INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DA PARAÍBA
DEPARTAMENTO DE ENSINO TÉCNICO
COORDENAÇÃO DO CURSO TÉCNICO EM ELETROTÉCNICA
CAIO CHACON DA ROCHA BRASIL
MARGARETH MEE GOMES DE LIMA
EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE BOMBEAMENTO
JOÃO PESSOA
2014
CAIO CHACON DA ROCHA BRASIL
MARGARETH MEE GOMES DE LIMA
EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE BOMBEAMENTO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao
Curso Técnico de Eletrotécnica do Instituto
Federal de Educação da Paraíba - IFPB como
requisito parcial à obtenção do grau de Técnico em
Eletrotécnica, tendo como orientador Prof.
Ronimack Trajano de Souza.
JOÃO PESSOA
2014
CAIO CHACON DA ROCHA BRASIL
MARGARETH MEE GOMES DE LIMA
EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE BOMBEAMENTO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao
Curso Técnico de Eletrotécnica do Instituto
Federal de Educação da Paraíba - IFPB como
requisito parcial à obtenção do grau de Técnico em
Eletrotécnica, tendo como orientador Prof.
Ronimack Trajano de Souza.
Professor Ronimack Trajano de Souza ______________________________
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba.
Professor (a) Michele____________________________________________
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba.
Professor Arthur________________________________________________
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba.
João Pessoa, 11 de março de 2014.
A Deus.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos antes de tudo a Deus pelo dom da vida e por sua infinita bondade e
amor.
Ao nosso querido professor de automação predial e industrial e amigo, Ronimack
Trajano de Souza, pela orientação no desenvolvimento deste trabalho e contribuição para
nossa formação intelectual e moral.
Ao nosso professor de metodologia, Jivago Correia Barbosa, também pela colaboração
no aprimoramento de nossas capacidades.
A todos os professores e funcionários do IFPB e do IFMA que diretamente ou
indiretamente ajudaram-nos a crescer, com ensinamentos e fundamentações, teóricas e
práticas, durante todo o curso técnico em eletrotécnica.
Aos nossos colegas, amigos e família que fizeram parte dessa caminhada que chega ao
fim com a conclusão e apresentação deste trabalho. Especialmente a José Elias e Adriana,
Emanuel e Kallina por seus ensinamentos, incentivos, apoio e amor.
“A tarefa não é tanto ver aquilo que ninguém
viu, mas pensar o que ninguém ainda pensou
sobre aquilo que todo mundo vê.” (Arthur
Schopenhauer).
RESUMO
Este trabalho consiste em apresentar os resultados obtidos através da adoção de medidas de
eficiência energética em um sistema de bombeamento para uma instalação predial de água
fria, destinado ao abastecimento de água potável. Os sistemas de bombeamento prediais
comumente utilizados apresentam abastecimento indireto, quando a água é armazenada em
reservatórios e destes é distribuída aos pontos de consumo desperdiçando assim a pressão
advinda da rede de abastecimento, isso gera um gasto extra de energia que poderia ser
evitado, caso fosse adotado o sistema de abastecimento direto. Diante disso desenvolveu-se
um estudo de caso envolvendo um sistema de bombeamento em funcionamento para analisar
o seu respectivo consumo de energia. A partir dessa análise foi proposto um sistema
utilizando uma bomba booster para o aproveitamento da pressão originada da rede de
abastecimento e, além disso, foi elaborado um sistema de automação através do software
Click02 Edit para o controle do bombeamento. É preciso ressaltar que o uso desse sistema não
se restringe apenas a prédios residenciais, podendo ser usado para outras aplicações como
indústrias, companhias de água e abastecimento. Através do estudo realizado ficou evidente
que o aproveitamento da pressão na rede de abastecimento contribui para uma redução no
consumo de energia e consequentemente gera benefícios ambientais e econômicos.
Palavras-chave: Sistema de bombeamento; Eficiência energética; Booster; Automação;
Motobombas.
ABSTRACT
This work is based in the presentation of results obtained due to the adoption of energy
efficiency’s atitudes in a pumping system for a building installation of cold water destined to
the drinking water supply. The building pumping systems commonly used have indirect
supply, when water is stored in reservoirs and from them it's distributed to consumption
points thereby wasting the acquired network pressure, this fact generates a extra energy
wastage that could be avoid, if the system were directed. Thus was developed a case study
involving a pumping system in operation to analyze its respective consumption. From this
analysis it was proposed a system using a booster pumping motor to take advantage of the
pressure from supply network and, moreover, it was elaborated a automation system through
the Clic02 Edit software for the pumping control. It should be emphasized that this system
utilization is not restricted just for residential buildings, but it could be used to others
aplications, as industry and water companies. Through the study, became evident that the use
of pressure in network contributes for reduction of energy consumption and hence generates
environmental and economic benefits.
Keywords: Pumping Systems; Energy Efficiency; Booster; Automation; Pump motors.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Selo PROCEL .......................................................................................................... 17
Figura 2 - Inversores de Frequência Série CFW09 .................................................................. 19
Figura 3 - Sistema Direto de bombeamento ............................................................................. 20
Figura 4 - Sistema Indireto de bombeamento. .......................................................................... 21
Figura 5 - Componentes da bomba centrífuga.......................................................................... 22
Figura 6 - Bomba Booster. ....................................................................................................... 24
Figura 7 - Curva Bomba ME -2 AP-27 .................................................................................... 25
Figura 8 - IHM com o software LOGO!................................................................................... 28
Figura 9 - Esquema de montagem do CLP LOGO! ................................................................. 29
Figura 10 - Kit para Automação com comando bimanual........................................................ 30
Figura 11 - Exemplo de TM para interação com os processos industriais ............................... 32
Figura 12 - Válvula solenoide modelo VPS-700.4. .................................................................. 33
Figura 13 - SN eletrônico. ........................................................................................................ 34
Figura 14 - Sistema de Bombeamento do Prédio ..................................................................... 35
Figura 15 - Dados de Placa da Bomba ..................................................................................... 36
Figura 16 - Medição com o multimedidor. ............................................................................... 37
Figura 17 - Curva da bomba ME - HI9 .................................................................................... 39
Figura 18 - Curva rendimento x Vazão .................................................................................... 40
Figura 19 - Quadro de comandos da bomba de abastecimento e de emergência. .................... 40
APÊNDICE A - Esquema de comando do sistema de automação ........................................... 45
APÊNDICE B - Esquema de programação do CLP.. ............................................................... 46
LISTA DE TABELAS
Tabela 1- Evolução da produção, do consumo e das perdas de energia (1970-1998). ............. 16
Tabela 2 - Dados da bomba ...................................................................................................... 35
Tabela 3 - Consumo específico em serviço doméstico............................................................. 36
Tabela 4 - Legenda do esquema de configuração do CLP......................................................41
LISTA DE SIGLAS E UNIDADES
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas.
ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica.
BC – Bloco de Comando.
BP - Bloco de Potência.
CA – Corrente Alternada.
CC – Corrente Contínua.
CLP – Controlador Lógico Programável.
CP - Controlador Programável.
CPU - Central Processing Unit.
CTB - Conjuntos de Tubulações de Bombeamento.
CV – Cavalo-vapor.
Hz – Hertz.
IEC - International Electrotechnical Commission.
IHM – Interface Homem/máquina.
kW – Quilowatt.
kWh – Quilowatt-hora.
m³/h – Metros cúbicos por hora.
MCA – Metros de Coluna d’Água.
mm – Milímetros.
MRV - Máquinas de Rotação Variável.
NBR – Norma Brasileira (emitida pela ABNT).
PLC - Programmable Logic Controller.
PROCEL - Programa de Combate ao Desperdício de Energia Elétrica
QMÁX / QMÍN – Vazão Máxima/ Vazão Mínima
RPM – Rotações por minuto.
SDA - Sistemas de Distribuição de Água.
SN - Sensores de Nível.
