Estações de Recalque, Manuais, Projetos, Pesquisas de Mecânica

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Curso de Nivelamento em Engenharia do Saneamento

Modulo 3 – Sistemas de Abastecimento e

Tratamento

10 – Estações de Recalque

Eng. Anderson Borin dos Santos Outubro/ Edição 04 (out. /2019)

Índice de figuras

• 1 Introdução.......................................................................................................
  • 1.1 Objetivo.................................................................................................
• 2 Conhecer, Estudar e Aprender........................................................................
  • 2.1 Critérios de Projetos para Estações de Bombeamento..........................
• 3 Classificação de Bombas..............................................................................
  • 3.1 Bombas de Deslocamento Positivo ou Volumétricas.........................
    • 3.1.1 Bombas Parafuso............................................................................
    • 3.1.2 Bomba Helicoidal...........................................................................
  • 3.2 Bombas Cinéticas................................................................................
    • 3.2.1 Tipos de Bombas Centrífugas e sua aplicação...............................
    • 3.2.2 Bombas Submersas.........................................................................
    • 3.2.3 Bombas Submersíveis....................................................................
    • 3.2.4 Bomba centrífuga horizontal e vertical..........................................
• 4 Conceitos Básicos de Sistemas de Bombeamento........................................
  • 4.1 Estações típicas de bombeamento.......................................................
    • 4.1.1 Instalação de bombeamento do tipo Afogada................................
    • 4.1.2 Instalação de bombeamento do tipo Succionando..........................
    • 4.1.3 Estações de Bombeamento para pressurização de rede “Booster”.
    • 4.1.4 Estações de Bombeamento tipo Poços Profundos..........................
  • 4.2 Tubulações de Sucção e Recalque......................................................
  • 4.3 Válvulas de Bloqueio, Controle, Segurança e Proteção......................
    • 4.3.1 Válvulas de Bloqueio.....................................................................
    • 4.3.2 Válvulas de Controle......................................................................
    • 4.3.3 Válvulas de Segurança e Controle..................................................
    • 4.3.4 Tipos de Válvulas...........................................................................
• 5 Aspectos Construtivos de bombas centrífugas.............................................
  • 5.1 Tipos de Bombas Centrífugas.............................................................
• 6 Metodologia e Fundamentos para Dimensionamento..................................
  • 6.1 Equação da Continuidade....................................................................
  • 6.2 Altura Manométrica Total – AMT......................................................
  • 6.3 Determinação do diâmetro econômico................................................
  • 6.4 Perdas de carga....................................................................................
    • 6.4.1 Darcy – Weisbach...........................................................................
    • 6.4.2 Hazen – Williams...........................................................................
    • 6.4.3 Perdas de carga localizadas ou acidentais......................................
  • 6.5 Potência...............................................................................................
    • 6.5.1 Potência elétrica..............................................................................
    • 6.5.2 Potência motriz ou absorvida.........................................................
    • 6.5.3 Potência de elevação.......................................................................
    • 6.5.4 Potencia útil....................................................................................
    • 6.5.5 Rendimento....................................................................................
  • 6.6 Cavitação e NPSH...............................................................................
    • 6.6.1 Cavitação........................................................................................
    • 6.6.2 NPSH – Net Positive Suction Head...............................................
  • 6.7 Rotação Específica..............................................................................
• 7 Curvas características em bombas centrífugas.............................................
  • 7.1 Curva característica do sistema...........................................................
  • 7.2 Semelhança Hidráulica........................................................................
    • 7.2.1 Variação da rotação........................................................................
    • 7.2.2 Variação do diâmetro do rotor........................................................
  • 7.3 Curva Comercial e Curva Real...........................................................
    • 7.3.1 Curva Comercial.............................................................................
    • 7.3.2 Curva Real......................................................................................
• 8 Associação de bombas..................................................................................
  • 8.1 Associação de bombas em Série.........................................................
  • 8.2 Associação de bombas em paralelo.....................................................
• 9 Critérios Seleção de Bombas........................................................................
  • 9.1 BEP – Best Efficiency Point...............................................................
  • 9.2 Parâmetros adicionais para seleção de bombas...................................
• 10 Elementos de uma Bomba.......................................................................
  • 10.1 Rotor....................................................................................................
  • 10.2 Acoplamento.......................................................................................
  • 10.3 Eixo.....................................................................................................
  • 10.4 Vedação do Eixo.................................................................................
    • 10.4.1 Gaxetas Trançadas.....................................................................
    • 10.4.2 Gaxeta Injetável.........................................................................
