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Bombas e Estações Elevatórias

Estações Elevatórias• Escoamentos por gravidade possibilitam economia de energia,

facilidade de operação, manutenção e segurança

• No entanto, não são possíveis sempre:

– Cidades em cotas elevadas em relação aos mananciais próximos

– Distância dos mananciais que se encontram em posição mais alta que a cidade

�Necessidade de estações elevatórias

�Estação elevatória é o conjunto das edificações, instalações e equipamentos, destinados a abrigar, proteger, operar, controlar e manter os conjuntos elevatórios (motor-bomba) que promovem o recalque da água.

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Estações Elevatórias

• Estações elevatórias de água bruta

• Estações elevatórias de água tratada

• Boosters (entre reservatórios)

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Classificação das Bombas

• Bombas cinéticas• São bombas que fornecem energia à água sob forma de

velocidade, que no interior da bomba transforma-se em energia de pressão, fazendo com que a água atinja alturas desejadas

– Bombas centrífugas– Bombas periféricas– Bombas especiais

Bombas Centrífugas

• São bombas hidráulicas que têm como princípio de funcionamento a força centrífuga através de palhetas e impulsores que giram no interior de uma carcaça estanque, jogando líquido do centro para a periferia do conjunto girante.

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Classificação segundo a trajetóriado líquido no rotor

•• Bombas de fluxo radialBombas de fluxo radial

– O formato do rotor impõe um escoamento líquido no sentido centrífugo radial

– Empregadas onde se exige grande altura de elevação e vazão relativamente pequena

– Tipicamente utilizadas em captações com grande recalque: em elevatórias situadas junto a estações de tratamento ou a reservatório e em estações de reforço de pressão

– Quando a pressão a ser gerada for muito elevada, as bombas centrífugas podem ter dois ou mais rotores fechados: são as bombas de duplo ou múltiplo estágio

Classificação segundo a trajetória do líquido no rotor

•• Bombas de fluxo axialBombas de fluxo axial

– Movimentação da água no sentido do rotor, o escoamento se dá no sentido axial

– Empregado para recalcar grandes vazões e pequena altura de elevação

– É utilizada, freqüentemente, em captações de água de mananciais de superfície com pequena altura de elevação

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Classificação segundo a trajetória do líquido no rotor

•• Bombas de fluxo mistoBombas de fluxo misto

– Combinam princípios das bombas radiais e axiais

– O caminhamento da água é helicoidal

– Empregada nos casos em que a altura de elevação é relativamente baixa e a vazão elevada

– Ex.: bombas de eixo prolongado para a extração de água de poços profundos

Grandezas características

• A escolha da bomba é feita através de:

– vazão de bombeamento– altura manométrica total capaz de ser

produzida pela bomba a essa vazão– Outras grandezas: a rotação, a potência

absorvida e a eficiência

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Grandezas características

Grandezas características

1) Altura manométrica total em metros (Hman):

• Σ∆HR � somatório das perdas de carga distribuídas e localizadas na tubulação de recalque: Σ∆HR = J.LR + hR (m)

• Σ∆HS � somatório das perdas de carga distribuídas e localizadas na tubulação de sucção: Σ∆HS = J.LS + hS (m)

• Hg � altura geométrica: Hg = Hgr + Hgs (m)

∑∑ ∆+∆+= RS HHHgHman

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Grandezas características

2) Vazão

3) Rotação � caracterizada pela velocidade que a máquina de acionamento imprime à bomba. No caso de motor elétrico, essa velocidade é função direta da freqüência ou ciclagem da corrente e do número de pólos que possui o motor

• Bomba de alta rotação 3.000 a 3.600 rpm • Bomba de média rotação 1.500 a 1.800 rpm• Bomba de baixa rotação 1.200 rpm ou menor

• f = freqüência da corrente (60hz) e n = número de pólos n

frpm

120=

Grandezas características

4) Eficiência ou rendimento da bomba ���� nem toda a energia cedida pelo motor é aproveitada pela água, devido às perdas existentes na bomba.

