7 Estações elevatórias (EE)

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1 7 Estações elevatórias (EE) USO: Captação Adução Tratamento Distribuição TH028 - Saneamento Ambiental I 1

2 Principais componentes de uma EE Equipamento eletromecânico: Bomba Motor Tubulações: Sucção Barrilete Recalque Construção civil: Poço de sucção Casa de bombas Fonte Figura: EPUSP PHD2412 TH028 - Saneamento Ambiental I 2

3 Bombas BOMBAS CINÉTICAS BOMBAS DE DESLOCAMENTO POSITIVO Fornecem energia à água, sob forma de energia de velocidade. Essa energia se converte dentro da bomba em energia de pressão, permitindo que a água atinja posições mais elevadas dentro de uma tubulação. Não há troca de energia interna na massa líquida. O líquido confinado em um compartimento sofre um aumento da pressão e é deslocada de uma posição estática para outra posição estática mais elevada. TH028 - Saneamento Ambiental I 3

4 BOMBAS CINÉTICAS CENTRÍFUGAS Periféricas Fluxo radial Fluxo misto Fluxo axial Estágio único Estágio múltiplo Rendimento Custo Mais usada em abastecimento de água Especiais Ejetor 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 Bombas centrífugas ROTORES 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 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 H g,r H g,r H g,s H g,s Bomba afogada Hg,s < 0 Bomba não afogada Hg,s > 0 TH028 - Saneamento Ambiental I 9

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

11 Motores Motor Elétrico Motor de combustão interna Motores de corrente contínua Motores de corrente alternada De ignição por faísca De ignição instantânea Potência nominal dos motores de acionamento, ver NBR 5432 Aplicações que necessitam ajuste fino e controle preciso da velocidade $$ Rotação constante $$ Síncrono Custo comparável com rotores de indução quando Pot 5000CV e quando necessário elevado binário do motor-bomba, devido alta inércia da bomba Gasolina Álcool Diesel Indução Monofásico Trifásico Para acionar cargas de pequena Pot ( 5 CV) 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 afluente 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 11

12 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 12

13 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 13

14 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 14

15 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 15

16 Potência Potência hidráulica Trabalho realizado sobre o líquido ao passar pela bomba em um segundo. P H = ƴ Q H m P H Potência hidráulica (kw; N.m/s) ϒ Peso específico da água (N/m³) Q Vazão (m³/s) H m Altura manométrica total (m) Para que o líquido receba a potência requerida P H, a bomba deve receber uma potência superior à potência hidráulica, pois há perdas no interior da bomba. Eficiência ou Rendimento da bomba Potência da bomba P B Potência consumida pela bomba (kw; N.m/s) Potência requerida pela bomba ao motor Potência nominal do motor P B PH B Eficiência ou Rendimento do motor PB P M PH B M B m M B M P P Potência do conjunto motobomba QH H B P B P P B Potência que o motor transmite P- Potência que o motor recebe da fonte de energia TH028 - Saneamento Ambiental I 16

17 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= (γ. Q. H) / η) P = potência do conjunto motor-bomba em Kgf.m/s, γ = peso específico do líquido. Q = vazão em m 3 /s, H = altura manométrica em m, 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 , % CV % Fonte: TH028 - Saneamento Ambiental I 17

18 Curvas características das bombas centrífugas As bombas centrífugas podem trabalhar à mesma rotação, sob diferentes condições de vazão e de altura manométrica. Curvas fornecidas pelo fabricante Para diversos φ do rotor: Q x Altura manométrica Q x Potência consumida Q x Eficiência da bomba Q x NPSH Cada bomba: Par [Q,H] máximo rendimento À medida que se afasta do par ótimo Q,H rendimento cai TH028 - Saneamento Ambiental I 18

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

20 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 ponto ótimo TH028 - Saneamento Ambiental I 20

21 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 21

22 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 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 22

