ESTIMATIVA DOS RENDIMENTOS MÁXIMOS DE BOMBAS CENTRIFUGAS ESTIMATED OF MAXIMUM EFFICIENCY OF CENTRIFUGE PUMPS

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1 ESTIMATIVA DOS RENDIMENTOS MÁXIMOS DE BOMBAS CENTRIFUGAS Paola Marques Kuele 1 ; Jóice Cristini Kuritza 2 *; Mariane Kempka 3 ;Raynner Lopes 4 ; Marcelo Giulian Marques 5 Resumo As bombas hidráulicas fornecem energia ao líquido para que possa ser realizado o trabalho de conduzi-lo, vencendo os desníveis geométricos e as resistências encontradas no caminho.a conversão da energia fornecida ao líquido é inferior a energia que o motor fornece à bomba, essa porção perdida é indicada pelo rendimento da bomba no seu ponto de funcionamento. A literatura aponta que os rendimentos variam entre 40% a 85% dependendo das características da bomba. Neste trabalho foi realizado um levantamento dos rendimentos máximos de 46 diferentes modelos de bombas centrífugas de duas linhas distintas do mesmo fabricante. Através da análise efetuada, foi observado que o rendimento máximo tende a aumentar com a rotação específica da bomba. Palavras-Chave s; Rendimento máximo ESTIMATED OF MAXIMUM EFFICIENCY OF CENTRIFUGE PUMPS Abstract Hydraulic pumps provide energy to the liquid so it can be driven, beating the geometric unevenness and resistances along the way. The conversion of energy supplied to the liquid is less than the energy that the engine offers to the pump, this portion lost is indicated by the pump performance in its operating point. The literature points out that yields vary between 40% to 85%, depending on the pump characteristics. In this study was carried out a survey of the best performances of 46 different models of centrifugal pumps in two distinct rows from the same manufacturer. Through the analysis performed was observed that the maximum income tends to increase with the specific rotation of the pump. Keywords Hydraulic pump; Efficiency INTRODUÇÃO s são máquinas geratrizes, ou seja, recebem trabalho mecânico, geralmente fornecido por outra máquina, e o transformam em energia hidráulica. Sua finalidade é realizar o deslocamento de um líquido por meio da diferença de energia de pressão e energia cinética (MACINTYRE, 2013). Em suma, a bomba fornece energia ao líquido para que possa ser realizado o trabalho de movê-lo, vencendo todas as resistências encontradas no caminho. A rede elétrica fornece a potência ao motor da bomba e este, por sua vez,a converte em potência mecânica, que é transferida para o líquido. Os motores elétricos, de modo geral, possuem altos rendimentos, ultrapassando 90% e podendo chegar a 97% para motores de alto 1 Afiliação: Universidade Federal do Rio Grande do Sul, paolakuele@gmail.com 2 Afiliação: Universidade Federal do Rio Grande do Sul, joicekuritza@gmail.com 3Afiliação: Universidade Federal do Rio Grande do Sul, kempka.mariane@gmail.com 4Afiliação: Universidade Federal do Rio Grande do Sul, raynnerlopesufpa@gmail.com 5Afiliação: Universidade Federal do Rio Grande do Sul, mmarques@iph.ufrgs.br XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

2 rendimento.contudo, parte da energia transferida à bomba se perde nos mancais e outros elementos constituintes, reduzindo a energia utilizada disponível para o líquido, esta parcela da energia, utilizada pelo líquido,recebe o nome de potência útil. No Brasil, os ensaios de bombas são normatizados segundo a ABNT pela NBR 6397:1975. Sendo assim, cada fabricante deve fornecer as curvas características de suas bombas, que devem apresentar os valores de altura manométrica e vazão correspondentes, o diâmetro do rotor, a velocidade de rotação,o rendimento, entre outras características, conforme apresentado na Figura 1. Estes ensaios são, em grande parte, realizados nos laboratórios dos próprios fabricantes, e dirigem as várias medições realizadas para diferentes condições de operação de modo a obter uma curva única ou várias curvas de nível em função da vazão, onde é definida o Ponto de Máxima Eficiência. Figura 1 Exemplo de curvas características fornecidas pelo fabricante O rendimento de uma bomba (η) é o quociente da potência fornecida ao fluido pela bomba (P Hid ) pela potência motriz (P m ) recebida pela bomba. O rendimento da bomba pode ser expresso pela equação 1: η = P Hid P m = γ Q H P m (1) Onde: P Hid Potência Hidráulica (W) P m Potência motriz ou mecânica (W) γpeso específico do líquido (N/m³) Q Vazão volumétrica (m³/s) H Altura manométrica (m). Os rendimentos de bombas de grande porte podem atingir valores em torno de 85% enquanto os de pequenas unidades podem chegar a menos de 40%, conforme apresentado por MACINTYRE (2013), GOMES (2009) e GOMES e CARVALHO (2012), dentre outros. É usual se considerar valores de referência, para cálculos preliminares, em torno de 40% para bombas pequenas e 60% para bombas de médio porte. A rotação específica (Nq), que pode ser determinada pela equação 2, permite que se agrupe as bombas geometricamente semelhantes. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

