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5. SISTEMAS ELEVATÓRIOS - BOMBAS
“Água mole em pedra dura tanto bate até que fura.”
Ditado popular
5.1. Introdução
A água sempre flui de uma condição de energia maior para outra de energia menor. Ex.:
de um reservatório elevado (altura geométrica maior) para a tubulação.
Como é possível fazer a água fluir para uma
condição de energia maior, como por exemplo de um
reservatório inferior para um reservatório elevado?
Fornecendo energia à água
↓
Sistema elevatório ou de recalque
Sistema elevatório:
Tubulação de sucção – liga o reservatório
inferior (R 1 ) à bomba
Conjunto elevatório – bomba(s) + motor(es)
elétrico(s) ou a combustão
Tubulação de recalque – liga a bomba ao
reservatório superior (R 2 )
Bomba hidráulica:
Máquina hidráulica que recebe trabalho mecânico, fornecido por outra máquina (ex.:
motor elétrico ou a combustão), e o transfere para o fluido realizar trabalho.
Posição da Bomba:
Bomba Afogada: O eixo da bomba está
abaixo da cota do nível de água (NA) do
reservatório inferior (R 1 ).
Bomba Não Afogada: O eixo da bomba
está acima da cota do NA do R 1.
5.2. Parâmetros Hidráulicos
Aplicando o princípio da conservação da energia para uma tubulação com bomba hidráulica:
2 12
2
2 2 1
1
2 1
+ + + = + + Z +∆ H −
p
g
V
Z H
p
g
V
= + + +∆ − − + + 1
1
2 1 2 12
2
2 2
Z
p
g
V Z H
p
g
V H
Onde: H é a altura total de elevação da bomba;
Altura manométrica: (^112)
1 2
2
= + − − Z +∆ H −
p
Z
p
Hm
Altura total de elevação: Hm
g
V
g
V
H = − +
2 1
2 2
Em alguns casos a carga cinética pode ser desprezada e a altura total de elevação se
iguala a altura manométrica:
H ≅ H m
Conjunto elevatório - composto de vários componentes com rendimentos diferentes - uma
potência associada para cada componente e para cada altura de bombeamento.
Potência de um conjunto elevatório:
Nem toda a potência que é fornecida pelo motor ao eixo da bomba é aproveitada
pelo rotor, parte é perdida nos mancais do eixo e gaxetas, parte é perdida no interior da
bomba em conseqüência de perdas hidráulicas.
( kW )
QH
Pot
( cv )
QH
Pot
3
Pot é a potência;
Q é a vazão (m
3 /s);
H é a altura total de elevação da bomba (m);
η é o rendimento global do conjunto elevatório.
4
24
h DR = Q
Em que:
DR é o diâmetro da tubulação de recalque (m);
Q é a vazão de recalque (m³/s);
h é o número de horas de funcionamento da moto-bomba (horas/dia).
- Diâmetro de sucção: Adota-se o diâmetro comercial imediatamente superior ao diâmetro de
recalque.
5.4. Curvas Características
Curva característica de uma máquina hidráulica (bomba ou turbina) –
representação gráfica ou em forma de tabela das funções que relacionam os diversos
parâmetros envolvidos em seu funcionamento.
Curva característica de uma bomba (CCB) – obtida experimentalmente, para cada
vazão recalcada (Q) são medidas a altura de elevação (H) (com manômetros) e o
torque da máquina (para cálculo do rendimento).
O ensaio é repetido para outros diâmetros de rotor e os resultados, H=f(Q), Pot = f(Q)
e η = f(Q), lançados em gráficos.
Qual é a “disponibilidade de energia” que a bomba pode fornecer para o
sistema?
Curva Característica da Bomba (CCB)
CCB
Curva característica da tubulação:
A curva característica do sistema ou da tubulação (CCS ou CCT) pode ser obtida
pela equação:
2
E = H = Hg + K. Q
Em que o termo K.Q
2 representa a perda de carga (sucção e recalque):
E = H = Hg +∆ Hs +∆ H R
Curva Característica da Tubulação (CCT)
Determinação do ponto de funcionamento:
O ponto de funcionamento (ou de operação) da bomba é obtido pelo cruzamento
das curvas características da bomba e da tubulação. O ponto de funcionamento deve
corresponder ao ponto ótimo de rendimento da bomba.
Ponto de funcionamento ou de operação.
Para que serve a rotação específica?
