RE-DIMENSIONAMENTO DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA PARA O SISTEMA
DE COMBATE A INCÊNDIO DE UMA PLANTA INDUSTRIAL
Matheus Donadio Gonçalves
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia Mecânica da Escola Politécnica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessários à obtenção do
título de Engenheiro.
Orientador: Gustavo César Rachid Bodstein, Ph.D.
Rio de Janeiro
Fevereiro 2014
RE-DIMENSIONAMENTO DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA PARA O SISTEMA
DE COMBATE A INCÊNDIO DE UMA PLANTA INDUSTRIAL
Matheus Donadio Gonçalves
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE
ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL
DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A
OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.
Examinado por:
_____________________________________________
Prof. Gustavo César Rachid Bodstein, Ph.D. (Orientador)
_____________________________________________
Prof. Manuel Ernani de Carvalho Cruz, Ph.D.
_____________________________________________
Prof. Daniel Onofre de Almeida Cruz, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
FEVEREIRO 2014
II
Gonçalves, Matheus Donadio
Re-dimensionamento de uma bomba centrífuga para
o
sistema de combate
a incêndio de
uma planta
industrial/Matheus Donadio Gonçalves - Rio de Janeiro:
UFRJ/ESCOLA POLITÉCNICA, 2014.
VII, 70 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Gustavo César Rachid Bodstein, Ph.D.
Projeto
de
Graduação
–
UFRJ/
Escola
Politécnica/Curso de Engenharia Mecânica, 2014.
Referências Bibliográficas: p. 70.
1.
Sistema
Dimensionamento
de
bombeamento.
de
bomba
I.
Bodstein,
centrífuga.
2.
Gustavo.
II.
Universidade Federal do Rio de Janeiro, UFRJ, Engenharia
Mecânica.
III.
Re-dimensionamento
de
uma
bomba
centrífuga para o sistema de combate a incêndio de uma
planta industrial.
III
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como
parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
Re-dimensionamento de uma bomba centrífuga para o sistema de combate a
incêndio de uma planta industrial
Matheus Donadio Gonçalves
Fevereiro/2014
Orientador: Gustavo César Rachid Bodstein, Ph.D.
Curso: Engenharia Mecânica
Este projeto final tem como objetivo o re-dimensionamento e verificação do resultado
de um projeto de ampliação da capacidade de um sistema de combate a incêndio do
terminal de navios de uma planta industrial. Sendo assim, será feito o dimensionamento de
uma bomba centrífuga para as condições de operação que foram definidas pela companhia.
O resultado será confrontado com a bomba que encontra-se em operação hoje para
verificar a possibilidade de sua utilização.
Palavras-chave: bomba centrífuga, sistema de combate à incêndio, NFPA 20.
IV
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of
the requirements for the degree of Engineer.
Re-sizing a centrifugal pump for firefighting system of an industrial plant
Matheus Donadio Gonçalves
February/2014
Advisor: Gustavo César Rachid Bodstein, Ph.D.
Course: Mechanical Engineering
This final project aims to re-design and verify the result of a project to increase the
capacity of a system of firefighting from an industrial plant ship terminal. Thus, the design will
contemplate a centrifugal pump operating in specific conditions which are defined by the
company. The result will be compared with the pump that is in operation today to verify the
possibility of its use.
Keywords: centrifugal pump, firefighting system, NFPA 20.
V
Sumário
I.
Objetivo e Introdução .......................................................................................... 1
II. Bombas Hidráulicas ............................................................................................ 2
II.1
Bombas Dinâmicas ...................................................................................... 2
II.2
Bombas Volumétricas .................................................................................. 4
III. Bomba Centrífuga ............................................................................................... 6
III.1
Principais Componentes............................................................................... 6
III.2
Propriedades das Bombas Centrífugas ...................................................... 15
IV. Descrição do Sistema........................................................................................ 22
IV.1
Funcionamento ....................................................................................... 22
IV.2
Linha de Incêndio ................................................................................... 23
IV.3
Equipamentos a Serem Estudados ......................................................... 24
V. Dimensionamento do Sistema ........................................................................... 31
V.1
Levantamento da Tubulação ...................................................................... 31
V.2
Curva de Perda de Carga dos Equipamentos ............................................ 32
V.3
Perda de Carga na Descarga ..................................................................... 36
V.4
Perda de Carga na Sucção ........................................................................ 42
V.5
Curva do Sistema ....................................................................................... 43
V.6
NPSH Disponível........................................................................................ 44
VI. Bomba Principal ................................................................................................ 45
VI.1
Ponto de Trabalho da Bomba Atual ........................................................ 45
VI.2
Seleção de Nova Bomba ........................................................................ 47
VII. Conclusão ......................................................................................................... 53
VI
VIII.
Anexos ....................................................................................................... 54
VIII.1
Tabelas de Consulta de Comprimentos Equivalentes ............................. 54
VIII.2
Gráfico de Rugosidade Relativa ............................................................. 57
VIII.3
Desenhos esquemáticos do sistema....................................................... 58
VIII.4
Curvas da bomba atual ........................................................................... 64
VIII.5
Curvas da nova bomba ........................................................................... 65
VIII.6
Tabelas de cálculo de comprimento equivalente..................................... 66
VIII.7
Tabela de desníveis de cada trecho ....................................................... 69
IX. Referências ....................................................................................................... 70
VII
I. Objetivo e Introdução
Este projeto final tem como objetivo o re-dimensionamento e verificação do resultado
de um projeto de ampliação da capacidade de um sistema de combate a incêndio do
terminal de navios de uma planta industrial.
Sendo assim, será feito o dimensionamento de uma bomba centrífuga para o
sistema que encontra-se em operação. Caso a bomba que encontra-se em operação hoje
não atenda as condições que foram definidas pela companhia será proposta e selecionada
uma nova bomba para o sistema.
Devido a sua natureza comercial e industrial este dimensionamento deve,
obrigatoriamente, seguir normas bastantes rigorosas para sua implementação ser aprovada
pela companhia e pelo estado. A norma a ser seguida é a NFPA 20. Esta norma,
pertencente ao National Fire Protection Association, estabelece um padrão reconhecido
internacionalmente para a seleção e instalação de bombas estacionarias para proteção
contra incêndio. A mesma tem como objetivo garantir que o sistema funcionará como
projetado, de forma a fornecer o suprimento de água confiável e adequado em uma
situação de emergência.
O dimensionamento, por sua vez, deve ser executado de forma a garantir o
funcionamento simultâneo de dois canhões monitores fixos (água + espuma opcional), à
1500 [lpm], e dois esguichos manuais (água + espuma), à 400 [lpm]. Estas vazões foram
solicitadas pela companhia para garantir o funcionamento dos equipamentos em condições
desejadas por ela e necessárias para atender às normas aplicáveis. O funcionamento
destes equipamentos no ponto de trabalho estabelecido é de grande importância, pois estas
condições garantirão um alcance já estipulado pela empresa (a ambos os equipamentos) e,
caso isto não seja atendido, além de não cumprir as normas, o sistema não terá a
capacidade de auxiliar o combate a incêndio em navios que aportarem no terminal da
empresa.
1
II. Bombas Hidráulicas
Bombas hidráulicas são máquinas utilizadas para transportar fluidos de um ponto a
outro fornecendo energia ao mesmo. Esta energia pode ser cedida na forma de pressão, na
forma cinética ou em ambas. A bomba, por sua vez, recebe energia de uma fonte motora,
uma máquina qualquer. Deve-se observar que, como a bomba possui uma certa eficiência
quando em situações reais, nem toda a energia que a mesma recebe da máquina motora é
transferida ao fluido.
As bombas hidráulicas são, devido a sua grande variedade de estruturas e princípios
de funcionamento, dividias em dois principais grupos, são eles: bombas dinâmicas (ou turbo
bombas) e bombas volumétricas (ou de deslocamento positivo).
II.1 Bombas Dinâmicas
As bombas dinâmicas são bombas nas quais a energia cedida ao fluido é
encontrada sob forma de energia cinética. Esta energia é normalmente transferida a partir
de um rotor (ou impelidor). Apesar deste impelidor apresentar características diferentes para
cada tipo de bomba dinâmica o princípio de funcionamento deles é o mesmo.
A energia cinética do impelidor provém, como mencionado antes, de uma máquina
motora. Esta, por sua vez, pode ser de diferentes tipos e seu princípio de funcionamento
não modifica a classificação da bomba a ser acoplada na mesma. Ou seja, uma bomba
dinâmica pode ser alimentada tanto por um motor elétrico quanto por um motor a diesel ou
gasolina e, qualquer que seja o tipo do motor, a bomba continua sendo uma turbo bomba.
