Manual de Bombeamento Procel, Manuais, Projetos, Pesquisas de Hidráulica

Baixe Manual de Bombeamento Procel e outras Manuais, Projetos, Pesquisas em PDF para Hidráulica, somente na Docsity!

HEBER PIMENTEL GOMES

PAULO SÉRGIO O. DE CARVALHO

Organizadores

MANUAL DE SISTEMAS DE

BOMBEAMENTO

Eficiência Energética

Editora Universitária – UFPB

João Pessoa, 2012

1ª Edição: 2012 Editora Universitária da UFPB

Capa:

Moisés Menezes Salvino

Diagramação: Roberta Macêdo Marques Gouveia

Impresso no Brasil

Esta publicação foi viabilizada com recursos das Centrais Elétricas Brasileiras S.A. - ELETROBRAS, no âmbito do Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica -

PROCEL.

FICHA CATALOGRÁFICA

M294 Manual de sistemas de bombeamento: eficiência energética/ Heber Pimentel Gomes, Paulo Sérgio O. de Carvalho, organizadores João Pessoa: Editora Universitária – UFPB, 2012. 189p. ISBN: 978-85-7745-981-

1. Eficiência energética. 2. Eficiência hidráulica. 3. Bombeamento. I. Gomes, Heber Pimentel. II. Carvalho, Paulo Sérgio O. de

UFPB/BC CDU: 621.43.018.

AUTORES DOS CAPÍTULOS

Airton Sampaio Gomes - Engenheiro civil e especialista em perícia ambiental pela Universidade Federal de Mato Grosso do Sul. Atua na área de saneamento desde 1983, com foco em gestão operacional, controle e redução de perdas de água e gerenciamento energético. É consultor do CEPEL – Centro de Pesquisas de Energia Elétrica da Eletrobras - , do Banco Mundial e de outros organismos nacionais e internacionais.

Heber Pimentel Gomes - Engenheiro civil e mestre na área de Recursos Hídricos pela Universidade Federal da Paraíba (UFPB). Concluiu o seu doutorado na Universidade Politécnica de Madrid, no ano de 1992. É, atualmente, professor do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental do Centro de Tecnologia da UFPB e coordenador do Laboratório de Eficiência Energética e Hidráulica em Saneamento (LENHS) da mesma universidade.

Luiz Simão de Andrade Filho - Engenheiro mecânico e doutor em Engenharia mecânica pela Universidade Federal da Paraíba. Foi coordenador do Laboratório de Mecânica dos Fluidos e Hidráulica e, atualmente, é professor das disciplinas Mecânica dos Fluidos, Hidráulica e Máquinas Hidráulicas, do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental do Centro de Tecnologia da UFPB, em João Pessoa.

Osvaldo Luiz Cramer de Otero - Engenheiro eletricista pela Escola Politécnica da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-RJ), com especialização na Section Spéciale d‟Électrotechnique de l‟Institut Polytechnique de Grenoble (França). Vem se dedicando nos últimos anos à área de eficiência energética industrial, especialmente no Setor Saneamento.

Ronildo Inácio Soares de Alencar - Engenheiro mecânico pela UFPB e mestre em Engenharia Mecânica pela Escola de Engenharia de São Carlos (EESC/USP). É, atualmente, professor do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental do Centro de Tecnologia da UFPB e coordenador do Laboratório de Mecânica dos Fluidos e Hidráulica da mesma universidade.

Saulo de Tarso Marques Bezerra - Engenheiro Civil pela UFPB, mestre em Engenharia Hidráulica pela Universidade Federal de Campina Grande e doutor na área de automação na UFPB. Participou, como engenheiro responsável pelos projetos e comissionamento dos equipamentos, da implantação do LENHS/UFPB. Atualmente é professor da Universidade Federal de Pernambuco.

Sebastião de Paula Coura - Engenheiro elétrico formado pela Universidade Federal de Itajubá em 1973 e em Mecânica de precisão pela Escola Industrial do Ministério do Exército. Atuou por mais de 25 anos na Sabesp tendo sido gerente dos Departamentos de Engenharia para as áreas de Planejamento, Manutenção Preventiva, Energia e Automação, e Segurança em Barragens.

