Bombas e
Estações Elevatórias
Estações Elevatórias
•
Escoamentos por gravidade possibilitam economia de energia,
facilidade de operação, manutenção e segurança
•
No entanto, não são possíveis sempre:
– Cidades em cotas elevadas em relação aos mananciais
próximos
– Distância dos mananciais que se encontram em posição mais
alta que a cidade
Necessidade de estações elevatórias
Estação elevatória é o conjunto das edificações, instalações e
equipamentos, destinados a abrigar, proteger, operar, controlar
e manter os conjuntos elevatórios (motor-bomba) que promovem
o recalque da água.
Estações Elevatórias
•
•
•
Estações elevatórias de água bruta
Estações elevatórias de água tratada
Boosters (entre reservatórios)
Classificação das Bombas
• Bombas cinéticas
• São bombas que fornecem energia à água sob forma de
velocidade, que no interior da bomba transforma-se em
energia de pressão, fazendo com que a água atinja
alturas desejadas
– Bombas centrífugas
– Bombas periféricas
– Bombas especiais
Bombas Centrífugas
• São bombas hidráulicas que têm como princípio de
funcionamento a força centrífuga através de palhetas e
impulsores que giram no interior de uma carcaça
estanque, jogando líquido do centro para a periferia do
conjunto girante.
Classificação segundo a trajetória
do líquido no rotor
•
Bombas de fluxo radial
– O formato do rotor impõe um escoamento
líquido no sentido centrífugo radial
– Empregadas onde se exige grande altura de
elevação e vazão relativamente pequena
– Tipicamente utilizadas em captações com
grande recalque: em elevatórias situadas
junto a estações de tratamento ou a
reservatório e em estações de reforço de
pressão
– Quando a pressão a ser gerada for muito
elevada, as bombas centrífugas podem ter
dois ou mais rotores fechados: são as
bombas de duplo ou múltiplo estágio
Classificação segundo a trajetória
do líquido no rotor
•
Bombas de fluxo axial
– Movimentação da água no sentido do
rotor, o escoamento se dá no sentido
axial
– Empregado para recalcar grandes
vazões e pequena altura de elevação
– É utilizada, freqüentemente, em
captações de água de mananciais de
superfície com pequena altura de
elevação
Classificação segundo a trajetória
do líquido no rotor
•
Bombas de fluxo misto
– Combinam princípios das bombas
radiais e axiais
– O caminhamento da água é
helicoidal
– Empregada nos casos em que a
altura de elevação é relativamente
baixa e a vazão elevada
– Ex.: bombas de eixo prolongado
para a extração de água de poços
profundos
Grandezas características
• A escolha da bomba é feita através de:
– vazão de bombeamento
– altura manométrica total capaz de ser
produzida pela bomba a essa vazão
– Outras grandezas: a rotação, a potência
absorvida e a eficiência
Grandezas características
Grandezas características
1) Altura manométrica total em metros (Hman):
Hman  Hg   H S   H R
•
HR  somatório das perdas de carga distribuídas e localizadas na
tubulação de recalque: HR = J.LR + hR (m)
•
HS  somatório das perdas de carga distribuídas e localizadas na
tubulação de sucção: HS = J.LS + hS (m)
•
Hg  altura geométrica: Hg = Hgr + Hgs (m)
Grandezas características
2) Vazão
3) Rotação  caracterizada pela velocidade que a máquina de
acionamento imprime à bomba. No caso de motor elétrico, essa
velocidade é função direta da freqüência ou ciclagem da corrente e
do número de pólos que possui o motor
•
•
•
Bomba de alta rotação
Bomba de média rotação
Bomba de baixa rotação
3.000 a 3.600 rpm
1.500 a 1.800 rpm
1.200 rpm ou menor
120 f
rpm 
n
•
f = freqüência da corrente (60hz) e n = número de pólos
Grandezas características
4) Eficiência ou rendimento da bomba  nem toda a energia cedida
pelo motor é aproveitada pela água, devido às perdas existentes na
bomba.