    • 10.4.3 Selo Mecânico...........................................................................
  • 10.5 Planos de selagem...............................................................................
  • 10.6 Anéis e Placas de desgaste..................................................................
  • 10.7 Base metálica......................................................................................
• 11 Acionamento............................................................................................
  • 11.1 Partida Direta......................................................................................
  • 11.2 Partida Chave Estrela-triângulo..........................................................
  • 11.3 Partida Chave Compensadora.............................................................
  • 11.4 Partida Suave (Soft Starter).................................................................
  • 11.5 Variação de Velocidade (conversor de frequência)............................
• 12 Especificação Técnica Para aquisição.....................................................
  • 12.1 Condições operacionais.......................................................................
  • 12.2 Característica Construtiva...................................................................
  • 12.3 Condições de funcionamento..............................................................
  • 12.4 Materiais de construção mecânica......................................................
    • 12.4.1 Ferro Fundido............................................................................
    • 12.4.2 Bronze........................................................................................
    • 12.4.3 Aço Carbono..............................................................................
    • 12.4.4 Aço Inox....................................................................................
    • 12.4.5 Velocidade periférica em rotores...............................................
  • 12.5 Curva de rotores..................................................................................
  • 12.6 Normas aplicáveis para bombas centrífugas.......................................
• 13 Inspeção...................................................................................................
  • 13.1 Documentação técnica........................................................................
  • 13.2 Teste Hidrostático...............................................................................
  • 13.3 Teste de desempenho..........................................................................
  • 13.4 Teste de NPSH....................................................................................
  • 13.5 Vibração..............................................................................................
  • 13.6 Pintura.................................................................................................
  • 13.7 Tolerância para teste de desempenho de bombas centrífugas.............
• 14 Instalação.................................................................................................
  • 14.1 Armazenamento em curto prazo.........................................................
  • 14.2 Armazenamento por longo prazo........................................................
  • 14.3 Limpeza...............................................................................................
  • 14.4 Locação...............................................................................................
  • 14.5 Montagem...........................................................................................
• 15 Operação..................................................................................................
  • 15.1 Escorva da bomba...............................................................................
    • 15.1.1 Por Gravidade – Instalação Afogada.........................................
    • 15.1.2 Altura de sucção – Instalação Succionando...............................
  • 15.2 Partida da bomba.................................................................................
  • 15.3 Parada da bomba.................................................................................
  • 15.4 Controle Operacional..........................................................................
    • 15.4.1 Controle de velocidade..............................................................
    • 15.4.2 Regulagem através de válvulas..................................................
    • 15.4.3 Controle por “By Pass”..............................................................
  • 15.5 Limites operacionais...........................................................................
• 16 Planejamento da Manutenção..................................................................
  • 16.1 Análise Crítica através de Árvore de Falhas - FTA............................
    • 16.1.1 Definição das Estratégias de Manutenção.................................
  • 16.2 Manutenção de Bombas......................................................................
  • 16.3 Detalhamento de Rotinas....................................................................
  • 16.4 Inspeção Técnica de rotina..................................................................
  • 16.5 Efeitos da ação do tempo de uso sobre as bombas..............................
• 17 Exercício Prático......................................................................................
• 18 Considerações Finais sobre bombas e sistemas de bombeamento...........
• 19 ANEXOS.................................................................................................
• 1 Considerações Iniciais..................................................................................
• 2 Problemas relatados......................................................................................
• 3 Dados iniciais...............................................................................................
  • 3.1 Solicitação SUMOP............................................................................
  • 3.2 Características do Bombeamento existente.........................................
• 4 Metodologia e desenvolvimento...................................................................
  • 4.1 Curva do Sistema................................................................................
  • 4.2 Potência Requerida............................................................................
  • 4.3 Cálculo do NPSH..............................................................................
• 5 Dados históricos de vazão da EBAB 07.....................................................
• 6 Alternativas estudadas................................................................................
  • 6.1 Alternativa 1......................................................................................