Simplício Arnaud da Silva - Engenheiro eletricista, mestre em Engenharia Elétrica na área de Eletrônica de Potência pela UFPB e doutor em Engenharia Mecânica pela mesma universidade. Possui diversos trabalhos científicos publicados em congressos nacionais e internacionais. É, atualmente, professor dos cursos de Graduação e Pós-graduação em Engenharia Mecânica e Elétrica do Centro de Energia Alternativa e Renovável da UFPB.

APRESENTAÇÃO

O uso racional da água e da energia no setor produtivo é um requisito indispensável para o desenvolvimento econômico e social no mundo contemporâneo, pela necessidade imperativa da preservação do meio ambiente e da minimização dos custos operacionais. Estes insumos são cada vez mais escassos e, por conseguinte, mais caros, onerando, significativamente, os custos de produção no setor industrial. O setor de saneamento, que engloba a indústria de produção de água potável é, talvez, o mais estratégico no que diz respeito ao uso conjunto de água e energia e, portanto, merecedor de uma atenção especial, no tocante à racionalidade da utilização destes insumos.

Os sistemas de abastecimento e de esgotamento sanitário são responsáveis por, aproximadamente, 3% da energia consumida no mundo. No Brasil a situação não é diferente e, de acordo com dados do Programa Nacional de Conservação de Energia para o setor de saneamento – Procel Sanear – , entre 2 e 3% do consumo total de energia elétrica no nosso país, o equivalente a cerca de 10 bilhões de kWh/ano, são consumidos por prestadoras de serviços de água e esgotamento sanitário. Este consumo refere-se aos diversos usos nos processos de abastecimento de água e de esgotamento sanitário, com destaque para os equipamentos motobomba das estações elevatórias, que são responsáveis por 90% da energia consumida. Parte significativa da energia gasta nos sistemas de abastecimento de água e de esgotamento sanitário se deve à ineficiência destes sistemas. Atualmente, no mundo, em média, 25% da energia gasta nestes sistemas se deve à ineficiência energética. Esta ineficiência é derivada do emprego de equipamentos de bombeamento de baixo rendimento (obsoletos, antigos ou mal dimensionados), do excesso de perda de carga hidráulica nas linhas adutoras e nas tubulações das redes de abastecimento, da ausência de manutenção, das perdas reais de água, de procedimentos operacionais inadequados, dentre outros fatores.

Nos últimos anos, em virtude, principalmente, da repercussão do custo energético na operação dos sistemas de abastecimento, as empresas prestadoras de serviços de saneamento estão buscando adotar medidas para aumentar a eficiência energética e, consequentemente, diminuir seus custos operacionais. O combate à diminuição do excesso do consumo de energia, sem que haja comprometimento da qualidade do serviço de abastecimento, depende de um conjunto de ações nas áreas das engenharias hidráulica, mecânica e elétrica. De uma maneira geral, os diagnósticos e as ações de engenharia voltadas para solucionar os problemas da ineficiência energética em sistemas de bombeamento não são realizados por uma equipe multidisciplinar, que envolva profissionais com domínios técnicos nos campos da hidráulica, da mecânica e da elétrica. A falta de uma inter-relação entre os ramos das engenharias, antes apontados, tem dificultado, consideravelmente, os diagnósticos e as ações de combate às perdas de energia em sistemas de bombeamento voltados para o abastecimento de água e esgotamento sanitário.

O presente Manual tem como objetivo proporcionar aos técnicos e engenheiros da área de saneamento, ensinamentos necessários à adoção de medidas que proporcionem o aumento da eficiência energética dos sistemas de abastecimento e de esgotamento sanitário. É um material prático que complementa o conteúdo do livro Sistemas de Bombeamento: Eficiência Energética, publicado pelo Laboratório de Eficiência Energética e Hidráulica da UFPB, em 2009, com o apoio da Eletrobras.

