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... seria desejável que os escoamentos fossem inteiramente
por gravidade ...
Entretanto, existem pontos altos ou muito afastados que
devem ser atendidos pelo Sistema de Abastecimento fontes de
abastecimento de água.
Elevatórias de água bruta: destinada a conduzir água não
tratada.
Elevatórias de água tratada: destinada a conduzir água
tratada.
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Normalmente são instaladas após
bombeamento até os reservatórios.
a
ETAs
para
o
Contudo ....
Podem também estar entre reservatórios
Podem ainda estar em algum trecho da rede de distribuição de
água (neste caso são conhecidas por boosters).
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1 - Conceito de Bombas
Caso se pretenda que um fluido escoe de um ponto de menor
energia mecânica para um de maior energia, faz-se necessário
a instalação de um equipamento para suprir a energia
mecânica adicional, e também a energia dissipada por atrito.
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As bombas são equipamentos mecânicos usados no transporte de
líquidos através de tubulações.
Recebem energia potencial de um equipamento acionador (motor
elétrico, motor de explosão ou turbina), e transformam parte desta
potência em energia cinética (movimento) ou energia de pressão
(força) ou ambos (dependendo das características técnicas da
bomba) cedendo estas energias ao fluído bombeado.
Assim, o bombeamento pode ser definido como o efeito de
adicionar energia a um fluido para movê-lo de um ponto a outro.
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O uso de bombas hidráulicas ocorre sempre que á a
necessidade de aumentar-se a pressão de trabalho de uma
substância líquida contida em um sistema, a velocidade de
escoamento, ou ambas.
Características para escolha da bomba: Vazão do líquido;
Diferencial de pressão necessária (carga); Características do
líquido (viscosidade, densidade, contaminantes, etc);
Condições de temperatura e pressão; Regime de
funcionamento; Flexibilidade operacional desejada.
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Classificação das bombas hidráulicas
Atualmente, há um predomínio total das bombas
centrífugas em sistemas de abastecimento de água...
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As bombas centrífugas apresentam maior rendimento, custo
menor de instalação, operação e manutenção.
a) Bombas volumétricas (ou de deslocamento positivo): a
movimentação do fluído é causada diretamente pela ação de
um órgão de impulsão da bomba que obriga o fluído a
executar o mesmo movimento a que está sujeito este impulsor
(êmbolo, engrenagens, lóbulos, palhetas).
Dá-se o nome de volumétrica porque o fluído, de forma
sucessiva, ocupa e desocupa espaços no interior da bomba,
com volumes conhecidos.
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O movimento do fluído dá-se na mesma direção das forças a ele
transmitidas, por isso são chamadas de deslocamento positivo.
O intercâmbio de energia é estático e o movimento é alternativo.
Não há troca de energia interna (nem cinética) na massa líquida. O
líquido confinado em um compartimento sofre um aumento de
pressão e é deslocado de uma posição estática para outra posição
estática mais elevada.
As Bombas Volumétricas dividem-se em:
 Êmbolo ou Alternativas (pistão, diafragma, membrana);
 Rotativas (engrenagens, lóbulos, palhetas, helicoidais, fusos,
parafusos, peristálticas).
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 Pistão / Êmbolo (duplo efeito e Multiplex): na subida do
êmbolo ocorre a admissão do fluido e na descida ocorre a
impulsão.
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 Alternativas: o movimento do líquido é produzido por
um êmbolo que se desloca através de movimento
alternativo no interior de um cilindro.
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 Alternativas
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 Rotativas: o movimento do líquido é produzido através do
movimento de rotação de um elemento mecânico que pode ser
engrenagens, lóbulos, parafusos, paletas deslizantes , etc.
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b) Bombas hidrodinâmicas ou bombas cinéticas: são bombas
que fornecem energia cinética a água. Essa energia convertese dentro da bomba em energia de pressão, permitindo que
água atinja posições mais elevadas dentro de uma tubulação.
2 - Principais componentes de uma bomba
2.1) Rotor: órgão móvel que fornece energia ao fluido. É
responsável pela formação de uma depressão no seu centro
para aspirar o fluido e de uma sobrepressão (pressão superior
àquela das condições normais) na periferia para recalcá-lo .
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2.2) Difusor (carcaça): canal de seção crescente que recebe o
fluido vindo do rotor e o encaminha à tubulação de recalque.
Possui seção crescente no sentido do escoamento para
transformar a energia cinética em energia de pressão.
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2.3) vedação: tem a função de impedir vazamento onde o eixo
atravessa a carcaça.
Se a pressão do líquido bombeado no interior do difusor for
maior que a pressão atmosférica, sua função é evitar que o
líquido vaze para fora da bomba.
