SELEÇÃO DE BOMBA PARA TUBULAÇÃO DE GASOLINA AUTOMOTIVA PURA EM UMA BASE DE DISTRIBUIÇÃO DE COMBUSTÍVEL. André Martins Ferreira

SELEÇÃO DE BOMBA PARA TUBULAÇÃO DE GASOLINA AUTOMOTIVA PURA EM UMA BASE DE DISTRIBUIÇÃO DE COMBUSTÍVEL André Martins Ferreira Projeto de graduação apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro. Orientador: Reinaldo de Falco Rio de Janeiro SETEMBRO de 2016

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica DEM/POLI/UFRJ SELEÇÃO DE BOMBA PARA TUBULAÇÃO DE GASOLINA AUTOMOTIVA PURA EM UMA BASE DE DISTRIBUIÇÃO DE COMBUSTÍVEL André Martins Ferreira PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO. Aprovado por: Prof. Reinaldo de Falco, M.Sc. Prof. Daniel Onofre de Almeida Cruz, D.Sc. Prof. Daniel Alves Castello, D.Sc. RIO DE JANEIRO, RJ BRASIL SETEMBRO de 2016

Ferreira, André Martins SELEÇÃO DE BOMBA PARA TUBULAÇÃO DE GASOLINA AUTOMOTIVA PURA EM UMA BASE DE DISTRIBUIÇÃO DE COMBUSTÍVEL/ André Martins Ferreira. Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2016. X, 88 p.: il.; 29,7 cm Orientador: Reinaldo de Falco Projeto de Graduação UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de Engenharia Mecânica, 2016. Referências Bibliográficas: p.75. 1.Introdução. 2. Objetivos e estrutura do trabalho. 3. Conceitos aplicáveis ao estudo. 4. Estudo de caso. 5. Seleção da bomba. 6. Conclusões. I. De Falco, Reinaldo. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Mecânica. III. Titulo. I

DEDICATÓRIA À minha família e a todos que apoiaram meu desenvolvimento até hoje. II

Agradecimentos A meus pais e minha irmã, pelo suporte dado em todos esses anos. Ao professor Reinaldo de Falco, pela orientação e ensinamentos. A meus amigos, por todo o apoio. III

Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte dos requisitos necessários para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico. SELEÇÃO DE BOMBA PARA TUBULAÇÃO DE GASOLINA AUTOMOTIVA PURA EM UMA BASE DE DISTRIBUIÇÃO DE COMBUSTÍVEL André Martins Ferreira Setembro/2016 Orientador: Reinaldo de Falco Curso: Engenharia Mecânica O desafio de distribuir combustível automotivo está diretamente ligado à capacidade de movimentação de produtos em refinarias e bases de distribuição, com destaque para as bombas hidráulicas instaladas em cada localidade. A operação das unidades é reflexo da capacidade de transferência de combustíveis e consequência do arranjo de tubulações e da seleção dos melhores equipamentos para deslocamento dos fluidos até o local de armazenagem desejado. Nesse sentido, a correta seleção de bombas hidráulicas é de grande valor para a cadeia de distribuição. Com foco no aumento de produtividade em uma base de distribuição, foi realizado um estudo detalhado da linha de transferência de gasolina automotiva pura com objetivo de analisar o comportamento da instalação atual no caso de aumento de vazão do produto. A partir de dados de perda de carga e configuração da tubulação foi selecionada a bomba hidráulica e apresentadas as conclusões sobre o aumento de vazão no sistema. Palavras-chave: Bombas hidráulicas, base de distribuição de combustível, desempenho operacional, perda de carga, tubulação, gasolina automotiva pura IV

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Mechanical Engineer. PUMP SELECTION FOR AN ETHANOL-FREE GASOLINE PIPELINE IN A FUEL DISTRIBUTION BASE André Martins Ferreira September/2016 Advisor: Reinaldo de Falco Course: Mechanical Engineering The challenge of distributing liquid fuels links directly to the capacity of transporting products between refineries and fuel distribution bases, with special focus to the hydraulic pumps installed in each location. The operation in these units is a reflex of their capacity to transport liquid fuels and is a consequence of the layout of the pipeline and the selection of the best equipment suited for the transport of fluids to desired storages. Thus, the proper selection of hydraulic pumps is of great value to the distribution chain. Focusing on the increase of productivity at a fuel distribution base, a detailed study was conducted to analyze the pipeline used for ethanol-free gasoline transportation in order to analyze its behavior in a scenario in which the flow ratio is increased. Based on the pressure drop and on the layout of the system, hydraulic pumps were selected and conclusions from the increase in the flow ratio were presented. Keywords: Hydraulic pumps, fuel distribution base, operational performance, pressure drop, pipeline, ethanol-free gasoline V

Sumário Lista de figuras... IX Lista de tabelas... XI 1 Introdução... 1 2. Objetivo e estrutura do trabalho... 5 3. Conceitos aplicáveis ao estudo... 6 3.1. Conceitos de Mecânica dos Fluidos... 6 3.1.1. Propriedades dos fluidos... 6 3.1.1.1. Massa específica (ρ)... 6 3.1.1.2. Peso específico... 6 3.1.1.3. Densidade (d)... 7 3.1.1.4. Pressão de vapor... 7 3.1.1.5. Viscosidade absoluta ou dinâmica (µ)... 8 3.1.1.6. Viscosidade cinemática (ν)... 8 3.1.2. Características do escoamento em tubulações... 9 3.1.2.1. Número de Reynolds... 9 3.1.2.2. Escoamento laminar... 9 3.1.2.3. Escoamento turbulento... 10 3.1.2.4. Transição do regime laminar para o regime turbulento... 10 3.1.3. Vazão e velocidade de escoamento... 10 3.1.4. Altura manométrica total (AMT)... 12 3.1.5. Teorema de Bernoulli... 13 3.1.5.1. Teorema de Bernoulli aplicado a bombas... 15 3.1.6. Perda de carga na tubulação (hf)... 17 3.1.6.1. Perda de carga normal (hfn) e perda de carga localizada (hfl)... 17 VI

3.1.6.2. Fator de Atrito (f)... 19 3.1.6.3. Método de comprimento equivalente... 22 3.1.6.4. Método direto... 23 3.2. Conceitos de bombas hidráulicas... 23 3.2.1. Tipos de bomba... 24 3.2.1.1. Bombas dinâmicas ou turbobombas... 26 3.2.1.2. Bombas volumétricas... 26 3.2.2. Curvas características de bombas... 26 3.2.3. NPSH disponível e NPSH requerido... 29 3.2.4. Cavitação... 30 3.3. Conceitos de tubulação... 30 3.3.1. Tubos... 30 3.3.2. Conexões de tubulação... 31 3.3.3. Válvulas... 31 3.3.3.1. Válvulas de gaveta... 32 3.3.3.2. Válvulas de esfera... 33 3.3.3.3. Válvulas de retenção... 33 3.3.3.4. Válvulas de globo... 34 3.3.3.5. Válvulas de controle... 35 3.3.4. Filtros... 35 4. Estudo de Caso... 36 4.1. Principais características do sistema estudado... 36 4.2. Operação de carregamento de caminhões tanque... 41 4.3. Representação simplificada da tubulação de carregamento de gasolina automotiva pura... 43 VII

4.4. Verificação da velocidade de escoamento no sistema... 44 4.4.1. Determinação do diâmetro do header de descarga... 46 4.4.2. Impacto financeiro da interrupção da linha... 47 4.5. Verificação do Número de Reynolds... 48 4.6. Cálculo do fator de atrito... 49 4.7. Cálculo da perda de carga na tubulação... 50 4.7.1. Método de comprimentos equivalentes... 52 4.7.2. Método direto... 56 4.7.3. Comparativo de métodos para cálculo da perda de carga... 58 4.8. Cálculo da Altura Manométrica Total... 59 4.9. Cálculo do NPSH disponível... 60 4.10. Cálculo da potência consumida pela bomba... 61 5. Seleção da bomba... 63 5.1. Primeiro cenário... 64 5.2. Segundo cenário... 67 6. Conclusões... 72 6.1. Conclusão sobre a seleção da bomba... 72 6.2. Recomendações para a instalação das novas bombas... 73 7. BIBLIOGRAFIA... 75 8.1 ANEXO Tabela de comprimentos equivalentes [2]... 76 8.2 ANEXO Dados técnicos da bomba KSB Megachem (cortesia KSB)... 79 VIII

Lista de figuras Figura 1 - Estrutura do mercado de distribuição de combustíveis no Brasil [1]... 1 Figura 2 - Mapa de bases de distribuição no Brasil [1]... 2 Figura 3 - Mapa da infraestrutura brasileira de distribuição de combustível [1]... 3 Figura 4 - Participação de cada produto no mercado brasileiro [1]... 3 Figura 5 - Exemplo de linha de sucção [2]... 15 Figura 6 - Exemplo de uma linha de descarga [2]... 16 Figura 7 - Exemplo de perda de carga normal [3]... 18 Figura 8 - Exemplo de perda de carga localizada [3]... 18 Figura 9 - Ábaco de Moody [2]... 20 Figura 10 Rugosidade relativa e coeficiente de atrito para escoamento completamente turbulento [2]... 21 Figura 11 Classificação de bombas... 25 Figura 12 - Exemplo de curva característica de bomba [3]... 27 Figura 13 - Influência do diâmetro do impelidor na curva característica [3]... 28 Figura 14 - Definição do ponto de operação [3]... 29 Figura 15 - Válvula de gaveta [6]... 32 Figura 16 - Válvula de esfera [6]... 33 Figura 17 - Válvula de retenção tipo pistão [6]... 34 Figura 18 - Válvula de retenção tipo portinhola [6]... 34 Figura 19 - Válvula de globo [6]... 35 Figura 20 - Arranjo original do sistema... 37 Figura 21- Carregamento Top Loading e Bottom Loading [7]... 40 Figura 22 - Arranjo proposto para o sistema... 41 Figura 23 - Representação simplificada da tubulação... 43 Figura 24 - Velocidade de escoamento para diferentes diâmetros de tubulação... 47 Figura 25 - Influência da eficiência da bomba na potência consumida... 62 Figura 26 - Bomba KSB Megachem... 63 Figura 27 - Seleção do modelo de bomba da KSB... 64 Figura 28 - Curva da bomba KSB Megachem tamanho 150-315... 65 IX

Figura 29 - Curva de NPSH requerido e potência da bomba KSB Megachem 150-315... 65 Figura 30 Possíveis modelos de bomba KSB... 68 Figura 31 Curva da bomba KSB modelo 150-250... 69 Figura 32 Curvas de NPSH e Potência da bomba KSB modelo 150-250... 70 Figura 33 - Comprimento equivalente de entradas e saídas [2]... 76 Figura 34 - Comprimento equivalente de reduções e ampliações de diâmetro [2].. 77 Figura 35 - Comprimento equivalente de válvulas [2]... 78 Figura 36 - Comprimento equivalente de joelhos, curvas e T's [2]... 78 Figura 37 - Modelos KSB série MEGA... 79 Figura 38 - Recomendações para bombas KSB série MEGA... 80 Figura 39 - Curvas características das bombas KSB série MEGA... 81 Figura 40 - Curvas características das bombas KSB série MEGA 150-315... 82 Figura 41 - Curvas características das bombas KSB série MEGA 150-250... 83 Figura 42 - Curvas características das bombas KSB série MEGA 125-250... 84 Figura 43 - Informações gerais das bombas KSB Megachem... 85 Figura 44 - Vista explodida das bombas KSB Megachem... 86 Figura 45 - Desenho em corte e lista de peças das bombas KSB Megachem... 87 Figura 46 - Lista de peças das bombas KSB Megachem... 88 X

Lista de tabelas Tabela 1 Vazão das bombas na configuração original... 37 Tabela 2 - Principais características do tanque de armazenagem... 38 Tabela 3 - Configuração dos braços de carregamento de Gasolina A... 39 Tabela 4 - Vazão das bombas na configuração proposta... 41 Tabela 5 - Dados do processo de bombeamento... 42 Tabela 6 - Vazão e Diâmetro de cada trecho da tubulação... 44 Tabela 7 - Velocidades de escoamento nos trechos da tubulação... 46 Tabela 8 - Preços médios ANP (Ref.: Julho 2016) [8]... 48 Tabela 9 - Número de Reynolds em cada trecho da tubulação... 49 Tabela 10 - Fator de atrito em cada trecho da tubulação... 50 Tabela 11 - Comprimentos de tubulação reta... 51 Tabela 12 - Acessórios no trecho de sucção do tanque para a praça de bombas... 51 Tabela 13 - Acessórios no trecho de descarga da praça de bombas até o bocal dos braços de carregamento... 52 Tabela 14 - Comprimentos equivalentes em metro de tubulação reta [2]... 53 Tabela 15 - Comprimento equivalente dos acessórios em cada trecho da tubulação54 Tabela 16 - Comprimento total de tubulação reta pelo método de comprimentos equivalentes... 54 Tabela 17 - Perda de carga em cada trecho pelo método de comprimentos equivalentes... 55 Tabela 18 - Perda de carga pelo método de comprimentos equivalentes... 55 Tabela 19 - Valores de L/D para os acessórios da tubulação... 57 Tabela 20 - Somatório de L/D em cada trecho da tubulação... 57 Tabela 21 - Perda de carga em cada trecho da tubulação pelo método direto... 58 Tabela 22 - Perda de carga pelo método direto... 58 Tabela 23 - Comparativo da perda de carga por diferentes métodos de cálculo... 59 Tabela 24 - Dados para seleção de bomba - Primeiro cenário... 64 Tabela 25 - Risco de cavitação no primeiro cenário de simulação... 66 Tabela 26 - Bomba selecionada no primeiro cenário... 66 Tabela 27 - Simulação de operação com nível mínimo de produto no tanque... 67 XI

Tabela 28 - Dados para seleção de bomba - Segundo cenário... 68 Tabela 29 - Risco de cavitação no segundo cenário de simulação... 70 Tabela 30 - Bomba selecionada no segundo cenário... 71 Tabela 31 - Especificações da bomba recomendada... 73 XII

1 Introdução A estrutura do setor de distribuição de combustíveis no Brasil, representada na Figura 1, tem origem em refinarias, seguindo para empresas distribuidoras e terminando em revendas e consumidores. O destino final da maior parte do combustível são os postos revendedores, abastecidos por caminhões tanque carregados em bases de distribuição. No processo de carregamento, bombas hidráulicas possuem importante papel, pois têm como função fornecer energia suficiente para o transporte do produto em tubulações com as mais diversas configurações. Figura 1 - Estrutura do mercado de distribuição de combustíveis no Brasil [1] 1