Para caracterizar a forma (geometria) do rotor e classificar o tipo de bomba.
Classificação das bombas
Ns Tipo de bomba
< 90 Radial centrífuga lenta
90 a 130 Radial centrífuga normal
130 a 220 Radial centrífuga rápida
220 a 440 Mista
440 a 500 Semi axial
> 500 Axial
Relações de semelhança
No estudo e desenvolvimento de máquinas hidráulicas, utiliza-se a teoria da semelhança
para prever o desempenho de um protótipo a partir de ensaios em modelos em escala reduzida,
ou as alterações de vazão, altura manométrica e potência em máquinas geometricamente
semelhantes, em função da rotação ou mudança do diâmetro do rotor. Parte-se da suposição
que máquinas geometricamente semelhantes trabalham em condições de semelhança, desde
que tenham o mesmo rendimento. As leis de semelhança que governam as relações entre
pontos homólogos (mesma eficiência) são:
2
2
1
2
2
1
2
1
⋅
D
D
n
n
H
H
3
2
1
2
1
2
1
⋅
D
D
n
n
Q
Q
5
2
1
3
2
1
2
1
⋅
D
D
n
n
Pot
Pot
Influência da rotação no funcionamento da bomba
Um mesmo tipo de bomba pode ser acionado por um motor de rotação n 1 ou por
outro de rotação n 2 ;
Isto muda a faixa de aplicação da bomba;
Dada a relação entre altura manométrica e vazão H= f(Q), numa dada rotação n 1 ,
podem-se determinar outras variáveis para uma rotação n 2 :
1 1
2 2 Q n
n Q = (^1)
2
1
2 (^2) H
n
n H (^) 1
3
1
2 2 Pot n
n Pot
Dada a relação entre altura
manométrica e vazão H= f(Q) de
uma bomba, numa dada rotação
n 1 , pode-se a H= f(Q)na rotação
n 2 :
Os pontos A 1 e A 2 são chamados
homólogos. O mesmo vale para
B 1 e B 2 São pontos de mesma
eficiência
Aplicação: Em algumas situações é desejável que a bomba funcione com outros
valores de vazão ou altura manométrica, uma das maneiras de fazer isso é mudando
a rotação da bomba. Como, por exemplo, em elevatórias de água ou esgoto em que
a vazão varia em função do horário e/ou dia da semana
Influência do diâmetro do rotor
Se o diâmetro do rotor for modificado (de D 1 para D 2 ), as curvas características de
uma bomba operando na mesma rotação, apresentam as seguintes relações com
as características originais:
1
3
1
2 2 Q D
D Q
= (^1)
2
1
2 2 H D
D H
= (^1)
5
1
2
- Pot D
D Pot
Das relações acima se conclui que a troca do diâmetro do rotor altera mais a vazão
do que a altura manométrica, seguido de uma forte variação na potência necessária,
uma vez que a relação é diretamente proporcional à quinta potência da relação de
diâmetros;
Aplicação: partindo do rotor de projeto (D 1 ), o fabricante diminui o diâmetro do rotor
( usinagem ou corte no rotor ), e obtém as novas curvas características, que se
deslocam para baixo (D 2 a D 5 ), conforme mostra a figura. Este recurso é utilizado
pelos fabricantes para permitir a utilização da bomba para faixas mais amplas de
vazão e/ou altura manométrica, sem alteração nas demais peças constitutivas da
bomba.
5. 7. Escolha do conjunto motor- bomba:
A especificação de uma bomba para atender uma certa condição de projeto é um dos
principais problemas práticos que se apresentam em vários campos da engenharia.
Vamos supor que uma instalação elevatória está sendo dimensionada para uma vazão
e uma altura manométrica.
Problema prático: Como escolher (especificar) o modelo de bomba que deve ser
instalado?
Em grandes unidades, recorre-se à rotação específica como um dos parâmetros para
a escolha da bomba, enquanto nos casos mais frequentes utilizam-se os catálogos dos
fabricantes. Neste caso:
Qual o catálogo que devemos consultar?
Como especificar uma bomba para funcionar no ponto de máximo rendimento?
Procedimento de especificação de bombas:
- Pré-seleção de bombas: Para os principais tipos de bombas, fixada uma
determinada rotação*, os catálogos dos fabricantes apresentam mosaicos de utilização:
- Junção de quadrículas de uma série de bombas num diagrama - visualização global
de toda a série.