Se a pressão for menor, sua função é evitar a entrada de ar
para dentro da bomba.
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2.4) Mancais: são elementos de apoio do eixo (os eixos das
bombas centrifugas são suportados pelos mancais).
Os mancais também tem a função de manter o conjunto rotativo
(eixo, rotor, luva) na posição correta em relação às partes
estacionárias da bomba.
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3 - Classificação das turbobombas
3.1) Quanto à trajetória do fluido dentro do rotor
(classificação mais importante)
a) Bombas radiais ou centrífugas: o fluido entra no rotor na
direção axial e sai na direção radial. A força predominante é a
centrífuga (as bombas centrífugas são as mais utilizadas)
Caracterizam-se pelo recalque de pequenas vazões em
grandes alturas.
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b) Bombas Axiais: o fluido entra no rotor na direção axial e sai
também na direção axial.
Caracterizam-se pelo recalque de grandes vazões em
pequenas alturas.
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c) Bombas diagonais ou de fluxo misto: O fluido entra no
rotor na direção axial e sai numa direção entre axial e a radial.
Caracterizam-se pelo recalque de médias vazões a médias
alturas.
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3.2) Quanto ao número de entradas para a aspiração e sucção.
a) Bombas de sucção simples ou de entrada unilateral: a
entrada do líquido se faz através de uma única boca de sucção.
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b) Bombas de dupla sucção: a entrada do líquido se faz por
duas bocas de sucção, paralelamente ao eixo de rotação.
Esta configuração equivale a dois rotores simples montados
em paralelo.
O rotor de dupla sucção tem a vantagem de proporcionar o
equilíbrio dos empuxos axiais, acarretando um melhor
rendimento da bomba, eliminando a necessidade de
rolamento de grandes dimensões.
É muito usado nas bombas de descargas médias.
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3.3) Quanto ao número de rotores dentro da carcaça
a) Bombas de simples estágio ou unicelular: a bomba possui
um único rotor dentro da carcaça.
Teoricamente é possível projetar uma bomba com um único
estágio para qualquer situação de altura manométrica e de
vazão.
Entretanto, as dimensões excessivas e o baixo rendimento
fazem com que os fabricantes limitem a altura manométrica
para 100 m.
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b) Bombas de múltiplos estágios: a bomba possui dois ou mais
rotores dentro da carcaça, sendo o resultado da associação de
rotores em série dentro da carcaça.
Permite a elevação do líquido a grandes alturas (> 100 m),
sendo o rotor radial o indicado para esta associação.
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3.4) Quanto ao posicionamento do eixo
a) Bomba de eixo horizontal: é a concepção construtiva mais
comum.
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b) Bomba de eixo vertical: usada na extração de água de
poços profundos.
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3.5) Quanto à pressão desenvolvida
a) Bomba de baixa pressão → Hm ≤.
b) Bomba de média pressão → 15 m < Hm < 50 m.
d) Bomba de alta pressão → Hm ≥ 50 m.
3.6) Quanto ao tipo de rotor
a) Rotor aberto: usada para bombas de pequenas dimensões.
Possui pequena resistência estrutural. Baixo rendimento.
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Dificulta o entupimento, podendo
bombeamento de líquidos sujos.
ser
usado
para
b) Rotor semi-aberto ou semi-fechado: possui apenas um
disco onde são afixadas as palhetas.
c) Rotor fechado: usado no bombeamento de líquidos limpos.
Possui discos dianteiros com as palhetas fixas em ambos.
Evita a recirculação da água, ou seja, o retorno da água à boca
de sucção.
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Esquemas de rotores fechado (a), semi-aberto (b) e aberto (c)
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3.7) Quanto à posição do eixo da bomba em relação ao nível da água
a) Bomba de sucção positiva: o eixo da bomba situa-se acima do nível
d’água do reservatório de sucção.
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b) Bomba de sucção negativa ou afogada: o eixo da bomba
situa-se abaixo do nível d’água do reservatório de sucção.
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4 - Altura Manométrica da Instalação
A altura manométrica (Hm) de uma instalação de
bombeamento representa a energia (por unidade de peso)
que o equipamento irá transferir para o fluido, a fim de
satisfazer às necessidades do projeto.
Existem dois casos que devem ser considerados no cálculo da
Hm:
 Da bomba em funcionamento (já instalada).
 Hm da bomba a ser instalada.
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Bomba de sucção positiva (instalação típica com manômetro (M) à
saída da bomba e vacuômetro (V) à entrada
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Exercícios:
1) Em uma instalação de bombeamento, as leituras do manômetro e do
vacuômetro indicam, respectivamente, 3,0 kgf cm-2 e -0,7 kgf cm-2. Encontre a
altura manométrica da bomba nessa condição.
