CRITÉRIOS PARA SUBSTITUIÇÃO DE BOMBAS DE POÇOS TUBULARES PROFUNDOS

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1 CRITÉRIOS PARA SUBSTITUIÇÃO DE BOMBAS DE POÇOS TUBULARES PROFUNDOS Rodrigo Barbosa da Fonseca (1) Engenheiro Mecânico pela Universidade Mackenzie, especialista em Engenharia Sanitária pela Universidade Federal de Mato Grosso do Sul. Engenheiro Mecânico da Empresa de Saneamento de Mato Grosso do Sul - SANESUL, desde 1990 e atual chefe do Setor de Controle de Manutenção. Jorge Gonda Professor Titular do Departamento de Hidráulica e Transportes do Centro de Ciências Eatas e Tecnologia da Universidade Federal de Mato Grosso do Sul. Mestre em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos - USP. Mauro Polizer Professor Titular do Departamento de Hidráulica e Transportes do Centro de Ciências Eatas e Tecnologia da Universidade Federal de Mato Grosso do Sul. Robert Schiaveto de Souza Professor Adjunto do Departamento de Hidráulica e Transportes do Centro de Ciências Eatas e Tecnologia da Universidade Federal de Mato Grosso do Sul. Doutor em Hidráulica e Saneamento pela Escola de Engenharia de São Carlos - USP. Endereço (1) : Universidade Federal de Mato Grosso do Sul - Centro de Ciências Eatas e Tecnologia - Departamento de Hidráulica e Transportes - Cidade Universitária s/n o - Caia Postal CEP: Campo Grande - MS - Brasil - Tel: (067) ramal Fa: (067) cide@nin.ufms.br RESUMO Este trabalho visa estabelecer critérios para substituição de conjunto moto-bomba tipo submersa, instalado em poço tubular profundo, no caso em que não haja disponibilidade de equipamento com as mesmas características daquele que deve ser substituído. Cada marca e modelo de bomba possui sua curva de performance característica, apresentando distintos pontos de operação em um determinado poço. É necessário portanto, eecutar uma série de cálculos matemáticos utilizando-se fórmulas de hidráulica para a obtenção do ponto de operação de uma determinada bomba, verificando assim as condições ideais de operação. O método apresentado demonstra uma maneira simplificada de se obter o ponto de operação de uma determinada bomba - tipo submersa, sem que sejam necessários inúmeros cálculos matemáticos, tais como o de perda de carga e o detalhamento do sistema, como diâmetros, comprimentos, coneões e materiais das tubulações. PALAVRAS-CHAVE: Bombas, Poços Profundos, Substituição de Bombas, Curva Característica. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1501

2 INTRODUÇÃO uando se faz necessário a substituição de um conjunto moto-bomba para um poço tubular profundo, muitas vezes não eiste equipamento de reserva da mesma marca e modelo daquele que se quer substituir, sendo obrigatória a instalação de equipamento de marca diferente e portanto, com características diferentes. Para a escolha do equipamento substituto, é necessário conhecer que alterações ocorrerão na vazão de bombeamento, no nível dinâmico e no consumo de energia elétrica, para que se possa definir se o equipamento selecionado servirá para trabalhar nesse poço ou se o mesmo requer alguma modificação, diâmetro de tubulação ou o quadro de comando e proteção. Em muitos casos, não eiste no arquivo o memorial de cálculo da instalação de recalque, dificultando a obtenção das características da instalação, sem a visita de um profissional ao local. O trabalho visa eemplificar um método que proporciona verificar, com pequena margem de erro e de maneira bastante simplificada e rápida, quais serão as condições de operação após a substituição do equipamento. METODOLOGIA A metodologia para substituição de conjunto moto-bomba, resume-se em construir a curva do sistema de recalque e verificar dentre as bombas eistentes no estoque aquela que melhor atende às necessidades, determinando seus pontos de operação e verificando qual a melhor em termos de vazão, rendimento e consumo de energia elétrica. CONSTRUÇÃO DA CURVA DO SISTEMA DE RECALUE Pela revisão bibliográfica, verifica-se que a curva do sistema de recalque segue a seguinte equação: 2 V2 H man = ND + DG + H + equação (1) 2g O nível dinâmico ND varia com a vazão e cada poço tem sua característica própria. Para construir a curva do sistema de recalque deve-se determinar a equação de variação do nível dinâmico ND com a vazão. VARIAÇÃO DO NÍVEL DINÂMICO (ND) COM A VAZÃO DE BOMBEAMENTO Cada poço possui sua característica própria de variação dependendo do tipo de reservatório ou litologia; entretanto, as faias em que são operados os poços da SANESUL seguem sempre uma equação do tipo ND = a + b, sendo a e b valores praticamente invariáveis. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1502