Sendo assim, o fluido tem sua energia cinética aumentada após passar pelo
impelidor. Porém, o objetivo de uma bomba hidráulica não é aumentar a velocidade do
fluido e, sim, sua pressão. Desta forma, percebe-se que há a necessidade de transformar
esta energia cinética em energia de pressão ainda dentro da bomba. Para isto, utiliza-se
uma peça chamada voluta.
2
A voluta tem como principais funções acomodar o fluido e transformar, através de
uma variação de seção de área, a velocidade do mesmo em pressão. Este funcionamento
será explicado em detalhes mais à frente.
É importante observar que o desempenho destas bombas está diretamente
relacionado ao sistema ao qual as mesmas estão acopladas. Ou seja, caso o sistema
forneça maior resistência a movimentação do fluido a capacidade da bomba será reduzida,
tendo uma vazão de operação menor. Em consequência disto, as bombas dinâmicas
possuem diversas curvas que caracterizam seu desempenho, como: curva head x vazão,
potência x vazão, rendimento x vazão etc. As mesmas serão discutidas em detalhes quando
estudarmos a bomba referente a este projeto. Segue, na Figura II.1, o esquema de uma
bomba dinâmica.
Figura II.1 Esquema de uma bomba dinâmica (Pump Fundamentals, 2013)
3
Os exemplos mais comuns de bombas dinâmicas são: Bombas Centrífugas (Puras
ou Radiais e Francis), Bombas de Fluxo Misto, Bombas de Fluxo Axial e Bombas Periféricas
ou Regenerativas.
II.2 Bombas Volumétricas
As bombas volumétricas, ao contrário das bombas dinâmicas, têm como
característica principal o fato da transferência de energia se dar diretamente na forma de
pressão. Sendo assim, não há necessidade de utilização de uma peça como a voluta, já
que não é preciso realizar nenhuma transformação de energia no equipamento.
Esse grupo de bombas possui este nome pois a transferência de energia é obtida
através do deslocamento de volumes finitos de fluido diretamente para a pressão elevada.
Este deslocamento, por sua vez, também está relacionado ao movimento de uma máquina
motora. Porém, ao invés de ser o impelidor que realiza a transferência de energia ao fluido,
a mesma é feita a partir de uma peça mecânica qualquer (esta depende do tipo de bomba)
que obriga o fluido a seguir seu movimento.
Pode-se observar que, como o deslocamento do fluido está ligado diretamente ao
movimento da peça mecânica, a vazão deste tipo de bomba é, em média, invariável (caso a
rotação da peça mecânica seja constante) e independe do sistema ao qual a mesma está
acoplada.
Sendo assim, as bombas volumétricas não possuem curvas características como as
bombas dinâmicas pois a vazão do fluido está diretamente ligada a rotação do motor e a
variação da mesma não modifica o acréscimo de pressão a ser fornecido (já que volumes
finitos são deslocados diretamente para o ponto onde a pressão é igual a pressão de
descarga da bomba). O rendimento da bomba também independe da rotação do motor.
Então, a única curva que faz sentido ser analisada é a curva potência x vazão já que nos
fornece informações importantes quanto a taxa de energia a ser fornecida pelo motor para
funcionamento da bomba no ponto de trabalho desejado.
4
Figura II.2 Esquema de uma bomba de engrenagens (Mattos & Falco, 1998)
Os exemplos mais comuns de bombas volumétricas são: Bombas Alternativas
(Pistão, Êmbolo e Diafragma) e Bombas Rotativas (Engrenagens - Figura II.2, Lóbulos,
Parafusos e Palhetas Deslizantes).
5
III. Bomba Centrífuga
A bomba centrífuga é um tipo de bomba dinâmica (ou turbo bomba) e,
especificamente, é a bomba que será estudada e dimensionada neste projeto. O princípio
de funcionamento da bomba centrífuga, apesar da mesma ser um dos diversos tipos de
bombas dinâmicas, é exatamente o mesmo do explicado anteriormente.
Este tipo de bomba é requisito básico para qualquer sistema de combate a incêndio.
Isto se deve ao fato das bombas centrífugas serem projetadas e indicadas para operar a
grandes vazões e não tão elevadas pressões. Estas condições caracterizam, exatamente, o
caso encontrado nestas situações emergenciais.
A alta vazão demandada está diretamente relacionada a abertura de diferentes
terminais de captação de água da linha em uma emergência. Dificilmente, um combate a
incêndio é feito com somente uma mangueira ou equipamento. E caso o incêndio se
estenda por uma vasta região é necessário que o sistema suporte uma demanda ainda
maior.
III.1 Principais Componentes
Os principais componentes de uma bomba centrífuga, apesar de serem os mesmos
para qualquer bomba deste tipo, têm sua estrutura ou material diferenciados para cada
aplicação. Sendo assim, será feita uma apresentação geral dos componentes mais
importantes de uma bomba centrífuga.
III.1.1 Impelidor
O impelidor, como explicado anteriormente, é a parte mecânica da bomba que, ao
movimentar-se, transfere energia cinética para o fluido que passa por ele.
Cada tipo de bomba dinâmica possui uma configuração de impelidor diferente e
cada variação de estrutura confere ao mesmo diferentes condições de trabalho. Cada uma
destas formas servem para aplicações diferentes e trazem benefícios específicos. O
6
impelidor de uma bomba centrífuga pode ser aberto, semi-aberto ou fechado e de simples
ou dupla sucção. Alguns tipos comuns de impelidores podem ser observados na Figura III.1.
Figura III.1 Impelidores aberto, semi-aberto e fechado (Damasgate, 2013)
Bombas centrífugas com impelidores abertos são as mais comuns hoje em dia
porque os mesmos são bem mais baratos que os impelidores fechados. Isto se deve ao fato
do processo de fabricação deles ser bem mais simples. Outra vantagem destes impelidores
é a possibilidade de adaptação do mesmo para diferentes condições de operação. Ou seja,
o impelidor pode ser facilmente usinado para modificar o ponto de operação da bomba, o
que permite aos fabricantes fornecerem bombas que atendam a uma gama de situações
com uma fácil adaptação do impelidor. Este fato, por sua vez, gera uma padronização das
bombas fabricadas e uma consequente redução de custos e barateamento do produto final.
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Figura III.2 Impelidores com simples e dupla sucção (Damasgate, 2013)
Impelidores com simples sucção são os impelidores mais comuns no mercado. A
única diferença em relação ao impelidor de dupla sucção é que aquele permite a sução de
duas tubulações opostas ao mesmo tempo. Segue uma comparação na Figura III.2.
III.1.2 Carcaça
A carcaça de uma bomba centrífuga tem como principais funções a contenção do
fluido no interior da bomba e a conversão de energia cinética em energia de pressão.
Existem alguns diferentes tipos de carcaça e, assim como nos impelidores, cada tipo se
refere a uma aplicação diferente. Serão abordados a seguir os diferentes tipos principais de
carcaças.
III.1.2.1 Carcaça em Voluta
A carcaça em voluta, Figura III.3, como mencionado anteriormente, tem duas
funções principais: acomodar o fluido na saída do impelidor e converter a energia cinética
fornecida a ele em energia de pressão.
A necessidade de acomodação do fluido na saída do impelidor se deve ao fato da
fluxo na saída do impelidor ser, no caso da bomba centrífuga, radial. Caso a carcaça fosse
concêntrica ao impelidor e com uma mesma seção reta ao longo de todo o impelidor, o
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fluído iria se acumulando cada vez mais conforme fosse se afastando do ponto de coleta
inicial da carcaça no sentido do fluxo. Isto, por sua vez, geraria uma força resultante no eixo
da bomba que seria extremamente desfavorável ao funcionamento da bomba e a sua vida
útil devido ao esforço excessivo e vibrações constantes.
Figura III.3 Esquema de uma carcaça em voluta
Sendo assim, a voluta possui um aumento de seção reta de captação ao longo de
seu comprimento no sentido do fluxo, o que suporta o aumento gradual de fluido coletado
evitando seu acúmulo e suas consequências. Ao final do contorno do impelidor a voluta
possui uma parte difusora que fornece a conversão da energia cinética do fluido em
pressão.
Deve-se ressaltar que este tipo de carcaça possui uma vazão de projeto. Caso a
vazão de operação seja diferente da vazão de projeto seus benefícios podem ser reduzido e
até mesmo anulados. Na Figura III.4 segue um gráfico que confronta os esforços radiais
com a vazão de operação.
9
Figura III.4 Relação entre esforços radiais e vazão (Mattos & Falco, 1998)
III.1.2.2 Carcaça com Dupla Voluta
Quando as vazões de operação são muito elevadas torna-se necessária a utilização
de carcaças com dupla voluta, Figura III.5. Este tipo de carcaça reduz ainda mais os
esforços radias impondo uma simetria na construção da voluta.
Figura III.5 Esquema de uma carcaça em dupla voluta (DEC UFCG, 2013)
10
A partir da figura a cima podemos observar que esta configuração é obtida através
da divisão da voluta em duas partes defasadas de 180º. Isto gera um balanceamento dos
esforços radiais.
