L e ). H m = H G + Δh t Δh t = Δh c + Δh s

64 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ a) Com base na equação de Darcy-Weisbach: L v é o comprimento normal da canalização Então: H m = HG + K.Q 2

65 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ b) Com base na equação de Hazen-Williams: Então: H m = H G + K'.Q 1,85

66 66 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/2014 Essas equações, quando representadas graficamente, tem o seguinte aspecto:

67 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ Ponto de Operação do Sistema A curva característica da bomba associada à curva característica do sistema tem o seguinte aspecto:

68 Sistemas de Água I - Aula 13- Estações Elevatórias 28/01/ A intersecção das duas curvas define o ponto de trabalho ou ponto de operação da bomba. Ou seja: para a vazão de projeto da bomba, a altura manométrica da bomba é igual àquela exigida pelo sistema. Continua na próxima aula...