Sistemas com bombas de velocidade variável

3.4.3.1 Modo de funcionamento

Nos sistemas com bombas de velocidade variável, a pressão é mantida constante, independentemente do consumo da rede. As variações da pressão de descarga das bombas provocadas quer por alteração da pressão de aspiração, quer por variação do consumo, são detectadas por um sen- sor que actua no variador de velocidade de forma a manter a pressão de bombeamento constante.

3.4.3.2 Variação das curvas características

O andamento da curva característica de uma bomba varia com a sua velocidade de rotação de acordo com as expressões:

Na figura 31, mostram-se várias curvas características de uma bomba com diferentes velocidades de rotação, como se pode observar, o rendimento praticamente não varia com a velocidade, por exemplo, para uma pressão cons- tante de 7,5 bar e uma variação de caudal entre 500 e 1000 m3_{/h corresponde uma variação do rendimento máximo}

compreendido entre 70 e 80 %. Po- Curva de potência teórica necessária para garantir

no ponto R o caudal Q à pressão H0;

RS- Potência teórica necessária para fornecer o caudal q; QR - Potência perdida devido ao rendimento do motor e

das bombas;

PQ - Potência dissipada inutilmente;

P - Ponto de funcionamento da bomba instalada.

3 1 2 1 2 2 1 2 1 2 1 2 1 2

N

N

P

P

N

N

H

H

e

N

N

Q

Q









=

∴









=

=

rpm rpm rpm rpm rpm rpm rpm

67

Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável

Para o efeito, diversas situações são praticáveis tais como: - Conjugar várias bombas de velocidade fixa com uma ou duas de velocidade variável que servirão para ajustar o ponto de funcionamento da instalação às exigências de caudal e pressão da rede;

- Instalar todas as bombas com velocidade variável, rodando sempre sincronizadamente.

- As bombas com velocidade variável têm um limite mínimo de velocidade abaixo da qual não produzem caudal à pressão pretendida.

3.4.3.4 Regulação manométrica

Neste caso, já não se verificam as limitações relacionadas com os diferenciais entre a pressão mínima e máxima como na regulação por pressóstato A regulação manométrica é efectuada em permanência quaisquer que sejam as aberturas e fechos de válvulas. Nestes casos, usa-se um transdutor de pressão para efectuar a medição analógica da pressão em substituição dos pressóstatos (fig. 34).

Fig. 34

O transdutor de pressão emite um sinal de 0-20mA, 4-20mA ou 0-10V, proporcional à pressão medida. Existe um controlador que compara o sinal medido, com o valor ajustado, que foi pré-programado, por sua vez, este irá controlar o variador de frequência da seguinte maneira: - Se Pmedido< Pajustadoé emitida ordem de aceleração.

- Se Pmedido> Pajustadoé emitida ordem de desaceleração.

- Se Pmedida= Pserviçoa velocidade mantém-se constante.

Independentemente do caudal requerido, a instalação funciona de modo a manter a pressão constante. A pressão de serviço pode ser materializada no controlador por uma recta horizontal ao longo da qual se desloca o ponto de funcionamento da instalação (fig. 35).

A pressão a ser mantida na conduta de compressão é assim: Pdescarga= H1+H aspiração mínima= H2+H asp. máxima

pois a

Pdiferencial= Pdescarga Haspiração

Fig. 32 - Determinação das alturas manométricas máximas e mínimas

Na fig. 32, onde as pressões H1 e H2 são diferenciais, a

manutenção da pressão da descarga traduz-se por rectas horizontais por C e por E e uma infinidade de, outras compreendidas entre essas, para situações intermédias. Os pontos C e F (fig. 32) são os pontos críticos de operação das bombas, o que pode traduzir-se no seguinte:

- Com todas as bombas em funcionamento na rotação máxima, as bombas deverão debitar o caudal Qmáx à

pressão H1 (ponto C);

- Com apenas uma bomba em operação à pressão mínima, a bomba deverá recalcar o caudal Qminà pressão H2 (ponto F).

Como as bombas operam a maior parte do tempo com valores médios de caudal e pressão de aspiração, o ponto de funcionamento com o caudal máximo de cada bomba (Qmáx)

e altura manométrica máxima (H1) deverá situar-se à direita

da zona de maior rendimento (fig. 33).

Fig. 33 - Zona de funcionamento das bombas

Controlador

Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável

Fig. 35 - Regulação manométrica, princípio de deslocamento do ponto de funcionamento

No instante t, as torneiras fecham-se, o consumo diminui e a característica da instalação vai de R para R'. O ponto de funcionamento altera-se de M para M1. logo:

PM1> Pajustadasignifica desaceleração até que Pmedida= Pajustada

A velocidade de rotação da bomba diminui e a curva de funcionamento das bombas passa a ser P' e o ponto M1

desloca-se para M2.

Se o consumo aumentar (fig. 36), a curva da rede R altera-se para R' e o ponto de funcionamento evolui de M passa para M1.

