SELEÇÃO DE BOMBA PARA AUMENTO DA VAZÃO DE...
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SELEÇÃO DE BOMBA PARA AUMENTO DA VAZÃO DE CARREGAMENTO DE ETANOL ANIDRO EM CAMINHÕES-TANQUE EM UM TERMINAL DE DISTRIBUIÇÃO DE COMBUSTÍVEIS Fabricio Bernardo Albuquerque Vieira Orientador: Reinaldo de Falco Rio de Janeiro Março de 2018 Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro.
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SELEÇÃO DE BOMBA PARA AUMENTO DA VAZÃO DE CARREGAMENTO DE
ETANOL ANIDRO EM CAMINHÕES-TANQUE EM UM TERMINAL DE
DISTRIBUIÇÃO DE COMBUSTÍVEIS
Fabricio Bernardo Albuquerque Vieira
Orientador: Reinaldo de Falco
Rio de Janeiro
Março de 2018
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia Mecânica da Escola Politécnica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessários à obtenção do
título de Engenheiro.
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Departamento de Engenharia Mecânica
DEM / POLI / UFRJ
SELEÇÃO DE BOMBA PARA AUMENTO DA VAZÃO DE CARREGAMENTO DE
ETANOL ANIDRO EM CAMINHÕES-TANQUE EM UM TERMINAL DE
DISTRIBUIÇÃO DE COMBUSTÍVEIS
Fabricio Bernardo Albuquerque Vieira
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.
Examinada por:
______________________________________________
Prof. Reinaldo de Falco, Eng.
______________________________________________
Prof. Fábio Luiz Zamberlan, D.Sc.
______________________________________________
Prof. Fernando Pereira Duda, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
MARÇO DE 2018
i
Vieira, Fabricio Bernardo Albuquerque
Seleção de Bomba para Aumento da Vazão de
Carregamento de Etanol Anidro em Caminhões-Tanque em um
Terminal de Distribuição de Combustíveis/ Fabricio Bernardo
Albuquerque Vieira. – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica,
2018.
X, 83 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Reinaldo de Falco
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/
Curso de Engenharia Mecânica, 2018.
Referências Bibliográficas: p. 67-68.
1. Bombas hidráulicas. 2. Terminal de distribuição. 3.
Aumento de vazão. 4. Método dos comprimentos equivalentes. I.
de Falco, Reinaldo. II. Universidade Federal do Rio de
Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Mecânica. III.
Título.
ii
“Toda vitória oculta uma abdicação.”
Simone de Beauvoir
iii
Agradecimentos
À minha família, em especial meus pais Francisco Vieira e Magaly Albuquerque,
pelo amor incondicional e por jamais terem medido esforços para me proporcionar uma
educação de qualidade.
À minha irmã, Flavia Vieira. Minha melhor amiga e maior inspiração desde
sempre. É uma honra me tornar seu colega de profissão. Muito obrigado por tudo.
À Gabriella Sipaúba, minha namorada e amiga. Por todos os momentos de
carinho, apoio e compreensão. Depois de você tudo mudou para melhor. Obrigado por
estar ao meu lado.
Aos amigos Bruno Pedroso, Diego Plubins, Eduardo Fonseca, Guilherme Marun,
Guilherme Vidal, Leonardo Skaetta, Mariano Elsztain, Matheus Dutra, Pablo Plubins,
Paulo Henrique Cardoso, Paulo Victor Mendes, Pedro de Carvalho, Pedro Henrique
Dorea, Thales Bonan e Thomás Arévalo. Foi um prazer conviver com todos ao longo
desses anos. Vocês são a melhor lembrança que vou guardar da UFRJ. Essa resenha
não vai morrer jamais.
A todos os integrantes do ciclo 2013/2014 da Equipe Minerva Baja UFRJ, em
especial Matheus Berlandi e Rodrigo Oliveira, pelos trabalhos sem hora para acabar no
LTM e por terem me ensinado muito mais do que uma sala de aula teria sido capaz.
Obrigado.
Aos amigos do Colégio de São Bento, Daniel Kischinhevsky, Edson Wu, Felipe
Gois, Felipe Mazurek, Luís Filipe Rebouças e Luiz Augusto. Obrigado pelos últimos 15
anos de amizade e todos os que ainda virão, e por estarem por perto sempre que
possível apesar dos diferentes caminhos que cada um de nós seguiu.
A toda equipe do Terminal do Rio Janeiro pelo aprendizado ao longo do estágio
e dia-a-dia de trabalho e por terem ajudado a coletar os dados e materiais que
permitiram a realização desse projeto.
Ao professor e orientador Reinaldo de Falco, pela paciência, disponibilidade e
conhecimento dividido sem os quais esse trabalho jamais teria sido concluído.
Aos professores Fernando Pereira Duda e Fábio Luiz Zamberlan pela
participação na banca de avaliação desse projeto e pelos comentários construtivos
acerca de aspectos que poderiam melhorar seu conteúdo.
iv
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte
dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
SELEÇÃO DE BOMBA PARA AUMENTO DA VAZÃO DE CARREGAMENTO DE
ETANOL ANIDRO EM CAMINHÕES-TANQUE EM UM TERMINAL DE
DISTRIBUIÇÃO DE COMBUSTÍVEIS
Fabricio Bernardo Albuquerque Vieira
Março/2018
Orientador: Reinado de Falco
Curso: Engenharia Mecânica
A distribuição de combustíveis no Brasil se dá por meio da operação de centenas
de terminais espalhados pelo país. A movimentação está diretamente ligada à estrutura
das instalações e à capacidade de equipamentos mecânicos, com destaque para
bombas hidráulicas responsáveis por retirar os produtos dos tanques de armazenagem
e levá-los até as plataformas aonde ocorre o abastecimento dos caminhões-tanque.
Dessa maneira, é fundamental que a escolha desses equipamentos seja feita de
maneira correta e precisa.
Visando otimizar a atividade de carregamento, foi feito um mapeamento da linha
de tubulação de etanol anidro combustível em uma base de distribuição do Rio de
Janeiro afim de verificar quais alterações seriam necessárias no arranjo atual no caso
de aumento da vazão do produto. Levando em conta dados de perda de carga,
configuração da instalação e requisitos mínimos de segurança, foi realizada seleção de
novo modelo de bomba e apresentadas as implicações, ajustes e conclusões acerca do
aumento na vazão do sistema.
Palavras-chave: bombas hidráulicas, terminal de distribuição de combustíveis,
carregamento de auto-tanques, perda de carga, tubulação, etanol anidro
v
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Mechanical Engineer
PUMP SELECTION TO INCREASE ANHYDRUOS ETHANOL LOADING FLOW
RATIO IN TANK-TRUCKS AT A FUELS DISTRIBUTION BASE
Fabricio Bernardo Albuquerque Vieira
March/2018
Advisor: Reinaldo de Falco
Course: Mechanical Engineering
The fuel distribution in Brazil occurs through the operation of hundreds of
terminals throughout the country. The movement is directly linked to the structure of the
facilities and the capacity of mechanical equipment, especially hydraulic pumps
responsible for the transportation of the product from the storage tanks to the platforms
where the loading of the tanker-trucks occurs. Therefore, it is extremely important that
the choice of these equipment is made in a correct and precise way.
In order to optimize the loading operation, the anhydrous ethanol pipeline was
mapped in a distribution base in Rio de Janeiro to verify what changes would be
necessary in the current arrangement in case of increased product flow ratio. Data of
load loss was accounted as well as the configuration of the installation and security
minimum requirements to make the selection of a new pump model and the implications,
adjustments and conclusions about the increase in the flow ratio of the system.