Bases de distribuição primárias fornecem combustíveis a bases secundárias ou diretamente a clientes consumidores. Espalhadas por todo o território nacional, a localização das bases de distribuição brasileiras está representada na Figura 2. Figura 2 - Mapa de bases de distribuição no Brasil [1] Para atender à demanda dessas unidades, construiu-se ao longo de muitos anos uma infraestrutura para transporte dos produtos em diferentes modais como ferrovias, hidrovias, dutos e rodovias. Os modais ferroviário, hidroviário e por dutos movimentam um alto volume de combustíveis quando comparados ao modal rodoviário. A malha de dutos é pequena e está concentrada no Sudeste, próxima a seu limite operacional. Ferrovias, por sua vez, estão concentradas no Sul e no Sudeste e enfrentam restrições operacionais. Hidrovias são expressivas na região Norte e têm pouca presença em outras regiões. A Figura 3 apresenta o mapa da infraestrutura brasileira de distribuição de combustíveis. 2

Figura 3 - Mapa da infraestrutura brasileira de distribuição de combustível [1] Dentre os principais combustíveis comercializados, o óleo diesel e a gasolina automotiva possuem destaque de vendas no Brasil, com consumo elevado em todo o país. A participação expressiva de ambos no mercado brasileiro está mostrada na Figura 4, que traz o comparativo do resultado de vendas dos anos 2014 e 2015. Figura 4 - Participação de cada produto no mercado brasileiro [1] 3

O cenário de vendas destaca a importância do carregamento de gasolina e diesel nas unidades operacionais, onde a performance está diretamente ligada à capacidade de movimentação de produtos por tubulações e ao tempo necessário para o abastecimento de caminhões tanque. Configurações defasadas de praças de bomba não acompanham o crescimento dos volumes demandados e resultam em perda de vazão para carregamentos simultâneos. Para contornar essas perdas, esforços são deslocados para a adaptação das bases de distribuição com a realização de análises da tubulação e a seleção de novos equipamentos. Nesse contexto, foi aproveitado para este estudo o relato de perda de vazão na linha de carregamento de gasolina automotiva pura em uma base de distribuição brasileira que registra grande crescimento do número de carregamentos simultâneos. Em busca de uma solução, foi realizado um estudo detalhado da linha de transferência do produto e sugerida a seleção de novas bombas. O estudo considerou recomendações e referências de segurança operacional, assim como boas práticas de mercado para apresentar a nova configuração das bombas dedicadas à movimentação de gasolina automotiva pura. 4

2. Objetivo e estrutura do trabalho O estudo de caso deste trabalho tem como objetivo propor uma nova seleção de bombas hidráulicas para uma base de distribuição de combustíveis brasileira, onde foi relatada a perda de vazão na linha de gasolina automotiva pura com o crescimento do número de carregamentos simultâneos. Tal relato é consequência do crescimento da movimentação da base ao longo dos anos, que despertou a demanda por uma expansão da praça de bombas para manter a performance da operação. Para concluir sobre a seleção, a tubulação atual do produto será analisada para um cenário de operação com aumento da vazão atual de produto na linha. Com base nesse levantamento, bombas hidráulicas serão sugeridas alinhadas à orientação de que a substituição ocorra com a menor interferência possível na instalação, preferencialmente sem interromper a operação do local. De início, conceitos fundamentais de Mecânica dos Fluidos e bombas hidráulicas serão apresentados e desenvolvidos para posterior aplicação nos cálculos do trabalho. Tais conceitos fornecem o embasamento teórico para resolução do caso apresentado, explicitando metodologias e considerações adotadas na seleção dos equipamentos e na análise da tubulação do local. O primeiro passo do estudo consiste na análise da tubulação atual quando submetida à vazão proposta na expansão da base de distribuição, definida para 1.200m³/h na linha de gasolina automotiva pura. A configuração se dá com três bombas em paralelo dedicadas exclusivamente à movimentação do produto, cabendo recomendações em caso de risco operacional no novo cenário. Com base nos dados do processo real de operação serão calculados os parâmetros fundamentais para a seleção das bombas hidráulicas adequadas ao sistema. A escolha dos equipamentos contará com consulta a catálogos de fabricantes e recomendações técnicas aplicáveis. Em seguida, diferentes cenários de operação serão simulados para analisar a influência de um nível mínimo de produto no tanque na seleção da bomba. Ao final do trabalho, será apresentada a sugestão de seleção das bombas hidráulicas a serem instaladas na expansão da base de distribuição. A escolha será fundamentada nos cálculos realizados e nas recomendações de segurança para a operação, acompanhada de sugestões operacionais para a nova configuração proposta. 5

3. Conceitos aplicáveis ao estudo Esse capítulo apresenta os conceitos aplicados no estudo, a exemplo de fundamentos da mecânica dos fluidos, bombas e tubulações. Inicialmente serão abordados os conceitos aplicados a mecânica dos fluidos, descrevendo as principais propriedades de fluidos e dos diferentes tipos de escoamento. Em seguida, serão apresentadas características de bombas, como tipos, grupos, cálculos e curvas utilizadas na seleção dos equipamentos. Por fim, conceitos de tubulações e acessórios típicos serão introduzidos, visto que são necessários à análise dos sistemas de movimentação de fluidos, objeto do presente estudo. As fontes de informação usadas para elaboração desse capítulo são [2], [3], [4] e [5]. 3.1. Conceitos de Mecânica dos Fluidos Os principais conceitos sobre mecânica dos fluidos relacionados a bombas serão apresentados a seguir, com destaque para as propriedades dos fluidos e as características dos escoamentos em tubulações. Tais conceitos estão presentes nos cálculos realizados no estudo de caso e o entendimento de cada fundamento contribui para a melhor compreensão da situação apresentada e dos fatores a serem considerados. 3.1.1. Propriedades dos fluidos As propriedades de fluidos comumente utilizadas no estudo de bombas são apresentadas a seguir, assim como as principais unidades e correlações. 3.1.1.1. Massa específica (ρ) A massa específica de uma substância representa a quantidade de massa presente em uma unidade de volume. Sua equação é dada por: ρ = M V ρ = massa específica [kg/m³]; M = massa [kg]; V = volume [m³]. As unidades mais comuns são kg/m³, lbm/ft³ e slug/ft³ e no presente estudo a massa específica é apresentada em kg/m³. 3.1.1.2. Peso específico O peso específico de uma substância, similar à massa específica, representa a razão entre o peso da substância e a unidade de volume relacionada. Uma definição mais precisa 6

descreve o peso específico como a força, por unidade de volume, exercida em um corpo de massa específica ρ submetido a uma aceleração igual à da gravidade g. No presente estudo, o peso específico é calculado pela equação: γ = peso específico [N/m³]; ρ = massa específica [kg/m³]; g = aceleração da gravidade [m/s²]. γ = ρ g Para converter a unidade do peso específico de N/m³ para kgf/m³ é usada a relação: 1 Newton = 0,10197162 Quilograma-força O peso específico é apresentado em kgf/m³ no estudo de caso. 3.1.1.3. Densidade (d) A densidade de uma substância representa a razão entre a massa específica da mesma e a massa específica de uma substância referência, usualmente a água ou o ar, em condições padrão. Para líquidos, a referência costuma ser a água enquanto para gases o comparativo é feito em relação ao ar. No caso da análise de densidade para líquidos, a referência adotada é a água a 15 C (59 F). A massa específica da água nas condições padrão à essa temperatura é de 999,1026 kg/m³, usualmente arredondada para 1.000kg/m³ ou 1kg/litro. A equação da densidade é representada por: d = densidade [adimensional]; ρ = massa específica [kg/m³]. d = ρ líquido avaliado ρ referência Por ser uma razão de propriedades em uma mesma unidade, a densidade relativa é uma propriedade adimensional. 3.1.1.4. Pressão de vapor A pressão de vapor representa o valor de pressão no qual coexistem as fases líquida e vapor de uma dada substância, quando submetida a uma temperatura abaixo da temperatura crítica, e varia de acordo com a temperatura do fluido. Para propriedade de pressão representantes de uma razão entre força e área, as unidades mais comuns são: kgf/cm², Pascal (Pa), bar, mh2o e mmhg. As unidades mh2o e 7

mmhg originam de estudos de hidrostática e associam uma pressão a uma altura de coluna de líquido, sendo necessário considerar seu peso específico no cálculo. A equação, nesses casos, é modificada conforme abaixo: P = γ H P = pressão [kgf/m²]; γ = peso específico [kgf/m³]; H = altura de líquido [m]. É importante ressaltar que, para produtos de petróleo, faz-se necessário obter os valores de pressão de vapor a diferentes temperaturas por meio de experimentos, visto que a propriedade é função da mistura de componentes no fluido. Exemplos de produtos de petróleo são: óleos lubrificantes, óleo diesel, gasolina e querosene, entre outros. Além disso, em projetos onde a operação se dá com fluidos no estado líquido, a exemplo de bombas, é essencial a avaliação da pressão de vapor devido ao risco de danos aos equipamentos. Tais efeitos serão apresentados em outros capítulos desse estudo. No presente estudo, os valores de pressão são apresentados em kgf/m². 3.1.1.5. Viscosidade absoluta ou dinâmica (µ) A viscosidade representa a resistência das camadas de um fluido em um escoamento e seu comportamento é distinto para diferentes tipos de fluido, a exemplo de fluidos dilatantes, newtonianos e pseudoplásticos. No presente estudo a viscosidade absoluta é apresentada na unidade kg/m.s. 3.1.1.6. Viscosidade cinemática (ν) A viscosidade cinemática representa a relação entra a viscosidade absoluta e a massa específica de um fluido. A equação para o cálculo da viscosidade cinemática é dada por: ν = µ ρ ν = viscosidade cinemática [m²/s]; µ = viscosidade absoluta [kg/m.s]; ρ = massa específica [kg/m³]. As unidades mais comuns para a viscosidade cinemática são: m²/s, ft²/s, centistokes (cst) e Segundos Saybolt Universal (SSU). 8

3.1.2. Características do escoamento em tubulações O escoamento de fluidos em uma tubulação, objeto central deste estudo, possui características importantes que devem ser analisadas e compreendidas para a correta seleção da bomba para o sistema. Entre tais características destaca-se o regime de escoamento em seus dois principais tipos: laminar ou turbulento. Para identificação do regime de escoamento recorremos ao Número de Reynolds, com influência também sobre o cálculo do fator de atrito. Esses conceitos são apresentados a seguir. 3.1.2.1. Número de Reynolds O número de Reynolds é uma propriedade adimensional que caracteriza o escoamento de um fluido, amplamente utilizada para determinação da natureza do escoamento em uma tubulação. Além disso, permite conclusões sobre os efeitos viscosos em um escoamento, que podem ser desprezados para valores elevados do Número de Reynolds ou serem dominantes para valores baixos. O número de Reynolds é dado pela equação: Re = Re = número de Reynolds [adimensional]; ρ = massa específica [kg/m³]; D = diâmetro interno da tubulação [m]; v = velocidade de escoamento [m/s]; µ = viscosidade cinemática [kg/m.s]. ρ D v μ Após o cálculo do Número de Reynolds, as seguintes referências são utilizadas para determinar o tipo de escoamento em uma tubulação com seção transversal circular: Re < 2.000, escoamento laminar 2.000 < Re < 4.000, escoamento transitório (zona crítica) 4.000 < Re, escoamento turbulento 3.1.2.2. Escoamento laminar O escoamento laminar é caracterizado por casos onde as partículas de um fluido movem-se em trajetórias bem definidas, com camadas ou lâminas paralelas e pontos com velocidades invariáveis em relação a ambos direção e magnitude. Nesse regime de 9

escoamento, não há mistura macroscópica de camadas adjacentes do líquido e a viscosidade do fluido tem ação de prevenir o surgimento de zonas de turbulência. O número de Reynolds para escoamento laminar em tubulação de seção transversal circular é inferior a 2.000, sendo sempre um valor positivo. 3.1.2.3. Escoamento turbulento O escoamento turbulento ocorre quando pontos no fluido sofrem flutuações de velocidade em alta frequência, ocasionando a mistura de partículas de camadas adjacentes. Não há, nesse caso, trajetórias bem definidas e sim trajetórias irregulares e aleatórias, onde a mistura de partículas de diferentes camadas ocorre de forma caótica com turbulência e redemoinhos. Vetores de distribuição de pressão, densidade e velocidade sofrem grandes alterações aleatórias no tempo para um mesmo ponto. O número de Reynolds para escoamento turbulento em tubulação de seção transversal circular é superior a 4.000. 3.1.2.4. Transição do regime laminar para o regime turbulento A transição do regime laminar, onde o número de Reynolds é inferior a 2.000, e o regime turbulento, com número de Reynolds superior a 4.000, se dá com o surgimento de pequenas perturbações e instabilidades lineares. Essas instabilidades lineares, por sua vez, geram vórtices rotativos e contra rotativos que resultam em instabilidades não-lineares. Em seguida são identificadas quebras e explosões das estruturas do fluido, com posterior formação de pontos de turbulência até que o escoamento se torne totalmente turbulento. O comprimento de tubulação onde ocorre a transição entre os regimes varia para cada configuração de sistema, podendo ser grande ou pequeno. De forma geral, o intervalo entre 2.000 e 4.000 do número de Reynolds caracteriza essa transição para tubulações de seção transversal circular. 3.1.3. Vazão e velocidade de escoamento A vazão de um sistema representa o volume ou a massa de um fluido que escoa por uma determinada seção ao longo do tempo. São denominadas vazão volumétrica e vazão mássica, respectivamente. A vazão volumétrica é a razão entre o volume de um fluido que escoa por uma determinada seção e o tempo necessário para esse deslocamento. É determinada pela equação: 10

Q(volumétrica) = V t Q = vazão volumétrica [m³/h]; V = volume [m³]; t = tempo [h]. A vazão mássica, por sua vez, é a razão entre a massa de um fluido que escoa por uma determinada seção e o tempo necessário para esse deslocamento. É determinada pela equação: Q(mássica) = M t Q = vazão mássica [kg/h]; M = massa [kg]; t = tempo [h]. É possível relacionar as vazões volumétrica e mássica ao introduzir o termo de massa específica (ρ), visto que volume e massa podem ser convertidos conforme a equação: M = V ρ M = massa [kg]; V = volume [m³]; ρ = massa específica [kg/m³]. A equação da vazão volumétrica também pode ser escrita relacionando a velocidade do escoamento do fluido e a área da seção transversal da tubulação pela qual escoa o fluido. A equação, nesse caso, é: Q = v A Q = vazão volumétrica [m³/h]; v = velocidade de escoamento [m/h]; A = área da seção reta da tubulação [m²]. Para tubulações com seção transversal circular, a área da seção é dada pela equação: π D2 A = 4 A = área da seção reta da tubulação [m²]; D = diâmetro interno da tubulação [m]. 11