3 Nq = 2 N Q H3/4 (2) Onde: Nq é a rotação específica N é a rotação da bomba (rpm) H é a altura manométrica (m) Q é a vazão (m³/s) A análise baseada no conceito da rotação especifica (Nq), foi subsidiada de um levantamento acerca do ponto de funcionamento e os respectivos rendimentos de duas linha de bombas centrífugas, de um mesmo fabricante, por meio de catálogos disponibilizados pelo mesmo, visando obter informações sobre o ponto de máximo rendimento das bombas estudadas. O rendimento, por sua vez, foi relacionado à rotação específica de modo que fosse possível estimar, em estudos preliminares, qual o rendimento máximo da bomba e o respectivo ponto de funcionamento. METODOLOGIA As informações necessárias para realização desta pesquisa foram retiradas dos catálogos cedidos pelo fabricante para as linhas de bombas escolhidas. Deles constam informações técnicas, desde a construção, aplicação, projeto, características particulares das linhas, desenhos dimensionais e curvas características de cada modelo. A linha 1 apresenta bombas centrífugas de eixo horizontal, monoestágio, sucção horizontal e descarga vertical. Possuem rotor semiaberto, radial de fluxo único e palhetas traseiras que evitam o acúmulo de sólidos na parte posterior da bomba. São indicadas para aplicação em diversos segmentos como saneamento e bombeamento em indústrias químicas e petroquímicas, siderurgia, alimentícia e de bebidas, usinas de açúcar e álcool e papel e celulose. Desta linha, foram compilados os dados de 27 modelos distintos com altura manométrica variando de 4,3 mca a 162 mca, diâmetro do rotor de 90 mm a 350 mm, vazão de 5,7 m³/h a 195 m³/h e rendimento de 30% a 76%. As bombas da linha possuem duas rotações, 1750 rpm e 3500 rpm e frequência única de 60Hz. Através da curva característica de cada modelo de bomba (altura manométrica versus vazão), foi possível obter o rendimento teórico, de acordo com o fabricante. Estes dados foram empregados para o cálculo da rotação específica, utilizando a equação 2. Destaca-se que foram utilizadas somente as informações relativas ao maior rendimento de cada modelo, encontrado para o diâmetro nominal. As informações coletadas do catálogo das 27 bombas desta linha estão apresentadas no Quadro 1. As bombas da linha 2 possuem características e indicações de uso semelhantes às da linha 1, porém, apresentam rotor aberto. Desta linha, foram analisados 19 modelos, com altura manométrica variando de 12,1 mca a 92 mca, diâmetro do rotor de 355 mm a 571 mm, vazão de 87 m³/h a 2450 m³/h e rendimento de 66% a 85%. As bombas possuem quatro rotações, 1780 rpm, 1180 rpm, 880 rpm e 590 rpm, e frequência única de 60 Hz. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

4 Quadro 1 - Características das bombas estudadas retiradas do catálogo da linha 1(fornecido pelo fabricante) ,5 13, ,5 16, , , , , , , , ,5 32, , , , Adotando metodologia idêntica aquela aplicada às bombas da linha anterior, foi possível obter o rendimento teórico, por meio das informações contidas nas curvas características. Empregando-se a equação 2, foi calculada a rotação específica referente a cada modelo. Foram utilizadas apenas informações correspondentes ao maior rendimento de cada modelo, identificado para o diâmetro nominal. Os dados coletados do catálogo das 19 bombas analisadas estão dispostos no Quadro 2. Quadro 2 - Características das bombas estudadas retiradas do catálogo da linha 2 (fornecido pelo fabricante) , , , , , , , , , , , Foi calculada a rotação específica para cada bomba. Posteriormente, foram elaborados os gráficos do rendimento em função da rotação específica. Esses gráficos buscaram aferir a tendência no comportamento do rendimento máximo da bomba em função da rotação específica. As informações referentes às duas linhas de bombas investigadas foram sintetizadas e estão apresentadas no quadro 3. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

