Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Departamento de Engenharia Hidráulica e Ambiental PHA3412 - Saneamento Renato Carlos Zambon Ronan Cleber Contrera Theo Syrto Octavio de Souza
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COMPONENTES DE UMA ESTAÇÃO ELEVATÓRIA Equipamentos eletromecânicos Motores Bombas Tubulações Sucção Barrilete Recalque Construção civil Poço de sucção Casa de bomba 3
BOMBAS CENTRÍFUGAS Carcaça Rotor Vedação Mancal Corte de uma bomba centrífuga horizontal de simples estágio Atualmente, há um predomínio total das bombas centrífugas em sistemas de abastecimento de água... Corte de uma bomba centrífuga de simples estágio com rotor de dupla sucção 4
BOMBAS CENTRÍFUGAS - CARCAÇA Bomba centrífuga bipartida axialmente com rotor radial de dupla sucção Bomba centrífuga com carcaça tipo voluta com rotor radial fechado de sucção simples 5
BOMBAS CENTRÍFUGAS - ROTOR Quanto à admissão de líquido Rotor de simples sucção Rotor de dupla sucção Quanto às paredes Rotor aberto Rotor semi-aberto Rotor fechado Quanto à direção de saída do líquido Rotor de fluxo axial Rotor de fluxo radial Rotor de fluxo misto TIPOS DE ROTOR Aberto Semiaberto Fechado 6
BOMBAS CENTRÍFUGAS - ROTOR Classificação segundo a trajetória do líquido no rotor Bombas de fluxo radial Bombas de fluxo misto Bomba de fluxo axial 7
Classificação segundo a rotação específica N q N H Q 3 4 N: rotação da bomba (rpm) Q: vazão (m 3 /s) H: altura manométrica (m) 8
BOMBAS CENTRÍFUGAS: INSTALAÇÃO Eixo horizontal de sucção simples Eixo vertical prolongado Bipartida sucção dupla (base única para bomba e motor) 9
ESQUEMA HIDRÁULICO Bomba horizontal não afogada Hm = Hg+DH DH = DHs+DHr DHr NA 2 Hg = Hg,s+Hg,r = NA 2 -NA 1 (Hg,s > 0) Hg,r NA 1 poço de sucção motor e bomba Hg,s DHs eixo da bomba - NA pode ser variável... - Verificar as diversas condições de operação 10
ESQUEMA HIDRÁULICO Bomba horizontal afogada Hm = Hg+DH DH = DHs+DHr DHr NA 2 Hg = Hg,s+Hg,r = NA 2 -NA 1 (Hg,s < 0) Hg NA 1 poço de sucção DHs motor e bomba eixo da bomba 11
ESQUEMA HIDRÁULICO Bomba vertical afogada (e submersa) Hm = Hg+DHr DHr NA 2 Hg = NA 2 -NA 1 motor NA 1 Hg bomba poço de sucção 12
CAVITAÇÃO x NPSH (Net Positive Suction Head) Cavitação não é corrosão! 13
CAVITAÇÃO x NPSH Carga de sucção positiva disponível (m): p p N P S H H H atm vapor D d g, s s bomba não afogada (H g,s >0) bomba afogada (H g,s <0) pvapor / pvapor / H gs, DH s H gs, patm / DH s patm / NPSH d NPSH d 14
NPSH (m) folga CAVITAÇÃO x NPSH Condição para funcionamento da bomba sem cavitação NPSH d NPSH r folga mínima: 0,5 m ou 20% (melhor acima de 1,5 m ou 35%) Calculado Catálogo da bomba cavitação! Q Q (m³/s) 15
CAVITAÇÃO x NPSH Pressão de vapor da água em função da temperatura T ( C) Pv/ (m H 2 O) Observações 0 0,062 2 0,072 4 0,083 6 0,095 8 0,109 10 0,125 15 0,174 20 0,238 25 0,323 30 0,433 40 0,752 50 1,258 60 2,031 80 4,827 100 10,332 T = temperatura Pv/ = altura equivalentede coluna de água h (m) Pressão atmosférica em função da altitude Patm/ (m H 2 O) 0 10,33 300 9,96 600 9,59 900 9,22 1200 8,88 1500 8,54 1800 8,20 2100 7,89 2400 7,58 2700 7,31 3000 7,03 Observações h = altitude Patm/ = altura de coluna de água equivalente a pressão atmosférica 16
CURVAS CARACTERÍSTICAS - EXEMPLO Rendimento da bomba Curvas da Bomba Diâmetro do rotor Diâmetro do rotor NPSHr 17
altura manométrica (m) CURVAS CARACTERÍSTICAS Do catálogo do fabricante ponto de operação Fórmula Universal ou Hazen-Williams DH Hg vazão (m³/s) Q Bombeada 18
altura manométrica (m) BOMBAS EM PARALELO as vazões das curvas das bombas são somadas ponto de operação com a bomba 1 ponto de operação com a bomba 2 ponto de operação com as bombas 1 e 2 em paralelo DH Hg vazão (m³/s) Q r2b o novo ponto de operação não corresponde à soma das vazões que ocorreriam com cada bomba operando individualmente aumentam a perda de carga e a altura manométrica! 19
altura manométrica (m) BOMBAS EM SÉRIE associação bombas 1+2 curva do sistema ponto de operação com as bombas 1 e 2 em série DH Hg as alturas manométricas das curvas das bombas são somadas vazão (m³/s) 20