Tem-se, portanto, a equação para a vazão volumétrica em um escoamento interno de uma tubulação de seção transversal circular: Q = vazão volumétrica [m³/h]; v π D2 Q = 4 v = velocidade de escoamento [m/h]; D = diâmetro interno da tubulação [m]. Uma conversão aplicada frequentemente permite representar a vazão em unidade de volume por segundo, de acordo com a relação: 1 hora = 3.600 segundos A análise da vazão e da velocidade de escoamento do fluido na tubulação é parte fundamental do estudo de caso, onde a vazão está diretamente relacionada à produtividade da base de distribuição. A velocidade de escoamento do fluido, por sua vez, está relacionada a recomendações técnicas específicas para a movimentação de fluidos e ao cálculo de fatores importantes para a análise do sistema. No presente estudo, a vazão volumétrica é apresentada em m³/h e m³/s. 3.1.4. Altura manométrica total (AMT) A altura manométrica total de um sistema representa a energia que será solicitada à bomba para a transferência de um fluido de um reservatório a outro. A demanda de energia está relacionada às perdas que ocorrem na tubulação pela resistência imposta ao longo do percurso, assim como pela localização dos reservatórios de origem e destino. Entre os fatores considerados temos o atrito na parede do tubo, a localização e a geometria dos reservatórios e a diferença de pressão entre os pontos de descarga e sucção. Para o cálculo da altura manométrica total considera-se a energia na linha de sucção e a energia na linha de descarga, cabendo à bomba o fornecimento da energia solicitada pelo sistema. Essa relação é resumida na equação abaixo: AMT = H d H s AMT = altura manométrica total [m]; Hd = altura manométrica de descarga [m]; Hs = altura manométrica de sucção [m]. 12

O cálculo dos termos que compõem a altura manométrica total será apresentado a seguir, derivado do Teorema de Bernoulli. O procedimento, no caso, permite o cálculo da demanda energética do sistema ainda no estágio de projeto, sem necessidade de instalar e operar o sistema físico para coleta de dados. Uma alternativa é a medição em campo, com a linha em operação, o que não é possível na fase de projeto, porém é recomendado após a instalação para que se obtenha os valores reais de performance e demanda do sistema. 3.1.5. Teorema de Bernoulli O Teorema de Bernoulli representa um caso particular do princípio da conservação de energia, aplicado ao escoamento de fluidos em sistemas fechados. A análise da energia total do fluido por unidade de peso compreende as energias de pressão, cinética e potencial gravitacional. Combinados, os fatores permitem o cálculo da energia existente em diferentes pontos do sistema com a equação abaixo: E sistema = E p + E c + E z Esistema = Energia total do sistema por unidade de peso [m]; Ep = energia de pressão por unidade de peso [m]; Ec = energia cinética por unidade de peso [m]; Ez = energia potencial gravitacional por unidade de peso [m]. A energia de pressão por unidade de peso é definida como função da pressão atuante em um ponto do fluido e o peso específico do mesmo, conforme equação: E p = p γ Ep = energia de pressão por unidade de peso [m]; p = pressão atuante no fluido [N/m²]; γ = peso específico [N/m³]. A energia cinética por unidade de peso é definida como função da velocidade do escoamento e da aceleração da gravidade, conforme equação: v2 E c = 2 g Ec = energia cinética por unidade de peso [m]; v = velocidade de escoamento [m/s]; g = aceleração da gravidade [m/s²]. 13

A energia potencial gravitacional por unidade de peso é definida como função da cota de um ponto do fluido em relação a um plano de referência, conforme equação: E z = z Ez = energia potencial gravitacional por unidade de peso [m]; z = altura estática [m]. Ao considerar a conservação de energia para o escoamento permanente de um fluido ideal sem recebimento ou fornecimento de energia ou troca de calor, a expressão da energia total por unidade de peso representa uma constante: p γ + p = pressão atuante no fluido [N/m²]; γ = peso específico [N/m³]; v = velocidade de escoamento [m/s]; g = aceleração da gravidade [m/s²]; z = altura estática [m]. v2 + z = constante 2 g Para dois pontos distintos de um mesmo fluido, temos a relação: γ + v 2 1 2 g + z 1 = p 2 γ + v 2 2 2 g + z 2 p 1 Aproximando-se de condições reais de fluidos, o Teorema de Bernoulli inclui também um termo representante da perda de energia por unidade de peso ao longo do trecho de tubulação devido ao atrito. A expressão final, considerando a perda por atrito, é: γ + v 2 1 2 g + z 1 = p 2 γ + v 2 2 2 g + z 2 + h f p 1 p = pressão atuante no fluido [N/m²]; γ = peso específico [N/m³]; v = velocidade de escoamento [m/s]; g = aceleração da gravidade [m/s²]; z = altura estática [m]; hf = perda de energia por unidade de peso devido ao atrito [m]. As equações utilizadas para o cálculo da perda de energia na tubulação serão tratadas em outro item deste estudo. 14

3.1.5.1. Teorema de Bernoulli aplicado a bombas O Teorema de Bernoulli pode ser adaptado ao estudo de bombas e fornecer a energia por unidade de peso em pontos específicos da tubulação. Em especial, calcula-se a altura manométrica de sucção e a altura manométrica de descarga, importantes para o cálculo da altura manométrica total. A altura manométrica de sucção representa a quantidade de energia por unidade de peso existente na linha de sucção. Os fatores considerados estão representados na Figura 5, exemplo de um possível arranjo para a linha de sucção de um sistema. Figura 5 - Exemplo de linha de sucção [2] A altura da coluna de líquido no reservatório é considerada até a cota em a e temos a equação para a altura manométrica de sucção do ponto a ao ponto b expressa como: Hs = altura manométrica de sucção [m]; ps = pressão de sucção [kgf/m²]; γ = peso específico [kgf/m³]; zs = altura estática de sucção [m]; hfs = perda de carga no trecho de sucção [m]. H s = p s γ + z s h fs 15

A altura estática de sucção pode ser positiva quando a cota da coluna de líquido estiver acima da linha de centro da bomba, ou negativa, quando estiver abaixo da linha de centro. Quanto maior a altura estática ou a pressão no reservatório de sucção, maior a quantidade de energia na linha de sucção. A perda de energia por atrito, por outro lado, diminui a altura manométrica de sucção. A altura manométrica de descarga, por sua vez, representa a quantidade de energia por unidade de peso obtida na linha de descarga. Os fatores considerados estão representados na Figura 6, exemplo de um possível arranjo para a linha de descarga de um sistema. Figura 6 - Exemplo de uma linha de descarga [2] A altura da coluna de líquido no reservatório é considerada até a cota em d e temos a equação para a altura manométrica de sucção do ponto c ao ponto d expressa como: Hd = altura manométrica de descarga [m]; pd = pressão de descarga [kgf/m²]; γ = peso específico [kgf/m³]; zd = altura estática de descarga [m]; H d = p d γ + z d + h fd hfd = perda de carga no trecho de descarga [m]. 16

Assim como no cálculo da altura manométrica de sucção, a altura estática na linha de descarga pode ser positiva ou negativa, assumidas as mesmas relações com a linha de centro da bomba. Quanto maior a altura estática, a perda de carga ou a pressão do reservatório de descarga, maior será a altura manométrica de descarga. A fórmula geral para o cálculo da altura manométrica de um sistema, combinadas as equações da altura manométrica de sucção e de descarga, é expressa por: AMT = H d H s = ( p d γ + z d + h fd ) ( p s γ + z s h fs ) Reorganizando os termos, temos: AMT = altura manométrica total [m] zd = altura estática de descarga [m]; zs = altura estática de sucção [m]; pd = pressão de descarga [kgf/m²]; ps = pressão de sucção [kgf/m²]; γ = peso específico [kgf/m³]; AMT = z d z s + p d p s γ hfs = perda de carga no trecho de sucção [m]; hfd = perda de carga no trecho de descarga [m]. 3.1.6. Perda de carga na tubulação (h f ) + (h fd + h fs ) A perda de carga em uma tubulação é a energia por unidade de peso perdida em um dado trecho de tubulação devido ao atrito entre o fluido e a parede do tubo ou acessórios como válvulas e filtros. É composta por duas parcelas, a perda de carga normal e a perda de carga localizada, de acordo com a seguinte fórmula: h f = perda de carga total [m]; h fn = perda de carga normal [m]; h fl = perda de carga localizada [m]. h f = h fn + h fl 3.1.6.1. Perda de carga normal (h fn ) e perda de carga localizada (h fl ) A perda de carga normal ou distribuída representa a perda de energia por unidade de peso que ocorre em trechos retos da tubulação, enquanto a perda de carga localizada 17

representa a perda de energia por unidade de peso em acessórios como válvulas e conexões. A Figura 7 representa uma perda de carga normal e a Figura 8 representa uma perda de carga localizada em uma tubulação. Figura 7 - Exemplo de perda de carga normal [3] Figura 8 - Exemplo de perda de carga localizada [3] No presente estudo, a perda de carga na tubulação é calculada com a equação de Darcy-Weisbach: hf = perda de carga total [m]; v2 h f = f L D 2 g f = fator de atrito [adimensional]; L = comprimento da tubulação reta [m]; D = diâmetro interno da tubulação [m]; v = velocidade de escoamento [m/s]; g = aceleração da gravidade [m/s²]; A perda de carga normal é calculada pela equação de Darcy-Weisbach para o somatório de trechos retos da tubulação, sem considerar acessórios. Para o cálculo da perda de carga localizada são apresentadas duas metodologias: método do comprimento 18

equivalente e método direto. Em todos os casos é necessário calcular o fator de atrito para as condições de escoamento. 3.1.6.2. Fator de Atrito (f) O fator de atrito, ou coeficiente de atrito, é obtido através de fórmulas teóricoexperimentais ou gráficos, sendo função do número de Reynolds e da rugosidade relativa da tubulação. Para o regime laminar, a equação do fator de atrito depende somente do número de Reynolds, conforme fórmula a seguir: f = fator de atrito [adimensional]; Re = Número de Reynolds [adimensional]. f = Re 64 Em situações onde o escoamento não ocorre em tubo liso nem em regime completamente turbulento, Colebrook sugere a seguinte: f = fator de atrito [adimensional]; ε = rugosidade absoluta da tubulação [mm]; D = diâmetro interno da tubulação [m]; Re = Número de Reynolds [adimensional]. ε 1 f = 2 log 10 ( D 3.7 + 2.51 Re f ) Para o regime turbulento, o fator de atrito pode ser determinado por diferentes fórmulas e também com o uso de gráficos como o Ábaco de Moody. As fórmulas, nesse caso, consideram além do número de Reynolds também a rugosidade relativa, razão entre a rugosidade absoluta e o diâmetro de uma tubulação, e há diferentes equações propostas por estudiosos. O Ábaco de Moody é uma representação gráfica do fator de atrito em função do número de Reynolds e da rugosidade relativa de uma tubulação. Nele, observa-se que para escoamentos completamente turbulentos as linhas de uma mesma rugosidade relativa se tornam invariantes, aparecendo como linhas horizontais. O fator de atrito, nesses casos, não varia em relação ao número de Reynolds. O Ábaco de Moody está representado na Figura 9. 19

Figura 9 - Ábaco de Moody [2] 20

Uma alternativa para a análise do fator de atrito em escoamentos completamente turbulentos é a utilização de um segundo gráfico onde há a relação do diâmetro da tubulação com a rugosidade relativa da mesma para diferentes materiais de fabricação do tubo. Esse gráfico está representado na Figura 10. Figura 10 Rugosidade relativa e coeficiente de atrito para escoamento completamente turbulento [2] 21

3.1.6.3. Método de comprimento equivalente O método de comprimentos equivalentes consiste em reproduzir as condições da perda de carga nos acessórios em valores de comprimento reto de tubulação. A perda de carga é então calculada como se toda a tubulação fosse reta, sem acidentes ou desvios. Os valores médios de comprimento equivalente em polegadas e metros para acessórios típicos em tubulações são tabelados para diferentes diâmetros de tubulação. As tabelas estão apresentadas no Anexo 8.1., com valores em polegadas e entre parênteses os valores em metros. equação: O comprimento equivalente total de acessórios é calculado conforme a seguinte i=n L acessórios = Quantidade n L equivalente n i=1 Lacessórios = comprimento reto equivalente total devido aos acessórios [m]; Lequivalente = comprimento reto equivalente de cada acessório [m]; n = acessório. A perda de carga total da tubulação é calculada considerando que a mesma é composta por um único trecho reto de comprimento Ltotal. L Total = L reto + L acessórios LTotal = comprimento total equivalente de tubulação reta [m]; Lreto = comprimento da tubulação reta [m]; Lacessórios = comprimento reto equivalente total devido aos acessórios [m]. A equação de Darcy-Weisbach considera, então, o termo de comprimento como o comprimento total equivalente de tubulação reta: hf = perda de carga total [m]; f = fator de atrito [adimensional]; h f = f L Total D v2 2 g LTotal = comprimento total equivalente de tubulação reta [m]; D = diâmetro interno da tubulação [m]; v = velocidade de escoamento [m/s]; g = aceleração da gravidade [m/s²]. 22

3.1.6.4. Método direto O método direto considera o cálculo da perda de carga localizada com uso do coeficiente experimental K, tabelado para cada tipo de acidente. Os valores de K também podem ser obtidos com o fabricante do respectivo acessório. K f L D K = coeficiente experimental [adimensional]; f = fator de atrito [adimensional]; L = comprimento [m]; D = diâmetro da tubulação [m]. A equação de perda de carga de Darcy-Weisbach é modificada da seguinte forma para o cálculo da perda localizada: v2 h fl = K 2 g hfl = perda de carga localizada [m]; K = coeficiente experimental tabelado [adimensional]; v = velocidade de escoamento [m/s]; g = aceleração da gravidade [m/s²]. Observa-se que o método direto fornece somente a perda de carga localizada, ou seja, devido aos acessórios da tubulação. Para o cálculo da perda de carga total é necessário somar a perda de carga normal à perda de carga localizada, conforme equação: h f = h fn + h fl h f = perda de carga total [m]; h fn = perda de carga normal [m]; h fl = perda de carga localizada [m]. No presente estudo, ambos os métodos de comprimento equivalente e método direto serão aplicados para análise da perda de carga. 3.2. Conceitos de bombas hidráulicas Bombas hidráulicas podem ser definidos como equipamentos responsáveis por converter energia mecânica em energia hidráulica com o objetivo de aumentar a velocidade de fluidos pressurizados e preservar seu deslocamento. Os principais conceitos de bombas, 23

em especial em relação à forma como transformam trabalho em energia hidráulica e às características típicas de diferentes tipos e modelos, serão apresentados neste capítulo. O entendimento desses conceitos é fundamental no processo de seleção de bombas hidráulicas para um sistema. Cada categoria de equipamento possui suas particularidades em relação a detalhes construtivos, forma como transformam energia, materiais de seus componentes e comportamento em diferentes vazões e rotações. Nos tópicos desse capítulo serão apresentados os conceitos mais importantes para a seleção desses equipamentos. 3.2.1. Tipos de bomba A melhor forma de iniciar a categorização de bombas diz respeito à forma como transformam trabalho mecânico em energia hidráulica e pela forma como a energia é cedida ao fluido. A Figura 11 apresenta as principais classificações de bomba. Além da forma como transformam o trabalho mecânico, destaca-se a forma de acionamento dos equipamentos, que podem ser com: motores elétricos; motores de combustão interna; e turbinas. O acionamento mais usual se dá por motores elétricos, enquanto motores de combustão interna estão presentes principalmente em sistemas de combate a incêndio ou sistemas de irrigação. Turbinas, quando utilizadas, são em sua maioria turbinas a vapor. 24