TM – Terminal Monitor.
TWh – Terawatt-hora.
VRP - Válvulas Redutoras de Pressão.
η – Rendimento.
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 12
2 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA ........................................................................................... 14
2.1 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS ELÉTRICOS ..................................... 15
2.2 EFICIÊNCIA ENÉRGETICA EM SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA 16
3 SISTEMAS DE BOMBEAMENTO .................................................................................. 20
3.1 NORMAS E REGULAMENTOS ................................................................................. 20
3.2 BOMBAS HIDRÁULICAS .......................................................................................... 22
3.2.1 Principais Componentes ...................................................................................... 22
3.2.2 Classificação das Bombas .................................................................................... 23
3.2.4 Curva Altura Manométrica x Vazão .................................................................. 24
4 AUTOMAÇÃO .................................................................................................................... 25
4.1 DEFINIÇÃO .................................................................................................................. 25
4.2 TIPOS DE AUTOMAÇÃO ........................................................................................... 25
4.3 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL .......................................................... 26
4.4 CONTRIBUIÇÕES DA AUTOMAÇÃO ...................................................................... 29
4.4.1 Automação em Sistemas Elétricos ...................................................................... 30
4.4.2 Automação em Sistemas de Bombeamento ....................................................... 32
5 ESTUDO DE CASO ............................................................................................................ 34
5.1 PROJETO DE AUTOMAÇÃO PARA CONTROLE DO BOMBEAMENTO ............ 39
CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................................................. 42
REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 43
APÊNDICES ........................................................................................................................... 44
12
1 INTRODUÇÃO
A energia e sua conservação nunca receberam tamanha atenção como ultimamente, seja
em decorrência da crise energética brasileira de 2001 ou das preocupações ambientais e
geopolíticas mundiais relacionadas aos combustíveis fósseis e seu possível esgotamento. Não
só no Brasil, mas em todo o mundo tem-se buscado e investido em pesquisas e novas
tecnologias para o uso eficiente da energia e para a redução de desperdícios nos mais variados
níveis de produção e consumo.
Uma das áreas mais relevantes quando se fala em eficiência energética é o saneamento,
este setor apresenta um significativo dispêndio de energia e por isso merece atenção especial
no intuito de torná-lo o mais sustentável possível. Pode-se observar que pequenas mudanças
no processo, visando um maior aproveitamento da energia gasta, trazem uma considerável
economia de energia.
A área de saneamento, mais especificamente o setor de abastecimento de água,
apresenta uma dependência energética extremamente significativa, pois todo o processo de
transporte de água envolve basicamente o uso de bombas hidráulicas. Segundo
GONÇALVES (2009), estima-se que de 2% a 3% do consumo de energia do mundo ocorre
em sistemas de abastecimento de água, sendo o bombeamento de água o responsável por
cerca de 90% a 95% do total. Os principais equipamentos desses sistemas são as motobombas
que na maioria das vezes estão superdimensionadas, por não terem sido projetadas
adequadamente paras as condições exigidas, causando assim desperdícios de energia.
Considerando a grande cota de consumo desse setor é imprescindível a promoção de
ações de eficiência energética nos sistemas de bombeamento de água para diminuir as perdas
energéticas. Tendo em vista essa situação, o presente trabalho monográfico pretende realizar
um estudo sobre a utilização de bombas booster em Sistemas de Bombeamento Prediais de
Água Fria, através de um sistema automatizado com o uso de um Controlador Lógico
Programável (CLP), para obter aproveitamento da pressão advinda da rede de abastecimento.
A ideia de realizar esse estudo surgiu a partir do conhecimento de que a água entregue
pela concessionária aos consumidores já apresenta uma considerável pressão, e que esta, na
maioria dos casos, não é aproveitada. De acordo com a NBR nº 12218 (1994) a água deve
chegar ao consumidor com uma pressão mínima de 10 Metros de Coluna d’Água (mca), e
muitas vezes esse valor chega a ser bem maior, como, por exemplo, 50 mca, que é o valor
máximo de pressão permitido.
13
Contudo, quase que a totalidade dos prédios residenciais ou comerciais adota o sistema
indireto de abastecimento com a utilização de dois reservatórios, um superior e outro inferior,
dessa maneira a energia residual disponível no ponto de abastecimento, isto é, a pressão da
rede, é desperdiçada. A proposta do presente trabalho é avaliar os ganhos energéticos obtidos
a partir da substituição de um sistema de abastecimento indireto por um que utilize uma
bomba tipo booster, permitindo assim o aproveitamento da pressão existente na rede.
No desenvolvimento do trabalho será realizado um estudo de caso, onde se analisará o
consumo energético de um sistema de bombeamento já existente e a previsão de redução do
consumo de energia elétrica economia caso fosse adotada a substituição da bomba
convencional por uma bomba booster. Também será projetado um sistema de automação
utilizando o CLP, para controlar o sistema de bombeamento de acordo com a pressão da rede.
14
2 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA
A eficiência pode ser entendida como a capacidade de um sistema para produzir mais
com menos recursos empregados, ou seja, a medida da obtenção de resultados, tendo em face
da disponibilidade dos mecanismos utilizados. Da mesma forma, a eficácia de um sistema
corresponde a o quão bom ele é para atingir seus objetivos da melhor maneira possível.
Condicionados a uma série de fatores, que limitam a disponibilidade de energia, os
métodos que envolvem eficácia visam desenvolver, racionalmente e segundo uma logística, os
recursos financeiros, hídricos, naturais e tecnológicos, assim como a própria matriz energética
a fim de beneficiar a qualidade do serviço. Tratando-se em economia de energia em
determinado setor, observa-se que a disponibilidade e a confiabilidade do sistema
contrabalançam seu custo operacional.
As crises energéticas mundiais, por exemplo, como a do petróleo na década de 70,
alertaram todo o planeta sobre a importância de economizar esse produto e investir em outras
fontes energéticas, para que assim não haja uma total dependência em relação a esse insumo.
Outro exemplo desses acontecimentos foi a crise energética ocorrida em 2001 no Brasil, este
episódio despertou preocupações tanto do governo, quanto da própria sociedade. Dessa forma,
foi promulgada a Lei de Eficiência Energética (Lei 10.295 de 17 de outubro de 2001), esta lei
estabeleceu as diretrizes da política nacional de conservação e uso racional da energia elétrica
no Brasil, constituindo-se assim um grande marco regulatório da matéria no Brasil.
O domínio e o aproveitamento das diversas formas de energia sempre estiveram
diretamente associados ao progresso e ao desenvolvimento. No entanto, até recentemente, na
constante busca pelo crescimento econômico, o homem não atentou para as sérias
consequências que o uso indiscriminado da energia pode acarretar. Contudo, diante desses
acontecimentos, o homem passou a adotar uma postura diferente.
No Brasil, assim como em qualquer outro país em desenvolvimento, vem crescendo a
demanda, cada vez mais, por energia na modalidade elétrica. Tendo em vista esta razão, surge
a necessidade da realização de uma série de estudos e trabalhos visando melhorar a eficiência
dos sistemas elétricos, na mesma proporção que eles são requisitados. A eficiência energética
pode ser encarada como um desafio em longo prazo para reduzir os impactos ambientais e
melhorar os fatores sociais e econômicos, visto que a produção deve sempre crescer de acordo
com a carência de consumo objetivando atender as demandas exigidas.
15
2.1 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS ELÉTRICOS
No século XIX, quando Michael Faraday e Joseph Henry começaram a desenvolver um
dispositivo eletromecânico capaz de converter energia mecânica no movimento ordenado de
elétrons num condutor, o mecanismo “gerador” de Faraday produzia corrente contínua (CC),
enquanto Henry obteve a corrente alternada (CA) em seus experimentos. Com o passar do
tempo, ferramentas tecnologicamente aproveitáveis surgiram graças ao trabalho conjunto de
estudiosos e investidores. No início, a energia elétrica somente era acessível a pequenos
mercados locais em CC, como propunha Thomas Edison. A expansão da rede elétrica se
beneficiou dos trabalhos de Nikola Tesla sobre CA, sendo possível a transmissão de energia
em condutores reduzidos e em níveis de tensão elevados. Foi o primeiro grande passo na
direção do melhor aproveitamento energético em sistemas elétricos.