Keywords: hydraulic pumps, fuel distribution terminal, tanker-truck loading, load loss,
pipeline, anhydrous ethanol
vi
Sumário
Lista de figuras ............................................................................................................... viii
Lista de tabelas..................................................................................................................x
1. Introdução ................................................................................................................... 11
2. Objetivo e estrutura .................................................................................................... 15
3. Conceitos .................................................................................................................... 16
3.1. Mecânica dos fluidos ........................................................................................... 16
3.1.1. Propriedades de fluidos ................................................................................ 16
3.1.1.1. Massa específica (ρ) .............................................................................. 16
3.1.1.2. Peso específico (γ) ................................................................................. 16
3.1.1.3. Densidade (d) ......................................................................................... 17
3.1.1.4. Pressão (P) ............................................................................................. 17
3.1.1.5. Pressão de vapor (PV) ............................................................................ 18
3.1.1.6. Viscosidade absoluta ou dinâmica (µ) ................................................... 18
3.1.1.7. Viscosidade cinemática (ν) .................................................................... 18
3.1.2. Propriedades de escoamentos ..................................................................... 19
3.1.2.1. Número de Reynolds.............................................................................. 19
3.1.3. Vazão volumétrica (Q) e velocidade (v) de escoamento ............................. 20
3.1.4. Altura manométrica do sistema (H) .............................................................. 21
3.1.5. Perda de carga (hf )........................................................................................ 25
3.1.6. Fator de atrito (f)............................................................................................ 26
3.1.7. Método dos comprimentos equivalentes ...................................................... 26
3.2. Bombas hidráulicas ............................................................................................. 28
3.2.1. Classificação das bombas ............................................................................ 28
3.2.1.1. Turbobombas ou dinâmicas ................................................................... 28
3.2.1.2. Volumétricas ou de deslocamento positivo ........................................... 29
3.2.2. Curvas características de bombas ............................................................... 29
3.2.2.1. Curva do sistema.................................................................................... 30
3.2.2.2. Ponto de trabalho ................................................................................... 30
3.2.3. NPSH disponível e NPSH requerido ............................................................ 31
3.2.4. Potência consumida (Pot) ............................................................................. 31
3.2.5. Cavitação....................................................................................................... 32
3.3. Tubulações........................................................................................................... 32
3.3.1. Tubos............................................................................................................. 32
3.3.2. Conexões ...................................................................................................... 33
vii
3.3.3. Válvulas ......................................................................................................... 34
3.3.3.1. Válvulas gaveta ...................................................................................... 35
3.3.3.2. Válvulas de esfera .................................................................................. 36
3.3.3.3. Válvulas de retenção .............................................................................. 36
3.3.3.4. Válvulas de controle ............................................................................... 37
3.3.4. Filtros ............................................................................................................. 38
4. Operação do terminal ................................................................................................. 39
4.1. Carregamento de auto-tanques........................................................................... 39
4.1.1. Destinos do carregamento ............................................................................ 40
4.1.1.1. Carregamento para clientes ................................................................... 40
4.1.1.2. Transferência de produto ....................................................................... 41
4.1.2. Tipos de carregamento ................................................................................. 41
4.1.2.1. Bottom Loading ...................................................................................... 42
4.1.2.2. Top Loading............................................................................................ 42
4.2. Custo de parada da operação ............................................................................. 43
5. Dimensionamento....................................................................................................... 45
5.1. Sistema original ................................................................................................... 45
5.2. Sistema proposto ................................................................................................. 48
5.2. Representação simplificada do sistema proposto .............................................. 49
5.4. Verificação das velocidades de escoamento ...................................................... 51
5.5. Número de Reynolds e fator de atrito ................................................................. 52
5.6. Cálculo da perda de carga .................................................................................. 53
5.7. Altura manométrica total...................................................................................... 56
5.8. Cálculo do NPSH disponível ............................................................................... 57
5.9. Cálculo da potência consumida........................................................................... 58
6. Seleção da bomba...................................................................................................... 59
7. Conclusão ................................................................................................................... 64
7.1. Conclusão sobre a seleção da bomba ................................................................ 64
7.2. Adaptações necessárias para a instalação das novas bombas e propostas para
trabalhos futuros ......................................................................................................... 65
8. Bibliografia .................................................................................................................. 67
Anexo A - Gráficos.......................................................................................................... 69
Anexo B - Tabelas de comprimentos equivalentes ....................................................... 71
Anexo C - Dados da bomba selecionada....................................................................... 75
viii
Lista de figuras
Figura 1.1: Estrutura de distribuição de combustíveis no Brasil
Figura 1.2: Localização das bases de distribuição de combustíveis no Brasil
Figura 1.3: Participação no mercado brasileiro por produto
Figura 3.1: Configuração simplificada da linha de sucção
Figura 3.2: Configuração simplificada da linha de recalque levando em consideração o
efeito sifão
Figura 3.3: Classificação dos principais tipos de bombas
Figura 3.4: Curvas características tradicionais de bombas
Figura 3.5: Representação do ponto de trabalho
Figura 3.6: Exemplos de conexões em tubulações
Figura 3.7: Válvula gaveta
Figura 3.8: Válvula esfera
Figura 3.9: Válvula retenção
Figura 3.10: Válvula de controle
Figura 3.11: Filtro
Figura 4.1: Representação dos tipos de carregamento de auto-tanques
Figura 5.1: Arranjo do cenário atual
Figura 5.2: Arranjo proposto para o sistema
Figura 5.3: Esquema simplificado de um sistema de bombeamento
Figura 6.1: Bomba KSB modelo Megachem série Mega
Figura 6.2: Modelos disponíveis para bombas KSB
Figura 6.3: Rendimento e diâmetro do impelidor
Figura 6.4: NPSH requerido e potência consumida
Figura A.1: Ábaco de Moody
Figura A.2: Rugosidade relativa e coeficiente de atrito para escoamento completamente
turbulento
Figura B.1: Comprimentos equivalentes para entradas e saídas
Figura B.2: Comprimentos equivalentes para reduções e ampliações de diâmetro
Figura B.3: Comprimentos equivalentes para válvulas
Figura B.4: Comprimentos equivalentes para joelhos, curvas e tês
Figura C.1: Informações da série Mega
Figura C.2: Recomendações do fabricante
Figura C.3: Curvas características da série Mega
ix
Figura C.4: Curvas características do modelo Megachem 125-250
Figura C.5: Informações gerais do modelo Megachem
Figura C.6: Vista em corte
Figura C.7: Lista de peças
Figura C.8: Vista explodida
x
Lista de tabelas
Tabela 1.1: Proporção de mistura entre combustíveis no Brasil em 2017
Tabela 3.1: Determinação do tipo de escoamento a partir do número de Reynolds
Tabela 4.1: Composição da Gasolina C
Tabela 4.2: Preço médio da Gasolina em R$/litro no Rio de Janeiro no período de 19 a
25 de novembro de 2017
Tabela 5.1: Vazão medida das bombas no cenário atual
Tabela 5.2: Características do tanque de armazenagem
Tabela 5.3: Velocidades de escoamento no cenário atual
Tabela 5.4: Número de braços de carregamento dedicados ao Etanol Anidro
Tabela 5.5: Vazão das bombas no cenário proposto
Tabela 5.6: Características do Etanol Anidro
Tabela 5.7: Vazões nos diferentes trechos da linha de tubulação
Tabela 5.8: Velocidades de escoamento nos trechos da configuração proposta
Tabela 5.9: Verificação do número de Reynolds nos trechos da tubulação
Tabela 5.10: Fator de atrito nos trechos da linha
Tabela 5.11: Comprimento dos trechos retos de tubulação
Tabela 5.12: Quantidade de acessórios/acidentes da linha de sucção
Tabela 5.13: Quantidade de acessórios/acidentes da linha de recalque
Tabela 5.14: Comprimentos equivalentes dos acessórios/acidentes da linha de sucção
Tabela 5.15: Comprimentos equivalentes dos acessórios/acidentes da linha de recalque
Tabela 5.16: Comprimento equivalente total de cada trecho
Tabela 5.17: Comprimento reto total de cada trecho
Tabela 5.18: Perda de carga em cada trecho da tubulação
Tabela 5.19: Perda de carga total na sucção e no recalque
Tabela 5.20: Altura manométrica na sucção e no recalque
Tabela 5.21: Comparação entre NPSH disponíveis encontrados para diferentes
diâmetros na tubulação do header de sucção
Tabela 6.1: Risco de cavitação
Tabela 6.2: Dados de seleção da bomba
Tabela 7.1: Especificações da bomba selecionada
Tabela 7.2: Alterações propostas nos diâmetros das tubulações
11
1. Introdução
O setor de distribuição de combustíveis no Brasil é marcado pelas mudanças
que sofreu ao longo dos anos. Até o início dos anos 1990 o mercado era amplamente
dominado por empresas gigantes nacionais e internacionais. Durante o curto governo
do ex-presidente Fernando Collor, ocorreu a chamada desregulamentação do mercado,
com liminares de sonegação de impostos e adulteração de combustíveis. Esse cenário
causou enorme desorganização na estrutura do negócio e motivou o surgimento de
grande número de distribuidoras menores.
No final da década, já no governo de Fernando Henrique Cardoso, foi criada a
Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP), cujo objetivo
principal a priori foi corrigir as distorções que provocavam competição desigual e permitir
a retomada da participação no mercado das grandes companhias enfraquecidas pela
atuação dos pequenos distribuidores.
A Figura 1.1 representa a estrutura do mercado de distribuição de combustíveis
no Brasil no cenário atual. A origem dos produtos se dá nas refinarias e usinas
produtoras, seguindo para distribuidores até alcançar o consumidor final.
Figura 1.1: Estrutura de distribuição de combustíveis no Brasil [2]
12
As bases de distribuição de combustíveis estão espalhadas por todo o território
brasileiro, como ilustra a Figura 1.2. Essas instalações possuem toda a infraestrutura
necessária para que as operações de carregamento e descarga dos produtos sejam
realizadas de maneira segura e obedecendo aos controles de qualidade
regulamentados por normas. Entre os diversos tipos de modais que podem ser utilizados
para levar os combustíveis até postos e/ou revendedores pode-se citar o rodoviário,
ferroviário, hidroviário e por dutos.
Figura 1.2: Localização das bases de distribuição de combustíveis no Brasil [3]
Entre as principais variedades de produtos comercializados, a gasolina e o óleo
diesel são os que possuem número mais expressivos em termos tanto de volume
movimentado quanto de valores econômicos envolvidos. A Figura 1.3 mostra um
comparativo da participação dos principais produtos do país entre os anos de 2015 e
2016.
13
Figura 1.3: Participação no mercado brasileiro por produto [3]
Além dos produtos destacados na Figura 1.3, é importante ressaltar que a
legislação brasileira demanda que alguns combustíveis sejam misturados com outros
em proporção definida para que possam ser comercializados. Entre as mais marcantes
deve-se ressaltar a adição de etanol anidro à gasolina e de biodiesel ao diesel, de
acordo com a Tabela 1.1:
Tabela 1.1: Proporção de mistura entre combustíveis no Brasil em 2017
A adição de etanol à gasolina se dá por dois motivos básicos: a) incentivo à
produção de álcool pelas usinas brasileiras; e b) sustentabilidade, uma vez que o álcool
é um componente renovável e menos agressivo para o meio ambiente. O programa
responsável por regulamentar a adição de álcool à gasolina no Brasil é o ProÁlcool,
criado em meados da década de 1970.
O biodiesel, por sua vez, é acrescido ao óleo diesel por ser um combustível muito
benéfico para o meio ambiente, reduzindo consideravelmente as emissões de CO2 na
atmosfera. Além disso, ajuda a fortalecer ainda mais a agroindústria do país, já que o
Brasil figura entre os maiores produtores do mundo ao lado dos Estados Unidos. A
proporção de biodiesel na mistura de Diesel B começou em 5% no ano de 2010 devido
à resolução publicada em 2009. Essa proporção subiu para 7% em 2016 e continuará
tendo aumentos anuais de 1% até que atinja os 10% em 2018.
Gasolina A Gasolina Premium A Etanol Anidro Óleo Diesel Biodiesel
Gasolina C 73% - 27% - -
Gasolina Premium C - 75% 25% - -
Diesel B - - - 92% 8%
14
Diante da importância que a movimentação de combustíveis possui no cenário
econômico do Brasil, se faz necessária uma infraestrutura nas bases de distribuição que
permita operações de carregamento e descarga otimizadas, capazes de atender não só
a demanda atual, como o possível crescimento ao longo dos próximos anos. Para isso,
as companhias responsáveis pela gestão dessas instalações devem investir em
adequações de equipamentos e tubulações para garantir que sua parcela de mercado
não fique comprometida.
15
2. Objetivo e estrutura
O presente trabalho irá realizar um estudo de caso com o objetivo de propor uma
nova seleção de bombas hidráulicas para o etanol anidro em uma base de distribuição
de combustíveis localizada na região metropolitana da cidade do Rio de Janeiro, a fim
de aumentar em aproximadamente 50% a vazão de carregamento dos caminhões-
tanques. A instalação em questão está em operação desde meados da década de 1960
e as bombas utilizadas mais novas foram adquiridas na segunda metade da década de
1970.
A motivação se baseia no aumento da movimentação de produto que ocorreu
nos últimos anos aliado ao longo período de operação e consequente desgaste dos
equipamentos. Para isso será feito uma análise do cenário atual e uma avaliação das
adequações necessárias na estrutura da instalação caso a seleção de bombas proposta
seja de fato implementada.
