XVII SIMPÓSIO INTERNACIONAL DE CIÊNCIAS INTEGRADAS DA UNAERP - CAMPUS GUARUJÁ

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XVII SIMPÓSIO INTERNACIONAL DE CIÊNCIAS INTEGRADAS

DA UNAERP - CAMPUS GUARUJÁ

TESTE DE PEFORMANCE DE BOMBAS CENTRIFUGAS DE REDE DE INCENDIO SEGUNDO NFPA20 E NFPA25

Erick de Aguiar Cunha Lira1_{; Felipe Jorge Lopes}2_{; Gledson Meira Santos}3_; Leandro Nogueira dos Santos4_{; Raphael Moura de Souza}5

1 _{Universidade Santa Cecília (UNISANTA). Santos, São Paulo, Brasil. Aluno de Engenharia Mecânica.}

erick.lira96@gmail.com

flopes.jorge@gmail.com

gledson_meira@hotmail.com

leandronogueira_8@hotmail.com

5_{Universidade Santa Cecília (UNISANTA). Santos, São Paulo, Brasil. Aluno de Engenharia Mecânica.}

rapha_rms@hotmail.com

Este simpósio tem o apoio da Fundação Fernando Eduardo Lee

Engenharia Mecânica: Revisão de bombas centrífugas para rede de combate à incêndio. Formato: artigo

Apresentação: vídeo RESUMO

A utilização de bombas hidráulicas na rede de combato ao incêndio é fundamental quanto a sua eficácia em suprir e abastecer devidamente os dispositivos extintores baseados na utilização de água, inclusive sprinklers de água ou água-espuma, hidrantes, spray de água e sistema de nebulização fina. É necessário considerar que uma bomba centrífuga – ou de qualquer outro tipo – instalada com o intuito de combate ao incêndio, deve se ater a uma serie de regulamentações e rigorosas exigências formuladas e impostas por diversas entidades ao longo dos anos, como por exemplo a NationalFireProtectionAssociation (NFPA) 20 e 25. Por isso, este trabalho visou avaliar tecnicamente o desempenho de uma unidade de bombeio d’água de uma rede de incêndio localizado em uma empresa petrolífera. A avaliação foi realizada durante teste de desempenho em campo, conforme preconizado pelas normas NFPA 20 e NFPA25. A avaliação foi realizada empregando um medidor ultrassônico portátil para vazão. Tal sensor é instalado externamente e a montante na linha de modo a medir a vazão da bomba que é associada às leituras de manômetros convenientemente instalados na tubulação. Com os dados obtidos do levantamento é traçada curva da bomba de N sistemas, permitindo assim uma visão da eficiência de um sistema de combate à incêndio com uso deste tipo de

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equipamentos.

Palavras-chave:Bomba centrífuga, NFPA, Incêndio, Curva da bomba. ABSTRACT

The use of hydraulic pumps in the fire fighting network is essential in terms of their effectiveness in supplying and properly supplying extinguishing devices based on the use of water, including water or water-foam sprinklers, hydrants, water spray and fine misting system. . It is necessary to consider that a centrifugal pump - or any other type - installed for the purpose of fighting fire, must adhere to a series of regulations and strict requirements formulated and imposed by several entities over the years, such as National Fire Protection Association (NFPA) 20 and 25. Therefore, this work aimed to technically evaluate the performance of a water pumping unit in a fire network located in an oil company. The evaluation was performed during field performance testing, as recommended by the NFPA 20 and NFPA25 standards. The evaluation was carried out using a portable ultrasonic flow meter. Such sensor is installed externally and upstream in the line in order to measure the flow of the pump that is associated with the readings of manometers conveniently installed in the pipeline. With the data obtained from the survey, the N system pump curve is drawn, thus allowing a view of the efficiency of a fire fighting system using this type of equipment.

Key-words:Centrifugal pump, NFPA, Fire, Pump curve. 1 INTRODUÇÃO

Redes de combate ao incêndio, das mais diversas configurações, são elementos cada vez mais fundamentais dentro de indústrias, fábricas, edifícios e comércios, tornando crucial a correta instalação e manutenção dos componentes presentes na rede, tais como as bombas. As bombas centrifugas são os tipos de bombas mais comuns presentes em rede de combate ao incêndio. Estas precisam operar com o máximo desempenho, minimizando toda e qualquer possibilidade de

erro ou falha. Dentro deste contexto, a organização internacional

NationalFireProtectionAssociation (NFPA) desenvolveu normas empregadas para a certificação de instalações de combate ao incêndio.