• Pu = potência útil em CV (cavalo vapor)• Q = vazão (m3/s)• Hman = altura manométrica (m)• γ = peso específico da água (kgf/ m3)• 75 = fator de compatibilização de unidades (CV)

75

.. manu

bomba

u

HQP

P

P

γ

η

=

=

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Grandezas características

5) Potência absorvida pela bomba (CV):

γ = peso específico da água

η = eficiência da bomba

)(.75

.10

.75

..

3

cvHQ

P

HQP

man

man

η

ηγ

=

=

Curvas características das bombas centrífugas

• As bombas centrífugas são máquinas que podem trabalhar à mesma rotação, sob diferentes condições de vazão e de altura manométrica

• Interdependência destes valores, de conformidade com a vazão bombeada e a altura manométrica da bomba, operando a uma velocidade constante

• Cada bomba é projetada para elevar uma determinada vazão a uma altura manométrica total em condições de máximo desempenho �a medida que o par Q, Hman se afasta destas condições, o rendimento da bomba tende a cair

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Curva característica de uma bomba

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Curva característica do sistema elevatórioCurva característica do sistema elevatório

• É a curva que relaciona a Hman do sistema de elevação do líquido com a vazão de bombeamento

• Para o traçado da curva, é necessário definir os diâmetros das tubulações de sucção, recalque e barrilete

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CavitaçãoCavitação• Processo de criação e colapso de bolhas, originadas quando a

pressão do líquido atinge a tensão máxima do vapor do líquido na sua temperatura

• Pode aparecer em estruturas fixas (válvulas, orifícios, curvas, sifões, etc.) e em máquinas hidráulicas (bombas e turbinas)

• Sério problema na operação de bombas, pois pode:– Reduzir a capacidade e eficiência da bomba– Causar danos ao rotor– Provocar ruídos e vibração na bomba

• Existe perigo de cavitação principalmente quando as bombas operam com altas velocidades de rotação e capacidade superior àquela relativa ao ponto ótimo de funcionamento

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NPSHdisponível• Disponibilidade de energia que faz com que a água consiga alcançar

as pás do rotor da bomba

NPSHd � carga de sucção positiva disponível (m)Hg,s � altura estática de sucção: positiva quando a bomba está afogada

e negativa, caso contrário (m)Patm � pressão atmosférica (N/m2)Pvapor � pressão do vapor de água (N/m2)γ � peso específico da água (N/m3)

γγvaporatm

Ssgd

PPHHNPSH −+∆−−+= ∑,

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NPSHr

• Depende de elementos de projeto da bomba e da vazão, sendo geralmente fornecido pelo fabricante das bombas

Nq = rotação específica

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•Folga entre NPSHd e NPSHr: mín de 0,5 m ou a diferença de 20%

Escolha das bombas e determinação do ponto de operação do sistema elevatório

• Para isso, é necessário:

• Análise das curvas do sistema elevatório e das bombas disponíveis no mercado, passíveis de serem utilizadas em cada caso

• Análise do tipo de operação do sistema de bombeamento (com uma bomba, bombas em paralelo e bombas em série)– A curva característica vai representar as condições hidráulicas

operacionais da bomba trabalhando com determinado número de giros na unidade de tempo

• Análise:– Etapas do projeto– Padronização de equipamentos eletro-mecânicos– Estudo dos transientes hidráulicos

• Na operação: NPSHd>NPSHr

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Operação com apenas uma bomba

• O ponto de operação do sistema de bombeamento é dado pelo cruzamento as curvas da bomba e do sistema elevatório

• Na escolha da bomba: pesquisar nas curvas características, aquela que eleva a vazão de projeto à altura manométrica, operando o mais próximo possível de seu ponto de melhor rendimento

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Variação da rotação da bomba

• Bomba com mesmo rotor, girando a velocidades diferentes:

• n1 e n2 � velocidade de rotação da bomba

• Q1 e Q2 � vazão de bombeamento relativo a n1 e n2

• H1 e H2 � altura manométrica total da bomba relativa a n1 e n2

• P1 e P2 � potência consumida pela bomba relativa a n1 e n2

Q

Q

n

n2

1

2

1

= H

H

n

n2

1

2

1

2

=

P

P

n

n2

1

2

1

3

=

Estas relações conhecidas como leis da semelhança, são utilizadas para se determinar o efeito da variação da rotação na vazão, altura e potência de uma bomba

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Variação do diâmetro do rotor

• Variando-se o diâmetro do rotor (Dr) de uma bomba, com rotação constante, tem-se:

1

2

1

2

Dr

Dr

Q

Q=

2

1

2

1

2

=

Dr

Dr

H

H3

1

2

1

2

=

Dr

Dr

P

P

Associação de bombas centrífugas

• Razões técnicas:– quando um desnível elevado acarretar em um rotor

de grande diâmetro e alta rotação, e com isso altas acelerações centrífugas e dificuldades na especificação de materiais.

• Razões econômicas: – quando o custo de duas bombas menores é inferior

ao de uma bomba de maiores dimensões para fazer o mesmo serviço

– Aumento da demanda no decorrer do tempo

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Associação de bombas

• Com visão no final do plano � anti-econômico dimensionar a bomba para a situação de vazão máxima

• A situação mais comum é aquela em que todas as bombas da associação são iguais, o que facilita a manutenção do sistema

• Associação em série: a entrada da segunda bomba é conectada à saída da primeira bomba. Mesma vazão, mas as alturas de elevação de cada uma são somadas para obter a altura de elevação total

• Associação em paralelo: cada bomba recalca a mesma parte da vazão total do sistema, mas a altura total de elevação é a mesma

Operação de bombas em sérieOperação de bombas em série

• O sistema é empregado quando a elevatória deve atender a reservatórios em níveis ou distâncias diferentes ou alturas manométricas muito elevadas (é mais econômico)

• A mesma vazão passa pelas duas bombas

• Cada bomba é responsável por uma parcela da Hman total

• A curva Hman x Q das duas bombas é obtida pela soma dos valores de Hman de cada uma para uma mesma vazão de recalque

• Se as bombas forem iguais, cada uma vai fornecer metade a altura total do sistema Ponto de operação de cada

bomba em separado

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Operação de bombas em paraleloOperação de bombas em paralelo

• Cada bomba é responsável por parcela da vazão total a ser recalcada

• Bombas em paralelo � vantagem operacional: se houver falha no funcionamento em uma das bombas, acontecerá apenas uma redução da vazão bombeada pelo sistema

• Flexibilização operacional no sistema: como a vazão é variável pode-se retirar ou colocar bombas em funcionamento em função das necessidades e sem prejuízo da vazão requerida

• Sistema de segurança: caso de falhas da bomba

• A curva combinada das bombas em paralelo é obtida pela soma das vazões correspondentes à mesma altura das bombas

• Vazão - uma bomba isolada sempre fornecerá mais vazão do que esta mesma bomba associada em paralelo com outra igual porque a variação na perda de carga no recalque é diferente;

Operação de bombas em paraleloOperação de bombas em paralelo

• 1 e 2 – Contribuição de cada bomba separadamente. Qa=Qb + Qc• Tem-se sempre que Qa < 2Qd, isto é, associando-se duas bombas iguais,

não se consegue dobrar a vazão correspondente a uma única bomba instalada no sistema

• Caso uma das bombas parar de funcionar, a unidade que fica em operação tem seu ponto de funcionamento deslocado de 1 para 3, a despeito da diminuição da altura de elevação, há um aumento de potência necessária pelo aumento na vazão. É neste ponto que a potência do motor elétrico deve ser estudada

QaQb Qc Vazão (m3/s)

12

3

Qd

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Recomendações para associar Recomendações para associar bombas em paralelobombas em paralelo