Inicialmente, serão apresentados conceitos fundamentais de Mecânica dos
Fluidos e bombas hidráulicas de uma forma geral, englobando funcionamento e tipos
disponíveis no mercado. Esses conceitos serão aplicados em capítulos posteriores e
fornecerão as bases necessárias para cálculos que irão determinar a seleção dos novos
equipamentos.
Em seguida, será dado um panorama geral da operação de carregamento de
caminhões-tanque em um terminal de distribuição, e seus diferentes tipos de acordo
com a maneira que o produto é alocado nos compartimentos e com o destino do produto,
além de aspectos que serão assumidos para direcionar a realização do estudo.
Com base nos dados fornecidos, conceitos aplicados e considerações
assumidas, serão feitos todos os cálculos necessários para selecionar bombas
centrífugas capazes de aumentar a vazão de carregamento de 78 m³/h para 120 m³/h
com auxílio de literatura disponível, catálogos de dados de fabricantes e recomendações
técnicas e de segurança, além de respeitar limitações e características específicas da
base em questão. A configuração escolhida conta com 3 bombas iguais associadas em
paralelo e destinadas exclusivamente à movimentação do etanol anidro.
Finalmente, será apresentada o modelo de bomba escolhido após análise dos
parâmetros encontrados, juntamente com as sugestões de adequação necessárias na
instalação para operação dos equipamentos de maneira adequada.
16
3. Conceitos
Alguns conceitos fundamentais de mecânica dos fluidos, bombas e tubulações
são necessários para entendimento da proposta do presente trabalho. A seguir serão
apresentados alguns desses conceitos, desde propriedades básicas dos fluidos,
características e curvas de equipamentos até conceitos típicos adotados para
tubulações e acessórios que fazem parte do sistema de bombeamento. A elaboração
das informações contidas nesse capítulo foi feita a partir de dados de [6].
3.1. Mecânica dos fluidos
Serão abordados os principais conceitos acerca dos tipos de escoamentos e
propriedades características de fluidos. Dessa maneira, é possível obter melhor
compreensão dos modelos utilizados como base de cálculos para determinar os
equipamentos do arranjo proposto.
3.1.1. Propriedades de fluidos
3.1.1.1. Massa específica (ρ)
Massa específica de uma substância é a quantidade de massa que ocupa uma
unidade de volume.
𝜌 =𝑚
𝑉 (3.1)
ρ = massa específica [kg/m³];
m = massa [kg];
V = volume [m³].
3.1.1.2. Peso específico (γ)
Peso específico é a razão entre o peso e a unidade de volume de uma
substância. Uma vez que o peso de um corpo é função da aceleração da gravidade
17
onde ele se encontra, pode-se definir o peso específico como a força por unidade de
volume, exercida em um corpo de massa específica ρ submetido a uma aceleração da
gravidade g.
𝛾 = 𝜌. 𝑔 (3.2)
γ = peso específico [N/m³];
ρ = massa específica [kg/m³];
g = aceleração da gravidade [m/s²].
3.1.1.3. Densidade (d)
Densidade de uma substância é a razão entre a massa específica dessa
substância e a massa específica de uma substância de referência nas condições-
padrão. Para substâncias em estado líquido ou sólido, utiliza-se a água como substância
de referência. Para substâncias em estado gasoso, utiliza-se o ar como referência.
Quanto às condições-padrão, existe certa divergência quanto ao valor adotado
em relação à temperatura. A temperatura utilizada pelo American Petroleum Institute
(API) é 15°C (59°F). Nessa temperatura, o valor da massa específica da água é
usualmente arredondado para 1000 kg/m³.
𝑑 =𝜌
𝜌𝑟𝑒𝑓 (3.3)
d = densidade [adimensional];
ρ = massa específica [kg/m³].
3.1.1.4. Pressão (P)
Pressão é definida como a razão entre a componente normal de uma força e a
área em que ela atua. A pressão exercida em um elemento de área de um fluido é igual
em todas as direções. O estudo de hidrostática associa a pressão a uma altura de coluna
de líquido cujo peso específico é conhecido:
𝑃 = 𝛾. ℎ (3.4)
P = pressão [N/m²];
18
γ = peso específico [N/m³];
h = altura da coluna de líquido [m].
3.1.1.5. Pressão de vapor (PV)
A pressão de vapor corresponde ao valor de pressão para o qual as fases líquida
e vapor coexistem. Para produtos derivados de petróleo, deve-se obter
experimentalmente valores de pressão de vapor para diferentes temperaturas, já que é
uma propriedade dependente da mistura de componentes do fluido.
Se P < PV → fase vapor
Se P = PV → fase líquida + vapor
Se P > PV → fase líquida
Assim, como as bombas hidráulicas são projetadas e construídas para operar
com líquidos, a queda de pressão a níveis iguais ou inferiores à pressão de vapor do
líquido bombeado na temperatura de bombeamento pode acarretar danos ao
equipamento.
3.1.1.6. Viscosidade absoluta ou dinâmica (µ)
Viscosidade é a resistência oposta pelas camadas líquidas ao escoamento
recíproco. Dependendo da maneira como o fluido se comporta no escoamento, pode
ser classificado em dois tipos:
a) newtonianos, quando possuem um coeficiente de viscosidade µ constante para
qualquer taxa de cisalhamento;
b) não-newtonianos, quando não possuem coeficiente de viscosidade constante ao
longo de toda a faixa de tensão de cisalhamento e de deformação. Esses podem ser
denominados dilatantes ou pseudoplásticos dependendo de suas características.
A unidade utilizada para viscosidade absoluta é [kg/m.s].
3.1.1.7. Viscosidade cinemática (ν)
Viscosidade cinemática é a relação entre a viscosidade absoluta e a
massa específica do fluido.
19
𝜈 =µ
𝜌 (3.5)
ν = viscosidade cinemática [m²/s];
µ = viscosidade absoluta [kg/m.s];
ρ = massa específica [kg/m³].
3.1.2. Propriedades de escoamentos
Para caracterizar de maneira correta um escoamento e selecionar equipamento
para integrar um sistema hidráulico deve-se verificar algumas propriedades e tipos de
escoamento existentes a fim de evitar equívocos. Entre essas características, o regime
do escoamento desempenha papel preponderante e pode ser classificado de duas
maneiras: regime laminar e regime turbulento.
O escoamento é dito em regime laminar quando todos os filetes líquidos são
paralelos entre si e as velocidades em cada ponto são invariáveis em direção e
grandeza. Já no escoamento em regime turbulento, as partículas se movem em todas
as direções com velocidades variáveis em direção e grandeza.
Além do regime, os escoamentos podem ser classificados em compressível ou
incompressível. Em algumas situações, o escoamento de gases pode ser considerado
compressível. Para líquidos, no entanto, o escoamento é considerado incompressível
de modo geral, uma vez que não há variações de volume e massa específica.
3.1.2.1. Número de Reynolds
O número de Reynolds é uma grandeza adimensional que representa a relação
entre a força de inércia e a força devido à viscosidade de um fluido. A caracterização do
tipo de regime de um escoamento é possível através da determinação dessa grandeza.
𝑅𝑒 =𝐷. 𝑣. 𝜌
µ (3.6)
Re = número de Reynolds [adimensional];
D = diâmetro interno da tubulação [m];
v = velocidade de escoamento do fluido [m/s];
ρ = massa específica [kg/m³];
20
µ = viscosidade absoluta [kg/m.s].
A partir da determinação do número de Reynolds, é possível caracterizar o tipo
de escoamento de acordo com a
Tabela 3.1.
Tabela 3.1: Determinação do tipo
de escoamento a partir do número de Reynolds
Pela Tabela 3.1 é possível identificar uma região intermediária denominada faixa
crítica, que consiste num regime transitório entre o laminar e o turbulento e não
representa motivos para preocupação, uma vez que na prática o escoamento só não
será turbulento quando a velocidade de escoamento for muito baixa e/ou o fluido for
muito viscoso.
3.1.3. Vazão volumétrica (Q) e velocidade (v) de escoamento
A vazão volumétrica de escoamento representa o volume que escoa por uma
seção em um determinado tempo.
𝑄 =𝑉
𝑡 (3.7)
Q = vazão volumétrica [m³/h];
V = volume [m³];
t = tempo [h].
Também é possível escrever a equação da vazão volumétrica relacionando a
velocidade de escoamento e a área de seção transversal da tubulação pela qual o fluido
está escoando:
𝑄 = 3600. 𝑣. 𝐴 (3.8)
Regime de escoamento
Re < 2000 Regime laminar
Re > 4000 Regime turbulento
2000 < Re < 4000 Faixa crítica
21
Q = vazão volumétrica [m³/h];
v = velocidade de escoamento [m/s];
A = área da seção transversal da tubulação [m²].
Se estivermos tratando de uma tubulação cuja área de seção transversal é
circular, temos:
𝐴 =𝜋. 𝐷2
4 (3.9)
A = área de seção transversal da tubulação [m²];
D = diâmetro da tubulação [m];
Dessa maneira, a equação para vazão volumétrica assume o seguinte formato:
𝑄 =3600. 𝑣. 𝜋. 𝐷2
4 (3.10)
Q = vazão volumétrica [m³/h];
v = velocidade de escoamento [m/s];
D = diâmetro da tubulação [m].
Esse conceito será de fundamental importância no presente trabalho, visto que
seu principal objetivo é selecionar um novo modelo de bomba hidráulica que atenda
configuração proposta para que haja um aumento na vazão volumétrica de
carregamento de caminhões-tanque em uma base de distribuição de combustíveis.
3.1.4. Altura manométrica do sistema (H)
A altura manométrica do sistema representa a energia por unidade de peso que
o sistema irá solicitar de uma bomba em função da vazão bombeada para movimentar
o fluido de um reservatório para outro. Esta energia é, para cada vazão, função da altura
estática de elevação do fluido, da diferença de pressões entre sucção e recalque e das
perdas existentes no percurso.
𝐻𝑇 = 𝐻𝑅 − 𝐻𝑆 (3.11)
22
HT = altura manométrica total do sistema [m];
HR = altura manométrica de recalque [m];
HS = altura manométrica de sucção [m].
O cálculo dos termos HR e HS deriva do Teorema de Bernoulli, que adaptado aos
líquidos reais, ou seja, levando em conta perda de energia devido ao trabalho de atrito,
viscosidade e turbilhonamento, é representado da seguinte maneira:
𝑧1 +𝑃1
𝛾+
𝑣12
2. 𝑔= 𝑧2 +
𝑃2
𝛾+
𝑣22
2. 𝑔+ ℎ𝑓 (3.12)
z = altura estática [m];
P = pressão no fluido [N/m²];
γ = peso específico [N/m³];
v = velocidade de escoamento [m/s];
g = aceleração da gravidade [m/s²];
hf = perda de carga [m].