SUMÁRIO

CAPÍTULO

Bombas e Instalações Elevatórias ______

Luiz Simão de Andrade Filho 1 CAPÍTULO 1 - Bombas e Instalações Elevatórias

1.1 Introdução

Bombas hidráulicas são máquinas que se destinam a mover fluidos, inclusive contra a ação da gravidade, através de tubulações pressurizadas. Para isto, convertem a energia mecânica, recebida de um motor, em energia hidráulica, na forma de pressão e energia cinética. Em princípio, qualquer motor pode ser utilizado; na prática, predominam os motores elétricos.

Os conjuntos formados pelas tubulações, bombas, motores e instalações elétricas são conhecidos como instalações elevatórias. Nos seus projetos, operação e manutenção predominam os conceitos de Hidráulica e Máquinas Hidráulicas. Estes conceitos são explorados ao longo desta obra e para melhor compreendê-los, é feita na próxima seção, uma breve revisão introdutória de Mecânica dos Fluidos e Hidráulica.

1.2 Mecânica dos Fluidos e Hidráulica

Uma visão simplificada da matéria considera que esta pode se apresentar em três fases: sólida, líquida e gasosa. As fases líquida e gasosa constituem os fluidos, que se caracterizam, acima de tudo, por não possuírem formas próprias. A fase líquida admite uma superfície livre e é considerada praticamente incompressível. Já a fase gasosa ocupa todo o espaço onde é contida, e não admite superfícies livres, além de ser facilmente compressível.

A ciência voltada para o estudo do comportamento físico dos fluidos com base nas leis da Mecânica e da Termodinâmica, denomina-se Mecânica dos Fluidos. A Hidráulica trata apenas dos líquidos, particularmente da água. A maciça presença de água e ar, além de inúmeros outros gases e líquidos em nosso dia a dia, dá idéia da importância de ambas. Estão presentes em praticamente todos os ramos da engenharia e são a base do projeto das máquinas e processos que manipulam fluidos como, por exemplo, as bombas e turbinas e suas instalações.

Para o estudo das bombas e das instalações elevatórias faz-se uso dos fundamentos da Mecânica dos Fluidos, tratados de uma forma mais técnica e prática na Hidráulica, destacando-se: a equação da continuidade ou conservação da massa, a equação da energia ou equação de Bernoulli generalizado, as fórmulas de cálculo de perdas de carga, além das definições e classificações dos escoamentos.

LENHS UFPB

Bombas e Instalações

Elevatórias

13

Quadro 1.2 - Principais propriedades físicas da água

Temperatura T (°C)

Densidade  (kg/m^3 )

Viscosidade  (10-^3 N.s/m^2 )

Viscosidade Cinemática  (10-^6 m^2 /s)

Densidade relativa d

Pressão de vapor pv (kPa) 0 (gelo) 917,0 - - 0,9170 - 0 (água) 999,8 1,781 1,785 0,9998 0, 4 1000,0 1,558 1,558 1,0000 - 5 1000,0 1,518 1,519 1,0000 0, 10 999,7 1,307 1,308 0,9997 1, 15 999,1 1,139 1,140 0,9991 1, 20 9 98,2 1,002 1,003 0,9982 2, 25 997,0 0,890 0,893 0,9970 3, 30 995,7 0,798 0,801 0,9967 4, 40 992,2 0,653 0,658 0,9922 7, 50 988,0 0,547 0,553 0,9880 12, 60 983,2 0,466 0,474 0,9832 19, 70 977,8 0,404 0,413 0,9788 31, 80 971,8 0,354 0,36 4 0,9728 47, 90 965,3 0,315 0,326 0,9653 70, 100 958,4 0,282 0,294 0,9584 101,

1.2.3 Equação Fundamental da Estática dos Fluidos

A diferença de pressão entre dois pontos quaisquer no interior de um fluido em repouso (p 2 - p 1 ) é proporcional à diferença de profundidade (h 2 - h 1 ) e ao peso específico do fluido:

Estática dos Fluidos Equação Fundamental

p 2  p 1  g(h 2 h ) 1 (1.1)



p = Pressão (Pa).  = Peso específico do fluido (N/m^3 ). h = Altura (m).

