Grupos electrobomba

3.3.2.1 Selecção das bombas

A zona útil da curva característica de uma bomba é definida por critérios técnico económicos.

Uma bomba não pode funcionar sem inconvenientes, com caudais muito superiores ou muito inferiores ao caudal correspondente ao ponto de maior rendimento; ela deverá funcionar assim numa zona de bom rendimento. Esta zona é em geral definida pelo fabricante.

Noutras, pelo contrário, a curvatura é acentuada (tangente

>>

0) pelo que uma pequena variação de caudal é acompa- nhada por uma grande variação da altura de elevação e por consequência da pressão (curva típica de bombas multi- celulares).

Para melhor precisar estas noções, considera-se a zona de variação de caudal correspondente à parte útil da curva característica das bombas (fig. 6), ela é limitada pelos caudais mínimo qm e máximo QM.

Distinguem-se os casos:

Característica pouco inclinada quando qm

<

1/2 QM;

Característica inclinada em que qm

≥

1/2 QM.

Fig. 6 - Definição das curvas características das bombas

No primeiro caso, quando duas bombas funcionam em paralelo, a zona útil de variação de caudal das duas bombas recobre parcialmente a zona útil de uma única bomba (fig. 6). No segundo caso as duas zonas não se recobrem. O caudal de dimensionamento das bombas deve ser 15 % a 25 % superior ao caudal máximo do consumo previsto para o edifício. A pressão correspondente a essa descarga é a altura manométrica da instalação.

57

Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável

Fig. 8

Verifica-se o mesmo procedimento quando as necessidades de água diminuem:

- Evolução progressiva de C6, para C5e por fim C4, correspon-

dente à pressão máxima de funcionamento com três grupos electrobomba.

- Paragem da terceira bomba 3P e passagem para um funcionamento com duas bombas, correspondente à curva 2P, o ponto de operação do sistema passa de C4

para B4.

- Paragem da segunda bomba, e operação com a curva 1P em que o ponto de funcionamento passa de B2para A2.

- Evolução de A2, até A1, etc.

Os órgãos que asseguram o arranque e a paragem das bombas são os pressóstatos. São dispositivos providos de contactos eléctricos biestáveis, que são accionados mecani- camente pela pressão da água, que permitem, através do circuito de comando a abertura e fecho dos contactores de potência.

Destacam-se alguns inconvenientes relacionados com este tipo de funcionamento:

- Quando o caudal solicitado pela rede for inferior a Qa0,

o funcionamento é instável com arranques e paragens frequentes da bomba.

- Em cada arranque e paragem de uma das bombas, ocorre uma variação brusca do ponto de funcionamento e conse- quentemente, do respectivo caudal e da pressão.

- Determinadas gamas de caudais não são abrangidas, tais como as zonas entre Qa3e Qb2e também entre Qb5e Qc4, se

o caudal requerido cair e permanecer no interior destas zonas, o funcionamento também será irregular com para- gens e arranques frequentes, sendo o caudal debitado pelas bombas desajustado às necessidades.

Para se evitarem os inconvenientes descritos, deve instalar- -se um depósito hidropneumático ligado ao colector de descarga comum das bombas (fig. 9).

A experiência mostra que quanto maior é a diferença de pressão entre o arranque e a paragem das bombas mais reduzido resulta o volume do reservatório. Assim, a selecção dos grupos electrobomba deve ser a favor dos que se caracterizam por curvas características com inclinação acentuada, ou seja, bombas multicelulares.

O caudal médio de uma bomba determina-se pela expressão:

em que: Qa - caudal de arranque;

Qp - caudal de paragem

Também se pode empregar a fórmula simplificada:

3.3.2.2 Comando das bombas

Nas centrais de pressurização com bombas de velocidade fixa, o arranque e a paragem das bombas são efectuados automaticamente, através de uma das duas opções: - Através do diferencial de pressão, designada regulação

manométrica.

- Através do diferencial de caudal, designada regulação debitométrica.