III.1.2.3 Carcaça com Pás Difusoras
A carcaça com pás difusoras, Figura III.6, é uma carcaça que, como o próprio nome
diz, possui diversas pás ao longo de todo seu contorno.
Figura III.6 Esquema de uma carcaça com pás difusoras (Mattos & Falco, 1998)
Estas pás funcionam como difusores pois as mesmas têm suas seções de área
intermediarias gradualmente aumentadas convertendo assim, a velocidade em pressão.
Note que esta configuração elimina a necessidade de utilização da voluta para acomodar o
fluido pois o mesmo não ocorre neste caso. No entanto, este tipo de carcaça é de alto custo
e complexidade quando comparada a carcaça em voluta.
III.1.3 Vedação
Devido à estrutura das bombas centrífugas a vedação também é um fator essencial
para o seu funcionamento pleno. Conforme mencionado anteriormente, o impelidor das
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turbo bombas é movimentado por um motor externo às bombas. Isto por sua vez, implica na
necessidade de um eixo de transmissão atravessar a carcaça da bomba devido ao fato do
impelidor permanecer alojado no interior da mesma.
Sendo assim, caso não houvesse um sistema de vedação eficiente, a bomba,
quando operada acima da pressão atmosférica, apresentaria vazamento de fluido e perda
de eficiência. Caso a bomba opere abaixo da pressão atmosférica, sua função é impedir a
entrada de ar. No entanto, existem dois tipos principais de vedação para bombas. A seguir,
será detalhado o princípio de funcionamento de cada um deles.
III.1.3.1 Vedação por Gaxetas
A vedação por gaxetas, Figura III.7, consiste na presença de uma extensão a
carcaça da bomba na direção do eixo de transmissão. Esta espécie de “caixa” (caixa de
gaxetas) envolve o eixo com uma certa folga e permite a inserção de anéis (gaxetas) em
torno do mesmo. Estes anéis são, por sua vez, comprimidos por intermédio de uma peça
chamada de sobreposta.
Figura III.7 Esquema de uma caixa de gaxetas (Mattos & Falco, 1998)
12
A sobreposta funciona como uma espécie de tampa que pode ter seu “aperto”
regulado por parafusos. Sendo assim, é possível controlar a pressão com que os anéis de
gaxeta são comprimidos regulando o vazamento do fluido.
Vale ressaltar que, apesar de ser um sistema de vedação, o vazamento nunca é
parado por completo. Isto se deve ao fato de um vazamento mínimo ser necessário para
lubrificar os anéis de gaxeta e evitar seu desgaste acelerado.
Além dos anéis principais de vedação existem alguns outros tipos de anéis com
funções específicas no sistema de vedação como: bucha de garganta e anel de lanterna.
A bucha de garganta é o primeiro anel a ser introduzido na caixa de gaxetas e tem
como função principal induzir uma perda de carga calculada e reduzir a pressão transmitida
a caixa de gaxetas pelo fluido de trabalho que circula na bomba. Outra função essencial que
ela possui é a de reduzir o contato dos anéis de vedação com possíveis fluidos abrasivos
com os quais a bomba poderia estar operando.
O anel de lanterna é utilizado quando há necessidade de utilização de um fluido de
selagem na caixa de gaxetas. Isto ocorre quando a bomba opera com pressão abaixo da
atmosférica (para evitar que entre ar na bomba) ou quando a bomba opera com produtos
inflamáveis ou tóxicos que não podem vazar, nem mesmo minimamente, pela caixa de
gaxetas. Este anel funciona como uma conexão para a entrada do líquido de selagem.
Dependendo de sua função o anel de lanterna pode ser posicionado de formas diferentes
dentro da caixa. Por exemplo, caso se deseje proteger a caixa de gaxetas do fluido de
operação da bomba desloca-se o mesmo para perto da bomba.
III.1.3.2 Vedação por Selo Mecânico
A vedação por selo mecânico, Figura III.8, é uma alternativa a vedação por gaxetas.
No entanto, este tipo de vedação é mais cara e é utilizada, normalmente, quando é preciso
conter o vazamento do sistema de vedação por completo, mesmo operando sobre
condições severas de pressão.
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Este sistema é composto de dois conjuntos: um rotativo e solidário ao movimento do
eixo e outro estacionário. Estes dois conjuntos possuem faces de vedação que são
continuamente comprimidas uma contra a outra por intermédio de molas. Este contato
permanente, por sua vez, realiza a vedação. Esta vedação é chamada de vedação primária
ou vedação dinâmica.
Figura III.8 Esquema de um selo mecânico (Mattos & Falco, 1998)
Além desta primeira vedação existe, também, uma vedação secundária que é
realizada por anéis que são posicionados em uma espécie de câmara entre as faces
principais de vedação. Isto, por sua vez, impede que o fluido escoe para dentro do selo.
Este sistema, apesar de ser bastante eficiente, é caro e não é indicado para situações onde
ocorram bastante vibração devido a sua “fragilidade” mecânica.
14
III.2 Propriedades das Bombas Centrífugas
III.2.1 Curva Head X Vazão
O head de uma bomba (ou “carga da bomba”) é a energia por unidade de massa ou
energia por unidade de peso que a bomba tem condições de fornecer ao fluido para uma
determinada vazão.
Por motivos conveniência ou costume no mercado as curvas “head x vazão” tendem
a ser fornecidas pelos fabricantes nas seguintes unidades:
kgf x m / kgf, m ou lbf x ft / lbf, ft
Na Figura III.9 segue um exemplo deste tipo de curva:
Figura III.9 Exemplo de gráfico Head X Vazão (Escola da Vida, 2013)
Esta curva é muito importante para a escolha da bomba pois quando cruzada com a
curva “head x vazão” do sistema nos fornece o ponto de trabalho da bomba.
15
III.2.2 Ponto de Trabalho
O ponto de trabalho da bomba, como mencionado anteriormente, corresponde a
interseção da curva “head x vazão” da bomba com a curva “head x vazão” do sistema.
O head do sistema possui praticamente a mesma definição do head da bomba. Ele é
a energia por unidade de massa ou energia por unidade de peso que o sistema oferece
como resistência ao escoamento do fluido para uma determinada vazão. Ou seja, o
cruzamento das duas curvas, Figura III.10, nos indica o ponto no qual a bomba deve operar
quando utilizada naquele sistema.
Figura III.10 Interseção de curvas da bomba e do sistema (OMEL, 2013)
Uma vez determinado o ponto de trabalho podemos saber as condições principais
de operação da bomba, sua vazão e head. A partir do momento que temos a vazão de
operação da bomba podemos utilizá-la em duas outras curvas características e determinar
a eficiência da bomba e a potência requerida para operação naquele ponto.
16
III.2.3 Curva Eficiência x Vazão
A curva “eficiência x vazão”, Figura III.11, como o próprio nome diz, é a curva que
relaciona a eficiência de operação da bomba com a vazão a qual ela opera.
Figura III.11 Exemplo de gráfico Eficiência X Vazão (Escola da Vida, 2013)
O rendimento (ou eficiência) da bomba é determinado pela equação (III.1).
n =
potência útil cedida ao fluido
potência absorvida pela bomba
(III.1)
Vale ressaltar que neste rendimento estão incluídos o rendimento hidráulico, o
rendimento mecânico e o rendimento volumétrico da bomba. A partir do momento que
determinamos o ponto de operação da bomba utilizamos a sua vazão na curva “eficiência x
vazão” a cima e determinamos a eficiência da bomba.
III.2.4 Curva de Potência X Vazão
A curva “potência x vazão”, Figura III.12, é uma curva muito importante pois ela
explicita a potência requerida pela bomba. Esta potência está diretamente relacionada a
potência do motor utilizado para operar a bomba. Sendo assim, para um projeto de
dimensionamento, esta curva é essencial para a seleção do motor.
17
Figura III.12 Exemplo de gráfico Potência X Vazão (Escola da Vida, 2013)
É importante ressaltar que quando o fabricante não fornece esta curva a mesma
pode ser calculada pela equação (III.2).
Pot abs =
ρ∗Q∗H
η
(III.2)
Sendo:
ρ = densidade do fluido
Q = vazão do fluido
H = head do ponto de operação
η = eficiência da bomba
III.2.5 Cavitação
Apesar do projeto em questão estar relacionado ao dimensionamento de uma
bomba centrífuga, o conceito de cavitação é muito importante no estudo das bombas
centrifugas e é essencial para o entendimento de algumas propriedades de projeto, como o
NPSH, que será definido e tratado mais à frente.
18
A cavitação é um fenômeno que provém da vaporização do fluido no interior da
bomba quando o mesmo atinge uma pressão inferior a pressão de vapor. Este
acontecimento é muito comum próximo ao impelidor devido a rarefações do líquido devido
às próprias natureza de escoamento do fluido ou ao movimento de impulsão.