1.2.3.1 Unidades para Medidas de Pressão

A pressão possui dimensões de força por unidade de área e, normalmente, é expressa em kgf/cm^2 , libra por polegada ao quadrado (psi) ou Pascal. O Pascal é a unidade no Sistema

Internacional (SI) e representa N/m^2. Comumente, os técnicos da área de saneamento representam a pressão por altura de colunas líquidas, tais como mmHg (milímetro de

mercúrio) e mH 2 O (metro de coluna de água - mca). O Quadro 1.3 apresenta as conversões entre várias unidades de pressão.

1.2.3.2 Escalas e Medidores de Pressão

Pressão, de maneira análoga ao que ocorre com a temperatura, pode ser expressa em escala absoluta ou relativa. A primeira atribui o valor nulo ao vácuo perfeito, enquanto a segunda considera zero o nível de pressão correspondente à atmosfera local. A maioria dos medidores de pressão mede pressão relativa, ou seja, a diferença entre a pressão absoluta e a pressão atmosférica (barométrica) do local onde se encontram. Estes são os manômetros ou vacuômetros e por esta razão, pressões relativas são normalmente

Manual de Sistemas de Bombeamento - Eficiência Energética

Bombas e Instalações Elevatórias

14

chamadas de pressões manométricas. Os medidores de pressão absoluta são conhecidos como barômetros. Estes são menos práticos e mais custosos que os manômetros e, portanto, só utilizados para a determinação da pressão atmosférica do local. Os principais medidores de pressão utilizados no setor de saneamento são apresentados no Capítulo 3. Quadro 1.3 - Quadro de conversões de unidades de pressão kgf/cm^2 atm psi kPa bar mca kgf/cm^2 1 0,968 14,223 98,066 0,981 9, atm 1,033 1 14,696 101,325 1,013 10, psi 0,070 0,068 1 6,895 0,069 0, kPa 0,010 0,010 0,145 1 0,010 0, bar 1,020 0,987 14,503 100,000 1 10, mca 0,100 0,097 1,423 9,810 0,098 1 Diferentemente de temperatura, que possui unidades diferentes para cada escala (kelvin e Celsius, por exemplo), uma mesma unidade de pressão é usada para ambas as escalas. A equação que relaciona as escalas é dada por: Pressão Manométrica e Absoluta

Pman  Pabs Pbl (1.2)



Pman = Pressão manométrica. Pabs = Pressão absoluta. Pbl = Pressão barométrica local.

Como exemplo, considere uma bomba que possui um vacuômetro em sua entrada registrando -4 mca e um manômetro na sua descarga acusando 30 mca. Considerando-se que a bomba se encontra ao nível do mar, as pressões absolutas correspondentes são, respectivamente, 6,33 e 40,33 mca.

1.2.4 Escoamentos de Fluidos – Conceitos Fundamentais

Os escoamentos classificam-se em relação a vários aspectos, como é abordado a seguir. Seu conhecimento é indispensável para o estudo da Mecânica dos Fluidos e da Hidráulica. Escoamento laminar e turbulento. Com relação às tensões viscosas, o escoamento pode ser laminar ou turbulento (ver Figura 1.1). O primeiro ocorre quando o fluido escoa como lâminas, que deslizam umas sobre as outras, sem mistura entre elas.

Laminar Turbulento Figura 1.1 – Regimes de escoamento laminar e turbulento O escoamento turbulento é o mais frequente. Neste, as partículas movem-se segundo trajetórias erráticas, causando transferência de quantidade de movimento entre estas, inclusive na direção normal ao escoamento, causando flutuações de velocidades em torno de uma média. Em tubos, os dois regimes podem ser identificados através do parâmetro adimensional conhecido como número de Reynolds:

Manual de Sistemas de Bombeamento - Eficiência Energética

Bombas e Instalações Elevatórias

16

Linhas de fluxo

Duto divergente Contração brusca Curva de 90º Figura 1.3 – Linhas de Corrente

Figura 1.4 - Perfil de velocidades em um tubo e velocidade média correspondente

1.2.5 Equação da Continuidade

A equação da continuidade resulta do princípio de conservação da massa, que aplicado ao escoamento mostrado na Figura 1.5 garante que, se o regime é permanente, a massa que atravessa a área A 1 por unidade de tempo é igual a que atravessa A 2. Se o fluido é incompressível o mesmo ocorre com o volume/tempo. Ou seja:

Figura 1.5 - Equação da Continuidade para um duto convergente

1 1 2 2 1 2

A l A l l Q Q Q Constante, como =V: t t t

Equação da Continuidade em Regime Permanente

V A 1 1  V A 2 2  Q cte (1.5)



Q = Vazão (m^3 /s). V = Velocidade média (m/s). A = Área (m^2 ).