2) No sistema de recalque da Figura abaixo, a perda de carga na sucção é de
1,2 mca e a perda de carga no recalque é de 12,3 mca. Pede-se: a) a altura
manométrica de recalque; b) a altura manométrica de sucção; e c) a altura
manométrica total.
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5 - Escolha da bomba e potência
necessária ao seu funcionamento
A seleção de uma bomba para uma determinada situação é
função da:
 Vazão a ser recalcada (Q);
m
 Altura manométrica da instalação (H ).
a) Vazão a ser recalcada: depende de três elementos:
consumo diário, jornada de trabalho da bomba e do número
de bombas em funcionamento (caso das instalações com
bombas associadas em paralelo).
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b) Altura manométrica da instalação: o levantamento
topográfico do perfil do terreno permite determinar: o
desnível geométrico da instalação (HG), o comprimento das
tubulações de sucção e de recalque e o número de peças
especiais dessas tubulações.
Com os comprimentos das tubulações e o número de peças
especiais, a perda de carga é calculada pelo conhecimento dos
diâmetros de sucção e de recalque.
A altura manométrica será calculada por: Hm = HG + Δht
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5.1) Cálculo dos diâmetros de sucção e de recalque
Segundo a equação da continuidade (Q = A.V), uma mesma
vazão pode ser transportada em tubulações de diferentes
diâmetros, variando a velocidade de escoamento.
Contudo, a variação do diâmetro produz reflexos diretos sobre
o investimento e o custo operacional da instalação, que são:
 Investimento: despesas na aquisição dos tubos;
 Custo operacional: despesas com a operação do sistema.
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Assim, quanto maior o diâmetro da instalação, maior o
investimento, mas menor será o custo operacional.
Com o aumento do diâmetro (para uma mesma vazão), a
velocidade de escoamento diminui e, consequentemente, a
perda de carga, refletindo na diminuição da altura
manométrica e na potência necessária ao bombeamento
(menor consumo de energia).
O correto é fazer um balanço econômico entre o custo da
tubulação e o custo da manutenção do sistema.
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A manutenção do sistema envolve gastos com energia elétrica
(ou combustível), lubrificantes, mão-de-obra, etc.
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Diâmetro de recalque (DR)
a) Fórmula de Bresse: recomendada para funcionamento
-1
contínuo, ou seja: 24 horas dia .
𝐷𝑅 = 𝐾. 𝑄
3 -1
sendo DR em metros e Q em m s .
K é um coeficiente econômico: balanço entre os gastos com
tubulação (investimento) e os gastos com a operação da
instalação (custo operacional) (K= 0,8 a 1,3; valor comum K=1).
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O valor de K está também relacionado com a velocidade:
b) Fórmula recomendada pela NBR 5626: Instalação predial
de água fria.
3
DR em m; Q em m /s; e T = número de horas de funcionamento
da bomba por dia.
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Diâmetro de sucção (Ds): é o diâmetro comercial imediatamente
superior ao diâmetro de recalque calculado pelas fórmulas anteriores.
Observações importantes:
a) Na análise econômica, recomenda-se a análise de cinco diâmetros
comerciais, sendo o intermediário calculado pela fórmula de Bresse,
para K = 1.
b) Quando o diâmetro calculado pela fórmula de Bresse ou da ABNT não
coincidir com o diâmetro comercial, é procedimento usual admitir o
diâmetro comercial imediatamente superior ao calculado para a sucção
e o imediatamente inferior para o recalque.
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c) Pode-se adotar o critério das velocidades econômicas, cujos
limites são:
 na sucção: Vs < 1,5 m/s (no máximo 2,0 m/s).
 no recalque: Vr < 2,5 m/s (no máximo 3,0 m/s).
Como valores médios pode-se adotar Vs = 1,0 ms-1 e Vr = 2,0
-1
ms .
O cálculo dos diâmetros é determinado pela equação da
continuidade, já que se conhece a vazão:
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5.2 - Potência necessária ao seu funcionamento
a) Potência necessária ao funcionamento da bomba (Pot): a
potência absorvida pela bomba é calculada por:
Sendo η o rendimento da bomba
b) Potência instalada (N) ou potência do motor: O motor que
aciona a bomba deverá trabalhar sempre com uma folga ou
margem de segurança que evitará que o mesmo venha operar com
sobrecarga.
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Recomenda-se que a potência necessária ao funcionamento da
bomba (Pot) seja acrescida de uma folga, conforme especificação a
seguir (para motores elétricos):
Para motores a óleo diesel recomenda-se uma margem de
segurança de 25% e a gasolina, de 50%, independente da potência
calculada.