Dinâmicas ou Turbobombas Bombas centrífugas Bombas de fluxo axial Bombas periféricas ou regenerativas Bombas de fluxo misto Puras ou radiais Tipo Francis Bombas Diafragma Bombas alternativas Pistão Êmbolo Volumétricas ou Deslocamento positivo Engenagens Bombas rotativas Lóbulos Parafusos Palhetas deslizantes Figura 11 Classificação de bombas 25

3.2.1.1. Bombas dinâmicas ou turbobombas As bombas dinâmicas ou turbobombas possuem um elemento rotativo denominado rotor ou impelidor, responsável por exercer força sobre o fluido resultando na aceleração do mesmo. O rotor é dotado de pás e pode apresentar diferentes configurações, diferenciando a maneira como a energia é cedida ao fluido. Esse fator, juntamente à orientação pela qual o fluido deixa o impelidor, varia para cada tipo de turbobomba. Um exemplo de categoria de turbobomba são as bombas centrífugas, onde a energia cedida ao fluido é originalmente da forma cinética e posteriormente convertida em energia de pressão na carcaça. A conversão de energia ocorre em consequência do aumento progressivo da área na carcaça, o corpo da bomba, e a criação de zonas de alta e baixa pressão gera um deslocamento do fluido em regime constante, caracterizando um fluxo contínuo de bombeamento. 3.2.1.2. Bombas volumétricas As bombas volumétricas ou de deslocamento positivo são equipamentos nos quais a energia é cedida ao fluido já na forma de energia de pressão. Não há, nesses casos, a conversão de energia cinética em energia de pressão e o regime de bombeamento é intermitente devido à ação de enchimento e esvaziamento das câmeras da bomba. O fluido, portanto, segue o movimento do componente mecânico da bomba. A variação dos componentes mecânicos em bombas volumétrica indica a classificação do equipamento. Um exemplo de bomba volumétrica é a bomba alternativa, recomendada para serviços onde elevadas cargas são apresentadas a baixas vazões. Bombas rotativas, por outro lado, são recomendadas para serviços com altas vazões. 3.2.2. Curvas características de bombas As curvas características de uma bomba apresentam informações-chave para a seleção do equipamento e são consultadas após a análise do sistema onde o equipamento será inserido. A primeira curva a ser analisada é a curva de carga versus vazão, onde a energia por unidade de peso fornecida pela bomba é representada como função da vazão de fluido. A Figura 12 traz um exemplo dessa curva característica, que é informada pelo fabricante para direcionar a seleção dos equipamentos para as condições encontradas no sistema. 26

Figura 12 - Exemplo de curva característica de bomba [3] Para um mesmo modelo de bomba, é comum encontrar gráficos com curvas características específicas para diferentes diâmetros externos de impelidor. A variação desse diâmetro permite a um mesmo modelo de bomba diferentes curvas para cada família de rotores. A influência da variação do diâmetro externo do impelidor, considerando um valor conhecido 1, um novo valor 2 e outras grandezas constantes, é expressa pelas equações: Onde, Q = vazão volumétrica [m³/h]; D = diâmetro externo do impelidor [m]. Onde, H = altura manométrica [m]; D = diâmetro externo do impelidor [m]. Onde, Pot = potência do motor [kw ou CV]; Q 2 Q 1 = D 2 D 1 H 2 = ( D 2 2 ) H 1 D 1 Pot 2 = ( D 3 2 ) Pot 1 D 1 27

D = diâmetro externo do impelidor [m]. Juntando as três relações, temos que: D = diâmetro externo do impelidor [m]. Q = vazão volumétrica [m³/h]; H = altura manométrica [m]; Pot = potência do motor [kw ou CV]; D 2 = Q 2 2 = H 2 D 1 Q 1 H 1 3 = Pot 2 Pot 1 Tais relações são exploradas por fabricantes de forma a cobrir diferentes faixas de operação através da manipulação do diâmetro externo do impelidor. Os valores máximo e mínimo para o diâmetro do rotor são limitados pelo tamanho da carcaça e pela perda de eficiência do equipamento, respectivamente. As combinações, portanto, são finitas e controladas pelo fornecedor. A Figura 13 exemplifica o efeito da variação na altura manométrica da bomba, representando uma família de diâmetros de um mesmo equipamento. Figura 13 - Influência do diâmetro do impelidor na curva característica [3] Ao cruzar a curva característica de uma bomba e a curva de um sistema, representativa da energia por unidade de peso demandada pela tubulação, encontra-se o ponto de trabalho. Comumente há uma terceira curva adicionada a esse cruzamento, a da eficiência da bomba. 28

No ponto de operação, essa eficiência é máxima. A Figura 14 traz um exemplo de cruzamento entre as três curvas, com destaque para o ponto de trabalho. 3.2.3. NPSH disponível e NPSH requerido Figura 14 - Definição do ponto de operação [3] O Net Positive Suction Head (NPSH) disponível representa a energia por unidade de peso existente no flange de sucção da bomba, acima da pressão de vapor do líquido nas condições de bombeamento. É obtido pela equação: Hs = altura manométrica de sucção [m]; Patm = pressão atmosférica [kgf/m²]; Pvapor = pressão de vapor [kgf/m²]; γ = peso específico [kgf/m³]. NPSH disponível = H s + P atm P vapor γ O Net Positive Suction Head (NPSH) requerido é uma propriedade da bomba e representa a quantidade mínima de energia por unidade de peso acima da pressão de vapor do líquido que deve ser disponibilizada no flange de sucção para que não ocorra cavitação. A cavitação é um efeito indesejado, melhor descrito a seguir, e deve ser verificada na escolha de uma bomba hidráulica. Para cada equipamento, o valor do NPSH requerido é informado pelo fabricante e varia em função da vazão de bombeamento. 29

3.2.4. Cavitação A cavitação ocorre em consequência da vaporização do fluido na entrada da bomba e sua prevenção está diretamente ligada à energia disponibilizada pelo sistema e ao ponto de vapor do fluido. Os principais efeitos da cavitação são: ruído, vibrações indesejadas, erosão dos componentes da bomba e queda de performance. Para que não ocorra cavitação em uma bomba, a perda de carga entre o flange de sucção e o olho do impelidor deve ser inferior à energia por unidade de peso que o sistema disponibiliza no flange de sucção acima da pressão de vapor, considerando-se também uma folga de segurança. Esse comparativo é definido como: NPSH disponível > NPSH requerido + folga de segurança O NPSH disponível é uma característica do sistema enquanto o NPSH requerido é propriedade da bomba hidráulica, informada pelo fabricante para diferentes vazões. A folga mínima de segurança pode ser considerada como 25-30% do NPSH requerido ou ser informada pelos fabricantes de bomba para cada modelo. 3.3. Conceitos de tubulação Os principais conceitos de tubulação serão apresentados com foco no sistema encontrada neste estudo. Por tubulação entende-se o conjunto de tubos e acessórios presentes em um sistema, onde cada elemento pode apresentar particularidades. Por isso, o entendimento da função básica de cada componente contribui para a análise do sistema. 3.3.1. Tubos Tubos são elementos fechados de seção circular, com geometria de cilindros ocos, dedicados essencialmente ao transporte de fluidos em seu interior. Na maioria das aplicações, o fluido transportado ocupa toda a área interna do tubo, com exceções a exemplo do trabalho com parte da superfície livre no deslocamento de esgoto. Dependendo do arranjo e do fluido, os tubos podem ser rígidos ou flexíveis também denominados mangotes e usualmente estão submetidos a variações de pressão e temperatura. Na indústria, tais variações de pressão podem ser desde o vácuo absoluto até 1.000 MPa (10.000 atmosferas) e variações de temperaturas desde próximas ao zero absoluto até a fusão de metais. Para tal, diferentes materiais e tratamentos são aplicados de forma específica para cada sistema. Entre os materiais de tubos, o aço-carbono possui destaque por ser facilmente encontrado no comércio e possuir boa relação entre custo e resistência mecânica. Além disso, é simples de ser conformado ou soldado, contribuindo para uma aplicação ampla e em sistemas com geometria complexa. Em relação à temperatura, a faixa considerada para uso 30

de aço-carbono em tubos compreende temperatura negativas, preferencialmente superiores a 45 C negativos, até 450 C em tubulações primárias de uso contínuo. Os tubos considerados neste estudo são de aço-carbono e serão detalhados no estudo de caso. A escolha do material respeitou as condições de operação e critérios de segurança da instalação, reforçando a ampla aplicação do material no transporte de fluidos pressurizados. 3.3.2. Conexões de tubulação As conexões de uma tubulação podem ser de diferentes tipos e possuem funções diversas em um sistema. As principais classificações de conexão referem-se à finalidade dos acessórios ou ao sistema de ligação empregado. Em relação ao sistema de ligação, os principais tipos são conexões de: solda de topo; solda de encaixe; rosqueadas; flangeadas; de ponta e bolsa; e para ligação por compressão. Em todos os casos, a geometria das peças é projetada especificamente para o sistema de ligação desejado, cabendo selecionar o elemento com esse critério. As principais classificações por finalidade são: mudança de direção; derivações; mudança de diâmetro; ligação entre tubos; e fechamento da extremidade de um tubo. Para mudança de direção destacam-se curvas e joelhos, enquanto em derivações destacam-se tês, peças Y e cruzetas. Mudanças de diâmetro são representadas por reduções, ligações usualmente representam luvas, uniões e flanges, e fechamentos de extremidade trazem tampões e flanges cegos. Na tubulação analisada no presente estudo, as principais conexões são de mudança de direção e mudanças de diâmetro, a exemplo de curvas e tês. A presença desses acessórios tem como principal objetivo adequar a tubulação às condições espaciais encontradas no local e permitir a conexão entre os reservatórios de produto, tanto origem quanto destino, e as bombas hidráulicas da instalação. 3.3.3. Válvulas Válvulas são acessórios com função de controlar, estabelecer ou interromper o fluxo de um fluido em uma tubulação. Por exercerem uma atividade fundamental ao sistema, a seleção, especificação e posição das válvulas devem ser cuidadosamente analisadas. São equipamentos caros e com risco de vazamento, além de representarem grande perda de carga na tubulação. Normalmente, sistemas são projetados com o menor número de válvulas possível, porém mesmo assim há grande presença desses acessórios nas instalações. Os principais tipos de válvula são: válvulas de bloqueio; válvulas de regulagem; válvulas que permitem o fluxo em um só sentido; válvulas que controlam a pressão de montante; e válvulas que controlam a pressão a jusante. A operação desses acessórios pode ser basicamente manual, motorizada ou automática, sendo a operação manual a mais barata e mais usada. Casos especiais, no entanto, requerem um controle automatizado por razão de segurança e representam investimentos mais altos em válvulas. 31

As válvulas encontradas na tubulação de uma base de distribuição de combustíveis serão apresentadas a seguir, com o objetivo de evidenciar os acessórios considerados neste estudo de caso. 3.3.3.1. Válvulas de gaveta As válvulas de gaveta (gate valves) são válvulas de bloqueio que podem ser usadas em quaisquer pressões e temperaturas e tem como função impedir ou permitir o escoamento livre de fluidos. São acessórios de uso mais generalizado e de grande importância em tubulações, reconhecidas como acessórios de bloqueio de líquidos aplicáveis em diversos diâmetros de tubo. Válvulas gaveta devem ser operadas totalmente abertas ou totalmente fechadas, sendo o fechamento lento e proporcional ao tamanho do acessório. Quando totalmente aberta, o fluxo ocorre desimpedido e com uma perda de carga pequena. Quando fechada, dificilmente alcança uma vedação absoluta, mas essa pequena passagem de fluido é considerada aceitável para o acessório. Destaca-se, portanto, para aplicação em casos onde uma vedação absoluta não é necessária. A Figura 15 apresenta um exemplo de válvula de gaveta. O fechamento desse tipo de válvula é feito através da movimentação da gaveta, ou cunha, consequência da rotação da haste. O deslocamento se dá em paralelo ao orifício da válvula e perpendicular ao sentido do escoamento. Enquanto parcialmente abertas, implicam em grande perda de carga e risco de cavitação, devendo ser operadas até que a gaveta impeça totalmente o fluxo. Devido à característica do deslocamento, o fechamento é sempre lento e não permite uma ação instantânea do acessório. Por outro lado, o fechamento lento evita efeitos de paralisação repentina do escoamento a exemplo de golpes de aríete e como se dá de metal contra metal, são acessórios de segurança em caso de incêndio. Figura 15 - Válvula de gaveta [6] 32

3.3.3.2. Válvulas de esfera As válvulas de esfera (ball valves), assim como as válvulas de gaveta, são acessórios de bloqueio de fluxo em tubulações. Sua operação, diferente das válvulas de gaveta, possui maior agilidade e ótima estanqueidade, mesmo a altas pressões. A perda de carga em válvulas de esfera é pequena quando totalmente aberta e o acessório deve ser operado totalmente aberto ou totalmente fechado. A Figura 16 apresenta um exemplo de válvula de esfera. Seu acionamento se dá pela rotação da haste e o consequente fechamento da tubulação pelo obturador. Diferente da gaveta, o obturador possui forma esférica vazia e, quando perpendicular ao escoamento, impede a passagem de líquido. 3.3.3.3. Válvulas de retenção Figura 16 - Válvula de esfera [6] As válvulas de retenção (check valves) integram o grupo de válvulas que permitem o fluxo em somente um sentido de escoamento, fechando-se automaticamente por diferença de pressão em caso de inversão do sentido de escoamento. Por isso, são válvulas automáticas e com aplicação voltada à segurança da tubulação. Uma aplicação comum são linhas de recalque de bombas quando há mais de um equipamento em paralelo. Posicionadas após a bomba, impedem a ação de um equipamento sobre o outro quando um não estiver operando. Além disso, também são aplicadas na linha de recalque quando o reservatório possui grande elevação para evitar o retorno de fluido em caso de paralisação súbita de equipamentos. Ambas Figura 17 e Figura 18 apresentam tipos de válvula de retenção, comumente instaladas de forma que a ação da gravidade tenda a fechar o acessório. Para válvulas de retenção do tipo pistão (lift check valves) o fechamento é realizado por um obturador semelhando ao de válvulas de globo, onde a haste se desloca em uma guia interna. Em válvulas de retenção do tipo portinhola (swing check valves) o fechamento ocorre por meio de uma portinhola articulada, sendo o tipo mais usual de válvulas de retenção. 33