A perda de carga representa a energia perdida pelo líquido para se deslocar do
ponto inicial 1 ao ponto final 2.
Quando aplicado em bombas, devemos utilizar o Teorema de Bernoulli para
calcular as alturas manométricas de sucção e recalque e encontrar a altura manométrica
total do sistema estudado. A Figura 3.1 representa de modo simplificado os parâmetros
relevantes para o cálculo considerando um esquema possível para a linha de sucção.
23
Figura 3.1: Configuração simplificada da linha de sucção [6]
Assim, as relações utilizadas são as seguintes:
𝐻𝑆 = 𝑧𝑆 +𝑃𝑆
𝛾− ℎ𝑓𝑆 (3.13)
HS = altura manométrica de sucção [m];
zS = altura estática de sucção [m];
PS = pressão de sucção [N/m²];
γ = peso específico [N/m³];
hfS = perda de carga na sucção [m].
O valor da altura estática pode ser positivo ou negativo dependendo da posição
da coluna de líquido em relação ao chamado “olho da bomba”, ou seja, a linha de centro
da mesma. Assim, pela fórmula matemática notamos que quanto maior a altura estática
e/ou a pressão de sucção no reservatório, maior a energia presente na linha de sucção.
Analogamente, quanto maior a perda de carga devido ao atrito, menor a energia.
A situação do recalque está ilustrada de maneira similar na Figura 3.2.
24
Figura 3.2: Configuração simplificada da linha de recalque, levando em conta o efeito sifão [ 6]
Para o cálculo da altura manométrica de recalque, utilizamos a relação abaixo:
𝐻𝑅 = 𝑧𝑅 +𝑃𝑅
𝛾+ ℎ𝑓𝑅 (3.14)
HR = altura manométrica de recalque [m];
zR = altura estática de recalque [m];
PR = pressão de recalque [N/m²];
γ = peso específico [N/m³];
hfR = perda de carga no recalque [m].
De maneira semelhante à sucção, a altura estática de recalque pode assumir
valores positivos ou negativos dependendo da posição da coluna de líquido em relação
à linha de centro da bomba. Analisando a relação matemática acima, nota-se que a
energia na linha aumenta com o crescimento da altura estática, pressão de recalque
e/ou perdas por atrito.
Assim, utilizando as fórmulas apresentadas para alturas manométricas de
sucção e recalque e organizando os termos semelhantes, podemos determinar uma
relação geral para determinar a altura manométrica total:
25
𝐻𝑇 = 𝑧𝑅 − 𝑧𝑆 +𝑃𝑅 − 𝑃𝑆
𝛾+ (ℎ𝑓𝑅 + ℎ𝑓𝑆) (3.15)
HT = altura manométrica total do sistema [m];
zR = altura estática de recalque [m];
zS = altura estática de sucção [m];
PR = pressão de recalque [N/m²];
PS = pressão de sucção [N/m²];
γ = peso específico [N/m³];
hfR = perda de carga no recalque [m];
hfS = perda de carga na sucção [m].
3.1.5. Perda de carga (hf)
A perda de carga representa a energia por unidade de peso perdida no trecho
da tubulação em estudo. Ela pode ser desmembrada em duas parcelas denominadas
perda de carga normal e perda de carga localizada.
ℎ𝑓 = ℎ𝑓𝑁 + ℎ𝑓𝐿 (3.16)
hf = perda de carga total [m];
hfN = perda de carga normal [m];
hfL = perda de carga localizada [m].
A perda de carga normal é aquela que ocorre em trechos retos da tubulação,
enquanto a perda de carga localizada é aquela verificada em acessórios espalhados
pela tubulação (válvulas, conexões, filtros, entre outros).
Para calcular a perda de carga normal em regimes turbulentos, vamos utilizar no
presente trabalho a função determinada por Darcy-Weisbach:
ℎ𝑓 = 𝑓.𝐿
𝐷.
𝑣2
2. 𝑔 (3.17)
hf = perda de carga total (m);
f = fator de atrito;
L = comprimento da tubulação reta (m);
26
D = diâmetro da tubulação (m);
v = velocidade de escoamento (m/s);
g = aceleração da gravidade (m/s²).
Para o cálculo da perda de carga localizada, será adotado o método do
comprimento equivalente, que será explicado à frente.
3.1.6. Fator de atrito (f)
O fator de atrito é uma função do número de Reynolds e da rugosidade relativa
ε/D da tubulação em estudo. Esse fator é obtido por meio de fórmulas teórico-
experimentais ou gráficos.
Para escoamentos em regime laminar, podemos deduzir a seguinte fórmula para
o fator de atrito:
𝑓 =64
𝑅𝑒 (3.18)
Em escoamentos completamente turbulentos, o Ábaco de Moody é um gráfico
bastante utilizado. Ele está ilustrado no Anexo A e nele pode-se observar que as linhas
correspondentes à rugosidade relativa se tornam horizontais, o que torna o fator de atrito
independente do número de Reynolds. Além dessa alternativa, existe também outro
gráfico que relaciona a rugosidade relativa com o diâmetro e o material da tubulação
utilizada para o escoamento. Essa representação também está contida no Anexo A.
3.1.7. Método dos comprimentos equivalentes
O método dos comprimentos equivalentes consiste em tomar os acessórios e
acidentes presentes ao longo da linha de tubulação e fixar para cada um deles um valor
de comprimento reto que reproduziria a mesma perda de carga em condições
semelhantes. Assim, a perda de carga é calculada como se toda a tubulação em
questão fosse composta somente por trechos retos.
Os valores médios de comprimento equivalente para diversos tipos de
acessórios e acidentes estão tabelados no Anexo B.
27
Para calcular o comprimento equivalente total dos acessórios, utilizamos a
seguinte fórmula:
𝐿𝑎𝑐𝑒𝑠𝑠ó𝑟𝑖𝑜𝑠 = ∑ 𝑄𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑛
𝑛
𝑖=1
𝑥 𝐿𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒𝑛 (3.19)
Lacessórios = comprimento reto equivalente total dos acessórios [m];
Lequivalente = comprimento reto equivalente de cada acessório [m];
n = acessório.
Assim, para o cálculo da perda de carga total na tubulação, consideramos a
mesma como um único trecho reto, cujo comprimento total é dado por:
𝐿𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐿𝑟𝑒𝑡𝑜 + 𝐿𝑎𝑐𝑒𝑠𝑠ó𝑟𝑖𝑜𝑠 (3.20)
Ltotal = comprimento equivalente total da tubulação reta [m];
Lreto = comprimento da tubulação reta [m];
Lacessórios = comprimento reto equivalente total dos acessórios [m].
Logo, a fórmula de Darcy-Weisbach que utilizamos para calcular a perda de
carga normal em regime turbulento torna-se:
ℎ𝑓 = 𝑓.𝐿𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
𝐷.
𝑣2
2. 𝑔 (3.21)
hf = perda de carga total [m];
f = fator de atrito;
Ltotal = comprimento equivalente total da tubulação reta [m];
D = diâmetro da tubulação [m];
v = velocidade de escoamento [m/s];
g = aceleração da gravidade [m/s²].
28
3.2. Bombas hidráulicas
As bombas são máquinas operatrizes hidráulicas que conferem energia ao
líquido com a finalidade de transportá-lo de um ponto para outro obedecendo às
condições do processo. Elas recebem energia de um fonte motora e parte dessa energia
é cedida ao fluido sob a forma de energia de pressão, energia cinética ou ambas.
A classificação das bombas se dá pela aplicação ou pela forma como a energia
é cedida para o líquido.
3.2.1. Classificação das bombas
Uma maneira eficaz de classificar bombas é pela forma com que a energia é
fornecida ao fluido que vai ser movimentado. A Figura 3.3 apresenta de maneira
simplificada os tipos de bombas existentes:
Figura 3.3: Classificação dos principais tipos de bombas [6]
3.2.1.1. Turbobombas ou dinâmicas
A movimentação do fluido é realizada pela ação de um elemento rotativo
denominado impelidor, que possui pás especiais ao longo da sua estrutura. Entre os
diversos tipos de turbobombas, pode-se evidenciar as bombas centrífugas, nas quais o
Puras ou radiais
Bombas centrífugas
Tipo Francis
Dinâmicas ou Bombas de fluxo misto
Turbobombas Bombas de fluxo axial
Bombas periféricas ou
regenerativas
Bombas
Pistão
Bombas alternativas Êmbolo
Bombas volumétricas Diafragma
ou Deslocamento
Positivo Engrenagens
Bombas rotativas Lóbulos
Parafusos
Palhetas deslizantes
29
fluido movimentado recebe principalmente energia cinética, que é praticamente toda
convertida em energia de pressão. Essa conversão é feita quando o líquido, ao sair do
impelidor, é forçado a passar por um setor de área crescente.
3.2.1.2. Volumétricas ou de deslocamento positivo
Nesse tipo de equipamento, o fluido já recebe energia sob a forma de pressão,
dispensando a necessidade de conversão. O líquido é forçado a realizar o mesmo
movimento que um órgão mecânico presente na bomba, sendo posteriormente expulso
de espaços com volume determinado ainda no interior da bomba. Esse tipo de máquina
tem como característica marcante a manutenção de uma vazão média praticamente
constante quando a velocidade é mantida constante.
3.2.2. Curvas características de bombas
As curvas características são gráficos fornecidos pelos fabricantes que contém
diversas informações e dados cuja consulta é essencial para auxiliar a seleção do
equipamento para o sistema estudado.
As três curvas características tradicionais são as seguintes: carga x vazão,
potência absorvida x vazão e rendimento total x vazão. Elas estão representadas na
Figura 3.4.
Figura 3.4: Curvas características tradicionais de bombas [6]
30
3.2.2.1. Curva do sistema
A curva do sistema mostra a variação da altura manométrica total com a vazão,
ou seja, a variação da energia por unidade de peso que o sistema em questão solicita
em função da vazão. Sua determinação se dá fixando valores arbitrários de vazão entre
a vazão zero e a vazão de trabalho do sistema. Então, determina-se as cargas
correspondentes através das perdas de carga e traça-se a curva que engloba os pontos
formados.
3.2.2.2. Ponto de trabalho
O ponto de trabalho é determinado localizando a interseção entre a curva
característica da bomba e a curva do sistema. Assim, nesse ponto, pode-se verificar
vazão, carga, potência absorvida e rendimento de trabalho.