Este fenômeno é extremamente prejudicial ao funcionamento da bomba pois as
bolhas que se formam são arrastadas pelo movimento do fluido e, devido ao próprio
funcionamento da bomba, quando as pressões são novamente elevadas a cima da pressão
de vapor do fluido estas bolhas se colapsam e geram ondas de choque que podem danificar
as pás do impelidor ou outras partes da bomba. O colapso destas bolhas pode causar, além
de danos a integridade estrutural da bomba, barulho e vibração excessivos e queda no
desempenho, Figura III.13.
Figura III.13 Influência da cavitação nas curvas da bomba (Mattos & Falco, 1998)
Sendo assim, todas as bombas são projetadas para minimizar este fenômeno e
também possuem limitações de aplicações em certas condições de sucção governadas por
uma propriedade chamada de NPSH.
19
III.2.6 NPSH
O NPSH (ou Net Positive Suction Head) é a energia por unidade de peso que o
fluido possui na sucção acima da pressão de vapor do mesmo. Ou seja, é quanto o mesmo
pode perder de head antes de se transformar em vapor e fazer a bomba cavitar.
Existem duas definições de NPSH, o requerido (que é fornecido pelo fabricante da
bomba) e o disponível (calculado de acordo com as condições de sucção).
O NPSH requerido está relacionado as perdas da bomba entre o flange de sucção e
o olho do impelidor. Isto implica na necessidade do fluido possuir um certo head positivo
acima da pressão de vapor no flange de sucção para não virar vapor antes de atingir o
impelidor.
Figura III.14 Exemplo de gráfico NPSHr X Vazão (Escola da Vida, 2013)
Como o NPSH requerido está diretamente relacionado a vazão de operação, Figura
III.14, é comum e necessário o fabricante fornecer uma curva que relacione o NPSH
requerido pela bomba e sua vazão de operação. O NPSH disponível pode ser calculado
pela equação (III.3).
NPSHd = Hs +
(Pa − Pv )
γ
(III.3)
20
Sendo:
NPSHd = (NPSH disponível)
Hs = (head de sucção)
Pa = (pressão atmosférica)
Pv = (pressão de vapor do fluido)
γ = (peso específico do fluido)
Vale ressaltar que, para não haver cavitação, o NPHS disponível deve ser sempre
maior que o NPSH requerido. É comum utilizarmos uma margem para esta diferença, uma
espécie de coeficiente de segurança. Sendo assim, é costume seguir a equação (III.4).
NPSHd ≥ NPSHr + 0.6 [m]
(III.4)
Sendo:
NPSHr = (NPSH requerido)
21
IV. Descrição do Sistema
O sistema de combate a incêndio, como o próprio nome indica, é um sistema crítico
de qualquer instalação, industrial ou não. Ele é a última barreira contra potenciais incêndios
e possíveis catástrofes. Esta criticidade, por sua vez, faz com que o mesmo seja, em certos
aspectos, normatizado e padronizado para diferentes situações.
Devido à natureza específica do sistema, convém fazer uma análise separada para
cada equipamento do mesmo abordando, além de suas características técnicas, todos os
seus aspectos que são relacionados as normas aplicáveis. Sendo assim, após a descrição
de cada equipamento serão feitas as referências as normas aplicáveis e indicado em quais
pontos aquele equipamento é limitado ou normatizado para que sua utilização neste tipo de
sistema seja permitida, aprovada legalmente e confiável.
IV.1 Funcionamento
Apesar de ser um sistema bastante complexo, seu funcionamento é bastante
simples. O sistema é projetado e preparado de tal forma que, ao abrir-se qualquer hidrante,
esguicho ou canhão em qualquer parte da linha, a súbita despressurização é identificada e
o sistema entra em ação.
O reservatório de água que servirá de abastecimento a bomba principal é a Baía de
Guanabara. Porém, devido ao fato da sucção ser negativa, existe uma válvula de pé que
mantêm a coluna de água da tubulação de sucção preenchida e um tanque de escorva para
eventuais falhas deste equipamento.
Para evitar ativações indesejadas da bomba principal existe também uma bomba
auxiliar chamada de Bomba Jockey que toma o seu lugar em situações específicas que não
caracterizem uma demanda de água de um combate emergencial. Devido a sua menor
capacidade a Bomba Jockey é, neste caso, uma bomba elétrica. Seu funcionamento será
detalhado mais à frente. A bomba principal, por sua vez, tem como combustível o Diesel.
Sendo assim, é necessário manter um tanque de armazenagem de diesel perto da mesma.
22
Ao fim do combate, a bomba deve ser desligada manualmente pois, apesar da
bomba principal entrar em operação automaticamente para um combate emergencial, ela
deve ser desligada manualmente para garantir que há, realmente, a intenção de se desligar
a bomba. Caso ela desligasse automaticamente, poderia ocorrer, eventualmente, um
desligamento acidental durante um combate. Isto, por sua vez, poderia resultar em uma
catástrofe.
IV.2 Linha de Incêndio
A tubulação de incêndio abordada no projeto é uma tubulação relativamente antiga
mas que fora recentemente ampliada e reparada para receber e suportar o novo sistema
que seria implantado.
Apesar da tubulação da planta ter o característico formato de anel presente em
diversas instalações industriais, somente uma parte deste anel será estudada neste projeto.
Tal escolha, a uma primeira vista, pode não parecer muito sensata. Porém, vale ressaltar
que todo o projeto será baseado neste trecho pois o mesmo foi indicado pela companhia
como a situação crítica de funcionamento do sistema. Ou seja, as condições de operação
que serão impostas a este trecho fazem com que o mesmo represente a condição hidráulica
mais desfavorável, em que será demandada mais vazão e capacidade da bomba de
incêndio (quando comparado com outras combinações possíveis ao longo de todo o anel).
De acordo com a norma NFPA 20 toda a linha de incêndio deve ser constituída de
tubulação Schedule 40 sem costuras. Apesar do dimensionamento da linha não fazer parte
do projeto, vale ressaltar que a tubulação em questão já atende a esta norma. No capítulo
de dimensionamento do sistema será apresentado um levantamento detalhado da linha.
23
IV.3 Equipamentos a Serem Estudados
IV.3.1
Bomba Principal
A bomba principal é a própria bomba a ser dimensionada neste projeto. Como
mencionado anteriormente ela é uma bomba centrífuga. O funcionamento da mesma
também já foi previamente explicado. Sendo assim, será detalhada agora a bomba que se
encontra atualmente em operação e que será confrontada ao dimensionamento realizado
neste projeto.
A bomba atual também é uma bomba centrifuga. No entanto é uma bomba
horizontal com carcaça bi-partida radialmente. Esta mesma carcaça é feita de ferro fundido
e o rotor (ou impelidor) é de aço inox. A vedação do eixo é feita através de gaxetas e o
mesmo é feito de aço carbono.
O motor que fornece energia a esta bomba é um motor diesel estacionário Mercedes
Benz de 235 [cv] de potência e com rotação nominal de 2100 [rpm]. As curvas da bomba
encontram-se no anexo VIII.4.
IV.3.2
Esguichos Manuais
Enquanto os canhões monitores são equipamentos fixos, os esguichos manuais são
equipamentos móveis limitados pelo alcance da mangueira utilizada. Eles são normalmente
utilizados como lançadores de espuma através da utilização de um LGE (líquido gerador de
espuma). O conjunto do esguicho é constituído por um proporcionador, Figura IV.1, uma
mangueira e um lançador, Figura IV.2.
24
Figura IV.1 Proporcionador de linha tipo PL - Kidde
O proporcionador é uma peça que possui um orifício calibrado onde a velocidade da
água é aumentada. Neste local forma-se uma zona de baixa pressão que, devido a um
acoplamento aonde á conectado um recipiente com LGE, faz com que o LGE seja arrastado
junto ao fluxo de água.
Figura IV.2 Lançador de espuma modelo R - Kidde
Esta mistura (água + LGE) é conduzida pela mangueira até o lançador. Neste
lançador a velocidade também é aumentada em certo local utilizando o mesmo princípio.
25
Porém, desta vez, o que é arrastado é ar atmosférico e esta nova mistura (água + LGE + ar)
forma a espuma que é utilizada no combate a incêndio.
IV.3.3
Canhões Monitores Fixos
Os canhões monitores fixos, Figura IV.3, são normalmente usados em situações que
demandam grande vazão de água e alcance em um local específico. Devido ao fato de
serem fixos estes equipamentos possuem área de ação limitada. O conjunto completo do
equipamento é composto por um corpo (a própria estrutura do canhão), um tubo laminador
e um esguicho.
Figura IV.3 Canhão monitor fixo modelo MR402 - Mecânica Reunida
A estrutura do canhão funciona como uma base móvel e permite o direcionamento
do jato d’água. O tubo laminador, Figura IV.4, equipamento que é acoplado ao corpo do
canhão, serve para reduzir a turbulência do jato e permitir um maior alcance.