Figura 17 - Válvula de retenção tipo pistão [6] 3.3.3.4. Válvulas de globo Figura 18 - Válvula de retenção tipo portinhola [6] As válvulas de globo (globe valves) pertencem ao grupo de válvulas de regulagem, cuja função é o controle de fluxo. Para isso, podem operar em posições de fechamento parcial e usualmente implicam em grande perda de carga localizada. Quando totalmente fechadas, atingem vedações completamente estanques e, por também serem de fechamento metal contra metal, são acessórios seguros contra incêndio. A Figura 19 apresenta um exemplo de válvula de globo. De forma geral, o fluido entra pela parte inferior da válvula e sai pela parte superior, protegendo as gaxetas. Seu acionamento é feito por meio do ajuste do obturador que impede total ou parcialmente a passagem do fluido pelo orifício. Tal controle permite regular a vazão do escoamento na tubulação, característica importante em sistemas com múltiplas conexões. 34

3.3.3.5. Válvulas de controle Figura 19 - Válvula de globo [6] As válvulas de controle representam válvulas de diferentes tipos usadas em combinação com instrumentos automáticos de controle, comandadas de forma remota ou automatizada para controlar um escoamento. Para isso, atuadores são adicionados aos acessórios e comandam o elemento de fechamento das válvulas, recebendo sinais à distância e de aparelhos de medição instalados na tubulação. Usualmente, válvulas de controle possuem corpo similar a válvulas de globo. Essa configuração diminui o esforço necessário ao atuador e facilita o controle, contribuindo para uma regulagem de precisão. Outras geometrias, no entanto, também podem ser usadas para válvulas de controle, a exemplo de válvulas de esfera, válvulas de borboleta ou de diafragma. 3.3.4. Filtros Os filtros são equipamentos separadores com função de reter corpos estranhos em correntes de fluidos ou gases. De uso comum em tubulações, localizam-se próximos ao bocal de entrada de equipamentos como bombas, compressores e turbinas para evitar que sujeira e partículas indesejadas penetrem nos equipamentos durante a operação. Em alguns casos, podem ser removidos após certo tempo de operação para evitar a perda de carga do acessório, porém em muitas situações são alocados de forma permanente para reter os corpos estranhos que podem danificar o sistema. A perda de carga em filtros é relativamente elevada e tende a aumentar com a retenção de sujeira, reforçando a importância de uma limpeza frequente. Para isso, são projetados de forma a possibilitar o acesso para troca do elemento filtrante sem a necessidade de remover o filtro da tubulação. No mesmo contexto, filtros muitos grandes ou muito complexos passam a representar uma função essencial no processo e são considerados equipamentos próprios e não acessórios da tubulação. 35

4. Estudo de Caso Nesse capítulo serão apresentadas as principais características do sistema estudado, suas particularidades e os cálculos envolvidos na seleção das novas bombas para transferência de gasolina automotiva pura em uma base de distribuição brasileira. As equações e relações dos capítulos anteriores serão utilizadas, assim como informações sobre o produto e recomendações técnicas para o transporte de gasolina automotiva pura. O estudo tem origem no relato de perda de vazão em uma base de distribuição brasileira, que ao longo dos anos passou a movimentar volumes elevados de gasolina automotiva pura e aumentou o número de carregamentos simultâneos em sua operação. Com isso, o arranjo de bombas hidráulicas existente tornou-se incapaz de manter a vazão desejada para múltiplos carregamentos e gerou a demanda por uma expansão da capacidade de bombeamento do local. Juntamente ao desejo de expandir a vazão máxima na tubulação há também a orientação de não paralisar a operação e, preferencialmente, não substituir trechos da tubulação. Esse limite se deve ao impacto financeiro e potencial perda de mercado em caso de paralisação dos carregamentos, sendo um ponto crítico do projeto. Tal situação é agravada pelo fato de que a base em questão opera sem interrupções durante o dia, com jornada contínua, reforçando a importância da permanência da operação sem impedimentos externos. Para estudar a expansão da capacidade de carregamento e o consequente controle sobre a perda de vazão nos braços de carregamento, a principal verificação do caso estudado é a adequação do sistema atual de tubulações dedicadas à movimentação de gasolina automotiva pura a uma vazão maior de bombeamento. Tal estudo será acompanhado da especificação técnica das bombas mais adequadas para as condições encontradas. Os cálculos serão feitos considerando o pior cenário de operação na linha, quando há maior demanda de energia pelo sistema, explicitando informações como as perdas de carga nas tubulações, a altura manométrica total, o NPSH disponível e a potência consumida. 4.1. Principais características do sistema estudado A tubulação estudada integra o sistema de movimentação de combustíveis de uma base de distribuição brasileira com múltiplas plataformas de carregamento e operação contínua ao longo do dia. O escoamento na linha analisada é exclusivo para gasolina 36

automotiva pura, com origem em um único tanque de armazenagem e destino aos braços de carregamento das plataformas, passando pela praça de bombas. Figura 20 - Arranjo original do sistema Na praça de bombas, a configuração original conta com quatro bombas hidráulicas adquiridas no final da década de 1990. Os equipamentos foram submetidos a manutenção ao longo dos anos e funcionam sem defeitos, porém estão subdimensionados para a nova realidade da base de distribuição. A vazão das bombas é apresentada na Tabela 1, conforme medição realizada após o relato de perda de vazão para múltiplos carregamentos. Numeração do equipamento Vazão medida [m³/h] B-01 95 B-02 95 B-03 108 B-04 108 Tabela 1 Vazão das bombas na configuração original 37

Para o bombeamento de todos os produtos da base, um grande número de bombas hidráulicas está instalado na praça de bombas, sendo as quatro mencionadas acima dedicadas exclusivamente à movimentação de gasolina automotiva pura. Os equipamentos estão instalados em paralelo e identificados para cada linha e produto, respeitando normas e recomendações vigentes para o setor de distribuição de combustíveis. A configuração da base de distribuição conta com a bacia de tanques com desnível em relação à praça de bombas, localizando-se acima do nível das bombas devido à geografia do local. O tanque de armazenagem que dá origem à tubulação tem suas principais características descritas na Tabela 2 e sua fabricação segue as normas vigentes para armazenagem de combustíveis. No último a teste de estanqueidade foi certificado que o tanque opera sem falhas ou vazamentos. Numeração do tanque TQ-01 Produto armazenado Gasolina A Diâmetro nominal 22,00 m Altura nominal 15,00 m Altura operacional 13,00 m Capacidade operacional 5.000,00 m³ Tabela 2 - Principais características do tanque de armazenagem As plataformas de carregamento, por sua vez, localizam-se no mesmo nível da praça de bombas e são operadas para carregar caminhões tanque com o sistema bottom loading, onde o fluxo se dá pelo fundo do compartimento. Em sua maioria, as plataformas contam com cinco braços de carregamento e carregam de dois a cinco produtos diferentes. A configuração dos braços de carregamento de gasolina automotiva pura é apresentada na Tabela 3, com detalhe para o sistema de carregamento utilizado. No total, 12 braços são dedicados ao produto. 38

Quantidade de braços de Numeração da plataforma Sistema de carregamento carregamento de Gasolina A P-01 2 Bottom loading P-02 2 Bottom loading P-03 1 Bottom loading P-04 2 Bottom loading P-05 1 Bottom loading P-06 2 Bottom loading P-07 1 Bottom loading P-08 1 Bottom loading Tabela 3 - Configuração dos braços de carregamento de Gasolina A O sistema bottom loading possui vantagens operacionais e de segurança, sendo recomendado por diferentes motivos. No âmbito operacional, permite que o responsável pelo acoplamento do tubo ao caminhão permaneça no nível do piso, sem necessidade de trabalho em altura. Além disso, possibilita o carregamento simultâneo de todos os compartimentos do caminhão devido à existência de sistemas anti-transbordamento instalados no próprio compartimento e acesso por ambos os lados do veículo. O sistema também reduz a emanação de vapores visto que a escotilha do caminhão tanque permanece fechada durante toda a operação de enchimento. O sistema alternativo, top loading, é caracterizado pelo carregamento do caminhão tanque por um acesso superior, por onde um tubo mergulhador é inserido na escotilha do compartimento. Uma vez que há exposição do compartimento pela abertura da escotilha, esse sistema não permite o carregamento simultâneo por risco operacional. Com o desenvolvimento de novas tecnologias, o top loading perdeu espaço para o bottom loading, mas ainda é utilizado em muitos locais. No carregamento bottom loading das plataformas, o fluxo de produto em um braço de carregamento é controlado para uma vazão nominal máxima de 100m³/h por motivo de segurança. No momento em que relatou a perda de vazão para carregamentos múltiplos, uma bomba era acionada para suprir a demanda de vazão de um único braço de carregamento. Por serem quatro bombas, a partir do acionamento simultâneo do quinto braço de carregamento relata-se queda de vazão nas plataformas de carregamento. Como orientação geral, a 39

operação não restringe múltiplos carregamentos, porém a perda de vazão resulta em tempos maiores para o enchimento dos caminhões tanque, impactando o desempenho da base. Figura 21- Carregamento Top Loading e Bottom Loading [7] De forma a melhorar o desempenho da operação e permitir maior agilidade no carregamento de produtos-chave, uma nova configuração da praça de bombas será definida. Para essa expansão, a vazão desejada para a linha de gasolina automotiva pura é de 1.200m³/h, possibilitando o acionamento simultâneo dos doze braços de carregamento com vazão de 100m³/h. O novo sistema deve contar com três bombas centrífugas iguais funcionando em paralelo, que devem possuir acionamento independente e serem controladas de forma automatizada. O espaço dedicado originalmente para a quarta bomba será aproveitado para outros fins, não sendo considerado no estudo. 40

Figura 22 - Arranjo proposto para o sistema Numeração do equipamento Vazão medida [m³/h] B-01 400 B-02 400 B-03 400 Tabela 4 - Vazão das bombas na configuração proposta 4.2. Operação de carregamento de caminhões tanque A operação de carregamento de caminhões tanque segue procedimentos rígidos e padronizados, voltados à segurança dos operadores, da instalação e do meio ambiente. O processo tem início com a chegada do caminhão tanque à plataforma, onde é devidamente estacionado e preparado para o carregamento. Após o acoplamento dos bicos de enchimento aos compartimentos desejados, a ordem de carregamento é digitada no sistema e o bombeio é autorizado pelo sistema de automação. 41

De forma automática e dependendo do número de carregamentos simultâneos, diferentes bombas são acionadas e operam em regime constante até a que a ordem de desligar seja enviada pelo sistema de automação. O controle da praça de bombas é exercido pelo sistema e não deve ser influenciado manualmente pelos operadores. Com isso, evita-se que a tubulação seja submetida a grandes pressões por bombas operando com vazão zero, também conhecido como shut-off, ou pelo acionamento excessivo dos equipamentos. Para a análise da operação de bombeio serão usados os dados da Tabela 5, que descreve as propriedades da gasolina automotiva pura e considera a presença de novas bombas conforme plano de expansão da base. No estudo, considera-se que não há vazamento em nenhum ponto da tubulação e que as propriedades e condições são mantidas em toda a extensão do sistema. Fluido bombeado Gasolina A Temperatura de bombeamento 25 C Viscosidade cinemática 0,0004 kg/m.s Massa específica 760 kg/m³ Peso específico 760,26 kgf/m³ Pressão de Vapor 7.000 kgf/m² Pressão atmosférica 10.197 kgf/m² Pressão no bocal do braço de carregamento 1.500 kgf/m² Vazão de cada bomba 400 m³/h Quantidade de bombas em paralelo 3 Material da tubulação Aço Carbono Pressão limite da tubulação 150 psi Rugosidade absoluta do tubo 0,0456 mm Aceleração da gravidade 9,81 m/s² Tabela 5 - Dados do processo de bombeamento Na nova configuração, uma bomba é capaz de alimentar quatro braços de carregamentos simultâneos. A partir do quinto braço utilizado, uma segunda bomba hidráulica será acionada, sendo a terceira bomba acionada a partir do nono carregamento simultâneo. Tal controle é exercido pelo sistema de automação da base, programado previamente, e não deve sofrer interferência manual. 42

Para a tubulação, é considerado o limite de pressão de 150 psi conforme descrição do fabricante. Os acessórios presentes no sistema possuem resistência superior a este limite e estão em ótimo estado de conservação, sem risco de falha ou ruptura. Para trazer a unidade de pressão à mesma unidade usada para dimensionamento das bombas, usa-se a relação: 1 psi = 0,7029 mca 150 psi = 105,44 mca 4.3. Representação simplificada da tubulação de carregamento de gasolina automotiva pura A tubulação considerada neste estudo origina de um tanque de armazenagem de gasolina automotiva pura localizado em uma bacia de tanques elevada em relação à praça de bombas. A descarga é feita da praça de bombas para um segundo reservatório, representante do caminhão tanque que será carregado, localizado na plataforma de carregamento sem elevação em relação à praça de bombas. Ao final do carregamento, no entanto, o nível de líquido no caminhão tanque possui elevação quando comparado ao nível da praça de bombas. De forma simplificada, a Figura 23 representa o arranjo do sistema. Figura 23 - Representação simplificada da tubulação a = nível máximo de produto no tanque de armazenagem; b = entrada da bomba hidráulica; c = saída da bomba hidráulica; d = nível máximo de produto no caminhão tanque. 43