A ideia do sistema estabelecido por Westinghouse manteve-se até os dias atuais. Na CA
o fluxo ordenado de cargas elétricas não é constante, mas oscila continuamente, alternando-se
na sua direção. Por norma, a energia elétrica produzida no Brasil deve possuir oscilação de
sessenta vezes por segundo, ou 60 Hertz (Hz), já em outros países como Paraguai, utilizam 50
Hz como faixa de frequência.
Na malha da rede elétrica atual, diferentes níveis de tensão atuam de acordo com a
potência e as condições exigidas no trecho, adequando-se então por meio de subestações
transformadoras, que são elevadoras ou abaixadoras. A economia relativa em utilizar redes de
energia com potencial elétrico superior ao de utilização fundamenta-se na relação que existe
entre tensão e corrente, grandezas diretamente proporcionais à potência aplicada. Níveis de
tensão elevados implicam na diminuição da corrente para a mesma potência transmitida e
consequentemente numa possível redução da secção transversal dos fios e cabos (bitola);
sendo necessário menos material condutor para sua construção.
É importante que todo o mercado de energia elétrica esteja interconectado
em face dos benefícios econômicos que proporciona, tais como redução da
demanda de ponta agregada do sistema; redução nos custos de construção
das centrais; economias de escala; redução dos custos operacionais, maior
eficiência no consumo de combustível (usinas térmicas); otimização do
despacho de energia (conforme as diferentes tecnologias empregadas na
geração); melhoria na qualidade do sistema; maior confiabilidade e
estabilidade do sistema; e uniformização de normas técnicas (MARTINS,
1999. P.3).
16
Na tabela 1 é apresentada a evolução da produção, do consumo e das perdas de energia
no período de 1970 a 1998. É possível observar como o tempo surtiu efeito nos mecanismos
de controle de perdas, com intuito de aprimorar os aspectos condizentes a eficiência
energética do sistema elétrico.
Tabela 1- Evolução da produção, do consumo e das perdas de energia (1970-1998).
ANO PRODUÇÃO (TWh) CONSUMO (TWh) PERDAS (%)
1970 43 36 16,3
1980 131 114 13,0
1990 236 205 13,1
1997 330 276 16,4
1998 340 288 15,3
Fonte: ELETROBRÁS – Plano Decenal de Expansão 1999/2008
Os fatores mais notórios que contribuem para o custo da eletricidade em sistemas
elétricos são: baixo rendimento nas instalações, equipamentos antigos que dificultam a
manutenção por conta da inviabilidade de adaptação, consumo acima do usual em horários de
pico, ultrapassagem da demanda contratada e baixo fator de potência.
Essa condição do fator de potência em instalações elétricas é decorrente das seguintes
causas: operação de motores ou transformadores em vazio (baixa carga); motores ou
transformadores superdimensionados que excedem a potência necessária de suprimento; nível
de tensão elétrica acima da nominal; disposição da carga em vários de motores de potência
reduzida.
No ano de 1985, o poder executivo federal tomou a iniciativa de criar o Programa
Nacional de Conservação de Energia Elétrica, que mais adiante passou a se chamar Programa
de Combate ao Desperdício de Energia Elétrica (PROCEL). Essa atitude refletiu a
preocupação crescente com a conservação da energia elétrica no país. Em 1994, o programa
ganhou nova forma, ao ser revitalizado, inspirado nas posturas adotadas internacionalmente,
visto que detinham forte base tecnológica e tendência de mercado. O trabalho do PROCEL,
desde então, vem sendo consistido na formação de convênios com prefeituras,
concessionárias, governos, agências reguladoras, etc. Assim, o PROCEL age com a intenção
de estabelecer no país desenvolvimento tecnológico, regulatório e educacional.
17
Em 1993, foi criado o Selo PROCEL Eletrobras de Economia de Energia, mais
conhecido apenas como Selo PROCEL. O objetivo que o programa, juntamente como o
Ministério de Minas e Energia, cobiça é servir como um guia para orientação do consumidor.
No ato da aquisição de qualquer produto, ele será capaz de identificar aqueles que apresentam
os melhores índices de eficiência energética em relação a outros, dentro de uma determinada
categoria, já que o Selo funciona como um indicativo, e assim poderá proporcionar economia
no consumo. Deste modo, o Selo incentiva o desenvolvimento de produtos mais eficientes e
assim, a tecnologia e preservação do meio ambiente. Os produtos submetidos aos testes
necessários para concessão do Selo PROCEL são etiquetados e classificados dentro de faixas
específicas, como mostra a figura 1, exemplo de um produto enquadrado na categoria “A”.
Figura 1 - Selo PROCEL.
Fonte: <http://www.eletrobras.com/elb/procel/main.asp?TeamID={95F19022-F8BB-4991-
862A-1C116F13AB71}>. Acesso em 07 de março de 2014.
2.2 EFICIÊNCIA ENÉRGETICA EM SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA
Nos Sistemas de Distribuição de Água (SDA), a energia elétrica total é, na maior parte,
consumida pelas estações elevatórias, tornando-se dispendioso manter conjuntos de moto-
bombas funcionando para as empresas de saneamento. Com o intuito de abastecer grandes
comunidades com água potável, é de fundamental importância a realização de um estudo
criterioso em relação à eficiência energética, já que esses custos podem superar, ao decorrer
da vida útil dos equipamentos, as despesas com as instalações hidráulicas e mecânicas.
Infelizmente, a atual realidade existente no país nesta linha de pesquisa é, expressivamente,
18
reduzida. Para MARTINS (1999), na maior parte dos casos, as organizações governamentais
não detêm procedimentos a respeito da redução dos desperdícios energéticos, tampouco os
agentes usuários capacidade financeira para o investimento inicial.
A redução das perdas está relacionada como aumento do rendimento do sistema de
bombeamento, a potência instalada e a quantidade de tempo em funcionamento. Motores
elétricos de indução trifásicos tipo gaiola de esquilo são os responsáveis, na maioria das vezes
pelo acionamento das bombas hidráulicas, por se tratar de um motor de fácil aplicação,
instalação e manutenção. Se caracterizando com um equipamento adequado para utilização
contínua, pois o bombeamento ocorre, em alguns casos, sem interrupções, salvo em condições
especiais de manutenção e paralização. A seleção de uma motobomba (modelo da bomba e
potência do motor) é feita em função da vazão e da altura manométrica da instalação. A vazão
depende do consumo de água e das horas de operação do conjunto. Já a altura manométrica é
determinada em função do perfil topográfico do terreno e levando-se em conta a perda de
carga nas tubulações.
Nos SDA, os equipamentos são projetados para assegurar que o rendimento em
funcionamento seja máximo com a vazão integralmente necessária, porém, caso a demanda de
água solicitada sejam inferiores, os atributos do sistema de bombeamento devem ser
alterados, a fim de proporcionar a vazão necessária. O gerenciamento automático da pressão
na rede é uma das melhores formas de controle a fim de promover a eficiência energética do
sistema. Esse artifício é possível por meio do controle sistemático de pressão, através de
válvulas instaladas à jusante do conjunto de moto-bombas, ou em tubulações alternativas,
derivadas da direção principal, ou seja, o by-pass da bomba.
O ideal seria que todas as formas de comandos fossem realizadas de maneira remota,
porém o custo de instalação torna, em alguns casos, inviável, já que apenas dispositivos
mecânicos são suficientes devido ao baixo nível de complexidade na execução. Determinados
SDA não necessitam da realização de manobras, pois foram projetados para trabalharem,
ininterruptamente, nos mesmos estados.