26
Figura IV.4 Esguicho modelo HF350/500 - Kidde
O esguicho, último acessório do conjunto, permite a adequação do jato de água e
aplicação opcional de espuma caso necessário. Esta adequação do jato está relacionada a
possibilidade de regulagem do mesmo para tomar a forma de um jato pleno ou neblina.
Enquanto o jato pleno possui maior alcance o jato neblina (ou névoa) fornece proteção ao
operador contra o calor irradiado e as chamas. A aplicação de espuma opcional é realizada
através do mesmo princípio explicado para o esguicho manual.
Seu funcionamento é bastante simples: consiste na abertura de uma válvula para
liberação do fluxo d’água, no direcionamento do jato (realizado na estrutura do canhão) e na
regulagem do mesmo no esguicho.
IV.3.4
Outros Equipamentos Vitais para o Sistema
Além dos equipamentos que farão parte do re-dimensionamento não se pode deixar
de falar sobre alguns outros equipamentos de sistemas de combates a incêndio que são,
também, vitais para o funcionamento do conjunto como um todo.
Especialmente, devido as suas respectivas importâncias e funções no sistema os
mesmos são, também, mencionados em diversas normas quanto às suas estruturas,
condições de operações e características principais. Sendo assim, este projeto também fará
menção aos principais aspectos de cada um destes equipamentos e às normas aplicáveis
aos mesmos.
27
IV.3.4.1 Hidrantes
Os hidrantes, Figura IV.5, são, basicamente, os tipos mais comuns e frequentes de
terminais de qualquer tubulação de combate a incêndio. De acordo com a NBR 13714, item
3.8, eles são pontos de tomada de água onde há uma (simples) ou duas (duplo) saídas
contendo válvulas angulares com seus respectivos adaptadores, tampões, mangueiras de
incêndio e demais acessórios.
Figura IV.5 Hidrante Industrial (NETFIER, 2013)
É interessante que todas as saídas de água dos hidrantes sejam voltadas para o
chão e, de preferência, para as laterais. Isto se deve a possibilidade de ocorrerem eventuais
vazamentos nas válvulas. Isto, por sua vez, pode gerar uma pressurização nos tampões
fazendo com que os mesmos sejam lançados como projéteis quando desengatados das
válvulas. É devido a esta condição desfavorável que, além da geometria indicada, é
recomendado que os tampões possuam pequenos orifícios por onde qualquer vazamento
possa ser escoado evitando o acúmulo de pressão entre o tampão e a válvula.
Também de acordo com a NBR 13714, item 5.3.2, os hidrantes devem ser
distribuídos de tal forma que qualquer ponto da área a ser protegida seja alcançado por um
28
ou dois esguichos, considerando-se o comprimento da(s) mangueira(s) e seu trajeto real e
desconsiderando-se o alcance do jato de água.
IV.3.4.2 Mangueiras
As mangueira de incêndio são os equipamentos utilizados para conduzir o fluxo de
água de algum terminal da linha de incêndio à algum outro equipamento ou diretamente ao
combate.
Por serem um equipamento extremamente crítico as mesmas são mencionadas e
reguladas por diversas normas, entre elas: NBR 12779:2009 (Mangueira de incêndio Inspeção, manutenção e cuidados) e NBR 11861:1998 (Mangueira de incêndio - Requisitos
e métodos de ensaio). É possível observar que nessas normas são abordadas as atividades
de inspeção, ensaio e manutenção.
Um bom exemplo de normatização encontrada nestes documentos é a padronização
das informações de controle e identificação da mesma que devem estar gravadas no corpo
da mangueira. Isto é abordado no item 4 da NBR 12779:2009. Entre estas informações
devem estar presentes: data do último ensaio, nome do executante e validade.
IV.3.4.3 Bomba Jockey
A bomba Jockey é um equipamento fundamental para o funcionamento do sistema
de combate a incêndio. A função principal dela é manter a linha pressurizada a todo
instante.
Toda linha de incêndio apresenta, inevitavelmente, algum vazamento em um
momento de sua vida útil. Isto pode acontecer devido ao desgaste causado pelo próprio
fluido de trabalho da tubulação ou mesmo por qualquer outra influência externa.
O problema é que cada um desses vazamentos despressuriza a linha de incêndio e,
caso não houvesse a presença da Bomba Jockey, faria com que a bomba principal entrasse
em operação. Tal consequência é extremamente indesejada pois, além de representar um
desperdício de combustível (causado pela operação desnecessária), também poderia
29
causar algum dano a tubulação devido ao aumento exagerado da pressão na presença de
uma possível falha (um furo).
Outro problema comum de um acontecimento destes está ligado a logística da
planta. Cada ativação da bomba faria soar uma sirene que, por sua vez, mobilizaria toda a
brigada da planta para uma falsa emergência. Isto seria algo inaceitável para o
funcionamento da planta, já que os funcionários da brigada realizam também outras funções
e isto pararia a produção a cada evento destes.
IV.3.4.4 Tanque de Escorva e Válvula de Pé
O tanque de escorva e a válvula de pé compartilham do mesmo objetivo: manter o
interior da bomba e a tubulação de sucção cheias d’água.
O tanque de escorva é um tanque que fica mantido acima da bomba principal e sua
função é afogar a bomba antes da mesma ser ligada a fim de evitar uma rotação em falso e
uma possível danificação da bomba. Isto se deve ao fato da incapacidade das bombas
centrífugas operarem quando não afogadas devido ao alto grau de compressibilidade do ar
(não permitindo a sucção do líquido do reservatório).
A válvula de pé é uma peça acoplada a ponta da tubulação de sucção que fica
submersa em um reservatório d’água em um sistema com sucção negativa. Esta, por sua
vez, somente permite a passagem de água no sentido da sucção evitando a fuga de água
de volta para o reservatório. Isto faz com que a coluna de sucção seja mantida sempre
cheia e a bomba sempre afogada. Quando funcionando corretamente faz do tanque de
escorva uma redundância e um equipamento de backup.
30
V. Dimensionamento do Sistema
O dimensionamento do sistema será feito através do cálculo da curva de perda de
carga do sistema. Feito isto, a mesma será cruzada com a curva de carga da bomba atual
para verificar a possibilidade de manutenção da utilização da bomba que encontra-se
instalada. Caso a bomba não atenda às condições impostas pela companhia será feita a
seleção de uma bomba que atenda a estes requisitos. Também será avaliado, para
qualquer que seja a bomba final, o cumprimento a norma NFPA 20, requisito legal a um
sistema deste tipo. A seguir será feito o levantamento da tubulação, passo inicial e
fundamental a aplicação do método.
V.1 Levantamento da Tubulação
Antes de iniciar o dimensionamento do sistema foi preciso fazer um levantamento da
tubulação devido à dificuldade de acesso as plantas específicas deste sistema. Sendo
assim, toda a tubulação foi medida manualmente e, após esta etapa, foram feitos desenhos
esquemáticos da mesma para auxiliar no cálculo da perda de carga (anexo VIII.3). Segue,
na Figura V.1, um esquema geral da tubulação em questão.
Figura V.1 Desenho da tubulação
31
V.2 Curva de Perda de Carga dos Equipamentos
As curvas de perda de carga dos equipamentos foram as primeiras curvas a serem
traçadas no dimensionamento. Isto se deve ao fato do cálculo da curva de perda de carga
do sistema começar pelas pontas mais extremas para facilitar o processo. Sendo assim,
será explicitada abaixo, para cada equipamento de ponta, a forma como suas curvas foram
obtidas.
V.2.1 Curva de Perda de Carga dos Canhões Monitores Fixos
V.2.1.1 Canhão Monitor Fixo (Rosca ou Flange) - Modelo MR402 (Mecânica
Reunida)
O caso do canhão monitor fixo foi o mais simples, o próprio fabricante já dava a
curva de perda de carga deste equipamento. A mesma segue na Figura V.2.
Figura V.2 Gráfico de perda de carga do canhão monitor fixo - Kidde
A partir desta figura foi feita a digitalização da mesma. Ou seja, foram selecionados
alguns pontos da curva e os mesmos foram interpolados no Excel. Feito isto a curva foi
32
extrapolada (pois não tinha todos os valores que eram necessários) e passada para
unidades métricas. A mesma segue na Figura V.3.
Figura V.3 Perda de carga do canhão
A partir desta digitalização foi obtida a equação da curva e a mesma foi utilizada
para relacionar qualquer vazão com a perda de carga deste equipamento.