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Para a determinação da potência instalada (N), deve-se
observar que os motores elétricos nacionais são fabricados
com as seguintes potências comerciais, em cv.
Potências comerciais para motores elétricos (em cv)
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6 - Instalação de Bombeamento (peças especiais)
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6.1 - Na linha de sucção
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1) Válvula de pé com crivo: é instalada na extremidade inferior
da tubulação de sucção. É uma válvula unidirecional (só
permite a passagem do líquido no sentido ascendente).
Esta válvula mantém a carcaça e a tubulação de sucção cheia
do líquido recalcado, impedindo o seu retorno ao reservatório
de sucção (ou captação).
Diz-se que a válvula de pé com crivo mantém a bomba
escorvada.
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A função do crivo é a de impedir a entrada de partículas sólidas
ou corpos estranhos como: folhas, galhos, etc.
A válvula deve estar mergulhada a uma altura mínima de:
h = 2,5.Ds + 0,1 (h e Ds em metros) para evitar a entrada de ar e
formação de vórtices.
2) Curva de 90o: imposta pelo traçado da linha de sucção.
3) Redução Excêntrica: liga o final da tubulação à entrada da
bomba, de diâmetro menor.
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Essa excentricidade visa evitar a formação de bolsas de ar à
entrada da bomba.
São aconselháveis sempre que a tubulação de sucção tiver um
diâmetro superior a 4” (100 mm).
6.2 – Na linha de recalque
1) Ampliação concêntrica: liga a saída da bomba de diâmetro
menor à tubulação de recalque.
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2) Válvula de retenção: é unidirecional, e instalada à saída da
bomba, antes da válvula de gaveta.
Impedi que o peso da coluna de água do recalque seja sustentado
pela bomba (o que poderia desalinhá-la ou provocar vazamentos) e
impedi que, com o defeito da válvula de pé e estando a saída da
tubulação de recalque afogada haja um refluxo do líquido, fazendo
a bomba funcionar como turbina, o que viria a provocar danos à
mesma.
3) válvula de gaveta: é instalada após a válvula de retenção. Suas
funções são de regular a vazão e permitir reparos na válvula de
retenção.
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Observação: a bomba centrífuga deve ser sempre ligada e
desligada com a válvula de gaveta fechada.
7 - Curvas Características
7.1 - Curvas Características das Bombas
Constituem-se de relações entre:
A altura manométrica com a vazão recalcada → Hm = f(Q);
A potência absorvida com a vazão recalcada → Pot = f(Q);
O rendimento com a vazão recalcada → η= f (Q).
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As curvas características são o retrato de funcionamento das
bombas nas mais diversas situações, sendo obtidas nas
bancadas de ensaio dos fabricantes.
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O aspecto destas curvas depende do tipo de rotor.
As curvas Hm = f(Q) e Pot = f(Q) referem-se apenas à região de
rendimento aceitável (η> 40%).
Considerações:
a) O aspecto achatado das curvas de rendimento das bombas
centrífugas mostra que elas são mais adequadas para situações
onde há necessidade de variar a vazão (a vazão pode ser
variada sem afetar significativamente o rendimento da
bomba).
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b) A potência necessária ao funcionamento das bombas
centrífugas cresce com o aumento da vazão. Isto mostra que,
essas bombas devem ser ligadas com a válvula de gaveta
fechada, pois nesta situação, a potência necessária para
acioná-las é mínima.
c) O crescimento da altura manométrica não causa sobrecarga
no motor, entretanto, quando a Hm diminui, aumenta a vazão,
o que poderá causar sobrecarga no motor.
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7.2 - Curvas Características do Sistema (ou da Tubulação)
Para as curvas características do sistema devem ser incluídas as
perdas de carga. As perdas nas singularidades são incluídas
utilizando-se o método dos comprimentos equivalentes (Le).
Hm = HG + Δht
Δht = Δhc + Δhs
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a) Com base na equação de Darcy-Weisbach:
Lv é o comprimento normal da canalização
Então:
Hm = HG + K.Q
2
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b) Com base na equação de Hazen-Williams:
Então:
Hm = HG + K'.Q
1,85
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Essas equações, quando representadas graficamente, tem o
seguinte aspecto:
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7.3 - Ponto de Operação do Sistema
A curva característica da bomba associada
característica do sistema tem o seguinte aspecto:
à
curva
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A intersecção das duas curvas define o ponto de trabalho ou
ponto de operação da bomba.
Ou seja: para a vazão de projeto da bomba, a altura
manométrica da bomba é igual àquela exigida pelo sistema.
Continua na próxima aula ...