Zs = Altura do nível máximo de produto no tanque de armazenagem em relação à bomba [m]; Zd = Altura do nível máximo de produto no caminhão tanque em relação à bomba [m]; Ps = Pressão no tanque de armazenagem [kgf/m²]; Pd = Pressão no compartimento do caminhão tanque [kgf/m²]. A tubulação de saída do tanque de armazenagem para a praça de bombas é chamada de header de sucção, enquanto o trecho após a bomba e antes dos braços de carregamento é chamado de header de descarga. A vazão considerada para o header de sucção e para o header de descarga é igual à soma das vazões das bombas da linha, de forma a considerar o pior cenário de operação de carregamento. Tal cenário representa a operação onde os doze braços de carregamento estão funcionando simultaneamente para carregamento de gasolina automotiva pura, momento em que há maior perda de carga no sistema. Os trechos onde há divisão da tubulação para cada bomba, assim como da tubulação de descarga para cada braço de carregamento são chamados de derivações da linha. A vazão nas derivações de sucção e de descarga de cada bomba é considerada igual à vazão da bomba, enquanto a vazão nas derivações da plataforma de carregamento é considerada igual à vazão do braço de carregamento. Para cada trecho da tubulação, as vazões e os diâmetros considerados estão descritos na Tabela 6 conforme projeto de expansão da base de distribuição. Diâmetro da Trecho Vazão [m³/h] tubulação [pol] Header de sucção 16 1.200 Header de descarga 12 1.200 Derivação de sucção e descarga das bombas 8 400 Derivação de descarga do braço de carregamento 4 100 Tabela 6 - Vazão e Diâmetro de cada trecho da tubulação 4.4. Verificação da velocidade de escoamento no sistema Por motivo de segurança operacional, deve-se verificar se a velocidade de escoamento da gasolina automotiva pura está dentro do limite recomendado para o produto quando sujeito às novas condições de bombeamento. Para a linha de movimentação de gasolina, temos a 44

recomendação de velocidade máxima de 4,00 m/s em todos os trechos da tubulação com o objetivo de minimizar a perda de carga no sistema. Uma verificação paralela diz respeito ao controle do risco de geração de estática nas tubulações. Nesse caso, é usado o limite de 7,00m/s recomendado pela norma API 2003 RP, que representa uma referência de velocidade onde a incidência de estática é significantemente reduzida, prevenindo qualquer risco de ignição na linha de transmissão. Para estimar a velocidade de escoamento, sabemos que a vazão é dada por: Q = v A Q = vazão [m³/h]; v = velocidade de escoamento [m/h]; A = área da seção reta da tubulação [m²]. A área de tubos de seção reta circular é dada pela equação: π D2 A = 4 A = área da seção reta da tubulação [m²]; D = diâmetro interno da tubulação [m]. Para trabalhar na unidade de referência da velocidade máxima de escoamento, modificamos a equação da vazão de forma a deixar o termo de velocidade isolado e convertido para a unidade desejada: 4 Q v = 3600 π D 2 v = velocidade de escoamento [m/s]; Q = vazão [m³/h]; D = diâmetro interno da tubulação [m]. As velocidades de escoamento nos diferentes trechos de tubulação estão descritas na Tabela 7 na mesma unidade de referência dos limites de segurança. 45

Trecho Diâmetro da tubulação [pol] Vazão [m³/h] Velocidade de escoamento [m/s] Header de sucção 16 1.200 2,92 Header de descarga 12 1.200 4,62 Derivação de sucção e descarga das bombas Derivação de descarga do braço de carregamento 8 400 3,44 4 100 3,38 Tabela 7 - Velocidades de escoamento nos trechos da tubulação Observa-se que a velocidade de escoamento no header de descarga supera o limite recomendado de 4,00 m/s no cenário projetado, onde as três bombas são consideradas em operação. Como o limite é estimado para minimizar a perda de carga e garantir melhores condições de operação para as bombas centrífugas, os valores encontrados não representam riscos de explosão ou vazamento na tubulação. Além disso, a operação simultânea das três bombas hidráulicas não será frequente, minimizando a ocorrência da maior vazão da tubulação. Em relação ao limite de 7,00 m/s para prevenção de estática, todos os trechos da tubulação respeitam o limite da norma, não sendo necessário modificar o sistema. Com isso, considera-se que o arranjo da base de distribuição está adequado para a expansão da capacidade de bombeamento de gasolina automotiva pura no âmbito de limites da velocidade de escoamento. 4.4.1. Determinação do diâmetro do header de descarga O cálculo a seguir foi realizado para estimar o diâmetro recomendado para o header de descarga de produto de forma a respeitar o limite da velocidade de escoamento de 4,00 m/s à vazão de 1.200 m³/h. Esse valor serve de referência para uma futura alteração na linha de descarga da base de distribuição, mas não será considerado na análise devido à recomendação de não intervir no sistema e devido ao atendimento dos limites de segurança 46

Velocidade de escoamento [m/s] com o diâmetro atual. A substituição do diâmetro, no caso, teria como objetivo a diminuição da perda de carga e não a minimização de riscos da operação. Na Figura 24, temos a velocidade de escoamento para diferentes diâmetros de tubulação, considerando uma vazão de 1.200 m³/h de produto em um tubo de seção reta circular. 20 15 Velocidade de escoamento 10 5 0 4,00 4,00 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Diâmetro da tubulação [polegadas] Figura 24 - Velocidade de escoamento para diferentes diâmetros de tubulação De acordo com os cálculos, para garantir uma velocidade de escoamento inferior a 4,00 m/s, o header de descarga precisa ter diâmetro interno superior a 12,8 polegadas. Valores típicos de diâmetros de tubulação suficientemente próximos, no caso, seriam os de tubulações de 14 polegadas ou de 16 polegadas. Tal substituição, no entanto, não será realizada no primeiro momento, mantendo-se como referência para futuras intervenções. 4.4.2. Impacto financeiro da interrupção da linha Para quantificar o impacto financeiro de uma eventual interrupção da linha de gasolina automotiva pura, foi estimada a receita média diária de uma distribuidora com o produto. Em todo caso, respeita-se a orientação de não intervir na operação e realizar a substituição das bombas hidráulicas sem impedir o carregamento do produto. A movimentação média diária da base de distribuição estudada supera 1.000.000,00 litros de gasolina automotiva pura e compreende centenas de caminhões tanque carregados todos os dias. Em consulta ao relatório mensal de preços da Agência Nacional de Petróleo (ANP) referente a julho de 2016, é possível obter os valores de preço médio das distribuidoras para cada produto. A Tabela 8 apresenta esses valores, retirados de dados públicos do website da ANP. 47

Produto Unidade Preço médio ao Preço médio consumidor distribuidora GLP R$/13kg 52,83 37,03 GNV R$/m³ 2,305 1,577 Gasolina R$/litro 3,645 3,177 Diesel R$/litro 3,015 2,681 Diesel S10 R$/litro 3,166 2,803 Etanol R$/litro 2,454 2,085 Tabela 8 - Preços médios ANP (Ref.: Julho 2016) [8] Com base no preço retirado da tabela acima e da movimentação média diária da base de distribuição, é possível estimar a receita média diária do local. As equações são: Preço médio distribuidora Movimentação média diária = Receita média diária 3,177 R$ litros 1.000.000,00 litro dia = 3.177.000,00 R$ dia Além de consequências de difícil mensuração, a exemplo do impacto do não fornecimento de combustível aos fornecedores, a suspensão da movimentação da base implica em perdas diárias na ordem de milhões de reais. Todo impacto na operação, portanto, deve ser evitado sempre que possível. 4.5. Verificação do Número de Reynolds Para iniciar o cálculo de parâmetros relevantes à seleção das novas bombas hidráulicas recorremos ao Número de Reynolds e seus valores de referência. O Número de Reynolds é uma grandeza adimensional e determina o tipo de escoamento em cada trecho da tubulação, sendo parte importante do cálculo da perda de carga no sistema. Em relação aos valores de referência, existem três zonas de escoamento demarcadas a partir do Número de Reynolds. Para tubos lisos de seção transversal circular, valem as seguintes relações: Re < 2.000, escoamento laminar 2.000 < Re < 4.000, zona crítica 4.000 < Re, escoamento turbulento 48

Cada zona de escoamento possui comportamento específico e influencia o cálculo da perda de carga do sistema. Dada a relação, calcula-se o Número de Reynolds pela equação: Re = Re = número de Reynolds [adimensional]; ρ = massa específica [kg/m³]; D = diâmetro interno da tubulação [m]; v = velocidade de escoamento [m/s]; µ = viscosidade cinemática [kg/m.s]. ρ D v μ Para o escoamento em questão, temos o bombeamento de gasolina automotiva pura. As propriedades relevantes do produto, nesse caso, são retiradas da Tabela 5 conforme abaixo. ρ = 760 kg/m³; µ = 0,0004 kg/m.s. O número de Reynolds para os diferentes valores de diâmetro interno e velocidade de escoamento nos trechos da tubulação está descrito na Tabela 9. Diâmetro [pol] Velocidade de escoamento [m/s] Número de Reynolds 4 3,38 656.879 8 3,44 1.326.073 12 4,62 2.659.581 16 2,92 2.116.496 Tabela 9 - Número de Reynolds em cada trecho da tubulação Uma vez que todos os valores superam a referência de 4.000,00 para o Número de Reynolds, temos que o escoamento está no regime turbulento em todos os trechos da tubulação. 4.6. Cálculo do fator de atrito Parte importante do cálculo, o fator de atrito possui grandeza adimensional e, considerando escoamento turbulento em todos os trechos, pode ser calculado pela equação: ε f = ( 2 log [ 3,7 D 2 1,66 ln(re) 1,07 + ]) Re 49

f = fator de atrito [adimensional]; ε = rugosidade absoluta da tubulação [m]; D = diâmetro interno da tubulação [m]; Re = número de Reynolds [adimensional]; Para a tubulação de aço carbono utilizada, considera-se a rugosidade absoluta constante para todos os trechos. Conforme descrito na Tabela 5, temos: ε = 0,0456 mm O fator de atrito em cada trecho da tubulação é apresentado na Tabela 10. Diâmetro [pol] Velocidade de escoamento [m/s] Número de Reynolds Fator de atrito 4 3,38 656.879 0,01716656 8 3,44 1.326.073 0,01480050 12 4,62 2.659.581 0,01348579 16 2,92 2.116.496 0,01312801 Tabela 10 - Fator de atrito em cada trecho da tubulação 4.7. Cálculo da perda de carga na tubulação A perda de carga na tubulação é um parâmetro crucial para a seleção da bomba hidráulica mais adequada ao sistema. Como o equipamento é responsável por ceder energia ao fluido de forma suficiente para escoá-lo do tanque de armazenagem até o compartimento do caminhão tanque, deve-se selecionar a bomba com base na perda de energia do trajeto. Para o cálculo da perda de carga na tubulação temos a equação de Darcy-Weisbach: hf = perda de carga [m]; v2 h f = f L D 2 g f = fator de atrito [adimensional]; L = comprimento da tubulação reta [m]; D = diâmetro interno da tubulação [m]; v = velocidade de escoamento [m/s]; g = aceleração da gravidade [m/s²]; Os trechos retos da tubulação foram identificados no projeto de tubulação da base de distribuição e estão descritos na Tabela 11, agrupados nos trechos de sucção do tanque para 50

a bomba e de descarga da bomba para o caminhão. O primeiro grupo compreende o header de sucção e as derivações de sucção das bombas. O segundo grupo compreende as derivações de descarga das bombas, o header de descarga e as derivações de descarga dos braços de carregamento. Grupo Trecho Diâmetro [pol] Comprimento do trecho reto [m] Sucção do tanque para Header de sucção 16 122,8 a bomba Derivações de sucção 8 6,89 Header de descarga 12 121,93 Descarga da bomba Derivações de descarga 8 10,29 para o caminhão Braços de carreamento 4 13 Tabela 11 - Comprimentos de tubulação reta Além dos trechos retos, a tubulação em questão possui acessórios em ambos os trechos de sucção e de descarga. Tipos e quantidades dos acessórios no trecho de sucção são apresentados na Tabela 12 enquanto os tipos e quantidades dos acessórios do trecho de descarga são apresentados na Tabela 13. Acessório/Diâmetro de tubulação 16 pol 8 pol Curva 45 3 0 Curva 90 2 2 T reto 0 2 T ramal 0 2 Válvula gaveta 1 1 Válvula esfera 0 0 Válvula de retenção 0 0 Válvula globo 0 0 Filtro 0 1 Saída 1 0 Entrada 0 1 Tabela 12 - Acessórios no trecho de sucção do tanque para a praça de bombas 51

Acessório/Diâmetro de tubulação 12 pol 8 pol 4 pol Curva 45 5 0 1 Curva 90 5 4 4 T reto 13 0 0 T ramal 2 0 0 Válvula gaveta 0 1 1 Válvula esfera 0 0 1 Válvula de retenção 0 1 1 Válvula globo 0 0 1 Filtro 0 0 1 Saída 0 0 1 Entrada 0 1 0 Tabela 13 - Acessórios no trecho de descarga da praça de bombas até o bocal dos braços de carregamento Para a perda de carga localizada, consequência dos acessórios, foram analisados dois métodos de cálculo: método de comprimentos equivalente e método direto. Os cálculos referentes aos dois métodos estão detalhados a seguir. 4.7.1. Método de comprimentos equivalentes Como primeira abordagem para o cálculo da perda de carga localizada foi selecionado o método de comprimentos equivalente. O método consiste em reproduzir as condições da perda de carga nos acessórios em valores de comprimento reto de tubulação. Do livro Bombas Industriais, dos autores Edson Ezequiel de Mattos e Reinaldo de Falco, temos os seguintes valores de comprimento equivalente em metros de tubulação reta para os acessórios na tubulação: 52

Acessório/Diâmetro da tubulação 16 pol 12 pol 8 pol 4 pol Observação Curva 45 3,2 2,44 1,675 0,84 Igual à metade do valor para curva 90 Curva 90 6,4 4,88 3,35 1,68 R=5D T reto 7,93 6,4 4,27 2,13 T ramal 22,87 18,29 12,2 6,1 Válvula gaveta 5,18 4,27 2,74 1,37 Válvula esfera 6,71 5,79 3,96 1,98 Válvula de retenção 57,93 45,73 30,49 15,24 Tipo levantamento Válvula globo 128,05 97,56 70,12 36,59 90 Saída 30,49 23,78 14,63 6,1 Entrada 23,78 18,29 11,59 4,88 k = 0,78 Tabela 14 - Comprimentos equivalentes em metro de tubulação reta [2] A perda de carga nos filtros não está especificada e foi considerada como 2 metros, adicionada de forma conservadora ao final do cálculo. Essa estimativa considera uma manutenção regular do acessório, que traz perdas maiores com o acúmulo de partículas no elemento filtrante. Para o cálculo do comprimento equivalente de acessórios, usamos a equação: i=n L acessórios = Quantidade n L equivalente n i=1 Lacessórios = comprimento reto equivalente total devido aos acessórios [m]; Lequivalente = comprimento reto equivalente de cada acessório [m]; n = acessório. Somando-se os comprimentos equivalentes dos acessórios temos o comprimento a ser considerado no cálculo da perda de carga localizada. A Tabela 15 detalha os valores para os trechos da tubulação. 53