2 OBJETIVOS

Este trabalho visa relatar a avaliação técnica do desempenho da unidade de bombeio de uma empresa petrolífera, durante teste de performance de campo em atendimento as normas NFPA-20 e NFPA-25. Com base nesta avaliação, pretende-se elaborar um manual de testes de depretende-sempenho de bombas centrifugas para redes de incêndio. Dentro deste manual, estarão descritos uma metodologia de testes para o levantamento da curva da bomba em N sistemas, baseados em medições simples, rápidas e de baixo grau de interferência no sistema.

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Devemos entender que as normas são elaboradas e aplicadas com a finalidade de proteger vidas, primeiramente, e a propriedade em seguida, portanto, as análises a serem feitas em uma eventual bomba centrífuga para atender ao combate de incêndio, devem ser feitas obedecendo uma condição crítica de uso, adotando utilização máxima da capacidade e determinados fatores de segurança, de modo que o sistema seja projetado e preparado de forma que, ao abrir-se qualquer hidrante em qualquer parte da linha, seu funcionamento não seja comprometido para que não haja possíveis defeitos e/ou paradas em uma eventual situação de emergência.

3.1 NFPA 20

(Standard for theInstallationofStationaryPumps for FireProtection) é o padrão para instalação de bombas estacionárias para a proteção contra incêndio.

As bombas centrifugas não deverão ser utilizadas em sistemas onde é requerido a elevação estática de sucção. As bombas deverão fornecer não menos que 150% da capacidade do sistema avaliada em 65% da altura manométrica total avaliada. A altura desligada não deverá exceder 140% da altura avaliada para qualquer tipo de bomba.

Em uma bomba de diversas saídas em diversos pontos, a altura desligada não deverá exceder 140% da capacidade da capacidade avaliada para qualquer tipo de bomba.

Quando operando abaixo da velocidade avaliada num modo de auto regulagem, a variação de velocidade do modo de auto regulagem da unidade de bomba deverá manter a pressão de descarga entre 5% da pressão definida.

As bombas deverão ser seguramente fixadas em uma superfície sólida de modo que a bomba e o eixo de acionamento estejam devidamente alinhados.

As ligações entre as bombas e o motor deverão ser feitas com uma conexão flexível ou eixo de conexão flexível. A base de fixação deverá ser segura o suficiente para formar uma permanente e rígida base capaz de suportar os esforços realizados pela bomba. Os acessórios de ligação deverão ser catalogados devidamente para a bomba e sua utilização e deverão ser instalados de acordo com as recomendações.

3.1.1 Ativação da bomba contra incêndio

As bombas devem ser acionadas automaticamente, tanto quando se tratando de bombas elétricas quanto à diesel. Os meios mais usuais para se realizar a ativação automática da bomba são pressostatos ligados à tubulação do sistema de proteção contra incêndio por meio de linha sensora de pressão. Alguns outros métodos foram introduzidos à norma com o passar do tempo, como por exemplo detectores de fumaça e calor.

3.1.2Tubulações de sucção e recalque

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das tubulações envolvidas no sistema de proteção contra incêndio, tanto a tubulação de sucção como a de recalque, pois o tamanho, a disposição e os tipos de acessórios localizados na tubulação influenciam diretamente no desempenho da bomba no quesito de eficiência, como por exemplo se o diâmetro da tubulação for muito pequeno, a perda de carga a grandes vazões pode provocar pressões negativas no flange de sucção.

A NFPA 20 determina especificamente que a tubulação de sucção seja dimensionada de modo que a velocidade da água localizada na região de 10 diâmetros antes do flange de sucção não exceda determinado valor quando a bomba estiver operando com a capacidade máxima.

Os dispositivos ligados à rede devem obedecer algumas especificações abordadas pela NFPA 20 pois, se escolhidos de maneira equivocada, podem provocar turbulência excessiva na água que entra na bomba, gerando cavitação no flange de sucção da bomba, que consiste em bolsas de ar que entram junto da água, que podem influenciar no desempenho da bomba e até danificar os componentes.