Tradicionalmente no Brasil, o abastecimento de água tem sido feito através de um
reservatório elevado mantido por uma estação elevatória que é constituída por máquinas de
rotação constante. Com o intuito de diminuir os gastos com o armazenamento de água e
manter, satisfatoriamente, o fluxo, uma das soluções viáveis é a utilização de sistemas de
bombeamento direto, que utiliza Máquinas de Rotação Variável (MRV) como forma de
controle dos custos com energia elétrica e moldar as condições operacionais conforme a
necessidade de fornecimento.
19
As MRV representam um avanço da tecnologia e vem, cada vez mais, sendo utilizadas
nos SDA, pois são capazes de manter dentro dos parâmetros exigidos, em determinado
instante, os níveis de pressão e vazão, adaptando-se conforme a necessidade. Seu uso evita o
bombeamento de pressões demasiadas, resguardando a tubulação de eventuais vazamentos,
evitando o desperdício de água potável, além a redução do consumo de eletricidade.
Dentre os variados mecanismos de controle de rotação, neste trabalho será ressaltado o
inversor (conversor) de frequência (figura 2), um equipamento eletrônico capaz de modificar
gradativamente a frequência da tensão a qual o motor é submetido, e assim afetar as
condições de torque desenvolvido pela máquina, o que implica na gestão da vazão em bombas
centrífugas. O inversor de frequência é ainda, importante no controle da partida e parada do
motor, dessa maneira, a interrupção suave no funcionamento evita problemas em sistemas de
bombeamento, tal como o golpe de aríete.
Figura 2 - Inversores de Frequência Série CFW09.
Fonte: Catálogo WEG Inversores de Frequência Série CFW09.
O principal objetivo dos mecanismos responsáveis pelo controle da vazão nos SDA é
tentar manter determinado padrão de pressão em todos os pontos de fornecimento que este
sistema atua. Assim como energia elétrica, o consumo de água varia consideravelmente ao
decorrer do tempo, portanto a demanda requisitada altera-se de acordo com o horário e com
os anos. Caso o controle nos SDA seja ineficaz - ou até mesmo inoperante - problemas
relacionados ao aumento expressivo da pressão de descarga, no momento em que a demanda
diminui, irão prejudicar os pontos de fornecimento mais baixos. E, no instante em que a
demanda aumentar, a fraca pressão da rede afetará substancialmente os locais mais elevados.
20
3 SISTEMAS DE BOMBEAMENTO PREDIAL
O sistema de bombeamento predial de água fria nada mais é do que um sistema
composto por tubos, reservatórios, equipamentos como bombas hidráulicas e outros
dispositivos, que em conjunto são capazes de elevar o nível do líquido da fonte de
abastecimento até o reservatório superior. Esse sistema está diretamente ligado ao de
distribuição de água do prédio, que é responsável por conduzir o fluido até os pontos finais de
consumo. É possível dividir os sistemas de distribuição da seguinte maneira:
Direto: esta forma de distribuição não utiliza reservatórios e as peças de utilização do
edifício são ligadas diretamente à rede pública de abastecimento. Esse modo proporciona uma
maior economia de espaço e um menor carregamento estrutural, contudo, está sujeito a
interrupções no fornecimento devido a falhas ou a necessidade de manutenção da rede de
abastecimento e suscetível a prováveis variações de pressão, como pode ser observado na
figura 3:
Figura 3 - Sistema Direto de bombeamento
Fonte: PAULA, Heber Martins. Sistemas Prediais Sanitários e Hidráulicos.
Indireto: esta forma de distribuição utiliza reservatórios. Esse modo possibilita o
armazenamento de água para suprimento e minimiza o risco de refluxo de água na rede de
abastecimento. No entanto, esse modelo requer mais equipamentos e uma estrutura maior,
além de exigir manutenções periódicas, conforme a figura 4:
21
Figura 4 - Sistema Indireto de bombeamento
Fonte: PAULA, Heber Martins. Sistemas Prediais Sanitários e Hidráulicos.
3.1 NORMAS E REGULAMENTOS
Os projetos de sistemas de abastecimento prediais são feitos com base na NBR 5626
(1998) “Instalação Predial de Água Fria” da ABNT, esta norma estabelece exigências e
recomendações relativas ao projeto, execução e manutenção da instalação predial de água fria,
de forma a assegurar a qualidade e o bom funcionamento da instalação, assim como também a
segurança dos indivíduos que farão uso do sistema.
As instalações elevatórias devem possuir no mínimo duas unidades de elevação de
pressão, isto é, duas bombas para garantir o abastecimento de água no caso da falha de uma
das unidades. É recomendada também a utilização de comando liga/desliga automático,
condicionado ao nível de água nos reservatórios, utilizando, por exemplo, uma chave boia.
Neste caso, este comando deve permitir o acionamento manual para operações de
manutenção. O volume de água que deve estar contido nos reservatórios para uso doméstico
deve ser no mínimo, o suficiente para o consumo normal de 24 horas de todo o edifício,
desconsiderando o volume de água destinado ao combate a incêndio.
Outro regulamento de extrema importância se encontra na NBR nº 12218 (1994)
“Projeto de distribuição de água para abastecimento público” a pressão mínima dinâmica que
deve ser entregue ao consumidor pela companhia de água é 10 mca e a máxima é 50 mca.
22
Estes valores, por conta de mudanças nos parâmetros na rede de abastecimento mudam
durante o decorrer do tempo, mas segundo a norma deve-se ter pelo menos 10 mca.
3.2 BOMBAS HIDRÁULICAS
A bomba hidráulica pode ser considerada um dispositivo de transferência de energia,
uma vez que o trabalho mecânico é transformado em energia de fluido (pressão, energia
cinética e potencial). A principal função de uma bomba nos sistemas de bombeamento é
elevar a pressão do líquido de forma que ele possa se deslocar de um nível inicia para um
nível mais elevado.
3.2.1 Principais Componentes
Os principais componentes apresentados por uma bomba são o rotor (parte móvel),
carcaça e o difusor (parte fixa). O rotor da bomba está diretamente acoplado com um motor,
geralmente elétrico. Através do acoplamento mecânico entre os rotores do motor e da bomba,
por meio dos seus eixos, a energia mecânica advinda do motor é transferida para a bomba, a
qual transmite energia cinética para o fluido. O difusor é uma espécie de canal de seção
crescente que recebe o fluido vindo do rotor, e por causa desse formato, à medida que o
líquido é escoado ocorre uma diminuição da vazão e um aumento da pressão, veja a figura 5:
Figura 5 - Componentes da bomba centrífuga.
Fonte: Manual Técnico Scheneider Motobombas.
23
3.2.2 Classificação das Bombas
Podem se classificar as bombas essencialmente em duas categorias: as volumétricas ou
de deslocamento positivo e as turbo-bombas ou centrífugas. A bomba de deslocamento
positivo caracteriza-se por possuir câmaras nas quais um elemento móvel (pistão, embolo ou
diafragma) impulsiona o fluido provocando seu deslocamento. Já as centrífugas, mais
utilizadas, são constituídas pela presença de um elemento girante composto por pás chamado
rotor, a movimentação do conjunto promove o escoamento do líquido.
3.2.3 Bombas com aplicação Booster
Essas bombas se diferem das demais por serem fabricadas especificamente para receber
água da rede de abastecimento e transmiti-lo diretamente para a tubulação de recalque. Desse
modo, elas podem transferir energia mecânica ao fluido sem que ocorra a perda de carga
localizada, pois são capazes de aproveitar a pressão já existente. Funcionam analogamente a
fontes de tensão contínua, que quando colocadas em série, promovem a elevação do potencial
elétrico de maneira independente.