Comprimento equivalente Grupo Trecho Diâmetro [pol] dos acessórios [m] Sucção do tanque Header de sucção 16 58,07 para a bomba Derivações de sucção 8 53,97 Header de descarga 12 156,38 Descarga da bomba Derivações de descarga 8 58,22 para o caminhão Braços de carreamento 4 68,84 Tabela 15 - Comprimento equivalente dos acessórios em cada trecho da tubulação Uma vez obtidos os comprimentos equivalentes de tubulação de todos os acessórios, a perda de carga da tubulação é calculada considerando que a mesma é composta por um trecho reto único de comprimento Ltotal. L Total = L reto + L acessórios LTotal = comprimento total equivalente de tubulação reta [m]; Lreto = comprimento da tubulação reta [m]; Lacessórios = comprimento reto equivalente total devido aos acessórios [m]. O comprimento total da tubulação reta de cada grupo está descrito na Tabela 16. A separação dos valores por trecho é importante devido à diferença de velocidade de escoamento e consequente diferença do fator de atrito para cada situação. Dessa forma, o cálculo da perda de carga se dá por segmento e posteriormente é somando para indicar a perda total do sistema. Sobre a perda total é feita a seleção da bomba hidráulica, caso contrário o equipamento pode ser subdimensionado. Grupo Trecho Diâmetro [pol] Comprimento total [m] Sucção do tanque Header de sucção 16 180,87 para a bomba Derivações de sucção 8 60,86 Header de descarga 12 278,31 Descarga da Derivações de bomba para o 8 68,51 descarga caminhão Braços de carreamento 4 81,84 Tabela 16 - Comprimento total de tubulação reta pelo método de comprimentos equivalentes 54

A perda de carga é, então, calculada com a equação de Darcy-Weisbach para cada trecho com base nos comprimentos equivalentes encontrados acima. A equação é: hf = perda de carga [m]; f = fator de atrito [adimensional]; h f = f L Total D v2 2 g LTotal = comprimento total equivalente de tubulação reta [m]; D = diâmetro interno da tubulação [m]; v = velocidade de escoamento [m/s]; g = aceleração da gravidade [m/s²]. A Tabela 17 apresenta as perdas de carga por grupo da tubulação ao substituir os valores de comprimento equivalente. Grupo Sucção do tanque para a bomba Descarga da bomba para o caminhão Fator de atrito Diâmetro [pol] Diâmetro [m] Comprimento total reto [m] Velocidade de escoamento [m/s] Perda de carga 0,013128006 16 0,381 180,87 2,92 2,715308363 0,014800502 8 0,2027 60,86 3,44 2,685195168 0,013485793 12 0,3032 278,31 4,62 13,4473913 0,014800502 8 0,2027 68,51 3,44 3,0227197 0,01716656 4 0,1023 81,84 3,38 7,994417809 Tabela 17 - Perda de carga em cada trecho pelo método de comprimentos equivalentes Replicando o agrupamento da tubulação de sucção e descarga, soma-se os trechos de tubulação anteriores à praça de bombas e os trechos de tubulação posteriores à praça de bombas, além de adicionar 2 metros de perda de carga por filtro em ambos os trechos. A perda de carga total por grupo está descrita na tabela abaixo. Grupo Sucção do tanque para a bomba Descarga da bomba para o caminhão Perda de carga [m] 7,400503531 26,46452881 Tabela 18 - Perda de carga pelo método de comprimentos equivalentes [m] 55

Pelo método do comprimento equivalente temos, portanto, as perdas de carga detalhadas na Tabela 18. Esses valores serão comparados à perda de carga calculada pelo método direto para definição da altura manométrica a ser considerada para o sistema. Os detalhes do segundo método encontram-se a seguir. 4.7.2. Método direto O método direto considera o cálculo da perda de carga localizada com uso do coeficiente experimental K, tabelado para cada tipo de acidente e obtido com o fabricante do acessório. A equação de perda de carga de Darcy-Weisbach é modificada da seguinte forma: hf = perda de carga [m]; v2 h f = K 2 g K = coeficiente experimental tabelado [adimensional]; v = velocidade de escoamento [m/s]; g = aceleração da gravidade [m/s²]. Onde, K f L D f = fator de atrito [adimensional]; L = comprimento [m]; D = diâmetro [m]. Os valores de L/D para os acessórios da tubulação de gasolina automotiva pura encontram-se na Tabela 19. Uma vez que os trechos da tubulação possuem valores distintos para o fator de atrito, o cálculo do coeficiente K é realizado posteriormente. 56

Acessório L/D Curva 45 16 Curva 90 30 T reto 20 T ramal 60 Válvula gaveta 8 Válvula esfera 3 Válvula de retenção 50 Válvula globo 340 Saída 1 Entrada 0,78 Tabela 19 - Valores de L/D para os acessórios da tubulação Visto que um mesmo trecho possui somente um valor para o fator de atrito, soma-se os valores de L/D dos acessórios ponderado pela quantidade de acessórios conforme Tabela 12 e Tabela 13. O somatório encontra-se detalhado na Tabela 20. Grupo Trecho Diâmetro [pol] Soma de L/D Sucção do tanque Header de sucção 16 117 para a bomba Derivações de sucção 8 228,78 Header de descarga 12 610 Descarga da bomba Derivações de descarga 8 178,78 para o caminhão Braços de carreamento 4 538 Tabela 20 - Somatório de L/D em cada trecho da tubulação Com base nos valores acima, é possível calcular o coeficiente K pela multiplicação do somatório L/D e o fator de atrito. A Tabela 21 apresenta o resultado da aplicação da fórmula de Darcy-Weisbach para esse método, que será comparado ao anterior para definição de valores conservadores para o sistema. 57

Grupo Sucção do tanque para a bomba Descarga da bomba para o caminhão Fator de atrito Diâmetro Comprimento Soma L/D [m] reto [m] (acessórios) Velocidade de Perda de escoamento carga [m] [m/s] 0,013128006 0,381 122,8 117 2,92 2,512745 0,014800502 0,2027 6,89 228,78 3,44 2,35004 0,013485793 0,3032 121,93 610 4,62 14,82793 0,014800502 0,2027 10,29 178,78 3,44 2,052886 0,01716656 0,1023 13 538 3,38 6,646132 Tabela 21 - Perda de carga em cada trecho da tubulação pelo método direto Replicando o agrupamento da tubulação de sucção e descarga, soma-se os trechos de tubulação anteriores à praça de bombas e os trechos de tubulação posteriores à praça de bombas, além de adicionar 2 metros de perda de carga por filtro em ambos os trechos. A perda de carga total por trecho está descrita na Tabela 22. Grupo Perda de carga [m] Sucção do tanque 6,862785078 para a bomba Descarga da bomba 25,52695184 para o caminhão Tabela 22 - Perda de carga pelo método direto 4.7.3. Comparativo de métodos para cálculo da perda de carga A escolha de dois métodos de cálculo para a perda de carga na tubulação tem como objetivo comparar os valores encontrados e identificar a forma mais conservadora para o dimensionamento das bombas hidráulicas. Tal medida visa contribuir com o cálculo e minimizar o risco de subdimensionar os equipamentos. As perdas de carga calculadas pelo método de comprimento equivalente e pelo método direto estão refletidas na Tabela 23, divididas entre os grupos de sucção e de descarga para melhor apresentar o comparativo. 58

Grupo Sucção do tanque para a bomba Descarga da bomba para o caminhão Comprimento equivalente Método direto Diferença [m] Diferença [%] 7,40 6,86 0,54 7,27% 26,46 25,53 0,94 3,54% Tabela 23 - Comparativo da perda de carga por diferentes métodos de cálculo Observa-se que os valores são próximos, com pequenas diferenças nos dois trechos da tubulação. Dada a abordagem conservadora, seguiremos com o método de comprimentos equivalentes visto que oferece valores mais elevados para a perda de carga no sistema. 4.8. Cálculo da Altura Manométrica Total A altura manométrica total de um sistema representa a energia que será solicitada à bomba para a transferência de um fluido de um reservatório a outro. Essa energia é a diferença entre a energia na linha de sucção e a energia na linha de descarga da tubulação, calculada pela equação: AMT = altura manométrica total [m]; Hd = altura manométrica de descarga [m]; Hs = altura manométrica de sucção [m]. Onde, Hd = altura manométrica de descarga [m]; pd = pressão de descarga [kgf/m²]; γ = peso específico [kgf/m³]; zd = altura estática de descarga [m]; AMT = H d H s H d = p d γ + z d + h fd hfd = perda de carga no trecho de descarga [m]. E, Hs = altura manométrica de sucção [m]; ps = pressão de sucção [kgf/m²]; H s = p s γ + z s h fs 59

γ = peso específico [kgf/m³]; zs = altura estática de sucção [m]; hfs = perda de carga no trecho de sucção [m]. O peso específico é calculado pela equação abaixo e conhecido para a gasolina automotiva pura. A equação é: γ = peso específico [N/m³]; ρ = massa específica [kg/m³]; g = aceleração da gravidade [m/s²]; γ = ρ g No cenário projetado, temos que a altura mínima de produto no tanque é considerada como zero, caracterizando o completo esgotamento do volume armazenado. A altura entre o nível de produto e a praça de bombas, portanto, é igual à altura entre o fundo do tanque e as bombas. No caso, é a altura da bacia de tanques da base de distribuição. Os parâmetros, portanto, são: γ = 760,26 kgf/m³ (peso específico da gasolina automotiva pura); zd = 6 metros (altura entre a praça de bombas e o nível máximo de líquido no caminhão); pd = 1.500 kgf/m² (pressão no bocal de descarga nos caminhões); zs = 10 metros (altura entre a bacia de tanques e a praça de bombas); ps = 0 kgf/m² (a pressão é considerada igual à atmosférica dentro do tanque de armazenagem). Temos, então: O valor da altura manométrica total, portanto, é: H d = 1.500 + 6 + 26,46 = 34,44 metros 760,26 H s = 0 + 10 7,40 = 2,60 metros AMT = H d H s = 34,44 2,6 = 31,84 metros Por segurança de projeto, adiciona-se 10% de margem à altura manométrica total. 4.9. Cálculo do NPSH disponível AMT = 31,84 110% = 35,02 metros Para a avaliação da possibilidade de cavitação na bomba verifica-se o NPSH disponível no sistema para depois confrontá-lo ao NPSH requerido pela bomba selecionada. 60

A informação do NPSH requerido pelo equipamento é fornecida pelo fabricante e o risco de cavitação deve ser reduzido ao máximo sempre que possível. Entre as principais consequências da cavitação estão fatores que danificam as bombas hidráulicas e prejudicam sua performance a ponto de obrigar a parada do equipamento. Por isso, é essencial a identificação da energia disponível no olho do impelidor, dado pela equação do NPSH disponível. A equação é: Hs = altura manométrica de sucção [m]; Patm = pressão atmosférica [kgf/m²]; Pvapor = pressão de vapor [kgf/m²]; γ = peso específico [kgf/m³]. Substituindo os valores, temos: NPSH disponível = H s + P atm P vapor γ NPSH disponível = 2,60 + 10.197 7.000 760,26 = 6,80 metros O NPSH disponível no sistema, nas condições consideradas, é de 6,80 metros. Esse valor será comparado posteriormente ao NPSH requerido por bombas hidráulicas para guiar a seleção dos equipamentos. 4.10. Cálculo da potência consumida pela bomba A potência consumida pela bomba representa a potência demandada pelo motor elétrico durante a operação. O valor varia para cada produto devido à diferença de massa específica do fluido, sendo comum a correção das curvas de potência das bombas no catálogo de fabricantes. Estimativas em etapas inicias de projeto estabelecem referências desse parâmetro, que precisa ser atendido pela instalação. Para a estimativa da potência da bomba, usamos a equação: Pot = potência [kw]; ρ = massa específica [kg/m³]; g = aceleração da gravidade [m/s²]; Q = vazão [m³/s]; Pot = ρ g Q AMT η AMT = altura manométrica total, considerando a folga aplicada [m]; 61

Potência consumida [kw] η = eficiência da bomba [%]. Os parâmetros considerados no numerador são detalhados em etapas anteriores deste estudo de caso. A eficiência, no entanto, pode ser estimada com base em referências da literatura ou de mercado e tende a diminuir com o tempo de uso do equipamento. A Figura 25 apresenta a influência da eficiência da bomba sobre a potência consumida. Potência consumida [kw] 120 100 80 60 40 20 0 Eficiência da bomba Figura 25 - Influência da eficiência da bomba na potência consumida Observa-se que os valores variam significativamente com a mudança da eficiência do equipamento, com consumos elevados para baixas eficiências. Para a estimativa inicial deste estudo, a eficiência da bomba hidráulica será considerada como 75%, valor não muito elevado e facilmente alcançado por bombas novas. Com isso, temos: Pot = 760,26 9,81 0,1111 35,02 0,75 = 38,69kW = 52,59CV A referência de potência consumida pelo motor elétrico é próxima a 50,00 CV para o cenário considerado. O valor exato depende da bomba hidráulica selecionada e é detalhado nas curvas características do equipamento, corrigidas para o fluido movimentado conforme orientação do fabricante. 62

5. Seleção da bomba A movimentação de gasolina automotiva pura é permitida para bombas centrífugas com motores elétricos, não sendo possível utilizar motores de combustão interna na praça de bombas. As características técnicas e de performance de bombas são oferecidas por seus fabricantes em catálogos disponibilizados para consulta pública. Neste estudo foi escolhido o fabricante KSB e sua respectiva linha de bombas centrífugas com motores elétricos. Dentre as opções comercializadas pela KSB, a série MEGA modelo Megachem é projetada especificamente para o setor de óleo e gás e atende as exigências para movimentação de gasolina automotiva pura. A Figura 26 apresenta a ilustração comercial desse modelo. Figura 26 - Bomba KSB Megachem O manual de curvas características da KSB contém diversos tamanhos do modelo Megachem, detalhando as curvas características de cada um. O documento detalha o tamanho ideal do equipamento para cada relação entre vazão e altura manométrica, assim como o NPSH requerido pelas bombas. Informações sobre potência e eficiência também são tratadas, além de recomendações de segurança e ajuste das curvas. Neste estudo, a seleção da bomba hidráulica mais adequada considera dois cenários de simulação, melhor descritos a seguir. A diferença está no estabelecimento de níveis mínimos de produto no tanque de armazenagem de forma a reduzir a altura manométrica total do sistema. 63

5.1. Primeiro cenário O primeiro cenário de seleção da bomba KSB considera que todo o volume do tanque de armazenagem pode ser utilizado pela operação. Com isso, a altura manométrica total é calculada sem um nível mínimo de produto no tanque e a simulação representa o uso ótimo do volume armazenado, visto que a manutenção de um nível mínimo implica em volume ocioso de produto. O ábaco de cobertura do fabricante KSB para os modelos de bomba centrífuga Meganorm, Megabloc e Megachem foi consultado para seleção de uma bomba para o sistema. Os dados da Tabela 24 foram considerados para a seleção do tamanho da bomba. Vazão por bomba 400 m³/h Altura manométrica total 35,02 m Tabela 24 - Dados para seleção de bomba - Primeiro cenário Figura 27 - Seleção do modelo de bomba da KSB O cruzamento da vazão desejada e da altura manométrica calculada para esse cenário ocorre na configuração 150-315 do modelo Megachem. A curva característica desse modelo está representada na Figura 28 e indica os ajustes para diferentes diâmetros de impelidor. 64