• Selecionar bombas com curvas características do tipo estável (para cada Hman, uma só Q)

• Usar de preferências bombas de características semelhantes, isto é, que tenham a mesma variação percentual entre a vazão e a altura manométrica

• Empregar motores cujas potências sejam capazes de atender a todas as condições, sem perigo de sobre carga

• Projetar a instalação, de modo que: NPSHd > NPSHr, em qualquer ponto de trabalho provável

Associação da curva da bomba com a curva característica do sistema

para vários tipos de recalque

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A curva do sistema é obtida somando-se as vazões das duas tubulações para a mesma altura manométrica

Q3

Para Q < Q3, apenas R2 será abastecido. Para vazões maiores, as tubulações funcionam como se estivessem em paralelo sob a mesma Hman

Número de conjuntos elevatórios

• Análise técnica: quantidade de conjuntos motor-bomba é função das vazões envolvidas e de suas variações e dos equipamentos disponíveis no mercado

• Análise econômica: considerando os custos das obras civis e equipamentos a serem adquiridos, incluindo-se a operação e a manutenção do sistema

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Número de conjuntos elevatórios

• Recomendações:

• Pequenas elevatórias: duas bombas iguais, cada uma devendo estar apta para atender a Qmáx prevista (1 + 1reserva)

• Elevatórias maiores: mínimo de 3 bombas, que podem ser iguais, devendo duas quaisquer, poder atender a Qmáx prevista (mesmo no caso de bombas diferentes = 2 + 1 reserva)

• Elevatórias de grande porte: várias unidades de recalque

• Deve-se garantir uma reserva instalada que corresponda a, pelo menos, a cerca de 25% da capacidade total (Tsutya, 2006)

• Em elevatórias de pequeno porte, estas reservas devem ser superiores a 50%

Potência de motores para o acionamento de bombas

• A potência elétrica fornecida pelo motor que aciona a bomba, sendo ηmseu rendimento global, é dada por:

• Rendimento:• O motor elétrico absorve energia elétrica da rede de alimentação e a

transforma em energia disponível no eixo• Pm – potência mecânica disponível no eixo• Pe – potência elétrica que o motor retira da rede

)(..75

..103

cvHQ

Pm

manm ηη

=

e

mm P

P=η

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Componentes das Estações Elevatórias

•• Sala das máquinas e dependências complementares;Sala das máquinas e dependências complementares;•• Poço de sucção;Poço de sucção;•• Tubulações e órgãos acessórios;Tubulações e órgãos acessórios;•• Equipamentos elétricos;Equipamentos elétricos;•• Dispositivos auxiliares.Dispositivos auxiliares.

Sala das máquinas e Sala das máquinas e dependências complementaresdependências complementares

• Onde ficam os conjuntos elevatórios, cabine de comando, chaves de partida, instrumentos de leitura de medições elétricas ou hidráulicas, etc.

• Dimensionamento com folga para o conjunto e para operação e manutenção

• Circulação de ar para evitar o aquecimento dos motores

• Dependências auxiliares: sala para o operador e instalação sanitária com bacia, lavatório e chuveiro

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Poço de SucçãoPoço de Sucção

• É uma estrutura de transição que recebe a água afluente e as coloca à disposição das unidades de recalque

• Às vezes, não existe de fato um tanque com essas características, pois a tomada é feita diretamente no rio, poço, represa ou em amplo reservatório

• Poço com nível de água abaixo da bomba � há uma altura de sucção a ser vencida pela bomba, necessitando a mesma ser escorvada para poder funcionar

• Poço com nível de água acima da bomba � há uma carga permanente sobre a boca da bomba, que neste caso trabalha afogada

• Importante manter a submergência adequada na sucção para evitar a formação de vórtice

Poço de SucçãoPoço de Sucção

• Poço com nível de água abaixo da bomba

• Apresenta a vantagem de se poder montar o conjunto de recalque ao nível do terreno, ou mais acima, em ambiente claro e ao abrigo das inundações. Entretanto, devido à necessidade de escorva a operação torna-se mais trabalhosa