3.3.2.2.1 Regulação manométrica

A regulação manométrica é a mais utilizada, e realiza-se como se segue:

Se o consumo da rede aumenta quando se encontra a funcionar apenas uma das bombas do sistema, a sua curva de funcionamento evoluirá de R1 para R6, passando por

todas as fases intermédias, o ponto de funcionamento desloca-se progressivamente de A1 para A2 e A3. Nesta

evolução, o caudal debitado pela bomba aumentará para satisfazer o consumo, mas a pressão de descarga da bomba diminuirá, conforme está representado na figura 8. Em A3é

atingida a pressão mínima, o que faz arrancar a segunda bomba do sistema e a curva funcional passa a ser a curva 2P (duas bombas em funcionamento). Com o arranque da segunda bomba, ocorre um salto brusco de A3para B3. Se

o consumo de água continua a aumentar, evolui-se progres- sivamente de B3para B4e seguidamente, para B5. Nesta situa-

ção, é posta em marcha a terceira bomba, com passagem do ponto de operação de B5 para C5 seguida de uma

evolução progressiva de C5para C6e assim por diante.

(

)

p a p p a a m

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q

+

+

−

+

×

=

2 2

3

2

2

p a m

Q

Q

Q

=

+

Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável

Fig. 9

O ar sob pressão, aprisionado na parte superior do depósito, é comprimido e expandido em função da pressão de funcio- namento das bombas, ao contrário da água que é pratica- mente incompressível. A maior parte dos depósitos são, actualmente, equipados com membranas que impedem o contacto do ar com a água, impedindo a dissolução do ar na água, reduzindo os problemas de corrosão e evita a introdução de dispositivos de compensação de ar. Como se pode observar na fig. 10, a presença do depósito hidropneu- mático altera ligeiramente os pontos de funcionamento do sistema.

Fig. 10

Modo de funcionamento: Arranque da 2ª bomba:

No arranque, o ponto de funcionamento evolui rapida- mente de A para B' e, depois progressivamente, de B' para B, entretanto, o excesso de caudal debitado pelas bombas alimenta o depósito enquanto não se atingir a pressão do

pressão do ponto de funcionamento D. A diferença de pressão entre C e D' deve-se também às perdas da carga da ligação ao depósito.

A característica da curva de funcionamento do sistema varia continuamente em função do caudal solicitado pelos consumidores. O somatório dos caudais individuais corres- ponde ao caudal global de valor aleatório, que estará compreendido entre 0 e Qmax. O dimensionamento de uma

instalação tem como objectivo a satisfação do caudal de ponta, consumido pelo edifício e da respectiva pressão de operação.

No exemplo ilustrado na figura 11, verifica-se que há uma sobreposição das gamas de caudal entre n bombas e n+1 bombas em funcionamento porque Qb1é inferior a Qb2. Um

caudal compreendido entre Qa1 e Qa2 pode ser fornecido

com n+1 bombas em funcionamento contínuo. Um caudal compreendido entre Qb1e Qb2poderá ser fornecido com n+1

bombas em funcionamento contínuo. O caudal Q' poderá ser garantido com n bombas (ponto A') ou n+1 bombas (B') em funcionamento contínuo.

Fig. 11 - Gama de caudais garantidos por n bombas - Sobreposição com a zona de caudais debitados por n+1 bombas

No exemplo ilustrado pela figura 12, não temos qualquer sobreposição das zonas de funcionamento, porque o caudal Qa2é inferior a Qb1. Um caudal compreendido entre Qa1e Qb1

não poderá ser obtido com um funcionamento contínuo. Verifica-se então um funcionamento intermitente entre n bombas e n+1 bombas. É nesta situação de não sobre- posição dos campos de caudais que o depósito se torna indispensável.