3.1.3Válvulas de alívio

Para minimizar a possibilidade de danos por sobrepressurização à bomba e ao sistema de proteção contra incêndio, a NFPA 20 estabelece a necessidade de utilizar válvulas de alívio, as vezes instalados em conjunto com outros dispositivos. A NFPA 20 determina apenas 2 tipos de válvulas de alívio: de circulação e de pressão.

A válvula de alívio de circulação atua descarregando uma pequena quantidade de água da carcaça para impedir o aumento da temperatura. A NFPA 20 foi revisada para determinar que a válvula de alívio de circulação seja instalada no lado de descarga da bomba, antes da válvula de retenção na descarga.

As válvulas de alívio de pressão, necessárias para determinadas bombas diesel, são usadas para impedir a sobrepressurização do sistema de proteção contra incêndio quando o motor a diesel opera muito rapidamente.

3.2NFPA 25

(NationalFireProtectionAssociation)é o padrão para testes, inspeção e manutenção do sistema de proteção contra incêndio à base de água.

O padrão aborda capítulos de extrema importância no combate a incêndios como: sistema de sprinkler; Standpipe e sistema de mangueiras; Serviço privado de bombeiros; Tanques de armazenamento de água; Sistema fixo de pulverização de água; Sistema de aspersão de água e espuma; e bombas de incêndio, que será o nosso foco.

3.2.1 Inspeção

O objetivo da inspeção deve ser verificar se o conjunto da bomba está em condições operacionais e livre de danos físicos.

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As observações visuais pertinentes especificadas na seguinte lista de verificação devem ser realizadas semanalmente.

3.2.1.1Condições da casa da bomba

I. A temperatura adequada não deve ser inferior a 4°C para bomba com

motor elétrico ou a diesel com aquecimento.

II. A temperatura adequada não deve ser inferior a 21°C para bomba com

motor diesel sem aquecimento.

III. As grelhas de ventilação devem estar livres para operar.

IV. Água em excesso não deve se acumular no chão.

V. A proteção do acoplamento deve estar no lugar.

3.2.1.2Determinação das condições do sistema de bomba

I. As válvulas de sucção e descarga e by – pass da bomba devem estar

completamente abertas.

II. A tubulação está livre de vazamentos.

III. A leitura do manômetro da linha de sucção deve estar dentro faixa aceitável.

IV. A leitura do manômetro das linhas do sistema deve estar dentro do aceitável alcance possível.

V. O reservatório de sucção deve possuir o nível de água necessário.

VI. As válvulas de teste de fluxo de água devem estar na posição fechada

e a linha para teste deve estar livre de água.

3.2.1.3Determinação das condições do sistema do motor diesel

I. O tanque de combustível deve estar pelo menos dois terços cheio.

II. A chave seletora do controlador está na posição automática.

III. As leituras de voltagem das baterias dentro da aceitável faixa de alcance.

IV. As leituras atuais de carregamento das baterias dentro da faixa

aceitável.

V. O medidor de tempo de funcionamento do motor está lendo.

VI. O nível de óleo do cárter estar dentro da faixa aceitável.

VII. O nível de água de resfriamento estar dentro da faixa aceitável.

3.2.2Teste de vazão anual

Um teste anual com velocidade constante deve ser conduzido pela pessoa qualificada em três pontos: Shutoff, vazão nominal e 150% da vazão da capacidade nominal de cada bomba de combate a incêndio. Sendo controlado a vazão de água por instrumentos aprovados.

Um teste anual com velocidade variável deve ser conduzido pela pessoa qualificada nos seguintes pontos: shutoff, 25%, 50%, 75%, 100%, 125%, 150% da

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vazão da capacidade nominal de cada bomba de combate a incêndio. Sendo controlado a vazão de água por instrumento aprovados.

Se os suprimentos de disponível na sucção não permitirem vazão 150% da capacidade nominal da bomba de combate a incêndio, a bomba deve ser testada em 100% da vazão nominal e no máximo da vazão permitido no ponto de pressão mais baixo medido na sucção.

3.2.3Equipamento de teste

Manômetros, transdutores e outros dispositivos usados para medição durante o teste devem conter uma etiqueta com as datas da calibração válidas.