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Vórtices em poço de sucçãoVórtices em poço de sucção

• Redução da vazão recalcada

• Quando ocorre o arraste de ar no poço � a presença de 1% de ar (em volume) no escoamento reduz a eficiência da bomba em 15%

• Pode provocar vibrações estruturais importantes, acelerando o desgaste em componentes das bombas

• A variação rápida da pressão no rotor da bomba, provocada pelo centro do vórtice, pode ocasionar vibração e cavitação

Vórtices em poço de sucçãoVórtices em poço de sucção

• Algumas recomendações para o projeto do poço:

• O escoamento do fluxo deve ser preferencialmente uniforme

• A velocidade recomendada a montante do poço é menor ou igual a 0,6 m/s (evitar grandes variações de profundidade e direção)

• A distribuição do fluxo deve ser mais uniforme possível (mais de uma bomba)

• Quando existir mais de uma bomba, a disposição da tubulação deve ser bem estudada

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Tubulações e Órgãos AcessóriosTubulações e Órgãos Acessórios

• Tubulações: tubulação de sucção, barrilete e tubulação recalque• As tubulações das casas de bombas são geralmente de ferro

fundido com juntas de flange

• Os principais órgãos acessórios:

a) Válvula de bloqueio � interrompe o fluxo da canalização. Trabalha em duas posições: aberta ou fechada (válvula de gaveta e válvula borboleta)

b) Válvula de retenção � permite a passagem da água numa só direção (evita o refluxo da água)

c) Manômetros � são conectados, respectivamente, junto à saída e à entrada da bomba, através de uma tubulação de diâmetro reduzido. Quando há escoamento indica a Hman

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Tubulações e Órgãos AcessóriosTubulações e Órgãos Acessóriosd) Sistema de escorva de bombas:

A escorva é o processo de enchimento da bomba e respectiva tubulação de sucção com água. Nessa operação, a válvula de pé é indispensável, pois se ela não existisse, toda a água voltaria para o poço de sucção (Bomba afogada � não precisa)

Válvula de pé: tipo especial de válvula de retenção, é instalada na extremidade da tubulação de sucção. Assegura a passagem da água somente em direção à bomba e permitem que as tubulações de sucção mantenham-se sempre cheias mesmo quando a bomba for paralisada

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Equipamento ElétricoEquipamento Elétrico

• Inclui-se nesta categoria as chaves de partida e proteção dos motores, os instrumentos de controle e, eventualmente, os transformadores.

• Os instrumentos de controle são voltímetros e amperímetros, ligados a cada fase da corrente e, as vezes, o freqüencímetro

• São montados sobre painel ou em cabine metálica que abriga também as chaves de partida, as chaves de seccionamento e outros dispositivos auxiliares.

Painel de comando elétrico: opera e supervisiona todo o sistema de bombeamento

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Dispositivos AuxiliaresDispositivos Auxiliares

• Medidor de vazão: é colocado à saída da estação e destina-se a medir a quantidade total de água bombeada. Ex.: Venturi

• Medidor de nível: destinam-se a indicar a posição do nível de água no poço de tomada, reservatório de alimentação das bombas ou no local de chegada da água. Existem vários tipos, sendo os mais comuns os de flutuador, os pneumáticos e os elétricos.

• Dispositivo para escorva da bomba

• Ponte rolante: destina-se à movimentação de peças, tubulações e equipamentos pesados. Só se justifica em grandes instalações

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Estação pressurizada ou booster

• Geralmente utilizada em instalações que necessitam de aumento de pressão ou de vazão. Podem ser utilizados na adução e na distribuição de água

Aum

ento de pressão

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Aplicação:

Quando o envelhecimento da tubulação faz aumentar a rugosidade e ocasiona a gradativa redução na vazão

Quando se procura simplesmente aduzir maior quantidade de água para a área de consumo

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