Figura 3.5: Representação do ponto de trabalho [6]
31
3.2.3. NPSH disponível e NPSH requerido
O NPSH disponível, do inglês Net Positive Suction Head, é interpretado como
sendo a energia absoluta por unidade de peso existente no flange de sucção, acima da
pressão de vapor. Ele é determinado a seguir:
𝑁𝑃𝑆𝐻𝐷 = 𝐻𝑠 +𝑃𝐴𝑇𝑀 − 𝑃𝑉
𝛾 (3.22)
NPSHD = NPSH disponível [m];
HS = altura manométrica de sucção [m];
PATM = pressão atmosférica [N/m²];
PV = pressão de vapor [N/m²];
γ = peso específico [kg/m².s²].
O NPSH requerido é uma propriedade da bomba fornecida pelo catálogo do
fabricante e é interpretado como a quantidade mínima de energia absoluta por unidade
de peso acima da pressão de vapor que deve existir no flange de sucção para que não
haja cavitação.
3.2.4. Potência consumida (Pot)
A potência consumida é a potência que a bomba recebe ou absorve do
acionador (motor, turbina, etc). É dada pela relação matemática a seguir:
𝜌. 𝑔. 𝑄. 𝐻𝑇
𝜂 (3.23)
ρ = massa específica [kg/m³];
g = aceleração da gravidade [m/s²];
Q = vazão volumétrica [m³/h];
HT = altura manométrica total do sistema [m];
η = eficiência [adimensional].
32
3.2.5. Cavitação
A cavitação é o fenômeno que ocorre quando o fluido vaporiza na entrada da
bomba. Ele está relacionado à energia disponibilizada pelo sistema e ao ponto de vapor
do fluido. Entre as consequências da cavitação, pode-se citar ruído, vibrações
indesejadas, dano aos componentes internos da bomba e queda de performance.
Para evitar a cavitação, a perda de carga entre o flange de sucção e o olho do
impelidor deve ser inferior à energia por unidade de peso disponibilizada pelo sistema
no flange de sucção acima da pressão de vapor. Para realizar o comparativo, emprega-
se os conceitos de NPSH da seguinte maneira:
𝑁𝑃𝑆𝐻𝐷 > 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑅 + 𝑓𝑜𝑙𝑔𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑎𝑛ç𝑎 (3.23)
O NPSH disponível é uma característica do sistema enquanto o NPSH requerido
é uma característica da bomba, informada pelo fabricante, usualmente através de curva
NPSHR x Q. A folga de segurança adotada pode ser de 25% do NPSH requerido ou
informada pelo fabricante para cada modelo produzido.
3.3. Tubulações
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
33
temperatura. Na indústria, tais variações de pressão podem ser desde o vácuo absoluto
até 1.000 Mpa 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 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
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.
34
Figura 3.6: Exemplos de conexões em tubulações [7]
3.3.3. Válvulas
Válvulas são acessórios com função de controlar, permitir 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.
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.
35
3.3.3.1. Válvulas gaveta
As válvulas gaveta 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 3.7 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 3.7: Válvula gaveta [8]
36
3.3.3.2. Válvulas de esfera
As válvulas esfera, assim como as válvulas gaveta, são acessórios de bloqueio
de fluxo em tubulações. Sua operação, diferente das válvulas gaveta, possui maior
agilidade e ótima estanqueidade, mesmo operando sob altas pressões. A perda de
carga em válvulas esfera é pequena quando totalmente aberta e o acessório deve ser
operado totalmente aberto ou totalmente fechado.
A Figura 3.8 apresenta um exemplo de válvula 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.
Figura 3.8: Válvula esfera [9]
3.3.3.3. Válvulas de retenção
As válvulas de retenção 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.
A Figura 3.9 apresenta um tipo de válvula de retenção. Para válvulas de retenção
do tipo pistão o fechamento é realizado por um obturador, onde a haste se desloca em
uma guia interna. Em válvulas de retenção do tipo portinhola o fechamento ocorre por
meio de uma portinhola articulada, sendo o tipo mais usual de válvulas de retenção.
37
Figura 3.9: Válvula retenção [10]
3.3.3.4. Válvulas de controle
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.
Figura 3.10: Válvula de controle [11]
38
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.
Figura 3.11: Filtro [12]
39
4. Operação do terminal
O terminal de distribuição tratado neste trabalho fica localizado na região
metropolitana da cidade do Rio de Janeiro. Ele é operado por uma grande companhia
atuante no setor não só de combustíveis, mas também na produção de etanol por meio
de usinas.
A operação do terminal se resume basicamente a duas frentes: recebimento de
produto e fornecimento de produto. O recebimento pode ser feito via oleoduto, quando
o produto vem bombeado diretamente da refinaria para os tanques de armazenamento,
ou via descarga de auto-tanques, quando o produto chega por meio de caminhões.
4.1. Carregamento de auto-tanques
Muitos dos combustíveis que são utilizados para abastecimento de veículos não
estão na sua forma pura. Devido a legislações presentes no Brasil, o óleo diesel por
exemplo, deve receber uma determinada quantidade de biodiesel de modo que a
proporção seja de 92% diesel e 8% biodiesel, pela lei vigente. É o chamado Diesel B.
Da mesma maneira, a gasolina que colocamos em nossos automóveis é a
chamada Gasolina C, que é formada pela adição de etanol anidro combustível na sua
composição, de acordo com a proporção abaixo:
Tabela 4.1: Composição da Gasolina C
Gasolina A 73%
Etanol anidro 27%
A mistura desses produtos na proporção correta é fundamental para que o
combustível chegue ao consumidor com todos os parâmetros e características
adequados, e é um dos pontos cruciais para que a operação da base seja realizada de
maneira segura. Assim, para facilitar o controle de qualidade, todos os tanques do
terminal armazenam produtos em estado puro, e a mistura é realizada por comandos
da automação e equipamentos próprios para esse tipo de atividade, como injetores
automáticos, válvulas elétricas e um robusto sistema de comunicação via rede.
40
Além disso, é importante ressaltar que, com o objetivo de diminuir a perda de
carga provocada pelo turbilhonamento do produto ao entrar no compartimento, todos os
carregamentos realizados no terminal são configurados para que os primeiros e os
últimos 300 litros sejam realizados à vazão baixa, e o volume intermediário seja na
vazão alta.
Exemplo: para um compartimento de 5.000 litros, o carregamento teria 300 litros em
vazão baixa, 4.400 litros em vazão alta e os 300 litros novamente caindo para vazão
baixa.
O fluxo completo do procedimento de carregamento no terminal se dá da
seguinte maneira: o motorista chega ao terminal e faz o cadastro dos lacres e envelopes
necessários para amostras exigidas pela resolução ANP 44. Então, dá entrada no
sistema de auto-atendimento para verificar se existe alguma viagem programada para
sua placa. Após confirmação do destino, volume e produtos que serão carregados, o
motorista recebe a ordem de carregamento e se dirige à fila interna da base antes de
se posicionar na plataforma. Então, digita seus dados no presset eletrônico que está
conectado à automação e dá o comando para acionamento das bombas dos produtos
que foram selecionados. Ao final do procedimento, imprime notas fiscais e tem sua saída
liberada após confirmação de que nenhum produto foi carregado a mais ou a menos.
4.1.1. Destinos do carregamento
A operação de carregamento de auto-tanques pode ter basicamente dois
destinos diferentes: postos de abastecimento (clientes, de forma direta), ou outros
terminais de distribuição (transferência de produto).
4.1.1.1. Carregamento para clientes
Nessa modalidade, o produto que será carregado no caminhão é o produto que
será de fato consumido pelos clientes em postos de abastecimento, ou seja, é o
combustível já contendo todas as misturas e todos os aditivos necessários para o uso
em veículos comerciais. Esse tipo de carregamento representa a maioria do volume
entregue diariamente e utiliza uma grande quantidade de caminhões com os mais
41
variados volumes e compartimentações. O presente trabalho irá considerar nessa
modalidade caminhões com volume total de 35.000 litros divididos em 7 compartimentos
de 5.000 litros cada.
No carregamento para clientes, o etanol anidro entra apenas como parte
integrante da mistura, à taxa de 27%, e não é carregado em vazão alta. Ele entra
misturado com a gasolina ao longo do processo.
4.1.1.2. Transferência de produto
A transferência de produto ocorre quando o produto não tem como destino final
um cliente diretamente, mas sim outros terminais. Dessa maneira, para esses casos, o
produto carregado é o combustível em estado puro, sem qualquer adição de aditivos.
Apesar dessa modalidade ser menos frequente no dia a dia da base, o presente
trabalho vai considerar exclusivamente esse tipo de carregamento, a fim de dimensionar
o pior caso possível para o etanol anidro, uma vez que no carregamento para clientes,
esse produto entra apenas em proporção reduzida e somente em vazão baixa.
Nesse caso, iremos considerar caminhões com volume total de 62.000 litros,
divididos em dois compartimentos: um de 26.000 litros e outro de 36.000 litros, levando
em conta que na transferência de etanol anidro, o produto entra puro e sobe para vazão
alta durante o processo.
4.1.2. Tipos de carregamento
Dependendo do modo como o produto é introduzido no compartimento do
caminhão, o carregamento pode ser classificado como Top Loading ou Bottom Loading.
O terminal utilizado como base de estudo possui 5 plataformas, das quais 2 possuem
braços centrais, ou seja, atendem duas baias de carregamento, configurando um total
possível de 7 ATs realizando operação de carregamento simultaneamente. Esse foi o
dado utilizado para o dimensionamento do sistema de bombeamento.
Porém, como o estudo só irá considerar transferência entre bases, que é uma
operação cuja demanda é menor, será selecionada uma efetividade de 70%, o que
representa 5 caminhões carregando ao mesmo tempo. Essa consideração torna o
dimensionamento mais próximo da realidade do terminal.
42
4.1.2.1. Bottom Loading
Nesse sistema, o responsável pelo acoplamento do braço de carregamento ao
caminhão permanece no nível do solo, o que dispensa a necessidade do trabalho em
altura. Além disso, o caminhão possui boquilhas de acesso em ambos os lados do
veículo e um sistema de anti-transbordamento instalado que permite o carregamento de
diversos compartimentos simultaneamente. No que diz respeito à exposição a gases, é
menos agressivo uma vez que a escotilha do veículo permanece fechada durante o
procedimento e pode ser acoplado um mangote que direciona os vapores provenientes
do produto.