Por possuir determinadas características de construção e utilização, as bombas boosters
são empregadas frequentemente em projetos que se deseja aumentar a eficácia do processo de
bombeamento. Seu uso dispensa a implantação de reservatórios inferiores para o
abastecimento de edificações de tamanho superior a pressão manométrica disponível, pois a
sucção ocorre de maneira livre, contínua e direta. Contudo, são sujeitas a eventuais avarias
que possam ocorrer no fornecimento de água da rede, como a interrupção no fornecimento de
água ou indisponibilidade de pressão.
Suas principais aplicações são de o bombeamento em sistemas de elevação e
pressurização de redes de abastecimento de água em edifícios residenciais e comerciais,
lavagem industrial, transporte de água a longas distâncias, lavadoras de alta pressão, irrigação
de jardins, filtragem forçada e alimentação de caldeiras. A figura 6 ilustra um exemplo de
bomba booster de alta potência.
24
Figura 6 - Bomba booster.
Fonte: Catálogo da Scheneider Motobombas Linha BT4.
3.2.4 Curva Altura Manométrica x Vazão
As características operacionais e o desempenho de uma bomba são expressos por meio
de curvas, uma delas é a chamada Curva Altura Manométrica x Vazão. Esse gráfico fornece
informações fundamentais para conhecer o comportamento da máquina em diversas situações
e é dado pelo próprio fabricante da bomba. A curva relaciona diferentes valores de vazão que
a bomba é capaz de recalcar com a altura manométrica total.
Na figura 7 podemos observar a curva de uma bomba com o rotor de 129 mm, ela
aponta os valores de vazão em função da altura manométrica. Pode-se observar que a altura
varia inversamente proporcional a vazão. Por exemplo, para obter uma vazão de 12 m³/h,
utilizando esta bomba, a altura manométrica é de 28 mca (Ponto A). Mas se quisermos
diminuir a altura manométrica para 18 mca, a vazão aumentará para 13,8 m³/h (Ponto B).
Figura 7 - Curva Bomba ME -2 AP-27.
Fonte: Catálogo Schneider Moto-bombas.
25
4 AUTOMAÇÃO
4.1 DEFINIÇÃO
Automação (do latim Automatus, que significa mover-se por si) é uma condição
peculiar que um sistema pode vir a ter, a qual o torna apto a elaborar atividades específicas
comandadas por uma gama de sinais elétricos, mecânicos, hidráulicos, pneumáticos, entre
outros, oriundos do próprio sistema. Em outras palavras, em um sistema automatizado os
mecanismos são responsáveis pelo controle e operação do sistema, sem a necessidade da
intervenção humana para o pleno funcionamento. Essa é uma definição clara e simples para o
termo automação que pode adquirir vários sentidos, não divergentes do seu significado
primordial, quando inserido no contexto tecnológico.
A automação pode se referir ao simples processo de mecanização da produção, a fim de
torna-la mais eficiente e dinâmica de forma geral, como na revolução industrial quando foram
desenvolvidas máquinas com esse intuito1.
4.2 TIPOS DE AUTOMAÇÃO
Foi na década de 1960 que começaram a surgir os sistemas automáticos que obtiveram
resultados significativos. Esses primeiros indícios de automação caracterizavam-se pelas
máquinas operantes bastante restritas, pois se limitavam na construção de um produto em
particular. No entanto, com qualquer sutil alteração que sua modelagem venha a ter, a
adaptação tornar-se-ia dispendiosa e complexa. Este tipo de automação refere-se ao tipo
rígido.
Já nos tempos atuais, com o auxílio das modernas tecnologias, os sistemas automáticos
conseguiram atingir um novo patamar, o qual a dinamicidade torna-se uma particularidade
inevitavelmente essencial. A partir de então, as máquinas passaram a ser elaboradas
diretamente a partir de sistemas informatizados ou dispositivos programáveis, o esforço
conjunto de várias tecnologias como hidráulica, eletrotécnica, pneumática, mecatrônica,
dentre outras, designa o tipo de automação flexível, do inglês Flexible Manufacturing System.
As vantagens que essa modalidade oferece consistem no melhor aproveitamento dos recursos
1 Um exemplo é o do francês Joseph-Marie Jacquard, que arquitetou, durante o século XIX, um sistema
para automatizar a tecelagem através de peças perfuradas, estas serviam para a orientação da máquina ao tecer os
padrões de cores na seda.
26
materiais e humanos, tornando-se mais eficiente e arrojado devido ao caráter dinâmico, além
da redução dos custos de produção e da necessidade de intervenção humana direta.
Em termos mais específicos, a automação predial e residencial – do inglês, home &
building automation - é o segmento da tecnologia dedicado à automatização dos utensílios e
dispositivos domésticos em habitações. A domótica é o termo que designa a automação
residencial em si, aplicada diretamente aos mecanismos restritos a unidade habitacional, como
uma casa ou um apartamento. Enquanto a automação predial refere-se às funções voltadas
para o setor industrial, administrativo ou comercial de um prédio como um todo. Este
mercado encontra-se com fortes tendências de expansão, e está consolidado há muito, por isso
a oferta é bem recebida pelos consumidores.
4.3 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL
O CLP – do inglês, Programmable Logic Controller (PLC) – é uma sofisticada máquina
eletroeletrônica capaz de substituir, com aptidão, os sistemas de lógica cabeada, formado
apenas por equipamentos eletromecânicos (relés, contatores, temporizadores). Ele foi
projetado a fim de ser um dispositivo de armazenamento em sistemas de lógica programada,
deste modo o uso adjunto de equipamentos eletromecânicos e sequenciadores lógicos é
eficiente em coordenar todas as particularidades das funções que compõem um programa de
automação em processos industriais, eliminando os problemas e restrições da lógica cabeada.
“Um PLC pode ser definido como um complexo sistema eletrônico para uso industrial
capaz de gerir qualquer operação de industrial de maneira flexível”. (PRUDENTE, 2011.
P.10).
A aplicação de CLP permite desde a tomada de decisões, ao armazenamento,
visualização e possível transferência de dados, como também a elaboração e decodificação de
sinais lógicos e execução de operações matemáticas distintas. O conjunto de todas as funções
que um CLP é capaz de executar é chamado de set instruction.
Os CLPs fazem uso de microprocessadores e componentes eletrônicos como sensores e
transdutores que atuam através da elaboração dos sinais de entrada. A unidade central
organiza todas as funções de controle. Sua memória programável possibilita identificar e
executar comandos para comunicação com dispositivos de entrada e saída, ou input/output. A
emissão de sinais de saída, analógicos ou digitais, é definida por um padrão predeterminado
em um software, a unidade de programação consiste na Interface Homem/Máquina (IHM) do
27
equipamento, pode ser um computador (figura 8) ou um mero teclado. Desse modo, o
comando remoto dos atuadores é realizado de maneira satisfatória.
Figura 8 - IHM com o software LOGO!.
Fonte: Catálogo LOGO! Siemens.
A Central Processing Unit (CPU) é o suporte eletrônico que comporta o
microprocessador do CLP, ela é a sua parte mais importante, pois determina seu desempenho
no que condiz a potência e velocidade de processamento de informações. A CPU é
responsável por codificar os dados que adquire através dos sinais de entrada, caso haja
alteração de sinal ela responde compilando novos dados conforme a lógica interna concebida
pelo programa, que gera assim o valor de saída adequado e assim aciona o dispositivo
atuador. A cada leitura das entradas e saídas, os dados são registrados em um determinado
conjunto de células de memória, especificamente nas imagens do processo de entradas/saída.
Esse arranjo sequencial que a CPU realiza suas operações é o chamado ciclo de scan ou
varredura, o período de duração do ciclo corresponde ao tempo de scan, que
preferencialmente deverá ser curto para prevenir o mau funcionamento da instalação.
A figura 9, a seguir, mostra um esquema de montagem funcionamento das entradas e
saídas em um CLP “LOGO!”, da fabricante Siemens. Vale ressaltar que, o CLP reconhece as
entradas quando o chaveamento indicar uma tensão de 24 V em CC. O modelo oferece
possibilidade para quatro entradas e seis saídas, responsáveis pelo simples acionamento
automático, com chave reversora, do motor representado.