LENHS UFPB

Bombas e Instalações

Elevatórias

17

1.2.6 Equação de Bernoulli e da Energia

O principio de Bernoulli estabelece que nos escoamentos permanentes de fluidos incompressíveis e não viscosos, um incremento em sua velocidade e, consequentemente, em sua energia cinética, causa um decréscimo na sua pressão ou na energia potencial. Isto significa que se uma parcela de energia cresce, outra decresce de igual valor, de modo que a soma das três sempre resulta em um mesmo valor, chamado constante de Bernoulli:

Energia de Pressão + Energia Cinética + Energia Potencial = Constante

É conveniente escrever a relação anterior na forma de energia por unidade de peso de fluido escoado. Para isto, dividem-se todas as suas parcelas pelo peso do fluido (mg), resultando em:

Equação de Bernoulli

2 2 1 1 2 2 1 2

p V p V z z cte (1.6) g 2g g 2g



p = Pressão (N/m^2 ).  = Densidade (kg/m^3 ). V = Velocidade média (m/s). g = Aceleração da gravidade (m/s^2 ). z = Cota em relação ao nível de referência (m).

Todos os termos possuem dimensões de energia por unidade de peso, (E/mg) e, portanto, as unidades no Sistema Internacional são Joule/Newton = Nm/N ou simplesmente metros, m.

A Figura 1.6 mostra o significado físico da Equação de Bernoulli; nela observam-se as várias parcelas em três seções distintas. A soma da pressão e da energia potencial dá origem à linha piezométrica e a soma delas com a energia cinética forma a linha de energia que, neste caso, representa a constante de Bernoulli, desde que não haja atrito.

Figura 1.6 - Representação gráfica da Equação de Bernoulli

A Equação de Bernoulli (EB) tem largo emprego na engenharia, mas para usá-la deve-se estar ciente de suas hipóteses, que são: fluido sem atrito e incompressível, regime permanente e ao longo de uma linha de corrente.

Na prática, no trajeto entre os pontos 1 e 2, pode ser adicionada energia ao fluido através de uma máquina, tal como uma bomba (Hb), ou retirada energia através de uma turbina

LENHS UFPB

Bombas e Instalações

Elevatórias

19

Na prática, é muito mais comum que o projetista determine a perda de carga da instalação, na fase de projeto. Para isto, as perdas de carga em uma tubulação (Hf) podem ser divididas em duas parcelas: as perdas lineares ou distribuídas (Hl), que resultam do atrito interno do fluido e o deste com as paredes dos tubos, e as perdas singulares ou localizadas (Hs), que ocorrem nos acessórios (válvulas, curvas, reduções etc.) associados, ou seja:.

Para calcular Hl e Hs dispõe-se de inúmeras fórmulas, sendo as mais utilizadas no nosso país tratadas na próxima seção.

Perdas de Carga Lineares

Existem dezenas de fórmulas utilizadas para o cálculo das perdas lineares. A fórmula Universal ou de Darcy-Weisbach é a mais indicada. Não obstante, no cálculo de adutoras e redes, a de Hazen-Williams é a mais utilizada. Nesta obra apenas estas duas são consideradas.

Fórmula de Hazen-Williams

Para instalações de água fria com diâmetros superiores a 50 mm é muito comum utilizar-se a fórmula de Hazen-Williams, graças principalmente à sua simplicidade. Trata-se de uma fórmula empírica desenvolvida em 1920 em que a perda de carga é função da velocidade ou vazão do escoamento, do diâmetro, do comprimento e de um coeficiente fixo caracterizado de acordo com o tipo e as condições do conduto. No Sistema Internacional de Unidades - SI, tem-se:

Fórmula de Hazen-Williams

1, l (^) 1,85 4,

LQ

H 10,667 (1.9)

C D

Ou: 2,63 0, l 0,

0, 2785 CD H

Q (1.10)

L



Hl = Perda de carga linear (m).