3 A variação do nível dinâmico segue basicamente duas formas dependendo do tipo de litologia, conforme pode ser visto nas Figuras 1 e 2. Figura 1 - Variação do nível dinâmico em função da vazão de bombeamento, para terreno tipo arenoso. Figura 2 - Variação do nível dinâmico em função da vazão de bombeamento, para terreno tipo basalto. Verifica-se que, para terrenos do tipo arenoso (Figura 1), o nível dinâmico varia linearmente com a vazão em uma faia ilimitada, tendo como limite de capacidade apenas a profundidade do poço. Para o terreno tipo basalto (Figura 2) isso não ocorre, pois, após um certo valor (ponto crítico) o nível dinâmico cai de maneira brusca; entretanto, em uma faia que segue até 90% do ponto crítico, a variação do nível dinâmico ND, pode ser considerada praticamente linear com a vazão. Portanto pode-se considerar que o nível dinâmico ND varia linearmente com a vazão para qualquer tipo de terreno (arenoso ou basalto), desde que observadas suas faias de operação, que não devem ultrapassar a 90% do ponto crítico no caso do terreno basáltico. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1503

4 DETERMINAÇÃO DA EUAÇÃO DE VARIAÇÃO DO NÍVEL DINÂMICO COM A VAZÃO O gráfico da Figura 3 representa a variação do nível dinâmico com a vazão em determinado poço. Figura 3 - Variação do Nível Dinâmico em função da Vazão de Bombeamento. onde: c = vazão crítica do poço ( no caso de solo tipo basalto) f = vazão máima permitida ND f = nível dinâmico para vazão máima (90% do ponto crítico). NE = nível estático do poço. ND = Nível dinâmico do poço para uma vazão genérica. S = Rebaiamento do poço trabalhando com vazão S má = Rebaiamento do poço trabalhando com vazão f O nível dinâmico segue a equação ND = a + b. onde: a = NE equação (2) ND NE S b = tg = S f ma θ = = equação (3) f f S ma S ND = NE + = NE + f equação (4) Considerando-se que ND + é a vazão específica do poço (Ve ) pode-se escrever : S = NE equação (5) Ve 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1504

5 DETERMINAÇÃO DA EUAÇÃO GERAL DO SISTEMA Sabe-se que: 2 V2 H man = ND + DG + H + equação (6) 2g ND = NE + equação (7) V e H = equação (8) JL total Considerando a Fórmula de Hazen-Williams temos: J = e a equação (8), 2,63 H = JLtotal = L 2,63 total equação (9) 2 V Como a energia dada pela epressão, na prática tem valor bastante reduzido quando 2g 2 V comparada com ( DG + ND ), normalmente se despreza o seu valor, isto é, 0. 2g Introduzindo as Equações (7) e (9) em (6), temos: H man = NE + + DG + L 2,63 total equação (10) Ve Para simplificar pode-se escrever a equação de H da seguinte forma: 1 H = Ltotal = L 2,63 2,63 total equação (11) fazendo, 1 K = L cte. 2,63 total =, temos: H = K equação (12) 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1505