Fig. 36

Se a velocidade da bomba em variação atingir o valor mínimo ou máximo, arranca ou pára uma das bombas de

Considerando que a reacção do sistema é rápida, o ponto de funcionamento desloca-se numa linha horizontal (pressão ajustada para serviço (fig. 37).

Fig. 37

Na prática, acelera-se a bomba de velocidade variável até

Bomba 1 Variação de velocidade

Aumento do consumo

Aceleração da bomba 1

Bomba 1 à velocidade máxima Pmedida< Pajustada

Bomba 1 VV + Bomba 2 VF Pmedida= Pajustada

A velocidade da bomba 1 diminui e ajusta-se até Pmedida= Pajustada

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Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável

Fig. 38 - Campo de variação de caudal com 3 bombas Qmáx n = Q min n+1

Se o caudal consumido variar ligeiramente em torno de Q1

ou de Q2, em cada transposição destes valores, acontece o

arranque ou a paragem de uma bomba de velocidade fixa, e daí o risco do número máximo de arranques ser excedido. Se alimentarmos a Bomba de Velocidade Variável, com uma frequência de 53 ou 54 Hz, verifica-se:

Qmáx n Bombas > Qmin n+1 bombas

Fig. 39 - Campo de variação de caudal só com 3 bombas, com acréscimo de rotação Qmáx n> Qmin n+1

Q1= Caudal máximo de 1 bomba com Velocidade

Variável

Q'1= Caudal mínimo com 2 bombas (1 com Velocidade

Variável + 1 com Velocidade Fixa)

Q2= Caudal máximo com 2 bombas (1 com Velocidade

Variável + 1 com Velocidade Fixa)

Q'2= Caudal mínimo com 3 bombas (1 com Velocidade

Variável + 2 com Velocidade Fixa)

Q’ = Caudal máximo de 1 bomba com Velocidade Variável (55Hz)

Q1 = Caudal mínimo com 2 bombas (1 com Velocidade

Variável + 1 com Velocidade Fixa)

Q'2= Caudal máximo com 2 bombas (1 com Velocidade

Variável 1 com Velocidade Fixa 55Hz)

Q2 = Caudal mínimo com 3 bombas (1 com Velocidade

Variável + 2 com Velocidade Fixa)

Q3 = Caudal máximo de 3 bombas (1 com Velocidade

Variável + 2 com Velocidade Fixa 55Hz)

Poderá ser obtido um caudal compreendido entre Q1e Q'1

quer com uma ou duas bombas em funcionamento. Se optarmos por esta solução em que se admite um acréscimo da velocidade da bomba, deve calcular-se a potência absorvida ao seu veio, para evitar uma sobrecarga no motor, por exemplo; 10 % de velocidade em excesso, repre- senta cerca de 33% de potência suplementar.

As principais vantagens relacionadas com a utilização da variação de velocidade em sistemas de pressurização são: - Pode satisfazer-se um consumo aleatório, compreendido entre 0 e Qmáx, através da variação da velocidade de uma

das bombas, associada ao número de bombas, assim como um funcionamento contínuo, sem arranques ou paragens, enquanto não se verificarem alterações de caudal.

- Esta regulação garante uma pressão perfeitamente constante, independentemente do caudal, dentro do tempo de funcionamento admissível.

- Sendo assegurada a cobertura de todos os caudais, o depósito hidropneumático poderá ser de dimensões reduzidas.

Enquanto que, com uma instalação de velocidade fixa, controlaríamos apenas um parâmetro a pressão ou o caudal, na variação de velocidade controlamos ambos, o que oferece uma solução adequada para os seguintes problemas: • Cobertura constante de todos os caudais;

• Volume do depósito hidropneumático reduzido; • Número de arranques dos motores das bombas; • Pressão constante;

• Economia energética.

Na realidade, as centrais hidropneumáticas de velocidade variável encontram-se frequentemente equipadas com um depósito de volume reduzido, embora este acessório seja dispensável, a sua inserção tem como vantagens, assegurar a manutenção da pressão na instalação quando todas as bombas se encontram paradas e absorver as variações de pressão gerada em regime transitório, correspondente à manobra dos órgãos da rede e assegurar os consumos reduzidos.

Evita-se o funcionamento contínuo com uma bomba à velocidade mínima, quando o consumo tende para zero, introduzindo um sistema de paragem debitométrica da bomba de velocidade variável, não sendo necessário manter- -se o seu funcionamento prolongado em condições pouco próprias, para se garantir a pressão do sistema.

Observa-se que se a instalação compreender bombas de grandes dimensões e for necessário garantir-se um caudal mínimo sem vibrações dos grupos, o valor admissível para

Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável

uma bomba à velocidade mínima Nmindetermina-se facil-

mente, com base no caudal mínimo admissível à velocidade nominal N pela expressão:

Este caudal mínimo reduzido, serve para o dimensionamento do volume útil do depósito. Para o efeito considera-se como caudal crítico:

3.4.3.5 Regulação manométrica compensada

Este tipo de regulação, também apelidado de manodebito- métrico, tem como objectivo compensar o efeito das perdas de carga na rede de distribuição.