28
Figura 9 - Esquema de montagem CLP LOGO!.
Fonte: Apostila de Automação Industrial – Prof. Marcelo Eurípedes.
O primeiro CLP foi usado na indústria automobilística, por volta de 1960, com o intuito
de reduzir o tempo de parada nas máquinas na produção, anteriormente a sua aplicação, havia
a necessidade de alteração de todo o circuito elétrico de controle a cada novo modelo de peças
a ser produzidas. A utilização o CLP permitiu reduzir o tempo de produção, pois bastava
mudar a programação do mesmo para que um novo componente fosse fabricado, reduzindo os
custos do processo de produção, o que tornava o produto mais competitivo no mercado. A
partir de então os novos modelos de CLPs que vem a surgir no mercado foram sendo,
gradativamente, mais aprimorados, confiáveis e eficientes; fazendo com que esse dispositivo
atinja um padrão bastante aceito e com uma infinidade de aplicações.
Hoje, há disponíveis no mercado vários modelos e fabricantes (Siemens, General
Eletric, Schneider Eletric, WEG, etc.) de dispositivos cuja função se assemelha aos CLPs.
Tendo em vista essa diversificação e a falta de padronização, os clientes eram obrigados a
adequar suas instalações a um fabricante específico. Para regulamentar a fabricação e
29
programação dos CLP, a norma2 que estabelece o padrão de linguagens de programação e
outras condições de fabricação para os Controladores Programáveis (CP) 3 foi estabelecida em
1992.
Os CLPs se classificam de acordo com sua capacidade de atuação em sistemas de
automação - Micro e Nano porte: possuem até dezesseis entradas/saídas, compostos por um
módulo de 512 etapas; Médio porte: contém até duzentas e cinquenta e seis entradas/saídas,
digitais e analógicas, com um módulo 2048; Grande porte: fabricado com CPU principal e
outras auxiliares, módulos especiais, para redes locais e de entrada/saída digitais e analógicas
com até 4096, memória expansível e adaptável ao usuário.
4.4 CONTRIBUIÇÕES DA AUTOMAÇÃO
Como já foi discutido, os primeiros exemplos de automação surgiram com a
necessidade da indústria a se adaptar aos modernos sistemas de produção presentes no mundo
contemporâneo. Tornar um sistema mais eficiente é um desafio impulsionado pela
necessidade inevitável de ser mais competitivo e gerar mais lucro com a produção. O
desenvolvimento de mecanismos capazes de suprir, com excelência, a mão de obra humana,
ou até mesmo facilitar a vivência em indústrias, residências e cidades como um todo, tem
contribuído significativamente para a melhoria dos relacionamentos homem e máquina.
Ao projetar um sistema de controle de processos, o foco de preocupação deve estar
voltado para identificar como aqueles mecanismos irão agir para controlar as várias variáveis
físicas e assim obter produtos de alta qualidade, aumentando os níveis de rendimento e
segurança, além de manter os custos compatíveis às necessidades do consumidor. Para tanto é
exigido o aprimoramento dos recursos tecnológicos disponíveis, para que sejam devidamente
manipuladas as condições dos insumos envolvidos nas técnicas de gerenciamento, como por
exemplo, o controle das condições de nível e temperatura.
No desenvolvimento de um sistema de automação moderno, é previsto o uso de
equipamentos capazes de gerenciar todas as funções específicas em um programa. A
tecnologia dedicada à lógica programada como aparato, de modo que possa atender as
exigências nos esquemas de controle em situações locais árduas (fábricas e indústrias), é
chamada de informática industrial. Ela reúne todas as ferramentas tradicionais da informática,
2 Emitida pela International Electrotechnical Commission (IEC). A norma IEC 61131 se destina a todos os
modelos de CP, assim como seus respectivos componentes e periféricos. 3 A sigla CP é anterior à CLP, esta foi criada com intuito de substituir a antiga visto que poderiam ocorrer
confusões com o desenvolvimento do Computador Pessoal, que também veio a se chamar, abreviadamente, de
CP.
30
além de dispositivos peculiares deste segmento tecnológico, como os CPs, CLPs e o Controle
Numérico Computadorizado.
4.4.1 Automação em Sistemas Elétricos
Os sistemas de automação para o controle de processos são constituídos fisicamente de
mecanismos eletromecânicos que realizam inúmeras funções e agem em conjunto para formar
um bloco de comando ou de potência como um todo. Seu desempenho é regido através de
ciclos de funcionamento que regulam a relação dos equipamentos e as devidas instruções que
eles venham a ter para trabalhar. O Bloco de Potência (BP) corresponde às máquinas motrizes
do sistema propriamente são os vastos tipos de motores elétricos, cilindros pneumáticos e
hidráulicos. Já o Bloco de Comando (BC) é a unidade responsável pela autogestão do sistema,
é a parte que comanda o BP, formada por controladores lógicos, computadores - e outros
dispositivos de sequenciamento e elaboração - e por detectores.
Nos sistemas elétricos de automação, a operação elementar de funcionamento constitui-
se na conversão de um sinal elétrico em um estímulo mecânico realizado através de atuadores.
Eles podem ser mecânicos, elétricos, hidráulico ou pneumático; integram o BP, os mais
utilizados em nível industrial correspondem aos motores elétricos do tipo assíncronos, ou de
indução trifásico, por conta de sua fácil instalação, manutenção e acionamento.
Na figura 10 é mostrado um “Kit para Automação”, utilizado para acionar máquinas
operatrizes, visando aumentar a eficiência e proporcionar segurança aos operadores em
máquinas que ofereçam riscos significativos durante o processo produtivo, já que para acioná-
lo é necessário utilizar ambas as mãos no dispositivo.
.
Figura 10 - Kit para Automação com comando bimanual.
Fonte: Catálogo de produtos WEG linha Safety.
31
Os dispositivos detectores, que compõem o BC, permitem identificar as informações e
estágios do processo automatizado, assim como qualquer grandeza física (posição,
temperatura, pressão, etc.). Eles podem ser considerados digitais quando o tipo de sinal
fornecido pela saída seja designado por níveis bem definidos (on/off). A passagem de um
estado para outro acontece no momento em que a grandeza física supera certo valor
determinado. Já os detectores do tipo analógico fornecem um valor de sinal elétrico
proporcional aos variados níveis de medição verificados no ambiente. Por convenção os
dispositivos chamados de sensores designam os detectores do tipo digital, enquanto os
transdutores, do tipo analógico.
Mesmo que a interatividade entre homem e máquina em sistemas puramente
automatizados seja mínima, nos dispositivos de controle pertencentes ao BC deve haver
mecanismos capazes de permitir esta interação. Assim são chamados estes dispositivos, IHM.
Nos sistemas de lógica cabeada predominam os aparelhos de comando e sinalização clássicos,
como chaves, botoeiras e sinalizadores. Já os terminais de diálogo mais sofisticados são
utilizados para verificar de modo mais abrangente os detalhes do sistema controlado,
basicamente são displays modernos formados pelo painel operador e o Terminal Monitor
(TM), como mostra a figura 11, a seguir.
Figura 11 - Exemplo de TM para interação com os processos industriais
Fonte: Guia de Produtos TIA Siemens Edição 2011.
32
4.4.2 Automação em Sistemas de Bombeamento
A gestão de qualidade dos mecanismos de abastecimento requer a eficácia no processo
de obtenção, estocagem e distribuição dos recursos hidroelétricos. Os sistemas de automação
modernos são capazes de suprir as necessidades de comandos automatizados nos SDA,
através de uma operação assistida dos equipamentos que os compõem. Para alcançar a
plenitude no funcionamento, manobras de controle devem ser realizadas, que constituem
basicamente na abertura e fechamento de válvulas e registros, além do acionamento de
conjuntos moto-bombas. Essas manobras interferem no fluxo de água nos Conjuntos de
Tubulações de Bombeamento (CTB), conforme requisitado pelo SDA às variações de pressão
e vazão.