59

Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável

Podemos considerar que o caudal médio corresponde a metade da gama de caudais abrangida. Sendo assim, o período de um ciclo é tanto mais curto quanto:

- a reserva de água for reduzida (um volume total do depósito reduzido ou um pequeno diferencial entre as pressões Pmine Pmáx);

- o caudal absorvido ou fornecido pelo depósito for elevado (gama vasta de caudais não abrangidos pelo funciona- mento das bombas).

Para se garantir uma pressão de utilização praticamente constante, é indispensável manter-se um diferencial mínimo entre as pressões Pmáxe Pmin. Contudo, um reduzido diferen-

cial de pressões Pmin/Pmáx, (fig. 14) apresenta três consequên-

cias, cujos efeitos serão:

- Maior frequência de arranques;

- Redução da gama de caudais coberta pelas bombas e, portanto, mais probabilidades de ocorrerem situações de funcionamento intermitente;

- Aumento da gama de caudais não coberta pelas bombas em funcionamento contínuo. Resultando um aumento do diferencial médio entre o caudal consumido e o caudal bombeado. Esta diferença é absorvida pelo depósito, sendo o esvaziamento e enchimento mais rápidos; - Diminuição da reserva de água disponível (volume útil) no

depósito devido à redução do diferencial de pressões. Por outras palavras, obtém-se uma reserva de água no inte- rior do depósito menor, um caudal de enchimento e esvazia- mento mais elevado, conduzindo a uma maior frequência de arranques e paragens. Conclui-se, que não se podem optimizar simultaneamente os seguintes parâmetros: - Flutuação da pressão;

- Número de arranques do motor; - Volume de reserva de água.

Deverá efectuar-se um compromisso entre os três parâmetros.

Fig. 14 - Cobertura dos caudais em funcionamento contínuo

3.3.2.2.1.1 Função do depósito hidropneumático O depósito hidropneumático tem uma função tripla: Servir de reserva, absorvendo o excesso de caudal (Qconsumo <

Qbombeado) ou complementado a insuficiência do caudal

bombeado (Qconsumo

>

Qbombeado), nas zonas em que o caudal

não é garantido pelas bombas;

Assegurar a manutenção de pressão na instalação quando todas as bombas se encontram paradas;

Absorver as flutuações bruscas de pressão e de caudal durante a abertura e o fecho dos equipamentos de con- sumo (trata-se contudo de uma função secundária que não justifica por si só a presença do Depósito).

3.3.2.2.1.2 Períodos de funcionamento

A duração de um ciclo completo conforme foi descrito ante- riormente deverá ser tanto mais importante quanto mais elevada for a potência dos motores. É importante assegu- rar-se que não é ultrapassada a frequência horária de arranques admissíveis, cujo valor diminui à medida que a potência dos grupos aumenta.

Fig. 13 - Tempo de duração de um ciclo em função do caudal

A curva 3 da fig. 13 apresenta o tempo de duração de um ciclo em função do caudal. O caudal crítico Qc, corresponde

ao ciclo de duração mínima e, por conseguinte ao número máximo de arranques. = Caudal Médio

2

1 +

+

=

n n c

Q

Q

Q

Q

Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável

Podem ser instalados temporizadores com a finalidade de retardarem a paragem ou o arranque de cada bomba (fig. 15). É uma solução "parcial" na medida em que esta tempo- rização permite que o ponto de funcionamento ultrapasse os limites da gama de pressão estabelecida (ou seja, maiores variações de pressão), o que vai ao encontro de objectivo inicialmente pretendido.

Fig. 15 - Influência das temporizações no deslocamento do ponto de funcionamento

É importante que a altura manométrica total Hmt das bombas, correspondente ao funcionamento com caudal nulo não seja demasiado elevada em relação à Pmáx. A temporização, que impõe um tempo de ciclo mínimo Tmin, só se encontra activa durante os ciclos mais curtos, fora deles, não tem qualquer influência (fig. 16).

Fig. 17

Através do agrupamento de bombas com diferentes capaci- dades, é possível obter-se uma melhor cobertura da gama da caudais (fig. 18 e fig. 19).