PROJETO DE ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS Número de bombas: pequena elevatória: 2 bombas (1 + 1 reserva) média elevatória: 3 bombas (2 + 1 reserva) grande elevatória: várias bombas implantação em etapas... Localização: próxima ou no meio do manancial (captação, água bruta) junto ou próximas às ETA s (água tratada) junto ou próximas aos reservatórios de distribuição para reforço na adução ou na rede de distribuição (booster) Escolha: disponibilidade e custo do terreno, energia, topografia, características do solo, acesso, desníveis, traçado da adutora, interferências, etc. 21
PROJETO DE ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS Instalação dos conjuntos motor-bomba Poço seco: conjunto motor-bomba de eixo horizontal conjunto vertical de eixo prolongado, bomba não submersa conjunto motor-bomba de eixo vertical, bomba não submersa Poço úmido: conjunto vertical de eixo prolongado, bomba submersa conjunto motor-bomba submerso. Estação pressurizadora ou booster : podem ser utilizados vários tipos de conjuntos motor-bomba. 22
PROJETO DE ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS Estação elevatória de poço seco com conjunto motor-bomba de eixo horizontal (EE-1 da cidade de Jales) 23
PROJETO DE ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS Estação elevatória de poço seco com conjunto motor-bomba de eixo horizontal (EEAB-1 da cidade de Franca) Corte Planta 24
PROJETO DE ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS Estação elevatória de água tratada da cidade de Lins Estação elevatória de recalque dos poções I e III da cidade de Fernandópolis Estação elevatória da cidade de Fernandópolis Estação elevatória do poção I da cidade de Jales 25
PROJETO DE ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS Estação elevatória da cidade de Monte Alto Estação elevatória da cidade de Ubatuba Casa de bomba da elevatória EE-1 Canoas da cidade de Franca Estação elevatória de água tratada da cidade de Riolândia 26
PROJETO DE ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS DE ÁGUA Casa de bomba da elevatória de água tratada de Taiaçupeba, RMSP Casa de bomba de uma elevatória da cidade de Franca Estação elevatória de água tratada do Sistema Alto Tietê, RMSP Estação elevatória de água bruta da cidade de Taubaté 27
altura manométrica máxima altura geométrica mínima ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS BOOSTER Booster para recalque de água entre dois reservatórios se a bomba tiver rotação constante, a vazão máxima ocorre com Hg mínima... L.P. (Qmin,Hgmin) NAmax NAmin NAmax NAmin L.P. (Qmin,Hgmin) booster o esquema varia dependendo de como é a entrada no reservatório superior 28
altura manométrica ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS BOOSTER Booster para reforço no bombeamento (em série) booster E.E. 29
altura manométrica ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS BOOSTER Booster para aumentar a vazão de adução R1 R2 booster 30
ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS BOOSTER Estação pressurizadora Aeroporto da cidade de Franca Estação pressurizadora Leporace da cidade de Franca 31
ESTAÇÕES ELEVATÓRIAS BOOSTER (EM REDES) Booster com variador hidrocinético instalado na Conceição, RMSP. Booster com inversor de frequência instalado no Portal D Oeste, RMSP Instalações do booster Vitápolis com inversor de frequência, RMSP Instalações do booster Munhoz Junior no passeio, RMSP 32
POÇO DE SUCÇÃO Deve ser projetado com forma e dimensões para: considerar sua disposição física em relação às outras unidades da estação (espaçamento entre motores, bombas e tubulações suficientes para se trabalhar e dar manutenções com folgas). permitir a operação adequada das bombas impedir a formação de vórtices superficiais e subsuperficiais e o arraste de ar (submergência adequada, cones, placas, grades, geometria do poço, etc.) 33
POÇO DE SUCÇÃO outros exemplos e detalhes na bibliografia 34
TUBULAÇÕES DA ELEVATÓRIA 35
TUBULAÇÃO DE SUCÇÃO fonte: NBR 12214/1992 36
TUBULAÇÃO DE SUCÇÃO ascendente uso de redução excêntrica curva de raio longo e trecho de tubulação 37
BARRILETE (0,6<V<3 m/s) 38
BARRILETE Bombas centrífugas de eixo horizontal Bombas de eixo vertical 39
ACESSÓRIOS: REGISTROS DE GAVETA 40
ACESSÓRIOS: VÁLVULAS BORBOLETA 41
ACESSÓRIOS: VÁLVULAS DE RETENÇÃO portinhola única portinhola dupla fechamento rápido 42