  • 6.2 Alternativa 2......................................................................................
  • 6.3 Alternativa 3......................................................................................
  • 6.4 Resumo das alternativas estudadas...................................................
• 7 Considerações Finais..................................................................................
• 20 Referências Bibliográficas.....................................................................
• Figura 3-1: Classificação de bombas............................................................................
• Figura 3-2: Bomba tipo Parafuso, fabricante ECOSAN...............................................
• Figura 3-3: Bomba Helicoidal do fabricante Roleflex..................................................
• Figura 3-4: Bombas Submersas com carcaça em ferro fundido...................................
• Figura 3-5: Bomba Submersível com carcaça em ferro fundido..................................
• Figura 3-6: Bomba monobloco simples estágio e multiestagio....................................
• Figura 3-7: Bomba bipartida axial mancalizada...........................................................
• Figura 4-1: Sistema de bombeamento afogado.............................................................
• Figura 4-2: Sistema de bombeamento succionando......................................................
• Figura 4-3: Sistema de bombeamento “Booster”..........................................................
• Figura 4-4: Esquema para dimensionamento do bombeamento...................................
• Figura 4-5: Cone de depressão de baixa e boa permeabilidade respectivamente.........
• Figura 6-1: Diagrama de Moody...................................................................................
• Figura 6-2: Relação de potência e perdas.....................................................................
• Figura 6-3: Pressão de vapor x temperatura, vapor saturado úmido.............................
• Figura 6-4: NPSH com sucção positiva........................................................................
• Figura 6-5: NPSH com sucção negativa.......................................................................
• Figura 6-6: Curva do NPSH..........................................................................................
• Figura 6-7: Geometria e rendimento em função da rotação específica.........................
• Figura 7-1: Representação de uma curva característica de bombas..............................
• Figura 7-2: Representação de uma curva do sistema....................................................
• Figura 7-3: Representação de uma instalação de bombeamento do sistema................
• Figura 7-4: Desenho da Curva do Sistema....................................................................
• Figura 7-5: Projeção do rotor para rotação menor........................................................
• Figura 7-6: Rotação relativa..........................................................................................
• Figura 7-7: Redução do rotor........................................................................................
• Figura 7-8: Curva do fabricante de bombas IMBIL......................................................
• Figura 8-1: Curva da Associação em série....................................................................
• Figura 8-2: Modelo de associação em série..................................................................
• Figura 8-3: Curva da Associação em paralelo..............................................................
• Figura 8-4: Modelo de associação em paralelo.............................................................
• Figura 8-5: Associação em paralelo com bombas diferentes........................................
• Figura 9-1: Curva da bomba x Confiabilidade..............................................................
• Figura 10-1: Fluxo dos rotores......................................................................................
• Figura 10-2: Tipos de curvas.........................................................................................
• Figura 10-3: Largura do canal (a) Curva descendente (b) Curva suave.......................
• Figura 10-4: Ângulo de inclinação (a) Curva descendente (b) Curva suave................
• Figura 10-5: Ângulo de inclinação (a) Curva descendente (b) Curva suave................
• Figura 10-6: Montagem costa a costa ( back to back)..................................................
• Figura 10-7: Montagem em linha..................................................................................
• Figura 10-8: Acoplamento flexível e acoplamento rígido............................................
• Figura 10-9: Tipo de configuração de eixo montado....................................................
• Figura 10-10: Gaxeta trançada......................................................................................
• Figura 10-11: Gaxeta injetável......................................................................................
• Figura 10-12: Selo mecânico........................................................................................
• Figura 12-1: Curvas de Velocidade Periférica..............................................................
• Figura 13-1: Teste hidroestático....................................................................................
• Figura 13-2: Teste de desempenho...............................................................................
• Figura 13-3: Diagrama de velocidades de vibração......................................................
• Figura 15-1: Projeção do rotor para rotação menor......................................................
• Figura 15-2: Deslocamento da curva do sistema..........................................................
• Figura 15-3: Desenho ilustrativo de “By Pass”.............................................................
• Figura 15-4: Representação do Ponto de operação “By Pass”......................................
• Figura 15-5: Zona de aplicação da bomba....................................................................
• Figura 16-1: Arvore de Falhas de um Sistema de Bombeamento – BlockSim 7..........
• Figura 4-1: Curva Hidráulica da bomba RDL e curva do sistema..............................
• Figura 6-1: Croqui Alternativa 1.................................................................................
• Figura 6-2: Ponto de operação....................................................................................
• Figura 6-3: Croqui Alternativa 2.................................................................................
• Figura 6-4: Curva Resumo..........................................................................................