Fig. 18 - Três bombas principais de 20m3_{/h e uma bomba auxiliar de}

10m3_/h

61

Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável

No entanto, é de notar a persistência das flutuações de pressão, que são tanto mais importantes quanto menor for o número de bombas em funcionamento (curvas mais incli- nadas). Quanto maior o número de bombas em funciona- mento paralelo, mais atenuadas são as flutuações de pressão, ficando reduzida ao mínimo a margem de flutua- ção de pressão em todo o campo de operação. Observa-se que o arranque da primeira bomba é efectuado obrigato- riamente por pressão.

Uma regulação debitométrica é, em geral, mais dispendiosa do que uma regulação manométrica, além de que a respec- tiva instalação no local é bastante mais delicada. Por este motivo, utiliza-se este tipo de controlo nas instalações de maior importância.

3.3.2.3 Número máximo de arranques dos grupos

electrobomba

A frequência máxima de arranques dos grupos electro- bomba deve estar limitada de acordo com a tabela abaixo. Como regra geral, quanto mais potente for o motor menor deverá ser a frequência de arranques.

Contudo, de acordo com a tabela 1 para bombas e motores especialmente dimensionados, podem-se adoptar valores maiores que os anteriormente indicados*.

TABELA 1

* Atendendo a que os factores limitativos são os compo- nentes de controlo eléctrico e restantes componentes mecânicos.

3.3.3 Reservatórios de membrana

3.3.3.1 Introdução

Os reservatórios de membrana, também correntemente deno- minados depósitos de membrana, utilizados em pequenas e médias instalações, oferecem a vantagem de não necessi- tarem de dispositivos de compensação do ar perdido, tal como nos reservatórios tradicionais, devido à emulsão entre o ar em contacto directo com a água sobre pressão. O dimensionamento destes órgãos tem por objectivo a deter- minação da sua capacidade e o número de unidades a aplicar.

3.3.3.2 Dimensionamento

O cálculo da capacidade útil real de um reservatório (isto é, o volume de água descarregado pelo reservatório com bombas paradas) resulta da aplicação da Lei de Boyle Mariotte para a expansão de gases:

3.3.2.2.1.3 Bomba auxiliar (Jockey)

Trata-se de uma pequena bomba, utilizada para assegurar a manutenção da pressão da rede em sistemas de pressu- rização de grande dimensão, quando as bombas principais estão paradas (fig. 20). A sua função está limitada a satis- fazer as necessidades dos períodos de consumo reduzidos, tais como os devidos às fugas de caudal da instalação. Deste modo, evita-se a utilização de um depósito de grande capacidade, dispendioso, bem como os arranques frequentes das unidades principais. Esta bomba Jockey, pode ser mantida em funcionamento permanente, ou imobilizada, a partir do momento em que a primeira bomba entra em operação. Em determinadas redes de combate a incêndios ou rega, tais como de campos de golfe, futebol ou hipódro- mos, a manutenção da pressão é assegurada pela bomba Jockey evitando a entrada de ar nas tubagens, entre dois períodos de funcionamento consecutivos. Deste modo, evitam-se as flutuações bruscas e acentuadas de pressão devido ao escape de ar nos aspersores e ventosas, que são prejudiciais às canalizações.

Fig. 20 - Grupo de três bombas + Bomba Jockey

3.3.2.2.2 Regulação debitométrica

Neste tipo de regulação o controlo dos arranques e para- gens das bombas é efectuada através de caudais de refe- rência (fig. 21). Podemos, assim, escolher valores adequados para se obter uma sequência ininterrupta do campo de funcionamento e, por conseguinte, uma operação contínua dos grupos, de tal forma que acompanham o consumo.