V.2.1.2 Esguicho para Monitores Auto Edutores Modelo HF350
A curva de perda de carga deste esguicho que fica acoplado ao canhão monitor foi
traçada a partir da equação (V.1), que relaciona pressão e vazão e que foi fornecida pelo
fabricante:
Q[gpm] = K√P[psi]
(V.1)
33
Sendo:
𝐹𝑎𝑡𝑜𝑟 𝐾 = 35
O resultado da plotagem desta equação no Excel foi a curva de carga da Figura V.4
(também passada para unidades métricas).
Figura V.4 Perda de carga do esguicho
Apesar dos valores altíssimos de perda de carga para vazões maiores, quando esta
curva é combinada ao resto do sistema estes valores tornam-se insignificantes pois ela é
somada ao sistema em paralelo. Isto será explicado mais a frente.
V.2.2 Curva de Perda de Carga dos Esguichos Manuais
V.2.2.1 Proporcionadores de Linha Tipo PL
A curva de perda de carga deste proporcionador foi traçada a partir da seguinte
equação, (V.2), que relaciona pressão e vazão e que foi fornecida pelo fabricante:
Q[gpm] = K√P[psi]
(V.2)
34
Sendo:
𝐹𝑎𝑡𝑜𝑟 𝐾 = 8.9
O resultado da plotagem desta equação no Excel foi a seguinte a curva de carga da
Figura V.5.
Figura V.5 Perda de carga do proporcionador
Assim como na curva do esguicho, apesar dos valores altíssimos de perda de carga
para vazões maiores, quando esta curva é combinada ao resto do sistema estes valores
tornam-se insignificantes pois ela é somada ao sistema em paralelo. Isto será explicado
mais à frente.
V.2.2.2 Esguichos Manuais Lançadores de Espuma - Modelo R350
A perda de carga deste esguicho que fica acoplado ao proporcionador não foi
fornecida pelo fabricante pois, aparentemente, os mesmos eram insignificantes mediante as
perdas do proporcionador.
35
V.3 Perda de Carga na Descarga
Após o levantamento da curva de carga de cada equipamento de ponta, foi
calculada a curva de perda de carga em toda a descarga. O procedimento para calcular as
curvas constitui de três etapas.
Primeiro, o sistema foi dividido em trechos, o que foi feito com o intuito de simplificar
o problema. Desta forma, a curva do sistema poderia ser calculada, em partes, das pontas
até a raiz. Segue, na Figura V.6, este modelo simplificado.
Figura V.6 Modelo simplificado do sistema
Em seguida, foi utilizado o método do comprimento equivalente para "eliminar" os
equipamentos da linha e transformar o problema em algo ainda mais simples. Este método
consiste em substituir, para efeito de cálculo, um equipamento por uma seção reta de
tubulação (de mesmo diâmetro) que, quando operada nas mesmas condições, fornece a
mesma perda de carga deste equipamento. A partir daí, pode-se trabalhar com uma linha
reta sem equipamentos. As tabelas de conversão utilizadas para determinar os
36
comprimentos equivalentes foram as Tabelas 1, 2 e 3, tiradas do livro (Mattos & Falco,
1998), que seguem no anexo VIII.1. No anexo VIII.6 seguem todas as tabelas que foram
utilizadas nos cálculos e que detalham os equipamentos de cada trecho e seus respectivos
comprimentos equivalentes. Segue, na Tabela V.1, o comprimento equivalente de cada
trecho calculado.
Tabela V.1 Tabela com os resultados dos comprimentos equivalentes do sistema
Trecho
Diâmetro [in]
Comprimento
Equivalente [m]
R1a
R1b
R1c
R2a
R2b
L1a
R3a
R3b
L2a
R4a
R4b
L3a
L3b
L3c
L3d
L3e
Sa
Sb
6
4
3
6
3
6
6
2,5
6
6
2,5
5
6
8
10
6
8
6
23,89
7,49
29,62
9,15
18,94
49,31
9,15
3,36
3,86
9,15
3,36
1,22
33,18
9,39
116,56
47,00
22,26
2,13
É importante observar na tabela acima que os trechos explicitados no desenho do
modelo simplificado foram quebrados em sub-trechos com índice de letras (a, b, c etc.). Isto
foi necessário porque cada variação de diâmetro configura um cálculo de perda de carga e
uma curva diferente.
A terceira etapa consiste em utilizar a fórmula de Darcy-Weisbach, equação (V.3),
para calcular a perda de carga de cada um destes sub-trechos.
ℎ𝑓 = 0,0826
𝑓 𝐿𝑒𝑞 𝑄 2
𝐷5
(V.3)
37
No entanto, esta fórmula depende diretamente do fator de atrito f. Sendo assim, para
calcular o mesmo foi utilizada a fórmula de Churchill, equação (V.4), tonando-se possível
levantar a curva de perda de carga daquele trecho.
8 12
× [(𝑅𝑒)
𝑓=8
−1,5
+ (𝐴 + 𝐵)
]
1
12
(V.4)
Sendo:
16
1
𝐴 = {2,457 × 𝑙𝑛 [
(
7 0,9
𝜖
) +(0,27× )
𝑅𝑒
𝐷
]}
37530 16
)
𝑅𝑒
𝐵=(
(V.4 a)
(V.4 b)
𝜖
Nota-se, no entanto, que a fórmula de Churchill depende do fator de rugosidade 𝐷. O
mesmo foi obtido a partir do ábaco que encontra-se no anexo VIII.2.
Uma vez que todas estas curvas de perda de carga foram levantadas, iniciou-se o
processo de combinação das mesmas, que será detalhado a seguir.
V.3.1 Combinação das Curvas de Perda de Carga
A primeira curva de perda de carga obtida foi a do trecho R1. Para isto, as curvas de
perda de carga dos sub-trechos (R1a, R1b, R1c) foram somadas em série para obter-se a
curva de perda de carga total de R1. Em seguida, esta curva resultante foi somada em série
com as curvas dos equipamentos que encontram-se acoplados na mesma (neste caso, o
canhão e o esguicho para canhão). Para realizar a operação de soma em série basta
somar-se os heads para vazões iguais. Por fim, soma-se o desnível da linha a esta curva de
perda de carga obtendo a curva de perda de carga final do trecho. A tabela com os
desníveis utilizados encontra-se no anexo VIII.7. O resultado desta combinação está na
Figura V.7.
38
Figura V.7 Curva de perda de carga do trecho R1
A curva seguinte a ser calculada foi a do trecho R2. A mesma foi calculada da
mesma forma que R1. O resultado está na Figura V.8.
Figura V.8 Curva de perda de carga do trecho R2
39
Agora que estas duas curvas foram levantadas foi feita a soma delas em paralelo
pois ambas partem de um mesmo ponto. A soma em paralelo consiste em somar, para cada
head igual, as vazões. O resultado está na Figura V.9.
Figura V.9 Soma de H[R1] com H[R2] em paralelo
Se a curva de perda de carga do trecho L1 for levantada e somada em série com a
curva resultante acima, obtemos uma nova curva de carga que fica em paralelo com a
ramificação R3. Este cálculo foi feito na Figura V.10.
40
Figura V.10 Soma de (R1+R2//) com H[L1] em série
É possível observar, agora, que a curva resultante equivale à curva de perda de
carga das ramificações dos dois canhões (R1 e R2) e do último trecho de linha reta (L1)
combinadas. Então, temos uma situação equivalente a inicial (duas curvas que dividem o
mesmo nó), pois essa curva está em paralelo com a curva de perda de carga do trecho R3.
Então, repetindo todo este procedimento feito até agora, até chegar ao primeiro nó (a
bomba), obtemos uma curva de perda de carga da descarga do sistema. Isto foi feito e,
como resultado, foi obtida a seguinte curva na Figura V.11.
41
Figura V.11 Curva de perda de carga da descarga do sistema
V.4 Perda de Carga na Sucção
Uma vez que a curva de perda de carga da descarga foi calculada, é necessário
calcular a curva de perda de carga da sucção. No entanto, este cálculo é bem mais simples
pois este trecho da linha não apresenta ramificações. O procedimento de cálculo foi o
mesmo (comprimento equivalente, Darcy-Weisbach, Churchill e soma do desnível). O
resultado deste cálculo está na Figura V.12.
42
Figura V.12 Curva de perda de carga da sucção do sistema
V.5 Curva do Sistema
A partir do momento que tanto a curva de carga da descarga, quanto a curva de
carga da sucção foram levantadas, a soma das mesmas fornece a curva de perda de carga
do sistema. A mesma segue na Figura V.13.
Figura V.13 Curva de perda de carga do sistema
43
V.6 NPSH Disponível
O último fator a ser calculado para a tubulação de incêndio é o HPSH disponível no
sistema. Este, por sua vez, será um ponto determinante na seleção final da bomba. Vale
lembrar que a importância do mesmo está diretamente relacionada ao fenômeno da
cavitação.