1 Introdução.......................................................................................................

Quando, dentro de um processo, é necessária aplicação de um fluido, então, também é necessário o desenvolvimento de um sistema de bombeamento. Os sistemas de bombeamento representam um recurso técnico muito importante para a engenharia e de aplicação muito diversificada, são largamente utilizados em saneamento básico, nas indústrias, irrigação, mineração, geração de energia e instalações prediais. A concepção de um sistema de bombeamento passa primeiro pela necessidade de atender uma determinada faixa de população em saneamento básico, tanto em relação ao abastecimento de água potável quanto na coleta de efluentes. A seleção, definição de tipo e característica de sistemas de bombeamento estão ligadas as questões relativas a disponibilidade hídrica, estudos geomorfológicos, características socioeconômicas, tecnologias aplicadas, fornecimento de energia elétrica, entre outros. São fases para concepção, elaboração e execução de um sistema de bombeamento:  Estudo de concepção do sistema de saneamento básico;  Estudos hidrológicos e hidráulicos;  Projeto técnico de engenharia;  Especificação técnica e orçamento;  Processo de aquisição e execução. Vencidas estas fases o que resta é a operação e manutenção destes sistemas, que singelamente formam a tríade Projeto-Operação-Manutenção.

1.1 Objetivo.................................................................................................

O objetivo deste curso é apresentar de forma simplificada conceitos para dimensionamento de sistemas de bombeamento, através de uma abordagem prática sobre os seguintes temas:  Dimensionamento hidráulico;  Curvas características de bombas e sistemas;  Seleção e especificação de materiais e equipamentos;  Características construtivas;  Tipos de montagem, operacionalidade e manutenção.

2 Conhecer, Estudar e Aprender........................................................................

Antes de iniciarmos o curso, é importante entender que existe uma curva de aprendizado, com fases, pela qual todos devemos passar até alcançarmos um estágio maior de conhecimento. Por isto trago para este curso uma tríade que considero elementar para este processo: Conhecer, Estudar e Aprender. Conhecer, neste estágio nós tomamos conhecimento sobre o assunto, sabemos de sua existência e extensão dos temas abordados. Estudar, é o momento em que aprofundamos o processo do Conhecer, através de leituras, fórum de discussões, buscar conhecimento teórico e estudar seus meandros. E por fim, Aprender, pôr em prática o conhecimento adquirido através dos estudos realizados. Nesta fase, nós iremos criar a habilidade através da prática, corrigindo erros e multiplicando os acertos. Este modelo mental pode ser aplicado no desenvolvimento de empreendimentos para estruturar melhor seu escopo e para entender a complexidade.

2.1 Critérios de Projetos para Estações de Bombeamento..........................

As estações de bombeamento devem ser projetas para realizar a sua função de forma eficiente, com custo adequado, operação estruturada e manutenção planejada. Para isto alguns critérios são importantes durante o desenvolvimento do projeto de engenharia, quais sejam:  Compatibilizar a capacidade, tipo e configuração da bomba com a quantidade e qualidade do fluido bombeado;  Proporcionar operação confiável e ininterrupta;  Permitir operação e manutenção facilitada ao conjunto motor-bomba, válvulas de controle, tubulações e acionamento;  Prever a expansão de capacidade, podendo ser através de espaço para acomodar mais de um equipamento (bomba, quadro de comando ou tubulações);  Evitar condições insalubres (temperatura, umidade, ruído, etc.);  Atuar de forma sustentável, minimizar os impactos ambientais e sempre verificar a legislação ambiental vigente;  Considerar requisitos de segurança.