Pu
Pbomba
Pu 
•
•
•
•
•
g .Q.H man
75
Pu = potência útil em CV (cavalo vapor)
Q = vazão (m3/s)
Hman = altura manométrica (m)
g = peso específico da água (kgf/ m 3)
75 = fator de compatibilização de unidades (CV)
Grandezas características
5) Potência absorvida pela bomba (CV):
P
g .Q.H man
75.
103 Q.H man
P
(cv )
75.
g = peso específico da água
 = eficiência da bomba
Curvas características das bombas centrífugas
•
As bombas centrífugas são máquinas que podem trabalhar à
mesma rotação, sob diferentes condições de vazão e de altura
manométrica
•
Interdependência destes valores, de conformidade com a vazão
bombeada e a altura manométrica da bomba, operando a uma
velocidade constante
•
Cada bomba é projetada para elevar uma determinada vazão a uma
altura manométrica total em condições de máximo desempenho 
a medida que o par Q, Hman se afasta destas condições, o
rendimento da bomba tende a cair
Curva característica de uma bomba
Curva característica do sistema elevatório
•
É a curva que relaciona a Hman
do sistema de elevação do
líquido com a vazão de
bombeamento
•
Para o traçado da curva, é
necessário definir os diâmetros
das tubulações de sucção,
recalque e barrilete
Cavitação
•
Processo de criação e colapso de bolhas, originadas quando a
pressão do líquido atinge a tensão máxima do vapor do líquido na
sua temperatura
•
Pode aparecer em estruturas fixas (válvulas, orifícios, curvas,
sifões, etc.) e em máquinas hidráulicas (bombas e turbinas)
•
Sério problema na operação de bombas, pois pode:
– Reduzir a capacidade e eficiência da bomba
– Causar danos ao rotor
– Provocar ruídos e vibração na bomba
•
Existe perigo de cavitação principalmente quando as bombas
operam com altas velocidades de rotação e capacidade superior
àquela relativa ao ponto ótimo de funcionamento
NPSHdisponível
(Net Positive Suction Head)
•
Disponibilidade de energia que faz com que a água consiga alcançar
as pás do rotor da bomba
NPSH d    H g ,s   H S 
Patm
g

Pvapor
g
NPSHd  carga de sucção positiva disponível (m)
Hg,s  altura estática de sucção: positiva quando a bomba está afogada
e negativa, caso contrário (m)
Patm  pressão atmosférica (N/m 2)
Pvapor  pressão do vapor de água (N/m 2)
g  peso específico da água (N/m 3)
NPSHr
• Depende de elementos de projeto da
bomba e da vazão, sendo geralmente
fornecido pelo fabricante das bombas
Nq = rotação específica
•Folga entre NPSHd e NPSHr: mín de 0,5 m ou a diferença de 20%
Escolha das bombas e determinação do
ponto de operação do sistema elevatório
•
Para isso, é necessário:
•
Análise das curvas do sistema elevatório e das bombas disponíveis
no mercado, passíveis de serem utilizadas em cada caso
Análise do tipo de operação do sistema de bombeamento (com uma
bomba, bombas em paralelo e bombas em série)
•
– A curva característica vai representar as condições hidráulicas
operacionais da bomba trabalhando com determinado número de giros
na unidade de tempo
•
Análise:
– Etapas do projeto
– Padronização de equipamentos eletro-mecânicos
– Estudo dos transientes hidráulicos
•
Na operação: NPSHd>NPSHr
Operação com apenas uma bomba
• O ponto de operação do sistema de bombeamento é
dado pelo cruzamento as curvas da bomba e do sistema
elevatório
• Na escolha da bomba: pesquisar nas curvas
características, aquela que eleva a vazão de projeto à
altura manométrica, operando o mais próximo possível
de seu ponto de melhor rendimento
Variação da rotação da bomba
•
Bomba com mesmo rotor, girando a velocidades diferentes:
Q2 n2

Q1 n1
•
•
•
•
H2  n2 
 
H1  n1 
2
P2  n2 
 
P1  n1 
3
n1 e n2  velocidade de rotação da bomba
Q1 e Q2  vazão de bombeamento relativo a n1 e n2
H1 e H2  altura manométrica total da bomba relativa a n1 e n2
P1 e P2  potência consumida pela bomba relativa a n1 e n2
Estas relações conhecidas como leis da semelhança, são
utilizadas para se determinar o efeito da variação da rotação na
vazão, altura e potência de uma bomba
Variação do diâmetro do rotor
• Variando-se o diâmetro do rotor (Dr) de uma bomba,
com rotação constante, tem-se:
Q2 Dr2

Q1 Dr1
H 2  Dr2 

 
H 1  Dr1 
2
P2  Dr2 

 
P1  Dr1 
3
Associação de bombas centrífugas
• Razões técnicas:
– quando um desnível elevado acarretar em um rotor
de grande diâmetro e alta rotação, e com isso altas
acelerações centrífugas e dificuldades na
especificação de materiais.