Números dentro das quadrículas:
1° = diâmetro nominal da saída de recalque (mm)
2° = família de diâmetro do rotor (mm).
- Escolha definitiva da bomba: determinação do diâmetro do rotor, rendimento no
ponto de funcionamento, potência necessária, etc – consulta, no catálogo, das curvas
características da bomba pré-escolhida.
Catálogos dos fabricantes de bombas (para cada velocidade de rotação):
- Gráfico da curva característica: altura de elevação (H) x vazão (Q), linhas de
isorrendimento;
Gráfico da variável N.P.S.H. x Q;
Curva: Potência (P) x Q
- No Brasil, os valores de rotação mais comuns são: 3.500 rpm e 1.750 rpm. Deve-se dar
preferência a valores baixos de rotação, assim, preferencialmente deve-se optar pela
rotação de 1.750 rpm pois geralmente bombas com rotores de baixa rotação exigem menor
manutenção e gasto com energia, comparados à mesma bomba sujeita a uma rotação
maior.
Mosaico de utilização de bombas centrifugas da série KSB-Meganorm, para n=1750 rpm.
Curvas características das bombas KSB-M. 32-160. Curvas características das bombas KSB-M. 50-315.
Como: , , , , portanto:
2
2 2
p
g
V
Z H
p
s
a
O NPSHdisponível é dado por: (^) s
a v d Z H
p p
g
p V NPSH − −∆
2 2 2
Para bomba não afogada: (^) s
a v d Z H
p p NPSH − −∆
Para bomba afogada:
O NPSHrequerido é a "carga energética líquida requerida pela bomba" para promover
a sucção. Esse NPSH é objeto de estudo do fabricante, sendo fornecido graficamente nos
catálogos.
A energia disponível na instalação para sucção deve ser maior que a energia
requerida pela bomba, logo NPSHdisponível>NPSHrequerido. Caso contrário, haverá cavitação
em decorrência de uma sucção deficiente:
NPSHdisponível - NPSHrequerido> 0,5(folga contra cavitação)
Determinação da Máxima Altura Estática de Sucção:
Pressão atmosférica (pa) e pressão de vapor (pv):
Para água a 20°C: pv= 0,
− ⋅
1000
760 0 , 081 13 , 6
pa h
5.9. Instalação, Operação e Manutenção de Bombas
Recomendações para Tubulação de Sucção
A tubulação de sucção, tanto quanto possível deve ser curta e reta, evitando
perdas de carga e totalmente estanque impedindo a entrada de ar;
Curvas e acessórios, quando necessários deverão ser projetadas e instaladas de
modo a propiciar menores perdas de carga. Ex.: curva de raio longo ou médio.
Em bombas não afogadas: válvula de pé com crivo – para evitar a entrada de
materiais e manter a tubulação sempre cheia de água;
Dispositivos de redução excêntrica, com o cone para baixo, de maneira que a
geratriz superior da redução fique em posição horizontal e coincidente com a
geratriz do flange da bomba. Para impedir a formação de bolsas de ar.
Recomendações para Tubulação de Recalque
Dispositivos para o controle do golpe de aríete;
A ligação da tubulação de recalque ao flange da bomba deverá ser executada com
uma redução concêntrica, quando seus diâmetros forem diferentes;
Prever um registro de manobra (registro de gaveta), logo após a boca de recalque
da bomba, de modo a possibilitar a regulagem adequada da vazão e pressão do
bombeamento;
Entre a bomba e o registro de manobra (válvula de saída) deve-se prever uma
válvula de retenção ou outro dispositivo, que proteja a bomba em caso de parada
brusca do motor.
Esquemas de Montagem das Bombas Centrífugas:
Providências para a Primeira Partida:
Fixar a bomba firmemente na base.
Fixar a tubulação de sucção e de recalque.
Conectar e colocar em funcionamento as tubulações e conexões auxiliares.
Fazer as ligações elétricas, certificando-se de que todos os sistemas de proteção
do motor encontram-se devidamente ajustados e funcionando.
Deve-se garantir que a bomba esteja escorvada, cheia de liquido, antes de ser
posta em funcionamento;
Abrir totalmente a válvula de sucção (quando houver) e fechar a de recalque.
Processos de escorva de bombas:
Antes do início do funcionamento de uma instalação de bombeamento, deve-se
encher a tubulação de sucção com o liquido a ser bombeado (escorva). Os processos