A regulação da vazão pode ser efetuada por variação da velocidade de rotação dos parafusos. Características construtivas do parafuso transportador: Bomba de deslocamento volumétrico, tipo parafuso, constituído de um tubo central em aço carbono, com placas de aço soldadas conformadas em formato de hélice, fixadas em linha helicoidal ao longo do tubo de aço.  Vazão: de 30 m³/h até 12.000 m³/h  Ângulo de inclinação de 30° até 45°;  Altura de elevação mínima e máxima;  Diâmetro interno do Parafuso transportador;  Mancais: inferior em bucha de bronze e superior rolamentados;  Unidade motriz;  Sentido do helicoide, esquerda ou direita;  Eixo tubular em aço 1020, espessura 3/8’;  Helicoide com três entradas em Aço 1020 espessura 3/8’;  Flanges de fixação em chapa SAE 1020, nas duas extremidades;  Comprimento. Figura 3 - 2 : Bomba tipo Parafuso, fabricante ECOSAN 3.1.2 Bomba Helicoidal Uma variante da bomba de parafusos é a bomba de parafusos única, também chamada de bomba de cavidades progressivas ou mesmo de bombas helicoidais. Esta bomba é constituída por um rotor, que possui a forma de um parafuso helicoidal, e de um estator cilíndrico no interior do qual se encontra vulcanizada uma camisa de elastômero, natural ou sintético, especificado em função da composição química e da

temperatura do líquido a ser bombeado. Esta camisa de elastômero possui uma cavidade interna em forma de rosca helicoidal arredondada, de dupla entrada, orientada em oposição à hélice do rotor. Durante o movimento do rotor, formam-se recintos vazios e estanques na cavidade do estator, que são preenchidos pelo líquido a ser bombeado. Com o giro do rotor, estes vazios deslocam-se contínua e progressivamente no sentido do passo da hélice, arrastando o fluido da direção da descarga da bomba. A vazão recalcada pela bomba de parafuso único pode ser calculada pela expressão: O rendimento da bomba por parafusos depende fundamentalmente das perdas por fugas do líquido nas folgas, e da viscosidade. Quando a viscosidade do líquido a ser deslocado é muito elevada, é vantajoso aumentar as folgas, porque, embora este procedimento diminua o rendimento volumétrico, a redução das perdas hidráulicas por atrito produz uma redução sensível da potência de acionamento. A bomba de parafuso único ou de cavidades progressivas pode transportar fluidos com elevado teor de sólidos, com fibras alongadas em suspensão ou mesmo materiais pastosos como chocolate, graxas, sorvetes, pirões e massas cerâmicas. São auto-escorvantes, admitem uma altura de sucção de até 7,5 m de coluna d’água e podem ter a vazão regulada pela variação da velocidade de rotação do rotor. Figura 3 - 3 : Bomba Helicoidal do fabricante Roleflex 3.2 Bombas Cinéticas Podemos dizer que são aquelas que fornecem energia ao fluido sob forma de velocidade que se converte dentro da bomba em energia de pressão. São bombas normalmente utilizadas para o transporte de fluidos. As mais comuns e largamente aplicadas são as bombas centrífugas. 3.2.1 Tipos de Bombas Centrífugas e sua aplicação As bombas centrífugas são as mais comuns e usuais em todas as áreas de aplicação, sejam no saneamento, na indústria ou na agricultura. As bombas centrífugas aceleram a massa líquida através da força centrífuga fornecida pelo giro do rotor, cedendo energia cinética à massa em movimento e transformando a energia cinética em energia de pressão, na saída do rotor, através da carcaça da bomba. O deslocamento da massa líquida se dá continuamente do ponto de origem até o destino final. Em relação ao fluxo podem ser radial, axial ou misto, em relação à forma construtiva podem ser de eixo vertical, eixo horizontal, multiestágio, ter a carcaça bipartida ou não, serem submersíveis de eixo prolongado ou simplesmente submersas. A seguir estão relacionados alguns tipos de bombas centrífugas mais comumente utilizadas.