• Razões econômicas:
– quando o custo de duas bombas menores é inferior
ao de uma bomba de maiores dimensões para fazer
o mesmo serviço
– Aumento da demanda no decorrer do tempo
Associação de bombas
•
•
Com visão no final do plano  anti-econômico dimensionar a bomba
para a situação de vazão máxima
A situação mais comum é aquela em que todas as bombas da
associação são iguais, o que facilita a manutenção do sistema
•
Associação em série: a entrada da segunda bomba é conectada à
saída da primeira bomba. Mesma vazão, mas as alturas de elevação
de cada uma são somadas para obter a altura de elevação total
•
Associação em paralelo: cada bomba recalca a mesma parte da
vazão total do sistema, mas a altura total de elevação é a mesma
Operação de bombas em série
•
•
•
•
•
O sistema é empregado quando a
elevatória deve atender a
reservatórios em níveis ou
distâncias diferentes ou alturas
manométricas muito elevadas (é
mais econômico)
A mesma vazão passa pelas duas
bombas
Cada bomba é responsável por
uma parcela da Hman total
A curva Hman x Q das duas
bombas é obtida pela soma dos
valores de Hman de cada uma
para uma mesma vazão de
recalque
Se as bombas forem iguais, cada
uma vai fornecer metade a altura
total do sistema
Ponto de operação de cada
bomba em separado
Operação de bombas em paralelo
•
Cada bomba é responsável por parcela da vazão total a ser recalcada
•
Bombas em paralelo  vantagem operacional: se houver falha no
funcionamento em uma das bombas, acontecerá apenas uma redução da
vazão bombeada pelo sistema
•
Flexibilização operacional no sistema: como a vazão é variável pode-se
retirar ou colocar bombas em funcionamento em função das necessidades e
sem prejuízo da vazão requerida
•
Sistema de segurança: caso de falhas da bomba
•
A curva combinada das bombas em paralelo é obtida pela soma das vazões
correspondentes à mesma altura das bombas
•
Vazão - uma bomba isolada sempre fornecerá mais vazão do que esta
mesma bomba associada em paralelo com outra igual porque a variação na
perda de carga no recalque é diferente;
Operação de bombas em paralelo
2
1
3
Qb
•
•
•
Qc
Qd
Qa
Vazão (m3/s)
1 e 2 – Contribuição de cada bomba separadamente. Qa=Qb + Qc
Tem-se sempre que Qa < 2Qd, isto é, associando-se duas bombas iguais,
não se consegue dobrar a vazão correspondente a uma única bomba
instalada no sistema
Caso uma das bombas parar de funcionar, a unidade que fica em operação
tem seu ponto de funcionamento deslocado de 1 para 3, a despeito da
diminuição da altura de elevação, há um aumento de potência necessária
pelo aumento na vazão. É neste ponto que a potência do motor elétrico deve
ser estudada
Recomendações para associar
bombas em paralelo
• Selecionar bombas com curvas características do tipo
estável (para cada Hman, uma só Q)
• Usar de preferências bombas de características
semelhantes, isto é, que tenham a mesma variação
percentual entre a vazão e a altura manométrica
• Empregar motores cujas potências sejam capazes de
atender a todas as condições, sem perigo de sobre
carga
• Projetar a instalação, de modo que: NPSHd > NPSHr,
em qualquer ponto de trabalho provável