Medidores, transdutores e outros dispositivos, com exceção de medidores de vazão, utilizadospara a medição durante o teste deve ser calibrado no mínimo anualmente para uma precisão de +- 1%.

Os medidores de vazão devem ser calibrados anualmente para uma precisão de +- 3%.

4 CRITÉRIO DE PADRÃO

Deverá ser realizado anualmente um teste de performance de cada conjunto motobomba do sistema de combate a incêndio, o qual deve ser conduzido por pessoal qualificado, pelo menos em 5 pontos em vazões próximas às sugeridas a seguir: vazão zero (shut off), vazão nominal, 150% da nominal mais dois pontos neste intervalo, na rotação nominal, através do controle da vazão de descarga por meio de dispositivos de teste adequados.

Os conjuntos motobombas que atendem individualmente à demanda do cenário dimensionado são considerados com desempenho adequado se a curva ajustada aos pontos coletados durante os testes de campo (Q, H e RPM), atende ao cenário de maior demanda de consumo de água do sistema de combate a incêndio.

5 MATERIAL E MÉTODOS

5.1SISTEMA DE COMBATE A INCÊNDIO

O sistema de combate a incêndio é composto por 1 (um) tanque TQ-540001 com capacidade nominal de 4.190 m³ suprindo por gravidade as bombas A/B/C.

Este tanque é abastecido pela cisterna através das bombas.

A coluna hidrostática do reservatório de água, com altura aproximada de 14,64m (tanque cheio), é a responsável por manter a rede de incêndio pressurizado a 100 kPa até o ponto mais desfavorável.

Os 3 conjuntos de bombeio são compostos por bombas centrifugas horizontais, (fabricante SULZER), modelo SMH 202-500, simples estágio, dupla sucção, rotação de 1800 rpm, head nominal de 110 m @ 628 m³/h.

As bombas são acionadas por motores diesel, (fabricante SCANIA), modelo DC GOA, 384 kW @ 1800 rpm.

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Figura 1 – Sistema de Combate a Incêndio

Fonte: Acervo do autor

Na descarga de cada bomba existe uma válvula controladora de pressão (PVC), fabricante (fisher), tipo globo, auto operada, responsável por controlar a pressão do anel de incêndio desviando o excesso de água para o tanque.

Ela também garante a vazão mínima da bomba (Qmin = 300 m³/h).

Válvulas de Segurança de Pressão (PSV) estão instaladas na descarga de cada bomba protegendo o sistema de combate a incêndio contra pressões acima de 1370 kPa (valor de abertura).

As bombas podem ser acionadas manualmente ou automaticamente, porém só poderão ser desligadas no campo.

A bomba principal 1, parte automaticamente por:

I. Fluxo decorrente da abertura de um hidrante;

II. Fogo confirmado na unidade (confirmação dos detectores de chama

nas áreas);

III. Botoeira de emergência.

A bomba principal 2, parte automaticamente por:

I. Pressão baixa na rede de incêndio;

II. Parada da bomba principal 1, nas seguintes condições: falha na

partida, falha após a partida, trip da bomba principal 1, após temporização.

III. A terceira bomba fica na “Reserva”, partindo automaticamente nas

seguintes condições:

IV. Pressão baixa na rede (através do PSL), após temporização e;

V. Falha na partida da bomba principal 1.

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Primeiramente foi realizado um levantamento, em cada unidade de bombeio, das informações de range (diferença máxima ou mínima de um instrumento negocial ao longo de um determinado período.), precisão e as respectivas cotas de instalação de todos os instrumentos necessários para realização dos testes.

Verificou-se, em função da distribuição das tubulações, que o ponto mais adequado para instalação dos transdutores do medidor portátil ultrassônico de vazão era no trecho reto onde se encontra o coletor de sucção das bombas, pois, tem o menor índice de erro nas medições.

Afim de levantar a curva Head x Vazão (características da bomba), a válvula de descarga da bomba para o anel de incêndio foi mantida fechada e a modulação da vazão de água foi realizada através da variação de abertura de uma válvula de desvio PCV (Válvula Controladora de Pressão), circulando para o tanque, de forma

atingir a vazão máxima de 945 m3_{/h correspondente a 150% da vazão nominal}

(Qnominal) ou 628 m3/h.