4.1.2.2. Top Loading
No carregamento do tipo Top Loading, o responsável pela operação deve
acessar a plataforma e subir em cima do compartimento, o que demanda trabalho em
altura de acordo com a norma regulamentadora. Além disso, há maior exposição aos
vapores de produto devido à necessidade de que a tampa da escotilha seja mantida
aberta para que o braço de carregamento possa ser mergulhado no interior do
compartimento. Além disso, nesse sistema só é permitido o carregamento de um
compartimento de cada vez para evitar riscos de derrame.
Apesar de se tratar de uma modalidade que vem perdendo espaço, o presente
trabalho irá considerar somente o carregamento Top Loading, visto que só trataremos
de transferência de etanol anidro e no terminal em questão, todas as transferências de
produto são realizadas obrigatoriamente dessa maneira.
Figura 4.1: Representação dos tipos de carregamento de auto-tanques [13]
43
4.2. Custo de parada da operação
O terminal de distribuição utilizado como base de estudo para esse trabalho
opera sem interrupções e movimenta elevados volumes de combustível todos os dias.
O funcionamento ocorre em 3 turnos divididos da seguinte maneira:
Turno A: de 23h até 07h
Turno B: de 07h até 15h
Turno C: de 15h até 23h
A base pode ser comparada a uma loja como qualquer outra, porém nesse caso,
o produto comercializado é o combustível. Por isso, deve ser feito diariamente um
fechamento para avaliação do estoque disponível e apuração de volumes que saíram e
entraram em comparativo com notas fiscais de clientes. Esse período de fechamento
dura por volta de 2 horas e é o único período em que o terminal deixa de operar. Assim,
em um mês de 30 dias, é razoável considerar que a base só não está carregando os
caminhões durante 2 dias e meio.
Diante desse cenário, como foi citado no início do trabalho, seria extremamente
importante que todas as adaptações e mudanças necessárias ocorressem de maneira
que não demandasse a interrupção das atividades do terminal.
Apenas para fins informativos, vamos verificar quanto custaria para a companhia
que faz a gestão da instalação, se um produto parasse de ser vendido devido à paradas
para manutenção. Para isso, vamos tomar como base a gasolina, por ser um produto
com maior volume de vendas e por ele ser comercializado misturado com o etanol
anidro, que é o produto foco do estudo.
Tabela 4.2: Preço médio da gasolina em R$/litro no Rio de Janeiro no período de 19 a 25 de
novembro de 2017 [14]
Preço ao consumidor Preço distribuidora
Município Número de postos
pesquisados Preço médio Preço médio
Rio de Janeiro 53 4,493 4,001
44
Considerando a movimentação média diária de 40 caminhões carregando
15.000 litros de gasolina cada, o volume representa um total movimentado em dinheiro
de:
4,001 𝑅$
𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜 𝑥 600.000
𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜
𝑑𝑖𝑎≈ 2.400.000
𝑅$
𝑑𝑖𝑎 (4.1)
Diante disso, é seguro dizer que qualquer tipo de intervenção que exige a
interrupção da operação traria não só impactos seríssimos no fornecimento de
combustível em toda a cidade do Rio de Janeiro, como também a perda de algo em
torno de R$ 2.400.000,00 por cada dia do terminal parado, e isso levando em conta
apenas uma estimativa para o carregamento de Gasolina C.
45
5. Dimensionamento O presente capítulo irá apresentar as características do sistema e os cálculos
realizados para dimensionamento e seleção das novas bombas afim de atender a
proposta de aumentar a vazão de carregamento. Para isso, serão adotados fórmulas,
conceitos e dados fornecidos nos Capítulos 3 e 4 desse mesmo trabalho.
O estudo se baseia na otimização do processo de carregamento de caminhões-
tanque em um terminal de distribuição de combustíveis. Todo o dimensionamento será
feito a fim de diminuir o tempo necessário de operação sem interromper as atividades
da base e visando o menor número de intervenções possível na infraestrutura de modo
que os requisitos básicos de segurança sejam atendidos.
5.1. Sistema original
O sistema abordado neste trabalho consiste de uma linha de tubulação
localizada em um terminal de distribuição de combustíveis. A tubulação é utilizada
exclusivamente para movimentar etanol anidro desde o tanque de armazenagem,
passando pela praça e bombas até a plataforma de carregamento, que abriga os braços
de carregamento.
Figura 5.1: Arranjo do cenário atual
46
O arranjo atual da base consiste em duas bombas centrífugas que foram
adquiridas por volta da década de 1970. Esses equipamentos passaram por diversas
manutenções ao longo dos anos, e não foi arquivado histórico preciso das intervenções
realizadas. Apesar de ambos funcionarem separadamente, quando associados em
paralelo para funcionamento simultâneo, ficam subdimensionados para a demanda do
terminal. A vazão das duas bombas está ilustrada na Tabela 5.1:
Tabela 5.1: Vazão medida das bombas no cenário atual
Identificação da bomba Vazão [m³/h]
Bomba A 273 Bomba B 273
Ambas as bombas estão associadas em paralelo e trabalham em linhas
segregadas dedicadas exclusivamente ao produto em questão. A praça de bombas é
do tipo “afogada”, ou seja, trabalha em nível abaixo da bacia de tanques. O tanque de
armazenamento utilizado foi certificado para abrigar o produto e possui um plano de
limpeza e readequação com periodicidade mínima de 10 anos. A Tabela 5.2 apresenta
suas principais características:
Tabela 5.2: Características do tanque de armazenagem
Na configuração atual, considerando as diversas reduções e ampliações de
diâmetro presentes ao longo de toda a tubulação, calculamos as velocidades de
escoamento a partir da equação (3.10) e das conversões de unidades abaixo:
4” ≈ 0,1016 m
6” ≈ 0,1524 m
Número do tanque Tanque 13
Produto Etanol Anidro
Diâmetro nominal 21,5 m
Altura nominal 13 m
Altura operacional máxima 11 m
Altura operacional mínima 1 m
Capacidade operacional máxima 4000 m³
Capacidade operacional mínima 360 m³
47
8” ≈ 0,2032 m
10” ≈ 0,254 m
Os resultados estão apresentados na Tabela 5.3.
Tabela 5.3: Velocidades de escoamento no cenário atual
Nota-se que as velocidades de escoamento estão elevadas quando comparadas
ao limite de 7,00 m/s recomendados pela norma API 2003 RP para controle de geração
de estática em tubulações. O valor da norma representa uma referência para a
velocidade onde a incidência de estática é reduzida de forma significativa, reduzindo o
risco de ignição.
A plataforma de carregamento está localizada um nível acima da bacia de
tanques. Para o presente trabalho, vamos considerar as cinco plataformas como sendo
do tipo Top Loading, o que representa um total de 7 braços de carregamento dedicados
ao Etanol Anidro, organizados de acordo com a Tabela 5.4.
Tabela 5.4: Número de braços de carregamento dedicados ao etanol anidro
Diâmetro [pol] Vazão [m³/h] Velocidade [m/s]
10 546 2,99
6 546 8,32
Derivações de bomba 6 273 4,16
Diâmetro [pol] Vazão [m³/h] Velocidade [m/s]
Derivações de bomba 6 273 4,16
6 546 8,32
8 546 4,68
6 78 1,19
4 78 2,67
Header
Braço
Header
Sucção
Recalque
P1 1
P2 1
P3 1
P4 2
P5 2
Número da plataformaNúmero de braços de
etanol anidro
48
5.2. Sistema proposto
O estudo irá considerar somente carregamentos do tipo “transferência entre
bases” como foi explicado no Capítulo 4 e por isso, todos os braços de carregamento
em questão são do tipo Top Loading.
Com o objetivo de melhorar o desempenho da operação de carregamento, e
também de ajustar os valores das velocidades de escoamento ao longo dos diferentes
trechos da tubulação, será proposta uma configuração para o sistema ilustrada na
Figura 5.2, onde serão utilizadas 3 bombas associadas em paralelo ao invés de 2, e
também serão feitas algumas mudanças nos diâmetros das tubulações na tentativa de
adequar as velocidades de escoamento.
Figura 5.2: Arranjo proposto para o sistema
Tabela 5.5: Vazões das bombas no cenário proposto
Identificação da bomba Vazão [m³/h] Bomba A 280 Bomba B 280 Bomba C 280
49
A dinâmica de carregamento dos caminhões se dá de modo que dependendo do
número de braços sendo acionados na plataforma, as bombas entram de maneira
automática para suprir a demanda, controladas pelo sistema da companhia responsável
por gerir a base.
As propriedades do etanol anidro se encontram na Tabela 5.6. Para o
dimensionamento deste trabalho, vamos considerar os dados constantes ao longo de
todo o sistema e as tubulações em plenas condições, sem apresentar qualquer tipo de
vazamento.
Tabela 5.6: Características do fluido
Fluido Etanol anidro
Temperatura 25ºC
Viscosidade absoluta 0,0012 kg/m.s
Massa específica 790 kg/m³
Peso específico 7749,9 N/m³
Pressão de vapor 5800 N/m²
Pressão atmosférica 1,01 . 105 N/m²
Vazão de cada bomba 280 m³/h
Número de bombas em paralelo 3
Material da tubulação Aço carbono
Aceleração da gravidade 9,81 m/s²
Pela nova configuração proposta, cada bomba atuando sozinha consegue
alimentar 2 braços de carregamento operando simultaneamente. Para que os 7 braços
consigam carregar ao mesmo tempo, é obrigatório o acionamento das 3 bombas
dedicadas ao produto.
5.2. Representação simplificada do sistema proposto
O sistema em questão se origina no tanque de armazenagem número 13,
localizado em uma bacia de tanques cujo nível está acima da praça de bombas, e abaixo
do nível da plataforma de carregamento. Uma representação simplificada do sistema
pode ser vista na Figura 5.3 abaixo:
50
Figura 5.3: Esquema simplificado de um sistema de bombeamento [6]
a: altura do produto no tanque até o nível da bacia de tanques [m]
b: entrada da bomba
c: saída da bomba
d: altura do produto no caminhão até o nível da plataforma [m]
zs: altura do produto no tanque em relação ao olho da bomba [m]
zr: altura do produto no caminhão em relação ao olho da bomba [m]
O trecho da tubulação que sai do tanque até a praça de bombas é denominado
header de sucção, enquanto o trecho que sai da praça de bombas até a plataforma de
carregamento é denominado header de recalque (ou descarga). As vazões desses
trechos equivalem ao somatório das vazões das bombas existentes na linha,
considerando o cenário mais crítico de operação. Para o estudo apresentado neste
trabalho, esse cenário corresponde aos 7 braços de etanol anidro carregando
simultaneamente, já que assim o sistema tem sua perda de carga mais elevada.