Fig. 21 - Regulação debitométrica

4 60 60” 7,5 40 90” 15 30 120” 18 25 144” 20 20 180” Número máximo de arranques por hora de grupos electrobomba Potência do motor ( kW )

Número máximo de arranques ( horário) Duração do ciclo (segundos)

t p a p t

p

p

p

p

V

C

+

−

=

Fig. 22 - Reservatório hidropneumático

Grandezas a considerar:

Z - Número de arranques por hora da bomba;

Pa- Pressão manométrica de arranque da bomba (bar);

Pp- Pressão manométrica de paragem da bomba (bar);

Vt- Volume total do reservatório (M3)

Vr- Volume residual, é o volume de segurança que está

compreendido entre o nível de água correspondente à pressão Pae o fundo do reservatório. Este volume deve

ser da ordem de 20% do volume total, isto é; Vr= 0,2 Vt;

Vp- Volume de ar correspondente à pressão de paragem Pp;

Va- Volume de ar correspondente à pressão de arranque Pa;

Vu- Volume útil de água no reservatório, compreendido

entre os níveis de arranque (Pa) e paragem (Pp). É o volume

de água que é introduzido no reservatório, durante o período em que a pressão do ar no seu interior aumenta de Paaté Pp, ou seja, entre o arranque e a paragem da

bomba. Funciona como reserva sempre que houver consumo com as bombas fora de serviço.

h2- Altura correspondente a Vr, é o limite de segurança de

utilização de água do reservatório, tem como objectivo

Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável

C - Capacidade útil real (litros)

Vt- Volume total do reservatório (litros)

Pp- Pressão de paragem (bar)

Pa- Pressão de arranque (bar)

Pb- Pressão barométrica (bar)

Para calcular a capacidade útil necessária recorre-se à expressão:

em que:

T - Duração de um ciclo em segundos;

A - Caudal consumido pela instalação em litros, por minuto; Q - Caudal bombeado, em litros, por minuto;

Cu - Capacidade útil necessária;

Como a frequência máxima de arranques de uma bomba se verifica quando o consumo é igual a 50% do caudal bombeado, a capacidade total necessária é de:

O número total de reservatórios necessários é de:

3.3.4 Reservatórios hidropneumáticos

3.3.4.1 Dimensionamento

O principio de funcionamento dos reservatórios hidropneu-

(

)

Q

A

Q

A

T

C

_u

=

×

−

60

240

Q

T

C

_t

=

×

C

C

N

=

t

63

Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável

Exemplo:

Q = 2,5 l/s = 9m³/h Z = 8 arranques hora Pp= 4 bar (pressão relativa)

Pa=2 bar (pressão relativa)

Entretanto, com estes valores no gráfico, obtém-se: Q/Vt=10 ∴Vt = 9/10 = 0,9 m³

Fig. 23 - Volume total do reservatório hidropneumático (Vt) em

função do caudal (Q)

e) Fórmula de Valibouse Considerando que o volume morto é igual a 20 % do

volume total Va=0,8 Vt, vem:

O cálculo do volume total do reservatório é feito através da aplicação de fórmulas empíricas, deduzidas por diversos autores como resultado de estudos teórico-experimentais. Indicam-se seguidamente algumas das mais utilizadas: a ) Fórmula proposta por Harold Nickels

Vt = 10×Qmáx.

Em que: Vt = Volume total em litros

Qmáx= Consumo máximo provável do edifício expresso em

litros/minuto.

b ) Fórmula deduzida por Ângelo Gallizio

A expressão é aplicável a instalações com compressor

Q - descarga correspondente ao consumo máximo da rede, em litros por minuto;

Z - Número máximo admissível de arranques horários. c) Pela fórmula da Grundfos

Vtotal = 16,25 x Qm x (Pmín.+1) x (Pmáx+1)

S ∆P Pc+1 Vtotal= volume total do depósito em litros

S = número máximo de arranques por hora, dependente da potência e fabricante do motor eléctrico

Qm = caudal médio de uma bomba em l (min) Pmáx = pressão de paragem

Pmín = pressão de arranque

∆P = Pmáx - Pmin.