5 Quadro 3 - Informações sintetizadas a respeito das duas linhas estudadas. Característica Linha 1 Linha 2 Número de modelos Tipo de Rotor Semiaberto Aberto Diâmetro do rotor (mm) 90 a a 571 Rotação nominal (rpm) 1750 e , 1180, 880 e 590 Vazão (m³/h) 5,7 a a 2450 Rendimento (%) 30 a a 85 Altura manométrica (mca) 4,3 a ,1 a 92 Eixo Horizontal Frequência (Hz) 60 RESULTADOS As rotações específicas das 46 bombas, relativas às duas linhas avaliadas, estão apresentadas nos quadros 4 e 5. A figura 2, referente à linha 1, apresenta o rendimento (%) em função da rotação específica para as rotações nominais de 3500 rpm e 1750 rpm. A figura 3 mostra o mesmo tipo de gráfico, porém em relação à linha 2, que apresenta rotações nominais de 1780 rpm, 1180 rpm, 880 rpm e 590 rpm. Observa-se que, idêntico ao que aponta a literatura (MACINTYRE, 2013), (GOMES, 2009), (GOMES e CARVALHO, 2012), os rendimentos variaram de 30% a 85% entre os 46 modelos analisados. Os dados para as bombas da linha 1 podem ser representados pela equação 3 e as bombas da linha 2 pela equação 4. η % = 99,635N q 11,592+N q R 2 = 0,80 (3) η % = 95,705N q 7,049+N q R 2 = 0,89 (4) Quadro 4 - Rotação específica e rendimento das bombas da linha 1. Nq η (%) Nq η (%) 1 21, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

6 Quadro 5- Rotação específica e rendimento das bombas da linha 2. Nq η (%) Nq η (%) 1 17, , , , , , , , , , , , , , , , , , , Figura 2 Rendimento das bombas da linha 1 em função da rotação específica. Figura 3- Rendimento das bombas da linha 2 em função da rotação específica. De acordo com os dados apresentados nas figuras 2 e 3, observa-se que há uma tendência de o rendimento máximo aumentar com o aumento rotação específica. Além disso, comparando-se as figuras, foi possível perceber que os rendimentos apresentados pelas bombas da linha 2 são maiores que os rendimentos apresentados pelas bombas da linha 1. Enquanto na primeira linha os XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

7 rendimentos encontrados estão entre 30% e 76% na segunda linha estão entre 66% e 85%. Ressaltase que as bombas da linha 2 são de maior porte que as da linha 1, o que pode ser confirmado ao comparar-se a faixa de diâmetros dos rotores de ambas as linhas, apresentados no quadro 3, 90 mm a 350 mm para linha 1 e 355 mm a 571 mm para linha 2. Os maiores rendimentos apresentados pela linha 2, em detrimento daqueles apresentados pela linha 1, devem ser decorrentes deste fato, o que está de acordo com apresentado em MACINTYRE (2013), GOMES (2009) e GOMES e CARVALHO (2012). A metodologia apresentada nesta pesquisa relaciona o rendimento das bombas com a rotação específica, grandeza que guarda relação com as características principais da bomba, altura manométrica, vazão e rotação. Até o presente momento foram compiladas somente as informações de 46 modelos de duas linhas de bombas, no entanto, o estudo continuado, junto aos fabricantes, produzirá informações que contribuam com as investigações a respeito do rendimento e da relação deste com as demais grandezas características. CONCLUSÕES O estudo acerca do comportamento do rendimento máximo das bombas centrifuga é bastante importante no que concerne ao dimensionamento de um sistema de recalque e a eficiência energética. As análises aqui apresentadas são de caráter preliminar e fazem parte de um estudo maior que tem como objetivo analisar diferentes tipos de bombas e diferentes fabricantes para criar um banco de dados que permita a determinação de rendimentos médios máximos para estudo de concepção e ou para determinação da lei de operação dos sistemas de recalque, visando definir o número e as características do grupo motobomba. Até o momento, verificou-se que as bombas centrífugas apresentam rendimentos que variam de 40% a 85%, de acordo com o que sugere a bibliografia técnica e também com o que foi encontrado nos catálogos consultados. Identifica-se que os rendimentos independem da rotação nominal da bomba, mas tendem a aumentar com a rotação específica, grandeza que guarda relação com as características da bomba. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a Eletrobrás pelo suporte financeiro. REFERÊNCIAS a) MACINTYRE, Joseph Archibald. s e Instalações de Bombeamento. 2. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan S.a., b) GOMES, Heber Pimentel; CARVALHO, Paulo Segio O. de (Org.). Manual de Sistemas de Bombeamento: Eficiência Energética. João Pessoa: Univesitária UFPB, p. (PROCEL SANEAR). Manual do Usuário. c) GOMES, Heber Pimentel. Sistemas de Bombeamento: Eficiência Energética. João Pessoa: Univesitária UFPB, p. d) SANTOS, Sérgio Lopes dos. s e Instalações Hidráulicas. São Paulo: LCTE, p. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7