Figura 2 – Ilustração do posicionamento do transdutor ultrassônico de vazão em um trecho da tubulação de combate ao incêndio.

Fonte: Acervo do autor

6 RESULTADOS E DISCUSSÃO 6.1UNIDADE DE BOMBEIO A

A unidade A encontrava-se com 21,8 horas de operação e apresentou o desempenho esperado de projeto e atendeu aos requisitos da NFPA20. O gráfico 01 mostra a curva de performance de campo.

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Fonte: Obtidos das medições e cálculos da unidade A.

Tabela 1 – Dados de vazão da unidade A. unidade A

pontos de medição / protocolo de teste

ponto 1 ponto 2 ponto 3 ponto 4 ponto 5 ponto 6 ponto 7

vazão 0 300 380 460 630 785 940

head 120 119 117 116 110 105 95

pontos de medição / teste de campo

ponto 1 ponto 2 ponto 3 ponto 4 ponto 5 ponto 6

vazão 80 342 540 650 780 955

head 120 119 112 106 100 87

pontos de medição / criterio NFPA 20

ponto 1 ponto 2 ponto 3

vazão 0 630 945

head 155 110 72

A bomba permaneceu operando durante 01:25 h e a temperatura dos mancais da bomba permaneceu estável e abaixo do limite máximo permitido pelo fabricante para temperatura medida na carcaça, próximo aos mancais (<75ºC).

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Tabela 2 – Dados de temperatura por vazão nos mancais da unidade A. unidade A

temperatura do mancal LA da bomba

ponto 1 ponto 2 ponto 3 ponto 4 ponto 5

vazão 340 520 635 760 930

temp 33 31 34 34 36

temperatura do mancal LOA da bomba

vazão 340 520 635 760 930

temp 33 31 36 38 39

A NFPA 20 não define os níveis de vibração aceitáveis, explicitando apenas que durante os testes de campo, as bombas não deverão apresentar vibração excessiva a ponto de comprometer o seu desempenho.

A API 610 estabelece que, nos testes de performance na bancada, as vibrações globais dos mancais deverão permanecer abaixo de 3 mm/s para a faixa entre 80% e 110% da vazão de máxima eficiência (neste caso 930 m3/h) admitindo um acréscimo de 30%, para faixa admissível de operação (70% a 120% da vazão de máxima eficiência).

A vibração dos mancais da bomba em função da vazão apresentou valores aceitáveis, considerando que as mesmas são acionadas por motores diesel. Os gráficos mostram a vibração dos mancais LA e LOA da bomba em função da vazão de operação.

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Gráfico3 – Gráfico de vibração do mancal LA.

Tabela 3 – Dados de vibração por vazão do mancal LA. unidade A

vibração do mancal LA da bomba - vertical

vazão 335 530 630 760 930

vibração 2,3 2,2 2,4 2,9 3,6

vibração do mancal LA da bomba - horizontal

vazão 335 530 630 760 930

vibração 2,05 1,7 2 2,2 2,8

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Tabela 4 – Dados de vibração por vazão do mancal LOA. unidade A

vibração do mancal LOA da bomba - vertical

vazão 335 530 630 760 930

vibração 2,3 2 3 3,2 3,3

vibração do mancal LOA da bomba - horizontal

vazão 335 530 630 760 930

vibração 1,5 1,2 1,75 2 2,4

6.2UNIDADE DE BOMBEIO B

A unidade B encontrava-se com 15,06 horas de operação e apresentou o desempenho esperado de projeto e atendeu aos requisitos da NFPA20. O gráfico mostra a curva de performance de campo.

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Fonte: Obtidos das medições e cálculos da unidade B.

Tabela 5 – Dados de vazão da unidade B. unidade B

vazão 0 300 380 460 630 785 940

head 120 119 117 116 110 105 95

vazão 86 310 484 639 805 998

head 122 117 112 105 99 80

vazão 0 630 945

head 155 110 72

A bomba operou 01:20h e a temperatura dos mancais da bomba permaneceu estável.

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Tabela 6 – Dados de temperatura por vazão nos mancais da unidade B. unidade B

vazão 300 470 610 722 955

temp 29 26 30 31 31

vazão 300 470 610 722 955

temp 30 26 33 33 34

A vibração dos mancais da bomba em função da vazão apresentou valores aceitáveis. Os gráficos mostram a vibração dos mancais LA e LOA da bomba em função da vazão de operação.