Na praça de bombas, as tubulações de header se dividem na entrada e na saída
das 3 bombas associadas em paralelo. Esses trechos são denominados derivações de
bomba e a vazão correspondente é a mesma vazão das bombas individualmente.
Ao chegar na plataforma, o header de recalque se divide no número de braços
que fornecem o produto bombeado, e a vazão do trecho corresponde à vazão proposta
para o carregamento dos caminhões. Todas essas vazões estão ilustradas na Tabela
5.7:
51
Tabela 5.7: Vazões nos diferentes trechos da linha de tubulação
5.4. Verificação das velocidades de escoamento
Para obtenção das velocidades de escoamento de produto considerando a nova
configuração proposta, será novamente utilizada a equação (3.10) e as conversões de
unidade abaixo foram necessárias.
12” ≈ 0,3048 m
16” ≈ 0,4064 m
A Tabela 5.8 mostra que as alterações propostas em alguns trechos de
tubulação trouxeram melhora considerável nos valores encontrados para velocidades
de escoamento, de modo que todos eles se encontram abaixo dos 7 m/s citados
anteriormente. Assim, pode-se considerar que as mudanças estão adequadas para
implementar o aumento da vazão de carregamento.
Tabela 5.8: Velocidades de escoamento nos trechos da configuração proposta
Trecho Diâmetro [pol] Vazão [m³/h]
Header de sucção 16 840
Derivações de bomba na sucção 8 280
Derivações de bomba no recalque 8 280
Header de recalque 12 840
Derivações dos braços de carregamento 4 120
D [pol] Vazão [m³/h] Velocidade [m/s]
Header 16 840 1,80
Derivações de bomba 8 280 2,40
D[pol] Vazão [m³/h] Velocidade [m/s]
Derivações de bomba 8 280 2,40
Header 12 840 3,20
Braços 4 120 4,11
Recalque
Sucção
52
5.5. Número de Reynolds e fator de atrito
Um parâmetro essencial para determinar aspectos relevantes do
dimensionamento de bombas hidráulicas é o número de Reynolds. Essa grandeza
adimensional permite que seja verificado o tipo de escoamento para cada trecho da
tubulação do sistema.
Para chegar ao valor de Re, foi utilizada relação matemática (3.6), e
posteriormente feita uma comparação com a Tabela 3.1 para apontar se estamos
tratando de um escoamento laminar ou turbulento.
Além disso, foram utilizados os valores de massa específica e viscosidade
cinemática do etanol anidro contidos na Tabela 5.6 do presente Capítulo. Os resultados
encontrados estão ilustrados na Tabela 5.9 abaixo:
Tabela 5.9: Verificação do número de Reynolds nos trechos da tubulação
Analisando os resultados pode-se notar que o escoamento é em regime
turbulento para todos os trechos da tubulação no sistema em questão.
Para a verificação do fator de atrito, vamos utilizar o Anexo A com o objetivo de
verificar valores de rugosidade relativa para cada trecho da tubulação. De posse desses
valores e dos números de Reynolds calculados acima, foi consultada figura A.2 contida
no Anexo A para determinar os fatores de atrito. Segue Tabela 5.10 com os dados
obtidos:
Tabela 5.10: Fator de atrito dos trechos da linha
53
5.6. Cálculo da perda de carga
O sistema de bombeamento é responsável por fornecer energia ao fluido a fim
de possibilitar que ele atinja o ponto de descarga desejado. No entanto, ao longo do
percurso, o fluido perde energia devido a acessórios e acidentes posicionados. Dessa
maneira, é de extrema importância verificar quanto de energia é perdida para que as
bombas selecionadas tenham potência suficiente. Essa energia perdida é a perda de
carga, e o método utilizado no presente trabalho para calculá-la é o Método dos
Comprimentos Equivalentes.
A primeira etapa desse método consiste em verificar as dimensões dos trechos
retos de tubulação para cada diâmetro. Esses valores foram retirados de documentos
contendo isométricos das linhas contidas na base estudada. Segue Tabela 5.11 com os
valores:
Tabela 5.11: Comprimento dos trechos retos de tubulação
Posteriormente, foram mapeados todos os acessórios e acidentes contidos nos
trechos de sucção e recalque:
Tabela 5.12: Quantidade de acessórios/acidentes da linha de sucção
54
Tabela 5.13: Quantidade de acessórios/acidentes da linha de recalque
Considerando os dados das Tabelas 5.12 e 5.13 foi feita consulta ao Anexo B,
retirado de [6], para verificar os comprimentos retos equivalentes.
Tabela 5.14: Comprimentos equivalentes dos acessórios/acidentes da linha de sucção
Tabela 5.15: Comprimentos equivalentes dos acessórios/acidentes da linha de recalque
55
Os valores atribuídos para o filtro e para o medidor não estavam listados e foram
estimados considerando um cenário conservador. Além disso, foi utilizada a válvula
globo para verificar o comprimento equivalente aproximado da válvula elétrica do tipo
OCV presente da linha devido à construção e estrutura similar de ambas.
Somando os valores obtidos em cada trecho, foi verificado o comprimento
equivalente total de cada trecho:
Tabela 5.16: Comprimentos equivalentes totais dos trechos
Para determinar o valor do comprimento reto total de cada trecho, somam-se os
valores dados na Tabela 5.11 para os trechos retos com os valores dados na Tabela
5.16 para os comprimentos equivalentes:
Tabela 5.17: Comprimento reto total
Assim, pode-se verificar a perda de carga da tubulação a partir da equação de
Darcy-Weisbach identificada no Capítulo 3 como (3.21). A Tabela 5.18 aponta de
maneira simplificada todos os valores relevantes para o cálculo e as perdas de carga
divididas por trecho da linha.
56
Tabela 5.18: Perda de carga por trecho da tubulação
Somando os trechos da sucção, que correspondem à saída do tanque até a
entrada das bombas, e os trechos de recalque, que correspondem à saída das bombas
até a plataforma de carregamento, temos as perdas de carga totais a seguir:
Tabela 5.19: Perdas de carga totais na sucção e recalque
5.7. Altura manométrica total
A altura manométrica total corresponde à demanda de energia que será
solicitada à bomba para que a movimentação do fluido até a posição final desejada seja
possível. Para determinar essa grandeza, basta diminuir a altura manométrica da
sucção da altura manométrica do recalque, conforme ilustrado na equação (3.11).
As alturas manométricas de sucção e recalque foram calculadas considerando
o pior cenário possível, que corresponde ao tanque de armazenagem operando com
sua altura mínima e o caminhão-tanque com seu compartimento praticamente cheio.
Assim, tomando a Figura 5.3 como base, temos os seguintes parâmetros:
a: altura do produto no tanque até o nível da bacia de tanques [m] = 1
d: altura do produto no caminhão até o nível da plataforma [m] = 2,5
zs: altura do produto no tanque em relação ao olho da bomba [m] = 2,5
zr: altura do produto no caminhão em relação ao olho da bomba [m] = 5
57
Também foi considerado o peso específico do produto, dado na Tabela 5.6, e as
pressões nos reservatórios de sucção e recalque como nulas. Além disso, devido à
disposição do braço de carregamento durante o procedimento de operação, foi adotado
o modelo de cálculo do efeito sifão. Os resultados estão ilustrados na Tabela 5.20:
Tabela 5.20: Alturas manométricas
5.8. Cálculo do NPSH disponível
O NPSH disponível é calculado para posterior comparação com o NPSH
requerido, que é um dado fornecido pelo fabricante da bomba que está sendo
selecionada. Esses parâmetros são utilizados para avaliar a possibilidade de cavitação,
que é um fenômeno prejudicial para o equipamento e deve ser evitado no ato do
dimensionamento.
A relação matemática utilizada foi a (3.22) e os dados adicionais acerca de
pressão atmosférica, pressão de vapor e peso específico do etanol anidro combustível
estão explicitados na Tabela 5.6 do presente capítulo.
O diâmetro de tubulação para o header de sucção considerado em todos os
cálculos até o presente momento foi de 16”. No entanto, inicialmente cogitou-se utilizar
o trecho inicial de saída do tanque, que é de 10”, e prolongá-lo até a praça de bombas.
O valor de NPSH disponível encontrado não foi satisfatório, o que levou a algumas
tentativas nesse trecho de forma a encontrar números mais adequados. Foram
realizados todos os cálculos com header de sucção nos diâmetros 10”, 12”, 16” e 18”
até que foi selecionado de fato o tamanho 16”.
A Tabela 5.21 apresenta os valores de NPSH disponível calculados para todos
esses valores, levando em conta que todos os parâmetros citados (vazões, velocidades
de escoamento, rugosidades relativas, fatores de atrito, comprimentos equivalentes,
perdas de carga e alturas manométricas) foram calculados levando em conta essas
dimensões. O diâmetro 16”, que foi o selecionado de fato, está apontado por contorno
vermelho a fim de dar destaque.
58
Tabela 5.21: Comparação entre os NPSH disponíveis encontrados para diferentes diâmetros
na tubulação do header de sucção. O valor selecionado para o presente trabalho está
destacado.
5.9. Cálculo da potência consumida
A potência consumida corresponde à potência que o motor elétrico exige para
operar de maneira adequada. Nesse parâmetro, a massa específica influencia
diretamente, o que significa que para diferentes produtos, pode ser necessária a
correção das curvas fornecidas pelo fabricante.
Para um valor inicial de base da potência consumida, utilizamos a fórmula (3.23)
e a eficiência foi estimada em 80%, que para bombas novas não é um valor difícil de
ser alcançado.
O valor encontrado após o cálculo foi de 19,5 kW, que convertendo unidade
corresponde a 26,5 cv. Esse valor será aproximado para 25 cv devido à proximidade do
mesmo, e levando em conta que será feita comparação com as curvas do fabricante
para validação da estimativa inicial.
59
6. Seleção da bomba
Os equipamentos utilizados para promover a movimentação de fluidos na base
de distribuição em questão são as bombas centrífugas. Os motores de combustão
interna são proibidos dentro da instalação devido a normas de segurança, logo são
utilizados motores elétricos.
As bombas apresentam características que são fornecidas pelos fabricantes
através de manuais de funcionamento e catálogos de curvas. Para o presente trabalho,
a marca escolhida para seleção foi a KSB, seguindo a mesma linha de projetos recentes
desenvolvidos no terminal, em que esse fabricante tem tido considerável preferência.