ACESSÓRIOS: MANÔMETROS 43
ACESSÓRIOS: VENTOSAS ventosa de tríplice função: ventosa simples expelir o ar deslocado pela água durante o enchimento da linha; admitir quantidade suficiente de ar, durante o esvaziamento da linha; expelir o ar proveniente das bombas em operação e difuso na água (funcionando como uma ventosa simples). 44
ACESSÓRIOS: VÁLVULA DE PÉ Localização da válvula de pé na tubulação de sucção Válvula de pé com crivo Mantém a escorva da bomba 45
SISTEMAS DE ESCORVA DE BOMBAS Bomba afogada Eliminação do ar no interior da bomba e da tubulação de sucção, antes do acionamento da mesma. Bomba não afogada Tipos de Sistemas - Válvula de pé - Ejetor - Bomba a vácuo 46
SISTEMAS DE ESCORVA DE BOMBAS ejetor para escorva de bomba escorva com bomba de vácuo 47
TRANSITÓRIOS HIDRÁULICOS Toda alteração de vazões (velocidades) provoca alterações transitórias de cargas (pressões) até que se estabeleça uma nova condição de regime permanente; Exemplos: fechamento e abertura de válvulas, paradas bruscas dos sistemas de bombeamento, etc.; As pressões máximas (sobrepressão de curta duração) podem superar muito as pressões estáticas ou dinâmicas da operação normal do sistema; As pressões mínimas (subpressão) podem levar ao descolamento da coluna líquida (vácuo) e/ou ao colapso da tubulação; Deve ser verificada SEMPRE a necessidade e o dimensionamento de dispositivos de proteção. 48
TRANSITÓRIOS HIDRÁULICOS Exemplo: fechamento gradual de válvula no final da adutora: 49
TRANSITÓRIOS HIDRÁULICOS Exemplo: parada brusca do bombeamento 50
TRANSITÓRIOS HIDRÁULICOS Quantidade de movimento: H Q Q 1 Q f Q Q g 2 2 x A x A t 2 g D A Conservação da massa: 0 H Q Q a Q t A x g A x condições de contorno: bombas, reservatórios, etc. 2 0 determinação de Q(x,t) e H(x,t) (método das características) 51
TRANSITÓRIOS HIDRÁULICOS a celeridade a (velocidade de propagação das ondas de variação de pressões) depende de características do fluido e da tubulação, principalmente espessura e módulo de elasticidade; a celeridade pode variar de poucas centenas de m/s (materiais plásticos) a mais de 1000 m/s (metálicos); as variações de pressão resultantes são diretamente proporcionais à variação das velocidades e à celeridade; o diagnóstico, a necessidade e as soluções para proteção variam muito conforme os materiais utilizados nas adutoras, vazões, comprimento, perfil, etc.; decisões de projeto e dispositivos de proteção podem ser utilizados para manter as oscilações de pressão dentro de limites aceitáveis. 52
TRANSITÓRIOS HIDRÁULICOS Exemplos de dispositivos para proteção 53
TRANSITÓRIOS HIDRÁULICOS Exemplo de um conjunto motorbomba com volante de inércia 54
TRANSITÓRIOS HIDRÁULICOS Exemplo de chaminé de equilíbrio 55
TRANSITÓRIOS HIDRÁULICOS Exemplo: tanque de alimentação unidirecional (TAU) 56
TRANSITÓRIOS HIDRÁULICOS Exemplo: reservatório de ar comprimido ou reservatório hidropneumático (RHO) 57
TRANSITÓRIOS HIDRÁULICOS Acumulador hidráulico (ou reservatório antigolpe com bexiga) semelhante ao RHO, mas uma bexiga separa as fases líquida e gasosa 58
REDUÇÃO DO CUSTO DE ENERGIA ELÉTRICA Como exemplo, alguns dados da SABESP: atende 66% da população no estado de SP avalia a possibilidade de produzir energia por meio de PCHs ou de usinas térmicas a partir dos gases gerados no tratamento de esgoto R$ 935 milhões com energia elétrica em 2016 0,67 kwh/m³ água produzida e 0,43 kwh/m³ esgoto tratado demanda: 370 MW 1,8% da energia elétrica em SP, é o maior consumidor individual A redução de custos pode ocorrer com ou sem redução do consumo, através de ações administrativas e operacionais 59
REDUÇÃO DO CUSTO PELA DIMINUIÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA P Q H Redução da altura manométrica Redução no volume de água a ser bombeada Aumento no rendimento de motores e bombas redução da altura geométrica redução das perdas de carga: escolha adequada de diâmetros limpeza/revestimento de tubulações disposição da tubulação na elevatória e entrada dos reservatórios variadores de rotação controle de perdas uso racional da água seleção de bomba adequada e com rendimento elevado trabalhar próximo ao rend. máximo 60
Lição de casa: ler páginas 225 a 336 61
Exercício logo depois do intervalo! 62