Associação da curva da bomba
com a curva característica do sistema
para vários tipos de recalque
A curva do sistema é obtida somando-se as vazões das duas tubulações
para a mesma altura manométrica
Para Q < Q3, apenas R2
será abastecido. Para
vazões maiores, as
tubulações funcionam
como se estivessem em
paralelo sob a mesma
Hman
Q3
Número de conjuntos elevatórios
• Análise técnica: quantidade de conjuntos motor-bomba é
função das vazões envolvidas e de suas variações e dos
equipamentos disponíveis no mercado
• Análise econômica: considerando os custos das obras
civis e equipamentos a serem adquiridos, incluindo-se a
operação e a manutenção do sistema
Número de conjuntos elevatórios
•
Recomendações:
•
Pequenas elevatórias: duas bombas iguais, cada uma devendo
estar apta para atender a Qmáx prevista (1 + 1reserva)
Elevatórias maiores: mínimo de 3 bombas, que podem ser iguais,
devendo duas quaisquer, poder atender a Qmáx prevista (mesmo
no caso de bombas diferentes = 2 + 1 reserva)
Elevatórias de grande porte: várias unidades de recalque
•
•
•
•
Deve-se garantir uma reserva instalada que corresponda a, pelo
menos, a cerca de 25% da capacidade total (Tsutya, 2006)
Em elevatórias de pequeno porte, estas reservas devem ser
superiores a 50%
Potência de motores para
o acionamento de bombas
•
A potência elétrica fornecida pelo motor que aciona a bomba, sendo m
seu rendimento global, é dada por:
103.Q.H man
Pm 
(cv )
75.. m
•
•
•
•
Rendimento:
O motor elétrico absorve energia elétrica da rede de alimentação e a
transforma em energia disponível no eixo
Pm – potência mecânica disponível no eixo
Pe – potência elétrica que o motor retira da rede
m
P
m 
Pe
Componentes das Estações Elevatórias
•
•
•
•
•
Sala das máquinas e dependências complementares;
Poço de sucção;
Tubulações e órgãos acessórios;
Equipamentos elétricos;
Dispositivos auxiliares.
Sala das máquinas e
dependências complementares
•
Onde ficam os conjuntos elevatórios, cabine de comando, chaves
de partida, instrumentos de leitura de medições elétricas ou
hidráulicas, etc.
•
Dimensionamento com folga para o conjunto e para operação e
manutenção
•
Circulação de ar para evitar o aquecimento dos motores
•
Dependências auxiliares: sala para o operador e instalação
sanitária com bacia, lavatório e chuveiro
Poço de Sucção
•
•
•
•
•
É uma estrutura de transição que recebe a água afluente e as
coloca à disposição das unidades de recalque
Às vezes, não existe de fato um tanque com essas
características, pois a tomada é feita diretamente no rio, poço,
represa ou em amplo reservatório
Poço com nível de água abaixo da bomba  há uma altura de
sucção a ser vencida pela bomba, necessitando a mesma ser
escorvada para poder funcionar
Poço com nível de água acima da bomba  há uma carga
permanente sobre a boca da bomba, que neste caso trabalha
afogada
Importante manter a submergência adequada na sucção para
evitar a formação de vórtice
Poço de Sucção
•
Poço com nível de água abaixo da bomba
•
Apresenta a vantagem de se poder montar o conjunto
de recalque ao nível do terreno, ou mais acima, em
ambiente claro e ao abrigo das inundações.