Figura 3 - 5 : Bomba Submersível com carcaça em ferro fundido 3.2.4 Bomba centrífuga horizontal e vertical As bombas centrífugas horizontais ou horizontais podem ser de simples estágio ou multiestágio, monobloco ou mancalizadas, bipartidas axialmente ou bipartidas radialmente. São as bombas mais utilizadas na indústria, saneamento e agricultura, pois possuem uma variedade de alcance em vazões e pressões, com bom rendimento, que outros tipos de bombas não têm. Figura 3 - 6 : Bomba monobloco simples estágio e multiestagio Podemos definir como conjunto motor-bomba monobloco, quando a bomba e motor são acoplados por um único eixo, chavetado no rotor da bomba. A transmissão do torque do motor entra direto no rotor da bomba. Bombas ditas mancalizadas, são bombas onde a conexão é feita através de um acoplamento, que une o eixo do motor com o eixo da bomba. Figura 3 - 7 : Bomba bipartida axial mancalizada

Podemos chamar o termo [Hg] de desnível geométrico, é a diferença de cotas entre os níveis dos reservatórios de sucção e descarga. Em uma instalação afogada, onde o nível do fluido, na sucção, está acima da geratriz superior da carcaça da bomba, podemos considerar como altura estática de aspiração (ha) a altura compreendida entre o nível máximo do reservatório de sucção e a entrada de sucção da bomba. Também podemos definir como altura estática de recalque (hr) a altura compreendida entre a descarga da bomba até o nível máximo do reservatório de descarga. Sendo assim temos: Hg = hr − ha  Hg: desnível geométrico [m]  ha: altura estática de aspiração [m];  hr: altura recalque [m];

4.1.2 Instalação de bombeamento do tipo Succionando..........................

Dizemos que a bomba está succionando quando o nível mínimo de sucção está abaixo do eixo do rotor. Figura 4 - 9 : Sistema de bombeamento succionando Analogamente, em uma situação do tipo succionando teremos o desnível geométrico como: Hg = hr + ha Forma como o sistema é concebido, afogado ou succionando, tem influência direta no cálculo da potência e do NPSH disponível, devendo ter certos cuidados na seleção da bomba para evitar o fenômeno da cavitação. Hg (^) hr ha (+)

4.1.3 Estações de Bombeamento para pressurização de rede “Booster”.

Configura-se um “Booster” quando em um determinado ponto da rede ou adutora é necessário aumentar a energia de pressão, isto é possível através da instalação de uma bomba diretamente na tubulação. Uma estação tipo “Booster” fica, portanto interposta numa adutora, de modo a compensar a perda de carga e manter a pressão do sistema constante. Esta bomba geralmente é instalada como “by-pass”, devendo estar em paralelo na linha adutora. Figura 4 - 10 : Sistema de bombeamento “Booster” Neste tipo de instalação a bomba aspira diretamente da adutora ou rede, desta forma devendo ter muito cuidado ao dimensionar o equipamento em relação à pressão de sucção disponível que deverá ser sempre positiva para que a bomba não opere a vazio.

4.1.4 Estações de Bombeamento tipo Poços Profundos..........................

Vários tipos de bombas podem ser utilizados para extração de água de um poço. A escolha do sistema mais adequado para um determinado poço depende de vários fatores, tais como:  Vazão desejada;  Diâmetro e profundidade do poço;  Níveis estático e dinâmico;

12.3 Condições de funcionamento..............................................................

 Níveis estático e dinâmico;  Temperatura da água;  Características físico-químicas da água;

6.4 Perdas de carga....................................................................................

 Natureza e características da energia motriz disponível.