Analisando o catálogo de produtos fornecidos pela KSB, foi escolhido modelo
Megachem, da série Mega, uma vez que essa linha de bombas é projetada
especificamente para o setor de óleo e gás e apresenta especificações que atendem às
necessidades explicitadas. O modelo está representado pela Figura 6.1.
Figura 6.1: Bomba KSB modelo Megachem, série Mega [15]
A partir das curvas características fornecidas pelo fabricante temos informações
sobre diversos tamanhos disponíveis para o modelo selecionado. São dados valores
para diâmetro do impelidor a partir da altura manométrica total e vazão, além de NPSH
requerido e valores de potência e eficiência da bomba.
Para a seleção apresentada neste capítulo, foi utilizado o cenário menos
favorável, que é representado pelo tanque operando com sua altura mínima operacional.
Essa determinação influencia diretamente na altura manométrica do sistema.
A seleção do equipamento foi feita considerando o cenário mais desfavorável para o
carregamento, ou seja, o tanque de produto trabalhando com o volume considerado
60
mínimo para que a operação ocorra de maneira segura. Esse volume ocorre quando o
tanque está com 360 m³ de volume em seu interior.
Como foi explicitado no Capítulo 4, o presente trabalho considerou somente
carregamentos do tipo transferência, e uma efetividade de 70% da operação ocorrendo
de forma simultaneamente.
Diante desses aspectos, temos os diferentes tamanhos de bombas oferecidos
pela KSB ilustrados na Figura 6.2.
Figura 6.2: Modelos disponíveis para bombas KSB [15]
A altura manométrica total calculada foi de 25,85 metros e a vazão estipulada
que cada bomba deve ter é de 280 m³/h. Assim, analisando as curvas do fabricante foi
selecionado o modelo 125-250, cujas curvas específicas estão apresentadas abaixo:
61
Figura 6.3: Rendimento e diâmetro do impelidor [15]
Pelo gráfico, verifica-se que o diâmetro do impelidor é de aproximadamente 255
milímetros, e a eficiência da bomba é estimada em 84%.
Além disso, o fabricante também disponibiliza curvas de NPSH requerido e
potência consumida. Ambas estão ilustradas na Figura 6.4.
Figura 6.4: NPSH requerido e potência consumida [15]
62
O NPSH requerido é de aproximadamente 2,5 metros. Considerando a
recomendação do fabricante de adicionar 0,5 metros a esse valor por questões de
segurança, temos um NPSH requerido corrigido de 3 metros.
A análise de risco da cavitação pode ser resumida pela relação abaixo:
𝑁𝑃𝑆𝐻𝐷 > 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑅 + 0,5 (6.1)
Logo, temos:
𝟏𝟑, 𝟏𝟐 𝒎 > 𝟑 𝒎
Tabela 6.1: Risco de cavitação
NPSH disponível 13,12 metros
NPSH requerido 3 metros
Risco de cavitação Não
A potência encontrada pela análise do gráfico para altura manométrica de 25,85
metros e vazão de 280 m³/h é de aproximadamente 32 cv. Como o líquido bombeado é
menos denso do que a água, o fabricante recomenda o ajuste desse valor multiplicando
a potência encontrada pela densidade relativa do fluido que está sendo movimentado.
Para o etanol anidro, esse parâmetro é igual a 0,79. Logo, temos:
32 . 0,79 = 25,3 ≈ 25
Temos uma potência ajustada de 25 cv, que está totalmente condizente com o
valor encontrado na estimativa feita no Capítulo 5.
Assim, para a seleção da bomba considerando todos os condicionantes
adotados, temos as seguintes informações:
63
Tabela 6.2: Dados de seleção da bomba KSB
Marca (Fabricante) KSB
Série Mega
Modelo Megachem
Tamanho 125-250
Vazão 280 m³/h
Ø Impelidor 255 mm
Eficiência 84%
Potência 25 cv (ajustada)
64
7. Conclusão
Tomando como base as análises realizadas acerca da instalação em questão,
foi selecionado um novo modelo de bomba hidráulica. Essas análises foram
fundamentais para um melhor entendimento não só da operação recorrente em uma
base de distribuição como também na área de bombas hidráulicas de forma geral, que
está diretamente ligada à conteúdos oferecidos no curso de Engenharia Mecânica.
7.1. Conclusão sobre a seleção da bomba
A seleção da bomba hidráulica para movimentação de etanol anidro foi realizada
com o intuito de otimizar a operação de carregamento de auto-tanques por meio do
aumento de vazão em aproximadamente 50%, mesmo em cenários em que mais de um
braço de carregamento esteja sendo acionado simultaneamente. Para isso, foi utilizada
a hipótese inicial de preservar as características básicas da tubulação já presente na
base afim de diminuir o número de intervenções necessárias. No entanto, ao realizar a
análise do cenário atual, foram identificadas velocidades de escoamento acima das
recomendadas, fazendo com que o cenário proposto tivesse não só bombas novas, mas
também tubulações com diâmetros que melhor adequassem esse parâmetro.
Foi considerado um tanque de armazenagem operando com sua capacidade
mínima operacional de acordo com determinação da própria empresa para cenário
menos favorável ao trabalho da bomba e adotado o método dos comprimentos
equivalentes, em que todos os acidentes e acessórios presentes ao longo da linha
recebem um valor correspondente caso todo trecho fosse considerado reto.
Levando em conta o histórico recente de aquisição de bombas hidráulicas no
terminal em questão, foi selecionado equipamento cujas especificações estão
apresentadas na Tabela 7.1 abaixo, da fabricante KSB, que vem sendo utilizada
prioritariamente nas últimas aquisições e projetos realizados. Trata-se de um
equipamento voltado especificamente para o setor de óleo e gás que atende plenamente
as recomendações e normas de segurança relativas à movimentação de combustíveis.
65
Tabela 7.1: Especificações da bomba selecionada
Marca (Fabricante) KSB
Série Mega
Modelo Megachem
Tamanho 125-250
Vazão 280 m³/h
Ø Impelidor 255 mm
Eficiência 84%
Potência 25 cv (ajustada)
Não foi realizado estudo financeiro específico a respeito do custo de substituição
das bombas em operação hoje pelo novo modelo selecionado, porém sabe-se que
esses custos são consideravelmente inferiores à receita diária da base, como foi
ilustrado de maneira resumida no Capítulo 4.
7.2. Adaptações necessárias para a instalação das novas bombas e propostas para trabalhos futuros
Como foi indicado pelos cálculos realizados no Capítulo 5 a partir do
mapeamento geral da linha existente no terminal, foram encontradas velocidades de
escoamento acima do ideal, conforme especificado na Tabela 5.3.
Para adequação dessas velocidades, foram feitos cálculos alterando o diâmetro
do header de sucção. Ficou determinado que o tamanho atual, dividido em trechos de
10” e 6” deveria ser substituído por um trecho cujo diâmetro é 16”. O trecho de
derivações de bomba, tanto na sucção quanto no recalque devem ser aumentados de
6” para 8” e o header de recalque deve ser alterado para 12” até reduzir para o diâmetro
dos braços na plataforma, que é de 4”. Essas mudanças estão resumidas na Tabela 7.2
abaixo:
66
Tabela 7.2: Alterações propostas nos diâmetros da tubulação
Header de sucção 10” e 6” → 16”
Derivação de bomba na sucção 6” → 8”
Derivação de bomba no recalque 6” → 8”
Header de recalque 6” e 8” → 12”
Braços de carregamento 6” e 4” → 4”
Outra alteração é a quantidade de bombas utilizada. O cenário atual possui duas
bombas alinhadas em paralelo que entram comandadas pelo sistema de automação
dependendo de quantos braços do produto em questão são acionados na plataforma.
No cenário proposto, o processo ocorreria da mesma forma, porém com três bombas
associadas em paralelo. Se fez necessário uma terceira bomba uma vez que o
dimensionamento foi feito para o caso de carregamentos do tipo Transferência entre
bases com aumento de vazão alta para 120 m³/h, que usualmente ocorrem com volumes
maiores, conforme explicado no Capítulo 4.
Com intuito de manter a integridade da tubulação e obedecer aos requisitos
mínimos de segurança dos operadores, deve-se avaliar a instalação de inversores de
frequência para que o acionamento das bombas não ocorra de maneira desnecessária,
com cada equipamento entrando apenas em função do aumento no número de braços
de carregamento operando na plataforma.
No intuito de solidificar toda a argumentação apresentada e dar continuidade ao
estudo em questão, uma análise de tensões das tubulações propostas poderia ser
realizada, bem como uma análise de confiabilidade do sistema, levando em
consideração aspectos de redundância e diversidade de fabricantes dos equipamentos
propostos.
É importante ressaltar que para uma tomada de decisão quanto à implantação
ou não do sistema de bombeamento proposto, faz-se necessária uma avaliação de
custo, levando-se em conta inclusive, uma análise de particionamento da obra a ser
realizada, de forma que as operações do terminal de distribuição não tenham que ser
paralisadas por completo para evitar as perdas financeiras explicitadas de forma
estimada no Capítulo 4.
67
8. Bibliografia
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de 2017
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content/uploads/2016/07/ANUARIO_2016_TOTAL_FINAL2_WEB-1.pdf> Acessado em
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Janeiro: Interciência, 1998.
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68
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<http://www.anp.gov.br/preco/prc/Resumo_Por_Estado_Municipio.asp> Acessado em
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[15] Disponível em <http://www.ksb.com.br/ksb-br-
pt/tipos.php?codtipo=1&codgrupo=13&codaplicacao=42&_pag=3> Acessado em 30 de
novembro de 2017
69
Anexo A - Gráficos
Figura A.1: Ábaco de Moody [6]
70
Figura A.2: Rugosidade relativa e coeficiente de atrito para escoamento completamente
turbulento [6]
71
Anexo B - Tabelas de comprimentos equivalentes
Figura B.1: Comprimentos equivalentes para entrada e saída [6]
72
Figura B.2: Comprimentos equivalentes para reduções e ampliações de diâmetro [6]
73
Figura B.3: Comprimentos equivalentes para válvulas [6]
74
Figura B.4: Comprimentos equivalentes para joelhos, curvas e tês [6]
75
Anexo C - Dados da bomba selecionada
Figura C.1: Informações da série Mega [15]
76
Figura C.2: Recomendações do fabricante [15]
77
Figura C.3: Curvas características da série Mega [15]
78
Figura C.4: Curvas características do modelo Megachem 125-250 [15]
79
Figura C.5: Informações gerais do modelo Megachem [15]
80
Figura C.6: Vista em corte [15]
81
Figura C.7: Lista de peças [15]
82
Figura C.8: Vista explodida [15]
83