PROBLEMA

Com uma regulação manométrica clássica, a pressão é mantida constante no local A independentemente do caudal, a pressão em A não é igual em B, devido às perdas de carga no troço compreendido entre A e B, cujo valor varia com o quadrado do caudal.

A pressão em B, é igual a PA- ∆hAB (figura 40). Tem de se

considerar o desnível geométrico entre A e B,

Fig. 41

Soluções a considerar:

i) Deslocamento do transdutor de pressão

A pressão já não é medida à saída do grupo sobrepressor, mas sim no local de consumo (fig. 42).

O respeito da igualdade "Pmedida = Pajustada" assegura uma

pressão constante no ponto de consumo.

Fig. 42

Esta solução é interessante mas comporta determinados limites técnicos e económicos. A dificuldade da solução, reside no transporte do sinal, devido ao:

âCusto do cabo; âPassagem do cabo;

âTransmissão de um sinal de 4 - 20mA

Pode encontrar-se esta solução, em certas redes urbanas de distribuição de água, onde são instalados captores de

Q

mínimo reduzido=

Q

minx

N

mínimo

N

nominal

Q

c=

Q

mínimo reduzido

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Sistemas de Pressurização com Velocidade Fixa e Velocidade Variável

A medição do caudal será efectuada por um caudalímetro electromagnético, que é dispendioso, este operará em asso- ciação com o reservatório hidropneumático. Esta solução que engloba um controlador sofisticado e um cauda- límetro, é dispendiosa, mas, em contrapartida, assegura uma pressão constante nos utilizadores, no caso em que ocorrem perdas de carga na aspiração. No entanto, não oferece qualquer solução para os problemas colocados pelas perdas de carga na tubagem de distribuição. Por exemplo, num edifício onde existem perdas de carga importantes na coluna de distribuição, entre A e B (fig. 46), poderão surgir os seguintes problemas:

• Se a pressão for mantida constante em A, nos pisos supe- riores (em B) os utilizadores irão sofrer flutuações de pressão devido às variações das perdas de carga.

• Se compensarmos as perdas de carga na coluna AB, pode eventualmente assegurar-se uma pressão constante em B, independentemente do caudal, mas o mesmo não se verificará nos pisos inferiores. Em que nas horas em que o consumo é elevado, estes pisos sofrem um acréscimo de pressão de modo a compensar as perdas de carga entre A e B.

Fig. 46

Somos igualmente confrontados com este problema nos repuxos de água das fontes públicas. Para se obterem jactos com a mesma altura, é necessário garantir a mesma pressão em cada tubeira e, para tal, as perdas de carga nas condutas de alimentação, deverão ser desprezáveis. Por conseguinte, conclui-se que um dispositivo de regu- lação, por mais sofisticado que seja, não permite manter uma pressão constante em todos os pontos de uma rede, em que ocorrem perdas de carga elevadas.

É importante ter presente as limitações de cada sistema a fim de se evitarem erros e desilusões.

A - A pressão de serviço P = f (Q)

A pressão de serviço já não é um valor constante, mas sim variável em função do caudal. O controlador apropriado é, sofisticado (fig. 43).

Fig. 43

Pode recorrer-se a uma compensação dita linear, o que cons- titui uma abordagem interessante, sendo contudo ideal uma compensação parabólica, que forneça uma pressão de serviço perfeitamente coincidente com a curva de perdas de carga (fig. 44). Em função do equipamento disponível, a pressão de serviço ou é programada, ponto por ponto, ou segundo uma equação matemática correspondente.

Fig. 44

B- A medição da pressão é insuficiente

Com efeito, de acordo com o caudal de consumo, uma dada pressão de serviço poderá ser considerada excessiva, correcta ou insuficiente. É portanto, necessário haver medição do caudal (fig. 45).

Fig. 45 Medição do caudal Medição da pressão Determinação da pressão de ajuste em função do caudal

Desvio da medição com o valor ajustado

Valor do ajuste de pressão

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C - Determinação do ponto de ajuste

A determinação da relação perda de carga/caudal não é um processo complicado de se obter. Sabe-se que as perdas de carga quer sejam lineares ou singulares, são proporcionais ao quadrado do caudal:

∆h = K x Q2

Assim, para se calcularem as perdas de cargas procede-se de uma das seguintes formas:

- Calculam-se as perdas de carga correspondentes a um dado caudal, com a ajuda de ábacos ou de tabelas. Este processo utiliza-se no desenvolvimento de um projecto para uma nova instalação.

- Mede-se o caudal e a pressão no próprio local, no caso de uma instalação já existente.

Fig. 47

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