Figura 28 - Curva da bomba KSB Megachem tamanho 150-315 Novamente, o cruzamento dos dados de vazão e altura manométrica fornece o ponto para seleção da bomba hidráulica. Do gráfico, temos que o diâmetro recomendado para o impelidor é de 290 milímetros. Para essa seleção, a eficiência estimada da bomba é de aproximadamente 82%. A terceira curva que deve ser analisada está representada na Figura 29 e traz informações sobre o NPSH requerido e a potência necessária como função da vazão de produto desejada. Figura 29 - Curva de NPSH requerido e potência da bomba KSB Megachem 150-315 65

Do gráfico, temos que o NPSH requerido é de 3 metros para a vazão desejada. Considerando a recomendação do fabricante de adicionar 0,5 metro por motivo de segurança, chegamos a 3,5 metros. Esse valor deve ser comparado ao NPSH disponível, que para o primeiro cenário é de 6,8 metros. A análise do risco de cavitação é mostrada na Tabela 25 e segue a recomendação abaixo. NPSH disponível > NPSH requerido + 0,5m 6,80m > 3,50m (Verdadeiro!) NPSHdisponível NPSHrequerido Risco de cavitação 6,80 m 3,50 m Não Tabela 25 - Risco de cavitação no primeiro cenário de simulação A potência indicada na curva característica para o impelidor de diâmetro 290 mm à vazão de 400m³/h é de aproximadamente 65 CV. Como o fluido bombeado é menos denso que a água, a potência da bomba deve ser ajustada. O ajuste é feito conforme a orientação do fabricante, que indica multiplicar a potência encontrada no gráfico pela densidade relativa do produto bombeado. A Gasolina A possui densidade relativa igual a 0,76. 65,00 CV 0,76 = 49,40CV~50,00CV Concluído o ajuste de potência, está completa a seleção da bomba centrífuga para o primeiro cenário de simulação. As informações do equipamento estão consolidadas na Tabela 26, ajustadas para o bombeio de gasolina automotiva pura sem restrição de uso do volume disponível no tanque de armazenagem. Fabricante KSB Série Mega Modelo Megachem Tamanho 150-315 Vazão 400,00 m³/h Diâmetro do impelidor 290,00 mm Eficiência 82% Potência (ajustada) 50,00 CV Tabela 26 - Bomba selecionada no primeiro cenário 66

5.2. Segundo cenário Como estratégia para diminuir o tamanho da bomba e a potência consumida pelo equipamento temos a sugestão de operação com um nível mínimo de produto no tanque. Essa alternativa modifica a altura manométrica total do sistema ao diminuir a perda de carga na sucção da bomba sem influenciar a perda de carga na descarga. A Tabela 27 apresenta os valores de perda de carga, altura manométrica total e NPSH disponível para cada 1 metro de altura de líquido no tanque. O tanque em questão possui 15 metros de altura, sendo 13 metros o limite de altura operacional conforme descrito na Tabela 2. O segundo cenário de simulação considera a influência da altura de produto até o nível máximo de 13 metros acima da bacia de tanques. Altura de líquido Perda de carga Perda de carga na no tanque [m] na sucção [m] descarga [m] AMT + 10% NPSH disponível 0 2,60 34,44 35,02 6,80 1 3,60 34,44 33,92 7,80 2 4,60 34,44 32,82 8,80 3 5,60 34,44 31,72 9,80 4 6,60 34,44 30,62 10,80 5 7,60 34,44 29,52 11,80 6 8,60 34,44 28,42 12,80 7 9,60 34,44 27,32 13,80 8 10,60 34,44 26,22 14,80 9 11,60 34,44 25,12 15,80 10 12,60 34,44 24,02 16,80 11 13,60 34,44 22,92 17,80 12 14,60 34,44 21,82 18,80 13 15,60 34,44 20,72 19,80 Tabela 27 - Simulação de operação com nível mínimo de produto no tanque Os valores de altura manométrica total iniciam em 35 metros e estendem-se até cerca e 21 metros. A Figura 30 apresenta os diferentes tamanhos de bomba da série Megachem que são passíveis de seleção. 67

Figura 30 Possíveis modelos de bomba KSB Verifica-se que três modelos de bomba KSB podem ser selecionados para operação com diferentes níveis mínimos de líquido no tanque. São eles: 150-315; 150-250; e 125-250. A seleção, no entanto, deve considerar que a altura mínima de líquido será mantida durante todo o tempo, implicando na diminuição do volume disponível para carregamento de caminhões e na criação de um volume ocioso no tanque. A altura intermediária do tanque foi definida para a seleção de uma segunda opção de bomba para a base de distribuição. A Tabela 28 apresenta os parâmetros considerados na seleção com a altura mínima de líquido no tanque de 7 metros, implicando na diminuição de quase metade do volume disponível para carregamento. Vazão por bomba 400 m³/h Altura mínima de produto no tanque 7,00 m Altura manométrica total 27,32 m Volume ocioso 2.700,00 m³ Volume disponível 2.300,00 m³ Tabela 28 - Dados para seleção de bomba - Segundo cenário 68

Para esse cenário, o cruzamento dos dados na curva característica da bomba revela a seleção da Megachem 150-250. A altura manométrica total considerada é de 27,32 metros e a vazão é mantida em 400m³/h conforme especificado. Seguindo o detalhamento da seleção, novas curvas do modelo Megachem 150-250 são retratadas na Figura 31. Figura 31 Curva da bomba KSB modelo 150-250 Do gráfico, temos que o diâmetro recomendado para o impelidor é de 258 milímetros. Para essa seleção, a eficiência da bomba é estimada em 80,5%. A análise das curvas características continua para os dados de NPSH requerido e potência consumida. A Figura 32 apresenta a seleção dessas propriedades para o segundo cenário de simulação. 69

Figura 32 Curvas de NPSH e Potência da bomba KSB modelo 150-250 O NPSH requerido pelo modelo é de aproximadamente 4,3 metros. Considerando a recomendação do fabricante de adicionar 0,5 metros ao NPSH requerido por segurança, chegamos a 4,8 metros. A análise do risco de cavitação é mostrada na Tabela 29 e segue a recomendação abaixo. NPSH disponível > NPSH requerido + 0,5m 13,80m > 4,80m (Verdadeiro!) NPSHdisponível NPSHrequerido Risco de cavitação 13,80 m 4,80 m Não Tabela 29 - Risco de cavitação no segundo cenário de simulação A potência indicada na curva característica para o impelidor de diâmetro 258 mm à vazão de 400m³/h é de aproximadamente 48 CV. Como o fluido bombeado é menos denso 70

que a água, a potência da bomba deve ser ajustada. O ajuste é feito conforme a orientação do fabricante, que indica multiplicar a potência encontrada no gráfico pela densidade relativa do produto bombeado. A Gasolina A possui densidade relativa igual a 0,76. 48,00 CV 0,76 = 36,48CV~36,00CV As informações da bomba selecionada no segundo cenário estão detalhadas na Tabela 30, ajustadas para o bombeio de gasolina automotiva pura com restrição de uso do volume disponível no tanque de armazenagem a uma altura de 7 metros. Fabricante KSB Série Mega Modelo Megachem Tamanho 150-250 Vazão 400 m³/h Diâmetro do impelidor 258 mm Eficiência 80,5% Potência (ajustada) 36 CV Tabela 30 - Bomba selecionada no segundo cenário 71

6. Conclusões Com base no dimensionamento da nova bomba hidráulica e nas restrições operacionais dos dois cenários simulados, as principais conclusões sobre a seleção da bomba e as recomendações para a instalação dos novos equipamentos são descritas a seguir. De forma complementar, as análises contribuíram para um maior conhecimento sobre a operação de uma base de distribuição e para o aprofundamento dos estudos na área de bombas hidráulicas, diretamente relacionado ao curso de Engenharia Mecânica. 6.1. Conclusão sobre a seleção da bomba A seleção da bomba para movimentação de gasolina automotiva pura contou com dois cenários de simulação e tem como objetivo impedir a perda de vazão em carregamentos simultâneos do produto. Em ambos os cenários, é considerada a preservação da tubulação atual da base de distribuição de combustível e o aumento da vazão na tubulação, sendo a principal diferença a limitação do nível mínimo de produto no tanque de armazenagem. De forma a permitir a operação sem definir uma altura mínima de líquido no tanque deve-se selecionar a bomba KSB modelo 150-315, com diâmetro do impelidor de 290 milímetros e potência de 50 CV. Não há risco de cavitação e as especificações técnicas da bomba são compatíveis com os requisitos para movimentação de gasolina. Havendo, excepcionalmente, a possibilidade de limitar a capacidade dedicada para carregamento no tanque, trabalhando-se com uma altura mínima de produto, outros modelos também poderiam ser selecionados. Em especial, no caso de fixar-se a altura mínima de líquido em 7 metros, a seleção passa à bomba KSB modelo 150-250. O equipamento terá o impelidor com diâmetro de 258 milímetros e potência de 36 CV. A economia de energia projetada é de 28%, visto que a vazão nos trechos da tubulação será mantida. Prevalece, entretanto, a decisão com melhor performance da operação, caracterizada pela liberação de todo o volume de gasolina disponível no tanque. Dessa forma, os impactos de falta de produto são minimizados pois não há volume ocioso. A performance das bombas também é garantida para todos os níveis de produto no tanque de armazenagem. A recomendação para a bomba a ser instalada na expansão da base de distribuição está apresentada na Tabela 31 e foi retirada do catálogo do fabricante KSB. Trata-se de um equipamento próprio para o setor de óleo de gás e que atende as normas de segurança relativas ao bombeio de combustíveis. 72

Fabricante KSB Série Mega Modelo Megachem Tamanho 150-315 Vazão 400 m³/h Diâmetro do impelidor 290 mm Eficiência 82% Potência (ajustada) 50 CV Tabela 31 - Especificações da bomba recomendada Não foi realizado estudo financeiro específico para a substituição dos equipamentos, porém sabe-se que os custos envolvidos na aquisição e instalação das novas bombas hidráulicas são muito inferiores à receita diária da base de distribuição. Conforme orientação recebida da operação, não foi recomendada a substituição de trechos da tubulação, a exemplo do header de descarga. A diretriz é apoiada pelo impacto financeiro da interrupção de carregamentos e pelo fato de que a operação ocorrerá de forma segura no novo arranjo da praça de bombas. A instalação das novas bombas hidráulicas permitirá à base de distribuição o acionamento simultâneo de todos os braços de carregamento de gasolina automotiva pura sem que ocorra perda de vazão nas linhas. A defasagem operacional será, portanto, suprida e o tempo necessário para o carregamento dos caminhões tanque será mantido dentro do limite desejado pela base. 6.2. Recomendações para a instalação das novas bombas Para que a instalação das novas bombas respeite a orientação de não suspender a operação da base de distribuição, algumas recomendações são aplicáveis. De modo geral, os procedimentos de instalação e montagem dos equipamentos deve seguir o detalhamento informado pelos fornecedores, assim como os testes recomendados, e não serão discutidos nesse trabalho. Para o sucesso da substituição, a principal recomendação diz respeito à ordem de troca das bombas hidráulicas. No primeiro momento, deve-se interromper o funcionamento de uma derivação na praça de bombas de modo a isolar um único equipamento, removê-lo e instalar 73

a nova bomba. Essa substituição já é capaz de manter a operação da base no mesmo nível de vazão das bombas anteriores, visto que o novo equipamento possui vazão de 400m³/h. Em um segundo momento, as outras bombas devem ser isoladas, removidas e substituídas, concluindo a operação de troca dos equipamentos e elevando a capacidade de bombeamento na linha de gasolina automotiva pura para 1.200m³/h. O trabalho pode ser acompanhado da limpeza dos filtros localizados imediatamente antes das bombas, diminuindo a perda de carga no equipamento e melhorando o desempenho do sistema. Por fim, o controle de simultaneidade de acionamento das bombas deve ser configurado para evitar que os equipamentos sejam acionados sem necessidade. A ordem de acionamento das bombas deve ser de forma que um único equipamento esteja configurado para até quatro carregamentos simultâneos, sendo a segunda bomba ligada a partir do quinto carregamento simultâneo e a terceira bomba a partir do nono. Assim, preserva-se a integridade da tubulação sem oferecer riscos de rompimento dos dutos, trazendo segurança ao local e a seus funcionários. 74

7. BIBLIOGRAFIA [1] SINDICOM, Anuário Estatístico SINDICOM, 2016 [2] DE MATTOS, E.E., DE FALCO, R., Bombas Industriais, 2ª Ed., Rio de Janeiro, Editora Interciência, 1998. [3] DA SILVA, MARCOS A., Manual de Treinamento KSB Seleção e Aplicação de Bombas Centrífugas, 5ª Ed., 2003 [4] FOX, ROBERT W., MCDONALD, ALAN T., PRITCHARD, PHILIP J., Introdução à Mecânica dos Fluidos, 6ª Ed. LTC 2006. [5] SILVA FREIRE, ATILA P., MENUT, PHILIPPE P. M., SU, JIAN, Turbulência, Volume 1, 1ª Ed. ABCM 2002. [6] Válvulas industriais UNIVAL Válvulas e Conexões <http://www.unival.com.br/valvulas/valvulas-industriais/> (Acessado em 27/08/2016) [7] Banco de imagens <http://intratool.com/upload/medialibrary/2a9/arms_auto.jpg> (Acessado em 27/08/2016) [8] Síntese dos Preços Praticados Brasil, Relatório Mensal Resumo II <http://www.anp.gov.br/preco/> (Acessado em 27/08/2016) 75

8.1 ANEXO Tabela de comprimentos equivalentes [2] Figura 33 - Comprimento equivalente de entradas e saídas [2] 76

Figura 34 - Comprimento equivalente de reduções e ampliações de diâmetro [2] 77

Figura 35 - Comprimento equivalente de válvulas [2] Figura 36 - Comprimento equivalente de joelhos, curvas e T's [2] 78

8.2 ANEXO Dados técnicos da bomba KSB Megachem (cortesia KSB) Figura 37 - Modelos KSB série MEGA 79

Figura 38 - Recomendações para bombas KSB série MEGA 80

Figura 39 - Curvas características das bombas KSB série MEGA 81

Figura 40 - Curvas características das bombas KSB série MEGA 150-315 82

Figura 41 - Curvas características das bombas KSB série MEGA 150-250 83

Figura 42 - Curvas características das bombas KSB série MEGA 125-250 84