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.

Estações Elevatórias

• Estações elevatórias de água bruta

• Estações elevatórias de água tratada

• Boosters (entre reservatórios)

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.

Classificação segundo a trajetória

do líquido no rotor

• Bombas 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 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

Classificação segundo a trajetória

do líquido no rotor• Bombas 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

Grandezas características

Grandezas características

1) Altura manométrica total em metros (Hman):

• HR somatório das perdas de carga distribuídas e localizadas na

tubulação de recalque: HR = J.LR + hR (m)

• HS somatório das perdas de carga distribuídas e localizadas na

tubulação de sucção: HS = J.LS + hS (m)

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

RS HHHgHman

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)

• g = peso específico da água (kgf/ m3)

• 75 = fator de compatibilização de unidades (CV)

75

.. manu

bomba

u

HQP

P

P

g

Grandezas características

5) Potência absorvida pela bomba (CV):

g = peso específico da água

= eficiência da bomba

)(.75

.10

.75

..

3

cvHQ

P

HQP

man

man

g

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

Curva característica de uma bomba

Curva 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

Cavitação

• 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

NPSHdisponível(Net Positive Suction Head)

• 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)

g peso específico da água (N/m3)

gg

vaporatmSsgd

PPHHNPSH ,

NPSHr

• Depende de elementos de projeto da

bomba e da vazão, sendo geralmente

fornecido pelo fabricante das bombas

Nq = rotação específica

•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

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

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

n

2

1

2

1

H

H

n

n

2

1

2

1

2

P

P

n

n

2

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

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

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 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

Operação 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 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 QcVazão (m3/s)

12

3

Qd

Recomendações para associar

bombas 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

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

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 m

seu 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

e

mm

P

P

Componentes das Estações Elevatórias

• Sala das máquinas e dependências complementares;

• Poço de sucção;

• Tubulações e órgãos acessórios;

• Equipamentos elétricos;

• Dispositivos auxiliares.

Sala das máquinas e

dependências 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

Poço 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 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

Vórtices 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 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

Tubulações 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

Tubulações e Órgãos Acessórios

d) 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

Equipamento 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

Dispositivos 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

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

Au

me

nto

de

pre

ssã

o

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