Pc = Pressão de ar no depósito de membrana; Pc = Pmin-0,5

d) Fórmula proposta pela norma brasileira NB-92

A norma brasileira utiliza um ábaco reproduzido na fig. 23, entrando com o número de arranque por hora e com os valores das pressões relativas de arranque e paragem obtém-se a relação entre o caudal da bomba m3_{/h e o}

volume total do reservatório Vt, determina-se na tabela 2 a

relação entre o volume útil Vue o total Vt em função das

pressões de arranque e paragem.

(

)

1

8

,

0

+

−

×

×

=

p a p t u

P

p

p

V

V

a p p t

p

p

p

z

Q

V

−

+

×

×

=30

1

2 0,2 0,32 0,4 1,5 0,13 0,3 0,4 1 0,27 0,4 2,5 0,1 0,24 0,33 0,4 3 0,16 0,26 0,34 3,5 0,08 0,2 0,29 4 0,13 0,23 TABELA 2 Pressão de paragem (bar) (máx.) Pp 2 3 4 5 6

Pressão de arranque (bar) Pa

(litros)

k

Q

H

H

H

H

T

V

m b M m M

×

×

+

−

=

4

0

Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável

T - Tempo de duração de um ciclo (minutos); HM- Pressão máxima de paragem em bar;

Hm- Pressão mínima de arranque em bar;

Ha- Pressão atmosférica

T - Tempo mínimo entre dois arranques da mesma bomba K - Coeficiente de segurança (K=1,2 em geral);

Qm- Caudal médio (litros/minuto)

f ) Cálculo considerado uma pré-compressão arbitrária

Pi- Pressão inicial de pré-compressão (bar);

T - Tempo mínimo entre dois arranques consecutivos da mesma bomba.

O exame da fórmula diz-nos que o volume Vt do reser-

vatório é proporcional às pressões de arranque e paragem. Há todo o interesse em pré-comprimir o reservatório a uma pressão vizinha da pressão de arranque Pa e adoptar um diferencial de pressão Pp-Pa tão alto quanto possível.

3.3.5 Exemplos de situações-tipo

A concepção de um sistema de elevação de pressão deve ajustar-se em cada caso, às exigências (quantitativas e qualitativas) dos diversos consumidores e aos condiciona- lismos próprios da instalação e da rede exterior.

Por se considerar do maior interesse prático e sem a preocu- pação de ser exaustivo, caracterizam-se algumas situações- -tipo documentadas com figuras.

4

25

,

1

m u

Q

T

V

=

×

×

(

)

( )

(

i

)

(

p a

)

p a u t

p

p

1

p

1

p

1

p

V

V

−

×

+

+

×

+

×

=

Fig. 25 - Bomba a aspirar da rede com reservatório de compensação

Na figura 25, mostra-se um reservatório intercalado entre a rede exterior e os grupos de bombeamento, é uma dispo- sição em que se aproveita também a pressão da rede, com a vantagem de não se provocar uma descida apreciável da pressão de aspiração durante o arranque das bombas.

Fig. 26 - Bomba a aspirar do tanque de armazenamento

O arranjo da fig. 26 tem como principais vantagens uma separação hidráulica entre a rede exterior e a do edifício, e a garantia de uma reserva de água durante as interrupções do consumo.

65

Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável

Na concepção e dimensionamento destes sistemas põe-se com particular acuidade os aspectos que a seguir se referem e cujas razões justificativas decorrem do texto que se segue: • segurança em serviço;

• minimização da potência perdida para economia de energia; • garantia de funcionamento nos períodos de caudal

reduzido;

• conforto de utilização com uma pressão de utilização praticamente constante.

No estudo de um sistema por bombeamento directo deve começar por traçar a curva característica da rede. A curva é traçada em função de um ponto de referência R, arbitrado de tal modo que para qualquer valor de caudal, se assegura uma pressão compatível com o bom funcionamento de toda a rede do edifício. Normalmente a curva característica das redes dos edifícios têm um andamento parabólico. Esta não é a curva real fixada pelas características das canaliza-

No documento grundfospressurizacao (páginas 58-119)