23 NPSH Carga de sucção positiva (Net Positive Suction Head) NPSH d : É uma característica da instalação em que a bomba opera, e da pressão disponível do líquido no lado da sucção. Disponível no sistema No caso de bombas, o ponto mais crítico da cavitação ocorre na sucção. Pressão de vapor no local Bomba Bomba não afogada afogada Hg,s > 0 Hg,s < 0 NPSH representa a energia em altura absoluta do líquido no flange de sucção da bomba acima da pressão de vapor deste líquido na temperatura de bombeamento, referenciada à linha de centro da bomba. NPSH é calculado para impor limitações às condições de sucção, de modo a manter a pressão na entrada do rotor da bomba acima da pressão de vapor do líquido bombeado. TH028 - Saneamento Ambiental I 24

24 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 25

25 Funcionamento da bomba sem cavitação NPSH d > NPSH r Disponível no sistema Requerido pela bomba Folga mínima: 20% e 0,5m [NBR 12214/92] Para Q máx em cada bomba do sistema: 1m ou 30% Melhor: 1,5m ou 35% TH028 - Saneamento Ambiental I 26

26 Propriedades físicas da água NBR 12215/92 TH028 - Saneamento Ambiental I 27

27 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 28

28 Orientação: TH028 - Saneamento Ambiental I 29

29 Catálogo do fabricante TH028 - Saneamento Ambiental I 30

30 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 31

31 Operação do sistema elevatório Bombas em paralelo Bombas em série TH028 - Saneamento Ambiental I 32

32 Bombas em paralelo TH028 - Saneamento Ambiental I 33

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

34 Bombas em série TH028 - Saneamento Ambiental I 35

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

36 Recalques e suas respectivas curvas Recalque para um reservatório Fonte: Tsutiya TH028 - Saneamento Ambiental I 37

37 Recalque para um reservatório no mesmo nível da sucção Fonte: Tsutiya TH028 - Saneamento Ambiental I 38

38 Recalque para dois reservatórios situados em cotas iguais Fonte: Tsutiya TH028 - Saneamento Ambiental I 39

39 Projeto Ver Tsutiya ou EPUSP PHD2412 TH028 - Saneamento Ambiental I 41

40 Booster Para reforço no bombeamento (em série) Para aumentar a vazão de bombeamento TH028 - Saneamento Ambiental I 42

41 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 43

42 NÃO RECOMENDADO RECOMENDADO X X TH028 - Saneamento Ambiental I 44

43 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 45

44 NÃO RECOMENDADO RECOMENDADO X Escoamento turbulento Entrada de ar X Escoamento supercrítico X TH028 - Saneamento Ambiental I 46

45 Tubulação de sucção Deve ser a mais curta possível e sempre ascendente ou horizontal. Evitar peças especiais. Norma ABNT NBR 12214/92: Estabelece velocidades mínimas e máximas (alguns autores e entidades recomendam valores diferentes) Inclinação ascendente TH028 - Saneamento Ambiental I 47

46 Redução excêntrica Curva de raio longo TH028 - Saneamento Ambiental I 48

47 NBR 12214/92 DN V máx (m/s) 50 0, , , , , , , ,50 Tubulação de sucção Tipo de material transportado V mín (m/s) Matéria orgânica 0,30 Suspensões siltosas 0,30 Suspensões arenosas 0,45 Barrilete Tubulação de aço ou ferro fundido: V máx = 3,00m/s Para outros materiais: ver recomendação do fabricante V mín = 0,60 m/s Para bombas afogadas, as velocidades podem ser maiores, desde que justificado. TH028 - Saneamento Ambiental I 49

48 Órgãos acessórios TH028 - Saneamento Ambiental I 50

49 Curiosidade Jardins Suspensos da Babilônia. Existiu? Como levavam água a tão grande Hg? TH028 - Saneamento Ambiental I 51

50 Literatura 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 Figuras: EPUSP PHD2412 Cirilo, José Almir et al. (Org.) Hidráulica Aplicada. 2ª. edição rev. e ampl. Porto Alegre: ABRH, 2003 Heller, Léo & Pádua, V.L Abastecimento de água para consumo humano. Ed. UFMG. 2ª.Ed. NBR 12214/92 Projeto de sistema de bombeamento de água para abastecimento público TH028 - Saneamento Ambiental I 52