Existem muitos tipos de válvulas, adaptadas para as mais diversas aplicações, elas são
responsáveis por boa parte do controle sistemático nos CTB. As válvulas eletromecânicas
ganham destaque quando se pretende fazer uso de recursos automatizados, dessas a mais
utilizada é a válvula solenoide, como dispositivo de automação ou de segurança, cabe ao
projetista definir o modelo mais adequado e assim, estender sua vida útil. Ela é composta de
duas unidades funcionais, os orifícios de passagem que possuem discos obturadores, e o
mecanismo eletromagnético de acionamento, formado pelo solenoide e seu núcleo magnético.
A seguir, a figura 12 ilustra um exemplo de válvula solenoide com aplicação em instalações
prediais de água fria.
Figura 12 - Válvula solenoide modelo VPS-700.4.
Fonte: Catálogo completo de produtos Multicoil.
33
Os Sensores de Nível (SN) são dispositivos detectores capazes de identificar o estado
que se encontra o volume de um líquido em um reservatório que o contém. Eles são utilizados
para constatar a quantidade do fluido e estabelecer o funcionamento de determinadas válvulas,
para assim poder comandar o fluxo que circula na vazão de entrada e saída. Existem bastantes
modelos, mas os mais utilizados para medição de nível, em tanques de água fria, funcionam
auxiliados por um circuito eletrônico que verifica a capacidade de fornecimento de corrente,
dado que a presença de água altera o estado dos conectores, passando a conduzir ou não. Em
sistemas de bombeamento automatizados, os SN eletrônicos desempenham fundamental
importância no que se refere ao acionamento do conjunto moto-bombas, responsáveis por
preencher a caixa d’água nas tubulações de recalque. A figura 13 mostra um exemplo utilizado
em instalações hidráulicas prediais de água fria.
Figura 13 - SN eletrônico.
Fonte: Catálogo geral de produtos Nivetec.
Tratando-se de automação em sistemas de bombeamento, o mecanismo capaz de
integrar os componentes apresentados de maneira eficaz, considerando os requisitos
predispostos para a eficiência energética, é o CLP. Utilizando mecanismos computacionais é
possível desenvolver um circuito de comando automático que trabalha segundo as suas
instruções. A fabricante WEG disponibiliza gratuitamente o software “Clic02 Edit”,
específico para configuração do CLP, nele ferramentas digitais podem ser programadas para
atuarem de verdade em CTB e SDA.
34
5 ESTUDO DE CASO
Através desse trabalho pretende-se analisar uma situação real, isto é, utilizar um sistema
de bombeamento já existente, verificando suas características e seu desempenho em
funcionamento. A partir dessa análise poderá ser proposta uma solução mais eficiente, que
satisfaça todas as necessidades do sistema.
Devido à facilidade de acesso para as medições e aferições, foi escolhido o sistema de
bombeamento do Condomínio Juraci Rolim – Bloco C4. O bombeamento desse prédio multi-
familiar é feito por uma única bomba como pode ser visto na figura 14:
Figura 14 - Sistema de bombeamento do prédio.
4 Endereço: Rua Denise Alves de Medeiros, 180, bairro Sandra Cavalcanti – Campina Grande/PB.
35
A motobomba utilizada é uma Centrífuga de Multiestágios, modelo ME-2 AP-27
fabricação Schneider. Suas aplicações são: abastecimento predial, irrigação, alimentação de
caldeiras, transporte de água a longa distância ou indústrias. A figura 15 apresenta os dados de
placa, que podem ser visualizados também na Tabela 2.
Figura 15 - Dados de Placa da Bomba.
Tabela 2 - Dados da bomba
Potência
(CV)
Diâmetro do
rotor (mm)
QMÁX/QMÍN
(m³/h)
Potência
medida (kW)
η do
conjunto (%)
Altura (MCA)
3 129 4,7/14,8 2779 40,9 41,3
Fonte: Dados de placa da Motobomba ME-2 AP-27.
Para medir a potência consumida pelo motor foi instalado um instrumento multimedidor
de grandezas elétricas (Figura 16), constatou-se que a potência média consumida pelo
conjunto moto-bomba foi de 2,755 kW. Com os dados de potência medidos é possível
calcular o consumo mensal de energia da unidade habitacional. Para se avaliar a eficiência do
sistema de bombeamento necessita-se ainda de uma análise do consumo de energia elétrica e
a vazão fornecida pelo conjunto motobomba.
36
Figura 16 - Medição com o multimedidor.
O valor da estimativa da demanda de consumo de água depende, naturalmente, da
destinação ou finalidade do prédio que podem ser edifícios residenciais, comerciais ou
industriais. Será utilizada como referência para o estudo de caso uma edificação residencial.
Segundo CREDER (2006), para cada quarto social deve ser considerado duas pessoas e uma
para cada quarto de serviço habitando no local.
Tabela 3 - Consumo específico em serviço doméstico
Prédio Consumo (litros/dia) Unidade
Apartamento 200 Per capita
Apartamento de Luxo 300 a 400 Per capita
200 Quarto da empregada
Residência de luxo 300 a 400 Per capita
Residência de médio valor 150 Per capita
Residência de populares 120 a 150 Per capita
Alojamento provisório de
obras
80 Per capita
Apartamento de zelador 600 a 1000 Apartamento
Fonte: CREDER (2006).
O prédio analisado possui vinte e quatro apartamentos, cada um com três quartos
sociais. Portanto podem-se inferir seis pessoas por unidade habitacional (Eq. 1), levando em
conta também o valor per capita apresentado na tabela 3 (200 litros/dia), tem-se
consequentemente um total de 28.800 litros de água diários, que corresponde a 28,8 m³. De
acordo com a curva da bomba (ME-2 AP-27) do edifício (figura 8) e considerando uma altura
manométrica de 28 metros podemos afirmar que a vazão prevista é de 12 m³/ h (Ponto A).
37
. (Eq. 1)
(Eq. 2)
Com o valor do volume mensal obtido pela Eq. 2 e da vazão prevista pode-se calcular
o tempo mensal de funcionamento da bomba, que é de 48 horas/mês.
(Eq. 3).
Agora é possível dimensionar o consumo mensal de energia em kWh, considerando a
potência medida com o qualímetro de 2,755 kW:
(Eq. 4).
( ) (Eq. 5).
Após identificar o consumo atual do sistema de bombeamento do prédio em questão,
serão avaliadas as melhorias adquiridas quando ocorre o aproveitamento da pressão já
existente na rede, que deve ser de no mínimo 10 MCA, utilizando a mesma bomba, mas
ligando-a diretamente à rede, isto é, analogamente a uma booster. Considerando 10 metros a
altura manométrica que a rede pode fornecer por ela mesma, os 28 metros de altura da
edificação são reduzidos para 18 metros e assim a vazão fornecida aumenta para 13,8 m³/h
(ponto B – figura 6) e consequentemente o tempo de operação é reduzido.
(Eq. 6).
O novo consumo de energia será:
(Eq. 7).
( )
Assim, o ganho de energia obtido foi de:
38
(Eq. 8).
( )
(Eq. 9).
Contudo observando o gráfico da vazão x rendimento da bomba, percebemos que com
o aumento da vazão o rendimento do conjunto moto-bomba diminui, pois seu rendimento que
é η = 0,409 passa a ser η = 0,32, portanto a escolha de uma bomba mais eficiente torna-se
uma melhor solução. Após examinar os requisitos que devem ser expressos pela moto-bomba
definiu-se o modelo ME – HI9 como a escolha mais eficiente para a situação. Esse modelo
possui uma potência de 1,5 CV ou 1104 W. Para uma manométrica de 18m a vazão, de
acordo com a curva da bomba, é de 13,5 m³/h (ponto A - figura 17).
Figura 17 - Curva da bomba ME - HI9
Fonte: Catálogo Schneider Moto-bombas.
