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Economizando água, você está economizando energia

1 - INTRODUÇÃO

Este trabalho apresenta um resumo da análise e projeto de sistemas elevatórios de água, abordando suas características básicas, para, a partir desse conhecimento apresentar dois métodos de controle da vazão. Os métodos abordados são o controle de vazão por válvula e controle da vazão pela velocidade da bomba.


Fatores que contribuem para o custo da energia elétrica, em sistemas de bombeamento:

1. Ultrapassagem da demanda contratada;
2. Baixo fator de potência, o que leva a cobrança de energia reativa excedente.
3. Consumo elevado em horários de pico, entre 17:30 h e 20:30 h.
4. Equipamentos antigos, nos quais ocorre a dificuldade de manutenção e adaptação às normas tecnológicas atuais;
5. Baixo rendimento das instalações de bombeamento, ocasionando maior consumo de energia elétrica.

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2 - INSTALAÇÃO DO SISTEMA DE BOMBEAMENTO

Podemos dividir a análise de uma instalação de elevação em duas partes:
1. Instalação ou sistema elevatório;
2. Estudo do bombeamento ou bomba.

Os elementos do sistema elevatório ( figura: 1 ) ou intalação representam as características físicas encontradas para o transporte da água de um nível para outro, basicamente teremos os seguintes dados a serem levantados:

1. Desnível entre os reservatórios de sucção e de descarga ou recalque;
2. Vazão do sistema;
3. Comprimento e diâmetro da tubulação;
4. Quantidade de acessórios como curvas, joelhos , válvulas etc.

Figura 1: Croqui de uma instalação de recalque
Fonte: Catálogo KSB BOMBAS S.A.

O objetivo do sistema de bombeamento é coletar a água do reservatório inferior, ou reservatório de sucção, e transporta-la até o reservatório superior , ou reservatório de recalque. A função da bomba é fornecer a energia ao líquido, vencendo as resistências do encanamento, seus acessórios e o desnível entre os reservatórios.

Perdas de pressão numa instalação hidráulica de elevação:

Perdas estáticas (He)- Compreende o desnível entre reservatórios, comprimento da tubulação, diâmetro, quantidade de curvas, joelhos e válvulas . O desnível entre os reservatórios recebe no nome de altura estática de elevação e sua unidade é o metro ( m) . Representa a quantidade de energia por unidade de massa que a bomba precisa adicionar ao líquido para uma determinada vazão.
Perdas dinâmicas (Hd) - As perdas na tubulação, são proporcionais ao quadrado da vazão, sendo a sua unidade também o metro ( m ) . É a energia, por unidade de massa, que o fluido necessita para vencer as resistências, permitindo, a vazão especificada.
Perdas totais (H) - É a soma das perdas estática mais a perda dinâmica, representa a altura total da instalação
de recalque e depende em parte da vazão.

2.1 - CURVA DO SISTEMA OU INSTALAÇÃO

A instalação pode ser representada matemáticamente por uma curva envolvento as perdas de pressão H (em metros) e a vazão vazão Q (em m3 / hora ).

Figura 2: Curva representativa de uma instalação elevatória

Observando a curva da instalação observando da instalação de bombemanto, podemos destacar duas medidas:

A - Representa a altura estática total (He), ou seja, os desníveis da sucção e elevação. Os desníveis, na verdade variam com os níveis dos reservatorios de sucção e de descarga. Mas, esta variação pode ser despresível, dependendo dos desnível entre reservatórios.

B - São as perdas dinâmicas (Hd). Isto é, as perdas de pressão ao longo da tubulação e seus acessórios ( Curvas,  vávulas, etc. São chamadas perdas dinâmicas por que variam com a vazão.

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3 - CARACTERÍSTICAS DA BOMBA

Figura 3 : Conjunto motor e bomba
Fonte: DANCOR - Bombas e Filtros

A curva H x Q, da bomba, que descreve seu comportamento, para a vazão Qn e a altura total Hn.. A altura total H, é a carga total que a bomba precisa vencer para obter uma vazão Q.
Os fabricantes fornecem as cuvas envolvendo alturas, vazão e rendimento para facilitar a especificação da bomba adequada.

Figura 4: Curva típica de uma bomba

A curva da bomba , mostra que a vazão e a perda de pressão são inversamente propocionais. Na medida em que a bomba fornece ao fluido, mais energia para uma maior vazão, a perda de pressão ( altura H ) fica menor.

3.1 - RENDIMENTO DA BOMBA

A bomba é um dispositivo que tem a função de transformar a energia mecânica no seu eixo em energia hidráulica cedida ao fluido. Como todo o processo de transformação energética existem as perdas, ou seja nem toda energia mecânica é transformada em energia hidráulica.
O rendimento da bomba é a relação entre a potência mecânica, fornecida à bomba pelo motor, e a potência hidráulica cedida ao fluido.