V.6.1 Cálculo do NPSH Disponível
Resolvendo a equação (III.3):
NPSHd = Hs +
(Pa − Pv )
γ
NPSHd = Hs +
(Pa − Pv )
ρ∗g
NPSHd = − 5,23 +
(101325 − 3225,3)
10040,34
NPSHd = 4,54 [mca]
Sendo:
Hs = − 5,23 [mca] (head de sucção)
Pa = 101325 [Pa] (pressão atmosférica)
Pv = 3225,3 [Pa] (pressão de vapor da água salgada à 25ºC) (Thermophysical
properties of seawater, 2010)
ρ = 1023,48 [kg/m3 ] (massa específica da água salgada da baía à 25ºC)
(Thermophysical properties of seawater, 2010)
g = 9,81 [m/s2 ] (gravidade)
γ = ρ ∗ g (peso específico do fluido)
44
VI. Bomba Principal
Após o término dos cálculos do head do sistema e do NPSH disponível é possível
encontrar o ponto de trabalho da bomba instalada atualmente.
VI.1 Ponto de Trabalho da Bomba Atual
O cálculo do ponto de trabalho da bomba, caso utilizássemos a bomba atualmente
instalada nesse sistema (sistema que encontra-se em operação atualmente), como visto
anteriormente, é a interseção da curva de carga do sistema com a da bomba. Sendo assim,
a partir das informações fornecidas pelo fabricante da bomba a curva da mesma foi
digitalizada e cruzada com a curva do sistema calculada. Segue, na Figura VI.1 e na Figura
VI.2, respectivamente, a curva da bomba fornecida pelo fabricante e a curva digitalizada
para comparação.
Figura VI.1 Curva da bomba atual
45
Figura VI.2 Curva digitalizada da bomba atual
Quando esta curva digitalizada é cruzada com a curva do sistema obtém-se o
resultado da Figura VI.3.
Figura VI.3 Ponto de operação do sistema atualmente em operação
O ponto de operação resultante deste dimensionamento foi o ponto com vazão de
198 [m³/h] e head de 117,9 [mca]. Sendo assim, podemos observar que a bomba
46
atualmente instalada na planta não é capaz de fornecer a vazão mínima total de 228 [m³/h],
que é a soma das vazões que a companhia deseja em cada equipamento. Devido a esta
capacidade inferior da bomba, será proposta a utilização de uma nova bomba pela
companhia.
VI.2 Seleção de Nova Bomba
Após o cálculo do ponto de trabalho da bomba atual e a verificação do não
cumprimento dos requisitos estabelecidos pela empresa, será proposta uma nova bomba
para este sistema. Para selecionar a nova bomba foi feito um cadastro no site da FlowServe
e, através de sua ferramenta de auxílio de seleção, foi escolhida uma nova bomba para o
sistema.
A ferramenta de seleção recebe alguns dados de operação como head, vazão,
fluido, temperatura e pressão de vapor do fluido e retorna algumas bombas que atendem a
estas características. Após este passo foi feita uma triagem e selecionada a bomba mais
adequada. A bomba selecionada foi uma bomba centrífuga horizontal, bi-partida
radialmente, com impelidor fechado. Segue, no anexo VIII.5, um documento detalhando os
dados operacionais da mesma.
VI.2.1
Ponto de Trabalho da Nova Bomba
O cálculo do ponto de trabalho da nova bomba (caso utilizássemos ela nesse
sistema) é obtido a partir da interseção da curva de perda de carga do sistema com a da
bomba. É a partir dele que será verificado se a bomba realmente atende às condições
estabelecidas pela companhia.
Sendo assim, a partir das informações fornecidas pelo
fabricante da bomba, a curva da mesma foi digitalizada e cruzada com a curva do sistema
calculada. Segue, na Figura VI.4 e na Figura VI.5, respectivamente, a curva original
fornecida pelo fabricante e, a mesma curva, digitalizada e convertida para unidades
métricas:
47
Figura VI.4 Curvas da nova bomba selecionada
Figura VI.5 Curva da nova bomba digitalizada
48
Quando esta curva digitalizada é cruzada com a curva do sistema, obtém-se o
resultado da Figura VI.6.
Figura VI.6 Ponto de operação do sistema quando operado com a nova bomba selecionada
O ponto de operação resultante deste dimensionamento foi o ponto com vazão de
228 [m³/h] e head de 147,3 [mca]. Sendo assim, podemos observar que esta bomba é
capaz de fornecer a vazão total de 228 [m³/h], que é a soma das vazões que a companhia
deseja em cada equipamento. Pode parecer coincidência a bomba apresentar exatamente
este valor. No entanto, é importante ressaltar que esta bomba foi selecionada tomando
como base este mesmo valor em uma ferramenta automática do fabricante. Sendo assim,
era de se esperar que a curva da bomba passasse por este ponto. A partir deste resultado
positivo deve-se verificar outros parâmetros importantes para validar por total sua utilização,
como: NPSH requerido e atendimento a NFPA 20.
VI.2.2
NPSH Requerido
De acordo com a curva de NPSH fornecida pelo fabricante da bomba selecionada o
NPSH requerido para o ponto de operação é de 10 [ft] ou 3,05 [m]. Sendo assim, devemos
ter uma margem de segurança como explicado anteriormente. Então:
49
Margem de segurança: 0.6 [mca]
NPSHd ≥ NPSHr + 0,6 [mca]
NPSHr ≤ NPSHd − 0,6 [mca]
NPSHr ≤ 4,54 [mca] − 0,6 [mca]
NPSHr ≤ 3,94 [mca]
Como o NPSHr informado pelo fabricante é menor que o calculado acima a bomba
instalada atende ao dimensionamento feito no projeto.
VI.2.3
Requerimentos da Norma (NFPA 20)
De acordo com a norma NFPA 20 toda bomba destinada a utilização em sistemas
de combate a incêndio precisa seguir alguns requisitos referentes a sua condição de
operação.
Primeiramente, estas bombas devem ser selecionadas na faixa de operação de 90%
a 150% da sua vazão de projeto. Quando operada a mais de 150% de sua capacidade de
projeto a norma indica que a performance da bomba pode ser bastante afetada pelas
condições de sucção. Quanto ao limite inferior, a norma recomenda que a bomba não seja
operada a menos de 90% de sua capacidade de projeto. Sendo assim, estas condições são
definidas por:
Q lim inferior = 90% ∗ Q projeto = 205,2 [m3 /h]
Q lim superior = 150% ∗ Q projeto = 342 [m3 /h]
A norma também indica que quando a bomba é operada no seu limite superior ela
deve suportar um head de, no mínimo, 65% de seu Head de projeto. O ponto relacionado a
esta vazão limite superior será chamado de segundo ponto de operação. Este requerimento
50
é essencial para sistemas de combate a incêndio pois ele diminui a curvatura e o caimento
da curva Head X Vazão da bomba. Isto quer dizer que a bomba passa a apresentar uma
menor queda de Head para maiores vazões. Isto é muito importante pois caso a bomba não
suporte o combate ao incêndio no seu ponto de operação a abertura de mais hidrantes e a
consequente maior demanda de água não fará com que o Head da bomba caia
bruscamente (o que impossibilitaria o combate). Sendo assim:
Para Q lim superior,
Hlim ≥ 65% ∗ Hprojeto = 95,7 [mca]
Então, para a vazão de 342 [m³/h] o Head da bomba deve ser maior que 95,7 [mca].
A norma também indica que o ponto de shutoff da bomba não deve exceder 140%
do head de projeto. Sendo assim:
Hshutoff ≤ 140% Hprojeto = 206,2 [mca]
A partir da determinação destes limites e requisitos é necessário verificar se a
bomba selecionada os atende. Segue, na Tabela VI.1, a verificação dos valores calculados
a partir da norma NFPA 20.
51
Tabela VI.1 Verificação dos requisitos da NFPA 20 para a nova bomba
Requisito
Nova Bomba
Q
𝐻𝑝𝑟𝑜𝑗𝑒𝑡𝑜
Q
𝐻𝑟𝑒𝑎𝑙
[m³/h]
[mca]
[m³/h]
[mca]
≥ 228
NA
228
NA
342
≥ 95,7
342
134,1
0
≤ 206,2
0
158,5
Requisito da Companhia
(para o ponto de operação)
Requisito NFPA 20
(para o limite superior)
Requisito NFPA 20
(para o shutoff)
Como a nova bomba selecionada atende a todos estes limites e requisitos, sua
utilização permanece validada. Sendo assim, a bomba instalada pode ser utilizada nas
condições dimensionadas neste projeto.
52
VII. Conclusão
Ao final deste projeto pode-se concluir que a bomba utilizada no sistema de combate
a incêndio existente atualmente na planta industrial estudada não é uma bomba que atende
aos requisitos mínimos estipulados pela companhia. Ou seja, ao recalcular a bomba
necessária para o funcionamento do sistema foi observado que a curva da bomba atual não
é capaz de operar nas condições de vazão definidas pela companhia.