Dessa forma, pode-se calcular o tempo mensal de funcionamento da bomba:
(Eq. 10)
( ) (Eq. 11)
Constata-se uma grande diminuição no consumo de energia:
( )
(Eq. 12).
A tarifa de energia cobrada pela concessionária é R$ 0,36/ kWh, dessa maneira o ganho
obtido em reais foi de:
39
( ) ( ) (Eq. 13)
Além disso, a bomba Modelo ME – HI9 proporciona, conforme a curva do seu
rendimento, um maior rendimento η = 0,54 (Ponto A figura 18).
Figura 28 - Curva rendimento x Vazão
Fonte: Catálogo Schneider Moto-bombas.
5.1 PROJETO DE AUTOMAÇÃO PARA CONTROLE DO BOMBEAMENTO
Como descrito, o sistema de bombeamento estudado é formado por método de
abastecimento indireto. A moto-bomba, que exerce a função principal, assim como os outros
dispositivos eletromecânicos são acionados e controlados pelo quadro de comandos elétricos
da instalação. Como mostra a figura 19, a seguir:
Figura 19 – Quadro de comandos da bomba de abastecimento e de emergência.
40
A fim de atender os objetivos deste trabalho, será proposto um projeto de automação
destinado às manobras de controle dos equipamentos a serem utilizados no novo sistema. O
novo sistema será constituído por uma moto-bomba com funcionamento do tipo booster,
trabalhando de modo cooperativo à usual, já que esta pode suprir as carências de
abastecimento, no caso de incapacidade do conjunto principal, devido a falhas externas.
Na instalação hidroelétrica deverá haver componentes detectores, os SN nos
reservatórios e o pressostato da tubulação, e acionadores, as válvulas solenoide. O uso desses
elementos é de fundamental importância, já que o funcionamento do conjunto moto-bomba
novo depende da ausência parcial de água no reservatório superior (caixa d’água) e da correta
aferição de pressão exigida por norma. O esquema de bombeamento que segue5, discrimina a
relação entre os componentes da instalação.
Com o intuito de cumprir essas expectativas, foi idealizado um esquema de
programação com base na linguagem Ladder, designado para configurar um dos modelos de
CLPs da fabricante WEG6. Por motivos de segurança, foi adicionada a chave “I1”, que
habilita o modo automático, ativando esquema de trabalho do sistema de automação descrito a
seguir.
Nas condições normais de uso, quando o conjunto moto-bomba principal e o ativador de
passagem de água “V1” no CTB (válvula solenoide) estão funcionando, é necessário que os
SN comuniquem o correto estado da caixa d’água e o pressostato, a pressão da rede, já que
são responsáveis por informar ao sistema a necessidade de fluido a ser bombeado e identificar
o valor corriqueiro de abastecimento, respectivamente. O sistema entende esse fato quando
pressostato e o “SN1” e o “SN2” são, mutualmente, acionados.
No entanto, se não houver pressão na rede de abastecimento disponível para a correta
operação do conjunto moto-bomba principal e a caixa d’água requisitar o fornecimento,
entrará em ação o conjunto auxiliar, formado pelo esquema de funcionamento usual de
bombeamento, o qual o moto-bomba impele água oriunda de um reservatório inferior
(cisterna), através do CTB para a caixa d’água, após esta ser liberada pela válvula “V3”. Essa
situação irá se verificar quando o presostato não é ativado, mas o “SN1” e o “SN2” sim.
O suprimento de água na cisterna irá acontecer exclusivamente pela escassez na mesma
homologada pelo “SN3”. Instalado numa posição intermediária do reservatório, ele é
acionado quando o nível atinge determinado volume, assim, a abertura da válvula “V2” é
realizada, permitindo a passagem de fluido proveniente da rede. Vale ressaltar que existe um
5 Ver APÊNDICE A.
6 Ver APÊNDICE B.
41
intertravamento, isto é, a cisterna somente será abastecida quando o conjunto moto-bomba
principal não estiver em operação, consequentemente a válvula “V1” estará fechada neste
momento. O mesmo não é válido para o conjunto auxiliar.
A tabela 4, a seguir, ajuda a entender melhor a simbologia utilizada no esquema do
APÊNDICE D. Ela identidica as saídas “Q’s”, os componentes que serão acionados, e as
entradas “I’s”, que servirão com chaves.
Tabela 4 – Legenda do esquema de configuração do CLP.
ENTRADAS SAÍDAS
I1 Modo automático Q1 V1
I2 Pressostato Q2 V2
I3 SN1 Q3 V3
I4 SN2 Q4 MTB principal
I5 SN3 Q5 MTB auxiliar
CONTATORES AUXILIARES
M1 Caixa d’água seca
M2 Motobomba principal ligada
M3 Caixa d’água completamente cheia
M4 Motobomba auxiliar ligada
Fonte: própria dos autores.
42
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Como consequência de um criterioso estudo dos atuais sistemas automatizados de
bombeamento de água fria em instalações hidroelétricas prediais, foi possível esclarecer o
funcionamento dos principais mecanismos que atuam nesses modelos e assim identificar o
quão ineficaz eles podem ser.
Tendo conhecimento do fato de que, na maioria dos sistemas atuais ocorre uma perda de
carga localizada, visto que, por norma, as companhias de saneamento devem fornecer uma
pressão manométrica mínima pré-determinada, foram traçadas metas para propor uma solução
alternativa na melhoria da eficiência energética.
Após uma análise dos parâmetros elétricos e hidráulicos de um exemplo real que se
encaixa na descrição mencionada, foi proposto um modelo que correspondeu adequadamente
às expectativas, pois foram obtidos resultados satisfatórios quando simuladas as condições de
operação da máquina.
Apesar de requerer dispendiosos os investimentos iniciais, confirma-se que a utilização
de conjunto moto-bombas boosters, no lugar das tradicionais formas de bombeamento
indireto, reduz significativamente os custos com energia elétrica e é uma solução viável. Além
de que, esse método direto, simples e contínuo de abastecimento é possível de ser aplicado
não só a sistemas prediais, mas a qualquer outro SDA em que exista a necessidade de
elevação de potencial hidráulico em tubulações com certa pressão natural.
Devido à longa expectativa de tempo de vida útil para esses tipos de equipamentos, o
retorno financeiro é assegurado, o que confirma a ideia fundamental que gerou a discussão e o
desenvolvimento deste trabalho, a eficiência energética em sistemas de bombeamento.
43
REFERÊNCIAS
_______, NBR 5626: Instalação predial de água fria. Rio de Janeiro, 1996.
CENTRAIS ELÉTRICAS BRASILEIRAS, FUPAI/EFFICIENTIA. Sistemas de
Bombeamento d’água. Eficiência Energética em Sistemas de Bombeamento. Rio de
Janeiro: Eletrobrás, 2005. (P. 63).
CREDER, H. Instalações Prediais de Água Potável. IN: Instalações Hidráulicas e
Sanitárias. Rio de Janeiro: LTC, 2006.
GOMES, Heber Pimentel. Et al. Consumo de energia. Conservação de água e energia em
sistemas prediais e públicos de abastecimento de água. GONÇALVES, Ricardo Francis
(Org.) Rio de Janeiro: ABES, 2009.(P.99).
MARTINS, M. P. S.. Inovação Tecnológica e Eficiência Energética. IN: Inovação
tecnológica e eficiência energética. Monografia (Engenharia Elétrica), Universidade Federal
do Rio de Janeiro, 1999.
PRUDENTE, F. 2011. Automação Predial e Residencial. Automação Predial e Residencial:
uma introdução. Rio de Janeiro: LTC, 2011.
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44
APÊNDICE A - Esquema de comando do sistema de automação7.
7 Elaborado com o auxílio do software AUTOCAD 2010.
45
APÊNDICE B - Esquema de programação do CLP8.
8 Elaborado com o auxílio do software Clic02 Edit da WEG.
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