Q = Vazão volumétrica (m^3 /s).

D = Diâmetro interno do conduto (m).

L = Comprimento do tubo (m).

C = Coeficiente característico do conduto ou Coeficiente de Hazen-Williams.

O Quadro 1.4 mostra valores do coeficiente C sugerido por Azevedo Netto et al. (1998) para a fórmula de Hazen-Williams.

Fórmula de Darcy-Weisbach

A fórmula de Darcy-Weisbach ou Universal é recomendada pela Norma Brasileira ABNT - NBR 12218:1994 - Projeto de rede de distribuição de água para abastecimento público. É uma equação dimensionalmente homogênea, expressa como:

Fórmula Universal ou de Darcy-Weisbach

2 2 2 5

L V fLQ H (^) l f 8 (1.11) D 2g π D g



Hl = Perda de carga linear (m). Q = Vazão volumétrica (m^3 /s). D = Diâmetro interno do conduto (m). V = Velocidade (m/s). L = Comprimento do tubo (m). ƒ = Coeficiente de atrito, função de Re, e de /D, sendo  a rugosidade do tubo (mm).

Manual de Sistemas de Bombeamento - Eficiência Energética

Bombas e Instalações Elevatórias

20

O coeficiente admensional (ƒ) depende do nível de turbulência do escoamento, expresso através do número de Reynolds (Re) e da rugosidade do material do tubo (). A rugosidade relativa é obtida dividindo-se a rugosidade pelo diâmetro do tubo (/D). Resumindo: ƒ = f(Re, /D). Valores de  (rugosidade absoluta) para alguns materiais são apresentados no Quadro 1.5. Quadro 1.4 - Valor do coeficiente C sugerido para a fórmula de Hazen-Williams * Tubos Novos Usados  10 anos

Usados  20 anos Aço corrugado (chapa ondulada) 60 - - Aço galvanizado roscado 125 100 - Aço rebitado, novo 110 90 80 Aço soldado comum (revestimento betuminoso) 125 110 90 Aço soldado com revestimento epóxico 140 130 115 Chumbo 130 120 120 Cimento-amianto 140 130 120 Cobre 140 135 130 Concreto, bom acabamento 130 - - Concreto, acabamento comum 130 120 110 Ferro fundido, revestimento interno epóxico 140 130 120 Ferro fundido, revestimento de argamassa 130 120 105 Grés cerâmico, vidrado (manilhas) 110 110 110 Latão 130 130 130 Tijolos, condutos bem executados 100 95 90 Plástico (PVC) 140 135 130 Quadro 1.5 - Rugosidade absoluta dos tubos () em mm * Material Tubos novos Tubos velhos Aço galvanizado 0,015 a 0,020 0, Aço rebitado 0,100 a 0,300 0, Aço revestido 0,040 0,050 a 0, Aço soldado 0,004 a 0,006 0, Chumbo Lisos Lisos Cimento-amianto 0,0025 - Cobre ou latão Lisos Lisos Concreto bem acabado 0,030 a 0,100 - Concreto ordinário 0,100 a 0,200 - Ferro forjado 0,004 a 0,006 0, Ferro fundido 0,025 a 0,050 0,300 a 0, Ferro fundido com revestimento asfáltico 0,012 0, Manilhas cerâmicas 0,060 0, Plástico (PVC) 0,0015 0,

• Fonte: adaptado de Azevedo Netto et al. (1998) O valor de ƒ pode ser obtido através do diagrama de Moody, Figura 1.7. Para usá-lo basta que se entre com o número de Reynolds em sua abscissa e selecione a curva correspondente à rugosidade relativa do tubo. A interseção de ambos define um ponto cuja ordenada é o valor de ƒ. Atualmente é comum utilizar em seu lugar, com erros aceitáveis, a fórmula de Swamee-Jain, válida para 10-6≤ ε/D ≤ 10-2^ e 10^3 ≤ Re ≤ 10^8 , que em sua versão de 1976 é dada pela Equação 1.12.