A partir deste resultado negativo foi selecionada uma bomba que atende a estes
requisitos da empresa. Também foi verificado para esta nova bomba o cumprimento da
norma NPFA e calculado seu NPSH requerido e o NPSH disponível no sistema para
garantir a possibilidade de sua utilização.
Todos os resultados obtidos foram positivos
quanto a nova bomba.
Por fim, vale a pena citar a possibilidade de aprofundamento neste projeto no futuro.
Duas sugestões importantes são: um estudo de custo para correção deste sistema e
instalação desta nova bomba selecionada e um estudo para verificar a vazão e alcance
finais de cada canhão monitor fixo e esguicho manual. Este último, por sua vez, validaria o
poder de combate do sistema.
53
VIII.Anexos
VIII.1
Tabelas
de
Consulta
de
Comprimentos
Equivalentes
Tabelas utilizadas para consulta aos comprimentos equivalentes utilizados nos
cálculos das perdas de carga no sistema.
VIII.1.1
Reduções e ampliações de diâmetro
Tabela VIII.1 Comprimento Equivalente - Reduções e ampliações de diâmetro (Mattos & Falco, 1998)
54
VIII.1.2
Válvulas
Tabela VIII.2 Comprimento Equivalente – Válvulas (Mattos & Falco, 1998)
55
VIII.1.3
Joelhos, curvas e T’s
Tabela VIII.3 Comprimento Equivalente - Joelhos, curvas e T's (Mattos & Falco, 1998)
56
VIII.2
Gráfico de Rugosidade Relativa
Figura VIII.1 Ábaco de rugosidade relativa de tubulação (Mattos & Falco, 1998)
57
VIII.3
Desenhos esquemáticos do sistema
VIII.3.1
Tubulação de Sucção
Figura VIII.2 Esquema geral da tubulação de sucção (cotas em metros)
58
VIII.3.2
Esquema geral da descarga
Figura VIII.3 Esquema geral da tubulação de descarga (cotas em metros)
59
VIII.3.3
Detalhe na região próxima a bomba na descarga
Figura VIII.4 Esquema da tubulação de descarga - próximo à bomba (cotas em metros)
60
VIII.3.4
Detalhe na região próxima a curva principal
Figura VIII.5 Esquema da tubulação de descarga - próximo à curva principal (cotas em metros)
61
VIII.3.5
Detalhe na região próxima aos esguichos manuais
Figura VIII.6 Esquema da tubulação de descarga - próximo aos esguichos manuais (cotas em metros)
62
VIII.3.6
Detalhe na região próxima aos canhões
Figura VIII.7 Esquema da tubulação de descarga - próximo aos canhões (cotas em metros)
63
VIII.4
Curvas da bomba atual
Figura VIII.8 Documento da curva atual
64
VIII.5
Curvas da nova bomba
Figura VIII.9 Documento da nova bomba
65
VIII.6
Tabelas
de
cálculo
de
comprimento
equivalente
VIII.6.1
Trecho S
Tabela VIII.4 Detalhamento do trecho S
Item
Linha
Joelho Raio Longo
Linha
Válvula Gaveta
Linha
Bifurcação / Direto
Linha
Válvula Gaveta
Linha
Redução
VIII.6.2
Diametro [pol]
8
8
8
8
8
8
8
8
8
6
Comp. / Comp. Eq. [m]
4
4,27
2,779
2,74
0,26
4,27
1,1
2,74
0,098
2,13
Trecho R1
Tabela VIII.5 Detalhamento do trecho R1
Item
Bifurcação / Direto
Linha
Joelho Raio Longo
Linha
Joelho Raio Longo 45º
Linha
Bifurcação / Direto
Linha
Joelho Raio Longo 45º
Linha
Redução
Linha
Joelho Raio Longo 45º
Redução
Linha
Joelho Raio Longo 45º
Linha
Joelho Raio Longo
Linha
Joelho Raio Longo
Linha
Joelho Raio Longo
Linha
Joelho Raio Longo
Linha
Diametro [pol]
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
4
4
4
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
Comp. / Comp. Eq. [m]
3,05
4,35
3,05
2
1,525
1,72
3,05
2,56
1,525
1,06
1,22
5,2
1,065
0,91
3,44
0,76
1,84
1,52
0,98
1,52
1,55
1,52
1,83
1,52
12,23
66
VIII.6.3
Trecho R2
Tabela VIII.6 Detalhamento do trecho R2
Item
Bifurcação / Ramal
Redução Brusca
Linha
Joelho Raio Longo
Linha
VIII.6.4
Diametro [pol]
6
3
3
3
3
Comp. / Comp. Eq. [m]
9,15
1,52
0,77
1,52
15,13
Diametro [pol]
6
2,5
2,5
2,5
Comp. / Comp. Eq. [m]
9,15
1,52
1
0,84
Diametro [pol]
6
2,5
2,5
2,5
Comp. / Comp. Eq. [m]
9,15
1,52
1
0,84
Diametro [pol]
6
6
6
6
6
6
6
6
Comp. / Comp. Eq. [m]
3,05
3,75
3,05
4,51
3,05
15,75
3,05
13,1
Trecho R3
Tabela VIII.7 Detalhamento do trecho R3
Item
Bifurcação / Ramal
Redução Brusca
Linha
Válv. Gaveta
VIII.6.5
Trecho R4
Tabela VIII.8 Detalhamento do trecho R4
Item
Bifurcação / Ramal
Redução Brusca
Linha
Válv. Gaveta
VIII.6.6
Trecho L1
Tabela VIII.9 Detalhamento do trecho L1
Item
Bifurcação / Direto
Linha
Joelho Raio Longo
Linha
Joelho Raio Longo
Linha
Bifurcação / Direto
Linha
67
VIII.6.7
Trecho L2
Tabela VIII.10 Detalhamento do trecho L2
Item
Bifurcação / Direto
Linha
VIII.6.8
Diametro [pol]
6
6
Comp. / Comp. Eq. [m]
3,05
0,81
Diametro [pol]
5
6
6
6
6
6
6
6
6
6
8
8
8
8
10
10
10
10
10
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
Comp. / Comp. Eq. [m]
1,22
0,125
1,98
22,87
0,312
1,98
0,378
3,05
0,353
2,13
1
4,27
2,292
1,83
15,24
64,725
4,88
16,47
15,24
2,9
1,35
3,05
1,65
3,05
1,42
3,05
0,6
1,98
11,77
3,05
13,13
Trecho L3
Tabela VIII.11 Detalhamento do trecho L3
Item
Ampliação
Linha
Junta Flexível
Válv. de Retenção
Linha
Válv. Gaveta
Linha
Joelho Raio Longo
Linha
Ampliação
Linha
Joelho Raio Longo
Linha
Ampliação
Bifurcação / Ramal
Linha
Bifurcação / Direto
Linha
Bifurcação / Ramal
Redução Brusca
Linha
Joelho Raio Longo
Linha
Joelho Raio Longo
Linha
Joelho Raio Longo
Linha
Válv. Gaveta
Linha
Bifurcação / Direto
Linha
68
VIII.7
Tabela de desníveis de cada trecho
Tabela VIII.12 Desníveis de cada trecho
Trecho
R1
R2
R3
R4
L3
S
Z [mca]
0,98
0,77
0
0
-0,07
3,7
69
IX. Referências
Bloch, H. P., & Budris, A. R. (1933). Pump User’s Handbook - Life Extension. Fairmont
Press.
Damasgate. (Novembro de 2013). Fonte: http://fx.damasgate.com/centrifugal-pumps/
DEC
UFCG.
(Novembro
de
2013).
Fonte:
http://www.dec.ufcg.edu.br/saneamento/Bomb01.html
Escola
da
Vida.
(Novembro
de
2013).
Fonte:
http://www.escoladavida.eng.br/mecfluquimica/aulasfei/ccb.htm
Karassik, I. (2000). Pump Handbook (3ª ed.). McGraw-Hill.
Lima, E. C. (Novembro de 2006). QUALIDADE DE ÁGUA DA BAÍA DE GUANABARA E
SANEAMENTO: UMA ABORDAGEM SISTÊMICA. Rio de Janeiro.
Mattos, E. E., & Falco, R. d. (1998). Bombas Industriais (2ª ed.). Rio de Janeiro:
Interciência.
NETFIER. (Novembro de 2013). Fonte: http://www.netfier.com.br/sistemas.htm
OMEL.
(Novembro
de
2013).
Fonte:
http://omel.com.br/BR/escola__bombas_curvas_de_desempenho.php
Pump
Fundamentals.
(Novembro
de
2013).
Fonte:
http://www.pumpfundamentals.com/pump_glossary.htm
Thermophysical
properties
of
seawater.
(Março
de
2010).
Fonte:
http://web.mit.edu/seawater/Seawater_Property_Tables.pdf
Turton, R. K. (1995). Principles of Turbomachinery (2ª ed.).
70