6 Como o cálculo da perda de carga pela Equação (9), foi baseado na fórmula de Hazen- Williams, na realidade o valor da constante K é uma função dos materiais, dos diâmetros, das singularidades e do comprimento dos condutos da instalação elevatória. Para concluir, a equação geral do sistema será: H man = NE + + DG + K equação (13) Ve Obs.: A perda de carga segue sempre uma equação do tipo K, mesmo que eistam diversos diâmetros e materiais empregados no sistema como eemplificado abaio: seja um sistema com edutor de diâmetro D 1, coeficiente C 1, e comprimento total L 1 (considerando os comprimentos equivalentes), e uma adutora com diâmetro D 2, coeficiente C 2 e comprimento total L 2, a perda da carga total será: H = H + H equação (14) T eduotr adutora H T = K + equação (15) 1 K 2 Fazendo: K T = K 1 + K 2 equação (16) temos: H = T KT equação (17) DETERMINAÇÃO DO PONTO DE OPERAÇÃO DOS EUIPAMENTOS EM ESTOUE Para que seja possível a determinação do ponto de operação dos equipamentos disponíveis, deve-se ter como base alguns dados de operação do sistema, sem os quais não será possível a utilização do método. Os dados necessários são : Marca e modelo do equipamento instalado; Vazão de operação: ; Nível estático do poço: NE; Nível dinâmico para a vazão de operação: ND; Desnível geométrico da instalação: DG. Com a vazão de operação e curva característica da bomba, fornecida pelo fabricante, determina-se a altura manométrica (H man ) de funcionamento. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1506

7 A vazão específica V e é calculada em função do nível estático do poço, do nível dinâmico e da vazão de operação, através da equação: V e = = equação (18) S ND NE Com a posse dos dados acima, determina-se o valor de K do sistema, através da equação: H man = NE + + DG + K equação (19) V e Encontrado o valor de K constroi-se a curva do sistema, conforme a Figura 4. Figura 4 - Curva do Sistema de Recalque. Introduzindo as curvas das bombas disponíveis em estoque no gráfico da Figura 4, obtémse o gráfico da Figura 5. Na Figura 5, temos eemplos de três bombas (A, B e C) em análise, onde verifica-se os pontos de operação esperados para cada uma delas: Bomba A (H mana A ) Bomba B (H manb B ) Bomba C (H manc C ) Pelo catálogo do fabricante verifica-se, também, seus rendimentos e consumos de energia elétrica nos pontos de operação esperados, e define-se assim, aquela que melhor atenderá às necessidades. Figura 5 - Curva Característica do Sistema com Curvas Características das bombas. 20 o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1507

8 DISCUSSÃO O método tem como característica a sua simplicidade de eecução e a baia taa de erro, que na prática é ineistente. Pode ser aplicado a qualquer sistema de poço tubular profundo, desde que atuando na sua faia de operação. Com a utilização do método, não há necessidade de cálculos de perda de carga que necessitariam de outros dados, como a profundidade de instalação do equipamento, diâmetro, comprimento e material do edutor e da adutora, coneões instaladas, etc. O método pode ser facilmente implantado em computador, que poderá apresentar todas as informações necessárias em questões de segundos, bastando digitar os seguintes dados: vazão atual; H man da bomba; nível estático; nível dinâmico; desnível geométrico; pontos de operação (H man vs ), das bombas disponíveis em estoque com potências e faias de operação semelhantes. É importante salientar que, quanto maior o número de pontos digitados (H man vs ), menor o erro encontrado. CONCLUSÃO Pelo método proposto, a seleção dos equipamentos, poderá ser eecutada de maneira simples e rápida, por qualquer operador que tenha o mínimo de conhecimento sobre conjuntos moto-bombas e poços tubulares profundos, mesmo não conhecendo a característica da instalação, isto é, sem necessidade de calcular as perdas de carga de maneira convencional. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a SANESUL, pela oportunidade de realizar este trabalho. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. CARVALHO, Djalma Francisco. Instalações Elevatórias - Bombas. Belo Horizonte: Departamento de Engenharia Civil - IPUC, AZEVEDO NETO, José Martiniano; Alvarez, Guilhermo Acosta. Manual de Hidráulica. São Paulo: Edgard Blücher, SANTOS, J.P. Treinamentos a Distância. São Paulo : CETESB, NEVES, Eurico Trindade. Curso de Hidráulica. Porto Alegre: Editora Globo, o Congresso Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental 1508