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Tabela 7 – Dados de vibração por vazão do mancal LA. unidade B

vazão 300 470 610 775 955

vibração 1,8 1,8 2,1 1,9 2,6

vazão 300 470 610 775 955

vibração 2,2 2,2 1,7 1,8 2,2

Gráfico 8 – Gráfico de vibração do mancal LOA.

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Tabela 8 – Dados de vibração por vazão do mancal LOA. unidade B

vazão 300 470 610 775 955

vibração 2,1 2,2 2 1,8 2,2

vazão 300 470 610 775 955

vibração 1,4 1,2 1,5 1,3 1,8

6.3UNIDADE DE BOMBEIO C

A unidade C encontrava-se com 21,4 horas de operação e apresentou o desempenho esperado de projeto e atendeu aos requisitos da NFPA20. O gráfico mostra a curva levantada no campo.

Gráfico 9 – Gráfico da curva da bombaC.

Fonte: Obtidos das medições e cálculos da unidade C.

Tabela 9 – Dados de vazão da unidade C. unidade C

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head 120 119 117 116 110 105 95

vazão 80 320 456 670 780 898 990

head 125 121 120 107 100 96 86

vazão 0 630 945

head 155 110 72

A bomba operou durante 01:40 h e a temperatura dos mancais da bomba permaneceu estável e abaixo do limite máximo permitido pelo fabricante para temperatura medida na carcaça, próximo aos mancais (<75ºC).

Gráfico 10 – Gráfico da temperatura dos mancais da unidade C.

Tabela 10 – Dados de temperatura por vazão nos mancais da unidade C. unidade C

vazão 310 441 650 760 875 960

temp 30 31,5 30 30 31,5 32

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vazão 310 441 650 760 875 960

temp 36 36 33 34 35 36

A vibração dos mancais da bomba em função da vazão apresentou valores aceitáveis.

Gráfico 11 – Gráfico de vibração do mancal LA.

Tabela 11 – Dados de vibração por vazão do mancal LA. unidade C

vazão 310 441 650 760 877 878

vibração 2 1,9 2,3 2 2,8 2,5

vazão 310 441 650 760 877 878

vibração 1,8 2 2,6 2,3 2,5 3

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Tabela 12 – Dados de vibração por vazão do mancal LOA. unidade C

vazão 310 441 650 760 877 878

vibração 2 2,3 2,8 2,8 2,6 2,6

vazão 310 441 650 760 877 878

vibração 1,5 1,6 1,5 1,7 1,6 1,8

Os testes foram realizados em conjunto com o fabricante, fornecedora do pacote de bombeio, entre os dias 15/07/2020 e 18/07/2020.

7 CONSIDERAÇÕES FINAIS

O padrão estabelece que os conjuntos moto-bombas que atendam individualmente à demanda do cenário dimensionado são considerados com desempenho adequado se a curva ajustada aos pontos coletados durante os testes de campo (Q, H e RPM), atende ao cenário de maior demanda de consumo de água do sistema de combate a incêndio, bem como mantem temperatura e vibração nos mancais do sistema, abaixo do estabelecido pelo fornecedor do equipamento.

Com base no resultado obtido no valor de pressão da bomba na vazão dimensionada do sistema, certificamos que a unidade de bombeio UB01 encontra-se operacional com capacidade de atender o maior consumo de água do sistema de combate a incêndio previsto no seu balanço hidráulico.

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REFERÊNCIAS

NATIONAL FIRE PROTECTION ASSOCIATION. NFPA 20: Standard for the

Installation of Stationary Pumps for Fire Protection. Massachusetts, p. 31. 2019.

NATIONAL FIRE PROTECTION ASSOCIATION. NFPA 25: Standard for the

Inspection, Testing, and Maintenance of Water-Based Fire Protection Systems.

Massachusetts, p. 32. 2020.

CONROY, Mark. Desempenho de Bombas contra Incêndio. NFPA en Español. Disponível em: https://www.nfpajla.org/pt/arquivos/sistemas-hidraulicos-supressao-e-de-extincao/988-maximo-rendimiento-de-bombas. Acesso em: 03 set. 2020.