Entretanto, devido à necessidade de escorva a
operação torna-se mais trabalhosa
Vórtices em poço de sucção
•
•
•
•
Redução da vazão recalcada
Quando ocorre o arraste de ar no poço  a presença de 1% de ar
(em volume) no escoamento reduz a eficiência da bomba em 15%
Pode provocar vibrações estruturais importantes, acelerando o
desgaste em componentes das bombas
A variação rápida da pressão no rotor da bomba, provocada pelo
centro do vórtice, pode ocasionar vibração e cavitação
Vórtices em poço de sucção
•
Algumas recomendações para o projeto do poço:
•
•
O escoamento do fluxo deve ser preferencialmente uniforme
A velocidade recomendada a montante do poço é menor ou igual a
0,6 m/s (evitar grandes variações de profundidade e direção)
A distribuição do fluxo deve ser mais uniforme possível (mais de
uma bomba)
Quando existir mais de uma bomba, a disposição da tubulação deve
ser bem estudada
•
•
Tubulações e Órgãos Acessórios
•
•
Tubulações: tubulação de sucção, barrilete e tubulação recalque
As tubulações das casas de bombas são geralmente de ferro
fundido com juntas de flange
•
Os principais órgãos acessórios:
a) Válvula de bloqueio  interrompe o fluxo da canalização. Trabalha
em duas posições: aberta ou fechada (válvula de gaveta e válvula
borboleta)
b) Válvula de retenção  permite a passagem da água numa só direção
(evita o refluxo da água)
c) Manômetros  são conectados, respectivamente, junto à saída e à
entrada da bomba, através de uma tubulação de diâmetro
reduzido. Quando há escoamento indica a Hman
Tubulações e Órgãos Acessórios
d) Sistema de escorva de bombas:
A escorva é o processo de enchimento da bomba e respectiva
tubulação de sucção com água. Nessa operação, a válvula de pé
é indispensável, pois se ela não existisse, toda a água voltaria
para o poço de sucção (Bomba afogada  não precisa)
Válvula de pé: tipo especial de válvula de retenção, é instalada
na extremidade da tubulação de sucção. Assegura a passagem
da água somente em direção à bomba e permitem que as
tubulações de sucção mantenham-se sempre cheias mesmo
quando a bomba for paralisada
Equipamento Elétrico
•
Inclui-se nesta categoria as chaves de partida e proteção dos
motores, os instrumentos de controle e, eventualmente, os
transformadores.
•
Os instrumentos de controle são voltímetros e amperímetros,
ligados a cada fase da corrente e, as vezes, o freqüencímetro
•
São montados sobre painel ou em cabine metálica que abriga
também as chaves de partida, as chaves de seccionamento e
outros dispositivos auxiliares.
Painel de comando elétrico: opera e supervisiona
todo o sistema de bombeamento
Dispositivos Auxiliares
•
Medidor de vazão: é colocado à saída da estação e destina-se a
medir a quantidade total de água bombeada. Ex.: Venturi
•
Medidor de nível: destinam-se a indicar a posição do nível de
água no poço de tomada, reservatório de alimentação das
bombas ou no local de chegada da água. Existem vários tipos,
sendo os mais comuns os de flutuador, os pneumáticos e os
elétricos.
•
Dispositivo para escorva da bomba
•
Ponte rolante: destina-se à movimentação de peças, tubulações e
equipamentos pesados. Só se justifica em grandes instalações
Estação pressurizada ou booster
• Geralmente utilizada em instalações que
necessitam de aumento de pressão ou de
vazão. Podem ser utilizados na adução e
na distribuição de água
Aumento de pressão
Aplicação:
Quando o envelhecimento da tubulação faz aumentar a
rugosidade e ocasiona a gradativa redução na vazão
Quando se procura simplesmente aduzir maior quantidade de
água para a área de consumo