Figura 5: Rendimento da Bomba

3.2 -CURVA DO REDIMENTO DA BOMBA

Figura 6: Curva do rendimento da bomba e vazão
Fonte: Catálogo eletrônico KSB Bombas S.A.

A bomba transforma a energia mecânica no seu eixo em energia hidráulica cedida ao fluido. Mas, existe limites para esta tranformação energética. O redimento aumenta até atingir um ponto máximo, para uma vazão. Após essa vazão ótima, o redimento da bomba decresce e temos perdas energéticas .

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4 - PONTO DE OPERAÇÃO DA BOMBA E INSTALAÇÃO

Considerando as características do sistema e da bomba, representadas por suas curvas, o ponto de operação do bombeamento será a interseção das duas curvas. Neste ponto a bomba cede energia ao fluido para vencer a altura H (m) com a vazão Q ( m3 / h ).

Figura 7: Ponto de operação do bombeamento

5 -CONTROLE DA VAZÃO

O controle da vazão pode-se dar por dois processos basicamente, existindo outras alternativas.
Os métodos mais usados são:
1. Controle da vazão por válvula de estrangulamento;
2. Controle da rotação da bomba.

Outras opções para controlar a vazão são a recirculação e a mudança do diâmetro do rotor da bomba.

5.1 - CONTROLE DA VAZÃO POR VÁLVULA

Fatores que alteram a curva característica do sistema, ou instalação:

1. Natureza do líquido bombeado ( peso específico, densidade );
2. Temperatura do líquido;
3. Variação da altura estática;
4. Pressão dos reservatórios de sucção e descarga;
5. Características ou alterações na tubulação ou acessório.

No processo de controle da vazão, após a saída da bomba, inserimos uma válvula, cuja função é alterar a vazão pela redução do diâmetro, acarretando um aumento da perda de pressão, na curva do sistema. A rotação da bomba fica inalterada e a potência consumida aumenta para suprir o aumento de carga .

Figura 8: Controle de vazão com uso de válvula

5.2 - CONTROLE DA VAZÃO PELA ROTAÇÃO DA BOMBA

As modificações da curva da bomba são obtidas de dois modos mais usuais:

1. Variar a rotação da bomba N (rpm);
2. Variar o diâmetro do rotor da bomba.

Na medida em que a rotação da bomba varia surge um conjunto de curvas paralelas, que representam a operação da bomba para a velocidade resultante daquela rotação. Isto em nada afeta a curva do sistema.

Figura 9: Redução da velocidade da bomba

Não há acréscimo na a perda de carga representada pela altura H. Ao contrário, a resistência para a vazão Qt2 é menor. Existe uma relação de proporcionalidade entre a rotação N, da bomba, a vazão (Q), altura manométrica total (H) e a potência consumida pela bomba.

Potência consumida pela bomba varia com o cubo da rotação:

A potência consumida pela bomba varia com o cubo da rotação, afetando o motor que aciona a bomba em seu rendimento. Quanto menor a rotação menor a potência no eixo da bomba e menor a potência de saída do motor.
Uma redução de 10% na velocidade acarreta uma diminuição de 27% na potência consumida pela bomba. A vazão, diretamente proporcional à velocidade, tem a mesma redução percentual da velocidade, 10%.

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6 - OTIMIZAÇÃO DA INSTALAÇÃO DE BOMBEAMENTO

A otimização do consumo de energia elétrica em sistemas de bombeamento hidráulico, passa primeiramente , pelo estudo das características do sistema de elevatório. Ou seja, as cotas de elevação, tubulações e acessórios.
Em resumo temos os seguintes aspectos a observar:

1. Elimine vazamentos de água, evitando desperdícios.
2. Especificar a bomba para operar próximo ao rendimento máximo;
3. Evitar o sobredimensionamento do motor;
4. Para o controle da vazão não usar válvula;
5. Corrigir o Fator de Potência;
6. Evite, sempre que possível, o bombeamento de água no horário de pico (18 às 21h.).;
7. Dimensionar as tubulações de modo a reduzir as perdas de carga;
8. Verifique o funcionamento da bóia e utilize “automático” para ligar e desligar as bombas.
9. Verifique se a alimentação elétrica do motor está de acordo com as especificações do fabricante.
10. Lembre-se: Economizando água, você está economizando energia.

INVERSOR DE FREQUENCIA

Nos motores de indução trifásicos mantendo-se constante a relação V/ f, o fluxo do campo girante se mantém constante, e o conjugado do motor também será constante. Isto é conseguido variando-se simultaneamente e na mesma proporção, a tensão e a freqüência da tensão de alimentação do motor. Basicamente o acionamento eletrônico é composto por chaves eletrônicas e um circuito e controle. As chaves eletrônicas podem ser Tiristores, GTO, Transistor Bipolar ou Transistores de Efeito de Campo ( FET). O mais importante , do ponto de vista da eficiência energética, é que com o controle eletrônico as perdas são minimizadas.

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